DE4131840A1 - Verfahren zur herstellung thermoplastischer polymeroptischer fasern sowie nach diesem verfahren hergestellte polymeroptische fasern und ihre verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her­ stellung von Polymeroptischen Fasern (POF), vorzugsweise von solchen mit einem Durchmesser nicht unter 2 mm, die sich durch besonders geringe Durchmesserschwankung, einen großen Bereich des herstellbaren Durchmessers sowie hervorragende optische Eigenschaften auszeichnen. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch eine verlangsamte Abkühlung des Fadens nach Austritt aus der Spinndüse mittels eines relativ kurzen (<10 cm), aus schlecht wärmeleitfähigem Material gefertigten Rohrstücks ohne explizite Temperiervorrichtung unterhalb der Düse (Be­ ruhigungszone). Verwendet werden POF mit einem thermo­ plastischen Kern auf Basis eines transparenten thermo­ plastischen Polymeren, bevorzugt Polycarbonat, Poly­ methylmethacrylat oder Polystyrol. Beansprucht werden Polymeroptische Fasern mit Durchmessern oberhalb 2 mm. Ferner wird die Verwendung der so hergestellten Polymer­ optischen Fasern zum Einsatz für Beleuchtungszwecke, für Datenübertragung und als passive Koppler in optischen Systemen beansprucht.

Verfahren zur Herstellung optischer Glasfasern und thermoplastischer Polymeroptischer Fasers sind an sich bekannt. Die EP-A 3 18 002 beschreibt, wie viele andere Veröffentlichungen, die Herstellung einer optischen Glasfaser aus einer sogenannten Vorform durch Erwärmen eines Endes der Vorform, vorzugsweise durch Strahlungs­ wärme, und Ziehen der Faser aus dem temperaturbedingt weichen Material. Die FR 25 57 495 lehrt, die Herstel­ lung einer aus Polymeren bestehende Vorform und bean­ sprucht die Erspinnung einer optischen Faser aus der erwärmten Vorform. Prinzipielle Nachteile der Herstel­ lung thermoplastischer POF aus einer Vorform sind die zweifache thermische Belastung des thermoplastischen Materials (bei Herstellung der Vorform und beim eigent­ lichen Ziehvorgang) und die Diskontinuität des Prozes­ ses, da die Vorform nach ihrer Erschöpfung gewechselt werden muß. Thermoplastische POF können im Gegensatz zu optischen Glasfasern, in bekannter Weise dadurch voll­ kontinuierlich hergestellt werden, daß thermoplastisches Kunststoffgranulat in einem Extruder plastifiziert und mittels einer Zahnradpumpe zur Fadenbildung durch eine Spinndüse gedrückt wird. Nach Austritt aus der Spinndüse muß der Faden abgekühlt werden. Bekannte Kühlvor­ richtungen sind z. B. in EP 2 61 856, EP 79 186 oder WO 89/02 420 beschrieben.

Bekannte Kombinationen aus Spinndüse und Kühlvorrichtung haben bei der Erspinnung von POF jedoch den gravierenden Nachteil, daß die Abkühlung des Fadens im Bereich nahe der Spinndüse zu schnell erfolgt. Daher ist die Viskosi­ tät im äußeren Bereich des aus der Düsenmündung aus­ tretenden Polymerstrahles nachteiligerweise wesentlich größer als im inneren. Dies führt zu einem instabilen Spinnvorgang, der Schwankungen des Faserdurchmessers nach sich zieht. Die Durchmesserschwankungen reduzieren nachteiligerweise auch die Transparenz der optischen Faser. Weiterhin wird durch die zu rasche Abkühlung Doppelbrechung, insbesondere Spannungsdoppelbrechung, verursacht, die die Transparenz ebenfalls verschlech­ tert. Die durch eine rasche Abkühlung induzierten großen Temperaturunterschiede zwischen der Oberfläche des Schmelzestrahls und seinem Innern führen zu einge­ frorenen Eigenspannungen, die die Gebrauchsfähigkeit der fertigen Faser durch unzulässige hohe Spannungsrißan­ fälligkeit erheblich beeinträchtigen können.

Die Japanische Offenlegungsschrift 1-2 33 403 (1989) beschreibt eine unterhalb der Spinndüse angeordnete Zone von mindestens 10 cm Länge, die dadurch zu einer ver­ langsamten Abkühlung der Faser führen soll, daß sie auf erhöhter, definierter Temperatur (<70°C) - vermutlich mittels Energiezufuhr von außen - gehalten wird. Wie insbesondere die in der oben angegebenen Japanischen Offenlegungsschrift angeführten Beispiele zeigen, ist es jedoch nicht möglich, eine für die Weiterverarbeitung der Faser auch nur annähernd brauchbare Gleichmäßigkeit des Durchmessers zu erreichen: Die niedrigsten Abwei­ chungen liegen oberhalb von 5% des mittleren Durch­ messers und entsprechen nicht den Anforderungen, wie sie beim heutigen Stand der Technik beim Einlegen in paßgenaue Nuten (z. B. für die Beleuchtung von Geräte­ displays), beim Applizieren von Steckverbindern (insbe­ sondere mittels halbautomatischer oder vollautomatischer Konfektioniermaschinen) oder beim sogenannten "Aktivieren" mittels mikromechanischer Verfahren ge­ stellt worden. Die dort genannten Beispiele zeigen weiterhin, daß die Langsamkühlzone umso länger werden muß, je geringer die Durchmesserabweichungen werden sollen. Dies ist abträglich für die Herstellung von POF mit erhöhtem Durchmesser, da die beim Spinnvorgang frei hängende Länge der Faser vergrößert wird und das bei größeren Faserdurchmessern nicht erhebliche Eigenge­ wichte die Faser aus der Spinndüse zieht, wodurch der Spinnvorgang unkontrollierbar wird. Dieser Effekt kann auch dadurch nicht verhindert werden, daß man die Spinn­ düsentemperatur herabsetzt (um die Schmelzeviskosität zu erhöhen), da durch die erhöhte Viskosität der Schmelze wiederum Durchmesserpulsationen und Doppel­ brechung erzeugt werden.

POF mit großen Durchmessern sind jedoch höchst erwünscht, da sie als Kernstück passiver Sternkoppler in optischen und optoelektronischen Bussystemen sehr vorteilhaft einzusetzen sind. Die Kernfasern von für Sternkoppler vorgesehenen POF sind bevorzugt dicker als 2 mm (mit einer oberen Grenze von ca. 4 mm). Besonders bevorzugt sind Fasern mit 3 mm Kerndurchmesser, da sich an ihren Stirnseiten die zum Signalleiten vorgesehenen POF mit dem zur Normung anstehenden Durchmesser von 1 mm besonders geschickt arrangieren lassen. POF mit Poly­ carbonat als Kernmaterial und Kerndurchmessern von über 2 mm sind bisher nicht bekannt geworden.

Es bestand daher die Notwendigkeit, ein Verfahren zu entwickeln, das den Faden nach Austritt aus der Spinn­ düse zunächst verlangsamt abkühlen läßt, wobei es darauf ankommt, die Länge der Langsamkühlzone - insbesondere im Hinblick auf die Erspinnung von POF im oberen Durch­ messerbereich - recht kurz zu halten und wobei das Verfahren bei dicken wie bei dünnen Fasern, zu einer wesentlich besseren Durchmesserkonstanz führt als das Verfahren aus JP 1-2 33 403. Hierbei hat sich über­ raschenderweise gezeigt, daß ein relativ kurzes, vor­ zugsweise <10 cm langes, aus schlecht wärmeleitendem Material gefertigtes, rohrähnliches Stück ohne explizite Temperiervorrichtung (im folgenden "Beruhigungszone" genannt) die Durchmesserkonstanz erheblich verbessert. Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen Spinndüse und Kühlvorrichtung eine solche Be­ ruhigungszone eingefügt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie den Faden im wesentlichen vollständig um­ schließt, daß vom Faden durch die von der Beruhigungs­ zone gebildete Wand des Kanals, durch den der Faden läuft, nur sehr wenig Wärme übertragen wird, und daß die obere Seite der Werkstücks, das die Beruhigungszone bildet, gegen die im wesentlichen plattenförmige Spinn­ düse drückt und von dieser je Zeiteinheit eine bestimmte Wärmemenge abführt, wobei die Wand der Beruhigungszone bevorzugt aus einem nichtmetallischen Werkstoff, beson­ ders bevorzugt aus keramischem oder gefülltem oder nicht gefülltem hochpolymerem Kunststoff mit genau bestimmter, bevorzugt nicht zu großer Wärmeleitfähigkeit besteht, daß die Länge der Beruhigungszone weniger als 10 cm, bevorzugt 4-8 cm, besonders bevorzugt 5-7 cm beträgt, daß der Faden ohne Kontakt mit festen Körpern, wie z. B. Rollen o. ä. und ohne Kontakt mit flüssigen Substanzen wie z. B. Wasser abgekühlt wird, und daß der Faden, der aus einer einfachen Spinndüse extrudiert wird (es handelt sich nicht um eine Coextrusion), während dieses Kühlvorgangs noch keine totalreflektierende Beschichtung (Cladding) aufweist, sondern ein Cladding mittels eines Materials mit einem optischen Brechungsindex, der kleiner als der des Kerns ist, erst nach dem Abkühlen des Kernfadens aufgebracht wird, und daß der Faden, nachdem er erstarrt ist, nicht verstreckt wird, wobei sich die genannten Verfahrensvorteile, insbesondere die Möglichkeit der Herstellbarkeit von polymeroptischen Fasern mit einem Durchmesser von 2,5 mm und mehr nur durch die Kombination der Beruhigungszone mit einer anschließenden, relativ langsamen (nicht schock­ artigen) Inertgaskühlung ergeben.

Die Erfindung besteht somit aus einem Verfahren zum Er­ spinnen einer zur Leitung von Lichtwellen hervorragend geeigneten polymeroptischen Faser, deren Kern aus einem transparenten Polymeren, bevorzugt Polycarbonat, Poly­ methylmethacrylat oder Polystyrol, besonders bevorzugt Polycarbonat, besteht. Der bevorzugt als Granulat vor­ liegende Kunststoff wird in einem an sich bekannten Extruder plastifiziert. Die Temperatur am Extruderaus­ tritt liegt bei Verwendung von Polycarbonat zwischen 240°C und 295°C, bevorzugt zwischen 260°C und 285°C. Eine dem Extruder nachgeschaltete Spinnpumpe, die sowohl zur Druckerhöhung als auch zum Einstellen eines definierten Volumenstromes dient, drückt die Polymer­ schmelze durch eine Spinndüse in einen nach außen hin überwiegend abgeschlossenen Kanal. Fig. 1 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Verfahrens­ anordnung. Der obere, der Spinndüse 1 zugewandte Teil des Kanals 2 besteht aus der bereits erwähnten Beruhi­ gungszone 3. Diese besteht aus keramischem Material oder gegebenenfalls gefülltem Polymerwerkstoff. Der untere, weitaus längere Teil des Kanals besteht aus einer gut wärmeleitenden, bevorzugt metallischen Wand 4, die mittels einer Kälteträgersubstanz 5 auf einer Temperatur zwischen -20°C und +5°C, bevorzugt zwischen -15°C und -5°C gehalten wird. Die Temperatur der Kanalwand kann über die Länge des Kanals unterschiedlich sein. Zwischen der Kanalwand und dem konzentrisch in dem Kanal befind­ lichen Faden strömt im Gegenstrom oder Gleichstrom ein weitgehend inertes Gas 6, wie z. B. Stickstoff, Helium, gereinigte Luft, Kohlendioxid oder Argon, das sowohl als wärmeaufnehmendes als auch als Wärme vom Faden an die Kanalwand übertragendes Medium fungiert. Bevorzugte Gase sind Stickstoff, Helium und Luft. Besonders bevorzugte Gase sind Stickstoff und Helium. Durch ein Fenster 7 wird der Durchmesser des Kernfadens mittels eines Laserscanners kontinuierlich gemessen. Beim Verlassen des unteren Kanalteils ist die Faser hinreichend stark abgekühlt und wird in weiteren, hier nicht interessierenden üblichsn Apparaten und Verfahren mit einer totalreflektierenden Schicht (Cladding) versehen und aufgespult.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten POF eignen sich ausgezeichnet sowohl zum Einsatz für Beleuchtungszwecke, wie z. B. Wechselverkehrszeichen, Displays und Sensoren, als auch für Zwecke der Daten­ übertragung, beispielsweise für optische Bussysteme, z. B. in Straßenfahrzeugen, Baumaschinen, schienenge­ bundenen Fahrzeugen, Robotern und Handhabungsgeräten, elektrischen Hochspannungsanlagen, EDV-Anlagen und Büro­ maschinen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich POF guter Qualität im Durchmesserbereich von 0,25 bis 4 mm fertigen. Wie in Beispiel 2 gezeigt, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders vorteilhaft POF mit sehr großem Durchmesser (über 2 mm, z. B. 2 bis 4 mm), insbesondere <3 mm hergestellt werden, wie sie sehr vorteilhaft als passive Koppler in optischen Fasersystemen Verwendung finden.

Zu den Zeichnungen:

Fig. 1 gibt eine Düse (1) mit Beruhigungszone (2, 3) und Kühlzone wieder.

Fig. 2, 3 und 4 geben die gefundenen Verteilungen der Durchmesser wieder.
D = Durchmesser,
H = Häufigkeit.
(siehe Beispiele 1 bis 3)

Beispiel 1

Als Kernmaterial wird ein Polycarbonat auf Basis von Bisphenol-A verwendet, das eine relative Viskosität (in Methylenchlorid bei 25°C) im Bereich 1,17 bis 1,21 aufweist. Der verwendete Cladding-Lack gehört zur Klasse der in der EP 03 27 807 beschriebenen Substanzen. Sie bestehen aus 25 bis 75 Gew.-% polyfunktionellen (Meth)Acrylsäurederivaten (A) und 75 bis 25 Gew.-% an monofunktionellen (Meth)Acrylsäureestern wie 1-(N- Acrylcarbamoyl)acrylsäure-alkylestern, z. B. 1-(N- butylcarbamoyl)ethylacrylat. Die polyfunktionellen Produkte (A) sind beispielsweise aus linearen Polyether­ oder Polyesterdiolen (Molekulargewicht 100 bis 2500), 2-Hydroxyethyl-acrylat und geringen Mengen an Zinnkata­ lysatoren und Stabilisatoren, sowie Isophorondiisocyanat aufgebaut (siehe z. B. Umsetzungsprodukte a) bis f) in der DE-OS 38 01 576).

Das Polycarbonat wird in einem Extruder aufgeschmolzen (maximale Temperatur 285°C). Die Schmelze wird mittels einer Zahnradpumpe durch einen beheizten Schmelzekanal einer Spinndüse zugeführt (bevorzugte Spinndüsentem­ peratur 203°C). Die Länge der Beruhigungszone ist 5 cm. Danach tritt der Faden in eine Gegenstromkühlvorrichtung ein, die eine Wandtemperatur von -10°C hat. Kühlgas ist gereinigter Stickstoff. Die gasbeaufschlagte Kühlstrecke ist wesentlich länger als die Beruhigungszone. Nach dem Abkühlen wird die Faser mit einem Laserscanner (Meß­ genauigkeit ± 0,1 µm) auf Durchmessergenauigkeit kon­ trolliert und dann gemäß EP 03 27 807 mit Cladding be­ schichtet und aufgewickelt. Der Laserscanner ist über eine Digitalschnittstelle mit einer rechnergestützten Meßdatenerfassungs- und Auswertanlage verbunden. Schmelzestrom und Abzugsgeschwindigkeit sind so aufein­ ander abgestimmt, daß der Solldurchmesser des Faserkerns 0,248 mm beträgt. Die ermittelte Durchmesserverteilung zeigt Fig. 2. Die Breite der Verteilung an der 0%-Linie entspricht einer Durchmesserabweichung von ± 2,2%. Die dargestellte Kurve resultiert aus 6000 Einzelmessungen. Zum Bestimmen der spezifischen Dämpfung wurden an signi­ fikanten Stellen der fertigen Spule je ein 10 m langes Stück herausgeschnitten und mit einem He-Ne-Laser (Wellenlänge 633 nm) verbunden. Während des sukzessiven Abschneidens von je 1 m langen Stücken wird die Zunahme der Lichtintensität am Austrittsende erfaßt. Es ergibt sich ein Mittelwert von 1250 dB/km.

Beispiel 2

Einsatzstoffe, Apparatur und Verfahrensbedingungen sind exakt die gleichen wie in Beispiel 1, jedoch sind Schmelzestrom und Abzugsgeschwindigkeit so aufeinander abgestimmt, daß sich ein Solldurchmesser des Kerns von 1,496 mm ergibt. Die Abzugsgeschwindigkeit ist geringer als im Beispiel 1, die bevorzugte Spinndüsentemperatur beträgt 191°C. Die Messung und Erfassung des Durch­ messers erfolgt genauso wie in Beispiel 1, das Ergebnis zeigt Fig. 3. Die Breite der Verteilung an der 0%-Linie entspricht einer Durchmesserabweichung von ± 1,5%. Der Mittelwert der spezifischen Dämpfung beträgt 1170 dB/km.

Beispiel 3

Einsatzstoffe, Apparatur und Verfahrensbedingungen sind exakt die gleichen wie in Beispiel 1, jedoch sind Schmelzestrom und Abzugsgeschwindigkeit so aufeinander abgestimmt, daß sich ein Solldurchmesser des Kerns von 2,500 mm ergibt. Die Abzugsgeschwindigkeit ist geringer als im Beispiel 2, die bevorzugte Spinndüsentemperatur beträgt 193°C. Die Messung und Erfassung des Durch­ messers erfolgt genauso wie in Beispiel 1, das Ergebnis zeigt Fig. 4. Die Breite der Verteilung an der 0%-Linie entspricht einer Durchmesserabweichung von ± 1,2%. Der Mittelwert der spezifischen Dämpfung beträgt 1380 dB/km.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von Polymeroptischen Fasern (POF) auf Basis thermoplastischer, trans­ parenter Polymerer durch Aufschmelzen in einem Extruder, Spinnpumpen-dosierter Schmelzverspinnung zu einem Faserkern und Nachbehandlung direkt ab der Spinndüse, gefolgt von nachträglichem Aufbringen einer total reflektierenden Schicht, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Vergleichmäßigung des Durch­ messers des Faserkerns auf <5% Abweichung des mittleren Durchmessers selbst über große Titerbe­ reiche der Schmelzefaden nach Austritt aus der Spinndüse durch eine kurze, rohrförmige Beruhi­ gungszone geleitet wird, welche den Faden im wesentlichen vollständig umschließt, aus einem nichtmetallischen Kunststoff mit nicht zu großer Wärmeleitfähigkeit besteht, oben gegen die Düse drückt, die Länge dieser Beruhigungszone weniger als 10 cm beträgt und nicht durch Heiz- oder Kühl­ einrichtungen temperiert wird, nach der Beruhi­ gungszone der Faden in einer angeschlossenen, wesentlich längeren, mit einer gut wärmeleitenden Wand versehenen Abkühlungszone mit einer relativ langsamen Abkühlungswirkung unter Anwendung eines Kühlungsmittels geleitet und der Faden ohne Kontakt mit festen Körpern oder flüssigen Substanzen abge­ kühlt wird und erst nach dem Abkühlen dieses unver­ streckten Kernfadens eine total reflektierende Schicht (Cladding) in an sich üblicher Art und Menge aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden nach Austritt aus der Spinndüse durch eine 4 bis 8 cm lange Beruhigungszone geführt wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die rohrförmige Beruhigungszone aus keramischem Werkstoff oder hochpolymerem, gefülltem oder ungefülltem Kunststoff besteht.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abkühlungszone durch Inertgas­ kühlung auf Temperaturen zwischen -20°C und +5°C gehalten wird, wobei die Temperatur dieser Kanal­ wand über die Länge unterschiedlich sein kann.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kern des transparenten, thermo­ plastischen Polymers aus Polycarbonat, Polymethyl­ methacrylat oder Polystyrol, bevorzugt aus Poly­ carbonat, besteht.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß polymeroptische Fasern mit Durch­ messern von 0,25 bis 4 mm, vorzugsweise von <2 mm bis 3 mm hergestellt werden.

7. Polymeroptische Fasern, zugänglich nach Ansprüchen 1 bis 6, mit Schwankungen der Durchmesser bis maximal ± 2,5% und Durchmessern < 2 mm.

8. Verwendung der polymeroptischen Fasern nach Anspruch 7 zum Einsatz für Beleuchtungszwecke, für Datenübertragung und als passive Koppler in optischen Fasersystemen.