DE2807628C2

DE2807628C2 - Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser mit niedriger Dämpfung, hoher Festigkeit und Siliciumdioxid-Fadenkern

Info

Publication number: DE2807628C2
Application number: DE2807628A
Authority: DE
Inventors: Yves Michel Wilmington Del. Trehu
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 1977-02-22
Filing date: 1978-02-22
Publication date: 1983-12-08
Also published as: FR2381324B1; JPS6362463B2; JPS6359976B2; GB1597762A; JPS53103752A; DE2807628A1; IT1092785B; BE864147A; IT7820504A0; CA1104347A; NL183717C; NL183717B; JPS59162504A; FR2381324A1; NL7801937A; US4116654A

Description

X(CF₂)„(CH₂)_mOC-C=CH₂,
O Y

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

wobei X F, H oder Cl, Y CH₃ oder H, m eine ganze Zahl von 1 bis 6 und η eine ganze Zahl von 2 bis 10 bedeuten, und mindestens einem der Methyl- oder Äthylester der Acryl- oder Methacrylsäure ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere ein Copolymeres aus Methylacrylat und einem Comonomeren der allgemeinen Formel

O CH₃

Il I

CF₃CF₂(CF₂CF₂)_pCH₂CH₂O—C—C=CH₂

ist, worin „ eine ganze Zahl von 1 bis 8 ist, wobei bei etwa 9OGew.-°/o des Comonomeren _v den Wert 2 bis 3 hat.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere ein Copolymeres aus Tetrafluoräthylen und

CF₂=CF-O-CF₂-CF-O-Cf₂-CF₂-SO₂F

CF₃
ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere ein Copolymeres aus Tetrafluoräthylen und Perfluorpropyltrifluorvinyläther ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere ein Copolymeres aus Tetrafluoräthylen und Äthylen ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumdioxid-Faserkern einen Durchmesser von 50 bis 300 //cn und die polymere Ummantelung eine Stärke von 50 bis 500 /<m hat.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser mit einem Siliciumdioxid-Fadenkern und einem thermoplastischen Mantel, der einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als der Fadenkern.

Lichtleitfasern sind wohl bekannt für die Lichtleitung längs eines Faserabschnitts mittels einer Mehrzahl innerer Lichtreflexionen. Dabei wird viel Sorgfalt darauf verwendet, die Lichtvcrluste längs des Faserabsc'nnitts so gering wie möglich zu halten, oder anders ausgedrückt, die innere Reflexion erfolgt so weit als möglich als Totalreflexion, so daß das an einem Ende des Lichtleitfasermaterials zugeführte Licht mit gutem Wirkungsgrad zum entgegengesetzten Ende des Materials geleitet wird. Der Lichtleiterabschnitt oder Kern des Lichtleitfasermaterials wird von einem Mantel umgeben, der einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern aufweist, um den Austritt oder die Absorption von Licht im Verlauf des Fadenabschnitts so gering wie möglich zu halten. Der Mantel wird normalerweise transparent ausgeführt, da ein opaker Mantel dazu neigt, Licht zu absorbieren.

Eine wichtige Erwägung bei der Herstellung von Lichtleitfasern liegt darin, jeden Faktor zu minimieren, der die Dämpfung des innerhalb der Faser fortgeleiteten Lichts erhöht.

Wo eine Dämpfung des übertragenen Lichts in einem Lichtleitfasermaterial kritisch ist, wird als bevorzugtes Material für den Fadenkern Siliciumdioxid verwendet, da dieses eine der geringsten gegenwärtig bekannten Dämpfungen aufweist. Geeignete bekannte Mantelwerkstoffe umfassen thermoplastische Polymere, die einen niedrigeren Brechungsindex haben als der Kern und die vorzugsweise im wesentlichen amorph sind.

Derartige Lichtleitfasern sind beispielsweise bekannt aus Applied Optick, Vol. 14 (1975), Seiten 156 Ns 162, DE-OS 1494S74, 14 94 872 und US-PS 38 69 194. Andere Lichtleitfasern mit einem Siliciumdioxidkern jedoch unterschiedlichen Manttiwerkstoffen, wie beispielsweise Borsilikat oder gleichfalls Siliciumdioxid, sind bekannt aus Electron. Letters, 1974, iO (15), Seiten 289 bis 290, US-PS 38 06 224 und US-PS 39 66 300. Insbesondere aus den zuletzt genannten Druckschriften ist bekannt, daß eine sorgfältige Abstimmung der Verfahrensparameter erforderlich ist, um eine Faser mit niedrigen Verlusten zu erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Lichtleitfaser, die eine möglichst geringe Dämpfung aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Bildung einer Lichtleitfaser, die einen Siliciumdioxid-Faserkern und eine Ummantelung aus thermoplastischem Polymeren enthält, dessen Brechungsindex niedriger als jener des Kerns ist, gemäß welchem

a) ein Siliciumdioxid-Faserkern aus einer SiIiciumdioxidschmelze gezogen wird, und

b) ein thermoplastisches Polymeres mit einem Brechungsindex, der geringer ist als jener des Kerns, durch Schmelzbeschichten mittels einer Extrudierform, die eine einzige Formaustrittsöffnung für das zu extrudierende thermoplastische Polymer und den zu ummantelnden Siliciumdioxid-Faserkern aufweist, auf den Siliciumdioxid-Faserkern aufgebracht wird,

das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

i) im Verfahrensschritt a), Ziehen des Siliciumdioxid-Faserkems bei einer Temperatur von 2040 ⁰C bis 2140 ⁰C und

ii) im Verfahrensschritt b) Schmelzbeschichten &n des Polymeren mittels Strangpressen mit einem Einschnürungsverhältnis von 1,1 bis 2,0, wobei das Einsehiiürungsverhiiltnis definiert ist als das Verhältnis der Fläche der FormauslrittsöffiHing abzüglich der Siliciumdioxidfaserquerschnittsfläche zu der Querschnittsfläche der thermoplastischen Ummantclungsschicht der ummantelten fertigen Lichtleitfaser, und

Führen des Siliciumdioxid-Faserkerns von der Ziehdüse bis zur Ummantelung in der Weise, daß keine Berührung des Faserkerns mit einem anderen Material stattfindet.
In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Bildung einer Lichtleitfaser durch Ziehen eines Siliciumdioxid-Fadenkems und Beschichten mit einem Mantel aus geschmolzenem thermoplastischem Polymeren, worauf sich das Aufwxkeln der Lichtleitfaser auf einer Abziehtrommel anschließt.

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine Beschichtungsdüse zum Extrudieren eines Polymeren für den thermoplastischen Mantel auf einen Siliciumdioxid-Fadenkern, und

Fig. 3 eine Kurvendarstellung, die die Wirkung tv. unterschiedlicher Schmelz-Einschnürungsverhältnisse auf die Dämpfung des übertragenen Lieh's in einer Lichtleitfaser für verschiedene Polymere angibt.

Detailbeschreibung der Erfindung

Bei der Bildung einer Lichlleitf aser gemäß der vorliegenden Erfindung wird zuerst ein Siliciumdioxid-Fadenkern aus einer Siliciumdioxidschmelze gezogen. Obgleich Temperaturen von mindestens 2000 ⁰C gemäß dem Stand der Technik verwendet wurden, wird für die Zwecke der vorliegenden Erfindung eine Ziehtemperatur von 2040 ⁰C bis 2140 ⁰C verwendet. Der Zweck dieses Temperaturbereichs liegt darin, einen Siliciumdioxidkern hoher Festigkeit mit einem gesteuerten Durchmesser zu erhalten. Es wurde gefunden, daß die Sprödigkeit des Siliciumdioxid-Kernmaterials in einem unzulässigen Ausmaß ansteigt, falls der Kern bei Temperaturen unterhalb 2040 ⁰C gezogen wird. Es wurde ferner gefunden, daß es bei zu hoher Temperatur schwierig ist, die Kerndicke zu kontrollieren, und aus diesem Grunde ist die höchste Ziehtemperatur nicht höher als 2140 ⁰C. Im allgemeinen werden Temperaturen im oberen Teil des angegebenen Bereichs bei höheren Ziehgeschwindigkeiten verwendet.

Nachdem der Siliciumdioxid-Fadenkern bei erhöhter Temperatur in einer inerten Atmosphäre, wie beispielsweise einer Stickstoffatmosphäre, gezogen wurde, wird die Faser gekühlt, was gewöhnlich in Luft erfolgt, und mittels Strangpressen mit einem thermoplastischen Ummantelungspolymeren schmelzbeschichtet, das einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als jener des Kerns ist. Das auf den optisch transparenten Kern aufgebrachten Ummantelungspolymere ist optisch transparent und hat einen Brechungsindex, der mindestens 0,1 % niedriger als jener des Siiiciumdioxidkerns und vorzugsweise mindestens 1 °/o niedriger ist.

Beispiele geeigneter Überzugswerkstoffe umfassen die in der GB-PS 10 37 498 genannten, beispielsweise Polymere und Mischpolymere von Vinylfluorid, Vinylidenfluorid, Tetrafluoräthylen, Hexafluorpropylen, TrifluormethyHrifluorvinyläther, Perfluorpropyltrifluorvinyläther und fluorinierte Ester der Acrylsäure oder Methacrylsäure mit der Struktur

X(CF₂ )„(CH,)„,OC—C=CH₂
O Y

wobei X aus der Gruppe ausgewählt ist. die aus F. H oder Cl besteht, und η eine ganze Zahl von 2 bis 10 ist. in eine ganze Zahl von 1 bis 6 ist und Y entweder CH, oder H ist. sowie aus Copolymeren hieraus mit Estern der Acrylsäure und Methacrylsäure mit niedrigen Alkoholen, wie beispielsweise Methanol und Äthanol. Copolymere aus

X(CF₂ )„(CH₂)„,OC— C=CH₂
O Y

worin X. Y. m und /1 die gleiche Bedeutung haben wie vorausgehend, und wobei die Methyl- und Äthylester der Acrylsäure und Methacrylsäure, die im wesentlichen amorph sind, eine bevorzugte Klasse von Polymeren darstellen.

Fluorierte Polymere, die hängende Seitenkelten aufweisen, die Sulfonylgruppen enthalten, wie sie beispielsweise in der US-PS 38 49 243 aufgeführt sind, und Fluor enthaltende Elastomere, wie sie beispielsweise in den US-PSen 29 68 649 und 30 51 677 ge-

' nannt sind, können auch verwendet werden. Ferner sind Copolymere aus Tetrafluoräthylen mit anderen Monomeren, wie beispielsweise Hexafluorpropylen und Perfluoralkylperfluorvinyläther gemäß den US-PSen 29 46 763 und 31 32 123 geeignet. Schließlich können modifizierte und nicht modifizierte Copolymere aus Tetrafruoräthylen und Äthylen gemäß der US-PS 24 68 644 ebenfalls verwendet werden.

Ummantelungspolymere, die nicht kristallin sind, d. h., die im wesentlichen amorph sind, werden bevorzugt, da mit einem kristallinen Polymeren überzogene Lichtleitfasern dazu neigen, eine höhere Dämpfung des übertragenen Lichts aufzuweisen als jene, die mit einem amorphen Polymeren beschichtet sind. Jedoch sind mit einem kristallinen Polymeren ummantelte Licht- ^!5 leitfasern brauchbar, besonders wenn nur eine kuze Länge der Lichtleitfaser oder des Lichtleiters gebraucht wird. Wird eine Lichtleitfaser oder ein Lichtleiter in kurzen Abschnitten an Stellen verwendet, wo sie hohen Temperaturen ausgesetzt sind, so sollte der Mantel aus einem Polymeren bestehen, das nicht bei den hohen Temperaturen erweicht, und viele in solchen Fällen geeignete Polymere sind eher kristallin. Wird ein kristallines Polymeres als Mantel verwendet, so werden jedoch die besten Ergebnisse (d. h. die geringste Dämpfung des übertragenen Lichts) erhalten, wenn die Lichtleitfaser unter solchen Bedingungen hergestclt wird, daß der polymere Mantel durch rascheres Abschrecken nach dem Extrudieren des Polymeren die höchste erzielbare Transparenz aufweist.

Fig: 1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Bildung einer optischen Faser. Eine mit veränderbarem Vorschub arbeitende Stabzufuhrvorrichtung 1 mit einer Klemme 2, die einen Siliciumdioxidstab 3 hält, schiebt diesen langsam in einen Spinnofen 4. Obgleich der in der Figur dargestellte Ofen ein elektrischer Wolfram-Widerstandsofen ist, der Heizelemente 5 enthält, können andere Einrichtungen zum Schmelzen des Siliciumdioxidstabs, wie beispielsweise eine Induktionsheizvorrichtung, ein Laser oder ein Graphitofen, ebenfalls verwendet werden. Ein Gaseinlaß 6 dient zur Aufrechterhaltung einer inerten Atmosphäre innerhalb des Ofens durch Einführung eines inerten Gases, wie beispielsweise Stickstoff. Aus dem geschmolzenen Ende des Siliciumdioxidstabs wird ein Siliciumdioxid-Fadenkern 7 durch Förderwalzen 8 gezogen, die nach dem vollständigen Anfahren durch Entfernen in entfernte Stellungen 8' außer Anlage mit dem Kern gebracht werden. Ein Ummantelungspolymeres wird durch Schmelzbeschichten auf den Siliciumdioxid-Fadenkern mittels einer Schmelzbeschichtungsform 9 aufgebracht, die einen Formkörper 10 und eine Fadenführung 11 aufweist, durch welche der Siliciumdioxid-Fadenkern hindurchtritt. Das Ummantelungspolymere wird in die Form über einen Formadapter 13 durch eine Strangpresse 12 eingegeben, die von beliebiger bekannter Bauart sein kann, beispielsweise eine Schnecken- oder Kolbenstrangpresse. Nach Bildung der Lichtleitfaser 7', die aus Kern und Ummantelung besteht, gelangt diese in Kontakt mit einer Ausrichtwalze 14 sowie einer Walze 17 und wird auf eine Abziehtrommel 18 aufgewickelt. Die Ausrichtwalze 14 kann ebenfalls in eine Abschreckflüssigkeit 16 in einem Abschreckbehälter 15 eintauchen. Tn einigen Fällen sind Abschreckbehälter und Abschreckflüssigkeit nicht erforderlich, besonders wenn die Entfernung von der Beschichtungsform 9 zur Ausrichtwalze 14 lang genug ist, damit das Ummantelungspolymere erhärten kann, bevor es in Berührung mit der Walze 14 kommt. Ist jedoch das Ummmantelungspolymere ein Polymeres, welches zum Kristallisieren tendiert, sollte es in der Flüssigkeit 16 abgeschreckt werden, damit seine Transparenz so hoch wie möglich wird, da die Lichtleitfaser eine höhere Dämpfung aufweist, wenn man das Polymere langsam abkühlen läßt. Wichtige Spinnparameter umfassen (1) das Verhältnis der Faden-Ziehgeschwindigkeit zur Stabvorschubgeschwindigkeit, das den Fadendurchmesser als Funktion des Stabdurchmessers festlegt, und (2) die Stabtemperatur im Einschürungsbereich.

Beim vorliegenden Verfahren ist es erforderlich, das Ummantelungspolymere durch Schmelzbeschichten mittels Strangpressen aufzubringen. Ein wichtiger Beschichtungsparameter ist der Durchsatz der Strangpresse, der im Falle einer Schneckenstrangpresse durch die Schneckendrehzahl gesteuert wird. Er bestimmt bei einer gegebenen Spinngeschwindigkeit die Ummantelungsstärke. Die Schmelztemperatur ist eine unabhängige Variable, die dazu verwendet werden kann, in der Beschichtungsform brauchbare Drücke aufrechtzuerhalten. Die Schmelztemperatur wird selbstverständlich zum Teil auch durch den Schmelzpunkt des jeweiligen für die Ummantelung verwendeten Polymeren bestimmt. Der Druck in der Austrittöffnung der Form kann in einem weiten Bereich liegen und hängt von solchen Einflüssen wie der Formkonstruktion, dem verwendeten Polymeren, der Strangpressgeschwindigkeit und dgl., ab. Drücke im BereicrTvon 25 bis 60 bar haben sich als brauchbar erwiesen, jedoch können auch niedrigere und höhere Drücke verwendet werden.

Beim vorliegenden Verfahren ist es erforderlich, daß der Polymer-Ummantelungsvorgang auf den Spinnvorgang abgestellt ist. und daß der Durchsatz der Strangpresse als Funktion der Spinngeschwindigkeit eingestellt wird, um ein Schmelz-Einschnürungsverhällnis von 1,1 bis 2,0. vorzugsweise 1,2 bis 2.0 und insbesondere von 1,4 bis 1,8 zu erhalten. Das Einschnürungsverhältnis ist das Verhältnis zwischen dem offenen Bereich der Formaustrittsöffnung, d. h. der Fläche der Formaustrittsöffnung, vermindert um die Querschnittsfläche der Siliciumdioxidfaser, und einer Querschnittsfläche der thermoplastischen Ummantelungsschicht der ummantelten Lichtleitfaser.

Es ist kritisch, das Einschnürungsverhältnis innerhalb der angegebenen Grenzen zu halten, um eine enge Übereinstimmung zwischen den Lineargeschwindigkeiten der Siliciumdioxidfaser und der thermoplastischen Schmelze an ihrer Berührungsstelle zu gewährleisten. Eine zu große Abweichung zwischen diesen beiden Geschwindigkeiten erzeugt eine rauhe Grenzfläche als Folge des Bruchs der Schmelze, falls die Siliciumdioxidoberfläche sich schneller als die Schmelze bewegt, oder als Folge einer Faltenbildung, falls die Schmelze sich schneller bewegt als die Siliciumdioxidoberfläche. Eine rauhe Grenzfläche führt ihrerseits zu einer übermäßig großen Lichtstreuung und erhöhten Dämpfung des übertragenen Lichts. Diese Forderung wird für alle thermoplastischen Ummantelungswerkstoffe als gültig angesehen.

Es wurde gefunden; daß eine Berührung des Fadenkerns mit jeder massiven Fläche, beispielsweise einer Führungsfläche für den Fadenkern, während der Herstellung der Lichtleitfaser nachteilig ist, da sie zu

einem schlechteren Betriebsverhallen der Lichtleitfaser führt, entsprechend einem Anstieg in der gemessenen Dämpfung des übertragenen Lichts. Aus diesem Grund ist es wesentlich günstiger, daß keine Berührung des Kerns mit einer massiven Fläche während der Bildung der Lichtleitfaser eintritt. Das Fehlen einer Berührung mit einer massiven Fläche gilt für den kontinuierlichen Betriebszustand und nicht für einen einleitenden Anfahrvorgang. Beispielsweise ist während des Anfahrens die Verwendung von Abzugsrollen erforderlich, um den Siliciumdioxid-Fadenkern der Beschichtungsform zuzuführen. Anschließend werden erfindungsgemäß die Führungsrollen zurückgezogen. Ferner berührt der Fadenkern normalerweise innere Wandabsnitte der Beschichtungsform während des Anfahrens. bevor er richtig zentriert ist. um eine Berührung mit jeder massiven Fläche zu vermeiden.

Eine bevorzugte Verfahrensweise, um eine Berührung des Siliciumdioxid-Fadenkems 7 mit jeglicher massiven Fläche innerhalb der Beschichtungsform vor dem Beschichten zu vermeiden, liegt in der Verwendung einer Schmelzbeschichtungsform 9 der in Fig. 2 gezeigten Bauart. Die Form 9 enthält einen Formkörper 10 mit einem durch diesen führenden Kanal 20, durch welchen geschmolzenes Polymeres durch die in Fig. 1 gezeigte Strangpresse 12 in Richtung des Pfeils 21 (F i g . 2) gepreßt wird. Die Form 9 enthält ferner eine Fadenführung 11 mit einem Kanal 22, durch welchen der Siliciumdioxid-Fadenkern in Richtung des Pfeils 23 hindurchtritt. Die Fadenführung 11 hat ein Kugelsegment 24, das jeweils durch obere und untere Kugelsegmentflächen 25 und 26 gebildet wird. Die untere Kugelsegmentfläche 26 liegt gegen einen Sitz 27 an, der eine entsprechende Kugelsegmentfläche 28 aufweist. Die Fadenführung 11 wird im Formkörper 10 durch eine Haltehülse 29 gehalten, die mit dem Formkörper 10 am Gewindeabschnitt 30 verbunden ist und die an ihrem unteren Ende eine Kugelsegmentfläche 31 auf- <to weist, die sich gegen die obere Kugelsegmentfläche 25 des Fadenführungsendes liegt. Die Haltehülsc 29 dient dazu, die Fadenführung 11 gegen den Sitz 27 zu pressen. Der Formkörper 10, die Fadenführung 11 und die Haltehülse 29 sind derart gefertigt, daß ein Spiel 32 und 33 zwischen diesen drei Bauteilen vorhanden ist. Dieses Spiel ist so bemessen, daß eine geringe Drehung des Kugelsegments 24 der Fadenführung 11 gegenüber den Kugelsegmentflächen 25, 26 und 28 möglich ist, was es wiederum ermöglicht, die Fadenführung 11 im Formkörper 10 koaxial zur Bohrung 35 auszurichten. Nach einer derartigen Ausrichtung trifft die verlängerte Achse des Endabschnitts 34 den Mittelpunkt der Strangpressen-Austrittsöffnung 36 und die am Siliciumdioxidkern gebildete polymere Ummantelung ist gleichmäßig oder nahezu gleichmäßig, d. h. ohne dicke und dünne Bereiche. Darüberhinaus kann jegliche Tendenz zur Ausbildung einer Ummantelung mit ungleichmäßiger Stärke um den Kern korrigiert werden, indem der Endabschnitt gegebenenfalls geringfügig außermittig eingestellt wird. Die Einstellung der Lage der Fadenführung 11 und damit des Endabschnitts 34 derselben, erfolgt mit Hilfe von drei Justierschrauben 37, wovon lediglich eine in der Schnittdarstellung gezeigt ist, und die im gleichen Abstand voneinander im oberen Abschnitt der Haltehülse 29 angeordnet sind. Der Durchmesser des engsten Teils des Kanals 22, der innerhalb des Endabschnitts 34 liegt, ist etwas größer als der Durchmesser des Siliciumdioxid-Fadenkerns, so daß der Faden durch die Fadenführung 11 hiiidurchtreten kann, ohne mit ihr in Berührung zu kommen. Das Ende 38 des Endabschnitts 34 ist in der Bohrung 35 gegenüber der Strangpressen-Austriltsöffnung 36 aus anschließend erläuterten Gründen um einen Abstand χ stromaufwärts versetzt. Der Abstand χ wird eingestellt, indem ein Abstandselement 39 in den Fremdkörper 10 eingelegt wird, bevor der Sitz 27 während des Zusammenbaus der Form 9 in seine Lage gebracht wird. Die Stärke des verwendeten Abstandselements 39 wird durch den Abstand χ bestimmt, um welchen das Ende 38 stromaufwärts gegenüber der Auslrittsöffnung 36 versetzt werden soll.

Bei einer derartigen Form 9 ist das Ende 38 der Fadenführung 11 um einen Abstand χ innerhalb der Bohrung 35 des Formkörpers 10 zurückversetzt, der eine gewisse Strömung des geschmolzenen Polymeren nach oben in die enge Bohrung 40 des Endabschnitts 34 erlaubt. Typische Werte für den Versetzungsabstand χ sind 0,5 bis 1 mm. Der Versetzungsabstand χ ist jedoch nicht kritisch, sondern höhere und geringere Werte sind möglich, solange eine gewisse Polymerströmung aufwärts in die enge Bohrung 40 des Endabschnitts 34 vorhanden ist. Das Spiel zwischen dem Siliciumdioxidfaden und der Innenseite der engen Bohrung 40 wird groß genug gemacht, um eine Strömung des Polymeren aufwärts in die Bohrung 40 zu gestatten, jedoch klein genug, um eine gute konzentrische Lage zwischen dem Kern und der Ummantelung aufrechtzuerhalten. Es wurde gefunden, daß nur hohe und unregelmäßige Dämpfungen erhalten werden konnten, falls nicht etwas Polymeres im Führungsende aufwärts strömte.

F i g. 3 zeigt, wie sich die optische Dämpfung der durch das vorausgehend beschriebene Verfahren erhaltenen Lichtleitfaser als Funktion des Schmelz-Einschnürungsverhältnisses ändert. Die Kurven Λ und B werden für eine Formöffnung von 0,63 mm erhalten, wobei für Kurve A der Durchsatz der Strangpresse konstant gehalten und die Spinngeschwindigkeit zunehmend erhöht wurde, während für die Kurve B die Spinngeschwindigkeit konstant gehalten wurde und der Durchsatz der Strangpresse verändert wurde. Die Kurve C wurde mit einer Formöffnung von 0,9 mm erhalten, wobei sowohl der Durchsatz der Strangpresse als auch die Spinngeschwindigkeit verändert wurde. Alle Kurven geben das gleiche optimale Einschnürungsverhältnis an und es wird angenommen, daß die Daten, aus welchen die Kurven A, B und C gezeichnet wurden, als einer einzigen Kurve zugehörig betrachtet werden können, und daß, falls es möglich wäre, das Einschnürungsverhähnis und die Dämpfung mit größerer Genauigkeit zu messen, die Daten nur eine einzige Kurve bestimmen würden. Sie ergeben klar, daß kein merkliches Ausmaß entweder einer elastischen Ausbauchung oder Einschnürung der Schmelze beim Verlassen der Form für optimale Ergebnisse zugelassen werden kann, und zwar unabhängig von der Formgeometrie, der Spinngeschwindigkeit oder dem Durchsatz des Polymeren per se.

Beide für optimale Ergebnisse vorausgehend beschriebene Kriterien, d. h. ein sehr niedriges Einschnürungsverhältnis, und die Zulassung einer Strömung des geschmolzenen Polymeren im Fadenfüh-

rungsende nach oben, stehen im Gegensatz zu allen Lehren der Drahtbeschichtungstechnik.

Der Durchmesser des optisch transparenten SiIiciumdioxid-Fadenkerns schwankt von verhältnismäßig dünnen bis verhältnismäßig starken Kernbauarten. Ein brauchbarer Durchmesserbereich ist 50 bis 300 /im. Ist die Lichtquelle groß, beispielsweise eine Leuchtdiode, so hat ein starker Kern den Vorteil, in der Lage zu sein, einen größeren Anteil des einfallenden Lichts aufzufangen, jedoch den Nachteil, einen geringeren Mindestbiegungsradius aufzuweisen. Ist die Lichtquelle klein, beispielsweise ein Laser, so ist ein relativ dünner Kern geeignet, das einfallende Licht aufzufangen und hat den Nachteil eines geringeren Mindestbiegungsradius. Der Durchmesser des Kerns ist in hohem Grade gleichmäßig, wenn die Geschwindigkeit, mit der der Siliciumdioxidstab dem Ofen zugeführt wird, und die Ziehgeschwindigkeit des Fadens jeweils im wesentlichen konstant sind.

Da das Ummantelungsmaterial das durch den :o Kern wandernde Licht reflektiert, ist die Stärke der Ummantelung im allgemeinen nicht kritisch. Ein Beispiel eines geeigneten Stärkebereichs für die Ummantelung, der durch die vorliegende Erfindung erhalten werden kann, ist etwa 50 bis 500 um. Über- :s mäßig große Stärkewertc verringern die Biegsamkeit des fertigen Lichtleiters.

Zur weiteren Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Beispiele aufgeführt. In den Beispielen sind die Dämpfungsmessungen auf jo nähcrungswcise ± 10 %i genau.

Beispiel 1

Ein elektrischer Hochlemperatur-Widerstandsofcn i:> war etwa 122 cm oberhalb des Querkopfs einer 2.5 cm-Strangpresse angeordnet, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist. Die Querkopfform am Ende der Strangpresse war gemäß Fig. 2 ausgebildet, wobei die Austrittsöffnung der Form einen Durchmesser von 4η 0.63 mm aufwies. Das Faserführungsende hatte an seinem Ende einen Innendurchmesser von 0.3 mm und war gegenüber der Stirnseite der Form um O.S mm + 0,1 mm zurückversetzt.

Ein geschmolzener Siliciumdioxidstab mit einem 4Λ Durchmesser von 9 mm wurde mit einer konstanten Geschwindigkeit r, mittels eines Vorschubspindelsystcms mit veränderbarer Vorschubgeschwindigkeit in den Ofen eingeführt. Das Ende des Stabs schmolz in der Mitte des Ofens und von diesem geschmolzenen Ende ν wurde ein Siliciumdioxid-Faden mit einer konstanten Geschwindigkeit ;·. mittels eines Paars Förderwalzen abgezogen. Die Spinngeschwindigkeit r. wurde zunächst auf 6 m/min, eingestellt. Das Verhältnis r.,-.r^ wurde bei 2000 aufrechterhalten, um dabei eine 200-iim-Faser aus dem 9-mm-Stab zu erhalten.

Die Temperatur in der Mitte des Ofens wurde durch ein Thermoelement überwacht: das vom Thermoelement erhaltene Signal wurde zur Einstellung der Lcislungszufuhr zu den Heizelementen vcrwcn- wi dct. um die Temperatur innerhalb ± 5 ⁰C zu hallen. Die tatsächliche Temperatur des geschmolzenen Stabendes oder Spinntemperatur wurde mit einem Pyrometer gemessen.

Ferner wurde das Strangpressen des Polymeren bc- hs gönnen, unter Verwendung eines Copolymcren aus 20 Gew.-°/o Methylmcthacrylat und SO Ge\v.-°/n eines Comonomcrcn der allgemeinen Formel O CH,

(p ist 1 bis 8. wobei bei 90 Ge\v.-% des Comonomeren /; 2 bis 3 ist), mit einer logariihmisclien Viskositätszahl von 0.50 (gemessen an einer 0.5%igen (Gewicht'Volumen-Lösung in 1.1.2-TrIChIOr-1.2.2-trifluoräthan bei 20 ⁰C) und einem Schmelzindex von 6 bei 230 ⁰C (gemessen gemäß ASTM D-2116-66 mit einer Austrittsöffnung von 2.095 mm und einem Gewicht von 2160 g). Die verwendeten Temperaturen des Strangpressenzylinders reichten von 150 ⁰C in der Nähe des Zufuhrtrichters bis 200 ⁰C am Form-Adapter. Die Form selbst wurde bei 230 ^CC gehalten. Die Schneckendrehzahl wurde so eingestellt, um den Druck in der Form zwischen 27.6 und 34.4 bar zu halten. Der die Form verlassende Polymerfaden wurde durch einen Abschreckbehälter um eine Ausrichtwalze geführt und auf eine Abziehtrommel gemäß Fig. 1. wobei ein Luftspalt von etwa 91.5cm zwischen der Strangpressdüse und der Oberfläche der Abschreckflüssigkeit vorhanden war. Die Geschwindigkeit der Abziehtrommel wurde geringfügig oberhalb der Spinngeschwindigkeit gehalten.

Nachdem sowohl das Spinnen des Fadenkerns wie auch das Strangpressen des Polymeren stabilisiert war. wurde der Siliciumdioxidfaden in die Strangpressen-Querkopfform eingeführt. Infolge der etwas größeren Geschwindigkeit der Abziehtrommel wurde die Spannungslosigkcit im Faden zwischen den Fördcrwalzcn 8 und der Form zunehmend beseitigt. Sobald diese Spannungslosigkcit nicht mehr bemerkbar war. wurden die Förderwagen geöffnet und aus der Bahn wegbewegt. Die Geschwindigkeit der Abziehtrommel wurde anschließend auf 6 m Min. eingestellt und die Stabvorsehubgeschwindigkeit auf 3 χ 10 ³ m Min., um einen 200-nm-Siliciumdioxidfaden zu erhalten, worauf die Schncekcngescluvindigkeit der Strangpresse selbst derart eingestellt wurde, um eine ummantelte Faser mit einem Durchmesser von 600 um zu erhalten. Von nun an wurde der Siliciumdioxidfaden durch die Abzichtronimel gezogen, ohne daß zwischen dem Zeitpunkt der Bildung und der Beschichtung eine Berührung mit irgendeinem massiven Element vorhanden war. Die Flüchtling des Ofens mit der Strangpressen-Querkopf form ist kritisch, um ein Verkratzen des Siliciumdioxidfadens durch die Bcschichtungsform zu vermeiden.

Es wurden eine Reihe von Durchläufen bei den vorausgehend genannten Spinn- und Beschiehtungsverhältnissen vorccnommen. wobei die Spinntemperalur von 2000 ¹T bis 2140¹T schwankte. Die Eigenschaften der ummantelten Faser sind in Tabelle 1 angegeben.

Beispiel 2

Unter Verwendung der gleichen Verfahrensweise. Beschichtungsform, Siliciumdioxid-Stabbauart und Ummantelungspolymcren wie gemäß Beispiel 1 wurde die Spinntemperatur bei 2125 °C festgelegt. Die Spinngeschwindigkeiten wurden 3 bis 15 m min. verändert, wobei das Verhältnis der Spinngeschwindigkeil zur Vorschubgeschwindigkeit konstant gehalten wurde, um die Herstellung von Siliciumdioxidfasern mit einem Durchmesser von 200 um aufrechtzuerhalten. Die Geschwindigkeit der Strangpressensehnecke

Tabelle I

Spinn- Fasertemperatur') dämpfung²)
CC) (dB/km)

Härte der Allgemeines
ummantelten Spinnverhalten
Faser ³)

40-50 sehr spröde Infolge der Sprö-

digkeit konnten
nur Abschnitte unter 20mkontinuierlich gesponnen
werden

sehr spröde Wie oben, jedoch Längen von 50 bis 100m

spröde Kontinuierliches
Spinnen, gute
Tastlehrenkontrolle

zäh Kontinuierliches

Spinnen, gute Tastlehrenkontrolle

sehr zäh Kontinuierliches

Spinnen, gute Tastlehrenkontrolle

sehr zäh Tastlehrenkontrolle wird unsicher

') Spinntemperatur gemessen mit einem auf das geschmolzene Stabende iokussierten Pyrometer. Reproduzierbar bis ±10^cC.

²) Faserdämpfung gemessen bei 632.8 nm mit einer He-Ne-Laserlichtquelle. kollimiertes Licht.

') Faserfestigkeit bestimmt durch einmaliges Wickeln (d.h. in einer 360^c-Wicklung) um einen Dorn mit einem Durchmesser von 3.2 mm und Ziehen an einem Ende der Faser, bis ein Längenabschnitt der Faser von 1 m in Gleitkontakt um den Dorn gezogen wurde. Bei Vorliegen keines Bruchs wurde die Faser als sehr zäh bezeichnet. Bei einem Bruch zäh. bei 1 bis Brüchen spröde und oberhalb 5 Brüchen sehr spröde.

war vorher so eingestellt worden, um eine ummantelte Faser mit einem Durchmesser von 600 /₍m bei einer Geschwindigkeit von 6 m/min zu erhalten. So-

2020	40-50
2060	40-50
2080	35-45
2100	35-45
2140	110-150

10

15

20

25 mit konnte bei niedrigeren Spinngeschwindigkeiten die Schmelze sich elastisch regenerieren, um eine ummantelte Faser mit einem Durchmesser zu ergeben, der größer als die Formaustrittsöffnung war. Bei höheren Spinngeschwindigkeiten ergab die Einstellung der Schmelze ummantelte Fasern mit einem Durchmesser, der kleiner als die Austrittsöffnung der Form war. Die Wirkung dieser Schwankungen der Einschnürung der Schmelze auf die optische Dämpfung der Faser ist in Tabelle II, Teil 1 und Fig. 3, Kurve A, dargestellt.

Beispiel 3

Bei Verwendung der gleichen Verfahrensweise, Beschichtungsform, Siliciumdioxid-Stabbauart, Ummantelungspolymeren und Spinntemperatur wie in Beispiel 2 wurde die Spinngeschwindigkeit bei 12 m/min, konstant gehalten, wiederum mit einem Verhältnis von 2000 von Spinngeschwindigkeit zu Vorschubgeschwindigkeit, damit Siliciumdioxidfäden mit einem Durchmesser von 200 /<m erhalten wurden. Jedoch wurde die Geschwindigkeit der Strangpressenschnecke variiert, um ummantelte Faserdurchmesser von 670 «m bis herab zu 370 /<m zu erhalten. Die erzielte Wirkung auf die Faserdämpfung ist in Tabelle II, Teil 2 und in F i g. 3, Kurve B, dargestellt.

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Beispiel 4

Die in den vorausgehenden Beispielen verwendete Form mit einer Austrittsöffnung mit einem Durchmesser von 0,63 mm wurde durch eine Form eines ähnlichen Aufbaus, aber mit einer Austrittsöffnung von 0,9 mm erhalten. Die Fadenführung blieb dieselbe und wurde wiederum so eingestellt, daß ihr Ende gegenüber der Stirnseite der Form um 0,8 mm ±0,1 mm nach einwärts versetzt war. Unter Verwendung der gleichen Verfahrensweise, Siliciumdioxid-Stabart, Ummantelungspolymeren und Spinntemperatur wie in den Beispielen 2 und 3, wurden 200-«m-

Teil	Formaustritts	Durchmesser	Einschnürungs	Spinn	Dämpfung*	Anmerkungen
	öffnung	der ummantelten	verhältnis der	geschwindigkeit	(dB/km)
	(mm)	Faser (μπι)	Schmelze	(m/min)
1	0.63	825	0,56	3	260	Konstanter Strangpressen
		725	0.72		48	durchsatz, unterschiedliche
		620	1	6	43	Spinngeschwindigkeit
		540	ι 3	6	32
		510	1.7		30
		440	2,3	12	73
		410	2,7		143
		390	3,1	15	690
2	0,63	675	0,85	12	180	Unterschiedlicher Strang
		640	0,93		90	pressendurchsatz, konstante
		620	1,0	12	55	Spinngeschwindigkeit
		540	1.3	12	50
		500	1,7	12	47
		440	2,3	12	58
		370	3,8	12	830
3	0,9	1000	0,8	6	61
		870	1,1	10	49
		625	2,2	6	165

Gemessen bei 632.8 nm mit einer He-Ne-Laserlichtquelle, kollimiertes Licht

10

Fäden bei 6 und 10 m/min, gesponnen, wobei die Schneckengeschwindigkeiten der Strangpresse derart eingestellt wurden, d?.^ ummantelte Fasern mit Durchmessern von 1000, 870 und 625 /<m erhalten wurden. Die erhaltene Wirkung auf die Dämpfung ist in Tabelle II, Teil 3, und in Fig. 3, Kurve C, dargestellt.

Vergleichsbeispiel A

Die Form gemäß Beispiel 4 wurde so abgeändert, daß das Ende der Fadenführung nunmehr bündig mit der Stirnseite der Form lag, d. h. ohne jede Zurückversetzung. Bei Verwendung der gleichen Verfahrensweise, Siliciumdioxid-Stabbauart, Ummantelungspolymeren und Spinntemperatur wie in den Beispielen 2, 3 und 4 wurden 200-/<m-Fäden gesponnen, wobei Spinngeschwindigkeit und Ummantelungsstärke in einem weiten Bereich verändert wurden. Die bei diesen Fasern gemessenen Dämpfungen waren unregelmäßig und in keinem Fall kleiner als 200 dB/ km.

äthylen und Perfluortpropyltrifluorvinyläther (Gewichtsverhältnis ca. 96 zu 4) mit einer Schmelzviskosität von ca. 4 χ 10»Pa.s bei 272 ⁰C.

Die Zylindertemperaturen reichten von 280 ⁰C in der Nähe des Zuführtrichters bis 390⁰C am Beschichtungsform-Adapter. Die Beschichtungsform selbst wurde auf 420 bis 440 ⁰C gehalten. Durch Änderung der Abziehgeschwindigkeit von 6 auf 9 m/ min. und entsprechende Einstellung der Schneckengeschwindigkeit der Strangpresse wurden 200-«m-Fasern mit unterschiedlichen Ummantelungsstärken erhalten. Die Wirkung dieser Änderungen im Einschnürungsverhältnis der Schmelze auf die optische Dämpfung der Faser ist in Tabelle IV und in F i g. 3, Kurve £, dargestellt.

Tabelle IV

Durchmesser Einschnürungs- Spinnge- Dämpfung

der ummantelten verhältnis schwindigkeit bei 632,8 nm

Faser (μΐη) der Schmelze (m/min) (dB/km)

25

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Beispiel 5

Die gleiche Betriebsweise, Beschichtungsform, Siliciumdioxid-Stabbauart und Spinntemperatur wie in Beispiel 2 wurden verwendet, jedoch war das Ummantelungspolymer ein Copolymer aus Tetrafluoräthylen und

CF₂=CF-O-CF₂-CF-O-Cf₂-CF₂-SO₂F

CF₃

(Molverhältnis 7,5 bis 1) mit einem Schmelzindex von 35 bei 270 ⁰C (gemessen nach ASTM D-2116-66 mit einer 2,095-mm-öffnung und einem Gewicht von 4767 g). Zylindertemperaturen reichten von 270 ⁰C in der Nähe des Zufuhrtrichters bis zu 290 ⁰C am Beschichtungsform-Adapter. Die Beschichtungsform selbst wurde auf 310 ⁰C gehalten. Durch Änderung der Abziehgeschwindigkeit von 6 auf 9 m/min, und entsprechende Einstellung der Schneckengeschwindigkeit der Strangpresse wurden 200-«m-Fasern mit unterschiedlichen Ummantelungsstärken erhalten. Die Wirkung dieser Änderungen im' Einschnürungsverhältnis der Schmelze auf die optische Dämpfung der Faser ist in Tabelle III und in Fig. 3, Kurve D, dargestellt.

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Beispiel 6

Die gleiche Verfahrensweise, Beschichtungsform, Siliciumdioxid-Stabbauart und Spinntemperatur wie in Beispiel 5 wurden verwendet, jedoch war das Ummantelungspolymere ein Copolymeres aus Tetrafluor-Tabelle III

Durchmesser Einschnürungs- Spinnge- Dämpfung

der ummantelten verhältnis schwindigkeit bei 632,8 nm

Faser (μπι) der Schmelze (m/min) (dB/km)

640	0,93	6	1070
600	1,1	7	970
560	1,2	7	610
440	2,3	7	2500
410	2.7	9	4000
		Beispiel 7

Die gleiche Verfahrensweise, Beschichtungsform Siliciumdioxid-Stabbauart und Spinntemperatur wie in Beispiel 5 wurden verwendet, jedoch war das Ummantelungspolymere ein Copolymer aus Tetrafluoräthylen und Äthylen (Molverhältnis ca. 1:1), das ferner 1,3 Gew.-% Seitengruppen des einwertigen Radikals aus Hexafluorisopropanol

(CF₃-C-CF₃)
OH

aufwies, mit einer Strömungsgeschwindigkeit de Schmelze von ca. 8 g/10 min. bei 297 ⁰C (gemessei gemäß ASTM D-2116, Abschnitt 10). Die Zylinder temperaturen reichten von 250 ⁰C in der Nähe de; Zufuhrtrichters bis 350 ⁰C am Beschichtungsform Adapter. Die Beschichtungsform selbst wurde au 360 bis 380 ⁰C gehalten. Durch Änderui.g der Ab ziehgeschwindigkeit von 5 auf 8 m/min, und entspre chende Einstellung der Schneckengeschwindigkeit de Strangpresse wurden 200-/im-Fasern mit unterschied liehen Ummantelungsstärken hergestellt. Die Wir kung dieser Änderungen im Einschnürungsverhältni: der Schmelze auf die optische Dämpfung der Fase ist in Tabelle V und in F i g. 3, Kurve F, dargestellt Es ist ersichtlich, daß die optimalen EinschnU rungsverhältnisse zur Erzielung einer kleinstmöglichei

Tabelle V

Durchmesser Einschnürungs- Spinnge- Dämpfung

der ummantelten verhältnis schwindigkeit bei 632.8 nn

Faser (μηι) der Schmelze (m/min) (dB/km)

725 620	0.72 1	7 6	250 270	65 640	0,93	5	1350
600	1.1	6	200	600	1,1	5	970
540	1.3	8	93	520	1,5	6	750
440	2.3	9	355	410	2.7	8	2000

Dämpfung des übertragenen Lichts für die verschiedenen Polymeren bei allen Beispielen in den festgelegten Bereich fallen.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung einer Lichtleitfase: mit Silichimdioxidkern und polymerer Ummantelung, die eine erheblich verbesserte Lichtleitung aufweist, d.h., erheblich geringere Dämpfung des übertragenen Lichts im Vergleich zu bekannten Lichtleitfasern der gleichen Bauart. Besteht der SiUciumdioxidkem aus ΤΟ-8-Siliciumdioxid, so ist es durch die vorliegende Erfindung

möglich, Lichtleitfasern herzustellen, deren Dämpfung des übertragenen Lichtes mir etwa 20 % höher ist als jene des ΤΟ-8-Siliciumdioxid selbst

Es ist der einschlägigen Technik bekannt, daß brauchbare Lichtleitfasern mit einer Vielzahl von Glasarten mit hohem Siliciumdioxidgehalt hergestellt werden können. Daher wird der Ausdruck Siliciumdioxid nicht nur in Verbindung mit reinem Siliciumdioxid gebraucht, sondern auch in Verbindung mit Glaszusammensetzungen, die einen hohen Siliciumdioxidgehalt aufweisen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bildung einer Lichtleitfaser, die einen Siliciumdioxid-Faserkern und eine Ummantelung aus thermoplastischem Polymeren enthält, dessen Brechungsindex niedriger als jener des Kerns ist, gemäß welchem

b) ein thermoplastisches Polymeres mit einem Brechungsindex der geringer ist als jener des Kerns durch Schmelzbeschichten mittels einer Extrudierform, die eine einzige Formaustrittsöffnung für das zu extrudierende thermoplastische Polymer und den zu ummantelnden Siliciumdioxid-Faserkern aufweist, auf den Siliciumdioxid-Faserkern aufgebracht wird,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

i) im Verfahrensschritt a), Ziehen des Siliciumdioxid-Faserkerns bei einer Temperatur von 2040 ⁰C bis 2140⁰C und
ii) im Verfahrensschritt b) Schmelzbcschichten des Polymeren mittels Strangpressen mit einem Einschnürungsverhältnis von 1,1 bis 2,0, wobei das Einschnürungsverhältnis definiert ist als das Verhältnis der Fläche der Formaustrittsöffnung abzüglich der Siliciumdioxidfaserquerschnittsfläche zu der Quer-• schnittsfläche der thermoplastischen Ummantelungsschicht der um mantelten fertigen Lichtleitfaser, und
Führen des Siliciumdioxid-Faserkerns von der Ziehdüse bis zur Ummantelung in der Weise, daß keine Berührung des Faserkerns mit einem anderen Material stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschnürungsverhältnis von 1,2 bis 2,0, vorzugsweise von 1,4 bis 1,8 beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung in einem Extrudierkopf erfolgt, bei dem die koaxial zur Formaustrittsöffnung liegende Führungsöffnung für den SiCL-Faserkern innerhalb des Extrudierkopfes liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Polymere im wesentlichen amorph ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere ein Copolymeres aus