Warum härtet der Mantel von Glasfasern unter UV-Licht aus?
Die Umwandlung der äußeren Schicht der Glasfaseroberfläche (d. h. der Schutzmantel) von flüssig zu fest durch Bestrahlung mit UV-Licht wird in der Materialwissenschaft und der optischen Technik als UV-Härtung (UV Curing / Photopolymerization) bezeichnet.
Die physikalischen und chemischen Mechanismen sowie die Gründe für ihre technische Anwendung sind wie folgt:
Eins: Physikalische und chemische Reaktionsmechanismen
Die primären/sekundären Beschichtungsmaterialien auf Standard-Kommunikationsfasern (z. B. Glasfasern aus Siliziumdioxid) sind typischerweise UV-härtende Acrylat-Harze (UV-Curable Acrylate Resin). Vor der UV-Bestrahlung ist dieses Material eine flüssige Präpolymer-Mischung, deren Hauptbestandteile sind:
- Präpolymere/Oligomere und Monomere: Sie enthalten ungesättigte Doppelbindungen, reaktive Gruppen (z. B. Acrylatgruppen).
- Photoinitiatoren: Chemische Moleküle, die auf UV-Licht bestimmter Wellenlängen empfindlich reagieren.
Aushärtungsprozess (in Sekunden abgeschlossen):
- Photonenabsorption und Radikalbildung: Wenn UV-Licht (Wellenlängenbereich UV-A / UV-V) auf das flüssige Beschichtungsmaterial trifft, absorbieren die Photoinitiatoren energiereiche Photonen und zerfallen photolytisch, wodurch augenblicklich hochreaktive freie Radikale entstehen.
- Kettenpolymerisation und Vernetzungsreaktion: Die freien Radikale greifen die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen (\text{C}=\text{C}) in den Präpolymeren und Monomeren an und initiieren eine kontinuierliche Kettenpolymerisationsreaktion.
- Bildung eines dreidimensionalen Polymernetzwerks: Innerhalb von Millisekunden bis Sekunden bilden sich zwischen den Molekülketten eine dichte, dreidimensionale vernetzte Struktur, die das flüssige Gel augenblicklich in eine feste Schutzschicht mit hoher Zugfestigkeit und Elastizität umwandelt.
Zwei: Warum muss die Glasfasertechnologie UV-Härtung verwenden?
- Sofortige Aushärtung und extrem hohe Produktionsgeschwindigkeit:
Die Ziehgeschwindigkeit in Faserziehrohren erreicht typischerweise Geschwindigkeiten von zehn bis hundert Metern pro Sekunde (\text{m/s}). Konventionelle thermische Härtungsverfahren (wie das Aushärten von Polyimid durch Erhitzen) erfordern Minuten bis Stunden und können nicht mit der schnellen, kontinuierlichen Faserherstellung mithalten; die UV-Härtung benötigt nur Millisekunden bis Sekunden Bestrahlung zur vollständigen Aushärtung. - Vermeidung von Restspannungen durch hohe Temperaturen:
Die UV-Härtung ist ein „Kalthärtungsprozess“, bei dem die Reaktion hauptsächlich durch Lichtenergie angetrieben wird. Es ist nicht notwendig, die gesamte Glasfaser für längere Zeit in einen Ofen mit mehreren hundert Grad Celsius zu legen, wodurch zusätzliche thermische Spannungen und geometrische Verzerrungen im Siliziumdioxidmantel und im Kern mit einem Durchmesser von nur ca. 125\ \mu\text{m} vermieden werden. - Präziser Schutz der Siliziumdioxidoberfläche:
Freiliegende Glasfasern sind extrem anfällig für die Korrosion durch Luftfeuchtigkeit, die Mikrorisse bildet und die Bruchfestigkeit erheblich verringert. Eine sofortige UV-Beschichtung und Neu-Beschichtung nach dem Ziehen oder dem Schreiben von Gittern bietet der Glasfaser eine mechanische Barriere, die Feuchtigkeit abdichtet, vor Kratzern schützt und Mikroschwingungsverluste dämpft.
Drei: Anwendung in der Herstellung und Neu-Beschichtung von Faser-Bragg-Gittern (FBG)
Bei der Herstellung von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren muss nach dem Schreiben des Gitters im Kern mittels UV-Laser die freigelegte Gitterzone, bei der die Beschichtung entfernt wurde, einer UV-Neu-Beschichtung (Recoating) unterzogen werden, um ihre ursprüngliche mechanische Festigkeit und Umweltschutzleistung wiederherzustellen.
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) bietet Standardglasfasern und Faser-Bragg-Gitter-Produkte mit UV-härtenden Acrylat-Beschichtungen und entsprechenden Neu-Beschichtungsverfahren an:
1. OFSCN® G.652D Optical Fiber
Standard-Monomode-Glasfaser G.652D, Kerndurchmesser 9\ \mu\text{m}, Manteldurchmesser 125\ \mu\text{m}, Beschichtungsdurchmesser 255\ \mu\text{m}, Beschichtungsmaterial ist Standard-UV-härtendes Acrylat.
2. OFSCN® G.657 Optical Fiber
Biegeunempfindliche Monomode-Glasfaser (optional A2/B3-Standard), Kerndurchmesser 9\ \mu\text{m}, Manteldurchmesser 125\ \mu\text{m}, Beschichtungsdurchmesser 255\ \mu\text{m}, mit Acrylatbeschichtung.
3. OFSCN® Polyacrylate Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
Geschrieben mit der UV-Masken-Methode, nach dem Schreiben wird die Gitterzone standardmäßig mit Polyacrylatmaterial einer UV-Neu-Beschichtung unterzogen, Außendurchmesser 255\ \mu\text{m}, stellt die mechanische Schutzleistung der nackten Faser vollständig wieder her.
