渐变折射率分布型塑料光纤的研究

1、第23卷第1期高分子材料科学与工程V o l.23,N o.12007年1月POL Y M ER M A T ER I AL S SC IEN CE AND EN G I N EER I N G Jan.2007渐变折射率分布型塑料光纤的研究孟凯,胡群华,夏金安,沈国英,邱高,严治仁(东华大学材料学院,上海200051摘要:用甲基丙烯酸甲酯(MM A作为基质,在离心设备上采用界面凝胶聚合技术成功地制备了中空的渐变折射率分布(G I塑料光纤预制棒,避免了普通的界面凝胶聚合方法制备时容易出现气泡的现象,而且可以得到需要的折射率分布。将这样的空心预制棒在合适的条件下熔融拉丝,即可以得到连续、透明、实

2、心的渐变分布折射率塑料光纤。关键词:渐变折射率分布;塑料光纤;界面凝胶技术;熔融拉丝中图分类号:O631.2+4文献标识码:A文章编号:100027555(20070120215203随着人们对多媒体信息的极大需求,信息高速公路、全光网络等概念纷纷被提出。当前,石英玻璃光纤已广泛用于长距离的通讯;而在较短距离(100m以下、较复杂的室内空间,石英玻璃光纤却存在易折断、不易弯曲、弯曲时的附加损耗大,以及制造成本高等缺点。目前在较短距离、复杂的室内空间,大量使用的是对绞铜线,但其传输带宽较小,不能满足信息高速公路的要求。日本庆应大学Ko ike等人在突变折射率分布(S I型塑料光纤的基础上,成功地

3、用界面凝胶聚合技术1,2制得了渐变折射率分布(G I型光纤。所谓G I型光纤,是指为了解决塑料光纤输入脉冲被加宽的问题而控制光纤芯区的折射率为渐变的且呈抛物线的分布,即纤芯轴心的折射率最大,折射率由轴心沿径向逐渐变小。光在这种光纤中传播的路径近似正弦波,较长的光路被较大的光速所补偿,故能在G I型塑料光纤中得到较大的传输带宽。然而,在利用界面凝胶聚合技术制备G I型塑料光纤预制棒时,很容易产生气泡及局部不透明等问题,因此有人提出用溶胀2凝胶聚合法3和引发剂扩散技术4来改善这种缺陷的产生。本文在离心设备上采用界面凝胶聚合技术成功地制备了渐变折射率分布(G I塑料光纤空心预制棒,所得到的空心预制棒

4、透明、无气泡,并测定到其折射率呈抛物线型渐变分布。通过控制拉丝工艺条件,得到了透明、连续、无气泡的G I型塑料光纤。1实验部分1.1材料单体:甲基丙烯酸甲酯(MM A,经减压蒸馏后使用;偶氮二异丁腈(A I BN:经乙醇重结晶后作为引发剂;十二硫醇:链转移剂;掺杂剂:直接采用L ancaster公司生产的二苯亚砜(D PSO,纯度大于97% 。F ig.1The sketch of the equip men t1.2GI型空心预制棒的制备首先,采用离心法2制成纯聚甲基丙烯酸甲酯管(PMM A管,其外径15mm,内径9 mm。然后在如F ig.1所示的水平旋转的离心设收稿日期:20052102

5、08;修订日期:2006201220基金项目:上海市科委光科技行动计划“梯度折射率聚合物光纤的研究”资助项目备上,将含有A I BN 、十二硫醇和D PSO 的MM A 单体混合物加入到一端封闭的PMM A 管中,并将管的另一端封闭。将封闭好的PMM A 管水平放入到此离心设备中,在高于50、转速高于1000r m in 的条件下反应24h 以上,得到了聚合良好的空心预制棒。1.3空心预制棒的拉丝自行设计的一套拉丝装置如F ig .2所示。实验中在设定的条件下,用制备的空心预制棒进行拉丝实验,得到了实心无缺陷、透明、连续的G I 型塑料光纤。1.4空心预制棒及塑料光纤折射率分布测试空心预制棒的

6、折射率分布由PK 2600型YOR K 预制棒分析仪测试得到,采用折射率为1.461的匹配油为参比。塑料光纤的观察和折射率分布由中国科学院化学所和浙江大学共同研制的塑料光纤折射率分布测试仪测试得到,采用折射率为1.472的蓖麻油为参比 。F ig .2The sketch of the drawi ng furnaceF ig .3The sketch map of the poly mer ization2结果与讨论2.1离心作用对预制棒折射率分布形成的影响本实验选用MM A 作为低折射率的单体,而D PSO 作为高折射率分子。D PSO 分子并不参加聚合反应,只起调节折射率的作用。在聚合反

7、应过程中,PMM A 管的内壁被单体溶胀,使管的内壁变成了凝胶相。由于凝胶聚合加速效应,聚合物优先在凝胶相内形成并逐步向管中心延伸,整个管的固化过程从管内壁向中心推进。在此溶胀聚合过程中,MM A 分子和D PSO 分子逐渐向凝胶相扩散。由于D PSO 分子不参与聚合反应,且分子体积较大,向凝胶相扩散的速度较慢,随着聚合物从管的内壁向中心逐步固化,D PSO 分子就被逐渐地浓缩在中心区域。在本实验中由于离心作用的存在,D PSO 分子的扩散也会加强。因而折射率分布的形成是在界面凝胶聚合和离心作用的共同作用下形成的。过程如F ig .3所示 。F ig .4The R I prof ile of

8、 the rod甄珍等人5曾经讨论过凝胶聚合反应中聚合反应条件对G I 型塑料光纤预制棒的折射率分布的影响5。而本工作是在离心条件下进行界面凝胶聚合。在离心作用下,混合在MM A 中的D PSO 形成中心浓度低、边缘浓度高的分布;而界面凝胶聚合的作用,则是使D PSO 在聚合时成中心浓度高、边缘浓度低的分布。F ig .4为纯PMM A 实心管和含D PSO 的空心预制棒的折射率分布测试图,其中1为纯PMM A 管,2为含D PSO 的空心预制棒。从图中可以看出,空心预制棒的折射率呈明显的抛物线分布,且有明显的芯、皮层结构。而且还可以看出,芯、皮层折射率的最大差值为0.020,通过数学方法计算

9、出其芯层折射率分布的抛物线指数为1.75。说明聚合过程中,界面凝胶聚合使D PSO 呈中心浓度高、边缘浓度低的分布的作用远大于离心作用使D PSO 呈中心浓度低、边缘浓度高的分布的作用,并且通过控制反应条件、转速和高折射率小分子的含量,可以得到所需空心预制棒的折射率分布。612高分子材料科学与工程2007年 2.2离心作用对预制棒中气泡生成的影响在用界面凝胶聚合技术制备预制棒的过程中,产生气泡的最主要原因就是由于凝胶效应产生的热量不能及时被释放而导致局部的“爆聚”。“爆聚”以两种方式产生气泡。其一是部分MM A 被气化,周围的MM A 又迅速聚合固化,致使形成气泡残留在其中。其二是部分MM A

10、 迅速聚合固化成PMM A 时伴随很大的体积收缩而产生气泡。故在预制棒的制备过程中,这两种因素都是产生气泡的原因 。(A the draw ing fiber w ith no t righ t conditi ons (diam eter =0.3mm (B the draw ing fiber w ith righ t conditi ons (diam eter =0.3mm F ig .5The f iber under differen t condition sF ig .6The prof ile of the f iber而本实验制备的空心预制棒却没有产生气泡,这与离心作用有关

11、。离心作用带来两个效果:一是所有的MM A 液体在高速离心过程中充分接触,不会发生局部过热而“爆聚”;二是高速离心作用带来强大的离心力,使体积收缩产生的空隙立刻被未反应的MM A 液体所填补。可见离心作用对避免气泡的产生非常有效。2.3拉丝条件对拉得光纤的影响在实验中,我们通过控制拉丝速度和加热炉上下段的不同温度,待预制棒软化熔融后拉制成丝。所得光纤用光纤折射率分布测试仪观察得到的照片如F ig .5所示。从F ig .5可以看到,当工艺条件不合适时,光纤中还存在中空部分,说明预制棒中空部分在拉丝过程中还没有完全融合。而当拉丝炉温度、拉丝速度和预制棒的黏度相匹配时,图片上已经看不到中空部分,说

12、明拉丝过程中预制棒的中空部分已经完全融合。可见,只要控制合适的拉丝条件,就可以得到透明、连续、无气泡的塑料光纤。2.4拉丝后光纤的折射率分布将空心预制棒试样在合适的工艺条件下拉丝得到实心光纤。从得到的光纤上随机截取一段,测其折射率分布,如F ig .6所示。同时,通过数学方法计算得到此光纤折射率分布的抛物线指数为2.1。结果说明,拉丝后得到的是G I 光纤。致谢:特别感谢武汉长飞光线光缆有限公司张方海工程师和中国科学院北京化学所韩步兴研究员对本实验中测试工作提供的支持和帮助!参考文献:1O h tsuka Y ,Ko ike Y .A pp l .Op t .,1985,24:43164320

13、.2Ko ike Y ,Ish igure T ,N ihei E .L igh tw ave T ec .,1995,13(7:14751489.3L iu J H ,L iu H T .J .A pp l .Po lym .Sci .,1997,64:849854.4Yang S Y ,Chang Y H ,Ho B C ,et a l .Po lym erBulletin ,1995,34:8791.5甄珍(ZH EN Z ,唐俊辉(TAN G J H ,等.高分子学报(Po lym erica Sinica ,2000,2:153156.(下转第221页。to be continued

14、 on P .221712第1期孟凯等:渐变折射率分布型塑料光纤的研究Prepara tion of PA 6 Si O 2Nanocom posite By i n Situ Poly m er iza tionZHAO Cai 2x ian 1,2,ZHAN G P ing 2,LU Shao 2rong 1,H E J iang 2p ing 1,W AN G X ia 2yu 1(1.Colleg e of Che m istry ,X iang tan U n iversity ;2.Insitu te of F und am en ta l M echan icsand M a t

15、eria l E ng ineering ,X iang tan U n iversity ,X iang tan 411105,Ch ina ABSTRACT :Po lyam ide 6(PA 6 silica nanocom po site w as p rep ared by u sing tetraethoxysilane (T EO S as p recu rso r and 32glycidoxyp ropyltri m ethoxysilane (W D 260as m odifier th rough in situ po lym erizati on .T he effec

16、ts of the additi on of m odified silica on the dispersi on ,crystallizati on behavi o r ,the average m o lecu lar w eigh t and m echan ical p rop erties of PA 6nanocom po sites w ere investigated by u sing m o lau tests ,m echan ical tests ,differen tial scann ing calo ri m etry ,and scann ing elect

17、ron m icro scop y ,etc .T he resu lts showthat the m odified silica disp erseshom ogeneou sly in the PA 6m atrix .T he additi on of functi onalized silica increases crystallizati on rate of PA 6and resu lts in the decrease of the average m o lecu lar w eigh t of the po lym er m atrix .T he ther m al

18、 p rop erties and the m echan ical p roperties such as ten sile strength ,i m pact strength ,flexu ral strength and flexu ral m odu lu s of com po site system s show i m p roving w ith the silica con ten t increasing .Keywords :po lyam ide 6;silica ;in situ po lym erizati on ;nanocom po site(上接第217页

19、。continued from p .217The Study on The Pla stic Optica l F iber of Grad ien t Refractive I ndexM EN G Kai ,HU Q un 2hua ,X I A J in 2an ,Sheng Guo 2ying ,Q I U Gao ,YAN Zh i 2ren(Colleg e of M a teria l ,D ong hua U n iversity ,S hang ha i 200051,Ch ina ABSTRACT :a new m ethod fo r fab ricating gradien t refractive index p lastic fibers has been developed in th is investigati on .F irst ,the gradien t refractive index p lastic rods that are ho