DE2817651A1

DE2817651A1 - Verfahren zur erhoehung der bruchfestigkeit von glasfasern

Info

Publication number: DE2817651A1
Application number: DE19782817651
Authority: DE
Inventors: Franz Prof Dr Aussenegg; Ulrich Dipl Ing Dr Phi Deserno; Dieter Dipl Phys D Rosenberger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-04-21
Filing date: 1978-04-21
Publication date: 1979-10-31
Also published as: US4304582A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen
Berlin und München 78 P 8 0 14 BRQ

Verfahren zur Erhöhung der Bruchfestigkeit von Glasfasern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur' Erhöhung der Bruchfestigkeit von Glasfasern, insbesondere für die optische Nachrichtentechnik.

Die Bruchfestigkeit ist ein wesentliches Qualitätsmerkmal von optischen Fasern. Sowohl für die Weiterverarbeitung der Rohfasern zu optischen Kabeln wie

auch bei der Anwendung der Lichtleitfasern und -kabel in optischen Übertragungsstrecken ist eine möglichst hohe Mindestbruchfestigkeit notwendig. Die spezifizierten Festigkeitswerte dürfen auch im Langzeitverhalten nicht unterschritten werden.

Das Bruchverhalten von Glasfasern ist charakterisiert durch das Fehlen eines Fließbereiches und eine spezielle Abhängigkeit der Bruchstatistik von der Probenlänge, die auf die Wirkung von lokalisierten Störungen ("Flaws") auf der Oberfläche und im Volumen der Faser schließen läßt (siehe D. Kalish, B.K. Tarigal: Probability of
Ed 1 Sti/5.4.78

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static fatigue failure in optical fibers", Appl. Phys. Lett. 28 (1976) S. 721 - 723 und E.HeIfand, Z.R. Wassermann : "Statistics of the strength of optical fibers" J. Appl. Phys. 48 (1977) S. 3251 - 3259). Derartige lokale Störungen können geometrische Unregelmäßigkeiten (Mikrorisse, Staubeinschlüsse und Blasen, siehe R.D. Maurer "Effect of dust on fiber strength", Appl.Phys. Lett. 30j (1977) S. 82 - 84) oder physikalisch-chemische Veränderungen des Glases sein (Strukturfehler, Bindungsdefekte, z.B. Si⁺O~-Defekte anstelle der unpolaren SiO-Bindung). Es ist bekannt, daß an derartigen lokalisierten Störungen im Glas bevorzugt Spaltkorrosion ansetzt, insbesondere unter Beteiligung von atmosphärischem Wasserdampf (siehe Appl.Phys. Lett. 28 (1976)

S. 721-723). Dies wirkt sich ungünstig auf das Langzeit-Bruchverhalten der Fasern aus.

Dem speziellen Festigkeitsverhalten von Glasfasern wird derzeit durch verschiedene fertigungs- bzw. anwendungstechnische Maßnahmen Rechnung getragen, z.B.

Herstellung und Manipulation der Rohfaser unter staubfreien Bedingungen (siehe Appl.Phys. Lett. 30, (1977) S. 82-84), dichte oder lose Kunststoffbeschichtung der Einzelfasern (siehe H. Schonhorn et al "Epoxy acrylate coated fused silica fibers ..." Appl. Phys, Lett. 29 (1976), S. 712-714), Aufbringen spezieller Grundiermittel zur chemischen Inaktivierung der Silikatoberfläche, Vermeidung jeder mechanischen Beanspruchung der Faser im Kabel durch Polsterschichten, Umspinnung der Einzelfasern und/oder separate Zugelemente. Die Maßnahmen bedingen erheblichen Aufwand bei der Herstellung der Fasern und Kabel und führen zur Verteuerung des Produktes.

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Aufgabe der Erfindung ist es, ein besonders einfaches Verfahren zur Erhöhung der Bruchfestigkeit von Glasfasern anzugeben.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Glasfaser einer Wärmebehandlung unterzogen wird, während welcher diese von einer Temperatur bei oder nahe der Erweichungstemperatur der Glasfaser verlangsamt auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Dabei bedeutet nahe der Erweichungstemperatur der Glasfaser, "daß die Temperatur mindestens gleich der Erweichungstemperatur des Glases oder zumindest eines der Gläser, aus der die Faser zusammengesetzt ist, abzüglich 35 %, aber höchstens gleich dieser Erweichungstemperatur zuzüglich 10 % zu wählen ist".

"Verlangsamt" bedeutet, daß der AbkühlVorgang mindestens zwei Sekunden dauern muß.

Durch das vorgeschlagene Verfahren wird die Konzentration von Si⁺0~-Defekten vermindert (dies kann mit Hilfe ihrer charakteristischen Ramanstreuung bei 600cm festgestellt werden) und damit die Bruchfestigkeit erhöht werden. Das Verfahren kann dabei auf höchst einfache Weise äußerst schnell durchgeführt werden. Zusätzliche Manipulationen an der Rohfaser, wie sie vorstehend aufgeführt sind, sind nicht mehr erforderlich. Darüber hinaus zeigen die wärmebehandelten Glasfasern ein durch Verminderung der Streuverluste bewirktes verbessertes optisches Verhalten.

Die Wärmebehandlung kann z.B. während des Faserziehvorganges vorgenommen werden, da dann der Ziehvorgang und die Wärmebehandlung in einem Arbeitsgang bewerkstelligt werden können. Es ist dabei wiederum zweckmäßig, wenn die Wärmebehandlung an einer Stelle einsetzt, wo die Temperatur der frisch gezogenen Faser noch nahe bei der Erweichungstemperatur liegt.

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Vorzugsweise wird die Wärmet)ehandlung so vorgenommen, daß die Faser durch einen Kühlofen gezogen wird, der der Länge nach eine vorbestimmte Temperaturverteilung aufweist.
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Vorzugsweise weist ein solcher Kühlofen eine Reihe von Heizkörpern auf, die der Länge nach angeordnet sind und unabhängig voneinander aufheizbar sind.

Es ist zweckmäßig, wenn die Heizkörper ringförmig ausgebildet sind, weil dann die durchgezogene Faser über den ganzen Umfang gleichmäßige Temperatur hat.

Eine Alternative zum beschriebenen Verfahren besteht darin, daß die Wärmebehandlung an der fertigen Faser vorgenommen werden kann, indem sie auf oder nahe den Erweichungspunkt gebracht und dann der Abkühlvorgang eingeleitet wird.

Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel anhand der Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt eine herkömmliche Faserziehvorrichtung·, die mit einem vorgeschlagenen Kühlofen ausgerüstet ist.

Die Faserziehvorrichtung nach der Figur umfaßt im wesentlichen einen Heizteil 1 und eine Faserabzugsvorrichtung 10. Der Heizteil 1 umfaßt ein ringförmiges Heizelement 2, welches in der Regel aus einer Heizspule besteht und welches von einer Wärmedämmung 3 umgeben ist. Die Abzugsvorrichtung 10 umfaßt eine Abzugstrommel 6 und einen Antrieb 7 zum kontinuierlichen Drehen der Abzugstrommel.

Beim Faserziehen wird in das Heizelement 2 eine Faservorform in Form eines aus einem Stück oder aus einem Kern und einer oder mehreren Schichten bestehenden Glas-

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stabes oder ein Tiegelsystem, welches aus einem bzw. zwei oder mehreren ineinander angeordneten, an dem bzw. den Böden mit Ziehdüsen versehenen Tiegeln besteht, eingeführt. Durch das Heizelement wird der Glasstab bzw. das 5 oder die Gläser im bzw. in den Tiegeln zum Erweichen oder Schmelzen gebracht und daraus die Faser abgezogen. Die abgezogene Faser wird an der Abzugstrommel befestigt. Die Abzugstrommel dreht sich kontinuierlich und zieht somit die Faser kontinuierlich ab.

In der Figur wird die Faser beispielsweise von einer Faservorform 1a abgezogen. Diese Faservorform wird ständig nachgeführt, wenn das im Heizelement befindliche Ende durch den durch das Abziehen bedingten Materialverlust aus dem Heizelement herauswandert.

Die abgezogene Faser kühlt sehr schnell von der Erweichungstemperatur des oder der Gläser auf Raumtemperatur ab. Beispielsweise wird bei einer üblichen Ziehgeschwindigkeit von 20cm/sec die Raumtemperatur nach etwa 1 see erreicht, d.h. die abgezogene Faser ist bereits etwa 10 cm unterhalb des Heizelementes auf Raumtemperatur abgekühlt.

Entsprechend dem gemachten Vorschlag wird nun zur Erhöhung der Bruchfestigkeit der Faser, die , wie aus dem Vorstehenden entnehmbar, eine nackte Kernfaser, eine Kern-Mantel-Faser oder Gradientenfaser sein kann, von einer Temperatur bei oder nahe der Erweichungstemperatur der Faser verlangsamt auf Raumtemperatur abgekühlt. Diese verlangsamte Abkühlung soll dabei langer als 2 see andauern. Je langer die Abkühlphase dauert, desto besser ist es.

Diese Wärmebehandlung wird am besten mittels eines Kühlofens durchgeführt, durch den die abgezogene Faser gezogen wird. Es ist dabei zweckmäßig, diesen Kühlofen zwi-

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• 7. •4- VPA 78 P 8 O H BRD

sehen* Heizvorrichtung und Abzugsvorrichtung anzuordnen. Es kann dann nämlich die Wärmebehandlung gleichzeitig mit dem Abziehvorgang vorgenommen werden.

Es ist dabei wiederum zweckmäßig, wenn der Kühlofen möglichst nahe beim Heizelement, genauer gesagt bei einer Stelle, wo die frisch gezogene Faser noch auf oder nahe der Erweichungstemperatur liegt, beginnt. Ein erneutes Aufheizen der Faser auf diese Temperatur ist dann nicht mehr erforderlich, der verlangsamte Abkühlvorgang kann unmittelbar eingeleitet werden.

Die abgezogene Faser wird durch den Kühlofen gezogen. Dieser besitzt der Länge nach eine vorbestimmte Temperaturvertei lung, die möglichst gleichmäßig von der besagten Temperatur auf die Raumtemperatur oder in deren Nähe abfällt. Dazu umfaßt der Kühlofen zweckmäßigerweise eine Reihe" von Heizkörpern, welche der Länge nach angeordnet und unabhängig voneinander aufheizbar sind. Diese Heizkörper sind zweckmäßigerweise ringförmig ausgebildet, so daß die durchgezogene Faser vollständig umfaßt wird.

In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel eines solchen Kühlofens dargestellt. Er besteht aus einer Reihe von Heizkörpern 5a, 5b, 5c bis 5x, wovon jeder die abgezogene Glasfaser 9 umgibt. Jeder dieser Heizkörper besteht aus einer Heizspule. Der Heizkörper 5a ist so nahe wie möglich beim Heizelement 2 angeordnet, damit die in ihn eintretende frisch gezogene Faser noch auf genügend hoher Temperatur liegt, beispielsweise nahe der Erweichungstemperatur, auf jeden Fall auf einer Temperatur, die größer als die Erweichungstemperatur abzüglich 35 % ist.

Zweckmäßigerweise sind die Heizkörper 5a bis 5x in einem Rohr aus wärmeisolierendem Material angeordnet, welches wiederum zweckmäßigerweise an die Wärmedämmung 3 anstößt.

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Dadurch wird einmal eine genaue Temperatursteuerung ermöglicht und zum anderen ist die Strecke langer, entlang der die Faser auf einer Temperatur nahe der Erweichungstemperatur liegt. Letzteres wirkt sich günstig auf die Konstruktion einer solchen Vorrichtung aus.

Die Heizkörper werden zweckmäßigerweise mittels einer programmierbaren Steuerung 8 gesteuert. Dieser Steuerung kann das Temperaturprofil vorgegeben werden, welehe dieses dann in Abhängigkeit von der Abzugsgeschwindigkeit den Heizkörpern übermittelt. Dafür wird vorzugsweise die Drehzahl des Antriebs 7 verwendet.

In der Regel wird ein Temperaturprofil verwendet, welches von hoher Temperatur beim Heizkörper 5a sukzessive bis zum Heizkörper 5x abfällt.

Die Länge des Kühlofens und die Anzahl der Heizelemente ist von Fall zu Fall verschieden und ist dementsprechend auszulegen, was aber dem Fachmann keine Schwierigkeiten bereiten dürfte, da er sich notfalls durch Ausprobieren weiterhelfen kann.

In einem Ausführungsbeispiel wurde eine Faser gezogen und nachträglich in einem Rohrofen einer Temperaturbehandlung unterworfen, die eine langsame Abkühlung umfaßte. Die Verminderung der Si⁺0~-Defekte wurde durch Ramanstreuung nachgewiesen.

6 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

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/ VPA ₇₈ ρ g _{0 H}

Patentansprüche

Verfahren zur Erhöhung der Bruchfestigkeit von Glasfasern, insbesondere für die optische Nachrichtentechnik, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaser einer Wärmebehandlung unterzogen wird, während welcher die Glasfaser von einer Temperatur bei oder nahe der Erweichungstemperatur der Glasfaser verlangsamt auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmebehandlung während des Paserziehvorganges vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmebehandlung an einer Stelle einsetzt, wo die Temperatur der frisch gezogenen Faser noch nahe bei der Erweichungstemperatur liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung so vorgenommen wird, daß die Paser durch einen Kühlofen gezogen wird, welcher der Länge nach eine vorbestimmte Temperaturverteilung aufweist.
5. Kühlofen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Reihe von Heizkörpern aufweist, die der Länge nach angeordnet sind und unabhängig voneinander aufheizbar sind.
6. Kühlofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Heizkörper ringförmig ausgebildet sind.

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