DE4110654A1

DE4110654A1 - Optisches uebertragungselement mit mindestens einem in einer fuellmasse untergebrachten lichtwellenleiter

Info

Publication number: DE4110654A1
Application number: DE19914110654
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Von Dr Gentzkow; Wolfgang Dr Rogler; Frederic Dr Zapf; Guenter Dr Zeidler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-04-02
Filing date: 1991-04-02
Publication date: 1992-10-08

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Übertragungselement mit mindestens einem Lichtwellenleiter, der in einer mit einer Füllmassse versehenen Schutzhülle angeordnet ist, wobei die Füllmasse einen Öl- oder Fettanteil und ein Thixotropierungs mittel enthält.

Es ist bekannt, Lichtwellenleiterkabel mit Füllmassen zu ver sehen, wobei sowohl Ader- als auch Seelenfüllmassen verwendet werden. Derartige Füllmassen haben die Aufgabe, die Lichtwel lenleiter möglichst weitgehend vor mechanischen Beanspru chungen zu schützen und Gleitbewegungen zuzulassen. Ein der artiges gefülltes optisches Kabel ist beispielsweise in der DE-OS 26 64 307 beschrieben.

Im einzelnen werden an die Ader- und Seelenfüllmassen für optische Kabel folgende sich zum Teil widersprechende For derungen gestellt:

a) Beibehaltung der Eigenschaften in einem weiten Temperatur bereich, z. B. von -40°C bis 70°C, wobei weder durch zu starke Erhöhung der Viskosität eine mechanische Beanspru chung der Lichtwellenleiter auftreten noch (bei höheren Temperaturen) eine Separation der flüssigen von der festen Phase eintreten soll.
b) Bei Raumtemperatur geringe Viskosität der Füllmasse im un verarbeiteten Zustand, um das Fördern durch Rohre mit ge ringem Innendurchmesser und kleinem Überdruck zu ermögli chen.
c) Die Substanz soll den Aufbau von Zug- oder Druckkräften bei den Lichtwellenleiteradern möglichst weitgehend vermeiden, weil dadurch deren Dämpfung ansteigen würde
d) Möglichst geringe Feuchteaufnahme.
e) Nichtaggressivität gegen kontaktierte Werkstoffe, insbe sondere gegenüber der Beschichtung des Lichtwellenleiters (Fasercoating).
f) Alterungsbeständigkeit in chemischer und physikalischer Hinsicht.

Außerdem besteht die Forderung, daß die Füllmassen in ihrer Handhabung einfach und preiswert sein müssen.

Eine besonders vorteilhafte Füllmasse, die die meisten der vorstehend genannten Forderungen erfüllt, ist in der EP-PS 00 29 198 beschrieben. Sie besteht im wesentlichen aus einem Gemisch von Öl und einem Thixotropierungsmittel wobei zusätzlich zur Viskositätserhöhung Verdickungsmittel, z. B. in Form von Kohlenwasserstoffen enthalten sein können. Die Al terungsbeständigkeit wird durch ein Antioxidans gewährleistet.

Bei Füllmassen für optische Kabel besteht das Problem, daß während des Füllvorganges die Substanz ausreichend dünnflüssig sein muß. Diese Forderung ist besonders kritisch, wenn es sich um Aderfüllmassen handelt. Im gefüllten Kabel, d. h. im ferti gen Zustand soll dagegen eine weitgehend temperaturabhängige gelartige Substanz gewährleistet werden, die den Aufbau von Zug- und Druckkräften sowie ein Abtropfen der Aderfüllmasse ver meidet. Eine Verbesserung in dieser Richtung ist wie in der EP-PS 00 29 198 beschrieben durch den Zusatz eines Thixotro pierungsmittels weitgehend zu gewährleisten, wobei hierfür in erster Linie hochdisperses SiO₂ (kolloidale Kieselsäure) ver wendet wird. Bei mechanischer Beanspruchung, beispielsweise durch Scherung wird die Füllmasse wieder flüssig, so daß zum einen eine einfache Förderung mit Pumpen und zum andern auch eine nur gering behinderte Bewegung der Lichtwellenleiter in der Schutzhülle ermöglicht ist.

Optische Kabel sind heute zum Teil extremen Bedingungen ausge setzt. So können z. B. in Freiluftkabeln durch Sonneneinstrah lung Temperaturen von 100°C auftreten. Dies kann auch bei thixotropierten Aderfüllmassen zur Viskositätserniedrigung und gegebenenfalls zum Abtropfen führen, was einen verminderten Schutz der Lichtwellenleiter gegen äußere Krafteinwirkung verbunden mit möglichen Dämpfungserhöhungen zur Folge hat.

In der DE-OS 27 28 642 ist ein optisches Kabel beschrieben, bei dem Aderfüllmassen verwendet werden, die vollständig aus schwachvernetzendem Silikonkautschuk bestehen. Aufgrund des gelartigen Charakters sind solche vernetzten Füllmassen auch bei höheren Temperaturen und in optischen Kabeln mit ungünsti ger räumlicher Lage weitgehend auslaufsicher. Nachteilig an derartigen Füllmassen ist jedoch zum einen ihr hoher Preis und zum anderen ihre aufwendige Verarbeitung. Die als Füllmassen geeigneten, noch bei moderaten Temperaturen vernetzenden Sili konkautschuke müssen als zwei Komponentensysteme verarbeitet werden. Das bedeutet, daß sie zum Beispiel chargenweise vor der Applikation gemischt und dann als Reaktivsystem verarbei tet, d. h. während einer begrenzten Topfzeit mit Pumpen geför dert und auf den Lichtwellenleiter appliziert werden müssen. Eine andere Möglichkeit wäre die Mischungsherstellung über ein statisches Mischrohr unmittelbar vor dem Applikationsort. Da bei läßt sich das Problem der begrenzten Topfzeit zwar um gehend. Andererseits ist es jedoch schwer, z. B. bei stark unterschiedlichen Mengenverhältnissen der Mischungskomponenten ausreichend homogene Mischungen zu erhalten. In der Technik werden Lichtwellenleiteradern hergestellt, in dem man über einen Lichtwellenleiter eine lose Aderhülle extrudiert. Die Applikation der Füllmasse erfolgt üblicherweise entweder kurz vor der Extrusion oder unmittelbar während der Extrusion im Werkzeug. Sie wird dabei durch eine Schleppströmung mit dem Lichtwellenleiter in die Aderhülle eingezogen. Während der Extrusion wird über Wärmestrahlung bzw. durch Wärmeübertragung über Metallwände die Füllmasse erwärmt. Dies kann zu einer unkontrollierten bzw. zu inhomogenen Gelierung der Füllmasse führen, was sowohl den Fertigungsprozeß als auch die Ader qualitäten negativ beeinflußt. Thermisch vernetzende Aderfüll massen stellen daher nur eine unbefriedigende Lösung des Aus laufsproblems dar und kommen deshalb nur in Ausnahmefällen zum Einsatz.

Ein weiterer Vorschlag, das Auslaufen zu verhindern besteht in der Verwendung UV-härtbarer Aderfüllmassen (J.E. Reese, Radcure 1986, Baltimore, Confer. Proc. 13/11-22). In der japanischen Patentanmeldung 61/14 210 werden beispielsweise schwachvernetzende Urethanacrylate als Aderfüllmassen be schrieben. In Gegensatz von Fotoinitiatoren lassen sich Urethanacrylate durch Bestrahlung mit UV-Licht in vernetzende gelartige Systeme überführen. Urethanacrylate lassen sich her stellen durch Umsetzung einer Polyolkomponente mit einer Diisocyanatkomponente und einem hydroxyfunktionellen (Meth)acrylat. Durch Variation der Ausgangskomponenten lassen sich die Eigenschaften von Urethanacrylaten in weiten Grenzen variieren. Durch lange aliphatische Polyole oder Polyether polyole lassen sich Materialien mit weichen gelartigen Eigen schaften herstellen.

UV-härtbare Aderfüllmassen müssen während der Herstellung der Ader durch UV-Bestrahlung in eine vernetzte gelartige Kon sistenz übergeführt werden. Prinzipiell ist dies möglich durch Applikation auf den Lichtwellenleiter und Bestrahlung vor der Extrusion der Aderhülle oder - geeignete UV-durchlässige Poly mermaterialien vorausgesetzt - durch Applikation während der Extrusion und Bestrahlung durch die Aderhülle hindurch.

UV-härtbare Ader- und Seelenfüllmassen haben sich bisher in der Technik jedoch nicht durchgesetzt. Der Grund dafür ist, daß die durch UV-Bestrahlung gelierten Urethanacrylate in ihrer mechanischen Konsistenz zu hart sind und die freie Be weglichkeit der Faser in der Aderhülle behindert, was zur Dämpfungserhöhung führen kann. Zudem sind derartige UV-härt bare Materialien zu teuer. Bei Aderfüllmassen und im gewissen Umfang auch bei Seelenfüllmassen für optische Kabel besteht daher nach wie vor das Problem, daß die eingangs erwähnten An forderungen, vor allem was die Beibehaltung der Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich und damit die Auslauf sicherheit betrifft - noch nicht vollständig befriedigend ge löst sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine auch unter extremen Bedingungen auslaufsichere Füllmasse bereitzustellen, die auch die anderen eingangs erwähnten An forderungen erfüllt sowie einfach verarbeitbar und preisgün stig ist. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem optischen Kabel der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Füllmasse zusätzlich mindestens eine UV-reaktive Kompo nente zugesetzt ist.

Im Gegensatz zu den vorstehend als Stand der Technik beschrie benen UV-härtbaren Aderfüllmassen ist somit bei der Erfindung nicht die gesamte Füllmasse aus einem UV-härtbaren Material hergestellt, sondern enthält nur eine (oder mehrere) UV-reak tive Komponente(n). Dies hat den Vorteil, daß der Materialan teil der auf die relativ teueren UV-reaktiven Komponenten ent fällt, wesentlich kleiner gehalten werden kann als bei Füll massen, die vollständig aus UV-reaktivem Material bestehen. Darüberhinaus hat die Erfindung den Vorteil, daß es gelungen ist, auslaufsichere Aderfüllmassen herzustellen, die einer seits die günstigen Eigenschaften von ölhaltigen thixotro pierten Füllmassen aufweisen (was die schonende Einlagerung der Lichtwellenleiter angeht), die aber andererseits das sonst insbesondere bei hohen Temperaturen möglicherweise auftretende Austropfen der Füllmasse vermeiden und zwar durch den Einsatz der Teilkomponente aus UV-härtbarem Material innerhalb der ge samten Füllmasse. Die durch die Erfindung erhaltenen Füll massen für langgestreckte optische Übertragungselemente, z. B. Lichtwellenleiteradern oder Lichtwellenleiterkabel, enthalten durch die Polymerisation entstehende Gelanteile, die bis zu Temperaturen von 100°C die Öl- und/oder Fettanteile durch van der Waalssche Kräfte binden und am Auslaufen hindern. Die Auslaufsicherheit derartiger Massen wird im übrigen unter Bei behaltung der sonstigen günstigen Eigenschaften von Füllmassen auf der Basis thixotropierter Öle und Fette erhalten.

Es ist zweckmäßig, wenn die UV-reaktive Komponente zwischen 1 und 10 Gew.-% der Füllmasse ausmacht.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Übertragungselementes, welches dadurch ge kennzeichnet ist, daß die UV-gelierbare Füllmasse mittels einem Füllkopf im wesentlichen zentrosymmetrisch auf dem Lichtwellenleiter aufgebracht, über eine UV-Bestrahlungs strecke angeliert und in das Extruderwerkzeug geführt wird und daß dort die Lichtwellenleiterader hergestellt wird.

Zur Beschleunigung der Reaktion der Füllmasse zugesetzten Komponenten werden zweckmäßig Initiatoren verwendet, wobei so wohl Fotoinitiatoren als auch thermische Initiatoren (z. B. in Form von Peroxiden) einsetzbar sind. Diese Initiatoren (gele gentlich auch als Starter bezeichnet) werden bevorzugt in einem Anteil von 0,1 bis 2 Gew.-% der Füllmasse zugesetzt. Die Fotoinitiatoren werden während der Verarbeitung der Füllmasse durch UV-Bestrahlung aktiviert und reagieren mit reaktiven Bestandteilen der Füllmasse. Es kommt dadurch zu einer Art Ge lierung der Füllmasse, verbunden mit einer Verbesserung des Tropfverhaltens.

Anstelle von UV-Bestrahlung ist auch eine andere energiereiche Strahlung, wie x- oder β-Strahlung, zur Aktivierung geeignet, sofern eine Schädigung der optischen Glasfasern ausgeschlossen wird. Thermische Initiatoren, wie z. B. Peroxide, die gegebe nenfalls zugesetzt werden, zerfallen durch Zuführung von Wärme in Radikale, die die Reaktion starten. Als thermische Initiatore sind alle gängigen organischen Dioxo- und Azover bindungen geeignet, sofern sie nomogen in die Füllmasse ein mischbar sind. Beispiele der genannten Art sind Di-tert- alkylperoxide, z. B. Dienmylperoxid oder Di-tert-butylperoxid bzw. Azoverbindungen, wie Azobisisobutyronitril.

Der durch die Initiatoren ausgelöste Vorgang besteht im wesentlichen darin, daß bei einer Aktivierung (z. B. durch UV-Licht) hochreaktive Radikale gebildet werden, die den Reak tionsprozeß der reaktiven Komponente (z. B. des Acrylats) startet bzw. stark beschleunigt. Um die radikalische Poly merisation (Gelierung) weiter zu beschleunigen und einen vollständigen Umsatz der Acrylate zu bewerkstelligen, können in der Ausführungsform neben dem Fotoinitiator zusätzlich thermische Initiatoren (Peroxide) in die Füllmasse einge mischt werden.

Für die durch Energiezufuhr reaktiven Komponenten sind folgen de Ausgestaltungen zweckmäßig:
Als durch Energiezufuhr reaktive Komponenten werden vorzugs weise UV-reaktive Komponenten verwendet.

Es ist vorteilhaft, für die UV-reaktiven Komponenten Acrylat- Verbindungen zu verwenden, wobei zweckmäßig mehrfunktionelle, insbesondere difunktionelle, Acrylat-Verbindungen als UV-reak tive Komponenten eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang ist auch der Einsatz entsprechender Methacrylat-Verbindungen mö glich. Die Viskosität der UV-reaktiven Komponenten sollte einen Wert zwischen 1 und 10⁴ mPas aufweisen. Besonders vor teilhaft ist die Verwendung niedermolekularer Acrylate, wobei sowohl polymere Acrylate als auch oligomere eingesetzt werden können. Bei der Auswahl der UV-reaktiven Komponenten ist darauf zu achten, daß diese mit den übrigen Komponenten der Füllmasse verträglich und homogen einmischbar sind.

Als Beispiele für die vorstehend genannten (Meth)acrylate seien die folgenden Verbindungen genannt:

Diethylenglycoldi(meth)acrylat
Dipropylenglycoldi(meth)acrylat
Triethylenglycoldi(meth)acrylat
Tetraethylenglycoldi(meth)acrylat
Tetrapropylenglycoldi(meth)acrylat
1,6-Hexandioldi(meth)acrylat
Neopentylglycoldi(meth)acrylat
Tetradecan-/Pentadecan-diol-di(meth)acrylat
Ethoxyliertes Bisphenol-A-di(meth)acrylat
Pentaerythritoltetra(meth)acrylat
Dipentaerythritolhexa(meth)acrylat
Pentaerythritoltri(meth)acrylat
Propoxyliertes Pentaerythritoltri(meth)acrylat
Ethoxyliertes, propoxyliertes Neopentylglycoldi(meth)acrylat
Trimethylolpropantri(meth)acrylat
Propoxyliertes Trimethylolpropantri(meth)acrylat
Glycerin-di- und -tri-(meth)acrylat
Propoxyliertes Glycerintri(meth)acrylat
Tris(2-Hydroxyethyl)isocyanurattriacrylat
Polypropylenglycoldi(meth)acrylat
Polyethylenglycoldi(meth)acrylat
Polytetrahydrofurandi(meth)acrylat
Polybutadiendi(meth)acrylat
Acryliertes Leinöl
Urethanacrylat auf Polyether-/Polyesterbasis
Polycaprolactondi(meth)acrylat
Silicon(meth)acrylate mit vorzugsweise 2-300 Siloxaneinheiten mit terminalen und/oder seitenständigen (Meth)acrylatgruppen.

Allgemein ausgedrückt können für die durch Energiezufuhr reaktiven Komponenten vor allem Verbindungen mit energiereichen Doppelbindungen eingesetzt werden. Hierzu zählen neben den bereits erwähnten (Meth)Acrylaten auch Vinylverbindungen, insbesondere solche mit Vinyloxidgruppen. Für die Anwendung geeignet sind ebenfalls substituierte Allylether, Vinylamine und ungesättigte Thioether. Substituierte Mercaptaue (Thiole) in Kombination mit ungesättigten Verbindungen (Acrylate, Vinylverbindungen) sind ebenfalls als reaktive Komponenten einsetzbar.

Als Starter sind alle gängigen Typen von Fotoinitiatoren, so wie Mischungen davon, geeignet. Eine Voraussetzung für ihre Wirksamkeit ist jedoch ihre Kompatibilität und Einmischbarkeit in die flüssigen Bestandteile der Aderfüllmasse. Exemplarisch seien die folgenden Verbindungsklassen und Handelsprodukte genannt:

- Benzoinether, z. B. Benzoinisopropylether
- Benzilketale, z. B. Benzildimethylketal
- Acetophenonderivate, z. B. Diethoxyacetophenon
- Benzophenone, z. B. Bis (4,4′-dimethylamino)benzophenon (Michler′s Keton)
- Thioxanthone, z. B. 2 Isopropyl-thioxanthon

Die Kombination mehrerer Photoinitiatoren mit unterschiedli chen Absorptionsmaxima und Extinktionskoeffizienten erhöht die Wirksamkeit.

Für den Öl- und/oder Fettanteil sind folgende Ausgestaltungen zweckmäßig:
Es können vorteilhaft Paraffinöle und/oder Weißöle verwendet werden. Der Öl- oder Fettanteil wird zweckmäßig zwischen 10 und 70 Gew.-% der Füllmasse gewählt.

Es ist möglich, für den Öl- oder Fettanteil ganz oder teil weise ein Silikonöl zu verwenden.

Als Silikonöle können zweckmäßig Polydimethylsiloxane und/oder phenylhaltige Polysiloxane verwendet werden. Das Silikonöl sollte eine Viskosität zwischen 5 und 10⁴ mPas, insbesondere zwischen 1 und 10 Pas aufweisen. Der Öl- oder Fettanteil wird zweckmäßig zwischen 10 und 90 Gew.-% der Füllmasse aus Silikonöl gebildet.

Die Silikonöle einerseits und Öl- oder Fettanteile anderer seits können auch gemeinsam eingesetzt werden; Voraussetzung dabei ist lediglich, daß die beiden Anteile miteinander ver träglich sind.

Für das Thixotropierungsmittel werden vorteilhaft folgende Ausgestaltungen gewählt:
Als Thixotropierungsmittel wird bevorzugt hochdisperses SiO₂ verwendet (kolloidale Kieselsäure). Die Korngrößen des hoch dispersen SiO₂ sollten zwischen 5 und 10 nm gewählt werden. Als aktive Oberfläche sollte das hochdisperse SiO₂ zweckmäßig zwischen 50 und 500 m²/g aufweisen. Die freien Silanolgruppen des hochdispersen SiO₂ sind vorteilhaft verkappt, insbesondere durch Chlor -oder Methoxysilane. Vielfach ist es zweckmäßig, das hochdisperse SiO₂ mit einem Haftvermittler vorzubehandeln. Der Anteil des Thixotropierungsmittel in der Füllmasse liegt zweckmäßig zwischen 2 und 15 Gew.-%. Es läßt sich kolloidale hydrophile und/oder hydrophobe Kieselsäure verwenden.

Die Füllmasse kann zusätzlich ein Verdickungsmittel aufweisen. Dieses Verdickungsmittel, wie es näher in der EP 00 29 198 be schrieben ist, weist vorteilhaft zwischen 0,1 und 50 Gew.-% aus. Als Verdickungsmittel lassen sich bevorzugt Kohlenwasser stoffpolymere verwenden, wie näher in der EP 00 29 198 be schrieben ist. Die Viskosität des Verdickungsmittels sollte vorteilhaft zwischen 10³ und 10⁵ mPas liegen.

Der Füllmasse wird vorteilhaft mindestens ein Antioxidans zu gesetzt, wobei dieses zweckmäßig zwischen 0,01 und 1 Gew.-% der Füllmasse ausmacht. Als Antioxidantien und Stabilisatoren, sind Verbindungen gemeint, die die Lagerstabilität der Füll massen gewährleisten und schädliche oxidative Einflüsse aus schließen. Insbesondere sollen die zu polymerisierenden Be standteile, die (Meth)acrylate, vor unerwünschter vorzeitiger Polymerisation bewahrt werden. Geeignete Verbindungen dieser Art sind beispielsweise Phenole und Phenolderivate, vorzugs weise sterisch gehinderte Phenole, Amine, vorzugsweise se kundäre Acrylamine und ihre Derivate, Chinone, sowie Schwefel- und Phosphorverbindungen.

Namentlich seien genannt:

Hydrochinonmonomethylether,
Di-tert-butyl-p-cresol,
polymeres 2,2,4-Tri-methyl-1,2-dihydrochinolin,
p-Benzochinon,
Phenothiazin,
Tetrakis(methylen-3(3′,5′-di-tert-butyl-4′-hydroxyphenyl)propionat,
4,4′-Bis-(2,6-di-tert-butyl-phenol),
3,5-Di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl-phosphonsäurediethylester,
4,4′-Thiobis-(3-methyl-6-tert-butyl-phenol).

Im Rahmen der Erfindung kann die Füllmasse auch zusätzlich andere, insbesondere anorganische Füllstoffe aufweisen, wobei diese zwischen 0,01 und 10 Gew.-% der Füllmasse ausmachen können.

Als geeignete anorganische Füllstoffe sind beispielsweise ge eignet: Montmorillonit, Diatomeenerde, basisches oder neu trales Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid, Kaolin und Kreide.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele zur näheren Erläuterung der erfindungsgemäßen Füllmassen angegeben. Dabei bedeutet die Bezeichnung RK die reaktive Komponente, OA den Öl- oder Fett anteil, TH das Thixotropierungsmittel.

Beispiel 1: Herstellung von UV-gelierbaren Aderfüllmassen

Das Paraffinöl und das Verdickungsmittel auf Polyolefinbasis wurden in einem Dissolver gemeinsam mit dem Antioxidans vorge mischt. Anschließend wird die Drehzahl auf ca. 1000 U/min er höht und während 30 Minuten portionsweise das Thixotro pierungsmittel zugegeben. Dabei ist darauf zu achten, daß die Temperatur der Masse nicht über 60°C ansteigt. Anschließend wird das Acrylat und der Photoinitiator zugegeben, wobei durch Regelung der Drehzahl die Messetemperatur 65°C zu halten ist.

Zur Vermeidung von Lufteinschlüssen ist sowohl während der Mischungsherstellung als auch anschließend das Anlegen eines schwachen Vakuums vorteilhaft (20-400 mbar). In Tabelle 1 sind Mischungszusammensetzungen sowie die Viskosität angegeben (Platte/Kegelviskosimeter D=48 s^-1, T=20°C).

Tabelle 1

Zusammensetzung UV-gelierbarer Aderfüllmassen

Beispiel 2: Herstellung einer UV-gelierbaren Aderfüllmasse auf Siloxanbasis

Analog wie in Beispiel 1 beschrieben wurde eine Aderfüllmasse auf Siloxanbasis hergestellt. Tabelle 2 gibt die Zusammen setzung und die Viskosität wieder (Platte/Kegel-Meßeinrich tung, D=48 sec^-1, T=20°C).


MT
Silikonöl (Polydimethylsiloxan η = 500 mPa s) (OA)
85
hydrophober Kieselgel (TH)	5
α,w-Silikondiacrylat (n = 100) (RK)	10
Antioxidans	0,1
Photoinitiator	0,5
Viskosität (mPa s) der Füllmasse	6800

Beispiel 3: Abhängigkeit der Viskosität von der UV-Be strahlungszeit

Aderfüllmasse 1 aus Beispiel 1 wurde nach dem Homogenisieren und Entgasen in eine offene, mit PTFE beschichtete Form (50×50×2 mm) gestrichen. Dann wurden die Proben unter einer Stickstoffatmosphäre mit einer Quecksilberdampflampe der Fa. Fusion mit eliptischem Reflektor (200 Watt/cm) unterschiedlich lang bestrahlt.

Die Verweildauer der Proben wurde durch die Geschwindigkeit des Förderbandes der Anlage geregelt. Vor und nach der Be strahlung wurde jeweils die Viskosität der Proben mit einem Platte-Kegel-Viskosimeter Fa. Haake, RV 12/PK 100 bei 20°C bestimmt.
(Meßkegel PKI/1°, D=48 sec^-1, 20°C)

Tabelle 3

Aus Tabelle 3 geht hervor, daß schon nach einer UV-Bestrah lungszeit von 0,8 Sekunden eine deutliche Zunahme der Visko sität der Füllmasse festzustellen ist.

Beispiel 4: UV-Gelierung von Aderfüllmassen

Aderfüllmassen 1-5 aus Beispiel 1 wurden, wie in Beispiel 3 beschrieben, 3,2 sec mit UV-Licht bestrahlt. Die Viskosität wurde vor und nach der Bestrahlung mit einem Haake Rotovisko RV 12/PK 100 (PKI/1°, D=48 sec^-1, 20°C) bestimmt. In Tabelle 4 sind die Werte zusammengefaßt.

Tabelle 4

Beispiel 5: Einfluß der Scherung auf die Viskosität

Für die Verarbeitung der Aderfüllmasse ist bei hoher Scherge schwindigkeit während der Förderung der Aderfüllmasse eine niedrige Viskosität erforderlich. Beim Befüllen der Hohlader ist ein Abtropfen vom LWL zu vermeiden, bei niedriger Scherung also eine hohe Viskosität erwünscht. In Tabelle 5 ist der Vis kositätsverlauf vor der UV-Bestrahlung für zwei verschiedene acrylatmodifizierte Aderfüllmassen in Abhängigkeit von der Schergeschwindigkeit tabellarisch zusammengestellt.
Messung mit Haake RV 12/PK 100 (PKI/1° bei 20′°C)

Tabelle 5

Viskosität (mPa s)

Aus Tabelle 5 ist ersichtlich, daß z. B. durch Zusatz von 5 MT Hexandioldiacrylat zur Aderfüllmasse eine für die Verarbei tung erwünschte wesentliche Viskositätserniedrigung bei hoher Schergeschwindigkeit erreicht wird.

Beispiel 6: Untersuchung des Auslaufverhaltens von UV-gelier baren Aderfüllmassen

Mit Aderfüllmassen 1, 2, 3 und 4 aus Beispiel 1 wurde das Aus laufverhalten aus Polycarbonatröhrchen als Modell für eine Aderhülle im bestrahlten und unbestrahlten Zustand verglichen. Dazu wurde die Masse nach Befüllen einer 2 ml Polypropylen spritze, die UV-durchlässig ist, in der Spritze durch 3,2 Se kunden UV-Bestrahlung mit einer Fusion-Anlage geliert und in 150 mm langen, beidseitig offene Polycarbonatröhrchen als Modelladern mit einem Innendurchmesser von 4 mm blasenfrei verpreßt. Um eine raschere Beurteilung des Auslaufverhaltens der Masse zu bekommen, wurden die Röhrchen 24 Stunden bei 80°C vertikal, freihängend gelagert. Auslaufkriterium war das Ab senken des oberen Füllstandes in mm beim Auslaufen der Masse.

In Tabelle 6 sind die Auslauflängen zusammengestellt.

Tabelle 6

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Übertragungselementes, welches dadurch ge kennzeichnet ist, daß zunächst eine Mischung einer Füllmasse hergestellt wird, die mindestens einen Öl- oder Fettanteil, ein Thixotropierungsmittel und eine oder mehrere UV-reaktive Komponenten enthält, daß nach vollständiger Durchmischung die so aufbereitete Füllmasse durch Energiezufuhr derart aktiviert wird, daß die UV-reaktiven Komponenten zu einem aufgeweitetem Netzwerk (Gel) reagieren und damit eine Erhöhung der Viskosi tät der Füllmasse bewirken und daß die so angelierte, in ihrer Viskosität erhöhte, Füllmasse einer entsprechenden Füllein richtung zugeführt wird, die der Herstellung des optischen Übertragungselementes dient.

Zusätzlich oder unabhängig von dem vorstehend beschriebenen Verfahrensschritt kann auch so vorgegangen werden, daß zunächst die Füllmasse aus mindestens dem Öl- oder Fettanteil, dem Thixotropierungsmittel und der UV-reaktiven Komponente hergestellt und gemischt wird, daß diese so erhaltene Füllmasse als Ader- oder Seelenfüllmasse einer entsprechenden Einrichtung zur Aufbringung der Schutzhülle zugeführt wird und daß der so erhaltenen Schutzhülle Energie derart zugeführt wird, daß die UV-reaktive Komponenten miteinander reagieren, ein Gel bilden und so die Viskosität der Füllmasse erhöht wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 im Querschnitt eine Lichtwellenleiter-Ader mit einer erfindungsgemäß zusammengesetzten Füllmasse,

Fig. 2 im Querschnitt ein Lichtwellen-Kabel, bei dem sowohl eine Aderfüllmasse als auch eine Seelenfüllmasse ver wendet ist,

Fig. 3 und 4 in schematischer Darstellung die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in zwei verschiedenen Aus führungsformen.

In Fig. 1 ist als langgestrecktes optisches Übertragungsele ment eine Lichtwellenleiterader vorgesehen, die mit AD be zeichnet ist. Innerhalb einer Schutzhülle SH ist lose (mindestens) ein Lichtwellenleiter LW angeordnet. Der freie Raum zwischen der Innenwand der Schutzhülle SH und der Ober fläche des Lichtwellenleiters LW ist mit einer Füllmasse FC gefüllt, die zusätzlich eine UV-reaktive Komponente aufweist und dadurch unter anderem eine hohe Sicherheit gegen Auslaufen bietet und zugleich preiswert und einfach herstell- und ver arbeitbar ist.

In Fig. 2 ist ein optisches Kabel CA dargestellt, das einen Außenmantel OS aufweist. Im Inneren, d. h. im Bereich der Kabelseele sind drei Lichtwellenleiter-Adern AD1-AD3 vorge sehen, die den gleichen Aufbau wie die Ader AD nach Fig. 1 aufweisen. Die zugehörigen Schutzhüllen SH1-SH3 sind zweck mäßig durch Extrusion aufgebracht, wobei beim Extrusionsvor gang auch die zugehörigen Füllmassen FC1-FC3, z. B. durch je eine Injektionsnadel eingebracht werden.

Die verbleibenden Zwickelräume im Außenbereich der Licht wellenleiter-Adern AD1-AD3 sind ebenfalls mit einer Füllmasse FCS gefüllt (Seelenfüllmasse), die zweckmäßig ebenfalls eine UV-reaktive Komponente enthält und dadurch einfach herstell bar, austropfsicher und leicht zu verarbeiten ist.

Die VV-gelierbaren Aderfüllmassen können vom Füllmassenher steller bezogen werden, d. h. alle Komponenten: Öl- oder Fett anteil, Thixotropierungsmittel, Verdickungsmittel, sowie Fotoinitiatoren, gegebenenfalls thermischer Starter, Stabili satoren und UV-reaktive Komponenten (Acrylate) werden vom Füllmassenhersteller (chemische Industrie) im gewünschten Mengenverhältnis gemischt, homogenisiert und entgast. Eine solche Füllmasse, sofern sie unter Lichtausschluß und bei Raumtemperatur aufbewahrt wird, ist vor ihrer Verarbeitung mindestens 12 Monate lagerstabil. Die fertige Füllmasse wird in entsprechenden Behältern (Fassungsvermögen: max. 100 l) angeliefert und in einem der nachstehend beschriebenen Ver fahren als Aderfüllmasse bzw. Seelenfüllmasse verarbeitet (vergleiche Fig. 3 und Fig. 4).

In Fig. 3 ist schematisch angedeutet, wie die UV-gelierbare Füllmasse verfahrenstechnisch verwendet wird. Aus einem Vorratsbehälter VB gelangt die noch weitgehend flüssige (d. h. niederviskose) Füllmasse FC* ein Förderband FB, wo eine Reihe von der Energiezufuhr dienenden UV-Lampen UV1-UV3 an geordnet sind. Durch die UV-Bestrahlung findet eine Reaktion der UV-reaktiven Komponenten statt, wobei eine Gelierung bzw. Kettenbildung dieser Komponenten bewirkt wird, die zu einer erheblichen Erhöhung der Viskosität führt und vor allem das Auslaufverhalten der am Ende dieses Prozesses erhaltenen Füll masse FC wesentlich verbessert. Die Füllmasse wird an schließend, z. B. über einen Abstreifer und eine Entgasungs zone mittels einer Pumpe PP und einer Füllnadel FN, einem Extruder EX zugeführt, an dessen Spritzkopf ein Reckkegel RK erzeugt wird, bei dessen Ausziehen die Schutzhülle SH eines Lichtwellenleiters AD nach Fig. 1 erhalten wird. Mindestens ein Lichtwellenleiter LW wird von einer Vorratsspule VS abgezogen und ebenfalls durch den Extruderkopf EX hindurchgeführt.

Es besteht bei Zusatz eines thermischen Initiators, z. B. eines Peroxids die Möglichkeit, sowohl die Wärme des Extruders EX als auch die Energie gegebenenfalls weiterer UV-Lampen UV4 und UV5 für die Aktivierung der chemischen Reaktion der reak tiven Komponenten mit heranzuziehen. Im einzelnen können zu sätzlich UV-Lampen UV4 und UV5 im Bereich der Lichtwellenlei terader AD eingesetzt werden, die auf deren Schutzhülle ge richtet sind. Vorteilhaft ist es dabei, wenn diese Schutzhülle möglichst für das UV-Licht durchlässig ist, so daß ein hoher Energieanteil in das Innere bis zur Füllmasse FC gelangt. Dies ist für aliphatische Polyolefine (PE, PP) und Thermoplaste mit geringem Aromatenanteil (Polyamid, Polyester, Polymethyl methacrylat) gewährleistet.

Die Aktivierung der UV-reaktiven Komponente RK kann sowohl allein im Bereich des Förderbandes FB (also vor der Füllung der Lichtwellenleiterader) als auch allein nach der Füllung der Lichtwellenleiterader (durch die UV-Lampen UV4 und UV5) bewirkt werden. Es ist aber auch möglich, eine Kombination vorzusehen, d. h. (wie dargestellt) die Aktivierung der UV- reaktiven Komponenten sowohl vor dem Füllvorgang als auch nach dem Füllvorgang des optischen Übertragungselementes, d. h. im vorliegenden Beispiel der Lichtwellenleiter AD durchzu führen.

In Fig. 4 ist eine verfahrenstechnische Variante für ein über schußfreies Füllmassen-Füllsystem für LWL-Aderhüllen skizziert. Von einem Vorratsbehälter VB4 wird die Füllmasse mittels einer Pumpe PP4 in einen Füllkopf FK befördert, durch den in 90° versetzt der Lichtwellenleiter LW4 geführt und tangential von Füllmasse umströmt wird. Durch Schleppströmung wird die Füllmasse gleichmäßig auf dem Lichtwellenleiter verteilt und zur Aderextrusion befördert. Der mit Füllmasse belegte Licht wellenleiter wird seitlich in ein Extruderwerkzeug EX4 ge führt und mit der Aderhülle AH4 umspritzt.

Zwischen dem Füllkopf FK der Füllmasse und dem Einlauf in das Extruderwerkzeug EX4 sind seitlich (zwei) UV-Lampen UV6 und UV7 angebracht, die die Gelierung der Füllmasse ermöglichen. Zur Erhöhung der Aushärtegeschwindigkeit kann der mit Füll masse belegte Lichtwellenleiter LW4 längs der Bestrahlungs strecke durch ein mit Inertgas (Stickstoff oder Argon) ge spültes Quarzrohr QR geführt werden. Dadurch wird eine inhi bierende Wirkung von Luftsauerstoff ausgeschlossen.

Claims

1. Optisches Übertragungselement (OC) mit mindestens einem Lichtwellenleiter (LW), der in einer mit einer Füllmasse (FC1, FC2) versehenen Schutzhülle angeordnet ist, wobei die Füll masse einen Öl- oder Fettanteil und ein Thixotropierungsmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllmasse (FC1, FC2) zusätzlich mindestens eine UV-reaktive Komponente zugesetzt ist.

2. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-reaktiven Komponenten zwischen 1 und 10 Gew.-% der Füllmasse ausmachen.

3. Optisches Übertragungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-reaktive Komponente aus einer Acrylat-Verbindung besteht.

4. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als UV-reaktive Komponente mindestens eine mehrfunktio nelle, insbesondere difunktionelle Acrylat-Verbindung ver wendet wird.

5. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Methacrylat-Verbindung verwendet ist.

6. Optisches Übertragungselement nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als UV-reaktive Komponente Silikone bzw. Silikonacrylate oder Mischungen aus Acrylaten mit einem und/oder mehreren unterschiedlichen Silikonacrylaten verwendet wird.

7. Optisches Übertragungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-reaktiven Komponenten eine Viskosität von 1 bis 10⁴ mPas aufweist.

8. Optisches Übertragungselement nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß niedermolekulare Acrylate verwendet sind.

9. Optisches Übertragungselement nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß polymere Acrylate verwendet sind.

10. Optisches Übertragungselement nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß oligomere Acrylate verwendet sind.

11. Optisches Übertragungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine UV-reaktive Komponente so gewählt ist,
daß sie mit den übrigen Komponenten der Füllmasse verträglich und homogen einmischbar ist.

12. Optisches Übertragungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Öl- oder Fettanteil eine Viskosität zwischen 50 und 10 mPas aufweist.

13. Optisches Übertragungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Öl- oder Fettanteil Paraffinöle und/oder Weisöle ver wendet sind.

14. Optisches Übertragungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Öl- oder Fettanteil zwischen 10 und 70 Gew.-% der Füll masse ausmacht.

15. Optisches Übertragungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Öl- oder Fettanteil mindestens ein Silikonöl enthält oder ganz aus Silikonöl besteht.

16. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Silikonöl bzw. Silikonpolydimethylsiloxane- und/oder phenylhaltige Polysiloxane verwendet sind.

17. Optisches Übertragungselement nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Silikonöl eine Viskosität zwischen 5 und 10⁴ mPas, ins besondere zwischen 1 und 10 Pas aufweist.

18. Optisches Übertragungselement nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Öl- oder Fettanteil zwischen 10 bis 90 Gew.-% aus Silikonölen besteht.

19. Optisches Übertragungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Thixotropierungsmittel hochdisperses SiO₂ (kolloidale Kieselsäure) verwendet ist.

20. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngrößen des hochdispersen SiO₂ zwischen 5 und 100 nm gewählt sind.

21. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Oberfläche des hochdispersen SiO₂ zwischen 50 und 500 m²/g aufweist.

22. Optisches Übertragungselement nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß freie Silanolgruppen des hochdispersen SiO₂ verkappt sind, insbesondere durch Chlor- oder Methoxysilane.

23. Optisches Übertragungselement nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß hochdisperses SiO₂ verwendet ist, das mit einem Haftver mittler vorbehandelt ist.

24. Optisches Übertragungselement nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß 2 bis 15 Gew.-% Thixotropierungsmittel in der Füllmasse vorgesehen sind.

25. Optisches Übertragungselement nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß kolloidale hydrophile und/oder hydrophobe SiO₂ verwendet ist.

26. Optisches Übertragungselement nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmasse zusätzlich ein Verdickungsmittel aufweist, welches zwischen 0,1 und 50 Gew.-% ausmacht.

27. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdickungsmittel Kohlenwasserstoffpolymere verwendet sind.

28. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdickungsmittel eine Viskosität zwischen 10³ und 10⁵ mPas aufweist.

29. Optisches Übertragungselement nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmasse zusätzlich Fotosensibilisatoren aufweist.

30. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Fotoinitiatoren zwischen 0,1 und 3 Gew.-% gewählt ist.

31. Optisches Übertragungselement nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Füllmasse neben Fotoinitiatoren zusätzlich thermi sche Initiatoren enthalten sind.

32. Optisches Übertragungselement nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllmasse zusätzlich mindestens ein Antioxidans zuge setzt ist.

33. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Antioxidans zwischen 0,01 und 1 Gew.-% der Füllmasse beträgt.

34. Optisches Übertragungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmasse zusätzlich andere, insbesondere anorganische Füllstoffe aufweist.

35. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganischen Füllstoffe zwischen 0,01 und 10 Gew.-% der Füllmasse betragen.

36. Verfahren zur Herstellung eines optischen Übertragungs elementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-gelierbare Füllmasse mittels einem Füllkopf im wesentlichen zentrosymmetrisch auf dem Lichtwellenleiter auf gebracht, über eine UV-Bestrahlungsstrecke angeliert und in das Extruderwerkzeug geführt wird und daß dort die Licht wellenleiterader hergestellt wird.

37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß zum Angelieren der Füllmasse UV-Strahlung verwendet wird.