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多排多孔共挤法生产塑料光纤的研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-10-10  来源:中国电线电缆网  浏览次数:1080
核心提示:  塑料光纤多排多孔共挤法生产塑料光纤的研究张耀明马永红(南京玻璃纤居研究设计院,江苏南京210012)用芯、皮料的性能要求,共挤模头的特点,牵伸收卷装置的设计思路以及工艺参数的优化匹配,并讨论了影响

  塑料光纤多排多孔共挤法生产塑料光纤的研究张耀明马永红(南京玻璃纤居研究设计院,江苏南京210012)用芯、皮料的性能要求,共挤模头的特点,牵伸收卷装置的设计思路以及工艺参数的优化匹配,并讨论了影响PS芯塑料光纤性能的因素。

  额估计己超过10亿。20世纪90年代初期由我院创造的连续挤出涂覆拉丝工艺是PS芯P0F生产的常用工艺方法。随着市场的迅速扩大,连续挤出涂覆拉丝工艺的缺陷越来越明显,一种高效稳定并适应性强的POF工业化生产方法成为行业发展的迫切需求,在此基础上,我院开展多排多孔共挤拉制P0F的工业化生产方法研究,该项目被纳入江苏省“九五”重大科技攻关项目。

  1刖目塑料光纤又称聚合物光纤,简称POF.最早实现商品化的是DUPONT公司1966年推出的Crofon*PMMA芯POF.针对POF损耗大、耐温低、带宽窄的缺点,经过近40年的发展,目前己形成包括低损耗POF、GI型POF、单模POF、荧光POF、非线性POF等多品种体系。产品在传光、传象、传感、短距离信息传输等领域应用广泛,2研究内容2.1总体思路如下:其中最具代表性的生产工艺方法属MitsubishiRayonCo.的连续聚合共挤拉丝工艺。

  工艺品制作等领域应用同样广泛,其中以价廉的PS芯POF应用最广,目前国内市场总芯料―芯料挤出机n皮料预处理―皮料挤出机」

  从工艺流程可知,POF在模头内实现同时挤出,模头是生产的关键。考虑到聚合分流、包覆形成SI型的折射率分布结构并物成型受临界剪切应力的限制,同时决定光纤成型质量的模头压降主要产生于模嘴部分,因此多孔共挤成型技术是实现POF高效生产的必然选择。

  采用多排多孔共挤拉丝工艺的优越性在于:有效抑制各种扰动,实现POF高效稳定生产;相对较低的牵引线速度可采用如风冷等简单的冷却定型方式,并有利于建立简单有效的后处理,如光纤着色、表面处理等;设计中采用模头组合技术可以达到多品种生产的目的,生产适应性强;共挤成型工艺避开了采用醋酸作溶剂的皮层涂覆液,从而使得中间废料和环境污染大大减少。

  22材料研究作为光纤的传输通道,高透明材料是必需的。共挤成型工艺要求不同材质在同一温度同一成型模嘴内经包覆成型并共同挤出。由于材料本身在熔融指数、加工温度t、压力p、粘度n临界剪切应力t、应力松驰时间、拉伸取向特性等上存在差异,并且存在不同的粘度-温度n-T,粘度-压力np变化特性。因此,材料研究的重点是保证两种材料在光学性能、热学性能、机械性能以及加工性能方面的匹配性。

  光学性能:两种高透明度无定形聚合物必须满足折射率差An以构成光导结构,要保证PS芯材纯度,不含如荧光白剂之类的添加剂,从而保证光纤具有平缓的可见光透射光谱曲线。

  热学性能:共挤工艺要求PS、PMMA之间应具有相近的熔融温度和加工温度范围内接近的nT特性曲线。

  加工性能:POF构成材料应符合大批量生产和高速成型要求,即PS、PMMA成丝性能良好。分子量分布窄且低分子量成分少、材质均匀的PMMA更能满足工艺要求。

  机械性能:符合产品要求。

  选定的最终材料性能见表1.表1芯。皮材料的性能牌号生产厂家包装形式性能指标测试方法数据折射率融熔指数透光率维卡软化点热变形温度玻璃化温度拉伸强度断裂点伸长率冲击强度吸水率2.3共挤模头共挤模头是实现共挤工艺的关键。

  分析聚合物材料假塑性流体特征及粘弹性流体特征,给共挤模头的设计提供了理论依据。

  2.3.1假塑性流体特征在挤塑加工过程中,聚合物流体满足假塑性流体的指数定律(剪切应力t于定温下施加到两个相距为dr的流体平行层面并以相对速度dv运动)艺为剪切速率,即与n均为常数(i<1)。k是这种流体稠度的一种量度,流体粘稠度越大时,k值就愈高;n是判定流体与牛顿流体的差别程度的。n值离整数1越远时,流体的非牛顿性就越强。n为1时,流体即为牛顿流体。为了达到稳定的层流流体对材料和模头都要有特殊的要求。利用挤塑加工中温度-压力等效性原理,在共挤模头设计时,从解决温度和压力均匀性问题入手,加工中温度-压力等效性原理,在共挤模头设计时,从解决温度和压力均匀性问题入手,结合光纤构成材料特点,以充分塑化、合理分流、稳定包覆为目的,完成模头形式及关键组件的设计。采用的共挤模头结构见。

  温度差at. 4*c时,高粘熔体层流流动速度是不稳定的。为避免物料在正圆柱流道中at过高,在PS正圆柱流道中特别设计了静态混炼芯模。芯模是包括多个正反螺旋线槽的实心模,PS物料在螺旋线槽内经多次的分流,降低了流动层之间的at.为避免熔体螺旋态流动造成的成型差异,芯模末端设计成使熔体变为直流流动的多孔板结构。

  在降低at同时,熔体流经相对更长的芯模后,经静态混炼加了聚合物的塑化效果,可以近似认为将挤出机的L/D加长了。

  对PS而言,在流道内部设置静态混炼芯模的作用是难以替代的。由于静态混炼芯模给PS熔体更大的挤塑背压,同时塑化效果强。结果表明,光纤抗折弯性能明显强。

  加热方式及温度场:不锈钢电阻加热器,热传导方式。为降低在模头静态混炼芯模中PS受到的剪切应力以及减少模头压降AP,模头温度场分为两个区域即流道区域和成型模嘴区域,分别的温度控制以保证有合理的温度梯度,流道区域的温度一般高于成型模嘴区域6~8*C.合适的温度场与加热功率有关,加热功率的计算方法可以是经验性的:G挤塑模质量,kg;t挤塑模工作温度,*c;n加热器效率,一般为0. C模具材料比热容,kj/kgc;t0挤塑模初始温度,取20t加热时间,h.温控点及温控手段:接近流道或成型区域位置。具有PID自整定功能的温度控制系统,加热温度波动<*0. 5*C,模头径压力均匀性:PMMA熔体流动方向与PS流向呈直角,熔体在正圆柱环形流道流动方向上存在阻力不均问题,导致压力不均。为此,在正圆柱环形流道内设置了阻力均衡块,其作用是利用阻力均衡块提供的对PMMA的附加阻力。在研究过程中大量工作是消除为均衡阻力而导致的流道死角及修正阻力均衡块的形式曲线。

  23.2粘弹性流体特征粘弹性流体特征包括在聚合物实际挤出过程中入口效应、口模膨胀效应及熔体破裂等行为。这些特征与多排多孔共挤模头模嘴设计及修正有关:()入口效应:在聚合物流体进入模嘴时,在模嘴处会产生次级环形流动。在高剪切速率下,不恰当的入口角a导致聚合物流体次级环形流动的更加剧烈而使成型的不稳定。根据物料特性及实验筛选,确定成型模嘴的入口角a为60*口模膨胀效应及熔体破裂:处于高剪切场内的聚合物流体受大分子流动取向及弹性变形效应的影响,流经成型口模后经充分松驰的挤出物直径大于口模直径,进而导致挤出物残留应力大,光学及机械性能变差。

  研究证明,简单加口模的成型长度可以降低口模膨胀效应,但由此导致的模头压降AP的大也会干扰成型稳定性;降低口模尺寸的方法又大了POF产品的残余应力。

  采用正圆锥成型模嘴,确定长径比L/D为6 ~8,锥度为6*结果证明,正圆锥成型模嘴的采用同时有效地提高了聚合物临界剪切应力,有利于高速成型。

  2.4牵伸收卷装置根据POF多排多孔共挤拉丝工艺要求,牵伸及收卷装置必须同时起到提供连续稳定的牵伸与收卷作用。设计的双机头牵伸收卷一体化装置如。

  2.5工艺参数完善的共挤模头设计保证了POF塑化、分流、挤出、成型的稳定性,牵伸收卷一体化装置保证了恒定的牵伸速度和牵伸张力,从而解决了成型工艺的进出物料平衡。

  在实现规模化生产中,应首先选择合适的挤塑主辅设备,再对由此建立的POF生产线进行调试,确定工艺参数,以保证POF产品具有较高的光透过性能及较低的光纤直径波动。

  根据材料特性及生产规模要求,确定挤塑设备。

  根据材料特性及工艺特点,调整操作工艺参数,实现工艺参数的优化及匹配。

  研究包括温度、牵伸速度、牵伸比、冷却温度等对成型工艺的影响。

  研究表明,温度是关键指标,它一方面决定聚合物流动特性和塑化效果,另一方面,对POF光学及机械性能也有明显的影响。挤出机机身温度参数取决于材料,而模头温度不但关系到成型质量,而且与挤塑压力有关。实践中,以透过率、丝径波动离散性、弯曲强度为主要验证指标,在合适的操作温度下,调整其它的相关参数以获得匹配。表2、3中列出了拉丝工艺的一些参数值。

  表2共挤拉丝的温度参数范围参数芯材温度(皮材温度(*C)表3共挤拉丝的操作工艺参数范围芯挤出机皮挤出机芯料挤出速度(k/h)皮料挤出速度(k/h)牵引线速度(m/min)牵伸比最大生产能力(kg/24h)3讨论进行多排多孔共挤法塑料光纤生产工艺方法研究的目的在于通过建立一种高效稳定的生产方法以达到POF高透过率、良好的机械性能以及多规格多品种产品。经过研究和实践,我们认为影响POF产品最终性能的主要因素包括:(1)材料:材料决定光纤的固有损耗,同时决定工艺过程的可行性,只有获得合乎要求的光纤芯、皮匹配的材料,才具备制作优质光纤的基础。

  工艺方法:与涂覆工艺不同,共挤技术的优越性是在模具内部实现POF的光学结构,不存在包覆质量的问题,同时由于是连续化的工艺方法,在物料控制方面就可以采用密闭式的自动加料方式,从而避免了环境因素(如灰尘)对光纤制作的影响。

  模具设计:模具是POF包覆成型并获得所需尺寸的关键组件,其设计合理性和加工组装精度决定了光纤的最终性能,尤其在包覆质量、包覆厚度、偏心度、光纤直径离散度等指标上最为明显,同时也影响光纤的机械性能。

  工艺参数:合适的工艺参数是维持共挤工艺中物料进出平衡的保证,根据材料特性,不合适的温度、速度等对光纤质量的影响也是致命的。如超温将损伤POF机械性能(尤其弯曲性能),而过低的加工温度将降低POF的光学性能。

  操作规程:工业化生产方法要求有严格的操作规程,由于本工艺己经达到单台日产能力900kg的高效率,制定并执行严格的操作规程尤为重要,某个我院技术转让单位因不执行操作规程而造成巨大浪费。物料的贮存、保管也应在合适的环境中,否则不能保证光纤产品的高质量。

  4结论结过近三年的试生产,多排多孔共挤法生产塑料光纤工艺技术被证明是一项工艺合理、运行稳定的PS芯POF工业化生产方法,其高效性及可适应性特点满足并拓展了日益长的市场需求,效益良好。

 
 
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