JP4952140B2 - ポリマークラッド光ファイバ心線 - Google Patents

Description

本発明は、ポリマークラッド光ファイバ心線に関する。より詳しくは、より厳しい高温環境下でのエージングによる伝送損失増を抑制でき、また温度急変環境下でのピストニング性を抑制できる、ポリマークラッド光ファイバ心線に関する。

光ファイバ心線の一種に、ハードポリマークラッドファイバ心線（以下、「ＨＰＣＦ心線」と略す。）と呼ばれるものがある。このＨＰＣＦ心線は、純シリカなどの石英系ガラスからなる直径２００μｍ程度のコアと、このコアを包囲する紫外線硬化型フッ化アクリレート樹脂などのフッ素系樹脂からなる厚み１５μｍ程度のクラッド層とからなるＨＰＣＦ素線上に、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）などのフッ素樹脂からなる被覆層を押出被覆して設けた外径０．５ｍｍまたは０．９ｍｍのものである。
このＨＰＣＦ心線は、機械的強度が高く、光コードとして、これにコネクタを装着することにより、局内光配線などの短距離伝送用として使用されている。

ところで、このようなＨＰＣＦ心線は、使用環境温度の影響を受けて伝送損失が増加するという問題がある。伝送損失が増加する要因の一つとしては、石英系ガラスのコアとフッ素系樹脂のクラッド層との間の密着力が低下することが挙げられる。また、コアとクラッド層との間の密着力が低下すると、使用環境温度の変化により、被覆層が伸縮する際に影響を受けて、コアからクラッド層が剥離することがある。
特開２００２−２０１０４８公報（特許文献１）には、石英系ガラスのコアとフッ素系樹脂のクラッド層とを有する光ファイバ裸線にフッ素樹脂の被覆層を設けたハードポリマークラッド光ファイバ心線が開示されている。この光ファイバ心線は石英系ガラスのコアとフッ素系樹脂のクラッド層との間の初期密着力が、１００ｇ／ｍｍ以上となる。更に、石英系ガラスのコアにクラッド層となるフッ素系樹脂液を塗布する際に、入線温度を冷却ガスでコントロールすることで、この２層間の密着性を高めて、湿熱劣化環境下での伝送損失の増加を防止できるということが同特許文献に開示されている。

特開２００２−２０１０４８公報

ところで、本発明者らの検討によれば、特許文献１の樹脂組成物（エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、以下、ＥＴＦＥと略す）を樹脂被覆層とした光ファイバコードは、より厳しい高温環境下に長期間（１２５℃，５００ｈｒ以上の加速試験条件に相当）放置することで、大幅な伝送損失増が認められた。伝送損失増の主要因は、クラッド樹脂層の着色に伴う、ポリマー吸収損失増と推定される。
また、特許文献１の樹脂被覆層（オーバーコート層ともいう）とクラッド層（フッ化アクリレート）との間に発生する密着力は極めて小さく、温度が急激に変化するような環境（温度急変環境）下では、被覆層（ＥＴＦＥ層）が収縮して、ピストニング（温度変化を付与すると、ポリマーが収縮してガラスファイバが突き出してくる現象のこと）が発生するという問題があった。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、より厳しい高温環境下でのエージングによる伝送損失増を抑制でき、また温度急変環境下でのピストニング性を抑制できる、ポリマークラッド光ファイバ心線を提供することである。

本発明の構成は、以下の通りである。
（１）クラッド層がフッ化アクリレート樹脂から構成されるポリマークラッド光ファイバ素線の外側に、紫外線硬化型または熱硬化型のポリマーと末端にフェノール基を有するチオエーテル系の酸化防止剤からなり架橋密度が１．７以上で、厚さが１００μｍ以上の樹脂被覆層を有するポリマークラッド光ファイバ心線。
（２）前記酸化防止剤が、さらに、分子鎖中に、リン原子またはチオール基もしくはテトラオキサスピロの分子団を有し、この原子または分子団を中心とする分子であることを特徴とする、前記（１）記載のポリマークラッド光ファイバ心線。

本発明のポリマークラッド光ファイバ心線は、クラッド層の外側に架橋性樹脂被覆層（架橋密度が１．７以上で厚さが１００μｍ以上）を一層設けることによって、１２５℃，５００時間以上のエージング加速試験条件に相当する厳しい高温環境下におけるクラッド層中への酸素透過性を低下させることができる。つまり、熱酸化劣化反応の主要因となる酸素を遮断することで、樹脂被覆層の酸化劣化反応を抑制できる。また、架橋性ポリマー中の特定の酸化防止剤がクラッド層中に移行して酸化劣化反応で発生した微量のパーオキシラジカル（＝劣化反応の原因物質）をトラップすることができ、その結果、クラッド層中の劣化反応（＝黄変物質発生）を抑制できる。これにより前記厳しい高温環境下でのエージングによる伝送損失増を抑制できる。
更に、樹脂被覆層を架橋性ポリマーにすることによって、クラッド樹脂表面の二重結合と架橋性ポリマー中の二重結合がラジカル重合で架橋され、樹脂被覆層とクラッド層との間に化学的な結合を形成でき、両者の密着力が大きくなる。これにより、温度急変環境下のピストニングを抑制できるポリマークラッド光ファイバ心線を提供できる。

以下、本発明のポリマークラッド光ファイバ心線について詳細に説明する。
本発明の実施形態に係るポリマークラッド光ファイバ心線は、フッ化アクリレート樹脂から構成されるクラッド層の外側に、放射線或いは熱硬化型の架橋性ポリマーと末端にフェノール基を有するチオエーテル系の酸化防止剤からなり架橋密度が１．７以上で厚さが１００μｍ以上の樹脂被覆層を有している。

このような構成によれば、１２５℃，５００時間以上のエージング加速試験条件に相当する厳しい高温環境下での伝送損失増を抑制でき、また温度急変環境下のピストニング性を抑制できる。
上記の厳しい高温環境下での伝送損失増を抑制できるメカニズムを以下のように推定している。
［１］クラッド層の外側に架橋性ポリマー層を一層設けることによって、上記の厳しい高温環境下におけるクラッド樹脂層中への酸素透過性を低下させることが出来た。つまり、膜厚を厚くして熱酸化劣化反応の主要因となる酸素を遮断することで、パーオキシラジカルの発生量が減って酸化劣化反応が抑制されたことと考えられる。
酸素透過性を低下させる要因としては、架橋性樹脂被覆層が１００μｍ以上と膜厚であることである。

架橋密度が１．７より小さい値であると、上記の厳しい高温環境下では、ポリマー劣化に繋がるパーオキシラジカルの発生量が数百μl/g程度に達する。その結果、ポリマーの酸化劣化が助長される。架橋密度が１．７以上であれば、発生量が100μl/g未満に抑制され、樹脂被覆層内部でのパーオキシラジカルの発生は抑制される。
なお、樹脂被覆層の架橋密度が５．０を超えると破断伸びが損なわれ、その結果ちょっとした歪を付与するだけで、樹脂被覆層がボロボロになってしまうことがある。

［２］化学的な酸化劣化反応の抑制要因としては、架橋性ポリマー中の酸化防止剤がクラッド層中に移行することである。樹脂被覆層の酸化劣化反応で発生した微量のパーオキシラジカル（＝劣化反応の原因物質）がクラッド層にやって来ても、クラッド層中に移行した酸化防止剤がパーオキシラジカルをトラップすることができ、その結果クラッド層中の劣化反応（＝黄変物質発生）を抑制できたものと思われる。
但し、単純なフェノール系酸化防止剤、特に紫外線硬化型樹脂に頻繁に使用されるヒンダードフェノール系酸化防止剤は、酸化劣化反応によりそれ自身も分子構造を変性させてしまい着色団となることが種々の実験により明らかになった。一方で、チオエーテル系の酸化防止剤では上記のような酸化防止剤が着色するような事象が発生し難い。

上記［１］、［２］は単独の技術では不十分で、上記［１］と［２］の相乗効果により、伝送損失増の抑制に至ったと考える。
従来のポリマークラッド光ファイバ心線では、オーバーコート層としてＥＴＦＥ層を設けていたので、クラッド層とＥＴＦＥ層との間で化学的な相互作用が発生せず、そのため極端なエージング環境下では、両ポリマー層の線膨張係数の相違、及び両層間に殆ど摩擦力が働かないこと等によって、クラッド層以下（＝ＨＰＣＦ素線に相当）が突き出していた。しかし、本発明では樹脂被覆層に架橋性ポリマーを使用することによって、クラッド層との間に化学的な結合を形成でき、その結果ピストニングを抑制することができる。

以下、本発明のポリマークラッド光ファイバ心線のクラッド層および樹脂被覆層に含まれる各成分について説明する。
ポリマークラッド光ファイバ心線５は、図１に示すように、純シリカなどの石英系ガラスからなるコア１と、このコア１を包囲する紫外線硬化型フッ化アクリレート樹脂などのフッ素系樹脂からなるクラッド層２とからなるポリマークラッド光ファイバ裸線３上に、紫外線硬化型樹脂からなる樹脂被覆層４を押出被覆したものである。

クラッド層の樹脂としては、屈折率が低く、紫外線等の活性エネルギー線で硬化することが可能であり、さらにはこの樹脂組成物を硬化することによって機械的強度があり、可とう性を有し、かつ透明性に優れた硬化物が得られる樹脂であることが必要である。このような樹脂には、フッ素原子含有ウレタン（メタ）アクリレート化合物、フッ素化されたポリエーテルを構造中に有する（メタ）アクリレート化合物および光重合開始剤から構成される樹脂組成物がある。
本発明で用いられるフッ素原子含有ウレタン（メタ）アクリレート化合物は、下記（１）群に記載するフッ素原子含有（メタ）アクリレート化合物と（２）群に記載するジイソシアネート化合物を反応させることによって得ることができる。
（１）群に属する、フッ素原子含有（メタ）アクリレート化合物の具体例としては、例えば、１−（メタ）アクリロイルオキシ−３−トリフルオロメチル−２−プロパノール、１−（メタ）アクリロイルオキシ−３−パーフルオロエチル−２−プロパノール、１−（メタ）アクリロイルオキシ−３−パーフルオロ−ｎ−プロピル−２−プロパノール、１−（メタ）アクリロイルオキシ−３−パーフルオロ−ｎ−ブチル−２−プロパノール、１−（メタ）アクリロイルオキシ−３（２−パーフルオロ−ｎヘキシル）エトキシ−２プロパノール、２−（メタ）アクリロイルオキシ−３（２−パーフルオロ−ｎヘキシル）エトキシ−プロパノール等が挙げられる。

（２）群に属する、ジイソシアネート化合物の具体例としては、例えば、ヘキサメチレンジイソシアネート、２，２，４−トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、２，４，４−トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、メチレンビス（４−シクロヘキシルイソシアネート）、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート等を挙げることができる。

ポリエーテルを分子構造中に有するフッ素原子含有（メタ）アクリレート化合物は、下記（３）群に記載のフッ素原子含有（メタ）アルコール化合物と前記（１）記載のフッ素原子（メタ）アクリレート、或いはアクリル酸を反応させることによって得ることができる。

（３）群に属する、フッ素原子含有（メタ）アルコール化合物の具体例としては、例えば、１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロ−３，６−ジオキサヘプタン−１−オール、１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロ−３，６−ジオキサオクタン−１−オール、１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロ−３，６−ジオキサデカン−１−オール、１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロ−３，６，９−トリオキサデカン−１−オール、１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロ−３，６，９−トリオキサウンデカン−１−オール等が挙げられる。

その他、重合性不飽和モノマーとしてＮ−ビニルカプロラクタム、イソボニルアクリレート、ノナンジオールアクリレート、ノニルフェノールアクリレート、下記光重合開始剤及び、その他の添加剤としてテトラキス{メチレン−３−（３−５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロシキフェニル）プロピオネート}メタン，γ−メルカプトプロピルトリメトキシシランや２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジルアルコール等が挙げられ、これらの化合物と前記記載のフッ素原子含有ウレタン（メタ）アクリレート化合物、及びフッ素原子含有（メタ）アクリレート化合物を適宜混合して紫外線硬化樹脂液となし、本樹脂液に紫外線を照射して製造（＝ダイスコーティング方式を用いた光ファイバ線引）する形態が好ましい。

本発明のクラッド層の紫外線硬化型樹脂で用いる光重合開始剤としては公知のどのような光重合開始剤を用いても構わないが、配合した後の貯蔵安定性のよいことが要求される。このような光重合開始剤の具体例としては、例えば、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン、ジエトキシアセトフェノン、ベンジルジメチルケタール、４−（２−ヒドロキシエトキシ）フェニル−（２−ヒドロキシ−２−プロピル）ケトン、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、２−メチル−２−モルホリノ（４−チオメチルフェニル）プロパン−１−オン等を挙げることができる。

本発明のポリマークラッド光ファイバ心線の外周層である樹脂被覆層の樹脂組成物としては、放射線或いは熱硬化型の架橋性ポリマーであり、例えば、ポリプロピレンオキシドグリコールとトルエンジイソシアネートとヒドロキシエチルアクリレートとを反応させて得られるウレタンアクリレート、ビスフェノールＡと２ヒドロキシブチル（メタ）アクリレートとを反応させて得られるエポキシアクリレートおよび／またはポリプロピレンオキシドグリコールとトルエンジイソシアネートとヒドロキシエチルアクリレートとを反応させて得られるウレタンアクリレート、重合性不飽和モノマーとしてＮ−ビニルカプロラクタム、トリシクロデカンジメタノールジアクリレート、下記酸化防止剤、光重合性開始剤としてルシリンＴＰＯ（ＢＡＳＦ社製）及びイルガキュア１８４（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製）、並びに、その他の添加剤としてテトラキス{メチレン−３−（３−５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロシキフェニル）プロピオネート}メタン等を適宜混合し、これに紫外線を照射して製造する形態が好ましい。

本発明に使用される酸化防止剤としては、末端にフェノール基を有するチオエーテル系のものであり、さらに、分子鎖中にＳ原子（＝チオール基）、リン原子またはテトラオキサスピロの分子団を有する。

上記酸化防止剤の具体例としては、2,2-チオジエチレンビス[3-（3、5-ジ-tert-ブチル-4-ヒドロキシフェニル）]プロピオネート（酸化防止剤1）、4,6-ビス（オクチルチオメチル）-o-クレゾール、4,4’-チオビス（6-tertブチル-3-メチルフェノール）等が挙げられる。

光ファイバ心線５を構成する各層の好ましい寸法を以下に示す。
ガラスファイバ１の外径：２００μｍ以下
クラッド層３までの外径：２３５μｍ以下
樹脂被覆層４までの外径：５００μｍ以下

以下に本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、勿論本発明の範囲は、これらによって限定されるものではない。
１．＜クラッド層のフッ化アクリレート樹脂組成＞
・ポリエーテルジオールとイソホロンジイソシアネートとヒドロキシエチルアクリレートとをモル比、２：１：２で反応させて得られるフッ素含有ウレタンアクリレート ４０〜６０ｗｔ％
・２−（メタ）アクリロイルオキシ−３（２−パーフルオロ−ｎヘキシル）エトキシ−プロパノールと１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロ−３，６−ジオキサヘプタン−１−オールとをモル比、１：１で反応させて得られるフッ素含有（メタ）アクリレート ４０〜５０ｗｔ％
・２−（メタ）アクリロイルオキシ−３（２−パーフルオロ−ｎヘキシル）エトキシ−プロパノールとアクリル酸をモル比、１：１で反応させて得られるフッ素原意含有（メタ）メタアクリレート ５〜９ｗｔ％
・重合性不飽和モノマーとしてＮ−ビニルカプロラクタム，イソボニルアクリレート ０〜５ｗｔ％
その他の添加剤として、
・シランカップリング剤（アクリルシラン：KBM5103） ０〜２ｗｔ％
・１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン ０．５〜１ｗｔ％

２．＜樹脂被覆層組成物の調製＞
下記表１に示す組成で配合した実施例１〜３、比較例１〜３の樹脂被覆層組成物をそれぞれ作製した。

注３）
酸化防止剤１：2,2-チオジエチレンビス[3-（3、5-ジ-tert-ブチル-4-ヒドロキシフェニル）プロピオネート（チオエーテル＋フェノール系酸化防止剤）
酸化防止剤２：ペンタエリスリチル-テトラキス[3-（3,5-ジ-tert-ブチル-４ヒドロキシフェニル）プロピオネート（ヒンダードフェノール系酸化防止剤）

３．＜ポリマークラッド光ファイバ心線の作製＞
コアガラス母材を加熱線引きして続いてフッ化アクリレート樹脂を塗布装置にて塗布し、その後硬化装置にて紫外線を照射して前記フッ化アクリレート樹脂を硬化させてクラッド層となして、一旦巻き取った。なお、クラッド径は２３０μｍとした。コアとクラッドからなるハードポリマークラッド光ファイバ素線を塗布装置に通し、前記実施例１〜３，比較例１〜３の各樹脂被覆層組成物である紫外線硬化樹脂を塗布して、さらに硬化装置により紫外線を照射し該紫外線硬化樹脂を硬化させた。紫外線硬化樹脂は、４０℃（塗布時の温度）での粘度が１０００〜２０００ｃｐのものを使用した。得られた樹脂被覆層が形成されたポリマークラッド光ファイバ心線を巻取機で巻き取った。

各ポリマークラッド光ファイバ心線の架橋性ポリマーの架橋密度、伝送損失増加量、ピストニングの定義または試験方法は下記の通りである。結果を表１に示す。クラッド層が黄色く変色した場合（黄変の場合）は伝送損失増加量が大きくなる。表１では、伝送損失増加量１０ｄＢ／ｋｍ以下であるものが黄変抑制効果があったものである。

［架橋密度］
ベース樹脂1g中に含まれる水素結合性を示すウレタン基濃度（mmol/g）とベース樹脂1g中に含まれる全ビニル基濃度（架橋性・非架橋性何れも含む）との和。
［伝送損失増加量］
伝送特性評価：所定長（＝1000m）のポリマークラッド光ファイバを準備する。カットバック方式で伝送損失量（測定器：住友電工製パワーテスタCAT-7200、測定波長＝650、850nm）を計測する。伝送特性の合否基準；Δα＜10dB/km（＠650、850nm）。

［ピストニング］
−４０〜１２５度でのヒートショック試験を実施する。各温度での保持時間は３０分とした。−４０→１２５℃への温度を以降させるのは、瞬時で行う。サンプル形態は、ＨＰＣＦ心線の両端面を（刃物等で）きれいに切断カットして、上記環境試験槽に放置する。当該試験を１０００サイクル実施後、ガラスファイバ或いはクラッドファイバの突き出し量を計測する。

上記実施例１〜３、比較例１〜３の各樹脂被覆層組成物を用いて紫外線硬化フィルムを作製した場合、その硬化フィルムのヤング率は１５０〜９５０ＭＰaになる。

表１の結果から明らかなように、実施例１〜３のポリマークラッド光ファイバ心線は黄変がなく伝送損失変化が１０ｄＢ／ｋｍ以下である。
伝送損失増加量、ピストニング及びヤング率の全てに優れるが、比較例１〜３のポリマークラッド光ファイバ心線は、黄変があり伝送損失増加量が不満足なものであった

本発明のポリマークラッド光ファイバ心線の模式断面図である。

符号の説明

１ コア
２ クラッド層
３ ポリマークラッド光ファイバ裸線
４ 樹脂被覆層
５ ポリマークラッド光ファイバ心線

Claims (2)

1. クラッド層がフッ化アクリレート樹脂から構成されるポリマークラッド光ファイバ素線の外側に、紫外線硬化型または熱硬化型のポリマーと末端にフェノール基を有するチオエーテル系の酸化防止剤からなり架橋密度が１．７以上で、厚さが１００μｍ以上の樹脂被覆層を有するポリマークラッド光ファイバ心線。
2. 前記酸化防止剤が、さらに、分子鎖中に、リン原子またはチオール基もしくはテトラオキサスピロの分子団を有し、この原子または分子団を中心とする分子であることを特徴とする、請求項１記載のポリマークラッド光ファイバ心線。

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