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2014/07/31
作者：何炳 钱昆 沈国锋 田锦成 贺程程 满小忠 向德成
一、引言
随着4G网络的蓬勃发展和“宽带中国战略”的实施，市场对光纤的需求必然会大幅增长。然而，随着光纤需求增大的同时，光纤生产厂家也日益增多，不同厂家之间的竞争日趋激烈。为了提高产品竞争力，目前需要从两方面着手：1、进一步降低光纤的制造成本，从而在集采竞标中具有较强的价格优势；2、通过技术革新和工艺控制的方式改善和提高光纤的各项参数性能，逐步建立品牌价值。
目前，提高光纤生产效率，降低制造成本最为有效的方法有两种：1、使用大尺寸光纤预制棒；2、提高拉丝速度。光纤预制棒的制备工艺复杂，目前常用的预制棒直径在Ф200左右，进一步增大预制棒尺寸技术难度极大。因而，提高拉丝速度，成为当前提高光纤生产效率、降低成本的较为切实可行的方案。但是随着拉丝速度的提高，光纤拉丝的工艺稳定性一般也会急剧降低，特别是对光纤涂覆工艺影响较大。当拉丝速度提高时，光纤在进入到涂覆模具时的温度就会增加，一般来说进入到模具时的裸光纤温度应保持在40－60℃之间，如果温度过高就会对涂覆质量和光纤性能造成影响。同样，在高速拉丝状态下，涂覆压力会急剧增加，为了限制涂覆压力的剧增就需要增加涂覆模具的温度，而涂覆温度增加又会影响涂料的粘度，容易造成内外涂层界面的混乱。因此，要在高速状态下制备出高质量光纤，必须对光纤的冷却装置和涂覆工艺进行相应的调整。
光纤的内涂层具有较低的弹性模量，可以缓冲外界的应力，直接影响着光纤的抗弯曲性能。同时光纤内涂层直径对光纤的剥离力、动态疲劳强度及环境试验性能均有较大影响。本文通过大量实验系统地研究了不同拉丝速度下的冷却管结构、冷却管进气方式、He气流量等冷却方式的改变对内涂直径的影响；同时还研究了涂料温度、涂覆压力等涂覆工艺参数对内涂直径的影响，这些研究对实现高速状态下，制备高质量的低成本光纤具有重要意义。
二、实验及结果分析
1、冷却管对内涂直径的影响
（1）冷却管结构的影响
为了确保光纤涂覆的质量，裸光纤在到达涂覆模具之前，其温度需要降低到40－60℃左右。在高速拉丝条件下，一般使用冷却管对光纤进行强制冷却。冷却管由金属材质制成，通过水冷的方式保持20℃以下的恒定温度。玻璃光纤在冷却管中通过其周围的介质气体将热传递给冷却管，然后由冷却管内的冷却水将其热量带走。光纤向冷却管的热传递主要以传导和对流两种方式进行，而这两种方式的热传递效果主要取决于冷却管内冷却气体的导热系数。表1中给出了常规气体的导热系数，通过比较发现H2和He的导热系数都很低，分别为0.1805 W/(m·K)、0.1513 W/(m·K)，都是良好的热传导介质，但是H2具有易燃、易爆等特点，使用时很危险，不宜用于冷却管的介质气体。综合考虑冷却效果和安全性，一般使用He作为冷却管的介质气体。
图1 冷却管1结构示意图 图2 冷却管2结构示意图
表2为不同拉丝速度下，冷却管结构对内涂直径的影响比较。在相同拉丝速度、相同的冷管长度以及冷却水温度的条件下，使用冷却管2拉丝的光纤内涂直径较大，表明裸光纤在进入涂覆模具之前其温度相对冷却管1更低，从而说明冷却管2的冷却效果更好。同时，表2还可以观察到随着拉丝速度的增大，使用冷却管2拉丝的光纤内涂直径与冷却管1的内涂直径之差Δ呈现出增大的趋势，尤其在高速拉丝的状态下，冷却管2冷却效果更佳，当速度达到2000m/min时Δ可以达到1.9μm。
在光纤拉丝生产中，拉丝速度的提高会使得光纤在冷却管中滞留的时间缩短，冷却不充分。其结果是较高温度光纤使其周围涂覆料的粘度降低，内涂涂层厚度变薄。
在高速拉丝条件下，为了使内涂直径控制在要求范围内，通常采用的解决方法：一是增加冷却管长度；二是加大He流量。增加冷却管长度可以延长光纤在冷却管内的滞留时间，使光纤冷却更充分，但是这种方法需要增加拉丝塔高度，相应的厂房等设施的高度也都要增加，从而导致成本大幅提高。加大He气流量，可以增加He在冷却管介质气体中的比例，同时增加He的密度，从而增加了冷却管介质气体的实际导热系数，提高冷却效果。
图3显示了拉丝速度对内涂直径的影响：在冷却管内He流量不变的情况下，将拉丝速度从1400m/min逐步提高到2000m/min，内涂直径不断降低，而且速度越高，下降幅度越大。
图4显示了不同拉丝速度下He流量对内涂直径的影响：在相同的拉丝速度下，加大He流量会使得内涂直径逐渐增大，如在1600m/min的拉丝速度下，He流量为4L时，内涂直径为189.7μm，而当He加大到8L时，内涂直径则增大到192.7μm；不同的拉丝速度其He流量的增加对内涂直径的影响幅度不同，速度越高影响更为明显。
图3 拉丝速度对内涂直径的影响
图4 He流量对内涂直径的影响
由于He价格昂贵，在实际生产过程中由拉丝速度提高所获得的经济效益，通常会因为He消耗增加而有所下降。因此，通过设备和工艺优化降低冷却管中的He消耗量成为降低光纤成本的有效方式之一。
（3）进气方式的影响
本实验所使用的冷却管设计如图5所示：A、B、C、D分别代表4个进气口，从上至下均匀分布在冷却管上。表3罗列了①～④四种不同进气方式下He在不同进气口内气流量。
图5 冷却管进气口位置示意图
表3 不同进气方式组合表
图6 不同冷却管进气方式对内涂直径的影响
产生图6中现象的原因是处于冷却管中部和下部的He未能充分发挥冷却介质的作用。特别是处于冷却下口的He，在高速拉丝过程中，这些He会被高速运动的光纤迅速带出冷却管进入周围大气中，从而失去热交换介质的作用。因而在实际的生产中应使用进气方式④，这样可以减少He气的用量，将内涂直径控制190μm左右。
2、涂覆方式对内涂直径的影响
内涂直径的大小除了与冷却管的冷却效果有关外，还受涂覆模具的孔径和涂覆系统的工艺参数等因素的影响。本实验中使用的内涂模具孔径为220μm，涂覆工艺参数主要包括模具内涂料温度、涂覆压力等。
（1）模具涂料温度对内涂层直径的影响
涂料粘度一般随着温度的升高而降低。当涂覆模具的温度升高时，模具内涂料的粘度就会随之降低，从而使从模具涂料进口到裸光纤之间的涂料压阻降低，这样会使更多的涂料达到光纤附近并随光纤从下模具口挤出，其结果是涂层直径增加。
图7为不同拉丝速度下，内涂直径与模具涂料温度的之间关系曲线。图7中光纤的内涂直径随模具内涂料温度的增加而增加，当拉丝速度逐渐增加时，涂料温度对内涂直径的影响越来越小。当拉丝速度提升到2000m/min时，涂料温度变化20℃，内涂直径变化约1μm。 在高速拉丝条件下，裸光纤附近非常薄的区域内的涂料会因为“剪切变稀”效应使得其粘度急剧降低，这样使裸光纤和附近区域的涂料产生 “打滑”现象，被裸光纤带出模具下口的涂料会减少。因此，高速拉丝条件下温度对内涂直径的影响降低。
图7 内涂直径随模具涂料温度的变化
（2）涂覆压力对内涂直径的影响
提高涂覆模具内的涂料压力，理论上从两方面可以使涂层直径增加：①涂料压力增加会使模具入模口处的涂料弯液面上升，从而提高了光纤在模具内的有效涂覆距离；②高的涂料压力可以使更多的涂料被压送到裸光纤附近并被带出下模具口。
图8给出了内涂直径与涂覆压力之间的关系曲线，从中可以看出在相同的拉丝速度下，内涂直径随涂覆压力的增加，呈现出小幅增大的趋势。不同速度下内涂直径随压力的变化幅度差异不大。
图8 内涂直径随涂覆压力的变化
三、结论
高速拉丝条件下，光纤的内涂直径会急剧降低，从而使光纤微弯性能恶化。为了优化高速拉丝条件下光纤的相关使用性能，提高内涂直径，本文从冷却的结构、工艺方式以及涂覆系统的相关工艺条件进行了研究，其主要结论如下：
光纤冷却管的内部结构对其冷却效果具有较大影响，将冷却管的内腔设计成格栅型，可以明显提高光纤的冷却效果，增加内涂直径。
在任何拉丝速度条件下，增加冷却管内的He流量可以成线性地增加内涂直径。
在高速拉丝条件下，将He完全从冷却管的上口喷入可以显著提高光纤的冷却效果，内涂直径为最大值。
增加模具内的涂料温度和压力都可以提高内涂直径，但幅度较小。
随着4G网络的蓬勃发展和“宽带中国战略”的实施，市场对光纤的需求必然会大幅增长。然而，随着光纤需求增大的同时，光纤生产厂家也日益增多，不同厂家之间的竞争日趋激烈。为了提高产品竞争力，目前需要从两方面着手：1、进一步降低光纤的制造成本，从而在集采竞标中具有较强的价格优势；2、通过技术革新和工艺控制的方式改善和提高光纤的各项参数性能，逐步建立品牌价值。
目前，提高光纤生产效率，降低制造成本最为有效的方法有两种：1、使用大尺寸光纤预制棒；2、提高拉丝速度。光纤预制棒的制备工艺复杂，目前常用的预制棒直径在Ф200左右，进一步增大预制棒尺寸技术难度极大。因而，提高拉丝速度，成为当前提高光纤生产效率、降低成本的较为切实可行的方案。但是随着拉丝速度的提高，光纤拉丝的工艺稳定性一般也会急剧降低，特别是对光纤涂覆工艺影响较大。当拉丝速度提高时，光纤在进入到涂覆模具时的温度就会增加，一般来说进入到模具时的裸光纤温度应保持在40－60℃之间，如果温度过高就会对涂覆质量和光纤性能造成影响。同样，在高速拉丝状态下，涂覆压力会急剧增加，为了限制涂覆压力的剧增就需要增加涂覆模具的温度，而涂覆温度增加又会影响涂料的粘度，容易造成内外涂层界面的混乱。因此，要在高速状态下制备出高质量光纤，必须对光纤的冷却装置和涂覆工艺进行相应的调整。
光纤的内涂层具有较低的弹性模量，可以缓冲外界的应力，直接影响着光纤的抗弯曲性能。同时光纤内涂层直径对光纤的剥离力、动态疲劳强度及环境试验性能均有较大影响。本文通过大量实验系统地研究了不同拉丝速度下的冷却管结构、冷却管进气方式、He气流量等冷却方式的改变对内涂直径的影响；同时还研究了涂料温度、涂覆压力等涂覆工艺参数对内涂直径的影响，这些研究对实现高速状态下，制备高质量的低成本光纤具有重要意义。
二、实验及结果分析
1、冷却管对内涂直径的影响
（1）冷却管结构的影响
为了确保光纤涂覆的质量，裸光纤在到达涂覆模具之前，其温度需要降低到40－60℃左右。在高速拉丝条件下，一般使用冷却管对光纤进行强制冷却。冷却管由金属材质制成，通过水冷的方式保持20℃以下的恒定温度。玻璃光纤在冷却管中通过其周围的介质气体将热传递给冷却管，然后由冷却管内的冷却水将其热量带走。光纤向冷却管的热传递主要以传导和对流两种方式进行，而这两种方式的热传递效果主要取决于冷却管内冷却气体的导热系数。表1中给出了常规气体的导热系数，通过比较发现H2和He的导热系数都很低，分别为0.1805 W/(m·K)、0.1513 W/(m·K)，都是良好的热传导介质，但是H2具有易燃、易爆等特点，使用时很危险，不宜用于冷却管的介质气体。综合考虑冷却效果和安全性，一般使用He作为冷却管的介质气体。
表1 不同气体的导热系数
| 气体 | 导热系数[W/（m·K)] |
| H2 | 0.1805 |
| He | 0.1513 |
| N2 | 0.02583 |
| O2 | 0.02658 |
| Ar | 0.01772 |
| 空气 | 0.023 |
为了研究不同冷却管结构对内涂直径的影响，本实验中用了两种结构的冷却管：冷却管1，其结构如图1所示；冷却管2，其结构如图2所示。冷却管1中的通道为光滑直通型，该类型的冷却管结构简单，易于清理和维护，可以有效避免冷管内粘附的碎光纤及灰尘对光纤强度的影响。冷却管2内部增加了很多格栅，用以减缓He被高速运动的光纤带出冷却管的速度，从而减少He的使用量。
图1 冷却管1结构示意图 图2 冷却管2结构示意图
表2 冷却管结构对内涂直径的影响比较
| 拉丝速度（m/min） | 内涂直径（μm） | Δd(μm) | |
| 冷却管1 | 冷却管2 | ||
| 1400 | 193.3 | 193.5 | 0.2 |
| 1600 | 192.1 | 192.7 | 0.6 |
| 1800 | 190.4 | 191.3 | 0.9 |
| 2000 | 186.3 | 188.2 | 1.9 |
基于以上两种类型冷却管特点的对比及考虑到本文中实验所用的拉丝速度较高（最高达2000m/min），因而选择冷却管2作为实验所用冷却管。
（2）冷却管介质气体流量的影响在光纤拉丝生产中，拉丝速度的提高会使得光纤在冷却管中滞留的时间缩短，冷却不充分。其结果是较高温度光纤使其周围涂覆料的粘度降低，内涂涂层厚度变薄。
在高速拉丝条件下，为了使内涂直径控制在要求范围内，通常采用的解决方法：一是增加冷却管长度；二是加大He流量。增加冷却管长度可以延长光纤在冷却管内的滞留时间，使光纤冷却更充分，但是这种方法需要增加拉丝塔高度，相应的厂房等设施的高度也都要增加，从而导致成本大幅提高。加大He气流量，可以增加He在冷却管介质气体中的比例，同时增加He的密度，从而增加了冷却管介质气体的实际导热系数，提高冷却效果。
图3显示了拉丝速度对内涂直径的影响：在冷却管内He流量不变的情况下，将拉丝速度从1400m/min逐步提高到2000m/min，内涂直径不断降低，而且速度越高，下降幅度越大。
图4显示了不同拉丝速度下He流量对内涂直径的影响：在相同的拉丝速度下，加大He流量会使得内涂直径逐渐增大，如在1600m/min的拉丝速度下，He流量为4L时，内涂直径为189.7μm，而当He加大到8L时，内涂直径则增大到192.7μm；不同的拉丝速度其He流量的增加对内涂直径的影响幅度不同，速度越高影响更为明显。
图3 拉丝速度对内涂直径的影响
图4 He流量对内涂直径的影响
（3）进气方式的影响
本实验所使用的冷却管设计如图5所示：A、B、C、D分别代表4个进气口，从上至下均匀分布在冷却管上。表3罗列了①～④四种不同进气方式下He在不同进气口内气流量。
图5 冷却管进气口位置示意图
表3 不同进气方式组合表
| 进气方式 | 进气口A | 进气口B | 进气口C | 进气口D | |
| He流量（L/min） | ① | 2 | 2 | 2 | 2 |
| ② | 2.7 | 2.7 | 2.7 | 0 | |
| ③ | 4 | 4 | 0 | 0 | |
| ④ | 8 | 0 | 0 | 0 |
图6为进气方式与内涂直径的关系曲线，通过比较发现：在不同速度条件下，8L/min He全部由上进气口进入冷却管时得到的内涂直径始终最大，2000m/min速度下内涂直径可达192.5μm，表明与相比其他的进气方式，进气方式④可以使裸光纤冷却到最低的温度。
图6 不同冷却管进气方式对内涂直径的影响
2、涂覆方式对内涂直径的影响
内涂直径的大小除了与冷却管的冷却效果有关外，还受涂覆模具的孔径和涂覆系统的工艺参数等因素的影响。本实验中使用的内涂模具孔径为220μm，涂覆工艺参数主要包括模具内涂料温度、涂覆压力等。
（1）模具涂料温度对内涂层直径的影响
涂料粘度一般随着温度的升高而降低。当涂覆模具的温度升高时，模具内涂料的粘度就会随之降低，从而使从模具涂料进口到裸光纤之间的涂料压阻降低，这样会使更多的涂料达到光纤附近并随光纤从下模具口挤出，其结果是涂层直径增加。
图7为不同拉丝速度下，内涂直径与模具涂料温度的之间关系曲线。图7中光纤的内涂直径随模具内涂料温度的增加而增加，当拉丝速度逐渐增加时，涂料温度对内涂直径的影响越来越小。当拉丝速度提升到2000m/min时，涂料温度变化20℃，内涂直径变化约1μm。 在高速拉丝条件下，裸光纤附近非常薄的区域内的涂料会因为“剪切变稀”效应使得其粘度急剧降低，这样使裸光纤和附近区域的涂料产生 “打滑”现象，被裸光纤带出模具下口的涂料会减少。因此，高速拉丝条件下温度对内涂直径的影响降低。
图7 内涂直径随模具涂料温度的变化
提高涂覆模具内的涂料压力，理论上从两方面可以使涂层直径增加：①涂料压力增加会使模具入模口处的涂料弯液面上升，从而提高了光纤在模具内的有效涂覆距离；②高的涂料压力可以使更多的涂料被压送到裸光纤附近并被带出下模具口。
图8给出了内涂直径与涂覆压力之间的关系曲线，从中可以看出在相同的拉丝速度下，内涂直径随涂覆压力的增加，呈现出小幅增大的趋势。不同速度下内涂直径随压力的变化幅度差异不大。
图8 内涂直径随涂覆压力的变化
三、结论
高速拉丝条件下，光纤的内涂直径会急剧降低，从而使光纤微弯性能恶化。为了优化高速拉丝条件下光纤的相关使用性能，提高内涂直径，本文从冷却的结构、工艺方式以及涂覆系统的相关工艺条件进行了研究，其主要结论如下：
光纤冷却管的内部结构对其冷却效果具有较大影响，将冷却管的内腔设计成格栅型，可以明显提高光纤的冷却效果，增加内涂直径。
在任何拉丝速度条件下，增加冷却管内的He流量可以成线性地增加内涂直径。
在高速拉丝条件下，将He完全从冷却管的上口喷入可以显著提高光纤的冷却效果，内涂直径为最大值。
增加模具内的涂料温度和压力都可以提高内涂直径，但幅度较小。
