本实用新型实施方式涉及领域，特别是涉及一种聚合物光纤制造设备及一种聚合物光缆制造设备。
背景技术：
随着社会的进步，生活的日益丰富多彩，水中照明应用也逐渐多了起来，例如泳池、水族馆及各类喷泉、河流、湖泊等的景观照明。水中照明的电源线及灯具对防水的要求极高，这是由于水中照明,不仅电源及灯具易出现短路现象，而且容易造成水中带电，伤及人或其他生物。
另外，在一些危险品仓库及易燃易爆场景，也严格限制电气照明的安装与应用，都是考虑可能产生电火花出现而带来的安全问题。
无源光传导光缆，可以将光源从光缆一端引入到另一端，达到在无电源引线的情况下,实现照明灯具的照明效果，防止漏电及防止电火花产生而引发的安全问题，保证上述应用场景中的照明需求。高透率大芯径的聚合物光缆包括包层和芯层，这种结构决定了，在生产时必须使用两种以上的高透率光学材料，因此只能采用聚合物共挤技术，实现高透率大芯径的聚合物光缆的制造。
发明人在实现本发明的过程中发现:由于高透率大芯径的聚合物光缆的芯径较大，通过共挤技术来实现大芯径聚合物光缆的生产会比较困难。
技术实现要素：
本实用新型实施方式主要解决的技术问题是提供一种聚合物光纤制造设备及一种聚合物光缆制造设备，其旨在解决制造大芯径聚合物光缆中光纤导光性能不好的技术问题。
为解决上述技术问题，本实用新型实施方式提供以下技术方案：
在第一方面，本实用新型实施例提供一种聚合物光纤制造设备，包括：共挤出机和真空定型热处理机,所述真空定型热处理机包括:定型装置和热处理装置；所述定型装置用于将从所述共挤出机中挤出的光纤进行真空定型；所述热处理装置用于将经真空定型后的定型光纤进行降温处理,得到所述聚合物光纤。
可选地，所述共挤出机包括：芯层材料挤出机、包层材料挤出机和共挤模具；所述芯层材料挤出机、所述包层材料挤出机分别与所述共挤模具连接；所述芯层材料挤出机输出芯层材料进入所述共挤模具中，所述包层材料挤出机输出包层材料进入所述共挤模具中，所述共挤模具设置有共挤模口，所述共挤模口用于挤出所述芯层材料和包层材料，形成所述光纤。
可选地，所述定型装置包括真空引力定型模具以及与所述真空引力定型模具连接的真空泵；所述真空泵用于为所述真空引力定型模具提供真空环境；所述真空引力定型模具用于对所述光纤进行引力定型，形成所述定型光纤。
可选地，所述热处理装置包括N个依次连接的恒温处理单元，N为正整数；每一个所述恒温处理单元独立密封设置，具有不同的设定温度。
可选地，在所述N个依次连接的恒温处理单元中，第N个恒温处理单元的设定温度为：T-N[(T-40)/(N+1)]℃，T为从所述共挤模口挤出的所述光纤的温度。
在第二方面本实用新型实施例提供一种聚合物光缆制造设备，包括：如上所述的聚合物光纤制造设备和护套挤出机；所述护套挤出机用于在所述聚合物光纤的外层形成单层或者多层保护套层。
可选地，所述聚合物光缆制造设备还包括：一次牵引机；所述一次牵引机设置于所述真空定型热处理机和所述护套挤出机之间，用于牵引所述聚合物光纤，进入所述护套挤出机。
可选地，所述聚合物光缆制造设备还包括：二次牵引机、缓冲调速机和成缆收盘机。所述二次牵引机、所述缓冲调速机和所述成缆收盘机依次连接；所述二次牵引机用于牵引从所述护套挤出机挤出的光缆进入所述成缆收盘机；所述缓冲调速机用于在所述成缆收盘机停止旋转时，接收光缆；所述成缆收盘机用于收揽所述光缆成盘。
可选地，所述聚合物光缆制造设备还包括：光缆外径检测仪，所述光缆外径检测仪用于检测所述光缆的外径尺寸。
可选地，所述二次牵引机为履带式牵引器，所述履带式牵引器用于以预定的速度输送所述光缆至所述缓冲调速机。
本实用新型实施例提供的聚合物光纤制造设备包括：定型装置和热处理装置；定型装置将从共挤出机中挤出的光纤进行真空定型后；热处理装置可以进行降温处理,以实现光纤纤芯材料和包层材料在进入空气之前的同步降温，避免了光纤直接通过模具挤出口直接进入空气中，因光纤挤出温度与空气温度的巨大温差，而导致光纤内部材料产生变形的问题。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的光纤传光的示意图；
图2是本实用新型实施例提供的一种聚合物光纤制造设备结构示意图；
图3是图2中热处理装置22的结构示意图；
图4是本实用新型实施例提供的一种聚合物光缆制造设备结构示意图；
图5是本实用新型实施例提供的一种聚合物光缆制造方法的流程示意图。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
光缆通常分为通信应用及照明应用两大类。由于应用场景的不同，通信光缆的光纤直径一般都≤1mm；而照明光缆的光纤直径一般是≥1mm。本实用新型实施例主要应用于照明光缆，即主要针对，光纤直径≥1mm的大芯径聚合物光纤。
为了便于本领域技术人员对本实用新型实施例的理解，发明人对应用于水中照明的聚合物光缆的技术原理阐述如下：聚合物光缆中,纤芯(芯层)与反射层(包层)组成光纤，光纤外侧带有保护套层称为光缆。
图1是聚合物光缆中,光纤传光的示意图，由图1可知，光源发出的光线通过光缆端面11进入聚合物光缆的纤芯层12，并在纤芯层12与包层13的交界处进行全反射，传输至光纤另一端。
聚合物光纤在传输过程中，光从光缆的端面进入，通过芯材料并在芯材料与包层材料的界面，不断反射前进从而到达出光端。在选择光纤芯材料及反射层材料时，应特别注意芯层材料与反射层材料的折射率搭配，以保障制造的光纤芯层与反射层达到全反射条件的要求。现有的聚合物光纤，其光纤结构的纤芯一般由PMMA组成，用于形成光的传输通道。而反射层是由小于0.02mm极薄的氟塑料组成的，其作用是将在纤芯中传播的光，不断的全反射回纤芯中，防止光泄露出去。
光在传输过程中，芯层材料对光有明显的损耗，芯层材料的透光率一般只有92％～93％，所以光纤对光的传导距离，取决于生产过程中芯材料与包层材料之间的交接面的质量状态。尤其是氟塑料与PMMA之间的层交接面的质量状态，直接影响光纤衰减的性能，交界面越光滑，且互不渗透影响，则光传导的效果越好。其中，层交接面的质量状态受生产时共挤出工艺的影响，具体受共挤工艺的时间、温度、比例、速度及材料特性等多项参数的影响。
现阶段生产实践证明，常规的挤出式生产方式很难制造上述照明应用的大芯径聚合物光纤。这是因为大芯径聚合物光纤芯材料PMMA与包层氟材料在挤出前处于高压高温状态中，其温度一般在200～250℃。在挤出后，光纤芯与光纤表面的包层都是稠状液体，包层将芯材料完全包裹在里面，从挤出机模口挤出时光纤整体温度在180℃左右。挤出的光纤通过共挤模具的挤出口直接进入空气中，而空气的温度只有40℃左右，光纤挤出时的温度与空气的温度形成巨大温差，这会导致光纤外表的包层材料迅速降温。
常规生产的非大芯径聚合物光纤一般直径都在1mm以内，而大芯径光纤一般都在3mm以上。其中，光纤芯层的体积与光纤直径成平方关系，亦即，光纤的纤芯直径由1mm扩大为5mm时，其光纤芯体积会扩大25倍。这就导致光纤的芯直径越大，芯材料挤出后降温越困难，光纤纤芯与光纤表面温度就会出现很大的温差。
由于材料的热胀冷缩特性，出现纤芯材料与包层材料的差异变化，导致芯层与包层交接面发生一定的力学与形态变化，光纤成型之后会变硬变脆，并且韧性及导光性能极差，失去了产品的应用价值而无法使用。
上述原因导致大芯径聚合物光纤不能产业化生产,并且现有技术中，也没有解决这类问题的解决方案，实际产品中也找不到具有高透率大芯径光传导的聚合物光缆。如何解决大芯径聚合物光纤成型过程中，尤其在挤出后纤芯材料与包层材料冷却过程中，保持芯层材料相近的温度变化，是解决产业化生产工艺的主要问题。
基于上述问题，本实用新型实施例提供一种制造聚合物光纤、光缆的设备以解决现有高透率聚合物光纤在材料交接面成型过程的工艺问题，以得到大芯径高透率聚合物光缆产品，该光缆产品的芯径范围在3～10mm，其可传导光20～50米，甚至更远，这种高透率聚合物光缆产品适合传导大功率LED照明系统，可广泛应用在水中、危险场景、历史文物、太阳能利用、城市亮化照明等方面。
以下首先介绍制造上述聚合物光纤的聚合物光纤制造设备。请参阅图2，图2是本实用新型实施例提供的聚合物光纤制造设备结构示意图。如图2所示，该聚合物光纤制造设备200包括：依次连接的共挤出机210和真空定型热处理机220。
具体的，如图2所示，该共挤出机210包括：芯层材料挤出机211、包层材料挤出机212和共挤模具213。芯层材料挤出机211、包层材料挤出机212分别连接共挤模具213，共挤模具213上设置有共挤模口214。
芯层材料挤出机211用于光纤中纤芯材料的供给和高温挤压，并输出芯层材料进入共挤模具213中；包层材料挤出机212用于光纤中包层材料的供给和高温挤压，并输出包层材料进入共挤模具中；共挤模具213用于经高温高压处理后纤芯材料和包层材料在各自独立的流道流动后，在共挤模具213的共挤模口214处汇合，共同挤出，紧密融为一体，形成光纤。
在一些实施例中，芯层材料挤出机211和包层材料挤出机212上分别设置有测量纤芯材料和包层材料在挤出过程中的挤出速度、挤出温度的相关传感器，以按生产工艺对材料加工过程的要求控制两挤出机的螺筒内各部位的温度。
共挤模具213上设置有控制纤芯材料和包层材料挤出状态的控制机构。该控制机构可以通过闭环控制方法，控制纤芯材料和包层材料在挤出机螺筒内的加热状态，以确保纤芯材料和包层材料进入共挤模具213时的温度为最佳温度；
共挤模具213的模口上还设置有挤出速度传感器和计量泵，上述控制机构还可以通过闭环控制，调节计量泵的工作速度，以确保共挤模具213挤出的流量稳定，保证光纤尺寸挤出的最佳状态。
在本实施例中制成纤芯的原料为PMMA，制成包层的原料为含氟的PVDF材料。在其他实施例中，也可以按照实际需求，选择其他合适的原料，例如，选择改性的PMMA作为纤芯的原料。进一步的，在制备过程中，芯层材料和包层材料的相关参数可以针对产品的不同要求而进行确定，并且包层材料的厚度也可以按照客户的要求实施。
真空定型热处理机220与共挤出机210连接，在本实施例中，真空定型热处理机220包括：定型装置221和热处理装置222。
定型装置221用于将从共挤出机211中挤出的光纤进行真空定型；热处理装置222用于将真空定型后的定型光纤进行降温处理，得到聚合物光纤。
在本实施例中，定型装置221具体包括依次连接的真空泵(图未示)和真空引力定型模具(图未示)。
真空泵用于为真空引力定型模具提供真空环境；真空引力定型模具用于对光纤进行引力定型，形成定型光纤。其中，真空泵和真空引力定型模具是本领域技术人员在进行实验时常用的定型装置，在此不再赘述。
图3是本实用新型实施例提供的热处理装置22的结构示意图，如图3所示，热处理装置22包括N个依次连接的恒温处理单元221、控制系统222和加热电源223，上述N为正整数。
控制系统222和加热电源223分别与每一恒温处理单元221连接，并且控制系统222和加热电源223连接。
控制系统222用于控制每一恒温处理单元221保持设定的温度(每一恒温处理单元中均有一设定的温度)。具体的，控制系统222包括控制器(图未示)，所述控制器与每一恒温处理单元221分别连接，控制器可以根据每一恒温处理单元221中的温度,控制加热电源223分别为每一恒温处理单元221进行加热，以控制每一恒温处理单元221保持设定的温度。
在本实施实例中，每一个恒温处理单元221独立密封，具有不同的设定温度。从定型装置221输出的定型光纤依次经过多个恒温处理单元221从而实现对定型光纤的降温处理。
在本实施例中，每一个恒温处理单元221中均包括：加热器2211、热处理液2212和热处理液温度传感器2213，加热器2211和热处理液温度传感器2213均进浸入热处理液2212中，用于对热处理液2212进行加热，和测量热处理液2212的温度。并且，N个加热器2211还与加热电源223连接，加热电源223为N个加热器2211提供电源；N个热处理液温度传感器2213还与控制系统222中的控制器连接，用于将恒温处理单元221中的温度传输至控制器中，以便控制器根据热处理液温度传感器2213中的温度，控制加热电源223为热处理液2211进行加热，以实现每一恒温处理单元221保持设定的温度。
在本实施例中，如图3所示，从定型装置221输出的定型光纤在进入热处理装置22时，依次与每一恒温处理单元221中的处理液2212(每一恒温处理单元中的处理液均有一设定的温度)接触，以实现对定型光纤的逐步降温处理。
在本实施例的N个依次连接的恒温处理单元中，第N个恒温处理单元的温度设定为：T-N[(T-40)/(+1)]℃，较佳地，N大于或等于3。其中，上述常数T是指从共挤模口挤出的光纤的大致温度(与从定型装置221输出的定型光纤的温度大致相同)；例如，当纤芯材料为PMMA时，在共挤模口挤出的光纤温度大致在180℃时，常数T则设置为180摄氏度。而当纤芯材料为其他改性PMMA时，在共挤模口输出的光纤温度也会发生变化，则第N个恒温处理单元的温度设定的数值也可以相应修改。
上述利用热处理装置22实现定型光纤同步降温的原理具体如下：N个热处理液温度传感器2213分别测得每一恒温处理单元221中当前温度，并传输至控制系统222，控制系统222根据每一个恒温处理单元221中，当前热处理液2212的温度，控制加热电源2214的工作，以实现每一个恒温处理单元均在温度设定范围。
在定型光纤进入第1个恒温处理单元时，定型光纤的输入温度，例如为180℃，控制系统222控制第1个恒温处理单元中,热处理液2212的温度为：180-[140/(N+1)]℃,该温度为定型光纤经过第1个恒温处理单元之后的输出温度,以此类推，定型光纤每经过一个恒温处理单元之后,均下降相应的温度，从在经过N个依次连接的恒温处理单元之后，定型光纤以40℃输出,得到聚合物光纤。
上述热处理装置22中的依次连接的N个恒温处理单元221可以实现定型光纤的纤芯材料和包层材料在每一个恒温处理单元中同步降温，并且经过N个恒温处理单元的均匀降温后，光纤纤芯材料和包层材料的输出温度为40℃，避免了光纤内部由于纤芯材料体积过大带来的降温不同步，而产生光纤内部材料变形的非一致性影响，保证了光纤全反射面的导光效果。
在经过上述热处理装置22后，可将得到的聚合物光纤进一步牵引至后续入成缆工艺设备中，获得最终的光缆产品。
具体的，根据不同的应用场景，可将单一种或多种保护套层原料通过各自的供给通道，进入相应的高温挤压工艺阶段，进行成缆工序，形成单层或多层护套，使光纤成为标准单层护套光缆或符合实际需求的多层护套光缆。
因此，本实用新型实施例还提供一种聚合物光缆制造设备的结构示意图，如图4所示，聚合物光缆设备400与上述实施例中聚合物光纤设备的区别在于除包括：共挤出机210和真空定型热处理机220外，还包括：一次牵引机230、护套挤出机240、二次牵引机250、缓冲调速机260和成缆收盘机270。
上述共挤出机210、真空定型热处理机220、一次牵引机230、护套挤出机240、二次牵引机250、缓冲调速机260和成缆收盘机270依次序连接。
一次牵引机230设置于真空定型热处理机220和护套挤出机240之间，用于牵引聚合物光纤，进入护套挤出机240。
在经过一次牵引后，光纤直接进入成缆工艺流程，护套挤出机240用于在聚合物光纤的外层形成单层或者多层保护套层。
二次牵引机250用于牵引从护套挤出机240挤出的光缆进入缓冲调速机260和成缆收盘机270。
在本实施例中，由于光缆最大外径可达12mm以上,因此二次牵引机250，可以采用履带式牵引器，该履带式牵引器可控制生产线速度，并向后续的缓冲调速机260提供生产线的线速度信号。
缓冲调速机260用于在成缆收盘机270收满成品光缆后,需改换收缆盘而停止旋转时，接收光缆。所述成缆收盘机270用于收揽所述光缆成盘。
缓冲调速机260与成缆收盘机270相互配合完成收揽的过程如下：当成缆收盘机270需要换盘时，缓冲调速机260自动接收光缆，保持生产线速度不变，待成缆收盘机270收满换盘完毕以后，重新将光缆输出至成缆收盘机270。通过设置缓冲调速机260，可以为成缆收盘机提供一个短时的收满换盘工作时间，保证制造设备的持续运转。
在一些实施例中,所述聚合物光缆制造设备还包括光缆外径检测仪，所述光缆外径检测仪用于检测所述光缆的外径尺寸。
本实用新型实施例还提供一种制造聚合物光缆的方法，如图5所示，该方法500包括：
步骤520、将从共挤出机中挤出的光纤进行真空定型。
该从共挤出机中挤出的光纤是以PMMA为纤芯材料，外表面包覆有含氟的PVDF材料形成的包层的光纤，较佳地，包层的厚度为0.01～0.02mm。
步骤540、将真空定型后的定型光纤进行降温处理，得到聚合物光纤。
此处利用上述实施例中详述的依次连接的N个恒温处理单元221可以实现定型光纤的纤芯材料和包层材料在每一个恒温处理单元中同步降温，并且经过N个恒温处理单元的均匀降温后，光纤纤芯材料和包层材料的输出温度为40℃，这样避免了光纤内部由于纤芯材料体积过大带来的降温不同步，而产生光纤内部材料变形的非一致性影响，保证了光纤全反射的导光效果。
步骤560、在聚合物光纤的外层形成单层或者多层保护套层，制得聚合物光缆。
在本实施例中，其保护套层的材料可以为PE、PVC、尼龙或阻燃材料等，其保护套层厚度可以为0.25～1.25mm。该保护套层的厚度也可以根据实际该光缆的应用场景进行增加。
本实用新型实施例提供的制造聚合物光缆的方法，在将从共挤出机中挤出的光纤进行真空定型后；需要进一步对定型后的光纤进行降温处理,该降温步骤可以实现光纤纤芯材料和包层材料在进入空气之前的同步降温，避免了光纤直接通过模具挤出口直接进入空气中，由于光纤挤出温度与空气温度的巨大温差，而产生光纤内部材料变形的非一致性影响。
利用上述聚合物光缆制造设备制得的聚合物光缆，具有如下技术效果：
1、本实用新型实施例得到的聚合物光缆，采用两种不同的聚合物材料，通过共挤出生产工艺、真空定型热处理工艺之后，再经过一体化护套挤出工序，得到目标大芯径光缆，该大芯径光缆，具有良好的导光效果并且可传导光20～50米。
2、本实用新型实施例得到的聚合物光缆，由于是采用无源技术实现光源的照明，因此，光缆可直接布置在地面、墙壁或天花，可与建筑材料同时施工，做成可控光氛围的装饰建筑，不需要电源连接线、灯具等易出故障的电气配件，成为无维护系统，可节省后期的大量维护成本。同时，这一光传导项目也可为太阳能利用提供一个可实施的途径。只要解决太阳光收集，就可利用本项目产品，将太阳光直接引导到照明场地。例如地下停车场、无采光走廊及仓库等。
3、本实用新型实施例得到的聚合物光缆，填补了高透率大芯径聚合物光缆的生产空白，解决了在深水、海洋、易燃易爆、文物照明、国防军工、建筑物采光、城市亮化工程及太阳能利用等特种需求场合照明应用的一些具体问题，推进了该项技术在以上方面的应用脚步，具有一定的技术进步性。
4、本实用新型实施例得到的聚合物光缆，其衰减可达国际及国内聚合物光缆的高端标准，即光衰减性能为：≤180dB/km。现有技术尚不具有制造这类产品的产业化生产线，更没有这类产品。现有手工模式制造得到的光缆其传导光只能在1～2米左右，而本实用新型实施例提供的光缆，可以传导光在20～50米甚至更远。
需要说明的是，本实用新型的说明书及其附图中给出了本实用新型的较佳的实施方式，但是，本实用新型可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施方式，这些实施方式不作为对本实用新型内容的额外限制，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施方式，均视为本实用新型说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。