CN1598631A - 制造光结晶塑料光纤的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造光结晶塑料光纤F1的方法，为制造所述的包层，该方法包括通过同时将液态第一组分注射入注射板上的第一系列孔中和将第二组分注射入所述板上的第二系列孔中以形成一个物质流的步骤，该第一组分是所述包层聚合物的母体组分并且可通过紫外线固化，该第二组分不与所述的紫外线发生反应且选自液态组分和气态组分，所述的第二系列孔基本上具有周期排布并且第二系列孔中的每个孔都具有离其最近的第一系列孔中的邻近孔。该方法进一步包括用紫外线照射所述物质流以形成所述的光结晶塑料光纤的步骤。

Description

制造光结晶塑料光纤的方法
                    技术领域
本发明涉及光纤领域，更确切地说是涉及一种制造光结晶(photocrystalline)塑料光纤的方法。
                    背景技术
具有孔的塑料光纤和光结晶塑料光纤只是在不久前才被本领域熟知，这种纤维具有一个包层，该包层包括具有微观直径的空腔的周期排布(periodicarrangement)，含有空气，并沿纵向分布在聚合物材料包层基体里。排布周期性被一种人为制造的缺陷打破，该缺陷作为纤维的芯，并且被包层所覆盖，缺陷的尺寸和形状根据排布而变。
因为被芯/包层界面的总的内部反射所引导，光可以被限制在芯里。在这种构型中，芯通常是实心的并且用与包层基体相同的材料构成。
通过包层光子带切割效应(photonic band cutting effect)(反射光线和折射光线的相长干涉)，光也可以被限制在芯里。在这种构型中，芯通常由空气组成，并因此具有比包层低的有效折射率，且其直径大于靠在一起的空气空腔的直径。
象其它纤维一样，光结晶塑料光纤由实心的预成型品制成，该预成型品是由大多数聚合物制成的，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，毛细管并且一些情况下还包括实心杆，在纤维拉伸过程之后，这些组分被堆叠起来以生产所需的阵列。
使用实心的预成型品的主要问题在于很难在整个长度上保存光结晶光纤的结构，这是由于在纤维拉制过程中空腔易于变形或者甚至闭合，从而会导致在光纤中不可接受的光损失。
                      发明内容
本发明目的在于提供一种连续的、可靠的并且可重复的制造光结晶塑料光纤的方法，该方法提高了纤维的性能，换句话说是以最低的成本提高了传输水平和/或拓宽了带宽。
为此，本发明提出一种制造光结晶塑料光纤的方法，该光纤包括一个由芯材料制成的芯和一个覆盖在所述芯上的包层，所述包层被形成具有至少基本上空腔材料的第一空腔的周期排布，所述空腔沿纵向分布在包层聚合物基体中，为制造所述包层，该方法包括：
—通过同时将液态第一组分注射入注射板上的第一系列孔中和将第二组分注射入所述注射板上的第二系列孔中而形成一个物质流的步骤，所述第一组分为所述包层聚合物的母体并可以通过紫外线辐射固化，所述第二组分对所述的紫外线辐射不发生反应并选自液态组分和气态组分，所述第二系列孔基本上具有周期排布，并且第二系列孔中的每个孔都具有与其最近的属于第一系列孔中的邻近孔，以及
—用紫外线照射所述物质流以形成所述的光结晶塑料光纤的步骤。
本发明的方法可提高对光结晶塑料光纤的结构特别是对空腔排布的控制。
本发明基于下述事实：在本发明的方法中，特别是在物质流的速度很高的情况下，组分间相互接触的时间足够短，所以尽管组分相互接触，并没有发生有效的相互扩散。
组分之间的接触时间优选短于1秒钟。
在纤维中得到的空腔排布基本上具有与第二系列孔的排布相同的几何形状。
术语“可固化的液态组分”指的是一种组分，该组分包含至少一种功能性的光可交联低聚物和/或聚合物，或者一种组分，其包含至少一种在功能性的光可交联单体中以溶液形式的非功能性的低聚物和/或聚合物，或二者的混合物。
在本发明优选的第一实施方式中，为了简化纤维的制造，为制造所述芯，同时注射的操作包括向与所述系列孔中的任何孔都分开的基本上为所述板的中心孔中注射第三液态组分，该组分可以被紫外线固化，并优选与所述第一组分相同。
这样一来，中心孔有助于产生实心的光结晶光纤芯(即，一个填充有液态或固态材料的芯)。
在本发明优选的第二实施方式中，为制造所述芯，同时注射的操作包括向与所述系列孔中的任何孔都分开的基本上为所述板的中心孔中注射第三组分，该组分对所述紫外线辐射不发生反应，并且选自液态组分和气态组分。
在一种有优势的实施方式中，为了制造第二空腔的周期排布，同时注射操作包括向基本上具有周期排布的不同的第三系列孔中注入第四液态组分，该组分与所述紫外线辐射不发生反应，并优选与所述第二组分相同。
以这种方式可以获得光纤，该光纤的包层基体包含两种类型的空腔排布。具有第二排布的间隙空腔通常远远小于第一空腔，并分布在绝大部分的第一空腔和芯的周围。这种纤维的实例已在有关硅光结晶光纤的文章中给出(“晶体光纤：未来的光纤？”，OLE，Nadya Anscombe，2001年12月，23-25页)。
有利地，该方法在照射步骤之后包括至少一个清除至少一种所述的不发生反应的组分的步骤，如果所述的不发生反应的组分是液体时，优选通过热处理的方式清除。
中空的空腔(没有固态或液态材料)可以单独形成或在形成中空的芯的同时形成。
因为清除步骤留下至少一个没有液态材料的区域，该方法可以包含填充所述空白区域的步骤，例如使用在压力下不流动的组分填充。
每种不发生反应的气态组分的注射压力优选高于第一组分的注射压力。
每种不发生反应的液态组分的粘度优选高于第一组分的粘度并且优选低于所述第一组分粘度的5倍。
每种可固化的组分优选包含第一反应性的乙烯基或者丙烯酸单体溶剂和/或第一乙烯基或丙烯酸聚合物，每种组分的固有衰减小于5dB/m。
聚合物可以是卤化或非卤化的。
每种不发生反应的组分可以包含选自以下的化合物，气体例如氮气、空气、氩气，不发生反应的溶剂诸如二甲苯酚、氟化的溶剂、丁二醇、丙二醇、丁基丙醇、环己酮、脂肪醇、乳酸酯、含有机硅的油，以及可生物降解的聚合物，诸如纤维素聚合物。
                          附图说明
参照附图，通过阅读下面以说明性的和非限制性的实施例方式进行的描述，本发明的特点和优势将会变得很清楚，其中：
图1描述了通过采用本发明一种优选实施方式的制造方法而获得的光结晶塑料光纤的横截面简图，
图2描述了使用图1中本发明优选实施方式的制造方法而制造的光结晶塑料光纤的简图，并带有一个缩小用的锥体部分(reduction cone)，
图3描述了使用图1中本发明优选实施方式的制造方法而制造的光结晶塑料光纤的简图，不带有缩小用的锥体部分，以及
图4是注射板的透视简图，其具有一个与本发明方法的优选实施方式相似的结构。
在所有的图中，共同的术语使用相同的参照数字。
                       具体实施方式
图1描述了通过采用本发明一种优选实施方式的制造方法而获得的光结晶塑料光纤的横截面简图。
例如，光结晶塑料光纤F1的直径为100～1000цm，并具有六边形结构，该光纤含有直径为1～100цm的实心芯1和覆盖在芯1上的包层2。
包层2被形成具有空腔21的周期排布，例如在本实施例中呈六边形排布，所述空腔21基本上为圆形，并具有微观直径。术语“微观直径”指的是平均空腔直径小于1微米，1微米数量级或10微米数量级。例如，在本实施例中，直径为1～30微米。
这些中空的空腔(没有固态的或液态的材料)，例如，含有空气，沿纵向分布在通过紫外线固化获得的包层聚合物基体22中。在本实施例中，两个空腔之间的最短距离小于空腔的半径。
为了简化制造过程，芯材料与包层聚合物材料相同。
在可替换的方式中，中空的空腔包含任何其它气体。
图2和图3描述了使用图1中本发明优选实施方式的方法制造的光结晶塑料光纤F1的简图。
在该方法的第一步，在压力下将至少一种液态组分A和至少一种另一组分B，例如液态组分同时注射进注射板4中以形成物质流AB，所述液态组分A可被紫外线(UV)辐射固化，所述另一组分B对固化组分A的紫外线辐射不发生反应。
而且，将互不相连的注射导管3，例如以具有孔40的圆盘形式，放置在注射板4的上部。例如，板放在不锈钢流体室5中(参见图2中的横截面)。与每个导管3相连的容积式泵(未示出)对液态组分A和B产生可控制的压力，例如压力达到6巴。
为了更加准确，组分A是包层聚合物母体组分并含有单体类型的第一反应性溶剂和/或第一乙烯基或丙烯酸聚合物，卤代的或非卤代的。第一组分A的固有衰减优选小于5dB/m。
在实心芯纤维F1的情况下，组分A也是芯聚合物的母体组分。
液态组分B包含一种化合物，该化合物选自不发生反应的溶剂诸如二甲苯酚，氟化的溶剂诸如FC-77，丁二醇，丙二醇，环己酮，含硅酮的油，以及可生物降解的聚合物，诸如纤维素聚合物。组分B优选含有诸如上文所列的不发生反应的溶剂和可生物降解的聚合物组成的混合物，选取其中的比例以控制组分粘度。
优选地，组分B的粘度高于组分A的粘度从而优化物质流AB的形成和所需的轮廓。组分B的粘度优选不超过组分A的粘度的5倍。在25℃，粘度在200～5000mPa.s之间选取。
组分B粘度的选择使得可以对纤维F中的空腔直径进行调整：粘度越低，纤维F中空腔的直径越小。
在图2的实施方式中，下一步就是通过利用室5中的已知为缩小用的锥体部分的圆锥形区域51来减小所述流AB的直径的步骤，它的上边界是注射板4的下边界。这种在几何图形上的直径相似改变可以维持流AB中的组分A和组分B的浓度剖视图，而两者间不发生互相扩散。
物质流AB通过区域51输送到定型模头6，该模头赋予纤维F的直径所需的数量级。模头6为一可移动部件，以便可以很容易地改变定型而不需更换室5。在可替换的方式中，模头6可以是室5的一部分。
例如，模头6具有六边形结构。
至少部分低温冷却系统可以被安置在圆锥形区域51中以将物质流AB的粘度增加至与拉伸它所需数值一致。
同样地，绝热设备可以被放在导管3上以获得组分A和组分B所需的粘度。
在刚刚描述的实施方式的可替换方式中，如图3所示，清除圆锥形区域51从而使得从注射板的出口处，物质流AB的直径被组分的表面能自然控制而减小是同样可能的。在这种情况下，模头6不再是必需的，并且可以直接从板4获得物质流。
随后，有使用紫外线源7照射物质流AB的步骤。因此，组分A被固化以形成包层聚合物：这就产生了光结晶塑料光纤F。
紫外线源7和模头6之间的距离作为空腔直径和所需的纤维直径之间的函数而选取。
纤维F的空腔包含未固化的液态组分B。为了提高光在纤维F中的传播，优选组分B以使得它的折射率低于包层聚合物(组分A)的折射率。
例如，包层聚合物的折射率为1.3～1.6。通过从纤维F中清除液态组分B，从而制造纤维F1是可能的，清除方式优选使用烘箱8的热处理方式，该过程中组分B蒸发并被清除。
光纤F1在绞盘9的作用下缠绕到线轴10上。
在本发明方法的第一变体中，通过使用其它不同于给定的紫外线源7的方式固化液态组分B以形成实心空腔。
在本发明方法的第二变体中，在液态组分B被清除以后，用具有合适的折射率的另一材料填充空腔。
在另一变体中，组分B是一种气体，并且组分B的注射压力优选高于液态组分A的注射压力。
在本发明方法的第三可替换方式中，基本上是板的中心孔接收对所述紫外线不反应的第三液态或气态组分C，而不是组分A。
因此，通过清除所述的组分C而形成一种具有中空的芯的光结晶塑料光纤是可能的。
特别是如果组分C是液体并且基本上与组分B相同时，优选通过热处理方式清除，例如使用与形成中空的空腔相同的热处理方式。
图4是带有孔40｀的注射板4｀的透视简图，其结构与本发明方法的优选实施方式中使用的结构相似。
将所述包层聚合物的母体组分，例如组分A，注射入第一系列孔41中(如图4中黑色所示)，例如圆形孔，该第一系列孔的分布允许形成本发明的光结晶塑料光纤的包层基体。
例如，将作为芯聚合物母体的组分，例如组分A，注射入基本上为中心的圆形孔42中，该圆形孔42的分布有助于形成实心芯。
将一种对所述紫外线不发生反应的组分，例如液态组分B或气态组分，注射入第二系列孔43中，例如圆形孔，其基本上具有周期排布，在本实施例中是六边形排布。第二系列孔43中的每个孔都具有与其最近的属于第一系列孔41的六个邻近孔，此六个邻近孔一起形成一个如虚线所示的六边形H。
在两种系列中，孔的大小和形状可以完全相同或不同。
例如，板4｀的直径为几个毫米，并且它的厚度是孔直径的3到5倍。例如，孔的直径是100微米数量级。
板4｀上的每一个孔都可以通过一个喷嘴延伸。
在本发明方法的第四可替换方式中，在板4｀上形成具有周期排布并小于第二系列孔中的那些孔的第三系列孔。这些孔接收对紫外线辐射不反应的液态或气态组分D，并且所述组分D优选与组分B相同，其目的在于形成除了最初提供的较大空腔之外的间隙空腔。
在本发明方法生产的塑料光纤中，相邻空腔之间的距离，空腔的形状，直径，数量，以及它们基本上的周期排布可以通过改变第二和/或第一系列孔而得以调整。
本发明也适用于制造具有光耦合多芯的光结晶塑料光纤。

Claims (10)

1.一种制造光结晶塑料光纤(F，F1)的方法，该光纤包括由芯材料制成的芯(1)和覆盖在所述芯上的包层(2)，所述包层被形成具有至少空腔材料的第一空腔(21)的基本上的周期排布，所述空腔沿纵向分布在包层聚合物基体(22)中，为制造所述包层，该方法包括：
-通过同时将液态第一组分(A)注射入注射板(4，4`)上的第一系列孔(41)中和将第二组分(B)注射入所述注射板(4，4`)上的第二系列孔(43)中而形成一个物质流的步骤，所述第一组分(A)为所述包层聚合物的母体并可以通过紫外线辐射固化，所述第二组分(B)对所述的紫外线辐射不发生反应并选自液态组分和气态组分，所述第二系列孔(43)基本上具有周期排布，并且第二系列孔中的每个孔都具有与其最近的属于第一系列孔中的邻近孔，以及
-用紫外线照射所述物质流以形成所述的光结晶塑料光纤的步骤。
2.根据权利要求1所述的制造光结晶塑料光纤的方法，其特征在于组分(A、B)之间的接触时间短于1秒钟。
3.根据权利要求1或2所述的制造光结晶塑料光纤的方法，其特征在于为了制造所述的芯，同时注射操作包含向与所述系列孔中的任何孔都分开的基本上是所述板的中心孔(42)中注射液态第三组分(C)，该组分可用紫外线辐射固化并优选与所述第一组分相同。
4.根据权利要求1或2所述的制造光结晶塑料光纤的方法，其特征在于为了制造所述的芯，同时注射操作包含向与所述系列孔中的任何孔都分开的基本上是所述板的中心孔中注射第三组分，该组分对所述的紫外线辐射不发生反应并选自液态组分和气态组分。
5.根据权利要求1-4中任何一项所述的制造光结晶塑料光纤的方法，其特征在于为了制造第二空腔的周期排布，同时注射操作包括向基本上具有周期排布的不同的第三系列孔中注入对所述紫外线辐射不发生反应的第四组分，该组分选自液态组分和气态组分，并优选与所述第二组分相同。
6.根据权利要求1-5中任何一项所述的制造光结晶塑料光纤的方法，其特征在于该方法在所述的照射步骤之后包括至少一个清除至少一种所述的不发生反应的组分的步骤，如果所述的不发生反应的组分是液体时，优选通过热处理的方式清除。
7.根据权利要求6所述的制造光结晶塑料光纤的方法，其特征在于所述的清除步骤留下至少一个没有液态材料的区域，并且该方法进一步包括填充所述至少一个区域的步骤。
8.根据权利要求1-7中任何一项所述的制造光结晶塑料光纤的方法，其特征在于每种不发生反应的气态组分的注射压力高于第一组分的注射压力。
9.根据权利要求1-8中任何一项所述的制造光结晶塑料光纤的方法，其特征在于每种不发生反应的液态组分(B)的粘度高于所述第一组分(A)的粘度并且优选低于第一组分所述粘度的5倍。
10.根据权利要求1-9中任何一项所述的制造光结晶塑料光纤的方法，其特征在于每种可固化的组分(A)含有第一反应性的乙烯基或丙烯酸单体溶剂和/或第一乙烯基或丙烯酸聚合物，该组分的固有衰减小于5dB/m，并且每种不发生反应的组分(B)包含选自以下的化合物，气体例如氮气，空气，氩气，不发生反应的溶剂诸如二甲苯，二甲苯酚，丁基丙醇，环己酮，脂肪醇，乳酸酯，氟化的溶剂，丁二醇，丙二醇，含有机硅的油，以及可生物降解的聚合物，例如纤维素聚合物。
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