專利名稱：高純度單一體系制備漸變型塑料光纖預(yù)制棒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高速光通訊網(wǎng)絡(luò)中的寬帶接入網(wǎng)領(lǐng)域與信息通訊的多媒體材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及折射率沿徑向呈漸變的漸變型塑料光纖預(yù)制棒的制備方法。
現(xiàn)代通訊正以突飛猛進的速度向高速、大容量方向發(fā)展，多媒體通訊的興起要求其傳輸?shù)男畔?nèi)容豐富、頻帶寬，為此對接入網(wǎng)的帶寬的要求與日俱增，故需把通訊網(wǎng)絡(luò)，特別是家庭接入網(wǎng)拓寬，使之適合于通訊高速公路的需要。目前，光纖通訊發(fā)展極為迅速，其觸角已經(jīng)遍及郵電通訊主干線、鐵路、電力系統(tǒng)、廣播電訊、交通系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)、軍事、工業(yè)企業(yè)內(nèi)部通訊等領(lǐng)域。但利用玻璃光纖為光信息的傳輸介質(zhì)在家庭接入網(wǎng)中，卻遇到了綜合價格高、維護和安裝費用昂貴等難題。所以目前世界各國均采用光纖到路邊的方式(FTTC)。即采用玻璃光纖與電纜混合接入網(wǎng)。由于受到電纜的低速限制，致使整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)，所以無法實現(xiàn)高速運行，這便是人們熟知的“最后一英里問題”，它已成為阻礙信息高速公路直達千家萬戶最大的難題之一。
可提供寬帶接入業(yè)務(wù)的傳輸媒質(zhì)包括雙絞線、同軸電纜、石英光纖和塑料光纖。石英光纖能完全滿足帶寬和電磁兼容性的要求，但其芯徑很小(8-65μm)，連接中要求較高的對準(zhǔn)精度，從而給連接帶來諸多不便，成本高是阻礙其在短距離通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的主要因素。因此，在短距離的通信網(wǎng)絡(luò)中通常使用雙絞線。雙絞線的成本較低，但帶寬小、損耗大、電磁兼容性差。塑料光纖(POF)在高速短距離通信網(wǎng)絡(luò)中具有顯著競爭力，它在100-1000m范圍內(nèi)帶寬可達數(shù)GHz，而成本與雙絞線相當(dāng)。塑料光纖的數(shù)值孔徑大(0.3-0.5)，連接時不必苛求精確對準(zhǔn)，且其芯徑大(0.5-1mm)，連接時易于對準(zhǔn)，可以使用廉價的注塑連接器，因而塑料光纖的連接簡便且成本較低。另外，塑料光纖的重量輕，可撓性好，易于在狹窄的空間內(nèi)鋪設(shè)，因此，塑料光纖將成為實現(xiàn)光纖到家(FTTH)的理想的終端傳輸媒質(zhì)，并可直接用于工業(yè)控制，成為工控網(wǎng)絡(luò)的傳輸媒質(zhì)。
塑料光纖接入網(wǎng)的綜合成本(包括塑料光纖、網(wǎng)絡(luò)器件、網(wǎng)絡(luò)施工費用、網(wǎng)絡(luò)維護費用等)將比利用玻璃光纖為介質(zhì)低得多，是未來光纖入戶和計算機局域網(wǎng)光纖化的理想系統(tǒng)。塑料光纖的缺點是信號衰減稍大，只適用于短途通信，使用壽命約為十年。所以如何降低塑料光纖對光信號的衰減是當(dāng)前研究的主要方向。
鑒于上述，本發(fā)明的目的在于提供一種折射率沿徑向呈漸變的漸變型塑料光纖預(yù)制棒的全新制作方法。按本發(fā)明的方法可得到透明的、無氣泡的、折射率呈平滑的漸變型分布的預(yù)制棒。
本發(fā)明的漸變型塑料光纖預(yù)制棒系采用全新的單一體系，其理論依據(jù)在與不同聚合度的聚甲基丙稀酸酯類化合物的折射率有顯著的差別。隨聚合度的不同，折射率可從1.42變到1.50。具體制備方法按如下步驟進行第一步將摩爾濃度為0.005M-0.04M硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑的甲基丙稀酸酯類單體置于輸出功率在500W、頻率為2×104Hz-109Hz的超聲波環(huán)境中在溫度50℃-95℃下處理2-5小時。然后置于旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器中，在轉(zhuǎn)速1500-3000rpm，溫度50℃-95℃下反應(yīng)5-28小時，使之依附于反應(yīng)器內(nèi)壁形成聚甲基丙稀酸酯類有機高分子空芯管；第二步將含有摩爾濃度為0.005-0.05M硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑和甲基丙稀酸酯類單體在輸出功率為500W、頻率為2×104Hz-109Hz的超聲波環(huán)境中在溫度50℃-95℃下反應(yīng)2-10小時。然后在70℃-135℃下反應(yīng)24-68小時，進一步反應(yīng)直至反應(yīng)完全。得到粘均分子量為14-30萬聚甲基丙稀酸酯。
第三步將第二步得到的聚甲基丙稀酸酯溶解在丙酮中，溶質(zhì)的濃度為20-50％重量百分比。然后與等摩爾的溴化氫均勻混合，加熱使之完全反應(yīng)。溴化氫將加成到聚甲基丙稀酸的端基碳碳雙鍵，使碳碳雙鍵斷裂，從而使之失去活性。后將丙酮蒸餾祛除，得到聚甲基丙稀酸酯-溴化氫加成產(chǎn)物。將其溶解到甲基丙稀酸酯單體中。
第四步將第三步制得的溶液與摩爾濃度為0.005M-0.1M硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑均勻混合后一次性灌入有機高分子空芯管中。在輸出功率在500W、頻率為2×104Hz-109Hz的超聲波環(huán)境中在溫度50℃-95℃下反應(yīng)2-10小時。然后在70℃-135℃下反應(yīng)24-68小時，進一步反應(yīng)直至反應(yīng)完全。最終得到透明的折射率呈現(xiàn)梯度分布的漸變型塑料光纖預(yù)制棒。在棒的芯部由均勻分布分子量為5-10萬左右的聚甲基丙稀酸酯。分子量為14-40萬的聚甲基丙稀酸酯-溴化氫加成物在預(yù)制棒中從纖芯到包層濃度呈現(xiàn)由大變小的梯度分布。
由于分子量為14-40萬的聚甲基丙稀酸酯-溴化氫加成物的折射率(～1.50)較分子量為5-10萬左右的聚甲基丙稀酸酯折射率(～1.47)高，從而導(dǎo)致預(yù)制棒中的折射率呈現(xiàn)從纖芯到包層的漸變型的拋物線分布。
其中所述甲基丙稀酸酯類單體為甲基丙稀酸甲酯(MMA)、甲基丙稀酸乙酯或甲基丙稀酸苯酯等；鏈轉(zhuǎn)移劑為硫醇類如正丁基硫醇、十二烷基硫醇或十六烷基硫醇等。
本發(fā)明的關(guān)鍵在于發(fā)明了一種新型單一組分方法。本方法從根本上克服了界面/凝膠法的固有缺陷。利用聚甲基丙稀酸酯不同聚合度所表現(xiàn)的不同折射率現(xiàn)象調(diào)節(jié)塑料光纖的折射率，利用超聲波引發(fā)聚合，避免使用通常制備方法不可避免引入的引發(fā)劑與摻雜劑，使得引發(fā)劑與摻雜劑帶來的光損耗被徹底祛除。從而得到高純度的體系。得到了折射率由皮層向軸心區(qū)逐漸增加的呈漸變型的預(yù)制棒。
本發(fā)明的優(yōu)點本方法利用超聲波作為引發(fā)裝置，避免使用化學(xué)引發(fā)劑。利用不同分子量的聚甲基丙稀酸酯單一體系，避免使用化學(xué)摻雜劑，從而從根本上消除引發(fā)劑和摻雜劑帶來的光損耗。按本發(fā)明的方法可得到高純度透明的、無氣泡的、折射率呈拋物線型平滑的漸變型分布的預(yù)制棒。由于本方法利用不同分子量的聚甲基丙稀酸酯作為折射率調(diào)節(jié)劑，所以較通常使用的有機小分子摻雜劑或擴散劑有更好的化學(xué)穩(wěn)定性和更長的使用壽命。預(yù)制棒利用熱拉法，可制成穩(wěn)定的光纖。所以利用該方法制成的塑料光纖壽命較長，十分穩(wěn)定。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細描述

圖1按本發(fā)明的方法制備的預(yù)制棒(分子量為14萬聚甲基丙稀酸甲酯∶分子量為7萬聚甲基丙稀酸甲酯重量比例1∶4)折射率分布圖；圖2按本發(fā)明的方法制備的預(yù)制棒(分子量為14萬聚甲基丙稀酸甲酯∶分子量為7萬聚甲基丙稀酸甲酯重量比例1∶3)的折射率分布圖。
圖3按本發(fā)明的方法制備的預(yù)制棒(分子量為14萬聚甲基丙稀酸甲酯∶分子量為7萬聚甲基丙稀酸甲酯重量比例1∶5)折射率分布圖；圖4按本發(fā)明的方法制備的預(yù)制棒(分子量為40萬聚甲基丙稀酸甲酯∶分子量為10萬聚甲基丙稀酸甲酯重量比例1∶5)折射率分布圖。
實施例1配置10毫升0.005M摩爾濃度的硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑的甲基丙稀酸甲酯單體溶液，然后灌入內(nèi)徑為10毫米的不銹鋼管中，密封兩端。于500W輸出功率、2×104Hz頻率的超聲波環(huán)境中在溫度50℃下處理5小時。然后置于旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器中，在轉(zhuǎn)速3000rpm、溫度50℃下反應(yīng)28小時，使之在反應(yīng)器內(nèi)壁形成外徑為10毫米，內(nèi)徑為6毫米聚甲基丙稀酸酯類有機高分子空芯管。
配置50毫升含有0.005M摩爾濃度的硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑的甲基丙稀酸酯類單體溶液于500W輸出功率、2×104Hz頻率的超聲波環(huán)境中在溫度60℃下反應(yīng)10小時。然后在80℃下反應(yīng)68小時，進一步反應(yīng)直至反應(yīng)完全。得到粘均分子量為14萬聚甲基丙稀酸酯。然后溶解在丙酮中，溶質(zhì)的濃度為20％重量百分比。與等摩爾的溴化氫均勻混合后，在溫度50℃回餾至完全反應(yīng)。后將丙酮蒸餾祛除，得到聚甲基丙稀酸酯-溴化氫加成產(chǎn)物。將其溶解到甲基丙稀酸酯單體配制成重量百分比為1∶4的溶液。
將制得的溶液與0.1M摩爾濃度的硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑均勻混合后灌入有機高分子空芯管中直至添滿。在輸出功率為500W、頻率為2×109Hz的超聲波環(huán)境中在溫度95℃下反應(yīng)2小時。然后在135℃下反應(yīng)24小時，進一步反應(yīng)直至反應(yīng)完全。最終得到外徑為10毫米的透明的折射率呈現(xiàn)梯度分布的漸變型塑料光纖預(yù)制棒。折射率分布圖如圖1所示。
實施例2配置10毫升0.005M摩爾濃度的硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑的甲基丙稀酸甲酯單體溶液，然后灌入內(nèi)徑為10毫米的不銹鋼管中，密封兩端。于500W輸出功率、2×105Hz頻率的超聲波環(huán)境中在溫度50℃下處理5小時。然后置于旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器中，在轉(zhuǎn)速3000rpm、溫度50℃下反應(yīng)28小時，使之在反應(yīng)器內(nèi)壁形成外徑為10毫米，內(nèi)徑為6毫米聚甲基丙稀酸酯類有機高分子空芯管。
配置50毫升含有0.005M摩爾濃度的硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑的甲基丙稀酸酯類單體溶液于500W輸出功率、2×105Hz頻率的超聲波環(huán)境中在溫度60℃下反應(yīng)10小時。然后在80℃下反應(yīng)68小時，進一步反應(yīng)直至反應(yīng)完全。得到粘均分子量為14萬聚甲基丙稀酸酯。然后溶解在丙酮中，溶質(zhì)的濃度為20％重量百分比。與等摩爾的溴化氫均勻混合后，在溫度50℃回餾至完全反應(yīng)。后將丙酮蒸餾祛除。得到聚甲基丙稀酸酯-溴化氫加成產(chǎn)物。將其溶解到甲基丙稀酸酯單體配制成重量百分比為1∶3的溶液。
將制得的溶液與0.1M摩爾濃度的硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑均勻混合后灌入有機高分子空芯管中直至添滿。在輸出功率為500W、頻率為2×109Hz的超聲波環(huán)境中在溫度95℃下反應(yīng)2小時。然后在135℃下反應(yīng)24小時，進一步反應(yīng)直至反應(yīng)完全。最終得到外徑為10毫米的透明的折射率呈現(xiàn)梯度分布的漸變型塑料光纖預(yù)制棒。折射率分布圖如圖2所示。
實施例3
配置10毫升0.005M摩爾濃度的硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑的甲基丙稀酸甲酯單體溶液，然后灌入內(nèi)徑為10毫米的不銹鋼管中，密封兩端。于500W輸出功率、2×109Hz頻率的超聲波環(huán)境中在溫度50℃下處理5小時。然后置于旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器中，在轉(zhuǎn)速3000rpm、溫度50℃下反應(yīng)28小時，使之在反應(yīng)器內(nèi)壁形成外徑為10毫米，內(nèi)徑為6毫米聚甲基丙稀酸酯類有機高分子空芯管。
配置50毫升含有0.005M摩爾濃度的硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑的甲基丙稀酸酯類單體溶液于500W輸出功率、2×109Hz頻率的超聲波環(huán)境中在溫度60℃下反應(yīng)10小時。然后在80℃下反應(yīng)68小時，進一步反應(yīng)直至反應(yīng)完全。得到粘均分子量為14萬聚甲基丙稀酸酯。然后溶解在丙酮中，溶質(zhì)的濃度為20％重量百分比。與等摩爾的溴化氫均勻混合后，在溫度50℃回餾至完全反應(yīng)。后將丙酮蒸餾祛除。得到聚甲基丙稀酸酯-溴化氫加成產(chǎn)物。將其溶解到甲基丙稀酸酯單體配制成重量百分比為1∶5的溶液。
將制得的溶液與0.1M摩爾濃度的硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑均勻混合后灌入有機高分子空芯管中直至添滿。在輸出功率為500W、頻率為2×109Hz的超聲波環(huán)境中在溫度95℃下反應(yīng)2小時。然后在135℃下反應(yīng)24小時，進一步反應(yīng)直至反應(yīng)完全。最終得到外徑為10毫米的透明的折射率呈現(xiàn)梯度分布的漸變型塑料光纖預(yù)制棒。折射率分布圖如圖3所示。
實施例4配置350毫升0.005M摩爾濃度的硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑的甲基丙稀酸甲酯單體溶液，然后灌入內(nèi)徑為50毫米、長度為500毫米的不銹鋼管中，密封兩端，在輸出功率為500W、頻率為2×109Hz的超聲波環(huán)境中在溫度50℃下處理5小時。然后置于旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器中，在轉(zhuǎn)速3000rpm、溫度50℃下反應(yīng)28小時，使之在反應(yīng)器內(nèi)壁形成外徑為50毫米、內(nèi)徑為40毫米聚甲基丙稀酸酯類有機高分子空芯管。
配置650毫升含有0.0001M摩爾濃度的硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑的甲基丙稀酸酯類單體溶液在輸出功率為500W，頻率為2×109Hz的超聲波環(huán)境中在溫度60℃下反應(yīng)10小時。然后在80℃下反應(yīng)68小時，進一步反應(yīng)直至反應(yīng)完全。得到粘均分子量為40萬聚甲基丙稀酸酯。然后溶解在丙酮中，溶質(zhì)的濃度為20％重量百分比。與等摩爾的溴化氫均勻混合，在溫度50℃回餾至完全反應(yīng)。后將丙酮蒸餾祛除。得到聚甲基丙稀酸酯-溴化氫加成產(chǎn)物。將其溶解到甲基丙稀酸酯單體配制成重量百分比為1∶5的溶液。
將制得的溶液與0.08M摩爾濃度的硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑均勻混合后灌入有機高分子空芯管中直至添滿。在輸出功率為500W、頻率為2×109Hz的超聲波環(huán)境中在溫度95℃下反應(yīng)2小時。然后在135℃下反應(yīng)24小時，進一步反應(yīng)直至反應(yīng)完全。最終得到外徑為50毫米的透明的折射率呈現(xiàn)梯度分布的漸變型塑料光纖預(yù)制棒。折射率分布圖如圖4所示。
權(quán)利要求
1.一種高純度單一組分、折射率沿徑向呈漸變的漸變型塑料光纖預(yù)制棒的制備方法，采用新型的本體聚合與擴散原理，其特征在于按如下步驟進行第一步將摩爾濃度為0.005M-0.04M硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑的甲基丙稀酸酯類單體置于輸出功率在500W，頻率為2×104Hz-109Hz的超聲波環(huán)境中在溫度50℃-95℃下處理2-5小時，然后置于高速旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器中，在轉(zhuǎn)速1500-3000rpm，溫度50℃-95℃下反應(yīng)5-28小時，使之依附于反應(yīng)器內(nèi)壁形成聚甲基丙稀酸酯類有機高分子空芯管；第二步將含有摩爾濃度為0.005-0.1M硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑和甲基丙稀酸酯類單體在輸出功率在500W，頻率為2×104Hz-109Hz的超聲波環(huán)境中在溫度50℃-95℃下反應(yīng)2-10小時，然后在70℃-135℃下反應(yīng)24-68小時，進一步反應(yīng)直至反應(yīng)完全，得到粘均分子量為14-30萬聚甲基丙稀酸酯；第三步將第二步得到的聚甲基丙稀酸酯溶解在丙酮中，溶質(zhì)的濃度為20-50％重量百分比，然后與等摩爾的溴化氫均勻混合，加熱使之完全反應(yīng)，溴化氫將加成到聚甲基丙稀酸的端基碳碳雙鍵，使碳碳雙鍵斷裂，從而使之失去活性，后將丙酮蒸餾祛除，得到聚甲基丙稀酸酯-溴化氫加成產(chǎn)物，將其溶解到甲基丙稀酸酯單體中；第四步將第三步制得的溶液與摩爾濃度為0.005M-0.1M硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑均勻混合后一次性灌入有機高分子空芯管中，在輸出功率在500W，頻率為2×104Hz-109Hz的超聲波環(huán)境中在溫度50℃-95℃下反應(yīng)2-10小時，然后在70℃-135℃下反應(yīng)24-68小時，進一步反應(yīng)直至反應(yīng)完全，最終得到透明的折射率呈現(xiàn)梯度分布的漸變型塑料光纖預(yù)制棒，在棒的芯部由均勻分布分子量為5-10萬左右的聚甲基丙稀酸酯，分子量為14-40萬的聚甲基丙稀酸酯-溴化氫加成物在預(yù)制棒中從纖芯到包層濃度呈現(xiàn)由大變小的梯度分布。
2.如權(quán)利要求1所述的一種折射率沿徑向呈漸變的漸變型塑料光纖預(yù)制棒的制備方法，其特征在于所述的超聲波的輸出功率為500W、頻率為2×104Hz-109Hz，所述高速旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速為1500-3000rpm。
3.如權(quán)利要求1所述的一種折射率沿徑向呈漸變的漸變型塑料光纖預(yù)制棒的制備方法，其特征在于所述的利用輸出功率在500W、頻率為2×104Hz-109Hz的超聲波引發(fā)形成的聚甲基丙稀酸酯類有機高分子空芯管的外徑為10-50毫米，內(nèi)徑為6-40毫米。
4.如權(quán)利要求1所述的一種折射率沿徑向呈漸變的漸變型塑料光纖預(yù)制棒的制備方法，其特征在于所述的得到漸變型塑料光纖預(yù)制棒的粘均分子量在50,000-400,000。
5.如權(quán)利要求1所述的一種折射率沿徑向呈漸變的漸變型塑料光纖預(yù)制棒的制備方法，其特征在于所述的甲基丙稀酸酯類單體為甲基丙稀酸甲酯、甲基丙稀酸乙酯或甲基丙稀酸苯酯。
6.如權(quán)利要求1或2所述的一種折射率沿徑向呈漸變的漸變型塑料光纖預(yù)制棒的制備方法，其特征在于所述的硫醇類鏈轉(zhuǎn)移劑為正丁基硫醇、十二烷基硫醇或十六烷基硫醇。
7.如權(quán)利要求1或2所述的一種折射率沿徑向呈漸變的漸變型塑料光纖預(yù)制棒的制備方法，其特征在于所述的體系為單一的聚甲基丙稀酸酯類化合物。
全文摘要
本發(fā)明屬于高速光通訊網(wǎng)絡(luò)中的寬帶接入領(lǐng)域與信息通訊的多媒體材料技術(shù)領(lǐng)域,采用超聲波引發(fā)反應(yīng)。先采用離心法制備有機高分子空芯管,利用聚甲基丙稀酸酯不同聚合度所表現(xiàn)的不同折射率現(xiàn)象調(diào)節(jié)塑料光纖的折射率,從而得到了高純度單一體系的折射率由皮層向軸心區(qū)逐漸增加的呈漸變型的預(yù)制棒。按本發(fā)明的方法可得到高純度的透明的、無氣泡的、折射率呈平滑的漸變型分布的預(yù)制棒。
文檔編號C08J7/00GK1336388SQ0112929
公開日2002年2月20日 申請日期2001年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月21日
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