DE1494721C - Lichtubertragender Bikomponentenfa den - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Bikomponentenfaden aus einem ummantelten Kern, die Licht über erhebliche Fadenlängen zu übertragen vermögen, für den Einsatz in flexiblen, . biegsamen, lichtübertragenden Fadenbündeln.

Biegsame, licht- und bildübertragende Fadenbündel sind bisher aus Glasfaden aufgebaut worden. Solche Glasfadenbündel sind schwer, zerbrechlich, gegenüber energiereicher Strahlung nicht beständig und kostspielig. Die Zweckmäßigkeit, lichtübertragende Fäden aus künstlichen Polymeren herzustellen, ist schon erkannt worden. In den Fällen, in denen von solchen Fäden berichtet worden ist, vermochten diese jedoch Lieht nur über kurze Strecken zu übertragen.

Aus tier Zeilschrift »Nature«, vom 2. Januar 1954, S. 39 bis 41, sind lichtübertragende Fäden bekannt, deren Kern aus einem Kunststoff mit einem Brechungsindex \on 1,52 besteht, der einen Überzug mit einem Brechungsindex von 1,47 trägt. In dieser Lilelalurstelle wird /war allgemein erwähnt, daß Kunststoffe hinsichtlich der Lichtübertragung Glas überlegen sind, es linden sich aber keine Angaben über die Kunststoffe, die verwendet wurden oder die geeignet sein könnten. Die (lurch die erlindungsgeniäßen Bikomponentenfaden erreichten Lieh [Übertragungsweite \on ()5 und Λ)"Ό je 0,348 m werden durch die bekannten Maßnahmen iiiilil erreicht. In iler oben /itieilen I ileraturstelle ■>N.111nc« linden mi.Ii überhaupt keine \ii!mI>cii hienilnr. und wenn man auf die entsprechende Arbeit desselben Autors, A. C. S. V a η h e e 1, in der holländischen· Veröffentlichung »De Ingenieur« Nr. 24 vom 12. Juni 1953, S. 25 bis 27, zurückgeht, findet man dort, daß das untersuchte Fadenmaterial mit einem Kern, der einen Brechungsindex von 1,52 hat, und einem Mantel, dessen Brechungsindex 1,47 beträgt, über Strecken von mehr als 10 cm nur weniger als 30% Licht befördert. Die Leistung dieses bekannten Materials ist also wesentlich geringer als die des erfindungsgemäßen.

In der Veröffentlichung »The Technology of Plastics and Resins«, Van Nostrad Co., 1945, sind Methacrylatharze und ihre Verwendung für die Herstellung von optischen Vorrichtungen offenbart. Dort wird auch der sogenannte Röhreneffekt erwähnt, der sich bei PoIymethylmethacrylatstäben in Luft zeigt. Aus dieser Literaturstelle sind also die Lichtübertragungseigenschaften von Polymethylmethacrylat bekannt. Diese Literaturstelle betrifft aber keine Fäden, sondern chirurgische Instrumente, die der Ausleuchtung von Räumen innerhalb des menschlichen Körpers dienen sollen und Stäbe aus den lichtübertragenden Kunst- r stoffen enthalten.

Die erfindungsgemäßen für den Aufbau des Mantels

as verwendeten Telomeren selbst sind aus der USA.- ' Patentschrift 2 628 958 bekannt. Ihre verhältnismäßig niedrigen Brechungsindices sind aus dieser Patentschrift ebenfalls bekannt. Sie werden als Überzugsmassen empfohlen, es ist jedoch nicht angegeben, daß sie als Mantelmaterial für Bikomponentenfaden mit einem Kern aus Polyalkylmethacrylat verwendbar sind.

Gegenstand der Erfindung ist ein lichtübertragender

Bikoinponentenfaden vom Kern-Mantel-Typ aus zwei transparenten Polymeren unterschiedlicher Lichtbrechung, bestehend aus einem Kern von 0,0013 bis 0,64 mm Durchmesser, auf den ein Mantel von 0,0013 bis 0,13 min Dicke aufgebracht ist, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Kern von einem Alkylmethacryiatpolymeren mit einem Gehalt von mindestens 70% an Alkyimethacrylateinheiten gebildet wird, wobei die Alkylgruppe 1 bis 6 Kohlenstoffatome enthält, und der Mantel aus einem Telomeren einer Verbindung der allgemeinen Formel

C(CFgMCHj)_1nOC -C = CH₂

besteht, in der X H, F oder Cl, η eine ganze Zahl von 2 bis 10, m eine ganze Zahl von 1 bis 6 und Y H oder CFI₃ bedeuten.

Vorzugsweise besteht der Mantel aus einem Telomeren einer Verbindung der Formel

F(CFXF_n)HCIIXH₂OC — C =· CH.,

Il I

O CH_:1

in der // eine ganze Zahl von 3 bis 5 bedeutet.

fio Auf Grund der besonderen Stoffe, die zur Herstellung des Kernes und des Mantels verwendet werden, sind die erlindungsgeinäßen Bikomponentenfaden biegsam und vermögen Lieht wirksam zu übertragen. Dies ist nachfolgend näher an Hand der Zeichnung

fi,<5 beschrieben, in der

1- i g. 1 in perspektivischer I ).nstellung ciiicMi Bikomponentenfaden gemäß der firtindung,

I i g. 2 einen Spinnkopf für einen Mantel-Kern-

3 4

Faden und die das Fadenbündel bildende Aufnahme- ihrer hohen optischen Durchsichtigkeit das bevorzugte

vorrichtung, _ Fadenkern-Material dar. Mit entsprechender Sorgfalt

F i g. 3 ein Bad zum Überziehen des Fadens und lassen sich Kern-Mantel-Fäden unter Verwendung von

eine das Fadenbündel bildende Aufnahmevorrichtung, Kernen aus Acrylharzen, wie Polymethylmethacrylat,

F i g. 4 einen Schnitt durch die das Fadenbündel 5 herstellen, deren Lichtübertragungs-Güte derjenigen

bildende Aufnahmevorrichtung nach Linie 4-4 von von lichtübertragenden Fäden aus Glas überlegen ist.

F i g. 2 und Die für die Herstellung der Fäden gemäß der Erfin-

F ig. 5 das fertige, lichtübertragende Fadenbündel dung verwendeten Acrylharze müssen eine hohe Durchzeigt, sichtigkeit aufweisen und genügend dimensionsbestän-

Die Struktur des lichtübertragenden Fadens gemäß io dig sein, damit beim Biegen des Fadenbündels keine der Erfindung ist in F i g. 1 an Hand des Fadens 1 mit Verzerrung eintritt. Solche Acrylharze haben Breeinem durchsichtigen Harzkern und einem durch- chungsindices im Bereich von 1,48 bis 1,51 und ergeben sichtigen Mantel 3 gezeigt. Der Faden nach F i g. 1 eine Lichtübertragung von mehr als 90°/₀/30cm. Bei kann auf zwei alternativen Wegen erhalten werden. Acrylharzen hoher Reinheit kann eine Lichtüber-Nach der ersten Methode wird eine Spinndüse 4 für 15 tragung von 90 %/100 cm erreicht werden. Viele Acryl-Mantel-Kern-Fäden, wie näher in der USA.-Patent- harze haben eine weiche oder gummiartige Natur, schrift 2 936 482 beschrieben, an zwei Polymer-Strang- Solche weichen oder gummiartigen (gum-like) Acrylpressen angesetzt und ein Mantel-Kern-Faden ausge- harze sind für die Zwecke der Erfindung ungeeignet, preßt. Der Faden 1 wird auf das 2- bis lOOfache ver- Das beste Kriterium für die Dimensionsbeständigkeit feinert und auf der das Fadenbündel bildenden Auf- 20 von Acrylharzen unter Spannung und Dehnung ist die nahmespule 10 aufgenommen. Im Betrieb der Spinn- Formbeständigkeit in der Wärme (Heat Deflection düse wird das den Kern bildende Harz 5 von einer Temperature), bestimmt gemäß ASTM-Prüfnorm Strangpresse in den Zentraldurchlaß 6 und das Mantel- D-648 bei 18,5 kg/cm² (allen hier genannten Werten material 16 um den Kern herum zugeführt und gleich- der Formbeständigkeit in der Wärme liegt diese zeitig mit dem Kernmaterial unter Bildung des Mantel- 25 Prüfung zugrunde). Die bevorzugten Acrylharze für die Kern-Fadens ausgepreßt. Zur Sicherstellung guter Bildung der Fadenkerne gemäß der Erfindung haben Bildübertragungs-Eigenschaften kann man einen Ni- eine Formbeständigkeit in der Wärme von mehr als vellierspulmechanismus 11 einsetzen, um eine Egal- 55⁰C bei 18,5 kg/cm², bestimmt nach ASTM-Prüfaufwicklung des Fadens zu sichern. Nach der anderen norm D-648. Der Schmelzindex des Kerns liegt vorMethode wird der Fadenkern durch ein Bad 12 ge- 30 zugsweise im Bereich von 0,05 bis 10 g/10 Min. bei führt, welches eine Lösung des mantelbildenden Mate- 200° C und einer Belastung von 2160 g, bestimmt nach rials 13 enthält, und auf der das Fadenbündel bilden- ASTM-Prüfnorm D-1238-57T. Zu solchen bevorzugden Spule 10', die in identischer Weise wie die Spule 10 ten Acrylharzen gehören Polyalkylmethacrylate und ausgebildet ist, aufgenommen. Im mit Mantel-Kern- entsprechende Mischpolymere, die mindestens 70% Fäden gefüllten Zustand hat die Spule 10 den in 35 Alkylmethacrylat enthalten, wobei die Alkylgruppe Fig. 4 gezeigten Aufbau. Nach der Füllung mit 1 bis 6 Kohlenstoffatome enthält, wie Polymethylmeth-Fäden 1 auf einem Segment des Fadenbündels anein- acrylat, Polyäthylmethacrylat, Polypropylmethacrylat, ander festgelegt. Man zerschneidet das Bündel dann an Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat und der Stelle, an welcher die Fäden aneinander festgelegt Polycyclohexylmethacrylat und entsprechende Mischworden sind, und umgibt es mit einer geeigneten Hülle, 40 polymere. Beispiele für gute Polymere sind Mischpolywie einem Gummi- oder Plastschlauch 14 oder einem mere von Methylmethacrylat und bis zu 30 Gewichtsgeflochtenen Drahtschlauch, worauf das lichtüber- prozent Äthyl- oder Methylacrylat und bis zu 15 Getragende Fadenbündel 15 fertig vorliegt. wichtsprozent 2-Äthylhexyl-acrylat. Polymethylmeth-

Zur wirksamen Lichtübertragung ist erforderlich, acrylat und entsprechende Mischpolymerisate mit

daß der Verlust an Intensität des »weißen« Lichtes 45 einem Gehalt an Polymethylmethacrylat von minde-

50 %/30 cm Länge nicht überschreitet. Bei der Prüfung stens 70 % sind leicht in hochwertiger Form bei

wird als Standardquelle für »weißes« Licht eine her- mäßigen Kosten verfügbar und stark durchsichtig und

kömmliche Wolframfaden-Glühlampe mit einer Färb- werden bevorzugt.

temperatur von 2300⁰K verwendet. Man fokussiert Der Mantel wird benötigt, damit die Fadenkerne

zur Bestimmung der Lichtübertragung T das Licht auf 5° einander nicht berühren und die eine Berührung be-

ein Ende einer Fadengruppe von 1,2 bis 2,4 m Länge nachbarter Fäden begleitende Lichtübertragung ver-

und mißt die Intensität des übertragenen Lichtes mit- mieden wird. Vorzugsweise haftet der Mantel an dem

tels einer Photoröhre. Die Fäden werden dann um Kernfaden und ist durchsichtig. Der Grund für die

etwa 20 cm verkürzt, worauf man die Intensität des Durchsichtigkeit des Mantels ergibt sich daraus, daß

übertragenen Lichtes erneut bestimmt. Unter Wieder- 55 undurchsichtige oder durchscheinende Überzüge einen

holung dieses Verfahrens des Kürzerschneidens der Teil des Lichtes zu absorbieren neigen und auf diese

Fäden und Messens der Intensität des übertragenen Weise die Lichtübertragung herabsetzen. Der Bre-

Lichtes nach jedem Schnitt läßt sich eine graphische chungsindex des Mantels soll mindestens 3 % unter

Darstellung des Logarithmus der Intensität gegen die demjenigen des Kerns liegen, da das Licht sonst an der

Länge gewinnen, wobei die Neigung der erhaltenen 60 Mantel-Kern-Grenzfläche nicht vollständig in den

Kurve gleich dem Absorptionskoeffizienten <% ist, aus Kern zurückreflektiert und auf diese Weise die Licht-

dem sich die Lichtübertragung T als T = lOOe ^aX er- übertragung herabgesetzt wird. Eine herabgesetzte

rechnen läßt, worin e die Basis des natürlichen Loga- Lichtübertragung ergibt sich auch, wenn die Mantel-

rithmus und X die Strecke (30 cm) bedeutet. Kern-Grenzfläche nicht fehlerlos ist. Bei Verwendung

Der lichtübertragende Kernfaden wird Vorzugs- 65 der obengenannten Acrylharzfäden hat der Mantel

weise aus einem Plast hergestellt, dessen Lichtüber- vorzugsweise einen Brechungsindex unter 1,45, um ein

tragung mehr als 90 %/30 cm beträgt. Für allgemeine Bild hoher Lichtintensität zu erhalten. Harze mit

Verwendungszwecke stellen die Acrylharze auf Grund einem Brechungsindex unter 1,34 sind theoretisch

brauchbar, aber zur Zeit sind keine entsprechenden Harze verfügbar. Eine 3,2 mm dicke Platte des Kernpolymeren soll eine Lichtdurchlässigkeit von mindestens 8O°/o und eine 3,2 mm dicke Platte des Mantelpolymeren eine solche von mindestens 80% haben, bestimmt jeweils nach ASTM-Prüfnorm D-1003-59T.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Fadenkerne haben vorzugsweise einen Durchmesser von 0,0013 bis 0,64 mm, und die Dicke der Mäntel beträgt vorzugsweise 0,0013 bis 0,13 mm. Die feineren Größen ergeben bei sonst gleichen Faktoren eine bessere Bildwiedergabe und sind für Bildleiter zweckmäßig, während die gröberen Größen leichter herstellbar und für Lichtleitungen erwünscht sind. Wenn die Fadenfeinheit unter etwa 0,0013 mm sinkt (einen Wert, der sich der Wellenlänge des Lichtes nähert), wird das Licht zerstreut und nicht mehr übertragen. Oberhalb 0,13 mm wird die Bildwiedergabe grob. Oberhalb 0,64 mm werden die Fäden inflexibel. Wenn die Überzugsdicke unter 0,0013 mm liegt, wird das Licht nicht richtig reflektiert, da sich die Dicke der Wellenlänge des Lichtes nähert. Bei einer Überzugsdicke von mehr als 0,13 mm beginnt der Überzug einen im Vergleich mit den Fadenkernen übergroßen Anteil der Bündelquerschnittsfläche zu besetzen und wird die Menge des lichtübertragenden Fadenkern-Materials auf einen Wert reduziert, bei dem man eine verringerte Bildhelligkeit erhält. Die Bündel können mit den verschiedensten Fadenzahlen hergestellt werden. Zur einfachen Lichtübertragung genügt eine kleine Zahl von Fäden großen Durchmessers. Für eine hochwertige Bildübertragung werden Tausende von Fäden je Bündel benötigt. Die Fadenenden werden, wie oben erwähnt, während der Fadenbündel-Bildung aneinander festgelegt. Man kann dies erreichen, indem man ein Vergußharz, wie ein Epoxyharz, ein Polyesterharz oder eine Lösung des auf den Fäden eingesetzten Überzugsmaterials in einem geeigneten Lösungsmittel aufbringt. Die Überzüge können auch miteinander verschmolzen werden, indem man Wärme und Druck zur Einwirkung bringt; eine andere Methode besteht darin, in der Spule vor dem Bewickeln mit den Fäden ein Paar Bindeelemente vorzusehen und nach der Auf wickelung der Fäden auf der Spule die Bindeelemente um die Fäden herum festzuziehen und die Fäden zwischen den Bindeelementen zu zerschneiden, um das lichtübertragende Fadenbündel zu erhalten.

Die lichtübertragenden Fäden gemäß der Erfindung sind in vielerlei Weise von Wert. In der unter Bildung eines bildübertragenden Bündels aufgewickelten Form eignen sie sich besonders für medizinische Untersuchungen, bei denen das Bündel in den mensch!i:hen Körper eingeführt wird, um das gewünschte, sonst unzugängliche Körpergewebe zu betrachten, da die Fadenbündel gemäß der Erfindung viel leichter und flexibler als Glasfaserbündel und auf diese Weise für den Patienten weniger unangenehm sind und auf Grund ihrer stärkeren Flexibilität eine vielfältigere Anwendung ermöglichen. Aus den Fäden gemäß der Erfindung gebildete Bildleiter eignen sich auch für andere Fernbetrachtungszwecke, wie die Beobachtung von Arbeiten innerhalb einer radioaktiven Umgebung.

Wenn die Fäden gemäß der Erfindung in regelloser Weise miteinander vereinigt werden, kann man mit geringen Kosten Bündel erhalten, die sich für die Fernbeleuchtung und Speziallichteffekte eignen.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Bei 200⁰C wird durch eine Spinndüse, wie sie in Fig. 2 gezeigt wird, ein Mantel-Kern-Verbundfaden, der aus einem Polymethylmethacrylat-Kern und einem Mantel aus einem Fluoralkylmethacrylat-Polymeren besteht, das durch Emulsionspolymerisation von 2% n-Butylacrylat mit 98% eines nach USA.-Patentschrift 2 628 958 erhaltenen Telomeren der Strukturformel

F(CF₂CF₂)^CH₂CH₂OC -C = CH₂

O CH₃

worin η eine ganze Zahl von 3 bis 5 bedeutet, hergestellt worden ist, ausgepreßt und mit einer solchen Geschwindigkeit aufgewickelt, daß man einen Verbundfaden mit einem Durchmesser von 0,064 mm und einem Kerndurchmesser von 0,038 mm erhält. Dieser Mantel-Kern-Faden zeigt eine ausgezeichnete Dauerhaftigkeit und Scheuerfestigkeit. Der Brechungsindex des Polymethylmethacrylat-Kerns beträgt 1,49 und derjenige des Fluoralkylmethacrylatpolymeren-Mantels ungefähr 1,36.

B e i s ρ i e 1 2

Unter Verwendung einer Spinndüse gemäß F i g. 2 mit einer 1,3-mm-Austrittsöffnung wird bei 200⁰C ein Mantel-Kern-Verbundfaden ausgepreßt, der einen Kern aus einem Mischpolymeren aus 87% Methylmethacrylat und 13% Äthylacrylat (mit einem Schmelzindex von 2,56 g/10 Min. bei 200⁰C und 2160 g Belastung, bestimmt nach ASTM-Prüfnorm D-1238-57T, einer Formbeständigkeit in der Wärme von 71° C, einem Brechungsindex von 1,49, bestimmt nach ASTM-Prüfnorm D-542, und einer Lichtdurchlässigkeit in Form einer 3,2 mm dicken Platte von 92%, bestimmt nach ASTM-Prüfnorm D-1003-59T) und einen Mantel aus einem Fluoralkylmethacrylat-Polymeren (mit einem Schmelzindex von 21,3 g/10 Min. bei 200⁰C und 325 g Belastung, bestimmt nach ASTM-Prüfnorm D-1238-57T, einem Brechungsindex von 1,37 und einer Lichtdurchlässigkeit in Form einer 3,2 mm dicken Platte von 90 %, bestimmt nach ASTM-Prüfnorm D-1003-59T) aufweist, wobei das Mantelpolymere durch Emulsionspolymerisation eines gemäß USA.-Patentschrift 2 628 958 erhaltenen Telomeren der Strukturformel

F(CF,CF,)_nCH₂CH₂OC -C = CH₂

" Il I

O CH₃

worin η eine ganze Zahl gleich 3 bis 5 bedeutet, hergestellt ist. Der Verbundfaden wird mit einer solchen Geschwindigkeit aufgewickelt, daß sein Durchmesser 0,05 mm (Manteldicke 0,0025 mm) beträgt. Die Lichtübertragung dieses Verbundfadens beträgt 65 %/30 cm.

Beispiel 3

Das Beispiel 2 wird mit der Abänderung wiederholt, daß man den Faden mit einer solchen Geschwindigkeit aufwickelt, daß ein Verbundfaden-Durchmesser von 0,25 mm (Kerndurchmesser 0,23 mm und Manteldicke 0,013 mm) erhalten wird. Dieser Faden, dessen Licht-Übertragung 90%/30 cm beträgt, eignet sich für Lichtleiter von bis zu 3,7 m Länge. Die erhaltenen Fäden sind zäh und flexibel und werden durch Einwirkung einer Gamma-Strahlung von 10⁵ Röntgen nicht geschädigt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

I 494 721 Patentansprüche:

1. Lichtübertragender Bikomponentenfaden vom Kern-Mantel-Typ aus zwei transparenten Polymeren unterschiedlicher Lichtbrechung, bestehend aus einem Kern von 0,0013 bis 0,64 mm Durchmesser, auf den ein Mantel von 0,0013 bis 0,13 mm Dicke aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern von einem Alkylmethacrylatpolymeren mit einem Gehalt von mindestens 70% an Alkyimethacrylateinheiten gebildet wird, wobei die Alkylgruppe 1 bis 6 Kohlenstoffatome enthält, und der Mantel aus einem TeIomeren einer Verbindung der allgemeinen Formel

X(CF₂)_n(CH₂),„OC — C = CH₂

O Y

besteht, in der X H, F oder C!, /; eine ganze Zahl von 2 bis 10, m eine ganze Zahl von 1 bis 6 und Y H oder CHj bedeuten.

2. Faden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus einem Telomeren einer Verbindung der Formel

F(CF₂CF₂)^CH-CHoOC — C =- CH₂

O CH₃

besteht, in der η eine ganze Zahl von 3 bis 5 bedeutet.