Wytwarzanie kabli światłowodowych

Materiały stosowane do produkcji kabli światłowodowych.

Materiały stosowane do produkcji światłowodów muszą spełniać ściśle określone kryteria. Muszą być "przezroczyste", szczególnie te z których powstaje rdzeń, dla długości fal specyfikowanych dla danego włókna oraz odznaczać się dobrą stabilnością chemiczną w przewidywanych zastosowaniach. Z tego powodu stosowane materiały to polimery amorficzne które musi również cechować niski koszt i łatwość wielkoseryjnej produkcji. Materiały na płaszcz światłowodu, o mniejszym współczynniku załamania, często wymagają skomplikowanych procesów produkcyjnych co podnosi cenę. Wymagana jest również dużo mniejsza grubość niż w przypadku rdzenia ponieważ średnica światłowodu jest zbliżona do średnicy rdzenia. Z tych powodów skład i rodzaj materiałów na płaszcz światłowodu jest tajemnicą producentów. Charakteryzują się one łatwością "sklejania" z materiałem rdzenia, odpornością na temperaturę i procesy starzenia.

Tabela 1 zestawienie materiałów rdzenia i płaszcza zwykle ze sobą łączonych.

PŁASZCZ		RDZEŃ
Materiał	N	Materiał	n
Amorficzny fluoropolimer	1.29 - 1.31	Poliakrylan metylu	1.47 - 1.48
Skrytokrystaliczny fluoropolimer		PMMA Polimetakrylan metylum (pleksit)	1.49
FEP Fluoroepoksyd	1.34	PC Poliwęglan (żywicapoliwęglowa)	1.50 - 1.57
PTFE Policzterofluoroetylen (teflon)	1.35	Polialkohol winylowy	1.49 - 1.53
PCTFE Polichloroczterofluoroetylen	1.42 - 1.43	Poliakrylonitryl	1.52
PVDF Polifluorek winylidenu	1.42	Polimetakryloimid metylu	1.54 - 1.53
Poli(siloksan etanu) PVC	1.43	Polichlorek winylu	1.55 - 1.54
Polimetakrylan trójfluoroetylenu	1.44	Żywica epoksydowa	1.55 - 1.60
Włókno octanowe	1.47	PS Polistyren	1.59
Metakrylan fluoroakrylowy	-	PMMA-type resin Żywica typu polimetakrylanu metylu	-
Fluorowany polimer	-	PMMA	-

Podstawowe typy światłowodów plastikowych

Jedną z możliwych klasyfikacji światłowodów plastikowych jest ich podział ze względu na materiał z jakiego wykonano rdzeń. W przezroczystym włóknie materiał rdzenia stanowi tworzywo organiczne pozbawione domieszek. Jednak niektóre włókna mają "domieszkowany" rdzeń. Najpopularniejsze z nich przedstawione są poniżej.

Światłowód plastikowy z rdzeniem wykonanym z PMMA.

Materiał ten jest obecnie najczystszym polimerem, ma niski współczynnik załamania (1.49), dlatego wybór materiału płaszcza jest w pewnym stopniu ograniczony. Możemy zastosować koplimer metakrylanu, fluoroalkil, fluorek winylidenu, czterofluoroetylen o współczynniku załamania w pobliżu 1.4. Są to światłowody obecnie najczęściej stosowane.

Światłowód plastikowy z rdzeniem wykonanym z PS.

Materiał ten charakteryzuje współczynnik załamania 1.59. Płaszcz dla tego rodzaju rdzenia stanowi PMMA (n =1.49) lub włókno octanowe (n =1.47). Światłowód z rdzeniem wykonanym z nie domieszkowanego PS ma podobne zastosowanie do omawianego wcześniej z rdzeniem z PMMA. Jednak różnią się one znacznie właściwościami mechanicznymi. Użycie domieszkowanego PS na materiał rdzenia powoduje, że włókno wykazuje dodatkowe właściwości fluoroscencyjne.

Światłowód plastikowy z rdzeniem wykonanym z PC.

Ten rodzaj włókna został specjalnie zaprojektowany na dużą odporność temperaturową. Jednak ma ono gorsze parametry optyczne od obydwu wcześniej omawianych.

Światłowód plastikowy z rdzeniem poddanym deuteryzacji.

Są to zazwyczaj światłowody z rdzeniem z PMMA, w którym wodór zastąpiony został deuterem w procesie deuteryzacji. Powoduje to przesunięcie charakterystyki widmowej w kierunku fal dłuższych oraz znaczące polepszenie parametrów transmisji. Światłowody te nie odniosły komercyjnego sukcesu jakiego można było oczekiwać. Jednym z głównych powodów był znaczący dodatkowy koszt procesu deuteryzacji. Kolejnym był brak stabilności parametrów włókna w czasie.

Tabela 2 charakterystyka materiałów rdzenia w odniesieniu do PMMA

materiał rdzenia	Zalety	wady
PMMA poddany procesowi deuteryzacji	większa przeźroczystość wrażliwy na wilgoć,	droższy
Polistyren	wyższa odporność temperaturowa, wysoka odporność na promieniowanie wysokoenergetyczne	kruchy, łamliwy, mała przeźroczystość
Poliwęglan	wyższa odporność temperaturowa, niska pochłanialność cieczy	mała przeźroczystość
CR 39	wyższa odporność temperaturowa, niska pochłanialność cieczy	mała przeźroczystość
PMMA z wiązaniami poprzecznymi	wyższa odporność temperaturowa	mała przeźroczystość
Polisiloksan	wyższa odporność temperaturowa, duża giętkość	mglisty
Alpha-fluoroinatedacrylate	większa przeźroczystość, wyższa odporność temperaturowa	droższy

Etapy

Wytwarzanie światłowodów plastikowych.

Proces wytwarzanie światłowodów plastikowych możemy podzielić na następujące etapy: oczyszczenie składników, polimeryzacja i wyciąganie włókna. Niezależnie od techniki wytwarzania decydujący wpływ na parametry włókna ma jakość procesu wytwarzania. Dlatego stosuje się wiele środków mających na celu zapobieganie utlenianiu oraz uniemożliwiających zanieczyszczenie składników pyłem, kurzem, itp., lub obcymi domieszkami. Zabezpieczenia te stosowane są zarówno przed jak i w trakcie procesów.

Oczyszczanie składników

Komercyjnie dostępne materiały do produkcji włókna plastikowego nigdy nie są na tyle czyste by zapewnić wymaganą przeźroczystość. Dlatego bardzo istotnym etapem procesu produkcyjnego jest oczyszczenie produktów procesu. W procesie oczyszczenia składniki poddane zostają filtracji poprzez destylację próżniową. Operacja ta jest powtarzana do momentu uzyskania właściwego stopnia czystości. Proces oczyszczania przebiega bez udziału materiału płaszcza. Aby zainicjować i kontrolować proces polimeryzacji oraz zapobiegać utlenianiu dodaje się bardzo małe ilości domieszek do materiału wyjściowego.

Polimeryzacja materiału rdzenia

W pierwszej fazie materiał rdzenia jest monomerem . Stosując odpowiednią reakcję chemiczną można złączyć poszczególne cząsteczki ze sobą i uzyskać strukturę wielocząsteczkową - Polimer. Szybkość i jakość tej reakcji jest funkcją temperatury. Aby uzyskać wydajność procesu rzędu 95%, i zapobiec powstawaniu pęcherzyków należy w bardzo precyzyjny sposób kontrolować temperaturę. Jest to szczególnie ważne przy procesach z udziałem PMMA ponieważ wydzielają one ciepło co może spowodować nagłe, niebezpieczne przyspieszenie reakcji.

Tabela 3 komercyjne materiały rdzeniowe

materiał rdzenia	przeźroczystość	przeznaczenie
PMMA	92 ~ 93%	ogólnego przeznaczenia, do zastosowań przemysłowych, telekomunikacyjne, odporne na temperaturę, dekoracyjne, wstążkowe soczewki GRIN, obrazowe, fluorescencyjne
poliwęglan	87 ~ 89%	odporne na temperaturę
CR 39	89 ~ 91%	oświetleniowe
polistyren	88 ~ 90%	oświetleniowe
PMMA z wiązaniami poprzecznymi	-	odporne na temperaturę
Polisiloksan	-	odporne na temperaturę oświetleniowe
ciekły ester	-	oświetleniowe

Proces produkcyjny

Wyciskanie współbieżne

Wyciskanie współbieżne - poddany wcześniej polimeryzacji materiał rdzenia i płaszcza w formie ziaren jest następnie roztapiany i wytłaczany z nagrzewaniem kołnierza w czasie przejścia przez głowicę wytłaczania współbieżnego zawierającą dwa współosiowe tłoczniki. Pierwszy decyduje o średnicy rdzenia. Na jego wyjściu roztopiony plastik płaszcza otacza cały rdzeń przechodząc przez drugi tłocznik, tak więc definiuje zewnętrzną średnicę. Po ostygnięciu włókna jest ono wyciągane za pomocą wałka napędowego i nawijane na bęben. Prędkość wyciągania jest kontrolowana tak aby przez cały czas średnica zewnętrzna włókna była zachowana. Prędkość wyciągania jest rzędu 10 do 50 m/min. W innym wariancie tej metody rdzeń powstaje tak jak poprzednio, poprzez tłoczeni, nie ma natomiast drugiego tłocznika. Pokrycie rdzenia płaszczem następuje przez zanurzenie odpowiednio schłodzonego włókna w masie plastycznej materiału płaszcza, lub ponownie poprzez pokrywanie roztopionym plastikiem w czasie przejścia przez otwór kalibrujący. Technika wytłaczania z użyciem poddanych wcześniej polimeryzacji materiałów ma z pewnością wady które mają swoje odbicie w jakości włókna. Główna wada to możliwość zanieczyszczenia granulek rdzenia i płaszcza podczas transportu i przechowywania. Aby przeciwdziałać zewnętrznym zanieczyszczeniom należałoby prowadzić proces ciągle, łącznie z procesem polimeryzacji oczyszczonych monomerów.

Wyciąganie światłowodu z preformy.

Preforma - pręt w kształcie walca zachowujący geometryczne i optyczne zależności między płaszczem a rdzeniem, powiększona około 30 do 40 razy. Część preformy z której wytwarzany jest rdzeń jest przygotowywana wcześniej w zewnętrznej polerowanej formie rurowej, w której zachodzi polimeryzacja odpowiednich składników. Płaszcz może być wykonywany poprzez zanurzenie w syropie w którego skład wchodzą prepolimery materiałów płaszcza, a następnie poddanie dokładnej polimeryzacji. Inna możliwość to rozdzielenie procesów polimeryzacji rdzenia i płaszcza, a następnie wstawienie ich do pieca przed wyciąganiem. Na całej długości preformy utrzymywana jest temperatura (200°) powyżej której następuje przemiana materiału. Koniec preformy jest początkowo wyciągany dzięki grawitacji a następnie poprzez wałek napędowy. Preforma jest ciągle przesuwana z góry na dół w granicach stabilności temperatury co pozwala uniknąć szkodliwych naprężeń zwiększających tłumienność światłowodu. Od prędkość wyciągania zależy średnica włókna dlatego musi być ona dokładnie kontrolowana. Prędkość wyciągania wynosi ok. 10m/min. Aby uniknąć zwiększenia tłumienności światłowodu cały proces wytwarzania włókna musi być prowadzony w pomieszczeniach o odpowiedniej klasie czystości.

Kable

Światłowód wytworzony w opisanych powyżej procesach ma zbyt małą wytrzymałość mechaniczną i jest zbyt podatny na wpływy środowiska, aby stosować go bez odpowiednich zabezpieczeń. Dlatego światłowody pokrywa się warstwą ochronną zazwyczaj wykonaną z PVC (polichlorek winylu) lub PE (polietylen). Polietylen jest stosowany ze względu na jego dobre właściwości izolacyjne. PVC jest stosowane jeśli wymagana jest wysoka odporność na czynniki korozyjne lub tam gdzie wymagane są materiały niepalne.

 

3

---