一种石墨烯双层光纤涂料及其制备方法和应用

摘要

本发明属于光纤涂料领域，特别涉及一种石墨烯双层光纤涂料及其制备方法和应用。将不饱和聚酯、聚氨酯丙烯酸酯、增韧剂、光引发剂、固化剂、改性石墨烯混合作为内层涂料，而将含氟丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、光引发剂、稀土盐、改性石墨烯混合作为外层涂料，采用内层涂料对光纤进行包覆后，再包覆上外层涂料并固化。

说明书

技术领域

本发明属于光纤涂料领域，特别涉及一种石墨烯双层光纤涂料及其制备方法和应用。

背景技术

光纤主要是利用光的全反射原理将光约束在光纤内，引导光波沿轴线方向传播，具有损耗低、频带宽、体积小、重量轻、效率高等优点，在很多领域得到应用。

目前市场上存在的光纤主要是采用石英玻璃光纤，存在细而脆、易折断等缺点，在外界环境的影响下，易发生氧化、吸附灰尘和水分、微弯等缺点，影响光纤的信号传输质量。因此必须在光纤表面包覆一层或者多层光纤涂料进行保护。而且这种涂层要在完成挤出和拉伸的几秒内涂覆到光纤上，具备某些特定的物理性能，在很宽的温度使用范围内，仍然能够保持优异的物理性能和机械性能。目前市场上常见的光纤涂料主要还是存在固化时间长、生产成本高等缺点，因此开发一种固化时间短，长时间内能保持优异的物理和机械性能、成本低的光纤涂料势在必得。

发明内容

本发明提供了一种石墨烯双层光纤涂料及其制备方法和应用，采用双层结构，赋予内外层不同的性能，满足各自的使用条件，拓宽光纤的适用范围；采用双重固化手段，使得涂料快速定型或者达到“表干”，进一步使得涂料内部充分固化，能够有效缩短固化时间，降低生产成本，赋予涂料更好的力学性能，固化膜折射率大于1.48，满足25年的使用要求。

双层光纤涂料分为内层涂料和外层涂料，

内层涂料按重量份数计算包括如下组分：

其中，不饱和聚酯为二元酸和二元醇缩聚而成的线形聚合物，并经过交联单体或活性溶剂稀释形成的具有一定黏度的树脂溶液，主要包括邻苯型不饱和聚酯、间苯型不饱和聚酯、双酚A型不饱和聚酯、乙烯基树脂等，如TM-v820、802、HN-191、DC191、HN-196等，

聚氨酯丙烯酸酯为RJ4236、YWU2620、2203A、U-600、RJ821等，这些树脂粘度较低，与不饱和聚酯的相容性好，能够改善内层涂料的固化速度和有效降低内层的强度和模量，对光纤的损伤较小，

增韧剂主要是聚硫橡胶，氨基甲酸酯预先聚物、改性聚醚等，常见的为CYH-227、DY-040、JHJD-301、CMP-410、FD-400等，这些增韧剂能够与上述的不饱和聚酯和聚氨酯丙烯酸酯其中的一种或者两种反应，形成嵌段从而达到增韧的目的，而且添加的增韧剂不影响光纤涂料的其他性能，

光引发剂为能在紫外光区(250～420nm)或可见光区(400～800nm)吸收一定波长的能量而产生自由基、阳离子等，从而引发单体聚合交联固化的化合物，如二烷氧基苯乙酮、α-羟烷基苯酮、α-胺烷基苯酮、酰基膦氢化物、芳基过氧酯化合物、卤代甲基芳酮等，常见的为819、1173、tpo、KIP 150、184等，

固化剂要求固化温度较低、固化速度较快，如过氧化环己酮、过氧化苯甲酰、环烷酸钴、异丙基过氧化氢、过氧化苯甲酰等，

上述改性石墨烯具体的制备工艺为：将石墨烯(400～500g)分散于DMF(200～400ml)中，超声处理后在氮气保护条件下先后加入三乙胺(0.5～1ml)和偶联剂(5～10g)并于110℃条件下反应24～30h，过滤，去离子水洗涤至中性，真空干燥，

改性工艺中所加入的偶联剂主要为了改善石墨烯在基体树脂中的分散性，确保涂料的均匀性和性能稳定，本发明主要采用含氟的硅烷偶联剂(如三氟丙基甲基乙烯基聚硅氧烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷氟硅烷等)，一方面能改善石墨烯在基体中的分散性，另外一个方面含氟的偶联剂相对其他类型的偶联剂性能更加稳定，而且能提高内层涂料的耐腐蚀性能；

外层涂料按重量份数计算包括如下组分：

其中，含氟丙烯酸酯为甲基丙烯酸十二氟庚酯、丙烯酸十二氟庚酯、丙烯酸六氟丁酯、甲基丙烯酸六氟丁酯、甲基丙烯酸2,2,2-三氟乙酯的均聚物或者二元共聚物，含氟丙烯酸酯能够有效提高外层涂料的防腐蚀性能，拓宽光纤的使用领域，

聚酯丙烯酸酯为BC-2210、RJ513、4026、604等，这些树脂粘度较低，与含氟丙烯酸酯的相容性好，复配后能改善含氟丙烯酸酯的粘度，增加涂层自身的柔性，

外层涂料中，光引发剂和改性石墨烯的情况与内层涂料一致，

本发明采用稀土盐作为外层涂料的固化剂，能够实现快速固化，其中的稀土元素还能够改善外层涂料的机械性能和耐候性能，减少外界光线对光纤内部信号的干扰，稀土盐具体为稀土磷酸盐、硫酸盐(稀土元素：La、Ce、Pr、Nd、Sm等)，常见的如Ce₂(SO₄)₃、CePO₄、LaPO₄、PrPO₄等。

本发明还提供了一种上述石墨烯双层光纤涂料的制备方法，具体为：

(1)内层涂料的制备

按各组分的重量份数，将不饱和聚酯和聚氨酯丙烯酸酯常温下搅拌均匀，然后依次加入增韧剂、光引发剂、固化剂、改性石墨烯并再次搅拌均匀得到内层涂料，静置，待用；

(2)外层涂料的制备

按各组分的重量份数，将含氟丙烯酸酯和聚酯丙烯酸酯常温下搅拌均匀，然后依次加入光引发剂、稀土盐、改性石墨烯并再次搅拌均匀得到外层涂料，静置，待用。

本发明还提供了一种上述双层光纤涂料的应用，应用为采用内层涂料对光纤进行包覆后固化，再包覆上外层涂料并固化，两者的固化速度要匹配，固化速度控制在200m/min或者更快，涂料黏度控制适中，

内层和外层均采用双重固化手段，避免了单独的某种固化所带来的缺点，其中，先进行光固化，使得涂料快速定型或者达到“表干”；再进行热固化，使得涂料内部充分固化赋予涂料更好的力学性能，

固化后对光纤实现了双层包覆，其中，内层满足拉伸模量在0.1～2Mpa，断裂伸长率大于110％，同时内层的玻璃化转变温度应低于-70℃，在低温条件下应力较低，对光纤的损伤较小；

而外层满足固化膜折射率大于1.48，减少了外界光线对光纤内部信号的干扰，外层玻璃化温度高于80℃，在高温时仍然具有较好的力学强度。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明所采用的光纤涂料为双层结构，分别赋予不同的性能指标，满足光纤的使用要求，拓宽其使用领域；

(2)内层和外层均采用双重固化手段，避免了单独的某种固化所带来的缺点，其中光固化使得涂料快速定型或者达到“表干”，热固化使得涂料内部充分固化，赋予涂料更好的力学性能；

(3)将光纤表面涂覆有保护层，起到隔绝水和水蒸气的作用，且内层和外层涂料加入石墨烯，石墨烯自身基于特殊的二维层状结构以及丰富的表面官能团而具有较高的可弯折能力，其优化了涂层材料的动态抗疲劳性能，更是提高了所包覆光纤的抗弯折性能，这也是本申请的其中一个主要目的；

(4)外层涂料所采用的含氟丙烯酸酯，能够有效提高外层涂料的防腐蚀性能，拓宽光纤的使用领域；稀土磷酸盐可以作为外层涂料的固化剂，能够快速固化，其中的稀土元素还能够改善外层涂料的机械性能和耐候性能，减少外界光线对光纤内部信号的干扰。

附图说明

图1为本发明的石墨烯双层光纤涂料涂覆光纤的示意图。

具体实施方式

分别按照表1和表2所列的配方(以各组分重量份数计)，将树脂、引发剂、增韧剂、固化剂、改性石墨烯等组分室温下搅拌均匀，用玻璃棒蘸取适量涂料置于玻璃板的一端，使用丝棒涂布器将其涂布成一定厚度，待流平后将玻璃板放到紫外光固化中固化，固化条件：紫外灯辐照强度1000W；辐照距离40cm，达到“表干”后于100℃下热固化完全。分别测试其内外层的各项性能，具体如表3所示；

利用表1、表2中的内外层涂料依次对光纤进行涂覆，涂覆工艺：直径为80mm的预制棒在抽丝加热炉2000℃高温作用下，熔融至可自由下坠状态，通过150g牵引力抽丝成为125um的裸光纤；裸光纤经过冷却筒的冷却，温度下降到85±5℃，经过内层涂覆系统的涂覆，UV灯固化，热老化，冷却；再进行外层涂覆系统的涂覆，UV灯固化，热老化，冷却，在引取轮的作用下，缠绕在收线盘上，完成光纤涂覆过程。涂覆后光纤的抗弯折性能如表4所示。

其中，各实施例中改性石墨烯的制备工艺为：

将石墨烯450g分散于DMF400ml中，超声处理后在氮气保护条件下先后加入三乙胺0.75ml和三氟丙基甲基乙烯基聚硅氧烷8g并于110℃条件下反应25h，过滤，去离子水洗涤至中性，真空干燥。

黏度测试：

依照GB/T 1723-93的规定，使用上海精密科学仪器有限公司的NDJ-8S型旋转黏度计进行测定。首先将待测涂料加热到25℃，保持恒温。根据涂料黏度的大小选择相应的转子及转速，然后开动转子，待读数恒定，记录该数据，测定三次，如数据如相差较小则取平均值作为涂料黏度，如相差较大则需要重新测定。

折射率：

使用上海精密科学仪器有限公司的WAY型阿贝折光仪进行测定。固化前的液体涂料直接使用阿贝折光仪进行测定，固化后涂料折射率的测定方法为：将涂料滴几滴到载玻片上，紫外固化和热固化后小心取下，向阿贝折光仪的载物透镜上滴加1～2滴溴代萘，将固化后涂料的光滑面置于其上，观察读数即为固化后涂料的折射率。

拉伸性能：

依照GB/T1040-92的规定,在万能材料试验机上测定。测定方法：将涂料倒进马蹄形的标准拉伸模具中，进行固化，固化后取出拉伸样条，室温放置24h，在万能材料试验机上测定涂料的拉伸强度、断裂伸长率和拉伸模量，拉伸速率为50mm/min。

玻璃化温度：使用差示扫描量热分析仪进行测定，气氛为高纯氮气，流速为50ml/min，测试温度范围：内层为-100～20℃，外层为20～150℃，升温速率为10℃/min。

表1内层涂料

表2外层涂料

表3具体实施例1～4制备的内外层涂料固化成膜后的性能测试数据

表4经过具体实施例1～4制备的内外层涂料包覆后光纤的性能测试数据

测试项目实施例1实施例2实施例3实施例4静态疲劳参数/Nd30.131.332.233.0

对比实施例1

内层涂料和外层涂料中均未加入改性石墨烯，其余组分均同实施例4，对光纤的内外层包覆工艺、检测手段也完全同实施例4。

经本对比实施例制备的内外层涂料包覆后光纤的静态疲劳参数仅为17.6Nd。

对比实施例2

分别将相应重量的“改性石墨”代替内层涂料和外层涂料中的“改性石墨烯”，其余组分均同实施例4，对光纤的内外层包覆工艺、检测手段也完全同实施例4。

本对比实施例中对石墨的改性操作同实施例4：将石墨450g分散于DMF400ml中，超声处理后在氮气保护条件下先后加入三乙胺0.75ml和三氟丙基甲基乙烯基聚硅氧烷8g并于110℃条件下反应25h，过滤，去离子水洗涤至中性，真空干燥。

经本对比实施例制备的内外层涂料包覆后光纤的静态疲劳参数仅为22.7Nd。

对比实验3

将外层涂料中的稀土盐组分删去，其余各组分及用量同实施例4：将含氟丙烯酸酯和聚酯丙烯酸酯常温下搅拌均匀，然后依次加入光引发剂、改性石墨烯并再次搅拌均匀得到外层涂料，静置；

用玻璃棒蘸取适量上述外层涂料置于玻璃板的一端，使用丝棒涂布器将其涂布成同实施例4的厚度，待流平后将玻璃板于紫外灯辐照强度1000W、辐照距离40cm下接受紫外光照与实施例4相同的时间，再于100℃下放置与实施例4相同的时间，未见该外层涂料固化。