FR2680011A1 - Optical fibres which include a glassy carbon layer and method of applying this coating - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention est relative à des fibres optiques comportant un revêtement de carbone vitreux et à un procédé d'application de ce revêtement. The present invention relates to optical fibers having a vitreous carbon coating and to a method of applying the coating.
Il est connu que le quartz des fibres optiques subit les agressions des agents chimiques de l'environnement extérieur, notamment de l'humidité et de façon plus précise des ions OH-, ces agressions étant responsables de la fragilité accrue des fibres optiques ainsi que de la détérioration de leurs qualités optiques et donc de la transmission de lumière. It is known that the quartz of the optical fibers undergoes the aggressions of the chemical agents of the external environment, in particular of the humidity and more precisely of the OH- ions, these aggressions being responsible for the increased fragility of the optical fibers as well as of the deterioration of their optical qualities and therefore of light transmission.
Parmi les solutions de l'art antérieur utilisées pour protéger une fibre optique de l'humidité et, de façon générale, de l'agression des agents chimiques présents dans l'environnement (normalement ou de façon accidentelle), on a proposé en particulier l'adoption de
1) un revêtement polymère, tel qu'une résine époxy acrylate ou un polyimide, ainsi que décrit notamment dans le Brevet FR-2 628 847; toutefois, ce revêtement polymère n'est pas parfaitement étanche;
2) un revêtement de silicone, qui à terme n'est pas satisfaisant à cause de la forte affinité existant entre les silicones et l'eau, ce qui rend la protection initiale inefficace en raison de l'accumulation d'eau dans ce type de revêtement.Among the solutions of the prior art used to protect an optical fiber from moisture and, in general, from the aggression of the chemical agents present in the environment (normally or accidentally), it has been proposed in particular that adoption of
1) a polymer coating, such as an epoxy acrylate resin or a polyimide, as described in particular in patent FR-2,628,847; however, this polymer coating is not perfectly sealed;
2) a silicone coating, which in the long term is unsatisfactory because of the high affinity between the silicones and the water, which makes the initial protection ineffective due to the accumulation of water in this type of coating.
En outre, un inconvénient commun à toutes les solutions de l'art antérieur est l'incompatibilité entre le quartz de la fibre optique et le revêtement de protection adopté pour celle-ci, ce qui entraîne l'absence d'interaction chimique entre le quartz et le revêtement, ce dernier étant donc appliqué de façon lâche sur la fibre optique. In addition, a disadvantage common to all solutions of the prior art is the incompatibility between the quartz of the optical fiber and the protective coating adopted for it, resulting in the absence of chemical interaction between the quartz and the coating, the latter therefore being applied loosely on the optical fiber.
La présente invention s'est donc donné pour but de pourvoir à des fibres optiques cui répondent mieux aux nécessités de la pratique que les fibres optiques du même type et visant au même but antérieurement connues, notamment en ce qu'elles comportent un revêtement qui est
- totalement imperméable à l'eau
- mécaniquement résistant
- compatible chimiquement avec le quartz, tout en interagissant avec celui-ci de manière à donner lieu à une intéraction efficace avec le quartz.The object of the present invention is therefore to provide optical fibers which respond better to the requirements of the practice than optical fibers of the same type and aimed at the same object previously known, in particular in that they comprise a coating which is
- totally waterproof
- mechanically resistant
- chemically compatible with quartz, while interacting with it in such a way as to give an effective interaction with quartz.
La présente invention a pour objet une fibre optique équipée d'un revêtement, caractérisée en ce que ce revêtement comprend une pellicule en carbone vitreux. The present invention relates to an optical fiber equipped with a coating, characterized in that this coating comprises a vitreous carbon film.
Le carbone vitreux adopté dans le cadre de la présente invention correspond à la solution optimale d'un besoin longuement ressenti dans la technique visée par la présente invention, parce que le carbone vitreux est, parmi les matériaux connus, celui qui est le plus imperméable aux liquides et aux gaz et qui est inerte chimiquement, tout en étant très stable thermiquement jusqu'à 3000'C (son utilisation est très connue pour la réalisation de creusets ainsi que comme matériau biocompatible), mais qui est inapplicable directement sur une fibre optique, dont le quartz qui la compose présente une température de fusion d'environ 1700'C, qui est nettement inférieure à la température à laquelle se forme le carbone vitreux et qui est comprise entre 2000 et 3000 C. The vitreous carbon adopted in the context of the present invention corresponds to the optimal solution of a long-felt need in the technique contemplated by the present invention, because the vitreous carbon is, among the known materials, the one which is the most impermeable to liquid and gas and which is chemically inert, while being very thermally stable up to 3000'C (its use is well known for making crucibles as well as biocompatible material), but which is inapplicable directly on an optical fiber, whose quartz composition has a melting temperature of about 1700 ° C, which is significantly lower than the temperature at which vitreous carbon is formed and which is between 2000 and 3000 C.
Il est vrai que l'un des Inventeurs a déjà démontré (Cf M. R. CALLSTROM et al., MACROMOLECULES, 1988, vol.21, page 3525) qu'un polymère de la famille des composés polydiéthynylaromatiques traité thermiquement, de préférence à 600 C, -fnrme du carbone vitreux présentant les mêmes propriétés que celui formé à 2000 3000 C évoqué plus haut (ce dernier est obtenu par chauffage par paliers d'un quelconque polymère carboné, le chauffage par paliers visant à éliminer l'un après l'autre tous les éléments chimiques autres que le carbone) ;; toutefois, également, le carbone vitreux obtenu à partir d'un polymère de la famille des composés polydiéthynylaromatiques déjà connus n'est pas applicable directement sur une fibre optique, parce qu'on ne sait pas le produire lui non plus sous une forme qui soit pratiquement utilisable pour enrober une fibre optique. It is true that one of the inventors has already demonstrated (Cf MR CALLSTROM et al., MACROMOLECULES, 1988, vol.21, page 3525) that a polymer of the family of polydiethynylaromatic compounds heat-treated, preferably at 600 C, -fnrme vitreous carbon having the same properties as that formed 2000 3000 C mentioned above (the latter is obtained by step heating of any carbon polymer, the step heating to eliminate one after the other all chemical elements other than carbon); however, also, the vitreous carbon obtained from a polymer of the family of polydiethynylaromatic compounds already known is not directly applicable on an optical fiber, because it is not known to produce it either in a form that is practically usable for coating an optical fiber.
Or, l'originalité de la présente invention réside justement dans le fait que la Demanderesse a trouvé, de façon inattendue, qu'une modification appropriée de la structure chimique d'un polymère de la famille précitée des composés polydiéthynylaromatiques permet d'obtenir un carbone vitreux qui, tout en étant compatible avec le quartz d'une fibre optique, est pratiquement applicable sur celle-ci. However, the originality of the present invention lies precisely in the fact that the Applicant has found, unexpectedly, that an appropriate modification of the chemical structure of a polymer of the above-mentioned family of polydiethynylaromatic compounds makes it possible to obtain a carbon vitreous which, while being compatible with the quartz of an optical fiber, is practically applicable thereon.
La présente invention a donc également pour objet un procédé de synthèse d'un précurseur solubilisable de carbone vitreux à partir d'un polymère de la famille des composés polydiéthynylaromatiques, caractérisé en ce qu'il est obtenu par substitution nucléophile ou électrophile d'au moins un atome d'hydrogène d'au moins un noyau aromatique dudit polymère. The subject of the present invention is therefore also a process for the synthesis of a solubilizable precursor of vitreous carbon from a polymer of the family of polydiethynylaromatic compounds, characterized in that it is obtained by nucleophilic or electrophilic substitution of at least a hydrogen atom of at least one aromatic ring of said polymer.
Conformément à l'invention, le substituant nucléophile ou électrophile est choisi parmi les groupes alkyles, les groupes aryles, les halogènes, et les silanes. In accordance with the invention, the nucleophilic or electrophilic substituent is selected from alkyl groups, aryl groups, halogens, and silanes.
Egalement conformément à l'invention, parmi les silanes on choisit les alkylsilanes et de préférence le triméthylsilane. Also according to the invention, from the silanes, the alkylsilanes and preferably trimethylsilane are chosen.
La présente invention a encore pour objet une solution saturée du précurseur solubilisable de carbone vitreux conforme à l'invention dans un solvant organique aromatique, de préférence constitué par du toluène. The present invention also relates to a saturated solution of the solubilizable precursor of vitreous carbon according to the invention in an aromatic organic solvent, preferably consisting of toluene.
La solution de ce précurseur se prête à l'application directe sur une fibre optique selon un procédé qui fait lui aussi l'objet de la présente Invention, qui consiste à appliquer sur la fibre optique une pellicule de solution du précurseur de carbone vitreux évoqué plus haut et à soumettre l'ensemble à un traitement thermique défini par une température comprise entre 200 et 1700oc notamment entre 300 et 1200qu et en particulier entre 300 et 600 C, et qui est choisie de préférence égale à environ 600 C. The solution of this precursor is suitable for direct application to an optical fiber according to a process which is also the subject of the present invention, which consists in applying to the optical fiber a solution film of the vitreous carbon precursor mentioned above. high and submit the assembly to a heat treatment defined by a temperature between 200 and 1700oc in particular between 300 and 1200qu and in particular between 300 and 600 C, and which is preferably chosen to be equal to about 600 C.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, faite à titre d'exemple et en référence au dessin annexé, où la figure unique illustre schématiquement le processus industriel d'application d'un film de carbone vitreux sur une fibre optique. Other characteristics and advantages of the invention will become apparent from the description which follows, given by way of example and with reference to the appended drawing, in which the single figure schematically illustrates the industrial process for applying a vitreous carbon film on an optical fiber.
L'originalité de l'invention en instance consiste dans le fait qu'elle propose pour la première fois -à la connaissance de la Demanderesse- la synthèse d'un polymère précurseur de carbone vitreux qui soit soluble, de manière à appliquer aisément ce dernier sur une fibre optique. The originality of the present invention consists in the fact that it proposes for the first time, to the knowledge of the Applicant, the synthesis of a vitreous carbon precursor polymer which is soluble, so as to easily apply the latter. on an optical fiber.
Le point de départ de la synthèse est un polymère -normalement non soluble- de la famille des composés polydiéthynylaromatiques déjà connus, qui est modifié par substitution nucléophile ou électrophile d'au moins un atome d'hydrogène d'au moins un noyau aromatique du polymère précité. The starting point of the synthesis is a polymer -normally non-soluble- of the family of polydiethynylaromatic compounds already known, which is modified by nucleophilic or electrophilic substitution of at least one hydrogen atom of at least one aromatic ring of the polymer supra.
Ce polymère a comme formule générale
où R et R' sont des groupements aromatiques.This polymer has as general formula
where R and R 'are aromatic groups.
Le substituant nucléophile ou électrophile peut être choisi notamment parmi les groupes alkyles ou les groupes aryles ou encore parmi les halogènes ou les silanes. The nucleophilic or electrophilic substituent may be chosen in particular from alkyl groups or aryl groups or else from halogens or silanes.
Dans le cadre de la présente invention on préfère choisir parmi les silanes les alkylsilanes, et de préférence le triméthylsilane : dans ce cas, on obtient comme précurseur solubilisable de carbone vitreux le poly-(1,3 diéthynyl-5- (triméthylsilyl) -benzène), indiqué ci-après
In the context of the present invention, the alkylsilanes, and preferably trimethylsilane, are preferably chosen from silanes: in this case, poly (1,3-diethynyl-5- (trimethylsilyl) benzene is obtained as solubilizable precursor of glassy carbon. ), hereinafter
Cela signifie que le polymère modifié ainsi obtenu, appartenant toujours à la famille des composés polydiéthynylaromatiques, comporte un groupement R constitué par un noyau benzénique substitué par un silane et un groupement R' constitué par un noyau benzénique. This means that the modified polymer thus obtained, still belonging to the family of polydiethynylaromatic compounds, comprises a group R consisting of a benzene ring substituted with a silane and a group R 'consisting of a benzene ring.
Le choix préférentiel évoqué ci-dessus est dicté par le fait qu'on os assure ainsi, en plus de la solubilité désirée, également une bonne compatibilité du carbone vitreux, obtenu selon le procédé indiqué plus loin, avec une fibre optique. The preferential choice mentioned above is dictated by the fact that in this way, in addition to the desired solubility, a good compatibility of the vitreous carbon, obtained according to the process indicated below, with an optical fiber is also ensured.
Une voie de synthèse du poly-(1,3 diéthynyl-5 (triméthylsilyl)benzène), polymère précurseur solubilisable de carbone vitreux, préférée dans le cadre de la présente invention, est obtenue en suivant les étapes indiquées ci-après
1) addition d'un équivalent de n-butyl lithium à du 1,3,5- tribromobenzène suivie de l'addition de triméthylchlorosilane pour former le 3,5-dibromo-1triméthylsilylbenzène ;
2) addition de deux équivalents de triméthylsilylacétylène (TMSA) au composé ainsi formé, et ce en présence d'iodure de cuivre et d'un complexe du palladium (0), notamment du complexe PdCl2(PPh3)2, pour former le 1-trlméthylsilyl-3, 5-triméthylsilylacétylène- benzène, avec un rendement de 85 % ;;
3) enlèvement du groupe protecteur triméthylsilyl (TMS) de l'acétylène par de l'hydroxyde de potassium dans du méthanol, avec un rendement de 95 % ;
4) polymérisation ou couplage de l'acétylène avec 1 à 10 équivalents d'éthynylbenzène (C8H6), sous oxygène et en présence de chlorure de cuivre, de pyridine et de tétraméthyléthylènediamine (TMEDA), avec un rendement quantitatif ;
5) précipitation du produit ainsi obtenu dans du méthanol, permettant d'isoler le précurseur solubilisable de carbone vitreux selon l'invention, qui se présente sous la forme d'une fine poudre ,aune. A synthesis route of poly- (1,3-diethynyl-5 (trimethylsilyl) benzene), a solubilizable precursor polymer of vitreous carbon, preferred in the context of the present invention, is obtained by following the steps indicated below.
1) adding an equivalent of n-butyl lithium to 1,3,5-tribromobenzene followed by the addition of trimethylchlorosilane to form 3,5-dibromo-1-trimethylsilylbenzene;
2) addition of two equivalents of trimethylsilylacetylene (TMSA) to the compound thus formed, and in the presence of copper iodide and a complex of palladium (O), in particular the PdCl 2 (PPh 3) 2 complex, to form 1 trimethylsilyl-3,5-trimethylsilylacetylenebenzene, with a yield of 85%;
3) removal of the trimethylsilyl (TMS) protecting group from acetylene with potassium hydroxide in methanol, with a yield of 95%;
4) polymerization or coupling of acetylene with 1 to 10 equivalents of ethynylbenzene (C8H6), under oxygen and in the presence of copper chloride, pyridine and tetramethylethylenediamine (TMEDA), in quantitative yield;
5) precipitation of the product thus obtained in methanol, for isolating the solubilizable precursor of vitreous carbon according to the invention, which is in the form of a fine powder, aune.
Les étapes 1) à 4) sont illustrées ci-après
Steps 1) to 4) are illustrated below
<tb> <SEP> sitc
<tb> H <SEP> < <SEP> H
<tb> zb <SEP> P Fw,TMEDA
<tb> <SEP> 8 <SEP> 1
<tb> <SEP> n
<tb> H
<tb>
Une solution saturée du précurseur solubilisable de carbone vitreux ainsi obtenu est préparée par dissolution du précurseur précité dans un solvant organique aromatique, de préférence constitué par du toluène.<tb><SEP> sitc
<tb> H <SEP><<SEP> H
<tb> zb <SEP> P Fw, TMEDA
<tb><SEP> 8 <SEP> 1
<tb><SEP> n
<tb> H
<Tb>
A saturated solution of the solubilizable precursor of vitreous carbon thus obtained is prepared by dissolving the aforementioned precursor in an aromatic organic solvent, preferably consisting of toluene.
Le polymère en solution est ensuite déposé sur une fibre, dont le traitement thermique à des températures comprises de préférence entre 300 et 00C fait réticuler ce polymère, permettant ainsi la formation d'un film (ou d'une pellicule) de carbone vitreux sur la fibre optique, ayant une épaisseur de l'ordre de quelques micromètres. The polymer in solution is then deposited on a fiber, whose heat treatment at temperatures of preferably between 300 and 00C cross-links this polymer, thus allowing the formation of a film (or a film) of vitreous carbon on the optical fiber, having a thickness of the order of a few micrometers.
La figure unique annexée à cette description illustre schématiquement le processus qui va de la formation d'une fibre optique à son revêtement par une pellicule de carbone vitreux conformément à l'invention. The single figure appended to this description schematically illustrates the process that goes from the formation of an optical fiber to its coating by a film of vitreous carbon according to the invention.
Une préforme 1 d'une fibre optique 10 à revêtir de carbone vitreux est chauffée dans un four 11. A preform 1 of an optical fiber 10 to be coated with glassy carbon is heated in an oven 11.
La fibre 10 sort de ce four par une filière incorporée ayant un orifice de sortie calibré, le diamètre de la fibre étant contrôlé lorsqu'elle passe à l'intérieur d'un dispositif 12 de mesure de son diamètre, connu des techniciens en la matière.The fiber 10 comes out of this furnace by an incorporated die having a calibrated outlet orifice, the diameter of the fiber being controlled when it passes inside a device 12 for measuring its diameter, known to technicians in the field. .
A la sortie du dispositif 12 la fibre 10 passe à travers une autre filière 13 contenant une solution saturée 15 du précurseur de carbone vitreux, ce qui permet d'appliquer sur la fibre un revêtement constitué par un film (ou une pellicule) de solution 15. At the exit of the device 12, the fiber 10 passes through another die 13 containing a saturated solution of the vitreous carbon precursor, which makes it possible to apply to the fiber a coating constituted by a film (or a film) of solution 15 .
La fibre 10 revêtue de solution 15 est traitée thermiquement dans le four 14 en atmosphère Inerte, notamment d'azote, qui est Introduit dans un tube de quartz 18 par un tube d'entrée 19 et en sort par un tube de sortie 20, suivant un circuit fermé, les tubes 19 et 20 étant chauffés de manière à préchauffer l'azote à une température qui ne perturbe pas le traitement thermique de la fibre. The solution-coated fiber 15 is heat-treated in the furnace 14 in an inert atmosphere, especially nitrogen, which is introduced into a quartz tube 18 through an inlet tube 19 and exits through an outlet tube 20, following a closed circuit, the tubes 19 and 20 being heated so as to preheat the nitrogen to a temperature which does not disturb the heat treatment of the fiber.
Le passage de la fibre 10 ainsi revêtue dans un autre four 14 permet la réticulation du polymère et la formation d'un film de carbone vitreux sur la fibre 10, dont le diamètre total est contrôlé dans un deuxième dispositif de mesure 16 à la sortie du four 14, avant d'être enroulée sur un tambour 17. The passage of the fiber 10 thus coated in another furnace 14 allows the crosslinking of the polymer and the formation of a vitreous carbon film on the fiber 10, the total diameter of which is controlled in a second measuring device 16 at the exit of the oven 14, before being wound on a drum 17.
Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de mise en oeuvre, de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée, de la présente inventicn. As is apparent from the above, the invention is not limited to those of its modes of implementation, implementation and application which have just been described more explicitly; it embraces, on the contrary, all the variants that may come to the mind of the technician in the field, without departing from the scope or scope of the present invention.
Claims (14)
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ST | Notification of lapse |