กรรมวิธีการผลิต
การเตรียมการของซิลิก้าไฟเบอร์ ประกอบด้วยกรรมวิธีหลักๆ 2 วิธี คือ

1. Perform Making Process
วิธีการต่างๆของการผลิตซิลิก้าไฟเบอร์ที่ได้พัฒนามาตั้งแต่ปี พ.ศ. 2513 ส่นใหญ่จะใช้ วิธี vapour-phase reatction มากที่สุด
- modified chemical vapour deposition {mcvd} method
หลักการเบื้องต้นของ mcvd method ที่บริษัท bell ได้พัฒนาและนำมาผลิตเส้นใยแสง โดยใช้หลอดซิลิก้าที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางรอบนอกประมาณ 12-25 มิลลิเมตร ยาวประมาณ100 เซ็นติเมตรนำมาติดตั้งอยู่บนแท่นกลึงแก้วด้านในของหลอดซิลิก้า จะมีหัวเผาออกซิไฮโดรเจนซึ่งจะเคลื่อนที่ไปตามหลอดซิลิก้า ก๊าซเคมีภัณฑ์ที่ส่งมาจาก gas system นี้จะส่งเข้าไปภายในหลอดซิลิก้า ซึ่งหมุนตลอดเวลาด้วยความเร็วที่สม่ำเสมอ ภายในส่วนของหลอด ซิลิก้าที่ได้รับความร้อนก๊าซเคมีภัณฑ์จะเกิดปฏิกิริยาทางเคมี ดังรูป
และปฏิกิริยาอื่นๆ ผงหรือเขม่านี้ก็คือแกว้ที่สังเคราะขึ้นมาได้จากการเกิดปฏิกิริยาทางเคมี(sio2-geo2) นั้นมีอนุภาคเล็กมากขนาด 2-3 มิลลิไมครอน จะสะสมอยู่ในผนังของหลอดซิลิก้า หลอดซิลิก้านี้จะเป็นส่วน หนึ่งของ cladding อุณหภูมิที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีได้นั้นสูงประมาณ 1600 องศาเซลเซียส อันนี้ จะต้องมีความระมัดระวังอย่างมากเนื่องจากอุณหภูมิตรงนี้อาจทำให้หลอดซิลิก้าเปลี่ยนรูปได้ การ depo- sit ภายในส่วนที่เป็น cladding ก่อนเพื่อเป็นการป้องกันไม่เกิดการกระจายของ oh ions ภายใน core โดยการเคลื่อนที่ของหัวเผาออกซิไฮโดรเจน ประมาณ 12 ครั้ง และความหนาของชั้นแก้ว ประมาณ 5-10 ไมครอนต่อการเผาหัวแต่ละครั้ง การ deposit ส่วนที่เป็น core ประมาณ5-10 ไมครอน ต่อการผ่านของ หัวเผาแต่ละครั้งการ deposit ส่วนที่เป็น core (sio2-geo2) ต้องการการเคลื่อนที่ของหัวเผาประมาณ 30-80 ครั้ง หัวเผาจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อป้องกันการสูญเสียของสารประกอบ การทำเส้นใยชนิด graded-index ต้องกำหนดโปรแกรมการเปลี่ยนแปลงของอัตราการไหล(gecl4) ไว้ล่วงหน้าให้ตรงกับ index profile ตามที่ต้องการ เมื่อความหนาของการ Deposit ภายในผนังของหลอดซิลิก้าเหมาะสมกับความต้องการของ Core diamether (50-60 ไมโครเมตร) หลอดซิลิก้านี้จะถูกยุบตัวเป็นแท่งแก้วตัน การยุบตัวนี้จะกระทำต่อเนื่องกันบนเครื่อง โดยการเพิ่ม อุณหภูมิของหลอดให้สูงขึ้น ประมาณ 2000 องศาเซลเซียส โดยการเคลื่อนตัวของหัวเผาช้าๆ และการยุบตัวจะเกิดขึ้นเนื่องจากความดันภายในและภายนอกของหลอดเท่ากัน และความตึงผิวทำให้เส้ยผ่าศูนย์กลางลดลง วิธีการแบบนี้เรียกว่า "การยุบตัว" (Collapsing) ทำให้เกิดเป็นแทงแก้วตัน เรียกว่า Transparent preform
- plasma-activeted chemical vapour deposition (pcvd) method
pcvd method นี้ บริษัทฟิลิปส์และได้นำมาใช้ผลิตเส้นใยแสง ในกรณีนี้ หลอดซิลิก้าจะไม่ได้รับความ ร้อนจากหัวเผาโดยตรง แต่จะใช้เตาไมโครเวฟรีโซเนเตอร์ ดังนั้นก๊าซภายในหลอดเกิดการไอออนไนซ์จากการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็ก ไฟฟ้า Non-Isothermal (Non-Isothermal plasma) อุณหภูมิของอิเล็กตรอน (20000-30000 องศาเคลวิน) สูงกว่าอุณหภูมิของไอออนมาก หรือ Cold Plasma ได้ถูกสร้างขึ้นเพื่อเป็นสื่อนำในที่ต้องการให้เกิดก๊าซปฎิกริยาทางเคมี พลาสม่าไม่ทำให้เกิดความร้อนใดๆ กับหลอดซิลิก้า
Tu = หลอดซิลิก้าซึ่งกลายเป็น CLADDING ของเส้นใย
F = เตาความร้อน (Furnace)
M = เตาไมโคาเวฟสำหรับกำเนิดพลาสมา p
Mi = ที่รวมก๊าซ
Pu =Sorption pump
เตาที่ล้อมรอบหลอดซิลิก้าให้ความร้อน 1100 องศาเซลเซียส อุณหภูมินี้ตำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการของ MCVD และไม่ทำ ให้หลอดซิลิก้านี้เปลี่ยนรูปไปได้ ฌตานี้จะช่วยเก็บความร้อนให้หลอดมีอุณหภูมิสูงพอที่จะป้องกันการแตกร้าวจากการเกิดในชั้นแก้วที่ deposit กับ ผนังภายในของหลอด
ที่ตอนปลายของหลอดซิลิก้าข้างหนึ่งจะต่อเข้ากับ Sorption pump เพื่อดักจับก๊าซความดันภายในหลอด 2500 Pa (20 Torr) ดังนั้นการ Deposit ของแก้วไม่ได้เกิดมาจากตรงกลางของผงแก้ว ความยางของการ Deposit นั้นสั้นมาก เมื่อเปรียบเทียบกับความยาวของไมโครเวฟรีโซเนเตอร์
หลังจากการสร้าง Core ได้ตามต้องการแล้ว หลอดแก้วนี้ต้องทำเป็นแท่งตัน หรือ Transparent preform โดยวิธีการอย่างเดียวกันกับวิธีการของ MCVD
-Outide Vapour Phase Oxidation (OVPD) Method
กรรมวิธีของ OVPO และกรรมวิธีของ IVPO ได้พัฒนา โดยบริษัท CORNING GLASS WORK ทั้งสองวิธีนี้ดำเนินการทางเคมีอย่างเดียวกัน กรรมวิธีของ IVPO ใช้ผลิตเส้นใยแสงเป็นครั้งแรกที่มีการสูญเสียน้อยกว่า 20 เดซิเบลต่อกิโลเมตร แผนผังสังเขปการดำเนินกานของ OVPO แสดงได้ดังรูป
ขั้นตอนดำเนินการนำเอาแท่งซิลิก้าหรือแท่งเซอรามิคขนาดเล็กๆ นำมาเป็นแกนกลางมาติดตั้งบนแท่นกลึงแก้ว ด้านใต้ของแท่งเซอรามิคนี้จะมีหัวเผา ออกซีไฮโดรเจนคอยกวาดอยู่ไปมาตามความยาวของแท่งเซอรามิค ในกรณีนี้จะเห็นได้ว่าต่างกันกับวิธีการของ MCVD และ PCVD คือ OVPO ไม่ได้นำหลอดแก้ว มาใช้ดำเนินการ อนุภาคเล็กๆ ของผงแก้วที่สังเคราะห์มาจากไอระเหยของก๊าซเคมีภัณฑ์ในหัวเผาออกซิไฮโดรเจนจะจับติดบนแท่งเซอรามิคที่เป็นแกนกลาง ซึ่งกำลังหมุน ด้วนความเร็วที่สม่ำเสมอ หลังจากการ Deposit ของชั้นแก้ว ได้ตามจำนวนที่ต้องการแล้ว แท่ง Soot preform นี้จะต้องเอาแกนกลางออก โดยใช้ประโยชน์จากความร้อนที่ต่างกันทำให้เกิดสัมประสิทธิ์ ของการขยายตัว และทำให้แข็งที่อุณหภูมิประมาณ 1500 องศาเซลเซียส เป็น Transparent preform ที่มีรูตรงกลาง รูตรงกลางนี้ต้องใช้เป็นแทงตัน โดยใช้ความร้อนที่มีอุณหภูมิในย่าน 1800-200 องศาเซลเซียส Index Profile ในแท่ง preform สามารถจัดรูปร่างได้โดยการแปรค่าความเข้มข้นของการเจือปนใน Gas system จากแต่ละชั้นได้ ความไม่บริสุทธิ์ซึ่งเกิดจากกลุ่มของน้ำที่มาโดยตรงจากหัวเผาสามารถขจัดได้โดยการ ให้ความร้อนกับ Soot preform ก่อนที่จะทำให้มันแข็งตัว
Vapour-Phase Axial Deposition (VAD) Method
ในการดำเนินการตามกรรมวิธีของ MCVD ,PCVD และ OVPO ลักษณะของการ Deposition ของชั้นแก้วจะกระทำในด้านข้าง กรรมวิธีของ VAD ได้พัฒนาโดย NTT ประเทศญี่ปุ่น ต่างจากกรรมวิธีที่ได้กล่าวมาแล้ว คือการ Deposit ของ VAD Process นั้นกระทำในทางดิ่ง ดังรูป
ไอระเหยของก๊าซเคมีภัณฑ์ที่ส่งผ่านออกมาจากหัวเผาตอบสนองในรูปของอนุภาคผงแก้วจาก Flame hydrolysis วิธีการคล้ายกันกับของ OVPO Method และอนุภาคของผงแก้วนี้จะพ่นจับที่ปลายของ Silica Starting rod ตรงตำแหน่งที่อยู่เหนือหัวเผาดังรูป Starting rod นี้จะถูกดึงขึ้นข้างบนด้วยความเร็วที่เหมาะสมกันกับการขยายตัวของ porous preform ซึ่ง Porous preform นี้จะขยายตัวรอบๆแกน porous preform ที่ถูกดึงขึ้น นี้ถูกส่งผ่านเข้าไปในเตาไฟฟ้าที่มีความร้อนประมาณ 1500 องศาเซลเซียส การ deposit ของอนุภาคของผงแก้วที่สังเคราะห์ขึ้นมา และการทำให้เป็นแท่งตันจะกระทำต่อเนื่องกันไปตามทางแกน เกี่ยวกับระยะของ Index profile ทำได้โดยการใช้คุณสมบัติของการ deposit ของผงแก้วที่สังเคราะห์ ขึ้นมาจากความร้อนในหัวเผาออกซิไฮโดรเจน ความเข้มของเยอร์มาเนี่ยมออกไซด์ในผงแก้วส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่กระจายอยู่บนผิวหน้าของ Soot preform ดังนั้น Index profile สามารถสร้างได้โดยการควบคุมอุณหภูมิที่กระจายอยู่บนผิวหน้าของ Soot preform โดยการเปลี่ยนแปลงอัตราการไหล ของก๊าซเคมีภัณฑ์ วิธีการขจัดอนุภาคของน้ำสำหรับ VAD process เป็นที่สุดคล้ายกันกับ OVPO process


2. Drawing and Coatjng Processes
หลักการ
เส้นใยแก้วที่ได้จาก Preforms ต้องทำให้เกิดการเปลี่ยนภาวะจากของแข็งมาเป็นของเหลวเสียก่อน ซึ่งต้องใช้เวลานานมาก การใช้อุปกรณ์ที่เหมาะสม Preform สามารถเปลี่ยนรูปมาเป็นเส้นใยแก้วที่มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 100 ไมโครเมตรในรูปของเส้นใยแสง
อุปกรณ์และการดำเนินการ
-การผลิตเส้นใย
รูปแสดงผังหลักการทำงานเบื้องต้นของ Fibre drawing machine โดยการนำแท่ง Preform สอดเข้าไปในเตาความร้อนจะถูกเพิ่มขึ้นไปเรื่อยๆ จนถึงจุดร้อนของมัน
แท่ง Preform จะคืนตัวเป็นลักษณะคล้ายแป้งเปียก และเคลื่อนตัวช้าๆ จนเป็นเส้นใยปลายของมันจะถูกม้วนเก็บไว้ที่ดรัม (Drum) ซึ่งขับเคลื่อนด้วยความเร็วที่สม่ำเสมอ ระบบการส่งแท่ง Preform ยอมให้แท่ง Preform เคลื่อนที่เข้าไปในเตาด้วยอัตราเร็วเช่นเดียวกันกับที่แท่ง Preform ถูกเปลี่ยนเป็นเส้นใยที่ปลายทางออกอีกด้านหนึ่งของเตา
-Preform feed
Preform support มีตัวปรับ X, Y และ Z ที่ใช้ปรับให้แก่นกลางของ Preform ตรงกับกึ่งกลางของเตา มันจะเคลื่อนที่ตามแนวดิ่งเพื่อที่จะป้อน Preform เข้าไปในเตา การเคลื่อนที่นี้จะต้องคงที่และไม่มีการสั่นใดๆ เกิดขึ้น เพื่อที่จะให้ได้เส้นใยมีเส้นผ่าศูนย์กลางตรงตามที่กำหนดมากที่สุด
- Fibre Production Furnace
ในระบบการทำงาน เตามีรูปร่างเป็นกากบาท ชนิดของเตาที่ใช้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่จะทำให้แท่ง Preform นั้นอ่อนตัว ส่วนที่ได้รับความร้อนยาวประมาณ 30-50 มิลลิเมตร ดังนั้นปลายของ Preform เท่านั้นที่ได้รับความร้อน
สำหรับ Silica-Based Preform เลือกใช้ Grappite Resistance Furnace มากที่สุด
เหตุผลที่เลือกใช้
- เป็นสารที่มีความบริสุทธิ์มาก
- สามารถทนต่อความร้อนหรืออุณหภูมิที่สูงขึ้นอย่างกระทันหัน
- เสถียรภาพทางกลที่อุณหภูมิสูงดี
- ง่ายต่อการทำงาน
- ราคาถูก
-Fibre Drum
ส่วนสำคัญส่วนที่สามของ Fibre Production Machine คือ Fibre Drawing System สิ่งนี้ประกอบด้วย Metal Drum ซึ่งหมุนและเคลื่อนที่ตามขวาง ดังนั้นเส้นใยจะถูกม้วนเก็บในสภาพเป็นชั้นเดียวบนดรัม หรือม้วนบน Drawing Capstan เป็นระยะทางสั้นๆ และส่งไปยังกระสวยที่มีน้ำหนักเบา (เช่น โพลีสตีริน) สำหรับการวัดและการเก็บรักษา ถ้านำดรัมมาใช้เส้นใยถูกส่งไปพันไว้ที่กระสวยพลาสติก การเคลื่อนที่ของ Preform Feed และดรัมหรือกว้าน ความเร็วในการหมุนต้องสม่ำเสมอ ความเร็วในการหมุน 1 เมตรต่อวินาที
อุปกรณ์ดังกล่าวข้างต้นนั้นเป็นที่ต้องการทั้งหมดสำหรับ Fibre Production Machine แต่ถ้าจะให้ได้เส้นใยที่มีคุณภาพเป็นที่ต้องการสำหรับผู้ใช้ต้องเพิ่มอุปกรณ์สำหรับวัดเส้นผ่าศูนย์กลางเข้ากับระบบอีกร่วมกับระบบสำหรับ Coating ให้กับเส้นใยเพื่อเป็นการป้องกันภายนอก
-การวัดเส้นผ่าศูนย์กลาง
ความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิตที่ผู้ใช้ต้องการคือ 1 เปอร์เซ็นต์ เพราะฉะนั้นจึงจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่มีรายละเอียดต่ำกว่าไมโครเมตร นอกจากนั้นความแข็งแรงทางกลของเส้นใยต้องแน่นอนโดยไม่ต้องมีการใช้การกดเค้นใดๆ มาเกี่ยวข้อง
สิ่งนี้กระทำได้โดยการให้แสงผ่านเส้นใยด้วยลำแสง ส่วนใหญ่จะใช้เรเซอร์ ระบบของแสงเมื่อผ่านเส้นใยออกไปเงาจะโตขึ้น ที่ด้านรับประกอบด้วย โฟโตไดโอดแมทริกซ์ เงาของเส้นใยจะลดความเข้มของแสงที่โฟโตไดโอด
ถ้าเส้นผ่าศูนย์กลางที่วัดได้ด้วยเครื่องมือที่มีความแม่นยำสูง ถ้าเส้นผ่าศูนย์กลางคลาดเคลื่อนเพียงเล็กน้อย สามารถทำให้ถูกต้องได้โดยการปรับความเร็วในการหมุนของดรัมหรือกว้าน การคลาดเคลื่อนเล็กน้อยนี้ต้องปรับให้ถูกต้องด้วยความรวดเร็ว เพราะว่าต้องการเวลาที่จะเริ่มต้นใหม่อย่างต่อเนื่องที่ส่วนกำลัง คือภายหลังจากการคลาดเคลื่อนนั้นระยะเวลาต้องสั้นมาก
-Coating
ตามทฤษฎีความแข็งแรงทางกลของเส้นใยขึ้นอยู่กับสารประกอบของเส้นใย วิธีการผลิต และความแตกต่างในสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวของวัสดุในรูปของ Core และ Cladding
ในทางปฏิบัติ ความแข็งแรงทางกลขึ้นอยู่กับกรรมวิธีการผลิตที่จะต้องกระทำด้วยความระมัดระวังคือ Preform ต้องสะอาดก่อนที่จะนำมาผลิตเส้นใย และความเร็วในการเคลื่อนเส้นใย การเคลือบเส้นใยปกติใช้วัสดุจำพวกพลาสติก
เส้นใยจะถูกกำหนดให้ความแข็งแรงทางกลสูงสุดที่ทางออกของเตาทันทีที่มันก่อตัวขึ้น เนื่องจากสิ่งที่ล้อมรอบอยู่ในรูปของ Microfracture โดยการสัมผัส ความชื้น และฝุ่น ความแข็งแรงทางกลจะลดลงจนกว่าโครงสร้างจะมีการป้องกัน และทำให้ปลอดภัยจากสิ่งที่ล้อมรอบอยู่
เพราะฉะนั้นจึงจำเป็นที่จะต้องจัดหาระบบเคลือบให้กับมันในขณะที่กำลังดำเนินการอยู่ เพื่อป้องกันเส้นใยที่ทางออกของเตาก่อนที่มันจะสัมผัสกับวัตถุอื่นๆ ความแตกต่างของวัสดุที่นำมาใช้เคลือบ สิ่งแรกและสำคัญที่สุดก็คือวัสดุนั้นต้องไม่ทำลายคุณลักษณะของแสง ของเส้นใย และน้ำจะซึมผ่านไม่ได้ ต้องเอาออกได้ง่ายแต่ต้องเกาะติดเป็นอย่างดีกับเส้นใยความหนาของการเคลือบขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ และสิ่งที่ตามมาคือโครงสร้างของเคเบิลด้วยเหมือนกัน
การเคลือบเส้นใยจะต้องมีความสม่ำเสมอด้วยเหตุผล 2 ประการ
- การเคลือบต้องมีจุดศูนย์กลางเดียวกัน หมายความว่าการต่อจะกระทำได้โดยไม่ต้อง เอาพลาสติกที่เคลือบออก
- ถ้าการเคลือบหนา 2-3 ไมโครเมตร ความแข็งแรงทางกลจะขึ้นอยู่กับความหนาของ การเคลือบที่มีขนาดอย่างเดียวกัน
วิธีการเคลือบที่นำมาใช้บ่อยครั้งขึ้นอยู่กับวัสดุและความหนาที่ใช้เคลือบ ปกติความหนา อยู่ระหว่าง 2-3 ไมครอน และ 20-30 ไมครอน การเคลือบต้องทำให้แห้งในเตาอบที่มีอุณหภูมิที่คงที่ เพื่อที่มันจะทำให้ได้เป็นเนื้อเดียว กัน และมีศูนย์กลางเดียวกันกับของเส้นใย

[Back] [Next] [Home]