DE10224261A1

DE10224261A1 - Plastic light guide comprises light-conducting poly(methyl methacrylate) core, optically active fluorocopolymer sheath and protective outer sheath of cross-linked polymer

Info

Publication number: DE10224261A1
Application number: DE2002124261
Authority: DE
Inventors: Guenter Zeidler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2003-05-15

Abstract

Plastic light guide comprises: (a) a light-conducting poly(methyl methacrylate) core (1); (b) an optically active fluorocopolymer sheath (2);and (c) a protective outer sheath (3) of cross-linked polymer which can be used long-term above 80 deg C. Independent claims are included for: (1) a method for making the light guide comprising passing the core and sheath through a coating die to form an outer sheath which is cross-linked using a UV lamp or oven below 80 deg C; and (2) a similar method in which a further sheath is extruded on to the product.

Description

1. State of the art

Die optische Informationsübertragung hat in den letzten Jahren in den öffentlichen und privaten Nachrichtennetzen und auch im industriellen und konsumnahen Bereich viele Anwendungen gefunden. Die Basis dieser Anwendungen sind Lichtleiter, meist in faserförmiger Form. In den Nachrichtennetzen werden meist Lichtleitfasern aus Quarzglas, auch Glasfasern genannt, eingesetzt, im Bereich der industriellen und konsumnahen Anwendungen werden auch häufig Lichtleitfasern aus Plastik (POF, Plastic Optical Fibre) verwendet. Dies hat damit zu tun, daß Glasfasern wegen der unvermeidlichen Eigenschaften eines spröden, harten Werkstoffes recht dünn ausgezogen werden müssen (meist 0,125 mm) und bei der Verwendung besondere Verfahren des Trennen, Verbindens und Handhabens bedürfen. Plastikfasern dagegen sind aus einem im Vergleich zu Quarzglas duktileren und nachgiebigeren Werkstoff, können dicker hergestellt werden (z. B. 1 mm) und sind auch beim Trennen, Verbinden und Koppeln leichter zu Handhaben. Obwohl die Lichtdämpfung bei Plastikfasern recht hoch ist (z. B. 200 dB je km) im Vergleich zu den Quarzglasfasern (1 dB je km und darunter) werden die Plastikfasern gerne in Anwendungen benützt bei denen die Übertragungsstrecke kurz ist (z. B. 1 bis 100 m) und es auf die einfache Handhabung ankommt. Optical information transmission has been increasing in public and in recent years private communication networks and also many in the industrial and consumer-related area Applications found. The basis of these applications are light guides, mostly in fibrous shape. Optical fibers made of quartz glass are mostly used in the communication networks, also called glass fibers, used in the field of industrial and consumer-related Applications are also often optical fibers made of plastic (POF, Plastic Optical Fiber) used. This has to do with glass fibers because of their inevitable properties of a brittle, hard material must be drawn out very thin (usually 0.125 mm) and when using special methods of separating, connecting and handling require. Plastic fibers, on the other hand, are made of a ductile and ductile compared to quartz glass more flexible material, can be made thicker (e.g. 1 mm) and are also with Disconnect, connect and pair easier to handle. Although the light attenuation at Plastic fibers is quite high (e.g. 200 dB per km) compared to quartz glass fibers (1 dB per km and below) plastic fibers are often used in applications where the Transmission distance is short (e.g. 1 to 100 m) and easy handling is important.

Beispiele dafür sind Maschinensteuerungen, Signalübertragungen in HiFi-Anlagen, Informationsübertragung in Automobilen, oder auch direkt in Beleuchtungseinrichtungen. Die meisten verwendeten Plastiklichtleitfasern bestehen aus thermoplastischen Materialien, und zwar aus einem dicken, lichtführenden Kern aus Polymethylmetacrylat (PMMA), der von einem dünnen Mantel eines Fluor-Copolymers umgeben ist. Diese Lichtleiterstruktur wird meist durch eine weitere dichtaufsitzende Schicht aus Polyethylen (PE) umgeben. Examples include machine controls, signal transmissions in hi-fi systems, Information transfer in automobiles, or also directly in lighting devices. Most plastic optical fibers used are made of thermoplastic materials, namely from a thick, light-guiding core made of polymethyl methacrylate (PMMA), which by is surrounded by a thin jacket of a fluorine copolymer. This light guide structure will usually surrounded by another tightly fitting layer of polyethylene (PE).

2. Disadvantages of the plastic optical fibers used today with a PMMA Core at elevated temperatures.

Polymethylmetacrylat ist ein glasklarer, amorpher Thermoplast mit einer Erweichungstemperatur zwischen 85 und 125°C. Der Temperaturbereich für die Formbeständigkeit wird allgemein für diese Stoffklasse mit 80 bis 105°C angegeben, die obere Gebrauchstemperatur wird auf 65 bis 95°C eingegrenzt (siehe z. B. Hellerich/Harsch/Haenle: "Werkstofführer für Kunststoffe", Hanser-Verlag). Da Lichtleitfasern im Betrieb besonders stabil bleiben müssen und nicht durch Fließen oder Kriechen ihre Form verändern dürfen, wird eine maximale Dauergebrauchstemperatur von 65°C empfohlen, gelegentlich werden auch Temperaturen um 70°C eingeschränkt erlaubt, doch kann es bei diesen Temperaturen bereits zu Langzeitproblemen bei der Zuverlässigkeit kommen. Polymethyl methacrylate is a crystal-clear, amorphous thermoplastic with a Softening temperature between 85 and 125 ° C. The temperature range for the Dimensional stability is generally specified for this class of substances with 80 to 105 ° C, the upper operating temperature is limited to 65 to 95 ° C (see e.g. Hellerich / Harsch / Haenle: "Material guide for plastics", Hanser-Verlag). There Optical fibers must remain particularly stable during operation and not by flowing or Crawl are allowed to change their shape, a maximum continuous use temperature of 65 ° C recommended, occasionally temperatures around 70 ° C are allowed, however, long-term reliability problems can already arise at these temperatures come.

Für manche Anwendungen ist dies natürlich zu wenig, gerade im Automobil können wesentlich höhere Temperaturen an den Stellen der günstigsten Kabelverlegung auftreten. Ein erweiterter Temperaturbereich deutlich über 60°C wäre erwünscht. Auch bei fast allen industriellen Systemen und nachrichtentechnischen Geräten werden für die Kabel standardmäßig Temperaturen von über 60°C von den Anwendungsnormen gefordert. Tatsächlich auftreten können solche hohen Dauergebrauchstemperaturen bei Geräten mit Eigenerwärmung durch die Verlustleistung z. B. von Netzgeräten und bei Anlagen, die noch zusätzlich dem direkten Sonnenschein ausgesetzt sind oder allgemein für Anwendungen in heißen Klimazonen vorgesehen sind. Of course, this is too little for some applications, especially in automobiles significantly higher temperatures occur at the places of the cheapest cable laying. On extended temperature range well above 60 ° C would be desirable. Almost everyone too industrial systems and communications equipment are used for the cables As a standard, temperatures of over 60 ° C are required by the application standards. Such high continuous operating temperatures can actually occur with devices Self-heating through the power loss z. B. from power supplies and in systems that still are also exposed to direct sunshine or generally for applications in hot climates are provided.

Folgende Effekte treten bei erhöhten Temperaturen auf und begrenzen die Anwendbarkeit der PMMA-Lichtleiter: The following effects occur at elevated temperatures and limit the applicability of the PMMA light guide:

a) Detachment of the optically active cladding from the PMMA core

Der optisch aktive Mantel besteht meist aus einer dünnen Schicht eines Fluorcopolymers, das schlecht auf dem PMMA haftet und einen geringfügig abweichenden Temperaturausdehnungskoeffizient aufweist. Bei erhöhter Temperaturbeanspruchung, insbesondere bei wiederholten Warm-Kaltzyklen kann es zu kleinen Ablösungen der Mantelschicht kommen. An diesen Ablösungen wird dann das im Kern geführte Licht gestreut, es kommt zu einer erhöhten Dämpfung. The optically active coat usually consists of a thin layer of a fluorocopolymer, the adheres poorly to the PMMA and a slightly different Has coefficient of thermal expansion. With increased temperature stress, Especially with repeated warm-cold cycles, there may be small detachments Coat layer come. The light that is guided in the core then becomes these detachments scattered, there is increased damping.

b) Cross-sectional deformation due to softening

Der Elastizitätsmodul des PMMA nimmt bereits bei Temperaturen über 50°C geringfügig ab, über 70°C führen kleine äußere Spannungen zur geringen dauernden Verformungen, bei 90 bis 100°C ist der E-Modul bereits auf ein Zehntel abgesunken. Werden unregelmäßige äußere Lasten nicht ferngehalten, so verformt sich der Querschnitt ungleichmäßig und die Lichtführung wird beeinträchtigt. The modulus of elasticity of the PMMA decreases slightly at temperatures above 50 ° C, Over 70 ° C, small external stresses lead to low permanent deformation, at 90 up to 100 ° C, the modulus of elasticity has already dropped to one tenth. Become irregular exterior If the loads are not kept away, the cross-section deforms unevenly and the Light guidance is impaired.

c) longitudinal shrinkage

Bei der Herstellung werden die PMMA-Fasern zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit um den Faktor 2 und mehr gereckt. Die dadurch erzeugten mechanischen Längsspannungen werden zwar durch nachträgliches Tempern teilweise abgebaut. Trotzdem zeigen alle PMMA- Lichtleitfasern für Temperaturen über 70°C eine mehr oder wenig große Tendenz zum Schrumpfen. Wenn sie frei beweglich sind, können sie sich z. B. auf die Hälfte verkürzen. Der Querschnitt nimmt dabei im entsprechenden Maße zu. In der Praxis ist dieser Prozeß recht unregelmäßig, es kommt zu Störungen der Lichtleitung. Weiterhin kann sich der zurückschrumpfende Lichtleiter aus Verbindungshülsen oder Ähnlichem herausziehen und damit die Verbindung unterbrechen. During production, the PMMA fibers are used to increase the mechanical strength stretched by a factor of 2 and more. The resulting mechanical longitudinal stresses are partially broken down by subsequent tempering. Nevertheless, all PMMA Optical fibers for temperatures above 70 ° C have a more or less great tendency to Shrink. If they are free to move, they can z. B. cut in half. The The cross section increases accordingly. In practice, this process is right irregular, there is interference in the light guide. Furthermore, the Pull shrinking light guides out of connection sleeves or the like and to break the connection.

d) Materialabbaud) material degradation

Bei länger andauernder erhöhter Temperatur beginnen im PMMA verschiedene Zersetzungserscheinungen zu wirken. Optisch zeigt sich dies durch Vergilben und später durch Riß- und Blasenbildung, wodurch natürlich die Lichtübertragung gestört wird. Dieser Materialabbau wird durch von Außen einwandernde Reagenzien, wie Sauerstoff und Wasser auch schon bei niedrigen Temperaturen z. B. ab 60°C begünstigt. Wasser kann zur Hydrolyse der Estergruppen des PMMA führen, der Sauerstoff wirkt oxydierend und kann die C-C- oder die C-H-Bindungen auftrennen. In beiden Fällen bilden sich niedermolekulare Abbauprodukte wie Alkohole und andere stark oxydierte Kohlenwasserstoffe, letztlich wie beim Verbrennen Wasser und Kohlendioxyd. If the temperature is raised for a longer period of time, various start in the PMMA Effects of decomposition. Visually this is shown by yellowing and later due to cracking and blistering, which naturally interferes with the light transmission. This Material degradation is caused by external immigrants, such as oxygen and water even at low temperatures e.g. B. from 60 ° C. Water can be used for hydrolysis of the ester groups of PMMA lead, the oxygen has an oxidizing effect and can the C-C or break the C-H bonds. In both cases, low-molecular decomposition products are formed like alcohols and other highly oxidized hydrocarbons, ultimately like when burning Water and carbon dioxide.

Bei Temperaturen zwischen 150 und 200°C beginnt zusätzlich zur Oxydation auch die spontane Kettenspaltung des PMMA. Vom Kettenende her werden kurze Kettenstücke, hauptsächlich Monomere (Methylmethacrylat) abgespalten. At temperatures between 150 and 200 ° C, in addition to oxidation, this also begins spontaneous chain splitting of the PMMA. From the end of the chain, short pieces of chain mainly split off monomers (methyl methacrylate).

Insgesamt zeigt sich ab 150°C eine massive Blasenbildung, die einen optischen Betrieb dieser Fasern oberhalb dieser Temperaturen völlig unmöglich macht. Overall, from 150 ° C there is massive blistering, which is an optical operation of this Fibers above these temperatures completely impossible.

3. Description of a new cladding for light guides made of PMMA

Das Ziel dieser Erfindung ist es, einen PMMA-Lichtleiter so zu Umhüllen, daß die oben beschriebenen negativen Effekte so gut wie möglich abgemildert werden und der Lichtleiter in einen etwas erhöhtem Temperaturbereich benützt werden kann. Es wird dabei ein sicherer Dauerbetrieb bis 80°C angestrebt, mit besonderen Ausführungsformen ist, abhängig von den Stabilitätsanforderungen der Übertragung, auch ein Betrieb um 100°C, in der Grenze bis 125°C möglich. The aim of this invention is to sheath a PMMA light guide so that the above described negative effects are mitigated as much as possible and the light guide can be used in a slightly higher temperature range. It will be a safe one Continuous operation up to 80 ° C aimed at, with special embodiments, depending on the Stability requirements for transmission, including operation at 100 ° C, in the limit up to 125 ° C possible.

Eine wichtige Rolle spielt dabei die erste, auf die fertige Kern-Mantelstruktur des Lichtleiters aufgebrachte Schutzhülle. Nach dem Stand der Technik besteht diese üblicherweise aus thermoplastischen Polymeren, wie PE oder PVC. In der Offenlegungsschrift DE 199 14 743 A1 wird dafür ein Polyamid (PA 12) vorgeschlagen. The first, on the finished core-cladding structure of the light guide, plays an important role applied protective cover. According to the prior art, this usually consists of thermoplastic polymers such as PE or PVC. In the published patent application DE 199 14 743 A1 a polyamide (PA 12) is proposed for this.

Alle diese Thermoplasten haben jedoch den Nachteil, daß sie selbst bei erhöhten Temperaturen weich werden und, abhängig vom Extrusionsverfahren, Schrumpfen, Kriechen oder Rutschen können und somit den Lichtleiterquerschnitt nicht sauber stabilisieren. All of these thermoplastics, however, have the disadvantage that they increase even with Temperatures become soft and, depending on the extrusion process, shrinking, creeping or can slide and therefore do not properly stabilize the fiber optic cross-section.

In dieser Erfindung wird hingegen vorgeschlagen, diese erste Schutzschicht aus einem dauerelastischen, vernetzten Material herzustellen. Durch die Vernetzung der Makromoleküle wird erreicht, daß die Hülle auch bei erhöhter Temperatur formstabil bleibt und nur geringe, aber zeitlich konstante radiale Kräfte auf die Fluorpolymerschicht des optisch aktiven Mantels ausübt. Dadurch werden Instabilitäten und Ablösungen durch Kriechvorgänge bei Temperaturänderungen vermieden, weiterhin werden äußere Querkräfte durch die Elastizität und die Polsterwirkung des vernetzten Materials aufgefangen. Auch wenn der innere Lichtleiter geringfügig erweicht, wird er durch die vernetzte, temperaturstabile Hülle in Form gehalten. Bevorzugt werden Materialsysteme, die bei niederen Temperaturen (unter 80°C) aufgebracht und zur Vernetzung gebracht werden können. Durch die niedere Prozesstemperatur wird eine Vorschädigung des Lichtleiters bei der Umhüllung vermieden. Geeignet sind z. B. durch UV-Licht vernetzende Materialien, wie Acrylatverbindungen, die mit geeigneten Katalysatoren gemischt sind, oder Zweikomponentenmischungen, die durch einen chemischen Prozeß vernetzen. Ein Beispiel dafür ist ein durch Polyaddition oder Polykondensation vernetzender Zweikomponenten-Silikongummi. Dieses System kann mit Temperaturen von 20 bis 60°C bequem aufgetragen und vernetzt werden, ist jedoch danach bis zu Temperaturen über 150°C formstabil. Ein weiteres Beispiel für ein Zweikomponentensystem sind vernetzende Polyurethanmischungen (Diisocyanate und Polyole, gemischt mit Katalysatoren). Vorteilhaft bei vernetzenden Systemen ist dabei auch, daß durch die Vernetzung das Volumen geringfügig schrumpft und die ausgenetzte Schutzhülle dicht und fest auf dem Lichtleiter aufsitzt. Vorteilhaft kann es weiterhin sein, wenn die Schutzschicht beim Vernetzen aufschäumt. Dadurch wird sie elastischer und hat eine verbesserte Wärmeisolierung, was bei den weiteren Prozeßschritten von Vorteil ist. Das Aufschäumen wird durch ein Treibgas (z. B. Wasserstoff), das bei der Vernetzung freigesetzt wird, unterstützt. In contrast, in this invention it is proposed to make this first protective layer from a to produce permanently elastic, cross-linked material. By networking the macromolecules the result is that the casing remains dimensionally stable even at elevated temperature and only but radial forces over time on the fluoropolymer layer of the optically active jacket exercises. This causes instabilities and detachments due to creeping processes Changes in temperature are avoided, external transverse forces are also prevented by the elasticity and absorb the cushioning effect of the cross-linked material. Even if the inner Slightly softened, the light guide is shaped by the networked, temperature-stable shell held. Material systems that operate at low temperatures (below 80 ° C) are preferred. can be applied and brought to networking. Through the lower Process temperature prevents damage to the light guide during the coating. Are suitable for. B. by UV light crosslinking materials such as acrylate compounds are mixed with suitable catalysts, or two-component mixtures by network a chemical process. An example of this is one by polyaddition or Polycondensation crosslinking two-component silicone rubber. This system can with Temperatures of 20 to 60 ° C can be conveniently applied and crosslinked, however, is after that Dimensionally stable up to temperatures above 150 ° C. Another example of a Two component systems are crosslinking polyurethane mixtures (diisocyanates and Polyols mixed with catalysts). Another advantage of networking systems is that the volume shrinks slightly as a result of the crosslinking and the retracted one Protective cover sits tightly and firmly on the light guide. It can also be advantageous when the protective layer foams when crosslinking. This makes it more elastic and has improved thermal insulation, which is an advantage in the further process steps. The Foaming is caused by a propellant gas (e.g. hydrogen) that is released during crosslinking is supported.

Für die meisten Anwendungen ist die erste vernetzte Schutzhülle noch nicht ausreichend. Um auch größere Längs- und Querkräfte sicher aufzufangen, wird eine weitere thermoplastische Schutzschicht aufgebracht. Da die erste Schutzschicht den inneren Lichtleiter gegen kurzzeitiges Erwärmen schützt, können jetzt auch Thermoplaste mit höheren Extrusionstemperaturen ausgesucht werden. Bevorzugt werden Materialien ausgewählt, die auch bei den gewünschten erhöhten Temperaturen noch fest und formstabil sind. Dies sind z. B. Polypropylen (PP), Polyamide (PA), Polyester (PETP, PBTP), Polycarbonat (PC). Auch die besonders temperaturstabilen und flammwidrigen Halogenpolymere, wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Chlortrifluorethylen (ECTFE), Tetrafluorethylen- Hexafluorpropylen (FEP), Polychlortrifluorethylen (PCTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polyvinylidenchlorid (PVDC) kommen in Frage. Diese mögliche Auswahl zeigt deutlich den Vorteil der ersten kühl aufgebrachten Schutzhülle aus einem vernetzendenen Werkstoff und deren Wirkung als Temperaturschutzschild im nachfolgenden Extrusionsprozess: Es können Thermoplaste wie PC und ECTFE, ausgewählt werden, deren Extrusionstemperatur deutlich über 200°C liegt. Extrudiert man dagegen (wie beim Stand der Technik üblich) direkt auf den PMMA-Lichtleiter, so darf man 200°C nicht allzu sehr überschreiten, da man dann bereits den Lichtleiter bleibend schädigt. Deshalb kann in heute üblichen Produkten die temperaturfesten Hüllenwerkstoffe nicht einsetzten. The first networked protective cover is not yet sufficient for most applications. Around Another thermoplastic is also able to safely absorb larger longitudinal and transverse forces Protective layer applied. Since the first protective layer against the inner light guide short-term heating protects, now thermoplastics with higher Extrusion temperatures are selected. Materials are preferably selected that are still firm and dimensionally stable even at the desired elevated temperatures. These are e.g. B. polypropylene (PP), polyamides (PA), polyester (PETP, PBTP), polycarbonate (PC). Also the particularly temperature-stable and flame-retardant halogen polymers, such as Polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene chlorotrifluoroethylene (ECTFE), tetrafluoroethylene Hexafluoropropylene (FEP), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyvinylidene chloride (PVDC) are possible. This possible selection clearly shows the advantage of the first cool protective cover made of a cross-linking material and their effect as a temperature protection shield in the subsequent extrusion process: Es thermoplastics such as PC and ECTFE can be selected, their extrusion temperature is well above 200 ° C. On the other hand, one extrudes directly (as is customary in the prior art) on the PMMA light guide, you should not exceed 200 ° C too much, because then already permanently damage the light guide. That is why in today's common products Do not use temperature-resistant casing materials.

Von besonderem Vorteil ist eine Schutzhülle aus ECTFE, PCTFE, PVDC oder PVDF. Diese hochwertigen, polaren Halogenpolymere zeichnen sich durch eine extrem niedrige Permeationsrate für Gase wie Sauerstoff oder Wasserdampf aus. Die Durchlässigkeit liegt um Faktoren von 100 bis 1000 niedriger als für übliche Polymere, wie z. B. bei PE. Dadurch wird der durch Sauerstoff oder Wasser bei höheren Temperaturen ausgelöste chemische Abbau des PMMA deutlich verzögert, der Lichtleiter bleibt auch bei erhöhten Temperaturen über längere Zeit stabil. A protective cover made of ECTFE, PCTFE, PVDC or PVDF is particularly advantageous. This high-quality, polar halogen polymers are characterized by an extremely low Permeation rate for gases such as oxygen or water vapor. The permeability is over Factors from 100 to 1000 lower than for conventional polymers, such as. B. with PE. This will the chemical degradation of the. triggered by oxygen or water at higher temperatures PMMA significantly delayed, the light guide remains for longer even at elevated temperatures Time stable.

Soll der umhüllte Lichtleiter äußerlich gefärbt sein, so kann es aus Gründen einer rationellen Fertigung sinnvoll sein, eine dritte gefärbte Thermoplasthülle aufzuextrudieren. If the coated light guide is to be colored on the outside, it can be rational for reasons of efficiency Manufacturing make sense to extrude a third colored thermoplastic sleeve.

Außerdem kann diese dritte Hülle aus einem Werkstoff sein, der optimal der Anwendung angepaßt ist, also Rücksicht auf Installationsbedingungen, wie Reibung oder Klemmung in einer Steckerabfangung, nimmt. Natürlich muß er auch zum Werkstoff der zweiten Hülle passen. Eine gute Paarung für die zweite und dritte Hülle ist z. B. PC und PP oder PC und PETP. Das temperaturstabile, aber rißanfällige PC der zweiten Hülle wird dabei noch zusätzlich durch das PP oder das PETP der äußeren, dritten Hülle geschützt. In addition, this third shell can be made of a material that is optimal for the application is adjusted, i.e. consideration of installation conditions, such as friction or clamping in a connector support. Of course, he must also go to the material of the second shell fit. A good pairing for the second and third cases is e.g. B. PC and PP or PC and PETP. The temperature-stable, but crack-prone PC of the second case is still there additionally protected by the PP or PETP of the outer, third shell.

Damit wird das Konstruktionsprinzip der neuen Umhüllung eines PMMA-Lichtleiters klar (siehe Fig. 1):
Der Lichtleiter mit seinen optisch aktiven Elementen, dem PMMA-Kern (1) und dem Fluorcopolymer-Mantel (2) wird von einer ersten Schutzhülle (3) aus einem vernetzten, dauerelastischen und temperaturstabilen Werkstoff umgeben, dessen erlaubte Dauertemperatur mindestens der gewünschten Betriebstemperatur des Endproduktes umhüllter Lichtleiter entspricht. Für den Telekommunikationsbereich ist dies z. B. 80°C, für den Automobilbereich 100°C oder 125°C. Diese koaxial dichtaufsitzende Schutzhülle (3) hält den Lichtleiter auch bei Temperaturen, die für PMMA bereits bedenklich hoch sind, in Form und verhindert Ablösungen in der Kern-Manteltrennfläche zwischen (1) und (2). Die Schutzschicht (3) wirkt gleichzeitig als Wärmeisolierung beim Aufbringen der weiteren Schutzschicht (4) aus einem hochfesten, dimensionsstabilen Thermoplasten. Diese Schutzhülle (4) verhindert das Zurückschrumpfen des gereckten Lichtleiters und hält zusätzlich die Querkräfte vom inneren Lichtleiter fern. Damit sie ihrer Funktion gerecht wird, muß der Thermoplast eine erlaubte Dauergebrauchstemperatur deutlich über der gewünschten Betriebstemperatur des Endproduktes aufweisen und sollte auch bei diesen hohen Temperaturen einen Elastizitätsmodul um oder über 100 N/mm² aufweisen. Bevorzugt wird diese zweite Schutzhülle (4) aus einem Werkstoff mit geringer Permeationsrate für die Gase wie Sauerstoff und Wasserdampf angefertigt, da dadurch der Abbau des PMMA im lichtführenden Kern (1) vermindert wird. Besonders geeignet sind hierfür die polaren Halogenpolymere, wie ECTFE, PCTFE, PVDC und PVDF. This clarifies the design principle of the new cladding of a PMMA light guide (see Fig. 1):
The light guide with its optically active elements, the PMMA core ( 1 ) and the fluoropolymer jacket ( 2 ) is surrounded by a first protective cover ( 3 ) made of a cross-linked, permanently elastic and temperature-stable material, the permissible continuous temperature of which is at least the desired operating temperature of the end product coated light guide corresponds. For the telecommunications sector, this is e.g. B. 80 ° C, for the automotive sector 100 ° C or 125 ° C. This coaxial, tightly fitting protective cover ( 3 ) keeps the light guide in shape even at temperatures that are already alarmingly high for PMMA and prevents detachments in the core-jacket separating surface between ( 1 ) and ( 2 ). The protective layer ( 3 ) also acts as thermal insulation when applying the further protective layer ( 4 ) made of a high-strength, dimensionally stable thermoplastic. This protective cover ( 4 ) prevents the stretched light guide from shrinking and also keeps the lateral forces away from the inner light guide. In order for it to perform its function, the thermoplastic must have a permissible long-term use temperature clearly above the desired operating temperature of the end product and should also have a modulus of elasticity around or above 100 N / mm ² even at these high temperatures. This second protective cover ( 4 ) is preferably made from a material with a low permeation rate for the gases, such as oxygen and water vapor, since this reduces the breakdown of the PMMA in the light-guiding core ( 1 ). Polar halogen polymers such as ECTFE, PCTFE, PVDC and PVDF are particularly suitable for this.

Entsprechend den Anforderungen der Anwendung können weitere äußere Schutzhüllen aufgebracht werden Fig. 2 zeigt eine weitere gefärbte Schutzhülle (5) aus einem Thermoplasten. According to the requirements of the application, further outer protective covers can be applied. FIG. 2 shows another colored protective cover ( 5 ) made of a thermoplastic.

In einer weiteren Ausführungsform besteht die Schutzhülle (4) aus einem dünnwandigen Metallrohr, z. B. aus Kupfer, Aluminium oder Edelstahl. Neben der ausgezeichneten mechanischen Stabilität ist dadurch gewährleistet, daß das Eindringen der schädlichen Reagenzien, wie Sauerstoff oder Wasserdampf, weiter minimiert wird. In a further embodiment, the protective cover ( 4 ) consists of a thin-walled metal tube, e.g. B. made of copper, aluminum or stainless steel. In addition to the excellent mechanical stability, this ensures that the penetration of the harmful reagents, such as oxygen or water vapor, is further minimized.

4. Description of the manufacturing process

Beim Herstellverfahren wird immer von einem fertigen Lichtleiter mit einem PMMA-Kern (1) und einem optisch aktiven Mantel (2) aus einem Fluorcopolymer ausgegangen. Dieser Lichtleiter wird z. B. auf einer Spule angeliefert und kann von dieser auf einfache Weise abgezogen werden. Der weitere Herstellprozess unterscheidet sich, je nachdem, ob die Aufbringung der Schutzschichten (3) und (4) jeweils in einem isolierten Arbeitsschritt nacheinander erfolgen oder ob beide Schutzschichten (3) und (4) in einem kombinierten Prozeß in einer Tandemanlage in einem Arbeitsgang hergestellt werden. In beiden Fällen wird die pastöse Monomermischung für die Schicht (3) mit einer Pumpe einer Beschichtungsdüse zugeführt, in welcher diese Mischung um den Lichtleiter herumgepresst wird. Danach wird die zum Starten der Vernetzungsreaktion benötigte Energie z. B. in Form von UV-Licht durch eine Lampe oder in Form von Wärme mit Hilfe eines Vulkanisationsofens eingebracht. Beim isolierten, zweigeteilten Prozeß wird der umhüllte Lichtleiter vorsichtig aufgewickelt und danach in einem weiteren Schritt in einer Extrusionsanlage umhüllt. The manufacturing process always starts from a finished light guide with a PMMA core ( 1 ) and an optically active jacket ( 2 ) made of a fluorocopolymer. This light guide is used for. B. delivered on a spool and can be easily removed from this. The further manufacturing process differs depending on whether the protective layers ( 3 ) and ( 4 ) are applied one after the other in an isolated work step or whether both protective layers ( 3 ) and ( 4 ) are produced in a combined process in a tandem system in one operation become. In both cases, the pasty monomer mixture for the layer ( 3 ) is fed with a pump to a coating nozzle in which this mixture is pressed around the light guide. Then the energy required to start the crosslinking reaction z. B. in the form of UV light through a lamp or in the form of heat with the help of a vulcanization furnace. In the isolated, two-part process, the coated light guide is carefully wound up and then covered in a further step in an extrusion system.

Bei der Tandemanlage wird der beschichtete Lichtleiter direkt in den Spritzkopf einer Extrusionsanlage zentrisch eingeführt und z. B. nach dem Schlauch-Reckverfahren mit dem Thermoplasten (4) umhüllt. Bei wärmevernetzenden Systemen reicht dabei die Extrusionswärme der Schicht (4) zur Einleitung der Vernetzung, ein separater Vulkanisationsofen ist damit nicht nötig. Ein weiterer Vorteil des Tandemverfahrens liegt in der möglichen höheren Liniengeschwindigkeit, da die Mischung der Schicht (3) durch die Hülle (4) sofort geschützt wird und Zeit zum nachträglichen Ausnetzen hat. Die Extrusionsanlage wird durch eine Wasserkühlrinne und einen Aufwickler ergänzt. In the tandem system, the coated light guide is inserted directly into the spray head of an extrusion system and z. B. after the tube stretching process with the thermoplastic ( 4 ). In the case of heat-crosslinking systems, the extrusion heat of the layer ( 4 ) is sufficient to initiate the crosslinking, a separate vulcanization oven is therefore not necessary. Another advantage of the tandem process is the possible higher line speed, since the mixture of the layer ( 3 ) is immediately protected by the casing ( 4 ) and has time for subsequent wetting. The extrusion system is supplemented by a water cooling channel and a rewinder.

5. Description of the figures Fig. 1 Cross section of a covered plastic fiber

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Lichtführender PMMA-Kern Light-guiding PMMA core

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Optischer Mantel aus einem Fluorcopolymer Optical jacket made of a fluorocopolymer

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Schutzmantel aus einem vernetzten Material, wie z. B. einem Elastomer, bevorzugt Silikongummi Protective jacket made of a cross-linked material, such as. B. an elastomer, preferred silicone rubber

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Äußerer Schutzmantel aus einem Thermoplasten, zum Beispiel einem polaren Halogenpolymer wie Ethylchlortrifluorethylen (ECTFE) oder Polyvinilidenfluorid (PVDF) Outer protective jacket made of a thermoplastic, for example a polar one Halogen polymer such as ethyl chlorotrifluoroethylene (ECTFE) or polyvinilidene fluoride (PVDF)

Fig. 2

Querschnitt einer Plastikfaser mit zusätzlichem äußeren SchutzmantelCross section of a plastic fiber with an additional outer protective jacket

11

Lichtführender PMMA-Kern Light-guiding PMMA core

22

33

Schutzmantel aus einem vernetzten Material, wie z. B. einem Elastomer Protective jacket made of a cross-linked material, such as. B. an elastomer

44

Innerer Mantel aus einem Thermoplasten z. B. Polycarbonat (PC) Inner jacket made of a thermoplastic z. B. Polycarbonate (PC)

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Äußerer, gefärbter Mantel aus z. B. Polyester (PETP, PBTP), oder Polypropylen (PP) Outer, colored coat made of z. B. polyester (PETP, PBTP), or polypropylene (PP)

Claims

1. optical fiber made of plastic with a light-guiding core (1) of polymethyl methacrylate and an optically active jacket (2) made of a fluorocopolymer and a further protective sleeve (3), characterized in that the protective sheath (3) made of a dichtaufsitzenden cross-linked polymer with a Continuous use temperature of more than 80 ° C.

2. Light guide according to claim 1, characterized in that the cross-linked protective cover ( 3 ) contains a plurality of bubbles and forms a foam structure.

3. Light guide according to claims 1 or 2, characterized in that the protective cover ( 3 ) consists of a cross-linked elastomer with a layer thickness of more than 0.2 mm.

4. Light guide according to claims 1, 2, or 3, characterized in that the protective cover ( 3 ) consists of a cross-linked silicone rubber.

5. Light guide according to claim 4, characterized in that the cross-linked protective sheath ( 3 ) is formed by polyaddition from a two-component silicone with a cross-linking temperature below 80 ° C.

6. Light guide according to claims 1, 2 or 3, characterized in that the protective cover ( 3 ) consists of a polyacrylate crosslinked by UV light.

7. Light guide according to claims 1, 2 or 3, characterized in that the protective cover ( 3 ) consists of a cross-linked polyurethane.

8. Light guide according to claims 1 to 7, characterized in that the protective sheath ( 3 ) is encased by a further protective sheath ( 4 ) made of a high-strength thermoplastic with a continuous use temperature above 80 ° C.

9. Light guide according to claim 8, characterized in that the thermoplastic protective cover ( 4 ) is loosely applied.

10. Light guide according to claim 8, characterized in that the thermoplastic protective cover ( 4 ) sits tightly on the cross-linked layer ( 3 ).

11. Light guide according to claims 9 or 10, characterized in that the extrusion temperature of the thermoplastic of the layer ( 4 ) is above 200 ° C.

12. Light guide according to claims 8 to 11, characterized in that temperature-resistant thermoplastics from the families of polypropylene (PP), polyamide (PA), Polyester (PETP, PBTP), polycarbonate (PC) can be used.

13. Light guide according to claims 8 to 11, characterized in that particularly Temperature stable and flame retardant halogen polymers with low permeation rates for Oxygen or water, such as the polar substances polytetrafluoroethylene (PTFE), Ethylene chlorotrifluoroethylene (ECTFE), tetrafluoroethylene hexafluoropropylene (FEP), Polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) and Polyvinylidene chloride (PVDC) can be used.

14. Light guide according to claims 8 to 13, characterized in that the protective cover ( 4 ) is encased by a further coaxial protective cover ( 5 ) made of a colored thermoplastic with a continuous use temperature above 80 ° C.

15. Light guide according to claim 14, characterized in that the inner thermoplastic protective cover ( 4 ) made of polycarbonate (PC) and the outer protective cover ( 5 ) consists of polypropylene (PP) or a polyester such as PETP or PBTP.

16. Light guide according to claims 1 to 7, characterized in that the protective cover ( 3 ) is surrounded by a thin-walled metal tube.

17. Manufacturing method for light guides according to claims 1 to 16, characterized in that a plastic fiber with a PMMA core ( 1 ) and an optical jacket ( 2 ) passes through a coating nozzle with a circular cross-section and thereby with a layer of a cross-linkable material mixture ( 3 ) is wrapped concentrically, then passed through a UV lamp arrangement or a tube furnace in such a way that the temperature of the plastic fiber remains below 80 ° C., and is wound up after a crosslinking stretch.

18. Manufacturing method for light guides according to claims 8 to 15, characterized in that a plastic fiber with a PMMA core ( 1 ) and an optical jacket ( 2 ) passes through a coating nozzle with a circular cross-section and thereby with a layer of a cross-linkable material mixture ( 3 ) is wrapped concentrically, then occasionally passed through a UV lamp arrangement, then passed through the spray head of an extruder system in which it is encapsulated with a thermoplastic sleeve ( 4 ) and then wound up after a water cooling section.