JP3868339B2 - 中空防止型反応器及びこれを用いたプラスチック光ファイバ用母材の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空防止型反応器及びこれを用いたプラスチック光ファイバ用母材の製造方法に関し、より詳細には、回転下でモノマーを重合させる時に発生する体積収縮現象による中空(cavity)形成を防止して追加的なモノマー注入工程を不要とする中空防止型反応器及びこれを用いたプラスチック光ファイバ用母材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信用光ファイバは、光信号の伝達様式によって、単一モード(single-mode)繊維及び多重モード(multi-mode)繊維に大別される。現在用いられている長距離高速通信用光ファイバの大部分は石英ガラスを基本物質としたステップインデックス単一モード(step-index single-mode)光ファイバであり、このガラス光ファイバは僅か５〜１０μｍの直径を有する。従って、このようなガラス光ファイバは、整列(alignment)及び連結(connection)に非常に困っており、これによるコスト損失が大きい。一方、単一モード光ファイバより直径の大きい多重モードガラス光ファイバの場合は、ＬＡＮ(local area network)のような短距離通信用として使用されることはできるが、連結などに高いコストがかかるうえ、割れやすいという欠点によって、広く使用されるには不適であった。従って、ツイストペア(twisted pair)または同軸ケーブル(coaxial cable)のような金属線(cable)がＬＡＮのような２００ｍ内の短距離通信に主に用いられた。ところが、金属線は、情報伝達速度（または伝送帯域幅(bandwidth)）が最大約１５０Ｍｂｐｓ程度に止まり、２０００年代のＡＴＭ(Asynchronous Transfer Mode)基準の６２５Ｍｂｐｓに達しないので、未来の伝達速度基準を満足させることができなかった。このような理由により、日本と米国などでは去る１０年余にわたってＬＡＮのような短距離通信に使用可能な高分子素材からなる光ファイバの開発に多くの努力及び投資を注いできた。高分子光ファイバは、高分子物質の柔軟性のため、その直径がガラス光ファイバより１００倍以上大きい０.５〜１.０ｍｍ程度に至ることが可能なので、整列または連結が容易であり、押出成形で製造される高分子素材の連結部品(connectors)を使用することができて、大きいコスト節減が期待される。
【０００３】
一方、高分子光ファイバは、半径方向の屈折率の変化が階段型であるステップインデックス(step-index, SI)構造、または屈折率が半径方向に漸次変わるグレーデッドインデックス(graded-index, GI)構造を有することができるが、ＳＩ高分子光ファイバは、モダール分散(modal dispersion)が大きいので、金属線（ケーブル）より信号伝達速度（または伝送帯域幅）が遅く、ＧＩ高分子光ファイバは、モダール分散が小さいため、高い帯域幅を持つことができる。従って、ＧＩ高分子光ファイバは、太い直径によるコスト節減の効果を図ることができると共に、小さいモダール分散による速い情報伝達速度によって短距離高速通信用媒体として適すると知られている。
【０００４】
従来のＧＩ高分子光ファイバの製造工程としては、慶應義塾大学小池教授らによる界面ゲル重合(interfacial gel polymerization)方法が１９８８年初めて発表された(Koike, Y. et al., Applied Optics, vol. 27, 486(1988))。その後、米国特許第５,２５３,３２３号(Nippon Pertrochmicals Co.)、米国特許第５,３８２,４４８号(Nippon Pertrochmicals Co.)、米国特許第５,５９３,６２１号(Yasuhiro Koike and Ryo Nihei)、ＷＯ９２／０３７５０、ＷＯ９２／０３７５１(Nippon Petrochemical Co.)、特開平３−７８７０６号（三菱レイヨン株式会社）及び特開平４−８６６０３号（東レ株式会社）にこれと関連した内容を開示してある。前記特許に関する大部分の工程は、２種の工程に大別される。
【０００５】
一番目、高分子と分子量の比較的少ない添加剤を使用して半径方向に屈折率が変わる予備成形品、即ち母材(preform)を造った後、前記母材を加熱延伸してＧＩ高分子光ファイバを製造するバッチ工程(batch process)がある。
【０００６】
二番目、押出工程で高分子繊維を製造した後、その繊維に添加されている低分子量の物質を半径方向に抽出したり、或いは逆に低分子量の物質を半径方向に投入してＧＩ高分子光ファイバを製造する工程がある。
【０００７】
一つ目の工程は、小池教授によって開発された方法で２.５Ｇｂｐｓの伝達速度を有するＧＩ高分子光ファイバの製造に成功し、二番目の工程も比較的に高い伝送帯域幅を有する高分子光ファイバの製造に成功したと知られている。前述した方法は、大抵重力によって屈折率勾配が崩れないように横或いは縦にして回転させながら工程を行う。これは良く知られている周知の事実であるが、注目すべき点である。
【０００８】
一方、最近、オランダのVan DuijnhovenとBastiaansenによって開発されてＷＯ９７／２９９０３に開示され、米国特許第６,１６６,１０７号に登録された方法は、回転を用いるが、約２０,０００ｒｐｍ程度の強力な回転を用いるものである。この方法は、１０,０００×ｄ-0.5以上（ここで、ｄは母材の径）の強力な遠心力場下で互いに異なる密度及び屈折率を有するモノマー、またはモノマーに高分子を溶解させた混合物を重合させると、密度勾配に応じて濃度勾配が発生し、これにより屈折率勾配が生ずる超高速遠心分離の原理を利用した。しかし、前記特許では、まるで１０,０００×ｄ-0.5以下の回転によっては屈折率勾配が全く発生せずそれ以上のみで発生すると言及したが、回転速度が速い場合、コア中心とクラッド(clad)付近の屈折率差を大きくするには有利であるが、実際には回転速度の速さに従って、密度差のあるモノマー混合物に遠心力場を作ると、濃度勾配はそれに比例して常に生ずるという点を見逃している。
【０００９】
また、前記発明は高分子反応において常時発生する体積収縮の問題については全く言及していない。しかし、具体的にはメチルメタクリレートの場合、体積収縮率は２０％を超過する。モノマーが重合されて高分子になるとき、体積収縮(volume shrinkage)が発生して遠心力によって作られるプラスチック光ファイバ用母材は中央部に管状の中空が出来る。このような中空を充填するためには追加的なモノマー投入過程が必要なので、実質的には回転を用いた他の母材製造方法に比べて製造時間側面で進歩があるとは言えない。また、体積収縮の発生した母材の中空を充填しながら母材を作るので、この母材を用いて繊維を製造する場合、屈折率の分布において不連続な面が現われ、これは急激な伝送量及び光量の減少をもたらすので、実際利用するには制約がある。しかも、追加投入過程中に微細な埃や空気または水分との接触から発生する外部的な要因による光特性の低下を引き起こす虞もあるので、これを防止するためには追加装備と費用がさらに必要である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、かかる従来の技術の問題点を解決するためのもので、モノマーの追加注入工程が不要である中空防止型反応器を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、前記中空防止型反応器を使用し、反応器に充填される反応物（モノマー混合物、プレポリマーまたはポリマーが溶解されたモノマー混合物）の組成比を調節し、或いは反応物の重合度に応じて回転反応器の回転速度を調節するなどの方法によって半径方向への屈折率勾配を調節したプラスチック光ファイバ用母材の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の一様態は、（ａ）反応器全体に反応物を流入させるための反応物流入口を備えた投入部と、（ｂ）前記投入部との間に遮断壁を有し、前記投入部に通じる流路を前記遮断壁の中央に備え、前記投入部と隣接してたがいに結合されており、前記投入部とともに回転する反応部と、（ｃ）反応器の回転時に前記投入部の前記反応物流入口の空間から発生する中空が前記反応部まで続かないように前記反応部の流路と前記投入部の前記反応物流入口との間に設けられ、前記投入部の反応物を前記反応部に迂回させて流れ込ませる１つまたは２つ以上の流路を備えた、１つまたは２つ以上の中空遮断構造とを含む中空防止型反応器を提供する。
【００１３】
本発明の他の様態は、前記中空防止型反応器を用いてプラスチック光ファイバ用母材を製造する方法において、（ａ）反応物を前記反応器の反応部と投入部に充填する段階と、（ｂ）前記反応器を回転させながら前記反応部の反応物を重合させる段階とを含むプラスチック光ファイバ用母材の製造方法を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図に基づいて本発明をより詳しく説明する。
【００１５】
図１は本発明の中空防止型反応器の一実施例を示す斜視図で、反応器は円筒状からなり、投入部１０と反応部２０に区分されている。投入部１０は反応物を反応器に流入させるための反応物流入口１１を備えており、反応部２０は反応物を投入部１０から反応部２０に流入させるための流路２１を備えている。投入部１０の反応物流入口１１と反応部２０の流路２１との間には投入部１０と反応部２０を区分する遮断壁３２と中空遮断構造３０が設けられ、反応器の回転時に反応物流入口１１の空間で発生する中空が反応部２０まで続かないようにしている。前記中空遮断構造３０には、上部の反応物が中空遮断構造３０を介して反応部２０へ流れ込むように流路３１が設けられている。
【００１６】
図２は、前記図１の中空防止型反応器を用いて回転下で反応を行わせる場合、反応部において中空発生が防止される原理を示す流れ図である。反応器の回転が開始すると、投入部の反応物が充填されていない空間から中空が発生する。ところが、発生した中空は、同図に示すように、中空遮断構造によって遮断されて主反応部まで続かない。反応器の回転に伴って反応部の重合が行われることにより、体積収縮が発生するが、このような体積収縮分ほど投入部から反応物が流れ込むことにより、投入部の中空が大きくなり、反応部には中空が形成されない。この際、好ましくは投入部の空いている空間を高圧の不活性気体などで充填加圧して、投入部の反応物が反応部に流れ込むことを助けるのがよい。
【００１７】
このような中空防止型反応器は、図１に示す反応器のみに制限されるのではなく、投入部から発生した中空が反応部まで続かないように遮断し、投入部の反応物が反応部へ流れ込まれるように働くものであれば、いずれでもよい。例えば、反応部２０と投入部１０が図１に示すように一直線状を成すように設けられている反応器だけでなく、反応部の直径と投入部の直径が互いに異なる形の反応器も使用することができる。また、中空遮断構造の形も、前記のような円柱状だけでなく、プレート状にすることができ、中空遮断構造の個数も２つ以上にすることができる。また、投入部が上方に位置し、反応部が下方に位置する形態だけでなく、その逆の形態、或いは反応部が回転軸の中心にあり、投入部がその周りを取り囲む形態も可能である。
【００１８】
図３は本発明の中空防止型反応器の変形例を示す。図３の（ａ）は、図１に示すような中空遮断構造が２つ設けられた場合の反応器を示し、図３の（ｂ）は投入部の反応物流入口と反応部の流路との間にプレート状の中空遮断構造が設けられ、その外郭に多数の流路が設けられた場合を示す。
【００１９】
上述した実施例は、本発明の中空防止型反応器を例示するためのもので、本発明を制限するものではない。
【００２０】
次に、中空防止型反応器を用いてプラスチック光ファイバ用母材を製造する方法について説明する。
【００２１】
本発明のプラスチック光ファイバ用母材は、前記中空防止型反応器に反応物を流入させた後、反応器の回転下で反応部の反応物を重合させる方法によって製造される。この際、製造されるプラスチック光ファイバ用母材の半径方向への屈折率分布を調節するために、反応部及び投入部に充填される反応物の組成や反応器の回転速度などを調節することができる。
【００２２】
前記中空防止型反応器を用いてプラスチック光ファイバ用母材を製造する方法としては、より具体的には下記のような実施形態がある。下記の実施形態において別に言及がない限り、反応物は熱開始剤と連鎖移動剤を投入して重合反応を起こすことが可能なモノマー混合物またはプレポリマーまたはポリマーが溶解されたモノマー混合物を指す。
【００２３】
本発明の第１実施形態は、反応部と投入部を充填する反応物の組成比を異にして屈折率に差を付けることを特徴とする。まず、屈折率の異なる２種以上のモノマーを用いて組成比の異なる２種の反応物を用意する。次に、反応器の反応部に低屈折率の反応物を充填し、投入部に高屈折率の反応物を充填した後、反応器を変速または定速回転させながら反応部の反応物を重合させる。この際、反応部で反応が行われて体積収縮が発生しても、投入部に充填された高屈折率の反応物が反応部の中心に流入するため、体積収縮は投入部側のみで発生し、且つ反応部中心の屈折率は高くなる。このような体積収縮過程は、重合がかなり進んでから発生するので、反応部の中心に流入した投入部の反応物がポリマーまたはオリゴマー内に半径方向に拡散して、連続的な屈折率勾配を示す。従って、反応部の重合が完全に終結すると、最終的に半径方向に連続的な屈折率勾配を有し、中空のないプラスチック光ファイバ用母材を得ることができる。
【００２４】
本発明の第２実施形態は、反応部と投入部に同じ組成の反応物が充填されることを特徴とする。この場合、低屈折率及び高密度のモノマーと高屈折率及び低密度のモノマーとの混合物を用意した後、これを中空防止型反応器の反応部及び投入部に充填する。このように充填された反応器を回転反応装置に装着し、初期には回転しないで反応部に熱を加えて重合させる。重合がある程度行われた後、反応器を定速または変速回転させながら重合を続けると、最終的に半径方向に連続的な屈折率勾配を有し、中空のないプラスチック光ファイバ用母材を得ることができる。本実施形態では、反応部と投入部の反応物の組成を同一にしても、使用されたモノマーの密度の差によって高密度及び低屈折率のモノマーが外郭に拡散し、外郭から中心にくるほど屈折率が高くなる、連続的な屈折率勾配を有するプラスチック光ファイバ用母材を製造することができる。
【００２５】
本発明の第３実施形態は、反応部に反応物を一部投入してクラッド部を形成させた後、コア部を形成させることを特徴とする。まず、屈折率の低い組成を有する混合物を用いて反応器の反応部を一部のみ充填した後、反応器を定速回転させながら重合させると、反応部に所望する厚さのクラッド部を形成させることができる。クラッド部が完全に重合してガラス化すると、前記第１実施形態または第２実施形態と同様に、反応部と投入部に、互いに同じ組成或いはそれぞれ異なる組成の反応物を充填し、変速または定速回転下で重合させることにより、半径方向に連続的な屈折率の分布を有し且つ中空形成が防止されたプラスチック光ファイバ用母材を得ることができる。
【００２６】
本発明の第４実施形態では、モノマー混合物より屈折率の低い重合体を別に重合させてモノマー混合物内に溶解させ、これを反応部及び投入部に充填して反応を行わせることを特徴とする。このようなモノマーと高分子との混合物を中空防止型反応器に入れて回転させながら重合させると、反応物より相対的に密度の大きい重合体成分が外郭に密集してクラッド部を形成する。従って、本実施形態では、重合体を溶解させたモノマー混合物を反応物に使用することにより、１回の投入過程のみでクラッド部を形成することができ、重合中の発熱を減らすことができ、体積収縮分を減らして安定的な母材製造工程を提供することができるという利点がある。本実施形態においても、前記第１実施形態または第２実施形態と同様に、反応部と投入部に、互いに同じ組成或いはそれぞれ異なる組成の反応物を充填して変速または定速回転下で重合させることにより、半径方向に連続的な屈折率分布を有し且つ中空形成が防止されたプラスチック光ファイバ母材を得ることができる。
【００２７】
本発明の第５実施形態は、モノマー混合物と共にプレポリマー成分を混用して使用することを特徴とする。まず、モノマー混合物より屈折率の低いプレポリマーを用意する。用意されたプレポリマー成分をモノマー混合物と混合して反応部及び投入部に充填したり、モノマー混合物と混合せずにプレポリマーのみを使用して反応部の一部を充填しモノマー混合物をその上に充填する方式で反応器を充填した後、定速または変速回転させながら重合させることで、半径方向に連続的な屈折率分布を有し且つ中空のないプラスチック光ファイバ母材を得ることができる。この場合、同様に投入部と反応部を充填する反応物の組成比をそれぞれ異にすることができる。この際、前記プレポリマーの粘度は５００〜５００,０００ｃｐｓ（２５℃）であることが好ましく、より好ましくは１,０００〜１０,０００ｃｐｓ（２５℃）である。粘度が５００ｃｐｓ未満の場合にはプレポリマー添加の効果を得るのが難しく、５００,０００ｃｐｓを超える場合には粘度が高すぎて多くのバブルが発生し、投入時間が長くて安定性及び再現性の保障を受けることができない。
【００２８】
このようにプレポリマーを投入する場合にも、重合された高分子を溶解させて使用した第４実施形態と同様に、１回の投入過程のみでクラッド部を形成すること、重合中の発熱を減らすことができ、体積収縮分を減らして安定的な母材製造工程を提供することができるという効果がある。
【００２９】
本発明の第６実施形態は、重力の影響によって発生する母材の長手方向への屈折率勾配を除去するために、反応器を水平面に対して−９０〜９０°の範囲で傾けて反応を行なうことを特徴とする（図５参照）。
【００３０】
図４は垂直な回転反応器内で中空が形成される状態を示す断面図である。中空防止型反応器の場合も、最初に反応部に充填された反応物が重合すると、体積収縮分がある。従って、反応部に仮想的に発生するメニスカス(meniscus)の形状を考慮すれば、投入部から反応部に流れ込む反応物の量を予測することができるので、屈折率分布の様相に対する大略的な基準とすることができると共に、母材の長手方向に形成された屈折率勾配の均一性に対する基準とすることができる。前記反応器に形成される中空の形状は数式１で表現される。
【００３１】
【数１】
【００３２】
式中、Ωは回転速度（ｒａｄ／ｓ）、ｇは重力定数（約９.８ｍ／ｓ2）、ｚ0は仮想的なメニスカスが反応器の下方までできたと仮定する場合、反応器の下方にできたメニスカスの高さに該当する値である。
【００３３】
最初に回転反応器に反応物をいっぱい充填したとしても、体積収縮が２０％で
【００３４】
【外１】
【００３５】
ｚ＝０とｚ＝Ｌ’における半径ｒ1とｒ2は数式２のようである。
【００３６】
【数２】
【００３７】
前記数式２に示した半径ｒ1とｒ2を用いて、例えば仮想的に発生する中空の反応器の上端と下端における半径差が全体半径の１％（ｒ2−ｒ1＜０.０１Ｒ）以下となるための条件を計算すると、数式３のようである。
【００３８】
【数３】
【００３９】
数式３から分るように、回転速度が速いほど長手方向への屈折率勾配の均一性を得るのに有利であるが、重力方向に対する高さＬ’を小さくしても、長手方向への屈折率の均一性を得ることができる。重力方向に対する高さＬ’を小さくするために、図５に示すように、反応器を傾けて実施する方法があるが、この際、角度θが小さいほどＬ’が小さくなり、回転速度の制限なしで母材の長手方向の屈折率勾配を均一にすることができる。
【００４０】
上述した本発明の全ての実施形態において、重合が行われながら生ずる体積収縮による中空は、投入部のみで発生し、投入部に充填される反応物の体積は、最終的に体積収縮が完了する時点で、投入部に形成された中空の直径が中空遮断構造の直径より小さくなるように調節されなければならない。すると、体積収縮中に投入部から拡大された中空が中空遮断構造を介して反応部に侵入する現象を防ぐことができる。
【００４１】
一方、反応器の投入部の空所にアルゴンのような不活性気体を充填、加圧することが、投入部から反応部への反応物の流入を助けるため、反応部における中空形成を防止し、重合反応が安定的に行われるのに有利であるうえ、加圧時にモノマーの融点を高めるので、高温で反応を行わせることができる。これにより、反応時間を短縮し、未反応物の形成を防止して気泡の形成を防止する。この際、中空防止型反応器がガラス、石英、セラミックまたはプラスチックのような破損し易い物質で形成される場合、その破損可能性によって反応器の内部を４ｂａｒ以上で加圧させるのが難しい。この場合、前記中空防止型反応器の外部を同一に加圧することにより、その加圧程度を１０ｂａｒ程度まで高めることができる。
【００４２】
図６は中空防止型反応器の内部及び外部を同時に加圧することができる装置の一例を示す断面図である。加圧のために回転反応装置の上部に位置したクイックコネクタ(quick connector)１によってアルゴンガスタンクを連結した後、高さの調節が可能な栓部２を引き上げた状態で加圧路３を介してアルゴンガスを高圧として中空防止型反応器５の内部及び反応装置６の内部を同時に加圧した後、栓部を押下してＯリングを圧押する段階によって中空防止型反応器の内部及び外部に対する加圧充填が同時に行われる構造である。
【００４３】
本発明は、原理的に、反応部では体積収縮による中空は形成されないが、ラジカル反応の特性上、発熱によるモノマーの気化現象が一部あり、このような現象が反応部で発生すると、モノマーの気化した気泡が回転によって中空になる場合がある。前述したように、投入部を加圧して回転を変速にすると、気泡が投入部側に通り抜けて中空形成のない母材の製造に有利に作用する。
【００４４】
上述した本発明の全ての実施形態において、反応部の重合反応は熱重合またはＵＶ重合によって行われる。図７はＵＶ重合を用いて反応を行なう概念を示す断面図である。ＵＶ重合を用いる場合、反応開始剤として熱重合開始剤に代えて光重合開始剤を使用する。ＵＶを使用する場合、反応器の温度を高くする必要がないので、モノマーの気化による中空の形成可能性が一層低く、反応部のみにＵＶが照射されるので、反応部の体積収縮中に投入部の反応物がガラス化して反応物の供給が止まる現象が無くて、より安定的なプラスチック光ファイバ用母材を製造する方法を提供することができる。
【００４５】
上述した本発明の全ての実施形態において、より良好な屈折率分布を誘導するために、反応器の回転速度に様々な変化を与えることができるが、単純な回転及び停止の繰返しだけでなく、振幅と周期を異にする三角関数のような変化する速度関数をもつようにすることができる。
【００４６】
一般に重合反応のための熱伝達を円滑にするためには、母材の半径は約１〜１０ｃｍにすることが好ましく、且つ母材の長さは通常の熱延伸(thermal drawing)工程に適するように約１００ｃｍ以内とすることが好ましい。
【００４７】
本発明で使用される屈折率の異なる２種のモノマーは、具体的に、メチルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、フェニルメタクリレート、１−メチルシクロヘキシルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、クロロベンジルメタクリレート、１−フェニルエチルメタクリレート、１,２−ジフェニルエチルメタクリレート、ジフェニルメチルメタクリレート、フルフリルメタクリレート、１−フェニルシクロヘキシルメタクリレート、ペンタクロロフェニルメタクリレート、ペンタブロモフェニルメタクリレート、スチレン、ＴＦＥＭＡ（２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート）、ＰＦＰＭＡ（２,２,３,３,３−ペンタフルオロプロピルメタクリレート）、ＨＦＩＰＭＡ（１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート）、及びＨＦＢＭＡ（２,２,３,３,４,４,４−ヘプタフルオロブチルメタクリレート）からなる群よりそれぞれ選択されることができるが、これに限定されない。
【００４８】
また、前記本発明の第４実施形態において母材を製造する際に投入される高分子としては、単独重合体または共重合体を使用することができる。このような単独重合体(homopolymer)としては、具体的に、メチルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、フェニルメタクリレート、１−メチルシクロヘキシルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、クロロベンジルメタクリレート、１−フェニルエチルメタクリレート、１,２−ジフェニルエチルメタクリレート、ジフェニルメチルメタクリレート、フルフリルメタクリレート、１−フェニルシクロヘキシルメタクリレート、ペンタクロロフェニルメタクリレート、ペンタブロモフェニルメタクリレート、スチレン、ＴＦＥＭＡ（２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート）、ＰＦＰＭＡ（２,２,３,３,３−ペンタフルオロプロピルメタクリレート）、ＨＦＩＰＭＡ（１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート）及びＨＦＢＭＡ（２,２,３,３,４,４,４−ヘプタフルオロブチルメタクリレート）からなる群より選択された１種のモノマーの単独重合体を挙げることができるが、これに限定されない。
【００４９】
また、共重合体としては、具体的に、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）−ベンジルメタクリレート（ＢＭＡ）共重合体、スチレン−アクリロニトリル共重合体（ＳＡＮ）、ＭＭＡ−ＴＦＥＭＡ（２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート）共重合体、ＭＭＡ−ＰＦＰＭＡ（２,２,３,３,３−ペンタフルオロプロピルメタクリレート）共重合体、ＭＭＡ−ＨＦＩＰＭＡ（１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート）共重合体、ＭＭＡ−ＨＦＢＭＡ（２,２,３,３,４,４,４−ヘプタフルオロブチルメタクリレート）共重合体、ＴＦＥＭＡ−ＰＦＰＭＡ共重合体、ＴＦＥＭＡ−ＨＦＩＰＭＡ共重合体、スチレン−メチルメタクリレート（ＳＭ）共重合体、及びＴＦＥＭＡ−ＨＦＢＭＡ共重合体からなる群より選択された共重合体を挙げることができるが、これに限定されない。
【００５０】
また、前記本発明の第５実施形態において、混用可能なプレポリマーとしては、具体的に、メチルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、フェニルメタクリレート、１−メチルシクロヘキシルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、クロロベンジルメタクリレート、１−フェニルエチルメタクリレート、１,２−ジフェニルエチルメタクリレート、ジフェニルメチルメタクリレート、フルフリルメタクリレート、１−フェニルシクロヘキシルメタクリレート、ペンタクロロフェニルメタクリレート、ペンタブロモフェニルメタクリレート、スチレン、ＴＦＥＭＡ（２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート）、ＰＦＰＭＡ（２,２,３,３,３−ペンタフルオロプロピルメタクリレート）、ＨＦＩＰＭＡ（１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート）、及びＨＦＢＭＡ（２,２,３,３,４,４,４−ヘプタフルオロブチルメタクリレート）からなる群より選択された２つ以上のモノマーからなる共重合体を挙げることができるが、これに限定されない。
【００５１】
また、前記本発明でモノマーを重合させるために投入される熱重合開始剤としては、具体的に、２,２’−アゾビス（イソブチロニトリル）(2,2'-azobis(isobutyronitrile))、１,１’−アゾビス（シクロヘキサンカルボニトリル）(1,1'-azobis(cyclohexanecarbonitrile))、２,２’−アゾビス（２,４−ジメチルバレロニトリル）(2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile))、２,２’−アゾビス（メチルブチロニトリル）(2,2'-azobis(methylbutyronitrile))、ｔ−ブチルペルオキシド(t-butyl peroxide)、アセチルペルオキシド(acetyl peroxide)、ラウロイルペルオキシド(lauroyl peroxide)、ベンゾイルペルオキシド(benzoyl peroxide)、ｔ−ブチルヒドロペルオキシド(t-butyl hydroperoxide)、アゾ−ｔ−ブタン(azo-t-butane)、アゾ−ｎ−ブタン(azo-n-butane)及びｔ−ブチルペルアセテト(t-butyl peracetate)からなる群より選択された１種以上の物質を使用することができるが、これに限定されない。
【００５２】
また、前記本発明でモノマーを重合させるために投入される光重合開始剤としては、具体的に、４−（ｐ−トリルチオ）ベンゾフェノン(4-(p-tolylthio)benzophenone)、４,４’−ビス（ジメチルアミノ）ベンゾフェノン(4,4'-bis(dimethylamino)benzophenone)及び２−メチル−４’−（メチルチオ）−２−モルホリノ−プロピオフェノン(2-methyl-4'-(methylthio)-2-morpholino-propiophenone)からなる群より選択された１種以上の物質を使用することができるが、これに限定されない。
【００５３】
また、前記本発明でモノマー混合物に添加される連鎖移動剤(chain transfer agent)としては、ｎ−ブチルメルカプタン(n-butyl mercaptan)、ラウリルメルカプタン(lauryl mercaptan)及びドデシルメルカプタン(dodesyl mercaptan)からなる群より選択された１種以上の物質を使用することができるが、これに限定されない。
【００５４】
前記製造方法によって製造されるプラスチック光ファイバ用母材は、必要に応じて熱延伸(thermal drawing)過程を経て所望の直径の屈折率分布型プラスチック光ファイバに変換させることができ、比較的太いストランド(strand)状にして屈折率分布型レンズ及び画像伝達用イメージガイドにも適用することができる。
【００５５】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明するが、下記実施例は本発明の例示に過ぎず、本発明を制限するものではない。
【００５６】
【実施例】
実施例で使用された中空防止型反応器は、図１に示すような形態を有するもので、直径が４０ｍｍ、上側投入部の高さが１００ｍｍ、下側反応部の高さが１２０ｍｍ、反応物流入口の高さが２５ｍｍである円筒形反応器を使用した。反応溶液は、互いに異なる密度及び屈折率を有するモノマーの２成分または３成分以上の一組としてスチレンモノマー(styrene monomer:以下「ＳＭ」という)、メチルメタクリレート(methyl methacrylate:以下「ＭＭＡ」という)、及びトリフルオロエチルメタクリレート(trifluoroethyl methacrylate:以下「ＴＦＥＭＡ」という)を利用した。熱重合開始剤としては２,２’−アゾビス（イソブチロニトリル）(2,2'-azobis(isobutyronitrile):以下「ＡＩＢＮ」という)をＭＭＡ−ＳＭ反応に使用し、ｔ−ブチルペルオキシベンゾエート(t-butyl peroxybenzoate:以下「ｔ−ＢＰＯＢ」という)をＭＭＡ−ＴＦＥＭＡ反応に使用し、連鎖移動剤としては１−ブタンチオール(1-butanethiol:以下「１−ＢｕＳＨ」という)を使用した。ＵＶによる光開始反応を用いる場合、光重合開始剤として４,４’−ビス（ジメチルアミノ）ベンゾフェノン(4,4'-bis(dimethylamino)benzophenone:以下「ＤＭＡＢＰ」という)を使用した。
【００５７】
本発明において、プラスチック光ファイバの光損失は、厚さ１ｍｍの光ファイバを引き出して６６０ｎｍ光源の光パワーメーター(optical power meter)で測定した。
【００５８】
（実施例１）
ＳＭとＭＭＡを２０：８０の質量％比で混合したモノマー混合物１５０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を用意し、この溶液を前記中空防止型反応器の下側反応部に一杯に充填した。次に、ＳＭ及びＭＭＡを４０：６０の質量％比で混合したモノマー混合物１１０ｇとＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を上側投入部に８５ｍｍの高さまで投入した。投入部の空所には９９.９９９％のアルゴンガスを１ｂａｒで加圧充填し、栓を閉めた後、１２時間は２,５００ｒｐｍの速度で回転させながら７０℃で加熱して反応を行わせ、１２時間以後からは５分間は停止し１０分間は２,５００ｒｐｍで回転させる変速回転を数十回繰り返し行なった。このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を製造した。光パワーメーターで測定した光損失は３００ｄＢ／ｋｍであった。
【００５９】
（実施例２）
ＳＭとＭＭＡを３０：７０の質量％比で混合したモノマー混合物２６０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を用意し、その溶液を前記中空防止型反応器の下側反応部と上側投入部の８５ｍｍに至る高さまで充填した。投入部の空所には９９.９９９％のアルゴンガスを１ｂａｒで加圧充填し、栓を閉めた後、１２時間は２,５００ｒｐｍの速度で回転させながら７０℃で加熱して反応を行わせ、１２時間以後からは５分間は停止し１０分間は２,５００ｒｐｍで回転させる変速回転を数十回繰り返し行なった。このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を製造した。光パワーメーターで測定した光損失は３００ｄＢ／ｋｍであった。
【００６０】
（実施例３）
ＭＭＡ５０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を用意し、中空防止型反応器に前記反応溶液を下側反応部の４０ｍｍに至る高さまで充填した後、アルゴンガスを満たして２,５００ｒｐｍの回転速度及び７０℃の温度で１２時間反応させてクラッド層を形成した。次に、ＳＭ及びＭＭＡを２０：８０の質量％比で混合したモノマー混合物１１０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を７０℃で加熱して下側反応部に投入し、ＳＭ及びＭＭＡを４０：６０の質量％比で混合したモノマー混合物１１０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を上側投入部に７０℃で加熱して投入部の高さ８５ｍｍまで投入した。投入部の空所には９９.９９９％のアルゴンガスを１ｂａｒで加圧充填し、栓を閉めた後、１２時間は２,５００ｒｐｍの速度で回転させながら７０℃で加熱して反応を行わせ、１２時間以後からは５分間は停止し１０分間は２,５００ｒｐｍで回転させる変速回転を数十回繰返し行なった。このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を製造した。光パワーメーターで測定した光損失は２６０ｄＢ／ｋｍであった。
【００６１】
（実施例４）
ＭＭＡ５０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を用意して７０℃で２４時間重合させて得た重合体を、ＳＭ及びＭＭＡを２０：８０の質量％比で混合したモノマー混合物１１０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液に溶かした後、反応部を満たすように投入した。その後、ＳＭ及びＭＭＡを４０：６０の質量％比で混合したモノマー混合物１１０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を上側投入部に７０℃で加熱して高さ８５ｍｍまで投入した。投入部の空所には９９.９９９％のアルゴンガスを１ｂａｒで加圧充填し、栓を閉めた後、投入後１２時間は２,５００ｒｐｍの速度で回転させながら７０℃で加熱して反応を行わせ、１２時間以後からは５分間は停止し１０分間は２,５００ｒｐｍで回転させる変速回転を数十回繰返し行なった。このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を製造した。光パワーメーターで測定した光損失は２５０ｄＢ／ｋｍであった。
【００６２】
（実施例５）
ＭＭＡ５０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を用意して７０℃で２４時間重合させて得たプレポリマーをまず反応部に４０ｍｍの高さまで投入し、ＳＭ及びＭＭＡを２０：８０の質量％比で混合したモノマー混合物１１０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を残りの反応部に満たした。その後、ＳＭ及びＭＭＡを４０：６０の質量％比で混合したモノマー混合物１１０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を上側投入部に投入した。投入部の空所には９９.９９９％のアルゴンガスを１ｂａｒで加圧充填し、栓を閉めた後、９時間は２,５００ｒｐｍの速度で回転させながら７０℃で加熱して反応を行わせ、９時間以後からは５分間は停止し１０分間は２,５００ｒｐｍで回転させる変速回転を数十回繰返し行なった。このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を製造した。光パワーメーターで測定した光損失は２３０ｄＢ／ｋｍであった。
【００６３】
（実施例６）
ＳＭとＭＭＡを３０：７０の質量％比で混合したモノマー混合物２６０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を用意した。中空防止型反応器に前記反応溶液を投入して下側反応部を一杯に満たした後、同じ溶液を使用して上側投入部には８５ｍｍの高さまでいっぺんに投入し、投入部の空所には９９.９９９％のアルゴンガスを１ｂａｒで加圧充填した。前記反応器を水平面に対して１５°に傾けた状態で、１２時間は１,０００ｒｐｍの回転速度で加熱しながら反応を行なわせ、１２時間以後からは５分間は停止し１０分間は１,０００ｒｐｍで回転させる変速回転を数十回繰返し行なった。このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を製造した。光パワーメーターで測定した光損失は２９０ｄＢ／ｋｍであった。
【００６４】
（実施例７）
ＳＭとＭＭＡを３０：７０の質量％比で混合したモノマー混合物２６０ｇにＤＭＡＢＰ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を用意した。中空防止型反応器に前記反応溶液を下側反応部及び上側投入部の高さ８５ｍｍまでいっぺんに投入し、投入部の空所には９９.９９９％のアルゴンガスを１ｂａｒで加圧充填した。図７のような形態のＵＶ照射装置で中空防止型反応器にＵＶを照射させながら１２時間は２,５００ｒｐｍの速度で回転しながら４０℃で加熱して反応を行わせ、１２時間以後からは５分間は停止し１０分間は２,５００ｒｐｍで回転させる変速回転を数十回繰返し行なった。このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を製造した。光パワーメーターで測定した光損失は３００ｄＢ／ｋｍであった。
【００６５】
（実施例８）
ＭＭＡとＴＦＥＭＡを７０：３０の質量％比で混合したモノマー混合物１７０ｇにｔ−ＢＰＯＢ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２５質量％の濃度になるように混合した溶液を用意した後、前記反応溶液を中空防止型反応器の下側反応部のみに投入し、栓を閉めた後、停止した状態で１２時間は７０℃で２,５００ｒｐｍで回転させてクラッド層を形成した。その後、ＭＭＡとＴＦＥＭＡを９０：１０の質量％比で混合したモノマー混合物１５０ｇにｔ−ＢＰＯＢ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２５質量％の濃度になるように混合した溶液を７０℃で加熱し、まず下側反応部に投入し、次いでＭＭＡ１２−ｇにｔ−ＢＰＯＢ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を上側投入部に７０℃で加熱して高さ８５ｍｍまで投入した。投入部の空所には９９.９９９％のアルゴンガスを１ｂａｒで加圧充填し、栓を閉めた後、１２時間は２,５００ｒｐｍの速度で回転しながら７０℃で加熱して反応を行わせ、１２時間以後からは５分間は停止し１０分間は２,５００ｒｐｍで回転させる変速回転を数十回繰返し行なった。このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を製造した。光パワーメーターで測定した光損失は１５０ｄＢ／ｋｍであった。
【００６６】
（実施例９）
ＳＭとＭＭＡを１０：９０の質量％比で混合したモノマー混合物１５０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を用意し、この反応溶液を中空防止型反応器に一杯に充填した。次に、ＳＭとＭＭＡを２０：８０の質量％比で混合したモノマー混合物１１０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を上側投入部に８５ｍｍの高さまで投入した。図６の回転反応装置に前記中空防止型反応器を装着し、回転装置の栓を締めた後、中空防止型反応器の空所と回転反応器の内部を全て１０ｂａｒのアルゴンガスで加圧充填した。４時間は２,５００ｒｐｍの速度で回転しながら１１０℃で加熱して反応を行わせ、４時間以後からは９０℃に温度を低めて５分間は停止し１０分間は２,５００ｒｐｍの速度で回転させる変速回転を数十回繰返し行なった。８時間以後、このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を得た。光パワーメーターで測定した光損失は２５０ｄＢ／ｋｍであった。
【００６７】
ＳＭとＭＭＡは相対的反応性が類似しているので、得られた母材は無定形ランダム共重合体(amorphous random copolymer)であり、ＴＦＥＭＡとＭＭＡの場合、反応性はＭＭＡが高いが、前記に例示した全領域の組成比では透明な無定形共重合体が得られた。
【００６８】
【発明の効果】
本発明に係る中空防止型反応器を用いて回転下でプラスチック光ファイバ用母材を製造する際、体積収縮による中空の発生を防止して、半径方向に従って連続的な屈折率勾配を有するプラスチック光ファイバ用母材を、反応物の追加投入過程なしで製造することができる新しい方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る中空防止型反応器の一例を示す斜視図である。
【図２】 本発明に係る中空防止型反応器の作動原理を示す流れ図である。
【図３】 図３の（ａ）及び（ｂ）は本発明に係る中空防止型反応器の他の例を示す断面図である。
【図４】 一般的な回転反応器を用いた場合の中空形成状態を示す断面図である。
【図５】 反応器を傾けて反応させる場合を示す簡略図である。
【図６】 中空防止型反応器の内部及び外部に同時に加圧することが可能な装置の一例を示す断面図である。
【図７】 ＵＶ開始剤を用いる場合の反応装置の形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…投入部
１１…反応物流入口
２０…反応部
２１…流路
３０…中空遮断構造
３１…流路
３２…遮断壁
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空防止型反応器及びこれを用いたプラスチック光ファイバ用母材の製造方法に関し、より詳細には、回転下でモノマーを重合させる時に発生する体積収縮現象による中空(cavity)形成を防止して追加的なモノマー注入工程を不要とする中空防止型反応器及びこれを用いたプラスチック光ファイバ用母材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信用光ファイバは、光信号の伝達様式によって、単一モード(single-mode)繊維及び多重モード(multi-mode)繊維に大別される。現在用いられている長距離高速通信用光ファイバの大部分は石英ガラスを基本物質としたステップインデックス単一モード(step-index single-mode)光ファイバであり、このガラス光ファイバは僅か５〜１０μｍの直径を有する。従って、このようなガラス光ファイバは、整列(alignment)及び連結(connection)に非常に困っており、これによるコスト損失が大きい。一方、単一モード光ファイバより直径の大きい多重モードガラス光ファイバの場合は、ＬＡＮ(local area network)のような短距離通信用として使用されることはできるが、連結などに高いコストがかかるうえ、割れやすいという欠点によって、広く使用されるには不適であった。従って、ツイストペア(twisted pair)または同軸ケーブル(coaxial cable)のような金属線(cable)がＬＡＮのような２００ｍ内の短距離通信に主に用いられた。ところが、金属線は、情報伝達速度（または伝送帯域幅(bandwidth)）が最大約１５０Ｍｂｐｓ程度に止まり、２０００年代のＡＴＭ(Asynchronous Transfer Mode)基準の６２５Ｍｂｐｓに達しないので、未来の伝達速度基準を満足させることができなかった。このような理由により、日本と米国などでは去る１０年余にわたってＬＡＮのような短距離通信に使用可能な高分子素材からなる光ファイバの開発に多くの努力及び投資を注いできた。高分子光ファイバは、高分子物質の柔軟性のため、その直径がガラス光ファイバより１００倍以上大きい０.５〜１.０ｍｍ程度に至ることが可能なので、整列または連結が容易であり、押出成形で製造される高分子素材の連結部品(connectors)を使用することができて、大きいコスト節減が期待される。
【０００３】
一方、高分子光ファイバは、半径方向の屈折率の変化が階段型であるステップインデックス(step-index, SI)構造、または屈折率が半径方向に漸次変わるグレーデッドインデックス(graded-index, GI)構造を有することができるが、ＳＩ高分子光ファイバは、モダール分散(modal dispersion)が大きいので、金属線（ケーブル）より信号伝達速度（または伝送帯域幅）が遅く、ＧＩ高分子光ファイバは、モダール分散が小さいため、高い帯域幅を持つことができる。従って、ＧＩ高分子光ファイバは、太い直径によるコスト節減の効果を図ることができると共に、小さいモダール分散による速い情報伝達速度によって短距離高速通信用媒体として適すると知られている。
【０００４】
従来のＧＩ高分子光ファイバの製造工程としては、慶應義塾大学小池教授らによる界面ゲル重合(interfacial gel polymerization)方法が１９８８年初めて発表された(Koike, Y. et al., Applied Optics, vol. 27, 486(1988))。その後、米国特許第５,２５３,３２３号(Nippon Pertrochmicals Co.)、米国特許第５,３８２,４４８号(Nippon Pertrochmicals Co.)、米国特許第５,５９３,６２１号(Yasuhiro Koike and Ryo Nihei)、ＷＯ９２／０３７５０、ＷＯ９２／０３７５１(Nippon Petrochemical Co.)、特開平３−７８７０６号（三菱レイヨン株式会社）及び特開平４−８６６０３号（東レ株式会社）にこれと関連した内容を開示してある。前記特許に関する大部分の工程は、２種の工程に大別される。
【０００５】
一番目、高分子と分子量の比較的少ない添加剤を使用して半径方向に屈折率が変わる予備成形品、即ち母材(preform)を造った後、前記母材を加熱延伸してＧＩ高分子光ファイバを製造するバッチ工程(batch process)がある。
【０００６】
二番目、押出工程で高分子繊維を製造した後、その繊維に添加されている低分子量の物質を半径方向に抽出したり、或いは逆に低分子量の物質を半径方向に投入してＧＩ高分子光ファイバを製造する工程がある。
【０００７】
一つ目の工程は、小池教授によって開発された方法で２.５Ｇｂｐｓの伝達速度を有するＧＩ高分子光ファイバの製造に成功し、二番目の工程も比較的に高い伝送帯域幅を有する高分子光ファイバの製造に成功したと知られている。前述した方法は、大抵重力によって屈折率勾配が崩れないように横或いは縦にして回転させながら工程を行う。これは良く知られている周知の事実であるが、注目すべき点である。
【０００８】
一方、最近、オランダのVan DuijnhovenとBastiaansenによって開発されてＷＯ９７／２９９０３に開示され、米国特許第６,１６６,１０７号に登録された方法は、回転を用いるが、約２０,０００ｒｐｍ程度の強力な回転を用いるものである。この方法は、１０,０００×ｄ-0.5以上（ここで、ｄは母材の径）の強力な遠心力場下で互いに異なる密度及び屈折率を有するモノマー、またはモノマーに高分子を溶解させた混合物を重合させると、密度勾配に応じて濃度勾配が発生し、これにより屈折率勾配が生ずる超高速遠心分離の原理を利用した。しかし、前記特許では、まるで１０,０００×ｄ-0.5以下の回転によっては屈折率勾配が全く発生せずそれ以上のみで発生すると言及したが、回転速度が速い場合、コア中心とクラッド(clad)付近の屈折率差を大きくするには有利であるが、実際には回転速度の速さに従って、密度差のあるモノマー混合物に遠心力場を作ると、濃度勾配はそれに比例して常に生ずるという点を見逃している。
【０００９】
また、前記発明は高分子反応において常時発生する体積収縮の問題については全く言及していない。しかし、具体的にはメチルメタクリレートの場合、体積収縮率は２０％を超過する。モノマーが重合されて高分子になるとき、体積収縮(volume shrinkage)が発生して遠心力によって作られるプラスチック光ファイバ用母材は中央部に管状の中空が出来る。このような中空を充填するためには追加的なモノマー投入過程が必要なので、実質的には回転を用いた他の母材製造方法に比べて製造時間側面で進歩があるとは言えない。また、体積収縮の発生した母材の中空を充填しながら母材を作るので、この母材を用いて繊維を製造する場合、屈折率の分布において不連続な面が現われ、これは急激な伝送量及び光量の減少をもたらすので、実際利用するには制約がある。しかも、追加投入過程中に微細な埃や空気または水分との接触から発生する外部的な要因による光特性の低下を引き起こす虞もあるので、これを防止するためには追加装備と費用がさらに必要である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、かかる従来の技術の問題点を解決するためのもので、モノマーの追加注入工程が不要である中空防止型反応器を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、前記中空防止型反応器を使用し、反応器に充填される反応物（モノマー混合物、プレポリマーまたはポリマーが溶解されたモノマー混合物）の組成比を調節し、或いは反応物の重合度に応じて回転反応器の回転速度を調節するなどの方法によって半径方向への屈折率勾配を調節したプラスチック光ファイバ用母材の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の一様態は、（ａ）反応器全体に反応物を流入させるための反応物流入口を備えた投入部と、（ｂ）前記投入部との間に遮断壁を有し、前記投入部に通じる流路を前記遮断壁の中央に備え、前記投入部と隣接してたがいに結合されており、前記投入部とともに回転する反応部と、（ｃ）反応器の回転時に前記投入部の前記反応物流入口の空間から発生する中空が前記反応部まで続かないように前記反応部の流路と前記投入部の前記反応物流入口との間に設けられ、前記投入部の反応物を前記反応部に迂回させて流れ込ませる１つまたは２つ以上の流路を備えた、１つまたは２つ以上の中空遮断構造とを含む中空防止型反応器を提供する。
【００１３】
本発明の他の様態は、前記中空防止型反応器を用いてプラスチック光ファイバ用母材を製造する方法において、（ａ）反応物を前記反応器の反応部と投入部に充填する段階と、（ｂ）前記反応器を回転させながら前記反応部の反応物を重合させる段階とを含むプラスチック光ファイバ用母材の製造方法を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図に基づいて本発明をより詳しく説明する。
【００１５】
図１は本発明の中空防止型反応器の一実施例を示す斜視図で、反応器は円筒状からなり、投入部１０と反応部２０に区分されている。投入部１０は反応物を反応器に流入させるための反応物流入口１１を備えており、反応部２０は反応物を投入部１０から反応部２０に流入させるための流路２１を備えている。投入部１０の反応物流入口１１と反応部２０の流路２１との間には投入部１０と反応部２０を区分する遮断壁３２と中空遮断構造３０が設けられ、反応器の回転時に反応物流入口１１の空間で発生する中空が反応部２０まで続かないようにしている。前記中空遮断構造３０には、上部の反応物が中空遮断構造３０を介して反応部２０へ流れ込むように流路３１が設けられている。
【００１６】
図２は、前記図１の中空防止型反応器を用いて回転下で反応を行わせる場合、反応部において中空発生が防止される原理を示す流れ図である。反応器の回転が開始すると、投入部の反応物が充填されていない空間から中空が発生する。ところが、発生した中空は、同図に示すように、中空遮断構造によって遮断されて主反応部まで続かない。反応器の回転に伴って反応部の重合が行われることにより、体積収縮が発生するが、このような体積収縮分ほど投入部から反応物が流れ込むことにより、投入部の中空が大きくなり、反応部には中空が形成されない。この際、好ましくは投入部の空いている空間を高圧の不活性気体などで充填加圧して、投入部の反応物が反応部に流れ込むことを助けるのがよい。
【００１７】
このような中空防止型反応器は、図１に示す反応器のみに制限されるのではなく、投入部から発生した中空が反応部まで続かないように遮断し、投入部の反応物が反応部へ流れ込まれるように働くものであれば、いずれでもよい。例えば、反応部２０と投入部１０が図１に示すように一直線状を成すように設けられている反応器だけでなく、反応部の直径と投入部の直径が互いに異なる形の反応器も使用することができる。また、中空遮断構造の形も、前記のような円柱状だけでなく、プレート状にすることができ、中空遮断構造の個数も２つ以上にすることができる。また、投入部が上方に位置し、反応部が下方に位置する形態だけでなく、その逆の形態、或いは反応部が回転軸の中心にあり、投入部がその周りを取り囲む形態も可能である。
【００１８】
図３は本発明の中空防止型反応器の変形例を示す。図３の（ａ）は、図１に示すような中空遮断構造が２つ設けられた場合の反応器を示し、図３の（ｂ）は投入部の反応物流入口と反応部の流路との間にプレート状の中空遮断構造が設けられ、その外郭に多数の流路が設けられた場合を示す。
【００１９】
上述した実施例は、本発明の中空防止型反応器を例示するためのもので、本発明を制限するものではない。
【００２０】
次に、中空防止型反応器を用いてプラスチック光ファイバ用母材を製造する方法について説明する。
【００２１】
本発明のプラスチック光ファイバ用母材は、前記中空防止型反応器に反応物を流入させた後、反応器の回転下で反応部の反応物を重合させる方法によって製造される。この際、製造されるプラスチック光ファイバ用母材の半径方向への屈折率分布を調節するために、反応部及び投入部に充填される反応物の組成や反応器の回転速度などを調節することができる。
【００２２】
前記中空防止型反応器を用いてプラスチック光ファイバ用母材を製造する方法としては、より具体的には下記のような実施形態がある。下記の実施形態において別に言及がない限り、反応物は熱開始剤と連鎖移動剤を投入して重合反応を起こすことが可能なモノマー混合物またはプレポリマーまたはポリマーが溶解されたモノマー混合物を指す。
【００２３】
本発明の第１実施形態は、反応部と投入部を充填する反応物の組成比を異にして屈折率に差を付けることを特徴とする。まず、屈折率の異なる２種以上のモノマーを用いて組成比の異なる２種の反応物を用意する。次に、反応器の反応部に低屈折率の反応物を充填し、投入部に高屈折率の反応物を充填した後、反応器を変速または定速回転させながら反応部の反応物を重合させる。この際、反応部で反応が行われて体積収縮が発生しても、投入部に充填された高屈折率の反応物が反応部の中心に流入するため、体積収縮は投入部側のみで発生し、且つ反応部中心の屈折率は高くなる。このような体積収縮過程は、重合がかなり進んでから発生するので、反応部の中心に流入した投入部の反応物がポリマーまたはオリゴマー内に半径方向に拡散して、連続的な屈折率勾配を示す。従って、反応部の重合が完全に終結すると、最終的に半径方向に連続的な屈折率勾配を有し、中空のないプラスチック光ファイバ用母材を得ることができる。
【００２４】
本発明の第２実施形態は、反応部と投入部に同じ組成の反応物が充填されることを特徴とする。この場合、低屈折率及び高密度のモノマーと高屈折率及び低密度のモノマーとの混合物を用意した後、これを中空防止型反応器の反応部及び投入部に充填する。このように充填された反応器を回転反応装置に装着し、初期には回転しないで反応部に熱を加えて重合させる。重合がある程度行われた後、反応器を定速または変速回転させながら重合を続けると、最終的に半径方向に連続的な屈折率勾配を有し、中空のないプラスチック光ファイバ用母材を得ることができる。本実施形態では、反応部と投入部の反応物の組成を同一にしても、使用されたモノマーの密度の差によって高密度及び低屈折率のモノマーが外郭に拡散し、外郭から中心にくるほど屈折率が高くなる、連続的な屈折率勾配を有するプラスチック光ファイバ用母材を製造することができる。
【００２５】
本発明の第３実施形態は、反応部に反応物を一部投入してクラッド部を形成させた後、コア部を形成させることを特徴とする。まず、屈折率の低い組成を有する混合物を用いて反応器の反応部を一部のみ充填した後、反応器を定速回転させながら重合させると、反応部に所望する厚さのクラッド部を形成させることができる。クラッド部が完全に重合してガラス化すると、前記第１実施形態または第２実施形態と同様に、反応部と投入部に、互いに同じ組成或いはそれぞれ異なる組成の反応物を充填し、変速または定速回転下で重合させることにより、半径方向に連続的な屈折率の分布を有し且つ中空形成が防止されたプラスチック光ファイバ用母材を得ることができる。
【００２６】
本発明の第４実施形態では、モノマー混合物より屈折率の低い重合体を別に重合させてモノマー混合物内に溶解させ、これを反応部及び投入部に充填して反応を行わせることを特徴とする。このようなモノマーと高分子との混合物を中空防止型反応器に入れて回転させながら重合させると、反応物より相対的に密度の大きい重合体成分が外郭に密集してクラッド部を形成する。従って、本実施形態では、重合体を溶解させたモノマー混合物を反応物に使用することにより、１回の投入過程のみでクラッド部を形成することができ、重合中の発熱を減らすことができ、体積収縮分を減らして安定的な母材製造工程を提供することができるという利点がある。本実施形態においても、前記第１実施形態または第２実施形態と同様に、反応部と投入部に、互いに同じ組成或いはそれぞれ異なる組成の反応物を充填して変速または定速回転下で重合させることにより、半径方向に連続的な屈折率分布を有し且つ中空形成が防止されたプラスチック光ファイバ母材を得ることができる。
【００２７】
本発明の第５実施形態は、モノマー混合物と共にプレポリマー成分を混用して使用することを特徴とする。まず、モノマー混合物より屈折率の低いプレポリマーを用意する。用意されたプレポリマー成分をモノマー混合物と混合して反応部及び投入部に充填したり、モノマー混合物と混合せずにプレポリマーのみを使用して反応部の一部を充填しモノマー混合物をその上に充填する方式で反応器を充填した後、定速または変速回転させながら重合させることで、半径方向に連続的な屈折率分布を有し且つ中空のないプラスチック光ファイバ母材を得ることができる。この場合、同様に投入部と反応部を充填する反応物の組成比をそれぞれ異にすることができる。この際、前記プレポリマーの粘度は５００〜５００,０００ｃｐｓ（２５℃）であることが好ましく、より好ましくは１,０００〜１０,０００ｃｐｓ（２５℃）である。粘度が５００ｃｐｓ未満の場合にはプレポリマー添加の効果を得るのが難しく、５００,０００ｃｐｓを超える場合には粘度が高すぎて多くのバブルが発生し、投入時間が長くて安定性及び再現性の保障を受けることができない。
【００２８】
このようにプレポリマーを投入する場合にも、重合された高分子を溶解させて使用した第４実施形態と同様に、１回の投入過程のみでクラッド部を形成すること、重合中の発熱を減らすことができ、体積収縮分を減らして安定的な母材製造工程を提供することができるという効果がある。
【００２９】
本発明の第６実施形態は、重力の影響によって発生する母材の長手方向への屈折率勾配を除去するために、反応器を水平面に対して−９０〜９０°の範囲で傾けて反応を行なうことを特徴とする（図５参照）。
【００３０】
図４は垂直な回転反応器内で中空が形成される状態を示す断面図である。中空防止型反応器の場合も、最初に反応部に充填された反応物が重合すると、体積収縮分がある。従って、反応部に仮想的に発生するメニスカス(meniscus)の形状を考慮すれば、投入部から反応部に流れ込む反応物の量を予測することができるので、屈折率分布の様相に対する大略的な基準とすることができると共に、母材の長手方向に形成された屈折率勾配の均一性に対する基準とすることができる。前記反応器に形成される中空の形状は数式１で表現される。
【００３１】
【数１】
式中、Ωは回転速度（ｒａｄ／ｓ）、ｇは重力定数（約９.８ｍ／ｓ2）、ｚ0は仮想的なメニスカスが反応器の下方までできたと仮定する場合、反応器の下方にできたメニスカスの高さに該当する値である。
【００３３】
最初に回転反応器に反応物をいっぱい充填したとしても、体積収縮が２０％で
【００３４】
【外１】
ｚ＝０とｚ＝Ｌ’における半径ｒ1とｒ2は数式２のようである。
【００３６】
【数２】
前記数式２に示した半径ｒ1とｒ2を用いて、例えば仮想的に発生する中空の反応器の上端と下端における半径差が全体半径の１％（ｒ2−ｒ1＜０.０１Ｒ）以下となるための条件を計算すると、数式３のようである。
【００３８】
【数３】
数式３から分るように、回転速度が速いほど長手方向への屈折率勾配の均一性を得るのに有利であるが、重力方向に対する高さＬ’を小さくしても、長手方向への屈折率の均一性を得ることができる。重力方向に対する高さＬ’を小さくするために、図５に示すように、反応器を傾けて実施する方法があるが、この際、角度θが小さいほどＬ’が小さくなり、回転速度の制限なしで母材の長手方向の屈折率勾配を均一にすることができる。
【００４０】
上述した本発明の全ての実施形態において、重合が行われながら生ずる体積収縮による中空は、投入部のみで発生し、投入部に充填される反応物の体積は、最終的に体積収縮が完了する時点で、投入部に形成された中空の直径が中空遮断構造の直径より小さくなるように調節されなければならない。すると、体積収縮中に投入部から拡大された中空が中空遮断構造を介して反応部に侵入する現象を防ぐことができる。
【００４１】
一方、反応器の投入部の空所にアルゴンのような不活性気体を充填、加圧することが、投入部から反応部への反応物の流入を助けるため、反応部における中空形成を防止し、重合反応が安定的に行われるのに有利であるうえ、加圧時にモノマーの融点を高めるので、高温で反応を行わせることができる。これにより、反応時間を短縮し、未反応物の形成を防止して気泡の形成を防止する。この際、中空防止型反応器がガラス、石英、セラミックまたはプラスチックのような破損し易い物質で形成される場合、その破損可能性によって反応器の内部を４ｂａｒ以上で加圧させるのが難しい。この場合、前記中空防止型反応器の外部を同一に加圧することにより、その加圧程度を１０ｂａｒ程度まで高めることができる。
【００４２】
図６は中空防止型反応器の内部及び外部を同時に加圧することができる装置の一例を示す断面図である。加圧のために回転反応装置の上部に位置したクイックコネクタ(quick connector)１によってアルゴンガスタンクを連結した後、高さの調節が可能な栓部２を引き上げた状態で加圧路３を介してアルゴンガスを高圧として中空防止型反応器５の内部及び反応装置６の内部を同時に加圧した後、栓部を押下してＯリングを圧押する段階によって中空防止型反応器の内部及び外部に対する加圧充填が同時に行われる構造である。
【００４３】
本発明は、原理的に、反応部では体積収縮による中空は形成されないが、ラジカル反応の特性上、発熱によるモノマーの気化現象が一部あり、このような現象が反応部で発生すると、モノマーの気化した気泡が回転によって中空になる場合がある。前述したように、投入部を加圧して回転を変速にすると、気泡が投入部側に通り抜けて中空形成のない母材の製造に有利に作用する。
【００４４】
上述した本発明の全ての実施形態において、反応部の重合反応は熱重合またはＵＶ重合によって行われる。図７はＵＶ重合を用いて反応を行なう概念を示す断面図である。ＵＶ重合を用いる場合、反応開始剤として熱重合開始剤に代えて光重合開始剤を使用する。ＵＶを使用する場合、反応器の温度を高くする必要がないので、モノマーの気化による中空の形成可能性が一層低く、反応部のみにＵＶが照射されるので、反応部の体積収縮中に投入部の反応物がガラス化して反応物の供給が止まる現象が無くて、より安定的なプラスチック光ファイバ用母材を製造する方法を提供することができる。
【００４５】
上述した本発明の全ての実施形態において、より良好な屈折率分布を誘導するために、反応器の回転速度に様々な変化を与えることができるが、単純な回転及び停止の繰返しだけでなく、振幅と周期を異にする三角関数のような変化する速度関数をもつようにすることができる。
【００４６】
一般に重合反応のための熱伝達を円滑にするためには、母材の半径は約１〜１０ｃｍにすることが好ましく、且つ母材の長さは通常の熱延伸(thermal drawing)工程に適するように約１００ｃｍ以内とすることが好ましい。
【００４７】
本発明で使用される屈折率の異なる２種のモノマーは、具体的に、メチルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、フェニルメタクリレート、１−メチルシクロヘキシルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、クロロベンジルメタクリレート、１−フェニルエチルメタクリレート、１,２−ジフェニルエチルメタクリレート、ジフェニルメチルメタクリレート、フルフリルメタクリレート、１−フェニルシクロヘキシルメタクリレート、ペンタクロロフェニルメタクリレート、ペンタブロモフェニルメタクリレート、スチレン、ＴＦＥＭＡ（２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート）、ＰＦＰＭＡ（２,２,３,３,３−ペンタフルオロプロピルメタクリレート）、ＨＦＩＰＭＡ（１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート）、及びＨＦＢＭＡ（２,２,３,３,４,４,４−ヘプタフルオロブチルメタクリレート）からなる群よりそれぞれ選択されることができるが、これに限定されない。
【００４８】
また、前記本発明の第４実施形態において母材を製造する際に投入される高分子としては、単独重合体または共重合体を使用することができる。このような単独重合体(homopolymer)としては、具体的に、メチルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、フェニルメタクリレート、１−メチルシクロヘキシルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、クロロベンジルメタクリレート、１−フェニルエチルメタクリレート、１,２−ジフェニルエチルメタクリレート、ジフェニルメチルメタクリレート、フルフリルメタクリレート、１−フェニルシクロヘキシルメタクリレート、ペンタクロロフェニルメタクリレート、ペンタブロモフェニルメタクリレート、スチレン、ＴＦＥＭＡ（２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート）、ＰＦＰＭＡ（２,２,３,３,３−ペンタフルオロプロピルメタクリレート）、ＨＦＩＰＭＡ（１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート）及びＨＦＢＭＡ（２,２,３,３,４,４,４−ヘプタフルオロブチルメタクリレート）からなる群より選択された１種のモノマーの単独重合体を挙げることができるが、これに限定されない。
【００４９】
また、共重合体としては、具体的に、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）−ベンジルメタクリレート（ＢＭＡ）共重合体、スチレン−アクリロニトリル共重合体（ＳＡＮ）、ＭＭＡ−ＴＦＥＭＡ（２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート）共重合体、ＭＭＡ−ＰＦＰＭＡ（２,２,３,３,３−ペンタフルオロプロピルメタクリレート）共重合体、ＭＭＡ−ＨＦＩＰＭＡ（１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート）共重合体、ＭＭＡ−ＨＦＢＭＡ（２,２,３,３,４,４,４−ヘプタフルオロブチルメタクリレート）共重合体、ＴＦＥＭＡ−ＰＦＰＭＡ共重合体、ＴＦＥＭＡ−ＨＦＩＰＭＡ共重合体、スチレン−メチルメタクリレート（ＳＭ）共重合体、及びＴＦＥＭＡ−ＨＦＢＭＡ共重合体からなる群より選択された共重合体を挙げることができるが、これに限定されない。
【００５０】
また、前記本発明の第５実施形態において、混用可能なプレポリマーとしては、具体的に、メチルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、フェニルメタクリレート、１−メチルシクロヘキシルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、クロロベンジルメタクリレート、１−フェニルエチルメタクリレート、１,２−ジフェニルエチルメタクリレート、ジフェニルメチルメタクリレート、フルフリルメタクリレート、１−フェニルシクロヘキシルメタクリレート、ペンタクロロフェニルメタクリレート、ペンタブロモフェニルメタクリレート、スチレン、ＴＦＥＭＡ（２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート）、ＰＦＰＭＡ（２,２,３,３,３−ペンタフルオロプロピルメタクリレート）、ＨＦＩＰＭＡ（１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート）、及びＨＦＢＭＡ（２,２,３,３,４,４,４−ヘプタフルオロブチルメタクリレート）からなる群より選択された２つ以上のモノマーからなる共重合体を挙げることができるが、これに限定されない。
【００５１】
また、前記本発明でモノマーを重合させるために投入される熱重合開始剤としては、具体的に、２,２’−アゾビス（イソブチロニトリル）(2,2'-azobis(isobutyronitrile))、１,１’−アゾビス（シクロヘキサンカルボニトリル）(1,1'-azobis(cyclohexanecarbonitrile))、２,２’−アゾビス（２,４−ジメチルバレロニトリル）(2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile))、２,２’−アゾビス（メチルブチロニトリル）(2,2'-azobis(methylbutyronitrile))、ｔ−ブチルペルオキシド(t-butyl peroxide)、アセチルペルオキシド(acetyl peroxide)、ラウロイルペルオキシド(lauroyl peroxide)、ベンゾイルペルオキシド(benzoyl peroxide)、ｔ−ブチルヒドロペルオキシド(t-butyl hydroperoxide)、アゾ−ｔ−ブタン(azo-t-butane)、アゾ−ｎ−ブタン(azo-n-butane)及びｔ−ブチルペルアセテト(t-butyl peracetate)からなる群より選択された１種以上の物質を使用することができるが、これに限定されない。
【００５２】
また、前記本発明でモノマーを重合させるために投入される光重合開始剤としては、具体的に、４−（ｐ−トリルチオ）ベンゾフェノン(4-(p-tolylthio)benzophenone)、４,４’−ビス（ジメチルアミノ）ベンゾフェノン(4,4'-bis(dimethylamino)benzophenone)及び２−メチル−４’−（メチルチオ）−２−モルホリノ−プロピオフェノン(2-methyl-4'-(methylthio)-2-morpholino-propiophenone)からなる群より選択された１種以上の物質を使用することができるが、これに限定されない。
【００５３】
また、前記本発明でモノマー混合物に添加される連鎖移動剤(chain transfer agent)としては、ｎ−ブチルメルカプタン(n-butyl mercaptan)、ラウリルメルカプタン(lauryl mercaptan)及びドデシルメルカプタン(dodesyl mercaptan)からなる群より選択された１種以上の物質を使用することができるが、これに限定されない。
【００５４】
前記製造方法によって製造されるプラスチック光ファイバ用母材は、必要に応じて熱延伸(thermal drawing)過程を経て所望の直径の屈折率分布型プラスチック光ファイバに変換させることができ、比較的太いストランド(strand)状にして屈折率分布型レンズ及び画像伝達用イメージガイドにも適用することができる。
【００５５】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明するが、下記実施例は本発明の例示に過ぎず、本発明を制限するものではない。
【００５６】
【実施例】
実施例で使用された中空防止型反応器は、図１に示すような形態を有するもので、直径が４０ｍｍ、上側投入部の高さが１００ｍｍ、下側反応部の高さが１２０ｍｍ、反応物流入口の高さが２５ｍｍである円筒形反応器を使用した。反応溶液は、互いに異なる密度及び屈折率を有するモノマーの２成分または３成分以上の一組としてスチレンモノマー(styrene monomer:以下「ＳＭ」という)、メチルメタクリレート(methyl methacrylate:以下「ＭＭＡ」という)、及びトリフルオロエチルメタクリレート(trifluoroethyl methacrylate:以下「ＴＦＥＭＡ」という)を利用した。熱重合開始剤としては２,２’−アゾビス（イソブチロニトリル）(2,2'-azobis(isobutyronitrile):以下「ＡＩＢＮ」という)をＭＭＡ−ＳＭ反応に使用し、ｔ−ブチルペルオキシベンゾエート(t-butyl peroxybenzoate:以下「ｔ−ＢＰＯＢ」という)をＭＭＡ−ＴＦＥＭＡ反応に使用し、連鎖移動剤としては１−ブタンチオール(1-butanethiol:以下「１−ＢｕＳＨ」という)を使用した。ＵＶによる光開始反応を用いる場合、光重合開始剤として４,４’−ビス（ジメチルアミノ）ベンゾフェノン(4,4'-bis(dimethylamino)benzophenone:以下「ＤＭＡＢＰ」という)を使用した。
【００５７】
本発明において、プラスチック光ファイバの光損失は、厚さ１ｍｍの光ファイバを引き出して６６０ｎｍ光源の光パワーメーター(optical power meter)で測定した。
【００５８】
（実施例１）
ＳＭとＭＭＡを２０：８０の質量％比で混合したモノマー混合物１５０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を用意し、この溶液を前記中空防止型反応器の下側反応部に一杯に充填した。次に、ＳＭ及びＭＭＡを４０：６０の質量％比で混合したモノマー混合物１１０ｇとＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を上側投入部に８５ｍｍの高さまで投入した。投入部の空所には９９.９９９％のアルゴンガスを１ｂａｒで加圧充填し、栓を閉めた後、１２時間は２,５００ｒｐｍの速度で回転させながら７０℃で加熱して反応を行わせ、１２時間以後からは５分間は停止し１０分間は２,５００ｒｐｍで回転させる変速回転を数十回繰り返し行なった。このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を製造した。光パワーメーターで測定した光損失は３００ｄＢ／ｋｍであった。
【００５９】
（実施例２）
ＳＭとＭＭＡを３０：７０の質量％比で混合したモノマー混合物２６０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を用意し、その溶液を前記中空防止型反応器の下側反応部と上側投入部の８５ｍｍに至る高さまで充填した。投入部の空所には９９.９９９％のアルゴンガスを１ｂａｒで加圧充填し、栓を閉めた後、１２時間は２,５００ｒｐｍの速度で回転させながら７０℃で加熱して反応を行わせ、１２時間以後からは５分間は停止し１０分間は２,５００ｒｐｍで回転させる変速回転を数十回繰り返し行なった。このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を製造した。光パワーメーターで測定した光損失は３００ｄＢ／ｋｍであった。
【００６０】
（実施例３）
ＭＭＡ５０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を用意し、中空防止型反応器に前記反応溶液を下側反応部の４０ｍｍに至る高さまで充填した後、アルゴンガスを満たして２,５００ｒｐｍの回転速度及び７０℃の温度で１２時間反応させてクラッド層を形成した。次に、ＳＭ及びＭＭＡを２０：８０の質量％比で混合したモノマー混合物１１０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を７０℃で加熱して下側反応部に投入し、ＳＭ及びＭＭＡを４０：６０の質量％比で混合したモノマー混合物１１０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を上側投入部に７０℃で加熱して投入部の高さ８５ｍｍまで投入した。投入部の空所には９９.９９９％のアルゴンガスを１ｂａｒで加圧充填し、栓を閉めた後、１２時間は２,５００ｒｐｍの速度で回転させながら７０℃で加熱して反応を行わせ、１２時間以後からは５分間は停止し１０分間は２,５００ｒｐｍで回転させる変速回転を数十回繰返し行なった。このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を製造した。光パワーメーターで測定した光損失は２６０ｄＢ／ｋｍであった。
【００６１】
（実施例４）
ＭＭＡ５０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を用意して７０℃で２４時間重合させて得た重合体を、ＳＭ及びＭＭＡを２０：８０の質量％比で混合したモノマー混合物１１０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液に溶かした後、反応部を満たすように投入した。その後、ＳＭ及びＭＭＡを４０：６０の質量％比で混合したモノマー混合物１１０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を上側投入部に７０℃で加熱して高さ８５ｍｍまで投入した。投入部の空所には９９.９９９％のアルゴンガスを１ｂａｒで加圧充填し、栓を閉めた後、投入後１２時間は２,５００ｒｐｍの速度で回転させながら７０℃で加熱して反応を行わせ、１２時間以後からは５分間は停止し１０分間は２,５００ｒｐｍで回転させる変速回転を数十回繰返し行なった。このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を製造した。光パワーメーターで測定した光損失は２５０ｄＢ／ｋｍであった。
【００６２】
（実施例５）
ＭＭＡ５０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を用意して７０℃で２４時間重合させて得たプレポリマーをまず反応部に４０ｍｍの高さまで投入し、ＳＭ及びＭＭＡを２０：８０の質量％比で混合したモノマー混合物１１０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を残りの反応部に満たした。その後、ＳＭ及びＭＭＡを４０：６０の質量％比で混合したモノマー混合物１１０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を上側投入部に投入した。投入部の空所には９９.９９９％のアルゴンガスを１ｂａｒで加圧充填し、栓を閉めた後、９時間は２,５００ｒｐｍの速度で回転させながら７０℃で加熱して反応を行わせ、９時間以後からは５分間は停止し１０分間は２,５００ｒｐｍで回転させる変速回転を数十回繰返し行なった。このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を製造した。光パワーメーターで測定した光損失は２３０ｄＢ／ｋｍであった。
【００６３】
（実施例６）
ＳＭとＭＭＡを３０：７０の質量％比で混合したモノマー混合物２６０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を用意した。中空防止型反応器に前記反応溶液を投入して下側反応部を一杯に満たした後、同じ溶液を使用して上側投入部には８５ｍｍの高さまでいっぺんに投入し、投入部の空所には９９.９９９％のアルゴンガスを１ｂａｒで加圧充填した。前記反応器を水平面に対して１５°に傾けた状態で、１２時間は１,０００ｒｐｍの回転速度で加熱しながら反応を行なわせ、１２時間以後からは５分間は停止し１０分間は１,０００ｒｐｍで回転させる変速回転を数十回繰返し行なった。このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を製造した。光パワーメーターで測定した光損失は２９０ｄＢ／ｋｍであった。
【００６４】
（実施例７）
ＳＭとＭＭＡを３０：７０の質量％比で混合したモノマー混合物２６０ｇにＤＭＡＢＰ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を用意した。中空防止型反応器に前記反応溶液を下側反応部及び上側投入部の高さ８５ｍｍまでいっぺんに投入し、投入部の空所には９９.９９９％のアルゴンガスを１ｂａｒで加圧充填した。図７のような形態のＵＶ照射装置で中空防止型反応器にＵＶを照射させながら１２時間は２,５００ｒｐｍの速度で回転しながら４０℃で加熱して反応を行わせ、１２時間以後からは５分間は停止し１０分間は２,５００ｒｐｍで回転させる変速回転を数十回繰返し行なった。このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を製造した。光パワーメーターで測定した光損失は３００ｄＢ／ｋｍであった。
【００６５】
（実施例８）
ＭＭＡとＴＦＥＭＡを７０：３０の質量％比で混合したモノマー混合物１７０ｇにｔ−ＢＰＯＢ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２５質量％の濃度になるように混合した溶液を用意した後、前記反応溶液を中空防止型反応器の下側反応部のみに投入し、栓を閉めた後、停止した状態で１２時間は７０℃で２,５００ｒｐｍで回転させてクラッド層を形成した。その後、ＭＭＡとＴＦＥＭＡを９０：１０の質量％比で混合したモノマー混合物１５０ｇにｔ−ＢＰＯＢ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２５質量％の濃度になるように混合した溶液を７０℃で加熱し、まず下側反応部に投入し、次いでＭＭＡ１２−ｇにｔ−ＢＰＯＢ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を上側投入部に７０℃で加熱して高さ８５ｍｍまで投入した。投入部の空所には９９.９９９％のアルゴンガスを１ｂａｒで加圧充填し、栓を閉めた後、１２時間は２,５００ｒｐｍの速度で回転しながら７０℃で加熱して反応を行わせ、１２時間以後からは５分間は停止し１０分間は２,５００ｒｐｍで回転させる変速回転を数十回繰返し行なった。このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を製造した。光パワーメーターで測定した光損失は１５０ｄＢ／ｋｍであった。
【００６６】
（実施例９）
ＳＭとＭＭＡを１０：９０の質量％比で混合したモノマー混合物１５０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を用意し、この反応溶液を中空防止型反応器に一杯に充填した。次に、ＳＭとＭＭＡを２０：８０の質量％比で混合したモノマー混合物１１０ｇにＡＩＢＮ及び１−ＢｕＳＨをそれぞれ０.０６６質量％、０.２質量％の濃度になるように混合した溶液を上側投入部に８５ｍｍの高さまで投入した。図６の回転反応装置に前記中空防止型反応器を装着し、回転装置の栓を締めた後、中空防止型反応器の空所と回転反応器の内部を全て１０ｂａｒのアルゴンガスで加圧充填した。４時間は２,５００ｒｐｍの速度で回転しながら１１０℃で加熱して反応を行わせ、４時間以後からは９０℃に温度を低めて５分間は停止し１０分間は２,５００ｒｐｍの速度で回転させる変速回転を数十回繰返し行なった。８時間以後、このような製造方法により、最終的に中空のないプラスチック光ファイバ用母材を得た。光パワーメーターで測定した光損失は２５０ｄＢ／ｋｍであった。
【００６７】
ＳＭとＭＭＡは相対的反応性が類似しているので、得られた母材は無定形ランダム共重合体(amorphous random copolymer)であり、ＴＦＥＭＡとＭＭＡの場合、反応性はＭＭＡが高いが、前記に例示した全領域の組成比では透明な無定形共重合体が得られた。
【００６８】
【発明の効果】
本発明に係る中空防止型反応器を用いて回転下でプラスチック光ファイバ用母材を製造する際、体積収縮による中空の発生を防止して、半径方向に従って連続的な屈折率勾配を有するプラスチック光ファイバ用母材を、反応物の追加投入過程なしで製造することができる新しい方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る中空防止型反応器の一例を示す斜視図である。
【図２】 本発明に係る中空防止型反応器の作動原理を示す流れ図である。
【図３】 図３の（ａ）及び（ｂ）は本発明に係る中空防止型反応器の他の例を示す断面図である。
【図４】 一般的な回転反応器を用いた場合の中空形成状態を示す断面図である。
【図５】 反応器を傾けて反応させる場合を示す簡略図である。
【図６】 中空防止型反応器の内部及び外部に同時に加圧することが可能な装置の一例を示す断面図である。
【図７】 ＵＶ開始剤を用いる場合の反応装置の形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…投入部
１１…反応物流入口
２０…反応部
２１…流路
３０…中空遮断構造
３１…流路
３２…遮断壁
Claims (21)
- （ａ）反応器全体に反応物を流入させるための反応物流入口を備えた投入部と、
（ｂ）前記投入部との間に遮断壁を有し、前記投入部に通じる流路を前記遮断壁の中央に備え、前記投入部と隣接してたがいに結合されており、前記投入部とともに回転する反応部と、
（ｃ）反応器の回転時に前記投入部の前記反応物流入口の空間から発生する中空が前記反応部まで続かないように前記反応部の流路と前記投入部の前記反応物流入口との間に設けられ、前記投入部の反応物を前記反応部に迂回させて流れ込ませる１つまたは２つ以上の流路を備えた、１つまたは２つ以上の中空遮断構造とを含む中空防止型反応器。 - 前記中空遮断構造が円柱状またはプレート状であることを特徴とする請求項１記載の中空防止型反応器。
- 前記反応器がガラス、石英、セラミックまたはプラスチックで製造されることを特徴とする請求項１記載の中空防止型反応器。
- 前記反応器が半径１〜１０ｃｍ、長さ１００ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の中空防止型反応器。
- 請求項１の反応器を用いてプラスチック光ファイバ用母材を製造する方法において、
（ａ）反応物を前記反応器の反応部と投入部に充填する段階と、
（ｂ）前記反応器を回転させながら前記反応部の反応物を重合させる段階とを含むプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。 - 前記投入部の反応物が満たされていない空間に不活性気体を充填して加圧することを特徴とする請求項５記載のプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。
- 前記反応器の内部及び反応器の外部を共に加圧することを特徴とする請求項６記載のプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。
- 前記反応器を定速回転または変速回転させることを特徴とする請求項５記載のプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。
- 前記反応器の変速回転が高速回転と低速回転または停止状態を繰り返す形態、三角関数形態、または周期、位相及び振幅が変化する特定の関数形態の回転速度関数に沿って行なわれることを特徴とする請求項８記載のプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。
- 前記反応物が屈折率の異なる２種以上のモノマー、重合開始剤及び連鎖移動剤の混合物であることを特徴とする請求項５記載のプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。
- 前記反応物が高屈折率及び低密度のモノマー、低屈折率及び高密度のモノマー、重合開始剤及び連鎖移動剤の混合物であり、このモノマー混合物が反応器の投入部及び反応部に同一に充填されることを特徴とする請求項１０記載のプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。
- 前記投入部に充填されるモノマー混合物の屈折率が、反応部に充填されるモノマー混合物の屈折率より高いことを特徴とする請求項１０記載のプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。
- 前記反応部に充填されるモノマー混合物に、その混合物より屈折率の低い高分子の断片を膨潤または溶解させて使用することを特徴とする請求項１０記載のプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。
- 反応部に充填されるモノマー混合物にその混合物より屈折率の低いプレポリマーを混合し、或いは反応部に予め屈折率の低いプレポリマーを充填した後モノマー混合物を充填することを特徴とする請求項１０記載のプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。
- 前記モノマーがメチルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、フェニルメタクリレート、１−メチルシクロヘキシルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、クロロベンジルメタクリレート、１−フェニルエチルメタクリレート、１,２−ジフェニルエチルメタクリレート、ジフェニルメチルメタクリレート、フルフリルメタクリレート、１−フェニルシクロヘキシルメタクリレート、ペンタクロロフェニルメタクリレート、ペンタブロモフェニルメタクリレート、スチレン、ＴＦＥＭＡ（２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート）、ＰＦＰＭＡ（２,２,３,３,３−ペンタフルオロプロピルメタクリレート）、ＨＦＩＰＭＡ（１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート）、及びＨＦＢＭＡ（２,２,３,３,４,４,４−ヘプタフルオロブチルメタクリレート）からなる群よりそれぞれ選択されることを特徴とする請求項１０記載のプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。
- 前記高分子がメチルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、フェニルメタクリレート、１−メチルシクロヘキシルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、クロロベンジルメタクリレート、１−フェニルエチルメタクリレート、１,２−ジフェニルエチルメタクリレート、ジフェニルメチルメタクリレート、フルフリルメタクリレート、１−フェニルシクロヘキシルメタクリレート、ペンタクロロフェニルメタクリレート、ペンタブロモフェニルメタクリレート、スチレン、ＴＦＥＭＡ（２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート）、ＰＦＰＭＡ（２,２,３,３,３−ペンタフルオロプロピルメタクリレート）、ＨＦＩＰＭＡ（１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート）、及びＨＦＢＭＡ（２,２,３,３,４,４,４−ヘプタフルオロブチルメタクリレート）からなる群より選択されたモノマーの単独重合体であることを特徴とする請求項１３記載のプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。
- 前記高分子がメチルメタクリレート（ＭＭＡ）−ベンジルメタクリレート（ＢＭＡ）共重合体、スチレン−アクリロニトリル共重合体（ＳＡＮ）、ＭＭＡ−ＴＦＥＭＡ（２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート）共重合体、ＭＭＡ−ＰＦＰＭＡ（２,２,３,３,３−ペンタフルオロプロピルメタクリレート）共重合体、ＭＭＡ−ＨＦＩＰＭＡ（１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート）共重合体、ＭＭＡ−ＨＦＢＭＡ（２,２,３,３,４,４,４−ヘプタフルオロブチルメタクリレート）共重合体、ＴＦＥＭＡ−ＰＦＰＭＡ共重合体、ＴＦＥＭＡ−ＨＦＩＰＭＡ共重合体、スチレン−メチルメタクリレート共重合体、及びＴＦＥＭＡ−ＨＦＢＭＡ共重合体からなる群より選択された共重合体であることを特徴とする請求項１３記載のプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。
- 前記プレポリマーがメチルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、フェニルメタクリレート、１−メチルシクロヘキシルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、クロロベンジルメタクリレート、１−フェニルエチルメタクリレート、１,２−ジフェニルエチルメタクリレート、ジフェニルメチルメタクリレート、フルフリルメタクリレート、１−フェニルシクロヘキシルメタクリレート、ペンタクロロフェニルメタクリレート、ペンタブロモフェニルメタクリレート、スチレン、ＴＦＥＭＡ（２,２,２−トリフルオロエチルメタクリレート）、ＰＦＰＭＡ（２,２,３,３,３−ペンタフルオロプロピルメタクリレート）、ＨＦＩＰＭＡ（１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート）、及びＨＦＢＭＡ（２,２,３,３,４,４,４−ヘプタフルオロブチルメタクリレート）からなる群より選択された単独または２つ以上のモノマーから構成されたプレポリマーであることを特徴とする請求項１４記載のプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。
- 前記プレポリマーが５００〜５００,０００ｃｐｓ（２５℃）の粘度を有することを特徴とする請求項１４記載のプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。
- 前記反応部の混合物を熱重合またはＵＶ重合させることを特徴とする請求項５記載のプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。
- 前記反応器を水平面に対して−９０〜９０°の範囲で傾けて反応させることを特徴とする請求項５記載のプラスチック光ファイバ用母材の製造方法。
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