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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs (Preform) für eine optische
Kunststofffaser und das damit hergestellte Halbzeug. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines Halbzeugs für
eine optische Kunststofffaser mit einem Brechungsindexgradienten
in radialer Richtung und ohne Lücke
darin, worin zusätzliches
Monomer oder Prepolymer in den nach einer Polymerisation gebildeten
Hohlraum eingefüllt
wird, um einen Volumenschrumpf auszugleichen, der beim Polymerisieren
des Monomers in einem Zentrifugalfeld erzeugt ist, und dann umgesetzt
wird.
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Die optischen Fasern für die Kommunikation
werden allgemein bezüglich
des Übertragungsmodus
eines optischen Signals in Einmodenfaser und Mehrmodenfaser eingeteilt.
Die derzeit verwendeten optischen Fasern für Langstreckenhochgeschwindigkeitskommunikation
sind hauptsächlich
die optischen Einmodenfasern mit Stufenindex aus Quarzglas, und
die Fasern weisen eine winzigen Durchmesser von nur 5 μm bis 10 μm auf. Dementsprechend
zeigen diese optischen Glasfasern eine beträchtliche Schwierigkeit beim
Ausrichten und Verbinden und führen
daher zu hohen Kosten. Alternativ können die optischen Mehrmodenglasfasern, die
einen größeren Durchmesser
aufweisen als die optischen Einmodenfasern, für eine Kurzstreckenkommunikation
wie ein lokales Netzwerk (LAN, local area network) verwendet werden.
Da diese optischen Mehrmodenglasfasern jedoch die hohen Kosten für das Ausrichten
und Anschließen
erfordern und zerbrechlich sind, können sie nicht überwiegend
verwendet werden. Deshalb wurden sie hauptsächlich für eine Kurzstreckenkommunikation
bis zu 200 Metern verwendet, wie zum Beispiel LAN mit einem Metallkabel,
dem paarverseilten Kabel oder Koaxialkabel. Da die Informationsübertragungsgeschwindigkeit
und Bandbreite des Metallkabels jedoch nur ungefähr 150 Mbps beträgt und daher
nicht mit der Übertragungsgeschwindigkeit
von 625 Mbps mithalten kann, die gemäß dem Asychronen Transfermodus
(ATM, asynchronous transfer mode) im Jahr 2000 Standard ist, kann
er zukünftige
Standards der Übertragungsgeschwindigkeit
nicht erfüllen.
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Um diese Probleme zu beheben, haben
in den vergangenen 10 Jahren Japan, die Vereinigten Staaten von
Amerika und dergleichen große
Anstrengungen und Investitionen für die Entwicklung von optischen
Polymerfasern unternommen, die bei einer Kurzstreckenkommunikation
wie LAN verwendet werden können.
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Da der Durchmesser der optischen
Polymerfaser bis zu 0,5 bis 1,0 mm betragen kann, was 100-fach oder
mehr über
dem von optischen Glasfasern liegt, wird bedingt durch ihre Flexibilität ihre Ausrichtung
und Verbindung leichter, es kann ein durch Formpressen hergestelltes
Anschlussteil aus Polymer zum Ausrichten und Verbinden verwendet
werden und daher können
die Kosten reduziert werden.
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Andererseits kann die optische Polymerfaser
eine Stufenindexstruktur (SI) aufweisen, bei der ein Brechungsindex
sich stufenweise in radialer Richtung verändert oder eine Gradientenindexstruktur
(GI), bei der ein Brechungsindex sich graduell in radialer Richtung
verändert.
Da jedoch die optische SI-Polymerfaser eine hohe modale Dispersion
aufweist, kann die Übertragungsgeschwindigkeit
(oder Bandbreite) des Signals nicht höher sein als die eines Kabels.
Inzwischen kann die optische GI-Polymerfaser,
da sie eine geringe modale Dispersion aufweist, eine hohe Bandbreite
aufweisen. Dementsprechend kann, da die optische GI-Polymerfaser
aufgrund ihres großen
Durchmessers zu reduzierten Kosten hergestellt werden kann, wegen
der geringen modalen Dispersion die Bandbreite so hoch wie möglich gehalten
werden. Es ist daher bekannt, dass eine optische GI-Polymerfaser,
wegen reduzierter Kosten aufgrund ihres großen Durchmessers und einer
Informationsübertragung
in Hochgeschwindigkeit aufgrund ihrer geringen modalen Dispersion,
als Medium für
die Hochgeschwindigkeitskommunikation auf Kurzstrecken geeignet
ist.
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Das herkömmliche Verfahren zur Herstellung
einer optischen GI-Polymerfaser
wurde zuerst von einem japanischen Professor berichtet, Koike Y.
et al. von der Keio Universität
im Jahr 1988 [siehe „Koike,
Y. et al., Applied Optics, Band 27, 486 (1988)"]. Seither wurden ähnliche Techniken in USP 5,253,323
(Nippon Petrochemicals Co.); USP 5,382,448 (Nippon Petrochemicals
Co.); USP 5,593,621 von Yasuhiro Koike und Ryo Nihei; WO 92/03750
(Nippon Petrochemicals Co.); WO92/03751; Japanische Patentoffenleguwg
Nr. 3-78706 (Misubishi Rayon Co., Ltd.); und der Japanischen Patentoffenlegung
Nr. 4-86603 (Toray Ind.) berichtet. Die in diesen Patenten im Stand
der Technik offenbarten Verfahren sind hauptsächlich in zwei Methoden eingeteilt wie
folgt.
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Das erste Verfahren ist ein Chargenverfahren,
worin ein vorläufiges
Formprodukt, nämlich
eine Preform, bei der ein Brechungsindex sich in radialer Richtung ändert, hergestellt
wird und dann die erhaltene Preform erwärmt und gestreckt wird, um
die optische GI-Polymerfaser herzustellen.
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Das zweite Verfahren ist ein Prozess,
bei dem eine Polymerfaser durch einen Extrusionsprozess hergestellt
wird, und dann in der Faser enthaltenes niedermolekulares Material
extrahiert wird oder im Gegenteil in radialer Richtung eingeführt wird,
um eine optische GI-Polymerfaser zu erhalten.
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Es ist bekannt, dass der erste diskontinuierliche
Prozess von Professor Koike erfolgreich eine optische GI-Polymerfaser
mit einer Übertragungsgeschwindigkeit
von 2,5 Gbps herstellen kann, und dass das zweite Verfahren auch
erfolgreich eine optische Polymerfaser mit einer relativ hohen Bandbreite
herstellen kann.
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Van Duunhoven berichtet ein anderes
Verfahren zur Herstellung einer optischen GI-Polymerfaser, worin
wenn Monomere mit Unterschieden in Dichte und Brechungsindex in
einem Zentrifugalfeld polymerisiert werden, aufgrund des Dichtegradienten
ein Konzentrationsgradient erzeugt wird, und daher der Brechungsindexgradient
erzeugt wird, wie es in WO 97/29903 offenbart ist. Mit anderen Worten,
wenn zwei Arten von Monomeren mit unterschiedlicher Dichte und unterschiedlichem
Brechungsindex in einem Zentrifugalfeld polymerisiert werden, wird
durch einen Dichteunterschied ein Konzentrationsgradient erzeugt
und durch den Konzentrationsgradienten wird ein Brechungsindexgradient
erzeugt, vorausgesetzt, dass der Brechungsindex des Monomers mit
hoher Dichte höher
ist als der des Monomers mit niedriger Dichte.
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Diese Druckschrift erwähnt jedoch
nicht das Problem, das unausweichlich durch Volumenschrumpf bedingt
ist. Mit anderen Worten, da Volumenschrumpf auftritt, wenn Monomere
polymerisiert werden (um ein Polymer zu erzeugen), ist die Preform
zur Herstellung einer optischen Kunststofffaser unter einer Zentrifugalkraft
in ihrer Mitte hohl, so dass sich die Form eines Rohrs bildet. Wenn
dementsprechend die optische Faser unter Verwendung der Volumenschrumpfpreform
hergestellt wird, tritt eine Diskontinuität des Brechungsindexprofils
auf, in dem Ausmaß das
die Lücke
einnimmt, was zu einer beträchtlichen
Verringerung der Übertragungsmenge
führt,
so dass sie tatsächlich
nicht genutzt wird.
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Wenn alternativ eine Preform für eine optische
Kunststofffaser mit einem großen
Volumen nach einem herkömmlichen
Verfahren hergestellt wird, weist sie bedingt durch einen Volumenschrumpf
eine Rohrform auf und wegen der Hochgeschwindigkeitsumdrehung der
Preform ist die erhaltene optische Kunststofffaser in ihrer Qualität gemindert.
Außerdem
kann eine Preform für
eine optische Kunststofffaser nicht zu geringen Kosten hergestellt
werden.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt zur Herstellung
eines Halbzeugs für
eine optische Kunststofffaser umfassend die folgenden Schritte:
- (a) Einführen
einer Mischung bestehend aus mindestens zwei Substanzen, die sich
voneinander in ihrer Dichte und im Brechungsindex unterscheiden,
in einen zylindrischen Reaktor und Polymerisieren der Mischung in
einem durch Drehen des Reaktors erzeugten Zentrifugalfeld;
- (b) Ausgleichen eines Hohlraums, der aufgrund eines durch Polymerisation
in Schritt (a) verursachten Volumenschrumpfes gebildet wurde, mit
einer Mischung bestehend aus mindestens zwei Substanzen, die sich voneinander
in ihrer Dichte und im Brechungsindex unterscheiden, und Polymerisieren
der Mischung in einem durch Drehen des Reaktors erzeugten Zentrifugalfeld;
und
- (c) Wiederholen des Schrittes (b) bis nach der Polymerisation
kein Hohlraum mehr gebildet ist.
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Die Erfindung stellt ein Verfahren
zur Herstellung eines Halbzeugs für eine optische Kunststofffaser zur
Verfügung,
worin ein zusätzliches
Monomer und/oder Prepolymer in den aufgrund des Volumenschrumpfes
gebildeten Hohlraum eingefüllt
wird, der beim Herstellen des Halbzeugs in einem Zentrifugalfeld
erzeugt ist, und dann polymerisiert wird, um ein diskontinuierliches
Brechungsindexprofil in radialer Richtung zu vermeiden.
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Beispiele der Erfindung werden nun
ausführlich
mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein
Diagramm ist, das eine Reihe von Prozessen zum Herstellen eines
Halbzeugs für
eine optische Kunststofffaser gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ein
Diagramm ist, das eine Reihe von Prozessen zum Herstellen eines
Halbzeugs für
eine optische Kunststofffaser gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3 ein
Diagramm ist, das eine Reihe von Prozessen zum Herstellen eines
Halbzeugs für
eine optische Kunststofffaser gemäß der dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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4 eine
schematische Zeichnung ist, die das Gerät zum Herstellen eines Halbzeugs
für eine
optische Kunststofffaser gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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5 eine
schematische Zeichnung ist, die das Gerät zum kontinuierlichen Einfüllen von
Monomeren in den Reaktor darstellt, der bei der Herstellung eines
Halbzeugs für
eine optische Kunststofffaser gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird;
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6 ein
Schaubild ist, das ein Brechungsindexprofil eines Halbzeugs für eine optische
Kunststofffaser hergestellt in den Beispielen 1 und 4 gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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7 ein
Schaubild ist, das ein Brechungsindexprofil eines Halbzeugs für eine optische
Kunststofffaser hergestellt in Beispiel 2 gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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8 ein
Schaubild ist, das ein Brechungsindexprofil eines Halbzeugs für eine optische
Kunststofffaser hergestellt in Beispiel 3 gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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9 ein
Schaubild ist, das ein Brechungsindexprofil eines Halbzeugs für eine optische
Kunststofffaser hergestellt in Beispiel 5 gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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10 ein
Schaubild ist, das ein Brechungsindexprofil eines Halbzeugs für eine optische
Kunststofffaser hergestellt in Beispiel 6 gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt.
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein Verfahren zum Herstellen eines Halbzeugs für eine optische Kunststofffaser
unter Verwendung einer Zentrifugalkraft zur Verfügung, das dadurch gekennzeichnet
ist, dass die zusätzlichen
Monomere den Hohlraum ausgleichen, der durch Volumenschrumpf gebildet
ist, so dass an den Grenzflächen
ein kontinuierliches Brechungsindexprofil in radialer Richtung erhalten
wird. Die vorliegende Erfindung weist bezüglich des Verfahrens zum Einführen der
Monomere die folgenden drei Ausführungsformen auf.
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1 ist
ein Schaubild, das eine Reihe von Prozessen zum Herstellen eines
Halbzeugs für
eine optische Kunststofffaser gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt. Es wird eine Mischung bestehend
aus mindestens zwei Arten von Monomeren, die sich voneinander in
ihrer Dichte und ihrem Brechungsindex unterscheiden, bereitet, in
den Reaktor eingefüllt
und dann im Zentrifugalfeld polymerisiert. Die Mischung der genannten
Monomere wird zusätzlich
in den durch Volumenschrumpf während
der Polymerisation gebildeten Hohlraum eingeführt und dann nochmals polymerisiert.
Durch Wiederholen dieser Vorgänge
des Einführens
einer Mischung von Monomeren und Polymerisation wird das Halbzeug
für eine
optische Kunststofffaser ohne Hohlraum und mit kontinuierlichem
Brechungsindexprofil in radialer Richtung erhalten.
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2 ist
ein Schaubild, das eine Reihe von Prozessen zum Herstellen eines
Halbzeugs für
eine optische Kunststofffaser gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt. Es werden Mischungen bestehend
aus mindestens zwei Arten von Monomeren, die sich voneinander in
ihrer Dichte und ihrem Brechungsindex unterscheiden, in getrennten
Anteilen bereitet. Eine der Mischungen mit einer bestimmten Zusammensetzung
wird in einen Reaktor eingeführt
und dann in einem Zentrifugalfeld polymerisiert. Die andere Mischung,
deren Anteil sich von der zuerst eingeführten Mischung unterscheidet,
wird in den bei der Polymerisation gebildeten Hohlraum eingeführt und
dann polymerisiert. Die Schritte des Einführens einer Mischung mit einer
anderen Zusammensetzung wie die zuvor eingeführten Mischungen und die Polymerisation werden
wiederholt. Als Folge davon wird ein Halbzeug für eine optische Kunststofffaser
ohne Hohlraum und mit kontinuierlichem Brechungsindexprofil in radialer
Richtung erhalten. Dieses Verfahren ist ähnlich wie die erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, aber es gibt einen Unterschied, indem
ein kontinuierliches Brechungsprofil in radialer Richtung leicht
mit einer geringeren Zentrifugalkraft erhalten werden kann, wobei unterschiedliche
Anteile der Mischungen von Monomeren verwendet werden, die in die
Hohlräume
eingefüllt werden.
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3 ist
ein Schaubild, das eine Reihe von Prozessen zum Herstellen eines
Halbzeugs für
eine optische Kunststofffaser gemäß der dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt. Es wird ein Polymer mit niedrigerem
Brechungsindex und höherer
Dichte als die Mischung der Monomere in Partikeln von 5 mm oder
weniger zerkleinert. Dann werden die Partikel mit der Monomerenmischung
vermischt und dann das Monomer 24 Stunden lang gequollen.
Der Grund für
das Zerkleinern des Polymers ist, zu ermöglichen, dass alle Monomerpartikel
gleichmäßig im Monomer
quellen, und die Quellungsdauer zu verkürzen. Die erhaltene Mischung
des Monomers und des Polymers wird in den Reaktor eingeführt und
dann im Zentrifugalfeld polymerisiert. Wenn der Hohlraum aufgrund
des Volumenschrumpfes gebildet ist, wird eine Mischung der Monomeren
zusätzlich
in den Hohlraum eingeführt
und nochmals polymerisiert. Durch Wiederholen einer solchen Einführung und
Polymerisation einer Mischung kann das Halbzeug für eine optische Kunststofffaser
mit kontinuierlichem Brechungsindexprofil in radialer Richtung und
ohne Hohlraum erhalten werden.
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In Bezug auf die Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Monomerenmischung
in einem Gelzustand in den aufgrund des Volumenschrumpfes bei der
Polymerisation gebildeten Hohlraum eingeführt wird, bevor das Produkt
vollständig
erstarrt ist. Zu diesem Zeitpunkt kann die Einführung kontinuierlich, halbkontinuierlich
oder chargenweise, mit oder ohne Unterbrechung der Rotation des
Reaktors, vorgenommen werden.
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Bei der ersten und zweiten Ausführungsform
ist ein Paar Monomere zu verwenden, aus denen die Mischung besteht,
deren eines eine hohe Dichte aufweist und einen niedrigen Brechungsindex
und das andere eine geringe Dichte und einen hohen Brechungsindex.
Hingegen kann bei der dritten Ausführungsform der Brechungsindexgradient
erhalten werden so lange die Monomerenmischung eine geringere Dichte
und einen höheren
Brechungsindex aufweist als das Polymer. Die Bedingungen für die Reaktionspartner
in der dritten Ausführungsform
decken nämlich
die Bedingungen für
die Reaktionspartner in der ersten und zweiten Ausführungsform
ab. Ferner kann die Verfahrensweise zum Einführen des Monomers reduziert
werden, da das Volumen, das das Polymer einnimmt, nicht schrumpft.
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Alternativ kann in der ersten, zweiten
und dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die Monomerenmischung in ein Prepolymer
gebildet und dann in einem letzten Schritt des wiederholten Einführens der
Monomerenmischung eingeführt
werden, um den aufgrund eines Volumenschrumpfes gebildeten Hohlraum
zu füllen.
Wenn dementsprechend der letzte Hohlraum mit zu polymerisierendem
Prepolymer gefüllt
ist, kann ein ungleichmäßiges Brechungsindexprofil
in Längsrichtung
vermieden werden, während
sich das Halbzeug entwickelt, und auf diese Weise kann ein großes Halbzeug
mit gleichmäßigem Brechungsindexprofil
in Längsrichtung
hergestellt werden. Gleichzeitig beträgt die Viskosität des Prepolymers,
die geeignet ist, die Beeinträchtigung
der Ausbeute bedingt durch einen Volumenschrumpf des Halbzeugs als
Endprodukt zu verhindern 50-100000
mPas (cps) (25°C),
bevorzugt 500–20000
mPas (cps) (25°C).
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Da die vorliegende Erfindung ein
Prinzip anwendet, dass ein Brechungsindexgradient sich durch eine Zentrifugalkraft
ausbildet, falls die Zentrifugalkraft größer ist als die Schwerkraft,
muss das Halbzeug für
eine optische Kunststofffaser die folgende Formel erfüllen:
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[Formel 1]
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1/2r2ω2 > ghworin
r der Radius (m) eines Halbzugs ist, ω die Winkelgeschwindigkeit
(rad/s), g die Erdbeschleunigung (9,8 m/sec2)
und h die Höhe
(m) eines Halbzeugs.
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Das unter der Bedingung geringer
Umdrehungsgeschwindigkeit (Upm) hergestellte Halbzeug, das keine
solche Formel erfüllt,
weist eine Rohrform auf, wobei der Durchmesser der oberen Öffnung groß ist, da
sie nach oben weist, und der Durchmesser der unteren Öffnung klein
ist, da sie nach unten weist. Wenn dementsprechend das Monomer nochmals
eingeführt
wird, kann der Brechungsindexgradient in Längsrichtung des Halbzeugs für eine optische
Kunststofffaser einen vielfältigen
Brechungsindexgradienten bewirken.
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Wenn Upm auf einen bestimmten Wert
gesetzt ist, muss r als Radius (m) eines Halbzeugs gemäß der obigen
Formel begrenzt werden. Zum Beispiel wird im Fall, dass eine Zentrifugalkraft
3000 Upm beträgt
und h 100 cm, wie folgt berechnet:
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Wenn r weniger als 1,41 beträgt, weist
das Halbzeug eine Rohrform auf, wobei aufgrund der Schwerkraft der
obere Teil dünn
ist und der untere Teil dick ist. Dementsprechend sollte der Radius
(r) des Halbzeugs mehr als 1,41 cm betragen.
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Allgemein liegt der geeignete Radius
des Halbzeugs bei ungefähr
5–10 cm,
um Wärmeübertragung für die Polymerisation
zu erleichtern. Die geeignete Länge
des Halbzeugs liegt bei bis zu 100 cm, um ein gutes thermisches
Verstrecken zu erreichen.
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Zwei Arten von Monomeren, die sich
in ihrer Dichte und im Brechungsindex unterscheiden, sind gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Methylmethacrylat, Benzylmethacrylat,
Phenylmethacrylat, 1-Methylcyclohexylmethacrylat, Cyclohexylmethacrylat,
Chlorbenzylmethacrylat, 1-Phenylethylmethacrylat, 1,2-Diphenylethylmethacrylat,
Diphenylmethylmethacrylat, Perfurylmethacrylat, 1-Phenylcyclohexylmethacrylat,
Pentachlorphenylmethacrylat, Pentabromphenylmethacrylat, Styrol, TFEMA
(2,2,2-Trifluorethylmethacrylat), PFPMA (2,2,3,3,3-Pentafluorpropylmethacrylat),
HFIPMA (1,1,1,3,3,3-Hexafluorisopropylmethacrylat) und HFBMA (2,2,3,3,4,4,4-Heptafluorbutylmethacrylat).
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Es können Homopolymere oder Copolymere
als Polymere gemäß der dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Das Homopolymer ist
polymerisiert aus einem Monomer wie Methylmethacrylat, Benzylmethacrylat,
Phenylmethacrylat, 1-Methylcyclohexylmethacrylat, Cyclohexylmethacrylat,
Chlorbenzylmethacrylat, 1-Phenylethylmethacrylat,
1,2-Diphenylethylmethacrylat, Diphenylmethylmethacrylat, Perfurylmethacrylat,
1-Phenylcyclohexylmethacrylat, Pentachlorphenylmethacrylat, Pentabromphenylmethacrylat,
Styrol, TFEMA (2,2,2-Trifluorethylmethacrylat), PFPMA (2,2,3,3,3-Pentafluorpropylmethacrylat),
HFIPMA (1,1,1,3,3,3-Hexafluorisopropylmethacrylat) und HFBMA (2,2,3,3,4,4,4-Heptafluorbutylmethacrylat).
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Das Copolymer umfasst zum Beispiel
Methylmethacrylat(MMA)-Benzylmethacrylat(BMA)-Copolymer, Styrol-Acrylnitril-Copolymer
(SAN), MMA-TFEMA(2,2,2-Trifluorethylmethacrylat)-Copolymer, MMA-PFPMA(2,2,3,3,3-Pentafluorpropylmethacrylat)-Copolymer,
MMA-HFIPMA(1,1,1,3,3,3-Hexafluorisopropylmethacrylat)-Copolymer,
MMA-HFBMA(2,2,3,3,4,4,4-Heptafluorbutylmethacrylat)-Copolymer,
TFEMA-PFPMA-Copolymer,
TFEMA-HFIPMA-Copolymer, Styrol-Methylmethacrylat-Copolymer und TFEMA-HFBMA-Copolymer.
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Gemäß der Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung umfasst das Prepolymer, das in einem letzten Schritt zum
Herstellen des Halbzeugs für
eine optische Kunststofffaser eingeführt wird, die Copolymere, die
aus mindestens zwei Monomeren hergestellt sind, die ausgewählt sind
aus der Gruppe bestehend aus Methylmethacrylat, Benzylmethacrylat,
Phenylmethacrylat, 1-Methylcyclohexylmethacrylat, Cyclohexylmethacrylat,
Chlorbenzylmethacrylat, 1-Phenylethylmethacrylat, 1,2-Diphenylethylmethacrylat,
Diphenylmethylmethacrylat, Perfurylmethacrylat, 1-Phenylcyclohexylmethacrylat,
Pentachlorphenylmethacrylat, Pentabromphenylmethacrylat, Styrol,
TFEMA (2,2,2-Trifluor ethylmethacrylat), PFPMA (2,2,3,3,3-Pentafluorpropylmethacrylat),
HFIPMA (1,1,1,3,3,3-Hexafluorisopropylmethacrylat) und HFBMA (2,2,3,3,4,4,4-Heptafluorbutylmethacrylat).
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4 ist
eine schematische Zeichnung, die ein Gerät zum Herstellen eines Halbzeugs
für eine
optische Kunststofffaser mit einem radialen Brechungsindexgradienten
in radialer Richtung durch Zentrifugalkraft gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt.
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Ein Reaktor 5 ist drehbar
mit einem Motor verbunden. Da die direkte Verbindung der Achse eines
Reaktors 5 mit der Achse eines Motors 1 den Betrieb instabil
macht, ist die Achse eines Reaktors 5 mit der Achse eines
Motors 1 über
einen Riemen 2 als indirektes Energieübertragungsmittel verbunden,
um die Betriebsstabilität
zu erhöhen.
Obwohl ein Reaktor 5 so ausgelegt sein kann, dass er bei
einer maximalen Umdrehungsgeschwindigkeit von 25000 Upm läuft, tritt
bei einer Umdrehungsgescf-iwindigkeit von 10000 Upm oder mehr übermäßige Vibration
auf, was die Reaktorauslegung erschwert. Und, wenn ein Reaktor 5 sich
bei weniger als 2500 Upm dreht, wird die Dicke des rohrförmigen Halbzeugs
nach unten dicker. Dementsprechend liegt die Umdrehungsgeschwindigkeit
eines Reaktors 5 bevorzugt bei 3000 bis 8000 Upm, um einen
gleichmäßigen Brechungsindexgradienten
des Halbzeugs zu erreichen, und sie wird durch eine Umdrehungsgeschwindigkeitssteuerung 10 gesteuert,
die mit einem Motor 1 verbunden ist.
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Von einer Heizspirale 6 wird
Luft erwärmt
und durch ein Luftzufuhrrohr 7 in einen Reaktor 5 geblasen. Die
erwärmte
Luft bleibt im Inneren des Reaktors 5 und strömt dann
zum Austritt. Die Temperatur des Reaktors 5 wird am Austritt
gemessen und durch eine Temperatursteuerung 9 geregelt.
Die Außenseite
des Zylinders ist durch ein Isoliermittel 4 aus Asbest
isoliert, so dass eine Umsetzung bei konstanter Temperatur durchgeführt werden
kann. Der sich drehende Reaktor 5 aus rostfreiem Stahl
ist gebildet aus einem oberen Deckel, einem unteren Deckel und einem
Körper,
die voneinander getrennt werden können. Ein Glasrohr 11 ist
in einen Reaktor 5 eingesetzt und die Reaktionskomponente
wird durch das Glasrohr 11 darin eingeführt.
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5 ist
eine schematische Zeichnung, die ein Gerät zum kontinuierlichen Einfüllen von
Monomeren in den Reaktor darstellt, das bei der Herstellung eines
Halbzeugs für
eine optische Kunststofffaser gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird.
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Wie in 5 gezeigt
ist dreht sich das Glasrohr 11, so dass die Reaktionskomponente
kontinuierlich zugeführt
wird. Mit dem Glasrohr 11 im Reaktor 5 und dem
rostfreien Rohr 14 ist ein Einfüller 31 verbunden. Da
ein Rohr 14 aus rostfreiem Stahl von einem Lager 15 getragen
ist, das im Einfüller
3 eingesetzt ist, damit es sich in einem Kontaktzustand mit dem
Riemen 2 dreht, kann es selbst bei der Umdrehung in einem fixierten Zustand
gehalten werden. Da ein O-Ring 12 und ein Teflondeckel 13 zwischen
einem Glasrohr 11 und dem Einfüller 3 vorgesehen sind, kann
der Einfüller
3 selbst bei der Umdrehung in einem fixierten Zustand gehalten werden.
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Die Reaktionskomponente wird durch
den Einfüller
3 kontinuierlich in den Reaktor 5 eingeführt und
der durch den Riemen 2 angeschlossene Motor 1 dreht den Reaktor.
Die durch das Rohr 7 strömende erwärmte Luft polymerisiert die
Reaktionskomponente thermisch. Die Monomere und das Prepolymer können unter
Verwendung des obigen Einfüllers
3 kontinuierlich eingeführt
werden, ohne die Umdrehung des Reaktors zu stoppen.
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Als Heizmedium zum Erwärmen der
in den Reaktor 5 eingefüllten
Reaktionskomponente kann irgendein inertes Gas verwendet werden sowie
Luft oder es kann ein Fluid, wie zum Beispiel Öl verwendet werden. Der Reaktor 5 kann
aus rostfreiem Stahl, Hastelloy, Messing, Aluminium, Teflon, Glas
oder einer anderen Keramik gebildet sein. Aber es versteht sich,
dass andere Materialien verwendet werden können.
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Ein Halbzeug für eine optische Kunststofffaser
hergestellt nach dem obigen Prozess kann gegebenenfalls einem thermischen
Verstrecken unterzogen werden, um sie in eine optische Kunststofffaser
mit Gradientenindex (GI-POF) mit einem gewünschten Durchmesser umzuwandeln,
oder sie kann in einen relativ dicken Strang verarbeitet werden,
um eine Linse mit Gradientenindex und einen Bildleiter zur Bildübertragung
herzustellen.
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Beispiele
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Als ein Paar Monomere, die sich in
Dichte und Brechungsindex unterscheiden wurden ein Styrolmonomer
(SM) und ein Methylmethacrylat (MMA) verwendet. Als Prepolymer wurden
SM und MMA, MMA und Benzylmethycrylat (BMA) verwendet.
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Der Brechungsindex der Preform für eine optische
Kunststofffaser gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde unter Verwendung eines Interferenzmikroskops gemessen.
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Beispiel 1:
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Eine Lösung bestehend aus 550 g Methylmethacrylat
(MMA), 0,1 Gew.-Benzoylperoxid
(BPO) als Reaktionsinitiator und 0,2 Gew.-% 1-Butanthiol als Kettenübertragungsmittel
wurden in einen rohrförmigen
Glasreaktor mit 40 mm Durchmesser und 100 mm Länge eingefüllt, mit einem Deckel verschlossen
und dann bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 3000 Upm und einer
Temperatur von 65°C
12 Stunden lang umgesetzt, so dass sich eine Schicht bildet. Die
Temperatur im Reaktor wurde auf Raumtemperatur gesenkt. Eine Lösung bestehend
aus 80 g der Monomere vermischt mit SM und MMA in einem Gewichtsverhältnis von
40 : 60, 0,4 Gew.-% BPO als Reaktionsinitiator und 0,2 Gew.-% 1-Butanthiol
als Kettenübertragungsmittel
wurden in den Reaktor gefüllt
und dann bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 3000 Upm und einer
Temperatur von 65°C umgesetzt.
Nach 7 Stunden wurde die Temperatur des Reaktors auf Raumtemperatur
gesenkt. Eine Lösung bestehend
aus 20 g der Monomere vermischt mit SM und MMA in einem Gewichtsverhältnis von
50 : 50, 0,4 Gew.-% BPO als Reaktionsinitiator und 0,2 Gew.-% 1-Butanthiol
als Kettenübertragungsmittel
wurden in den bedingt durch Volumenschrumpf gebildeten Hohlraum
eingeführt,
der durch eine Zentrifugalkraft erzeugt ist, und dann bei einer
Umdrehungsgeschwindigkeit von 3000 Upm und einer Temperatur von
65°C umgesetzt. Die
genannten Verfahrensweisen wurden einige Male wiederholt, um ein
Halbzeug für
eine optische Kunststofffaser ohne Hohlraum zu erhalten. Das Brechungsindexprofil
in radialer Richtung für
das Halbzeug wurde bestimmt und die Ergebnisse sind in 6 gezeigt.
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Beispiel 2
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Eine Lösung bestehend aus 550 g MMA,
0,1 Gew.-% BPO als Reaktionsinitiator und 0,2 Gew.-% 1-Butanthiol
als Kettenübertragungsmittel
wurden in einen rohrförmigen
Glasreaktor mit 40 mm Durchmesser und 100 mm Länge eingefüllt, mit einem Deckel verschlossen
und dann bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 3000 Upm und einer
Temperatur von 65°C
12 Stunden lang umgesetzt, so dass sich eine Schicht bildet. Die Temperatur
im Reaktor wurde auf Raumtemperatur gesenkt. Eine Lösung bestehend
aus 20 g der Monomere vermischt mit SM und MMA in einem Gewichtsverhältnis von
40 : 60, 0,4 Gew.-% BPO als Reaktionsinitiator und 0,2 Gew.-% 1- Butanthiol als Kettenübertragungsmittel
wurden in den Reaktor gefüllt
und dann bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 3000 Upm und einer
Temperatur von 65°C
umgesetzt. Nach 5 Stunden wurde die Temperatur des Reaktors auf
Raumtemperatur gesenkt. Eine Lösung
bestehend aus 20 g der Monomere vermischt mit SM und MMA in einem
Gewichtsverhältnis
von 45 : 55, 0,4 Gew.-% BPO als Reaktionsinitiator und 0,2 Gew.-%
1-Butanthiol als Kettenübertragungsmittel
wurden in den bedingt durch Volumenschrumpf gebildeten Hohlraum
eingeführt,
der durch eine Zentrifugalkraft erzeugt ist, und dann bei einer
Umdrehungsgeschwindigkeit von 3000 Upm und einer Temperatur von
65°C umgesetzt.
Die genannten Verfahrensweisen wurden unter Verwendung der Monomere
vermischt mit SM und MMA in Gewichtsverhältnissen von 50 : 50, 55 :
45 bzw. 60 : 40 wiederholt, um Halbzeuge für optische Kunststofffasern
ohne Hohlraum zu erhalten. Das Brechungsindexprofil in radialer
Richtung für
das Halbzeug wurde bestimmt und die Ergebnisse sind in 7 gezeigt.
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Beispiel 3
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Eine Lösung bestehend aus 40 g der
Monomere vermischt mit SM und MMA in einem Gewichtsverhältnis von
40 : 60, 0,4 Gew.-% BPO als Reaktionsinitiator und 0,2 Gew.-% 1-Butanthiol
als Kettenübertragungsmittel
wurden in einen rohrförmigen
Glasreaktor eingefüllt
und bei einer Temperatur von 65°C
umgesetzt. Nachdem die Reaktion beendet ist, wurde das erhaltene
Copolymer auf eine geringe Größe zerkleinert
und dann 24 Stunden lang in 40 g der Monomere vermischt mit SM und
MMA in einem Gewichtsverhältnis
von 60 : 40 getaucht. Die erhaltene Mischung wurde in einen rohrförmigen Glasreaktor
mit 40 mm Durchmesser und 100 mm Länge eingefüllt, mit einem Deckel verschlossen
und dann bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 3000 Upm und einer
Temperatur von 65°C
7 Stunden lang umgesetzt. Nachdem die Temperatur des Reaktors auf
Raumtemperatur gesenkt ist, wurden 13 g der Monomere vermischt mit
SM und MMA in einem Gewichtsverhältnis
von 60 : 40, 0,4 Gew.-% BPO als Reaktionsinitiator und 0,2 Gew.-%
1-Butanthiol als Kettenübertragungsmittel
vermischt. Die Mischung wurde in den bedingt durch Volumenschrumpf
gebildeten Hohlraum eingeführt,
der durch Zentrifugalkraft erzeugt ist, und dann bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit
von 3000 Upm und einer Temperatur von 65°C umgesetzt. Die genannten Verfahrensweisen
wurden einige Male wiederholt, um Halbzeuge für eine optische Kunststofffaser
ohne Hohlraum zu erhalten. Das Brechungsindexprofil in radialer
Richtung für
das Halbzeug wurde bestimmt und die Ergebnisse sind in 8 gezeigt.
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Beispiel 4
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Es wurde die selbe Verfahrensweise
wie in Beispiel 1 durchgeführt,
mit der Ausnahme, dass nach Ausbildung einer Schicht, die mit SM
und MMA in einem Gewichtsverhältnis
von 40 : 60 vermischten Monomere bei einer Temperatur von 65°C und einer
Umdrehungsgeschwindigkeit von 5000 Upm über 7 Stunden polymerisiert
wurden, so dass ein Halbzeug für
eine optische Kunststofffaser ohne Hohlraum erhalten wurde. Das
Brechungsindexprofil in radialer Richtung für das Halbzeug wurde bestimmt,
um den Brechungsindex in Abhängigkeit
von der Umdrehungsgeschwindigkeit (Upm) zu erfahren, und die Ergebnisse
sind in 6 gezeigt.
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Beispiel 5
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Eine Lösung bestehend aus 550 g MMA,
0,1 Gew.-% BPO als Reaktionsinitiator und 0,2 Gew.-% 1-Butanthiol
als Kettenübertragungsmittel
wurden in einen rohrförmigen
Glasreaktor mit 60 mm Durchmesser und 300 mm Länge eingefüllt, mit einem Deckel verschlossen
und dann bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 3000 Upm und einer
Temperatur von 65°C
12 Stunden lang umgesetzt, so dass sich eine Schicht bildet. Die Temperatur
im Reaktor wurde auf Raumtemperatur gesenkt. Eine Lösung bestehend
aus 150 g der Monomere vermischt mit SM und MMA in einem Gewichtsverhältnis von
5 : 95, 0,1 Gew.-% BPO als Reaktionsinitiator und 0,2 Gew.-% 1-Butanthiol als Kettenübertragungsmittel
wurden in den Reaktor gefüllt,
mit einem Deckel verschlossen und dann bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit
von 4000 Upm und einer Temperatur von 65°C umgesetzt. Eine Lösung bestehend
aus 70 g der Monomere vermischt mit SM und MMA in einem Gewichtsverhältnis von
10 : 90, 0,1 Gew.-% BPO als Reaktionsinitiator und 0,2 Gew.-% 1-Butanthiol
als Kettenübertragungsmittel
wurden in den bedingt durch Volumenschrumpf gebildeten Hohlraum
eingeführt,
der durch eine Zentrifugalkraft erzeugt ist, mit einem Deckel verschlossen
und dann bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 5000 Upm und einer
Temperatur von 65°C
umgesetzt. Schließlich
wurde eine Lösung
bestehend aus 100 g der Monomere vermischt mit SM und MMA in einem
Gewichtsverhältnis
von 15 : 85, 0,1 Gew.-% BPO als Reaktionsinitiator und 0,2 Gew.-%
1-Butanthiol als Kettenübertragungsmittel
in einen anderen Reaktor eingeführt
und dann bei einer Temperatur von 65°C 3 Stunden lang umgesetzt,
so dass ein Prepolymer mit einer Viskosität von 1000 cps erhalten wurde.
Nachdem das erhaltene Prepolymer in den Hohlraum eingefüllt wurde, wurde
der Reaktor mit einem Deckel verschlossen und die Reaktion bei einer
Temperatur von 65°C über 12 Stunden
ohne Umdrehung gestartet. Zusätzlich
wurde die Reaktion bei einer Temperatur von 80°C für 24 Stunden gestartet, um
ein großes
Halbzeug ohne Hohlraum herzustellen. Das Brechungsindexprofil in
radialer Richtung für
das Halbzeug wurde bestimmt und die Ergebnisse sind in 9 gezeigt.
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Beispiel 6
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Eine Lösung bestehend aus 550 g MMA,
0,1 Gew.-% BPO als Reaktionsinitiator und 0,2 Gew.-% 1-Butanthiol
als Kettenübertragungsmittel
wurden in einen rohrförmigen
Glasreaktor mit 60 mm Durchmesser und 300 mm Länge eingefüllt. Der Reaktor wurde mit
einem Deckel verschlossen und dann bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit
von 3000 Upm und einer Temperatur von 65°C über 12 Stunden umgesetzt, so
dass sich eine Schicht bildet. Die Temperatur im Reaktor wurde auf
Raumtemperatur gesenkt. Eine Lösung
bestehend aus 150 g der Monomere vermischt mit SM und MMA in einem
Gewichtsverhältnis
von 5 : 95, 0,1 Gew.-% BPO als Reaktionsinitiator und 0,2 Gew.-%
1-Butanthiol als Kettenübertragungsmittel
wurden in den Reaktor gefüllt,
mit einem Deckel verschlossen und dann bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit
von 4000 Upm und einer Temperatur von 65°C umgesetzt. Eine Lösung bestehend
aus 70 g der Monomere vermischt mit SM und MMA in einem Gewichtsverhältnis von
10 : 90, 0,1 Gew.-% BPO als Reaktionsinitiator und 0,2 Gew.-% 1-Butanthiol
als Kettenübertragungsmittel
wurden in den bedingt durch Volumenschrumpf gebildeten Hohlraum
eingeführt,
der durch eine Zentrifugalkraft erzeugt ist, mit einem Deckel verschlossen
und dann bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 5000 Upm und einer
Temperatur von 65°C
umgesetzt. Schließlich
wurde eine Lösung
bestehend aus 100 g der Monomere vermischt mit SM und MMA in einem
Gewichtsverhältnis
von 15 : 85, 0,1 Gew.-% BPO als Reaktionsinitiator und 0,2 Gew.-%
1-Butanthiol als Kettenübertragungsmittel
in einen anderen Reaktor eingeführt
und dann bei einer Temperatur von 65°C 3 Stunden lang umgesetzt,
so dass ein Prepolymer mit einer Viskosität von 2000 mPas (cps) erhalten
wurde. Nachdem das erhaltene Prepolymer in den Hohlraum eingefüllt wurde,
wurde der Reaktor mit einem Deckel verschlossen und die Reaktion
bei einer Temperatur von 65°C
für 12
Stunden ohne Umdrehung gestartet.
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Zusätzlich wurde die Reaktion bei
einer Temperatur von 80°C
für 24
Stunden gestartet, um ein großes Halbzeug
ohne Hohlraum herzustellen. Das Brechungsindexprofil in radialer
Richtung für
das Halbzeug wurde bestimmt und die Ergebnisse sind in 10 gezeigt.
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Vergleichsbeispiel 1
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SM und MMA wurden in einem Gewichtsverhältnis von
40 : 60 vermischt und bei einer Temperatur von 65°C und einer
Umdrehungsgeschwindigkeit von 3000 Upm über 7 Stunden polymerisiert,
um ein Halbzeug für
eine optische Kunststofffaser zu erhalten. Das erhaltene Halbzeug
für eine
optische Kunststofffaser hatte einen Hohlraum in ihrem Zentrum und
der Durchmesser des leeren Hohlraums im Halbzeug betrug etwa die Hälfte des
gesamten Durchmessers des Halbzeugs.
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Beispiel 7
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Herstellung
der optischen Faser
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Die in den Beispielen 2 und 5 hergestellten
Halbzeuge wurden einem thermischen Verstrecken bei einer Temperatur
von 220°C
unterzogen, um optische Kunststofffasern mit einer Dicke von jeweils
0,5 mm zu erhalten. Der Übertragungsverlust
für die
optischen Fasern bei 650 nm betrug 180 dB/km bzw. 200 dB/km.
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Effekte der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein neues Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs für eine optische Kunststofffaser
mit einem kontinuierlichen Brechungsindexgradienten und damit ohne
Diskontinuität
im Brechungsindexprofil in radialer Richtung zur Verfügung.
