渐变型塑料光纤（gipof）预制棒制备的研究.pdf

渐变型塑料光纤（渐变型塑料光纤（GI POF）预制棒制备的研究）预制棒制备的研究 沈国英[1] 胡群华[2] 孟凯[1] 邱高* [2] 严治仁[2] 1. 东华大学材料学院 上海 200051 2. 东华大学理学院 上海 200051 关键词关键词 渐变折射率; 阶跃折射率; 预制棒; 界面凝胶聚合; 塑料光纤 塑料光纤（Plastic Optical Fiber，简称 POF）因其制造简单、价格便宜、 质量轻、韧性和可绕性好、数值孔径大、中继距离长、抗干扰、保密性好等优点 非常适用于局域网中的短距离连接，[1]所以已成为目前研究的一个热点渐变折射率（Graded Index,简称 GI）分布型塑料光纤是为了弥补阶跃折射率（Step Index,简称 SI）分布型塑料光纤的不足而发展起来的，它是目前用于短距离传 输最有前景的塑料光纤所谓 GI POF，就是光纤轴中心的折射率至其直径边缘 逐渐降低，其折射率从光纤中心至其边缘呈二次方折射率分布[2] 目前制备 GI POF 的方法主要有直接挤出法和预制棒拉丝法 预制棒拉丝法中按预制棒的制备 方法主要有光共聚法[3]、两步共聚法[4]和界面凝胶共聚法[5]等，现今使用最多的是界面凝胶聚合法。

但是目前界面凝胶聚合法制备 GI POF 存在成品率低，重复 性差等问题，其主要原因之一是制备预制棒和拉丝成纤时易出现气泡和外观缺 陷[6] 本文介绍了用甲基丙烯酸甲酯（MMA）为反应单体，采用界面凝胶聚合和离 心技术相结合的方法成功的制备出了无气泡、透明的 GI POF 预制棒，并探讨了 影响 GI POF 预制棒及其折射率分布的因素 1 实验部分 1.1 原料 甲基丙烯酸甲酯（MMA，98％，上海凌峰化学试剂有限公司） ，偶氮二异丁腈 （AIBN，98％，北京化工厂） ，过氧化苯甲酰（BPO，98％，国药集团化学试剂公 司） ，十二硫醇（98％，国药集团化学试剂有限公司） ，二苯亚砜（DPSO，97％， Lancaster 公司） 1.2 原料的精制 将 MMA 经减压蒸馏后作为单体使用BPO 将 MMA 经减压蒸馏后作为单体使用 和 AIBN 分别用氯仿和乙醇重结晶后作为引发剂使用 1.3 GI POF 空心预制棒的制备 首先，取适量的反应单体 MMA 加入适量的引发剂、链转移剂十二硫醇和掺杂 剂 DPSO，混合均匀然后取一根本实验室采用离心法制成的聚甲基丙烯酸甲酯 管（PMMA 管） ，其外径 15mm，内径 9mm，将 混合物放入，封闭，放入水平旋转的离心设备中，在 50℃以上、转速大于 1000ran/min 的条件下反应 24hrs 以上。

用同样的方法选用不同的原料配比和反应条件做一系列的空心预制棒 基金项目：上海市光科技行动专项项目“梯度分布折射率聚合物光纤的研究”资助项目 联系人：邱高 东华大学教务处 1.4 分析测试 1.4.1 PMMA 管分子量的测试 PMMA 管的分子量测试是用 GPC 测试得到采用四氢呋喃为溶剂，泵型号 Waters 1515，色差检测器型号 Waters 2414，柱子 HR3-HR4-HR5,流速 1ml/min， 标准样为聚苯乙烯测试由中科院上海有机所张晓环完成 1.4.2 空心预制棒折射率分布的测试 空心预制棒折射率分布的测试由 PK2600 型 YORK 预制棒分析测试得到，采用 折射率为 1.4609 的匹配油作为参比 2 结果与讨论 -10-505100.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.04523 1IndexDiameter(millimeters)图 1 不同反应温度下形成的折射率分布图 本实验空心预制棒的制备主要采用 MMA 本体聚合和离心技术相结合的方法， 其主要的机理是界面凝胶和离心相结合的聚合反应。

首先 PMMA 管内壁被混合物 溶胀形成凝胶相，由于凝胶效应，在凝胶相内的聚合反应加速，聚合物优先在凝 胶相内形成并向管中心推进在这样的聚合过程中，MMA 分子、掺杂剂分子逐渐 向凝胶相扩散由于掺杂剂不参加聚合反应，其向凝胶相扩散的速度比较慢，随 着聚合反应的进行，掺杂剂分子被逐渐浓缩在管中心在本实验中，MMA 分子和 掺杂剂分子在离心力的作用下，向凝胶相扩散的速度加快了由于掺杂剂分子量 比较大，所以其扩散的速度加快的相对较多，但是相对于 MMA 分子的整体扩散速 度还是比较慢，这样我们就得到了折射率呈渐变型分布的空心预制棒 2.1 离心力作用对空心预制棒的影响 以往采用单一的界面凝胶聚合技术制备的预制棒很容易产生气泡和各种外 观缺陷， 其主要原因是在凝胶效应中产生的大量的热不能被及时释放而使局部过 热发生“爆聚” “爆聚”会有两种方式导致气泡生成一种是部分 MMA 被气化， 而周围的 MMA 又迅速聚合固化，导致形成气泡残留在其中另一种是部分 MMA 迅速聚合固化成 PMMA 时产生很大的体积收缩而导致的气泡 而离心作用使得 MMA 混合液体在反应过程中充分接触，防止因为局部过热而发生“爆聚” 。

并且高速 离心作用带来的强大的离心力，使因体积收缩而产生的空隙马上被未反应的 MMA 混合液所填补 2.2 温度和离心力共同作用对空心预制棒折射率分布的影响 1:60℃；2：70℃；3：80℃. 图 1 是三根用同样配方，不同的反应温度条件下，制备得到的空心预制棒的 折射率分布图 从图中， 可以观察到， 随反应温度的升高， 折射率分布曲线变陡，中心折射率值增高，△n 变大这种现象说明了在界面凝胶聚合和离心作用的反 应过程中，存在着单体分子和掺杂剂分子向凝胶相扩散和反应速率的竞争，而扩 散的速度和聚合反应速度直接影响空心预制棒的折射率分布温度升高，聚合反 应速率增大，扩散时间变短，虽然扩散速率也增大了，但是相对于扩散时间的减 少， 可以忽略， 而折射率的大小和掺杂剂的浓度直接相关 因此， 随温度的升高， 折射率分布曲线变陡 2.3 空心管分子量对空心预制棒折射率分布的影响 1 -15-10-50510150.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.035 12IndexDiameter(millimeters)图 2 是用不同分子量的 PMMA 管，在相同的配方和反应条件下，制备得到的两根 空心预制棒的折射率分布图。

PMMA 管是本实验室制备的，分子量的对比如表 1 中所示从图 2 中，可以观察到，所用空心管的分子量大小对本实验制备空心预 制棒的折射率分布基本没有影响 这说明了在界面凝胶聚合和离心作用的反应过 程中， 不同分子量的空心管所形成的凝胶相对单体分子和掺杂剂分子的扩散速度 和聚合反应速度基本上没有影响 图 2 不同分子量空心管对折射率分布的影响 sample Mn Mw Mz 1 2946406898791138084 2 202193503170884717 表 1 1、2 试样的分子量对比 2.4 掺杂剂浓度对空心预制棒折射率分布的影响 -10-505100.000.010.020.030.040.05321IndexDiameter(millimeters)图 3 掺杂剂浓度对折射率分布的影响 1: 10%; 2: 5%; 3: 2%. 图 3 是三根用不同比例的掺杂剂，其它配方均相同，在相同的反应条件下，制 备得到的空心预制棒的折射率分布图从图中，可以观察到随着掺杂剂的浓度减 少，△n 变小这是因为反应条件相同扩散速度和反应速率相同，掺杂剂分布趋 势也相同，掺杂剂浓度减少，折射率也随着减小。

2.5 反应时间对空心预制棒折射率分布的影响 -15-10-50510-0.0050.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.03521IndexDiameter(millimeters)图 4 反应时间对折射率分布的影响 1: 24h; 2: 48h 图 4 是两根用相同配方，在相同的反应条件下，用不同的反应时间制备得到 的空心预制棒折射率分布图，从它们的折射率分布图可以观察到，随反应的时间 增长，折射率分布并没有产生明显的变化这是因为当预制棒固化后，掺杂剂分 子基本上不再扩散因此只要预制棒固化后，反应时间对折射率分布基本上不产 生影响 参考文献 [1] 王辉(WANG Hui)主编.电子工业出版社(Electronic Industry Press),5-7. [2] 江源(JIANG Yuan) 邹宁宇(ZOU Ning-yu)编著.化学工业出版社(Chemical Industry Press)，27－31. [3] Yasuhiro Koike et al. High-bandwidth graded-Index polymer optical fiber. Journal of Lightwave Technology, 1995, 13(7): 1475-1489. [4] KOIKE Y. High-bandwidth graded-index polymer optical fiber [J].Polymer. 1991,32: 1737-1745. [5] ISHIGURE T, NIHEIE, YAMAZAKIS .el al.2.5Gbit/s 100m data transmission using graded-index polymer optical fiber and high-speed laser diode at 650nm wavelength. Electron Lett, 1995, 31: 467-469. [6] 储九荣（CHU Jiu-long） ，温序鈱(WEN Xu-ming)，徐传骧(XUN Chuan-xiang)等.通信学报(Journal of China Institute of Communications).1998, (2):153-156.STUDY OF PREPARATION OF GI POF ROD STUDY OF PREPARATION OF GI POF ROD SHEN Guo-ying, HU Qun-hua, MENG Kai, QIU Gao，YAN Zhi-ren (College of Materials, Dong Hua University, ShangHai, 200051) Abstract: A gradient refractive index (GI) polymer rod is made by both of interfacial-gel polymerization and centrifugal technology. By using the centrifugal technology, the bubble that formed in preparation of GI POF rod in single interfacial-gel method is avoided. A GI POF rod without any defect of void or bubble is made. The factors of profile of refractive index are also discussed. Keywords: graded refractive index; interfacial-gel polymerization; polymer optical fiber 。