DE3151198C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überziehen einer aus einer Glasvorform gezogenen optischen Faser mit einer durch Wärme, Ultraviolett- oder Elektronenstrahlen härtbaren Harzmasse, bei dem die gezogene Faser, bevor sie mit festen Gegenständen in Kontakt kommt, durch eine mit flüssigem Material gefüllte Kühleinrichtung geleitet und gekühlt wird.

Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser besteht darin, daß zunächst eine Vorform zu einer Faser angezogen wird, während diese in einem Widerstandsofen, einem Hochfrequenzofen mit einem CO₂-Laser oder mit Knallgas-(O₂/H₂)-Flamme geschmolzen wird, und die Faser dann mit einer Harzmasse beschichtet wird, bevor sie mit einem festen Gegenstand in Kontakt kommt, woran sich die Aushärtung des Harzüberzugs anschließt (vgl. z. B. die japanische Patentanmeldung (OPI) Nr. 100 734/76, wobei die Abkürzung OPI angibt, daß es sich dabei um eine ungeprüfte japanische Patentanmeldung handelt). Dieses Beschichtungsverfahren wird allgemein als Tandemprimärbeschichtungsverfahren bezeichnet, und es muß für industrielle Zwecke mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden.

Bei der Durchführung des Beschichtungsverfahrens mit hoher Geschwindigkeit treten mehrere Probleme auf. Erstens muß der Harzüberzug innerhalb einer kurzen Zeitspanne ausgehärtet werden. Es ist bekannt, daß eine Geschwindigkeit von wenigstens mehreren 100 m/min dadurch erzielt werden kann, daß man den konventionellen zur Härtung eingesetzten Elektroofen durch einen Infrarot-Bildofen oder UV-Bestrahlungsofen ersetzt. Ein weiteres Problem besteht darin, daß dann, wenn die Vorform mit einer Geschwindigkeit von 100 m/min oder mehr bei etwa 2000°C ausgezogen wird, die Faser einer mit Harz gefüllten Beschichtungsvorrichtung zugeführt wird, bevor sie auf etwa Raumtemperatur abgekühlt ist, so daß die Harzmasse in der Beschichtungsvorrichtung zersetzt wird oder aushärtet. Es muß daher eine Kühleinrichtung zwischen dem Ziehofen und der Überzugsauftragseinrichtung vorgesehen sein. In der japanischen Patentanmeldung (OPI) Nr. 10 470/80 ist ein Beispiel für eine solche Kühleinrichtung beschrieben, durch die man ein gasförmiges Kühlmittel (zum Beispiel flüssigen Stickstoff) strömen läßt, um die Faser auf etwa Raumtemperatur abzukühlen. Die Verwendung eines gasförmigen Kühlmittels hat jedoch zum einen den Nachteil, daß das Gas wegen seiner geringen Wärmekapazität nur einen geringen Kühleffekt erzeugt und es daher in sehr großen Volumenmengen angewendet werden muß, um die Faser auf die gewünschte Temperatur abzukühlen, und zum anderen, daß das Gas in der Regel eine Spurenmenge an Feuchtigkeit enthält, die die Festigkeit der Faserbeschichtung herabsetzt. Ein weiteres Problem besteht darin, bei sehr hohen Ziehgeschwindigkeiten und dem dadurch zwischen der optischen Faser und der Harzmasse entstehenden großen relativen Schlupf eine gleichmäßige Dicke des Harzüberzugs zu erreichen.

Bei einem in der US-PS 42 08 200 beschriebenen Beschichtungsverfahren werden Kühlflüssigkeiten mit einer hohen Verdampfungswärme, wie zum Beispiel Alkohole verwandt, um die Faser bei hoher Ziehgeschwindigkeit vor dem Beschichten ausreichend abzukühlen. Die Verwendung derartiger Kühlflüssigkeiten hat den Nachteil, daß die Qualität der Harzbeschichtung der Glasfaser durch mitgeführte Spuren von Kühlflüssigkeit beeinträchtigt ist. Um die Mitführung von Kühlflüssigkeit aus der Kühleinrichtung in die Beschichtungseinrichtung in Grenzen zu halten, durchläuft die Glasfaser an der Austrittsstelle aus der Kühleinrichtung daher eine Wischeinrichtung, durch die die Kühlflüssigkeit von der Glasfaser entfernt und durch die verhindert werden soll, daß Kühlflüssigkeit aus der Kühleinrichtung austritt. Der intensive mechanische Kontakt der Faser mit der Wischeinrichtung wirkt sich dabei nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften der Faser aus.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, durch das sich eine verbesserte Qualität der Harzbeschichtung der Glasfaser erzielen läßt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Kühlflüssigkeit das gleiche Harzmaterial wie für den Überzug verwendet wird, wobei das Material jedoch nicht reaktionsfähig ist und keine Verbindungen, welche die Härtung des Harzes katalysieren, verwendet werden und die Faser darauf mit der reaktionsfähigen Harzmasse beschichtet und der Überzug gehärtet wird.

Durch diese erfindungsgemäße Lösung wird bei hohen Ziehgeschwindigkeiten von 100 m/min und mehr erreicht, daß bei ausreichender Kühlwirkung die gezogene Faser vor der Beschichtung nur mit einer Komponente des Beschichtungsmaterials und nicht mit anderen Stoffen, die die Qualität der Beschichtung beeinträchtigen können, in Berührung kommt. Indem die kühlende Harzmasse erfindungsgemäß keine Härtungsmittel, Vernetzungsmittel, keinen Härtungskatalysator, keinen Härtungsbeschleuniger, kein Sensibilisierungsmittel und kein reaktionsfähiges Verdünnungsmittel enthält, kann sie in der Kühleinrichtung bei Einwirken der hohen Fasertemperaturen nicht reagieren. Ein dünner aus der Kühleinrichtung mitgeführter Harzfilm auf der Glasfaser ist keineswegs störend und mischt sich bei der Beschichtung umgehend mit der Harzmasse, die die genannten Zusätze enthält. Auf eine Wischeinrichtung mit Kontakt zur Faser kann verzichtet werden, so daß vorteilhaft keine Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften der Faser auftritt.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung, die das erfindungsgemäße Verfahren in schematischer Form darstellt, näher erläutert.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Beschichtung einer optischen Faser, wobei zur Herstellung der Faser eine Vorform ausgezogen wird, beispielsweise in einem Widerstandsofen, in einem Hochfrequenzofen oder unter Anwendung anderer Wärmequellen, wie z. B. einer Knallgas (O₂/H₂)-Flamme oder eines CO₂-Lasers, und die Faser mit einer härtbaren Harzmasse beschichtet wird, bevor sie mit einem anderen festen Gegenstand in Kontakt kommt, woran sich die Aushärtung des Harzüberzugs anschließt. Bevor die ausgezogene Faser in die Überzugsauftragseinrichtung eingeführt wird, wird sie durch eine Kühleinrichtung hindurchgeführt, die mit einem "nicht-reaktionsfähigen flüssigen Material" gefüllt ist, das im wesentlichen aus dem gleichen Material wie die Harzmasse besteht, das jedoch frei von einer Verbindung aus der Gruppe Härtungsmittel, Vernetzungsmittel, Härtungskatalysator, Härtungsbeschleuniger, Sensibilisierungsmittel und reaktionsfähiges Verdünnungsmittel ist und das bei erhöhten Temperaturen nicht aushärtet.

Durch Kühlen der Faser mit dem nicht-reaktionsfähigen flüssigen Material und anschließendes Aufbringen einer Harzmasse in Form einer Schicht und Aushärten derselben auf der Faser kann eine gewünschte optische Faser mit einer Ziehgeschwindigkeit von 100 m/min oder mehr erhalten werden, ohne daß ihre Festigkeit abnimmt (wie dies häufig der Fall ist, wenn ein Feuchtigkeit enthaltendes Gas als Kühlmittel verwendet wird).

Beim Beschichten der Faser mit der Harzmasse ist es bevorzugt, daß die Harzmasse in einer Überzugsauftragseinrichtung mittels einer geeigneten Einrichtung, wie z. B. einer oder mehreren Pumpen, unter Druck zum Fließen gebracht wird, um den Unterschied in bezug auf die relative Geschwindigkeit zwischen der die Überzugsauftragseinrichtung passierenden Faser und der Harzmasse in der Überzugsauftragseinrichtung minimal zu halten.

Eine Ausführungsform der Überzugsauftragseinrichtung, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, ist in der beiliegenden Zeichnung schematisch dargestellt, in der eine mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete Faservorform in einem Ziehofen 2 bei etwa 2000°C ausgezogen wird zu einer Faser mit einem Außendurchmesser von etwa 150 µm, die durch eine Kühleinrichtung 3 geleitet wird, in der sie auf etwa Raumtemperatur abgekühlt wird. Die gekühlte Faser wird in eine Überzugsauftragseinrichtung 6 eingeführt, in der sie mit einem Harzüberzug versehen wird, der in einem Härtungsofen 7 gehärtet wird, und die Faser 9 mit dem darauf befindlichen gehärteten Harzüberzug wird von einer Aufwickeleinrichtung 8 aufgenommen. In der Kühleinrichtung 3 bildet das "nicht- reaktionsfähige flüssige Material" einen Konvektionsstrom, der die den Kühler (angezeigt durch Pfeile) passierende Faser kühlt und eine dünne Schicht des flüssigen Materials haftet an der Faser und wird durch eine Öffnung im Boden der Kühleinrichtung in die Überzugsauftragseinrichtung mitgeschleppt. Das flüssige Material der Kühleinrichtung wird durch Rückführung in einen Wärmeaustauscher 5 gekühlt. Das nicht-reaktionsfähige flüssige Material in der Kühleinrichtung 3 wird vorzugsweise mittels einer oder mehrerer Pumpen unter Druck zum Fließen gebracht, so daß es in die gleiche Richtung fließt, wie die die Kühleinrichtung passierende Faser. Auf diese Weise kann eine effektive Kühlung durch Verhinderung des Transports zwischen dem flüssigen Material und der Faser als Folge der Abnahme der Viskosität des flüssigen Materials, die auftritt, wenn das flüssige Material mit der Faser mit einer hohen Temperatur in Kontakt kommt, erzielt werden.

Die Öffnung an der Bodendüse der Kühleinrichtung 3 und der Überzugsauftragseinrichtung 6 weist einen Durchmesser auf, der etwas größer ist als derjenige der hindurchgeführten Faser und der Durchmesser der Öffnung kann so festgelegt werden, daß praktisch keine Flüssigkeit daraus austritt unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren, wie z. B. des Faserdurchmessers, der Viskosität und der Oberflächenspannung des flüssigen Materials oder der Harzmasse, der Fasergeschwindigkeit und dgl.

Es ist erwünscht, daß die die Kühleinrichtung passierende optische Faser mit keinem anderen Material als dem "nicht- reaktionsfähigen flüssigen Material" in Kontakt kommt. Eine Abnahme der Menge des "nicht-reaktionsfähigen flüssigen Materials" als Folge des Anhaftens an der Faser wird kompensiert durch eine zusätzliche Zufuhr aus einer automatischen Beschickungseinrichtung 4. Auch eine Abnahme der Menge der Harzmasse in der Überzugsauftragseinrichtung 6, die beim Beschichten der Faser auftritt, kann kompensiert werden durch eine zusätzliche Zufuhr aus einer automatischen Beschickungseinrichtung 10.

Das erfindungsgemäß als Kühlmittel verwendete "nicht- reaktionsfähige flüssige Material" ist das gleiche wie die Harzmasse, mit der die Faser beschichtet wird, jedoch mit der Ausnahme, daß es frei von einer Verbindung ist, welche die Aushärtung des Harzes katalysiert, ausgewählt aus der Gruppe Vernetzungsmittel, Härtungsmittel, Härtungskatalysatoren, Härtungspromotor, Sensibilisierungsmittel und reaktionsfähiges Verdünnungsmittel, das zur Einleitung der Härtungsreaktion erforderlich ist, so daß das "nicht-reaktionsfähige flüssige Material" an der Faser haften kann und in die Überzugsauftragseinrichtung eintreten kann, ohne daß dadurch ein nachteiliger Effekt hervorgerufen wird.

Bei der Harzmasse, mit der die Faser beschichtet wird und die ausgehärtet wird, handelt es sich um ein oder mehrere reaktionsfähige Monomere, die bei gewöhnlichen Temperaturen, beispielsweise bei Raumtemperatur, flüssig sind, und sie enthält mindestens eine Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe Härtungsmittel, Härtungspromotor, Härtungskatalysator, Vernetzungsmittel, Sensibilisierungsmittel, reaktionsfähiges Verdünnungsmittel, Füllstoff und Haftungsmodifiziermittel. Wie oben angegeben, ist das "nicht-reaktionsfähige flüssige Material" das gleiche wie die Harzmasse, sie ist jedoch frei von einer Verbindung, welche die Aushärtung katalysiert, und sie kann weitere Zusätze enthalten, wie z. B. Füllstoffe, Härtungsmodifiziermittel und dgl., die in der Harzmasse enthalten sein können, solange das nicht-reaktionsfähige flüssige Material keine Härtungsreaktion hervorruft, wenn es erhitzt wird.

Zu Harzen, welche die Hauptkomponente der Harzmasse sein können, gehören Organopolysiloxan (Siliconharz), Polyurethan, Polyester, Polybutadien, Epoxyharz, Polyimid und Polyamidimid, es ist jedoch klar, daß jede beliebige Harzmischung ohne Beschränkung verwendet werden kann, wenn die Harzmischung ohne zusätzliche Materialien, die für die Härtungsreaktion erforderlich sind, beim Erwärmen keiner Härtungsreaktion unterliegt und als Kühlmittel verwendet werden kann.

Wie oben erläutert, wird erfindungsgemäß eine heiße Faser mit einem Medium gekühlt, bei dem Wärme keine Härtungsreaktion hervorruft, wodurch ein Hochgeschwindigkeits- Schmelzspinnen von optischen Fasern möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist der, daß das Medium an der Faser haften kann und in die Überzugsauftragseinrichtung eintreten kann, ohne irgendeinen nachteiligen Effekt hervorzurufen, und die Faser wird mit einem sehr guten Harz beschichtet, bevor sie mit einem anderen festen Gegenstand in Kontakt kommt. Erfindungsgemäß kann daher eine optische Faser mit einer ausgezeichneten Festigkeit hergestellt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zum Überziehen einer aus einer Glasvorform (1) gezogenen optischen Faser mit einer durch Wärme, Ultraviolett- oder Elektronenstrahlen härtbaren Harzmasse, bei dem die gezogene Faser, bevor sie mit festen Gegenständen in Kontakt kommt, durch eine mit flüssigem Material gefüllte Kühleinrichtung (3) geleitet und gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlflüssigkeit das gleiche Harzmaterial wie für den Überzug verwendet wird, wobei das Material jedoch nicht reaktionsfähig ist und keine Verbindungen, welche die Härtung des Harzes katalysieren, verwendet werden und die Faser darauf mit der reaktionsfähigen Harzmasse beschichtet und der Überzug gehärtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Harzmasse eine aus Organopolysiloxan, Polyurethan, Polyester, Polybutadien, Epoxyharz, Polyimid und Polyamidimid ausgewählte Masse verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder/und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht reaktionsfähige flüssige Material in der Kühleinrichtung in der gleichen Richtung wie die die Kühleinrichtung passierende optische Faser zum Fließen gebracht wird.

4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Harzmasse in der Überzugsauftragseinrichtung in der gleichen Richtung wie die die Überzugsauftragseinrichtung passierende optische Faser zum Fließen gebracht wird.