JP3010369B2 - 合成樹脂光伝送体を製造する方法 - Google Patents
合成樹脂光伝送体を製造する方法Info
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Description
る任意の屈折率分布を持つ多モード型合成樹脂光伝送体
を製造する方法に関するものである。さらに詳しくは、
重合開始端に生ずるゲル中におけるモノマーの拡散ある
いは排除効果を利用しながら重合反応を進行させ、それ
により一定方向に屈折率が連続的に変化する屈折率分布
を持つ光学レンズあるいは光ファイバーなどの多モード
型合成樹脂光伝送体を製造する方法に関する。
は、伝播する光のモードに関し、単一モード(シングル
モード)型と多モード(マルチモード)型の2種類があ
る。
する屈折率分布を持つグレーデッドインデックス型光伝
送体は、凸レンズ作用を持つ棒状レンズ、凹レンズ作用
を持つ棒状レンズ、広帯域の光伝送ファイバーなどとし
て広く利用されている。なかでも、透明合成樹脂製の光
伝送体は、石英製の光伝送体に較べて、軽量、経済性、
取扱い易さ、耐衝撃特性、柔軟性等に優れ、近年その用
途を広げてきている。
率分布型光伝送体の製造方法としては、従来以下の方法
が提案されている。
した三次元の網目構造を有する特定の重合反応進行過程
にある透明固体物体に、異なる屈折率を有する重合体を
形成するモノマーを拡散移動させた後、全体の重合反応
を終結させて屈折率分布型光伝送体を得る方法を提案し
ている。
する透明固体物体の形状保持のため、透明固体物体を多
官能のラジカル重合性モノマーを用いて三次元の網目構
造にする必要がある。このため、あらかじめ別途に製造
するという製造の手間がかかるほかに、製造された重合
体は三次元の網目構造を有するものとなり、熱可塑性が
小さくなって延伸加工などの後加工がむずかしいという
問題がある。すなわち、実用性のある合成樹脂光伝送フ
ァイバーはその製造過程において延伸処理を施し、繊維
としての腰の強さと引張強度が与えられていることが好
ましい。しかし、上記方法によって得られる光伝送体
は、本質的に三次元網目構造を有するために延伸をする
ことが困難である。
報では、2種のモノマーのモノマー反応性比r1、r2の相
違に着目し屈折率勾配を有する光伝送体の製造方法を提
案している。
る上記方法では、当然ながらラジカル共重合反応性比r1
とr2の差が大であるほど好ましく、その結果としてホモ
重合体の生成が優先することになり、ホモ重合体の巨大
分子が形成して相分離することとなり、得られた光伝送
体を白濁させ光伝送効率が低下する場合がある。
えば、特公昭54−30301号公報の実施例に用いられてい
る安息香酸ビニル、o−クロロ安息香酸ビニル、あるい
は特開昭61−130904号公報の実施例に用いられているフ
ェニル酢酸ビニルなどのような重合速度の低いモノマー
をその一方のモノマーとして使用せざるを得ないことが
ある。モノマー反応性比が大きく相違するモノマーを使
用するということは、とりもなおさず共重合性のかなり
悪いモノマーを用いることである。その結果、重合反応
性の良いモノマーが先に重合し、重合反応の最終段階で
は重合反応性の悪いモノマーが高濃度で存在することに
なり、残存モノマーの重合のために重合反応終了に時間
がかかるほか、極端な場合には残存モノマーの除去を必
要とする場合があった。
度、伸び、腰の強さなどの機械的強度、残存モノマーの
後重合または分解などによる伝送体の長期安定性などに
いずれも悪影響を及ぼすものである。
脂が生成する過程を深く考察した。すなわち、モノマー
が重合するに従いモノマー液の粘度が上昇しゲル状態に
なると、成長ポリマーラジカルはその分子量が大である
ために該ゲル中の拡散が困難になる。このような場合、
ラジカル反応における停止反応としての成長ポリマーラ
ジカル同士の2分子反応は進行し難く、その結果重合速
度が増大する。ここで重合が進行し成長ポリマーラジカ
ルが更に成長するには、原料モノマーが該ゲル中を拡散
し成長ポリマーラジカルへと十分補給され続けることが
必要である。
重合において認められているものである。そして、ラジ
カル重合を容器内反応液の任意の一端からこのゲル効果
を奏するように行うと、重合は任意の重合開始端から一
定の進行方向に沿って順次進行し、最終的には、他の一
端まで進行する。
料モノマーがゲル中のポリマー成長ラジカルに結合する
過程について更に考察を進めた。すなわち、モノマーが
ゲル化すると該ゲル中の未反応モノマー間にはいわば分
別が生じ、一方のモノマーが選択的にゲル内へ拡散され
ることになるのである。またモノマーが混合液からゲル
中へと補給され、拡散し、成長ポリマーラジカルの成長
末端に到達する際、2種のモノマーにおいてゲル内移動
速度が異なれば、一方のモノマーのみが選択的にポリマ
ーラジカル成長末端に到達し、その結果移動速度の速い
モノマーが選択的に成長末端に結合することになる。
ー濃度との比が、複数のモノマーの間において互いに相
違することとなる。このように相違する結果となるの
は、モノマー反応性比によるものではないことは明らか
である。
方法に従った合成樹脂光伝送体の製造方法を発明するに
至った。
折率分布型合成樹脂光伝送体の製造方法の欠点を改良
し、かつ新規な重合状態の知見に基づき、優れた特性の
連続した屈折率分布を有する多モード型光伝送体がきわ
めて生産性良く得られる製造方法を提供することを目的
とする。
屈折率の差が0.005以上である複数のラジカル共重合体
モノマー(M1、M2、…Mn)の混合液を容器に充填し、こ
の容器に充填したモノマー混合液に、ゲル化状態を経て
共重合体を生成する反応を、前記容器内の任意の箇所か
ら特定の方向に進行するように生じさせるようにし、前
記複数のモノマーとして、 前記ゲル中の重合体成長末端付近に残存する未反応モ
ノマー混合物中におけるモノマー濃度〔Mx/(M1+M2+
…+Mn)〕であるゲル内未反応モノマー濃度と、 前記ゲルと接触するモノマー混合液中におけるモノマ
ー濃度〔Mx/(M1+M2+…+Mn)〕である混合液中モノ
マー濃度と の比が各モノマーごとに実質的に相違するものを用い、
この両濃度の比の各モノマーごとの相違により、前記反
応で生成する共重合体中のモノマー組成比を前記反応進
行方向に沿って徐々に変化させることにより、前記反応
進行方向に沿った屈折率勾配を付与するようにしてなる
合成樹脂光伝送体の製造方法に関するものである。
性モノマーにおいても、モノマー反応性比rの値が全て
0.2以上、より好ましくは0.5以上である上記発明に関す
る。
と進行させる上記発明に関する。
状、好ましくは柱状、さらに好ましくは円筒状の形状を
有する容器内に複数のモノマーからなる混合液を充填
し、容器内壁部分などの任意の端から、たとえば内部な
どの他部分に向かって順次ゲル効果を利用してラジカル
共重合反応を進行させる。容器寸法は特に限定されず任
意の寸法のものを採用できる。たとえば円筒状の容器を
用いる場合には、その内径は1〜70mmのものが適当であ
る。
を使用した場合には重合後の溶媒除去工程が必要とな
り、また溶媒除去による弊害もあるために、通常は溶媒
を用いずにモノマーそれ自体を溶媒の代わりとして重合
するのがよい。
方法により熱、紫外線などのラジカル発生のためのエネ
ルギーを局部的に与え、容器内壁に接するモノマー混合
液部分に温度の高い、または紫外線強度の大きい部分を
発生させ、これにより該部分にラジカルを高濃度に生成
させ重合反応を優先的に進行させる。回転軸を有する円
筒状あるいは球状の容器の場合には容器を対称軸に沿っ
てたとえば10000rpm以下の回転数で回転させる程度のこ
とは行なうことができる。しかし、モノマーのゲル化状
態が破壊あるいは撹乱されるような回転、撹拌あるいは
振動などの機械的運動を容器に対して与えることは好ま
しくない。
採用するモノマーの種類により任意に選択できる。たと
えば、加熱温度範囲としては、室温から150℃の温度範
囲が例示される。いずれの場合にも、ベンゾイルパーオ
キサイド(BPO)などの公知のラジカル重合開始剤ある
いは光重合増感剤を任意の量必要に応じて混合する。光
重合と熱重合とを併用することもできる。
加して、ゲル化状態が発現すると、そのゲル中に存在す
るポリマー成長ラジカルは該ゲル中を拡散し難くなり、
重合反応の停止反応が起こる確率は小さくなる。この結
果、該ゲル部分における重合速度は増大する。ゲル中の
ラジカル成長末端はゲル内部の未反応モノマーとさらに
結合して重合が進行し最終的な樹脂となると共に、ゲル
はその重合した樹脂前面の重合進行方向に向かって順次
生成し重合して行く。このようにして、ゲル効果を利用
しながら容器内の壁側から順次容器内部に向かって重合
反応を進行させることが可能となる。重合開始端は容器
内の壁側でもまた容器中央部からでも任意の箇所を選択
できる。加熱あるいは光照射が行ない易いために通常は
容器の壁面から開始する。
質的に拡散し難い程度にまで粘度が上昇したオリゴマー
または重合体をいう。このオリゴマーまたは重合体は、
モノマー混合物中の複数のモノマーのいずれかのみ、ま
たは複数からなるものでもよい。ある場合には、生成ゲ
ルはモノマー混合液から析出することもある。しかし、
生成ゲル内においてモノマーの移動が不可能なほど重合
度の上昇した重合体は含まれない。なお、重合速度を余
りに早くすると明瞭なゲル化状態を発現することなく重
合が完了するので好ましくない。この点から重合速度
は、ゲル内においてモノマーが十分に移動できる程度の
重合時間を取るよう適宜に決定する。通常は1〜100時
間と間から選択される。
より該ゲル効果が十分に得られる。このためには、重合
すべきモノマーと親和性の大きい性質を有する材質から
なる容器を使うことが好ましい。たとえば、ゲル相内へ
より拡散し易い方のモノマーと同一、または該モノマー
と親和性が大きいモノマーにより構成される重合体から
なる容器を使用することが好ましい。
中のモノマー濃度との比が互いに実質的に相違するモノ
マーを用いることが肝要である。ここで、ゲル内未反応
モノマー濃度とは、ゲル中のポリマー成長末端付近のゲ
ル中に残存する未反応モノマー混合物におけるモノマー
濃度を示す。また、混合液中のモノマー濃度とは、前記
ゲルと接触するモノマー混合液中における当該モノマー
の濃度を示す。
濃度、混合液中のモノマー濃度をそれぞれM1 g、M2 g、M1
l、M2 lとすると、ゲル内未反応モノマー濃度と混合液中
のモノマー濃度との比が互いに相違するとは、下記式で
示される関係式が成立することである。
は、ゲル内モノマー組成比と混合液モノマー組成比とが
同一となる。このような系では製造される重合体に含ま
れるモノマー組成比は単にモノマーの反応性比によって
決定されることになり、前述したような欠点が生じるの
で好ましくない。すなわち、重合反応性の良いモノマー
が先に重合し、重合反応の最終段階では重合反応性の悪
いモノマーが高濃度で存在することになり、残存モノマ
ーの重合のために重合反応終了に時間がかかるほか、極
端な場合には残存モノマーの除去を必要とする場合があ
るので好ましくない。
ゲル内に存在する未反応モノマーに分別効果が生じその
結果特定のモノマーの偏在が生じる。また、モノマー混
合液からモノマーがゲル内部へと移動するが、その速度
もモノマーによって相違する。その結果、モノマー混合
液中のモノマー組成比とゲル内モノマー(未反応)組成
比は異なる。
ラジカルは実質的に拡散し難いが、前記モノマーはいず
れも十分なる拡散速度を有することが必要である。なぜ
ならば、該ゲルに接するモノマー混合液中からゲル中に
存在するポリマー成長ラジカルの成長末端へとモノマー
が補給されなければ当然ながら重合は進行し得ないから
である。
応モノマー濃度と混合液中のモノマー濃度との比が互い
に実質的に相違するモノマーであるほか、予め別途に重
合し測定した各モノマーのホモ重合体としての屈折率も
相違することが必要である。すなわち、モノマーのホモ
重合体とした場合の屈折率の差が少なくとも0.005であ
るモノマーを選択する。このようなモノマーであること
により、得られる重合体中のモノマー組成比において、
ゲル内未反応モノマー濃度と混合液モノマー濃度との比
がより高い方のモノマーを含む割合が重合進行方向に沿
って減少する勾配を有することにより、重合進行方向に
対して屈折率勾配を有する合成樹脂光伝送体が得られ
る。ホモ重合体の屈折率の差が0.005よりも小さいモノ
マー混合物を用いると、たとえ得られた重合体のモノマ
ー組成比が勾配を有したとしても肝心の屈折率が勾配を
有することにはならない。
ゲル内の未反応モノマー濃度および混合液モノマー濃度
を測定し決定することもできる。しかし、実用上はゲル
中のモノマー濃度を測定することは容易ではない。した
がって、通常は簡便のために下記のモノマー固有体積に
よるもの、またはモノマーの溶解性パラメータによるも
ののいずれかの基準によりモノマーを選択することが好
ましい。
するところからモノマー混合物中の2種のモノマーM1、
M2の固有体積をV1、V2とすると、下記式(1)を満足す
るような2種のモノマーを選択すればよいことになる。
原子のファンデルワールス半径、原子間距離より求める
ことができる[たとえばG.L.Slonimskii et al.の方法
(Vysokomol.soyed.A12:No.3,494−512,1970を参照)に
よる]。
する。したがって、同様にモノマー混合物中の2種のモ
ノマーM1、M2の溶解性パラメーターをδ1、δ2、また
ゲルを構成するポリマーの溶解性パラメーターをδpと
すると、下記式(2)を満足するような2種のモノマー
を選択すればよい。
は、次式により計算で求めることができる。[Hoy et a
l.の方法(POLYMER HANDBOOK、Third edition、VII/519
(Wiley Interscience社発行)を参照)]。
の密度および分子量を示す。GはGroup Molar Attracti
on Constantである。
足しないモノマーの組合せの場合は、ゲル内モノマー濃
度と混合液モノマー濃度との比が各モノマーにおいて実
質的に一致することになるので既に述べた理由により好
ましくない。
ついてモノマー固有体積、溶解性パラメーターなどを以
下の表1に示す。
は、ラジカル重合活性のある官能基、たとえば、アリル
基、アクリル基、メタクリル基およびビニル基のような
二重結合を1個有する一官能性モノマーであって、三次
元構造の網目状重合体を形成し得る多官能性のモノマー
は含まれない。ただし、本発明の目的の範囲内でこれら
多官能性モノマーを少量混合し用いることは差し支えな
い。
ノマーの反応性比rは、0.2以上、より好ましくは0.5以
上である。ここで、モノマー反応性比r1、r2は、それぞ
れ下記式で表わされる任意のモノマー2種(M1、M2)の
共重合反応における重合速度係数k11/k12およびk22/k21
の比を示す。
ぞれポリマー成長ラジカルM1・、ポリマー成長ラジカル
M2・、モノマーM1、モノマーM2の濃度を示す。
反応性比はr1、r2の2種であるが、たとえば3種類に増
えるとこれは6種となる。3種のモノマーの場合でも好
ましくは6種の反応性比のいずれもが0.2以上、さらに
好ましくは0.5以上である。
マー濃度との比が互いに実質的に相違するモノマーを用
いる場合であっても、モノマー反応性比が上記範囲を外
れるならば、モノマーは互いに共重合し難いために反応
性の良いモノマーが先に重合し、重合体中のモノマー組
成比が一方のモノマーのみに偏り、極端な場合にはモノ
重合体が生じて、透明重合体の白濁の原因になったり、
あるいは重合終期において重合性の悪い方のモノマーが
未反応のまま残留するということすらあるために好まし
くない。
条件を満たしていればよく、その他に制限はない。前記
表1に記載したモノマーから任意に2個以上の複数のモ
ノマーを選択することができる。これらの中でも、ベン
ジルメタクリレートとメチルメタクリレートの組み合わ
せは、モノマーの入手のし易さ、得られる光伝送体の透
明度、同じく得られた重合体の延伸性などの点から特に
好ましい。
クリレートとメチルメタクリレートとの混合液を円筒状
容器中で容器壁から重合させると、ベンジルメタクリレ
ートが中央部、メチルメタクリレートが内壁側に高濃度
に分配された樹脂が得られ、中央部の屈折率が内壁部の
屈折率に較べて大きい凸型の光伝送体が得られることに
なる。
レートのモノマー反応性比rは、それぞれ0.93と1.05で
あるところから、前記特公昭54−30301号公報および特
開昭61−130904号公報などに記載された方法からすれ
ば、容器の内壁側に反応性比の高いベンジルメタクリレ
ート、中央部に反応性比の低いメチルメタクリレートが
高濃度に分配され、中央部の屈折率が内壁部の屈折率に
較べて小さい凹型の光伝送体が得られる筈である。しか
し後記する本発明者らの実験によると、全く正反対の結
果となる。
説明してきたが、本発明に規定される条件を満たしてい
れば2種に限らず任意の数のモノマーの混合物であるこ
ともできる。3種以上のモノマーの混合物であるとき
は、それぞれのモノマー間において前記諸条件を満たす
ことが必要である。
ラジカル重合開始剤のほか任意の添加剤、たとえば酸化
防止剤などを含むことができる。
向に重合を進行させて重合させた場合には、半径方向に
屈折率勾配を有する透明ロッド状樹脂が得られる。これ
は、そのままあるいは適宜の加工を施し光伝送体として
使用することができる。たとえば、得られたロッドを公
知の方法により適宜の延伸倍率で延伸し、たとえば繊維
状として合成樹脂製の光伝送用光ファイバーとすること
ができる。
る円柱状の伝送体は、凸レンズ作用を有する棒状レン
ズ、光通信用光ファイバーなどに、また中心部が低屈折
率の、下に凹である屈折率分布を有する円柱状の伝送体
は、凹レンズ作用を有する棒状レンズなどの光伝送体に
使用できる。
レンズ作用を有する板状レンズが製造される。
マーを用いる方法における、ホモ重合体の生成に起因す
る相分離と白濁の危険性、重合速度が大きく異なること
に起因する残存モノマーの問題、反応完結に時間がかか
ること等の問題が改善され、良好な多モードのグレーデ
ッドインデックス(GI)型の屈折率勾配をもつ光伝送
体、たとえば光ファイバーあるいは光学レンズが得られ
るなど大きな改善を得ることができる。
伸加工ができるために、所望の形状のファイバーを容易
に得ることができる。
ルメタクリレートとメチルメタクリレートあるいはフェ
ニルメタクリレートとメチルメタクリレートとの混合液
を円筒状容器中で器壁側から重合させると、ベンジルメ
タクリレートあるいはフェニルメタクリレートが中央部
に、メチルメタクリレートが内壁側に高濃度に分配され
た中央部の屈折率が内壁部の屈折率に較べて大きい凸型
の光伝送体がそれぞれ得られる。
レートのモノマー反応性比rは、それぞれ0.93と1.05で
あり、メチルメタクリレートとフェニルメタクリレート
のrはそれぞれ0.56と1.72であるところから、前記特公
昭54−30301号公報および特開昭61−130904号公報など
に記載の方法からすれば、容器の内壁側にベンジルメタ
クリレートあるいはフェニルメタクリレート、中央部に
メチルメタクリレートが高濃度に分配された、中央部の
屈折率が内壁部の屈折率に較べて小さい凹型の光伝送体
がそれぞれ得られるはずである。しかし、後記の本発明
者らの実験によると全く正反対の結果となる。これは、
本発明は前記特許公報記載の発明から想到し得ないこと
を意味する。
(MMA)を入れ、両端をシールした後回転数1000rpmで回
転させながら常法に従い熱重合させることにより、外径
10mm、内径6mmの分子量10万のポリメチルメタクリレー
ト(PMMA)からなる重合管を得た。
したPMMA管内にMMAとベンジルメタクリレート(BzMA)
を仕込重量比4:1で仕込みPMMA管内を満たした。連鎖移
動剤としてn−ブチルメルカプタンを0.15重量%および
重合開始剤としてベンゾイルパーオキサイド(BPO)を
0.50重量%加えた後、70℃で20時間大気下で熱重合させ
た。重合の間、重合管は回転数1000rpmで回転させた。
0℃に保持した。生成重合体中の残存モノマーの含有量
を測定したところ、その量は0.5重量%以下であった。
で、次にこれを一体のまま両端をカットし、250℃に設
定された円筒型加熱筒内で間接加熱しながら熱延伸させ
ることにより、直径0.6mmの光ファイバーを得た。
径方向の屈折率分布を測定したところ、ほぼ全長にわた
って一様に第1図に示す分布を有していた。
仕込み、両端をシールした後、回転数1000rpmで回転さ
せながら常法に従い熱重合させることにより、外径10m
m、内径6mmの分子量10万のMMA/BzMA共重合体からなる重
合管を得た。
重合管内にMMAとBzMAを仕込重量比4:1で仕込み共重合管
内を満たした。連鎖移動剤としてn−ブチルメルカプタ
ンを0.15重量%および重合開始剤としてBPOを0.50重量
%加えた後、70℃で20時間大気下で熱重合させた。重合
の間、重合管は回転数1000rpmで回転させた。
0℃に保持した。生成重合体中の残存モノマーの含有量
を測定したところ、その量は0.5重量%以下であった。
で、これを一体のまま両端をカットし、250℃に設定さ
れた円筒型加熱筒内で間接加熱しながら熱延伸させるこ
とにより、直径0.6mmの光ファイバーを得た。
径方向の屈折率分布を測定したところ、ほぼ全長にわた
って一様に第2図に示す分布を有していた。
得られた光ファイバーの半径方向における屈折率分布を
示す。両図において横軸はファイバー中心部からの距離
の比率を、また縦軸は最も高い屈折率と特定の距離にお
ける屈折率との差(Δn)をそれぞれ示す。
Claims (6)
- 【請求項1】それぞれのホモ重合体における屈折率の差
が0.005以上である複数のラジカル共重合体モノマー(M
1、M2、…Mn)の混合液を容器に充填し、この容器に充
填したモノマー混合液に、ゲル化状態を経て共重合体を
生成する反応を、前記容器内の任意の箇所から特定の方
向に進行するように生じさせるようにし、前記複数のモ
ノマーとして、 前記ゲル中の重合体成長末端付近に残存する未反応モノ
マー混合物中におけるモノマー濃度〔Mx/(M1+M2+…
+Mn)〕であるゲル内未反応モノマー濃度と、 前記ゲルと接触するモノマー混合液中におけるモノマー
濃度〔Mx/(M1+M2+…+Mn)〕である混合液中モノマ
ー濃度と の比が各モノマーごとに実質的に相違するものを用い、
この両濃度の比の各モノマーごとの相違により、前記反
応で生成する共重合体中のモノマー組成比を前記反応進
行方向に沿って徐々に変化させることにより、前記反応
進行方向に沿った屈折率勾配を付与するようにしてなる
合成樹脂光伝送体の製造方法。 - 【請求項2】前記複数のモノマーは、それらの内の任意
の二つのモノマーMx、Mx+1それぞれの固有体積をVx、V
x+1として、下記の式〔I〕を満足させるか、または前
記モノマーMx、Mx+1それぞれの溶解性パラメーターをδ
x、δx+1、ゲルを構成する重合体の溶解性パラメータ
ーをδpとして下記式〔II〕を満足させる関係にある請
求項1に記載の合成樹脂光伝送体の製造方法。 - 【請求項3】前記いずれのラジカル共重合性モノマーに
おいても、モノマー反応性比rの値が0.2以上である請
求項1記載の方法。 - 【請求項4】前記いずれのラジカル共重合性モノマーに
おいても、モノマー反応性比rの値が0.5以上である請
求項2記載の方法。 - 【請求項5】重合を容器壁面から容器内へと進行させる
請求項1記載の方法。 - 【請求項6】モノマー混合液が少なくともメチルメタク
リレートおよびベンジルメタクリレートを含む請求項1
記載の方法。
Priority Applications (5)
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---|---|---|---|
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