DE102013009169B4

DE102013009169B4 - Verfahren zum Schmelzspinnen einer über ihren Querschnitt variierenden Faser sowie ihre Verwendung

Info

Publication number: DE102013009169B4
Application number: DE102013009169.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Beckers; Wilhelm Steinmann; Nils Holt; Thomas Vad; Gunnar Seide; Thomas Gries
Original assignee: Freundes- und Forderkreis Des Inst fur Textiltechnik Der Rwth Aachen E V; Freundes- und Forderkreis Des Institutes fur Textiltechnik Der Rwth Aachen Ev
Current assignee: ITA TECHNOLOGIETRANSFER GMBH, DE
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2033-05-29
Also published as: DE102013009169A1

Abstract

Verfahren zum Schmelzspinnen einer über ihren Querschnitt variierenden Faser, insbesondere einer optischen Polymerfaser, wobei die Faser mittels eines Spinnpakets erzeugt wird, später durch ein temperiertes Becken geführt wird, später um eine Umlenkrolle und später zu einem Wickler, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser durch ein Spinnbad in Gestalt des temperierten Beckens geführt wird, um ein radiales Profil des Querschnitts mittels eines radialen Profils der Abkühlgeschwindigkeiten einzustellen wobei das Spinnbad frei von Mischungen verschiedener Monomere oder Polymere sowie frei von Dotanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzspinnen einer über ihren Querschnitt variierenden Faser sowie ihre Verwendung.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Schmelzspinnverfahren für Fasern, die hergestellten Fasern und ihre Verwendung, insbesondere für optische Polymerfasern und im speziellen auf Basis von Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol (PS) oder Polycarbonat (PC) sowie anderen Commodity Polymeren.
Nach Mitschke et al. (Mitschke, F.: Glasfasern: Physik und Technologie. München: Elsevier GmbH, Spektrum Akademischer Verlag, 2005) erforschte der Franzose Claude Chappe als Erster systematisch die optische Nachrichtenübermittlung. Er baute 1791 den ersten optischen Telegrafen. Bis 1840 war diese Technik weit verbreitet. Sie wurde aber durch die elektrische Telegrafie abgelöst, da sie weniger störanfällig bei wechselnden Witterungsverhältnissen war, und ab 1858 war die elektrische Telegrafie auch schneller. Die optischen Übertragungsverfahren traten durch den Siegeszug der elektrischen Übertragungsverfahren zunächst in den Hintergrund. Doch bereits der Erfinder eines marktfähigen Telefons, Alexander Graham Bell, stellte 1880 einen optischen Kommunikationsapparat vor. Die Nachtteile des Fehlens einer geeigneten Lichtquelle und die Witterungsempfindlichkeit verhinderten jedoch den Durchbruch. Erst 100 Jahre später standen geeignete Laser und Lichtleitfasern zur Verfügung. Durch die Entwicklung des Lasers 1960 rückte die optische Nachrichtentechnik wieder verstärkt in den Fokus der Forschung. Zunächst wurde die Ausbreitung von Laserlicht in der Atmosphäre untersucht und gleichzeitig der Versuch unternommen, Licht in Schächten zu führen. Die Leitung erforderte aber eine häufige Refokussierung des Lichts. Lichtleiter auf diesem Prinzip schafften aufgrund der großen nötigen Kurvenradien und der hohen Kosten für Installation und Betrieb nicht den Durchbruch. Glasfasern waren zu dieser Zeit bekannt und konnten Licht auch um Kurven leiten. Zur Signalübertragung waren die damals bekannten Materialien aufgrund ihrer hohen Verluste allerdings nicht geeignet. Der Durchbruch gelang K. C. Kao und G. A. Hockham 1966 in Großbritannien. Sie führten die starke Dämpfung auf chemische Verunreinigungen zurück. In der Folge gab es bereits 1969 die ersten für Kommunikationszwecke geeigneten Glasfasern mit einer Dämpfung von weniger als 100 dB/km. 1970 sank die Dämpfung bereits unter 20 dB/km und mittlerweile wird die vom Aufbau des Quarzglases vorgegebene Untergrenze von 0,2 dB/km erreicht. Die Entwicklung der Glasfasern als Lichtleiter in Verbindung mit den Fortschritten bei den Laserquellen führte dazu, dass heute ein Großteil unserer Telekommunikation optisch basiert ist. Lichtleitfasern weisen einige Vorteile auf. Dazu gehören Gewichtsersparnis, hohe Leistungsdichte, große Übertragungsdistanzen, Störunempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern und eine relativ hohe Abhörsicherheit. Diese Vorteile ermöglichen den Einsatz von Lichtleitfasern neben der Telekommunikationstechnik auch im Bereich der Messtechnik als Sensor oder Datenkabel. Auch der Einsatz für Beleuchtungs- und Abbildungszwecke ist möglich. Die Herstellung von optischen Glasfasern unterteilt sich prinzipiell in zwei Schritte. Zunächst wird typischerweise mit einem von vier möglichen Verfahren ein etwa 1 m langer Preform hergestellt. Dieser hat meist einen Durchmesser von 10–25 mm. Die verschiedenen Verfahren zu einer Herstellung sind herstellerspezifisch und heißen OVD (outside vapor deposition), MCVD (modified chemical vapor deposition), PCVD (plasma chemical vapor deposition) und VAD (vapor phase axial deposition). Es handelt sich dabei, wie die englischen Namen schon aussagen, jeweils um Gasabscheidungsprozesse. Im zweiten Schritt wird der erhaltende Preform aufgeschmolzen und bis zum eigentlichen Faserdurchmesser ausgezogen. Dieser liegt in einem Bereich von 70–250 μm. Am häufigsten ist ein Durchmesser von 125 μm. Bei typischen Verstreckparametern lassen sich Fasern bei einer Geschwindigkeit von 8 m/s herstellen. Die Faserziehvorrichtungen stellen dabei einen erheblichen technischen Aufwand dar. Direkt nach dem Erkalten der nackten Glasfasern wird oft sofort eine Kunststoffbeschichtung aufgebracht. Sie besteht meist aus zwei Schichten. Die innere Lage ist dabei weich und elastisch und die äußere hart und abriebfest. Dadurch wird die Faser vor mechanischen und chemischen Einflüssen geschützt. Zum Teil wird noch eine weitere Barriere-Schicht aufgebracht. Bei der Herstellung zeigen sich aber auch die Nachteile optischer Glasfasern. Für Fasern mit guten Gebrauchseigenschaften können nur kleine Durchmesser verwendet werden, da bei größeren Durchmessern die aus dem Alltag bekannten Eigenschaften zum Tragen kommen. Zu nennen ist dabei vor allem die Sprödigkeit. Durch die kleinen Durchmesser erschwert und verteuert sich die Ein- und Auskopplung von Licht. Zusätzlich können auch bei kleinen Durchmessern Mikrorisse, enge Biegeradien und Materialermüdung, besonders bei Dauerbiegebeanspruchungen, zum Versagen der Fasern führen. Als kostengünstigere Alternative mit guten Gebrauchseigenschaften bieten sich hier optische Polymerfasern (POF – Plastic Optical Fiber) an. Aufgrund der höheren werkstoffbedingten Dämpfungen stellen sie aber nur eine Alternative für Kurzstreckenanwendungen dar.
Nach Ziemann et al. (Ziemann, O.; Krauser, J.; Zamzow, P. E.; Daum, W.: POF-Handbuch: Optische Kurzstrecken-Übertragungssysteme. 2. Aufl. Berlin [u. a.]: Springer, 2007) stellte die Firma DuPont Ende der 60er Jahre die erste POF her. Die Dämpfung lag durch Materialverunreinigungen aber noch im Bereich von 1.000 dB/km. In den 70er Jahren konnten die Verluste auf ca. 125 dB/km reduziert werden. Dies liegt nahe an der theoretischen Grenze für diese Werkstoffgruppe. Die theoretische Grenze ergibt sich durch die nicht vermeidbare Lichtabsorption der reinen Werkstoffe. Die zu jener Zeit verfügbaren Glasfasern mit viel geringeren Dämpfungen waren allerdings besser für Fernstreckenübertragung geeignet. Bei Kurzstreckenanwendungen reichten zudem die Datenraten von Kupferkabeln. Somit existierte damals kein Markt für optische Datenübertragung bei kurzen Entfernungen. Das Fortschreiten der Digitalisierung in den letzten zwei Jahrzehnten führt aber nun zu einer immer größer werdenden Nachfrage nach leistungsfähigen Übertragungssystemen im Kurzstreckenbereich. Optische Polymerfasern sind aufgrund ihrer Eigenschaften optimal für viele dieser neuen Anwendungen geeignet und sind dadurch wieder verstärkt Gegenstand von Forschungen.
Bei Glasfasern und optischen Polymerfasern unterscheidet man prinzipiell nach zwei grundsätzlichen Typen des Brechungsindexprofils. Auf der einen Seite sind dies die Stufenindexprofil-Fasern (SI-Faser) und auf der anderen Seite die Gradientenindexprofil-Fasern (GI-Faser). In der 3 sind für drei verschiedene Profilexponenten α die Brechzahlprofile über dem Radius aufgetragen. Die SI-Faser kann dabei als Sonderfall für einen unendlich großen Profilexponenten angesehen werden. Diese Faser lässt sich mit einer Kern-Mantel-Struktur relativ einfach herstellen. Mit der Ausnahme von Einmodenfasern erreichen aber GI-Fasern die größten Bandbreiten. Dies liegt daran, dass sich bei einem parabolischen Brechzahlprofil das Licht auf geschwungenen Bahnen ausbreitet. Durch das Fehlen von Unstetigkeiten im Brechzahlprofil kommt es zu keiner Totalreflexion. Anstelle dessen kommt es zu einer kontinuierlichen Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts. Dadurch liegen zwar auch unterschiedliche Weglängen vor, aber diese werden zum Teil durch die höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in den optisch dünneren Schichten mit größerem Abstand zum Fasermittelpunkt kompensiert. Die Modendispersion kann auf diese Weise um drei Zehnerpotenzen gesenkt werden. Die Herstellung von GI-POF ist aber sehr schwierig und aufwendig, da über dem Querschnitt ein stetiges Profil des Brechungsindexes erzeugt werden muss. Aus diesem Grund konnten sie sich in ihren Einsatzgebieten noch nicht in dem Maße durchsetzen, wie es ihre guten Eigenschaften vermuten lassen würden. Momentan werden als Kompromiss oftmals Mehrstufenindexprofil-POF (MSI-POF) eingesetzt. In Abhängigkeit von der Stufenanzahl lassen sich auch mit diesen hohe Bandbreiten realisieren.
Nach Nalwa et al. (Nalwa, H. S.: Polymer Optical Fibers. California: American Scientific Publishers, 2004) wurde die erste GI-POF von Ohtsuka und Hatanaka 1976 hergestellt. Sie nutzten ein Heiz-Ziehverfahren, um aus einem Polymerstab eine Faser herzustellen. Der Stab, auch Preform genannt, weist dabei bereits das Gradientenindexprofil auf und wird im Folgenden als GI-Preform bezeichnet. Damals existierten erst zwei verschiedene Verfahren für die Herstellung von polymeren GI-Preforms. Die folgende Auflistung der Verfahren zur Herstellung von GI-POF findet sich bei Nalwa.
US 5 851 666 A beschreibt ein Herstellungsverfahren für GI-POF mittels einer chemischen Dampfabscheidung an der Innenseite eines Rohres. Durch eine Veränderung der Zusammensetzung des Dampfes kann der Brechungsindex der Schichten im Rohr variiert werden.
US 5 861 129 A beschreibt ein Herstellungsverfahren für GI-POF mittels der Polymerisation von Monomeren an der Innenseite eines Rohres. Durch eine Veränderung der Zusammensetzung der Monomere über die Zeit kann der Brechungsindex der Schichten im Rohr variiert werden.
US 4 822 122 A beschreibt einen Trockenlösungsspinnprozess zur Herstellung von GI-POF. Bei diesem wird ein Lösungsmonomer mittels einer UV-Licht-induzierten Polymerisation fixiert, wenn es noch nicht vollständig aus der Faser entfernt ist. Auf diese Weise lässt sich das durch den Diffusionsvorgang entstandene radiale Konzentrationsgefälle fixieren. Dadurch ist eine Einflussnahme auf die optischen Eigenschaften in Querschnittsrichtung möglich.
US 5 555 525 A beschreibt einen Co-Extrusionsprozess zur Herstellung von GI-POF, bei dem den unterschiedlichen Kern- und Mantelkomponenten Zeit für die Diffusion ineinander gegeben wird. Das sich durch die Diffusionsvorgänge ergebene radiale Konzentrationsgefälle wird mittels einer UV-Licht-induzierten Polymerisation fixiert.
US 5 593 621 A beschreibt einen Co-Extrusionsprozess zur Herstellung von GI-POF, der prinzipiell einen Diffusionsprozess auf die gleiche Weise wie die US 5 555 525 A nutzt.
US 6 267 915 B1 beschreibt einen Co-Extrusionsprozess zur Herstellung von GI-POF, der nicht auf einem Diffusionsprozess basiert. Prinzipiell erfolgt die Zusammenführung der beiden Polymere nicht an einem Punkt, sondern verteilt über eine definierte Länge. Somit legen sich einzelne Schichten übereinander. Auf der Länge wird jeweils durch ein unterschiedliches Druckniveau über der Wegstrecke das Verhältnis der beiden Komponenten zueinander verändert. Wenn beide Komponenten verschiedene Brechungseigenschaften aufweisen, ergibt sich somit durch den Schichtaufbau ein radiales Brechzahlprofil innerhalb der extrudierten Faser.
Neben den von Nalwa beschriebenen Herstellungsverfahren, die charakteristisch für die Produktion sind, werden im Folgenden weitere Herstellungsmöglichkeiten für optische Polymerfasern aufgelistet:
CN 1 275 058 C beschreibt ein Herstellungsverfahren mit einem Ausgangsmaterial. Mittels der gezielten Einbringung von Luftlöchern in eine Faser aus dem Material werden die Lichtleiteigenschaften erreicht.
DE 198 22 684 A1 beschreibt ein Herstellungsverfahren, bei dem mittels ionisierender Strahlung ein Gradientenprofil erzeugt wird.
EP 0 863 415 A2 beschreibt ein kontinuierliches Herstellungsverfahren, bei dem eine Faser durch mehrere Becken geführt wird. In diesen befindet sich ein Monomer mit anderen Brechungseigenschaften als die Faser. Durch Diffusion entsteht in der Faser ein radiales Profil des Brechungsindexes, das im Anschluss fixiert wird.
EP 1 219 982 A1 beschreibt die Wärmebehandlung einer extrudierten Faser, um den Schrumpf einzustellen.
JP 2005-42 247 A beschreibt ein Schmelzspinnverfahren für SI-POF, das eine Luftkühlung nutzt.
US 2006/0 228 082 A1 beschreibt ein Spinnverfahren, bei dem durch eine gezielte Molekülausrichtung doppelbrechende Strukturen in einer Faser erzeugt werden.
US 6 818 683B21 beschreibt ein Schmelzspinnverfahren, bei dem eine langsame Kühlung erfolgt, um radiale Eigenschaftsänderungen der Lichtleitung zu unterdrücken.
WO 97/20 240 A1 beschreibt ein Mehrkomponenten-Extrusionsverfahren, bei dem die Faser durch ein Wasserbecken zwecks Diffusion geführt wird.
Die US 6 013 205 A offenbart ein Verfahren und einen Apparat zum Herstellen von optischen Fasern. Die Fasern können mit einer gezielten Länge und einem gezielten refraktiven Index hergestellt. Dazu wird ein mehrschrittiges Herstellverfahren offenbart, in welchem die Fasern zunächst hergestellt und anschließend in ein Bad aus polimerisierbaren Monomeren getaucht werden.
Die JP H07-27 928 A offenbart die Produktion eines Kunststoffkörpers, der ebenfalls optisch leitfähig ist. Der Körper wird aus Polymermaterial hergestellt und anschließend in einem Tank aus geschmolzenen Polymeren eingetaucht, in welchem ein nicht-polymerisierbarer Anteil enthalten ist. Der nicht-polymerisierbare Anteil diffundiert in den Kunststoffkörper hinein.
JP 2006-293 156 A beschreibt ein Schmelzspinnverfahren für GI-POF über ein radiales Temperaturprofil beim Spinnprozess. Im Prinzip handelt es sich um ein Mehrschicht-Extrusionsverfahren mit mindestens zwei Schichten. Die extrudierte Spinnmasse weist dabei in jeder Schicht eine andere Temperatur auf. Dies wird durch unterschiedliche Temperaturen der Düsen erreicht. Durch die unterschiedlichen Temperaturen in den Schichten kann Einfluss auf den Grad der Orientierung der Makromoleküle genommen werden. Diese haben bei höheren Temperaturen eine größere Kettenbeweglichkeit und können sich bei einer angreifenden Zugspannung besser in Faserlängsrichtung ausrichten. Der Grad der Orientierung beeinflusst die optischen Eigenschaften des Polymers und somit einer polymeren optischen Faser. Die Herstellung der verschiedenen Schichten der Faser kann dabei gleichzeitig oder nacheinander geschehen. Es werden drei bis fünf Schichten favorisiert. Dadurch lässt sich in der fertigen Faser ein Gradientenindexprofil annähern. Die Stufen werden zusätzlich durch Wärmeleitung zwischen den Schichten verschmiert und somit in Teilen geglättet.
Bei der kommerziellen Herstellung von GI-POF werden derzeit prinzipiell mindestens zwei Komponenten genutzt, die eine Variation des Brechungsindexes erlauben. Die Komponenten sind dabei verschiedene Monomere, Polymere oder Dotanden. Ein Gradientenindexprofil wird durch ein Profil der Konzentrationen der Komponenten in radialer Richtung erreicht. Die meisten kontinuierlichen Verfahren nutzen dafür Diffusionsvorgänge. Die Diffusion wird durch die Prozessparameter Zeit und Temperatur beeinflusst. Bei vielen Preform-Methoden und einigen kontinuierlichen Verfahren wird das Konzentrationsprofil der Komponenten durch Schichtprozesse erzeugt. Dabei wird der Preform oder die Faser schichtweise aufgebaut und in jeder Schicht die Konzentration geändert. Zum Teil wird der dadurch erzeugte Stufenaufbau noch durch Diffusionsvorgänge geglättet. Neben der Diffusion und dem Schichtaufbau gibt es noch Verfahren, die Zentrifugalkräfte aufgrund von Rotation nutzen. Wenn das auf diese Weisen eingestellte Konzentrationsprofil noch veränderbar ist, erfolgt meist eine Fixierung. Diese geschieht in der Regel durch Polymerisation monomerer Komponenten. Diese Reaktion wird beispielsweise durch UV-Licht oder Temperaturerhöhung erreicht. In US 2012/0 063 734 A1 beschreibt Koike, dass GI-POF über das beschrieben Verfahrensprinzip hergestellt werden.
Die momentan bekannten Herstellungsverfahren weisen einige Probleme und Nachteile auf. Sie sind sowohl anlagentechnisch als auch prozesstechnisch sehr aufwendig. Zusätzlich ist insbesondere bei den auf Diffusionsvorgängen basierenden Verfahren die Produktivität sehr gering. Dies liegt an den langsamen Diffusionsgeschwindigkeiten und den daraus resultierenden geringen Eindringtiefen im Vergleich zur Längsausdehnung der Diffusionszonen. Auch die beschriebenen, nicht auf Diffusion beruhenden Verfahren erfordern eine sehr aufwendige Analgentechnik. Zum Teil reagiert diese sensibel auf Temperaturschwankungen. Ein weiterer häufiger Nachteil der bekannten Herstellungsverfahren ist die geringe Flexibilität hinsichtlich unterschiedlicher Indexprofile.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Probleme und Nachteile der jetzigen Herstellungsverfahren für optische Polymerfasern zu überwinden. Dabei soll zum einen eine wirtschaftlichere Produktion von GI-POFs ermöglicht werden und zum anderen die Realisierung eines für den jeweiligen Anwendungsfall vorteilhaften Verlaufs des Brechungsprofils möglich sein. Dazu sollte das Herstellungsverfahren Einflussmöglichkeiten auf den Querschnittsverlauf des Brechungsindexes bieten. Eine zusätzliche Aufgabe ist es, mehr Einflussmöglichkeiten auf den Verlauf von weiteren Eigenschaften über dem Querschnitt zu erhalten, um sie in vorteilhafter Weise beeinflussen zu können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs.
Die Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch ein Schmelzspinnverfahren, das um ein vom Lösungsspinnen bekanntes Spinnbad erweitert wird. Das Spinnbad, beim Lösungsspinnen oftmals auch als Fällbad bezeichnet, dient dabei keinen Auswaschprozess oder einer chemischen Reaktion. Es ist vielmehr gemäß 1 ein temperiertes Becken 2. Es ermöglicht auf einfache Weise eine sehr genaue Temperaturführung mit einem guten Wärmeübergang. Dadurch lässt sich das Temperaturprofil der Faser über dem Querschnitt steuern und damit verbunden auch die Abkühlgeschwindigkeiten in radialer Richtung der Faser. Auf diese Weise lässt sich ein Gradientenindexprofil erzeugen.
Die Modifizierung der optischen Eigenschaften kommt dabei ohne Mischungen verschiedener Monomere oder Polymere aus. Auch auf Dotanden kann verzichtet werden. Das radiale Profil der optischen Eigenschaften wird mittels des radialen Profils der Abkühlgeschwindigkeiten eingestellt. Physikalisch steckt dahinter, dass die Kettenmoleküle des Kunststoffs bei höheren Temperaturen eine höhere Beweglichkeit haben. Aus dieser folgt eine thermisch bedingte Ausdehnung. Diese führt zu einer geringeren Dichte. Bei sehr langsamen Abkühlgeschwindigkeiten können sich die Ketten neu anordnen und sind somit dichter gepackt. In teilkristallinen Thermoplasten würde dies zu einer hohen Kristallinität führen. Aber auch bei amorphen Thermoplasten führen langsame Abkühlgeschwindigkeiten zu einer höheren Dichte des Werkstoffs. Im anderen Extremfall sehr hoher Abkühlgeschwindigkeiten werden die Ketten im thermisch bedingten ausgedehnten Zustand „eingefroren”. Genauer gesagt wird die Kettenbeweglichkeit so schnell reduziert, dass eine neue dichtere Anordnung nicht erfolgen kann. Der ausgedehnte Zustand wird also fixiert. Daraus resultiert eine niedrige Dichte des Werkstoffs. Der Dichteunterschied bei den beiden Extremfällen der Abkühlgeschwindigkeit bedingt einen unterschiedlichen Brechungsindex. Durch die Variation der Abkühlgeschwindigkeit zwischen den beiden Extrema lässt sich somit der Brechungsindex in einem Bereich beeinflussen. Dies wird bei der Innovation genutzt, um durch verschiedene radiale Profile der Abkühlgeschwindigkeit verschiedene Brechungsindexprofile zu erzeugen. Bei optischen Polymerfasern ist beispielsweise ein Gradientenindexprofil gewünscht. Dieses erfordert höhere Werkstoffdichten im Inneren der Faser als in den Randschichten dieser. Mittels einer definierten Abkühlung von außen ist dies möglich. Hilfreich ist dabei die niedrige Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen. Zusätzlich kann der Einfluss der Zugkräfte des Abzugs auf die Makromoleküle in der noch nicht komplett verfestigten Faser genutzt werden. Die radial unterschiedliche Kettenbeweglichkeit kann somit auch der gezielten Orientierung von Makromolekülen und damit der Variation des Brechungsindexes dienen. Somit wird insgesamt durch geringe Modifikationen an einem bekannten konventionellen Schmelzspinnprozess eine wirtschaftliche Produktion von GI-POF möglich. Die Materialvorlage kann dabei als Granulat oder auch aus einem Reaktor erfolgen.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens wird für nicht-optische Eigenschaften von Polymerfasern ein Profil über dem Querschnitt erzeugt. Dies können beispielsweise mechanische Kennwerte der Fasern sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens werden als Faserwerkstoff Commodity Polymere eingesetzt. Im Speziellen eignen sich Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol (PS) oder Polycarbonat (PC) jeweils einschließlich dotierter Varianten im Besonderen. Als Beispiel kann deuteriertes PMMA genannt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens werden als Faserwerkstoff Elastomere eingesetzt. Auf diese Weise können optische Elastomer-Fasern (EOF, Elastomer Optical Fiber) hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird dabei zu einem Lösungsspinnverfahren modifiziert.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens werden ein bis beliebig viele Filamente mit einem Spinnpaket hergestellt. Diese werden einzeln, in Gruppen oder als Bänder geführt und eventuell weiter behandelt und/oder umgelenkt. Die Umlenkung kann beispielsweise gemäß 2 mit einer Umlenkrolle 10 geschehen. Diese kann an verschiedenen Stellen im Prozess und auch in mehrfacher Ausführung vorgesehen sein. Die Speicherung der hergestellten Filamente erfolgt erfindungsgemäß einzeln, in Gruppen oder als Bänder. Dies kann beispielsweise gemäß 1 mit einem Wickler 4 geschehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens ist das gemäß 1 temperierte Becken 2 mit Wasser gefüllt. Die Temperatur des Beckens lässt sich dabei im Bereich von 0°C bis 100°C einstellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens ist das gemäß 1 temperierte Becken 2 mit einem Ethanol-CO2-Gemisch gefüllt. Die Temperatur des Beckens lässt sich dabei im Bereich von –50°C bis 150°C einstellen.
Bei einem vorteilhaften Prozessparameter des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens hat das gemäß 1 temperierte Becken 2 mit Wasser gefüllt eine Temperatur von 50°C. An diesem Punkt ergeben sich sehr gute Lichtleitungseigenschaften.
Bei einem vorteilhaften Prozessparameter des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens hat das gemäß 1 temperierte Becken 2 mit Wasser gefüllt eine Temperatur von 10°C. An diesem Punkt ergibt sich eine sehr gute radiale Lichtabstrahlung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens wird in dem gemäß 1 temperierten Becken 2 eine definierte Strömung erzeugt, um eine weitere Einflussmöglichkeit auf den Wärmeübergangskoeffizienten zu erhalten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens wird das gemäß 1 temperierte Becken 2 durch ein Fluid-durchströmtes Rohr ersetzt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens wird das gemäß 1 temperierte Becken 2 durch eine andere Art der kontrollierten Temperierung ersetzt. Dies können gemäß 2 eine Anblasung 4 oder das Besprühen mit einem zerstäubten Wasser- oder Öl-Strahl 5 sein. Die anderen Arten der Temperierung können auch additiv zum temperierten Becken 2 oder untereinander eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens wird das Verfahren um weitere Aggregate ergänzt. Gemäß 2 sind dabei Aggregate an verschiedenen Stellen optional möglich. Durch verschiedene Kombinationen der Aggregate kann die Anzahl der Einflussmöglichkeiten auf das radiale Eigenschaftsprofil erhöht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens wird gemäß 2 ein Vortrockner 1 eingesetzt. Dadurch lässt sich der Anteil absorbierender OH-Bindungen in der Faser reduzieren und somit die Dämpfung bei Lichtwellenleitung reduzieren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen. Schmelzspinnverfahrens wird gemäß 2 ein Extruder mit Entgasung 2 eingesetzt. Durch die Reinigung des Extrudats von Verunreinigungen wie Monomer-Resten und Wasser lässt sich ebenfalls die Dämpfung der Faser bei Lichtwellenleitung reduzieren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens wird gemäß 2 ein Spinnpaket mit Polymerfilter 3 eingesetzt. Durch das Ausfiltern von Verunreinigungen lässt sich ebenfalls die Dämpfung der Faser bei Lichtwellenleitung reduzieren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens wird gemäß 2 eine Anblasung 4 eingesetzt. Diese kann in verschiedensten Arten wie Radial- oder Queranblasung oder Blasschacht ausgeführt sein. Durch die zusätzliche Möglichkeit der Einflussnahme auf das Temperaturprofil kann das radiale Profil der Fasereigenschaften stärker modifiziert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens wird gemäß 2 ein Öler 6 eingesetzt. Auf diese Weise kann die Prozessstabilität erhöht werden und zusätzlich kann auf diese Weise der Wärmeübergangskoeffizient bei nachfolgenden Schritten beeinflusst werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens werden gemäß 2 Abzugsgaletten 7, 20 an verschiedenen Stellen eingesetzt. Diese ermöglichen eine genauere Steuerung der auf die Fasern einwirkenden Zugspannungen bei verschiedenen Prozessschritten. Auf diese Weise lässt sich reproduzierbarer Einfluss auf verschiedene Fasereigenschaften nehmen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens wird gemäß 2 eine weitere Beeinflussungszone 9 vorgesehen. In dieser kann das Temperaturprofil innerhalb der Faser erneut beeinflusst werden und zusätzlich das radiale Eigenschaftsprofil eingestellt werden. Dazu können u. a. magnetische Felder, (hochfrequente) elektrische Felder, Infrarotstrahlung und Ultraschall eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens werden gemäß 2 ein bis vier Galetten-DUOs 11, 13, 15, 17 eingesetzt. Es können aber auch noch weitere Galetten-DUOs verwendet werden. Die Galetten können zusätzlich temperiert sein. Auf diese Weise kann in Streckzonen Einfluss auf Fasereigenschaften genommen werden. In Relaxierzonen kann zudem der Schrumpf der Faser beeinflusst werden. Besonders die äußeren Bereiche der Faser können auf diese Weise beeinflusst werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens wird gemäß 2 eine Texturierung 18 eingesetzt. Diese kann noch um eine Kühltrommel 19 erweitert werden. Auf diese Weise kann neben einer Veränderung textiler Eigenschaften Einfluss auf die Auskopplung von Licht genommen werden. Diese ist an den Knickstellen höher, da weniger Lichtwellen der erhöhten Faserkrümmung folgen können. Dadurch kann beispielsweise bei Beleuchtungsanwendungen ein Designeffekt erzeugt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens wird gemäß 2 ein Mantel auf die hergestellte Faser aufgebracht. Dies kann durch einen weiteren Extruder 21 und ein Mantel-Spinnpaket 22 erfolgen. Auf diese Weise kann im Prozess eine Schutz- bzw. Funktionsschicht auf die Faser aufgebracht werden. Diese kann beispielsweise dem Schutz vor Umwelteinflüssen, der besseren Anbindung in einem Verbundwerkstoff oder der elektrischen Leitfähigkeit dienen. Vorteilhaft kann dies beispielsweise bei Beleuchtungsanwendungen in Zusammenhang mit einer Betonmatrix sein. Die Schutz- bzw. Funktionsschicht kann aber auch in einem separaten Prozess aufgebracht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens wird zusätzlich zu einem radialen Eigenschaftsprofil ein axiales Profil eingestellt. Dies betrifft insbesondere die optischen Eigenschaften. Dies kann beispielsweise durch punktuelle oder pulsierende Beeinflussung geschehen. Im Besonderen bietet sich dafür gemäß 2 der zerstäubte Wasser- oder Öl-Strahl 5 an.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens werden verschiedene Querschnittsprofile durch Anpassung der Spinndüse realisiert. Beispielsweise lässt sich so eine Hohlfaser herstellen. Durch die Hohlstruktur kann beispielsweise die gewichtsspezifische Steifigkeit der Faser erhöht werden. Mit verschiedenen Querschnittsprofilen kann aber auch, beispielsweise bei Beleuchtungsanwendungen, das radiale Abstrahlverhalten beeinflusst werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahrens wird ein elliptisches Querschnittsprofil der Faser erzeugt. Dieses führt zu vorteilhaften Lichtleitungseigenschaften.
Eine bevorzugte Anwendung von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist der Einsatz als Datenleitung. Dies kann als GI-POF im Bereich der Kurzstrecken-Kommunikation und -Nachrichtentechnik erfolgen. Die Vorteile der Fasern sind dabei der geringe Preis für die Fasern selbst, die einfachen und damit kostengünstigen Anbindungsmodule, die guten Gebrauchseigenschaften, die chemische Beständigkeit und die große erzielbare Bandbreite.
Eine vorteilhafte Anwendung von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist eine störungssichere Datenleitung. Elektrische Übertragungsverfahren sind insbesondere störungsempfindlich gegenüber anderen elektrischen Leitungen. Aus diesem Grund wird bei elektrischen Datenleitungen ein großer Aufwand betrieben, um sie vor Störungen abzuschirmen. Dies führt zu höheren Kosten, höherem Gewicht, höherem Platzbedarf und ist nicht immer in ausreichendem Maße möglich. Insbesondere erfindungsgemäße GI-POF können an diesen Stellen in vorteilhafter Weise eingesetzt werden.
Eine vorteilhafte Anwendung von Fasern als Datenleitung, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist die intelligente Haustechnik. Die Fasern können dabei als Datenleitungsnetz beispielsweise in Häusern, Wohnkomplexen oder Industriebetrieben eingesetzt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise in Gebäuden ein kostengünstiges und leistungsfähiges Bus-System installiert werden. Dadurch kann beispielsweise im Wohnumfeld die Vernetzung verschiedenster Geräte erfolgen. Dies kann beispielsweise auch mit Datenübertragungen per Funk kombiniert werden.
Eine vorteilhafte Anwendung von Fasern als Datenleitung, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist der Einsatz im Auto. Hier können die Fasern beispielsweise als Komponente eines Datenbus-Systems dienen. PMMA-POF werden bereits heute für Bus-Systeme wie D2B optical (Domestic Digital Bus) und MOST (Media Oriented System Transport) verwendet. Der Einsatz derartiger Systeme wird in Zukunft wahrscheinlich noch weiter zunehmen, wenn in verstärktem Maß Unterhaltungs-, Informations-, Kontroll- und Sensorsysteme eingesetzt werden. Dadurch würden dann die zu transportierenden Datenströme stetig zunehmen. Mit anderen polymeren Werkstoffen als PMMA kann zudem der Temperatureinsatzbereich von POF-basierten Datenleitungssystemen erhöht werden und beispielsweise in den Motorbereich vordringen.
Eine vorteilhafte Anwendung von Fasern als Datenleitung, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist der Einsatz in der Luftfahrt. Beispielsweise im Bereich der zivilen Luftfahrt wird der Bedarf nach leistungsfähigen Datenleitungen immer größer. Dies liegt zum einen an immer aufwendigeren Unterhaltungssystemen. Zum anderen werden immer mehr Sensorik und elektronische Steuerung in modernen Flugzeugen eingesetzt. POF haben hier durch die höheren möglichen Datenmengen im Vergleich zu metallischen Kabeln besonders in Hinblick auf Gewichtseinsparungen Vorteile. Im Vergleich zu Glasfasern fallen die höheren Dämpfungseigenschaften von POF durch die kürzeren benötigten Strecken nicht so stark ins Gewicht. Vielmehr bieten die mit POF realisierbaren Kostenvorteile einen Anreiz für ihren Einsatz.
Eine bevorzugte Anwendung von Fasern als Datenleitung, die mit denn erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist der Einsatz als Power-Leitung. Unter Power-Leitung wird hierbei eine Kombination aus Datenleitung und Stromleitung verstanden. Die Kombination kann auf verschiedene Weise erfolgen. Eine Möglichkeit ist gemäß 5 die Integrierung verschiedener Leitungen zu einer Power-Leitung. Hierbei werden ein oder mehrere lichtleitende Fasern 1 mit ein oder mehreren stromführenden Fasern 2 in eine Schutz- und Isolationsummantelung eingebettet. Eine andere Möglichkeit ist die Integration der Stromleitung in den Mantel einer optischen Faser gemäß 4. Bei dieser Variante besteht beispielsweise der Kern aus einer optischen Polymerfaser mit GI-Profil 1 und wird von einem leitfähigen Mantel 2 umgeben. Die Leitfähigkeit des Mantels kann auf verschiedene Weisen erzeugt werden, von denen nun einige exemplarisch genannt werden: Metalldrahtgeflecht, Vakuum-Metallisierung, Aufbringen leitfähiger Lacksysteme, elektrochemische Abscheidung von metallischen Niederschlägen, Metallhülle beispielsweise aus einer dünnen Metallfolie oder leitfähig gemachte Kunststoffe beispielsweise mit Metallpartikeln oder Carbon-Kurzfasern. Der Aufbau der Power-Leitung kann noch um eine Schutz- und Isolationsummantelung 3 erweitert werden. Derartige Power-Leitungen können die Vorteile von optischen und elektrischen Übertragungsverfahren kombinieren. Die optische Komponente sorgt bei der Power-Leitung für ein hohes übertragbares Datenvolumen und die stromführende Komponente ermöglicht gleichzeitig den Betrieb von Geräten ohne externe Stromversorgung. Anwendung können Power-Leitungen beispielsweise in Bereichen finden, in denen heutzutage USB (Universial Serial Bus) zum Einsatz kommt. Insbesondere GI-POF sind durch ihre guten Gebrauchseigenschaften und den kostengünstigen Einsatz hierfür geeignet.
Eine vorteilhafte Anwendung von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist das Verteilen von zentral erzeugter Infrarotstrahlung durch die Fasern. Auf diese Weise können neuartige Heizungskonzepte realisiert werden, die verlustarm und platzsparend Wärme an verschiedene Orte beispielsweise in einem Wohngebäude bringen können.
Eine bevorzugte Anwendung von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist der Einsatz als Beleuchtungs- und/oder Dekorationselement.
Eine vorteilhafte Anwendung als Beleuchtungs- und/oder Dekorationselement von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist der Einsatz in Textilbeton oder Lichtbeton.
Eine vorteilhafte Anwendung als Beleuchtungs- und/oder Dekorationselement von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist die Autoinnenbeleuchtung.
Eine vorteilhafte Anwendung als Beleuchtungs- und/oder Dekorationselement von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Spinnverfahren hergestellt werden, ist der Einsatz in einem Autohimmel.
Eine vorteilhafte Anwendung als Beleuchtungs- und/oder Dekorationselement von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist der Einsatz im Einzelhandel. Hier kann beispielsweise der optische Eindruck von Waren durch verschiedene Lichtfarben verbessert werden. Eine andere Möglichkeit ist die Einkopplung von Sonnenlicht in Fasern, um Räumlichkeiten mit Tageslicht zu beleuchten. Dies kann zum einen der Energieeinsparung dienen und zum anderen beispielsweise bei Textilien einen durch Metamerie verursachten falschen Farbeindruck verhindern.
Eine vorteilhafte Anwendung als Beleuchtungs- und/oder Dekorationselement von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist die zentrale Beleuchtung von Gebäuden. Die Fasern dienen dabei als Verteilmedium für das Licht. Dieses kann zentral erzeugt werden. Die Einkopplung von Sonnenlicht ist auch denkbar.
Eine vorteilhafte Anwendung als Beleuchtungs- und/oder Dekorationselement von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Spinnverfahren hergestellt werden, ist die Erzeugung des Eindrucks wärmender Sonnenstrahlung. Dies kann beispielsweise durch die kombinierte Leitung von sichtbarem Licht und Infrarotstrahlung erfolgen.
Eine vorteilhafte Anwendung als Beleuchtungselement von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist im Bereich der Medizin eine blaues Licht abstrahlende Wundauflage. Blaues Licht fördert die Wundheilung. Durch speziell auf eine radiale Abstrahlung optimierte Fasern kann die Blaulichtbestrahlung einer Wunde ohne das Abnehmen des Verbandes geschehen. Eine Trennung der Lichtquelle von der Wunde ist bei lichtleitenden Fasern zudem einfach möglich. Zusätzlich können an eine Lichtquelle auch mehrere Licht abstrahlende Wundauflagen angeschlossen werden.
Eine vorteilhafte Anwendung als Beleuchtungselement von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist ein Endoskop. Insbesondere bietet die Möglichkeit der Einstellung des radialen Abstrahlverhaltens der Faser eine verbesserte Beleuchtung.
Eine vorteilhafte Anwendung als Beleuchtungs- und/oder Dekorationselement von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist Bekleidung. Aufgrund ihrer Gebrauchseigenschaften und der einfachen Licht-Einkopplung bei POF ist der Einsatz in Bekleidung möglich. Dies kann beispielsweise zum Zwecke der Sicherheit oder als modisches Element genutzt werden.
Eine vorteilhafte Anwendung als Beleuchtungs- und/oder Dekorationselement von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist die Einbindung in textile Flächen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein selbstleuchtendes Zeltdach verwirklicht werden.
Eine vorteilhafte Anwendung als Beleuchtungs- und/oder Dekorationselement von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist die Einbindung in Seile oder textile Kabelummantelungen. Neben der Möglichkeit eines Dekorationseffekts kann auf diese Weise auch die Sichtbarkeit besonders bei temporär verlegten Seilen oder Kabeln erhöht werden.
Eine bevorzugte Anwendung von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist der Einsatz auf dem Gebiet der Sensorik. Dies kann der Einsatz als Datenleitung für Sensoren sein, der Einsatz als Sensor selbst oder der Einsatz als Sensor und Datenleitung zugleich.
Eine vorteilhafte Anwendung auf dem Gebiet der Sensorik von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist die Detektion von Biegung oder Dehnung. Dies kann beispielsweise bei Bauteilen durch eine Integration der Sensorfaser geschehen. Die Detektion erfolgt dabei, durch die Änderung der Dämpfung einer Faser bei einer Änderung der Krümmung. Dies beruht auf der verstärkten Auskopplung von Licht an Faserkrümmungen. Mittels dieser Sensorik können beispielsweise Bauteile in Flugzeugen oder aber auch Tragegurte untersucht werden. Eine kontinuierliche Detektion ist dabei nicht zwingend erforderlich. Eine Sender- und Empfänger-Sensorik kann auch einmalig zum Vermessen der Fasereigenschaften in einem Prüfintervall eingesetzt werden. Besonders bei Faserverbundbauteilen bietet sich auf diese Weise eine Möglichkeit der zerstörungsfreien Bauteilprüfung.
Eine vorteilhafte Anwendung auf dem Gebiet der Sensorik von Fasern, die mit denn erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist die Detektion einer Temperaturschädigung. Dies kann beispielsweise bei Bauteilen durch eine Integration der Sensorfaser geschehen. Die Detektion erfolgt dabei, durch die Änderung der Dämpfung einer Faser bei Überschreiten von bestimmten Temperaturschwellen. Dies beruht auf einer Veränderung der optischen Eigenschaften innerhalb der Faser durch Temperatureinwirkungen, die außerhalb des sonst zulässigen Gebrauchsbereichs für die Faser liegen. Mittels dieser Sensorik können beispielsweise Bauteile in Flugzeugen oder aber auch Tragegurte untersucht werden. Eine kontinuierliche Detektion ist dabei nicht zwingend erforderlich. Eine Sender- und Empfänger-Sensorik kann auch einmalig zum Vermessen der Fasereigenschaften in einem Prüfintervall eingesetzt werden. Besonders bei Faserverbundbauteilen bietet sich auf diese Weise eine Möglichkeit der zerstörungsfreien Bauteilprüfung.
Eine vorteilhafte Anwendung auf dem Gebiet der Sensorik von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, sind Lichtschranken. Mittels der Fasern ist es zudem auf einfache und kostengünstige Weise möglich, Licht von einer einzigen Lichtquelle an verschiedene Punkte zu leiten.
Eine vorteilhafte Anwendung auf dem Gebiet der Sensorik von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist eine Sensor-Netz-Matrix. Beispielsweise kann in ein Bauteil ein Netz aus Sensorfasern integriert werden. Durch die Einzelkontaktierung der Sensorfasern kann der Ort einer Verformung, einer Schädigung oder eines Versagens genauer detektiert werden. Besonders bei Faserverbundwerkstoffen zum Beispiel mit Carbonfasern als Verstärkungsfaser sind Schädigungen durch eine äußere Begutachtung oft nicht erkennbar. In diesem Bereich kann besonders bei teuren oder sicherheitsrelevanten Bauteilen mittels einer Sensor-Netz-Matrix eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Bauteilüberwachung erfolgen.
Eine vorteilhafte Anwendung auf dem Gebiet der Sensorik von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist Bekleidung. Beispielsweise kann eine zu hohe Temperatureinwirkung in körpernahen Schichten einer Feuerwehrjacke detektiert werden. Dies kann zum einen der Warnung im Einsatz dienen und zum anderen der Überprüfung der Ausrüstung nach einem Einsatz.
Eine vorteilhafte Anwendung auf dem Gebiet der Sensorik von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist die Überwachung von Körperfunktionen. Beispielsweise können in die Kleidung von Neugeborenen erfindungsgemäße Fasern integriert werden. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise die Atmung durch die Verformung des Brustkorps und Bewegungen detektieren. Bei zu langen Ruhephasen kann dann ein Alarm ausgelöst werden.
Eine vorteilhafte Anwendung von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Spinnverfahren hergestellt werden, ist eine intelligente Fabrik. In dieser können Beleuchtung, Sensorik und Datenleitung mit POF erfolgen. Insbesondere die guten Gebrauchseigenschaften und die Störunempfindlichkeit sind hierbei von Vorteil.
Eine vorteilhafte Anwendung von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, sind Hybridgarne. Dabei werden die erfindungsgemäßen Fasern beispielsweise einem Friktionsspinnprozess oder einem OE-Rotorspinnprozess als Seele zugeführt. Durch den Spinnprozess erfolgt eine Ummantelung, die verschiedenste Eigenschaften haben kann. Es können beispielsweise die Haptik, die textile Weiterverarbeitbarkeit, die Einbindung in textile Strukturen und die Anbindung an eine Matrix verbessert werden. Dies kann beispielsweise im Bereich des Textilbetons oder bei anderen Faserverbundanwendungen aber auch bei Bekleidung von Vorteil sein.
Eine vorteilhafte Anwendung von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist das Zusammenschmelzen von Einzelfasern zu Faserbündeln. Das Zusammenschmelzen kann über der gesamten Länge oder nur an speziellen Punkten erfolgen. Beim Zusammenschmelzen wird eine Schädigung der optischen Eigenschaften dadurch minimiert, dass beim Verbinden der Fasern lediglich die Außenschichten der Fasern kurz angeschmolzen werden. Die auf diese Weise erhaltenen Faserbündel können beispielsweise dazu dienen, viel Licht für eine Beleuchtungsanwendung zu leiten.
Eine vorteilhafte Anwendung von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist die Explosionssicherheit bei Beleuchtung und Datenübertragung. Mit den polymeren Fasern ist auf einfache Weise eine Potentialtrennung möglich. Somit kann Licht zum Zwecke der Beleuchtung in explosionsgefährdete Bereiche geleitet werden. Beispielsweise ist in der Chemieindustrie eine explosionssichere Beleuchtung an vielen Stellen notwendig. Ebenfalls kann mit den Fasern eine Datenleitung in oder durch explosionsgefährdete Bereiche auf einfache Weise erfolgen.
Eine vorteilhafte Anwendung von Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, ist eine Bildübertragung. Ein Bündel von Fasern kann dabei ein Bild übertragen, indem jede Einzelfaser einen Pixel überträgt. Auf diese Weise ist eine Bildübertragung ohne elektrische Bauteile oder Komponenten möglich.
1 Prinzip des Schmelzspinnverfahrens
Bezugszeichenliste

1: Spinnpaket
2: temperiertes Becken
3: Umlenkrolle
4: Wickler

2 Optionale Erweiterungen des Schmelzspinnverfahrens
Bezugszeichenliste

1: Vortrockner
2: Extruder mit Entgasung
3: Spinnpaket mit Polymerfilter
4: Anblasung
5: Zerstäubter Wasser- oder Öl-Strahl
6: Öler
7: Abzugsgaletten
8: temperiertes Becken
9: Beeinflussungszone
10: Umlenkrolle
11: 1. Galetten-DUO
12: 1. Streckzone
13: 2. Galetten-DUO
14: 2. Streckzone
15: 3. Galetten-DUO
16: Relaxierzone
17: 4. Galetten-DUO
18: Texturierung
19: Kühltrommel
20: Abzugsgaletten
21: Mantel-Spinnpaket
22: Extruder, Mantel
23: Wickler

3 Profil des Brechungsindexes bei einer GI-Faser nach Mitschke (Mitschke, F: Glasfasern: Physik und Technologie. München: Elsevier GmbH, Spektrum Akademischer Verlag, 2005)
4 Power-Leitung mit Kern-Mantel-Struktur, Querschnittsansicht
Bezugszeichenliste

1: Kern aus einer optischen Polymerfaser mit GI-Profil
2: leitfähiger Mantel
3: Schutz- und Isolationsschicht

5 Power-Leitung als Systemaufbau, Querschnittsansicht
Bezugszeichenliste

1: Lichtleitende Faser
2: Stromführende Faser
3: Schutz- und Isolationsummantelung

Claims

Verfahren zum Schmelzspinnen einer über ihren Querschnitt variierenden Faser, insbesondere einer optischen Polymerfaser, wobei die Faser mittels eines Spinnpakets erzeugt wird, später durch ein temperiertes Becken geführt wird, später um eine Umlenkrolle und später zu einem Wickler, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser durch ein Spinnbad in Gestalt des temperierten Beckens geführt wird, um ein radiales Profil des Querschnitts mittels eines radialen Profils der Abkühlgeschwindigkeiten einzustellen wobei das Spinnbad frei von Mischungen verschiedener Monomere oder Polymere sowie frei von Dotanden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Verfahren optische Polymerfasern mit einem Gradientenindexprofil hergestellt werden, oder dass für nicht-optische Eigenschaften von Polymerfasern ein Profil über den Querschnitt erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Faserwerkstoff Commodity-Polymere eingesetzt werden, vor allem PMMA, PS oder PC, jeweils einschließlich dotierter Varianten, wie beispielsweise deuteriertes PMMA, und/oder dass als Faserwerkstoff Elastomere eingesetzt werden, insbesondere zum Herstellen optischer Elastomer-Fasern, und zwar unter Modifizierung des Verfahrens zu einem Lösungsspinnverfahren.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das temperierte Becken mit Wasser gefüllt ist, wobei die Temperatur des Beckens bevorzugt im Bereich von 0°C bis 100°C eingestellt ist oder dass das temperierte Becken mit einem Ethanol-Kohlendioxid-Gemisch gefüllt ist, wobei die Temperatur des Beckens bevorzugt im Bereich von –50°C bis +150°C eingestellt ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das temperierte Becken die Gestalt eines Fluid-durchströmten Rohres aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vortrockner eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mantel auf die hergestellte Faser aufgebracht wird, vor allem mit einem weiteren Extruder und einem Mantel-Spinnpaket.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu einem radialen Eigenschaftsprofil ein axiales Profil eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Querschnittsprofile durch Anpassung einer Spinndüse im Spinnpaket realisiert werden, beispielsweise zum Herstellen einer Hohlfaser, wobei bevorzugt ein elliptisches Querschnittsprofil der Faser erzeugt wird.
Verwendung einer Faser, die mit einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche hergestellt ist, als Datenleitung, als störungssichere Datenleitung, in der intelligenten Haustechnik, im Kraftfahrzeug, in der Luftfahrt, als Power-Leitung, zum Verteilen von zentral erzeugter Infrarotstrahlung durch die Fasern, als Beleuchtungs-Element, als Dekorations-Element, in Textilbeton, in Lichtbeton, in der Autoinnenbeleuchtung, in einem Autohimmel, im Einzelhandel zum Beleuchten von Ware, zum Einkoppeln von Sonnenlicht, zur zentralen Beleuchtung von Gebäuden, durch die kombinierte Leitung von sichtbarem Licht und Infrarotstrahlung, im Bereich der Medizin als eine blaues Licht abstrahlende Wundauflage, für ein Endoskop, in Bekleidung, eingebunden in textile Flächen, eingebunden in Seile oder textile Kabelummantelungen, im Gebiet der Sensorik, zur Detektion von Biegung oder Dehnung, zur Detektion von Temperaturschädigung, für Lichtschranken in einer Sensor-Netz-Matrix, für Bekleidung, zur Überwachung von Körperfunktionen, als Hybridgarn, im Zusammenschmelzen von Einzelfasern zu Faserbündeln, zum explosionssicheren zur Verfügung stellen von Beleuchtung und Datenübertragung in explosionsgefährdeten Bereichen und/oder zur Bildübertragung.