DK170940B1 - Optisk fiber - Google Patents

Description

DK 170940 B1

Den foreliggende opfindelse angår en optisk fiber. Mere specifikt angår opfindelsen en optisk fiber, som har en beskyttende belægning med høj styrke og høj termisk modstandsdygtighed .

5 En optisk glasfiber knækker let på grund af fejl deri, når den ikke har noget overtræk. Derfor overtrækkes glasset med en termohærdende, ultraviolet-hærdende eller termoplastisk harpiks til at give en beskyttet optisk fiber, som anvendes som lysledende medium i et optisk fiberkabel.

10 Endvidere anvendes optiske fibre inden for forskellige områder. Således kan det ønskes at anvende den optiske fiber under specifikke omstændigheder, der er forskellige fra sædvanlige omstændigheder. Det er især nødvendigt at udvikle termisk resistente optiske fibre, som kan anvendes under 15 omstændigheder, hvor de udsættes for høj termisk energi eller strålingsenergi såsom i oliebrøndboringsapparatur, kraft-lys-kompositkabler og kabler i kunstige satellitter. Til dette formål er polyorganosiloxaner af stige-typen attraktive som et termisk resistent overtræksharpiksmateriale.

20 Ud over kravet om termisk modstandsdygtighed under brug må det beskyttende overtræk imidlertid have passende elongation i betragtning af håndtering af den optiske fiber. Et overtræk af en sådan polyorganosiloxan af stige-typen og andre harpikser kan ikke samtidig tilfredsstille den termiske modstands-25 dygtighed og elongationen. Hvis den termiske modstandsdygtighed er tilstrækkelig, har det beskyttende overtræk lav elongation, hvorfor den optiske fiber ikke kan anvendes i praksis, og omvendt.

FR-A-2 246 917 beskriver en overtrukket optisk fiber, der 30 omfatter en lysledende fiber og et beskyttelsesovertræk der omkring, hvilket overtræk består af mindst to lag af poly-organosiloxanharpiks med forskellige kompositioner.

DK 170940 B1 2

Det er et af den foreliggende opfindelses formål at tilvejebringe en optisk fiber, som har et overtræk med god termisk modstandsdygtighed og elongation.

Dette og andre formål opnås med en overtrukket optisk fiber, 5 som omfatter en lysledende glasfiber og et beskyttende overtræk omkring glasfiberen, hvor overtrækket består af mindst to lag polyorganosiloxanharpiks med forskellige kompositioner, hvilken optisk fiber er ejendommelig ved, at polyorgano-siloxanharpikskompositionen af hvert af lagene er af typen 10 med en stigedel og en lineær del, hvor indholdet af stige-delen i polyorganosiloxanen i et ydre lag i overtrækket er mindre end indholdet i et indre lag i overtrækket.

Fig. 1 viser i tværsnit én udførelsesform af en optisk fiber ifølge den foreliggende opfindelse, og 15 fig. 2 er en graf, som viser sammenhængen mellem elongationen ved brud og sammensætningen af et overtrækslag på en optisk fiber ifølge opfindelsen.

Ifølge opfindelsen er indholdet af stigedelen i polyorganosi-loxanharpiksen i overtrækkets ydre lag mindre end indholdet i 20 overtrækkets indre lag.

Polyorganosiloxanen er fortrinsvis en tilfældig copolymer med den almene formel I

R R R R R R

I I I I I I

X-Si-0-Si-0-Si-0-Si-0-Si-0-Si-X

I I I I I I

000000

1 I I I I I

Y-Si-0-Si- Η H -Si-O-Si-Y

II II

R R R R

k-i *-il k-s| stigedel lineær del stigedel DK 170940 B1 3 hvor R er en alkylgruppe med 1-5 carbonatomer, fx en methyl-gruppe, eller en phenylgruppe, og X og Y er en hydroxygruppe eller en alkoxygruppe med 1-5 carbonatomer, fx en methoxy-gruppe.

5 Polyorganosiloxanen omfatter en stigedel med den repeterende enhed med formlen

R

-Si-0~ 0 VI 1 R m og en lineær del med den repeterende enhed med formlen

R

i --Si-O--

Ti t og har en molekylevægt på fra 1.000-100.000 før hærdning og ikke under 1.000.000 efter hærdning.

10 Indholdet af stigedelen defineres ved formlen: [m/(m + n) x 100].

I polyorganosiloxanen giver et højt indhold af stigedelen et højt Young's modul og god termisk modstandsdygtighed, og et højt indhold af den lineære del giver et lavt Young's modul 15 og stor elongation men giver dårlig termisk modstandsdygtighed i lighed med konventionelle lineære polyorganosiloxaner.

Det foretrækkes, at mindst ét lag i overtrækket indeholder et metaloxid. Eksempler på metaloxidet er titanoxid, zinkoxid, blyoxid, jernoxid, aluminiumoxid, siliciumoxid, chromoxid, 20 molybdenoxid, magnesiumoxid, coboltoxid og dobbelte oxider deraf. Titanoxid foretrækkes især.

DK 170940 B1 4 I det tilfælde, hvor mindst ét lag i polyorganosiloxanover-trækket indeholder metaloxidet, vil metaloxidet, når laget i polyorganosiloxanovertrækket hærder på glasfiberen, afslappe krympningen under hærdningen og undertrykke uensartet krum-5 ning (mikrobøjning) af fiberen.

Ifølge eksperimenter er krympningen under hærdning ca. 5%, når der ikke er noget metaloxid til stede, og 0,5-1%, når der er metaloxid til stede. Der sker derfor ikke nogen forøgelse af transmissionstab på grund af mikrobøjning, og den optiske 10 fiber har gode lystransmissionsegenskaber.

Eftersom metaloxidet ikke har nogen indvirkning på polyorga-nosiloxanens styrke og termiske modstandsdygtighed, har polyorganosiloxanovertrækket den gode styrke og gode termiske modstandsdygtighed, som ligger i stige-polyorganosiloxan-15 harpiksen.

Det foretrækkes, at metaloxidet er i form af et fint pulver og har en gennemsnitlig diameter på 0,01-1 μτη.

Mængden af metaloxidet er fortrinsvis fra 3-30 vægtdele pr.

100 vægtdele af polyorganosiloxanen.

20 Polyorganosiloxankomposition-overtrækslaget kan godt anvendes som det yderste overtrækslag på fiberen. Men eftersom det ofte er vanskeligt at fremstille et tykt og glat overtrækslag, efter at overtrækslagene af polyorganosiloxankompositio-nen er blevet fremstillet, påføres der en strålingsenergihær-25 dende harpiks såsom en termohærdende harpiks eller en ultra-violethærdende harpiks med henblik på at give fiberen den ønskede ydre diameter.

Fig. 1 viser et tværsnit gennem én udførelsesform af den optiske fiber ifølge den foreliggende opfindelse. Et overtræk 30 2, som beskytter en glasfiber 1, omfatter harpikskompositio ner baseret på en polyorganosiloxanen med en stigedel og en lineær del. Overtrækket 2 består af et første lag 21, et DK 170940 B1 5 andet lag 22, et tredje lag 23, et fjerde lag 24 og et femte lag 25. Hvert af lagene 21-25 omfatter polyorganosiloxan med forskellige forhold mellem stigedelen og den lineære del. Fra det første lag 21, som er nærmest glasfiberen, i retning af 5 den ydre periferi falder indholdet af stigedelen i polyor-ganosiloxanen.

Fig. 2 er en graf, som afbilder overtrækstykkelsen fra overfladen af glasfiberen 1 i retning af den ydre periferi af den overtrukne fiber ifølge opfindelsen på fig. 1, nemlig over-10 trækstykkelser fra det første lag 21 til det femte lag 25 på abscissen og indholdet (i %) af stigedel i polyorganosiloxa-nen som den venstre ordinat og elongationen ved brud (i %) for overtrækket som den højre ordinat. Af denne graf kan det ses, at jo højere indholdet af lineære del er, jo større er 15 elongationen ved brud. I den overtrukne fiber ifølge opfindelsen dannes de multiple overtrækslag således, at elongationen øges successivt fra det første overtrækslag til den ydre periferi. Fleksibiliteten forbedres mærkbart sammenlignet med et overtræk af stige-polyorganosiloxanharpiks med en ensartet 20 sammensætning.

Eftersom polyorganosiloxanharpikskompositionen nær glasfiberen, som har det høje indhold af stigedelen, har et højt Young's modul og høj termisk modstandsdygtighed, kan der til glasfiberen bibringes mekanisk beskyttelse og termisk mod-25 standsdygtighed. Den overtrukne optiske fiber ifølge opfindelsen har derfor tilstrækkelig termisk modstandsdygtighed samt fleksibilitet.

Antallet af overtrækslag i den overtrukne optiske fiber er mindst to men er ikke begrænset. Tykkelsen af hvert over-30 trækslag er ikke begrænset, men den totale tykkelse af overtrækket er fortrinsvis mindst 20 μτη, især mindst 200 μτη. Tykkelsen af hvert lag i overtrækket er fortrinsvis 2-20 μτη.

Den overtrukne optiske fiber ifølge opfindelsen kan fremstilles ved sædvanlige metoder, som påfører en termisk hærde DK 170940 B1 6 lig harpikskomposition. Fx kan hvert af lagene påføres under anvendelse af en matrice og hærdes i en termohærdningsovn til dannelse af overtrækket.

Overtrækslaget indeholdende metaloxidet kan fremstilles på 5 følgende måde: Metaloxidet opløses eller dispergeres i poly-organosiloxan under anvendelse af et opløsningsmiddel såsom toluen eller en alkohol til fremstilling af en blanding. Blandingen påføres til fiberen umiddelbart efter trækning under anvendelse af en matrice, opvarmes i en infrarød ovn og 10 hærdes under samtidig afdampning af opløsningsmidlet til dannelse af et overtrækslag på 2-10 μπι på fiberen.

Opfindelsen forklares nærmere i nedenstående eksempler.

EKSEMPEL 1

En single-mode glasfiber med en kernediameter på 10 μπι og en 15 kappediameter på 125 μια blev overtrukket med polyorgano-siloxanharpikskompositioner med forskellig sammensætning, hvilke kompositioner bestod af 40 vægtdele polyorganosiloxan (R er en methylgruppe, og X og Y er hydroxy, og med en molekylevægt før hærdning på 10.000-20.000), 60 vægtdele isobu-20 tylacetat og 4 vægtdele af en katalysator. Derefter blev polyorganosiloxanharpikskompositionen hærdet til fremstilling af en overtrukket optisk fiber med en ydre diameter på 200 μπι og den på fig. 1 viste 5-lags overtræksstruktur.

Indholdet af stigedelen (stiplet linje) og elongationen ved 25 brud (fuldt optrukket linje) for hvert overtrækslag på den multilagsovertrukne fiber er vist i fig. 2. Tykkelsen for hvert af lagene fra det første lag til det femte lag var henholdsvis 2 μπι, 8 μπι, 10 μπι, 10 μιη og 7,5 μπι. Indholdet af stigedel af polyorganosiloxanen var henholdsvis 95%, 75%, 30 50%, 35% og 5%, og elongationen ved brud var henholdsvis 5%, 10%, 40%, 60% og 70%. Således stiger sammensætningen og egenskaberne hos overtrækslagene i retning af overtræksdiameteren.

DK 170940 Bl 7

Den overtrukne fiber blev underkastet en varmecyclustest, som omfattede 100 cycler mellem 400°C og 20°C (2 timer ved hver temperatur). Stigningen i transmissionstab var lille og oversteg ikke 0,01 dB/km ved en bølgelængde på 1,3 μτη, og 5 fiberens udseende ændredes ikke.

Elongationen ved brud, med en sandsynlighed på 50% ifølge en Weibull-fordeling, var 6,5% efter den nævnte varmecyclustest. Denne værdi var den samme som den initiale værdi for en konventionelt overtrukket optisk fiber med en diameter på 250 μτη 10 overtrukket med en ultraviolet hærdende harpiks eller en siliconeharpiks.

Efter varmecyclustesten blev den overtrukne fiber underkastet en statisk udmattelsestest på en 3,0 mm dorn, ved hvilken fiberen blev viklet omkring en dorn med en diameter på 3,0 mm 15 og fik lov at henstå, og den tid, der var nødvendig for at få glasset til at knække, blev målt som funktion af bøjespændin-gen d/D forårsaget af dorndiameteren D og fiberdiameteren d, ved hvilken test glasfiberens levetid ved påføring af statisk spænding måles. Ved denne test var tiden for brud lang og var 20 den samme som den initiale værdi for den ovennævnte konventionelt overtrukne optiske fiber.

EKSEMPEL 2

En s ingle-mode glasfiber med en kernediameter på 10 μτη og en kappediameter på 125 μτη blev overtrukket med polyorgano-25 siloxanharpikskompositioner med forskellige sammensætninger, hvilke kompositioner bestod af 40 vægtdele polyorganosiloxan (R er methyl eller phenyl, X og Y er hydroxy, molekylevægt før hærdning 10.000-20.000), 60 vægtdele isobutylacetat og 4 vægtdele af en katalysator. Det inderste lag indeholdt end-30 videre 10 vægtdele titaniumoxid. Derefter blev polyorgano-siloxanharpikskompositionen hærdet til dannelse af en overtrukket optisk fiber med en ydre diameter på 200 μτη og den i fig. 1 og fig. 2 viste 5-lags overtræksstruktur. Transmis- DK 170940 Bl 8 sionstabet blev målt ved en bølgelængde på 1,3 μτη, og tabet var så lavt som 1,35 dB/km.

Til sammenligning blev en overtrukket optisk fiber fremstillet på samme måde med undtagelse af, at der ikke blev anvendt 5 titaniumoxid. Transmi s s ions tabet blev målt ved 1,3 μτη, og tabet var 1,45 dB/km.

Som det vil være klart fra de ovenstående resultater, kan den optiske fibers transmissionstab sænkes ved at tilsætte titaniumoxid .

10 I eksempel 2 blev der som metal anvendt titaniumoxid. Ved tilsætning af andre metaloxider såsom zinkoxid, blyoxid, jernoxid, aluminiumoxid, siliciumoxid, chromoxid, molybden-oxid, magnesiumoxid, coboltoxid og dobbelte oxider deraf blev der opnået det samme resultat som med titaniumoxid. Styrke og 15 termisk modstandsdygtighed for disse optiske fibre blev målt, og de var de samme uanset tilstedeværelse eller fravær af metaloxidet. Endvidere blev der opnået gode resultater, når to eller flere af disse metaloxider blev blandet og tilsat.

Claims (3)

1. Overtrukket optisk fiber, som omfatter en lysledende glasfiber og et beskyttende overtræk omkring glasfiberen, hvor overtrækket består af mindst to lag polyorganosiloxan- 5 harpiks med forskellige kompositioner kendetegnet ved, at polyorganosiloxanharpikskompo-sitionen af hvert af lagene er af typen med en stigedel og en lineær del, hvor indholdet af stigedelen i polyorganosiloxa-nen i et ydre lag i overtrækket er mindre end indholdet i et 10 indre lag i overtrækket.

2. Overtrukket optisk fiber ifølge krav 1, kendetegnet ved, at mindst ét lag i overtrækket indeholder et metaloxid.

3. Overtrukket optisk fiber ifølge krav 2, 15 kendetegnet ved, at metaloxidet er mindst ét sådant valgt fra gruppen bestående af titaniumoxid, zinkoxid, blyoxid, jernoxid, aluminiumoxid, siliciumoxid, chromoxid, molybdenoxid, magnesiumoxid, coboltoxid og dobbelte oxider deraf.