光纤二次套塑工艺探讨

Study for optical fiber secondary coating technology

    张海军

（江苏通鼎光电股份有限公司   吴江  215233）

ZHANG Hai-jun

(Jiangsu Tong Ding Optic-Electronic Stock Co., Ltd.，Wujiang 215233，China)

摘  要：本文介绍PBT束管的成型与余长形成机理，常规的光纤二次套塑工艺的情况和存在的问题，并提出一种改进的光纤二次套塑工艺制作方法与装置，它能够使作为光纤松套管材料的PBT得到充分结晶从而避免光纤PBT束管的挤塑后收缩, 保持束管中光纤余长的稳定。并能提高生产速度，从而提升生产效率。

Abstract：This paper  has introduced PBT tube shaping and EFL in theory, and the conditions about the common-used optical fiber secondary coating technology as well as its existing problems. A modified optical fiber secondary coating technology and installation is presented, which can make PBT, the material of the loose tube, crystallize fully, so that the post extrusion shrinkage of the tube can be avoided, and the EFL of the fibers in the tube will be stable. As a result, the speed of production is raised, so does the productivity.

关键词：束管成型   余长   后收缩   结晶    内应力

Key words：PBT tube shaping  EFL  post extrusion shrinkage  crystallization   inner- stress

一 、引言

随着我国光通信和信息产业的飞速发展，光纤光缆制造技术也得到了长足的发展，光缆工艺中最关键的控制点是在二次套塑工序，光纤的损耗、光缆的机械性能及温度特性等的好坏很大程度上取决于二次套塑的工艺控制，目前生产工艺已十分成熟。然而 PBT束管的挤塑后收缩仍是光缆制造中一项重要课题，一直没有得到根本的解决。本文介绍一种改进的光缆制造工艺，光纤二次套塑制作方法与装置，它能够使作为光纤松套管材料的PBT在工艺过程中得到充分结晶，从而避免光纤PBT束管的挤塑后收缩, 保持束管中光纤余长的稳定，并能提高生产速度，提升劳动生产率。

二 、PBT塑料的束管成型与余长形成机理

用于光纤松套管材料的PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）塑料是一种可以热成型的热塑性材料，属于半结晶性材料，具有高耐热性、韧性、疲劳性，在低温下可迅速结晶，结晶度可达40%。但PBT基料的平均分子量较低, 本征粘度约为0.8, 其机械性能还不能满足光纤松套管制作的要求，通常需对PBT基料进行扩链、增粘改性，以提高其平均分子量，使其本征粘度在1.2以上，从而得到有良好的力学性能，适合于光纤束管制作的PBT塑料。PBT塑料在温度的影响下具有二次收缩性，会对光纤的余长产生一定的影响，甚至造成光纤附加损耗的增加。所以PBT束管在生产过程中，如何获得高结晶度是生产工艺过程控制的关键。PBT塑料在不同温度下的力学聚集态如图1所示：

图1：PBT塑料在不同温度下的力学聚集态

图中：Tx—脆化温度    Tg—玻璃化温度     Tm—熔化温度    Td—分介温度

PBT塑料在不同温度下的聚集态的束管成型可分为三个区域：（1）熔融挤出区，（2）束管成型区，（3）余长形成区。分别说明如下： (1) PBT塑料的熔化温度为225℃左右, 挤塑机中PBT的熔融加工温度为250℃~ 270℃之间。因而，在挤塑机中聚合物处于粘流态，大分子链活动能力增加，链段同时或相继朝同一方向运动，在外力（螺杆推力）作用下，整个大分子链间互相滑动而产生形变，外力除去后不能恢复原状，此谓不可逆形变。（2）PBT塑料从出模口到进入冷水槽前, 即在经热水槽和余长牵引轮区间为束管成形区。在这一区间, PBT塑料从熔融状态温度迅速下降, 进入热水槽, 到达余长牵引轮, 该区水温在40℃~55℃之间, 加上PBT塑料自身余热, PBT塑料处于高于玻璃化温度(40℃~45℃之间)的高弹态。此时，聚合物的大分子链已不能运动，但链段尚有活动能力，在外力（牵引力）作用下能产生较大形变，此谓高弹形变，这是PBT束管成形中一个重要区域。这一区域形成了束管的拉伸比（Draw Down Rate），确定了PBT束管的外径和壁厚。这一区域的温度和PBT束管的经历时间也决定了PBT束管的结晶程度。（3）二次套塑的冷水槽温度通常设定在14℃~20℃之间, PBT束管进入冷水槽后, 塑料处于低于玻璃化温度, 呈玻璃态。聚合物的大分子链和链段均被冻结，在外力作用下，只是链段做瞬间形变，外力去除后，恢复原状，此即弹性形变。利用PBT束管的弹性形变是获得光纤在束管中余长的方法之一，PBT束管进入冷水槽后, 通过冷收缩, 形成光纤在束管中的余长也是在这一区间发生的。

光纤在PBT束管中的余长形成是通过热松弛原理来实现的，其原来如图2所示：

图2：常规的光纤二次套塑生产线示意图

图中：1为挤塑机机头；2为余长牵引轮；3为主牵引(履带牵引轮)；4为主牵引张力控制器； 5为收线盘；6为PBT束管；7为从光纤放线架上放出的多根光纤；8为热水槽； 9为余长牵引轮热水箱,它有与热水槽8连通的热水循环系统；10为冷水槽。

当PBT料从机头挤出后进入热水槽时, 其熔融时的粘流态转变为高弹态, 经余长牵引轮2牵引拉伸达到所需的PBT束管的外径和壁厚。PBT束管的拉伸比可达8～12。PBT束管在热水槽区段被拉伸的过程中，其内部分子间形成晶格趋向，从而产生收缩内应力。在余长牵引轮水箱9中，绕在余长牵引轮2上的PBT束管在高于PBT的玻璃化温度(40~45℃) 的环境中,结晶收缩,内部分子间在拉伸过程中形成的晶格趋向得到补偿，从而消除收缩内应力。

光纤从放线盘以一定张力放出，通过挤塑机机头，挤上PBT塑料束管,并在束管中充以油膏, 经热水槽成型后, 由轮式余长牵引轮牵引, 束管在轮上绕若干圈, 使光纤与束管锁定，然后进入冷水槽。由于光纤有一定张力，因此在余长牵引轮上，束管中的光纤会靠向轮的内缘，因而光纤的缠绕直径必然小于束管的缠绕直径，所以在余长牵引轮上，光纤长度小于PBT管长度，光纤束管为负余长。光纤束管在热水槽和余长牵引轮（浸在热水箱内）区域，PBT束管的温度在35℃~55℃之间。进入冷水槽后（温度通常设置在14℃~20℃之间）, PBT管产生冷收缩, 不仅补偿了其在余长牵引轮上的负余长, 而且产生了正余长。

三、常规光纤二次套塑生产线存在的问题

    常规光纤二次套塑工艺中，当PBT料从机头挤出后进入热水槽时, 其熔融时的粘流态转变为高弹态, 经余长牵引轮2牵引拉伸达到所需的PBT束管的外径和壁厚。PBT束管在热水槽区段被拉伸的过程中，其内部分子间形成晶格趋向，从而产生收缩内应力。在余长牵引轮水箱9中，如果绕在余长牵引轮2上的PBT束管如果能在高于PBT的玻璃化温度(40℃~45℃) 的环境中,有足够的结晶过程的话, 那么内部分子间在拉伸过程中形成的晶格趋向就能得到补偿，从而消除收缩内应力。遗憾的是, 在通常的二次套塑工艺中, 在余长牵引轮2上的PBT束管所处的温度和通过时间均不足以保证充分的结晶过程。而当PBT束管进入冷水槽后，因温度远低于PBT的玻璃化温度，因而结晶过程几乎停止。因而在二次套塑束管制成后一段时间内，PBT束管还会继续缓慢地结晶, 以期最终达到其结晶平衡度，这就造成PBT束管的挤塑后收缩(Post Extrusion Shrinkage), 从而使束管在长度方向进一步缩短, 光纤在束管中的余长增加。

通常的二次套塑生产线的结构速度可达到400~500m/min, 但当工作速度超过180~200m/min时, PBT管的结晶度过低, PBT管变得透明, 甚至无法成型。这也就是常规二次套塑生产线生产速度受到限制的根本原因。PBT束管的挤塑后收缩，在束管挤出后24小时以内，在高于玻璃化温度的环境中，束管呈自由状态时可高达0.4%~0.5%，但通常在二次套塑生产环境中，光纤束管存放在室温下，低于玻璃化温度，后结晶很小。同时，束管是以一定的收线张力绕在盘上，限制了束管进一步收缩，因此，挤塑后收缩比上列实验数据低得多。但当束管式光缆在挤制护套时，将遇到200℃以上的高温, 在护套挤出后, 尽管护套经冷却水冷却. 但实验数据表明, 光缆内还有60℃~70℃的温度可持续24小时以上，才能达到与环境温度平衡。此期间光纤束管会产生较大后收缩，直至达到PBT管的结晶平衡度. 但由于光缆中其他元件的牵制, PBT束管不可能产生较大收缩, 这种收缩趋向就转化为较大的PBT束管的内应力，从而造成PBT束管的微观应变, 进而会使束管内的光纤受到附加应力。

在成品光缆的拉伸试验中，除了检验光缆和光纤在拉伸力下的应变外，还需检验光缆中光纤在拉伸力下的附加损耗。行业标准规定：光缆在长期拉力下，光纤附加损耗应小于0.03dB, 在短期拉力下，光纤附加损耗应小于0.1dB。那么光缆拉伸试验中，光纤附加损耗是怎样形成的呢，不同拉显然它并不是光纤平均损耗（dB/Km）在力下的变化, 它是反映了被试光缆段中光纤在PBT束管中的所处状态的变化。光纤在PBT束管中的所处状态与光纤在束管中的余长、 以及sz绞合的拉伸窗口设计有关，也与PBT束管的几何规整度有关。因此，上述由PBT管后收缩应力引起的PBT束管的微观应变，在光缆受拉伸时的随机变化也是造成光纤附加损耗的主要原因之一。所以，改善光纤二次套塑工艺，避免PBT束管的挤出后收缩是光缆制造中一项重要课题。

四、介绍一种改进的光纤二次套塑生产线

   我们总是希望PBT管在二次套塑工艺中尽量结晶得充分些, 以减小挤塑后收缩， 这可通过适当提高热水区温度及增长束管通过热水区的时间来实现。下面就介绍一种改进的光纤二次套塑制作方法与装置，如图3所示，它能够使作为光纤松套管材料的PBT在加工过程中得到充分结晶从而避免光纤PBT束管的挤塑后收缩, 保持束管中光纤余长的稳定，又能大大提高光纤二次套塑的加工速度。

图3：新型的高速光纤二次套塑生产线示意图

图中1为挤塑机机头；2为f600mm双盘式余长牵引轮，其中一为驱动主余长牵引轮，另一个为被动分线轮；3为f600mm压带式轮式主牵引；4为主牵引张力控制器；5为f800mm双盘自动切换收线盘；6为PBT束管；7为从光纤放线架上放出的多根光纤；8为独立温控的热水槽；9为独立温控的余长牵引轮热水水浴箱；10为恒温冷水槽。

工艺过程如下: 光纤从放线盘以一定张力放出，通过挤塑机机头，挤上PBT塑料束管, 并在束管中充以油膏, 经温度为30℃~35℃独立温控的热水槽成型后, 由双轮式轮式余长牵引轮牵引, 束管在双轮余长牵引轮上绕10圈左右, 使光纤束管在双轮牵引轮上的缠绕长度为30~40m, 独立温控的余长牵引轮（如图4所示）水浴温度为50~60℃。 如前所述，在余长牵引轮上，光纤长度小于PBT管长度，光纤束管为负余长。进入冷水槽后（温度通常设置为14~20^oC之间）, PBT管产生冷收缩, 不仅补偿了其在余长牵引轮上的负余长而且产生了正余长。光纤在束管中的余长大小则可通过调节光纤放线张力、冷热水槽的水温差以及主牵引的牵引张力等工艺参数来调节。在光纤二次套塑的上述系统中，PBT束管可以得到充分结晶,从而大大减小或避免了挤塑后收缩现象； 生产速度可提高到280~300m/min, 从而达到二次套塑高速生产的效果。其理由解释如下: 1， 在本装置中,将热水槽温度设置较低(30~35℃), 水槽长度较长，是为了在高速挤出时, 能使PBT束管在通过热水槽的短时间内就能定型, 2， 采用双轮余长牵引并多圈缠绕, 设置温度为50~60℃。使PBT束管在独立温控的余长牵引轮热水水浴箱内、在高于PBT的玻璃化温度(40~45℃)下、并有较长停留时间，从而能加速结晶速度，提高结晶度。3，由于余长牵引轮水浴与冷水槽的温差较大，PBT束管进入冷水槽后的冷收缩较大, 可能会造成光纤束管余长太大, 这时需通过增大主牵引的张力来制约PBT的冷收缩量, 以调节光纤在束管中的余长。由此可见，采用改进的二次套塑的方法和装置后，可大大加速光纤二次套塑的加工速度，并能得到结晶好、挤塑后收缩小的光纤束管。

图4：双轮余长牵引的实例照片

五、试验数据分析

针对PBT束管的挤出后收缩，我们做了相关的试验，收集了数据，如下表所示：

试验条件一试验结果：（挤塑后收缩量数值为 % ）

试验条件二试验结果：（挤塑后收缩量数值为 % ）

从上表可以看出：1、生产速度对束管后收缩是有直接影响的，速度越快，在高于PBT的玻璃化温度(40~45℃)下水温里停留的时间越短，结晶越不充分，挤塑后收缩也越大；2、改进后的二次套塑线束管在独立温控的余长牵引轮热水水浴箱内，在高于PBT的玻璃化温度(40~45℃)下、有较长停留时间，能加速结晶速度，从而提高结晶度，挤塑后收缩也就越小；3、PBT束管在高于PBT的玻璃化温度(40~45℃) ，60℃试验环境下比25℃环境下后收缩比例要大。

试验条件：

水温一（常规线）：热水槽水温度48℃，冷水槽水温度20℃；

水温二（改进线）：热水槽1区水温度35℃，2区水温度55℃，冷水槽水温度20℃；

收缩试验条件一：10米样品，25℃环境下放置24小时，各取5个样品求平均；

收缩试验条件二：10米样品，60℃环境下放置24小时，各取5个样品求平均。

光纤束管回缩后，在其他元件的牵制下, 会产生较大的PBT束管的内应力，从而造成PBT束管的微观应变, 进而会使束管内的光纤受到附加应力。基于此我们采用两种材料和结构完全相同的层绞式光缆，分别利用常规的单轮余长牵引、两段温控的二次套塑设备制成的光纤PBT束管成缆后的光缆和利用新的双轮余长牵引、三段温控的二次套塑设备制成的光纤PBT束管成缆后的光缆进行了拉伸时的附加损耗曲线试验对比， 曲线分别如图5和图6所示：

图5. 利用常规的单轮余长牵引、两段温控的二次套塑设备制成的光纤PBT束管成缆后的光缆拉伸试验时的附加损耗曲线

图6.  利用新的双轮余长牵引、三段温控的二次套塑设备制成的光纤PBT束管成缆后的光缆进行拉伸试验时的附加损耗曲线

由两者曲线比较可见：图5所示的附加损耗曲线变化大于图6所示的附加损耗曲线。 实证了新的双轮余长牵引、三段温控的二次套塑设备制成的光纤PBT束管在二次套塑工艺过程中有完善的结晶过程，挤塑后收缩小，从而相应地改善了光缆的拉伸性能。

六、结论

二次套塑工序是光缆生产过程中最关键的工序，光缆的光纤损耗、光缆的拉伸、温度特性、长期稳定性等主要性能很大程度上取决于二次套塑的质量，所以称二次套塑工序为设备、工艺、材料三者统一的完美艺术一点也不为过，只有了解了设备的特性、工艺的原理、材料的性能，才能找到合理的最佳质量控制点。

参考文献

[1]  陈炳炎。光纤光缆的设计和制造。浙江大学出版社。2003年3月第一版