DE4135523A1

DE4135523A1 - PLASTIC LIGHTWAVE GUIDE

Info

Publication number: DE4135523A1
Application number: DE4135523A
Authority: DE
Inventors: Nikolaos Dipl Chem Dr Douklias; Wolfgang Dipl Chem Dr Rogler
Original assignee: MICROQUARTZ GES fur QUARZGLAS; Siemens AG
Current assignee: MICROQUARTZ GES fur QUARZGLAS; Siemens AG
Priority date: 1991-10-28
Filing date: 1991-10-28
Publication date: 1993-04-29
Also published as: WO1993009451A1

Abstract

In order to produce plastic optical waveguides having a high thermal resistance, a first coating of a reaction resin which is photoconductive in its cured state and which has the required mechanical properties is applied on a substrate material shaped as a glass or plastic fibre or as a bunble of such fibres. This reaction resin is cured to form a core of duroplastic material, a second coating made of a reaction resin which adheres well to the core material in its cured state and which has a refractive index at least 1 % lower than that of the core material is applied onto the first cured reaction resin, and the second reaction resin is cured to form a cladding made of duroplastic material.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunststofflichtwellenleitern.The invention relates to a method for producing Plastic fiber optic cables.

Während sich für den Telekommunikationsbereich Lichtwellenlei ter, d. h. Lichtleitfasern, aus Quarzglas durchgesetzt haben, stellen für den Nahbereich Lichtwellenleiter aus Kunststoffen, d. h. polymere Lichtwellenleiter (polymer optical fiber, POF), eine kostengünstige Alternative dar. Kunststofflichtwellenlei ter weisen eine Kern/Mantel-Struktur auf, wobei der Kern aus einem möglichst gut lichtleitenden, d. h. möglichst niedrig dämpfenden, Polymermaterial besteht und der Mantel aus einem gut am Kern haftenden Polymermaterial mit einem Brechungsin dex, der kleiner ist als derjenige des Kernmaterials.While opting for the telecommunications sector ter, d. H. Optical fibers made of quartz glass, provide short-range fiber optic cables made of plastics, d. H. polymer optical fiber (POF), an inexpensive alternative. Plastic light wave guide ter have a core / shell structure, the core of the best possible light-conducting, d. H. as low as possible damping, polymer material and the jacket consists of a Polymer material adhering well to the core with a refractive index dex, which is smaller than that of the core material.

Bei der Herstellung von Kunststofflichtwellenleitern wird von thermoplastischen Polymeren ausgegangen, die in einem aufwen digen Polymerisationsprozeß, der zu einem möglichst homogenen Material führt, hergestellt werden. Diese thermoplastischen Polymeren werden - unter hohen Reinheitsbedingungen - in einem Extrusions- bzw. Schmelzspinnprozeß zu dünnen Fäden verarbei tet, die den Kern darstellen (siehe dazu: "Chemtronics", Vol. 1 (1986), Seiten 98 bis 106). Auch der Mantel besteht aus thermoplastischem Material; er wird meistens in einem Coextru sionsprozeß auf den Kern aufgebracht. Beschrieben ist aber auch das Aufbringen aus einer Lösung (DE-OS 36 07 301). Als Kernmaterial dienen in Kunststofflichtwellenleitern über wiegend thermoplastische (Meth)acrylester-Polymere oder -Copo lymere; dabei ist auch die Verwendung von deuterierten und fluorierten (Meth)acrylaten beschrieben (DE-05 28 44 754). Ferner werden Polystyrol, Styrol-Copolymere und Polycarbonat als Kernmaterial verwendet (siehe dazu: "Kunststoffe", Bd. 79 (1989), Seiten 1040 bis 1044). Als Mantelmaterialien werden meistens teilfluorierte Acrylat- bzw. Methacrylat-Polymere oder fluorierte Polyolefine eingesetzt (DE-0S 36 07 301). Da neben sind auch Kunststofflichtwellenleiter mit einem Silicon- Mantelmaterial bekannt (DE-OS 38 14 298).In the production of plastic fiber optic cables from thermoplastic polymers, which expended in one The polymerization process leading to the most homogeneous possible Material leads, are manufactured. This thermoplastic Polymers are - in high purity conditions - in one Process the extrusion or melt spinning process into thin threads which represent the core (see: "Chemtronics", Vol. 1 (1986), pages 98-106). The coat also consists of thermoplastic material; he is mostly in a coextru sion process applied to the core. But it is described also the application from a solution (DE-OS 36 07 301). Serve as the core material in plastic optical fibers weighing thermoplastic (meth) acrylic ester polymers or copo polymers; it also includes the use of deuterated and fluorinated (meth) acrylates described (DE-05 28 44 754). Polystyrene, styrene copolymers and polycarbonate are also used used as core material (see: "Plastics", Vol. 79 (1989), pages 1040 to 1044). As jacket materials mostly partially fluorinated acrylate or methacrylate polymers or fluorinated polyolefins used (DE-0S 36 07 301). There In addition, there are also plastic optical fibers with a silicone Sheath material known (DE-OS 38 14 298).

Neben der kostengünstigen Herstellung liegen die Vorteile von Kunststofflichtwellenleitern - im Vergleich zu Lichtwellenlei tern in Form optischer Glasfasern - vor allem in der einfache ren Handhabbarkeit, und zwar aufgrund der höheren Flexibili tät, auch bei größeren Faserdurchmessern. Ein gravierender Nachteil besteht aber in der begrenzten thermischen Stabili tät. Aufgrund des thermoplastischen Charakters sind Kunst stofflichtwellenleiter nämlich nur unterhalb der Glasüber gangstemperatur der Kernmaterialien einsetzbar. Bei den für diesen Zweck in Frage kommenden Polymeren bedeutet dies aber eine obere Temperaturgrenze von ca. 120°C. Da die Anforderun gen an die Temperaturbeständigkeit von Kunststofflichtwellen leitern jedoch zunehmend höher werden, beispielsweise beim Einsatz im Automobilsektor, ist die Bereitstellung von höher temperaturbeständigen Kunststofflichtwellenleitern dringend erforderlich.In addition to the cost-effective production, the advantages of Plastic fiber optic cables - compared to fiber optic cables tern in the form of optical glass fibers - especially in the simple ren manageability, because of the higher flexibility activity, even with larger fiber diameters. A serious one The disadvantage, however, is the limited thermal stability act. Due to the thermoplastic character are art fiber optic cables only below the glass temperature of the core materials can be used. At the for however, this means polymers that come into question an upper temperature limit of approx. 120 ° C. Because the requirements temperature resistance of plastic light waves however, ladders are becoming increasingly taller, for example with Use in the automotive sector, the provision is higher temperature-resistant plastic fiber optic cables urgently required.

Zur Erhöhung der Temperaturbeständigkeit ist bereits versucht worden, Kunststofflichtwellenleiter aus duroplastischen Harz zusammensetzungen herzustellen (EP-OS 02 46 613). Diese Harz zusammensetzungen, die zur Herstellung des Kerns dienen, ent halten einen (Meth)acrylsäureester mit einer Tricyclodecanyl gruppe, einen (Meth)acrylsäureester mit einer Alkyl-, Cyclo alkyl- oder Arylgruppe und ein multifunktionelles Monomer, das zur Vernetzung dient. Das Gemisch aus diesen drei Komponenten wird durch eine erwärmte Röhre gepreßt, wobei es polymerisiert und eine Faser gebildet wird. Das Faserprodukt wird anschlie ßend gehärtet, und auf den dabei entstandenen Kern wird dann noch eine Beschichtung aufgebracht. Eine derartige Vorgehens weise ist aber aus verfahrenstechnischen Gründen für die Pra xis wenig geeignet, insbesondere in wirtschaftlicher Hinsicht.Attempts have already been made to increase the temperature resistance plastic fiber optic cable made of thermosetting resin to produce compositions (EP-OS 02 46 613). This resin compositions used to manufacture the core hold a (meth) acrylic acid ester with a tricyclodecanyl group, a (meth) acrylic acid ester with an alkyl, cyclo alkyl or aryl group and a multifunctional monomer that serves for networking. The mixture of these three components is pressed through a heated tube, polymerizing and a fiber is formed. The fiber product is then eats hardened, and the resulting core is then another coating applied. Such an approach is wise for procedural reasons for the Pra not very suitable, especially in economic terms.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das es erlaubt, Kunststofflichtwellenleiter mit hoher Temperaturbe ständigkeit in wirtschaftlicher, d. h. verfahrenstechnisch ein facher Weise herzustellen.The object of the invention is to provide a method that allowed, plastic optical fiber with high temperature stability in economic, d. H. procedural one easy way to manufacture.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf ein Trä germaterial in Form einer Glas- oder Kunststoff-Faser oder ei nes Bündels aus derartigen Fasern eine erste Beschichtung aus einem Reaktionsharz aufgebracht wird, das im gehärteten Zu stand lichtleitend ist und die erforderlichen Festigkeitsei genschaften aufweist, daß dieses Reaktionsharz zu einem Kern aus duroplastischem Material gehärtet wird, daß auf das gehär tete Reaktionsharz eine zweite Beschichtung aus einem Reak tionsharz aufgebracht wird, das im gehärteten Zustand gut am Kernmaterial haftet und einen um mindestens 1% kleineren Bre chungsindex aufweist als das Kernmaterial, und daß dieses Re aktionsharz zu einem Mantel aus duroplastischem Material ge härtet wird.This is achieved according to the invention in that on a Trä germ material in the form of a glass or plastic fiber or egg a bundle of such fibers from a first coating a reaction resin is applied, which in the hardened Zu is light-guiding and has the required strength features that this reactive resin to a core is hardened from thermosetting material that on the hardened Reaction resin tied a second coating of a reak tion resin is applied, which in the hardened state well on Core material sticks and a Bre that is at least 1% smaller index as the core material, and that this Re action resin to a jacket made of thermoset material is hardening.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren haben die Fasern aus Glas bzw. Kunststoff im wesentlichen eine Trägerfunktion, d. h. sie sind eine Verarbeitungshilfe für die applizierten Reaktions harze. Diese Fasern können jedoch auch zur Lichtleitung bei tragen. Die Glasfasern bestehen vorzugsweise aus Quarz, die Kunststoff-Fasern vorzugsweise aus Polyester oder aus Aramid, d. h. speziellem Polyamid. Als Träger kann beim erfindungsge mäßen Verfahren eine einzige Faser dienen, es kann aber auch ein Faserbündel verwendet werden, das aus zwei oder mehreren dünnen Fasern besteht. Dazu werden beispielsweise in einem Doppeltiegelverfahren mehrere Glasfasern gezogen und diese dann zusammen einem Beschichtungsprozeß unterworfen.In the method according to the invention, the fibers are made of glass or plastic essentially a carrier function, d. H. they are a processing aid for the applied reaction resins. However, these fibers can also be used for light conduction wear. The glass fibers are preferably made of quartz Plastic fibers preferably made of polyester or aramid, d. H. special polyamide. As a carrier in the fiction a single fiber, but it can also a fiber bundle can be used that consists of two or more thin fibers. For example, in one Double crucible pulled several glass fibers and this then subjected together to a coating process.

Im allgemeinen wird beim erfindungsgemäßen Verfahren in der Weise vorgegangen, daß in einer Faserziehanlage eine dünne Glas- oder Quarzfaser gezogen wird, die anschließend mit einem der nachfolgend aufgeführten Kern- bzw. Mantelmaterialien be schichtet wird. Durch Mehrfachbeschichtung können dabei dicke re Kern- bzw. Mantelabmessungen erreicht werden. Zur Aushär tung der Kunststoffe kommen, abhängig von der Art des Kunst stoffes, Elektroöfen oder UV-Lichtquellen in Betracht.In general, in the method according to the invention in the Proceeded in such a way that a thin Glass or quartz fiber is pulled, which then with a of the core or cladding materials listed below is layered. Through multiple coating thick re core or shell dimensions can be achieved. To cure depending on the type of art material, electric ovens or UV light sources.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden sogenannte Reaktions harze eingesetzt, d. h. härtbare bzw. vernetzbare Harze. Durch Härtung dieser Harze entstehen Kunststoffe, die als Duroplaste bezeichnet werden.In the process according to the invention, so-called reaction resins used, d. H. curable or crosslinkable resins. By Hardening of these resins creates plastics that are called thermosets be designated.

Für den ersten Beschichtungsvorgang, d. h. zur Herstellung des lichtleitenden Kerns, sind beim erfindungsgemäßen Verfahren prinzipiell alle Reaktionsharze geeignet, die einerseits aus reichend transparent sind und andererseits die für einen der artigen Beschichtungsprozeß passenden Viskositäts-, Haftungs- und Härtungscharakteristika sowie - im gehärteten Zustand - die notwendigen Festigkeitseigenschaften aufweisen. Grundsätz lich eignen sich für diesen Zweck deshalb auch viele derjeni gen Materialien, die zum Beschichten von Glasfasern mit Stu fen- bzw. Gradientenindexprofil verwendet werden.For the first coating process, i.e. H. for the production of the light-conducting core, are in the method according to the invention in principle, all reactive resins are suitable, on the one hand are sufficiently transparent and on the other hand those for one of the like coating process suitable viscosity, adhesion and Hardening characteristics and - in the hardened state - have the necessary strength properties. Principle Many of these are therefore also suitable for this purpose materials used to coat glass fibers with stu fen or gradient index profile can be used.

Als besonders geeignet für das erfindungsgemäße Verfahren haben sich Acrylat- und Methacrylatharze erwiesen; derartige Harze stellen üblicherweise Mischungen aus mono- und di- bzw. polyfunktionellen Komponenten dar. (Meth)acrylatharze sind Ester der (Meth)acrylsäure mit mono- und di- bzw. polyfunktio nellen Alkoholen. Dabei kommen sowohl aliphatische und cyclo aliphatische als auch aromatische Alkohole in Frage. Ferner sind auch fluorierte und deuterierte (Meth)acrylatharze zur Herstellung von Kernmaterialien geeignet. Vorteilhaft können auch Silicon-(meth)acrylate eingesetzt werden, insbesondere Dimethylpolysiloxan-(meth)acrylate. Zur Herstellung der Kern materialien können die Harze thermisch, sowohl mit als auch ohne Zusatz von geeigneten Peroxiden, oder - bei Zusatz geeig neter Photosensibilisatoren - durch UV-Bestrahlung gehärtet werden. Auch thermisch additionsvernetzende Silicone sind zur Herstellung der Kernmaterialien geeignet.As particularly suitable for the method according to the invention have proven acrylic and methacrylate resins; such Resins are usually mixtures of mono- and di- or are polyfunctional components. (Meth) acrylate resins Esters of (meth) acrylic acid with mono- and di- or polyfunction light alcohols. Both aliphatic and cyclo come here aliphatic as well as aromatic alcohols. Further are also fluorinated and deuterated (meth) acrylate resins Suitable for the production of core materials. Can be advantageous silicone (meth) acrylates are also used, in particular Dimethylpolysiloxane (meth) acrylates. To manufacture the core The resins can thermally, both with and without the addition of suitable peroxides, or - suitable when added neter photosensitizers - hardened by UV radiation will. Thermal addition-crosslinking silicones are also available Production of core materials suitable.

Die beim zweiten Beschichtungsvorgang eingesetzten Reaktions harze müssen nach der Härtung in erster Linie zu einem Mantel material mit einem um mindestens 1% kleineren Brechungsindex als das darunterliegende Kernmaterial führen. Geeignet sind daher prinzipiell alle thermisch bzw. UV-härtbaren Reaktions harze, die diese Forderung erfüllen. Geeignete Ausgangsmate rialien sind insbesondere (Meth)acrylatharze, die ganz oder teilweise fluoriert sein können, sowie Silicon-(meth)acrylate. Diese Harze können sowohl thermisch als auch durch UV-Bestrah lung härtbar sein. Außerdem sind additionsvernetzende Silicone einsetzbar. Im Einzelfall muß das für das Mantelmaterial ver wendete Reaktionsharz bezüglich des Brechungsindex auf das darunterliegende Kernmaterial abgestimmt werden.The reaction used in the second coating process After hardening, resins primarily need to form a coat material with a refractive index that is at least 1% smaller than the underlying core material. Are suitable therefore in principle all thermally or UV-curable reactions resins that meet this requirement. Suitable starting material rialien are in particular (meth) acrylate, the whole or can be partially fluorinated, as well as silicone (meth) acrylates. These resins can be thermally as well as UV-irradiated be hardenable. There are also addition-curing silicones applicable. In individual cases, this must be done for the jacket material applied reaction resin to the refractive index underlying core material can be coordinated.

Die Einsatztemperatur der Kunststofflichtwellenleiter nach der Erfindung beträgt -40 bis 150°C oder darüber. Zum Schutz der Kunststofflichtwellenleiter kann es zweckmäßig sein, auf den Mantel eine, weitere Beschichtung aufzubringen. Dazu kann entweder - durch einen weiteren Beschichtungsprozeß - ein ge eignetes Reaktionsharz aufgebracht werden, das nachfolgend ge härtet wird, oder - durch einen Extrusionsprozeß - ein thermo plastisches Polymer.The operating temperature of the plastic fiber optic cable the invention is -40 to 150 ° C or above. For protection the plastic fiber optic cable can be useful on apply a further coating to the coat. This can either - through a further coating process - a ge suitable reaction resin are applied, the following ge is hardened, or - by an extrusion process - a thermo plastic polymer.

Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung noch näher erläutert werden.The invention is intended to be described in more detail by means of exemplary embodiments are explained.

Zur Herstellung eines Kunststofflichtwellenleiters nach der Erfindung dient eine Faserziehanlage. In dieser Ziehanlage wird ein Stab aus Glas bzw. Quarz mit Hilfe eines Motors kon tinuierlich in einen HF- oder Elektroofen (aus Graphit) abge senkt. Dabei wird aus dem in der Heizzone befindlichen Stab ende eine dünne Glasfaser gezogen, die als Trägermaterial dient. Diese Glasfaser wird anschließend durch eine Beschich tungsvorrichtung für das Kernmaterial sowie einen ersten Elek troofen bzw. eine erste UV-Quelle geführt und nachfolgend durch eine Beschichtungsvorrichtung für das Mantelmaterial so wie einen zweiten Elektroofen bzw. eine zweite UV-Quelle. Die beschichtete Glasfaser wird dann auf eine Ziehtrommel ge wickelt. Vor der Beschichtungsvorrichtung für das Kernmaterial und nach dem zweiten Elektroofen bzw. der zweiten UV-Quelle wird die Dicke der Glasfaser bzw. des Kunststofflichtwellen leiters zweckmäßigerweise mit einem Faserstärke-Meßgerät kon trolliert.For the production of a plastic optical fiber according to the Invention serves a fiber drawing machine. In this drawing machine a rod made of glass or quartz is con abge in a HF or electric furnace (made of graphite) lowers. The rod located in the heating zone becomes A thin glass fiber is drawn at the end, which serves as the carrier material serves. This glass fiber is then coated device for the core material and a first elec troofen or a first UV source and subsequently through a coating device for the jacket material so like a second electric furnace or a second UV source. The coated glass fiber is then ge on a drawing drum wraps. In front of the core material coater and after the second electric furnace or the second UV source is the thickness of the glass fiber or plastic light waves Conveniently kon with a fiber strength measuring device trolls.

Beispiele 1 bis 5Examples 1 to 5

Aus einem Quarzstab wird eine 90 µm dicke Faser gezogen. Diese Faser wird in einer ersten Beschichtungsvorrichtung mit einem Reaktionsharz für das Kernmaterial beschichtet. Nach der Här tung, die thermisch in einem Elektroofen (500 W) oder durch UV-Bestrahlung mittels einer Quecksilberdampflampe (80 W/cm) erfolgt, wird ein POF-Kern mit einem Durchmesser von 160 µm erhalten. Dieser Kern wird unmittelbar anschließend in einer zweiten Beschichtungsvorrichtung mit einem Reaktionsharz für das Mantelmaterial beschichtet, und nachfolgend wird gehärtet. Das jeweilige Mantelmaterial wird dabei in einer Stärke aufge bracht, daß nach der Härtung ein Kunststofflichtwellenleiter mit einem Außendurchmesser von ca. 225 µm vorliegt. Die Zieh geschwindigkeit beträgt ca. 0,2 m/s. A 90 µm thick fiber is drawn from a quartz rod. These Fiber is coated in a first coating device Reaction resin coated for the core material. After the hardness device that thermally in an electric furnace (500 W) or by UV radiation using a mercury vapor lamp (80 W / cm) takes place, a POF core with a diameter of 160 microns receive. This core is immediately in one second coating device with a reaction resin for the jacket material is coated, and then hardened. The respective jacket material is applied in one thickness brings that after curing a plastic fiber optic with an outer diameter of approx. 225 µm. The pull speed is approx. 0.2 m / s.

Bei den auf die beschriebene Weise hergestellten Kunststoff lichtwellenleitern wurde bei 835 nm das Dämpfungsverhalten bei Raumtemperatur geprüft. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sowie die verwendeten Kern- und Mantelmaterialien sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.In the plastic produced in the manner described At 835 nm, the attenuation behavior was made using optical fibers Room temperature checked. The results obtained as well the core and cladding materials used are in Table 1 summarized.

Die in Tabelle 1 angegebenen Werte zeigen, daß durch das er findungsgemäße Verfahren Kunststofflichtwellenleiter mit tech nisch brauchbarer Dämpfung auf rationelle Weise hergestellt werden können. The values given in Table 1 show that by the he inventive method plastic fiber optic with tech nisch usable damping manufactured in a rational manner can be.

Tabelle 1 Table 1

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Kunststofflichtwellenleitern, dadurch gekennzeichnet, daß auf ein Trägermaterial in Form einer Glas- oder Kunststoff-Faser oder eines Bündels aus derartigen Fasern eine erste Beschichtung aus einem Reaktionsharz aufgebracht wird, das im gehärteten Zustand lichtleitend ist und die erforderlichen Festigkeits eigenschaften aufweist, daß dieses Reaktionsharz zu einem Kern aus duroplastischem Material gehärtet wird, daß auf das gehär tete Reaktionsharz eine zweite Beschichtung aus einem Reak tionsharz aufgebracht wird, das im gehärteten Zustand gut am Kernmaterial haftet und einen um mindestens 1% kleineren Bre chungsindex aufweist als das Kernmaterial, und daß dieses Re aktionsharz zu einem Mantel aus duroplastischem Material ge härtet wird.1. A process for the production of plastic optical fibers, characterized in that a first coating of a reaction resin is applied to a carrier material in the form of a glass or plastic fiber or a bundle of such fibers, which is light-conducting in the hardened state and the required strength properties has that this reaction resin is cured to a core of thermosetting material, that a second coating of a reaction resin is applied to the hardened reaction resin, which adheres well to the core material in the hardened state and has a refractive index that is at least 1% smaller than that Core material, and that this Re aktionskär is hardened ge to a jacket made of thermosetting material.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß als Reaktionsharz für das Kernmaterial ein Acrylat- bzw. Methacrylatharz oder ein Silicon-(meth)acry lat verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized records that as a reaction resin for the core material an acrylate or methacrylate resin or a silicone (meth) acrylic lat is used.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß als Reaktionsharz für das Man telmaterial ein Acrylat- bzw. Methacrylatharz oder ein Sili con-(meth)acrylat verwendet wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized ge indicates that as a reaction resin for the man telmaterial an acrylate or methacrylate resin or a Sili Con (meth) acrylate is used.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Mantel aus duro plastischem Material eine Beschichtung aus einem Reaktionsharz aufgebracht und das Reaktionsharz gehärtet wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized that on the coat of duro plastic material is a coating made of a reactive resin applied and the reaction resin is cured.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Mantel aus duro plastischem Material ein thermoplastisches Polymer aufgebracht wird.5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized that on the coat of duro plastic material applied a thermoplastic polymer becomes.