Фотоотверждаемие композиції для волоконних світловодів

Батталья Е.М., прочухалася Ю.А.

Інтенсивне розвиток нових технологій вимагає створення спеціальних покриттів для захисту оптичного волокна від зовнішніх фізико-хімічних впливів.

В початку розробок систем зв'язку на волоконно-оптичних елементах (1965-1979 рр..) вибір матеріалів для покриттів оптичних волокон був дуже обмежений і включав в себе в основному такі матеріали, як тефлон, лаки, поліолефіни, силоксанових еластомери. Для нанесення таких матеріалів потрібно досить складне технологічне обладнання (екструдери, спеціальні термопечі тощо), і сам процес досить тривалий. У 1980-і рр.. співробітниками фірми GAF Corp., AT Bell Labor., Eastm. Kod. Co, що працюють над створенням полімерних покриттів, були отримані різні склади олігомерів, надзвичайно швидко отверждаются під УФ-опроміненням. Це призвело до спрощення технології виробництва волоконних світловодів і істотного зниження витрат.

УФ-отверждаются композиція для оптичних волокон повинна відповідати таким вимогам: не містити високолетучіх токсичних компонентів, мати необхідної в'язкістю, бути однокомпонентної, мати незначну усадку в результаті полімеризації. Покриття на основі такої композиції повинен наноситися на оптичне волокно в процесі витяжки з швидкостями більше 30 м за хвилину, забезпечувати його механічну міцність і працездатність в широкому інтервалі температур. Матеріал на основі фотоотверждаемих композицій не повинен впливати на передавальні характеристики оптичного волокна, що може бути викликано, наприклад, усадкою при полімеризації, неоднорідністю структури, недостатньою стійкістю до механічних, хімічних, термічних умов експлуатації. Фотоотверждаемие композиції мають велике майбутнє і в інших галузях науки і техніки (наприклад, для офсетних фарб, оптичних дисків, декоративних матеріалів та ін.) Однак питома вага фотоотверждаемих композицій, у порівнянні з іншими полімерами, поки невеликий. Світове споживання покрівних матеріалів становить 20 млн. тонн на рік, і при цьому щорічно в атмосферу викидаються 8 млн. тонн розчинників. Альтернативні екологічні лакофарбові матеріали, отверждаются під дією випромінювання (УФ та електронного), займають менше 1% від загальної маси [1].

В даній роботі наведені дані, що стосуються хімії та технології фотоотверждающіхся композицій, які знайшли застосування у виробництві оптичних світловодів.

Такі властивості оптичних волокон (0В), як, наприклад, оптичні втрати за рахунок мікроізгібов, диференціальних механічних і температурних змін, стійкість до впливу факторів навколишнього середовища, міцність на розрив, під чому визначаються типом захисного покриття [2].

Основним матеріалом 0В є кварцеве скло. Теоретично воно є одним з найбільш міцних матеріалів (14000 Н/мм2), але на практиці така міцність рідко реалізується через надзвичайно швидкої деградації поверхні скла, в Зокрема, внаслідок розвитку мікротріщин [3, 4]. Тому в процесі формування оптичного волокна захисне покриття повинне наноситися на 0В в протягом 1-2 секунд (і менше). Перші покриття для 0В представляли собою силіконові масла, целюлозні лаки, поліуретани, силіконові каучуки [4], еластомери гарячого плавлення [5] та деякі інші [6-12]. Більшість цих матеріалів не забезпечувало досить ефективного захисту 0В і обмежувало швидкість нанесення покриття. Зазначені труднощі були успішно подолані завдяки впровадження композицій, полімеризується під дією УФ-опромінення.

УФ-затвердіння є фотохімічним процесом, при якому мономери (олігомери) піддаються полімеризації і (або) зшивання. УФ-полімерізуемие композиції містять фотоініціатор (сенсибілізатор), який поглинає УФ-енергію і ініціює полімеризацію мономерів [13]. Швидкість фотополімеризації залежить від декількох факторів [14]:

від хімічної будови сполук, що входять до складу композиції: кожен мономер (олігомер) отверждается з різною швидкістю, пов'язаної з його реакційної здатністю, а також з кількістю та активністю фотоініціатора (сенсибілізатора);

від товщини шару покриття: чим товще шар, тим більше час його експозиції під УФ-опроміненням. До того ж кількість поглиненої енергії світла падає експоненціально з глибиною отверждаются шару. Наприклад, якщо шар товщиною 1 мм поглинає 90% падаючої енергії, то наступний шар в 1 мм поглинає вже 90% залишку, тобто 9% початкової кількості енергії. Щоб привести кількість енергії в другому шарі до еквівалентному (з першим шаром) кількості, необхідно збільшити оригінал висвітлення в 10 разів. Таким чином, дворазове збільшення товщини отверждаются шару вимагає 10-кратного підвищення інтенсивності УФ-опромінення;

від кількості світлової енергії, що припадає на одиницю поверхні покриття: до певного моменту швидкість затвердіння зростає із збільшенням кількості енергії, що припадає на одиницю поверхні. Наприклад, збільшення зазначеної енергії в 2 рази може привести до 3-х, 4-х або 10-кратному росту швидкості затвердіння. Звідси випливає, що для підвищення швидкості твердіння краще використовувати одну більш потужну лампу, ніж дві меншої потужності;

від спектру джерела випромінювання: спектри поглинання фотоініціатора (сенсибілізатора) і мономеру (або інших добавок) не повинні збігатися. З іншого боку, спектр випромінювання повинен збігатися зі спектром збудження фотоініціатора. Ртутні лампи середнього тиску випромінюють у широкому інтервалі довжин хвиль (180-400 нм), тому вони придатні практично для всіх процесів УФ-затвердіння.

Для системи, що містить рідку УФ-отверждаются композицію, полімеризується тільки у присутності фотоініціатора, процес УФ-затвердіння як вільно-радикальної полімеризації може бути описаний схемою, що включає елементарні стадії ініціювання, росту і обриву ланцюгів [13].

Розглянемо розрахунок енергії фотополімеризації, необхідної для нанесення покриття на 0В [15]. На початку відбувається поглинання фотона ініціатором S, перехід останнього в збуджений стан, розпад якого супроводжується генеруванням вільних радикалів R '

S + hv > S *,

S *> 2R S *.

Нехай фотоініціатор має концентрацію [С] (моль/л) і поглинає УФ-випромінювання близько довжини хвилі l (нм). Тоді, з огляду на співвідношення енергетичного балансу для процесу покриття волокна, що проходить через сфокусований УФ-випромінюючу систему, можна отримати наступне вираз:

,

де W - потужність джерела світла, Вт; D і d - діаметри покритого і непокритого волокна, відповідно, мкм;