CN102576121B - 紧套光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及紧套光纤(1)，其不仅用于光纤技术中来转移光学信号，而且还能够用于照明目的光传输。该紧套光纤(1)包含带有护套(3)的玻璃纤维(2)。该护套(3)具有下面的组成：聚醚醚酮和混入的至少10和最大40重量%无机填料的混合物，该无机填料的粒度是0.08μm-12μm。该护套(3)的外径是0.2mm-1.2mm。该护套(3)的外径D与玻璃纤维(2)的直径d之间的比率D/d是2-6。该护套(3)在该玻璃纤维(2)上的压力是这样，即，基本上不会发生该玻璃纤维(2)与护套(3)之间的相对移动。
Description
本发明涉及紧套光纤(optisch Festader)，其不仅在光波导技术中用于传输光学信号，而且还能够用于光传输来用于照明目的或治疗目的，例如在微创外科手术的医学领域中。
光波导具有玻璃或者塑料制成的光传输介质，下文称作纤维。为了保护纤维，该纤维具有包套(Umhüllung)，其的材料和结构适配于保护该纤维的要求。在例如描述在欧洲专利文件EP1456704 B1中的紧套光纤情况下，包套是直接施加到纤维的涂层上的。为此使用挤出方法。EP1456704 B1中所述的紧套光纤构造的出发点在于：该包套在纤维上滑动。为此，向该包套添加起滑动性作用的组分，例如滑石或者由特氟隆制成的中间层。
但是，这里存在着这样的应用情况，其中不希望纤维在包套中滑动。如德国专利文件DE102004045775 B4中所述，特别是在温度波动时，例如在车辆的发动机舱所存在的温度波动情况下，包套相对于纤维移位，即，纤维和包套之间发生了相对移动。这样的相对移动是由于纤维材料和包套材料不同的膨胀系数引起的。这种效应称作“活塞化”，并且不利地影响信号传播的质量，因为由于纤维相对于护套(Mantel)的移位，可能发生纤维端在连接点彼此脱离。所以，给出了众多的建议来防止活塞化，例如描述在文献DE19914743 A1，JP04127107 A，DE60104497 T2，WO00/60382，KR1020010113717 A，EP1174746 A1或者DE10044585 A1中。
“活塞化”在紧套纤维弯曲时也会发生，因为该包套的材料在弯曲半径外侧是拉紧的，而在内侧处是压缩的，这样在纤维表面和包套内侧之间产生了剪切力，其会引起纤维相对于包套的移位。归因于粘滑效应，会累积机械应力，其会不利地影响纤维的光学性能。
所以，本发明的一个目标是提供一种紧套光纤，其表现出低的、或者优选没有活塞效应，这样它能够暴露于温度波动和强的机械变形，而不负面影响光纤的传播质量。本发明的另一目标是提供制造这样的紧套光纤的方法。
这些目标是通过权利要求1的紧套光纤和权利要求10的方法来解决的。
根据权利要求1，该紧套光纤包含带有护套的玻璃纤维，其中该护套具有下面的组成：聚醚醚酮和混入的至少10和最大40重量%无机填料的混合物，该无机填料的粒度是0.08 µm-12 µm。该护套的外径是0.2mm-1.2mm。该护套的外径D与玻璃纤维的直径d之间的比率D/d是2-6。该护套在该玻璃纤维上的压力是这样，即，基本上不会发生该玻璃纤维与护套之间的相对移动。
本发明的紧套光纤表现出非常好的机械性能，并且保持了必需的光学性能。该紧套纤维不表现出任何可检测到的活塞效应，甚至在沿着光纤长度分布有温度差时也是如此。此外，在不同方向上多次弯曲该紧套纤维时也不发生活塞效应。
作为另一积极的附加效应提到高塑性，其是可逆的。该紧套纤维可以例如持久弯曲90度。它甚至还可以在保持最小半径的情况下形成结。此后，该结可以重新展开，该紧套纤维可以重新拉直，而不损害光学参数。与现有技术已知的紧套纤维相比，这样的高塑性是未知的，在对于要例如在车辆的发动机舱中沿着极其复杂形状的壁铺设紧套纤维或者在必须将许多紧套纤维结合成电缆束时，这是特别重要的。该电缆束的固有稳定性是通过编织或者捻合来获得的，而无需用固定胶带将所述紧套纤维绑扎在一起。该紧套纤维还可以用于医学领域中，用于例如其中需要照亮或者处理非常小的区域的情况中。归因于它的塑性，紧套纤维可以在它的末段弯曲，这样更易于达到待医学处理的区域。
根据权利要求2，该护套在该玻璃纤维上的压力至少是120 N/mm²。在这样的压力情况下，在玻璃纤维和护套之间基本上不会相对移动。由此，甚至在温度波动或者机械变形时也不会发生活塞效应。
根据权利要求3，该玻璃纤维包含具有ORMOCER®涂层的玻璃芯。该ORMOCER®涂层具有对于在该紧套光纤制造中将护套挤出到玻璃纤维上的工艺足够的化学稳定性。由在其它情况下通常使用的丙烯酸酯或者聚酰亚胺制成的涂层并不能具有这样的化学稳定性。
根据权利要求4，该无机填料是硅酸盐；根据权利要求5，该无机填料是层状硅酸盐，和根据权利要求6，该无机填料是滑石，石灰石，碳酸钙，硫酸钡，氮化硼，二氧化硅或者膨润土。这些填料能够赋予本发明的紧套光纤想要的性能，即，高的塑性和没有可检测到的活塞效应。
根据权利要求7，混入的无机填料为至少25重量%和最大40重量%。由此，能够实现进一步改进的塑性性能。
根据权利要求8，混入的无机填料为27重量%和最大33重量%。由此，能够实现仍然进一步改进的塑性性能。
根据权利要求9，粒度是至少0.1 µm和最大10 µm。这样的粒度能够在护套和玻璃纤维之间获得良好的结合。
根据权利要求10，一种制造紧套光纤的方法包含下面的步骤：提供玻璃纤维和将护套挤出到该玻璃纤维上。其中该护套具有下面组成：聚醚醚酮和混入至少10和最大40重量%无机填料的混合物，该无机填料的粒度是0.08 µm-12 µm。该护套的外径是0.2mm-1.2mm。该护套的外径D与玻璃纤维的直径d之间的比率D/d是2-6。在所述方法结束之后，该护套在该玻璃纤维上的压力是这样，即，基本上不会发生该玻璃纤维与护套之间的相对移动。
根据本发明的方法制造的紧套光纤具有非常好的机械性能，同时保持了所需的光学性能，不表现出任何可检测到的活塞效应，并且具有高塑性，如同已经详细解释的那样。
根据权利要求11，对挤出参数进行选择，以使得在所述方法结束之后，护套在该玻璃纤维上的压力是至少120 N/mm²。在这样的压力情况下，基本上不会发生该玻璃纤维与护套之间的相对移动。由此，甚至在温度变化或者机械变形时也不会发生活塞效应。
根据权利要求12，该提供玻璃纤维的步骤包含：提供玻璃芯的步骤和用ORMOCER®涂层涂覆该玻璃芯的步骤。该ORMOCER®涂层具有对于制造紧套光纤中将护套挤出到玻璃纤维上的工艺足够的化学稳定性。由在其它情况下通常使用的丙烯酸酯或者聚酰亚胺涂层并不能具有这样的化学稳定性。
根据权利要求13，该无机填料是硅酸盐；根据权利要求14，该无机填料是层状硅酸盐，和根据权利要求15，该无机填料是滑石，石灰石，碳酸钙，硫酸钡，氮化硼，二氧化硅或者膨润土。所述填料能够赋予本发明的紧套光纤想要的性能，即，没有可检测到的活塞效应和高的塑性。
下面，本发明将依靠工作实施例以及示意性附图详细说明。
图1a是根据该工作实施例的紧套光纤的纵截面图，其是放大图。
图1b是根据该工作实施例的紧套光纤的横截面图，其是放大图。
图2表示了根据该工作实施例的紧套光纤的第一种应用。
图3表示了根据该工作实施例的紧套光纤的第二种应用。
图4a，b表示了根据该工作实施例的紧套光纤的塑性的例子。
图5示出了流程图，该流程图阐述了制造根据该工作实施例的紧套光纤的方法的基本步骤。
图1a是根据该工作实施例的紧套光纤1的纵截面图，其为放大图。附图标记2表示了玻璃纤维，附图标记3表示了包套(Umhüllung)或护套(Mantel)。图1b是其横截面图。
护套3可以具有下面组成：聚醚醚酮和混入的至少10重量%和最大40重量%无机填料的混合物，所述无机填料的粒度例如是0.08 µm-12 µm。下文中，聚醚醚酮被称作PEEK，而PEEK和无机填料的混合物称作PEEKF。
该无机填料可以例如是滑石(水合硅酸镁，Mg3Si4O10(OH)2)，石灰石，碳酸钙(CaCO3)，硫酸钡(BaSO4)，氮化硼(BN)，二氧化硅(SiO2)，膨润土(主成分(60-80%)是蒙脱石(层状硅酸铝，Al2[(OH)2/Si4O10]nH2O))，石英(SiO2)，氧化铝(Al2O3)，碳化硅(SiC)，中空玻璃珠，沉淀硅石，硫化锌(ZnS)或者二氧化钛(TiO2)。
玻璃纤维2可以包含玻璃芯4和涂层5。涂层5的材料可以例如是ORMOCER®，即，无机-有机杂聚物。
护套3的外径D可以例如是0.2mm-1.2mm。护套3的外径D和玻璃纤维2的直径d之间的比率D/d可以例如是2-6。在该工作实施例中，该玻璃纤维的直径d是0.185mm和护套的外径D是0.6mm。
护套3在玻璃纤维2上的压力可以是这样，即，玻璃纤维2和护套3之间基本上不发生相对移动，并因此不发生活塞效应。护套3在玻璃纤维2上的压力可以例如是120 N/mm²-216 N/mm²。
在紧套光纤1的制造中，该护套3(无机填料分布在其中)是通过挤出法施加到玻璃纤维2上的。挤出工艺是在高温进行的，因为PEEKF的熔点大于370°C。在缓慢冷却过程中和从温度极限开始(在该温度时PEEKF开始凝固)，冷却中的每度产生了一定的压力，这归因于玻璃纤维2和护套3材料膨胀的差异。例如，玻璃的膨胀系数可以是0.5ppm/K，PEEKF的膨胀系数可以是25ppm/K，由此产生了24.5ppm/K的差值。该温度极限(在该温度时PEEKF开始凝固))可以是例如大约170°C。例如当从大约170°C冷却到大约20°C时，例如计算为150 K x 24.5ppm/K。
因此，玻璃纤维2和护套3的材料不同的膨胀性导致发生了收缩，结果在护套3和玻璃纤维2之间形成了收缩连接。由此，护套3完全紧密握紧玻璃纤维2。这是通过挤出的特定参数和通过护套材料PEEFK的特定组成实现的。
图2表示了根据该工作实施例的紧套光纤1的第一种应用。在这种应用中，将紧套光纤1铺设到具有复杂表面形状的基底6上。归因于它的塑性，该紧套光纤1可以预变形为这种形状，使得能够更容易地铺设该紧套光纤1。例如图2所示，甚至在例如30°C的温差时，也不影响该紧套光纤1的光学性能和塑性。
图3表示了根据该工作实施例的紧套光纤1的第二种应用。在这种应用中，将紧套光纤1用于医学用途中的照明。将紧套光纤1的末段1a预弯曲，以使得它能够例如更容易地插入窄的血管中。
图4a，b表示了根据该工作实施例的紧套光纤1塑性的例子。在这些例子中，该紧套光纤1的外径 D是0.7mm，该玻璃纤维2的直径是0.185mm。具有这样的尺寸时，该紧套光纤1可以持久变形成为最小直径20mm的圆，如图4a所示，然后可以重新拉直，如图4b所示。此外，该紧套光纤1可以在最小半径2mm情况下持久变形90度，然后可以重新拉直。
本领域技术人员清楚这些特定的塑性能够实现众多的其他应用情形。
图5示出了流程图，该流程图阐述了根据该工作实施例的制造紧套光纤1的方法的基本步骤。在步骤S1中提供了玻璃芯4。在步骤S2中将涂层5涂覆到玻璃芯4上。步骤S1和S2一起形成了提供玻璃纤维2的步骤。在步骤S3中，将护套3挤出到玻璃纤维2上。
在根据该工作实施例的制造紧套光纤1的方法情况下，可以对挤出参数进行选择，以使得在所述方法结束后，护套3在玻璃纤维2上的压力是这样，即，在玻璃纤维2和护套3之间基本上不发生相对移动，并因此不出现活塞效应。护套3在玻璃纤维2上的压力可以是例如120 N/mm²-216 N/mm²。
Claims (9)
1.紧套光纤(1)，其包含带有护套(3)的玻璃纤维(2)，其中
-该护套(3)具有下面组成：聚醚醚酮和混入的至少10重量％和最大40重量％的无机填料的混合物，所述无机填料的粒度是0.08μm-12μm，
-该护套(3)的外径是0.2mm-1.2mm，
-该护套(3)的外径D与玻璃纤维(2)的直径d之间的比率D/d是2-6，和
-该护套(3)在该玻璃纤维(2)上的压力至少是120N/mm2，
其中该无机填料是硅酸盐、滑石、石灰石、碳酸钙、硫酸钡、氮化硼、二氧化硅或者膨润土。
2.根据权利要求1的紧套光纤(1)，其中该玻璃纤维(2)包含具有涂层(5)的玻璃芯(4)。
3.根据权利要求1的紧套光纤(1)，其中该无机填料是层状硅酸盐。
4.根据权利要求1的紧套光纤(1)，其中混入了至少25重量％和最大40重量％的所述无机填料。
5.根据权利要求1的紧套光纤(1)，其中混入了至少27重量％和最大33重量％的所述无机填料。
6.根据权利要求1的紧套光纤(1)，其中所述粒度是至少0.1μm和最大10μm。
7.制造紧套光纤(1)的方法，其包含下面步骤：
-提供玻璃纤维(2)，和
-将护套(3)挤出到玻璃纤维(2)上，其中
-该护套(3)具有下面组成：
聚醚醚酮和混入的至少10重量％和最大40重量％无机填料的混合物，所述无机填料的粒度是0.08μm-12μm，
-该护套(3)的外径是0.2mm-1.2mm，
-该护套(3)的外径D与玻璃纤维(2)的直径d之间的比率D/d是2-6，和
-在该方法结束之后，该护套(3)在该玻璃纤维(2)上的压力至少是120N/mm2，
其中该无机填料是硅酸盐、滑石、石灰石、碳酸钙、硫酸钡、氮化硼、二氧化硅或者膨润土。
8.根据权利要求7的方法，其中提供玻璃纤维(2)的步骤包含：提供玻璃芯(4)的步骤，和用涂层(5)涂覆玻璃芯(4)的步骤。
9.根据权利要求7的方法，其中该无机填料是层状硅酸盐。
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