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在2005-2015年間，全球能源使用總量增加了40%，而相關(guān)的二氧化碳排放量增加了30%。(Eia.gov)預(yù)計截至2040年，我們?nèi)孕枰黾?0%的能源;相當(dāng)于大約800萬億熱量單位。但其中77%將來源于不可再生的化石能源。正如我們在2014年提出的，下一個25年的能源需求將呈指數(shù)級增加。因此，現(xiàn)在所有部門都應(yīng)提高能源效率，以緩解未來的問題。

許多國家的政府越來越意識到更好利用全球能源的迫切性。提高能效是保障能源安全、減少溫室氣體排放最經(jīng)濟且成熟可行的方法。舉例而言，歐盟提出了在2020年之前能耗減少20%的目標(biāo)，中國最新經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃為當(dāng)?shù)卣凸I(yè)企業(yè)提供財政激勵政策，鼓勵他們探索廣泛的節(jié)能項目。目標(biāo)就是保護相當(dāng)于約2億5千萬噸的煤炭，防止6億多噸二氧化碳的排放。

為此，我們從2012年起，重點研究UV-LED可固化涂料的發(fā)展，它能帶來高性能光纖特性并利用最佳能源條件實現(xiàn)固化;使用目前光纖行業(yè)采用的微波燈，預(yù)計能減少80%的能耗。在本文中，我們圍繞不同燈制造商和功率條件下的UV-LED固化涂料展開論述。

我們已經(jīng)與多個UV-LED燈供應(yīng)商一起在公司內(nèi)部拉絲塔模擬器(DTS)中進行了大量實驗，并在真實的拉絲塔中完成了多次拉絲。我們繼續(xù)進行了之前的研究，評估了各種光纖/涂料特性，例如固化度、粘附性、剝離力(SF)、機械性能、動態(tài)疲勞參數(shù)(nd 值)、拉伸強度和微彎衰減性。

1. 概述

CRU 2016年市場報告數(shù)據(jù)表明，去年生產(chǎn)了大約3.68億光纖公里(fkm)，詳情參見圖1。至于2016年，有的預(yù)計非常樂觀--全球需求量約為 4億至4.1億fkm，詳情參見[1]。為了制造這些光纖，需要消耗大量能源熔化預(yù)制棒。 使用氦氣冷卻玻璃裸纖(約125微米)，最后固化涂料以保護光纖并高速卷繞光纖成品。作為[2]的延續(xù)，我們在本論文中只關(guān)注固化涂層材料以及未來為增強光纖特性和提高運營效果所需要的能源。

圖1：過往光纖電纜安裝和全球預(yù)測(來源：CRU2014市場報告)

1990至2012年期間，全球能源消耗增加了54%，而相應(yīng)的二氧化碳排放量增加了48%，詳見[3]和圖2。每個領(lǐng)域都應(yīng)嘗試采取替代和預(yù)防機制，以防止將來出現(xiàn)更多的排放。我們在此希望為光纖行業(yè)指出一條替代道路，它能從環(huán)境和財務(wù)兩個方面對光纖制造商產(chǎn)生重大影響。

圖2：1990-2040年全球能源消耗 [3]

微波中壓汞基VU燈系統(tǒng)一直是以往促進光纖涂料固化的主要辦法。但是，這種系統(tǒng)存在一些根本性的局限性;例如耗電量大、使用時間相對較短，以及使用了汞這種現(xiàn)在被視為對環(huán)境有害的物質(zhì)，詳見[4]。

這些燈根據(jù)紫外線(25-30%)、可見光(5010%)和紅外線(60-65%)之比釋放出光能特征波長，詳見圖3和[5]。絕大多數(shù)固化能量來自于長波紫外線(UVA)波長。而且，這些燈需要推拉式排氣系統(tǒng)來吸走紅外線輻射(IR)產(chǎn)生的所有熱量，詳見圖3、4 和 [6].

目前，固化每千米光纖涂料需要1至2千瓦時電能。這樣，每年全球固化光纖涂料共需要消耗4億至8億千瓦時電能，而且會產(chǎn)生5.32億至10.64億磅二氧化碳，詳見[7]。從財務(wù)上說，每年需要向全球公用事業(yè)公司支付5300萬至1.06億美元(10美分=1千瓦時)。如果在該部門中使用UV-LED燈，則這筆費用可以節(jié)約高達80%。

 圖４：微波燈的空氣冷卻要求
 

UV-LED技術(shù)能帶來實質(zhì)利益，因為它具有基本的半導(dǎo)體特性和結(jié)構(gòu)，例如瞬間開關(guān)、無需汞、使用時間較長、耗電量極低，從而降低了經(jīng)營成本。UV-LED技術(shù)的另一個好處是不含短波紫外線(UVC)射線，而UVC通常會產(chǎn)生臭氧。但是，現(xiàn)在，UV-LED固化系統(tǒng)遇到一個主要挑戰(zhàn)，缺乏適合產(chǎn)生的單色光波長專用的化學(xué)過程。

在過去的40年中，絕大多數(shù)紫外線化學(xué)過程已經(jīng)公式化為與寬頻汞光譜發(fā)生反應(yīng)，并依賴較短波長進行表面固化，較長波長進行徹底固化。我們已經(jīng)研發(fā)出用于大功率395納米(+/- 10納米)UV-LED燈的具體化學(xué)過程。 低揮發(fā)性配方，加上在高速固化工藝中消除無需紅外線輻射，可得到牢固穩(wěn)定的光纖屬性。

光纖生產(chǎn)中已經(jīng)采用了大量預(yù)制棒(8至15000千米)。成功生產(chǎn)要求涂料具有低揮發(fā)性，在整個運轉(zhuǎn)過程中保持石英管干凈，利用高效運作，實現(xiàn)低光纖斷裂和恒定的光纖性能，例如高nd值、低微曲性和高固化轉(zhuǎn)化率。

我們已經(jīng)進行了大量實驗和試驗，將在下一部分予以討論。

2. 實驗

多重研發(fā)型涂料系統(tǒng)被敷涂在一個130微米外徑的不銹鋼絲，設(shè)備采用定制設(shè)計的拉絲塔模擬器(DTS)，參見圖5，速度范圍為750米/分鐘至2100米/分鐘。盡管塔高不足6米，但是涂料敷涂器的間距與商業(yè)光纖拉絲塔中的敷涂器間距相差無幾。

DTS配置有5個UV-LED系統(tǒng)(395納米)，2個在一級涂料敷涂器后，3個位于二級涂料敷涂器后，都在低于2千瓦時電能下運轉(zhuǎn)，進行涂料試驗。濕對濕(WOW)工藝僅使用3個燈。

圖5：拉絲塔模擬器(DTS)

我們已經(jīng)在WOW和WOD條件下完成了幾次一級和二級涂料系統(tǒng)迭代操作;但是在本論文范圍中，我們以三個不同的涂料系統(tǒng)為主，采用更具挑戰(zhàn)性的WOW條件。為了便于取名，將這三個涂料層分別稱為A、B、C。在此進行評估的三種涂料系統(tǒng)屬于開發(fā)

/非商用(截止撰寫本文時)光纖涂層系統(tǒng)類別。

3. 在各種拉絲塔設(shè)施上進行的評估：

我們對四種不同UV-LED燈制造商(表1)在不同拉絲設(shè)施上的涂料系統(tǒng)進行了評估。我們進行了十三個不同實驗。這些涂料系統(tǒng)采用濕對濕方法敷涂在一個125微米外徑的光纖上，光纖分別以1500、2000、2500米/分鐘和速度從G652D預(yù)制棒上拉出，預(yù)測輸入功能和固化速度為3000米/分鐘。

 表1：不同燈制造商的命名
 

圖6：高度固化時燈總輸入功率(KWH)與拉絲速度

圖6說明：

UV-LED 燈制造商 1——燈A

UV-LED燈制造商 2 ——燈B

UV-LED燈制造商3 ——燈C

UV-LED 燈制造商 4 ——燈D

傳統(tǒng)微波燈——微波燈

圖6清楚地表明，相對傳統(tǒng)的微波燈光，普通UV-LED燈光可節(jié)省大約80%以上的輸入能量 (KWH)，并且使能初級和二次涂料系統(tǒng)高度固化。我們觀察到十三種不同組合情況下， 92-100% RAU 值(反應(yīng)丙烯酸酯不飽和度)(圖8)。

我們還將不同UV-LED 制造商的性能按照燈/速度/固化率進行了分解。數(shù)據(jù)點的分散是由于有些塔在高速度方面的限制。燈A和B比燈 C & D相比，效率更高，詳見圖7。

下面的一些圖中，無論涂料系統(tǒng)如何，結(jié)果均相同(圖8、圖10和圖12)。

圖7：高度固化時每個UV-LED燈的效率(92-100% RAU)

圖8：不同UV-LED制造商的初級和二級涂料固化性能(%RAU)

圖7和圖8表明，燈A的配置可高達533米/分鐘每盞燈的速度，在前90秒內(nèi)的初級%RAU和二級%RAU將近100%。這一觀察結(jié)果表明，當(dāng)今采用創(chuàng)新化學(xué)組成的UV-LED技術(shù)可加強表面固化，通常單色波長的一個缺點，就能滿足高速光纖的涂敷應(yīng)用。

4. UV-LED 固化光纖的特征

4.1 不同老化條件下的剝離力評估

IEC 60793-1-32 描述了測量剝離力參數(shù)的辦法。我們測量了初始、浸入水中、相對濕度85%/溫度85°C下以及電纜浸泡于凝膠中(圖9)一個月等條件下得到的光纖剝離力。所有剝離力數(shù)據(jù)都完全在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格范圍之內(nèi)，詳見圖10。

圖9：UV-LED 固化光纖樣品存放在市場銷售的電纜凝膠中，光纖的兩端均浸沒在23°C凝膠中一個月。

圖10：不同UV-LED 供應(yīng)商和涂料系統(tǒng)的剝離力老化性能(水/凝膠/85& 85)

良好固化后的一級和二級涂料系統(tǒng)的獨特化學(xué)反應(yīng)并未表明剝離力有任何降低，即使是在85°C下將光纖兩端刻意浸沒在膠體中保持1周嚴(yán)重老化后也是如此。