对预设塑料光纤维的探讨研究

来源：中国塑胶网发布时间：2011-07-21 17:29:53点击率：

处于当今信息爆炸“的世界中，人们对提高无线电波传递信息容量给予了极大的关注，光纤通信就是这一征程上的重大里程碑。用光波作载波进行信息传送，吸引力的地方就是光波频率极高，能携带的信息量极大。光导纤维是由高折射率、高透明度的芯子和低折射率的皮层所组成，当入射进光纤芯子的光与轴线夹角小于全反射临界角时，光线在芯皮界上发生全反射，因此载波光得以在芯子中曲径前进，而不穿出包层。它与普通通讯电缆相比，具有信息容量大、重量轻（塑料光纤比重一般仅为1左右）、占有空间小、耦合损耗低、串话少、保密性极强、价格低、加工方便等优点。因此，光纤通讯取代电缆和微波通讯是当今通讯技术的发展趋势。光纤按其芯材的不同，可分为石英系光纤、多组分玻璃光纤和塑料光纤。塑料光纤简称POF，具有模量低、直径大、弯曲特性好、不易破断、重量轻、色散小、成本低等许多优点，目前已获得了广泛的应用，橡胶光纤正在开发研究中。
　　1POF的种类
　　1.1按传送光的方式分类
　　根据光在纤维中进行方式的不同，POF可以分为多模阶跃折射型（SI）、多模渐变折射型（GI）和单膜型（SM）等三类。
　　POF一般为阶跃折射型，以多模为主。
　　SI型POF可按一般中空纤维用熔融纺丝法制造，成本低又能大量生产，主要用于短距离间的高速信息传输。
　　GI型POF芯材折射率高，沿径向方向向外折射率逐渐降低，光在纤维中的行程按正弦波前进。近皮层芯材折射率低，虽光路长，但传输快；芯材中心折射率高，虽传输慢，但光路短，光在两者中单位时间的行程大致相等，输出脉冲展宽较小，信号在输出端波形不乱，可大幅提高传输容量。
　　SM单模阶跃型光纤，光在其中以近似直线的方式传播，芯径仅为数μm，但其制造较为困难。
　　1.2按芯材分类
　　POF要求聚合物具有极优良的透明性、适当的折射率；芯材和皮层界面粘接性良好；光学上要求等向性，在可见光区不吸收、不散射；芯材折射率高，皮层低；另外还要求为非晶态、有耐高温和强韧性。目前POF聚合物可分为五大类。
　　1.2.1不饱和酸酯类这是目前常用的高性能POF，包括PMMA及PMMA共聚物、氘代PMMA、卤代PMMA、卤氘代PMMA芯POF。
　　1.2.2苯乙烯类PS的折射率较高，NA很大、透光性好，是仅次于PMMA的第二类POF纤芯材料，包括PS均聚物、PS共聚物、卤代PS及其共聚物、氘化PS和卤氘化PS五大类型。
　　1.2.3碳酸酯类PC是非晶聚合物，折射率为1.59，Tg约为130℃，具有较强柔韧性，可制得直径高达3.0mm的POF。与其它类型POF材料相比，PC能耐较高的温度（150℃）。
　　1.2.4硅氧烷类（SR）可挠性，可制成大口径、大容量POF。硅氧烷类POF具有耐高温、耐湿、耐寒、耐热水、耐放射性等性能。
　　1.2.5其它类型有聚酯、氮杂环聚合物等。但用它们作纤芯时机光纤（100℃以上），因此耐热性方面的研究也是近年来研究的一个热点。提高耐热性通常采用的三种方法：①保护层法，在POF外套上涂覆一层保护层，防止芯皮材在高温下氧化，一定程度上阻碍POF的变形；②清洗法，用溶剂清洗芯皮材，清除残余单体或低分子副产物；③选用玻璃化转变温度高的聚合物作为芯皮材料。其中第三种方法是根本、有效的方法。
　　PC链结构高度无规则，是一种理想的耐热芯材。美国、日本分别以双折射和双酚法合成高强高透明度的优良PC，以后者为芯材，可在-60～130℃下正常使用。同时，以改性PC做芯材，日本已有耐145℃的POF。
　　为改进PMMA的耐热性能，主要有以下三种方法：添加稳定剂、对MMA胺化及共聚改性。研究表明，MMA与甲胺的反应产物热变形温度可达162℃；PMMA与含有大侧基或环化结构的单体，如甲基丙烯酸苯酯、N-苯基马来酰亚胺等进行共混，不仅反射率、透光率改善，而且力学性也有所提高。
　　高透明POF是一种立体规整结构的结晶型透明聚烯烃，性能优良，透光率为90，耐热性高，180℃下24h不变形，但其结晶度多用做皮材。日本合成橡胶公司研究出耐热的ARTON树脂，以降冰片烯五元环结构的分子主链，引入极性MMA，这种POF可在150℃下使用，可望用于汽车发动机室的。
　　2.3大容量POF信息以一系列的脉冲形式以不同的入射角进入光纤，为使输出端信号不发生重叠，光纤应满足一定的带宽特性。影响带宽特性的因素包括模分散、材料分散和构造分散等，以模分散对POF的影响为大。为改进这一点，应使POF小径化、芯皮界面平滑、降低折射率比、防止微弯曲，但前者引起传输模数降低，使入射光减少，并使微弯曲可能性增大而不可能大幅提高带宽特性。这就要研究梯度型POF（GI）。制造GI型POF难度较大，因此这方面的进展主要体现在POF的制备工艺方面。
　　GI型POF成纤工艺一般采用两种方法，其一是芯皮型复合成纤，该工艺较复杂，且制备的GI型POF性能较差；其二为预制棒拉纤，预制棒的制备方法有多种，其典型工艺为采用凝胶―共聚物法，拉制成的POF的折射分布与预制棒几乎相同。另外，光引发控制聚合，特别是用计算机模拟的方法提出制造和提纯方法及工艺都很复杂，综合性能控制较严格。
　　1.3按性能分类可分为低损耗POF、荧光POF、非线性POF、通体发光POF等。
　　2POF研究进展
　　尽管POF具有许多无机光纤所不及的优点，但是由于近红外区的C―H基团吸收，所以POF必须在可见光区工作（带宽窄）；由于大分子引起的内部消散，POF的损耗高；另外，POF的耐热性较差，材料本身所决定的耐环境性也差。为使POF得到更充分更有效的应用，针对以上三大缺点各国科学家做了大量的研究工作，使不同类型的POF均得到相应的发展。
　　2.1低损耗POF损耗是由非固有损耗和固有损耗两部分组成，前者可以通过提纯反应物如单体、引发剂、链转移剂等方法，采用本体聚合，选用合适的拉丝工艺，在净化的环境下实现聚合并拉制，使损耗显著降低；但后者由于POF材料如PMMA中含有大量的C―H键产生高次谐波和电子跃迁而损耗，不能显著降低。
　　用氘取代C―H中的H是降低固有损耗的重要途径。氘代后，聚合物分子量增加，吸收损耗降低，且其光学窗口移向了长波长区。氘化度与损耗水平成反比。氘代试剂非常昂贵，且氘代聚合物有吸水率高、稳定性差的缺陷，而在PMMA上引入氟即可克服以上缺点。研究表明，重氢化氟化的PM2MA是很有前途的低损耗POF芯材。采用聚五氘甲基丙烯酸三氘六氟丁酯制作的POF，其损耗在768nm处，损耗极限为5.5dB/km，是目前POF的损耗值。由于多氟代聚合物并不能显著降低苯乙烯类POF的损耗，新的研究思路是用氟取代苯环上的氢，用氘取代脂肪环上的氢，得重氢化氟化苯乙烯聚合物。
　　范明海等人用加速电子于室温下照射全氟有机化合物，得到的含氟自由基引发MMA进行聚合反应。聚合后引发剂从体系中析出，沉淀于容器底部。
　　由于聚合物端不含引发剂端基，相当于提高了聚合物的纯度，因而明显降低了POF的芯材损耗。这种降低POF损耗的方法工艺简单，成本低廉，有着很好的应用前景[7]。
　　2.2耐热POF普通POF的长期使用温度（80℃以下）
　　3适合制备GI型
　　POF预制棒的多组分共聚的一般条件，利用光引发剂制得折射率具有不同类型分布的GI型POF预制棒。利用界面―凝胶共聚法可制备出宽2000MHzkm、光损耗为56dB/km（668nm）的GI型POF。引发剂浓度大（1.0wt），链转移剂量较多（0.05～0.1），反应温度在70℃以下时，预制棒具有较好的折射率分布和较少的物理缺陷。利用引发剂扩散控制法制备GI型POF预制棒，其折射率沿光纤径向呈抛物线分布，同时可以避免在预制棒中产生气泡。
　　2.4耐湿POF与无机光纤相比容易吸潮，而水能增强芯材聚合物C-H的振动吸收，使光纤的损耗增大。为提高POF耐湿性，在芯材聚合物中引入脂肪环、苯环和长链烷基。如甲基丙烯酸甲酯―甲基丙烯酸环己酯―丙烯酸甲酯共聚物为芯的光纤在相对湿度为95×10-2和70℃下放置1000h，透光率仅下降1.5×10-2。另外改善包层或增加包层数也可改善POF的耐湿性。
　　2.5单模POF单模POF的特征是芯细皮厚，其芯径只有一个或几个传输波长的长度，通常小于10nm，而且芯皮间折射率差值限制在0.5以内。常见的单模POF为SI型，只有单纯的基模传输模式，没有模色散，宽带大，通信容量大。其缺点是由于芯径细，不易连接，若耦合装置连接精度不高，将产生较大的耦合损耗。
　　2.6荧光POF荧光POF是在芯材中掺入一定量的荧光剂，其入射端面输入特定波长的光，这种光为荧光剂所吸收，然后发出另一特定波长的光，由POF出射端面输出。可用荧光POF制作特殊的光纤传感器或功率放大器。
　　1993年日本应庆大学研制的PMMA荧光POF，其荧光材料为诺丹命B，输入信号强度为0.85W，输出光强度可达420W，将输入信号强度放大了50倍，可见，荧光POF是发展潜力的POF。
　　2.7非线性POF偶极性有机材料比无机材料具有更大的非线性光学效应。带偶极特性有机材料同芯材混合，用垂直机头牵引挤出成型，并在靠近模头处设置高强直流电场，这样处于粘流态聚合物中的偶极性有机物获得电场取向，随着粘流态聚合物的冷却成型，非线性有机材料偶极取向固定，从而获得非线性POF。
　　这种非线性POF可制作电光及非线性光学器件。
　　2.8细径化POFPMMA细径化也是发展的一个方向，目前已能生产5～10μmPOF，把几百至几万根纤维集成一束，可传播图象。这种细径化POF，NA为0.5，传输损耗约为500dB/km。
　　3结束语从低损耗POF成为研究热点到现今GI型POF成为研究重点，每种POF的研制成功都提高了POF的某些性能，扩展了其应用范围，迄今POF已广泛应用于光学器具、汽车、情报办公机器、装饰广告等；还在低码速LAN中和家庭信息网络中得到应用，并将与无机纤维一起取代同轴电缆作为传输介质以及飞速发展的数学化家庭音响系统等；此外还用于防爆安全光制导、医学窥镜等。
　　此外，POF在今后的发展过程中还需在耐热性、提高传输波长（氟化有希望）、细径化、功能化等方面得到发展。
　　据预测，21世纪POF市场中心将由日本移回美国，GI型POF将在信息高速公路中获得充分发展。我国POF的发展与国际发展水平相差较远，应借鉴国外经验和成果，选定POF材料品种和生产路线，进行国际合作，以求早日赶上国际水平。

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