JP4089226B2 - 耐熱光ファイバ心線 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温／高湿環境で使用される耐熱性被覆を施した耐熱光ファイバ心線に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温環境で使用可能な耐熱光ファイバ心線として特開平１−１７３００６号公報、特開平５−１２７０５２号公報に開示されている技術が知られている。
【０００３】
前者は光ファイバの外周に２５μｍ以上３００μｍ以下の厚さのポリイミド系樹脂を被覆する技術であり、さらに、その外周にフッ素系樹脂等のポリイミド系樹脂と同等の耐熱性樹脂を被覆することが好ましいと記載されている。後者は光ファイバの外周にポリイミドとポリチタノカルボシランを被覆する技術である。両者ともこのように耐熱樹脂であるポリイミドを被覆層に用いることで高温下でも高い強度を保つことができると記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光ファイバの過酷な使用環境として原子力発電所内や油井等の高温／高湿環境が挙げられる。こうした高温／高湿環境においてこれらの耐熱光ファイバ心線は、耐熱被覆樹脂及び内部の光ファイバが劣化することがわかった。その要因は、例えば湿度６０％ＲＨの高湿環境下では、イミド基が加水分解して芳香族ポリイミド系樹脂が劣化することにある。この加水分解で生成されたガラス分解性ガスであるポリアミック酸が内部の光ファイバガラスを劣化させることがわかった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明に係る耐熱光ファイバ心線は、光ファイバ外周を覆う芳香族ポリイミド系樹脂からなる第一の被覆層と、第一の被覆層の外周を覆うシリコン系樹脂からなる第二の被覆層と、第二の被覆層の外周を覆うフッ素系樹脂からなる第三の被覆層とを備えている。
【０００６】
本発明によれば、第一、第二、第三の被覆層はいずれも耐熱性を有しており、高温環境でも被覆が劣化することがない。そして、高湿環境下で加水分解する可能性がある第一の被覆層と第二の被覆層とを耐湿性を有する第三の被覆層で覆っているので、水蒸気が第一、第二の被覆層に浸透することがなく、加水分解による強度劣化を抑制できる。また、第二の被覆層により第一の被覆層と第三の被覆層の密着性を高めることができる。
【０００７】
光ファイバガラスの表面を大気中の水分から保護するためには、この第一の被覆層の厚さは、０．０１μｍ以上であることが好ましく、製造性を向上させるためには、２０μｍ以下であることが好ましい。
【０００８】
また、加水分解の抑制と良好な側圧特性を確保するためには、第二の被覆層の厚さは、５μｍ以上であることが好ましく、被覆層の熱収縮による伝送特性の劣化と製造性の悪化を抑制するためには、２００μｍ以下であることが好ましい。
【０００９】
そして、耐熱性／耐湿性を確保するためには、第三の被覆層の厚さは、０．０１μｍ以上であることが好ましく、被覆層の熱収縮による伝送特性の劣化と製造性の悪化を抑制するためには、５００μｍ以下であることが好ましい。
【００１０】
ポリイミドの加水分解を抑制するためには、第一の被覆層の硬化度は０．３０以上であることが好ましい。
【００１１】
この光ファイバと第一の被覆層との間にカーボン被覆を備えていてもよい。この構成は、第一の被覆層であるポリイミド系樹脂が加水分解した場合でも光ファイバへガラス分解性ガスが到達することがない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る耐熱光ファイバ心線の第一の実施形態の構造を示す斜視図である。ここでは、その被覆構造がわかりやすいように被覆を階層的に除去した状態で示している。
【００１４】
この耐熱光ファイバ心線は、石英系ガラス製のコア部とクラッド部を有する光ファイバ１０の外周に、芳香族ポリイミド系樹脂からなる第一の被覆層２１と、シリコン系樹脂からなる第二の被覆層２２と、ＰＦＡ（tetrafluoroethleneperfluoroalkylvinylether copolymer）からなる第三の被覆層３３とが被覆されて形成された被覆２０が形成されて構成されている。
【００１５】
ここで、第一の被覆層２１の厚みは０．０１μｍ〜２０μｍであることが好ましい。第一の被覆層２１の厚みが０．０１μｍより薄いと光ファイバガラスの表面を大気中の水分から充分に保護することができない。反対に２０μｍより厚くすると、製造性の悪化が問題となる。なぜなら、この第一の被覆層２１は加熱により有機溶剤を揮発させることで樹脂を硬化させて形成するが、一度に２０μｍを超える被覆を形成するには、加熱時の樹脂内部での発泡を防ぐためにゆっくりと加熱を行わなければならず、製造速度が低下してしまう。また、同一の樹脂を多層被覆して２０μｍを超える被覆を形成しようとした場合、設備が複雑化して製造コストが上昇してしまう。
【００１６】
この第一の被覆層の硬化度は０．３０以上であることが好ましい。ここで、ポリイミド樹脂の硬化度とは、ポリイミド樹脂の硬化に伴いイミド基が生成されることに着目したものであり、以下に述べる測定方法で測定した値を指す。測定には、ＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光計）を用い、イミド基のピーク値である波数１７５３．６０〜１８１０．０ｃｍ-1におけるピークＡとベンゼン環のピーク値である波数１７５３．６０〜１８１０．０ｃｍ-1におけるピークＢの強度の比（Ａ／Ｂ）を求めた。そして、その測定にはＡＴＲ結晶としてＺｎＳｅを用い、積算回数は２５６回とし、測定は各試料について２回以上行い、求めた強度比（Ａ／Ｂ）の平均値を硬化度とした。こうして求めた硬化度が０．３０より低いと高温／高湿環境における加水分解の抑制が困難になる。
【００１７】
また、第二の被覆層２２の厚みは５〜２００μｍであることが好ましい。第二の被覆層２２の厚みが５μｍより薄いと高温／高湿環境における第一の被覆層２２の加水分解の抑制が困難になるほか、良好な側圧特性を確保することが難しい。反対に２００μｍより厚くすると被覆材料の熱収縮による光ファイバの伝送特性の劣化と製造性の悪化が問題となる。この第二の被覆層２２は、熱により樹脂を硬化させて形成するため、厚い被覆を形成するには、製造速度の低下や設備の複雑化による製造コストの上昇が避けられない。
【００１８】
そして、第三の被覆層２３の厚さは０．０１〜５００μｍとすることが好ましい。第三の被覆層２３が０．０１μｍより薄いと、耐熱性／耐湿性を確保するのが困難になり、反対に５００μｍより厚くしすぎると第二の被覆層と同様に被覆材料の熱収縮による光ファイバの伝送特性の劣化と製造性の悪化が問題となる。
【００１９】
図２は、本発明に係る耐熱光ファイバ心線の第二の実施形態の構造を示す斜視図である。この実施形態は、光ファイバ１０の外周と、これを覆う被覆部２０との間にカーボン被覆１１が施されている点のみが図１に示される第一の実施形態と相違する。このカーボン被覆１１の厚みは製造性の観点から０．１μｍ以下とすることが好ましい。
【００２０】
カーボン被覆１１を設けることにより、被覆部２０でガラス分解性ガスが発生した場合でも、このガラス分解性ガスが光ファイバ１０に到達するのを防止することができ、光ファイバ１０の劣化を抑制することができる。
【００２１】
本発明者らは、本発明に係る耐熱光ファイバ心線の耐熱性・耐湿性を評価するための比較試験を行った。以下、その結果について報告する。
【００２２】
表１に比較試験に用いた光ファイバの構造を示す。
【００２３】
【表１】
試料Ａ〜Ｆの光ファイバ心線の光ファイバ１０はいずれも外径１２５μｍであり、試料Ｆの光ファイバ心線のカーボン被覆１１の厚みは０．０５μｍとした。図３に示される構造は、従来型の光ファイバ心線の構造図であり、試料Ｃ、Ｄが該当する。
【００２４】
これらの耐熱光ファイバ心線を用いて、２５０℃／９５％ＲＨの高温／高湿環境下での１６日間のエージング前後の強度特性を評価した。この強度特性評価は、ＩＥＣ ７９３−１−Ｂ２Ａに規定された測定方法に従い、サンプル長３００ｍｍ、引張速度１００％／ｍｉｎの条件で測定を行った。表２にその結果をまとめて示す。なお、この評価結果には、２０サンプルの中央値を示した。
【００２５】
【表２】
表から明らかなように試料A、試料Gのみが１６日間のエージング後も初期の強度を保った。これに対して、従来型の耐熱光ファイバ心線である試料Ｃ、Ｄでは１６日後の強度がそれぞれ３７％、１８％低下した。また、構造はほぼ本発明に係る光ファイバと同一であるが、第三の被覆層２３をナイロンで形成した試料Ｂの場合も１６日後の強度は３７％低下した。第一の被覆層２１の硬化度を０．２８と試料Ａより低くした試料Ｅの場合、１６日後の強度は２２％低下した。そ
【００２６】
以上の試験結果から、本発明に係る光ファイバの構造、すなわち、被覆部２０をポリイミド、シリコン系樹脂、ＰＦＡの三層構造とし、第一の被覆層２１であるポリイミドの硬化度を０．３０以上に設定すれば好適であることが確認された。
【００２７】
以上の説明では、第三の被覆層２３としてＰＦＡを用いた例について説明してきたが、第三の被覆層２３はこれに限られるものではなく、ＰＦＡと同等の耐熱性／耐湿性を有する樹脂、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオロライドなどの各弗素樹脂や、ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリエーテルエーテルケトンなどを適用することが可能である。
【００２８】
【産業上の利用可能性】
本発明に係る耐熱光ファイバ心線は、原子力発電所や油井などの高温／高湿環境下で好適に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る耐熱光ファイバ心線の第一の実施形態の構造を示す斜視図である。
【図２】 本発明に係る耐熱光ファイバ心線の第二の実施形態の構造を示す斜視図である。
【図３】 本発明に係る耐熱光ファイバ心線と比較試験を行った従来の耐熱光ファイバ心線の構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…光ファイバ、１１…カーボン被覆、２０…被覆部、２１…第一の被覆層、２２…第二の被覆層、２３、３３…第三の被覆層。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温／高湿環境で使用される耐熱性被覆を施した耐熱光ファイバ心線に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温環境で使用可能な耐熱光ファイバ心線として特開平１−１７３００６号公報、特開平５−１２７０５２号公報に開示されている技術が知られている。
【０００３】
前者は光ファイバの外周に２５μｍ以上３００μｍ以下の厚さのポリイミド系樹脂を被覆する技術であり、さらに、その外周にフッ素系樹脂等のポリイミド系樹脂と同等の耐熱性樹脂を被覆することが好ましいと記載されている。後者は光ファイバの外周にポリイミドとポリチタノカルボシランを被覆する技術である。両者ともこのように耐熱樹脂であるポリイミドを被覆層に用いることで高温下でも高い強度を保つことができると記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光ファイバの過酷な使用環境として原子力発電所内や油井等の高温／高湿環境が挙げられる。こうした高温／高湿環境においてこれらの耐熱光ファイバ心線は、耐熱被覆樹脂及び内部の光ファイバが劣化することがわかった。その要因は、例えば湿度６０％ＲＨの高湿環境下では、イミド基が加水分解して芳香族ポリイミド系樹脂が劣化することにある。この加水分解で生成されたガラス分解性ガスであるポリアミック酸が内部の光ファイバガラスを劣化させることがわかった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明に係る耐熱光ファイバ心線は、光ファイバ外周を覆う芳香族ポリイミド系樹脂からなる第一の被覆層と、第一の被覆層の外周を覆うシリコン系樹脂からなる第二の被覆層と、第二の被覆層の外周を覆うフッ素系樹脂からなる第三の被覆層とを備えている。
【０００６】
本発明によれば、第一、第二、第三の被覆層はいずれも耐熱性を有しており、高温環境でも被覆が劣化することがない。そして、高湿環境下で加水分解する可能性がある第一の被覆層と第二の被覆層とを耐湿性を有する第三の被覆層で覆っているので、水蒸気が第一、第二の被覆層に浸透することがなく、加水分解による強度劣化を抑制できる。また、第二の被覆層により第一の被覆層と第三の被覆層の密着性を高めることができる。
【０００７】
光ファイバガラスの表面を大気中の水分から保護するためには、この第一の被覆層の厚さは、０．０１μｍ以上であることが好ましく、製造性を向上させるためには、２０μｍ以下であることが好ましい。
【０００８】
また、加水分解の抑制と良好な側圧特性を確保するためには、第二の被覆層の厚さは、５μｍ以上であることが好ましく、被覆層の熱収縮による伝送特性の劣化と製造性の悪化を抑制するためには、２００μｍ以下であることが好ましい。
【０００９】
そして、耐熱性／耐湿性を確保するためには、第三の被覆層の厚さは、０．０１μｍ以上であることが好ましく、被覆層の熱収縮による伝送特性の劣化と製造性の悪化を抑制するためには、５００μｍ以下であることが好ましい。
【００１０】
ポリイミドの加水分解を抑制するためには、第一の被覆層の硬化度は０．３０以上であることが好ましい。
【００１１】
この光ファイバと第一の被覆層との間にカーボン被覆を備えていてもよい。この構成は、第一の被覆層であるポリイミド系樹脂が加水分解した場合でも光ファイバへガラス分解性ガスが到達することがない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る耐熱光ファイバ心線の第一の実施形態の構造を示す斜視図である。ここでは、その被覆構造がわかりやすいように被覆を階層的に除去した状態で示している。
【００１４】
この耐熱光ファイバ心線は、石英系ガラス製のコア部とクラッド部を有する光ファイバ１０の外周に、芳香族ポリイミド系樹脂からなる第一の被覆層２１と、シリコン系樹脂からなる第二の被覆層２２と、ＰＦＡ（tetrafluoroethleneperfluoroalkylvinylether copolymer）からなる第三の被覆層３３とが被覆されて形成された被覆２０が形成されて構成されている。
【００１５】
ここで、第一の被覆層２１の厚みは０．０１μｍ〜２０μｍであることが好ましい。第一の被覆層２１の厚みが０．０１μｍより薄いと光ファイバガラスの表面を大気中の水分から充分に保護することができない。反対に２０μｍより厚くすると、製造性の悪化が問題となる。なぜなら、この第一の被覆層２１は加熱により有機溶剤を揮発させることで樹脂を硬化させて形成するが、一度に２０μｍを超える被覆を形成するには、加熱時の樹脂内部での発泡を防ぐためにゆっくりと加熱を行わなければならず、製造速度が低下してしまう。また、同一の樹脂を多層被覆して２０μｍを超える被覆を形成しようとした場合、設備が複雑化して製造コストが上昇してしまう。
【００１６】
この第一の被覆層の硬化度は０．３０以上であることが好ましい。ここで、ポリイミド樹脂の硬化度とは、ポリイミド樹脂の硬化に伴いイミド基が生成されることに着目したものであり、以下に述べる測定方法で測定した値を指す。測定には、ＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光計）を用い、イミド基のピーク値である波数１７５３．６０〜１８１０．０ｃｍ-1におけるピークＡとベンゼン環のピーク値である波数１７５３．６０〜１８１０．０ｃｍ-1におけるピークＢの強度の比（Ａ／Ｂ）を求めた。そして、その測定にはＡＴＲ結晶としてＺｎＳｅを用い、積算回数は２５６回とし、測定は各試料について２回以上行い、求めた強度比（Ａ／Ｂ）の平均値を硬化度とした。こうして求めた硬化度が０．３０より低いと高温／高湿環境における加水分解の抑制が困難になる。
【００１７】
また、第二の被覆層２２の厚みは５〜２００μｍであることが好ましい。第二の被覆層２２の厚みが５μｍより薄いと高温／高湿環境における第一の被覆層２２の加水分解の抑制が困難になるほか、良好な側圧特性を確保することが難しい。反対に２００μｍより厚くすると被覆材料の熱収縮による光ファイバの伝送特性の劣化と製造性の悪化が問題となる。この第二の被覆層２２は、熱により樹脂を硬化させて形成するため、厚い被覆を形成するには、製造速度の低下や設備の複雑化による製造コストの上昇が避けられない。
【００１８】
そして、第三の被覆層２３の厚さは０．０１〜５００μｍとすることが好ましい。第三の被覆層２３が０．０１μｍより薄いと、耐熱性／耐湿性を確保するのが困難になり、反対に５００μｍより厚くしすぎると第二の被覆層と同様に被覆材料の熱収縮による光ファイバの伝送特性の劣化と製造性の悪化が問題となる。
【００１９】
図２は、本発明に係る耐熱光ファイバ心線の第二の実施形態の構造を示す斜視図である。この実施形態は、光ファイバ１０の外周と、これを覆う被覆部２０との間にカーボン被覆１１が施されている点のみが図１に示される第一の実施形態と相違する。このカーボン被覆１１の厚みは製造性の観点から０．１μｍ以下とすることが好ましい。
【００２０】
カーボン被覆１１を設けることにより、被覆部２０でガラス分解性ガスが発生した場合でも、このガラス分解性ガスが光ファイバ１０に到達するのを防止することができ、光ファイバ１０の劣化を抑制することができる。
【００２１】
本発明者らは、本発明に係る耐熱光ファイバ心線の耐熱性・耐湿性を評価するための比較試験を行った。以下、その結果について報告する。
【００２２】
表１に比較試験に用いた光ファイバの構造を示す。
【００２３】
【表１】
【００２４】
これらの耐熱光ファイバ心線を用いて、２５０℃／９５％ＲＨの高温／高湿環境下での１６日間のエージング前後の強度特性を評価した。この強度特性評価は、ＩＥＣ ７９３−１−Ｂ２Ａに規定された測定方法に従い、サンプル長３００ｍｍ、引張速度１００％／ｍｉｎの条件で測定を行った。表２にその結果をまとめて示す。なお、この評価結果には、２０サンプルの中央値を示した。
【００２５】
【表２】
【００２６】
以上の試験結果から、本発明に係る光ファイバの構造、すなわち、被覆部２０をポリイミド、シリコン系樹脂、ＰＦＡの三層構造とし、第一の被覆層２１であるポリイミドの硬化度を０．３０以上に設定すれば好適であることが確認された。
【００２７】
以上の説明では、第三の被覆層２３としてＰＦＡを用いた例について説明してきたが、第三の被覆層２３はこれに限られるものではなく、ＰＦＡと同等の耐熱性／耐湿性を有する樹脂、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオロライドなどの各弗素樹脂や、ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリエーテルエーテルケトンなどを適用することが可能である。
【００２８】
【産業上の利用可能性】
本発明に係る耐熱光ファイバ心線は、原子力発電所や油井などの高温／高湿環境下で好適に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る耐熱光ファイバ心線の第一の実施形態の構造を示す斜視図である。
【図２】 本発明に係る耐熱光ファイバ心線の第二の実施形態の構造を示す斜視図である。
【図３】 本発明に係る耐熱光ファイバ心線と比較試験を行った従来の耐熱光ファイバ心線の構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…光ファイバ、１１…カーボン被覆、２０…被覆部、２１…第一の被覆層、２２…第二の被覆層、２３、３３…第三の被覆層。
Claims (5)
- 光ファイバ外周を覆う芳香族ポリイミド系樹脂からなる第一の被覆層と、前記第一の被覆層の外周を覆うシリコン系樹脂からなる第二の被覆層と、前記第二の被覆層の外周を覆うフッ素系樹脂からなる第三の被覆層とを備えている耐熱光ファイバ心線。
- 前記第一の被覆層の厚さは、０．０１μｍ〜２０μｍである請求項１記載の耐熱光ファイバ心線。
- 前記第二の被覆層の厚さは、５μｍ〜２００μｍである請求項１記載の耐熱光ファイバ心線。
- 前記第一の被覆層の硬化度は０．３０以上である請求項１記載の耐熱光ファイバ心線。
- 前記光ファイバと前記第一の被覆層との間にカーボン被覆を備えている請求項１記載の耐熱光ファイバ心線。
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