CN1246347C - 制造塑料光纤预制品的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造塑料光纤预制品的方法，包括以下步骤：(1)制备一对具有不同折射率的单体溶液；(2)使一种单体溶液聚合形成预聚物，该单体溶液的折射率比另一种单体溶液的折射率低；(3)将预聚物与另一种单体溶液均匀混合得到混合物；以及(4)将混合物送入反应器，并利用旋转的反应器使混合物聚合。根据该方法，选用制造塑料光纤预制品的单体不用考虑它们的密度。

Description

制造塑料光纤预制品的方法

发明背景

本申请根据35U.S.C.ii119(a)规定要求在此引用的2002年8月30日提交的第2002-51871号韩国专利申请的优先权。

技术领域

本发明涉及一种制造塑料光纤预制品的方法，更特别地，涉及一种使用与密度无关的单体制造塑料光纤预制品的方法，其中折射率沿预制品的径向变化。

背景技术

用于远程通信领域的光纤依据光信号的传输方式通常分为单模式光纤和多模式光纤。目前用于长距离和高速通信的光纤主要是石英玻璃类的阶跃折射率(step-index)单模式光纤。这些光纤的直径有5微米至10微米那么小，结果，这些玻璃光纤在实现对准(alignment)和连接方面面临严峻的挑战。因此，这些玻璃光纤为了实现精确的对准和连接将要付出昂贵成本。

另外，其直径大于单模式光纤直径的多模式玻璃光纤，可用于诸如局域网(LANs)的短距离通信。然而，这些多模式玻璃光纤，除了易碎，还要实现精确对准和连接，所需的成本也比较高，所以没有广泛使用。因此，这些多模式玻璃光纤主要用于最高可达200米的短距离通信应用，如使用金属电缆(metal cable)的LAN中，金属电缆如双绞线或同轴电缆。然而，由于金属电缆的数据传输能力或带宽约为150Mbps那么低，不能达到625Mbps的传输速度[这一速度是根据异步传输模式(asynchronous transfermode)(ATM)在2000年的标准]，因此它不能满足未来传输能力的标准。

为了克服这些问题，在过去的10年，工业界已经做了很多努力并且消耗了大量投资来开发可以用在如LAN的短距离通信应用中的塑料光纤。因为塑料光纤的直径有0.5至1.0mm那么大，是玻璃光纤直径的100倍或更多倍，由于其柔性，因此其对准和连接比使用玻璃光纤更容易。此外，由于聚合物类接头可以通过模压法生产，因此这些接头可用于对准和连接，由此降低成本。

另一方面，塑料光纤可以具有阶跃折射率(SI)结构，其中折射率沿径向阶跃方式变化，或者具有梯度折射率(GI)结构，其中折射率沿径向逐渐变化。然而，由于SI结构的塑料光纤有很高的模间色散(modal dispersion)，所以信号的传输能力(或带宽)不会大于电缆的传输能力(或带宽)。相反，由于GI结构的塑料光纤有很低的模间色散，所以它可以具有大传输能力。因为GI塑料光纤具有较大的直径和由低模间色散引起的较强的数据传输能力从而导致成本降低，因此GI塑料光纤适合用作短距离、高速通信的通信介质，这是已知的。

Keio大学的日本教授Koike Y.等人于1988年首先报道了制造GI塑料光纤的常规方法[参考“Koike，Y.等人，应用光学，第27卷，486(1988)”]。此后，美国专利5,253,323(日本石油株式会社)；美国专利5,382,448(日本石油株式会社)；美国专利5,593,621(Yasuhiro koike和Ryo Nihei)；WO92/03750(日本石油株式会社)；WO92/03751(日本石油株式会社)；日本专利申请公开3-78706(Mitsubishi Rayon Co.，Ltd.)；以及日本专利申请公开4-86603(Toray Ind.)公开了其它相关的技术。这些在先专利中公开的方法主要分为如下两种。

第一种方法是间歇法，其中先制造初始的圆柱形模制产品，即预制品，该预制品的折射率沿径向变化，然后将制得的预制品加热和拉伸以制造GI塑料光纤。

第二种方法是连续法，其中先通过挤出工艺(extrusion process)制造塑料纤维.然后从纤维中抽提(extract)出低分子材料，或者相反地将低分子材料引入纤维中来得到GI塑料光纤。

已经知道，Koike教授用第一种方法成功地制造出数据传输能力为2.5Gbps的GI塑料光纤，第二种方法也能成功地制造出具有比较大的数据传输能力的塑料光纤。

Van duijnhoven和Bastiaansen在WO97/29903(美国专利6,166,107)中报道了利用约20,000rpm的高旋转速度来制造GI预制品的另一种方法。不同于上述在先技术，这种方法利用离心分离原理。当具有不同密度和折射率的单体混合物，或者溶解聚合物的单体在非常强的离心力场作用下聚合时，由于密度梯度而产生浓度梯度，并由此产生折射率梯度。

然而，上述方法对单体的选择是有限制的，因为高密度单体的折射率必须要比低密度的另一单体低。此外，当低折射率的聚合物溶解在单体中时，在聚合和研磨聚合物的过程中存在产生污染的危害，并且不容易使聚合物溶于单体中，这会使得溶解过程很麻烦。

发明概述

本发明的特征为提供一种制造塑料光纤预制品的方法，该方法选用单体与该单体的密度无关。

根据本发明的特征，提供一种制造塑料光纤预制品的方法，其包括以下步骤：

(1)制备一对具有不同折射率的单体溶液；

(2)使一种单体溶液聚合形成预聚物，该单体溶液的折射率比另一种单体溶液的折射率低；

(3)将预聚物与另一种单体溶液均匀混合得到混合物；以及

(4)将混合物送入反应器，并利用旋转的反应器使混合物聚合。

附图简述

从下面结合附图的详细描述中，可以更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征及其它优点，其中：

图1是示出制造本发明的塑料光纤预制品的一系列步骤的示意图；以及

图2A至2C是示出用于制造本发明的塑料光纤预制品的普通圆柱形反应器(图2A)及其改进的反应器(图2B和2C)的透视图。

优选实施方式详述

下文中，在下面参考附图的实施例中会更详细地解释本发明。

图1是示出制造本发明的塑料光纤预制品的一系列步骤的示意图。参考图1，使折射率相对较低的单体溶液聚合形成预聚物。这一步骤的目的是为了提高单体的密度。然后，将折射率相对较高的另一种单体溶液与预聚物混合。将得到的混合物送入圆柱形反应器，在旋转的反应器中聚合，从而制造塑料光纤的预制品。这样制成的塑料光纤预制品的折射率沿径向变化。

这里所用的术语“预聚物”表示单体完全聚合和固化之前的状态。预聚物比聚合之前的单体具有更大的粘度和密度。本发明的特征在于预聚物比折射率相对较高的另一种单体溶液具有更大的密度。聚合时间和粘度决定预聚物的聚合度。用于本发明的预聚物优选具有约50～500,000cps(25℃)的粘度，更优选具有500～10,000cps(25℃)的粘度。

在本发明的方法中，因为使折射率相对较低的单体溶液预聚合来增加密度，然后将它与折射率相对较高的单体溶液混合，所以不需要选择其中一种单体比另一种单体具有更低的折射率和更高的密度的一对单体。因此，可以避免在美国专利6,166,107中提到的聚合物研磨和溶解时的污染问题，并且可以简化制造过程。

当在反应器旋转的情况下进行聚合来制造塑料光纤预制品时，在聚合的过程中可能会因体积收缩而形成空腔(cavity)。为了填满空腔，将折射率相对较高的单体溶液、折射率相对较高的单体溶液的预聚物、或者折射率相对较高的单体溶液和预聚物的混合物加入空腔中，然后进行聚合。上述过程可以重复一次或多次以获得没有空腔的预聚物。此时，当使用扩散系数(diffusion coefficient)低的预聚物代替单体溶液时，可以减少杂乱的折射率分布并减少因杂乱的折射率分布所引起的光损失。

图2A至2C中示出了可用于本发明的各种反应器。如图2A所示，通常使用的是具有圆形截面的圆柱形反应器。如图2B和2C所示，可以根据想要制造的预制品的类型来确定使用三角形截面反应器或是四边形截面的反应器。除了这些反应器，还可以使用棒形反应器或其他三维反射器。此外，本发明中可以使用在此引用的美国申请(Appln.)序列号10/197,215中所述的防空腔(cavity-preventing)反应器。当使用防空腔反应器时，由于反应物自然地从引入部分(introduction part)流到空腔，因此不需要向空腔另外添加反应物。

在本发明的方法中，优选使用如氩的惰性气体给反应器内部加压以防止形成空腔，并使其在反应器内稳定地进行聚合。当给反应器的内部加压时，单体的沸点升高，这样即使在高温下也可进行聚合。因此，聚合可以在更短的时间内完成而不会产生因未反应物引起的气泡。当反应器由脆性材料，例如玻璃、石英、陶瓷或塑料制成时，很难将反应器的内部压力增加到4巴或更高。这种情况下，对反应器的外部施加与反应器内部的相同的压力，以避免反应器的破裂。

为了使本发明的预制品中形成更好的折射率分布，可以改变反应器的转速。这种改变不仅可以是反复进行旋转和停止的方式，而且可以是一种改变振幅和周期的速度函数，如三角函数。

这里所用的术语“单体溶液”指的是一种溶液，该溶液包括至少一种单体、聚合引发剂和链转移剂。光致聚合引发剂(photopolymetization initiator)和热聚合引发剂(thermal polymerization initiator)可用作聚合引发剂。光致聚合引发剂和热聚合引发剂的组合可用于同时进行光致聚合和热聚合过程，由此改善最终光纤的光学性能，如折射率分布和光损失。

本发明中使用的单体的特定例子包括但不限于：甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸苄酯，甲基丙烯酸苯酯，甲基丙烯酸1-甲基环己酯，甲基丙烯酸环己酯，甲基丙烯酸氯代苄酯，甲基丙烯酸1-苯乙酯，甲基丙烯酸1，2-二苯乙酯，甲基丙烯酸二苯甲酯，甲基丙烯酸糠酯，甲基丙烯酸1-苯基环己酯，甲基丙烯酸五氯苯酯，甲基丙烯酸五溴苯酯，苯乙烯，TFEMA(甲基丙烯酸2，2，2-三氟乙酯)，TFPMA(甲基丙烯酸2，2，3，3-四氟丙酯)，PFPMA(甲基丙烯酸2，2，3，3，3-五氟丙酯)，HFIPMA(甲基丙烯酸1，1，1，3，3，3-六氟异丙酯)，HFBM(甲基丙烯酸2，2，3，4，4，4-六氟丁酯)，HFBMA(甲基丙烯酸2，2，3，3，4，4，4-七氟丁酯)和PFOM(甲基丙烯酸1H，1H-全氟正辛酯)。

本发明中使用的热聚合引发剂的例子包括，但不限于，2，2’-偶氮二(异丁腈)，1，1’-偶氮二(环己腈)，2，2’-偶氮二(2，4-二甲基戊腈)，2，2’-偶氮二(甲基丁腈)，二叔丁基过氧化物，月桂酰基过氧化物，苯甲酰基过氧化物，叔丁基过氧化物，偶氮叔丁烷，偶氮二异丙烷，偶氮正丁烷和二叔丁基过氧化物等。

本发明中使用的光致聚合引发剂的例子包括，但不限于，4-(对-甲苯基硫代(tolylthio))二苯酮，4，4’-双(二甲基氨基)二苯酮，2-甲基-4’-(甲基硫代)-2-吗啉代-苯基·乙基酮，1-羟基-环己基-苯基-酮，2-羟基-2-甲基-1-苯基-丙烷-1-酮，二苯酮，1-[4-(2-羟基乙氧基)-苯基]-2-羟基-2-甲基-1-丙烷-1-酮，2-苄基-2-甲氨基-1-(4-吗啉代苯基)-丁酮-1，2，2-二甲氧基-1，2-二苯基甲烷-1-酮，二(2，4，6-三甲基苯甲酰基)-苯基膦氧化物(phenylphospinoxide)，2-甲基-1[4-(甲基硫代)苯基]-2-吗啉代丙烷-1-酮和二(.eta.5-2，4-环戊二烯-1-基)-二(2，6-二氟-3-(1H-吡咯-1-基)-苯基)钛等。

本发明中使用的链转移剂的例子包括但不限于正丁基-硫醇，月桂基硫醇，辛基硫醇，十二基硫醇和1-丁硫醇等。

制造塑料光纤预制品时为了使聚合过程中有平稳的热传递，预制品优选具有1～10cm的半径。预制品的长度优选设置为适合普通热拉伸的约100cm或更短。

将依据本发明的方法制造的塑料光纤预制品热拉伸成具有所需直径的折射率分布式塑料光纤(refractive index distributed type plastic optical fiber)。此外，本发明的方法适用于生产折射率分布式透镜和传输图像的图像波导(imaging guide)。

在下文，将结合下面的实施例更详细地描述本发明。然而，这些实施例是为了图解说明的目的而给出的，并不解释为限制本发明的范围。

在这些实施例中，使用直径为50mm，高为400mm的圆柱形反应器。将甲基丙烯酸苄酯(在下文，称为“BMA”)和甲基丙烯酸甲酯(在下文，称为“MMA”)用作一对具有不同折射率的单体。BMA的密度和折射率分别是1.040和1.512，而MMA的密度和折射率分别是0.936和1.414。比较两种单体的密度和折射率，MMA具有相对较低的密度和折射率。当这些单体简单地彼此混合，并在旋转的反应器中进行聚合时，折射率相对较高和密度较低的BMA分布在待制造的预制品的圆周表面。因此，不能形成GI(梯度折射率)的塑料光纤。

制备预聚物时，在配有循环器的夹套式反应器(jacket reactor)中使用热聚合引发剂，而在配有UV灯的透明反应器中使用光致聚合引发剂。

2，2’-偶氮二异丁腈(在下文，称为‘AIBN’)和4，4-双(二甲基氨基)二苯酮(在下文，称为‘DMABP’)分别用作热聚合引发剂和光致聚合引发剂。1-丁硫醇(在下文，称为‘1-BuSH’)用作链转移剂。

在本发明中，通过拉伸0.75mm粗的光纤，以1m的间隔切割拉伸过的光纤，并使用650nm的激光二极管测量由切割的光纤两端输出的光强度来测定塑料光纤的光损失。

实施例1：

向510g的MMA中添加浓度分别为0.066重量％和0.2重量％的AIBN和1-BuSH。将混合物注入圆柱形反应器，在75℃的温度下聚合24小时，同时反应器以3,000rpm的速度旋转，从而形成包层(clad layer)。接着，向225g的MMA中添加浓度分别为0.066重量％和0.2重量％的AIBN和1-BuSH。将由此制备的单体溶液注入夹套式反应器，并在75℃的温度下聚合40分钟来制备预聚物。将80g BMA的单体溶液加入预聚物中并搅拌2分钟，该单体溶液含有0.066重量％的AIBN和0.2重量％的1-BuSH。将所得到的混合物注入先前形成包层的圆柱形反应器中，该混合物在75℃的温度下聚合12小时，同时反应器以3,000rpm的速度旋转。然后，反应器的转速降低到100rpm，并持续聚合12小时，从而制得塑料光纤预制品。将预制品拉伸成0.75mm粗的塑料光纤。测得塑料光纤的光损失为210dB/km。

实施例2：

向510g的MMA中添加浓度分别为0.066重量％和0.2重量％的AIBN和1-BuSH。将混合物注入圆柱形反应器，在75℃的温度下聚合24小时，同时反应器以3,000rpm的速度旋转，从而形成包层。接着，向225g的MMA中添加浓度分别为0.066重量％和0.2重量％的DMABP和1-BuSH。由此制备的单体溶液在UV灯光照下聚合3小时来制备预聚物。将80g BMA的单体溶液加入预聚物中并搅拌2分钟，该单体溶液含有0.066重量％的DMABP和0.2重量％的1-BuSH。将所得到的混合物注入先前形成包层的圆柱形反应器中，该混合物由UV照射，在75℃的温度下聚合6小时，同时反应器以3,000rpm的速度旋转。然后，继续在85℃的温度下聚合12小时，同时反应器以100rpm的速度旋转从而制得塑料光纤预制品。将预制品拉伸成0.75mm粗的塑料光纤。测得塑料光纤的光学损失为190dB/km。

实施例3：

向510g的MMA中添加浓度分别为0.066重量％和0.2重量％的AIBN和1-BuSH。该混合物在75℃的温度下聚合3小时来制备预聚物。接着，向225g MMA和80g BMA的混合物中添加浓度分别为0.066重量％和0.2重量％的DMABP和1-BuSH。然后，制得的预聚物与上述混合物混合。在UV照射下，将所得的混合物充满圆柱形反应器，在75℃的温度下持续12小时，同时反应器以3,000rpm的速度旋转。然后，继续在85℃的温度下聚合12小时，同时反应器以100rpm的速度旋转从而制得塑料光纤预制品。将预制品拉伸成0.75mm粗的塑料光纤。测得塑料光纤的光学损失为195dB/km。

实施例4：

向510g的MMA中添加浓度分别为0.066重量％和0.2重量％的AIBN和1-BuSH。将混合物注入圆柱形反应器，在75℃的温度下聚合24小时，同时反应器以3,000rpm的速度旋转，从而形成包层。接着，向400g的MMA中添加浓度分别为0.066重量％和0.2重量％的DMABP和1-BuSH。由此制备的单体溶液在UV照射下，于75℃的温度下聚合20分钟来制备预聚物。然后，将2g BMA的单体溶液加入预聚物中并在UV照射下搅拌2分钟，该单体溶液含有0.066重量％的AIBN和0.2重量％的1-BuSH。仅将20g预聚物注入先前形成包层的圆柱形反应器，该预聚物聚合30分钟，同时反应器以3,000rpm的速度旋转。此时，剩余的预聚物不经UV照射，在75℃温度下继续搅拌。同样的步骤重复10次来制造塑料光纤预制品，所述步骤为：向剩余预聚物中添加2g的BMA单体溶液(该BMA单体溶液含有0.066重量％的AIBN和0.2重量％的1-BuSH)，搅拌预聚物，仅将20g预聚物注入反应器中，以及在反应器旋转时照射反应器。从预制品拉伸成0.75mm粗的塑料光纤。测得塑料光纤的光学损失为20dB/km。

由于BMA和MMA的相对活性彼此类似，因此制成的预制品是无定型的无规共聚物(amorphous random copolymer)。

尽管出于说明的目的已公开了本发明的优选实施方案，但本领域技术人员会理解，只要不脱离所附权利要求书所公开的本发明的范围和构思，各种修改、增加以及替代都是可能的。

Claims (14)

1.一种制造塑料光纤预制品的方法，包括以下步骤：

(1)制备一对具有不同折射率的单体溶液；

(2)使一种单体溶液聚合形成预聚物，该单体溶液的折射率比另一种单体溶液的折射率低；

(3)将预聚物与所述另一种单体溶液均匀混合得到混合物；以及

(4)将混合物送入反应器，并利用旋转的反应器使混合物聚合。

2.根据权利要求1的制造塑料光纤预制品的方法，其中在步骤(4)之后，重复一次或多次下面的步骤(5)：

(5)向反应器形成的空腔中添加具有高折射率的单体溶液，预聚物或者单体溶液与预聚物的混合物，并且继续聚合。

3.根据权利要求1的制造塑料光纤预制品的方法，其中在步骤(2)中，通过热聚合和/或光致聚合使单体溶液聚合，以制备预聚物。

4.根据权利要求1的制造塑料光纤预制品的方法，其中在步骤(4)中，通过热聚合和/或光致聚合使反应器中的混合物聚合。

5.根据权利要求1的制造塑料光纤预制品的方法，其中反应器是具有圆形截面的圆柱形反应器。

6.根据权利要求1的制造塑料光纤预制品的方法，其中反应器以恒定或可变的速度旋转。

7.根据权利要求6的制造塑料光纤预制品的方法，其中反应器可变的旋转是通过重复的高速和低速旋转或停止来实现，或者通过具有可变的周期、相位和振幅的转速函数来实现。

8.根据权利要求7的制造塑料光纤预制品的方法，其中具有可变的周期、相位和振幅的转速函数为三角函数或特定函数。

9.根据权利要求1的制造塑料光纤预制品的方法，其中单体溶液包括至少一种单体、聚合引发剂和链转移剂。

10.根据权利要求9的制造塑料光纤预制品的方法，其中单体选自于甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸苄酯，甲基丙烯酸苯酯，甲基丙烯酸1-甲基环己酯，甲基丙烯酸环己酯，甲基丙烯酸氯代苄酯，甲基丙烯酸1-苯乙酯，甲基丙烯酸1，2-二苯乙酯，甲基丙烯酸二苯甲酯，甲基丙烯酸糠酯，甲基丙烯酸1-苯基环己酯，甲基丙烯酸五氯苯酯，甲基丙烯酸五溴苯酯，苯乙烯，甲基丙烯酸2，2，2-三氟乙酯，甲基丙烯酸2，2，3，3-四氟丙酯，甲基丙烯酸2，2，3，3，3-五氟丙酯，甲基丙烯酸1，1，1，3，3，3-六氟异丙酯，甲基丙烯酸2，2，3，4，4，4-六氟丁酯，甲基丙烯酸2，2，3，3，4，4，4-七氟丁酯和甲基丙烯酸1H，1H-全氟正辛酯。

11.根据权利要求9的制造塑料光纤预制品的方法，其中聚合引发剂是选自下列的热聚合引发剂：2，2’-偶氮二(异丁腈)，1，1’-偶氮二(环己腈)，2，2’-偶氮二(2，4-二甲基戊腈)，2，2’-偶氮二(甲基丁腈)，二叔丁基过氧化物，月桂酰基过氧化物，苯甲酰基过氧化物，叔-丁基过氧化物，偶氮叔丁烷，偶氮二异丙烷，偶氮正丁烷和二叔丁基过氧化物。

12.根据权利要求9的制造塑料光纤预制品的方法，其中聚合引发剂是选自于下列物质的光致聚合引发剂：4-(对-甲苯基硫代)二苯酮，4，4’-双(二甲基氨基)二苯酮，2-甲基-4’-(甲基硫代)-2-吗啉代-苯基·乙基酮，1-羟基-环己基-苯基-酮，2-羟基-2-甲基-1-苯基-丙烷-1-酮，二苯酮，1-[4-(2-羟基乙氧基)-苯基]-2-羟基-2-甲基-1-丙烷-1-酮，2-苄基-2-甲氨基-1-(4-吗啉代苯基)-丁酮-1，2，2-二甲氧基-1，2-二苯基甲烷-1-酮，二(2，4，6-三甲基苯甲酰基)-苯基膦氧化物，2-甲基-1[4-(甲基硫代)苯基]-2-吗啉代丙烷-1-酮和二(.eta.5-2，4-环戊二烯-1-基)-二(2，6-二氟-3-(1H-吡咯-1-基)-苯基)钛。

13.根据权利要求9的制造塑料光纤预制品的方法，其中链转移剂选自于正丁基-硫醇，月桂基硫醇，辛基硫醇，十二基硫醇和1-丁硫醇。

14.根据权利要求1的制造塑料光纤预制品的方法，其中预聚物的粘度是50～500,000cps(25℃)。

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