DE3208033A1

DE3208033A1 - Verbessertes faserbeschichtungsverfahren

Info

Publication number: DE3208033A1
Application number: DE19823208033
Authority: DE
Inventors: Charles Joseph 30341 Chamblee Ga. Aloisio jun.; Lee Landis 07920 Basking Ridge N.J. Blyler jun.; George Samuel 30245 Lawrenceville Ga. Brockway; Arthur Clifford 07930 Chester N.J. Hart jun.; Carl Raymond 30245 Lawrenceville Ga. Taylor
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1981-03-12
Filing date: 1982-03-05
Publication date: 1982-09-30
Also published as: IT1150669B; FR2501538B1; CH645082A5; FR2501538A1; GB2094673B; SE8201212L; IT8220089A0; KR830009303A; CA1165075A; NL8201024A; US4349587A; GB2094673A; JPS57175752A; BE892440A

Description

-A-

Beschreibung

Verbessertes Faserbeschichtunqsverfahren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Faserbeschichtungsverfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.

Es ist nunmehr allgemein bekannt, daß Glasfasern in großer Länge von potentiell hoher Festigkeit sind, wobei diese Festigkeit aber nur realisiert v/erden kann, wenn die ursprüngliche Faser im Moment ihres Ziehens mit einer Beschichtung geschützt wird. Beträchtliche Anstrengungen gingen dahin, wirksame Methoden zur Beschichtung von Glasfaser-Wellenleitern zu entwickeln. Zumeist wurde hierzu die Faser mit einem Vorpolymer-Material beschichtet, wonach das Vorpolymer unter Einwirkung von Wärme oder Licht gehärtet wurde. Eine Beschichtung der Faser mit heißem thermoplastischem Kunststoff ist ebenfalls eingehend untersucht worden. In jedem Fall wird dabei das Beschichtungsmaterial typischerweise auf die

Faser aufgebracht durch Eintauchen der frisch gezogenen Faser in ein Reservoir, das ein flüssiges Vorpolymer- oder Polymer-Material enthält. Im Regelfall tritt dabei die Faser in die Beschichtungsflüssigkeit über eine freie Oberfläche ein und verläßt die Flüssigkeit durch ein kleines Ziehwerkzeug am Boden des Reservoirs. Zum Festwerden des Beschichtungsimaterials wird dieses gehärtet oder abgekühlt, wonach die Faser auf eine Spindel oder Rolle oder dergleichen aufgewickelt wird.

Dieses allgemeine Verfahren ist verbreitet und erfolgreich zur Beschichtung beträchtlicher Längen von hochqualitativen Glasfaserwellenleitern benutzt worden. Es verbleibt jedoch noch die Realisierung eines bedeutsamen wirtschaftlichen Vorteils durch Erhöhen der Ziehgeschwindigkeit kommerziell erzeugter Fasern. Wie gefunden wurde, treten in dem Beschichtungsverfahren neue Schwierigkeiten auf, wenn mit der Geschwindigkeit über den üblichen Wert von etwa einem Meter pro Sekunde hinausgegangen wird. Beispielsweise wurde gefunden, daß eine mit hoher Geschwindigkeit laufende Faser bei ihrem Eintritt an der freien Oberfläche der Beschichtungsflüssigkeit beachtliche Luftmengen in das flüssige Medium einschleppt. Mit fortschreitender Beschichtung sammelt sich die eingeschleppte Luft in dem Reservoir

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in Form von Luftblasen an. Wenn sich diese Luftblasenmenge aufbaut, tendieren einige Blasen dazu, das Ziehwerkzeug zu passieren und in der Faserbeschichtung zu verbleiben. Die Anzahl von Blasen oder Lücken auf einer gegebenen Länge einer beschichteten Faser steht in direkter Beziehung oder Korrelation zur Konzentration der Blasen im Reservoir. Darüberhinaus wurde gefunden, daß diese Blasen sich rasch mit den Strömungslinien in der Flüssigkeit bewegen und mechanisch mit der Faser in Wechselwirkung treten und dadurch Instabilitäten bei der Faserausrichtung bezüglich des Ziehwerkzeuges verursachen. Es ist als wichtig bekannt, Faserexkursionen während des Durchgangs der Faser durch das Ziehwerkzeug zu vermeiden. Zusätzlich können die mit dem Luftblaseneinfang verknüpften Instabilitäten Faserfehlausrichtungen innerhalb der Beschichtung sowie Beschichtungsdurchmesserschwankungen verursachen.

Zusammengefaßt, wurde bei den der Erfindung vorausgegangenen Untersuchungen ein neues und wesentliches Hindernis gegen eine für Hochgeschwindigkeitherstellung von Glasfaserwellenleitern gefunden.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, das Problem einer starken Blasenbildung und ein damit verknüpftes Ein-

schleppen von Blasen in die Faserbeschichtung oder eine daraus resultierende Fehlausrichtung der Faser innerhalb der Beschichtung zu vermeiden oder im wesentlichen zu eliminieren.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst und mit jenen der Unteransprüche weitergebildet.

Hiernach wird zum Beispiel mit einer innerhalb des Beschichtungsmaterialreservoirs geeignet angeordneten Baffel gearbeitet. Es wurde nämlich gefunden, daß eine richtig entworfene Baffel die Blasen wirksam von dem Bereich fernhält, wo die Faser das Beschichtungsmaterial durchquert und aus dem Reservoir austritt. Auch wurde ein Abstreifen von Blasen aus diesem Bereich beobachtet, was einem Anstieg des hydrodynamischen Flüssigkeitsdruckes zugeschrieben wird, wenn die Faser die durch die Gegenwart der Baffel verursachte Einschnürung im Flüssigkeitsweg passiert. Das Abstreifen der Blasen verringert das Auftreten von Lücken in der Beschichtung.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; es zeigen:

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Fig. 1 eine schematische Schnittansicht, einer Faserziehapparatur zur Darstellung, wie sich das durch die Erfindung zu lösende Problem entwickelt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Verwendung einer Baffel entsprechend dem vorliegenden Verfahren, um ein Einschleppen von Gasblasen in die Faserbeschichtung zu verhindern,

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 2 und

Fig. 4 bis 7 verschiedene alternative Baffelausführungsformen zum Erhalt ähnlicher Ergebnisse wie mit der Baffel nach Fig. 2 und

Fig. 8 eine Rezirkulieranordnung zum Eliminieren von Blasen im Beschichtungsreservoir.

Das Problem, auf das die vorliegende Erfindung gerichtet ist, entwickelt sich in einer typischen Beschichtungsapparatur, wie dieses in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Die Faser 10, die von einer Vorform, einem Tiegel oder einer anderen geeigneten Quelle gezögen wird, passiert das Beschichtungsreservoir 11 und verläßt dieses

durch das Beschichtungs-Ziehwerkzeug 12. Die beschichtete Faser wird dann beispielsweise durch UV-Strahlung der UV-Lampen 14 gehärtet und auf eine geeignete Winde 15 und Trommel 16 gewickelt. Die freie Oberfläche der Beschichtungsflüssigkeit 12 nimmt typischerweise die dargestellte Form an, zeigt also einen abwärts weisenden Meniskus 13 an der Fasereintrittsstelle. Die Größe des Meniskus hängt von verschiedenen Parametern ab; der Meniskus bildet sich aber praktisch immer aus, wenn die Durchlaufgeschwinäigkeit der Faser durch die Beschichtungsflüssigkeit hinreichend hoch ist. Die Gegenwart dieses Meniskus führt zu einem positiven Mitreißen von Luft im Eintrittsbereich der Faser in die Flüssigkeit. Die Luft wird unvermeidlich in die Flüssigkeit gezogen, wo sie während des Beschichtungsvorgangs Blasen bildet. Wenn die Anzahl der Blasen zunimmt, dann nimmt auch die Wahrscheinlichkeit zu, daß einige Blasen in der schließlichen Faserbeschichtung eingefangen sind. Hierbei ist zu beachten, daß die Beschichtungsflüssigkeit im. Reservoir ein· starkes Strömungsmuster unter dem Einfluß der sich schnell bewegenden Faser entwickelt. Das Strömungsmuster wird durch die sich entwickelnde Bewegung der Blasen sichtbar und hat die in Fig. 1 dargestellte Form. Die Blasen werden in der Nähe des Meniskus 13 gebildet und wandern mit der Faser nach unten durch die

Flüssigkeit. Einige Blasen treten mit der Faser aus, aber eine beachtliche Anzahl fließt von der Faser nach außen ab und in das dargestellte kreisförmige Strömungsmuster ein. Wenn jedoch die Anzahl der Blasen zunimmt, nimmt auch die Anzahl jener Blasen zu, die vom unteren Teil des Strömungsmusters abgezogen werden und das austrittsseitige Ziehwerkzeug passieren, wo sie in die Faserbeschichtung eingeschleppt werden. Es wurde nicht als gesichert festgestellt, ob die Anzahl der in der Flüssigkeit vorhandenen Blasen direkt oder indirekt ein Maß für die in die Faserbeschichtung eingeschleppte Anzahl von Blasen ist. Es wird angenommen, daß wenigstens einige Blasen direkt vom Meniskus längs der Faser durch das austrittsseitige Ziehwerkzeug laufen. Gesichert ist. aber, daß solche Ereignisse mit der Bildung zahlreicher Blasen in der Flüssigkeit einhergehen.

Unter Verwendung von Videoanlagen, und photographischen Methoden ist die Dynamik der Beschichtungsflüssigkeit im einzelnen untersucht worden. Die dabei gewonnenen Resultate haben zu der nun zu beschreibenden Lösung geführt.

Fig. 2 zeigt schematisch dieselbe Beschichtungsapparatur wie in Fig. 1, jedoch mit dem wichtigen Zusatz einer

Baffel 20. In diesem Zusammenhang ist eine Baffel als ein Bauteil definiert, das dafür vorgesehen ist, die Blasenströmung vom einen Bereich eines Flüssigkeitsreservoirs in einem anderen Bereich zu unterbinden oder wenigstens deutlich zu beschränken. Im vorliegenden. Fall wird die Blasenströmung zwischen dem Hauptkörper der Beschichtungsflüssigkeit und den Bereich eingeschränkt, wo die Faser die Flüssigkeit durchquert. Bei einigen Ausführungsformen ist besonders darauf geachtet, eine Strömung der Blasen zu dem Reservoirbereich in der Nähe des austrittsseitigen Ziehwerkzeuges zu verhindern. Die Baffel umgibt die Faser in größerem Abstand im Reservoir. Es ist nicht nötig, daß die Baffel mit den Wänden des Reservoirs abschließt. Es ist notwendig, daß die Baffel so ausgelegt wird, daß ein Kontakt mit der Glasfaser vermieden wird. Die Wirkung der Baffel ist in Fig. 2 dargestellt. Sie dient zur Eingrenzung der Blasen auf den oberen Teil des Reservoirs, wodurch sich das Risiko beachtlich verringert, daß Blasen am Ziehwerkzeug 12 austreten und in der Faserbeschichtung eingebettet werden.

Eine beispielhafte Baffelform ist in Fig. 3 dargestellt. Die Öffnungen 30 dienen zur Zirkulation der Beschichtungsf lüssigkeit von der unteren Kammer des Reservoirs

zur oberen Kammer. Durch die sich rasch bewegende Faser wird Flüssigkeit durch das Loch 30 in die untere Kammer mitgeschleppt, und es ist vorteilhaft, einen Rückweg zur oberen Kammer bereitzustellen. Andererseits kann die öffnung 31 groß genug gemacht werden, so daß jene Maßnahme entfallen kann. Die tatsächliche Größung der öffnung 30 ist abhängig von mehreren Erwägungen einschließlich der Ziehgeschwindigkeit, die zum großen Teil für das Blasenproblem verantwortlich ist, und der Effektivität, mit der die Blasen abgestreift werden müssen. Der Faserdurchmesser ist ebenfalls eine Erwägung, obgleich er typischerweise im Bereich von 50 bis 500 Mikrometer liegt. Eine Baffel mit einer öffnung von 800 Mikrometer ist erfolgreich zur Beschichtung einer · Faser eines Nenndurchmessers von 125 Mikrometer benutzt worden.

Eine wichtige Erwägung bei der Wahl der Größe der öffnung in der Baffel ist der sich in der Nähe der Baffelöffnung in der Flüssigkeit entwickelnde Druckgradient. Dabei wird angenommen, daß die hydrodynamischen Kräfte, die bei Einsatz einer Baffel in der beschriebenen Faserbeschichtungsanordnung erzeugt werden, wirksam sind beim Abstreifen von Blasen auf oder nahe der Faseroberfläche und ein-'ßEinbau dieser Blasen in die schließliche Be-

schichtung verhindern. Sonach kann die Baffel in Abhängigkeit von ihrer Form zwei wichtigen Funktionen dienen. Die erste ist die erwähnte Verhinderung einer Ansammlung größerer Blasenmengen im Flüssigkeitsreservoir, wodurch während des Beschichtungsvorgangs sporadische seitliche Auswanderungen der Faser und eine begleitende Schwankung in der Konzentrizität von Faser und Beschichtung verringert werden. Die zweite Funktion der Baffel, die je nach Einzelfall als fakultativ angesehen wird, ist das Abstreifen von Blasen auf oder nahe der Oberfläche der Faser, bevor diese das austrlttsseitige Ziehwerkzeug erreicht. Das austrittsseitige Ziehwerkzeug kann in gewissem Sinn ebenfalls als eine Art Baffel angesehen werden und ist daher auch selbst zum Abstreifen von Blasen in der beschriebenen Weise brauchbar. Jedoch wurde gefunden, daß die einzige Abstreifstufe, die das austrittsseitige Ziehwerkzeug bildet, typischerweise nicht Blaseneinschlüsse in der schließlichen Beschichtung eliminiert, wenn bei hohen Beschichtungsgeschwindigkeiten gearbeitet wir.d. Eine gesonderte Blasenabstreifstufe, wie diese hier beschrieben ist, ist daher ein wichtiger Zusatz bei Beschichtungsprozessen, wo Blaseneinschlüsse sonst vorherrschend sein würden. Im Einzelfall mag es sogar angezeigt sein, daß zwei oder mehr Baffeln für ein noch vollständigeres Abstreifen brauchbar sind.

Für wirksames Abstreifen sollte die Baffelöffnung, die die Faser passiert, klein genug gemacht v/erden, um den Blasenfluß durch die Baffel zu verhindern. Öffnungen, die nur wenig größer als der Faserdurchmesser sind, d. h. etwa drei mal so groß wie der Faserdurchmesser sind, haben zu guten Ergebnissen geführt.

Man sieht, daß größere Durchmesser zum Durchführen der oben beschriebenen Funktion Nr. 1 brauchbar sind und auch in gewissem Umfang zu einem Blasenabstreifen führen. Es wird angenommen, daß Blasenabstreifung -von abrupten hydrodynamischen Druckänderungen herrühren kann, wenn die Faser die Flüssigkeit durchquert. Untersuchungen und Beobachtungen haben ergeben, daß brauchbares Abstreifen von Blasen von der Faser auftreten wird, wenn die Faser eine Druckänderung, die 21 bar/sec (300 psi/sec) äquivalent ist, erfährt, bevor die Faser in die Nähe des austrittsseitigen Ziehwerkzeuges gelangt. Sonach unterliegt die Faser während dieses Beschichtungsprozesses zwei ausgeprägten hydrodynamischen Druckänderungen. Druckänderung ist hier anhand einer "äquivalenten" Druckänderung definiert, da die tatsächliche Druckänderung vom Entwurf der Baffel und von der Faserziehgeschwindigkeit abhängt. Das oben angegebene Minimum von 21 bar/sec ist bezogen auf eine

Fasergeschwindigkeit von 1/3 Meter pro Sekunde und eine Baffeiform errechnet, bei der die Druckänderung über eine Strecke von etwa 1 cm auftritt. In diesem Fall ist die Druckdifferenz, der die Faser beim Passieren der Baffel unterliegt, in der Größenordnung von 0,7 bar (10 psi) .

Andere Baffeiformen und -anordnungen sind.zum Erhalt von Ergebnissen, die mit den obigen vergleichbar sind, brauchbar. Drei vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Fig. 4 bis 7 dargestellte Die Baffeiform nach Fig. 4 und 5 nähert sich der Form des Flüssigkeitsströmungsmusters in der oberen Kammer an. Die Anordnung nach Fig. 6 bringt den Vorteil eines leichten anfänglichen Durchfädelns der Faser durch das Reservoir. Die Verwendung mehrerer Baffein ist in Fig. 7 dargestellt.

Nach Erkenntnis der Notwendigkeit, eine Blasenansammlung im Beschichtungsflüssigkeitsreservoir dort zu verhindern, wo das Risiko einer Einschleppung von Blasen in die Faserbeschichtung besteht, kann in Weiterbildung

der Erfindung alternativ vorgesehen sein, daß die BIaeliminiert werden
sen/durch Zirkulieren der Beschichtungsflüssigkeit in das Reservoir hinein und aus diesem heraus. Auf diese Weise frischt man einfach und wirksam das Reservoir mit

blasenfreier Beschichtungsflüssigkeit kontinuierlich auf. Eine Anordnung zur Durchführung dieses ist in Fig. 8 dargestellt. Bei der speziell dargestellten Anordnung ist eine Kombination einer Baffel mit einer Rezirkulierungseinrichtung zum Abstreifen und Entfernen von Blasen aus dem Reservoir vorgesehen. Die Baffel ist bei 8o dargestellt, die Einrichtung zum Beseitigen von Blasen aus dem Reservoir ist der Auslaß 81/ und die Einrichtung zum Einführen blasenfreien Beschichtungsmaterials ist der Einlaß 82. Das am Auslaß 81 entfernte Material kann durch Filtern, Zentrifugieren, Vakuumentgasen oder dergleichen zwecks Entfernung der Blasen bearbeitet und dann zum Reservoir via Einlaß 82 zurückgeführt werden. Die Baffel unterstützt die Wirksamkeit dieser Apparatur, ist hier aber nicht notwendig. Ein Zirkulieren der Flüssigkeit bei Erneuerung mit blasenfreiem Material kann bereits allein eine Ansammlung von Blasen im Reservoir verhindern.

Wie eingangs erwähnt, verursacht die Gegenwart dieser sich rasch bewegenden Blasen in der Beschichtungsflüssigkeit ein erratisches Verschieben und Schwanken der Faserlage und führt zu schlechter Zentrierung der Faser bezüglich der Beschichtung. Die resultierende Beschichtung ist um die Faser ungleichförmig, was die Wirksam-

keit der Faser bei der Lichtwellenübertragung beeinträchtigt. Sonach liefert die Verwendung einer Baffel nicht nur eine Faser mit glatter blasenfreier Beschichtung_# sondern auch eine in der Beschichtung gut zentrierte .Faser.

Ersichtlich ist ein fortlaufendes Abstreifen von Blasen aus der Beschichtungsapparatur im vorliegend beschriebenen Verfahren ein wichtiger Schritt, der zu hochqualitativen Beschichtungen bei hohen Faserziehgeschwindigkeiten führt.

Das vorliegende Verfahren ist nicht nur für die Primärbeschichtung von Glas- oder Kunststoffwellenleitern brauchbar, sondern auch für eine Sekundärbeschichtung eines bereits beschichteten Wellenleiters. Das vorliegende Verfahren kann, falls eine Faser in zwei oder mehr hintereinanderliegenden Beschichtungsstufen zum Erhalt eines mehrschichtigen Überzuges sukzessive beschichtet wird, bei jeder einzelnen Beschichtungsstufe oder nur bei einem Teil der Beschichtungsstufen angewandt werden. Das Verfahren ist weiterhin brauchbar zum Applizieren von Flüssigkeiten auf die Faser zur Oberflächenmodifizierung vor der Beschichtung, zum Aufbringen von Farbstoffen oder Färbungsmittel zwecks

Farbkodierung oder zum Aufbringen von flüssigen Materialien für andere Zwecke. Das Verfahren eignet sich auch zum .Aufbringen von Beschichtungen auf andere Fasern als Glasfasern, beispielsweise auf polymere Fasern, Kristallfasern .und Metallfasern.

Leerseite

Claims

BLUMBACH · WESER · BERGBN -KRAMER ZWIRNER - HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Western Electric Company, Incorporated

New York, N.Y., USA Aloisio 2

Patentansprüche

1\ Faserbeschichtungsverfahren, bei dem

- eine gezogene Faser ein Reservoir an flüssigem Beschichtungsmaterial mit so hoher Geschwindigkeit passiert, daß Blasen in das flüssige Beschichtungsmaterial eingeschleppt werden, und

- anschließend die Faser ein Ziehwerkzeug passiert, dadurch gekennzeichnet , daß

- das Beschichtungsmaterial in der Nähe des Ziehwerk-.zeuges blasenfrei gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß Blasen aus dem flüssigen Beschichtungsmaterial entfernt werden.

München: R. Kramer Dip!.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Prof. Dr. jur.Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

*. ρ —
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Arbeiten mit einer Baffel innerhalb des flüssigen Beschichtungsmaterials, um das Beschichtungsmaterial in der Nähe des Ziehwerkzeuges blasenfrei zu halten.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet , daß Beschichtungsmaterial durch das Reservoir zirkuliert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet , daß die Faser einer abrupten Änderung des hydrodynamischen Drucks während ihres Verweilens innerhalb des Reservoirs unterworfen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet , daß die Druckänderung wenigstens 21 bar/sec (300 psi/sec) ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6,

dadurch g. .e kennzeichnet , daß die Faser das flüssige Beschichtungsinaterial mit einer Geschwindigkeit von mehr als 1/3 m pro·Sekunde passiert.
8. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet , daß die Faser durch eine Öffnung in einer Baffel hindurchgeführt wird, um die abrupte Druckänderung zu erzeugen.
9. Verfahren nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet , daß für die Öffnung in der Baffel ein Durchmesser gewählt wird, der kleiner ist als das Dreifache des Durchmessers der unbeschichteten Faser.