CN107056090A - 纤维涂层设备以及纤维涂层方法和纤维 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纤维涂层装置，其具有纤维接收装置和涂层装置，所述涂层装置具有使用涂层介质润湿纤维的施涂单元和后置于施涂单元的、用于使涂层介质光学硬化的硬化单元。

Description

纤维涂层设备以及纤维涂层方法和纤维
技术领域
本发明涉及一种用于对纤维进行涂层的设备，该设备具有纤维接收装置和涂层装置，所述涂层装置具有：用于借助涂层介质润湿纤维的施涂单元；以及后置于施涂单元的、用于使涂层介质发生光学固化的固化单元(下文中也称作硬化单元)，其中，纤维接收装置和施涂单元可借助于平移装置在纤维的纵向方向上相对彼此运动，从而基本上沿着整个纤维实现润湿，并且硬化单元具有用于发出至少一个光射束的发光器件，其中，所述至少一个光射束直接或者间接指向纤维表面，以及本发明还涉及一种用于制造已涂层的纤维的方法和一种纤维。
背景技术
借助于电磁辐射使纤维上的覆层发生固化早已公知。尤其是，在制造玻璃纤维时借助于紫外辐射使保护纤维的外涂层发生固化。为了尽可能最佳地形成固化，本领域技术人员已知以下方法和设备。
在US2011147356A中使用一种发光二极管阵列，该发光二极管阵列的辐射借助于柱形透镜被聚焦到纤维上。在发光二极管阵列的对侧上安置有反射器，用以实现均质且有效的照射。本领域技术人员也可从US87022382B1获悉将柱形透镜与反射器相组合的方案。
US2011287195A描述了一种组件，其中，发光二极管布置在保护纤维的管件内部，并且管件是椭圆形并且具有涂层，用以聚焦到纤维上。
US4591724描述了一种与空气冷却装置相组合的椭圆形反射器。
US2013068969教导本领域技术人员通过使用两个椭圆形反射器来实现比较均质的照射光线进而实现外涂层固化。
本领域技术人员可从US 2004135159A获悉：能够将多个发光二极管组装成一平板，并且通过不同波长以及通过纤维与发光二极管阵列之间的可能的相对运动来防止形成热斑(Hot-Spot)。
US2013228707A也描述了在使用不同波长的情况下使涂层得以固化。本领域技术人员可从US2012009358A获悉类似的方案，在该文献中描述了借助不同的波长进行固化。除此之外，在该文献中还提到：通过其中不发生辐射的一些区域能够使外涂层冷却进而减轻负载。
US2012040105A公开了一种借助一排发光二极管阵列进行固化的方法。在此，单个发光二极管的功率可变化，其中，用以使外涂层固化的总功率保持恒定。尤其可与拉伸速度相关地改变发光二极管的强度。
EP2792422A描述了一种设备，该设备取消了用于均质照射的反射器。使用了布置在纤维周围并且用于均质照射的多个发光二极管平板(LED-Panel)。此外，由于取消了反射器并且无需将辐射源定位在反射器的焦点中，因此可使发光二极管平板明显更加靠近纤维，由此改善了固化。
US2003039749A描述了：在固化期间，在各个辐射源之间有利地保持一定距离，由此使外涂层被较不强烈地负载，并且能在最优的固化温度下实现固化。由此改善了外涂层的特性。
为了更加有效地利用辐射源的辐射，US2004090794A描述了一种用于将辐射成形、并且然后将其耦合输入到纤维中的设备。由此能够提高用于固化的辐射的强度。
CN103319100A描述了借助发光二极管作为辐射源进行固化的优点，因为在此提高了能量效率、可实现较长的灯泡寿命、并且可实现较小的热负载。
US2010183821A描述了一种将成对的发光二极管/反射器以螺旋形结构布置在纤维周围的设备。此外，发光二极管还设有半透明层，该半透明层能够反射没有被外涂层吸收的光。
现有技术中使用的解决方案均基于一个或多个辐射源，该辐射源的辐射垂直于纤维的运动方向传播。借助于光学设备将辐射集中并且在纤维上的某个点中聚焦，从而提高效率。
此外，在纤维与辐射源之间经常还设有保护管，该保护管可借助流体冲洗，用以一方面使纤维和/或辐射源冷却，并且另一方面使覆层固化时所产生的污染物远离于辐射源。由此会产生一系列缺点。
通过垂直辐射方向使大部分光强度集束在一个点(或者至少在纤维的很小区段中)，从而在此会出现很高的负载。通过单侧照射会导致外涂层固化不均匀。
此外，还必须通过辐射源和保护管的布置将辐射引导穿过该保护管，这就会导致损失，尤其是在保护管在纤维拉伸过程中变脏的情况下。
保护管的安装和拆卸是很耗费的，因为保护管必须位于纤维与辐射源之间进而必须从辐射源的间隙中将纤维穿入和穿出，以避免损伤辐射源。
此外，还必须将辐射源定位在纤维附近，因此提高了对气体冲洗的要求，并且不能任意提高发光二极管的组装密度。
发明内容
本发明的任务是改进现有技术，本发明的任务尤其是提出一种设备，该设备提高了发光二极管与纤维之间的间距，从而便于安装和拆卸如发光二极管那样的辐射源并且能够将辐射源的辐射功率成像到较大的纤维区段上。
这一任务通过一种用于对纤维进行涂层的设备得以解决，所述设备具有纤维接收装置和涂层装置，所述涂层装置具有借助涂层介质润湿纤维的施涂单元以及后置于施涂单元的、用于使得涂层介质发生光学固化的固化单元，其中，纤维接收装置和施涂单元可借助于平移装置在纤维的纵向方向上相对彼此运动，从而能够基本上沿着整个纤维实现润湿，并且固化单元具有用于发出至少一个光射束的发光器件，其中，所述光射束直接或者间接指向纤维表面，并且发光器件的主射束方向在该主射束方向与纤维纵向方向之间具有射束角α＜40°、＜30°、＜22°、＜12°或者＜8°，或者主射束方向与纵向方向相互平行。
一方面，由此能够便于安装和拆卸如发光二极管那样的发光器件。另一方面，通过发光器件所施加的热功率能够在沿着纵向方向伸展的纤维的较宽区域上得以实现，因为例如光源的焦点和/或光源的光射束至少部分沿着纤维的纵向方向延伸。由此，纤维、尤其是已施加的且正在固化的包层(也称作外涂层″Coating″)被发光器件较不强烈地加热。可替换地，能够以提高总强度的方式工作，从而能够降低固化的持续时间。由此尤其能够提高纤维的拉伸速度。
此外，还能确保比较稳定地照射到纤维表面上，由此已固化的涂层介质比较均质地形成保护层。此外，总体上还能够提供比较紧凑的机组，因为将发光器件组件以发光器件与反射器相间隔开的方式例如安置在反射器上方并且尤其安置在纤维接收装置与涂层装置之间容易进入的区域中，因此不需要整套拉伸机组太复杂的构造。
以下将解释一些概念。
“纤维”一般来说指的是：与其长度相比很细的且尤其是柔性的产品。这种产品例如可由纤维材料构成。在本发明中，纤维具有至少3∶1、10∶1、1000∶1或者甚至1000000∶1的长径比。纤维尤其包括：由玻璃纤维、纺织纤维和/或金属纤维(这些纤维也可称作丝或者片材)构成的一个或多个产品。此外，纤维不仅可具有圆形、椭圆形、方形或者矩形，而且也可具有其它几何横截面形状。尤其对于使用玻璃纤维的情况，本发明的设备也可附加地例如通过拉伸制造纤维。
“涂层”也可理解成包层(″外涂层，Coating″)。尤其包括根据DIN 8580所述的制造方法，这些制造方法包括涂层方法。在此，可将由无定形材料制成的附着涂层施加到纤维表面上。在此，将施加(保护)层的过程自身称作涂层过程。尤其可在涂层时施加唯一的薄层或者施加厚层。也可实现多个连续的层。在本发明中，尤其包括如下涂层方法，在该涂层方法中，基于对涂层介质施加光线，从而形成稳固的涂层。
作为“涂层介质”不仅可使用液态的、溶解的物质，而且也可使用例如粉末之类的固态物质。此外，涂层介质还能根据不同的波长以不同的交联程度发生反应，其中，分别形成了涂层。
“纤维接收装置”尤其是在其中置入有或者夹紧有纤维的装置。在此，尤其可自由引导纤维，从而例如可借助涂层介质对纤维进行全面处理。例如尤其可通过一个喷嘴或者通过多个喷嘴将涂层介质喷涂到纤维上未被夹紧的区域中。因此，纤维接收装置例如可包括将纤维进行卷绕或者退绕的辊筒。为了制造和涂覆玻璃纤维(优选是石英玻璃纤维)，纤维接收装置尤其包括可将预制坯(Preform)保持在其中的保持件。此外还可设置有如下热源：该热源可对预制坯的至少一部分如此强烈地加热，使得材料具有如此低的粘度，从而通过重力形成滴状物(Tropfen)。在纤维接收装置的另一部分中，通过通常由一列辊筒所构成的卷绕单元将滴状物卷绕到卷轴(Spule)上之前，该滴状物能够自由被引导且被涂层。在另一实施方式中，在此可通过机械设备抽出预制坯的已加热部分，从而有助于滴落。如果最终纤维直径超过600μm，那么这就特别有益。
“涂层装置”是实现涂层的单元。如前所述，该涂层装置包括将涂层介质涂覆到纤维上的喷嘴。在这种情况下，本发明尤其指的是“施涂单元”施加涂层介质。
不仅可直接在施涂时而且也可在下游的某个位置上通过“硬化单元”实现原本的硬化或者相应的固化。在这里应注意的是，“后置于”不仅能够指在地点方面靠后，而且也能够指在时间方面靠后。
在此，“硬化单元”包括“发光器件”，该“发光器件”使得已涂覆的涂层介质发生“光学硬化”。优选地，在此使用发出400nm以下波长的发光器件。也可使用例如白光发光二极管之类的宽光谱式发光器件，其优点在于能够使同一发光器件用于不同的涂层介质，或者能够以不同的波长引起形成保护层的分子发生交联(Vernetzen)。
对纤维进行“润湿”尤其是指将原本的涂层介质附着到纤维上的过程。
为了能够基本上在纤维的整个长度延伸范围上给该纤维设置保护层，所述设备可具有平移装置。该“平移装置”可基本上借助于两个可选方案实现。在第一可选方案中，涂层装置和尤其是施涂单元参照纤维沿着纤维的纵向方向移动。在尤其可优选在光学纤维或者纺织纤维的情况下所实现的第二可选方案中，纤维自身可参照施涂单元在纵向方向上运动。这例如能够在辊筒使纤维卷绕或者退绕的情况下实现并且能够通过施涂单元予以执行。当然也可实现这两个可选方案的组合。
作为“发光器件”本发明尤其使用例如发光二极管(light-emitting diode)之类的指向式发光器件。当然也可使用激光或者设有遮挡件的、其它几何形态的发光器件。使用发光二极管特别有利，因为发光二极管一方面寿命很长，另一方面能量效率非常高。此外，还有利地使用多个发光二极管，因为这些发光二极管具有光射束几何形状，该光射束几何形状例如呈棒形进而自身已能够在纤维表面上实现特定的强度分布。
光射束“直接地”指向尤其指的是：光射束从发光器件中射出之后基本上无阻碍地射到纤维上。
光射束“间接地”指向例如指的是：光射束从发光器件中射出之后由于光学元件而使之偏转或者改变。
“主射束方向”尤其指的是光射束的如下方向：光射束沿着该方向直接在发光器件后方射出，从而沿着该方向在总体上形成光射束的最大强度。在理想的点状发光器件的情况下，则是从发光器件至焦点的假想直线。
“射束角α”尤其是主射束方向与纤维纵向方向之间形成的最小角度。本发明所提及的角度度量以360°全角为基础。
在另一实施方式中，所述设备具有光学元件，该光学元件布置在沿着发光器件的射束中，从而能够实现光射束的平移、折射、衍射、聚焦和/或反射。
因此能够以各种不同的方式实现光射束直接或者间接指向润湿纤维的表面。在此，平移尤其包括光射束方向偏移、折射(尤其是光射束与波长相关的偏转)。“衍射”是通过例如遮挡件实现的、发射光射束的特定分布，并且“聚焦”例如通过透镜或者反射镜实现。当然也可实现光的反射以及传播。
作为光学元件尤其能够以单独或者组合方式使用反射器、光学透镜、光栅和/或偏振过滤器。也包括例如可在液晶显示屏(liquid crystal display/)掩膜(Maske)中实现的其它光学元件。
为了能够使纤维周围被发射的光照射，可对所述设备进行适当设置，从而可引导纤维穿过光学元件。
例如在玻璃纤维的情况下，反射器尤其可具有反射器入口和反射器出口，牵引纤维穿过该反射器出口并且随后例如通过后置的辊筒进行卷绕。在透镜的情况下，类似地可以是，透镜在中心具有孔，纤维被引导穿过该孔。
在另一实施方式中，所述设备如此设计，从而光射束的强度和/或波长可借助于光学元件在纵向方向上均质地和/或非均质地沿着纤维在纤维表面上施加。
由此，例如可使用柱状透镜，该柱状透镜将点状光源转变成线状光源。在此，这种线形可沿着纤维在侧向上施加，从而沿着纤维形成例如不同程度减小或增大的强度。例如使用反射器可实现类似的效果。例如，如果将两个涂层介质涂覆在纤维上，则也可对较深的层施加与顶层不同的波长。
事实证明特别有利的是使用内涂层的反射器，纤维被引导穿过该反射器。反射器可具有沿着纤维纵向方向缩窄或者扩大的锥形形状。
由此，尤其能够在整个反射器长度上对已润湿的纤维施加光线以进行固化。
在另一实施方式中，发光器件具有多个光源、尤其是多个发光二极管(light-emitting diode)。
为了使蒸发的涂层介质不会与反射器的内涂层发生反应，或者尤其为了防止纤维保护层中的氧化过程，可设置有充气装置，该充气装置配属有保护气体并且基本上布置在光射束射向纤维表面的纤维区域中。在此可实现保护气体氛围在此，充气装置可要么将保护气体以超压送入到反射器中，要么将保护气体以负压从反射器中抽出。特别有利的是如下组合：将保护气体在反射器下端以超压送入并且在上端以负压抽出。
事实证明，特别有利的是，将充气装置配属于反射器，从而反射器的内部区域中建立有保护气体氛围。作为保护气体例如可使用如氩气之类的稀有气体或者如氮气之类的惰性气体。
在一简单的实施方式中，在固化过程中，将已润湿的纤维持续以喷嘴的保护气体进行施加。整个固化过程也可在完全充满保护气体的空间中进行。
为了给纤维施加多个不同的保护层，或者为了加速固化过程，所述设备可具有两个或者更多个施涂单元或者硬化单元。
为了能够在涂层过程中作用于光学元件，可给光学元件配属有调整装置，从而能够实现光学元件参照纤维纵向方向进行平移、旋转和/或倾翻。例如可借助于伺服马达实现相应的运动。
另一方面，所述任务可通过一种用于借助上述设备制造已涂层的纤维(尤其是光学纤维)的方法得以解决，其中，纤维借助涂层介质被润湿，并且随后借助于光学照射被硬化。
由此能够提供例如施加有限定的且例如均质的保护层的纺织纤维或者玻璃纤维之类的纤维。
在与此相关的实施方式中，直接借助于所述设备制造纤维，其中，将预制坯事先加热，并且随后尤其将其牵引穿过反射器。
最后，所述任务通过按照上述方法制造的纤维得以解决。
附图说明
以下将根据实施例对本发明进行详细解释。
图1：竖直布置的反射器的简化示意剖面图，玻璃纤维被拉伸穿过该反射器，
图2a、b：图1的反射器的可选方案的简化示意剖面图，
图3：图1的反射器的另一种可选方案的简化示意剖面图，以及
图4a、b：各一简化抽象的多重反射器。
具体实施方式
在纤维拉伸方向103上，玻璃纤维101经由反射器入口115和反射器出口117被引导竖直穿过内涂层的石英反射器111。借助已知的设备实现玻璃纤维101的拉伸。
喷涂装置(图中未示出)竖直地布置在内涂层的石英反射器111上方，该喷涂装置作为具有喷嘴的涂层装置起作用。通过这些喷嘴给玻璃纤维喷涂上液态涂层介质。玻璃纤维101在借助涂层介质已润湿的状态下进入到反射器111中。圆形的窄带式或者宽带式发光二极管105布置在内涂层的石英反射器101的外部且上方。这些发光二极管根据选择而发出200nm至2000nm或者250nm至600nm或者270nm至380nm的光谱范围。也可选择地，将具有不同光谱范围的多个发光二极管进行组合。尤其可适当选择所使用的发光二极管，从而无需更换发光二极管就能使得不同的涂层介质得以固化。
内涂层的石英反射器111关于纤维拉伸方向103旋转对称。此外，内涂层的石英反射器111还具有入口侧的石英片113。同样地，通过石英片在导引至内涂层的石英反射器111的内部区域的开口(未示出)中持续吹入氩气，其中，氩气经由反射器出口117又离开该内涂层的石英反射器。
以圆形方式布置的宽带式发光二极管105经过适当布置，从而在光发射方向107上使这些发光二极管的光线平行于玻璃纤维101耦合输入到内涂层的石英反射器111中。
发光二极管发出的光射束沿着光发射方向107笔直的传播路径由于反射器111的内涂层而发生偏转并且指向玻璃纤维111。
通过宽带式发光二极管105的紫外光成分在反射器111的内腔中使得借助液态涂层介质已润湿的玻璃纤维101硬化。
如果必须要更换这些发光二极管中的一个，则该发光二极管能够很容易在反射器外部被拆下且被替换。在这种情况下，不必将反射器111移动或者将该反射器拆开。
反射器111可设计成v形(参见附图2a)或者漏斗形(参见附图2b)。相互拼接的v形元件也可形成反射器111(参见附图3)。
在一种可选方案中，在反射器111上方首先借助第一涂层介质、并且紧接着借助第二涂层介质来润湿玻璃纤维101。将棱镜直接布置在发光二极管前方(发光二极管105与石英片113之间)。该棱镜使得宽带式发光二极管105发射的光的不同成分发生折射，并且通过反射器111在该反射器111的内腔的较宽范围内将其聚焦，从而玻璃纤维111上的上述两个涂层介质在反射器111内部固化。
此外，还可随后又将涂层喷嘴和配属的反射器分别布置有配属的发光二极管宽带源105(参见附图4a)。
在另一种可选方案中，将两个反射器相互并排地布置，其中，v形反射器的延伸部分相对彼此。

Claims (14)

1.一种用于对纤维(101)进行涂层的设备，该设备具有纤维接收装置和涂层装置，所述涂层装置具有：
-施涂单元，该施涂单元用于借助涂层介质润湿所述纤维；和
-固化单元，该固化单元后置于所述施涂单元，该固化单元用于使所述涂层介质发生光学固化，
其中，借助于平移装置能够促使所述纤维接收装置和所述施涂单元在所述纤维的纵向方向(103)上彼此相对运动，从而能够基本上沿着整个纤维实现润湿，并且所述固化单元具有用于发出光射束的发光器件(105)，其中，所述光射束直接或者间接地指向所述纤维的表面，
其特征在于，
所述发光器件的主射束方向(107)在该主射束方向与所述纤维的纵向方向之间具有小于40°、小于30°、小于22°、小于12°或者小于8°的射束角α，或者，所述主射束方向与所述纵向方向相互平行。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于一光学元件(111)，该光学元件布置在所述发光器件的光路中，从而能够实现光射束的平移、折射、衍射、聚焦和/或反射。
3.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备如此设置，使得所述纤维能够被引导穿过所述光学元件。
4.根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于，所述光学元件具有：反射器、光学透镜、光栅和/或偏振过滤器。
5.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备如此设置，使得借助于所述光学元件能够促使所述光射束的强度和/或波长在纵向方向上均质地和/或非均质地沿着所述纤维施加到该纤维的表面上。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述反射器具有锥形形状，该锥形形状沿着所述纤维的纵向方向缩窄或者扩宽。
7.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述发光器件具有多个光源、尤其是发光二极管(Light-Emitting-Diode)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于一充气装置，该充气装置配属有保护气体，并且该充气装置布置在所述纤维的如下区域中：所述光射束在该区域中射到所述纤维的表面上。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述充气装置配属于所述反射器，从而能够在所述反射器的内部区域中形成保护气体氛围。
10.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备具有两个或者更多个施涂单元和/或固化单元。
11.根据权利要求2至10中任一项所述的设备，其特征在于，所述光学元件配属有调整装置，从而能够参照所述纤维的纵向方向实现平移、旋转和/或倾翻。
12.一种用于借助设备制造涂层纤维、尤其是光学纤维的方法，所述设备是上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述纤维借助所述涂层介质被润湿并且随后借助于光学照射被硬化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述纤维借助于所述设备被制造、尤其是被加热和被拉伸。
14.一种纤维，所述纤维是根据权利要求12至13中任一项所述的方法制造。
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