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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein optische Faserbeschichtungszusammensetzungen und
insbesondere faseroptische Beschichtungszusammensetzungen, die ein
Färbemittel
enthalten.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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Optische
Glasfasern werden häufig
mit zwei oder mehr einander übergelagerten
strahlungsaushärtbaren
Beschichtungen beschichtet, die zusammen eine primäre Beschichtung
direkt nachdem die Glasfaser in einem Ofen durch Ziehen gebildet
worden ist, bilden. Die Beschichtung, die die optische Glasfaser
direkt kontaktiert, wird „innere
primäre
Beschichtung" genannt
und eine darüberliegende
Beschichtung wird „äußere primäre Beschichtung" genannt. In älteren Literaturangaben
wurde die innere primäre
Beschichtung oft einfach „primäre Beschichtung" und die äußere primäre Beschichtung
wurde oft „sekundäre Beschichtung" genannt, aus Gründen der Klarheit
ist die Industrie jedoch in den letzten Jahren von dieser Terminologie
abgekommen. Innere primäre
Beschichtungen sind weicher als äußere primäre Beschichtungen.
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Einschichtige
Beschichtungen („einzelne
Beschichtungen")
können
ebenfalls zum Beschichten optischer Fasern verwendet werden. Einzige
Beschichtungen weisen im Allgemeinen Eigenschaften (z.B. Härte) auf,
die zwischen den Eigenschaften der weicheren innere primären und
härteren äußeren primären Beschichtungen
liegen.
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Die
relativ weiche innere primäre
Beschichtung bietet einen Widerstand gegen das Mikrobiegen, das
zum Reduzieren der Signalübertragungsfähigkeit
der beschichteten optischen Faser führt und daher unerwünscht ist.
Die härtere äußere primäre Beschichtung
bietet einen Widerstand gegen Handhabungskräfte, wie diejenigen, denen
man begegnet, wenn die beschichtete Faser zu Bändern und/oder Kabeln verarbeitet
wird.
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Optische
Faserbeschichtungszusammensetzungen umfassen im Allgemeinen, gleichgültig, ob es
sich um innere primäre
Beschichtungen, äußere primäre Beschichtungen
oder einzelne Beschichtungen handelt, vor dem Aushärten ein
polyethylenisch ungesättigtes
Monomer oder Oligomer, das in einem flüssigen, ethylenisch ungesättigten
Medium und einem Fotoinitiator gelöst oder dispergiert ist. Typischerweise
wird die Beschichtungszusammensetzung auf die optische Faser in
flüssiger
Form aufgebracht und dann aktinischer Strahlung ausgesetzt, um das
Aushärten
zu bewirken.
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Zum
Zwecke der Multikanalübertragung
sind optische Fasergefüge
verwendet worden, die mehrere beschichtete optische Fasern enthalten.
Beispiele optischer Fasergefüge
umfassen Bändergefüge und Kabel.
Ein typisches Bändergefüge wird
durch Miteinanderverbinden mehrerer parallel orientierter, einzeln
beschichteter optischer Fasern mit einem Matrixmaterial hergestellt.
Das Matrixmaterial hat die Funktion des Haltens der einzelnen optischen
Fasern in gleicher Ausrichtung und des Schützens der Fasern während der
Handhabung und Installation. Oft sind die Fasern in „streifenähnlichen" Bandstrukturen angeordnet,
die eine im Allgemeinen flache, strangähnliche Struktur aufweisen,
die im Allgemeinen etwa 2 bis 24 Fasern enthält. Je nach der Anwendung können mehrere
Bändergefüge zu einem
Kabel kombiniert werden, das mehrere bis etwa eintausend einzelne
beschichtete optische Fasern aufweist. Ein Beispiel eines Bändergefüges ist
in der veröffentlichten
europäischen Patentanmeldung
Nr. 194891 beschrieben. Mehrere Bändergefüge können in einem Kabel miteinander
kombiniert werden, wie beispielsweise in der US-Patentschrift Nr. 4,906,067 offenbart ist.
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Der
Begriff „Bändergefüge" umfasst nicht nur das
oben beschriebene streifenähnliche
Bändergefüge, sondern
auch optische Faserbündel.
Optische Faserbündel
können
beispielsweise eine im Wesentlichen kreisförmige Anordnung aufweist, die
mindestens eine mittlere Faser aufweist, die von mehreren anderen
optischen Fasern umgeben ist. Als Alternative kann das Bündel Querschnittsgestalten
wie beispielsweise rechteckige, trapezoide und dergleichen aufweisen.
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Beschichtete
optische Fasern, gleichgültig ob
es sich um Glas handelt oder Kunststoff, wie er in letzter Zeit
verwendet wird, für
die Verwendung in optischen Fasergefügen, sind gewöhnlich farbig,
um die Identifizierung der einzelnen beschichteten optischen Fasern
zu erleichtern. Typischerweise sind optische Fasern mit einer äußeren farbigen
Schicht, die Tintenbeschichtung genannt wird, beschichtet, oder
alternativ wird ein Färbemittel
der äußeren primären Beschichtung
zugegeben, um die erwünschte
Farbe zu verleihen.
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Bisher
ist die innere primäre
Beschichtung nicht farbig gewesen. Färbemittel sind in die innere primäre Beschichtung
nicht eingearbeitet worden aufgrund der Schwierigkeiten, eine richtige
Aushärtung
der inneren primären
Beschichtung in Gegenwart der Pigmente zu erreichen, die im Allgemeinen im
Stand der Technik zum Verleihen von Farbe an Tintenzusammensetzungen
verwendet worden sind.
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Beschichtungen
auf Lösungsmittelbasis, Feststoffbasis
und Pigmentbasis sind verwendet worden, um beschichteten optischen
Fasern Farbe zu verleihen. Jedoch sind keine dieser Typen von Tintenbeschichtungen vollkommen
zufriedenstellend.
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Tintenbeschichtungen
auf Lösungsmittelbasis
sind nicht zufriedenstellend, weil Lösungsmittelemissionen Umweltbedenken
verursachen. Ein weiterer Nachteil von Systemen auf Lösungsmittelbasis besteht
darin, dass die Fertigstellungszeit durch die Geschwindigkeit begrenzt
ist, mit der das Lösungsmittel
entfernt werden kann. Die Lösungsmittelentfernungsgeschwindigkeit
ist im Allgemeinen viel zu langsam für die Hochgeschwindigkeitsherstellung optischer
Fasern. Färbesysteme
auf der Basis von Feststoffen sind ebenfalls zu langsam.
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Durch
Ultraviolettstrahlung aushärtbare
Tinten auf der Basis von Pigment sind beispielsweise in der US-Patentschrift Nr.
4,629,285 beschrieben worden. Tintenbeschichtungen auf der Basis
von Pigment werden aus einem Pigment gebildet, das in einem durch
UV aushärtbaren
Trägersystem
dispergiert ist. Das durch UV aushärtbare Trägersystem enthält ein UV-aushärtbares
Oligomer oder Monomer, das vor dem Aushärten flüssig ist, um das Aufbringen
der Tintenzusammensetzung auf die optische Faser zu erleichtern,
und dann fest wird, nachdem es UV-Strahlung gegenüber ausgesetzt
worden ist. Auf diese Weise kann die UV-aushärtbare Tintenzusammensetzung
auf eine beschichtete optische Faser auf die gleiche Weise aufgebracht
werden, wie die inneren primären
und äußeren primären Beschichtungen
aufgebracht werden.
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Tintenbeschichtungen
auf der Basis von Pigment sind nicht vollständig zufriedenstellend, weil
die Pigmentteilchen dazu neigen, als innerer Reflektor zu wirken,
was das Streuen der Aushärtungsstrahlung
verursacht, und auch dazu neigen, aktinische Strahlung zu absorbieren.
Dadurch wird die Strahlung daran gehindert, durch die gesamte Dicke
der Beschichtung hindurchzudringen, wodurch die Aushärtungszeit verlängert oder
das gründliche
Aushärten
eingeschränkt
wird. Während
Fotoinitiatoren, die Licht bei einer anderen Wellenlänge als
das Polymer absorbieren, in Tintenbeschichtungen auf der Basis von
Pigment verwendet worden sind, um ein gründliches Aushärten und
die Aushärtungszeit
zu verbessern, bleibt die Streuung immer noch problematisch.
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Des
Weiteren sind Tintenzusammensetzungen auf der Basis von Pigment
nicht nützlich,
um entweder der inneren primären
Beschichtung oder Matrixmaterialien Farbe zu verleihen. Durch Einarbeiten von
Pigmenten in die innere primäre
Beschichtung kann der Glas- oder Kunststoffhohlleiter der beschichteten
optischen Faser abgerieben werden. Matrixmaterialien sind dicker
als die innere primäre
Beschichtung oder die äußere primäre Beschichtung und
Einschlüsse
von Pigmenten in die Matrixmaterialien können das gründliche Aushärten der
Matrixmaterialien beeinträchtigen.
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Trotz
der Anstrengungen des Stands der Technik, Materialien und Verfahren
zum Verleihen von Farbe an beschichtete optische Fasern bereitzustellen,
bleibt weiterhin ein Bedarf bestehen für ein Verfahren zum Erreichen
der Farbe, die zum Erleichtern der Identifizierung der einzelnen
beschichteten optischen Fasern oder anderer erwünschter Komponenten erforderlich
ist, während
die vielen verschiedenen erwünschten
Erfordernisse, z.B. verbessertes Aushärten und bessere Aushärtungsgeschwindigkeiten
und Vielseitigkeit der Anwendung erfüllt werden, während die
erwünschten
physikalischen Eigenschaften der verschiedenen angewendeten Beschichtungen
immer noch erreicht werden. Es besteht auch weiterhin ein Bedarf
für eine
innere primäre
Beschichtungszusammensetzung, die farbig ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bietet eine strahlungsaushärtbare faseroptische Beschichtungzusammensetzung,
die ein Färbemittel
(bevorzugt einen Farbstoff oder einen Farbstoffvorläufer) enthält, der
mit der Faser der Faseroptik verträglich ist, wobei er dazu fähig ist,
der beschichteten Faseroptik eine vorgewählte Farbe zu verleihen. Insbesondere
ist die Erfindung zum Verleihen von Farbe einer inneren primären Beschichtung
nützlich.
Die strahlungsaushärtbare
faseroptische Beschichtungszusammensetzung bietet ein verbessertes
Aushärten
und verbesserte Aushärtungsgeschwindigkeiten,
während
erwünschte
Beschichtungscharakteristiken, insbesondere in Nass-auf-Nass-Systemen,
immer noch erreicht werden. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Beschichtungzusammensetzungen
eliminiert die Notwendigkeit, dass eine Tinte auf eine beschichtete Faser
aufgebracht wird und den damit verbundenen getrennten Betintungsschritt
während
der Herstellung der Faser. Das vollständige Aushärten der inneren primären Beschichtung
kann auf das Aussetzen der inneren primären Beschichtung einer ersten Lampe
gegenüber
hin entweder in einem Nass-auf-Trocken- oder einem Nass-auf-Nass-System
erreicht werden.
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Die
vorliegende Erfindung bietet eine Beschichtungszusammensetzung umfassend
einen Farbstoff oder Farbstoffvorläufer, der eine reaktive Verbindung
ist; bevorzugt ist der Farbstoff oder der Farbstoffvorläufer UV-aushärtbar und
ist in einer ausgehärteten
polymeren Beschichtung chemisch gebunden.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
erfindungsgemäße Beschichtungszusammensetzung
kann zum Verleihen von Farbe an Beschichtungen, die typischerweise
zum Beschichten optischer Wellenleiter verwendet werden, wie beispielsweise
der inneren primären
Beschichtung, der äußeren primären Beschichtung
oder einzelner Beschichtungen oder Matrixmaterialien, die zum Bilden von
Bändergefügen verwendet
werden. Die Beschichtungszusammensetzung kann auch als unabhängige Tintenzusammensetzung
verwendet werden, die auf vorgefertigte Faseroptiken aufgebracht werden
sollen, wie beispielsweise als Ersatz für Tintenzusammensetzungen auf
der Basis von Pigment. Dementsprechend liegt ein Vorteil des Verwendens von
Farbstoffen, wie hier beschrieben, darin, dass Tinten nicht zum
Farbkodieren von Fasern benötigt werden,
wie es bisher der Fall gewesen ist. Die Beschichtungszusammensetzung
kann bei Glaswellenleitern oder Kunststoffwellenleitern verwendet
werden.
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In
der herkömmlichen
Praxis ist ein Fotoinitiator für
eine UV-Aushärtung
erforderlich. Die Verwendung eines Fotoinitiators in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
wird bevorzugt, um die erwünschte
Aushärtungsgeschwindigkeit
zu erreichen. Die erfindungsgemäße Beschichtungszusammensetzung
ist bei allen strahlungsaushärtbaren,
optischen Faserbeschichtungszusammensetzungen anwendbar, gleichgültig, ob
sie zum Beschichten von Glas- oder Kunststoffwellenleitern verwendet
werden.
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Optische
Faserbeschichtungen, wie sie hier verwendet werden, bedeutet irgendeine
Zusammensetzung, die zum Bedecken optischer Wellenleiter verwendet
wird. Optische Faserbeschichtungen, wie sie im Stand der Technik
bekannt sind, umfassen innere primäre Beschichtungen, äußere primäre Beschichtungen,
einzelne Beschichtungen, Pufferbeschichtungen und Matrixmaterialien.
Optische Faserbeschichtungen sind typischerweise strahlungsaushärtbare Zusammensetzungen,
die ein oder mehrere strahlungsaushärtbare Oligomere oder Monomere enthalten,
die mindestens eine funktionelle Gruppe aufweisen, die der Polymerisation fähig ist,
wenn sie aktinischer Strahlung ausgesetzt wird. Geeignete strahlungsaushärtbare Oligomere
oder Monomere sind heutzutage allgemein bekannt und liegen innerhalb
der Fähigkeit
des Stands der Technik. Außerdem
enthalten optische Faserbeschichtungen typischerweise mindestens
ein reaktives Verdünnungsmittel,
das auch mindestens eine funktionelle Gruppe umfasst, die der Polymerisation
fähig ist,
wenn sie aktinischer Strahlung ausgesetzt wird. wie im Stand der
Technik bekannt ist, enthalten optische Faserbeschichtungen verschiedene
Typen von Materialien, die variiert werden können, um Leistungscharakteristiken
je nach der Funktion der Beschichtungszusammensetzung, wie oben
beschrieben, zu erreichen.
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Beispiele
geeigneter strahlungsaushärtbarer Zusammensetzungen,
die auf verschiedene Weise zum Bilden der oben beschriebenen Beschichtungszusammensetzungen
verwendet werden können, umfassen
diejenigen, die beispielsweise in den US-Patentschriften Nr. 4,624,994, 4,682,851, 4,782,129,
4,794,133, 4,806,574, 4,849,462, 5,219,896 und 5,336,563 offenbart
sind.
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Allgemein
ist die verwendete strahlungsaushärtbare Funktionalität eine ethylenische
Ungesättigtheit,
die durch Radikalpolymerisation oder kationische Polymerisation
polymerisiert werden kann. Spezifische Beispiele geeigneter ethylenischer
Ungesättigtheiten
sind Gruppen, die Acrylat, Methacrylat, Styrol, Vinylether, Vinylester,
N-substituiertes Acrylamid, N-Vinylamid,
Maleatester und Fumaratester enthalten. Bevorzugt wird die ethylenische
Ungesättigtheit durch
eine Gruppe bereitgestellt, die eine Acrylat-, Methacrylat-, N-Vinyl-
oder Styrolfunktionalität
enthält.
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Ein
anderer Typ Funktionalität,
der allgemein verwendet wird, wird beispielsweise durch Epoxygruppen
oder Thiolen- oder Aminensysteme bereitgestellt. Epoxygruppen können durch
kationische Polymerisation polymerisiert werden, während die Thiolen-
und Aminensysteme gewöhnlich
durch Radikalpolymerisation polymerisiert werden. Die Epoxygruppen
können
beispielsweise homopolymerisiert sein. Bei den Thiolen- und Aminensystemen
kann die Polymerisation beispielsweise zwischen einer Gruppe stattfinden,
die ein tertiäres
Amin oder Thiol enthält.
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Die
faseroptischen strahlungsaushärtbaren Zusammensetzungen
können
auch ein reaktives Verdünnungsmittel
enthalten, das zum Einstellen der Viskosität verwendet wird. Das reaktive
Verdünnungsmittel
kann ein Monomer niedriger Viskosität mit mindestens einer funktionellen
Gruppe sein, die der Polymerisation fähig ist, wenn sie aktinischer Strahlung
ausgesetzt wird. Diese funktionelle Gruppe kann gleicher Natur sein
wie diejenige, die in dem strahlungsaushärtbaren Monomer oder Oligomer verwendet
wird. Bevorzugt ist die funktionelle Gruppe, die in dem reaktiven
Verdünnungsmittel
vorliegt, dazu fähig,
sich mit der strahlungsaushärtbaren
funktionellen Gruppe zu copolymerisieren, die an dem strahlungsaushärtbaren
Monomer oder Oligomer vorliegt.
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Noch
bevorzugter bildet die strahlungsaushärtbare funktionelle Gruppe
während
des Aushärtens
freie Radikale, die mit den freien Radikalen reagieren können, die
an der Oberfläche
der oberflächenbehandelten
optischen Faser gebildet werden.
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Beispielsweise
kann das reaktive Verdünnungsmittel
ein Monomer oder eine Mischung von Monomeren sein, die eine Acrylat-
oder Vinyletherfunktionalität
und einen C4-C20-Alkyl- oder Polyetheranteil
aufweisen. Spezifische Beispiele derartiger reaktiver Verdünnungsmittel
umfassen:
Hexylacrylat,
2-Ethylhexylacrylat,
Isobornylacrylat,
Decylacrylat,
Laurylacrylat,
Stearylacrylat,
2-Ethoxyethoxyethylacrylat,
Laurylvinylether,
2-Ethylhexylvinylether,
V-Vinylformamid,
Isodecylacrylat,
Isooctylacrylat,
Vinylcaprolactam,
N-Vinylpyrrolidon,
Acrylamide
und
dergleichen.
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Ein
anderer Typ reaktives Verdünnungsmittel,
der verwendet werden kann, ist eine Verbindung, die eine aromatische
Gruppe aufweist. Spezifische Beispiele reaktiver Verdünnungsmittel,
die eine aromatische Gruppe aufweisen, umfassen:
Ethylenglykolphenyletheracrylat,
Polyethylenglykolphenyletheracrylat,
Polypropylenglykolphenyletheracrylat
und
alkylsubstituierte Phenylderivate der obigen Monomere wie
beispielsweise
Polyethylenglykolnonylphenyletheracrylat.
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Das
reaktive Verdünnungsmittel
kann auch ein Verdünnungsmittel
umfassen, das zwei oder mehr funktionelle Gruppen aufweist, die
der Polymerisation fähig
sind. Spezifische Beispiele derartiger Monomere umfassen:
C2-C18-Kohlenwasserstoffdiolacrylate,
C4-C18-Kohlenwasserstoffdivinylether,
C3-C18-Kohlenwasserstofftriacrylate
und die Polyetheranaloge derselben und dergleichen, wie
1,6-Hexandioldiacrylat,
Trimethylolpropantriacrylat,
Hexandioldivinylether,
Triethylenglykoldiacrylat,
Pentaerythrittriacrylat,
ethoxyliertes
Bisphenol-A-Diacrylat und
Tripropylenglykoldiacrylat.
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Wenn
die strahlungsaushärtbare
funktionelle Gruppe des strahlungsaushärtbaren Monomers oder Oligomers
eine Epoxygruppe ist, so kann bzw. können beispielsweise eine oder
mehrere der folgenden Verbindungen als reaktives Verdünnungsmittel
verwendet werden:
Epoxycyclohexan,
Phenylepoxyethan,
1,2-Epoxy-4-vinylcyclohexan,
Glycidylacrylat,
1,2-Epoxy-4-epoxyethylcyclohexan,
Diglycidylether
von Polyethylenglykol,
Diglycidylether von Bisphenol-A,
und
dergleichen.
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Wenn
die strahlungsaushärtbare
funktionelle Gruppe des strahlungsaushärtbaren Monomers oder Oligomers
ein Aminen- oder Thiolensystem aufweist, so können Beispiele reaktiver Verdünnungsmittel,
die eine allele Ungesättigtheit
aufweisen und verwendet werden können,
Folgende umfassen:
Diallylphthalat,
Triallyltrimellitat,
Triallylcyanurat,
Triallylisocyanurat
und
Diallylisophthalat.
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Für Aminensysteme
umfassen aminfunktionelle Verdünnungsmittel,
die verwendet werden können, beispielsweise:
das
Addukt von Trimethylolpropan, Isophorondiisocyanat und Di(m)ethylethanolamin,
das
Addukt von Hexandiol, Isophorondiisocyanat und Dipropylethanolamin
und
das Addukt von Trimethylolpropan, Trimethylhexamethylendiisocyanat
und Di(m)ethylethanolamin.
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Andere
Zusatzmittel, die in der Beschichtungszusammensetzung verwendet
werden können, umfassen,
sind jedoch nicht darauf beschränkt,
Katalysatoren, Schmiermittel, Benetzungsmittel, Antioxidationsmittel
und Stabilisatoren. Die Auswahl und Verwendung derartiger Zusatzmittel
liegt innerhalb der Fähigkeit
des Stands der Technik.
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Einzelne
Beschichtungen können
ebenfalls verwendet werden. Beispielhafte einzelne Beschichtungen
sind beispielsweise in der US-Patentschrift Nr. 4,932,750 offenbart.
Einzelne Beschichtungen, wie innere primäre Beschichtungen, umfassen
im Allgemeinen Oligomer, reaktives Verdünnungsmittel und wahlweise
Fotoinitiator und Zusatzmittel. Herkömmliche äußere primäre Beschichtungen können bei
der praktischen Anwendung dieser Erfindung, wie beispielsweise in
der US-Patentschrift
Nr. 4,472,019 offenbart, verwendet werden. Im Allgemeinen umfassen
die Beschichtungszusammensetzungen mindestens ein Oligomer, mindestens
ein Verdünnungsmittel
und mindestens einen radikalbildenden Fotoinitiator. Mit Bezug auf
die gesamten Beschichtungszusammensetzungen beträgt die übliche Menge Oligomer 20-80
Gew.-%, bevorzugt 30-70 Gew.-%; die Menge an Verdünnungsmittel
beträgt
im Allgemeinen 15-75 Gew.-%, bevorzugt 20-70 Gew.-%, die Menge an
radikalbildendem Fotoinitiator beträgt gewöhnlich 0,5-20 Gew.-%, bevorzugt
1-10 Gew.-%.
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Die
innere primäre
Zusammensetzung kann einen Adhäsionsbeschleuniger
enthalten, der Glasbindungsgruppen aufweist, die dazu fähig sind,
sich unter den Aushärtungsbedingungen
an optische Glasfasern zu binden zum spezifischen Aufbringen der
inneren primären
Zusammensetzung auf die optische Glasfaser wie beispielsweise den
in der US-Patentschrift Nr. 5,812,725 beschriebenen Adhäsionsbeschleunigern.
Derartige innere primäre
Beschichtungszusammensetzungen, die Adhäsionsbeschleuniger enthalten,
können
bei dieser Erfindung verwendet werden, die Verwendung eines Adhäsionsbeschleunigers
ist jedoch eventuell unnötig.
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Bändergefüge sind
heute im Stand der Technik allgemein bekannt und ein mit dem Stand
der Technik vertrauter Fachmann wird ohne Weiteres dazu fähig sein,
die hier gebotene Offenbarung zum Herstellen eines neuartigen Bändergefüges zu verwenden,
das mindestens eine der erfindungsgemäßen verbesserten beschichteten
optischen Fasern für
die erwünschte
Anwendung enthält.
Das neuartige Bändergefüge, das
erfindungsgemäß hergestellt wird,
kann in Telekommunikationssystemen verwendet werden. Derartige Telekommunikationssysteme enthalten
typischerweise Bändergefüge, die
optische Fasern, Transmitter, Empfänger und Schalter enthalten.
Das Bändergefüge, das
die erfindungsgemäße beschichtete
optische Faser enthält,
bildet die grundlegenden Verbindungseinheiten von Telekommunikationssystemen.
Das Bändergefüge kann
in der Erde vergraben oder unter Wasser für Fernübertragungsverbindungen, wie
zwischen Städten,
verlegt werden. Das Bädergefüge kann
auch zum Anschließen direkt
an Wohnhäuser
verwendet werden.
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Das
neuartige Bändergefüge, das
erfindungsgemäß hergestellt
wird, kann auch in Kabelfernsehsystemen verwendet werden. Derartige
Kabelfernsehsysteme enthalten typischerweise Bändergefüge, die optische Fasern, Transmitter,
Empfänger und
Schalter enthalten. Das Bändergefüge, das
die erfindungsgemäßen beschichteten
optischen Fasern enthält,
bildet die grundlegenden Verbindungseinheiten von Kabelfernsehsystemen.
Das Bändergefüge kann
in der Erde vergraben oder unter Wasser für Fernübertragungsverbindungen, wie
zwischen Städten,
verlegt werden. Das Bändergefüge kann
auch zum Anschließen
direkt an Wohnhäuser
verwendet werden.
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Es
hat sich erwiesen, dass eine gute Farbe mit langer Nutzungsdauer
wünschenswert
ist zum Schützen
des Farbstoffs in der primären
Beschichtung während
des Aushärtens,
während
eine gute thermische oder oxidative Beständigkeit der inneren primären Beschichtung
und/oder der äußeren primären Beschichtung
beibehalten wird. Dementsprechend wird ein stabilisiertes Paket
bevorzugt angewendet. Der Schutz der farbstoffhaltigen inneren primären Beschichtung
kann auf alternative Arten erfolgen. Beispielsweise kann die ungehärtete innere
primäre
Beschichtungszusammensetzung selbst das Stabilisatorpaket enthalten,
oder die äußere primäre Beschichtungszusammensetzung
kann das Stabilisatorpakt enthalten, oder sowohl die innere primäre Beschichtung
als auch die äußere primäre Beschichtung
können
das Stabilisatorpaket enthalten. Das Einarbeiten des Lichtstabilisatorpakets
in die äußere primäre Beschichtung
bewirkt funktionsmäßig das Schützen der
inneren primären
Beschichtung und wird vorgezogen.
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Das
Stabilisatorpaket enthält
mindestens ein Antioxidationsmittel, wahlweise mindestens ein zweites
Antioxidationsmittel und mindestens einen UV-Licht-Stabilisator und/oder
ein UV-Absorptionsmittel in Mengen, die ausreichen, um den Farbstoff und
die Beschichtung in den ausgehärteten
Zusammensetzungen zu schützen,
während
eine gute thermische oder oxidative Beständigkeit beibehalten wird.
Die Menge jeder der Verbindungen des Stabilisatorpakets der bei
der vorliegenden Erfindung benutzten Kombination ist nicht im engen
Sinne kritisch und kann ohne Weiteres durch den Fachmann bestimmt
werden, der mit dem Stand der Technik der vorliegenden Offenbarung
vertraut ist. Im Allgemeinen liegt die Menge an Antioxidationsmittel,
zweitem Antioxidationsmittel, falls vorhanden, und UV-Licht-Stabilisator
und/oder UV-Licht-Absorptionsmittel im Bereich von beispielsweise
etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 7,0 Gew.-% und bevorzugt etwa 0,1 Gew.-%
bis etwa 1,5 Gew.-%.
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Im
Allgemeinen werden Antioxidationsmittel in die Beschichtungszusammensetzung
eingearbeitet, um mit freien Radikalen zu reagieren, um die Zerstörung des
Farbstoffs und der Beschichtung zu minimieren oder sogar zu verhindern.
Antioxidationsmittel, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden
können,
umfassen beispielsweise sekundäre Amine
und Derivate von Phenol und gehinderten Phenolen.
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Beispiele
von Antioxidationsmitteln, die verwendet werden können, umfassen:
Thiodiethylenbis(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy)hydrocinnamat,
Triethylenglykolbis(3,3(-tert-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl)propionat),
2,2'-Thiodiethylbis-(3,5-di-tert-butyl-4'-hydroxyphenylpropionat),
N,N'-Diphenyl-p-phenylendiamin,
Phenyl-β-naphthylamin,
2,6-Di-tert-butyl-p-cresol,
2,2'-Methylenbis(4-methyl-6-tert-butylphenol),
4,4-Thiobis(3-methyl-6-5-butylphenol),
Octadecyl-3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyhydrocinnamat,
Octadecyl-3-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)propionat,
1,1,3-Tris(2-methyl-4-hydroxy-5-tert-butylphenyl)butan,
1,3,5-Trimethyl-2,4,6-tris(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl)benzol,
Tetrakismethylen(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxycinnamat),
Tetrakis[methylen-3-(3',5'-di-tert-butyl-4'-hydroxyphenylpropionat]methan.
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Bevorzugte
Antioxidationsmittel sind gehinderte Phenole.
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Das
Hindern der Phenolhydroxylgruppe mit mindestens einer Massenalkylgruppe
in ortho-Stellung wird für
eine hohe Antioxidationsmittelaktivität bevorzugt. Ein bevorzugter
Typ Antioxidationsmittel für
strahlungsaushärtbare
Beschichtungszusammensetzungen ist ein Thiodiethylencinnamatderivat, spezifisch
Thiodiethylenbis(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyhydrocinnamat), das im Handel
als Irganox 1035 von Ciba Geigy erhältlich ist. Das Antioxidationsmittel kann
beispielsweise in der ungehärteten
inneren primären
oder äußeren primären Beschichtungszusammensetzung
in einer Menge von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 4 Gew.-% vorliegen.
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Sekundäre Antioxidationsmittel,
die in dem erfindungsgemäßen Stabilisatorpaket
verwendet werden können,
umfassen beispielsweise aliphatische Thiole, Disulfide und Phosphite.
Das sekundäre Antioxidationsmittel
kann in der ungehärteten
Beschichtungszusammensetzung beispielsweise in einer Menge von etwa
0,1 Gew.-% bis etwa 3 Gew.-% vorliegen.
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Sekundäre Antioxidationsmittel,
die in dem Stabilisatorpaket verwendet werden können, umfassen beispielsweise:
Distearylpentaerythritdiphosphit,
Isodecyldiphenylphosphit,
Diisodecylphenylphosphit,
Tris(2,4,-di-tert-butylphenyl)phosphit,
Dilauryl-β,β-thiodipropionat,
β-Naphthyldisulfid,
Thiol-β-Naphthol,
2-Mercaptobenzothiazol,
Benzothiazyldisulfid,
Phenothiazin,
Tris(p-nonylphenyl)phosphit,
Zinkdimethyldithiocarbamat.
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Gehinderte
Aminlichtstabilisatoren (HALS) sind sehr effektive Inhibitoren der
Fotooxidation von Polymeren und sind für die Verwendung in dem Stabilisatorpaket
geeignet. Anders als UV-Absorptionsmittel stören HALS die UV-Strahlung bei
Frequenzen, die für
Polymere destruktiv sind, nicht. Von einigen HALS-Zusatzmitteln
ist gezeigt worden, dass sie basischer sind als für die Verwendung
in optischen Faserbeschichtungszusammensetzungen wünschenswert
ist. Dementsprechend wird es vorgezogen, HALS-Zusatzmittel für optische
Faserbeschichtungszusammensetzungen auszuwählen, die weniger basischer
Natur sind. Es werden gehinderte Piperidine bevorzugt.
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Beispiele
gehinderter Aminlichtstabilisatoren, die bei der vorliegenden Erfindung
verwendet werden können,
umfassen:
Bis(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)sebacat,
Bis(1-octyloxy-2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)sebacat,
Dimethylsuccinatpolymer
mit 4-Hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinethanol,
polymeres
gehindertes Amin (Cyasorb UV-3853S).
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Beispiele
von UV-Lichtabsorptionsmitteln, die bei der vorliegenden Erfindung
verwendet werden können,
umfassen Benzophenone und Benzotriazole. Noch spezifischer umfassen
UV-Lichtabsorptionsmittel, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet
werden können,
beispielsweise:
2-Hydroxy-4-methoxybenzophenon,
2-Hydroxy-4-methoxybenzophenon-5-sulfonsäure,
2-Hydroxy-4-n-octoxybenzophenon,
2,4-Dihydroxybenzophenon,
2-Hydroxy-4-n-dodecyloxybenzophenon,
2-(2'-Hydroxy-3'-tert-butyl-5'methylphenyl)-5-chlorbenzotriazol,
2-(2'-Hydroxy-3',5'-ditert-butylphenyl)-5-chlorbenzotriazol,
2-(2'-Hydroxy-5'-methylphenyl)benzotriazol.
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Die
Kombination erfindungsgemäßer Antioxidationsmittel,
sekundärer
Antioxidationsmittel und von UV-Lichtstabilisatoren
und/oder UV-Absorptionsmitteln verzögert das normalerweise zu erwartende Fortschreiten
des Vergilbens einer ausgehärteten
optischen Faserbeschichtung, während
sehr gute thermische oder oxidative Eigenschaften beibehalten werden.
Die Beständigkeit
der Nachaushärtung
der Zusammensetzung, die durch die Kombination von Antioxidationsmitteln
und von UV-Lichtstabilisatoren und/oder UV-Absorptionsmitteln geboten wird, ist zum
Schützen
der Farbe der inneren primären
Beschichtung äußerst vorteilhaft.
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So
führt das
Einschließen
der Kombination von Antioxidationsmitteln, sekundären Antioxidationsmitteln
und UV-Lichtstabilisatoren und/oder UV-Lichtabsorptionsmitteln in eine strahlungsaushärtbare Beschichtungszusammensetzung
zur Reduzierung der Verfärbung
der Beschichtung, die durch längeres
Aussetzen fluoreszierendem oder Ultraviolett-Licht gegenüber hervorgerufen
wird.
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Mit
dem Stand der Technik vertraute Fachleute werden sich auch im Klaren
darüber
sein, dass die Funktion eines oder mehrerer der Antioxidationsmittel,
sekundären
Antioxidationsmitteln und UV-Lichtstabilisatoren
und/oder UV-Absorptionsmitteln in einer Verbindung kombiniert werden
kann. Beispielsweise, und nicht darauf beschränkt, ist eine Kombination von
Lichtstabilisator und UV- Absorptionsmittel
Propandionsäure[(4-methoxyphenyl)methylen]-,
bis(1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidinyl)ester
(CAS-Nummer 147783-69-5).
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Die
Farbstoffe oder Farbstoffvorläufer,
die in den erfindungsgemäßen strahlungsaushärtbaren
Beschichtungen nützlich
sind, können
reaktive Verbindungen sein. Bevorzugt ist der reaktive Farbstoff oder
Farbstoffvorläufer
selbst UV-aushärtbar
und wird in der ausgehärteten
polymeren Beschichtung chemisch gebunden. Reaktive Farbstoffe oder
Farbstoffvorläufer
werden vorteilhaft zum Verleihen von Farbe bei Beschichtungszusammensetzungen
anstatt von Pigmenten verwendet, um Bedenken zu vermeiden, die mit
der Pigmentteilchengröße, Pigmentdispersion
und dergleichen, wenn Pigmente verwendet werden, verbunden sind.
Reaktive Farbstoffe oder Farbstoffvorläufer bieten auch Beschichtungen,
in denen die Farbstoffmigration reduziert ist, wobei die Farbstoffagglomeration
in der ausgehärteten
fertigen Beschichtung minimiert wird. Reaktive Farbstoffe oder Farbstoffvorläufer reduzieren
auch den Ausbruch oder die Extrahierbarkeit von Farbstoff in der
ausgehärteten,
fertigen Beschichtung. Die reaktiven Farbstoffe können vorteilhafterweise
in irgendeine oder mehrere einer inneren primären Beschichtung, einer äußeren primären Beschichtung, einer
Tintenzusammensetzung, einer Pufferbeschichtung, einer einzigen
Beschichtung und von Matrixmaterialien eingearbeitet werden. Die
Verwendung der reaktiven Farbstoffe oder Farbstoffvorläufer in
Beschichtungen für
optische Fasern, die in „losen Röhren-"Anwendungen verwendet
werden, ist besonders wünschenswert,
da die reaktiven Farbstoffe oder Farbstoffvorläufer durch die aliphatischen Öle und/oder
Gele, die allgemein zum Abpolstern der optischen Fasern bei derartigen
Anwendungen verwendet werden, nicht aus der Beschichtung herausgelaugt
werden.
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Die
reaktiven Farbstoffe und Farbstoffvorläufer können durch Reagieren einer
verknüpfenden Verbindung,
die eine strahlungsaushärtbare
Funktionalität
umfasst, mit einem Farbstoff oder Farbstoffvorläufer hergestellt werden. Farbstoffe
oder Farbstoffvorläufer,
die eine reaktive Funktionalität
aufweisen, die nicht Teil des Chromophors ist, oder die chemisch
so modifiziert werden können,
dass sie eine reaktive Funktionalität enthalten, ohne das Chromophor
zu beeinflussen, können
zur Bildung der reaktiven Farbstoffe und Farbstoffvorläufer verwendet
werden. Ähnliche
Gesichtspunkte treffen auf farblose Farbstoffe zu, die auf das Aussetzen
Ultraviolettstrahlung während
der Aushärtung
hin auf eine Farbe übergehen.
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Die
reaktive Funktionalität
im Farbstoff oder Farbstoffvorläufer
kann irgendeine Gruppe sein, die dazu fähig ist, mit einer verknüpfenden
Gruppe zu reagieren, die zum Herstellen der reaktiven Farbstoffe oder
Farbstoffvorläufer
verwendet wird. Veranschaulichend für reaktive Funktionalitäten, die
in Farbstoffen oder Farbstoffvorläufern aufzufinden sind oder dazugegeben
werden können,
umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Hydroxyl, Amino, einschließlich sekundäres Amino,
Thiol, Carboxyl, Mercapto, Vinyl, Acryl, Epoxy, Carbamat oder dergleichen.
Irgendwelche der hier beschriebenen Farbstoffe oder Farbstoffvorläufer können als
Chromophor verwendet werden.
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Wünschenswerterweise
umfasst die Verknüpfungsverbindung
eine strahlungsaushärtbare Funktionalität und eine
zweite Funktionalität,
die in der Lage ist, mit der reaktiven Funktionalität des Farbstoffs
oder Farbstoffvorläufers
zu reagieren. Bevorzugt ist die strahlungsaushärtbare Funktionalität der Verknüpfungsgruppe
eine ethylenische Ungesättigtheit,
die durch Radikalpolymerisation oder kationische Polymerisation
polymerisiert werden kann.
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Beispielsweise
sind geeignete Verbindungen, die eine ethylenische Ungesättigtheit
enthalten, Acrylate, Methacrylate, Styrol, Vinylether, Vinylester, N-substituiertes Acrylamid,
N-Vinylamid, Maleatester, Fumaratester und dergleichen. Andere Typen von
Verbindungen, die zum Bilden der reaktiven Farbstoffe oder Farbstoffvorläufer verwendet
werden können,
sind Verbindungen, die mindestens eine einer Epoxygruppe, eines
Thiolens oder eines Aminens, wie hier in weiteren Einzelheiten beschrieben, umfassen.
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Die
Viskosität
der flüssigen
aushärtbaren
erfindungsgemäßen Harzzusammensetzung
liegt gewöhnlich
im Bereich von 200 bis 20.000 cP und bevorzugt von 2.000 bis 15.000
cP.
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Die
erfindungsgemäßen strahlungsaushärtbaren
Zusammensetzungen können
derart formuliert werden, dass die Zusammensetzung nach der Aushärtung einen
Modul aufweist, der so niedrig wie bei 0,1 MPa und so hoch wie bei
2.000 MPa oder mehr liegt. Diejenigen, die einen Modul im unteren
Bereich, beispielsweise von 0,1 bis 10 MPa, bevorzugt 0,1 bis 5
MPa und noch bevorzugter 0,5 bis weniger als 3 MPa aufweisen, sind
typischerweise für
innere primäre
Beschichtungen für
Faseroptiken geeignet. Im Gegensatz dazu weisen geeignete Zusammensetzungen
für äußere primäre Beschichtungen,
Tinten und Matrixmaterialien im Allgemeinen einen Modul von über 50 MPa
auf, wobei die äußeren primären Beschichtungen
dazu neigen, einen Modul von noch spezifischer über 100 bis zu 1.000 MPa aufzuweisen und
die Matrixmaterialien dazu neigen, noch spezifischer zwischen etwa
50 MPa und etwa 200 MPa im Falle weicher Matrixmaterialien und zwischen
200 und etwa 1500 MPA im Falle von harten Matrixmaterialien zu liegen.
Die erfindungsgemäße strahlungsaushärtbare Zusammensetzung
kann derart formuliert werden, dass die Zusammensetzung nach dem Aushärten eine
Tg zwischen -70°C
und 30°C
aufweist. Die Tg wird als Spitzen-tan- Delta in einer DMA-Kurve bei einer Dehnung
von 2,5 % gemessen.
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Die
Dehnung und Zugfestigkeit dieser Materialien kann auch je nach den
Konstruktionskriterien für
eine spezifische Anwendung optimiert werden. Für ausgehärtete Beschichtungen, die aus
strahlungsaushärtbaren
Zusammensetzungen gebildet werden, die zur Verwendung als innere
primäre
Beschichtungen auf optischen Fasern formuliert werden, beträgt die Bruchdehnung
typischerweise mehr als 80 %, noch bevorzugter beträgt die Bruchdehnung
mindestens 110 %, noch bevorzugter mindestens 150 %, jedoch nicht
typischerweise mehr als 400 %. Für
Beschichtungen, die für äußere primäre Beschichtungen,
Tinten und Matrixmaterial formuliert werden, liegt die Bruchdehnung
typischerweise zwischen 10 % und 100 % und bevorzugt über 30 %.
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Die
Glasübergangstemperatur
(Tg), als Spitzen-tan-Delta durch dynamisch-mechanische Analyse
(DMA) gemessen, kann je nach den spezifischen Gesichtspunkten der
Anwendung optimiert werden. Die Glasübergangstemperatur kann 10°C bis hinunter
zu -70°C
oder weniger, noch bevorzugter weniger als 0°C bei Beschichtungen, die zur
Verwendung als innere primäre
Beschichtungen formuliert werden, und 10°C bis 120°C oder mehr, noch bevorzugter mehr
als 30°C
bei Beschichtungen, die zur Verwendung als äußere primäre Beschichtungen, Tinten und Matrixmaterialien
konstruiert werden, betragen.
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Die
erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
weisen bevorzugt eine Aushärtungsgeschwindigkeit
von 1,0 J/cm2 (bei 95 % des maximal erreichbaren
Moduls) auf. Bei einer äußeren primären Beschichtung,
Tinte oder einem äußeren primären Matrixmaterial
liegt die Aushärtungsgeschwindigkeit
bevorzugt bei etwa 0,5 J/cm2 oder weniger
(bei einem maximal erreichbaren Modul von 95 %) und noch bevorzugter
bei etwa 0,3 J/cm2 oder weniger und sogar noch
bevorzugter bei etwa 0,2 J/cm2 oder weniger.
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Die
Erfindung wird durch folgende Beispiele noch weiter erklärt, ohne
darauf beschränkt
zu sein.
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Beispiel 1
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Dieses
Beispiel veranschaulicht die Herstellung eines reaktiven Farbstoffs.
Der Farbstoff wurde durch Zugeben einer Acrylatgruppe zum Farbstoff hergestellt.
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Isophorondiisocyanat
(17,12 g), BHT (0,05 g) und Dibutylzinndilaurat (0,05 g) wurden
in einen Kolben eingegeben, der mit Luft ausgespült und zum Lösen von
Feststoffen gerührt
wurde. Hydroxyethylacrylat (8,92 g) wurde tropfenweise hinzugegeben, während die
Temperatur unter etwa 40°C
gehalten wurde und der NCO-Gehalt kontrolliert wurde. Reactint Red
X64 (53,86 g), das im Handel von Milliken Research Corporation erhältlich ist,
wurde auf einmal in den Kolben eingegeben, um den reaktiven Farbstoff
zu bilden, während
die Temperatur bei unter 80°C
gehalten wurde. Daraufhin wurde Hexandioldiacrylat (20,00 g) hinzugegeben,
um die Viskosität des
reaktiven Farbstoffs zu reduzieren.
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Beispiel 2
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Durch
Aceton extrahierbare Substanzen für eine Farbbeschichtung, die
unter Anwendung von rotem reaktivem Farbstoff hergestellt wurde,
wurden mit durch Aceton extrahierbaren Substanzen bei einer Farbbeschichtung
miteinander verglichen, die unter Anwendung von nichtreaktivem rotem
Farbstoff hergestellt wurde. Jeder Farbstofftyp wurde einer herkömmlichen
strahlungsaushärtbaren
sekundären Beschichtungszusammensetzung
zugegeben, die ein Urethanacrylatoligomer, acrylierte Verdünnungsmittel
und Fotoinitiatoren umfasste.
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Die
farbigen Beschichtungen wurden auf Glas heruntergezogen, bei 1 J/cm2, N2, D-Lampe in einer
Dicke von 6 mil ausgehärtet
und in drei Quadrate von 1 ½ Zoll × 1 ½ Zoll
zugeschnitten. Die Beschichtungen wurden 2 ½ Stunden lang bei 60°C getrocknet
und dann in einen Exsikkator eingegeben, um Trockenheit zu garantieren.
Die Proben wurden dann mit 100 ml Aceton 24 Stunden lang bei Raumtemperatur
(23-24°C)
extrahiert. Die mit Aceton extrahierbaren Substanzen für die Beschichtung,
die mit dem reaktiven Farbstoff hergestellt wurde, betrugen etwa
0,66 %, während
die mit Aceton extrahierbaren Substanzen für die Beschichtung, die mit
dem nichtreaktiven Farbstoff hergestellt wurde, etwa 2,51 % betrugen.