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"Verfahren zum Ummanteln von fadenförmigen Sub-
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straten" Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ummanteln
von fadenformigen Substraten, z.B. Fasern, Fäden, Drahten od. dgl.
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Auf dem Gebiet der Lichtwellenleiter, d.h. einem Teilgebiet der Optik,
welches zunehmende Bedeutung im Bereich optoelektronischer Informationsübertragungs-Systeme
gewinnt, z.B. Fernsprech- und Fernsehnetze, EDV-Datenübertragung mit hoher übertragungsdichte
bei großer Bandbreite und geringer Dämpfung, erfolgt die übertragung von Lichtenergie
durch vielfache Totalreflexion in Glasfasern. Hierbei werden dünne Fasern aus hochtransparenten
optischen Gläsern, überwiegend hochreinem Quarz, ggf. mit Dotierungen geeigneter
Fremdelemente, eingesetzt. Die Fasern können dabei von einem wenige tausendstel
mm dicken Mantel eines anderen Glases niedriger Brechzahl umgeben sein. Solche Gläser
können auch in sich eine von innen nach außen veränderliche Brechzahl aufweisen.
Man bezeichnet sie als Gradientenfaser. Solche sogenannten Lichtwellenleiter werden
in Durchmessern von o,oo5 bis o,5 mm hergestellt und zu sogenannten faseroptischen
Bauteilen weiterverarbeitet. Solche sogenannten Lichtwellenleiter-Kabel bestehen
meist aus einem Bündel flexibler Einzelfasern in einer Schutzhülle. An den Enden
sind sie an optoelektronische Wandler und/oder Verstärker angeschlossen.
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Nach aunen zum Schutz gegen mechanische Beschädigung
befinden
sich die Faserbündel in flexiblen Metall-oder Kunststoffschläuchen.
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Es ist erforderlich, die höchst empfindlichen Einzelfasern des Lichtwellenleiters
mit einer Schutzschicht zu umgeben, um auch die Einzelfasern vor Schädigungen zu
schützen, z.B. gegen mechanische Beschädigung, auch nur Druckeinwirkung, Feuchtigkeits-
oder auch andere atmosphärische Einflüsse. Der Schutz ist zur Erhaltung der mechanischen
Stabilität, z.B. Reißfestigkeit, Flexibilität, aber auch für die Güte der Ubertragungseigenschaften
äußerst wichtig. Die bisher hier zum Einsatz kommenden Kunststofflacke benötigen
eine relativ lange Aushärtezeit und haben den Nachteil, daß sie entweder relativ
hart aushärten und damit die von ihnen zu umschließende Faser nicht vor Druckeinwirkung
schützen oder aber die erforderliche mechanische Festigkeit an ihrer Außenseite
nicht aufweisen.
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Auf dem Gebiet der Kunstharz- und Beschichtungstechnik ist die Photopolymerisation
bekannt. Hierbei werden durch z.B. UV-Strahlung Beschichtungsmaterialien ausgehärtet.
Zum Einsatz in photopolymerisierbaren Beschichtungssystemen sind dabei verschiedene
Harzgruppen bekanntgeworden, die als Bindemittel interessant sind, z.B. ungesättigte
Polyester, Polyesteracrylate, Epoxidacrylate (Vinylesterharze), Urethanacrylate,
ungesättigte Acrylatcopolymeren.
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Solche Harze, auch Präpolymeren genannt, werden ggf.
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in Kombination mit copolymerisierbaren Monomeren verarbeitet.
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Meist handelt es sich dabei um vinylisch ungesättigte Verbindungen,
z.B. Ester der Acrylsäure, Methacryl-
saure, Maleinsäure, Fumarsäure
oder deren Homologen oder z»B. Vinylaromaten oder Vinyllactame.
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Die sogenannten Systeme ergeben nach Zusatz von Photoinitiatoren und
ggf. geeigneter Synergisten hochreaktive photopolymerisierbare Beschichtungsmaterialien.
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Die Anwendungen fur photopolymerisierbare Beschichtungssysteme reichen
von Grundierungen bis zu Decklacken und von dicken Schichten, z.B. Polierlacken
auf Holz, bis zu dünnen Schichten, z.B. Drucklacke auf Papier.
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Bei den bisher bekannten Arbeitsweisen erfolgt der Einsatz der photoreaktiven
Kunstharze weit überwiegend nur für transparente Beschichtungsstoffe. Die Anwendung
von UV-Druckfarben steht hierzu nicht im Widerspruch, da deren Schichtdicke im Bereich
von ca. 1 um liegt, die unter Normalbedingungen noch ausreichende Durchhärtung mit
UV-Licht gestatten. Da Pigmente, Farbstoffe und andere UV-absorbierende oder streuende
Bestandteile in einem Lackfilm die Durchhärtung unter UV-Strahlung erheblich behindern,
liegt die Verwendung solcher Stoffe in Schutzlacken für Lichtwellenleiter nicht
nahe.
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Neben dem zumeist angewendeten radikalischen Photopolymerisationsprozeß
kann die Filmbildung auch durch einen entsprechenden ionischen Mechanismus durchgeführt
werden. Hierzu verwendet man entsprechende UV-Initiatoren, die bei UV-Bestrahlung
Ionen bilden.
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Die der UV-Strahlungshärtung zugrundeliegende Radikalkettenpolymerisation
kann jedoch auch durch Elek-
tronenbestrahlung ausgelöst werden.
Hier sind für die erfindungsgemäße Absorption weniger licht- als elektronenabsorbierende
Pigmente und Füllstoffe bevorzugt.
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Es ist bekannt, photopolymerisierbare Beschichtungsstoffe als Schutzlacke
für Lichtwellenleiter zu verwenden. Diese Lacke sind jedoch praktisch isotrop.
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Da es für die Lichtwellenleiter jedoch vorteilhaft ist, außen eine
harte mechanisch widerstandsfähige, innen aber eine weichere, druckverteilende Beschichtung
zu haben, hilft man sich zum Teil durch zwei aufeinanderfolgende Schichten: Außen
harter, innen weicher Lack. Damit sind jedoch nicht geringe Fabrikationsprobleme
verbunden: Doppelte Applikations-und Härtungsanlagen, Zentrierprobleme bei der Beschichtung
und Zwischenschichthaftung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ummanteln
von fadenförmigen und damit flexiblen Substraten zu schaffen, bei dem der Ummantelungsfilm
an seiner Außenseite hart, aber auf der zum Substrat hingewandten Seite weich ist,
wobei trotz dieser unterschiedlichen Härtung das Verfahren schnell und problemlos
durchführbar sein soll.
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Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß ein mit lichtundurchlässigen oder den Lichtdurchgang hemmenden Pigmenten Füll-
und/oder Farbstoffen pigmentiertes strahlenreaktives System auf das zu beschichtende
Substrat aufgebracht und anschließend einer Strahlenpülymerisation ausgesetzt wird.
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Als photoreaktive Systeme können verschiedene Harzgruppen eingesetzt
werden, die als Bindemittel interessant sind, z.B. ungesättigte Polyester, Polyesteracrylate,
Epoxidacrylate (Vinylesterharze), Urethanacrylate, unges-åttigte AcryLatcopolymeren.
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Solche Harze, auch Präpolymeren genannt, werden ggf.
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in Kombination mit copolymerisierbaren Monomeren verarbeitet. Als
Mengenangaben konnen folgende Beispiele genannt werden: Bei Harzen 99 - 1 Gewichtsprozent,
bevorzugt 99 - 50 Gewichtsprozent, bei Monomeren 1 - 99 Gewichtsprozent, bevorzugt
1 bis 50 Gewichtsprozent, bei Photoinitiatoren o,1 - 1o Gewichtsprozent, bevorzugt
o,5 - 5 Gewichtsprozent, bei Synergisten o,1 - 15 Gewichtsprozent, bevorzugt 1 -
5 Gewichtsprozent.
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Als Beispiel fur ein strahlenhärtbares Kunstharz kann dienen: Ungesättigte
Polyesterharze, die lineare PolyKondensationsprodukte aus ungesättigten Dicarbonsäuren
und mehrwertigen Alkoholen sind, die in copolymerisationsfähigen Monomeren, meist
Monostyrol, in den erfindungsgemäßen Beschichtungsstoffen bevorzugt, jedoch Acrylsåure-
oder Methacrylsäure-Ester gelöst sind. Die Zahl der zum Aufbau der Polyester verwendbaren
Komponenten ist groß. Die technisch wichtigsten ungesättigten Dicarbonsäuren sind
Malein- und Fumarsäure. Sie konnen z.T. durch gesättigte, auch aromatische Dicarbonsäuren
wie Phthalsäure, Tetrahydrophthalsäure, Adipinsäure und andere ersetzt werden.
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Als Polyalkohole verwendet man vorzugsweise 1,2 Propylenglykol und
fithylenglykol. Technische Bedeutung haben aber auch die A'therdiole, wie Diäthylenglykol
und
Dipropylenglykol.
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Unter ungesättigten Acrylharzen sind hier nicht die seit Jahren bekannten
nichtvernetzenden oder über Kondensationsreaktionen selbst- oder fremdvernetzenden
Acrylatharze zu verstehen, sondern es geht hier um eine Harzgruppe, die aufgrund
von Acrylsäureestergruppierungen zur vernetzenden Vinylpolymerisation in der Lage
ist. Zugänglich sind solche Rohstoffe beispielsweise durch Copolymerisation der
unterschiedlichsten Monomeren, wie z.B. Athylacrylat, 2-Athylhexylacrylat, Butylacrylat,
Methylmethacrylat, Styrol und anderen mit z.B. Glycidylmethacrylat und anschließende
Umsetzung der Oxirangruppen mit freier Acrylsäure. Weitere Präpolymeren gewinnt
man z.B.
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durch Addition von Acrylsäure an Epoxidharze z.B. auf Basis Bisphenol
A, dies führt zu sogenannten Epoxidacrylaten oder z.B. durch Umsetzung von hydroxylgruppen-funktionellen
Acrylsäure-Estern mit mono-oder polyfunktionellen Isocyanaten.
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Als Photoinitiatoren können dienen: Als Photoinitiatoren für die Radikalkettenpolymerisation
kommen alle die Produkte in Frage, die auch für übliche Uv-Beschichtungen eingesetzt
werden.
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Ohne Anspruch auf die Vollständigkeit seien folgende Produkte und
Produktklassen erwähnt: Benzoin-äthyläther, -isopropyläther, -n-butyläther,-isobutyläther,
Diäthoxylacetophenon 1.1 .1-Trichloracetophenon 1 .1-Dichloracetophenon Benzophenon,
dessen ungesättigte Derivate Benzildimethylketal Derivate des alpha-Hydroxyacetophenons
Methylthioxanthon, Chlorthioxanthon,
IsopPopylthioxanthon.
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Als ggf. mitzuverwendende Synergisten können z.B.
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verwendet werden: Primäre oder sekundäre Amine, deren Addukte oder
vinylisch ungesättigte. so-genannte einbaubare Amine.
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Wirksame Photoinitiatoren sind z.B. Benzoin-Derivate.
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Als lichtundurchlässige oder den Lichtdurchgang hemmende Pigmente,
Full- oder Farbstoffe kommen solche in Frage, die durch Streuung und/oder Absorption
die Intensität der einwirkenden Strahlung mit zunehmender Eindringtiefe vermindern.
Ohne Anspruch auf Vollständigkeit kommen folgende Stoffgruppen mit jeweils einer
Vielzahl von möglichen Einzelstoffen zur Anwendung. Die fertigen Beschichtungen
können farblos, unbunt oder bunt eingefärbt sein, wobei die Farbe zusätzlich als
Erkennungsmerkmal des einzelnen Lichtwellenleiters dienen kann - oder anderer fadenförmiger
Substrate, wie z.B.
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mineralische (anorganische) Fasern, organische Fasern (textile Fäden)
oder Metalidrähte.
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a) unbunte absorbierende und/oder streuende Pigmente: z.B. Titandioxid,
Zinksulfid usw., b) organische Füllstoffe, wie z.B. Polyolefinpulver, Wachse o.ä.
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Da das erfindungsgemäße Verfahren außerordentlich schnell arbeitet,
ist es auch möglich, das Verfahren zweistufig auszubilden, so daß zuerst auf das
zu beschichtende Substrat ein mit lichtundurchlässigen oder den Lichtdurchgang hemmenden
Pigmenten versetztes photoreaktives Kunstharz aufgebracht und in UV-Strahlen oder
Elektronenstrahlen ausgehärtet und dann auf
dieses relativ weiche
Ummantelungsmaterial ein voll lichtdurchlässiges und damit voll photopolymerisierbares
Kunstharz aufgebracht und polymerisiert wird.
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Als Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung rein schematisch ein
Schnitt durch eine Glasfaser dargestellt.
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Die erfindungsgemäß verbesserte Herstellung eines mit einem UV-Schutzlack
überzogenen Lichtwellenleiters kann wie folgt durchgeführt werden: Nach Erhitzen
eines entsprechenden Rohlings wird ein Quarzfaden vertikal nach unten aus der Schmelze
gezogen und durchläuft nach einer Abkühlungsstrecke ein Vorratsgefäß mit flüssigem
reaktivem Lack. Dieses Gefäß verläßt der Faden vertikal durch eine Düse, wobei der
Faden rundum mit einer flüssigen Lackschicht von z.B. 50 ,um Dicke ummantelt wird.
Anschließend durchläuft der Faden eine Bestrahlungsstrecke, wobei er von der Strahlung
einer parallel zum Faden angeordneten UV-Lampe,oder auch mehrere Lampen, bestrahlt
und gehärtet wird. Der so erhaltene mit einem UV-Schutzlack beschichtete Lichtwellenleiter
kann anschließend aufgewickelt werden.
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Beispiel für die Zusammensetzung des Lackes: 67,3 Teile eines Epoxidacrylates
aus 1 Mol Bisphenol A und 2 Mol Acrylsäure 24,5 Teile Hexandiol-1.6-diacrylat 1,2
Teile Heliogenblau 4,Q Teile Benzophenon 3,o Teile Triäthanolamin
werden
unter Rühren gründlich gemischt. Die so erhaltene viskose Lösung wird in den Vorratsbehälter
der Lackauftragsvorrichtung eingefüllt. Die Beschichtung des Lichtwellenleiters
erfolgt in der oben beschriebenen Weise.
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Als Vergleichsversuch zur Ermittlung des Effektes wird der UV-Schutzlack
in einer Schichtdicke von 6oJum auf eine Glasplatte aufgetragen, die mit einer Trennschicht
besprüht ist.
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Dieser Lack wrd mit zwei UV-Lampen, jede mit einer Leistung von 80
W/cm, bestrahlt, wobei die Durchlaufgeschwindigkeit 40 m/min beträgt.
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Nach der Bestrahlung wird der Film einer Messung der Pendeldämpfung
nach DIN 53 157 unterworfen. Man erhält einen Meßwert von 89 s.
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Anschließend wird derselbe Film vorsichtig von der Unterlage gelöst
und mit der Unterseite nach oben ebenfalls der Pendeldämpfungsmessung unterzogen.
Für die Unterseite erhält man einen Meßwert von 52 s. Die Pendeldämpfung, früher
auch als Pendelhärte bezeichnet, charakterisiert die Eigenschaft des Beschichtungsfilms
dem Druck und der Reibung eines Fremdkörpers nachzugeben.
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Der hohe Meßwert zeigt gute Härte und höhere Widerstandsfähigkeit
gegen das Eindringen eines Fremdkörpers an.
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Dies ist für die Oberfläche des Lichtwellenleiters erwünscht. Der
niedrigere Meßwert zeigt geringere Härte an, aber das Vermögen, einwirkende Kräfte
durch
elastische Verformung in der Schicht zu verteilen und so
die Druckeinwirkung auf die darunter befindliche Grenzschicht des Lichtwellenleiters
zu minimieren.
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Dies kommt der Beständigkeit des Materials und der ubertragungsqualität
sehr Zustatten und ist daher sehr erwünscht.
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Die Glasfaser 1 weist dabei einen Durchmesser von o,1 mm auf und der
die Glasfaser 1 umgebende Mantel 2 eine Schichtstärke von o,o6 mm.
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Der Mantel 2 ist, wie dies in der Zeichnung angedeutet ist, zweiteilig
ausgebildet, nämlich besitzt einen weichen Innenkern 3 und einen harten Außenmantel
4, wobei natürlich der übergang kontinuierlich verläuft,zwischen dem weichen Innenkern
3 und dem harten Außenmantel 4 nicht so abrupt ist wie in der Zeichnung dargestellt
(Härtegradient).
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Durch eine solche Arbeitsweise wird erreicht, daß die im Inneren liegende
Glasfaser durch einen Mantel abgedeckt und gegen mechanische Beanspruchungen geschützt
ist, der mit einer weichen Schicht an der Glasfaser anliegt, aber nach außen hin
eine harte und damit hohe mechanische Festigkeiten aufweisende Schicht abgedeckt
ist.
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