一种红外硫系玻璃微珠的批量制备方法

本发明涉及一种玻璃微珠的制备方法，具体涉及一种红外硫系玻璃微珠的批量制备方法。

背景技术：

1、玻璃微珠是一种高性能反光材料(也称为逆反射材料或回归反射材料)，已广泛应用于道路安全、建筑装饰、航空航天等领域。玻璃微珠还是一种性能优异的光学谐振腔，它具有品质因子高、模式体积小、谐振模线宽窄、腔内能量密度高等特点，在高灵敏度传感器、窄带滤波器、低阈值激光器、非线性光学等领域极具应用潜力。近年来，随着红外技术的进步，对工作在3～5μm和8～12μm大气高透明窗口的红外玻璃微珠需求逐渐增大，例如，航空航天装备需要大量直径50～300μm的玻璃微珠作为红外反射材料。

2、硫系玻璃(基于硫族元素s、se、te形成的非晶态材料)是透光范围可以覆盖3～5μm和8～12μm波段的唯一玻璃材料，且硫系玻璃的折射率高、化学稳定性和热稳定性优异，因此硫系玻璃微珠被认为是极佳的红外反射材料。目前，硫系玻璃微珠的制备方法主要有三种。第一种方法是“高温熔融粉末法”，即将硫系玻璃粉末倒入通有保护气氛的管式炉中，粉末在炉腔内下落的过程中受热依靠表面张力成球。采用这种方法制备微珠时，硫系玻璃粉末受热挥发严重，且成球率较低，从玻璃粉碎、过筛到最终成球，材料利用率通常<10％。第二种方法是“光纤熔球法”，即使用激光或环形加热器对光纤的细小端部进行加热获得微珠。采用该方法制备的微珠的品质因子极高，但一次通常只能制备少数几个微珠，制备效率极低。第三种方法是“光纤熔芯法”(zl201310593026.7)，即将硫系玻璃/聚合物复合光纤加热至玻璃软化温度附近，聚合物内部的硫系玻璃丝会断开形成微珠。采用这种方法一次可制备较大量微珠，材料利用率通常超过30％，且微珠的品质因子较高，但形成微珠需要使用厚聚合物包层的光纤以实现高温下对纤芯较好的束缚，这样就需要消耗较大量价格昂贵的聚合物和用于溶解聚合物的有机溶剂，难以实现硫系玻璃微珠的低成本大批量制备。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的硫系玻璃微珠制备效率低、难以实现低成本大批量制备的问题，本发明通过将具有较薄聚合物包层的多芯光纤堆积并进行热处理的途径大幅提高玻璃微珠的制备效率和降低制备成本，提供了一种红外硫系玻璃微珠的批量制备方法。

2、为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案如下：

3、一种红外硫系玻璃微珠的批量制备方法，包括如下步骤：

4、(1)制备多芯光纤

5、采用熔融-淬冷法在真空石英管中制备直径为d1的硫系玻璃棒，将其插入一个内、外径分别为d1和d2的热塑性聚合物套管中，形成第一光纤预制棒，其中d2/d1＝1.4～2.0；将第一光纤预制棒拉制成直径为d3的细棒；将若干根细棒紧密堆积至中空长方体金属模具中，然后对紧密堆积的细棒进行热处理使其表面的热塑性聚合物粘连在一起，形成第二光纤预制棒；将第二光纤预制棒拉制成对角线长度为d4的多芯光纤；

6、(2)热处理多芯光纤制备硫系玻璃微珠

7、将若干根步骤(1)制备的多芯光纤紧密堆积至中空长方体金属模具中，然后将模具两个端口堵住，放入真空炉中，抽真空使炉内真空度<1kpa，然后将炉温升高至300～360℃进行热处理10～30分钟，使多芯光纤中的玻璃纤芯断裂形成玻璃微珠；

8、(3)清洗聚合物和过筛获得尺寸均匀的硫系玻璃微珠

9、将步骤(2)中热处理后的多芯光纤从金属模具中取出，放入盛有有机溶剂和磁子的烧杯中，并将烧杯放在磁力搅拌器的加热平台上，设定加热平台温度，使热塑性聚合物随着搅拌和加热快速地溶解到有机溶剂中；每间隔30～60分钟更换一次有机溶剂，连续更换3～5次，使热塑性聚合物完全溶解；再用无水乙醇冲洗烧杯中的玻璃微珠3～5次，并将玻璃微珠和无水乙醇一起过筛，获得尺寸均匀的玻璃微珠；最后将玻璃微珠烘干，即可。

10、作为优选，步骤(1)中所述硫系玻璃棒的玻璃化转变温度为160℃～200℃。

11、作为优选，步骤(1)中所述热塑性聚合物套管的材料为聚醚酰亚胺(pei)、聚醚砜(pes)或聚砜(psu)。

12、作为优选，步骤(1)中所述直径d3＝1.5～3mm；d4>800μm。

13、作为优选，步骤(2)中所述玻璃微珠的直径为60～300μm。

14、作为优选，步骤(3)中所述有机溶剂为二甲基乙酰胺，所述加热平台设定的温度为50℃～60℃。

15、有益效果：

16、与现有技术相比，本发明一种红外硫系玻璃微珠的批量制备方法，具有如下优势：

17、(1)本发明通过“制备多芯光纤然后将多根多芯光纤紧密堆积并进行热处理”的途径制备硫系玻璃微珠，通过增加多芯光纤中芯的个数和堆积的多芯光纤的根数可大幅提高制备效率，单次制备的微珠数量可达百万个以上。

18、(2)本发明制备方法中多芯光纤紧密堆积促使光纤间相互束缚，即使使用较薄的热塑性聚合物包层，也可实现足够的束缚确保热处理过程中微珠的形成。与现有热处理光纤制备微珠方法相比，本发明热塑性聚合物包层直径与纤芯直径之比(＝d2/d1)从≥3减小至1.4～2.0，聚合物用量减少一半以上，同时用于溶解聚合物的有机溶剂用量也减少一半以上，可显著降低成本。

19、(3)采用本发明可制备直径60～300μm、偏心度<2％、微腔品质因子q≥2x105的硫系玻璃微珠，在红外回归反射、微腔传感、红外激光产生、非线性光学等领域极具应用前景。

技术特征：

1.一种红外硫系玻璃微珠的批量制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的红外硫系玻璃微珠的批量制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述硫系玻璃棒的玻璃化转变温度为160oc~200 oc。

3.如权利要求1所述的红外硫系玻璃微珠的批量制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述热塑性聚合物套管的材料为聚醚酰亚胺、聚醚砜或聚砜。

4.如权利要求1所述的红外硫系玻璃微珠的批量制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述直径d3=1.5~3 mm；d4>800 μm。

5.如权利要求1所述的红外硫系玻璃微珠的批量制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述玻璃微珠的直径为60~300 μm。

6.如权利要求1所述的红外硫系玻璃微珠的批量制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述有机溶剂为二甲基乙酰胺；所述加热平台设定的温度为50oc~60 oc。

技术总结本发明公开了一种红外硫系玻璃微珠的批量制备方法。首先，制备纤芯为硫系玻璃、包层为热塑性聚合物的多芯光纤；然后将若干根多芯光纤紧密堆积至金属模具中并放入真空炉中进行热处理，使多芯光纤中的玻璃纤芯断裂形成玻璃微珠；最后将热处理后的多芯光纤放入有机溶剂中溶解掉热塑性聚合物，再用无水乙醇冲洗、过筛和烘干，获得尺寸均匀的玻璃微珠。采用本发明制备方法可显著减少聚合物和有机溶剂的用量；单次制备的硫系玻璃微珠数量可达百万个以上；制备的硫系玻璃微珠偏心度较小、品质因子较高，可应用于红外回归反射、微腔传感、红外激光产生、非线性光学等领域。技术研发人员：杨志勇,夏仁豪,祁思胜,杨艳,李雷受保护的技术使用者：江苏师范大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29