DE3782456T2

DE3782456T2 - Prozess zur herstellung eine optischen kunststoff-faserbuendels.

Info

Publication number: DE3782456T2
Application number: DE8787305338T
Authority: DE
Inventors: Naoyuki Fukahori; Kenichi Sakunaga; Hiromu Terada
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 1986-06-20
Filing date: 1987-06-16
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2007-06-17
Also published as: AU597381B2; AU7417787A; CA1286133C; DE3782456D1; US4842365A; US5039457A; KR880000808A; KR960002309B1; EP0250209A1; EP0250209B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Kunststoff-Faserbündels, das 100 bis 10.000 in einer Matrix eingebettete lichtübertragende optische Fasern enthält, wobei das durch diesen Typ eines optischen Faserbündels übertragene Licht viel heller ist als das durch ein optisches Siliziumdioxid-Faserbündel übertragene Licht.
Ein optisches Siliziumdioxid-Faserbündel, welches Siliziumdioxidfasern umfaßt, welche einen kleineren Durchmesser als 200 um besitzen und welche mit einem hohen Grad an Orientierung angeordnet sind, ist zur optischen Übertragung eines Bildes in der Lage und wird üblicherweise auf dem Gebiet medizinischer Instrumente, beispielsweise als Endoskop verwendet.
Der Durchmesser einzelner Fasern bei einem optischen Siliziumdioxid-Faserbündel kann kleiner gemacht werden als der bei einem optischen Faserbündel vom Kunststoff-Typ so daß daher ein optisches Siliziumdioxid-Faserbündel mit 10.000 oder mehr einzelnen optischen Fasern entwickelt worden ist. Dieser Typ einer optischen Faser ist jedoch mit ernsthaften Nachteilen verbunden, indem, da die optischen Fasern einen sehr geringen Durchmesser und eine sehr geringe Biegebeständigkeit besitzen, die optische Siliziumdioxidfaser während der Anwendung relativ leicht bricht und somit Bildfehler resultieren.
Aufgrund der Eigenschaften von Silica- bzw. Siliziumdioxidglas sind aus Siliziumdioxid herrgestellte optische Faserbündel unweigerlich hart, und wenn daher das optische Faserbündel als Bildbereich bzw. -feld verwendet wird, ist es schwierig zu biegen, so daß daher der Sichtbereich eng ist.
Demzufolge ist die Entwicklung eines optischen Kunststoff-Faserbündels versucht worden, welches viele optische Kunststoffasern umfaßt, welches nicht leicht bricht und leichter gebogen werden kann als ein optisches Siliziumdioxid- Faserbündel. Solche Versuche sind beispielsweise im US-Patent Nr. 3556635, der japanischen ungeprüften Patentanmeldung Nr. 46-39505 und dem europäischen Patent Nr. 0020 7705-A2 beschrieben.
Das US-Patent Nr. 3356635 beschreibt ein optisches Kunststoff-Faserbündel, welches durch Verwendung einer Faser-Matrix-Konjugat-Spinndüse hergestellt wird. Die in diesem Patent beschriebene konjugierte bzw. Konjugat-Spinndüse besitzt einen komplizierten Aufbau, indem kernbildende Röhren vertikal in einer mantelbildenden Lochscheibe eingesetzt sind, welche ebenfalls vertikal eingesetzte mantelbildende Röhren umfaßt. Somit werden tote Räume gebildet, wobei sich während dem konjugierten Spinnen heißes geschmolzenes Polymer in diesen toten Räumen ansammelt, so daß es daher schwierig ist, ein optisches Kunststoff-Faserbündel mit guten lichtübertragenden Eigenschaften mit diesem Spinndüsen-Typ herzustellen.
Weiterhin ist das im US-Patent Nr. 3356635 beschriebene optische Faserbündel aus lichtübertragenden Fasern aufgebaut, welche einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzen, wobei diese rechteckigen Fasern regelmäßig in der Matrixkomponente angeordnet sind. Der von den rechteckigen Fasern besetzte Bereich beträgt weniger als 40% der Querschnittsfläche der Matrixkomponente. Demzufolge ist das optische Faserbündel darin nachteilig, daß es nicht in der Lage ist, ein helles Bild zu übertragen.
Die japanische ungeprüfte Patentanmeldung Nr. 56-39505 beschreibt ein ultrafeines optisches Faserbündel mit in einer Matrix eingebetteten optischen Fasern und gibt an, daß die Anzahl an Fasern maximal etwa 100.000 beträgt und daß die durch die Fasern besetzte Querschnittsfläche 50 bis 98% ausmacht. Das optische Faserbündel besitzt einen kreisförmigen Querschnitt, sowie die optischen Fasern im Zentrumsbereich des Faserbündels angeordnet sind. Diese zentralen Fasern besitzen gute Bildübertragungseigenschaften. Die Querschnitte der im Randbereich angeordneten Fasern sind jedoch tetragonal oder vieleckig, so daß folglich die Bildübertragungseigenschaften dieser Fasern drastisch verringert sind. Demzufolge ist die Bildübertragungsfähigkeit des optischen Kunststoff-Faserbündels insgesamt nicht zufriedenstellend.
Im europäischen Patent Nr. 0207 705-A2 (Zwischenliteratur) ist ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Faserbündels beschrieben. Bei diesem Verfahren wird zur Herstellung eines optischen Faser-Matrix-Faserbündels eine konjugierte Spinndüse verwendet, welche eine kernbildende Lochscheibe mit vielen kernbildenden Düsenlöchern, eine mantelbildende Lochscheibe, eine matrixbildende Lochscheibe mit vielen matrixbildenden Düsenlöchern und eine faservereinigende Lochscheibe umfaßt, wobei die Endbereiche der matrixbildenden Düsenlöcher auf der Seite, welcher der faservereinigenden Lochscheibe gegenüberliegt, konisch erweitert sind. Mit diesem Verfahren kann ein optisches Kunststoff-Faserbündel erhalten werden, bei dem die Fasern hexagonal gepackt und in der Matrix eingebettet sind, wobei das Faserbündel eine gute Bildübertragungsfähigkeit aufweist. Wiederum besitzen jedoch im Randbereich angeordnete Fasern innerhalb des Faserbündels eine tetragonale bis oktagonale Struktur, so daß es daher sehr schwierig ist, das Kernbesetzungsverhältnis auf über 50% zu erhöhen. Daher ist eine weitere Verbesserung des Bildübertragungsvermögens erwünscht.
Das europäische Patent Nr. 0 131 058 beschreibt ebenso ein optisches Faserbündel mit einer Kern/Mantel/Einbettmaterial-Struktur, welche unter Verwendung einer zusammengesetzten Spinndüse hergestellt wird. Die Eigenschaften dieses optischen Faserbündels können jedoch durch Optimieren des Verfahrens zur Herstellung der Faserbündel weiterverbessert werden.
Eine weitere Verbesserung der Bildübertragungsfähigkeit ist daher eindeutig erwünscht. Somit sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Kunststoff-Faserbündels mit deutlich verbessertem Bildübertragungsvermögen vor, wobei das Faserbündel ebenso einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzt und 100 bis 10.000 hexagonal gepackte, in einer Matrix eingebettete optische Fasern enthält, wobei jede der Fasern einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt sowie eine Kern-Mantel-Struktur aufweist, wobei das Faserbündel ein Kernbesetzungsverhältnis "S" von mindestens 50% sowie einen Helligkeitsindex "I" von mindestens 4,5·10&supmin;² aufweist, welcher definiert ist als
I = S·NA²·10-(αL/10)
worin S die Querschnittsfläche der Kerne gegenüber der Querschnittsfläche des gesamten Bündels ist, α der Übertragungsverlust in dB/m ist, NA die numerische Apertur ist und L die Faserlänge in Meter ist, welche zwischen 0,1 und 20m liegt; wobei das Verfahren folgende Stufen umfaßt:
- Verwendung einer konjugierten Spinndüse, die mindestens vier übereinander angeordnete Lochscheiben enthält, welche in der Reihenfolge: (a) kernbildende Lochscheibe (31) mit 100 bis 10.000 kernbildenden Düsenlöchern (31 a), (b) mantelbildende Lochscheibe (32) mit der gleichen Anzahl an mantelbildenden Düsenlöchern (32a), (c) matrixbildende Lochscheibe (33, 43) mit der gleichen Anzahl an matrixbildenden Düsenlöchern (33a, 43a) und (d) Lochscheibe (38) mit einem im wesentlichen rechteckigen faservereinigenden Loch (39), angeordnet sind, wobei die Endbereiche der Löcher (33a, 43a) in der matrixbildenden Lochscheibe (33, 43) auf der Seite, welche der faservereinigenden Lochscheibe (38) gegenüberliegt, konisch erweitert sind;
- Zuführen von Schmelzen eines kernbildenden Polymers, eines mantelbildenden Polymers und eines matrixbildenden Polymers zu den Düsenlöchern der jeweiligen Lochscheiben;
- Extrudieren des kernbildenden Polymers durch die kernbildenden Düsenlöcher (31a) zur Bildung des Kerns, des mantelbildenden Polymers durch die mantelbildenden Düsenlöcher (32a) zur Bildung einer Faser mit einer Kern- Mantel-Struktur, und des matrixbildenden Polymers durch die matrixbildenden Düsenlöcher (33a), um die Faser mit dem Matrixpolymer unter solchen Bedingungen zu umhüllen, daß der Spinnverzug D, definiert als
D = (Lochdurchmesser der Spinndüse)²/ (Faserdurchmesser der ungestreckten Faser)² einen Wert von mindestens 30 hat,
- Vereinigen und Aneinanderhaften der resultierenden optischen Fasern in dem Vereinigungsloch (39), und
- Strecken der vereinigten und aneinandergehafteten Fasern bei einer Temperatur von 100 bis 300ºC bei einem Streckverhältnis von 1,05 bis 5,0 zur Bildung des Faserbündels.
Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei zeigen:
Fig. 1 eine vergrößerte Ansicht eines Querschnitts des optischen Kunststoff- Faserbündels;
Fig. 2 eine teilweise vergrößerte Ansicht der Fig. 1, wobei die hexagonal gepackten, in der Matrix des optischen Kunststoff-Faserbündels eingebetteten optischen Fasern gezeigt sind;
Fig. 3 eine Querschnittansicht der konjugierten Spinndüse zur Verwendung bei der Herstellung des optischen Kunststoff-Faserbündels;
Fig. 4 eine teilweise vergrößerte Ansicht aus Fig. 3, wobei die Form der matrixbildenden Düsenlöcher gezeigt ist;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer faservereinigenden Lochscheibe;
Fig. 6 die Streckstufe, welche zur effizienten Herstellung des optischen Faserbündels angewandt wird; und
Fig. 7 eine graphische Darstellung der Vorrichtung zur Messung der Beständigkeit des optischen Faserbündels gegenüber wiederholter Biegung, welche bei den nachfolgend angegeben Beispielen eingesetzt wurde.
Der Helligkeitsindex I der optischen Übertragung eines Bildes mittels dem optischen Faserbündel ist durch die folgende Formel (1) definiert:
worin S die Querschnittsfläche der Kerne gegenüber der Querschnittsfläche des gesamten Bündels ist (nachfolgend als Kernbesetzungsverhältnis bezeichnet), o der Übertragungsverlust (dB/m) ist, NA die numerische Apertur ist und L die Faserlänge in Meter ist.
Der Helligkeitsindex I des gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten optischen Faserbündels muß mindestens 4,5·10&supmin;² sein und ist vorzugsweise mehr als 5·10&supmin;².
Wenn das Besetzungsverhältnis S (wie in Formel 1 definiert) weniger als 50% beträgt, ist der Helligkeitsindex des übertragenen Bildes mittels einer einzelnen optischen Faser weniger als 4,5·10&supmin;², so daß daher die Helligkeit des durch das optische Faserbündel insgesamt übertragenen Bildes drastisch verringert ist. Daher muß das Besetzungsverhältnis S mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 55% und weiter vorzugsweise mindestens 60% betragen.
Die numerische Apertur NA, welche zur Helligkeit des übertragenen Bildes beiträgt, ist durch die folgende Formel (2) definiert:
worin n&sub1; der Brechungsindex des kernbildenden Polymeren und n&sub2; der Brechungsindex des mantelbildenden Polymeren bedeuten.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es wichtig, daß der Unterschied zwischen dem Brechungsindex n&sub1; des kernbildenden Polymeren und dem Brechungsindex n&sub2; des mantelbildenden Polymeren in der Matrix mindestens 0,01 beträgt. Im Falle eines optischen Faserbündels, welches aus einer Kombination von Polymeren gebildet ist, bei denen der Wert aus (n&sub1;-n&sub2;) weniger als 0,01 beträgt, wird das Phänomen beobachtet, daß in den Kern eingeführtes Licht in die Mantelschicht eindringt, so daß die Helligkeit des übertragenen Bildes stark verringert ist.
Vorzugsweise werden das kernbildende Polymer mit dem Brechungsindex n&sub1; und das mantelbildende Polymer mit dem Brechungsindex n&sub2; so gewählt, daß die durch die Formel (2) definierte numerische Apertur NA mindestens 0,16, vorzugsweise 0,3 beträgt. Im Falle des optischen Faserbündels mit einem NA-Wert von weniger als 0,16 ist der Helligkeitsindex I weniger als 4,5·10&supmin;³, so daß daher ein scharfes und ausreichend helles Bild nicht erhalten werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte optische Faserbündel weisen vorzugsweise einen Lichtübertragungsverlust von weniger als 3dB/m und weiter vorzugsweise von weniger als 1,3 dB/m auf. Wenn u den Wert von 3 dB/m überschreitet, ist es schwierig, einen Helligkeitsindex I von mindestens 4,5· 10&supmin;² zu erhalten, selbst wenn die Kernkomponente eine große numerische Apertur besitzt. Um den α-Wert zu reduzieren, kann das kernbildende Polymer gereinigt werden.
In der Formel (1) bezeichnet der Wert L die Länge der Faser in Meter, welche gewöhnlicherweise 0,1 bis 20 m beträgt.
Die Querschnittsstruktur der Fasern in dem optischen Faserbündel ist im wesentlichen kreisförmig und die Zahl der Fasern beträgt 100 bis 10.000. Wenn die Zahl der Fasern 10.000 überschreitet, wird es schwierig, Gleichmäßigkeit in dem optischen Faserbündel aufrechtzuerhalten. Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Fasern in dem optischen Faserbündel 150 bis 5000.
Um die Bildauflösung des optischen Kunststoff-Faserbündels zu erhöhen, wird die Faseranzahl pro Einheitsquerschnittsfläche der Matrix vorzugsweise so eingestellt, daß, wenn eine Konvexlinse und eine Lichtempfangsfläche an beiden Enden der optischen Faser angeordnet werden und ein Testmuster eines Auflösungsvermögens-Testtargests (USAF 1951) durch weißes Licht übertragen wird, das Auflösungsvermögen mindestens 2 Linienpaare/mm beträgt, wobei jedes Linienpaar aus einer weißen Linie und einer schwarzen Linie besteht. Im Falle eines optischen Kunststoff-Faserbündels, bei dem die Dichte einer einzelnen Faser innerhalb des Bündels derart ist, daß das Auflösungsvermögen weniger als 2 Linienpaare/mm beträgt, ist es schwierig, ein gut aufgelöstes Bild zu erhalten. Vorzugsweise ist die Dichte derart, daß das Auflösungsvermögen 5 bis 30 Linienpaare/mm beträgt.
Um ein optisches Kunststoff-Faserbündel mit einer hohen Auflösung, wie oben beschrieben, zu erhalten, muß das Faserbündel einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzen, wie in Fig. 1 gezeigt. Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht des optischen Kunststoff-Faserbündels gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem die Anzahl der in der Matrix eingebetteten optischen Fasern 1350 beträgt und das Kernbesetzungsverhältnis mindestens 50% ausmacht. Um ein Kernbesetzungsverhältnis von mindestens 50% zu erhalten, besitzen vorzugsweise beide Seiten der rechteckigen Form des optischen Faserbündels eine feine sinusförmige Struktur, wie in Fig. 1 gezeigt.
Wenn die Querschnittsform des optischen Faserbündels von der rechteckigen Form abweicht und beispielsweise mehr kreisförmig ist, können die Fasern nur im Mittelbereich des optischen Faserbündels hexagonal gepackt werden, wobei diese Anordnung im Randbereich, wo die Querschnittsform der Fasern vieleckig wird, verändert wird, mit dem Ergebnis, daß keine scharfen Bilder erhalten werden können.
Bei den erfindungsgemäßen optischen Kunststoffasern sind die Fasern hexagonal gepackt und in einer Matrix eingebettet, wie in Fig. 2 gezeigt. In Fig. 2 zeigt die Bezugsziffer 21 den Kernabschnitt, die Bezugsziffer 22 den Mantel und die Bezugsziffer 23 die Matrix. Durch das hexagonale Packen der Fasern in der Matrix, wie in Fig. 2 gezeigt, wird ein optisches Faserbündel mit einer hohen Bildelementdichte und einer hohen Auflösung erhalten.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht der vorzugsweise bei der Herstellung des optischen Kunststoff-Faserbündels verwendeten konjugierten Spinndüse. Die Spinndüse umfaßt 4 übereinander angeordnete Lochscheiben, welche in der Reihenfolge: kernbildende Lochscheibe 31, mantelbildende Lochscheibe 32, matrixbildende Lochscheibe 33 und faservereinigende Lochscheibe 38 angeordnet sind, um aneinander haftende Fasern zu bilden.
In Fig. 4 zeigen die Bezugsziffern 31a, 32a und 33a Düsenlöcher bzw.-öffnungen zum Spinnen der Kern-, Mantel- und Matrixkomponente.
Eines der charakteristischen Merkmale dieses Typs einer konjugierten Spinndüse besteht in der Form des Düsenlochs 33a der matrixbildenden Lochscheibe 33, wie es in Fig. 4 veranschaulicht ist. In Fig. 4 zeigt die Bezugsziffer 43 eine matrixbildende Lochscheibe und die Bezugsziffer 43a ein Düsenloch zum Spinnen der Matrix- und Kernkomponente. Wie in Fig. 4 gezeigt, ist das Loch 43a zum Spinnen der Matrix- und Kernkomponente konisch erweitert auf der Seite, welche der faservereinigenden Lochscheibe gegenüberliegt. Weiterhin definiert vorzugsweise das untere Ende des Düsenlochs die unteren Enden der benachbarten Löcher zum Sinnen der Matrix- und Kernkomponente.
Vorzugsweise ist das Düsenloch 43a so ausgebildet, daß R≥P und insbesondere 2P≥R, worin P der Abstand zwischen den Zentren zweier benachbarter Löcher und R der Durchmesser des unteren Endes des Düsenlochs 43a sind. Weiterhin gilt vorzugsweise, daß
Der Winkel R der konisch erweiterten Öffnung des Düsenlochs 43a sollte im Bereich von 10º< R< 45º sein.
Bei Einhaltung der obigen Parameter fließen geschmolzene Polymere sehr gleichmäßig, wobei laminare Strömungen der Kern- und Matrixkomponente in diesem Düsenloch im wesentlichen aufrechterhalten werden, wodurch ein optisches Kunststoff-Faserbündel mit einem gleichmäßigerem Querschnitt als die herkömmlichen Faserbündel resultiert, wie in Fig. 1 gezeigt.
Wenn das Düsenloch der matrixbildenden Lochscheibe eine konisch erweiterte Öffnung, wie oben beschrieben, aufweist, trennt sich die Kern-Matrix-Faser im thermisch erweichten Zustand von der matrixbildenden Düse ohne Mäanderungen oder Exzentrizität. Somit kann das Auftreten einer unebenen bzw. ungleichmäßigen Feinheit oder unzureichenden Zirkularität in wirksamer Weise verhindert und die Gleichmäßigkeit der Faser stark verbessert werden. Wenn diese vielen separaten Fasern mittels einer faservereinigenden Lochscheibe 38 mit einem im wesentlichen rechteckigen unteren Ende, wie in Fig. 3 und Fig. 5 gezeigt, vereinigt werden, besitzt das resultierende optische Kunststoff-Faserbündel einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Wenn eine herkömmliche faservereinigende Lochscheibe mit einem kreisförmigen unteren Ende verwendet wird, bekommt das optische Faserbündel einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und die hexagonale Anordnung der Fasern in der Matrix wird verzerrt. Weiterhin nehmen die Fasern eher eine polygonale als eine Kreisform ein, so daß es schwierig ist, eine optische Kunststoffaser zuerhalten, welche in der Lage ist, ein Bild mit einem hohen Auflösungsvermögen zu übertragen. Vorzugsweise besitzt das faservereinigende Loch am unteren Ende der faservereinigenden Lochscheibe eine im wesentlichen rechteckige Form und weist vorzugsweise ebenso konvexe Seiten auf.
Zur Herstellung des optischen Kunststoffaserbündels wird vorzugsweise ein Spinn-Streck-Verfahren angewandt, bei dem die Kern, -Mantel- und Matrixkomponenten ihren entsprechenden Düsen zugeführt werden, das Schmelzspinnen unter Bedingungen durchgeführt wird, daß der Spinnverzug D, wie durch die folgende Formel (3) definiert, mindestens 30 beträgt:
D = (Lochdurchmesser der Spinndüse)²/(Faserdurchmesser der ungestreckten Faser)² (3),
und das Strecken dann bei einer Temperatur von 100 bis 300ºC und bei einem Streckverhältnis von 1,05 bis 5,0 durchgeführt wird.
Eine optische Kunststoffaser, welche durch Durchführen des Schmelzspinnens bei einem Spinnverzug D von weniger als 30 erhalten wird, ist steif und bricht leicht, so daß es dann notwendig wird, die Geschwindigkeit des Aufnehmens der ungestreckten optischen Faser zu verringern, so daß daher die Stabilität der Formbeibehaltung des aus jedem Düsenloch extrudierten Faserpolymeren verringert ist. Um daher ein optisches Kunststoff-Faserbündel mit einem guten Bildübertragungsvermögen zu erhalten, wird das Spinnen vorzugsweise mit einem Spinnverzug D von 30 bis 10.000 durchgeführt.
Eine weitere wichtige für das Faserbündel notwendige Eigenschaft ist die Transparenz. Obwohl das optische Faserbündel Fasern umfaßt, die gleichmäßig sind und einen im wesentlichen gleichmäßigen Querschnitt, sowie eine ausgezeichnete Weichheit besitzen, ist es ebenso erwünscht, daß der Lichtübertragungsverlust auf einem Minimum gehalten wird. Damit das optische Kunststoff-Faserbündel eine ausreichende Weichheit besitzt, ist es notwendig, das Spinnen mit einem hohen Verzug D durchzuführen. Jedoch wird häufig eine gleichzeitig auftretende drastische Zunahme des Übertragungsverlustes beobachtet. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird das Spinnen vorzugsweise unter solchen Bedingungen durchgeführt, daß der durch die Formel (3) definierte Spinnverzug D mindestens 30 ist und die resultierende ungestreckte optische Faser in der Wärme bei einer Temperatur von 100 bis 200ºC und einem Streckverhältnis von 1,05 bis 5 gestreckt wird.
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung einer Streckstufe, welche vorzugweise bei der Herstellung des optischen Kunststoff-Faserbündels mit einer hohen Effizienz angewendet wird. In Fig. 6 bezeichnet die Bezugsziffer 61 eine Aufnahmewalze für ein ungestrecktes optisches Faserbündel, welches mit der konjugierten Spinndüse extrudiert wurde, die Bezugsziffer 62 eine Streck-Erwärmungseinrichtung, die Bezugsziffer 63 eine Streckwalze und die Bezugsziffer 64 eine Aufwickeleinrichtung.
Beispiele der zur Bildung der Kern- und Mantelkomponente des optischen Faserbündels geeigneten Kunststoffe sind die folgenden: Polymethylmethacrylat (n = 1,49), ein hauptsächlich aus Methylmethacrylat aufgebautes Copolymer (n = 1,47 bis 1,50), Polystyrol (n = 1,58), ein hauptsächlich aus Styrol aufgebautes Copolymer (n = 1,50 bis 1,58), ein Styrol/Acrylnitril-Copolymer (n = 1,56), Poly- 4-methylpenten-1 (n = 1,46), ein Ethylen/Vinylacetat-Copolymer (n = 1,46 bis 1,50), ein Polycarbonat (n = 1 ,SO bis 1,57), Polychlorstyrol (n = 1,61), Polyvinylidenchlorid (n = 1,63), Polyvinylacetat (n = 1,47), ein Methylmethacrylat/Styrol, Vinyltoluol- oder -Methylstyrol/Maleinsäureanhydrid-Terpolymer oder -Quadripolymer (n = 1,50 bis 1,58), Polydimethylsiloxan (n = 1,40), Polyacetal (n = 1,48), Polytetrafluorethylen (n = 1,35), Polyvinylidenfluorid (n = 1,42), Polytrifluorethylen (n = 1,40), Polyperfluorpropylen (n = 1,34), Fluorethylen-Copolymere oder -Terpolymere (n = 1,35 bis 1,40), eine Polyvinylidenfluorid/Polymethylmethacrylat-Mischung (n = 1,42 bis 1,46), Copolymere, welche hauptsächlich zusammengesetzt sind aus einem Fluormethacrylat der allgemeinem Formel CH&sub2;=C(CH&sub3;)COORf, worin Rf die Bedeutung (CH&sub2;)n(CF&sub2;)nH(n = 1,37 bis 1,42), (CH&sub2;)m(CF&sub2;)nF (n = 1,37 bis 1,40), CH-(CF&sub3;)&sub2;(n = 1,38), C(CF&sub3;)&sub3;(n = 1,36), CH&sub2;CF&sub2; CHFCF&sub3;(n = 1,40) oder CH&sub2;CF(CF&sub3;)&sub2;(n = 1,37) hat, Copolymere aus diesen Fluormethacrylaten (n = 1,36 bis 1,40), Copolymere aus einem solchen Fluormethacrylat mit Methylmethacrylat (n = 1,37 bis 1,43), Polymere, welche hauptsächlich aus einem Fluoracrylat der allgemeinem Formel zusammengesetzt sind, worin R'f die Bedeutung (CH&sub2;)m(CF&sub2;)nF (n=1,37 bis 1,40), CH&sub2;)m(CF&sub2;)nH (n = 1,37 bis 1,41), CH&sub2;CF&sub2; CHF-CF&sub3;(n = 1,41) oder CH(CH&sub3;)&sub2;(n = 1,38) hat, Copolymere dieser Fluoracrylate (n = 1,36 bis 1,41), Copolymere aus einem Fluoracrylat und einem Fluormethacrylat, wie oben beschrieben (n = 1,36 bis 1,41), Copolymere dieser Fluoracrylate und Fluormethacrylate und Methylmethacrylat (n = 1,37 bis 1,43), sowie Homopolymere und Copolymere (n = 1,37 bis 1,42) ,welche hauptsächlich zusammengesetzt sind aus einem 2-Fluoracrylat der allgemeinen Formel CH&sub2;=CF·COOR''f worin R''f die Bedeutung CH&sub3;, (CH&sub2;)m(CF&sub2;)nF, (CH&sub2;)m(CF&sub2;)nH, CH&sub2;CF&sub2; CHFCF&sub3; oder C(CF&sub3;)&sub2; hat.
Beispiele der für die Matrixkomponente geeigneten Kunststoffe sind die folgenden: Polyamide, Polyesterelastomere, Polyamidelastomere, Polystyrolelastomere, Polyolefinelastomere, Poly-4-methylpenten-1, Polyvinylidenfluorid, Ionomere, Ethylen/Ethylacrylat-Copolymere, Ethylen/Vinylacetat-Copolymere, Vinylidenfluorid-Copolymere, Polymethylmethacrylat, Polystyrol, ABS, Polybutylenterephthalat und Polyethylen, sowie wasserlösliche Polymere einer Löslichkeit von mindestens 10 g/l in warmem Wasser bei 80ºC, wie etwa Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol, Polyacrylamid, Polyvinylpyrrolidon und Carboxymethylcellulose. Um ein optisches Faserbündel zu erhalten, welches in der Lage ist, ein scharfes und helles Bild zu übertragen, wird vorzugweise ein Polymer mit einer größeren Fließfähigkeit als der des mantelbildenden Polymeren zur Bildung der Kerne bei der Spinnstufe als matrixbildendes Polymer gewählt.
Die Erfindung wird nun im einzelnen unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiel beschrieben.
In den folgenden Beispielen wurde die Weichheit durch Messen der Beständigkeit gegenüber wiederholtem Biegen mit einer in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung bewertet. Unter Bezugnahme auf Fig. 7 wurde das optische Faserbündel wiederholt bei einem Biegeradius von 25 mm und einem Biegewinkel von 180º gebogen, wobei die Anzahl der Biegewiederholungen gezählt wurde, wenn das Retentionsverhältnis der Menge des übertragenen Lichts, bezogen auf den Anfangswert, weniger als 80% war. In Fig. 7 zeigen die Bezugsziffer 71 einen Biegestab und die Bezugsziffer eine Probefaser.

Beispiel 1

Es wurde ein konjugiertes Spinnen durchgeführt unter Anwendung einer konjugierten Spinndüse mit einem Aufbau, wie in Fig. 3 und Fig. 5 gezeigt, wobei der Winkel R&sub1; 15º betrug. Die Lochanzahl war wie in Tabelle 1 gezeigt. Polymethylmethacrylat mit einem Brechungsindex von 1,492 wurde als Kernkomponente und ein Perfluoralkylmethacrylatpolymer mit einem Brechungsindex von 1,415 wurde als Mantelkomponente verwendet. Weiterhin wurde Polymethylmethacrylat als Matrixkomponente verwendet. Es wurde ein optisches Kunststoff-Faserbündel mit den in Tabelle 1 gezeigten Eigenschaften erhalten.
Bei jedem optischen Kunststoff-Faserbündel der Durchläufe 1 bis 6 (siehe Tabelle 1) waren die Fasern hexagonal gepackt, wie in Fig. 1 gezeigt, wobei ein scharfes und feines Bild übertragen werden konnte und die Helligkeit des übertragenen Bildes sehr hoch war. Beim optischen Faserbündel des Durchlaufs 3 war jedoch das übertragene Bild grob bzw. schlecht und die Helligkeit gering. Tabelle 1 Durchlauf 1 Anzahl der Löcher Kerndurchmesser (um) Kernbesetzungsverhältnis (%) Übertragungsverlust (dB/m) Länge (m) der optischen Faser Helligkeitsindex I der optischen Faser (x 10&supmin;²) Querschnittsform des optischen Faserbündels rechteckig Anordnung der in der Matrix eingebetteten Fasern hexagonal gepackt

Beispiel 2

Ein optisches Faserbündel mit 1350 in der Matrix eingebetteten Fasern wurde durch konjugiertes Spinnen in gleicher Weise wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt. Es wurde die zur Herstellung der optischen Faser des Durchlaufs 5 in Tabelle 1 eingesetzte Spinndüse verwendet. Polymethylmethacrylat mit einem Brechungsindex von 1,492 wurde als Kernkomponente, ein Vinylidenfluoridcopolymer mit einem Brechungsindex von 1,402 wurde als Mantelkomponente und Polymethylmethacrylat wurde als Matrixkomponente verwendet.
Das resultierende optische Faserbündel besaß ein Kernbesetzungsverhältnis von 80%, das Matrixbesetzungsverhältnis betrug 10%, der Wert NA betrug 0,51, der Wert aus (n&sub1;-n&sub2;) betrug 0,09, der α-Wert betrug 0,9 dB/m und der Wert I betrug 7,4·10&supmin;². Daher konnte ein feines und scharfes Bild mit hoher Helligkeit übertragen werden.

Beispiel 3

Ein optisches Faserbündel mit den in Tabelle 2 gezeigten Eigenschaften wurde durch konjugiertes Spinnen unter Verwendung der in den Fig. 3 bis 5 gezeigten Spinndüse und einer in Tabelle 2 gezeigten Lochanzahl hergestellt. Polymethylmethacrylat mit einem Brechungsindex von 1,492 und einer Schmelzflußrate von 1,2 wurde als kernbildendes Polymer, ein Fluormethacrylatpolymer mit einem Brechungsindex von 1,415 und einer Schmelzflußrate von 6 wurde als mantelbildendes Polymer und ein Vinylidenfluoridcopolymer mit einer Schmelzflußrate von 12 wurde als Matrixkomponente verwendet.
Wie in Tabelle 2 gezeigt, besitzt das resultierende optische Faserbündel ein sehr gutes Auflösungsvermögen Tabelle 2 Durchlauf 7 Anzahl der Löcher Anordnung der in der Matrix eingebetteten Fasern hexagonal gepackt Querschnittsform der Fasern kreisförmig Querschnittsform der optischen Faserbündels rechteckig Auflösungsvermögen (Testtarget USAF 1951) (Linienpaar/mm) Gruppe 4, Element 5 (25,39) Übertragungseigenschaften (Schärfe des übertragenen Bildes) sehr scharf Helligkeitsindex I des optischen Faserbündels Übertragungsverlust (dB/m) Kernbesetzungsverhältnis (%) Faserlänge (m) Faserdurchmesser (um)

Beispiel 4

Ein optisches Faserbündel wurde hergestellt durch konjugiertes Spinnen unter den in Tabelle 3 gezeigten Bedingungen durch Verwendung einer in den Fig. 3 bis 5 gezeigten konjugierten Spinndüse. Polymethylmethacrylat mit einem Brechungsindex von 1,492 wurde als kernbildendes Polymer, ein Fluormethacrylatpolymer mit einem Brechungsindex von 1,415 wurde als mantelbildendes Polymer und ein Vinylidenfluoridcopolymer mit einem Brechungsindex von 1,4020 wurde als matrixbildendes Polymer verwendet. Die Weichheit unter wiederholter Biegung und das durch den Übertragungsverlust wiedergegebene Lichtübertragungsvermögen des resultierenden optischen Faserbündels wurden bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Wenn der durch die Formel (3) definierte Spinnverzug mindestens 30 war, besaß das optische Faserbündel eine ausgezeichnete Weichheit, und wenn der Spinnverzug mindestens 80 war, war die Weichheit weiter verbessert. Wenn jedoch der Spinnverzug weniger als 30 war, wurde es, obwohl das Lichtübertragungsvermögen gut blieb, schwierig, ein Bild mit hoher Auflösung zu übertragen und das optische Faserbündel wies eine ungenügende Weichheit auf. Tabelle 3 Durchlauf 11 Faserdurchmesser (um) Faseranzahl Spinnverzug D Beständigkeit gegenüber wiederholtem Biegen (fach) über Übertragungsverlust (dB/m) Helligkeitsindex I des optischen Faserbündels (x 10&supmin;²) Auflösungsvermögen (Linienpaar/mm) Kernbesetzungsverhältnis (%) Faserlänge (m)
Die in den Durchläufen 11 bis 17 in Tabelle 3 gezeigten optischen Faserbündel wurden unter den in Tabelle 4 gezeigten Bedingungen unter Verwendung der in Fig. 6 gezeigten Streckvorrichtung gestreckt. Die Eigenschaften der resultierenden optischen Faserbündel sind in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4 Durchlauf 20 Durchlauf in Tabelle 3 Strecktemperatur (ºC) Übertragungsverlust (dB/m)

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Kunststoff-Faserbündels mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt, das 100 bis 10.000 hexagonal gepackte, in einer Matrix eingebettete optische Fasern enthält, wobei jede der Fasern einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt sowie eine Kern-Mantel-Struktur aufweist, wobei das Faserbündel ein Kernbesetzungsverhältnis "S" von mindestens 50% sowie einen Helligkeitsindex "I" von mindestens 4,5·10&supmin;² aufweist, welcher definiert ist als

I = S · NA² · 10 -(αL/10)

worin S die Querschnittsfl1qche der Kerne gegenüber der Querschnittsfläche des gesamten Bündels ist, α der Übertragungsverlust in dB/m ist, NA die numerische Aperturist und L die Faserlänge in Meter ist, welche zwischen 0,1 und 20m liegt; wobei das Verfahren folgende Stufen umfaßt:

- Verwendung einer konjugierten Spinndüse, die mindestens vier übereinander angeordnete Lochscheiben enthält, welche in der Reihenfolge: (a) kernbildende Lochscheibe (31) mit 100 bis 10.000 kernbildenden Düsenlöchern (31a), (b) mantelbildende Lochscheibe (32) mit der gleichen Anzahl an mantelbildenden Düsenlöchern (32a), (c) matrixbildende Lochscheibe (33, 43) mit der gleichen Anzahl an matrixbildenden Düsenlöchern (33a, 43a) und (d) Lochscheibe (38) mit einem im wesentlichen rechteckigen faservereinigenden Loch (39), angeordnet sind, wobei die Endbereiche der Löcher (33a, 43a) in der matrixbildenden Lochscheibe (33,43) auf der Seite, welche der faservereinigenden Lochscheibe (38) gegenüberliegt, konisch erweitert sind;

- Zuführen von Schmelzen eines kernbildenden Polymers, eines mantelbildenden Polymers und eines matrixbildenden Polymers zu den Düsenlöchern der jeweiligen Lochscheiben;

- Extrudieren des kernbildenden Polymers durch die kernbildenden Düsenlöcher (31 a) zur Bildung des Kerns, des mantelbildenden Polymers durch die mantelbildenden Düsenlöcher (32a) zur Bildung einer Faser mit einer Kern- Mantel-Struktur, und des matrixbildenden Polymers durch die matrixbildenden Düsenlöcher (33a), um die Faser mit dem Matrixpolymer unter solchen Bedingungen zu umhüllen, daß der Spinnverzug D, definiert als

D = (Lochdurchmesser der Spinndüse)²/ (Faserdurchmesser der ungestreckten Faser)²

einen Wert von mindestens 30 hat,

- Vereinigen und Aneinanderhaften der resultierenden optischen Fasern in dem Vereinigungsloch (39), und

- Strecken der vereinigten und aneinandergehafteten Fasern bei einer Temperatur von 100 bis 300ºC bei einem Streckverhältnis von 1,05 bis 5,0 zur Bildung des Faserbündels.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die konjugierte Spinndüse eine nicht in eine Röhre eingebrachte Spinndüse ist mit einem Durchgang für das mantelbildende Polymer zwischen der kernbildenden Lochscheibe (31) und der mantelbildenden Lochscheibe (32) und einem Durchgang für das matrixbildende Polymer zwischen der mantelbildenden Lochscheibe (32) und der matrixbildenden Lochscheibe (33, 43).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zentren benachbarter kernbildender Düsenlöcher (31 a) voneinander durch einen Abstand P getrennt sind und die konischen Enden der matrixbildenden Düsenlöcher (43a) einen Durchmesser R aufweisen, so daß

2P≥R≥P

gilt.