DE4103641C1

DE4103641C1 -

Info

Publication number: DE4103641C1
Application number: DE4103641A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dipl.-Ing. 6208 Bad Schwalbach De Koehler; Rudolf Dipl.-Phys. 6500 Mainz De Wolter
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1991-02-07
Filing date: 1991-02-07
Publication date: 1992-03-12
Anticipated expiration: 2011-02-08
Also published as: JPH04335302A; FR2672694A1; US5208890A; FR2672694B1; GB2253715A; JP2780143B2; GB9202567D0; GB2253715B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine faseroptische Einheit nach Anspruch 1 oder 2 oder 9, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen faseroptischen Einheit nach Anspruch 16.

Faseroptische Einheiten bestehen aus einem oder mehreren an den Enden untereinander und/oder mit einer Hülse verbunden Lichtwellenleitern. Lichtwellenleiter sind üblicherweise Glasfasern, die in ihrem Inneren einen höheren Brechungsindex haben als in ihrem äußeren Glasbereich. Faseroptische Einheiten werden in vielen Bereichen der Technik als Sonden oder Lichtleiter zur Übertragung von optischen Meßsignalen eingesetzt, z. B. auf dem Gebiet der Pyrometrie, der Meßsignalverarbeitung in Hochtemperaturräumen oder der Lichtübertragung von Licht hoher Leistungsdichte aus leistungsstarken Lichtquellen.

Die Herstellung von faseroptischen Einheiten, insbesondere von faseroptischen Leiterbündeln ist Gegenstand der DE-PS 37 44 367. Mittels eines Preßstempels, eines Glasrings und einer Hülse, die über einem Bereich eines Lichtleitfaserbündels angeordnet werden, gelingt, nach Erhitzen des Faserbündels im wesentlichen im Bereich des Glasringes, anschließendem Verpressen und Abkühlenlassen, unter Benutzung eines Hülsenmaterials, das nicht vom erhitzten Glas des Ringes benetzt wird, die Herstellung einer bis maximal ca. 350°C temperaturbeständigen faseroptischen Einheit. Nach dem Abkühlen wird wenigstens die Hülse und gegebenenfalls der Stempel wieder vom Lichtleiter entfernt, im Gegensatz zur DE-PS 32 47 500, in der ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung bis ca. 300°C temperaturbeständiger Lichtleiter beschrieben wird, bei dem allerdings nachteilig Hülse und Stempel am präparierten Lichtleiterende verbleiben müssen.

Die DE-OS 38 22 885 betrifft optische Faserbündel für Endoskope oder dergleichen mit einer Mehrzahl von optischen Fasern, die an beiden Enden miteinander verbunden sind, wobei jedoch einzelne Fasern frei beweglich innerhalb des Mittelabschnittes des Bündels sind, das von einer flexiblen Röhre, beispielsweise aus Polyurethan, umhüllt wird. Zur Vermeidung von Faserbrüchen wird die flexible Röhre in der Nähe der Enden beispielsweise mit flüssigem Silikon, Molybdänsulfidpulver oder Bornitrid gefüllt. Die Faserendbereiche jedoch sind mit einer herkömmlichen Metallkappe an jedem Ende verbunden, die auch nachteilig am präparierten Faserbündel verbleibt.

Zum Einkoppeln von Licht hoher Leistungsdichte in die geschliffenen und polierten Enden der faseroptischen Einheit ist es erforderlich, daß die Verbindung der Glasfasern untereinander und/oder mit der Hülse hochtemperaturfest (T<350°C) ist, da zum einen nicht alles Licht in die Lichtwellenleiter einkoppelbar ist, sondern auch ein Teil des Lichts die Verbindungsstellen zwischen den Glasfasern und/oder zwischen der/den Glasfasern und der Hülse trifft und dabei diese Verbindung erhitzt, und zum anderen das Einsatzgebiet der faseroptischen Einheit eine solche Hochtemperaturbeständigkeit erforderlich machen kann.

Neben der Verwendung einer Hülse ist bei der Präparation von faseroptischen Einheiten die Verwendung von Klebstoffen gebräuchlich. Die bisher üblicherweise zum Verbinden von Glasfasern verwendeten organischen Klebstoffe z. B. Epoxidharze oder Polyimide sind jedoch nur bis maximal 280°C temperaturfest, so daß diese organischen Klebstoffe beim Einsatz der faseroptischen Einheit mit Licht hoher Leistungsdichte geschädigt werden. Dabei verdampft der Klebstoff und kann sich auf der Stirnfläche der Glasfasern als störender Film niederschlagen, oder direkt verbrennen. Beides führt zur Unbrauchbarkeit und Zerstörung der gesamten faseroptischen Einheit. Weiterhin sind die organischen Klebstoffe nicht lichtreflektierend, wodurch die Wärmebelastung des Klebstoffs noch erhöht wird.

Werden Zemente als Bindemittel für den oben genannten Zweck verwendet, so kommt es ebenfalls zu einer starken Aufheizung, da das Licht von ihnen nicht reflektiert wird. Da diese Zemente nicht in ihren Wärmeausdehnungseigenschaften mit den Glasfasern abstimmbar sind, können bei einer Erwärmung der faseroptischen Einheit Spannungen auftreten, die genauso wie der durch die unterschiedliche Erwärmung der einzelnen Komponenten auftretende Temperaturgradient, zur Zerstörung der faseroptischen Einheit führen können.

Der Hauptnachteil bei der Verwendung von Wassergläsern als Bindemittel ergibt sich aus der fehlenden Resistenz gegen Feuchtigkeitseinwirkung. Es besteht die Gefahr des Wiederauflösens der Wassergläser bei Kontakt mit Wasser und daraus resultierend die mögliche Zerstörung der faseroptischen Einheit, z. B. bei Anwendung der faseroptischen Einheit in der Medizintechnik (Säuberung, Sterilisierung, etc.).

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, faseroptische Einheiten der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die mit hohen Leistungsdichten beansprucht werden können , bzw. ein einfaches und billiges Herstellungsverfahren für solche faseroptische Einheiten anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Bindemittel ein auskristallisiertes oder amorph festes Kieselsol oder ein mit einem anorganischen Füllmittel versetztes auskristallisiertes oder amorphes festes Kieselsol ist.

Ein derartiges als Bindemittel ausgewähltes Kieselsol gestattet die Fixierung von Fasern, in die hohe Leistungsdichten eingekoppelt werden können und den Einsatz von Lichtleitern in einer Umgebung von hoher Temperatur bis ca. 600°C, wobei diese Temperatur sich hauptsächlich an der Festigkeit des Gesamtsystems orientiert.

Die erfindungsgemäß verwendeten Kieselsole sind flüssige, üblicherweise wässrige, kolloide Dispersionen von amorphem Siliziumdioxid (SiO₂). Das Siliziumdioxid liegt in Form von untereinander unvernetzten, sphärisch begrenzten Einzelpartikeln vor, die an der Oberfläche hydroxyliert sind. Die Partikel besitzen vorteilhafterweise keine innere Porosität und weisen eine Größe auf, die im kolloiden Bereich zwischen 5 und 150 nm liegt.

Kieselsole sind homogene, sich nicht entmischende niedrigviskose Flüssigkeiten, welche je nach Typ farblos transparent, bläulich opaleszierend oder milchig trüb sind.

Die handelsüblichen Produkte sind stabil gegenüber irreversibler Gelierung zum Kieselgel und enthalten zur Stabilisierung wechselnde Mengen Alkali. Eine Stabilisierung gelingt aber genauso über geringe Mengen Ammoniak, sodaß auch alkalifreie Kieselsole eingesetzt werden können. Die geringen Alkali- oder Ammoniakgehalte im Kieselsol dienen zur Einstellung des pH auf einen Wert zwischen ca. 9 und ca. 11. Ab einen pH von ca. 11 tritt zunehmend eine Peptisierung unter Bildung von Alkalisilikatlösung (Wasserglas) ein.

Zur Charakterisierung der Kieselsole wird neben der Teilchengröße der SiO₂-Partikel häufig das Molverhältnis SiO₂ : R₂O verwendet, wobei der Rest R für Alkalimetalle steht. Das SiO₂ : R₂O Molverhältnis bewegt sich bei den Kieselsolen, die für die vorliegende Erfindung verwendet werden, sofern nicht alkalifreie, mit Ammoniak stabilisierte Kieselsole eingesetzt werden, zwischen ca. 15 : 1 und ca. 200 : 1.

In einer bevorzugten Zusammensetzung des Bindemittels liegt das SiO₂ : R₂O Molverhältnis zwischen ca. 60 : 1 bis ca. 130 : 1.

In einer weiteren bevorzugten Verwendungsform wird als Alkalisierungsmittel Na₂O im Kieselsol verwendet.

Sowohl die Teilchengröße als auch der Alkaligehalt erlauben eine strenge Abgrenzung der erfindungsgemäß verwendeten Kieselsole von den als Bindemittel bereits bekannten Wassergläsern. Die für das Kieselsol charakteristischen sphärischen SiO₂-Partikel mit einem Durchmesser zwischen ca. 5 und 150 nm fehlen im Wasserglas. Die technisch genutzten Wassergläser weisen ein SiO₂ : R₂O-Verhältnis von ca. zwischen 2 : 1 bis ca. 4 : 1 auf, d. h. sie verfügen im Vergleich zu den erfindungsgemäß verwendeten Kieselsolen über einen sehr viel höheren Gehalt an Alkali. Dieser hohe Alkaligehalt ist ursächlich für die Feuchtigkeitsempfindlichkeit verarbeiteter Wassergläser und führt zur Wiederauflösung gehärteter Wassergläser beim Kontakt mit Wasser.

Wesentlich für die Anwendbarkeit der Kieselsole ist ihr spezieller Aggregatzustand, das heißt, das Vorliegen einer flüssigen, üblicherweise wäßrigen, kolloiden Lösung. Hierin unterscheiden sich, wie oben bereits teilweise ausgeführt, die Kieselsole von Kieselgelen, hochdispersen Kieselsäuren, Kieselsäurefüllstoffen oder Alkalisilikatlösungen.

Es können mit Vorteil auch Kieselsole, die in einem organischen Fluid suspendiert sind verwendet werden. Solche Kieselsole lassen sich z. B. dadurch herstellen, daß eine Lösung von Siliziumtetraalkoholaten in Alkohol oder Äther durch Zugabe geringer Mengen Wasser zu dem Sol hydrolysiert wird. Derartige "organische" Kieselsole können besonders gut und formstabil, d. h. schrumpfungsarm getrocknet werden. Da als bevorzugtes Fluid Alkohole benutzt werden, sind diese Sole bzw. Gele unter der Bezeichnung Alkogel allgemein bekannt.

Charakteristisch für die erfindungsgemäße Verwendung ist, daß die Kieselsole zwar zunächst als kolloide Lösungen angewendet werden, daß aber nach der Anwendung festes, auskristallisiertes oder amorphes, wasserunlösliches Siliziumdioxid vorliegt.

Die flüssige Form des Bindemittels ist vorteilhaft für die Herstellung von faseroptischen Einheiten, da hierdurch ein Einbringen des Bindemittels in die zwischen den einzelnen Lichtleitfasern (Zwickel) und/oder die zwischen der/den Lichtleitfaser/n und dem Hülsenmaterial in Längsrichtung verlaufenden Hohlräume gewährleistet wird, was zu einer formbeständigen Verbindung und Herstellung von faseroptischen Einheiten unbedingt erforderlich ist.

Im allgemeinen sind SiO₂-Konzentrationen ab 10 Gew.% im Kieselsol noch brauchbar, Konzentrationen von 30 bis 40 Gew.% werden bevorzugt. Konzentrationen unter 10 Gew.% sind in manchen Fällen ebenfalls brauchbar, ebenso Konzentrationen weit über 40 Gew.%, letztere sind im Handel jedoch nicht erhältlich.

Durch vorheriges Einbringen eines Füllmittels in das flüssige Bindemittel , wie z. B. Borosilikatglasmehl, Quarzglasmehl, Aluminiumoxid, Glaskeramikmehl oder einer Mischung von zwei oder mehreren dieser Substanzen, in einem Verhältnis von zwischen ca. 0,5 bis ca. fünf Gewichtsteilen Füllmittel auf ein Gewichtsteil Bindemittel (Sol), vorzugsweise zwischen ca. ein und ca. zwei Gewichtsteilen Füllmittel auf ein Gewichtsteil Bindemittel, gelingt es, die Eigenschaften des auskristallisierten Bindemittels auf die Eigenschaften der zu verklebenden Glasfasern oder faseroptischen Einheiten abzustimmen. Hierbei sind die wesentlichen Eigenschaften die beeinflußt werden können, die Wärmeausdehnung und die Verarbeitbarkeit.

Die integralen Mittelwerte der Längenausdehnungskoeffinzienten α von ca. 20°C bis ca. 300°C von auskristallisiertem Kieselsol und von Quarzglas sind mit ca. 0,59·10^-6 1/K annähernd identisch.

Die üblicherweise verwendeten Glasfasern (falls nicht Quarzfasern Verwendung finden) haben typischerweise Längenausdehnungskoeffizienten von ca. 8·10^-6 bis 10·10^-6 K^-1. Durch die Füllung des Bindemittels mit Glasmehl eines ähnlichen Längenausdehnungskoeffizienten und einer Hülse mit einem ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten (z. B. X22 CrNi 17, α=10·10^-6 K^-1) erhält man einen Verbund aus Einzelkomponenten abgestimmter Ausdehnungskoeffizienten. Bei einem solchen Verbund bauen sich thermisch bewirkte mechanische Spannungen weit weniger auf.

Bei Quarzglasfasern, die in einem Quarzglasrohr befestigt werden sollen, wird vorteilhafterweise Quarz oder Quarzglasmehl verwendet. Auch hierdurch entsteht ein Verbund aus Einzelkomponenten abgestimmter Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Ist aus nicht weiter beschriebenen Gründen ein Verbund von Komponenten relativ unterschiedlicher Wärmeausdehung vorgegeben, so kann das Bindemittel mit Füllstoff einen wirkungsvollen Ausgleich darstellen, wenn ein Längenausdehnungskoeffizient des Füllstoffs ca. in der Mitte der beiden ungleichen Partner gewählt wird. Eine vorgegebene Quarzglasfaser wird mit einer Metallhülse aus X22 CrNi 17 (α=10·10^-6 K^-1) durch ein mit einem technischen Glas mit einem Längenausdehnungskoeffizienten von 5·10^-6 K^-1 gefüllten Kieselsol befestigt.

Wie bereits beschrieben, besteht ein deutlicher Unterschied in der Zusammensetzung zwischen der Mischung vor der Härtung und danach, da praktisch alles Fluid bei der Härtung entweicht. Es liegen relativ kleine Anteile Siliziumdioxid aus dem Kieselsol im ausgehärteten Feststoff vor und das Füllmittel bestimmt in erster Linie die Wärmeausdehnungseigenschaften.

Mischt man etwa 1 Gew.-Teil 40 Gew.%iges Kieselsol mit 1,5 Gew.-Teilen Füllmittel, so enthält das gehärtete (getrocknete) Endmaterial nur ca. 12 Gew.% Siliziumdioxid aus dem Kieselsol stammend. Bei den vorzugsweise verwendeten Mischungen von 1 Teil Kieselsol 30- oder 40%er SiO₂-Konzentration mit 1 bis 3 Gewichtsanteilen Füllmittel, ergeben sich SiO₂-Konzentrationen, die aus dem Kieselsol stammen von 9-28 Gew.%.

Neben der Wärmeausdehnung ist auch, wie bereits erwähnt, die Verarbeitbarkeit abstimmbar. Unter Verarbeitbarkeit werden all diejenigen Eigenschaften verstanden, die für die Herstellung von faseroptischen Einheiten Bedeutung haben. Hierbei handelt es sich bevorzugt um die Konsistenz, bzw. die Viskosität des nicht gehärteten Bindemittels und die Teilchengrößenverteilung des gehärteten Bindemittels.

Die Korngröße der Füllstoffe kann einen Einfluß auf die Güte der optischen Bearbeitung haben. Es sollten Korngrößen verwendet werden, die bei der Bearbeitung noch einwandfreie Oberflächen ermöglichen. Gute Erfahrung mit Füllstoffen wurden gemacht, wenn 99% der Körner kleiner waren als 40µm. Korngrößen von 100µm ergaben brauchbare Ergebnisse.

Die Füllmittel wirken jedoch nicht nur durch ihre Abstimmbarkeit vorteilhaft auf die erfindungsgemäßen faseroptischen Einheiten, sondern auch durch die Erhöhung des Feststoffanteils in dem Kieselsol, der die Verarbeitbarkeit des Kieselsols mit den Glasfasern verbessert. Ein zu geringer Feststoffanteil im Bindemittel ergibt häufig eine zu geringe Verbindung der Fasern untereinander und/oder mit einer Hülse oder Hülle. Insofern ist der Zusatz von Füllmittel bevorzugt.

Nachdem die Einzelfasern oder die faseroptischen Einheiten in der gewünschten Form mit dem abgestimmten Bindemittel in Kontakt gebracht worden sind, ist zur Herstellung der formbeständigen hochtemperaturfestverbunden faseroptischen Einheiten der Entzug der im Bindemittel enthaltenen Trägerflüssigkeit, d. h. des Wassers oder des organischen Fluids nötig. Die im Kieselsol enthaltenen sphärischen polykristallinen Kieselsäurepartikel neigen bei Entzug des Fluids zur Kristallisation oder zur amorphen Verfestigung und härten das Gefüge aus.

Für die Entfernung der Trägerflüssigkeit, d. h. des Wassers bzw. der organischen Flüssigkeit stehen prinzipiell verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Man kann die Trocknung durch eine Erhöhung der Temperatur, oder durch Anlegen eines Unterdrucks erreichen. Der Flüssigkeitsentzug läßt sich weiterhin durch die Anwendung von Strahlungsenergie, insbesondere von Mikrowellenenergie erreichen. Bei einem Überschreiten des Siedepunktes des Kieselsols schäumt das Bindemittel auf, was je nach Anwendung eine gewollte oder auch ungewollte Erscheinung darstellen kann. Bevorzugt wird es bei den Alkogelen bzw. bei Solen mit organischem Fluid, wenn das Fluid in überkritischem Zustand entfernt wird. Diese Art der Entfernung des Fluids ist bei den Alkogelen wohlbekannt und führt zu festen amorphen Silicat-Aerogelen, die trotz hoher Porosität durchsichtig sind. Die Entfernung des Fluids im überkritischen Zustand hat insbesondere den Vorteil, daß während des Flüssigkeitsentzuges keinerlei Schrumpfung des SiO₂-Materials eintritt. Auch Wasser kann im überkritischen Zustand aus dem Sol entfernt werden, jedoch sind zur Erreichung des überkritischen Zustandes hohe Drücke und verhältnismäßig hohe Temperaturen erforderlich. Es ist jedoch bekannt, daß man zu entwässernden bzw. zu entfluidisierenden Teilen das Fluid auch in einer Atmosphäre von überkritischem Kohlendioxid entziehen kann. Bei dem Entfernen des CO₂ entweicht das Fluid ebenfalls und es läßt sich dadurch der Prozess bei wesentlich niedrigeren Temperaturen durchführen.

Die Herstellung derartiger Aerogele ist in "Aerogels", Proceedings of the first International Symposium on Aerogels, Würzburg Sept. 1985, Editor J. Fricke, Springer Verlag Heidelberg 1986 ausführlich beschrieben.

Wenn auf eine der genannten Arten die gesamte Feuchtigkeit entfernt wurde, verfestigt sich das Kieselsol irreversibel, ohne jedoch mit der Glasfaser chemisch zu reagieren. Die fixierende Wirkung des auskristallisierten oder amorphen festen Kieselsols beruht also nicht nur auf Adhäsions- oder Benetzungseigenschaften mit den Glasmaterialien der faseroptischen Einheiten, sondern im wesentlichen auch auf einem guten Ausfüllen der Lücken zwischen den Fasern untereinander und/oder dem Hülsenmaterial.

Nach der Trocknung und Härtung des Bindemittels werden die hochtemperaturfest und formstabil verbundenen faseroptischen Einheiten der weiteren Bearbeitung zugeführt. Hat man mittels des Bindemittels eine Mehrzahl Fasern untereinander zu Faserbündeln, oder eine Faser oder eine Mehrzahl Fasern mit einer Hülse oder einem Gehäuse verbunden, so schließt sich überlicherweise die Endenpräparation, insbesondere das Schleifen und Polieren der Faserenden, an.

Dieses ist bei den faseroptischen Einheiten, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Bindemittel hergestellt werden, ohne Gefahr der Zerstorung möglich. Durch die Fixierung der Fasern mit dem Bindemittel wird ein Verrutschen der Faserenden gegeneinander unmöglich gemacht. Das beim Schleif- und Poliervorgang zur Verwendung gelangende Wasser kann das Bindemittel nicht angreifen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Hochtemperaturfestverbindung von bereits fertigen faseroptischen Einheiten, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren oder nach dem Stand der Technik aus heißverschmolzenen Glasfaserbündeln bestehen können, zu größeren Einheiten durchgeführt werden. Dazu werden die bereits miteinander verbundenen Faserbündel, in der gewünschten Anordnung, in ein die angestrebte äußere Gesamtform bestimmendes geeignetes Hüllenmaterial eingebracht und dann durch erfindungsgemäße Anwendung des Bindemittels die hochtemperaturbeständige Verbindung der größeren Einheit erreicht.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Hinweis auf die Fig. 1 bis 7 an Beispielen detailliert erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt in Längsrichtung durch ein im Stirnflächenbereich der Einzelfasern aufgefächertes Faserbündel mit einer unterhalb des Fächers angebrachten Hülse.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt in Längsrichtung durch ein im Stirnflächenbereich der Einzelfasern verbundenes Faserbündel mit einer den Stirnflächenbereich fixierenden Hülse.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt in der Nähe des Stirnflächenbereichs einer faseroptischen Einheit mit einem Faserbündel, bei dem das Verbinden der Einzelfasern und die Fixierung in der Hülse in einem Arbeitsgang erfolgt sind.

Fig. 4a und 4b zeigen jeweils einen Querschnitt in der Nähe des Stirnflächenbereichs einer faseroptischen Einheit mit einem Faserbündel aus verklebten Fasern (4a) bzw. aus heißverschmolzenen Fasern (4b), die in einer Hülse eingeklebt sind.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt in der Nähe des Stirnflächenbereichs einer faseroptischen Einheit mit einer Mehrzahl von verklebten hüllenlosen Faserbündeln in einem Hüllenmaterial.

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt in der Nähe des Stirnflächenbereichs einer faseroptischen Einheit mit einer Mehrzahl von heißverschmolzenen hüllenlosen Faserbündeln in einem Hüllenmaterial.

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt in der Nähe des Stirnflächenbereichs eines nicht runden Lichtleiters mit einer Mehrzahl von umhüllten heißverschmolzenen Faserbündeln in einem Hüllenmaterial.

Beispielhaft verfährt man zur Herstellung einer hochtemperaturfestverbundenen faseroptischen Einheit mit einer Vielzahl von Glasfasern aus Quarzglas und einem Bindemittel aus Kieselsol und Füllmittel folgendermaßen: Ein Gewichtsteil Kieselsol mit einem Feststoffgehalt von ca. 30 Gew.% (bestimmt als Glührückstand), einem durch Titration bestimmten Na₂O-Gehalt von ca. 0,35 Gew.%, einem pH-Wert von ca. 9,8, einer Dichte von 1,21 g/cm³, einer mittels eines Kugelfallviskosimeters bestimmten Viskosität von 3 bis 6 mPa·s, einer nach Brunauer, Emmet und Teller bestimmten spezifischen Oberfläche von ca. 300 m²/g und einer Teilchengröße von 7 bis 8 nm, wird mit 1,5 Gewichtsteilen Quarzglaspuder als Feststoff, wobei das Quarzglaspuder eine Korngrößenverteilung aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß 99% der Teilchen einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als 40µm und 50% der Teilchen einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als 8µm ist, bis zu einer flüssigen bzw. teigig-flüssigen Konsistenz angerührt.

In einem anderen erfindungsgemäßen Beispiel wird ein Gewichtsteil Kieselsol, mit einem Feststoffgehalt von ca. 40 Gew.%, einem Na₂O-Gehalt von ca. 0,4 Gew.%, einem pH-Wert von ca. 10,0, einer Dichte von 1,29 g/m³, einer Viskosität von ca. 7-10 mPa·s, einer spezifischen Oberfläche von ca. 200 m²/g und einer Teilchengröße von 15-20 nm mit 3 Gewichtsteilen eines technischen Glasmehls mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α=5·10^-6 K^-1 als Feststoff versetzt, wobei das Glasmehl eine Korngrößenverteilung aufweist, bei der 99% der Teilchen einen Durchmesser von kleiner als 60µm haben, zur Verbindung eines Faserbündels benutzt.

In noch einem anderen erfindungsgemäßen Beispiel wird ein Gewichtsteil Kieselsol, mit einem Feststoffgehalt von ca. 30 Gew.%, mit Ammoniak stabilisiert, mit einem pH von ca. 9,1, einer Dichte von ca. 1,20 g/m³, einer Viskosität von ca. 3-4 mPa·s, einer spezifischen Oberfläche von ca. 200 m²/g und einer Teilchengröße von 15-20 nm mit 1,9 Gewichtsteilen des des o.g. technischen Glasmehls zur Verbindung eines Faserbündels benutzt.

Nach dem Anrühren der Bindemittel geschieht die weitere Verarbeitung in den vorgenannten Beispielen auf analoge Weise.

Das angerührte Bindemittel wird dann beispielsweise so mit einem in Fig. 1 gezeigten im Endenbereich aufgefächerten Faserbündel 1, welches mit einer zurückgezogenen beweglichen Hülse aus Glas, oder einem zurückgezogenen beweglichen Kupferring 2 fixiert ist, in innigen Kontakt mit dem Endenbereich der Glasfasern gebracht, daß alle Fasern von dem aufzubringenden Bindemittel rundherum gut benetzt werden können und alle Hohlräume aufgefüllt werden. Die Eindringtiefe des Bindemittels in die Zwickel zwischen den Einzelfasern entspricht dabei etwa der Distanz zwischen Faserenden und zurückgezogener Hülse.

Nach dem Benetzungs- und Ausfüllvorgang wird die zurückgezogene Hülse wieder so, wie in Fig. 2 gezeigt, in die Ausgangsstellung positioniert, daß der mit Bindemittel in Kontakt gebrachte Endenbereich 3 gänzlich von der Hülse umgeben ist. Dabei ist besonders darauf zu achten, daß das Positionieren rechtzeitig geschieht, bevor zuviel Lösungsmittel aus dem Fächerbündel abgedampft ist, da auf ein derart vorgefestigtes Fächerbündel die zurückgezogene Hülse nur unter der Gefahr der Verformung der Fasern des Fächerbündels zurückbewegt werden kann. Allerdings handelt es sich hierbei nicht um einen besonders zeitkritischen Vorgang, da für das Positionieren je nach Temperatur und Druck mehrere Minuten zur Verfügung stehen.

Deutlich unterhalb der Siedetemperatur des Bindemittels wird bei ca. 70°C für 24 Stunden getrocknet. Dies geschieht in einem Ofen oder bei entsprechend niedriger Temperatur in einem Vakuumtrockenschrank. Besonders bevorzugt zur Trocknung ist die Anwendung von Mikrowellenenergie, da die Wärme dann nur dort entsteht, wo Feuchtigkeit (Wasser) sich befindet. Dies ist besonders vorteilhaft, da keine Wärmeleitung nötig ist.

Wenn man ein Aufschäumen in Endenbereich provozieren möchte, etwa weil das Produkt im Endenbereich über eine niedrigere Raummasse, die mit einer zwar weniger festen Verbindung, aber dafür mit einer guten Wärmeisolation gekoppelt ist, verfügen soll, kann dies durch eine größere Geschwindigkeit der Feuchtigkeitsentfernung, insbesondere durch ein Erhitzen des aufgebrachten Bindemittels über seinen Siedepunkt erreicht werden.

Nach vollendeter Trocknung kann das Hüllenmaterial entweder auf dem verklebten Faserbündel verbleiben oder es kann auch entfernt werden. Die Faserbündel können dann der Endenpräparation zugeführt werden. Die Verwendung des sehr feinen Füllmittels garantiert nicht nur die Ausfüllung aller Zwickel, sondern ist auch besonders vorteilhaft für die Bearbeitung der Endflächen im optischen Sinne, da nur feinste Teilchen keine Kratzer oder Beschädigungen auf den Endenflächen hervorrufen.

Auf diese Weise hergestellte Faserbündel z. B. aus Quarzkomponenten sind fest verbunden und bis ca. 600°C belastbar, aber sehr viel billiger als die ebenfalls bis 600°C beständigen heißverschmolzenen Faserbündel. Zudem kann eine Mehrzahl verklebter Bündel mit oder ohne Hülle alleine oder in Kombination mit heißverschmolzenen Bündeln mit oder ohne Hülle zu einer größeren faseroptischen Einheit, die ein geeignetes Hüllenmaterial vorausgesetzt, z. B. hochtemperaturbeständige Metalle, Legierungen der Metalle, Gläser, Keramiken etc., ebenfalls hochtemperaturverbunden ist, verbunden werden.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt in der Nähe des Stirnflächenbereichs einer faseroptischen Einheit mit einer Vielzahl von Fasern 5, die in einem einzigen Arbeitsgang untereinander mit abgestimmtem Bindemittel 4 verbunden und gleichzeitig in einem Hüllenmaterial 2′ fixiert wurden. Hierbei ist besonders vorteilhaft, daß die Herstellung des in einer Hülle verklebten Faserbündels nur einen einzigen Arbeitsgang umfaßt.

Die Fig. 4a und 4b zeigen analoge Einheiten, bei denen allerdings entweder ein verklebtes Faserbündel 3 aus einer Vielzahl von Einzelfasern 5, das mit auskristallisiertem Kieselsol 6 verbunden ist, oder ein heißverschmolzenes Faserbündel 3′ aus einer Vielzahl von Einzelfasern 5, in dem die einzelnen Fasern untereinander durch ineinander geschmolzene Bereiche 8 verbunden sind, in einem zweiten Arbeitsgang jeweils mit abgestimmtem Kieselsol 4 in eine geeignete Hülse 2′ geklebt sind.

Fig. 5 zeigt eine Mehrzahl von verklebten Faserbündeln 3 aus einer Vielzahl von einzelnen Fasern 5, verbunden mit einem auskristallisierten gefüllten Kieselsol 6, die in einem Hüllenmaterial 7 mit einem abgestimmten Kieselsol 4 verbunden sind. Hierbei wird die äußere Gestalt der faseroptischen Einheit durch die Auswahl des Hüllenmaterial festgelegt.

Fig. 6 zeigt eine analoge Einheit, die sich dadurch von der in Fig. 3 dargestellten Einheit unterscheidet, daß heißverschmolzene Faserbündel 3′, in denen die einzelnen Fasern untereinander durch ineinander geschmolzene Bereiche 8 verbunden sind, zu einer faseroptischen Einheit verklebt sind.

In Fig. 7 wird eine weitere Ausführungsform einer faseroptischen Einheit dargestellt. Heißverschmolzene Faserbündel 3′ mit einem Hüllenmaterial 9 werden parallel nebeneinander angeordnet und in einem geeigneten Hüllenmaterial 7 verklebt.

Diese Ausführungsformen sind nur beispielgebend und es ist offensichtlich, daß durch Kombination der möglichen hochtemperaturbeständigen verklebten oder heißverschmolzenen Faserbündel mit geeigneten Hüllenmaterialien und ihre Fixierung mit einem entsprechend ausgewählten und abgestimmten Kieselsol eine Vielzahl weiterer Ausführungsformen möglich ist.

Claims

1. Faseroptische Einheit, die aus einer Vielzahl von Glasfasern besteht, die zumindest teilweise von einer Bindemittelschicht umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel auskristallisiertes oder amorphes festes Kieselsol ist.

2. Faseroptische Einheit, die aus wenigstens einer Glasfaser besteht, die mit einer sie umgebenden Hülse mittels eines Bindemittels verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel auskristallisiertes oder amorphes festes Kieselsol ist.

3. Faseroptische Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vielzahl von Glasfasern enthält, die mit dem Bindemittel untereinander und mit der Hülse verbunden sind.

4. Faseroptische Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kieselsol SiO₂ und R₂O in einem Molverhältnis von 15 : 1 bis 200 : 1 enthält, wobei der Rest R Natrium und/oder Kalium ist.

5. Faseroptische Einheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das SiO₂ : R₂O-Verhältnis bei 60 : 1 bis 30 : 1 liegt.

6. Faseroptische Einheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalioxid Na₂O ist.

7. Faseroptische Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kieselsol frei von Alkali ist.

8. Faseroptische Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein in einem organischen Fluid durch Hydrolyse von Siliziumestern hergestelltes Kieselsol ist.

9. Faseroptische Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein mit einem anorganischen Füllmittel versetztes auskristallisiertes oder amorphes festes Kieselsol ist.

10. Faseroptische Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein Füllmittel enthält, mit dem die Wärmeausdehnung und/oder Verarbeitbarkeit des auskristallisierten Kieselsols einstellbar ist.

11. Faseroptische Einheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmittel ausgewählt ist aus der Gruppe Borosilikatglasmehl, -puder, Quarzglasmehl, -puder, Aluminiumoxid, Glaskeramikmehl, -puder oder eine Mischung mit zwei oder mehr dieser Komponenten.

12. Faseroptische Einheit, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Glasfaserbündel von der ausgehärteten Kieselsolschicht umgeben sind.

13. Faseroptische Einheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaserbündel aus untereinander heiß verschmolzenen Glasfasern bestehen.

14. Faseroptische Einheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaserbündel aus untereinander mit einem Bindemittel, das auskristallisiertes oder amorphes festes Kieselsol ist, verbundenen Glasfasern bestehen.

15. Faseroptische Einheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaserbündel aus untereinander mit einem Bindemittel, das mit einem anorganischen Füllmittel versetztes auskristallisiertes oder amorphes festes Kieselsol ist, verbundenen Glasfasern bestehen.

16. Verfahren zum hochtemperaturfesten Verkleben von Glasfasern mit einem Bindemittel, bei dem man die Außenoberfläche der Glasfasern und/oder der Faserbündel mit einem Bindemittel versieht, das erhaltene Gebilde formt und anschließend das Bindemittel aushärtet, dadurch gekennzeichnet, daß man als Bindemittel ein Kieselsol oder ein mit einem anorganischen Füllmittel versetztes Kieselsol verwendet.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, das man dem flüssigen Kieselsol vor der Anwendung und vor dem Trocknen Borosilikatglasmehl, Quarzglasmehl, Aluminiumoxid oder Glaskeramikmehl oder eine Mischung aus zwei oder mehreren dieser Komponenten zusetzt.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Kieselsol ein Füllmittel zusetzt, dessen Gewicht das einfache bis 24fache des Gewichts des SiO₂-Anteils im Kieselsol beträgt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Kieselsol ein Füllmittel zusetzt, dessen Gewicht das 1.9 bis 9 fache des Gewichts des SiO₂-Anteils im Kieselsol beträgt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß man das Bindemittel durch Entzug der Trägerflüssigkeit auskristallisiert oder in einen amorphen festen Zustand überführt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Entzug der Trägerflüssigkeit aus dem Kieselsol durch Anlegen eines Vakuum erfolgt.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Entzug der Trägerflüssigkeit aus dem Kieselsol durch Erwärmung erfolgt.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch Anlegen von Mikrowellenenergie erfolgt.

24. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Entzug der Trägerflüssigkeit durch Entfernen im überkritischen Zustand der Trägerflüssigkeit erfolgt.