CN1942800A - 用树脂涂布塑料光纤的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

通过具有冲模(30)和喷嘴(31)的涂布设备使用由热塑性树脂(32)形成的保护层(39)涂布塑料光纤(11)。所述冲模的直径TA (μm)、所述喷嘴的外径TB1 (μm)、所述喷嘴的内径TB2 (μm)和所述塑料光纤的直径D(μm)满足下面的公式：20(μm)≤(TA－TB1)≤1500(μm)、20(μm)≤(TB2－D)≤600(μm)、400(μm)＜(TB1－TB2)≤1500(μm)。因而，将热塑性树脂(32)涂布到塑料光纤(11)上而不会引起对塑料光纤(11)的应力分布。

Description

用树脂涂布塑料光纤的方法和装置
                      技术领域
本发明涉及用树脂涂布塑料光纤的方法和装置。
                      背景技术
因为传输损失大于玻璃光纤，塑料光纤不适合长距离传输光学信号。尽管传输损失大于玻璃光纤，但是塑料光纤具有许多优点，例如由于大的直径而有利于连接、有利于光纤的终端处理、不需要高精度地纤芯对准、连接器的成本降低、刺入人体的危险小、容易构建、抗振性高和价格低。因此，计划将塑料光纤不仅用作家用和汽车用途，而且作为短距离、高容量光缆，例如用于高速数据处理装置的内部引线和数字视频接口(DVI)连接。
塑料光纤包括主要组分是聚合物基质的有机化合物的纤芯部分和由与纤芯部分具有不同折射率的有机材料组成的包层部分。通过拉丝或者挤出预聚物形成同时包括纤芯部分和包层部分的纤维来制备塑料光纤。还可以通过形成光纤基材料(以下称作“预制棒(preform)”)并且熔融拉丝该预制棒来制备塑料光纤。
在从预制棒制备塑料光纤(以下称作“POF”)中，通过在180℃至260℃的温度下熔拉预制棒来形成具有所需直径的POF。在熔拉过程期间，在用电加热器在圆柱形加热炉中加热预制棒的同时对预制棒的下端进行拉丝以延长预制棒。例如，在夹住预制棒后，将预制棒缓慢地向下移入加热炉中，从而在加热炉中熔化预制棒。当预制棒足够软化而预制棒的熔融部分由于其重力而部分地向下移动时，拉丝熔融预制棒的前端并且钩在拉丝辊上，从而连续拉丝预制棒以形成POF(例如参见日本特开(JP-A)第11-337781号)。
尽管裸POF也用于一些有限的用途，但是为了将如此制备的POF用于许多用途，涂布POF的外表面以进行保护(例如形成保护层)，或者将POF保持在内径足以插入POF的管内。通过保护POF，可以在恶劣的环境中处理光纤或者使用光纤时防止缺陷、损伤、例如微弯曲的结构不规则性、光学性质降低等等。保护POF的材料的实例是热塑性树脂，例如聚氯乙烯、尼龙(商标)、聚丙烯、聚酯、聚乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、乙烯丙烯酸乙酯共聚物(EEA)。还可以施加上述以外的其它热塑性树脂。传统上，如在日本特开(JP-A)第11-337781号中所述，通过使POF穿过包含熔融聚合物或者可聚合组合物的室中，并且通过在穿过所述室后固化POF上的聚合物或者可聚合组合物来在POF上形成保护层。
具有冲模和喷嘴的涂布装置可以降低POF外径的变化，并且即使连续地形成涂层也可以长期防止POF的断裂(例如参见JP-A第4-254441号)。在JP-A第10-194793号中描述的涂布装置可以防止热塑性树脂在涂布过程中溢出喷嘴，从而可以形成具有均匀厚度的保护层。另外，如在JP-A第2002-18926号中所述，可以防止围绕POF的保护层中的厚度偏差。
但是，因为POF本身是塑料(例如聚甲基丙烯酸甲酯：PMMA)，所以POF的性质(例如传输损失)归因于在150℃或更高的温度下会熔化保护层树脂(通常使用热塑性树脂)的热能而趋向于变差。在JP-A第4-254441号中描述的涂布方法中，通过解决热塑性树脂溢出喷嘴的问题，可以降低保护层直径的波动，因而获得具有优异外观的塑料光纤束(光纤束)。但是，这种涂布方法没有涉及由于在涂布过程期间由对POF的热损伤引起的传输损失的恶化问题。另外，在JP-A第10-194793和2002-18926号中描述的涂布方法和装置没有解决对POF的热损伤问题，尽管这些文献中的技术可以改善涂层的尺寸精度和稳定性。
在POF上涂布保护层中，在层中分布了应力并因此使制造的POF中的折射率出现偏差。结果，因为通过POF的透射光被散射，传输损失将增加。另外，当在POF上形成保护层中引入了外部空气时，POF和保护层之间的界面变得不均匀，并因此传输损失将增加。
本发明的目的是提供能够快速且稳定的涂布而且不会引起热损伤和归因于应力分布的机械损伤的用于涂布塑料光纤的方法和设备。
                      发明内容
为了实现上面的目的，本发明人已经发现通过最优化塑料光纤的直径和具有作为用于保护层的热塑性树脂通道的冲模(die)和喷嘴的模具形状之间的关系，可以用保护层涂布塑料光纤并且防止传输损失的增加。
在用保护层涂布塑料光纤中，冲模的直径TA(μm)、喷嘴的外径TB1(μm)、喷嘴的内径TB2(μm)和塑料光纤的直径D(μm)满足下面的公式：
20(μm)≤(TA-TB1)≤1500(μm)  ……    (1)
20(μm)≤(TB2-D)≤600(μm)    ……    (2)
400(μm)＜(TB1-TB2)≤1500(μm)……    (3)
当塑料光纤的直径D为200μm至1500μm时，热塑性树脂保护层的厚度Tc优选为100μm至500μm。塑料光纤的直径D优选为200μm至800μm。
上面公式(1)中的值(TA-TB1)优选为200μm至1200μm，并且更优选为400μm至1000μm。上面公式(2)中的值(TB2-D)优选为50μm至400μm，并且更优选为70μm至150μm。上面公式(3)中的值(TB1-TB2)优选等于或小于1000μm，并且更优选等于或小于500μm。在一些例如管型和压力型的涂布设备中，冲模和喷嘴的位置相对于塑料光纤的进料方向是不同的，所以冲模的直径TA(μm)、外径TB1(μm)和内径TB2(μm)不总是在与塑料光纤进料方向垂直的同一平面中。
在190℃的熔化温度下热塑性树脂的熔体流动速率优选为5克/10分钟至150克/10分钟。
根据本发明，因为如上所述最优化了冲模的直径TA(μm)、喷嘴的外径TB1(μm)、喷嘴的内径TB2(μm)和塑料光纤的直径D(μm)，所以涂布过程中对塑料光纤的应力降低，并因此可以防止传输损失的增加。另外，可以稳定地形成涂层而不会增加塑料光纤的传输损失，所以塑料光纤的生产率增加。此外，因为涂布过程期间塑料光纤被屏蔽而与外部空气隔绝，所以可以防止由于塑料光纤和作为涂层的热塑性树脂之间界面的不均匀引起的传输损失的增加。另外，改善了塑料光纤的外观。
                      附图说明
图1是根据本发明的涂布生产线的示意图；和
图2是根据本发明的涂布设备的主要部分的截面图。
                     具体实施方式
首先，解释在本实施方式中优选使用的原料聚合物、聚合引发剂、链转移剂、折射率控制剂(掺杂剂)。然后，作为塑料光纤(POF)的一个实施例，解释制备渐变折射率(GI)型POF的预制棒和POF的方法。高透射比的GI型POF具有折射率从中心向纤芯部分表面逐渐改变的折射率分布。然后，解释涂布POF的方法和设备。应当指出下面说明的实施方式并不限制本发明的范围。
作为纤芯部分的原料，优选选择容易本体聚合的可聚合的单体。具有高的光学透射比并且容易本体聚合的原料的实例是甲基丙烯酸酯[(a)无氟的(甲基)丙烯酸酯，(b)含氟的(甲基)丙烯酸酯]、(c)苯乙烯型化合物、(d)乙烯基酯、聚碳酸酯等。纤芯部分可以从由这些单体之一组成的均聚物、由至少两种这些单体组成的共聚物，或者所述均聚物和/或所述共聚物的混合物形成。其中，可以使用(甲基)丙烯酸酯作为可聚合单体。
具体地说，作为可聚合单体的(a)无氟的(甲基)丙烯酸酯的实例是甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸异丙酯、甲基丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸苄酯(BzMA)、甲基丙烯酸苯酯、甲基丙烯酸环己酯、甲基丙烯酸二苯基甲酯、甲基丙烯酸三环[5·2·1·02·6]癸酯、甲基丙烯酸金刚烷(adamanthyl)酯、甲基丙烯酸异龙脑(isobonyl)酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸苯酯等。(b)含氟的(甲基)丙烯酸酯的实例是甲基丙烯酸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1-三氟甲基-2，2，2-三氟甲酯、甲基丙烯酸2，2，3，3，4，4，5，5-八氟戊(penthyl)酯、甲基丙烯酸2，2，3，3，4，4，-六氟丁酯等等。此外，在(c)苯乙烯型化合物中，有苯乙烯、α-甲基苯乙烯、氯苯乙烯、溴苯乙烯等。在(d)乙烯基酯中，有醋酸乙烯酯、苯甲酸乙烯酯、醋酸乙烯苯酯、氯代醋酸乙烯酯等。可聚合单体不局限于上述单体。优选地，选择单体的种类和组成，从而使纤芯部分中均聚物或共聚物的折射率与包层部分中的折射率相似或者更高。作为用于原料的聚合物，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(透明的树脂)是更优选的。
当POF用于近红外线时，光学部件中的C-H键引起吸收损失。通过使用其中用重氢(D)或氟(F)取代C-H键的氢原子(H)的聚合物，引起传输损失的波长范围移向更大的波长区域。美国专利第5,541,247号(日本专利第3332922号的相应申请)教导了这种聚合物的实例，例如氘代聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA-d8)、聚甲基丙烯酸三氟乙酯(P3FMA)、聚六氟异丙基-2-氟代丙烯酸酯(HFIP2-FA)等等。因而，可以降低透射光的损失。应当指出在聚合前应该充分地去除单体中会引起分散的杂质和外来物质，从而保持聚合后POF的透明度。
在聚合单体以形成作为纤芯部分和包层部分的聚合物中，可以添加聚合引发剂来引发单体的聚合。根据单体和聚合方法适当地选择要添加的聚合引发剂。产生自由基的聚合引发剂的实例是过氧化物，例如过氧化苯甲酰(BPO)、叔丁基过氧-2-乙基己酸酯(PBO)、二叔丁基过氧化物(PBD)、叔丁基过氧异丙基碳酸酯(PBI)、正丁基-4，4-二(叔丁基过氧)戊酸酯(PHV)等。聚合引发剂的其它实例是偶氮化合物，例如2，2’-偶氮二异丁腈、2，2’-偶氮二(2-甲基丁腈)、1，1’-偶氮二(环己烷-1-碳硝酰)、2，2’-偶氮二(2-甲基丙烷)、2，2’-偶氮二(2-甲基丁烷)、2，2’-偶氮二(2-甲基戊烷)、2，2’-偶氮二(2，3-二甲基丁烷)、2，2’-偶氮二(2-二甲基己烷)、2，2’-偶氮二(2，4-二甲基戊烷)、2，2’-偶氮二(2，3，3-三甲基丁烷)、2，2’-偶氮二(2，4，4-三甲基戊烷)、3，3’-偶氮二(3-甲基戊烷)、3，3’-偶氮二(3-甲基己烷)、3，3’-偶氮二(3，4-二甲基戊烷)、3，3’-偶氮二(3-乙基戊烷)、二甲基-2，2’-偶氮二(2-甲基丙酸酯)、二乙基-2，2’-偶氮二(2-甲基丙酸酯)、二叔丁基-2，2’-偶氮二(2-甲基丙酸酯)等。注意聚合引发剂不局限于上述物质。可以结合多于一种的聚合引发剂。
为了在要制备的整个塑料光纤上保持物理性质，例如机械性质和热性质，优选使用链转移剂控制聚合度。根据可聚合单体的种类选择链转移剂的种类和用量。例如在“Polymer Handbook，第3版”，(J.BRANDRUP & E.H.IMMERGUT编著，JOHN WILEY & SON出版)中描述了相对于各种单体链转移剂的链转移系数。另外，可以通过在“Experiment Method of Polymers”(Takayuki Ohtsu和MasayoshiKinoshita编著，Kagakudojin出版，1972)中描述的方法中的实验来计算链转移系数。
链转移剂的优选实例是烷基硫醇类[例如正丁硫醇、正戊硫醇、正辛硫醇、正十二烷基硫醇、叔十二烷基硫醇等]和苯硫酚类[例如苯硫酚、间溴苯硫酚、对溴苯硫酚、间甲苯硫酚、对甲苯硫酚等]。使用烷基硫醇类中的正辛硫醇、正十二烷基硫醇和叔十二烷基硫醇是尤其优选的。此外，链转移剂中C-H键上的氢原子可以由氟原子(F)或者氘原子(D)取代。注意链转移剂不局限于上述物质。可以结合多于一种的链转移剂。
塑料光纤可以是其中纤芯部分在径向上具有折射率分布的渐变折射率(GI)型塑料光纤。GI型POF由于其高的传输容量而能够宽带光学传输，所以GI型POF优选用于高性能通讯目的。为了在POF中提供折射率分布，在聚合物基质中可以包含提供折射率分布的添加剂(以下称作“掺杂剂”)。否则，可以使用多种具有不同折射率的聚合物或者这些聚合物的共聚物作为形成纤芯部分的聚合物。
掺杂剂是与要结合的可聚合单体具有不同折射率的化合物。掺杂剂和可聚合单体间的折射率差值优选大于或等于0.005。与不包括掺杂剂的聚合物相比，掺杂剂具有增加聚合物折射率的特征。与从日本专利申请第3332922号和日本特开第5-173026号中所述的单体制备的聚合物相比，掺杂剂具有的特征是溶液参数的差值小于或等于7(cal/cm3)1/2，并且折射率差值大于或等于0.01。如果该材料能与聚合物稳定存在，并且该材料在如上所述的可聚合单体的聚合条件(例如温度和压力条件下)是稳定的，可以使用任何具有这种特征的材料作为掺杂剂。
如果这种材料能改变折射率并且与聚合物稳定存在，并且该材料在如上所述的可聚合单体的聚合条件(例如温度和压力条件下)是稳定的，可以使用任何具有这种特征的材料作为掺杂剂。本实施方式显示了通过界面凝胶聚合方法控制聚合方向，并且通过在从与掺杂剂混合的可聚合化合物形成纤芯的过程期间提供作为掺杂剂的折射率控制剂的密度梯度而在纤芯中形成折射率分布的方法。其它方法，例如在预制棒形成后扩散折射率控制剂也可以在纤芯中提供折射率分布。下文中，将具有折射率分布的纤芯称作“渐变折射率纤芯”。这种渐变折射率纤芯用于具有宽范围的传输频带的渐变折射率型塑料光学部件。掺杂剂可以是可聚合的化合物，并且在此情况下，与没有掺杂剂的聚合物相比，具有掺杂剂作为共聚合组分的共聚物增加了折射率是优选的。这种共聚物的实例是MMA-BzMA共聚物。
掺杂剂的实例是苯甲酸苄酯(BEN)、苯硫醚(DPS)、磷酸三苯酯(TPP)、邻苯二甲酸苄基正丁酯(BBP)、邻苯二甲酸二苯酯(DPP)、联苯(DB)、二苯甲烷(DPM)、磷酸三甲苯酯(TCP)、二苯亚砜(DPSO)。其中，BEN、DPS、TPP和DPSO是优选的。在掺杂剂是可聚合化合物例如甲基丙烯酸三溴苯酯的情况中，尽管因为可聚合单体和可聚合掺杂剂的共聚合而难以控制许多性质(尤其是光学性质)，但是在耐热方面是有利的。通过控制待与纤芯混合的折射率控制剂的密度和分布可以控制POF的折射率。根据POF的用途、纤芯材料等适当地选择折射率控制剂的量。
(其它添加剂)
只要透射比性质不会降低，纤芯部分和包层部分中可以包含其它添加剂。举例来说，添加剂可以用来增加抗气候性和耐用性。此外，为了放大光学信号可以添加诱导发射的(induced emissive)功能化合物。当向单体中添加这种化合物时，通过激发光放大衰减的信号光，从而传输距离增加。因此，可以使用具有这种添加剂的光学部件作为光传输连接中的光纤放大器。通过聚合所述添加剂和单体可以在纤芯部分和/或包层部分中包含这些添加剂。
可以从上述材料来形成塑料光纤(POF)。但是，应当指出任何公知的方法都适用于制备POF，因此本发明并不局限于在下面段落中描述的方法。例如，可以通过熔融挤出和熔融纺丝来直接制备POF。至于从预制棒形成POF的分批形成方法，包层部分可以层叠在纤芯部分上，或者在作为包层部分的中空管中形成纤芯部分。
如在PCT申请第WO 93/08488号和日本专利第3332922号中所述，通过形成中空树脂管作为包层部分并且在该中空管中形成纤芯部分来制备GI型塑料光纤预制棒(GI型预制棒)。还已知的是通过在聚合后连续添加具有不同折射率的可聚合组合物来制备GI型预制棒的纤芯部分。根据本发明的GI型预制棒的制备方法不局限于界面凝胶聚合方法。至于树脂组合物，具有单一折射率的树脂组合物可以包含折射率控制剂。树脂组合物可以是具有不同折射率的树脂的混合物，或者共聚物。塑料光纤可以具有各种折射率分布，例如GI型、阶跃折射率型和多阶跃折射率型。根据优选实施方式的涂布方法对于形成由具有不同热性质的材料组成的GI型和多阶跃折射率型光纤是有效的。另外，因为纤芯部分和包层部分之间界面条件的变化，阶跃折射率型光纤的性质受涂布过程期间的热量的影响。因此，根据本发明的涂布方法适用于任何类型的塑料光纤。
可以通过加热并且拉丝预制棒来制备POF。在此情况下，根据预制棒的性质(例如质量)适当地选择加热预制棒的加热温度。通常，优选的加热温度为180℃至250℃。考虑所得预制棒的直径、POF的理想直径、所使用的材料等等来适当地选择拉丝条件(例如拉丝温度)。例如，如在日本特开第07-234322号中所述，为了取向熔融的塑料，拉丝张力可以为0.1(N)或更高。另外，如在日本特开第07-234324号中所述，为了在熔拉过程后没有应变，拉丝张力可以为1.0(N)或更小。如在日本特开第08-106015号中所述，还可以在拉丝中进行预加热。如在日本特开第07-244220号中所述，通过调节断裂伸长率及其硬度来改善通过上面方法制备的POF的抗弯性质和侧压性质。
通常，没有按照原样使用拉丝的POF。为了改善抗弯和天气耐性、防止吸湿引起的性质降低、改善拉丝强度、提供抗印性、提供耐火性、防止受化学试剂损害、防止来自外部光的噪声、增加着色值等等，POF至少涂布一层保护层来形成光纤导线、塑料光纤带和塑料光纤光缆。
[保护层材料]
选择用于保护层的材料，以使形成保护层时不会对POF引起热损伤(变形、变性、热分解等)。因此，保护层材料应该在介于(Tg-50)℃至用于POF的聚合物的玻璃化转变温度Tg(℃)之间的温度下反应硬化。为了降低制造成本，形成时间(硬化保护层材料的时间)优选介于1秒至10分钟之间，并且更优选介于1秒至5分钟之间。当POF由多种聚合物组成时，Tg是这些聚合物中最小的玻璃化转变温度。当用于POF的聚合物不具有玻璃化转变温度时，Tg是最小的相转变温度(例如熔点)。
用于保护层的材料的实例通常是例如聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的烯烃聚合物、例如氯乙烯和尼龙的通用聚合物。还可以应用下面由于高弹性而在提供机械性质(例如弯曲性质)方面有效的材料。这些材料的实例是作为聚合物实例的橡胶，例如异戊二烯橡胶类(例如天然橡胶和异戊二烯橡胶)、丁二烯橡胶类(例如苯乙烯-丁二烯共聚物橡胶和丁二烯橡胶)、二烯特种橡胶类(例如丁腈橡胶和氯丁橡胶)、烯烃橡胶类(例如乙烯-丙烯橡胶、丙烯酸橡胶、丁基橡胶和卤化物丁基橡胶)、醚橡胶、聚硫橡胶和聚氨酯橡胶。
用于保护层的材料可以是在室温下表现出流动性并且通过加热固化的液体橡胶。液体橡胶的实例是聚二烯橡胶类(基本结构是聚异戊二烯、聚丁二烯、丁二烯-丙烯腈共聚物、聚氯丁二烯等等)、聚烯烃橡胶类(基本结构是聚烯烃、聚异丁烯等等)、聚醚橡胶类(基本结构是聚(氧丙烯)等等)、聚硫橡胶类(基本结构是聚(氧亚烷基二硫化物)等等)以及聚硅氧烷橡胶类(基本结构是聚(二甲基硅氧烷)等等)。
更优选地，用于保护层的材料是例如乙烯、丙烯和α-烯烃的聚合物的热塑性树脂。这种聚合物的实例是乙烯均聚物、乙烯-α-烯烃共聚物、乙烯-丙烯共聚物等。还可以使用向这些热塑性树脂中添加了金属氢化产物和易燃材料(例如磷和氮)的母料(master batch)。没有限制热塑性树脂的分子量(例如数均分子量和重均分子量)及分子量分布。但是在用热塑性树脂涂布塑料光纤方面，热塑性树脂具有高流动性是优选的。至于树脂的流动性指数，可以使用在流动试验(JIS K7210 1916)下的熔体流动速率(MFR)。在190℃的熔化温度下热塑性树脂优选具有5克/10分钟至150克/10分钟的MFR。MFR在190℃的熔化温度下为20克/10分钟至90克/10分钟是更优选的。
至于用于保护层材料，还可以使用热塑性弹性体。热塑性弹性体在室温下表现出橡胶弹性，并且在高温下塑化，从而容易模制。热塑性弹性体的实例是苯乙烯热塑性弹性体、烯烃热塑性弹性体、氯乙烯热塑性弹性体、尿烷热塑性弹性体、酯热塑性弹性体、酰胺热塑性弹性体等等。只要在等于或者低于POF聚合物的玻璃化转变温度Tg(℃)的温度下形成涂层，可以使用除上述材料以外的其它材料。例如，可以使用上述材料或者其它材料的共聚物和混合聚合物。
优选使用通过热硬化聚合物前体和反应试剂的混合液体而获得的材料作为保护层材料。如在日本特开第10-158353号所述，所述材料的实例是从NCO嵌段预聚物和涂布了粉末的胺制备的单包装(one-pack)型热固性尿烷组合物。另一个实例是由如在WO 95/26374中描述的具有NCO基团的尿烷预聚物和粒径小于或等于20微米的固体胺组成的单包装热固性尿烷组合物。为了改善初始保护层的性质，可以向初始保护层中添加添加剂和填料。添加剂的实例是阻燃剂、抗氧化剂、自由基俘获剂和润滑剂。可以从有机和/或无机化合物来制备填料。
[形成保护层的方法]
结合附图解释形成保护层的方法。涂布设备可以与拉丝设备连接，从而同时或者就在拉丝过程后进行涂布过程。
阐述用来围绕塑料光纤(POF)11形成保护层的涂布线10。可以使用用来涂布电缆和玻璃光纤的已知涂布线作为根据本实施方式的涂布线10。从进料机12将POF 11送到冷却机13中，使POF 11冷却至5℃至35℃的温度。对于降低涂布过程中的热损伤，在形成保护层之前冷却POF 11是优选的，但是涂布线10可以不具有冷却机13。然后，涂布装置14围绕POF 11涂布热塑性树脂(涂布材料)，制备出塑料光纤束(光纤束)15。后面将解释涂布方法。将光纤束15送到水槽16中，用冷水冷却，然后送到脱水机17中以除去光纤束15表面上的水。可以使用除脱水机17以外的机器来冷却光纤束15。借助进料辊18将光纤束15送到卷曲机19上。尽管图1中的涂布线10是从进料机12供应POF 11，但是涂布线10不局限于图1中所述的涂布线。例如，可以与涂布线集成用于形成POF的拉丝设备(未示出)。在此情况下，从拉丝设备连续供应预制棒，然后用涂层涂布POF。
在图2中，显示了在涂布装置14中提供的冲模30和喷嘴31。在涂布装置14中，将喷嘴31安装入冲模30中，使冲模30和喷嘴31之间的间隙形成用来通过作为涂布材料的热塑性树脂32的树脂通道33，34。为了保持热塑性树脂32的流动性，在冲模30和喷嘴31上安装恒温器35，36。为了降低传递到POF上的热量，涂布过程中热塑性树脂32的温度(涂布温度)优选尽可能地低。当涂布材料例如是聚乙烯时，涂布温度优选小于或等于140℃，并且更优选小于或等于130℃。涂布温度的下限没有限制，但是涂布温度的下限必须是热塑性树脂32具有流动性的温度。当热塑性树脂32例如是低密度聚乙烯时，涂布温度的下限优选是100℃至110℃。POF 11通过在喷嘴31中形成的纤维通道，并且借助纤维出口开孔31a送到喷嘴31的外面。
POF 11由作为光通道的纤芯部分11a和围绕纤芯部分11a形成的包层部分11b组成。POF 11的形状没有限制，但是直径D(μm)优选为200μm至1500μm，并且更优选为200μm至800μm。尽管POF11的进料速度没有限制，但是进料速度优选为10米/分钟至100米/分钟。低于10米/分钟的进料速度使生产率变差，因此增加了制造成本。另外，因为通过加热喷嘴31中的纤维通道的时间变长，从喷嘴31释放的热量可能热损伤POF 11。另一方面，快于100米/分钟的进料速度使作为涂布材料的热塑性树脂32丧失粘合性，因此引起例如热塑性树脂32脱离和由于树脂结晶引起的机械性质变化的问题。
冲模30和喷嘴31间的间隙构成树脂通道33，34。在预定的温度下加热具有流动性的热塑性树脂32，并且从树脂入口37，38流向树脂通道33，34。通过树脂通道33，34的熔融热塑性树脂32借助在冲模边缘和喷嘴边缘之间形成的树脂出口30a流出POF 11。在POF 11的外表面上涂布热塑性树脂32作为保护层39。然后，使具有围绕POF11的保护层39的光纤束15在水槽16中经受冷却处理(参见图1)。
为了在树脂出口30a中提供足够的间隙并且容易地用热塑性树脂32涂布POF 11，间隙(TA-TB1)满足下面的公式(1)：
20(μm)≤(TA-TB1)≤1500(μm)……(1)
其中，TA(μm)表示冲模30的开口直径，并且TB1(μm)表示喷嘴31的外径。当间隙小于20μm时，树脂通道33，34中热塑性树脂32的压力变高，所以当热塑性树脂32接触POF 11时，将向POF 11施加非常高的应力。因而，可能POF 11的折射率改变并且POF的光学性质(例如传输损失)变差。另一方面，当间隙大于1500μm时，涂层39变得太厚，并且涂层39的外观由于熔融热塑性树脂的滴下而变差。另外，厚的保护层39使均匀地冷却热塑性树脂32变难，所以POF 11可能受到热损伤并且光纤束15可能膨胀。
接下来，通过POF 11的喷嘴31的内径TB2(μm)和POF 11的直径D(μm)之间的差值(TB2-D)满足下面的公式(2)：
20(μm)≤(TB2-D)≤600(μm)……(2)
如果差值(TB2-D)小于20μm，POF 11将受到加热的喷嘴31的热损伤，并且POF 11将与喷嘴31接触以引起POF 11的物理损伤。另一方面，如果差值(TB2-D)大于600μm，POF 11与热塑性树脂32的粘合变差。
喷嘴31的外径TB1(μm)和内径TB2(μm)之间的差值(TB1-TB2)满足下面的公式(3)：
400(μm)＜(TB1-TB2)≤1500(μm)……(3)
如果差值(TB1-TB2)大于1500μm，热塑性树脂32与POF 11接触的位置33a，34a远离喷嘴端31b，所以位置33a，34a趋向于波动。结果，光纤束15将膨胀。差值(TB1-TB2)的下限没有限制，但是就制造成本、喷嘴的强调和耐用性而言大于400μm是优选的。
使用由冲模30和喷嘴31组成的模具，可以用热塑性树脂32涂布POF 11而不会引起例如对POF 11热损伤和不正确涂布的问题。POF 11的直径D优选是200μm至1500μm，并且更优选为200μm至800μm。在此情况下，具有厚度Tc(μm)为100μm至500μm的涂层39可以防止对POF 11的过度应力。应当注意当保护层39固化时一些涂布材料会导致收缩。
POF可以具有围绕上述作为第一保护层的保护层的第二(或者更多)保护层。如果第一保护层的厚度足以降低对POF的热损伤，那么对第二保护层硬化温度的要求与第一保护层相比变得不太严格。第二保护层可以提供有添加剂，例如阻燃剂、抗氧化剂、自由基俘获剂和润滑剂。阻燃剂是具有诸如溴的卤素的树脂、含磷的添加剂和材料。优选使用金属氢氧化物作为阻燃剂来降低有毒气体的释放。
可以用具有多功能的多个涂层涂布POF。这种涂层的实例是上述的阻燃剂层、防止吸湿的阻挡层、位于保护层之间或者保护层中的吸湿剂(例如吸湿带或凝胶)、作为减震剂的减轻弯曲POF时应力的柔性材料和苯乙烯形成层、增加刚性的增强层。作为涂层的热塑性树脂可以包含增加光缆强度的结构材料。结构材料是具有高弹性的拉丝强度纤维和/或具有高刚性的金属丝。拉丝强度纤维的实例是芳族聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维。金属丝的实例是不锈钢丝、锌合金丝、铜丝。结构材料不局限于那些上述的材料。还可以提供其它材料，例如用于保护的金属管、保持光缆的承载线。还可以应用增加线接光缆的工作效率的机构。
根据使用方法，选择性地将POF用作其中POF圆形排列的光缆组件、其中POF线性排列的带绕芯线、其中通过使用带或LAP鞘捆绑带绕芯线的光缆组件等等。
优选通过使用光连接器确保固定作为根据本发明的光学部件的POF的端部。市场上可以广泛获得的光连接器是PN型、SMA型、SMI型、F05型、MU型、FC型、SC型等。
通过作为光学部件的POF、光纤线和光缆传播光学信号的系统包括光学信号处理装置，其包括光学组件，例如发光元件、光接收元件、光开关、光隔离器、集成光路、光收发机组件等。这种系统可以与其它的POF组合。任何公知的技术都可以应用于本发明。例如，在“‘Basicand Practice of Plastic Optical Fiber’(由NTS公司出版)”、“‘Opticalmembers can be Loaded on Printed Wiring Assembly，at Last’，NikkeiElectronics，第2001年12月卷，第110-127页”等中描述了这些技术。通过结合根据这些文献中的技术的光学部件，光学部件可以用于适合高速和大容量数据通讯和在不影响电磁波下用于控制的短距离光学传输系统。具体地说，光学部件可以用于在设备(例如计算机和几种数字设备)中布线、在火车和车辆中布线、在光学终端和数字设备之间以及数字设备之间光学连接、在住房、集体住房、工厂、办公室、医院、学校中的室内光学LAN以及室外光学LAN。
此外，例如在“‘High-Uniformity Star Coupler Using Diffused LightTransmission’，IEICE TRANS.ELECTRON.，第E84-C卷，第3期，2001年3月，第339-344页”、“‘Interconnection in Technique of OpticalSheet Bath’，Journal of Japan Institute of Electronics Packaging，第3卷，第6期，2000年，第476-480页”中公开了与光传输系统结合的其它技术。另外，有光学总线(在日本特开第10-123350号、第2002-90571号、第2001-290055号等中公开)、光频支/耦合装置(在日本特开第2001-74971号，第2000-329962号，第2001-74966号，第2001-74968号，第2001-318263号，第2001-311840号等中公开)、光学星形耦合器(在日本特开第2000-241655号中公开)、光信号传输装置和光学数据总线系统(在日本特开第2002-62457号、第2002-101044、第2001-305395号等中公开)、光学信号处理装置(在日本特开第2000-23011号等中公开)、光学信号交叉连接系统(在日本特开第2001-86537号等中公开)、光传输系统(在日本特开第2002-26815号等中公开)、多功能系统(在日本特开第2001-339554号、第2001-339555号等中公开)、以及各种光学波导、光频支、光耦合器、光多路复用器、光解多路复用器等等。当将具有根据本发明的光学部件的光学系统与这些技术结合时，可以构建发送/接收多路光学信号的高级光传输系统。根据本发明的光学部件还可以适用于其它目的，例如发光、能量传输、照明和传感器。
                        实施例
将参考作为本发明实施方式的实施例(1)-(2)和作为对比的实施例(3)-(5)来详细地说明本发明。可以改变材料、含量、操作等，只要改变落在本发明的范围内。因此，本发明的范围不局限于下述的实施例。下面的说明详细地解释了实施例(1)。至于实施例(2)-(5)，将解释其与实施例(1)不同的部分。在下面的表1中列出了实施例的条件和结果。在表1中，最左列表示实施例的号。
在实施例(1)中，将预定量的单体(甲基丙烯酸甲酯(methacrylacid-methyl)(其中水被降低至1000ppm或以下))溶液倒入内径为22毫米且长度为600毫米的圆柱形刚性聚合室中。聚合罐的内径相应于待制备的预制棒的外径。包含单体溶液0.5重量％的二甲基-2，2’-偶氮二(2-甲基丙酸酯(2-methylpropyonate))作为聚合引发剂。另外，包含单体溶液0.62重量％的正月桂基硫醇作为链转移剂。当在60℃水浴中振动聚合室时，单体溶液经受预聚合2小时。然后，在65℃下水平保持聚合室(圆柱形室的轴向保持水平)，然后在3000rpm的速度下旋转圆柱形室下进行热聚合过程3个小时。然后，在90℃下进行热聚合过程24小时，从而制得由高聚物(PMMA)形成的圆柱形管。
接着，使作为纤芯材料的单体(甲基丙烯酸甲酯(其中水被降低至1000ppm或以下))与作为折射率控制组分的邻苯二甲酸二丁酯混合。邻苯二甲酸二丁酯的量为单体溶液的10重量％。在使单体混合物溶液过滤通过精度为0.2微米的由聚四氟乙烯制成的膜过滤器后，将滤液直接倒入圆柱形管的中空部分中。添加单体混合物溶液0.016重量％的二叔丁基过氧化物作为聚合引发剂。添加单体混合物溶液0.27重量％的正月桂基硫醇作为链转移剂。在直径比圆柱形管大9％的玻璃管中插入包含这种单体混合物溶液的圆柱形管，然后在压力聚合室中垂直且静止地保持玻璃管。然后，在氮气气氛中，将压力聚合室加压至0.1MPa(表压)，并且使单体混合物溶液在90℃下经受热聚合48小时。然后，压力聚合室中的压力增加至0.4MPa(表压)，然后使单体混合物溶液在120℃下经受热聚合24小时。在热聚合后，进行热处理以获得预制棒。预制棒的重均分子量为106,000，并且分子量分布((重均分子量)/(数均分子量))为2.1。预制棒的玻璃化转变温度在纤芯部分的中央为最小值90℃(＝Tg)。纤芯部分中的玻璃化转变温度随着折射率分布逐渐增加。纤芯部分最外区中的玻璃化转变温度为110℃。
当聚合完成时，预制棒没有任何由于体积收缩产生的气泡。在230℃下加热预制棒并且拉丝以获得直径为316微米的POF。在650纳米下测量的POF的传输损失为160dB/km，并且在850纳米下测量的POF的传输损失为1250dB/km。
使用与具有冲模30和喷嘴31的模具连接的挤出机(螺杆直径φ：40毫米)围绕POF形成保护层。冲模30的直径TA(μm)为2100μm。喷嘴31的外径TB1(μm)和内径TB2(μm)分别为1100μm和500μm。在125℃和360克/分钟的条件下从挤出机挤出作为涂布材料的低密度聚乙烯((LDPE；JPO生产的JMA07A；MFR＝50克/10分钟)。当以20米/分钟的速度进料塑料光纤(厚度D为316μm)时，涂布材料与塑料光纤接触并且拉丝至具有预定的厚度。使具有涂布材料的光纤束15经受冷却处理，然后绕着卷轴缠绕。保护层的厚度Tc为220μm，并且光纤束的直径(缆径)为750μm。应当指出保护层的厚度Tc是树脂干燥后测量的值。测量涂布的塑料光纤的传输损失，并且在形成保护层后传输损失的增加为2dB/km。
在实施例(2)中，使用与实施例(1)相同的挤出机。在130℃和390克/分钟的条件下从挤出机挤出作为涂布材料的线性低密度聚乙烯(LLDPE；Tosoh Corp.生产的Nipolon-L；MFR＝20克/10分钟)。当以20米/分钟的速度进料塑料光纤(厚度D为316μm)时，涂布材料与塑料光纤接触并且延展至具有预定的厚度。使具有涂布材料的光纤束15经受冷却处理，然后绕着卷轴缠绕。保护层的厚度Tc为245μm，并且光纤束的直径(缆径)为805μm。测量涂布的塑料光纤的传输损失，并且在形成保护层后传输损失的增加为7dB/km。
在作为对比实施例的实施例(3)中，使用与实施例(1)相同的挤出机。冲模30的直径TA(μm)为3100μm。喷嘴31的外径TB1(μm)和内径TB2(μm)分别为1100μm和500μm。在125℃的条件下从挤出机挤出作为涂布材料的低密度聚乙烯(LDPE；JPO生产的JMA07A；MFR＝50克/10分钟)，并且用保护层涂布塑料光纤(厚度D为316μm)。保护层的厚度Tc为240μm，并且光纤束的直径(缆径)为800μm。测量涂布的塑料光纤的传输损失，并且在形成保护层后传输损失的增加为75dB/km。
在作为对比实施例的实施例(4)中，使用与实施例(1)相同的挤出机。冲模30的直径TA(μm)为2100μm。喷嘴31的外径TB1(μm)和内径TB2(μm)分别为1700μm和1000μm。在125℃的条件下从挤出机挤出作为涂布材料的低密度聚乙烯(LDPE；JPO生产的JMA07A；MFR＝50克/10分钟)，并且用保护层涂布塑料光纤(厚度D为316μm)。保护层的厚度Tc为245μm，并且光纤束的直径(缆径)为805μm。测量涂布的塑料光纤的传输损失，并且在形成保护层后传输损失的增加为65dB/km。
在作为对比实施例的实施例(5)中，使用与实施例(1)相同的挤出机。冲模30的直径TA(μm)为2500μm。喷嘴31的外径TB1(μm)和内径TB2(μm)分别为2100μm和500μm。在125℃的条件下从挤出机中挤出作为涂布材料的低密度聚乙烯((LDPE；JPO生产的JMA07A；MFR＝50克/10分钟)，并且用保护层涂布塑料光纤(厚度D为316μm)。保护层的厚度Tc为243μm，并且光纤束的直径(缆径)为800μm。测量涂布的塑料光纤的传输损失，并且在形成保护层后传输损失的增加为50dB/km。
                                    表1
实施例   保护层材料             公式   厚度Tc(μm)   传输损失的增加(dB/km)
  (1)   (2)   (3)
  (1)   LDPE   ○   ○   ○   220   2
  (2)   LLDPE   ○   ○   ○   245   7
  (3)   LDPE   ×   ○   ○   240   75
  (4)   LDPE   ○   ×   ○   245   65
  (5)   LDPE   ○   ○   ×   243   50
应当指出在表1中，公式(1)-(3)如下：
20(μm)≤(TA-TB1)≤1500(μm)  ……    (1)
20(μm)≤(TB2-D)≤600(μm)    ……    (2)
400(μm)＜(TB1-TB2)≤1500(μm)……    (3)
其中，TA(μm)表示冲模的直径、TB1(μm)表示喷嘴的外径、TB2(μm)表示喷嘴的内径，并且D(μm)表示塑料光纤的直径。另外，标记“○”表示实验条件满足公式，并且标记“×”表示实验条件不满足公式。
上面的表1表明当用满足公式(1)-(3)的具有冲模和喷嘴的模具时，在用LDPE或者LLDPE的涂布过程后传输损失的增加小于10dB/km。
                     工业实用性
本发明涉及用于涂布塑料光纤表面的方法和设备。

Claims (4)

1.通过利用喷嘴和冲模使用热塑性树脂涂布塑料光纤的涂布方法，所述喷嘴被装配到形成于所述冲模中的开孔中，通过使热塑性树脂流过形成于所述冲模和所述喷嘴之间的树脂通道并且通过经由所述树脂通道围绕塑料光纤涂布所述热塑性树脂来用热塑性树脂涂布所述塑料光纤，所述塑料光纤通过形成于所述喷嘴中的光纤通道；
其中，所述冲模和所述喷嘴满足如下条件：
                20(μm)≤(TA-TB1)≤1500(μm)
                20(μm)≤(TB2-D)≤600(μm)
                400(μm)＜(TB1-TB2)≤1500(μm)
其中，TA(μm)表示所述冲模的直径、TB1(μm)表示所述喷嘴的外径、TB2(μm)表示所述喷嘴的内径，并且D(μm)表示所述塑料光纤的直径。
2.如权利要求1所述的涂布方法，其中所述塑料光纤的直径为200μm至1500μm，并且围绕所述塑料光纤涂布的热塑性树脂的厚度为100μm至500μm。
3.如权利要求1所述的涂布方法，其中在190℃的熔化温度下所述热塑性树脂的熔体流动速率为5克/10分钟至150克/10分钟。
4.用于使用热塑性树脂涂布塑料光纤的涂布设备，所述涂布设备包括：
喷嘴，在其中形成光纤通道；和
冲模，在其中形成用来装配所述喷嘴的开孔，通过使所述热塑性树脂流过形成于所述冲模和所述喷嘴之间的树脂通道，并且通过经由所述树脂通道围绕塑料光纤涂布所述热塑性树脂来用热塑性树脂涂布所述塑料光纤，所述塑料光纤通过形成于所述喷嘴中的光纤通道；
其中，所述冲模和所述喷嘴满足如下条件：
                20(μm)≤(TA-TB1)≤1500(μm)
                20(μm)≤(TB2-D)≤600(μm)
                400(μm)＜(TB1-TB2)≤1500(μm)
其中，TA(μm)表示所述冲模的直径、TB1(μm)表示所述喷嘴的外径、TB2(μm)表示所述喷嘴的内径，并且D(μm)表示所述塑料光纤的直径。
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