UV-LED固化设备使光纤生产节能80%
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在2005-2015年间，全球能源使用总量增加了40%，而相关的二氧化碳排放量增加了30%。(Eia.gov)预计截至2040年，我们仍需要增加40%的能源;相当于大约800万亿热量单位。但其中77%将来源于不可再生的化石能源。正如我们在2014年提出的，下一个25年的能源需求将呈指数级增加。因此，现在所有部门都应提高能源效率，以缓解未来的问题。 许多国家的政府越来越意识到更好利用全球能源的迫切性。提高能效是保障能源安全、减少温室气体排放最经济且成熟可行的方法。举例而言，欧盟提出了在2020年之前能耗减少20%的目标，中国最新经济发展规划为当地政府和工业企业提供财政激励政策，鼓励他们探索广泛的节能项目。目标就是保护相当于约2亿5千万吨的煤炭，防止6亿多吨二氧化碳的排放。 为此，我们从2012年起，重点研究UV-LED可固化涂料的发展，它能带来高性能光纤特性并利用最佳能源条件实现固化;使用目前光纤行业采用的微波灯，预计能减少80%的能耗。在本文中，我们围绕不同灯制造商和功率条件下的UV-LED固化涂料展开论述。 我们已经与多个UV-LED灯供应商一起在公司内部拉丝塔模拟器(DTS)中进行了大量实验，并在真实的拉丝塔中完成了多次拉丝。我们继续进行了之前的研究，评估了各种光纤/涂料特性，例如固化度、粘附性、剥离力(SF)、机械性能、动态疲劳参数(nd 值)、拉伸强度和微弯衰减性。 1. 概述 CRU 2016年市场报告数据表明，去年生产了大约3.68亿光纤公里(fkm)，详情参见图1。至于2016年，有的预计非常乐观--全球需求量约为 4亿至4.1亿fkm，详情参见[1]。为了制造这些光纤，需要消耗大量能源熔化预制棒。 使用氦气冷却玻璃裸纤(约125微米)，最后固化涂料以保护光纤并高速卷绕光纤成品。作为[2]的延续，我们在本论文中只关注固化涂层材料以及未来为增强光纤特性和提高运营效果所需要的能源。
图1：过往光纤电缆安装和全球预测(来源：CRU2014市场报告) 1990至2012年期间，全球能源消耗增加了54%，而相应的二氧化碳排放量增加了48%，详见[3]和图2。每个领域都应尝试采取替代和预防机制，以防止将来出现更多的排放。我们在此希望为光纤行业指出一条替代道路，它能从环境和财务两个方面对光纤制造商产生重大影响。
图2：1990-2040年全球能源消耗 [3] 微波中压汞基VU灯系统一直是以往促进光纤涂料固化的主要办法。但是，这种系统存在一些根本性的局限性;例如耗电量大、使用时间相对较短，以及使用了汞这种现在被视为对环境有害的物质，详见[4]。 这些灯根据紫外线(25-30%)、可见光(5010%)和红外线(60-65%)之比释放出光能特征波长，详见图3和[5]。绝大多数固化能量来自于长波紫外线(UVA)波长。而且，这些灯需要推拉式排气系统来吸走红外线辐射(IR)产生的所有热量，详见图3、4 和 [6]. 目前，固化每千米光纤涂料需要1至2千瓦时电能。这样，每年全球固化光纤涂料共需要消耗4亿至8亿千瓦时电能，而且会产生5.32亿至10.64亿磅二氧化碳，详见[7]。从财务上说，每年需要向全球公用事业公司支付5300万至1.06亿美元(10美分=1千瓦时)。如果在该部门中使用UV-LED灯，则这笔费用可以节约高达80%。
图４：微波灯的空气冷却要求 UV-LED技术能带来实质利益，因为它具有基本的半导体特性和结构，例如瞬间开关、无需汞、使用时间较长、耗电量极低，从而降低了经营成本。UV-LED技术的另一个好处是不含短波紫外线(UVC)射线，而UVC通常会产生臭氧。但是，现在，UV-LED固化系统遇到一个主要挑战，缺乏适合产生的单色光波长专用的化学过程。 在过去的40年中，绝大多数紫外线化学过程已经公式化为与宽频汞光谱发生反应，并依赖较短波长进行表面固化，较长波长进行彻底固化。我们已经研发出用于大功率395纳米( /- 10纳米)UV-LED灯的具体化学过程。 低挥发性配方，加上在高速固化工艺中消除无需红外线辐射，可得到牢固稳定的光纤属性。 光纤生产中已经采用了大量预制棒(8至15000千米)。成功生产要求涂料具有低挥发性，在整个运转过程中保持石英管干净，利用高效运作，实现低光纤断裂和恒定的光纤性能，例如高nd值、低微曲性和高固化转化率。 我们已经进行了大量实验和试验，将在下一部分予以讨论。 2. 实验 多重研发型涂料系统被敷涂在一个130微米外径的不锈钢丝，设备采用定制设计的拉丝塔模拟器(DTS)，参见图5，速度范围为750米/分钟至2100米/分钟。尽管塔高不足6米，但是涂料敷涂器的间距与商业光纤拉丝塔中的敷涂器间距相差无几。 DTS配置有5个UV-LED系统(395纳米)，2个在一级涂料敷涂器后，3个位于二级涂料敷涂器后，都在低于2千瓦时电能下运转，进行涂料试验。湿对湿(WOW)工艺仅使用3个灯。
图5：拉丝塔模拟器(DTS) 我们已经在WOW和WOD条件下完成了几次一级和二级涂料系统迭代操作;但是在本论文范围中，我们以三个不同的涂料系统为主，采用更具挑战性的WOW条件。为了便于取名，将这三个涂料层分别称为A、B、C。在此进行评估的三种涂料系统属于开发 /非商用(截止撰写本文时)光纤涂层系统类别。 3. 在各种拉丝塔设施上进行的评估： 我们对四种不同UV-LED灯制造商(表1)在不同拉丝设施上的涂料系统进行了评估。我们进行了十三个不同实验。这些涂料系统采用湿对湿方法敷涂在一个125微米外径的光纤上，光纤分别以1500、2000、2500米/分钟和速度从G652D预制棒上拉出，预测输入功能和固化速度为3000米/分钟。 |
