CH645082A5 - Faserbeschichtungsverfahren. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Faserbeschichtungsver-fahren der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.

Es ist nunmehr allgemein bekannt, dass Glasfasern in grosser Länge von potentiell hoher Festigkeit sind, wobei diese Festigkeit aber nur realisiert werden kann, wenn die ursprüngliche Faser im Moment ihres Ziehens mit einer Beschichtung geschützt wird. Beträchtliche Anstrengungen gingen dahin, wirksame Methoden zur Beschichtung von Glasfaser-Wellenleitern zu entwickeln. Zumeist wurde hierzu die Faser mit einem Vorpolymer-Material beschichtet, wonach das Vorpolymer unter Einwirkung von Wärme oder Licht gehärtet wurde. Eine Beschichtung der Faser mit heissem thermoplastischem Kunststoff ist ebenfalls eingehend untersucht worden. In jedem Fall wird dabei das Beschichtungsmaterial typischerweise auf die Faser aufgebracht durch Eintauchen der frisch gezogenen Faser in ein Reservoir, das ein flüssiges Vorpolymer- oder Polymer-Material enthält. Im Regelfall tritt dabei die Faser in die Beschich-tungsflüssigkeit über eine freie Oberfläche ein und verlässt die Flüssigkeit durch ein kleines Ziehwerkzeug am Boden des Reservoirs. Zum Festwerden des Beschichtungsmaterials wird dieses gehärtet oder abgekühlt, wonach die Faser auf eine Spindel oder Rolle oder dergleichen aufgewickelt wird.

Dieses allgemeine Verfahren ist verbreitet und erfolgreich zur Beschichtung beträchtlicher Längen von hochqualitativen Glasfaserwellenleitern benutzt worden. Es verbleibt jedoch noch die Realisierung eines bedeutsamen wirtschaftlichen Vorteils durch Erhöhen der Ziehgeschwindigkeit kommerziell erzeugter Fasern. Wie gefunden wurde, treten in dem Beschichtungsverfahren neue Schwierigkeiten auf, wenn mit der Geschwindigkeit über den üblichen Wert von etwa einem Meter pro Sekunde hinausgegangen wird. Beispielsweise wurde gefunden, dass eine mit hoher Geschwindigkeit laufende Faser bei ihrem Eintritt an der freien Oberfläche der Beschichtungsflüssigkeit beachtliche Luftmengen in das flüssige Medium einschleppt. Mit fortschreitender Beschichtung sammelt sich die eingeschleppte Luft in dem Reservoir in Form von Luftblasen an. Wenn sich diese Luftblasenmenge aufbaut, tendieren einige Blasen dazu, das Ziehwerkzeug zu passieren und in der Faserbeschichtung zu verbleiben. Die Anzahl von Blasen oder Lücken auf einer gegebenen Länge einer beschichteten Faser steht in direkter Beziehung oder Korrelation zur Konzentration der Blasen im Reservoir. Darüberhinaus wurde gefunden, dass diese Blasen sich rasch mit den Strömungslinien in der Flüssigkeit bewegen und mechanisch mit der Faser in Wechselwirkung treten und dadurch Instabilitäten bei der Faserausrichtung bezüglich des Ziehwerkzeuges verursachen. Es ist als wichtig bekannt, Faserexkursionen während des Durchgangs der Faser durch das Ziehwerkzeug zu vermeiden. Zusätzlich können die mit dem Luftblaseneinfang verknüpften Instabilitäten Faserfehlausrichtungen innerhalb der Beschichtung sowie Beschichtungs-durchmesserschwanlcungen verursachen.

In der GB-PS Nr. 1 441 086 ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem die Blasen durch Ziehen der Faser durch eine innerhalb des flüssigen Beschichtungsmaterials angeordnete Schicht von Glaskügelchen hindurch von Ziehwerkzeug ferngehalten werden. Dieses Ziel wird mit diesem bekannten Verfahren erreicht, aber sehr oft wird die Faser durch die Glaskügelchen beschädigt.

Zusammengefasst wurde bei den der Erfindung vorausgegangenen Untersuchungen ein neues und wesentliches Hindernis gegen eine für Hochgeschwindigkeitherstellung von Glasfaserwellenleitern gefunden.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, das Problem einer starken Blasenbildung und ein damit verknüpftes Einschleppen von Blasen in die Faserbeschichtung oder eine daraus resultierende Fehlausrichtung der Faser innerhalb der Beschichtung zu vermeiden oder im wesentlichen zu eliminieren.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst und mit jenen der abhängigen Ansprüche weitergebildet.

Hiernach wird zum Beispiel mit einer innerhalb des Beschichtungsmaterialreservoirs geeignet angeordneten Leitplatte gearbeitet. Es wurde nämlich gefunden, dass eine richtig entworfene Leitplatte die Blasen wirksam von dem Bereich fernhält, wo die Faser das Beschichtungsmaterial durchquert und aus dem Reservoir austritt. Auch wurde ein Abstreifen von Blasen aus diesem Bereich beobachtet, was einem Anstieg des hydrodynamischen Flüssigkeitsdruckes zugeschrieben wird, wenn die Faser die durch die Gegenwart der Leitplatte verursachte Einschnürung im Flüssigkeitsweg passiert. Das Abstreifen der Blasen verringert das Auftreten von Lücken in der Beschichtung.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer bekannten Faserziehapparatur zur Darstellung, wie sich das durch die Erfindung zu lösende Problem entwickelt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Verwendung einer s

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Leitplatte entsprechend dem vorliegenden Verfahren, um ein Einschleppen von Gasblasen in die Faserbeschichtung zu verhindern,

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 2 und

Fig. 4 bis 7 verschiedene alternative Leitplattenausfüh-rungsformen zum Erhalt ähnlicher Ergebnisse wie mit der Leitplatte nach Fig. 2 und

Fig. 8 eine Rezirkulieranordnung zum Eliminieren von Blasen im Beschichtungsreservoir.

Das Problem, auf das die vorliegende Erfindung gerichtet ist, entwickelt sich in einer typischen Beschichtungsappa-ratur, wie dieses in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Die Faser 10, die von einer Vorform, einem Tiegel oder einer anderen geeigneten Quelle gezogen wird, passiert das Beschichtungsreservoir 11 und verlässt dieses durch das Beschichtungs-Zi eh Werkzeug 12. Die beschichtete Faser wird dann beispielsweise durch UV-Strahlung der UV-Lampen 14 gehärtet und auf eine Winde 15 und Trommel 16 gewickelt. Die freie Oberfläche der Beschichtungsflüssigkeit 12 nimmt typischerweise die dargestellte Form an, zeigt also einen abwärts weisenden Meniskus 13 an der Fasereintrittsstelle. Die Grösse des Meniskus hängt von verschiedenen Parametern ab; der Meniskus bildet sich aber praktisch immer aus, wenn die Durchlaufgeschwindigkeit der Faser durch die Beschichtungsflüssigkeit hinreichend hoch ist. Die Gegenwart dieses Meniskus führt zu einem positiven Mitreissen von Luft im Eintrittsbereich der Faser in die Flüssigkeit. Die Luft wird unvermeidlich in die Flüssigkeit gezogen, wo sie während des Beschichtungsvorgangs Blasen bildet. Wenn die Anzahl der Blasen zunimmt, dann nimmt auch die Wahrscheinlichkeit zu, dass einige Blasen in der schliesslichen Faserbeschichtung eingefangen sind. Hierbei ist zu beachten, dass die Beschichtungsflüssigkeit im Reservoir ein starkes Strömungsmuster unter dem Einfluss der sich schnell bewegenden Faser entwickelt. Das Strömungsmuster wird durch die sich entwickelnde Bewegung der Blasen sichtbar und hat die in Fig. 1 dargestellte Form. Die Blasen werden in der Nähe des Meniskus 13 gebildet und wandern mit der Faser nach unten durch die Flüssigkeit. Einige Blasen treten mit der Faser aus, aber eine beachtliche Anzahl fliesst von der Faser nach aussen ab und in das dargestellte kreisförmige Strömungsmuster ein. Wenn jedoch die Anzahl der Blasen zunimmt, nimmt auch die Anzahl jener Blasen zu, die vom unteren Teil des Strömungsmusters abgezogen werden und das austrittsseitige Ziehwerkzeug passieren, wo sie in die Faserbeschichtung eingeschleppt werden. Es wurde nicht als gesichert festgestellt, ob die Anzahl der in der Flüssigkeit vorhandenen Blasen direkt oder indirekt ein Mass für die in die Faserbeschichtung eingeschleppte Anzahl von Blasen ist. Es wird angenommen, dass wenigstens einige Blasen direkt vom Meniskus längs der Faser durch das austrittsseitige Ziehwerkzeug laufen. Gesichert ist aber, dass solche Ereignisse mit der Bildung zahlreicher Blasen in der Flüssigkeit einhergehen.

Unter Verwendung von Videoanlagen und photographischen Methoden ist die Dynamik der Beschichtungsflüssigkeit im einzelnen untersucht worden. Die dabei gewonnenen Resultate haben zu der nun zu beschreibenden Lösung geführt.

Fig. 2 zeigt schematisch dieselbe Beschichtungsapparatur wie in Fig. 1, jedoch mit dem wichtigen Zusatz einer Leitplatte 20. In diesem Zusammenhang ist eine Leitplatte als ein Bauteil definiert, der dafür vorgesehen ist, die Blasenströmung vom einen Bereich eines Flüssigkeitsreservoirs in einem anderen Bereich zu unterbinden oder wenigstens deutlich zu beschränken. Im vorliegenden Fall wird die Blasenströmung zwischen dem Hauptkörper der Beschichtungsflüssigkeit und dem Bereich eingeschränkt, wo die Faser 10

die Flüssigkeit durchquert. Bei einigen Ausführungsformen ist besonders darauf geachtet, eine Strömung der Blasen zu dem Reservoirbereich in der Nähe des austrittsseitigen Ziehwerkzeuges 12 zu verhindern. Die Leitplatte 20 umgibt die Faser 10 in grösserem Abstand im Reservoir. Es ist nicht nötig, dass die Leitplatte mit den Wänden des Reservoirs abschliesst. Es ist notwendig, dass die Leitplatte so ausgelegt wird, dass ein Kontakt mit der Glasfaser 10 vermieden wird. Die Wirkung der Leitplatte ist in Fig. 2 dargestellt. Sie dient zur Eingrenzung der Blasen auf den oberen Teil des Reservoirs, wodurch sich das Risiko beachtlich verringert, dass Blasen am Zieh Werkzeug 12 austreten und in der Faserbeschichtung eingebettet werden.

Eine beispielhafte Leitplattenform ist in Fig. 3 dargestellt. Die Aussparungen 30 dienen zur Zirkulation der Beschichtungsflüssigkeit von der unteren Kammer des Reservoirs zur oberen Kammer. Durch die sich rasch bewegende Faser wird Flüssigkeit durch die zentrale Öffnung 31 in die untere Kammer mitgeschleppt, und es ist vorteilhaft, einen Rückweg zur oberen Kammer bereitzustellen. Andererseits kann die Öffnung 31 gross genug gemacht werden, so dass jene Massnahme entfallen kann. Die tatsächliche Grösse der Öffnung 31 ist abhängig von mehreren Erwägungen einschliesslich der Ziehgeschwindigkeit, die zum grossen Teil für das Blasenproblem verantwortlich ist, und der Effektivität, mit der die Blasen abgestreift werden müssen. Der Faserdurchmesser ist ebenfalls eine Erwägung, obgleich er typischerweise im Bereich von 50 bis 500 Mikrometer liegt. Eine Leitplatte mit einer Öffnung 31 von 800 Mikrometer ist erfolgreich zur Beschichtung einer Faser eines Nenndurchmessers von 125 Mikrometer benutzt worden.

Eine wichtige Erwägung bei der Wahl der Grösse der Öffnung in der Leitplatte ist der sich in der Nähe der Baffelöff-nung in der Flüssigkeit entwickelnde Druckgradient. Dabei wird angenommen, dass die hydrodynamischen Kräfte, die bei Einsatz einer Leitplatte in der beschriebenen Faserbe-schichtungsanordnung erzeugt werden, wirksam sind beim Abstreifen von Blasen auf oder nahe der Faseroberfläche und einen Einbau dieser Blasen in die schliessliche Beschichtung verhindern. Sonach kann die Leitplatte in Abhängigkeit von ihrer Form zwei wichtigen Funktionen dienen. Die erste ist die erwähnte Verhinderung einer Ansammlung grösserer Blasenmengen im Flüssigkeitsreservoir, wodurch während des Beschichtungsvorgangs sporadische seitliche Auswanderungen der Faser und eine begleitende Schwankung in der Konzentrizität von Faser und Beschichtung verringert werden. Diezweite Funktion der Leitplatte, die je nach Einzelfall als fakultativ angesehen wird, ist das Abstreifen von Blasen auf oder nahe der Oberfläche der Faser, bevor diese das austrittsseitige Ziehwerkzeug erreicht. Das austrittsseitige Ziehwerkzeug kann in gewissem Sinn ebenfalls als eine Art Baffel angesehen werden und ist daher auch selbst zum Abstreifen von Blasen in der beschriebenen Weise brauchbar. Jedoch wurde gefunden, dass die einzige Abstreifstufe, die das austrittsseitige Ziehwerkzeug bildet, typischerweise nicht Blaseneinschlüsse in der schliesslichen Beschichtung eliminiert, wenn bei hohen Beschichtungsgeschwindigkeiten gearbeitet wird. Eine gesonderte Blasenabstreifstufe, wie diese hier beschrieben ist, ist daher ein wichtiger Zusatz bei Beschichtungsprozessen, wo Blaseneinschlüsse sonst vorherrschend sein würden. Im Einzelfall mag es sogar angezeigt sein, dass zwei oder mehr Leitplatten für ein noch vollständigeres Abstreifen brauchbar sind.

Für wirksames Abstreifen sollte die zentrale Öffnung 31, die die Faser passiert, klein genug gemacht werden, um den Blasenfluss durch die Leitplatte 20 zu verhindern. Öffnungen, die nur wenig grösser als der Faserdurchmesser sind, d.h. etwa dreimal so gross wie der Faserdurchmesser sind,

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haben zu guten Ergebnissen geführt.

Man sieht, dass grössere Durchmesser zum Durchführen der oben beschriebenen Funktion Nr. 1 brauchbar sind und auch in gewissem Umfang zu einem Blasenabstreifen führen. Es wird angenommen, dass Blasenabstreifung von abrupten hydrodynamischen Druckänderungen herrühren kann, wenn die Faser die Flüssigkeit durchquert. Untersuchungen und Beobachtungen haben ergeben, dass brauchbares Abstreifen von Blasen von der Faser auftreten wird, wenn die Faser eine Druckänderung, die 21 bar/sec äquivalent ist, erfährt, bevor die Faser in die Nähe des austrittsseitigen Zieh Werkzeuges gelangt. Sonach unterliegt die Faser während dieses Beschichtungsprozesses zwei ausgeprägten hydrodynamischen Druckänderungen. Druckänderung ist hier anhand einer «äquivalenten» Druckänderung definiert, da die tatsächliche Druckänderung vom Entwurf der Leitplatte und von der Faserziehgeschwindigkeit abhängt. Das oben angegebene Minimum von 21 bar/sec ist bezogen auf eine Fasergeschwindigkeit von 1/3 Meter pro Sekunde und eine Leitplattenform errechnet, bei der die Druckänderung über eine Strecke von etwa 1 cm auftritt. In diesem Fall ist die Druckdifferenz, der die Faser beim Passieren der Leitplatte unterliegt, in der Grössenordnung von 0,7 bar.

Andere Leitplattenformen und -anordnungen sind zum Erhalt von Ergebnissen, die mit den obigen vergleichbar sind, brauchbar. Drei vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Fig. 4 bis 7 dargestellt. Die Leitplattenform nach Fig. 4 und 5 nähert sich der Form des Flüssigkeitsströmungsmusters in der oberen Kammer an. Die Anordnung nach Fig. 6 bringt den Vorteil eines leichten anfänglichen Durchfädelns der Faser durch das Reservoir. Die Verwendung mehrerer Leitplatten ist in Fig. 7 dargestellt.

Nach Erkenntnis der Notwendigkeit, eine Blasenansammlung im Beschichtungsflüssigkeitsreservoir dort zu verhindern, wo das Risiko einer Einschleppung von Blasen in die Faserbeschichtung besteht, kann in Weiterbildung der Erfindung alternativ vorgesehen sein, dass die Blasen eliminiert werden durch Zirkulieren der Beschichtungsflüssigkeit in das Reservoir hinein und aus diesem heraus. Auf diese Weise frischt man einfach und wirksam das Reservoir mit blasenfreier Beschichtungsflüssigkeit kontinuierlich auf. Eine Anordnung zur Durchführung dieses ist in Fig. 8 dargestellt. Bei der speziell dargestellten Anordnung ist eine Kombination einer Baffel mit einer Rezirkulierungseinrichtung zum

Abstreifen und Entfernen von Blasen aus dem Reservoir vorgesehen. Die Leitplatte ist bei 80 dargestellt, die Einrichtung zum Beseitigen von Blasen aus dem Reservoir ist der Auslass 81, und die Einrichtung zum Einführen blasenfreien s Beschichtungsmaterials ist der Einlass 82. Das am Auslass 81 entfernte Material kann durch Filtern, Zentrifugieren, Vakuumentgasen oder dergleichen zwecks Entfernung der Blasen bearbeitet und dann zum Reservoir via Einlass 82 zurückgeführt werden. Die Leitplatte 80 unterstützt die Wirk-lo samkeit dieser Apparatur, ist hier aber nicht notwendig. Ein Zirkulieren der Flüssigkeit bei Erneuerung mit blasenfreiem Material kann bereits allein eine Ansammlung von Blasen im Reservoir verhindern.

Wie eingangs erwähnt, verursacht die Gegenwart dieser 15 sich rasch bewegenden Blasen in der Beschichtungsflüssigkeit ein erratisches Verschieben und Schwanken der Faserlage und führt zu schlechter Zentrierung der Faser bezüglich der Beschichtung. Die resultierende Beschichtung ist um die Faser ungleichförmig, was die Wirksamkeit der Faser bei der 20 Lichtwellenübertragung beeinträchtigt. Sonach liefert die Verwendung einer Leitplatte nicht nur eine Faser mit glatter blasenfreier Beschichtung, sondern auch eine in der Beschichtung gut zentrierte Faser.

Ersichtlich ist ein fortlaufendes Abstreifen von Blasen aus 25 der Beschichtungsapparatur im vorliegend beschriebenen Verfahren ein wichtiger Schritt, der zu hochqualitativen Beschichtungen bei hohen Faserziehgeschwindigkeiten führt.

Das vorliegende Verfahren ist nicht nur für die Primärbe-schichtung von Glas- oder Kunststoffwellenleitern 30 brauchbar, sondern auch für eine Sekundärbeschichtung eines bereits beschichteten Wellenleiters. Das vorliegende Verfahren kann, falls eine Faser in zwei oder mehr hinterein-anderliegenden Beschichtungsstufen zum Erhalt eines mehrschichtigen Überzuges sukzessive beschichtet wird, bei jeder 35 einzelnen Beschichtungsstufe oder nur bei einem Teil der Beschichtungsstufen angewandt werden. Das Verfahren ist weiterhin brauchbar zum Applizieren von Flüssigkeiten auf die Faser zur Oberflächenmodifizierung vor der Beschichtung, zum Aufbringen von Farbstoffen oder Färbungsmittel 40 zwecks Farbkodierung oder zum Aufbringen von flüssigen Materialien für andere Zwecke. Das Verfahren eignet sich auch zum Aufbringen von Beschichtungen auf andere Fasern als Glasfasern, beispielsweise auf polymere Fasern, Kristallfasern und Metallfasern.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zum Beschichten von endlosen Glasfasern, Polymeren Fasern, Kristall- oder Metallfasern im Zuge deren Herstellung, wobei

   - eine gezogene Faser ein Reservoir, das flüssiges Beschich-tungsmaterial enthält, mit so hoher Geschwindigkeit passiert, dass Blasen in das flüssige Beschichtungsmaterial eingeschleppt werden, und

   - anschliessend die Faser ein Ziehwerkzeug passiert, dadurch gekennzeichnet, dass

   - das Beschichtungsmaterial in der Nähe der Faseraustrittsöffnung durch wenigstens eine im Reservoir angeordnete Leitplatte (20) und/oder durch Abführen des Blasen enthaltenden Beschichtungsmaterials aus dem Reservoir blasenfrei gehalten wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das flüssige Beschichtungsmaterial durch das Reservoir zirkulieren lässt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser einer abrupten Änderung des hydrodynamischen Drucks während ihres Verweilens innerhalb des Reservoirs unterworfen wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckänderung wenigstens 21 bar/sec beträgt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser «das flüssige Beschichtungsmaterial» mit einer Geschwindigkeit von mehr als 'A m pro Sekunde durch «-» hindurchgezogen wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser durch eine Öffnung (31) in der Leitplatte (20) hindurchgeführt wird, um die abrupte Druckänderung zu erzeugen.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die Faser durch eine Öffnung (31) in der Leitplatte (20) hindurchzieht, welche Öffnung einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als das Dreifache des Durchmessers der unbeschichteten Faser.