DE60318046T2

DE60318046T2 - Optisches kunststoffprodukt, optische kunststofffaser, vorrichtung zur herstellung eines optischen kunststoffteils und verfahren zur herstellung eines optischen kunststoffteils und eines optischen kunststoffprodukts

Info

Publication number: DE60318046T2
Application number: DE60318046T
Authority: DE
Inventors: Tohru Fujinomiya-shi OGURA; Takahito Fujinomiya-shi MIYOSHI; Yukio Fujinomiya-shi Shirokura
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2023-05-23
Also published as: TWI266911B; ATE380648T1; WO2003099540A1; EP1509380B1; US20050238304A1; JP3910528B2; DE60318046D1; EP1509380A1; CN1655918A; KR20050005502A; JP2004054205A; KR100989295B1; TW200401126A; AU2003241172A1; CN100572030C

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Kunststoffprodukts wie einer optischen Kunststofffaser, und eine Vorrichtung zur Herstellung eines optischen Kunststoffprodukts.
Technischer Hintergrund
Optische Kunststoffteile sind im Vergleich zu optischen Quarzglasteilen vorteilhaft hinsichtlich der Einfachheit der Verarbeitung und des Preises. Kunststoffmaterialien wurden für optische Teile wie eine optische Faser angewendet. Die optische Kunststofffaser ist flexibler und leichter als die optische Quarzglasfaser, so dass die optische Kunststofffaser vorteilhaft bei der Herstellung einer großen optischen Faser zu einem niedrigen Preis ist. Wegen des größeren Übertragungsverlustes als bei der optischen Quarzglasfaser wird die optische Kunststofffaser bevorzugt für die optische Kommunikation auf kurze Distanz, bei der der Übertragungsverlust unproblematisch ist, angewendet.
Die optische Kunststofffaser weist eine Polymer-Hüllröhre und einen Polymerkern im Inneren der Hüllröhre auf. Die Hüllröhre wird durch Extrusion aus einem geschmolzenen thermoplastischen Material wie Polymethyl-methacrylat (PMMA) hergestellt. Um eine innere Totalreflexion von Signallicht zu bewerkstelligen hat die Hüllröhre einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern.
Die optische Faser wird durch Verstrecken einer optischen Grundfaser (Vorform), die durch Ausbilden des Kerns im Inneren der Hüllröhre produziert wird, hergestellt. Beispielsweise beschreibt die japanische Offenlegungsschrift (JP-A) Nr. 2-16504 ein Herstellungsverfahren zur Ausbildung der Vorform durch konzentrisches Extrudieren von zwei oder mehr Arten von Polymeren mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Die Vorform wird in einer Atmosphäre von 180°C bis 250°C verstreckt, so dass eine optische Kunststofffaser vom Gradientenindex-Typ (GI-Typ) erzeugt wird. JP-A 9-133818 beschreibt ein Verfahren zur Ausbildung der Vorform durch gleichzeitiges Extrudieren der Hüllröhre und des Kerns. Außerdem offenbart JP-A 8-201637 ein Verfahren zur Erzeugung der Vorform durch Eintropfen einer unverdünnten Lösung, um den Kern im Inneren der Hüllröhre, die durch Extrusion ausgebildet wird, zu polymerisieren.
Während die Hüllröhre ausgebildet wird, wird geschmolzenes Polymer zu einer Kühlvorrichtung zum Festwerden unmittelbar nach der Extrusion des geschmolzenen Polymers befördert. So wird die Dicke der Hühlröhre ungleichmäßig. Obwohl das geschmolzene Polymer vertikal extrudiert wird, um die Hüllröhre davor zu bewahren, während des Extrusionsprozesses durch ihre Schwere gebogen zu werden, verändert sich die Dicke der Hülle aufgrund von Schwankungen der Form des Extrusionswerkzeugs und der Extrusionsgeschwindigkeit.
Wenn die Dicke der Hüllröhre nicht gleichmäßig ist, variiert der Durchmesser der optischen Kunststofffaser mit einer derartigen Hüllröhre. Es ist schwierig, eine derartige optische Faser zu bedecken, und eine derartige optische Faser mit einer anderen Komponente zur optischen Übertragung zu verbinden. Darüber hinaus ist es notwendig, da die optische Faser mit ungleichmäßigem Durchmesser einen hohen Übertragungsverlust verursacht, die Ungleichmäßigkeit des Durchmessers zu verringern, um die optische Quarzglasfaser in dem optischen Übertragungssystem durch die optische Kunststofffaser zu ersetzen.
EP-A-0 629 493 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Verbunds, z. B. einer Lichtleitung. Der gehärtete Verbund besteht aus einer Umhüllung und einem Kern. Der Verbund wird ausgebildet durch gleichzeitiges und koaxiales Extrudieren eines geschmolzenen Umhüllungspolymers, das eine röhrenförmige Umhüllung bildet, und eines vernetzbaren Kerngemisches, das die röhrenförmige Umhüllung füllt, und durch Härten des vernetzbaren Kerngemisches innerhalb der röhrenförmigen Umhüllung. Die Qualität der äußeren Umhüllungsoberfläche kann durch Oberflächen-Behandlungstechniken, wozu die Verwendung von Mitteln wie horizontale Extrusion, eine Wasser-Durchführung oder Vakuum-Behandlungstechniken gehören, verbessert werden
JP 08 054 520 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Kunststoffprodukts mit einer hohlen Form, d. h. einer optischen Kunststofffaser-Vorform, durch Einbringen eines polymerisierbaren Materiales ins Innere eines hohlen zylindrischen Körpers und durch Drehen des hohlen zylindrischen Körpers. Das monomere Material polymerisiert im Inneren des sich drehenden hohlen zylindrischen Körpers, wodurch ein röhrenförmiges Produkt ausgebildet wird.
US-A-3 472 921 offenbart ein Verfahren zur Herstellung optischer Fasern, bei dem ein vorgeformter röhrenförmiger thermoplastischer Mantel um ein Extrusionsrohr herum angebracht wird, und ein thermoplastisches Kernmaterial durch das Extrusionsrohr extrudiert wird, während der röhrenförmige Mantel in Flußrichtung des Kernmaterials bewegt wird. Zur Sicherstellung guter Lichtübertragungseigenschaften sind örtliche Unvollkommenheiten an der Grenzfläche zwischen dem lichtdurchlässigen Kern und dem Mantel zu vermeiden. Daher wird während des Extrusionsprozesses Vakuum angelegt, um Gase aus dem Inneren des Mantels auszuschließen und zu helfen, die Bildung von Blasen an der Grenzfläche zwischen dem Mantel und dem mittigen Kern zu verhindern.
RU 2 176 596 C1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoffröhren mit farbigen Streifen. Ein röhrenförmiges Rohteil, d. h. eine Röhre ohne Streifen, wird extrudiert, und ein vorher hergestellter Film mit farbigen Streifen wird in die Außenoberfläche des röhrenförmigen Rohteils gepreßt, indem zwischen dem röhrenförmigen Rohteil und dem Film mit farbigen Streifen Vakuum angelegt wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Kunststoffprodukts, das für die Hüllröhre geeignet ist, mit einer geringen Dickenschwankung, und eine Vorrichtung zur Herstellung des opti schen Kunststoffprodukts bereitzustellen. In einer Ausführungsform ist das optische Kunststoffprodukt eine optische Kunststofffaser.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein hohles optisches Kunststoffprodukt durch die folgenden Schritte hergestellt.

(a) Schmelzen eines Polymers;
(b) Extrudieren des Polymers aus einem Extrusionswerkzeug, um ein hohles geschmolzenes Polymer zu erhalten;
(c) Korrigieren der Form des geschmolzenen Polymers durch ein Formungswerkzeug, und
(d) Festwerdenlassen des geschmolzenen Polymers, um ein optisches Kunststoffteil mit einer hohlen Form zu erhalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Dekompressionspumpe durch eine Mehrzahl von Löchern, die in einer inneren Oberfläche des Formungswerkzeugs ausgebildet sind, mit dem Formungswerkzeug verbunden. Wenn die Dekompressionspumpe betrieben wird, wird der Raum des Formungswerkzeuges dergestalt dekomprimiert, dass das geschmolzene Polymer dicht an die innere Oberfläche des Formungswerkzeugs angelegt wird. Der Luftdruck nahe der inneren Oberfläche des Formungswerkzeugs beträgt bevorzugt 20 kPa bis 50 kPa.
Die Extrusionsgeschwindigkeit des geschmolzenen Polymers in dem Formungswerkzeug ist bevorzugt gleich oder größer als 0,1 m/min und gleich oder kleiner als 10 m/min. Die Temperatur des geschmolzenen Polymers ist bevorzugt gleich oder größer als (Tg + 30)°C und gleich oder kleiner als (Tg + 120)°C, wobei Tg die Glasübergangstemperatur des Polymers ist. Darüber hinaus ist die scheinbare Viskosität des geschmolzenen Polymers nahe dem Ausgang des Extrusionswerkzeugs bevorzugt 500–10000 Pa·s.
Der Abstand zwischen einem Ausgang des Extrusionswerkzeugs und einem Eingang des Formungswerkzeugs ist bevorzugt größer als 0 mm und kleiner als 20 mm. Es ist möglich, ein Einlaufelement an einem Eingang des Formungswerkzeugs zu fixieren, um die Dicke des optischen Teils einheitlich zu halten. Das geschmolzene Polymer wird gekühlt, um nach dem Formungswerkzeug fest zu werden.
Da die Form des optischen Kunststoffteils durch das Formungswerkzeug korrigiert wird, ist es möglich, den Fehler in der Dicke des hohlen optischen Kunststoffteils zu verringern.
Eine Ausführungsform des optischen Kunststoffprodukts wird hergestellt durch Einspritzen von polymerisiertem Material ins Innere eines Hohlbereichs des optischen Kunststoffteils. Es ist möglich, eine optische Kunststofffaser durch Verstrecken des optischen Kunststoffprodukts als eine Vorform herzustellen. Das optische Kunststoffteil ist eine Hülle der optischen Kunststofffaser, und das polymerisierte Material ist ein Kern der optischen Kunststofffaser.
Die optischen Eigenschaften der optischen Kunststofffaser werden verbessert, da das Formungswerkzeug den Fehler in der Dicke der Hülle verringert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht einer Fertigungslinie eines optischen Kunststoffprodukts;
2 ist eine perspektivische Explosions-Teilansicht eines Formungswerkzeugs in der Fertigungslinie von 1;
3 ist eine Schnittansicht des Formungswerkzeugs von 2;
4 ist eine Schnittansicht des Formungswerkzeugs von 2 entlang der Linie IV-IV;
5A, 5B und 5C sind Teil-Querschnitte des Formungswerkzeugs gemäß einer anderen Ausführungsform; und
6 ist eine schematische Ansicht der Fertigungslinie gemäß noch einer weiteren Ausführungsform.
Beste Art zur Ausführung der Erfindung
Eine Fertigungslinie einer optischen Kunststofffaser mit einer Hüllröhre und einem Kern ist als die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Diese unten beschriebenen Ausführungsformen schränken den Umfang der Ansprüche der vorliegenden Erfindung nicht in unnötiger Weise ein.
(Die Hüllröhre der optischen Kunststofffaser)
Die Hüllröhre bzw. der Hüllschlauch wird durch Extrusion eines geschmolzenen thermoplastischen Materials gebildet. Der Brechungsindex der Hülle muß niedriger sein als derjenige des Kerns, so dass Übertragungslicht in dem Kern an der Grenzfläche zwischen dem Kern und der Hüllröhre vollständig reflektiert wird. Ein amorphes Material mit hoher Haltbarkeit und Wärmebeständigkeit wird bevorzugt als die Hüllröhre verwendet. Beispiele für das Monomer der Hüllröhre sind Methyl-methacrylat (MMA), Styrol, Methyl-methacrylat-deuterium, Trifluorethyl-methacrylat, Hexafluorisopropyl-2-fluoracrylat, aber ohne darauf beschränkt zu sein. Eines dieser Monomere wird zu einem Homopolymer als das Rohmaterial der Hüllröhre polymerisiert.
Es können zwei oder mehr Arten von Monomeren zu einem Copolymer als das Rohmaterial der Hüllröhre polymerisiert werden. Es ist auch möglich, die Hülle aus einem Gemisch von Homopolymeren von zwei oder mehreren Arten von Monomeren zu bilden. Die Hüllröhre wird bevorzugt aus Polymethyl-metha crylat (PMMA), das durch Polymerisation von MMA hergestellt wird, gebildet. Unter verschiedenen Strukturisomeren von PMMA ist dasjenige mit syndiotaktischer Struktur, das die Glasübergangstemperatur von 105°C bis 120°C hat, hinsichtlich Einfachheit des Formungsprozesses bevorzugter. Im Hinblick auf die Transparenz der optischen Kunststofffaser ist es auch bevorzugt, die Hüllröhre aus demselben Rohmaterial des Kerns auszubilden. Die Hüllröhre kann zwei oder mehr Schichten haben zum Zweck der Verringerung des Übertragungsverlusts und Biegeverlusts, der Verhinderung von Feuchtigkeitsabsorption, der Verbesserung der Festigkeit usw. Ein Beispiel für eine derartige Hüllröhre besteht aus einer inneren Schicht aus PMMA und einer äußeren Schicht aus Polyvinyliden-fluorid (PVDF).
Der mittlere Polymerisationsgrad der Hüllröhre ist bevorzugt 500–5000, bevorzugter 700–3000, und am meisten bevorzugt 800–2000. Mit dem oben beschriebenen bevorzugten mittleren Polymerisationsgrad wird die Vorform stabil zur Ausbildung der optischen Kunststofffaser verstreckt. Die Menge des Rest-Rohmaterials in dem Polymer ist bevorzugt gleich und kleiner als 1,0 Masse%, und bevorzugter gleich und kleiner als 0,5 Masse%. Diese obigen Zahlenwerte schränken die Eigenschaften des Polymers der Hüllröhre nicht in unnötiger Weise ein.
(Der Kern der optischen Kunststofffaser)
Für den Kern werden beliebige Rohmaterialien verwendet, so lange der Kern für Übertragungslicht transparent ist. Es ist bevorzugt, ein Polymer mit geringem Übertragungsverlust für durchgelassenes bzw. übertragenes Licht zu verwenden. Beispiele für das Monomer als das Rohmaterial sind Methyl-methacrylat (MMA), Methyl-methacrylat-deuterium, Trifluorethyl-methacrylat, Hexafluorisopropyl-2-fluoracrylat, aber ohne darauf beschränkt zu sein. Eines dieser Monomere wird ausgewählt und zu einem Homopolymer als das Kernmaterial polymerisiert. Das Homopolymer kann nach der Bildung von Oligomer aus dem Monomer erzeugt werden. Der Kern kann aus einem Copolymer von zwei oder mehr Arten von Monomeren ausgebildet werden. Es ist auch möglich, den Kern aus einem Gemisch von Homopolymeren auszubilden.
Der Kern wird bevorzugt aus Polymethyl-methacrylat (PMMA), das durch Polymerisation von MMA mit hoher Massepolymerisationsfähigkeit hergestellt wird, ausgebildet. Es ist auch möglich, ein Homopolymer, ein Copolymer und ein Mischpolymer, die ein Monomer besitzen, in dem ein Wasserstoffatom (H) durch ein Deuteriumatom (D) oder ein Halogenatom (X) ersetzt ist, zu verwenden. Die CH-Bindung in dem Kern bewirkt einen Übertragungsverlust in einem bestimmten Wellenlängenbereich. Ersetzen des Wasserstoffatoms bewirkt, dass sich der Wellenlängenbereich zur Seite der längeren Wellenlängen verschiebt, so dass der Übertragungsverlust in dem bestimmten Wellenlängenbereich kleiner wird.
(Zusätze)
Polymerisationstarter und Polymerisations-Modifizierungsmittel (Mercapto-Verbindungen als ein Kettenübertragungsmittel, wie n-Butylmercaptan (CH₃-(CH₂)₃-SH) und n-Laurylmercaptan (CH₃-(CH₂)₁₁-SH)) können dem Monomer zugesetzt werden, wenn das Monomer zu dem Polymer polymerisiert wird. Derartige Zusätze sind dahingehend wirksam, den Polymerisationszustand und die Polymerisationsgeschwindigkeit zu kontrollieren, und um das Molekulargewicht, das für den thermischen Verstreckungsprozess zur Ausbildung der optischen Kunststofffaser geeignet ist, zu kontrollieren.
Der Polymerisationsstarter wird selektiv entsprechend dem Polymerisationszustand und dem zu verwendenden Monomer verwendet. Beispiele für die Polymersationsstarter für die Wärmepolymerisation sind Benzoylperoxid (PBO), t-Butylperoxi-2-ethylhexanat (PBO), Di-t-butylperoxid (PBD), t-Butylperoxi-isopropylcarbonat (PBI), n-Butyl-4,4-bis(t-butylperoxi)paralat, aber ohne darauf beschränkt zu sein. Es kann mehr als eine Art von Polymerisationsstarter zugemischt werden.
Das Polymerisations-Modifikationsmittel (Kettenübertragungsmittel) wird zur Einstellung des Molekulargewichts verwendet und entsprechend der Art des Monomers und des Polymerisationsgrads des Polymers ausgewählt. Im Fall der Methyl-methacrylat-Verbindung als das Monomer sind Beispiele für die Polymerisations-Modifikationsmittel Alkylmercaptane (wie n-Butylmercaptan, n-Pentylmercaptan, n-Octylmercaptan, n-Laurylmercaptan, t-Dodecylmercaptan), Thiophenole (wie Thiophenol, m-Bromthiophenol, p-Bromthiophenol, m-Toluolthiol, p-Toluolthiol), wie beschrieben in WO 93/08488 . Unter ihnen sind Alkylmercaptane, wie n-Octylmercaptan, n-Laurylmercaptan und t-Dodecylmercaptan, bevorzugt. Es ist möglich, die Polymerisations-Modifikationsmittel, in denen ein Wasserstoffatom in einer CH-Bindung durch ein Deuteriumatom (D) ersetzt ist, zu verwenden. Es kann mehr als eine Art von Polymerisations-Modifikationsmittel zugemischt werden. Die Beispiele für das Polymerisations-Modifikationsmittel sind bei der vorliegenden Erfindung nicht auf jene oben eingeschränkt.
Die optische Faser vom Gradientenindex-Typ (GI-Typ) hat einen Kern, in dem sich der Brechungsindex allmählich von der Mitte zur Außenoberfläche verändert. Im Vergleich zu der optischen Faser mit einem Kern mit konstantem Brechungsindex hat die optische Faser vom GI-Typ eine größere Übertragungskapazität. Die optische Faser vom GI-Typ wird durch Zugeben eines Brechungsindex-Modifikationsmittels, um den Brechungsindex des Polymers zu erhöhen, hergestellt. Das Monomer mit dem Brechungsindex-Modifikationsmittel wird so polymerisiert, dass das Kernpolymer das Brechungsindex-Modifikationsmittel enthält. Als das Brechungsindex-Modifikationsmittel können beliebige geeignete Materialien verwendet werden, die mit dem Polymer gemeinsam vorliegen und unter Polymerisationsbedingungen (Erwärmungs- und Druckbedingungen) stabil sind. Beispiele für das Brechungsindex-Modifikationsmittel sind Benzoesäureester (BEN), Diphenylsulfid (DPS), Triphenylphosphat (TPP), Benzylphthalat-n-butyl (BBP), Diphenyl-phthalat (DPP), Bipheyl (DP), Diphenylmethan (DPM), Tricresyl-phosphat (TCP), Diphenyl-sulfoxid (DPSO), aber ohne darauf beschränkt zu sein. Unter ihnen werden BEN, DPS, TPP und DPSO bevorzugt verwendet.
Der Brechungsindex der optischen Kunststofffaser wird eingestellt durch Kontrollieren der Menge und der Verteilung des Brechungsindex-Modifikationsmittels in dem Kern. Die Menge des Brechungsindex-Modifikationsmittels wird in Übereinstimmung mit dem Zweck der optischen Faser und dem zu vermischenden Rohmaterial entschieden.
Der Kern und/oder die Hüllröhre können andere Zusätze in dem Ausmaß enthalten, in dem derartige Zusätze die Lichtübertragungsfähigkeit nicht beeinträchtigen. Beispielsweise können Stabilisatoren zu dem Zweck der Erhöhung der Witterungsbeständigkeit und der Lebensdauer zugesetzt werden. Darüber hinaus ist es möglich, eine Verbindung als ein Verstärkungsmittel zuzugeben, um Pumplicht als Reaktion auf ein abgeschwächtes Lichtsignal zu emittieren. Das Rohmaterial wird zusammen mit derartigen Zusatzstoffen dergestalt geformt, dass der Kern und/oder die Hüllröhre die Zusatzstoffe enthalten.
(Herstellung des optischen Kunststoffprodukts)
Die Fertigungslinie des optischen Kunststoffprodukts ist in 1 dargestellt. Die Fertigungslinie 10 umfasst eine Schmelzextrusionsvorrichtung 11, ein Extrusionswerkzeug 12, ein Formungswerkzeug 13, einen Kühler 14 und eine Verstreckvorrichtung 15.
Die Schmelzextrusionsvorrichtung 11 hat einen Pellet-Beschickungstrichter 16, um das Polymer, wie PMMA, zuzuführen. Ein axialer Einschneckenextruder (nicht gezeigt) mit einer Biegung ist in einer Extrusionszone 11a der Schmelzextrusionsvorrichtung 11 vorgesehen. Das Polymer wird in der Extrusionszone 11a geschmolzen. Das geschmolzene Polymer wird zu dem Extrusionswerkzeug 12 für den Extrusionsprozess befördert. Die Temperatur des geschmolzenen Polymers liegt bevorzugt zwischen (Tg + 30)°C und (Tg + 120)°C, wobei Tg die Glasübergangstemperatur des Polymers ist. Bevorzugter beträgt die Temperatur des geschmolzenen Polymers zwischen (Tg + 70)°C und (Tg + 90)°C. Die scheinbare Viskosität des geschmolzenen Polymers nahe dem Ausgang 12a des Extrusionswerkzeugs 12 (siehe 3) ist bevorzugt 500 bis 10000 Pa·s, und bevorzugter 1000 bis 7000 Pa·s und am meisten bevorzugt 2000 bis 5000 Pa·s. Das geschmolzene Polymer in dem Extrusionswerkzeug 12 wird durch den Ausgang 12a als eine weiche Hülle (geschmolzenes Harz) 20 extrudiert.
Die weiche Hülle 20 wird zu dem Formungswerkzeug 13 überführt. Ein Beispiel des Formungswerkzeugs 13 ist in 2, 3 und 4 gezeigt, aber das Formungswerkzeug der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das eine in den Zeichnungen gezeigte beschränkt. Das Formungswerkzeug 13 besitzt ein Formgebungsrohr 30, durch das die weiche Hülle 20 extrudiert wird. Während die weiche Hülle 20 durch das Formgebungsrohr 30 extrudiert wird, wird die Form der weichen Hülle 20 korrigiert, so dass die Hüllröhre 21 erhalten wird. Die Extrusionsgeschwindigkeit S (m/min) der weichen Hülle 20 in dem Formgebungsrohr 30 ist bevorzugt 0,1 = S = 10,0, bevorzugter 0,3 = S = 5,0, und am meisten bevorzugt 0,4 = S = 1,0. Die Extrusionsgeschwindigkeit ist nicht auf den obigen bevorzugten Bereich beschränkt.
Ein Dekompressionsraum 31 ist bevorzugt durch Sauglöcher 30a, die in dem Formgebungsrohr 30 ausgebildet sind, mit dem Formgebungsrohr 30 verbunden. Wenn eine Vakuumpumpe 17 (siehe 1), die mit dem Dekompressionsraum 31 verbunden ist, betrieben wird, wird der Luftdruck in dem Dekompressionsraum 31 verringert. Dann wird die Außenoberfläche 21a der Hüllröhre 21 eng an die Innenwand (Formungswand) 30b des Formgebungsrohrs 30 angelegt, so dass die Gleichmäßigkeit der Dicke der Hüllröhre 21 verbessert wird. Der Luftdruck in dem Dekompressionsraum 31 beträgt bevorzugt 20 kPa–50 kPa, ist aber nicht auf diesen Bereich begrenzt.
Wie in 3 gezeigt, ist bevorzugt ein Einlaufelement 18 zur Regulierung des Durchmessers der Hülle 21 an einer seitlichen Seite 13a des Formungswerkzeugs 13 befestigt, um die Veränderung der Dicke der Hülle 21 zu verringern. Das Einlaufelement 18 kann mit dem Formungswerkzeug 13 einstückig sein. Ein Flächenwinkel θ in 3 ist durch eine tangentiale Ebene 18a des Einlaufelements 18 mit der weichen Hülle 20 und die zur Extrusionsrichtung der Hülle 21 senkrechte Ebene 21b definiert. Die Bedingung von 30° = θ = 80° ist bevorzugt, um den Druck zu verringern, der eine nicht-Einheitlichkeit der Form der Hülle bewirkt, aber es ist möglich, den Flächenwinkel außerhalb dieses Bereichs einzustellen.
Der Abstand L1 zwischen dem Ausgang 12a des Extrusionswerkzeugs 12 und dem Eingang des Formungswerkzeugs 13 ist innerhalb des Bereichs 0 mm < L1 < 20 mm, es ist möglich, den Druck zur Veranlassung einer nicht-Einheitlichkeit der Hüllenform zu verringern. Darüber hinaus verhindert die Länge L1 innerhalb dieses Bereichs, dass die weiche Hülle 20 wegen ihrer Schwere vertikal gebogen wird. Man beachte, dass der Eingang des Formungswerkzeugs 13 als eine Außenoberfläche 18b des Einlaufelements 18 definiert ist, und wenn das Einlaufelement 18 nicht befestigt ist, als die seitliche Seite 13a des Formungswerkzeugs 13 definiert ist.
Die Länge 12 ist als die Länge des Formungswerkzeugs 13 (und des Einlaufelements 18, falls es befestigt ist) in der Extrusionsrichtung definiert. Zur Verringerung der Schwankung der Dicke d2 der Hüllröhre 21 ist die Länge 12 bevorzugt gleich oder größer als der 4-fache Außendurchmesser d1 der Hüllröhre 21. Bevorzugter ist die Länge 12 gleich oder größer als der 5-fache, und am meisten bevorzugt gleich oder größer als der 8-fache Außendurchmesser d1. Diese Beziehungen schränken die Erfindung nicht in unnötiger Weise ein.
Der Außendurchmesser d1 der Hüllröhre 21 ist bevorzugt gleich oder kleiner als 50 mm. Bevorzugter ist der Außendurchmesser d1 10 mm = d1 = 30 mm, und am meisten bevorzugt 15 mm = d1 = 25 mm. Die Dicke d2 der Hülle 21 ist bevorzugt 2 mm = d2 = 20 mm, bevorzugter 4 mm = d2 = 15 mm, und am meisten bevorzugt 4 = d2 = 10 mm. Der Durchmesser d1 und die Dicke d2 können außerhalb dieser Bereiche liegen.
In 1 wird die Hüllröhre 21 von dem Formungswerkzeug 13 zu dem Kühler 14 geschickt. Der Kühler 14 hat mehrere Düsen 40, um Kühlmittel 41 auf die Hüllröhre 21 aufzubringen, so dass die Hüllröhre 21 fest wird. Das Kühlmittel 41 wird in dem Auffangbehälter 42 gesammelt und durch ein Ablaufrohr 42a abgelassen. Zum Zwecke der Ressourceneinsparung wird das Kühlmittel 41 bevorzugt nach dem Ablassen wieder verwendet. Bei der vorliegenden Erfindung ist eine beliebige Art von Kühler 14 anwendbar, so lange die Hüllröhre 21 gekühlt wird.
Die Hüllröhre 21 in dem Kühler 14 wird zu der Verstreckvorrichtung 15, die eine Treibrolle 50 und eine Anpreßrolle 51 hat, gezogen. Ein Motor 52 ist mit der Treibrolle 50 verbunden, um die Verstreckgeschwindigkeit der Hüllröhre 21 ein zustellen. Die Anpreßrolle 51, die zu der Treibrolle 50 hinweist, preßt die Hüllröhre 21, um die Position der Hüllröhre 21 einzustellen, in der Richtung senkrecht zu der Verstreckrichtung. Es ist möglich, die Schwankung in der Dicke der Hüllröhre 21 durch Einstellen der Verstreckgeschwindigkeit und der Position der Hüllröhre 21 zu verringern.
5A, 5B und 5C veranschaulichen andere Ausführungsformen der Sauglöcher des Formgebungsrohrs. 5A ist ein Beispiel eines Formgebungsrohrs 63 mit Sauglöchern 63a mit Stufenquerschnitt. 5B ist ein Beispiel eines Formgebungsrohrs 64 mit Sauglöchern 64a von dreieckigem Querschnitt. 5C ist ein Beispiel eines Formgebungsrohrs 65 mit Sauglöchern 65a von im Wesentlichem halbkugeligem Querschnitt. Eine andere Saugloch-Form, wie ein rechteckiger Querschnitt, ist ebenfalls auf die vorliegende Erfindung anwendbar.
6 zeigt eine andere Ausführungsform der Fertigungslinie des optischen Kunststoffprodukts. Die Fertigungslinie 70 weist die Schmelzextrusionsvorrichtung 11, das Extrusionswerkzeug 12, einen Kühler 71 und die Verstreckvorrichtung 15 auf. Der Kühler 71 hat ein Formgebungsrohr 72 mit mehreren Sauglöchern 72a. Das in 2, 3 und 4 gezeigte Formgebungsrohr 30 und die in 5A, 5B und 5C gezeigten Formgebungsrohre 63 bis 65 sind auf das Formgebungsrohr 72 dieser Ausführungsform anwendbar.
Eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) ist über ein Dekompressionsloch 73 mit dem Kühler 71 verbunden, um den inneren Luftdruck des Kühlers 71 zu verringern. Der Kühler 71 hat mehrere Düsen 74, um Kühlmittel 75 zu der Hüllröhre 21 zum Festwerden zuzuführen. Das Kühlmittel 75 wird durch ein Ablaufrohr 76, das im Boden des Kühlers 71 ausgebildet ist, abgelassen.
Da die Fertigungslinie 70 leicht hergestellt wird, indem das Formgebungsrohr 72 an eine Fertigungslinie anderer Kunststoffmaterialien, wie Vinylchlorid-Rohren, angefügt wird, ist sie vorteilhaft zur Verringerung der Herstellungskosten des optischen Kunststoffprodukts. Darüber hinaus ist es, da das Formgebungsrohr 72 in dem Kühler 71 angeordnet ist, nicht notwendig, einen zusätzlichen Bereich für das Formgebungsrohr 72 vorzubereiten. Im Falle von Vorversuchen zum Herausfinden einer Herstellungsbedingung werden derartige Vorversuche durch Verändern des Formgebungsrohrs 72 entsprechend den Herstellungsbedingungen ausgeführt. Ein derartiges Merkmal ist vorteilhaft beim Verringern der Kosten des Vorversuchs.
Die Hüllröhre der optischen Faser wird als ein Beispiel eines hohlen optischen Kunststoffprodukts auf diese oben beschriebene Weise hergestellt. Das hohle optische Kunststoffprodukt ist auf andere Zwecke als eine optische Kunststofffaser anwendbar. Als nächstes wird unten die Herstellung der Vorform mit einem Kern im Inneren der Hüllröhre beschrieben.
(Herstellung der Vorform)
Die Vorform wird hergestellt durch Ausbilden des Kerns im Inneren der Hüllröhre, die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Bevorzugt wird ein Ende der Hülle verschlossen, um das Monomer (das Rohmaterial des Kerns) ins Innere der Hülle einzuspritzen. Es ist bevorzugt, die Abdeckung dicht an dem Ende der Hüllröhre zu befestigen. Die Abdeckung, bevorzugt dasselbe Polymer wie die Hüllröhre, wird ausgebildet, indem die Hüllröhre vertikal in einem Behälter gehalten wird, und indem das in den Behälter gegossene Monomer polymerisiert wird.
Das Monomer als das Kern-Rohmaterial, das ins Innere des hohlen Teils der Hüllröhre eingespritzt wurde, wird zur Ausbildung des Kerns einer Grenzflächenpolymerisation unterzogen. Das Kern-Rohmaterial ist bevorzugt dasselbe Monomer wie das Rohmaterial der Hüllröhre. Zusätze, wie die Polymerisationsstarter und die Polymerisations-Modifikationsmittel, können zu dem Kern-Rohmaterial zugegeben werden. Die Menge der Zusätze wird entsprechend der Art des Monomers eingestellt. Die Menge des Polymerisationsstarters beträgt bevorzugt 0,005 bis 0,050 Masse% des Monomers, und bevorzugter 0,010 bis 0,020 Masse% des Monomers. Die Menge des Kettenübertragungsmittels beträgt bevorzugt 0,10 bis 0,40 Masse% des Monomers, und bevorzugter 0,15 bis 0,30 Masse% des Monomers.
Die optische Faser vom Typ mit Gradienten-Brechungsindex (GI) wird hergestellt unter Zugabe des Brechungsindex-Modifikationsmittels oder durch Polymerisieren von zwei oder mehr Arten von Monomeren. Die Polymerisation des Monomers beginnt an der Innenwand der Hüllröhre und verläuft in Richtung der Mitte der Hüllröhre. Im Falle der Polymerisierung von zwei oder mehr Arten von Monomeren polymerisiert das Monomer mit höherer Affinität zu dem Hüllenpolymer hauptsächlich nahe der Innenwand der Hüllröhre, so dass die Dichte des Monomers mit hoher Affinität nahe der Hüllröhre größer wird. Die Dichte des Monomers mit höherer Affinität wird allmählich klein, wenn es näher auf die Mitte des Kerns zugeht. Da sich die Zusammensetzung der Monomere entsprechend dem Radius des Kerns ändert, ändert sich der Brechungsindex des Kerns stufenweise bzw. allmählich.
Im Falle der Polymerisierung des Monomers mit dem Brechungsindex-Modifikationsmittel löst sich die Innenwand der Hüllröhre durch die Monomerlösung (Kernlösung), wie in WO 93/08488 beschrieben. Dann polymerisiert die Monomerlösung, während das gelöste Polymer unter Bildung eines Gels quillt. Bei der Polymerisation wird, da das Monomer eine höhere Affinität zu dem Hüllenpolymer hat als das Brechungsindex-Modifikationsmittel, die Dichte des Brechungsindex-Modifikationsmittels nahe der Innenwand der Hüllröhre kleiner. Die Dichte des Brechungsindex-Modifikationsmittels wird allmählich groß, wenn es näher auf die Mitte des Kerns zugeht. Da das Brechungsindex-Modifikationsmittel in dem Kern verteilt ist, verändert sich der Brechungsindex in dem Kern allmählich.
Wenn eine Brechungsindex-Verteilung in den Kern eingeführt wird, verändert sich das thermische Verhalten des Monomers in dem Kern entsprechend der Dichte des Brechungsindex-Modifikationsmittels. Wenn das Monomer bei einer konstanten Temperatur polymerisiert wird, verändert sich die Entspannungsfähigkeit als Reaktion auf das Schrumpfen des Monomers, was Blasen und/oder mikroskopische Löcher in der Vorform verursacht.
Darüber hinaus ist es wünschenswert, bei einer passenden Temperatur entsprechend der Art des Kernmonomers zu polymerisieren. Eine Polymerisation mit niedriger Temperatur verringert die Effizienz der Polymerisation des Kern monomers und macht die Polymerisation unvollständig, was die Übertragung verschlechtert. Andererseits verursacht eine hohe Polymerisationsanfangstemperatur Blasen in dem Kern wegen unvollständiger Entspannung als Reaktion auf Volumenschrumpfung. Mit MMA als das Rohmaterial des Kerns ist die Polymerisationsanfangstemperatur bevorzugt 50°C–150°C, und bevorzugter 80°C–120°C. Es ist wirkungsvoll zur Verringerung der Blasen, das Monomer in einer Atmosphäre niedrigen Drucks zu dehydratisieren und/oder zu entgasen, bevor das Monomer in die Hüllröhre eingespritzt wird.
Der Polymerisationsstarter mit einer 10 Stunden-Halbwertszeit-Temperatur von höher als oder gleich dem Siedepunkt des Monomers wird bevorzugt beim Polymerisieren des Monomers verwendet. Es ist bevorzugt, das Monomer bei der Polymerisationsanfangstemperatur für eine Dauer, die gleich oder größer ist als 10% der Halbwertszeit des Polymerisationsstarters, zu polymerisieren. Die nachfolgende Polymerisationsdauer ist bevorzugt gleich oder länger als die Halbwertszeit des Polymerisationsstarters. Darüber hinaus ist es bevorzugt, die nachfolgende Polymerisation bei einer Temperatur auszuführen, die gleich oder größer als Tg, und gleich oder kleiner als (Tg + 40)°C ist. Die Temperatur Tg ist die Glasübergangstemperatur des Kernmonomers. Unter diesen Bedingungen wird die Polymerisationsanfangsgeschwindigkeit für eine Entspannung des Monomers als Reaktion auf eine Volumenschrumpfung ausreichend verringert. Als ein Ergebnis wird die Menge der Blasen in der Vorform verringert
Wenn MMA als das Kernmonomer verwendet wird, sind Beispiele für die Polymerisationsstarter mit einer 10 Stunden-Halbwertszeit-Temperatur von größer als oder gleich dem Siedepunkt des Monomers, PBD und PHV. Mit PBD als dem Polymerisationsstarter ist es bevorzugt, die Polymerisationsanfangstemperatur von 100°C–110°C 48 bis 72 Stunden lang zu halten, und die nachfolgende Polymerisationstemperatur von 120°C–140°C 24 bis 48 Stunden lang zu halten. Wenn PHV als der Polymerisationsstarter verwendet wird, ist es bevorzugt, die Polymerisationsanfangstemperatur von 100°C–110°C 4 bis 24 Stunden lang zu halten, und die nachfolgende Polymerisationstemperatur von 120°C–140°C 24 bis 48 Stunden lang zu halten. Die Polymerisationstemperatur sollte so schnell wie möglich erhöht werden, entweder stufenweise oder kontinuierlich.
Es ist auch möglich, während der Polymerisierung die Kernflüssigkeit mit Druck zu beaufschlagen, wie beschrieben in JP-A 9-269424 , oder den Druck der Kernflüssigkeit zu verringern, wie beschrieben in WO 93/08488 . Man beachte, dass der Begriff "druckbeaufschlagte Polymerisation" eine Polymerisation in einer druckbeaufschlagten Atmosphäre bedeutet. Bei einer druckbeaufschlagten Polymerisation kann die zylindrische Kunststoffröhre als die Hüllröhre nach dem Einspritzen des Monomers als das Kern-Rohmaterial ins Innere der zylindrischen Röhre beispielsweise in einem Halter gehalten werden. Die zylindrische Kunststoffröhre wird in einen hohlen Teil des Halters, der eine ähnliche Form wie die zylindrische Kunststoffröhre hat, eingesetzt. Der Halter hält die zylindrische Röhre so, dass er die Schrumpfung der Hülle während der Polymerisation ohne Verformung stützt. Daher ist der hohle Teil des Halters bevorzugt größer als der Durchmesser der zylindrischen Röhre, so dass der Halter die zylindrische Röhre locker stützt. Die Größe des hohlen Teils (Innendurchmesser, wenn ein zylindrischer Halter verwendet wird) ist bevorzugt 0,1%–40% größer als der Außendurchmesser der zylindrischen Röhre, und bevorzugter 10%–20% größer.
Der Halter mit der zylindrischen Röhre kann während der druckbeaufschlagten Polymerisation in einen Polymerisationsraum eingesetzt werden. Die axiale Richtung der zylindrischen Röhre in dem Polymerisationsraum ist bevorzugt parallel zur vertikalen Richtung. Die zylindrische Röhre in dem Polymerisationsraum wird druckbeaufschlagt, um das Kernmonomer in einer Atmosphäre von Inertgas, wie Stickstoff und Argon, zu polymerisieren. Der Luftdruck in dem Polymerisationsraum während der Polymerisation beträgt bevorzugt 0,05–1,00 MPa.
Auf diese Weise wird die Vorform mit dem Kern und der Hülle erhalten. Neben der thermischen Polymerisation ist es möglich, das Monomer durch Anwendung von Ultraviolettstrahlen zu polymerisieren.
(Produkt-Ausführungsformen, hergestellt aus dem optischen Kunststoffprodukt)
Die Vorform wird in planare Linsenelemente geschnitten oder erhitzt und zu einer optischen Kunststofffaser verstreckt. Es ist auch möglich, die optische Kunststofffaser vom GI-Typ, die eine Brechungsindex-Verteilung im Kern hat, auszubilden. Da das Formungswerkzeug die Einheitlichkeit der Dicke der Hülle (zylindrische Kunststoffröhre) verbessert, wird die optische Kunststofffaser mit höherer Übertragungskapazität verwirklicht. Die Vorform wird verwendet, um andere optische Produkte, wie optische Linsen und optische Wellenleiter, herzustellen.
Das optische Datenübertragungssystem mit der optischen Kunststofffaser (dem optischen Faserkabel) weist Arten von optischen Komponenten, wie Licht emittierende Elemente, Licht empfangende Elemente, optische Datenbusse, optische Sternkoppler, optische Signalverarbeitungsvorrichtungen und optische Lichtkonnektoren, auf. Zu dem System können optische Fasern, die nach einem anderen Prozeß als dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt sind, hinzugefügt werden. Auf die optischen Komponenten des Systems werden beliebige bekannte Techniken, die in "Basic and Practice of Plastic Optical Fiber" (Grundlagen und Praxis optischer Kunststofffasern) (veröffentlicht von NTS Co., LTD.) beschrieben sind, angewendet. Andere Beispiele für die optischen Komponenten sind optische Datenbusse, beschrieben in JP-A 10-123350 und JP-A 2002-090571 , optische Koppler, beschrieben in JP-A 2001-074971 , JP-A 2000-329962 , JP-A 2001-074966 , JP-A 2001-074968 , JP-A 2001-318263 und JP-A 2001-311840 , optische Sternkoppler, beschrieben in JP-A 2000-241655 , optische Signalübertragungsvorrichtungen und optische Datenbus-Systeme, beschrieben in JP-A 2002-062457 , JP-A 2002-101044 und JP-A 2001-305395 , optische Signalverarbeitungsvorrichtungen, beschrieben in JP-A 2002-023011 , optische Signal-Kreuzverbindungssysteme, beschrieben in JP-A 2001-086537 , optische Übertragungssysteme, beschrieben in JP-A 2002-026815 , und Multifunktionssysteme, beschrieben in JP-A 2001-339554 und JP-A 2001-339555 .
(Herstellungsprozess der optischen Kunststofffaser)
Die optische Kunststofffaser als das optische Kunststoffprodukt wird hergestellt durch Ziehen bzw. Verstrecken der erhitzten Vorform. Die Erhitzungstemperatur, bestimmt entsprechend dem Polymer der Vorform, beträgt bevorzugt 180°C–250°C. Die Bedingung zum Verstrecken der Vorform, wie Zugspannung und Temperatur, wird entsprechend der Art des Polymers der Vorform und dem Durchmesser der optischen Kunststofffaser festgelegt. Beispielsweise ist die Zugspannung zum Verstrecken der Vorform bevorzugt gleich oder größer als 10 g, um die geschmolzene Vorform auszurichten, wie in JP-A 7-234322 beschrieben. Darüber hinaus ist die Zugspannung bevorzugt gleich oder geringer als 100 g, um in der optischen Kunststofffaser keine Spannung zu erzeugen, wie in JP-A 7-234324 beschrieben. Die Vorform kann vor dem Verstreckungsprozeß vorerhitzt werden, wie in JP-A 8-106015 beschrieben. Zur Verbesserung der Biege- und Seitendruck-Eigenschaften werden die Bruchdehnung und die Härte der optischen Kunststofffaser über der in JP-A 7-244220 spezifizierten Grenze kontrolliert.
Die optische Kunststofffaser, die nach dem obigen Prozeß hergestellt wurde, wird für verschiedene Zwecke verwendet. Zum Zweck des Schützens und/oder Verstärkens der optischen Kunststofffaser ist es möglich, die optische Kunststofffaser abzudecken, eine Faserschicht in die optische Kunststofffaser zu mischen und/oder mehrere optische Kunststofffasern zu bündeln.
Um die optische Kunststofffaser mit Harz zu bedecken, um beispielsweise ein optisches Kunststofffaserkabel herzustellen, geht der optische Faserstrang durch Löcher, die in einem Paar zueinander weisenden Werkzeugen ausgebildet sind, hindurch. Während das geschmolzene Harz in einen Raum zwischen den Werkzeugen gefüllt wird, wird der optische Faserstrang von einem Werkzeug zu dem anderen Werkzeug bewegt, so dass der optische Faserstrang mit der geschmolzenen Harzschicht bedeckt wird. Die Dicke der Harzschicht hängt von der Temperatur des geschmolzenen Harzes, der Geschwindigkeit des optischen Faserstrangs und der Abkühlgeschwindigkeit des geschmolzenen Harzes ab. Die Harzschicht schützt den optischen Faserstrang vor Spannung, wenn die optische Faser gebogen wird. Die Harzschicht bedeckt den optischen Fa serstrang bevorzugt ohne damit zu verschweißen, um die Spannung für den optischen Faserstrang zu verringern. Die Bewegungsgeschwindigkeit der optischen Faser wird so festgelegt, dass eine thermische Beschädigung durch das geschmolzene Harz während des Abdeckungsprozesses verringert wird. Ein Harz mit niedriger Schmelztemperatur wird bevorzugt für den Abdeckprozess verwendet. Es ist möglich, andere bekannte Verfahren zu verwenden, wie das Verfahren zur Polymerisierung eines auf den optischen Faserstrang aufgebrachten Monomers, das Verfahren des Umwickelns mit Flachmaterial, und das Verfahren des Einsetzens des optischen Faserstrangs in eine durch Extrusion ausgebildete hohle Röhre.
Es gibt hauptsächlich zwei Deckstrukturen des optischen Kunststofffaserkabels, eine straffe Deckstruktur und eine lockere Deckstruktur. Das optische Faserkabel mit straffer Deckstruktur hat eine Deckschicht, die in engem Kontakt mit dem optischen Faserstrang ist. Bei dem optischen Faserkabel mit lockerer Deckstruktur ist zwischen der Deckschicht und dem optischen Faserstrang ein Spalt ausgebildet. Wenn die Deckschicht abgezogen wird, um die optischen Faserkabel zu verbinden, wird das optische Faserkabel durch Feuchtigkeit, die den Spalt in dem optischen Faserkabel von Verbindungsbereichen des optischen Faserkabels her füllt, beschädigt. Daher ist die dicht bzw. straff bedeckende Struktur für einen normalen Gebrauch bevorzugt. Die locker bedeckende Struktur wird bevorzugt für einen bestimmten Zweck verwendet, da die von dem optischen Faserstrang entfernte Deckschicht Schädigungen wie Spannung und Hitze entspannen kann. Der Spalt in dem optischen Faserkabel kann zum Schutz gegen Feuchtigkeit mit einem halbfesten Gel oder einem Gelpulver mit Fluidität gefüllt werden. Das halbfeste Gel und das Gelpulver können andere Funktionen haben, wie Hitzebeständigkeit und physikalische Festigkeit. Der Spalt in der optischen Faser der locker bedeckenden Struktur wird hergestellt durch Einstellen der Position eines Extrusionsnippels in einer Kreuzkopfdüse und Kontrollieren des Luftdrucks während des Bedeckungsprozesses. Die Größe des Spalts wird eingestellt durch Kontrollieren der Dicke des Extrusionsnippels und des Luftdrucks.
Falls nötig, wird eine weitere Deckschicht (sekundäre Deckschicht) an der Außenoberfläche der oben beschriebenen Deckschicht (primäre Deckschicht) vor gesehen. Die sekundäre Deckschicht kann Materialien enthalten wie einen Flammhemmstoff, ein Ultraviolettlicht-Absorptionsmittel, ein Anti-Oxidationsmittel, ein Einfangmittel und ein Gleitmittel. Derartige Materialien können der primären Deckschicht zugegeben werden, so lange die primäre Deckschicht ihre Beständigkeit gegen Durchlässigkeit und Feuchtigkeit behält. Einige Flammhemmstoffe enthalten Harze mit Halogen wie Brom, Zusatzstoffe und Phosphor. In jüngster Zeit wird zum Zweck der Verringerung einer toxischen Gasemission hauptsächlich Metallhydroxid als der Flammhemmstoff verwendet. Das Metallhydroxid enthält Kristallwasser, das während der Herstellung des optischen Faserkabels nicht entfernt wird. Daher enthält bevorzugt nur die sekundäre Deckschicht das Metallhydroxid als den Flammhemmstoff.
Der optische Kunststofffaserstrang kann mit mehreren Deckschichten mit mehreren Funktionen bedeckt werden. Beispiele für derartige Deckschichten sind eine oben beschriebene flammhemmende Schicht, eine Sperrschicht zur Verhinderung von Feuchtigkeitsabsorption, ein Feuchtigkeits-Absorptionsmittel (beispielsweise ein Band oder Gel zur Feuchtigkeitsabsorption) zwischen den Deckschichten oder in der Deckschicht, eine Schicht aus flexiblem Material und eine Styrol-Formschicht als Stoßabsorber, eine verstärkte Schicht zur Erhöhung der Steifheit. Das thermoplastische Harz als die Deckschicht kann Strukturmaterialien enthalten, um die Festigkeit des optischen Faserkabels zu erhöhen. Die Strukturmaterialien sind eine Zugfestigkeitsfaser mit hoher Elastizität und/oder ein Metalldraht mit hoher Steifheit. Beispiele für die Zugfestigkeitsfasern sind eine Aramidfaser, eine Polyesterfaser, eine Polyamidfaser. Beispiele für die Metalldrähte sind rostfreier Draht, ein Draht aus Zinklegierung, ein Kupferdraht. Die Strukturmaterialien sind nicht auf die oben aufgelisteten beschränkt. Es ist auch möglich, andere Materialien vorzusehen, wie ein Metallrohr zum Schutz, einen Stützdraht zum Halten des optischen Faserkabels. Ein Mechanismus zur Erhöhung der Arbeitseffizienz beim Verdrahten des optischen Faserkabels ist ebenfalls anwendbar.
Es ist möglich, durch konzentrisches Bündeln der optischen Faserstränge ein Strangbündel, und durch paralleles Anordnen der Faserstränge eine sogenannte Bandkernleitung zu bilden. Es ist auch möglich, das Strangbündel und die Bandkernleitung durch Verwendung einer LAP-Umhüllung oder eines Verbindungsbands zu vereinigen.
[Ausführungsformen]
Die optischen Eigenschaften der optischen Kunststofffasern werden in den folgenden Ausführungsformen beschrieben. Die Einzelheiten, wie Rohmaterialien und Herstellungsbedingungen, in diesen Ausführungsformen schränken die vorliegende Erfindung nicht in unnötiger Weise ein.
[Ausführungsform 1]
(Herstellung der Hüllröhre)
Die Hüllröhre als das optische Kunststoffprodukt wird durch Verwendung der Fertigungslinie 10 in 1 hergestellt. Eine passende Menge an PMMA, die dem Pellet-Beschickungstrichter 16 zugeführt wurde, wird in dem axialen Einschneckenextruder mit Biegung geschmolzen und zur Bildung der weichen Hülle 20 in dem Extrusionswerkzeug 12 extrudiert. Der Polymerisationsgrad des PMMA ist 1000. Das Molekulargewicht von PMMA ist 100.000. Die Glasübergangstemperatur Tg von PMMA ist 108°C. Die Temperatur der weichen Hülle 20 ist (Tg + 70)°C bis (Tg + 120)°C. Die scheinbare Viskosität des Polymers am Ausgang 12a des Extrusionswerkzeugs 12 ist 3000–4000 Pa·s. Die weiche Hülle 20 wird dem Formungswerkzeug 13 mit der Extrusionsgeschwindigkeit S von 0,5 m/min. zugeführt.
Das Formungswerkzeug 13 (siehe 3) mit Sauglöchern von im wesentlichen halbkugeliger Form (siehe 5C) wird zum Formen der weichen Hülle 20 zu der Hüllröhre 21 verwendet. Der Außendurchmesser d1 der Hüllröhre 21 ist 20 mm, und die Dicke d2 der Hüllröhre 21 ist 5 mm. Der Luftdruck in dem Dekompressionsraum 31 ist 30 kPa. Der Flächenwinkel θ des Einlaufelements 18 ist 45°. Der Abstand L1 zwischen dem Ausgang des Extrusionswerkzeugs 12 und der Außenoberfläche 18b des Einlaufelements 18 ist 15 mm. Die Hüllröhre 21 wird in dem Kühler 14 von 2,5 m Länge abgekühlt, um die aus PMMA hergestellte zylindrische Kunststoffröhre (Hüllröhre) zu erhalten. Die Temperatur des Kühlmittels 41 in dem Kühler 14 ist 15°C.
(Herstellung der Vorform)
Es wird eine Lösung hergestellt durch Mischen von dehydratisiertem MMA und von Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht für eine Brechungsindex-Verteilung. Die Lösung wird durch einen Polytetrafluorethylen-Membranfilter mit einer Genauigkeit von 0,2 μm filtriert. Die filtrierte Lösung wird ins Innere einer zylindrischen PMMA-Röhre von 600 mm Länge eingespritzt. Die Verbindung mit niedrigem Molekulargewicht ist Diphenylsulfid. Die Menge an zugesetztem Diphenylsulfid beträgt 11 Masse% des MMA. Die Menge an Di-t-butylperoxid als Polymerisationsstarter beträgt 0,013 Masse% des MMA. Die Menge an n-Laurylmercaptan als das Polymerisations-Modifikationsmittel beträgt 0,27 Gewichts% des MMA. Nach dem Einspritzen von MMA mit den Zusatzstoffen wird die PMMA-Röhre vertikal in ein Glasrohr, das in einem druckbeaufschlagten Polymerisationsraum bereitgestellt wird, eingesetzt. Der Durchmesser des Hohlraums des Glasrohrs ist 2 mm größer als der Außendurchmesser der zylindrischen Röhre. Das Kernmonomer (MMA) wird 48 Stunden lang bei 120°C unter einer Stickstoffatmosphäre polymerisiert, so dass die Vorform erhalten wird. Der Stickstoffdruck beträgt 0,2 MPa.
Nach dem Aufheizen der Vorform auf 230°C wird die Vorform verstreckt, um die optische Kunststofffaser von 750 μm Durchmesser und 600 m Länge zu erhalten. Der Fehler im Durchmesser der optischen Kunststofffaser beträgt –15 μm bis 15 μm. Der Übertragungsverlust der optischen Kunststofffaser wurde durch Verwendung von Übertragungslicht bzw. Durchlasslicht gemessen. Die Wellenlänge des Übertragungslichts ist 650 nm. Der gemessene Übertragungsverlust ist 158 dB/km, was näher an der theoretischen Grenze (106 dB/km) ist als bei einer konventionellen optischen Kunststofffaser. Der Frequenzbereich wird gemessen, um die Datenübertragungsfähigkeit mit der einer konventionellen optischen Kunststofffaser zu vergleichen. Der Maximalwert des gemesse nen Frequenzbereichs ist 1,05 GHz/100 m, was besser ist als derjenige der konventionellen optischen Kunststofffaser (50 GHz/100 m).
Die mechanische Festigkeit der optischen Kunststofffaser wird durch Messen des Young'schen Moduls und der Verbindungsfestigkeit untersucht. Die Messung wurde unter Verwendung des Strograph MA (hergestellt von Toyo Seiki Seisaku-sho, Ltd.) durchgeführt. Die Verbindungsfestigkeit wurde durch Feststellen der Belastung der optischen Kunststofffaser mit einem Knoten zur Zeit des Bruchs, während an oberen und unteren Endbereichen der optischen Kunststofffaser gezogen wurde, gemessen. Die Probe der optischen Kunststofffaser hat eine Länge von 100 m. Die oberen und unteren Endbereiche von etwa 10 m werden jeweils durch ein Paar Einspannvorrichtungen gehalten. Der Abstand der Einspannungen ist 50 mm, und nur die obere Einspannung wird mit einer Geschwindigkeit von 10 m/min gezogen.
Der gemessene Young'sche Modul ist 41,2 MPa, und die gemessene Verbindungsfestigkeit ist 46,3 MPa. Das Ergebnis zeigt, dass die nach dem obigen Verfahren hergestellte optische Kunststofffaser eine zur praktischen Verwendung ausreichende Festigkeit hat.
[Ausführungsform 2]
(Herstellung der Hüllröhre)
Die Fertigungslinie 10 von 1 wird zur Herstellung der Hüllröhre als das optische Kunststoffprodukt verwendet. Das Rohmaterial in dieser Ausführungsform ist PVDF-Harz KF-#850 (hergestellt von Kureha Chemical Industry Co., Ltd.). Das dem Pellet-Beschickungstrichter 16 zugeführte Rohmaterial wird in einem axialen Einschneckenextruder mit Biegung geschmolzen. Der Schmelzpunkt (Tm) des PVDF-Harzes ist 177°C. Die Temperatur T der weichen Hülle 20 erfüllt die folgende Bedingung: Tm – 30 = T = Tm + 70. Bevorzugt beträgt die Temperatur T der weichen Hülle 20 von 170°C bis 200°C. Die anderen Herstellungsbedingungen sind dieselben wie diejenigen in der Ausführungsform 1. Das geschmolzene Harz wird in dem Extrusionswerkzeug extrudiert, um die hohle zy lindrische Hüllröhre zu bilden. Der Außendurchmesser d1 der Hüllröhre ist 20 mm, und die Dicke d2 ist 5 mm.
(Herstellung des Kernstabs im Inneren der Hüllröhre)
Ein hohler Teil eines zylindrischen Glasrohrs wird dehydratisiert, so dass die Feuchtigkeit des hohlen Teils 100 ppm oder weniger beträgt. Der Innendurchmesser des Glasrohrs ist 10 mm. Es wird eine Lösung hergestellt durch Einbringen von Zusatzstoffen in Methyl-methacrylat (MMA). Die Zusatzstoffe sind n-Butylmercaptan als das Kettenübertragungsmittel (Molekulargewichts-Modifikationsmittel) und Benzoylperoxid als der Polymerisationsstarter. Die Menge an Benzoylperoxid ist 0,5 Masse% des MMA. Die Menge an n-Butylmercaptan ist 0,28 Gewichts% des MMA. Die MMA-Lösung wird der thermischen Polymerisation unterzogen, während das Glasrohr bei 70°C erhitzt wird und das Glasrohr mit einer Geschwindigkeit von 3000 Upm gedreht wird. Auf diese Weise wird eine PMMA-Schicht von 5 mm Dicke auf der Innenoberfläche des Glasrohrs ausgebildet.
Dann wird MMA als das Kern-Rohmaterial auf gleich 100 ppm und weniger dehydratisiert. Es wird eine Lösung hergestellt durch Zugeben von Diphenylsulfid als das Brechungsindex-Modifikationsmittel zu MMA. Die Menge an Diphenylsulfid ist 12,5 Masse% des MMA. Nach Filtrieren der Lösung durch einen Membranfilter mit einer Genauigkeit von 0,2 μm wird die Lösung in den hohlen Teil des Glaszylinders gegossen. Die Menge an Di-t-butylperoxid als der Polymerisationsstarter ist 0,016 Masse% des MMA. Die Menge an Dodecylmercaptan als das Polymerisations-Modifikationsmittel ist 0,27 Gewichts% des MMA. Das MMA-Lösung enthaltende Glasrohr wird vertikal in einem druckbeaufschlagten Polymerisationsraum angeordnet. Das Kernmonomer (MMA) wird 48 Stunden lang bei 120°C unter Stickstoffatmosphäre polymerisiert. Der Stickstoffdruck ist 0,2 MPa. Dadurch wird ein zylindrisches Polymer mit Brechungsindex-Verteilung erhalten. Das zylindrische Polymer wird in die PVDF-Hüllröhre eingefügt, um die Vorform zu erhalten.
Nach Aufheizen der Vorform auf 230°C wird die Vorform verstreckt, um die optische Kunststofffaser von 750 μm Durchmesser und 300 m Länge zu erhalten.
Während des Verstreckungsprozesses wurde keine Blase erzeugt. Der gemessene Übertragungsverlust der optischen Kunststofffaser bei einer Wellenlänge von 650 nm ist 165 dB/km. Der Frequenzbereich der optischen Kunststofffaser mit einer Länge von 100 m ist 1,10 GHz.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist auf ein optisches Kunststoffprodukt wie eine optische Kunststofffaser anwendbar. Die vorliegende Erfindung ist auch auf eine optische Kunststofffaser vom Gradientenindex-Typ anwendbar.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines optischen Kunststoffprodukts, folgende Schritte aufweisend: Schmelzen eines Polymers; Extrudieren des Polymers aus einem Extrusionswerkzeug (12), um ein hohles geschmolzenes Polymer zu erhalten; Korrigieren der Form des geschmolzenen Polymers durch ein Formungswerkzeug (13), und Festwerdenlassen des geschmolzenen Polymers, um ein optisches Kunststoffteil mit einer hohlen Form zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, außerdem folgende Schritte aufweisend: Betreiben einer Dekompressionspumpe (17), um das Formungswerkzeug (13) zu dekomprimieren, wobei die Dekompressionspumpe (17) durch eine Mehrzahl von Löchern, die in einer inneren Oberfläche des Formungswerkzeugs (13) ausgebildet sind, mit dem Formungswerkzeug (13) verbunden ist, wodurch das geschmolzene Polymer dicht an die innere Oberfläche des Formungswerkzeugs (13) angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Extrusionsgeschwindigkeit des geschmolzenen Polymers in dem Formungswerkzeug (13) gleich oder größer als 0,1 m/min. und gleich oder kleiner als 10 m/min. ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur des geschmolzenen Polymers gleich oder größer als (Tg + 30)°C und gleich oder kleiner als (Tg + 120)°C ist; wobei Tg die Glasübergangstemperatur des Polymers ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die scheinbare Viskosität des geschmolzenen Polymers nahe dem Ausgang des Extrusionswerkzeugs (12) 500 bis 10000 Pa·s beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, außerdem folgende Schritte aufweisend: Einspritzen eines polymerisierbaren Materials ins Innere eines hohlen Bereichs des optischen Kunststoffteiles; und Polymerisationshärten des polymerisierbaren Materials.
Verfahren zur Herstellung einer optischen Kunststofffaser, folgende Schritte aufweisend: Verstrecken des nach dem Verfahren von Anspruch 6 hergestellten optischen Kunststoffprodukts, wobei das optische Kunststoffteil eine Hülle der optischen Kunststofffaser ist und das polymerisierte Material ein Kern der optischen Kunststofffaser ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines optischen Kunststoffprodukts in der Form eines hohlen optischen Kunststoffteiles, aufweisend: Mittel zum Schmelzen eines Polymers; ein Extrusionswerkzeug (12) zum Extrudieren des Polymers, um ein hohles geschmolzenes Polymer zu erhalten; und ein Formungswerkzeug (13), das an der stromabwärtigen Seite des Extrusionswerkzeugs (12) angeordnet ist, um die Form des geschmolzenen Polymers zu korrigieren.
Vorrichtung nach Anspruch 8, außerdem aufweisend: eine Dekompressionspumpe (17), um das Formungswerkzeug (13) zu dekomprimieren, wobei die Dekompressionspumpe (17) durch eine Mehrzahl von Löchern, die in einer inneren Oberfläche des Formungswerkzeugs (13) ausgebildet sind, mit dem Formungswerkzeug (13) verbunden ist, wodurch das geschmolzene Polymer dicht an die innere Oberfläche des Formungswerkzeugs (13) angelegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der Luftdruck an der inneren Oberfläche des Formungswerkzeugs (13) 20 kPa bis 50 kPa beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, außerdem aufweisend ein Einlaufelement (18), das an einem Eingang des Formungswerkzeugs (13) fixiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, außerdem aufweisend Mittel zum Kühlen des geschmolzenen Polymers nach dem Durchgang durch das Formungswerkzeug (13).
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die folgende Beziehung erfüllt ist; 0 < L < 20worin L (mm) der Abstand zwischen einem Ausgang des Extrusionswerkzeugs (12) und einem Eingang des Formungswerkzeugs (13) ist.