光纤光缆制造工艺及设备(5)

-在老化和干燥过程中可继续使凝胶网络间的OH基团脱水形成新的硅氧键≡Si-O-Si≡，边缘

化学键的形成使凝胶的核心结构进一步牢固，同时脱水收缩开始，凝胶的体积减小，一般在老化和干燥前期比较明显，并逐步趋于平衡。

在碱性催化剂条件下，硅酸单体水解迅速凝聚，生成相对致密的胶体颗粒。这些颗粒再相互连接形成网络状的凝胶，这种凝胶缩聚反应进行的比较完全，结构比较牢固，在老化和干燥过程中体积基本保持不变。因此在碱性条件下所制得的湿凝胶孔洞尺寸较大，密度较小。

（3）水解聚合反应阶段：

即胶化过程，从溶胶转变为凝胶称胶化。首先形成湿胶再形成凝胶，一般在室温下进行，有时也可提高一些温度以加快胶化速度。

胶化过程中包含着水解和聚合两类化学反应。在制备石英系光纤时，采用硅的醇盐为原料，其水解和聚合的基本反应式如下：

１）完全水解反应

Si(OR)4+H24（5-2-23）

2)不完全水解反应

2Si(OR)4 +XH24 .(OH)X+XROH （5-2-24）

3)脱水聚合反应

Si(OR)4X-1(OR)4-X Si-O-Si(OH)4-X(OH)X-1（5-2-25）

4)水解聚合反应

2Si(OR)42O(OR)6-2X+2R（OH） （5-2-26） 在上述反应中应注意以下几个问题：

①全水解反应是水解反应速度太快而发生的，它并不是我们所期望的，因为Si(OH)4是一种沉淀物；

②聚合反应仅发生在反应的初期阶段，而脱水聚合反应只要在硅的化合物上存在OR根就会连续的进行，从而形成整体的硅氧网络。

③水解和聚合反应几乎是同时进行的，难以把他们分开研究

④当有酸碱催化剂存在时，水解反应一般被认为是以下面两种形式进行的：

++亲电子反应：(RO)3Si(OR)+H33Si(OH)+H+HOR （5-2-27）

++H+H23O （5-2-28）

-- 亲质子反应：(RO)3Si(OR)+OH3Si(OH)+OR（5-2-29）

-- OR+H2（5-2-30）

水解反应机理

18尤其是硅醇乙酯水解机理为同位素HOH所致。水中的氧原子与硅原子进行亲核反应：

18(RO)3SiOR+H3(OR)+ROH （5-2-31）

在这一反应过程中，溶剂的活化效应、极性极短和多活泼质子的获取性等因素对水解过程有非常重要的影响，而且在不同的介质中反应机理也有所差别。在酸催化条件下，主要是H3O对OR基团的亲电取代反应，水解速度快但随着水解反应的进行醇盐水解活性因为其分子上-OR基团的减少而下降，很难生成Si（OH）4。其缩聚反应在水解前，?即Si（OH）4完全转变为Si（OH）4前已开始，因而缩聚反应的交联程度低，易形成一维的链状结构。在碱的催

-化条件下，水解反应主要是OH对-OR基团的亲核取代反应，水解速度较酸催化的慢，但醇

盐水解活性随分子上-OR基团减少而增大，所以4个-OR基团很容易转变为-OH基团，即容易生成Si（OH）4进一步缩聚时便生成高交联度的三维网络结构。水解反应是可逆反应，如果在反应时排除掉水和醇的共沸物，则可以阻止逆反应的进行。如果溶剂的烷基不同于醇盐的烷基，则会产生转移酯化反应：

R（OH）+Si（OR）OR）（+ROH （5-2-32） 4 3OR）

（4）干燥阶段：

一般放在敞开容器内，80~110°C温度下进行，在此阶段除去大部分的溶胶和物

23理吸附水，所获得的干凝胶具有600~900m/g比表面积，宏观密度为1.2~1.6g/cm

（5）热处理阶段：

在此阶段除去化学结合的OR.OH根等部分重金属杂质。此时，升温速度，保温温度，保温时间和气氛等参数都影响最终产品的性能。

由于干胶内包含有大量的孔隙，具有大的比表面积，并含有大量的OH和OR，因此在干胶进一步热处理过程中所采用的程序对于降低光纤内OH含量和避免玻璃产品在加温时是非常关键的。

首先他们发现在300~500°C温度范围存在着有机杂质的氧化反应，所以，在此阶段，如采用保温并加上充分的氧气气氛，可使有机杂质氧化分解为气体产物逸出体外，随后在500°C~1000°C间，OH-根凝聚成水分挥发掉，并在1100°C时气孔开始缩小。他们认为此时He气氛中加热比较合理。因为He在玻璃内有最大扩散率，利于把玻璃内的气泡带走。但是，当用单纯的He气氛处理和烧结时，最终玻璃内的OH含量最高甚至大于5000ppm，尽量采用较慢的升温速度有利于降低OH根的含量，但仅仅是量的变化，即使加上其他合理的措施，最终玻璃内的OH含量仍保持在600ppm。在这种情况下,得不到低损耗的玻璃预制棒。因此后来采用了Cl2处理技术，降低OH含量，与Cl2硅氧网络内OH能发生以下反应：

Si（OH）Cl2

Cl4+H2O （5-2-33） 4+2

在800°C下，通入氯气30分钟，玻璃内的OH含量可降低到ppm量极。OH含量的降低与通入Cl2的时间有关，例如，热处理温度在1000°C时，氯气气氛保温两小时，OH含量为200~300ppm，保温时间延长至7小时，OH含量则小于1ppm。通入氯气处理，可导致Cl2含量过高，这种玻璃材料拉丝时也会发泡，故需在更高的温度下，在O2气氛中处理Cl2含量低于0.5%。可消除这种影响。

（6）烧结阶段：

在此阶段，通过粘性流动，胶体内微孔收缩最终成为无气泡透明玻璃棒。在此过程中，玻璃棒的气孔率逐渐减小，比重逐渐增大到该物质的理论密度，一般在高于1100°C的温度下烧结。

溶胶经过以上几个阶段转变成制造光纤的玻璃棒，物质状态发生了明显变化。

5.2.7光纤预制棒表面研磨处理技术

众所周知，预拉制光纤的强度和强度分布，强烈地取决于初始光纤预制棒的质量，特别是它的表面质量。由于预制棒表面存在的裂纹和杂质粒子，在高于2000°C的温度下拉成光纤后，会遗留在光纤表面，形成裂纹和微晶缺陷。因此，为克服这一问题，以制备连续长度长且高强度光纤，必须在拉制工序之前，愈合和消除这些表面缺陷。目前采用的光纤制棒表面处理方法主要有五种，它们是：

（1）.采用Etoh，Meoh，丙酮和MEK等有机溶剂清洗预制棒表面；

（2）.采用酸溶液浸蚀预制棒；

（3）.采用火焰抛光预制棒；

(4).采用有机溶剂清洗后的预制棒，再进一步用火焰抛光处理；

(5).采用有机溶剂清洗后，再经酸蚀后的预制棒，进一步采用火焰抛光处理。

采用一种有机溶剂清洗方法处理时，光纤强度改善并不是很明显，它的强度分布从弱区到强区分布较宽。酸蚀玻璃是一种常规的强化玻璃表面技术。从对光纤断裂机理分析可以推断出，气相沉积技术制得光纤预制棒表面上的杂质粒子主要来自两个方面：一是在1600°C~2000°C的高沉积温度和高收缩温度下，使稀少的金属粒子自火焰中飞溅出来，熔融到棒的热表面上，并在拉丝工艺之后，遗留于光纤表面上，这对微裂纹的形成起着主要作用。另一方面，是来自生产现场大气气氛中的尘粒，例如CaCO3、MgCO3等尘埃。该尘粒是在持续大约6小时的沉积和收缩阶段，被熔融到管棒表面上的。这本身又诱发了在这些点处的化学成分的变化，这一变化可导致在光纤表面的热应力和结晶化，致使微裂纹的形成，最终导致光纤强度的降低，使用中发生断裂。采用酸蚀可有效地除去这些表面杂质粒子。 4HF+ …… 此处隐藏：2683字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……