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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Glasfasern
oder Halbzeugen für die optische Industrie nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Schnelle
Internetverbindungen werden in den Zeiten der globalen Kommunikationsgesellschaft immer
wichtiger. Zum Übertragen der dabei anfallenden enormen
Datenmengen in schnellstmöglicher Geschwindigkeit werden
in zunehmendem Maße Lichtwellenleiter (nachfolgend als
LWL bezeichnet) verwendet. Beim Design von LWL kommt neben der mechanischen
Stabilität die Dämpfung bei verschiedenen Wellenlängen
eine zentrale Bedeutung zu.
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Es
existiert eine Vielzahl von LWL, die in bestimmten Wellenlängenbereichen
eine besonders niedrige Dämpfung aufweisen. Gerade die
effiziente Lichtwellenleitung in Grenzbereichen des optischen Spektrums,
insbesondere UV/VIS und IR, stellt besondere Anforderungen an die
Fasern.
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Die
Güte der LWL ist hängt dabei in besonderem Maße
von der Umgebungstemperatur ab. Eine für die jeweilige
LWL geltende optimale Einsatztemperatur ist vor allem durch das
verwendete Coating der optischen Faser des LWL bestimmt. Bei diesem
handelt es sich zumeist um organische Polymerverbindungen. Deren
Temperaturbeständigkeit ist allerdings nur auf wenige hundert°C
begrenzt.
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Durch
ein Coating aus Metall können wesentlich höhere
Einsatztemperaturen realisiert werden. Dabei stellt die Haftung
des Coatings vor allem an Glas eine wichtige Voraussetzung dar.
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Zum
Aufbringen einer Metallbeschichtung auf einem Glasubstrat sind aus
dem Stand der Technik eine Reihe von Verfahren bekannt.
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So
wird beispielsweise in den deutschen Druckschriften
DE 102007025151 und
DE 102006029617 ein Verfahren
zur Beschichtung und Modifikation eines Substrats vorgestellt. Dabei
wird wenigstens ein Precursor einem Arbeits- und/oder Brenngas eines
Brenners beigemischt, welcher sich in Folge dessen entweder während
des Reaktionsweges und/oder auf dem erhitzten Substrat zum fertigen
Beschichtungsprodukt abscheidet. Dieses Verfahren ist allerdings
nur für größere Flächen anwendbar
und führt bei dünnen LWL zu großen Problemen z.
B. in Form von Abrissen.
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Die
deutsche Druckschrift
DE 69907881 offenbart
eine Verwendung von Glasspinnfäden zur Stabilisierung von
Verstärkungsverbundmaterialien. Die Metallbeschichtung
erfolgt gemäß der dort offenbarten Lehre über
getrocknete Rückstände und ist für die
Verwendung zur Außenbeschichtung für LWL nicht
geeignet.
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In
der Druckschrift
DD 290871 wird
ein Verfahren zur Innenbeschichtung einer Hohlfaser beschrieben.
Dieses Verfahren besitzt den Nachteil, dass die zu beschichtenden
Glasoberflächen vorher zunächst mit Aktivatoren
behandelt werden müssen, um ein nachhaltiges Anhaften der
Metallbeschichtung auf dem Glas zu gewährleisten. Auch
gemäß der Druckschrift
DE 19516628 muss zum Aufbringen einer
Silberbeschichtung auf einem glasartigen Substrat das Glas zunächst
aktiviert werden, bevor in einem zweiten zeitlich deutlich nachgelagerten
Schritt die Beschichtung erfolgen kann.
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In
der internationalen Druckschrift
WO 2004/039740 wird
eine Beschichtungszusammensetzung beschrieben, bei dem zu einer
löslichen Silberverbindung mindestens ein organisches Bindemittel zugegeben
wird. Für die Verwendung bei LWL stellt dies einen gravierenden
Nachteil dar, denn bei diesen muss ein besonderer Wert auf die Reinheit
des Materials gelegt werden. Organische Verbindungen können
dabei das Evaneszenzfeld des LWL stören.
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In
den Druckschriften
DE 69912334 und
DE 102004030104 werden
Verfahren zum Ablagern von Metalloxidschichten beschrieben. Metalloxidschichten
weisen in der Regel eine höhere Sprödigkeit auf. Dies
macht sie als Coating für LWL ungeeignet.
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In
der Druckschrift
DE 19829970 wird
ein Verfahren zur Herstellung von UV-Polarisatoren vorgestellt,
wobei in einem ersten Verfahrensschritt in die Oberfläche
eines Glases Metallionen eingebracht werden und in einem zweiten
Verfahrensschritt das Glas bis zu einer Reduktion und Ausscheidung
der Metallionen in der Oberfläche des Glases in Form kristalliner
Partikel getempert wird. Häufig müssen diese Verfahrensschritte
wiederholt werden, wodurch dieses Verfahren zur schnellen Beschichtung
von LWL ungeeignet ist.
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In
einer in Chem. Commun., 2009, 2002–2004 erschienenen
Publikation wird ein Photokatalysator beschrieben, der auf einem
Glasträger angebracht wurde. Bei diesem schichtartigen
Aufbau dient das Glassubstrat aber nicht der Lichtleitung.
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In
der internationalen Druckschrift
WO 2009/008122 wird
ein Verfahren zur Herstellung eines faserförmigen Photokatalysators
vorgestellt. Dieses Verfahren ist aber nur auf faserförmige
Anwendungen beschränkt und umfasst keine massive Metallaußenbeschichtung.
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In
der europäischen Druckschrift
EP 1008565 wird ebenfalls ein Verfahren
zur Herstellung von Photokatalysatoren vorgestellt. Dabei können die
mit Katalysator beschichteten Fasern zu Gewebe verarbeitet werden.
Bei diesem Verfahren wird Licht von Außen zugeführt
und nicht durch die Faser, wie bei einem LWL üblich.
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In
der Druckschrift
US 6468428 wird
ein Filter mit einem Photokatalysator vorgestellt, dessen Basis
eine Glasfaser ist. Dabei besteht das Glas aus vielen Komponenten,
wobei der SiO
2 Anteil weniger als 80% beträgt.
Dies bewirkt eine hohe Dämpfung bereits in der Glasfaser.
Daher sind diese Glasfasern für eine Verwendung als LWL
bei weitem zu ineffizient.
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Es
besteht somit die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich
ist, in effizienter Weise ohne zusätzliche Aktivierungschritte
oder den Zusatz von Bindemitteln Lichwellenleiter mit einem in ihrer
Dicke und chemischen Zusammensetzung variablen metallhaltigen Coating
zu versehen. Dabei soll es insbesondere möglich sein, das
Coating in dessen Gaspermeabilität und/oder elektrischen
Leitfähigkeit und/oder (photo)-physikalischen und chemischen
Eigenschaften gezielt einzustellen.
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Das
Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch
aus, dass in wenigstens einem ersten Verfahrensschritt eine frische
Glasoberfläche geschaffen wird und in einem zweiten Verfahrensschritt, der
unmittelbar auf den ersten folgt, diese mit zumindest einem Außencoating,
welches zumindest in einer Schicht zumindest eine metallhaltige
Verbindung besitzt, versehen wird.
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Die
Besonderheit dieses Verfahrens besteht in der Nutzung einer in situ
hergestellten Glasoberfläche in dem ersten Verfahrensschritt.
Diese ist besonders chemisch besonders reaktiv und sorgt somit für eine
genügend hohe Festigkeit der Metallschicht auf dem Glas.
Anders als beim Stand der Technik, bei dem durch zumeist chemische
Reagenzien eine Aktivierung der Oberfläche vorgenommen
wird, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens als
LWL eine Glasfaser beliebiger chemischer Zusammensetzung und Größe
verwendet, welche entweder bereits während des Ziehprozesses
und/oder unmittelbar nach dessen Abschluss in einem weiteren Verfahrensschritt
beschichtet wird.
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Die
Herstellung dieser frischen Glasoberfläche kann beispielsweise über Ätzprozesse
(chemisches Ätzen, Feuer und/oder Plasmapolitur) und/oder über
Schmelz- bzw. Zieh-/Extrudier-/Streck-/Senk-Prozesse wie beispielsweise
den Faserziehprozess erfolgen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform wird zumindest eine
einen Metallprecursor enthaltende Verbindung als Coating verwendet.
Dadurch bildet sich die Metallisierung erst unmittelbar auf der
Oberfläche des Glases aus.
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Bei
einem vorteilhaften Zwischenschritt wird zwischen den Verfahrensschritten
zunächst wenigstens ein im Wesentlichen organische Komponenten enthaltendes
Coating auf die Glasoberfläche aufgetragen. Diese Zwischenschicht
dient als Photosensibilisator.
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Zumindest
eine die metallhaltigen Verbindungen enthaltene Schicht wird bei
einer zweckmäßigen Verfahrensausführung
als Photokatalysator verwendet. Dem zweiten Verfahrensschritt schließt sich
bei einer zweckmäßigen Verfahrensausgestaltung
mindestens ein Temperaturbehandlungsschritt an. Dadurch kann die
Qualität des Coatings entscheidend verbessert werden.
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Weiterhin
kann sich dem zweiten Verfahrensschritt zumindest ein Galvanisierungsschritt
anschließen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist dem zweiten
Verfahrensschritt zumindest ein weiterer Beschichtungsschritt angeschlossen. Dieser
betrifft insbesondere ein Aufbringen eines Glases, Metalloxids,
einer organischen Verbindung, eines Polymers, eines Metall, einer
Komplexverbindung und/oder einer Legierung.
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Bei
einer weiteren zweckmäßigen Ausführung
schließt sich dem zweiten Verfahrensschritt zumindest ein
Bestrahlungsschritt an. Dadurch kann die Struktur der Beschichtung
positiv beeinflusst werden.
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Die
genannten Schritte können in einer beliebigen Kombination
und Häufigkeit durchgeführt werden.
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Ein
eine Metallverbindung enthaltender LWL ist bei einer zweckmäßigen
Verwendung als Mikrophotokatalysator vorgesehen, wobei der Lichtwellenleiter
an zumindest einer Grenzfläche zumindest eine photokatalytisch
aktive Komponente aufweist.
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Bei
der Ausführung des Verfahrens wird der dem metallenthaltenden
Coating zugrunde liegende LWL in seiner Größe,
Vieleckigkeit, Form, Dimensionierung, seiner chemischen Zusammensetzung und/oder
seiner Profilierung dem jeweils vorgesehenen Verwendungszweck, insbesondere
als Photokatalysator, angepasst.
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Die
im Verlaufe des Verfahrens aufeinanderfolgend aufgebrachten Coatings
werden zweckmäßigerweise so ausgeführt,
dass diese sich in ihrer Dicke, ihrer chemischen Zusammensetzung,
ihren photo- und physikalischen Eigenschaften, ihrer Porosität, ihrer
Gaspermeabilität, den Oxidationsstufen der enthaltenen
Elemente und/oder ihrer Duktilität voneinander unterscheiden.
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Bei
einer Ausführungsform des Verfahrens wird zumindest ein
Reduktionsmittel während zumindest eines Verfahrensschrittes
verwendet. Ebenfalls ist es möglich, dass zumindest ein
Bindemittel während zumindest eines Verfahrensschrittes
zumindest temporär verwendet wird.
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Während
des Verfahrensablaufs kann zweckmäßigerweise mittels
mindestens einer der aufgebrachten Schichten zumindest eine der
folgenden Eigenschaft des LWL gezielt verändert werden: ein
biozides Verhalten, ein elektrostatisches Verhalten, ein photokatalytisches
Verhalten, dessen Lichtstreuung, dessen Selbstheilungsfähigkeit,
dessen Transparenz, dessen Antistressverhalten, eine elektrochrome
Aktivität, ein antibaktielles, antivirelles und/oder antifungizides
Verhalten, ein biokompatibles Verhalten, ein Verschleissverhalten,
dessen chemische Widerstandsfähigkeit, dessen schmutzabweisende
Wirkung, dessen hydrophiles und/oder hydrophobes Verhalten, dessen
elektrische Leitfähigkeit, dessen Reibung und/oder Haftung,
dessen Oleophobie, dessen antikorrosive Wirkung, dessen Oberflächenenergie
und/oder Oberflächenspannung, eine gasochrome Aktivität,
dessen Kratzfestigkeit, dessen Brechungsindex, Reflektivität,
Streuung, Absorption und/oder Emission und/oder dessen Haftung.
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Das
Verfahren wird bei einer zweckmäßigen Ausführungsform
so realisiert, dass ein gerichteter Elektronen- und/oder ein Energietransfer
zwischen den einzelnen Beschichtungen stattfindet. Dieses kann durch
insbesondere chemische und/oder elektrostatische und/oder Wasserstoff-Brückenbindungen
zwischen den einzelnen Beschichtungen erfolgen. Durch eine Verknüpfung
der einzelnen Schichten in zuvor genannter Weise kann die Beschichtung insgesamt
stabilisiert werden.
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Je
nach katalytischer Verwendung des LWL kann bei einer Ausführung
des Verfahrens wenigstens ein Elektronenakzeptor und/oder wenigstens
ein Elektronendonor, im einfachsten Fall eine Spannungsquelle als
ein Additiv verwendet werden.
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In
Verbindung mit den genannten Verfahrensschritten kann eine Bestrahlungsprozedur und/oder
eine Temperaturbehandlung während des Ziehens der Faser
vorgenommen werden. Dabei wird die Bestrahlungsprozedur dadurch
realisiert, dass die dafür vorgesehene Strahlungsenergie
durch die Preform hindurch in die Faser eingeleitet wird.
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Das
Verfahren wird insbesondere bei der Herstellung von aktiven Laserfasern
angewendet. Der Schritt eines Faserziehens erfolgt zweckmäßigerweise
mit einer reduzierten Ziehgeschwindigkeit, um zusätzlich
eine Verbesserung des Verhaltens hinsichtlich eines unerwünschten
Photodarkening zu gewährleisten.
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Weiterhin
erfolgt bei einer zweckmäßigen Ausführungsform
das Abkühlen der Faser im Anschluss des Ziehprozesses mit
einem geringen Abkühlgradienten, d. h. langsam.
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Soll
die Faser als (Mikro-)Photokatalysator Anwendung finden, ist hingegen
eine definierte Streuung der lichtführenden Schicht notwendig,
um das Licht zur Absorberschicht zu transferieren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand
eines beispielhaften Verfahrensablaufs und beispielhafter Ausführungsformen
des dabei gefertigten LWL näher erläutert werden.
Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 3.
Es werden für gleiche oder gleichwirkende Verfahrensschritte und/oder
Teile und Abschnitte die selben Bezugszeichen verwendet.
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Es
zeigen:
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1 einen
beispielhaften LWL im Längsschnitt mit einem Faserkern,
einem Cladding, einer Absorberschicht und einer Katalysatorbeschichtung,
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2 einen
beispielhaften hohlen LWL im Querschnitt mit einer im Inneren eingeschlossenen Absorberschicht
und einer Katalysatorschicht sowie einem Gas- oder Flüssigkeitsraum.
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3 einen
beispielhaften hohlen LWL im Querschnitt mit einer im Inneren eingeschlossenen Absorberschicht
(4') und einer Katalysatorschicht (5') sowie einem
Gas- oder Flüssigkeitsraum (7) auf der Innenseite,
einer weiteren Absorberschicht (4), welche zur Schicht 4' unterschiedlich
sein kann, und einer weiteren Katalysatorschicht (5), welche
zur Schicht 5' unterschiedlich sein kann, auf der Außenseite.
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1 zeigt
anhand eines beispielhaften LWLs für photokatalytische
Anwendungen eine beispielhafte Ausführung des Verfahrens.
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Bei
der Ausführung des Verfahrens wird zunächst von
einem frisch gezogenen Glaskern 1 ausgegangen. Dieser liegt
in der in 1 gezeigten Ausführungsform
ein Glas-Vollprofil vor und bildet den optisch leitenden Kern des
späteren LWL.
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Zur
Beschichtung des Kerns wird bei dem hier vorliegenden Beispiel zunächst
ein niedrigbrechendes Cladding 2 aufgebracht, welches bereits metallische
Komponenten und/oder definierte Störstellen enthalten kann,
wenn der Aufbau als Mikrophotokatalysator verwendet werden soll.
Zum Aufbringen eines weiteren Claddings (5) wird der Kern beispielsweise
mit einer metallhaltigen Schmelze benetzt. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform ist die metallhaltige Schmelze in Form
einer Metallsalzschmelze ausgebildet und besteht beispielsweise aus
Silbernitrat AgNO3. Ebenfalls verwendbar
sind aber auch Metallverbindungen enthaltende Lösungen
und/oder Suspensionen und/oder Emulsionen, welche mit der frischen
Glasoberfläche in einen reaktiven und bindenden Kontakt
treten können.
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Als
Lösungsmittel für die derartigen Lösungen,
Suspensionen und/oder Emulsionen wird beispielsweise Wasser in veränderlichen
Anteilen verwendet. Es können, je nach der im Einzelfall
verwendeten metallhaltigen Verbindung, auch wasserfreie organische
Lösungsmittel sowohl halogenhaltiger als auch halogenfreier
Form, ionische Flüssigkeiten oder Mischungen aus den zuvor
genannten Lösungsmitteln verwendet werden.
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Bei
einem weiteren Verfahrensbeispiel wird die Beschichtung über
einen Sol-Gel-ähnlichen Ansatz ausgeführt. Dabei
wird eine Vorform des Kerns in eine Sol-Gel-Lösung getaucht,
nach einer entsprechenden Verweilzeit aus der Lösung entfernt
und getrocknet. Bei einer bevorzugten Anwendungsform folgt zumindest
eine Temperaturbehandlung, beispielsweise eine Plasmabehandlung,
wobei das Plasma, je nach Anwendungsfall, als ein reduzierendes
oder oxidierendes Plasma ausgebildet ist. Anschließend
kann der Beschichtungsprozess mit einer Lösung gleicher
oder unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung wiederholt werden.
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Vorzugsweise
erfolgt nach dem zweiten Verfahrensschritt eine Temperaturbehandlung
in Form definierter Erwärmungs- und/oder Abkühlschritte und/oder
eine Strahlungsbehandlung und/oder eine weitere Beschichtung mit
einem weiteren organischen und/oder anorganischen Substrat.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel zur Herstellung des
Claddings 5 werden keramische und/oder Metalloxide als
eine stabilisierende Schicht abgeschieden. Die Reihenfolge und die
Häufigkeit der dem zweiten Verfahrensschritt folgenden
Behandlungsschritte richten sich nach der Produktspezifikation.
Sie ist daher in einem hohen Maße variabel.
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Bei
einer weiteren Variante ist vorgesehen, dass zumindest ein metallhaltiges
Coating aus zumindest einer katalytisch aktiven Komponente 3 aufgebracht
wird. Die katalytisch aktive Komponente besteht bei dem hier vorliegenden
Beispiel aus einem Absorber 4, der als Photosensibilisator
wirkt und Lichtenergie aus dem Kern 1 und dem Cladding 2 empfängt.
Daraufhin kann ein gerichteter Photoelektronen und/oder Energietransfer
vom Absorber (Photosensibilisator) hin zum Katalysator und/oder
einem geeigneten Akzeptor erfolgen. In Folge dessen kann – je
nach Richtung des Elektronenflusses – der Katalysator temporär
reduziert oder, als Folge eines weiteren Elektronenflusses vom Katalysator
zum Absorber (Reduktion des oxidierten Absorbers), oxidiert werden.
Je nach so erhaltenem Zustand können dann Reduktions- bzw.
Oxidationsreaktionen am aktiven Katalysezentrum stattfinden.
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Weiterhin
ist es möglich, dass zumindest ein Absorber mit wenigstens
einem katalytischen Zentrum über zumindest eine kovalente
Bindung und/oder Wasserstoffbrückenbindung und/oder elektrostatische
Bindung miteinander verbunden ist. Hierdurch können Absorber
und katalytisches Zentrum/Zentren in einem Molekül verbunden
sein. So lassen sich beispielsweise Multielektronentransferprozesse
innerhalb einer makromolekularen Einheit realisieren.
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Die
durch die Katalyse verbrauchten (im Fall von Reduktionskatalysen)
bzw. gelieferten Elektronen (im Fall von Oxidationskatalysen) werden
durch geeignete Hilfsmittel, im einfachsten Fall einen externen
Elektronendonor bzw. Elektronenakzeptor, wieder aufgefüllt
bzw. abgeführt. Der Transport dieser Hilfsmittel kann sowohl
von der Außenseite der Faser erfolgen oder im bevorzugten
Fall im Inneren (7) einer Hohlfaser. Das ermöglicht
eine attraktive räumliche Trennung der Reaktionsräume
außerhalb und innerhalb der Faser (3). So ist
eine geeignete Kopplung von Oxidations- und Reduktionsreaktionen durch
das Einbringen von mehreren unterschiedlichen katalytischen Zentren
(5, 5') in einer attraktiven Art und Weise möglich.
Diese können – müssen aber nicht – in
verschiedenen Schichten lokalisiert sein. Durch eine geeignete Kombination
von Absorberschichten (4, 4') und verschiedenen
Katalysatoren (5, 5') kann dieser Aufbau zu photokatalytischen
Wasserspaltung genutzt werden. Dieser Aufbau ist aber nicht auf
die zuvor genannte Katalyse beschränkt, sondern kann für
den Fachmann entsprechend erweitert werden.
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Für
eine solche Kopplung von zwei unterschiedlichen Photokatalysen ist
es bei einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, die beiden
getrennten Katalysatorsysteme über eine Potenzialbrücke und/oder
einen Stromschlüssel, gegebenenfalls in Verbindung mit
einer weiteren porösen Hohlraumstruktur und/oder einer
elektronischen Kopplung, miteinander zu verbinden. Dadurch wird
der notwendige Ladungsausgleich beziehungsweise Ladungstransfer
zwischen den beiden Systemen erreicht. Dieser kann im einfachsten
Fall durch die externe Verbindung der entsprechenden Schichten mittels
eines elektrischen Kontaktes oder durch Einbringung von elektrisch
leitfähigen Strukturen erfolgen, die die einzelnen Schichten
zumindest abschnittsweise radial verbinden. Diese Einbringung kann
auch als separat nachgelagerter Verfahrensschritt vorgenommen werden.
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Ebenfalls
möglich ist ein reiner Energietransfer vom Absorber hin
zum Katalysator. Durch den Energietransfer wird der Katalysator
in einen angeregten Zustand versetzt. Dadurch wird die notwendige Aktivierungsenergie
für die Katalyse bereitgestellt. Ebenfalls ist eine Kombination
aus gerichtetem Mehr- bzw. Einzelelektronen- und Energietransfer möglich.
Durch diesen Aufbau besteht die Möglichkeit, Katalysen
wie Additionsreaktionen, Isomerisationsreaktion, Cycloadditionen,
Redoxreaktionen etc., unter extremen Bedingungen und/oder in unzugänglichen
Räumen in geeigneter Weise durchzuführen.
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Die
katalytisch aktive Komponente 3 besteht beispielsweise
aus einem Metall und/oder Halbmetall und/oder einem Übergangsmetall
und/oder Selten-Erden-Metall-Komplexen und/oder deren Mischungen.
Diese bilden entweder den Photosensibilisator 4 und/oder
den Photokatalysator 5 und/oder eine Kombination aus beiden
Funktionen. Mittels Verwendung eines geeigneten LWL kann das Licht auf
einer Strecke gezielt aus dem Kern 1 in das Cladding 2 bzw.
die Beschichtung 3 transportiert werden.
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Die
in dem Coating 3 angebrachten Metallverbindungen liegen
als Komplexe, Komplexmischungen, Heterooligonucleare Komplexe, Metallkomplexpolymere,
Cluster, Mischungen aus metall-organischen und organischen Verbindungen,
Legierungen, reines und/oder dotiertes Metall oder als Nanopartikel
vor und können durch das aus dem Kern 1 herangeführte
Licht angeregt werden. Sie dienen so direkt als Katalysatoren und/oder
Photosensibilisatoren, d. h. als Absorber.
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Die
zwischen der Katalysatorschicht 5 und dem mit dem Cladding 2 bedeckten
Kern 1 aufgebrachte Absorberschicht 4 dient als
Photosensibilisator. Diese kann metallhaltige Verbindungen enthalten,
wobei auch Mischungen von verschiedenen Verbindungen möglich
sind, die in einer bevorzugten Ausführungsform einen radialen
Konzentrationsverlauf und/oder eine radiale Schichtstruktur aufweisen. Bei
Einstrahlung von Licht hoher spektraler Bandbreite können
so die einzelnen Absorberschichten, nach dem Vorbild der natürlichen
Photosynthese, jeweils spezifisch Strahlung absorbieren und einen
gerichteten (Multi-)Elektronentransfer zum Katalysezentrum ermöglichen.
Durch eine derartige Anordnung ist es möglich, an Orten,
die normalerweise lichtunzugänglich sind, Photokatalysatoren
zu integrieren und gezielt anzuregen. Weiterhin wird die Oberfläche
gezielt vergrößert. Es wird dadurch eine höhere
katalytische Aktivität erreicht.
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Um
die Lichtleitung effektiv zu den Photosensibilisatoren zu transportieren,
ist bei einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass gezielt
Streu- bzw. Störzentren (Inhomogenitäten) 6 in
den LWL, insbesondere in das Cladding 2, eingebracht werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich dabei
um ins Glasnetzwerk eingebrachte Kristalle und/oder Metalltropfen
und/oder Gasblasen. Eine weitere Möglichkeit hierzu besteht
durch eine gezielte Abweichung von der Kreissymmetrie in den lichtleitenden
Schichten. So ist beispielsweise eine ovale, vieleckige und/oder
eine Kombination aus beiden Formen vorgesehen.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass Photokatalysatoren in Umgebungen
und/oder Medien eingesetzt werden können, welche das Anregungslicht
in hohem Maße absorbieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird die so beschichtete Glasfaser auf eine Spule aufgewickelt und
in ein Medium gebracht. Das Licht wird über die Enden der Glasfaser
von zumindest einer Seite eingekoppelt.
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In
einer weiteren, in 2 bzw. 3 gezeigten
Ausführungsform kann die Abfolge der Schichten variieren.
So kann beispielsweise der Kern 1 als ein Hohlkern ausgebildet
sein, während der Photosensibilisator bzw. der Absorber 4 und
der Katalysator 5 in dessen Inneren angeordnet sind. Dies hat
den Vorteil, dass Reaktionen innerhalb eines inneren Gas- bzw. Flüssigkeitsraums 7 durchgeführt werden
können.
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Ebenfalls
möglich ist die Verwendung eines Kerns in Form eines Feststoffes
bzw. Schaums mit einer im Inneren definierten Porosität.
Sowohl bei einem röhrenförmigen Hohlkern als auch
bei einem porös gestalteten Kern kann die Verweilzeit von
Edukten durch die Länge der Faser in einem hohen Maße variiert
werden. Sowohl kurze als auch sehr lange Verweilzeiten sind dadurch
möglich. Damit ist dieser Anordnung eines Mikrophotokatalysators
auf Basis eines LWL in hohem Maß flexibel und für
viele Anwendungen einsetzbar.
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Speziell
bei einem solchen Ausführungsbeispiel, aber auch bei der
in 1 gezeigten Faser ist ebenfalls ein reverser Anwendungsfall
möglich. So ist eine Verwendung als eine photovoltaische
Zelle möglich, indem die Absorberschichten entsprechend angepasst
werden. Bei einer solchen Ausführungsform strahlt Licht
von Außen ein, wird vom Photosensibilisator in Strom umgewandelt,
wobei dieser über eine leitfähige Innenschicht
transportiert wird.
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Die
beiden beschriebenen Anordnungen können in beliebiger Weise
miteinander kombiniert werden, wobei die einzelnen Schichten variabel
in Ihrer Form, ihrer geometrischen Gestaltung, d. h. rund, vieleckig,
oval, ihrer Größe, Anzahl und/oder Reihenfolge
sind. Die Gestaltung des eigentlichen LWL, d. h. dessen chemische
Zusammensetzung wie Dotierung, Stufenprofil, Größe,
Geometrie des Kerns und/oder des Claddings, wird dem entsprechenden Verwendungszweck
in geeigneter Weise angepasst.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform ist auch eine Durchmischung
von zumindest einzelnen Schichten, insbesondere der Absorber und
der Katalysator-Schicht, möglich. Dies bringt den Vorteil
mit sich, dass der Elektronen und/oder Energietransfer vom Absorber
zum Verbraucher z. B. Katalysator in effizienter Weise ablaufen
kann.
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Als
Metalle, Metallverbindungen bzw. Metallkomplexe können
allgemein d- und f-Elemente oder deren Verbindungen und/oder Mischungen
verwendet werden, aber auch Hauptgruppenverbindungen. Insbesondere
Verbindungen, die die Metalle und Halbmetalle Si, Ag, Au, Cu, Ni,
Ta, Zr, Sn, Zn, Hg, Ru, Rh, Ir, Os, Ro, W, Ti, Al, In, Ga, Nb, La,
Sm, Ce, B, P, Sr, Ba, Mo, Cr, Fe, Co, Se, Mn, Ge, V, In, Bi, Pt,
Pd, Tc, V, Pb enthalten, sind verwendbar.
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Alternativ
kommen auch heterooligonukleare Komplexverbindungen oder Legierungen
als Beschichtung in Frage.
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Ein
weiterer Vorteil einer Metallaußenbeschichtung ist neben
der erhöhten Temperaturbeständigkeit des Coatings
ebenfalls die gehinderte Diffusion von Gasen. Durch ein angepasstes
Coating kann so z. B. die Permeabilität für Wasserstoff
und Deuterium gezielt gesteuert werden. Eine hohe Permeabilität
für Wasserstoff ist z. B. für die Verwendung als
Hydrierungskatalysatoren wichtig. Eine möglichst niedrig
Permeabilität ist nützlich, um eine von den Photosensibilisatoren
ausgehende Hydrierung in die darunterliegenden Schicht zu verhindern.
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Nachfolgend
werden einige Ausführungsbeispiele und deren Herstellung
im Detail beschrieben:
Bei einem ersten Beispiel wird ein frisch
gezogener Kern mit einem Außendurchmesser von 125 μm
mit einer Mischung aus einer ersten Lösung A und einer zweiten
Lösung B jeweils innerhalb bestimmter Zeiträume
benetzt. Lösung A besteht aus einer ammoniakalischen Silbernitratlösung,
Lösung B aus einem Reduktionsmittel, beispielsweise Glucose.
Nach erfolgter Versilberung wird der nun beschichtete Kern mit destilliertem
Wasser gereinigt. Optional wird nach der Trocknung zur besseren
Fixierung eine Plasmapolitur angeschlossen. Dabei muss besonders
auf die Temperatur geachtet werden.
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Bei
einem zweiten Beispiel wird ein frisch gezogener Kern mit einem
Außendurchmesser von 125 μm zunächst
mit einem Polyimidcoating beschichtet. Anschließend erfolgt
eine kurzzeitige Benetzung mit einer Schmelze aus einem Silberhalogenid,
insbesondere Silberchlorid, Silberbromid oder Silberjodid, oder
einem Silbersalz, insbesondere Silbernitrat. Daraufhin wird der
benetzte Kern kurzzeitig intensiver UV-Strahlung und/oder einem
Erwärmungsschritt ausgesetzt. Anschließend wird
eine Temperaturbehandlung angeschlossen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Faserkern
- 2
- Cladding
- 3
- Außencoating
- 4,
4'
- Absoberschicht,
Photosensibilisator
- 5,
5'
- Photokatalysator
- 6
- Streuzentrum
- 7
- Gas/Flüssigkeitsraum
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007025151 [0007]
- - DE 102006029617 [0007]
- - DE 69907881 [0008]
- - DD 290871 [0009]
- - DE 19516628 [0009]
- - WO 2004/039740 [0010]
- - DE 69912334 [0011]
- - DE 102004030104 [0011]
- - DE 19829970 [0012]
- - WO 2009/008122 [0014]
- - EP 1008565 [0015]
- - US 6468428 [0016]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Chem. Commun.,
2009, 2002–2004 [0013]
