CN105705973B - 投光塑料光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种作为纵长方向均匀的线状发光体的光纤及使用了该光纤的投光装置。一种具有芯和包层的投光纤维，它是包层使用了将含有1,1‑二氟乙烯90重量％以上的聚合成分聚合而得的聚合物、所述包层的结晶化度为45％～52％的投光纤维。

Description

投光塑料光纤及其制造方法

技术领域

本发明涉及投光塑料光纤及其制造方法、使用了投光塑料光纤的投光塑料光纤束、光纤投光装置、光纤传感器、光纤片、光纤纺织品，以及光纤编织品。

背景技术

一般来说，光传输用所使用的塑料光纤由以透明树脂构成的芯(内层)和包层(外层)构成为同心圆状的正圆形。以这样的结构构成的塑料光纤，由于从一端入射的光一边在芯与包层的界面反复进行全反射一边向另一端部高效率地传递，所以被作为医疗用的内窥镜或工业用、汽车用等照明用光传输材料等而有效地使用着。这些都是作为把从一端入射的光传递到另一端去且中途不使其漏光的手段而加以使用，如果能使其在纵长方向上的中途(侧面)漏光而作为线状发光体发挥功能的话，则可以将其用途扩展到用于室内外的照明用途、霓虹灯或光电显示的替代用途、其他装饰用途等，还能将其用途扩大到传感器用途等。

作为这样的侧面发光用的塑料光纤，例如，已有人提出了在芯、包层的外层形成有光漫射层的侧面发光缆(例如，参照专利文献1、2)。可是，由于设置了光漫射层，使侧面发光缆的外径变大，加之弹性变高，所以存在弯曲性低，操作性、用于特定用途的施工性困难这样的问题。

另一方面，作为采用了光漫射层以外的手段的侧面发光用的塑料光纤，例如，已有人提出了将全部包层或者想要漏光的部分的包层结晶化的投光塑料光纤(例如，参照专利文献3)。这一技术是对全部包层或者选择性地对包层的想要形成投光的部分在结晶化的湿热条件下进行湿热处理，说明书中记载的包层存在投光性不足的问题。

另外，已有人提出了一种芯的截面形状为非圆形、包层的截面形状为正圆形的侧面漏光塑料光纤(例如，参照专利文献4)。可是，由于投光部分形成在局部，因而这一方案存在投光较弱，而且还有某些方向存在不投光部分的问题。再有，例如，还有人提出了形成有除去了包层而使芯暴露的暴露区域的光纤(例如，参照专利文献5)。可是，这一方案存在因暴露区域使塑料光纤的机械强度降低，或是投光不均匀的问题。

专利文献

专利文献1：日本特开平5-341125号公报

专利文献2：日本特开平6-331830号公报

专利文献3：日本特开平6-118236号公报

专利文献4：日本特开平9-258028号公报

专利文献5：日本特开2006-039287号公报

发明内容

于是，本发明的目的是提供一种在纵长方向均匀地发光的投光塑料光纤。

为了达成上述目的，本发明具有如下结构。即，本发明是一种投光塑料光纤，该投光塑料光纤是具有芯和包层、从纤维侧面进行投光的塑料光纤，所述包层由将含有1，1-二氟乙烯90重量％以上的聚合成分聚合而得到的聚合物形成，所述包层的结晶化度为45％～52％。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种在纵长方向均匀发光的投光塑料光纤，以及使用了该投光塑料光纤的投光塑料光纤束、光纤投光装置、塑料光纤传感器、光纤片、光纤纺织品以及光纤编织品。

具体实施方式

本发明的塑料光纤包括由芯(内层)和包层(外层)的透明树脂形成的双层构造，横截面形状为圆形截面。

在本发明中，作为芯所使用的透明树脂，可以列举出聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、以甲基丙烯酸甲酯为主成分的共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚有机硅氧烷(有机硅)、降冰片烯等，其中特别是聚甲基丙烯酸甲酯，在透明性、折射率、弯曲特性、耐热性方面，是作为光纤的理想树脂。

另外，作为包层所使用的透明树脂，需要是把含有1，1-二氟乙烯90重量％以上的聚合成分聚合而得到的聚合物，其结晶化度需为45％～52％。

作为含有1，1-二氟乙烯90重量％以上的聚合成分，可以列举出1，1-二氟乙烯单体、1，1-二氟乙烯/四氟乙烯、1，1-二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯、1，1-二氟乙烯/六氟丙酮等含有1，1-二氟乙烯的共聚物合成的聚合成分。在共聚物中，将作为共聚成分的1，1-二氟乙烯换算成重量。其中，优选将含有1，1-二氟乙烯95重量％以上的聚合成分聚合而得到的聚合物。

在将1，1-二氟乙烯不足90重量％的聚合成分聚合而得到的聚合物用作包层的情况下，光的漫射效果变小，从纤维侧面发光的效果降低，有损照明功能。

另外，结晶化度不足45％则光的漫射效果变小，从纤维侧面发光的效果降低。另外，大于52％的情况下，虽然光的漫射效果变大，但是可使用的纤维长度变得过短不堪实用。

从纤维侧面发光的效果与实用性的观点来看，结晶化度优选46％～50％的范围。

在将这些树脂组合成芯和包层时，需要以使芯所使用的树脂的折射率大于包层所使用的折射率的方式进行组合。

关于芯和包层的折射率，优选使式(1)所示的数值孔径(N.A)在0.45以上0.65以下。

此外，理论数值孔径如下式所示以芯和包层的折射率差来表示。

数值孔径＝((芯的折射率)²-(第一包层的折射率)²)^1/2 式(1)

在将在此之前已经实用化了的PMMA作为芯的塑料光纤的数值孔径为0.45～0.65，通过使理论数值孔径与之相匹配，可以保持针对同样实用化了的光源、发光受光元件等周边零件的互换性。

另外，纤维的包层层的厚度优选为3.0μm～15.0μm，进一步优选为4.0μm～12.0μm。

厚度小于3.0μm的情况下，在芯与包层的界面不能全反射，光从侧面进行投光，可使用的纤维长度变短，不堪实用，而且纤维的耐弯曲性也变差。另外，厚度大于15.0μm的情况下，即使使用前述高结晶化度的聚合物，也因包层内的吸收也变大，从纤维侧面发光的效果降低，所以在纤维上发生发光不均。

另外，本发明的塑料光纤所使用的包层的熔融指数(以下亦简称为MFR)值，一般优选为5～100g/10分钟(条件：温度230℃，负荷3.8kg，孔径2mm，长度8mm)。特别优选MFR的范围为10～60g/10分。使MFR为10～100g/10分钟，则挤出变得容易，纺丝顺畅地进行。另外，通过使MFR为10～100g/10分钟，能够适度地保持与芯层的密合性，能够形成均匀厚度的包层层，能够抑制作为塑料光纤的外径变动。

接下来，关于本发明的投光塑料光纤的制造方法的例子进行说明。

本发明的投光塑料光纤，能够根据利用芯鞘型复合纺丝口模的复合纺丝方法容易地制造。另外，根据此复合纺丝方法制造的光纤，能够使芯和包层的截面形状，在纵长方向的任意截面均完全相同。因此，能够使光纤的纵长方向整体均匀投光。

进而，为了实现均匀的投光，优选使复合纺丝时的芯和包层的熔体复合纺丝的熔体复合纺丝温度(T)和包层聚合物喷出量(W)满足下述式子。

280≤T/W≤1500 式(2)

T：纺丝温度(℃)

W：包层聚合物喷出量(g/min)

T/W大于1500的情况下，芯与包层的粘度差使界面变得不均匀，光的反射、吸收以及漫射性在纵长方向变得不均匀，从纤维侧面发光的效果降低，所以存在投光性也变得不均匀的倾向。

另一方面，T/W小于280的情况下，即使使用高结晶化度的聚合物纤维侧面发光的效果也降低，所以存在纤维的长度方向上投光性变得不均匀的倾向。

特别优选300≤T/W≤1000。

接着，在提高机械特性之目的下，进行一般的1.2～3倍的延伸处理使之成为塑料光纤。本发明的塑料光纤的外径通常为0.1mm～3mm，只要依据不同的目的进行适当地选择即可，但从操作性等方面来说，优选为0.25mm～1.5mm。

本发明的投光塑料光纤是作为灯饰、服装等装饰用途或工业用、家庭用照明用途、工业、医疗、环境用途等各种传感器理想的侧面投光用纤维，使入射到纤维端面的光从纤维的侧面泄漏，用光使室内外流光溢彩，或提示物体的形状或存在，或指示目标或方向，或进行其他各种装饰等，或者，用作各种照明等、检测温度、压力等指标的传感器。

本发明的塑料光纤，通常作为片状或者将多根结成束状的光纤束使用。这里所谓的“束状”，包括将多根塑料光纤简单地进行集合化的状态、捻成绳状、线状的状态、齐整成片状后卷起来的状态，还包括将所述纤维集合体进一步集束的状态以及将其撮合后的状态。光纤束集的光纤根数是任意的，可以根据不同的目的适宜地选择、变更，1束中使用例如5根到200根塑料光纤。

另外，优选再将上述这样的光纤束简单地集束多束来作为集合体使用，还优选将塑料光纤分成多个组的束，将这些束以加捻次数为1～20次/m的比例搓捻起来。这样构造的塑料光纤束由于微弯，能够进一步提高塑料光纤的投光效率，使制成高辉度的投光装置成为可能。

本发明的光纤束，可以以保护为目的将光纤束插入在透明的软管中，或者用透明树脂对光纤束进行包覆。透明软管的材质例如是由软质或者挠性的塑料构成的具有透明性的材质，无色或者被着色，具体有氯乙烯树脂、丙烯酸树脂、聚碳酸酯树脂、聚酯树脂、聚乙酸乙烯酯树脂、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物树脂等。可以在这些主成分中适当添加塑化剂、助剂等辅助材料。

另外，本发明的投光塑料光纤，至少在一端的端面连接光源使用。本发明中理想的光源，可使用具有超高辉度的金属卤素灯、氙气灯、高压水银灯或者LED等。此外，可以根据反射镜和透镜的安装、灯的形状、消耗的电力等用途目的进行适宜的变更。

本发明的塑料光纤也可以作为各种传感器使用，进行温度或压力等的测定、氨、湿度、氧、烷烃以及汽油蒸气等环境测定等。

另外，本发明的塑料光纤也可以作为片或纺织品以及编织品使用，还可以用作感压传感器或装饰用途。

作为光纤片使用时，是将光纤排成平面状进行粘接或者熔接而形成的。

另外，作为光纤纺织品使用的情况下，为人熟知的是，一般以用光纤做经丝，并由排列在光纤之间的丝条和纬丝以保持住光纤的方式进行织造的纺织品。除了这样织造的纺织品以外，还可以是以将光纤作为单丝通过经编以保持光纤的方式织造的光纤编织品。

作为光纤可以用上述光纤，作为保持光纤的丝，使用比光纤还细的纤度、具有柔软性的丝较佳。作为丝，优选用容易调整纤度、力学特性的合成纤维，但是用合成纤维以外的天然纤维、再生纤维或者半合成纤维也没有关系。作为合成纤维，例如，可以列举出烯烃系合成纤维、以尼龙为代表的脂肪族聚酰胺系合成纤维、以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)为代表的聚酯系合成纤维等。

实施例

以下，通过实施例进一步详细说明本发明。评价是以如下方法进行的。

·纤维侧面发光强度：作为光源使用了卤素灯泡(12V100W)，用光度计(ミノルタ公司制的T-1M)在纤维的长度方向以1m间隔对测试长度5m的光纤表面的发光强度进行了测定。

另外，对纤维的距离光源1m的位置处的纤维圆周方向4个部位的侧面发光强度进行了测定，将测定值的最大值与最小值之差作为偏差设定为发光不均的指标。

·结晶化度：刮掉光纤表面的包层层，使用X射线衍射装置(Bruker AXS公司制的D8 DISCOVERμHR Hybrid)用广角X射线衍射法实施了测定。

·连续弯曲次数：在纤维的一端施加500g的负荷，用直径20mmφ的心轴进行支撑，以该支撑点为中心使纤维的另一端连续弯曲90°角，测定了到纤维破断为止的弯曲次数。(n＝5的平均值)

·熔融指数(MFR)：按照日本工业标准JIS K7210(1999)，在230C、负荷3.8kg、喷嘴口径2mm、长度8mm的条件下，测定了10分钟期间从喷嘴喷出的量。

·折射率：作为测定装置使用了阿贝折光仪((株)アタゴ制的DR-M2)，在室温25℃气氛中进行了测定。

·芯径/包层厚度：作为测定装置用小型测定显微镜(オリンパス公司制的STM6)在室温25℃气氛中进行了测定。

在实施例、比较例中，构成芯和包层的物质记载如下。

·PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯

·VDF：1，1-二氟乙烯

·TFE：四氟乙烯。

(实施例1)

作为包层材料，将表1所示组成的VDF均聚物(折射率：1.42)供给到复合纺丝机。再将通过连续块状聚合制造的PMMA(折射率1.492)作为芯材供给到复合纺丝机，在220℃温度下将芯和包层进行芯鞘复合熔体纺丝，得到了纤维径1000μm(芯径980μm，包层厚度10.0μm)的塑料光纤。

利用所述的评价方法对如此得到的塑料光纤进行评价，其结果示于表2、表3。从表2、表3可知，侧面发光强度、连续弯曲均为良好，另外，侧面发光强度的偏差也良好。

(实施例2～6)

除了将包层厚度按表1进行了变更(不过，将纤维径全部统一为1000μm)以外，进行了与实施例1同样的操作得到了塑料光纤。对这些塑料光纤进行了与实施例1相同的评价，其结果示于表2、表3。

本发明的实施例2～实施例4、实施例6的侧面发光强度、连续弯曲均为良好，但是在实施例5中侧面发光强度的偏差大，观察到了纤维的发光不均。

(实施例7)

除了将芯鞘复合熔体纺丝时的温度设定为240℃以外，在与实施例6同样的条件下得到了塑料光纤。利用所述的评价方法对该塑料光纤进行了评价，其结果示于表2、表3。

(实施例8)

除了将包层材料的组成按表1所示进行了变更以外，用与实施例1同样的制造方法制作了塑料光纤，用所述的评价方法对该塑料光纤进行了评价，其结果示于表2、表3。从表2、表3可知，侧面发光强度、侧面发光强度的偏差、以及连续弯曲均为良好。

(比较例1)

除了将包层材料的组成按表1所示进行了变更以外，用与实施例1同样的制造方法制作了塑料光纤，用所述的评价方法对该塑料光纤进行了评价，其结果示于表2。从表2可知，侧面发光强度低，而且连续弯曲也差。

(比较例2、3)

除了将包层材料的组成以及包层厚度按表1进行了变更(不过，将纤维径全部统一为1000μm)以外，进行了与实施例1同样的操作得到了塑料光纤。对这些塑料光纤进行了与实施例1相同的评价，其结果示于表2。从表2可知，侧面发光强度低，而且比较例3中连续弯曲也差。

(比较例4)

除了将芯鞘复合熔体纺丝时的温度设定为250℃以外，在与实施例6同样的条件下得到了塑料光纤。利用所述的评价方法对该塑料光纤进行了评价，其结果示于表2。从表2可知，侧面发光强度低，而且连续弯曲也差。

(表1)

(见下页)

Claims (9)

1.一种投光塑料光纤，是从纤维侧面进行投光的塑料光纤，具有芯和包层，其中，所述包层由将含有1,1-二氟乙烯95重量％以上的聚合成分聚合而得到的聚合物形成，所述包层的结晶化度为45％～52％。

2.根据权利要求1记载的投光塑料光纤，其中，所述包层的厚度为3.0μm～15.0μm。

3.一种制造权利要求1或2记载的投光塑料光纤的制造方法，是对构成芯的材料和构成包层的材料做熔体复合纺丝的投光塑料光纤的制造方法，其中，熔体复合纺丝温度T和包层聚合物喷出量W满足下述式(1)的关系：

280≤T/W≤1500(1)，

T：纺丝温度，其单位为℃；

W：每一根纤维的包层聚合物喷出量，其单位为g/分钟。

4.一种投光塑料光纤束，由多根权利要求1或2记载的投光塑料光纤集束而成。

5.一种光纤投光装置，具有权利要求1或2记载的投光塑料光纤和与该塑料光纤的至少一端进行了光学连接的光源。

6.一种光纤传感器，至少局部具有权利要求1或2记载的投光塑料光纤。

7.一种光纤片，至少局部具有权利要求1或2记载的投光塑料光纤。

8.一种光纤纺织品，至少局部具有权利要求1或2记载的投光塑料光纤。

9.一种光纤编织品，至少局部具有权利要求1或2记载的投光塑料光纤。