CN113292241B - 光纤拉丝炉、光纤制备装置、光纤制备方法及细径光纤 - Google Patents

光纤拉丝炉、光纤制备装置、光纤制备方法及细径光纤 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光纤拉丝炉、光纤制备装置、光纤制备方法及细径光纤。光纤拉丝炉包括加热石墨件和进气管路，加热石墨件顺次相连的第一石墨段、第二石墨段和第三石墨段；进气管路包括主管路、第一环形管路和第二环形管路；第一环形管路间隔设置有第一进气口，其进气方向垂直于第一圆柱形腔体的轴向，且与切线方向的夹角为30～60°；第二环形管路间隔设置有多个第二进气口，其进气方向垂直于第二圆柱形腔体的轴向，且与切线方向的夹角为30～60°；多个第一进气口的进气方向和多个第二进气口的进气方向均整体呈顺时针方向变化或均整体呈逆时针方向变化。本发明极大地提高了熔融拉丝过程的稳定性。

Description

光纤拉丝炉、光纤制备装置、光纤制备方法及细径光纤
技术领域
本发明涉及光纤生产技术领域，具体而言，涉及一种光纤拉丝炉、光纤制备装置、光纤制备方法及细径光纤。
背景技术
随着中国大规模推进三网融合和宽带中国战略，5G网络、数据中心的建设带来新一轮的增长。随着宽带服务的扩大，通信网络的建设经历从核心网络到接入网络和光纤到户的发展，FTTH建设的光纤位于拥挤和狭窄的通道，对光纤的直径提出了更高的要求。
除了常规的包层125μm光纤外，出现了包层80μm甚至是更小的光纤，细径光纤的涂层厚度也随之下降。目前普遍的光纤制备工艺基本随着各类包层125μm光纤进行展开，但是针对更小尺寸细径光纤的相关工艺很缺乏。
通常细径光纤需要在较低的拉制速度下进行，方能保证裸纤的直径尺寸较小。但采用现有工艺和设备时，在较低拉制速度下会出现尺寸不稳定，直径变化大等问题，导致细径光纤尺寸不均一，且严重影响了光纤的衰减、强度等各项性能。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种光纤拉丝炉、光纤制备装置、光纤制备方法及细径光纤，以解决现有技术中生产细径光纤时存在的尺寸不稳定、不均一，从而导致光纤的衰减、强度等性能下降的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种光纤拉丝炉，包括加热石墨件和进气管路，其中，加热石墨件顺次相连的第一石墨段、第二石墨段和第三石墨段，第一石墨段具有第一圆柱形腔体，第三石墨段具有第二圆柱形腔体，且第二圆柱形腔体的径向截面积小于第一圆柱形腔体的径向截面积，第二石墨段具有分别与第一圆柱形腔体、第二圆柱形腔体相连通的圆台形腔体，第一圆柱形腔体、圆台形腔体及第二圆柱形腔体同轴设置，其中第一石墨段远离第二石墨段的一端沿其周向设置有第一环形进气缝，第三石墨段远离第二石墨段的一端沿其周向设置有第二环形进气缝；进气管路包括：主管路；第一环形管路，与主管路相连通，第一环形管路设置在第一石墨段的第一环形进气缝***，第一环形管路与第一圆柱形腔体同轴设置，第一环形管路上间隔设置有多个用于向第一圆柱形腔体进气的第一进气口；第一进气口的进气方向垂直于第一圆柱形腔体的轴向，且与其在第一环形管路处切线方向的夹角为30～60°；第二环形管路，与主管路相连通，第二环形管路设置在第三石墨段的第二环形进气缝***，第二环形管路与第二圆柱形腔体同轴设置，第二环形管路上间隔设置有多个用于向第二圆柱形腔体进气的第二进气口；第二进气口的进气方向垂直于第二圆柱形腔体的轴向，且与其在第二环形管路处切线方向的夹角为30～60°；其中，多个第一进气口的进气方向和多个第二进气口的进气方向均整体呈顺时针方向变化或均整体呈逆时针方向变化。
进一步地，多个第一进气口等间隔设置在第一环形管路上，多个第二进气口等间隔设置在第二环形管路上。
进一步地，第一进气口设置在第一环形管路的靠近第一石墨段外壁的一侧，并与第一环形进气缝相对应；第二进气口设置在第二环形管路的靠近第三石墨段外壁的一侧，并与第二环形进气缝相对应。
进一步地，光纤拉丝炉还包括惰性气体供应单元，惰性气体供应单元与主管路相连。
根据本发明的另一方面，还提供了一种光纤制备装置，其包括：送棒单元，用于对预制棒进行送棒；拉丝炉，为上述光纤拉丝炉，且其中的第一石墨段靠近送棒单元设置，第三石墨段远离送棒单元设置，拉丝炉用于在惰性气氛下对预制棒进行熔融拉丝以得到裸纤；保温单元，与拉丝炉相连，保温单元用于对裸纤进行保温；涂覆单元，与保温单元的出口相连，涂覆单元用于对裸纤进行树脂涂覆；固化单元，与涂覆单元的出口相连，固化单元用于对树脂涂覆后的裸纤进行固化，以在裸纤外部形成树脂包覆层，得到光纤。
进一步地，保温单元包括顺次相连的多个保温炉，且多个保温炉的出口温度依次降低。
进一步地，还包括位于固化单元下游的顺次相连的扭搓单元、牵引单元和收线单元。
进一步地，还包括：红外热成像单元，设置在拉丝炉和保温单元之间，用于对拉丝炉中出来的裸纤进行温度监测；裸纤丝径仪，设置在保温单元和涂覆单元之间，用于对裸纤的丝径进行测量；非接触张力仪，设置在裸纤丝径仪和涂覆单元之间，用于监测裸纤的在线张力；光纤尺寸测量单元，设置在固化单元和扭搓单元之间，用于测量光纤的直径。
根据本发明的又一方面，还提供了一种光纤制备方法，其采用上述的光纤制备装置制备光纤，光纤制备方法包括以下步骤：步骤1，通过送棒单元将预制棒送入拉丝炉进行熔融拉丝以得到裸纤，期间将预制棒的锥头的至少部分设置在圆台形腔体中；且在熔融拉丝过程中，通过惰性气体供应单元向进气管路中提供惰性气体，并使惰性气体通过第一进气口和第二进气口进入加热石墨件中；步骤2，将保温单元的出口温度控制在低于熔融拉丝过程的处理温度，使裸纤在保温单元的保温状态下逐渐冷却；步骤3，利用涂覆单元在冷却后的裸纤表面进行树脂涂覆，然后在固化单元中固化，以在裸纤外部形成树脂包覆层，得到光纤。
进一步地，将圆台形腔体的靠近第一石墨段的一端径向截面积记为S1，将圆台形腔体的靠近第三石墨段的一端径向截面积记为S2；在惰性气体通过第一进气口和第二进气口进入加热石墨件的步骤中，将第一环形管路中惰性气体的进气流量记为L1，将第二环形管路中惰性气体的进气流量记为L2，则L1/S1＝L2/S2。
进一步地，L1+L2＝10～50L/min。
进一步地，熔融拉丝过程的处理温度为1800～2400℃，裸纤的拉制速度为200～500m/min；将冷却后的裸纤进入涂覆单元的过程中，裸纤的引丝速度≤25m/min，引丝时间≤5s。
进一步地，保温单元包括顺次相连的多个保温炉，且多个保温炉的出口温度依次降低；优选地，保温单元的进口温度为1300～1700℃，出口温度为850～900℃；优选地，裸纤在各保温炉中的停留时间为0.0016～0.02s。
进一步地，步骤3包括：采用第一个涂覆单元在裸纤表面进行第一层树脂涂覆，然后在第一个固化单元中固化，以在裸纤外部形成内层树脂包覆层；采用第二个涂覆单元在内层树脂包覆层表面进行第二层树脂涂覆，然后在第二个固化单元中固化，以在内层树脂包覆层表面外部形成外层树脂包覆层，进而形成光纤。
进一步地，裸纤的直径为80±1μm，裸纤外部设置内层树脂包覆层后的直径为120～135μm，光纤的直径为155～170μm；优选地，内层树脂包覆层和外层树脂包覆层的厚度比例为1:(0.67～1.15)。
进一步地，内层树脂包覆层的原料为第一丙烯酸树脂涂料，其固化后的弹性模量≦1Mpa，25℃时涂料黏度为3500～7500mPa·s，涂料密度为0.95～1.2g/cm3，固化后的断裂伸长率≧130％；外层树脂包覆层的原料为第二丙烯酸树脂涂料，其固化后的弹性模量≧550Mpa，25℃时涂料黏度为3500～9500mPa·s，涂料密度为0.95～1.2g/cm3，断裂伸长率≧10％；优选地，第一层树脂涂覆过程中的温度为32～55℃，在该温度下的涂料黏度为1500～3000mPa·s；第二层树脂涂覆过程中的温度为32～55℃，在该温度下的涂料黏度为1500～3000mPa·s。
进一步地，固化单元采用的固化形式为UV或LED固化，固化功率≧300W，最高功率集中面积≦0.15cm2，固化时间为0.003～0.02s。
根据本发明的又一方面，还提供了一种细径光纤，其由上述光纤制备方法制备得到。
进一步地，细径光纤由内至外依次包括裸纤、内层树脂包覆层和外层树脂包覆层，裸纤的直径为80±1μm，裸纤外部设置内层树脂包覆层后的直径为120～135μm，光纤的直径为155～170μm；内层树脂包覆层和外层树脂包覆层的厚度比例为1:(0.67～1.15)。
本发明提供了一种光纤拉丝炉，其通过石墨件内部腔体的设计，配合进气管路的设计，改变了预制棒熔融拉丝过程中的进气方式，使惰性气体能够石墨件内部形成稳定的流动，促使熔融拉丝过程处于稳定气流场中，极大地提高了熔融拉丝过程的稳定性。采用本发明提供的光纤拉丝炉，在光纤引丝速度≦25m/min并失去外力牵引的情况下，光纤丝径仍可保持5s时间内丝径变化不超过10μm，对于光纤的尺寸稳定性具有极好的促进作用，有效提高了光纤，尤其是细径光纤的尺寸稳定均一性，相应改善了光纤的衰减、强度等性能，使其在这些指标中满足使用要求。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明一种实施例的光纤制备装置的结构示意图；
图2示出了根据本发明一种实施例的光纤拉丝炉中加热石墨件和进气管路的结构示意图；
图3示出了根据本发明一种实施例的光纤拉丝炉中进气管路的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、送棒单元；2、拉丝炉；3、保温单元；4、涂覆单元；5、固化单元；6、扭搓单元；7、牵引单元；8、收线单元；9、红外热成像单元；10、裸纤丝径仪；11、非接触张力仪；12、光纤尺寸测量单元；13、中央控制单元；
100、加热石墨件；110、第一石墨段；120、第二石墨段；130、第三石墨段；200、进气管路；210、主管路；220、第一环形管路；230、第二环形管路；201、第一进气口；202、第二进气口。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
正如背景技术部分所描述的，现有技术中生产细径光纤时存在尺寸不稳定、不均一，从而导致光纤的衰减、强度等性能下降的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种光纤拉丝炉，如图2所示，其包括加热石墨件100和进气管路200，其中，加热石墨件100顺次相连的第一石墨段110、第二石墨段120和第三石墨段130，第一石墨段110具有第一圆柱形腔体，第三石墨段130具有第二圆柱形腔体，第二圆柱形腔体的径向截面积小于第一圆柱形腔体的径向截面积，第二石墨段120具有分别与第一圆柱形腔体、第二圆柱形腔体相连通的圆台形腔体，且第一圆柱形腔体、圆台形腔体及第二圆柱形腔体同轴设置；其中第一石墨段110远离所述第二石墨段120的一端沿其周向设置有第一环形进气缝，第三石墨段130远离所述第二石墨段120的一端沿其周向设置有第二环形进气缝；如图3所示，进气管路200包括：主管路210、第一环形管路220和第二环形管路230，第一环形管路220与主管路210相连通，第一环形管路220设置在第一石墨段110的第一环形进气缝***，第一环形管路220与第一圆柱形腔体同轴设置，第一环形管路220上间隔设置有多个用于向第一圆柱形腔体进气的第一进气口201；第一进气口201的进气方向垂直于第一圆柱形腔体的轴向，且与其在第一环形管路220处切线方向的夹角α为30～60°；第二环形管路230与主管路210相连通，第二环形管路230设置在第三石墨段130的第二环形进气缝***，第二环形管路230与第二圆柱形腔体同轴设置，第二环形管路230上间隔设置有多个用于向第二圆柱形腔体进气的第二进气口202；第二进气口202的进气方向垂直于第二圆柱形腔体的轴向，且与其在第二环形管路230出切线方向的夹角β为30～60°；其中，多个第一进气口的进气方向和多个第二进气口的进气方向均整体呈顺时针方向变化或均整体呈逆时针方向变化。
这样，在熔融拉丝过程中，可将预制棒送入加热石墨件100中，并使至少部分预制棒的锥头部位于圆台形腔体内，在加热石墨件100的加热状态下进行熔融拉丝。由于本发明的进气管路包括主管路210和与之相连通的第一环形管路220和第二环形管路230，且第一环形管路220设置在第一石墨段110的第一环形进气缝***，并与第一圆柱形腔体同轴设置，第二环形管路230设置在第三石墨段130的第二环形进气缝***，并与第二圆柱形腔体同轴设置，实际生产过程中惰性气体即可通过主管路210分别进入第一环形管路220和第二环形管路230，再通过第一进气口和第二进气口分别从第一环形进气缝和第二环形进气缝实现上下进气。更重要地，本发明第一环形管路220上间隔设置的多个第一进气口的进气方向垂直于第一圆柱形腔体的轴向，且与其在第一环形管路220处切线方向的夹角为30～60°，第二环形管路230上间隔设置的多个第二进气口的进气方向垂直于第二圆柱形腔体的轴向，且与其在第二环形管路230处切线方向的夹角为30～60°，且多个第一进气口的进气方向和多个第二进气口的进气方向均整体呈顺时针方向变化或均整体呈逆时针方向变化，即可实现两个环形管路中的惰性气体能够以偏离所在位置切线30～60°的方向进入加热石墨件100中，并且形成同方向(顺时针方向或逆时针方向)的环形进气。这样的进气方式更有利于在熔融拉丝过程中形成稳定的环形气流场，对于熔融拉丝过程的稳定性有极大的改善作用。
基于以上设置，采用本发明提供的光纤拉丝炉，在光纤引丝速度≦25m/min并失去外力牵引的情况下，光纤丝径仍可保持5s时间内丝径变化不超过10μm，对于光纤的尺寸稳定性具有极好的促进作用，有效提高了光纤，尤其是细径光纤的尺寸稳定均一性，相应改善了光纤的衰减、强度等性能，使其在这些指标中满足使用要求。
此处需要说明的是，上述“多个第一进气口的进气方向和多个第二进气口的进气方向均整体呈顺时针方向变化或均整体呈逆时针方向变化”指的是多个第一进气口的进气方向整体沿切线方向偏向同一侧，共同形成顺时针方向或逆时针方向的进气，顺时针方向和逆时针方向是相对于第一环形管路的环绕方向而言；多个第二进气口的进气方向整体沿切线方向偏向同一侧，共同形成顺时针方向或逆时针方向的进气，顺时针方向和逆时针方向是相对于第而环形管路的环绕方向而言；且第一环形管路和第二环形管路的进气同为顺时针方向或同为逆时针方向。
此外，关于第一环形进气缝、第二环形进气缝，实际可在石墨件组装阶段形成。如图2所示，对于第一环形进气缝，第一石墨段110可由上下两段子石墨段堆叠形成，堆叠时将两段子石墨段之间设置一定宽度的缝隙，比如3.5～7.5mm，实际操作时，第一环形管路220上设置的第一进气口即可通过该第一环形进气缝向内部吹扫惰性气体。第二环形进气缝亦然。
在一种优选的实施方式中，多个第一进气口等间隔设置在第一环形管路220上，多个第二进气口等间隔设置在第二环形管路230上。这样可以促使惰性气体更均匀地进入，有利于进一步提高熔融拉丝过程中气体环境的稳定性。更优选地，第一进气口设置在第一环形管路220的靠近第一石墨段110外壁的一侧，并与第一环形进气缝相对应；第二进气口设置在第二环形管路230的靠近第三石墨段130外壁的一侧，并与第二环形进气缝相对应。这样，从第一进气口和第二进气口出来的气体可更稳定地沿原方向通过进气缝进入石墨件内部，有利于进一步提高上下进气后内部气场的稳定性。更优选地，第一环形管路220与第一石墨段110接触设置，第二环形管路230与第三石墨段130接触设置，这样第一进气口和第一环形进气缝直接接触连通，第二进气口和第二环形进气缝直接接触连通，进气更稳定。
优选地，光纤拉丝炉还包括惰性气体供应单元，惰性气体供应单元与主管路210相连。
根据本发明的另一方面，还提供了一种光纤制备装置，如图1所示，其包括送棒单元1、拉丝炉2、保温单元3、涂覆单元4、固化单元5，送棒单元1用于对预制棒进行送棒；拉丝炉2为上述光纤拉丝炉，且其中的第一石墨段110靠近送棒单元1设置，第三石墨段130远离送棒单元1设置，拉丝炉2用于在惰性气氛下对预制棒进行熔融拉丝以得到裸纤；保温单元3与拉丝炉2相连，保温单元3用于对裸纤进行保温；涂覆单元4与保温单元3的出口相连，涂覆单元4用于对裸纤进行树脂涂覆；固化单元5与涂覆单元4的出口相连，固化单元5用于对树脂涂覆后的裸纤进行固化，以在裸纤外部形成树脂包覆层，得到光纤。
这样，预制棒即可依次进行送棒、熔融拉丝、保温、树脂涂覆、固化，在裸纤表面形成树脂包覆层，从而形成光纤。如前文所述，由于上述拉丝炉2采用了前文所述光纤拉丝炉，熔融拉丝过程处于非常稳定的惰性气体流场中，因此对于熔融拉丝过程的稳定性有极大的改善作用，从而有效提高了光纤、尤其是细径光纤的尺寸稳定均一性，相应改善了光纤的衰减、强度等性能，使其在这些指标中满足使用要求。此外，对于保温单元的设置，光纤在拉丝炉内形成裸纤后逐渐由炉温冷却至室温，玻璃黏度由低到高，在这个过程中，光纤的假想温度对光纤衰减的影响至关重要。假想温度定义为玻璃从软化态到凝固态转变的温度(Tf)，Tf数值的高低代表了光纤在冷却过程中的退火程度，其数值越低，表示退火越完全，由于分子和原子重排造成的瑞利散射系数越低，衰减值越接近于理论极限值。
在光纤拉丝过程中，假定温度收到拉丝速度的影响：
式中，a1和a2是和材料有关的常数，q是冷却的速度(单位为K/s)，q0＝1K/s。因此，降低冷却速率是降低光纤假想温度的有效方法。而本发明为了降低光纤的假想温度，在拉丝炉之后设置了保温单元，对拉丝后形成的裸纤进行保温处理以达到减小光纤冷却速度的目的。基于此，能够进一步改善光纤、尤其是细径光纤的衰减性能。
为了在裸纤行进过程中更有效地控制冷却速度，以进一步改善光纤的衰减性能，在一种优选的实施方式中，保温单元3包括顺次相连的多个保温炉，且多个保温炉的出口温度依次降低。
在一种优选的实施方式中，上述装置还包括位于固化单元5下游的顺次相连的扭搓单元6、牵引单元7和收线单元8。利用这些装置能够进一步提高光纤的生产连续性和稳定性。优选地，牵引单元7和扭搓单元6之间还设置有牵引轮，用于牵引光纤。更优选地，上述装置还包括：红外热成像单元9，设置在拉丝炉2和保温单元3之间，用于对拉丝炉2中出来的裸纤进行温度监测；裸纤丝径仪10，设置在保温单元3和涂覆单元4之间，用于对裸纤的丝径进行测量；非接触张力仪11，设置在裸纤丝径仪10和涂覆单元4之间，用于监测裸纤的在线张力；光纤尺寸测量单元12，设置在固化单元5和扭搓单元6之间，用于测量光纤的直径。对拉丝炉2中出来的裸纤进行温度监测，方便监测其进入保温单元的温度，以方便保温单元根据实际温度进行温度调整，保证裸纤退火达到更好的水准。因为诸多数据如光纤截止波长和模场直径均与张力有关，张力可作为参考值对参数及时进行调整。
此外，优选上述装置还包括中央控制单元13，其与送棒单元1、拉丝炉2、保温单元3、涂覆单元4、固化单元5、扭搓单元6、牵引单元7、收线单元8、红外热成像单元9、裸纤丝径仪10、非接触张力仪11、光纤尺寸测量单元12均形成电连接，用于控制这些部件的运行，提高生产效率、连续性和稳定性。
根据本发明的又一方面，还提供了一种光纤制备方法，其采用上述光纤制备装置制备光纤，光纤制备方法包括以下步骤：步骤1，通过送棒单元1将预制棒送入拉丝炉2进行熔融拉丝以得到裸纤，期间将预制棒的锥头的至少部分设置在圆台形腔体中；且在熔融拉丝过程中，通过惰性气体供应单元向进气管路200中提供惰性气体，并使惰性气体通过第一进气口和第二进气口进入加热石墨件100中；步骤2，将保温单元3的出口温度控制在低于熔融拉丝过程的处理温度，使裸纤在保温单元3的保温状态下逐渐冷却；步骤3，利用涂覆单元4在冷却后的裸纤表面进行树脂涂覆，然后在固化单元5中固化，以在裸纤外部形成树脂包覆层，得到光纤。
采用以上制备方法，依次完成了预制棒的送棒、熔融拉丝、保温冷却、树脂涂覆和固化，得到了光纤。如前文所述，由于熔融拉丝过程在稳定的惰性气体流场中进行，有效提高了光纤、尤其是细径光纤的尺寸稳定均一性，相应改善了光纤的衰减、强度等性能，使其在这些指标中满足使用要求。同时，在熔融拉丝后利用保温单元3对裸纤进行保温状态下的冷却，有效降低了其冷却速度，对于光纤的衰减性能也有更好的促进作用。
在一种优选的实施方式中，将圆台形腔体的靠近第一石墨段110的一端径向截面积记为S1，将圆台形腔体的靠近第三石墨段130的一端径向截面积记为S2；在惰性气体通过第一进气口和第二进气口进入加热石墨件100的步骤中，将第一环形管路220中惰性气体的进气流量记为L1，将第二环形管路230中惰性气体的进气流量记为L2，则L1/S1＝L2/S2。根据上下进气过程中第三石墨段130两端径向截面积不同，将上下进气流量控制在上述范围内，有利于进一步提高惰性气体流场的稳定性，对于光纤的尺寸均一性具有更好的促进作用。更优选地，L1+L2＝10～50L/min。具体的惰性气体可以是氦气或氩气。
为了进一步提高熔融拉丝过程的稳定性，同时制备丝径更细的细径光纤，在一种优选的实施方式中，熔融拉丝过程的处理温度为1800～2400℃，裸纤的拉制速度为200～500m/min；将冷却后的裸纤进入涂覆单元4的过程中，裸纤的引丝速度≤25m/min，引丝时间≤5s。在实际拉制过程中，裸纤处于高速拉制状态。形成裸纤后，需要进入涂覆单元的模具中进行树脂包覆层的涂覆，该过程中通常具有较低的引丝速度，但裸纤在慢速甚至是停止的情况下，丝径往往会很快变大而且会超过模具尺寸，由于细径光纤拉丝工艺的特殊性，希望光纤在低速甚至是在停止时，光纤丝径可以在一段时间内保持相对稳定。正如前文所述，由于环形进气方式极大改善了拉制过程中的稳定性，使得本发明的冷却后的裸纤进入涂覆单元的过程中，当裸纤的引丝速度≤25m/min，在5s以内的时间短均能够保持较小的尺寸变化。
在一种优选的实施方式中，保温单元3包括顺次相连的多个保温炉，且多个保温炉的出口温度依次降低。这样可以在提高生产连续性和稳定性的同时，通过多级保温的形式进一步降低裸纤的冷却速度。比如，可以在拉丝炉之后设置n(n≧2)节长度为1m的保温炉，这n节保温炉的温度控制互相独立，但这n节保温炉之间相互衔接不暴露在空气中，设光纤进入保温单元3的温度为T1，出保温单元3的温度为T2，其中T1温度范围为1300～1700℃，T2温度范围为850～900℃。
优选地，裸纤在各保温炉中的停留时间为0.0016～0.02s。
在一种优选的实施方式中，上述步骤3包括：采用第一个涂覆单元4在裸纤表面进行第一层树脂涂覆，然后在第一个固化单元5中固化，以在裸纤外部形成内层树脂包覆层；采用第二个涂覆单元4在内层树脂包覆层表面进行第二层树脂涂覆，然后在第二个固化单元5中固化，以在内层树脂包覆层表面外部形成外层树脂包覆层，进而形成光纤。这样可以在裸纤表面依次涂布内层树脂包覆层和外层树脂包覆层，有利于改善光纤的柔韧性、弯折性、拉伸性等综合性能。在一种优选的实施方式中，裸纤的直径为80±1μm，裸纤外部设置内层树脂包覆层后的直径为120～135μm，光纤的直径为155～170μm。
在一种优选的实施方式中，内层树脂包覆层的原料为第一丙烯酸树脂涂料，其固化后的弹性模量≦1Mpa，25℃时涂料黏度为3500～7500mPa·s，涂料密度为0.95～1.2g/cm3，固化后的断裂伸长率≧130％；外层树脂包覆层的材料为第二丙烯酸树脂涂料，其固化后的弹性模量≧550Mpa，25℃时涂料黏度为3500～9500mPa·s，涂料密度为0.95～1.2g/cm3，固化后的断裂伸长率≧10％；优选地，第一层树脂涂覆过程中的温度为32～55℃，涂料在该温度下的黏度为1500～3000mPa·s；第二层树脂涂覆过程中的温度为32～55℃，涂料在该温度下的黏度为1500～3000mPa·s。以上第一丙烯酸树脂涂料和第二丙烯酸树脂涂料均可以商购，只要满足上述参数性能，即更适宜采用本发明前文所述制备方法制备细径光纤。具体厂家包括但不限于：迈图、DSM、维凯、飞凯等。
在一种优选的实施方式中，固化单元5采用的固化形式为UV或LED固化，固化功率≧300W，最高功率集中面积≦0.15cm2，固化时间为0.003～0.02s。这样能够将树脂涂覆层充分固化。理论上光源在进过反射罩后会汇聚成一个点，但是实际实施过程中因为反射罩加工进度和工艺的原因，反射罩加工后并不是一个理想的形状，光会汇聚到一块区域内而不是汇聚到一个点上，这个区域越小说明光的集中度越高，固化效率越好。此处最高功率集中面积，即是指固化光源的光汇聚后的面积。
在实际固化过程中，优选地，控制第一层树脂涂覆后的固化度为86～95％，控制第二层树脂涂覆后的固化度为90～100％，这样有利于更好地平衡光纤的抗衰减性能、弯曲损耗性能，同时能够对里层裸纤更好地保护。
根据本发明的又一方面，还提供了一种细径光纤，其由上述光纤制备方法制备得到。优选地，细径光纤由内至外依次包括裸纤、内层树脂包覆层和外层树脂包覆层，裸纤的直径为80±1μm，裸纤外部设置内层树脂包覆层后的直径为120～135μm，光纤的直径为155～170μm；内层树脂包覆层和外层树脂包覆层的厚度比例为1:0.67～1.15。该细径光纤具有小尺寸，且满足衰减、强度等各项指标。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
实施例1
该实施例中采用图1所示光纤制备装置制备了细径光纤，具体流程如下：
通过送棒单元将预制棒送入拉丝炉进行熔融拉丝以得到裸纤，期间将预制棒的锥头的至少部分设置在圆台形腔体中；且在熔融拉丝过程中，通过惰性气体(氦气)供应单元向进气管路中提供惰性气体，并使惰性气体通过第一进气口和第二进气口进入加热石墨件中。该过程中，预制棒熔融温度2000℃，将第一环形管路中惰性气体的进气流量记为L1，将第二环形管路中惰性气体的进气流量记为L2，则L1/S1＝L2/S2，L1+L2＝25L/min，拉丝速度200m/min。进气管路包括主管路、第一环形管路和第二环形管路，第一环形管路与主管路相连通，第一环形管路设置在第一石墨段的第一环形进气缝***并与之接触设置，第一环形管路与第一圆柱形腔体同轴设置。第一环形管路上间隔设置有四个第一进气口，设置在于第一进气缝对应的一侧，其进气方向垂直于第一圆柱形腔体的轴向，且与其在第一环形管路处切线方向的夹角为30°；第二环形管路与主管路相连通，第二环形管路设置在第三石墨段的第二环形进气缝***，第二环形管路与第二圆柱形腔体同轴设置。第二环形管路上间隔设置有四个第二进气口，设置在于第二进气缝对应的一侧，其进气方向垂直于第二圆柱形腔体的轴向，且与其在第二环形管路处切线方向的夹角为30°；其中，四个第一进气口的进气方向和四个第二进气口的进气方向均整体呈顺时针方向变化(从预制棒进入方向观察)。
拉丝速度200m/min得到的裸纤连续进入三节保温炉逐渐冷却，分别为：第一节温度1200℃，停留时间0.005s；第二节1100℃，停留时间0.005s；第三节1050℃，停留时间0.005s，第一节保温炉进口温度为1650℃，第三节保温炉出口温度为900℃。
冷却后的裸纤，以≤25m/min的引丝速度穿过模具进入涂覆阶段，期间用时5s。进入模具后，采用第一个涂覆单元在裸纤表面进行第一层树脂涂覆，然后在第一个固化单元中固化，以在裸纤外部形成内层树脂包覆层；采用第二个涂覆单元在内层树脂包覆层表面进行第二层树脂涂覆，然后在第二个固化单元中固化，以在内层树脂包覆层表面外部形成外层树脂包覆层，进而形成光纤。其中内层树脂包覆层的原料为第一丙烯酸树脂涂料，其固化后的弹性模量为0.88Mpa，25℃时涂料黏度为6500mPa·s，涂料密度为0.96g/cm3，固化后的断裂伸长率140％；外层树脂包覆层的材料为第二丙烯酸树脂涂料，其固化后的弹性模量为1220Mpa，25℃时涂料黏度为6000mPa·s，涂料密度为1.1128g/cm3，固化后的断裂伸长率14.74％；第一层树脂涂覆过程中的温度为45℃，涂料在该温度下的黏度为2500mPa·s；第二层树脂涂覆过程中的温度为40℃，涂料在该温度下的黏度为2200mPa·s。两次固化中，第一次为UV固化，功率为400W，最高功率集中面积≦0.15cm2，固化时间为0.0025s，固化度为92％；第二次为UV固化，功率为400W，最高功率集中面积≦0.15cm2，固化时间为0.0025s，固化度94％。最终形成上述1#光纤，且经丝径仪在线监测，包层直径偏差小于0.15μm，涂层直径偏差小于1.5μm。
实施例2
与实施例1不同之处在于：第一环形管路上间隔设置有四个第一进气口，其进气方向与其在第一环形管路处切线方向的夹角为60°；第二环形管路上间隔设置有四个第二进气口，其进气方向与其在第二环形管路处切线方向的夹角为60°。预制棒熔融温度1980℃，气流量L1+L2＝22L/min，拉丝速度250m/min。保温炉四节，分别为第一节温度1200℃，停留时间0.004s；第二节1100℃，停留时间0.004s；第三节1000℃，停留时间0.004℃；第四节950℃，停留时间0.004s；第一节保温炉进口温度为1700℃，第四节保温炉出口温度为925℃。
内层树脂包覆层的原料为第一丙烯酸树脂涂料，其固化后的弹性模量为0.88Mpa，25℃时涂料黏度为6500mPa·s，涂料密度为0.96g/cm3，固化后的断裂伸长率140％；外层树脂包覆层的材料为第二丙烯酸树脂涂料，其固化后的弹性模量为1220Mpa，25℃时涂料黏度为6000mPa·s，涂料密度为1.1128g/cm3，固化后的断裂伸长率14.74％；第一层树脂涂覆过程中的温度为47℃，涂料在该温度下的黏度为2400mPa·s；第二层树脂涂覆过程中的温度为42℃，涂料在该温度下的黏度为2000mPa·s。两次固化中，第一次为UV固化，功率为450W，最高功率集中面积≦0.15cm2，固化时间为0.002s，固化度为90％；第二次为UV固化，功率为450W，最高功率集中面积≦0.15cm2，固化时间为0.002s，固化度96％。最终形成上述2#光纤，且经丝径仪在线监测，包层直径偏差小于0.15μm，涂层直径偏差小于1.5μm。
实施例3
与实施例1不同之处在于：第一环形管路上间隔设置有六个第一进气口，其进气方向与其在第一环形管路处切线方向的夹角为40°；第二环形管路上间隔设置有六个第二进气口，其进气方向与其在第二环形管路处切线方向的夹角为40°。预制棒熔融温度2100℃，气流量L1+L2＝35L/min，拉丝速度350m/min。保温炉四节，分别为第一节温度1200℃，停留时间0.003s；第二节1150℃，停留时间0.003s；第三节1000℃，停留时间0.003℃；第四节950℃，停留时间0.003s；第一节保温炉进口温度为1600℃，第四节保温炉出口温度为900℃。
内层树脂包覆层的原料为第一丙烯酸树脂涂料，其固化后的弹性模量为0.77Mpa，25℃时涂料黏度为6200mPa·s，涂料密度为1.03g/cm3，固化后的断裂伸长率135％；外层树脂包覆层的材料为第二丙烯酸树脂涂料其固化后的弹性模量为810Mpa，25℃时涂料黏度为5600mPa·s，涂料密度为1.09g/cm3，固化后的断裂伸长率13.27％；第一层树脂涂覆过程中的温度为49℃，涂料在该温度下的黏度为2250mPa·s；第二层树脂涂覆过程中的温度为42℃，涂料在该温度下的黏度为2000mPa·s。两次固化中，第一次为UV固化，功率为500W，最高功率集中面积≦0.15cm2，固化时间为0.0015s，固化度为92％；第二次为UV固化，功率为500W，最高功率集中面积≦0.15cm2，固化时间为0.0015s，固化度98％。最终形成上述3#光纤，且经丝径仪在线监测，包层直径偏差小于0.15μm，涂层直径偏差小于1.5μm。
实施例4
与实施例1不同之处在于：预制棒熔融温度2050℃，气流量L1+L2＝30L/min，拉丝速度300m/min。保温炉三节，分别为第一节温度1250℃，停留时间0.003s；第二节1100℃，停留时间0.003s；第三节950℃，停留时间0.003s；第一节保温炉进口温度为1500℃，第四节保温炉出口温度为875℃。
内层树脂包覆层的原料为第一丙烯酸树脂涂料，其固化后的弹性模量为0.32Mpa，25℃时涂料黏度为6600mPa·s，涂料密度为1.02g/cm3，固化后的断裂伸长率162％；外层树脂包覆层的材料为第二丙烯酸树脂涂料，其固化后的弹性模量为567Mpa，25℃时涂料黏度为4700mPa·s，涂料密度为1.08g/cm3，固化后的断裂伸长率17.21％；第一层树脂涂覆过程中的温度为47℃，涂料在该温度下的黏度为2400mPa·s；第二层树脂涂覆过程中的温度为40℃，涂料在该温度下的黏度为2200mPa·s。两次固化中，第一次为UV固化，功率为500W，最高功率集中面积≦0.15cm2，固化时间为0.0016s，固化度为91％；第二次为UV固化，功率为500W，最高功率集中面积≦0.15cm2，固化时间为0.0016s，固化度96％。最终形成上述4#光纤，且经丝径仪在线监测，包层直径偏差小于0.15μm，涂层直径偏差小于1.5μm。
实施例5
与实施例1不同之处在于：预制棒熔融温度2150℃，气流量L1+L2＝40L/min，拉丝速度400m/min。保温炉五节，分别为第一节温度1350℃，停留时间0.0025s；第二节1250℃，停留时间0.0025s；第三节1100℃，停留时间0.0025s；第四节1000℃，停留时间0.0025s；第五节950℃，停留时间0.0025s；第一节保温炉进口温度为1600℃，第四节保温炉出口温度为900℃。
内层树脂包覆层的原料为第一丙烯酸树脂涂料内层树脂包覆层的原料为第一丙烯酸树脂涂料，其固化后的弹性模量为0.32Mpa，25℃时涂料黏度为6600mPa·s，涂料密度为1.02g/cm3，固化后的断裂伸长率162％；外层树脂包覆层的材料为第二丙烯酸树脂涂料，其固化后的弹性模量为567Mpa，25℃时涂料黏度为4700mPa·s，涂料密度为1.08g/cm3，固化后的断裂伸长率17.21％。第一层树脂涂覆过程中的温度为45℃，涂料在该温度下的黏度为2100mPa·s；第二层树脂涂覆过程中的温度为38℃，涂料在该温度下的黏度为2000mPa·s。两次固化中，第一次为UV固化，功率为600W，最高功率集中面积≦0.15cm2，固化时间为0.00125s，固化度为90％；第二次为UV固化，功率为600W，最高功率集中面积≦0.15cm2，固化时间为0.00125s，固化度95％。最终形成上述5#光纤，且经丝径仪在线监测，包层直径偏差小于0.15μm，涂层直径偏差小于1.5μm。
表1
光纤预制棒 1# 2# 3# 4# 5#
包层直径中位值(μm) 80.01 79.98 80.12 80.03 79.91
一次涂层涂覆完后光纤尺寸(μm) 130.18 129.21 128.63 129.59 130.22
二次涂覆完后光纤尺寸(μm) 163.1 164.2 161.1 162.3 163.4
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (23)

1.一种光纤拉丝炉，包括加热石墨件(100)和进气管路(200)，其特征在于，
所述加热石墨件(100)顺次相连的第一石墨段(110)、第二石墨段(120)和第三石墨段(130)，所述第一石墨段(110)具有第一圆柱形腔体，所述第三石墨段(130)具有第二圆柱形腔体，且所述第二圆柱形腔体的径向截面积小于所述第一圆柱形腔体的径向截面积，所述第二石墨段(120)具有分别与所述第一圆柱形腔体、所述第二圆柱形腔体相连通的圆台形腔体，所述第一圆柱形腔体、所述圆台形腔体及所述第二圆柱形腔体同轴设置，其中所述第一石墨段(110)远离所述第二石墨段(120)的一端沿其周向设置有第一环形进气缝，所述第三石墨段(130)远离所述第二石墨段(120)的一端沿其周向设置有第二环形进气缝；
所述进气管路(200)包括：
主管路(210)；
第一环形管路(220)，与所述主管路(210)相连通，所述第一环形管路(220)设置在第一石墨段(110)的所述第一环形进气缝***，所述第一环形管路(220)与所述第一圆柱形腔体同轴设置，所述第一环形管路(220)上间隔设置有多个用于向所述第一圆柱形腔体进气的第一进气口；所述第一进气口的进气方向垂直于所述第一圆柱形腔体的轴向，且与其在所述第一环形管路(220)处切线方向的夹角为30～60°；
第二环形管路(230)，与所述主管路(210)相连通，所述第二环形管路(230)设置在所述第三石墨段(130)的所述第二环形进气缝***，所述第二环形管路(230)与所述第二圆柱形腔体同轴设置，所述第二环形管路(230)上间隔设置有多个用于向所述第二圆柱形腔体进气的第二进气口；所述第二进气口的进气方向垂直于所述第二圆柱形腔体的轴向，且与其在第二环形管路(230)处切线方向的夹角为30～60°；
其中，多个所述第一进气口的进气方向和多个所述第二进气口的进气方向均整体呈顺时针方向变化或均整体呈逆时针方向变化。
2.根据权利要求1所述的光纤拉丝炉，其特征在于，多个所述第一进气口等间隔设置在所述第一环形管路(220)上，多个所述第二进气口等间隔设置在所述第二环形管路(230)上。
3.根据权利要求1或2所述的光纤拉丝炉，其特征在于，所述第一进气口设置在所述第一环形管路(220)的靠近所述第一石墨段(110)外壁的一侧，并与所述第一环形进气缝相对应；所述第二进气口设置在所述第二环形管路(230)的靠近所述第三石墨段(130)外壁的一侧，并与所述第二环形进气缝相对应。
4.根据权利要求1或2所述的光纤拉丝炉，其特征在于，所述光纤拉丝炉还包括惰性气体供应单元，所述惰性气体供应单元与所述主管路(210)相连。
5.一种光纤制备装置，其特征在于，包括：
送棒单元(1)，用于对预制棒进行送棒；
拉丝炉(2)，为权利要求1至4中任一项所述的光纤拉丝炉，且其中的第一石墨段(110)靠近所述送棒单元(1)设置，第三石墨段(130)远离所述送棒单元(1)设置，所述拉丝炉(2)用于在惰性气氛下对所述预制棒进行熔融拉丝以得到裸纤；
保温单元(3)，与所述拉丝炉(2)相连，所述保温单元(3)用于对所述裸纤进行保温；
涂覆单元(4)，与所述保温单元(3)的出口相连，所述涂覆单元(4)用于对所述裸纤进行树脂涂覆；
固化单元(5)，与所述涂覆单元(4)的出口相连，所述固化单元(5)用于对树脂涂覆后的所述裸纤进行固化，以在所述裸纤外部形成树脂包覆层，得到光纤。
6.根据权利要求5所述的光纤制备装置，其特征在于，所述保温单元(3)包括顺次相连的多个保温炉，且多个所述保温炉的出口温度依次降低。
7.根据权利要求5所述的光纤制备装置，其特征在于，还包括位于所述固化单元(5)下游的顺次相连的扭搓单元(6)、牵引单元(7)和收线单元(8)。
8.根据权利要求7所述的光纤制备装置，其特征在于，还包括：
红外热成像单元(9)，设置在所述拉丝炉(2)和所述保温单元(3)之间，用于对所述拉丝炉(2)中出来的所述裸纤进行温度监测；
裸纤丝径仪(10)，设置在所述保温单元(3)和所述涂覆单元(4)之间，用于对所述裸纤的丝径进行测量；
非接触张力仪(11)，设置在所述裸纤丝径仪(10)和所述涂覆单元(4)之间，用于监测所述裸纤的在线张力；
光纤尺寸测量单元(12)，设置在所述固化单元(5)和所述扭搓单元(6)之间，用于测量所述光纤的直径。
9.一种光纤制备方法，其特征在于，采用权利要求5至8中任一项所述的光纤制备装置制备光纤，所述光纤制备方法包括以下步骤：
步骤1，通过送棒单元(1)将预制棒送入拉丝炉(2)进行熔融拉丝以得到裸纤，期间将所述预制棒的锥头的至少部分设置在圆台形腔体中；且在所述熔融拉丝过程中，通过惰性气体供应单元向进气管路(200)中提供惰性气体，并使所述惰性气体通过第一进气口和第二进气口进入加热石墨件(100)中；
步骤2，将保温单元(3)的出口温度控制在低于所述熔融拉丝过程的处理温度，使所述裸纤在所述保温单元(3)的保温状态下逐渐冷却；
步骤3，利用涂覆单元(4)在冷却后的所述裸纤表面进行树脂涂覆，然后在固化单元(5)中固化，以在所述裸纤外部形成树脂包覆层，得到光纤。
10.根据权利要求9所述的光纤制备方法，其特征在于，将所述圆台形腔体的靠近所述第一石墨段(110)的一端径向截面积记为S1，将所述圆台形腔体的靠近所述第三石墨段(130)的一端径向截面积记为S2；在所述惰性气体通过第一进气口和第二进气口进入所述加热石墨件(100)的步骤中，将所述第一环形管路(220)中所述惰性气体的进气流量记为L1，将所述第二环形管路(230)中所述惰性气体的进气流量记为L2，则L1/S1＝L2/S2。
11.根据权利要求10所述的光纤制备方法，其特征在于，L1+L2＝10～50L/min。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的光纤制备方法，其特征在于，所述熔融拉丝过程的处理温度为1800～2400℃，所述裸纤的拉制速度为200～500m/min；将冷却后的所述裸纤进入所述涂覆单元(4)的过程中，所述裸纤的引丝速度≤25m/min，引丝时间≤5s。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的光纤制备方法，其特征在于，所述保温单元(3)包括顺次相连的多个保温炉，且多个所述保温炉的出口温度依次降低。
14.根据权利要求13所述的光纤制备方法，其特征在于，所述保温单元(3)包括顺次相连的多个保温炉，且多个所述保温炉的出口温度依次降低。
15.根据权利要求13所述的光纤制备方法，其特征在于，所述裸纤在各所述保温炉中的停留时间为0.0016～0.02s。
16.根据权利要求9至11中任一项所述的光纤制备方法，其特征在于，所述步骤3包括：采用第一个所述涂覆单元(4)在所述裸纤表面进行第一层树脂涂覆，然后在第一个固化单元(5)中固化，以在所述裸纤外部形成内层树脂包覆层；采用第二个所述涂覆单元(4)在所述内层树脂包覆层表面进行第二层树脂涂覆，然后在第二个固化单元(5)中固化，以在所述内层树脂包覆层表面外部形成外层树脂包覆层，进而形成所述光纤。
17.根据权利要求16所述的光纤制备方法，其特征在于，所述裸纤的直径为80±1μm，所述裸纤外部设置所述内层树脂包覆层后的直径为120～135μm，所述光纤的直径为155～170μm。
18.根据权利要求17所述的光纤制备方法，其特征在于，所述内层树脂包覆层和所述外层树脂包覆层的厚度比例为1:(0.67～1.15)。
19.根据权利要求16所述的光纤制备方法，其特征在于，所述内层树脂包覆层的原料为第一丙烯酸树脂涂料，其固化后的弹性模量≦1Mpa，25℃时涂料黏度为3500～7500mPa·s，涂料密度为0.95～1.2g/cm3，固化后的断裂伸长率≧130％；所述外层树脂包覆层的原料为第二丙烯酸树脂涂料，其固化后的弹性模量≧550Mpa，25℃时涂料黏度为3500～9500mPa·s，涂料密度为0.95～1.2g/cm3，断裂伸长率≧10％。
20.根据权利要求19所述的光纤制备方法，其特征在于，所述第一层树脂涂覆过程中的温度为32～55℃，在该温度下的涂料黏度为1500～3000mPa·s；所述第二层树脂涂覆过程中的温度为32～55℃，在该温度下的涂料黏度为1500～3000mPa·s。
21.根据权利要求16所述的光纤制备方法，其特征在于，所述固化单元(5)采用的固化形式为UV或LED固化，固化功率≧300W，最高功率集中面积≦0.15cm2，固化时间为0.003～0.02s。
22.一种细径光纤，其特征在于，由权利要求9至21中任一项所述的光纤制备方法制备得到。
23.根据权利要求22所述的细径光纤，其特征在于，所述细径光纤由内至外依次包括裸纤、内层树脂包覆层和外层树脂包覆层，所述裸纤的直径为80±1μm，所述裸纤外部设置所述内层树脂包覆层后的直径为120～135μm，所述光纤的直径为155～170μm；所述内层树脂包覆层和所述外层树脂包覆层的厚度比例为1:(0.67～1.15)。
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