光纤着色介绍.doc

光缆制造培训教材第二章 光纤着色工艺江苏中利电缆有限责任公司技术部光纤着色工艺学目 录第一节 概述第二节 光纤着色设备第三节 光纤着色工艺第四节 光纤着色的质量控制第五节 光纤着色的缺陷和预防第一节 概述传统的电线已采用色标来辨别它们在电缆中的位置，这样用色标区分后就可以正确地接线，而不至于将电线的任何一端接错。光纤也需要同一的辨认方法。实用中，绝大多数光纤安装好后是没有通向光纤两端的入口的，这就使查找辨认光纤更加困难。而且光纤又无法用电气设备做连通试验，因此用于辨认光纤的色标比电线的色标要求还要严格。为了便于光纤的识别和光缆敷设过程中的光纤接续，使光纤具有不同的颜色标志。光纤着色就是利用着色机将油墨均匀地涂覆在光纤的表面。早期光纤着色工作是简单地用电缆着色设备把溶液性油墨涂到光纤上，然后让光纤通过烘干箱将色墨烘干固化。由于这些材料是溶液性的，污染严重，抗磨性差，抗光缆油膏的能力也是一个难解决的问题。现在研制的UV固化油墨就基本上解决了上述问题。现在试验的涂覆用油墨是一种光纤专用油墨，它含有一定的紫外光交联剂，一般要求与光纤有很好的结合力，并且与光缆中的其他材料有较好的相容性，同时它与溶液性涂料非常类似，具有颜料的淀积性能。着色的颜色为十二种，即蓝、桔、绿、棕、灰、白、红、黑、黄、紫、粉红、青绿。每种颜色它的光谱有所不同，因而在相同工艺条件下其固化度也有所不同。目前，已经有人将着色工序结合到了拉丝的工序中，即将颜料涂覆在第一层与第二层包层之间，这样就可以省掉一道工序，并且不存在固化不好而引起退色问题。 当工厂不具备制棒和拉丝能力时，光纤着色一般是光缆制造厂的光缆制造的第一道工序。因此它虽然操作比较简单，但也有一定的技术含量和操作技巧。 第二节 光纤着色设备 光纤着色一般是制造光缆的第一道工序，且光纤本身是一个非常脆弱的元件。因此，着色设备的性能可为下一工序的质量提供保证，同时高生产能力可节约公司的资源配置。如进口机产量是国产机的三倍，换句话说买三台国产机不如买一台进口机。 光纤着色的主要设备是着色机，可以进行着色和复绕两种功能。一般国产的着色机的生产速度为200500m/min，进口设备的线速度可以达到1500m/min，并能进行光纤的紧套工艺。一、 着色机的主要组成部分着色机主要有机架、主动放线架、收放线张力装置、涂覆系统、UV固化炉、牵引计米装置和收排线装置组成。 着色机的工作原理1、 主动放线架 主动放线架是一悬臂轴式的放线装置，由一宽调速直流电机通过齿形带传动，使光纤盘轴旋转，从而实现光纤的主动放线。有些还可以自动对中移动。2、 收放线张力控制 收放线张力控制采用舞蹈器结构。该结构中装有精密电位器，其作用是控制光纤的收放线速度，并能自动跟踪，光纤上的张力大小可通过调节机构来进行调节。3、 涂覆装置 涂覆装置分为压力式涂覆和开放式涂覆两种。一般由涂覆模、恒温装置、储料罐、气路、压力调节装置等组成。4、 UV固化炉 UV固化炉是着色机的心脏，由抽气罩、炉体、反射镜、高压汞灯、石英玻璃管、紫外光检测器等组成。5、 牵引计米装置 牵引是由一宽调速电机通过一同步齿形带一一定的减速比带动牵引轮，并且通过平形带和牵引轮之间的摩擦来达到牵引光纤的目的。计米由数字计米器、光电码盘和光电转换器组成。6、 收排线装置 采用悬臂轴式结构。收线由一宽调速电机通过一同步齿形带以一定减速比带动收线盘转动。排线由宽调速直流电机经过一同步齿形带以一定减速比带动滚轴丝杆，使收线架往复运动，换向由光电开关执行，位置可调，或采用线盘对中往复运动来进行排线。第三节 光纤着色工艺 着色其实是一项颜料涂覆加工过程，与电缆行业中生产漆包线有些类似。着色的过程是将着色油墨经过涂覆、紫外光照射形成固体薄膜，从理论上来讲溶液状态的油墨变成高聚物本体，这是一个复杂的物理和化学过程。液体油墨其所以能涂覆在光纤上而形成均匀光滑的涂层薄膜，这个问题涉及到液体表面张力、湿润角等特征参数、油墨溶剂蒸发特性以及油墨交联特性等。 一、粘性液体流动理论 1、表面张力 落在荷叶上的雨滴与野草上的露珠，都形成球形，这说明液体表面是“一张有收缩趋势的张紧的薄膜”，这种现象可用液体分子间的相互引力来解释。在液体内部的每个分子的周围都存在着其他分子，这些分子之间产生的引力能达到暂时的平衡；而在液体表面的情况就不同了，处于液体表面层的分子一方面受到液相方面分子的引力，其作用力垂直于液面而指向液体深处；在液体表面的另一相则是气体，其分子与液体分子相比，数量既少，距离也较远，因此液体的分子受到液相内部的吸引力就大，而受到气相方面的吸引力较小，所以不能产生与之相平衡的引力，因而液体表面有一个收缩的趋势。这就是液体具有表面引力的原因。 表面张力的表现就是液体力求表面积收缩到最小为止。因为相同体积的几何形状中，球的表面积最小，所以液体不受任何其他力的作用，在表面张力的作用下它将变成球形。 表面张力的方向与液面边界垂直。表面张力f大小与液面边界的长度成正比 f=L 式中为液体表面边界单位长度上的表面张力系数，单位dyn/cm 表面张力系数与下列因素有关：（1） 不同的液体，表面张力系数不同；（2） 同一种液体随温度的升高，表面张力系数而减小；（3） 与液体纯度有关。液体中含有杂质，尤其表面上的杂质使表面张力系数发生变化。（4） 与液体表面相接触的气体种类有关。通常表面张力系数是在液体的饱和蒸汽压力与空气相接触的情况而测得的。利用表面张力规律可以解释着色时的一些现象。油墨中包含的气泡（存在时将造成着色层表面不光滑或脱节）是由于油墨在搅拌加料过程中夹杂了空气，空气的浮力使其上升到表面。但由于油墨的表面张力，使空气不能冲破油墨表面而留在油墨中，形成气泡。这种现象可以在涂覆杯中可以看到，有大量的气泡在翻滚，如果气泡小于光纤与模具的间隙，气泡就被光纤带走。 如下图，气泡A的浮力等于B处的油墨表面张力，所涂的油墨层容易起粒，表面不光洁，因此尽量避免油墨中有气泡。 由于表面张力的作用，液面在凸起时，其下层液体将产生一个附加压强P，其值为： P=2/R 式中：为表面张力系数 R：该点的曲率半径当液面凹下时，也将产生数值相同的附加压强，但值为负值。当光纤从模具出来后，油墨在较厚处的曲率半径最小，产生了一个很大的附加压强，促使油墨向薄的地方流去，直至相等，起到使油墨层拉圆的作用。如果光纤本身成椭圆形，着色时在附加压强作用下，油墨则在椭圆长轴的两端变薄，而在短轴的两端偏厚，形成显著的不均匀现象，所以，光纤的椭圆度应符合要求，当然，椭圆度主要的影响是光纤的传输性能和熔接性。2、湿润现象 当液体和固体接触时，通常用湿润程度来表示它们之间的关系。表面清洁的光纤通过涂覆模后，光纤上就会覆盖上一层油墨。如果光表面沾有油污或水份，就不能涂上油墨，这是因为油墨能湿润光纤而不能湿润油类物质。湿润现象也是分子力作用的一种表现，如果液体表面张力大于固体与液体间的附着力，则液体就缩成球形，在这种情况下油墨就涂不到光纤上。如果固体与液体的附着力大于液体的表面张力，液体就能在固体表面展开成为一个薄层。这种情况就能使油墨很好地涂覆在光纤上。液体与固体接触所够成的角度叫做接触角。当处在湿润的情况下，其接触角是锐角，否则是钝角。如下图： 液体与固体的接触角 接触角和表面张力的关系如下图，由图表明，接触角大（cos），则表现张力小，油墨的拉圆作用差。因此，接触角应取一定的范围。 上述油墨特性参数之间存在内在联系，粘度、表面张力和接触角的值都要具有针对性都要调整。在着色过程中，油墨的粘度、固化能量、表面张力和接触角都是内因，温度、速度、固化灯功率等因素是外因。内因是外因的根据，外因则是变化的条件，外因通过内因起作用，相互之间是有影响的，整个光纤着色过程要调整好其相互的关系。 二、着色过程的成膜 光纤经涂覆模后，进入固化炉，主要经历了油墨的涂覆拉圆和紫外固化过程，这个过程对光纤的着色质量十分重要。为了便宜理解，分两个方面来讲。1、 着色油墨的涂覆过程前面已经讲到，着色是利用油墨的表面张力来进行成膜的，而表面张力取决于着色油墨的质量情况。不同颜色、不同的产地其油墨的粘度也不同，因此其表面张力也不同。如下表是DMS的着色油墨，颜色不同，其粘度也不同，绿色油墨粘度为1010Mpa.S，而棕色则要2630Mpa.S。粘度越小，其表面张力也越小，流动性也好，可以提高涂覆速度。颜色配方编号粘度30，Mpa.S密度g/cm3红色369-16-117051.13黄色369-17-116401.12绿色369-14-110101.12兰色349-303-110301.14白色369-15-113501.19黑色369-10-121501.11粉红369-59-112851.14紫色369-18-119801.13橙色369-13-117701.13棕色369-11-126301.13灰色369-12-113501.19青绿349-304-218121.15涂覆模具一般都比光纤外径大0.10.2mm。如光纤的直径为0.245mm，而涂覆模具的孔径取0.260mm，涂覆后的光纤直径只能达到0.2500.256mm。这是为什么呢？其实这个问题前面已经讲到，光纤在涂覆过程中有一个拉伸的过程（对涂覆层而言），在拉伸的过程中使涂层变薄而外径变小。光纤在通过涂覆模时，其涂层外形不一定是正规的圆形，可能出现下图形状，通过拉伸和表面张力是作用使其变圆，并促使厚薄均匀。当油墨的粘度较小时，所需的拉圆时间就越少。在粘度很大时，有时表面张力不能克服油墨的内摩擦力的作用，则将造成涂层的不均匀。也就是利用油墨的表面张力使油墨涂层拉圆，保证涂覆厚度的一致性。 当带着油墨的光纤出模具后，在涂层的拉圆过程中还有一个重力作用的问题。若拉圆的作用时间很短，则重力对其影响很小，涂层均匀。若拉圆的时间很长，这时由于重力作用涂层就会向下流淌，使局部涂层增厚。当然重力问题跟油墨的粘度也有直接关系，粘度很高时，油墨内摩擦力很高，流动性差，也就是说重力对其影响较小，反之则反之。 2、油墨的固化 经过涂覆模的油墨仍然是液体状态，要取得着色层很好的使用特性，必须使其变成固体并能与光纤本身有良好的结合，同时要有一定的寿命。光纤着色油墨是一种含有紫外光交联剂的颜料、树脂混合体，当有涂层的光纤通过固化炉后，一方面油墨受紫外光照射，交联剂与油墨中高分子材料反应，促使其生成网状固相结构，另一方面，油墨涂层在固化炉内受热，将油墨中的挥发物蒸发。固化的质量与油墨本身的固化能量、粘度和线速度以及固化灯功率有密切的关系。下面分别对其相互关系进行探讨。 如果油墨本身需要的固化能量很小，那么当固化灯功率和线速度一定时，其固化质量越好，甚至可以进一步提高生产线速度。但是如果固化过头，也可能使油墨裂解，影响使用性能。当油墨的粘度很高时，则其表面张力很大，也就是说在涂覆模与固化炉距离一定时，粘度高的油墨其涂层厚度要比粘度小的要厚一些（在同等速度下），所以其固化的时间要相对长一点。当固化灯功率很小时，而带有油墨涂层的光纤在固化炉内停留的时间又一定，所以会带来固化不完全，造成退色或涂层脱落。当固化灯的功率很高，光纤在炉内接受紫外线照射的时间较长，可能使丙烯酸树脂产生裂解，使油墨性能严重恶化。在固化灯功率、油墨固化能量及粘度一定时，线速度高于固化时间时，就会出现固化质量下降，造成涂层退色或脱落。但当线速度下降时，光纤在固化炉内停留时间较长，则使油墨受紫外线长期照射而产生高分子裂解，破坏油墨原有性能。 三、着色固化要求和控制前面已经提到固化度的问题，固化不够会出现退色或涂层脱落，固化过头会出现高分子树脂裂解。一般着色油墨的固化度有很大的安全余量，只要不过分固化过头，就不会出现裂解现象，因此，着色的固化质量主要是固化不够。那么怎样去检测和评判固化质量呢？一般在着色工序中检测固化度，不需要复杂的仪器，根据油墨的特性，采用沾有丙酮的脱脂棉在着色好的光纤上来回擦拭100次，棉球上应无肉眼可见的明显颜色，即可判定固化合格或满足要求。当出现有退色时，可以适当降低线速度后再重新检测，直至合格为止。当然也可以增加固化等功率的方式来实现。对于一些短时间的过期油墨，可通过上述方式来生产。对于一些涂层脱落的缺陷，不完全的固化的质量问题，其可能是裸光纤上有水分所致。在实际生产中要加以区分、识别缺陷类型和原因。 四、着色过程张力的影响 光纤的主要材料是二氧化硅，按其特性强度是很高的，其杨氏模量为71000N/mm2。光纤的筛选强度为0.7GPa，而光纤在实际使用中其受力应不大于筛选力的1/31/5左右。因此在整个着色过程中收放纤的张力一般为30100g，张力过小会使光纤抖动或收纤不紧密。张力过大，会使光纤的微裂纹增加，可能引起断纤和由于应力的产生而影响使用寿命。总之，涂覆过程看似十分简单，却有相当的学问，其间的关系错综复杂，有高分子理论、有粘流体的变形理论等。这里我们只要大家了解一些基本的概念和原理，掌握实际生产中各因素的相互关系。第四节 光纤着色的质量控制 光纤着色工序对其他工序来说，它只是将油墨通过特殊模具涂在光纤表面，因此其工艺控制要求相对简单。但前面已经提到光纤是非常娇嫩的元件，一不小心就会使光缆不合格。光纤的着色工序过程的质量控制一般分为三个阶段，即准备阶段、运行阶段和完工阶段。一、 准备阶段的质量控制1、 在未装光纤之前，应根据设备点检表的要求，检查设备情况。必要时启动设备进行试运行，检查各相关部件的运行情况，各类保护开关按钮是否有效。2、 检查领用的光纤和油墨是否符合工艺规定和生产指令的要求，如光纤的种类、产地，油墨的产地和保质期等。3、 按工艺要求设定光纤的放线和收纤的张力，以及将油墨按要求进行摇匀。4、 按要求将冲洗洁净的模具装配好，同时检查压缩空气和痰气的压力和质量。5、 光纤收线盘的要求应与生产长度相适应，装夹光纤盘时按设备操作规程进行。二、运行阶段的质量控制1、 设定好生产线速度以及一些相关参数后，按光纤的走线路径穿引好光纤，不能绕反或少绕几圈。2、 未着色光纤的尾端应从纤盘上去掉，以防损坏设备或拉伤光纤。3、 启动后低速运行一段时间，以进一步检查设备情况，同时密切注意舞蹈轮位置和张力的变化，确认无问题后加速运行。4、 加速后应及时用酒精棉检验光纤的色劳度以防固化不良而退色。必要时进行减速。5、 注意光纤的抖动情况和排线情况，随时调整。6、 运行过程中严禁用脏手触摸未着色光纤，或其他运行部件。7、 注意环境条件，不能有严重粉尘或温度变化太大。8、 换颜色时应对各油墨通道和模具进行彻底清洗，并用压缩空气吹干。重新装配时应注意位置和光纤走线的中心轴线。三、完工阶段的质量控制1、 工作结束时应使冷却风机继续运行十分钟以上，以便冷却固化炉。2、 清洗油墨管道和模具，并进行干燥处理。3、 对着色后光纤进行光纤传输损耗和涂覆层质量检查，以确认产品的合格性。4、 认真填写各类报表记录，并作好每盘的盘号标记。5、 清除和回仓现场多余物料，以防下一班用错。第五节 光纤着色的缺陷和预防 任何生产工艺都不可能十全十美，光纤着色虽然工艺简单，但在整个生产过程中，都不能避免一些人为的、材料的、设备的或工艺本身的因素对着色质量的影响。一般着色的常见缺陷有光纤损耗检测时有台阶或损耗大、着色层退色或剥落、断纤等。下面就一些常见缺陷进行简单的探讨。1、光纤抖动 原因：（1）光纤有粘丝现象。 （2）放纤盘或收纤盘严重晃动。 （3）光纤运行路线不在导轮的中心线上。 （4）着色模内有异物卡住或位置偏移。排除方法：如果光纤粘丝可放慢速度或者适当加大放纤的张力（允 许范围内）。 检查放纤盘或收纤盘晃动的原因，是由于轴孔偏大还是线盘 本身问题，还是线盘紧固螺母没有拧紧。 调整光纤运行线路在V型导轮的中心。 如果光纤在着色模与放纤舞蹈轮后的转向导轮之间抖动，则 应停机检查模具并清洗，或者调整涂覆杯中心位置。 2、排线不平整，有压线 原因： （1）排线节距调整不合理。 （2）收线盘晃动。 （3）排线挡距与线盘不符。排除方法：调整排线节距，一般以光纤的1.5倍左右。 检查线盘安装情况和线盘质量。 调整排线挡距，一般略小于线盘的实际宽度。3、传输损耗增加，但无台阶原因： （1）收放纤的张力太大。 （2）着色模具不合理（太大和太小都能