DE69607654T2 - METHOD FOR PRODUCING POLYMERIC OPTICAL FIBERS WITH GRADUATED BREAKING INDEX - Google Patents
METHOD FOR PRODUCING POLYMERIC OPTICAL FIBERS WITH GRADUATED BREAKING INDEXInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer polymeren optischen Gradientenfaser gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a method for producing a polymeric optical gradient fiber according to the preamble of claim 1.
Polymere optische Gradientenfasern können für optische Breitbandübertragungen verwendet werden. In Anbetracht der zunehmenden Tendenz zum Ersatz von elektrischen Drahtübertragungen durch optische Faserübertragungen wird es erforderlich, Haushaltungen und Büros mit optischen Faserverbindungen ("Faser bis ins Heim") zu versehen. Da die Verbindungen von optischen Breitbandfasern eine zu genaue Ausrichtung erfordern, um ohne professionelles Geschick und entsprechende Ausrüstungen bewerkstelligt zu werden, benötigt man Verbindungsmittel, um den optischen Kanal auf eine für Heim- und Büroanwendung geeignete Grösse zu bringen. Für diesen Zweck können sich polymere optische Gradientenfasern sehr gut eignen, weil sie eine relativ grosse Bandbreite bieten und einen relativ grossen Durchmesser haben können.Polymeric graded index optical fibers can be used for broadband optical transmission. Given the increasing trend to replace electrical wire transmission with optical fiber transmission, it is becoming necessary to provide homes and offices with optical fiber connections ("fiber to the home"). Since broadband optical fiber connections require alignment that is too precise to be accomplished without professional skills and equipment, connectors are needed to bring the optical channel to a size suitable for home and office use. Polymeric graded index optical fibers can be very well suited for this purpose because they offer a relatively large bandwidth and can have a relatively large diameter.
Polymere optische Gradientenfasern und Verfahren zu ihrer Herstellung sind bekannt.Polymeric gradient optical fibers and processes for their production are known.
So wird in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 94/186,441 eine Methode mit einem Zweikomponenten- Spinnverfahren unter Verwendung einer Kernspinnmasse und einer Mantelspinnmasse beschrieben. Ein optischer Kunst stofftransmissionskörper mit Brechungsindexverteilung wird dadurch hergestellt, dass eine Polymer-Monomer-Mischung, die durch eine 50 bis 90%ige Konversion bestimmt ist, von der aussenliegenden Abgabeöffnung einer Düsenplatte mit einer konzentrischen Abgabeöffnung erzeugt wird, während gleichzeitig von der Innenseite der Abgabeöffnung eine Monomermischung oder eine Polymer-Monomer-Mischung mit einer Konversion von 50% oder weniger abgegeben wird. Die zuletzt genahnte Mischung enthält eine nicht-polymerisierbare farblose transparente Verbindung mit hohem Brechungsindex, wie Benzylbutylphthalat. Diese Mischungen werden zur Bildung eines Kern-/Mantel-Mehrkomponentenstabes aufgetragen. Die Verbindung mit hohem Brechungsindex diffundiert aus der Mischung in der Innenschicht (der Kernmischung) in die Mischung in der Aussenschicht (die Mantelmischung). Die weitere Polymerisation des produzierten Stabes führt zu einem optischen Transmissionskörper mit einer Brechungsindexverteilung, die kontinuierlich vom Zentrum zur Aussenseite hin abnimmt. Zur Herstellung einer optischen Faser aus dem Stab wird der Stab auf den gewünschten Faserdurchmesser gezogen.For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 94/186,441 describes a method using a two-component spinning process using a core dope and a sheath dope. An optical art A refractive index distribution optical transmission body is produced by producing a polymer-monomer mixture determined by a 50 to 90% conversion from the outside discharge port of a nozzle plate with a concentric discharge port, while simultaneously discharging a monomer mixture or a polymer-monomer mixture with a 50% or less conversion from the inside of the discharge port. The latter mixture contains a non-polymerizable colorless transparent compound with a high refractive index, such as benzyl butyl phthalate. These mixtures are applied to form a core/clad multicomponent rod. The high refractive index compound diffuses from the mixture in the inner layer (the core mixture) into the mixture in the outer layer (the cladding mixture). Further polymerization of the produced rod results in an optical transmission body with a refractive index distribution that decreases continuously from the center to the outside. To produce an optical fiber from the rod, the rod is drawn to the desired fiber diameter.
Ein Nachteil dieses Verfahrens ist ihre Mehrstufigkeit. Die einzelnen Schritte der Abgabe eines Stabes, der Nachpolymerisation des Stabes und dessen Ziehen zu einer Faser ergeberi ein von sich aus nicht besonders wirtschaftliches Verfahren. Auch verläuft die Bildung des Gradientenstabes langsam. Es wäre wünschbar, über ein Verfahren zu verfügen, das direkt eine Faser ergibt, d. h. ohne dass zunächst ein erst noch zu ziehender Stab gebildet werden muss. Ferner wäre zu wünschen, dass ein solches Verfahren ein Einschrittverfahren, vorzugsweise ein kontinuierliches Verfahren ist.A disadvantage of this process is that it is multi-stage. The individual steps of releasing a rod, post-polymerizing the rod and drawing it into a fiber do not result in a particularly economical process. The formation of the gradient rod is also slow. It would be desirable to have a process that produces a fiber directly, i.e. without first having to form a rod that has to be drawn. It would also be desirable for such a process to be a one-step process, preferably a continuous process.
Abgesehen von dem nachteiligen Mehrstufencharakter hat das bekannte Verfahren einen weiteren Nachteil, indem die nicht polymerisierbare Verbindung mit hohem Brechungsindex, die mit den Mantel- und Kernpolymeren mischbar ist, als Weichmacher im System verbleibt. Ferner bedeutet die Anwesenheit einer solchen niedermolekularen Verbindung, dass die schliesslich erhaltene optische Faser einer temperaturinduzierten Unstabilität als Folge einer weiteren Diffusion der niedermolekularen Verbindung ausgesetzt sein kann. Wünschbar wäre daher eine polymere optische Gradientenfaser, bei der die Brechungsindexverteilung im Polymer fixiert ist.Apart from the disadvantageous multi-stage character, the known process has a further disadvantage in that the non-polymerizable compound with high refractive index, the is miscible with the cladding and core polymers, remains in the system as a plasticizer. Furthermore, the presence of such a low molecular weight compound means that the final optical fiber may be subject to temperature-induced instability as a result of further diffusion of the low molecular weight compound. A polymeric gradient optical fiber would therefore be desirable in which the refractive index distribution is fixed in the polymer.
Verfahren zur Gewinnung von polymeren optischen Fasern, bei welchen die Brechungsindexverteilung in der schliesslich erhaltenen Faser nicht durch die Anwesenheit einer niedermolekularen Verbindung bestimmt wird, sind bekannt.Processes for obtaining polymeric optical fibers in which the refractive index distribution in the finally obtained fiber is not determined by the presence of a low molecular weight compound are known.
In dieser Hinsicht wird auf die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 90/33,104 Bezug genommen. Dort ist ein Verfahren zur Herstellung einer polymeren Gradientenfaser beschrieben, wiederum durch Zweikomponentenspinnen einer Kern- und einer Mantelspinnmasse. Der Mantel wird aus einer Polymermischung ersponnen, z. B. Poly(methylmethacrylat), und einem Monomer, z. B. Methylmethacrylat. Der Kern wird aus einem Monomer mit hohem Brechungsindex ersponnen, z. B. Phenylmethacrylat. Nach der Abgabe aus einer Zweikomponenten-Spinndüse wird das gesponnene Kern-Mantel-Filament zur Verschmelzung durch ein beheiztes Rohr geführt und dann zur Auslösung der Fotopolymerisation einer UV-Bestrahlung ausgesetzt. Auf diese Weise wird eine optische Kern-Mantel-Faser gebildet, in der wegen der Diffusion der Methylmethacrylat- und Phenylmethacrylatmonomeren eine Brechungsindexverteilung erzeugt wird. Die Brechungsindexverteilung ist als Folge der Polymerisation in einer Polymerstruktur fixiert.In this regard, reference is made to Japanese Laid-Open Patent Application No. 90/33,104. Therein a process is described for producing a polymeric gradient fiber, again by two-component spinning of a core and a sheath dope. The sheath is spun from a polymer blend, e.g. poly(methyl methacrylate), and a monomer, e.g. methyl methacrylate. The core is spun from a high refractive index monomer, e.g. phenyl methacrylate. After being delivered from a two-component spinneret, the spun core-sheath filament is passed through a heated tube for fusion and then exposed to UV irradiation to initiate photopolymerization. In this way, a core-clad optical fiber is formed in which a refractive index distribution is generated due to the diffusion of the methyl methacrylate and phenyl methacrylate monomers. The refractive index distribution is fixed in a polymer structure as a result of polymerization.
Auch dieses Verfahren wird nicht mit der gewünschten Produktsgeschwindigkeit durchgeführt, wobei typische Verweil zeiten in dem beheizten Rohr und während des Bestrahlens jeweils etwa drei Minuten betragen. Ferner hat das Verfahren einen Nachteil dadurch, dass der Kern nicht zur Filamentbildung beiträgt. Um ein stabiles Spinnverfahren zu gewährleisten, bei dem ein Filament mit ausreichender Festigkeit gebildet wird, ist es Grundvoraussetzung, dass die Polymerkonzentration in der Mantelspinnmasse ausreichend hoch ist, wobei ein typischer Wert. 60 Gew.-% beträgt. Eine zu hohe Polymerkonzentration kann die Diffusionsgeschwindigkeit nachteilig beeinflussen und dadurch zu einem zu langsamen Verfahren führen.This process is also not carried out at the desired product speed, with typical dwell times times in the heated tube and during irradiation are each about three minutes. The process also has a disadvantage in that the core does not contribute to filament formation. In order to ensure a stable spinning process in which a filament with sufficient strength is formed, it is a basic requirement that the polymer concentration in the sheath spinning mass is sufficiently high, a typical value being 60% by weight. Too high a polymer concentration can adversely affect the diffusion rate and thus lead to a process that is too slow.
In der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 91/42, 604 ist ein anderes Verfahren beschrieben. Hier wird eine polymere optische Gradientenfaser durch Zweikomponentenspinnen hergestellt, wobei das Kernmaterial eine Polymer-Monomer-Mischung und das Mantelmaterial ein Polymer mit niedrigem Brechungsindex ist, z. B. Poly-(tetrafluor-propylmethacrylat). Das Verfahren benötigt ebenfalls zu lange Verfahrenszeiten und erfordert wiederum ein beheiztes Rohr und eine UV-Bestrahlung.Another method is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 91/42,604. Here, a polymeric gradient optical fiber is produced by two-component spinning, where the core material is a polymer-monomer mixture and the cladding material is a polymer with a low refractive index, e.g. poly-(tetrafluoropropyl methacrylate). The method also requires too long processing times and again requires a heated tube and UV irradiation.
Zur Durchführung der. Verfahren gemäss JP 90/33,104 und JP 91/42, 604 wird eine Zweikomponenten-Spinnanlage verwendet, in der die Spinnmassen von unten nach eben ausgetragen werden. Aus Gründen der praktischen Handhabung wäre es zu wünschen, über ein Verfahren zur Herstellung von polymeren optischen Gradientenfasern zu verfügen, bei dem die Brechungsindexverteilung ausreichend rasch für ein normales Verspinnen erfolgt (d. h. bei dem die Spinnmasse von oben zum Boden der Spinnanlage abgegeben wird).To carry out the processes according to JP 90/33,104 and JP 91/42, 604, a two-component spinning system is used in which the spinning mass is discharged from the bottom to the floor. For reasons of practical handling, it would be desirable to have a process for producing polymeric optical gradient fibers in which the refractive index distribution occurs sufficiently quickly for normal spinning (i.e. in which the spinning mass is discharged from the top to the bottom of the spinning system).
Der Stand der Technik umfasst noch verschiedene andere Verfahren zur Herstellung von polymeren optischen Gradientenfasern. So betrifft JP 77/5857 ein Verfahren, bei dem durch unvollständiges Polymerisieren eines Monomeren ein Stab mit hohem Brechungsindex (Diallylphthalat) gebildet wird. Ein Monomer mit niedrigem Brechungsindex (Methylmethacrylat) wird unter gleichzeitiger Polymerisation in den Stab hinein diffundiert. Ein ähnliches Verfahren ist in JP 81/37521 beschrieben. Ein spezielles polymerisiertes Polymer mit hohem Brechungsindex wird in ein Monomer gegeben, dass sich in der Gasphase befindet, und diese diffundiert dann in das Polymer, ohne dass eine weitere Polymerisation stattfindet.The state of the art also includes various other processes for producing polymeric gradient optical fibers. For example, JP 77/5857 relates to a process in which a rod with high refractive index (diallyl phthalate). A monomer with a low refractive index (methyl methacrylate) is diffused into the rod with simultaneous polymerization. A similar process is described in JP 81/37521. A special polymerized polymer with a high refractive index is added to a monomer that is in the gas phase, and this then diffuses into the polymer without further polymerization taking place.
In JP 79/30, 301 werden zwei verschiedene Monomere heterogen copolymerisiert, so dass in der Monomerzusammensetzung ein Gradient entsteht. In JP 86/130, 904 wird eine Mischung aus Monomeren mit unterschiedlichen Brechungsindizes der Vernetzung von aussen unterzogen. Die innere Monomermischung wird mit dem Monomer mit höherem Brechungsindex angereichert.In JP 79/30, 301, two different monomers are heterogeneously copolymerized so that a gradient is created in the monomer composition. In JP 86/130, 904, a mixture of monomers with different refractive indices is subjected to crosslinking from the outside. The inner monomer mixture is enriched with the monomer with the higher refractive index.
In JP-A-01-265207 ist das Erspinnen einer koaxialen Mehrschichtfaser aus zwei Typen von Spinnflüssigkeiten beschrieben, die ein Polymer, Vinylmonomer und einen Fotosensibilisator enthalten und unterschiedlichen Brechungsindizes haben. Es ist jedoch nicht beschrieben, dass das Monomer in der Kernspinnmasse einen höheren Brechungsindex besitzt als das Monomer in der Mantelspinnmasse.JP-A-01-265207 describes spinning a coaxial multilayer fiber from two types of spinning liquids containing a polymer, vinyl monomer and a photosensitizer and having different refractive indices. However, it is not described that the monomer in the core spinning dope has a higher refractive index than the monomer in the sheath spinning dope.
In EP-A-0 615 141 ist ein Verfahren zur Herstellung von optischen Transmissionskörpern aus Kunststoff beschrieben, wobei eine transparente Polymerschmelze und ein transparentes diffusionsfähiges Material mit einem Brechungsindex, der sich von demjenigen des transparenten Polymeren unterscheidet, koaxial extrudiert werden. Bei diesem Verfahren werden jedoch nicht zwei unterschiedliche Monomere verwendet, von denen das eine in der Kernspinnmasse vorliegt und einen höheren Brechungsindex hat und das andere Monomer in der Mantelspinnmasse enthalten ist.EP-A-0 615 141 describes a process for producing optical transmission bodies made of plastic, in which a transparent polymer melt and a transparent diffusible material with a refractive index that differs from that of the transparent polymer are coaxially extruded. However, this process does not use two different monomers, one of which is present in the core spinning mass and has a higher refractive index and the other monomer is contained in the sheath spinning mass.
Gemäss EP 208 159 wird eine Polymer-Monomer-Mischung extrudiert, wobei das Monomer flüchtig ist und einen relativ hohen Brechungsindex hat. Die Verdampfung von der Aussenseite führt dazu, dass der Kern mehr Monomer mit hohem Brechungsindex enthält als der Mantel.According to EP 208 159, a polymer-monomer mixture is extruded, whereby the monomer is volatile and has a relatively high refractive index. Evaporation from the outside results in the core containing more monomer with a high refractive index than the cladding.
Gemäss EP 496 893 wird ein Rohr aus Poly(methylmethacrylat) gebildet und mit einer Monomermischung aus Methylmethacrylat und Benzylmethacrylat gefüllt. Durch Rotieren des Rohres (etwa 20 Stunden) unter Polymerisationsbedingungen wird ein Gradientenstab gebildet. Dieser Stab wird zu einer polymeren optischen Gradientenfaser verstreckt. Gemäss EP 497 984 wird ebenfalls ein polymeres Rohr hergestellt und mit Monomer gefüllt. Ein Stab mit Brechungsindexgradient entsteht durch Diffusion. Aus dem Stab wird eine polymere optische Gradientenfaser gezogen.According to EP 496 893, a tube is made of poly(methyl methacrylate) and filled with a monomer mixture of methyl methacrylate and benzyl methacrylate. By rotating the tube (about 20 hours) under polymerization conditions, a gradient rod is formed. This rod is stretched to form a polymeric gradient optical fiber. According to EP 497 984, a polymeric tube is also made and filled with monomer. A rod with a refractive index gradient is created by diffusion. A polymeric gradient optical fiber is drawn from the rod.
Alle diese Beschreibungen des Standes der Technik betreffen unzweckmässige diskontinuierliche Verfahren, welche die oben angegebenen Wünsche nicht erfüllen und bei welchen nur Spinngeschwindigkeiten von unter 1 m/min erzielt werden.All these descriptions of the state of the art concern unsuitable discontinuous processes which do not meet the above-mentioned requirements and in which only spinning speeds of less than 1 m/min are achieved.
Es ist Ziel der Erfindung, ein effizientes Verfahren zur Herstellung von polymeren optischen Gradientenfasern zu bieten, das als kontinuierliches Zweikomponenten-Spinnverfahren durchgeführt werden kann, welches schneller ist als die bekannten Verfahren (vorzugsweise sogar bis 1 cm/min oder mehr).It is the aim of the invention to provide an efficient process for the production of polymeric gradient optical fibers, which can be carried out as a continuous two-component spinning process, which is faster than the known processes (preferably even up to 1 cm/min or more).
Das obige Ziel wird gemäss der Erfindung erreicht durch ein Verfahren zur Herstellung einer polymeren optischer. Gradientenfaser mittels eines Zweikomponenten-Spinnverfahrens, bei dem eine Kernspinnmasse und eine Mantelspinnmasse verwendet werden, wobei die Kernspinnmasse und die Mantelspinnmasse ein Polymer und ein Monomer enthalten und das Monomer in der Kernspinnmasse einen höheren Brechungsindex hat als das Monomer in der Mantelspinnmasse.The above object is achieved according to the invention by a method for producing a polymeric optical gradient fiber by means of a two-component spinning process, in which a core dope and a sheath dope are used, wherein the core dope and the sheath dope contain a polymer and a monomer, and the monomer in the core dope has a higher refractive index than the monomer in the sheath dope.
Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Particular embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Zweikomponenten-Spinnverfahren sind den Fachleuten bekannt. Eine Beschreibung der Grundprinzipien finden sich z. B. in D. R. Paul und S. Newman, Polymer Blends, Kap. 16: Fibers from polymer blends, Seiten 176-177. Bei diesen Verfahren werden die Kern- und Mantelspinnmassen gleichzeitig durch eine Spinndüse extrudiert, wobei die Kern-/Mantel-Konfiguration entweder durch die Form der Spinndüse (z. B. indem diese Öffnungen mit zwei konzentrischen Löchern besitzt) oder mittels eines Rohres erzielt wird, durch welches die Kernspinnmasse extrudiert wird, das unmittelbar vor einer normalen Spinndüse angeordnet ist.Two-component spinning processes are known to those skilled in the art. A description of the basic principles can be found, for example, in D. R. Paul and S. Newman, Polymer Blends, Chapter 16: Fibers from polymer blends, pages 176-177. In these processes, the core and sheath dopes are simultaneously extruded through a spinneret, with the core/sheath configuration being achieved either by the shape of the spinneret (e.g. by having it orifices with two concentric holes) or by means of a tube through which the core dope is extruded, which is arranged immediately in front of a normal spinneret.
Beim Verfahren der Erfindung entwickelt sich die Brechungsindexverteilung von einer klaren stufenartigen Verteilung, die unmittelbar nach Austreten der Spinnmassen aus den Spinndüsen vorliegt, zu der gewünschten graduellen Abnahme von der Mitte des Kerns zur Aussenseite des Mantels. Unmittelbar nach dem Durchlaufen der Spinnpunkte (die sich bei dem bevorzugten, von oben nach unten verlaufenden Spinnverfahren unmittelbar unter der Spinndüse befinden) wird die Verteilung des Brechungsindex bestimmt von der Differenz der Brechungsindizes zwischen den beiden Spinnmassen. Diese Ausgangsdifferenz der Brechungsindizes der Kern- und Mantelspinnmassen liegt allgemein in dem Bereich vor. 0,01 bis 0,10. Es wird bevorzugt, dass diese Differenz relativ gross ist, da dies die grösste numerische Apertur und den grössten Freiheitsgrad bei der Bestimmung allfälliger steiler Teile der Verteilung ermöglicht, wobei eine befriedigende Prozessgeschwindigkeit erzielt wird.In the process of the invention, the refractive index distribution evolves from a clear step-like distribution present immediately after the spinning dopes emerge from the spinnerets to the desired gradual decrease from the center of the core to the outside of the sheath. Immediately after passing through the spinning points (which are located immediately below the spinneret in the preferred top-down spinning process), the refractive index distribution is determined by the difference in refractive indices between the two spinning dopes. This initial difference in refractive indices of the core and sheath spinning dopes is generally in the range 0.01 to 0.10. It is preferred that this difference is relatively large, as this allows the largest numerical aperture and the largest degree of freedom in determining any steep parts of the distribution, while achieving a satisfactory processing speed.
Die Extrusion der beider Spinnmassen führt zu einer kontinuierlichen Fadenbildung (in diesem Fall einer optischen Faser). An einem bestimmten Punkt des gebildeten Fadens führt die Diffusion der Monomeren mit höherem und niedrigerem Brechungsindex dazu, dass der Kern reicher an Monomer mit niedrigem Index und ärmer an Monomer mit höherem Index wird, während für den Mantel das umgekehrte gilt. Beim weiteren Vorlauten der extrudierten Filamente wird aus der stufenweisen Verteilung unmittelbar nach den Spinnpunkten eine mehr oder weniger graduelle Verteilung. Wenn man den Diffusionsprozess frei laufen liesse, würde der Unterschied des Brechungsindex zwischen Kern und Mantel schliesslich ausgelöscht.The extrusion of the two spinning masses results in a continuous formation of a thread (in this case an optical fiber). At a certain point in the formed thread, the diffusion of the higher and lower refractive index monomers causes the core to become richer in low index monomer and poorer in higher index monomer, while the reverse is true for the cladding. As the extruded filaments continue to advance, the gradual distribution immediately after the spinning points becomes a more or less gradual distribution. If the diffusion process were allowed to run freely, the difference in refractive index between the core and the cladding would eventually be eliminated.
Um die gewünschte Brechungsindexverteilung in der polymeren Faser zu fixieren, werden die Monomeren dazu veranlasst, jeweils zu Polymeren zu copolymerisieren. Aus diesem Grund ist es erforderlich, dass sowohl die Kern- als auch die Mantelspinnmasse einen Polymerisationsinitiator enthalten, vorzugsweise einen TV-Initiator. Dort, wo die Polymerisation erfolgt ist, wird die Diffusion von Monomeren inhibiert. Unter praktischen Bedingungen kann es über den Faserdurchmesser betrachtet zu einem Unterschied der Vernetzung kommen. Für die Fachleute gehört zum Allgemeinwissen, wie dies durch entsprechende Kombination von Typ und Konzertration des Initiators vermieden werden kann. Bei geeigneter Auswahl der Spinngeschwindigkeit und der Dauer der UV-Bestrahlung kann das Verfahren in solcher Weise durchgeführt werden, dass die Vervollständigung der Polymerisation mit dem Zeitpunkt zusammenfällt, an dem die gewünschten Brechungsindexverteilung erreicht ist.In order to fix the desired refractive index distribution in the polymer fiber, the monomers are each induced to copolymerize to form polymers. For this reason, it is necessary that both the core and the sheath spinning mass contain a polymerization initiator, preferably a TV initiator. Where polymerization has taken place, the diffusion of monomers is inhibited. Under practical conditions, there can be a difference in cross-linking across the fiber diameter. It is common knowledge for those skilled in the art how this can be avoided by combining the type and concentration of initiator accordingly. With a suitable selection of the spinning speed and the duration of the UV irradiation, the process can be carried out in such a way that the completion of the polymerization coincides with the point in time at which the desired refractive index distribution is achieved.
Für ein gegebenes System von Polymeren, Monomeren, UV-Initiatoren und Wellenlänge der Bestrahlung kann eine Fachperson ohne unzumutbare Versuchsanstrengungen die Bedingungen bestimmen, die zur Herstellung von polymeren optischen Gradientenfasern erforderlich sind. Eine weitere Beschreibung von Variationen, die im Rahmen der Erfindung gemacht werden können, folgt.For a given system of polymers, monomers, UV initiators and wavelength of irradiation, one skilled in the art can determine, without undue experimentation, the conditions required to produce polymeric gradient optical fibers. A further description of variations that can be made within the scope of the invention follows.
Eine wichtige Variable ist die Polymerkonzentration in den Spinnmassen. Wenn die Kern- und Mantelspinnmassen eine ausreichend niedrige Polymerkonzentration aufweisen, wird die Diffusionsgeschwindigkeit sowohl des Monomeren mit hohem Brechungsindex als auch des Monomeren mit niedrigem Brechungsindex gross genug, um die Geschwindigkeit des Spinnverfahrens nicht zu beschränken.An important variable is the polymer concentration in the dopes. If the core and sheath dopes have a sufficiently low polymer concentration, the diffusion rate of both the high refractive index monomer and the low refractive index monomer will be high enough not to limit the speed of the spinning process.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass es mit dem erfindungsgemässen Verfahren möglich ist, ein Verfahren zu bieten, bei dem die Diffusion mit derart hoher Geschwindigkeit verläuft, dass die polymeren optischen Gradientenfasern in einem kontinuierlichen Zweikomponenten-Spinnverfahren mit einer Geschwindigkeit von annähernd 10 m/min. erzeugt werden können. Zu diesem Zweck sind die Kern- und Mantelspinnmassenlösungen des Polymeren in dem Monomeren mit einer Polymerkonzentration von 10 bis 50 Gew.-% vorhanden. Da eine hohe Geschwindigkeit der Diffusion am vorteilhaftesten ist, wird es bevorzugt, dass die Polymerkonzentration im Bereich von 10 bis 30 Gew.-% liegt.Surprisingly, it has been found that with the process of the invention it is possible to provide a process in which the diffusion takes place at such a high rate that the polymeric gradient optical fibers can be produced in a continuous two-component spinning process at a rate of approximately 10 m/min. For this purpose, the core and sheath spinning dope solutions of the polymer in the monomer are present at a polymer concentration of 10 to 50 wt.%. Since a high rate of diffusion is most advantageous, it is preferred that the polymer concentration is in the range of 10 to 30 wt.%.
Sowohl in der Kern- als auch der Mantelspinnmasse führt die Kombination eines Polymeren und eines Monomeren nicht nur zu unerwartet hohen Verfahrensgeschwindigkeiten, sondern es ist auch von entscheidendem Vorteil, dass selbst bei hohen Spinngeschwindigkeiten Filamente mit ausreichender Festigkeit gebildet werden kennen. Zu diesem Zweck wird die kontinuierliche Bildung der endlosen Zweikomponentenfilamente am besten so durchgeführt, dass die Kern- und Mantelpolymeren jeweils ein Molekulargewicht von grösser als 100,000 besitzen. Um hohe Diffusionsgeschwindigkeiten und hohe Spinngeschwindigkeiten zu erzielen, was eine niedrige Polymerkonzentration erfordert, wird bevorzugt, dass die Polymeren jeweils ein Molekulargewicht von grösser als 500'000 haben.In both the core and sheath spinning dope, the combination of a polymer and a monomer not only leads to unexpectedly high process speeds, but it is also a decisive advantage that even at high spinning speeds, filaments with sufficient strength can be formed. For this purpose, the continuous formation of the continuous bicomponent filaments is best carried out so that the core and sheath polymers each have a molecular weight of greater than 100,000. In order to achieve high diffusion rates and high spinning speeds, which require a low polymer concentration, it is preferred that the polymers each have a molecular weight of greater than 500,000.
Zur Gewinnung einer optischen polymeren Gradientenfaser mit optimalen Eigenschaften in Bezug auf optische Transmission ist es wünschbar, dass die Kern- und Mantelpolymeren chemisch identisch sind. Noch bevorzugter sind sie auch physikalisch gleich. Abgesehen von der positiven Beeinflussung der Endeigenschaften der Faser bietet dies auch ein überraschend einfaches und zweckmässiges Verfahren. Wenn nämlich Kern- und Mantelpolymere gleich sind, werden die Brechungsindexunterschiede in den Kern- und Mantelspinnmassen (und damit in der fertigen polymeren optischen Gradientenfaser) lediglich durch die Monomerauswahl bestimmt.To obtain a gradient polymer optical fiber with optimal properties in terms of optical transmission, it is desirable that the core and cladding polymers are chemically identical. Even more preferably, they are also physically identical. Apart from the positive influence on the final properties of the fiber, this also offers a surprisingly simple and convenient process. If the core and cladding polymers are the same, the refractive index differences in the core and cladding dopes (and thus in the finished gradient polymer optical fiber) are determined only by the monomer selection.
In diesem Fall wird bevorzugt, dass der Brechungsindexunterschied zwischen den im Kern enthaltenen Monomeren mit hohem Brechungsindex und dem im Mantel enthaltenen Monomer mit niedrigem Brechungsindex im oben angegebenen Bereich liegen. Vorzugsweise beträgt diese Differenz 0,01 bis 0,1.In this case, it is preferred that the refractive index difference between the high refractive index monomers contained in the core and the low refractive index monomer contained in the cladding be in the range specified above. Preferably, this difference is 0.01 to 0.1.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird angenommen, dass der Brechungsindex eines Monomeren proportional zum Brechungsindex des entsprechenden Homopolymeren ist. Der Brechungsindex der Interpolymeren, die durch Copolymerisation der Monomeren mit hohem bzw. niedrigem Brechungsindex in Kombination mit den ursprünglichen Polymeren entstehen, steht in proportionalem Verhältnis zum Anteil jedes Monomeren, das in solche Interpolymeren eingearbeitet ist.For the purposes of this specification, it is assumed that the refractive index of a monomer is proportional to the refractive index of the corresponding homopolymer. The refractive index of the interpolymers formed by copolymerizing the monomers with high or low refractive index in combination with the original polymers, is proportional to the proportion of each monomer incorporated into such interpolymers.
Ferner wird bevorzugt, dass das Monomer in einem der beiden Spinnmassen dem Polymer entspricht, das in der gleichen Spinnmasse enthalten ist. Obwohl dies nicht ausschliesst, dass jede der Spinnmassen des Monomeren und des Polymeren einander entsprechen und dass Kern und Mantel demzufolge ein unterschiedliches Polymer enthalten, wird es zur Vermeidung einer stufenartigen Brechungsindexverteilung sehr bevorzugt, dass die Polymeren gleich sind und dass entweder die Kernspinnmasse oder die Mantelspinnmasse das entsprechende Monomer enthält.It is further preferred that the monomer in one of the two dopes corresponds to the polymer contained in the same dope. Although this does not preclude that each of the dopes of the monomer and polymer correspond to each other and that the core and sheath therefore contain a different polymer, in order to avoid a step-like refractive index distribution it is highly preferred that the polymers are the same and that either the core dope or the sheath dope contains the corresponding monomer.
Aus Gründen der Verarbeitbarkeit, der preisgünstigen Zugänglichkeit von Substanzen mit hohem Molekulargewicht und guten optischen Eigenschaften wird es bevorzugt, dass das Polymer sowohl in den Kern- als auch in den Mantelspinnmassen Poly(methylmethacrylat) ist. In diesem Fall wird es ferner bevorzugt, dass das Mantelmonomer Methylrnethacrylat ist und das Kernmonomer einen höheren Brechungsindex hat als Methylmethacrylat. Das Monomer ist in diesem Fall vorzugsweise ein Acrylmonomer. Beispiele für Acrylmonomere mit hohem Brechungsindex sind Benzylmethacrylat, Phenylmethacrylat, 1-Phenylethylmethacrylat, 2-Phenylethylmethacrylat, Furfurylmethacrylat, 2-Chlorethylacrylat. Benzylmethacrylat und Phenylmethacrylat werden am meisten bevorzugt.For reasons of processability, inexpensive availability of high molecular weight substances and good optical properties, it is preferred that the polymer in both the core and sheath dopes is poly(methyl methacrylate). In this case, it is further preferred that the sheath monomer is methyl methacrylate and the core monomer has a higher refractive index than methyl methacrylate. The monomer in this case is preferably an acrylic monomer. Examples of high refractive index acrylic monomers are benzyl methacrylate, phenyl methacrylate, 1-phenylethyl methacrylate, 2-phenylethyl methacrylate, furfuryl methacrylate, 2-chloroethyl acrylate. Benzyl methacrylate and phenyl methacrylate are most preferred.
Es ist zu bemerken, dass geeignete optische Polymere und entsprechende oder analoge Monomere mit höherem und niedrigerem Brechungsindex den Fachleuten bekannt sind. So wurden Werkstoffe und Komponenten mit Gradientenindex von Y. Koike in Polymers for lightwave and integrated optics, L. A. Hornak (Hrsg.), Kapitel. 3, Seiten 71-104 beschrieben.It should be noted that suitable optical polymers and corresponding or analogous monomers with higher and lower refractive index are known to those skilled in the art. For example, gradient index materials and components were described by Y. Koike in Polymers for lightwave and integrated optics, L. A. Hornak (ed.), Chapter 3, pages 71-104.
Wenn die Herstellung von polymeren optischen Gradientenfasern zur Verwendung im nahen Infrarotbereich (nah-IR) gewünscht wird, sollte eine optische Dämpfung, die durch die Absorption von Licht durch Obertöne der Vibrationsfrequenzen der Wasserstoffatome enthaltenden Bindungen, insbesondere O-H, N-H, C-H soweit wie möglich vermieden werden. Dies kann dadurch erzielt werden, dass die Wasserstoffatome durch schwerere Elemente ersetzt werden. Auch in anderen Wellenlängenbereichen kann durch den Ersatz von Wasserstoffatomen durch schwerere Elemente eine vorteilhafte Verbreiterung der Frequenzbereiche bei polymeren Lichtleitern erzielt werden, bei welchen Absorptionsminima auftreten.If the production of polymeric optical gradient fibers for use in the near infrared (near-IR) range is desired, optical attenuation caused by the absorption of light by overtones of the vibration frequencies of the bonds containing hydrogen atoms, in particular O-H, N-H, C-H, should be avoided as far as possible. This can be achieved by replacing the hydrogen atoms with heavier elements. In other wavelength ranges too, replacing hydrogen atoms with heavier elements can achieve an advantageous broadening of the frequency ranges in polymeric optical fibers where absorption minima occur.
Die polymeren optischen Gradientenfasern gemäss der Erfindung werden meistens mit sichtbarem Licht verwendet. Im Fall von im Heim herzustellenden Verbindungen von optischen Fasern hat dies Vorteile. Ferner wird das bevorzugte Material Poly(methylmethacrylat) meist mit sichtbarem Licht verwendet, da es in diesem Bereich ein Absorptionsminimum besitzt.The polymeric gradient optical fibers according to the invention are mostly used with visible light. This has advantages in the case of home-made optical fiber connections. Furthermore, the preferred material poly(methyl methacrylate) is mostly used with visible light because it has an absorption minimum in this range.
Als Wasserstoffersatzelemente werden jedenfalls Fluor und/oder Chlor bevorzugt, da diese zusätzlich zur Abstimmung des Brechungsindex verwendet werden können. F und Cl haben kontrastierende Einzelwirkungen: während Fluor eine scharfe Absenkung des Brechungsindex verursachen kann, verursacht Chlor, dass dieser höher wird.In any case, fluorine and/or chlorine are preferred as hydrogen replacement elements, as these can also be used to adjust the refractive index. F and Cl have contrasting individual effects: while fluorine can cause a sharp reduction in the refractive index, chlorine causes it to increase.
Für eine weitere Erklärung und ohne Beschränkung folgen hier eine Beschreibung der besten Ausführungsform der Erfindung, ein Beispiel und ein Vergleichsbeispiel.For further explanation and without limitation, a description of the best mode for carrying out the invention, an example and a comparative example follow.
Zwei Gele werden in einem Zweikomponenten-Spinnverfahren zu einer Kern-Mantelfaser verarbeitet. Das Kerngel (Kernspinnmasse) besteht aus hochmolekularem Poly(methylmethacrylat) - PMMA - gelöst in monomerem Methacrylat mit einem höheren Brechungsindex als IC4A (Methylmethacrylat), vorzugsweise Benzylmethacrylat. Die Mantelspinnmasse ist e n Gel von PMMA in MMA.Two gels are processed in a two-component spinning process to form a core-sheath fiber. The core gel (core spinning mass) consists of high molecular weight poly(methyl methacrylate) - PMMA - dissolved in monomeric methacrylate with a higher Refractive index as IC4A (methyl methacrylate), preferably benzyl methacrylate. The sheath spinning mass is a gel of PMMA in MMA.
Die vorzugsweise verwendeten PMMA-Polymeren und die zum Erspinnen eines Fadens mit ausreichender Festigkeit erforderlichen Mindestgelkonzentrationen sind in der folgenden Tabelle I zusammengestellt. Tabelle I The PMMA polymers preferably used and the minimum gel concentrations required to spin a thread with sufficient strength are listed in Table I below. Table I
Es wird bevorzugt, dass in den Kernpolymeren solche mit dem höchst möglichen Molekulargewicht verwendet werden. Das Molekulargewicht des Polymeren ist vorzugsweise niedriger als das im Kern, doch wird noch bevorzugter im Kern eine Mischung aus höher molekularen und niedermolekularen Polymeren verwendet.It is preferred that the core polymers used are those with the highest possible molecular weight. The molecular weight of the polymer is preferably lower than that in the core, but more preferably a mixture of higher molecular weight and lower molecular weight polymers is used in the core.
Die Spinnmassen (Gele) werden durch Auflösen des oder der Polymeren in den jeweiligen Monomeren bei 80ºC unter Rühren hergestellt. Um eine thermische Vernetzung zu vermeiden, wird die Zugabe des Inhibitors (z. B. Benzochinon) zu den Spinnmassen bevorzugt. Ein Initiator (z. B. Irgacure® 369) wird zugesetzt, um die UV-Vernetzung durchzuführen.The spinning masses (gels) are prepared by dissolving the polymer(s) in the respective monomers at 80ºC with stirring. To avoid thermal crosslinking, the addition of the inhibitor (e.g. benzoquinone) to the spinning masses is preferred. An initiator (e.g. Irgacure® 369) is added to carry out UV crosslinking.
Die Spinnanlage ist mit zwei Kolbenpumpen ausgerüstet, eine für den Kern und eine für den Mantel. Die Pumpen werden durch Eingiessen mit den Spinnmassen gefüllt und die Spinnanlage dann zusammengebaut. Aus den Kolbenpumpen führen zwei Leitungen zu einer Zweikomponenten-Spinndüse, durch welche eine Kern-Mantelfaser gebildet wird. Durch Abstimmung der Abgabemenge der Kolbenpumpen kann die Zusammensetzung der Faser in Bezug auf das Volumenverhältnis zwischen Mantel und Kern wie gewünscht gewählt werden (z. B. von 20/80 bis 80/20). In der technischen Praxis werden kontinuierliche Dosiersysteme gegenüber Kolbenpumpen bevorzugt.The spinning system is equipped with two piston pumps, one for the core and one for the sheath. The pumps are filled with the spinning mass by pouring them in and the spinning system is then assembled. Two lines lead from the piston pumps to a two-component spinneret, through which a core-sheath fiber is formed. By adjusting the output of the piston pumps, the composition of the fiber in relation to the volume ratio between sheath and core can be selected as desired (e.g. from 20/80 to 80/20). In technical practice, continuous dosing systems are preferred over piston pumps.
Beim Verspinnen ist der gebildete Faden von einem Glasrohr umgeben, in welchem eine inerte Atmosphäre (z. B. Stickstofffluss) herrscht, um Sauerstoff auszuschliessen (was eine nachteilige Wirkung auf die UV-Vernetzung hat). Nach einem vorbestimmten Abstand (innerhalb dessen die Diffusion der Monomeren erfolgt) ist eine Vernetzungssektion vorgesehen, die eine Anzahl von UV-Quellen mit einer Längenwelle ihrer Strahlung von vorzugsweise im Bereich von 300 bis 450 nm aufweist. Beispielsweise wird eine Philips Cleo Performance (313-370 nm) verwendet. Andere geeignete Lampen sind unter anderem Philips Color 03 (340-400 nm), 05 (370 nm), 08 (360-370 nm) und 10 (340-400 nm). Vorzugsweise liegt die Emission im Bereich von 350-400 nm, da diese Wellenlängen eine vorteilhafte Penetrationstiefe aufweisen und geeignete Initiatoren dafür erhältlich sind.During spinning, the thread formed is surrounded by a glass tube in which an inert atmosphere (e.g. nitrogen flow) prevails to exclude oxygen (which has a detrimental effect on UV cross-linking). After a predetermined distance (within which the diffusion of the monomers takes place) a cross-linking section is provided which has a number of UV sources with a wavelength of their radiation preferably in the range of 300 to 450 nm. For example, a Philips Cleo Performance (313-370 nm) is used. Other suitable lamps include Philips Color 03 (340-400 nm), 05 (370 nm), 08 (360-370 nm) and 10 (340-400 nm). Preferably, the emission is in the range of 350-400 nm, since these wavelengths have an advantageous penetration depth and suitable initiators are available for them.
Es ist zu bemerken, dass die ideale Situation dann gegeben ist, wenn in einer ersten Stufe Diffusion stattfindet, um das gewünschte Brechungsindexprofil zu bilden, und dass in einer zweiten Stufe dieses Profil durch UV-Vernetzung fixiert wird. Im allgemeinen überlappen sich jedoch diese Stufen in der Praxis, da die Vernetzungsgeschwindigkeit von gleicher Grössenordnung (Sekunden) ist wie die Diffusionsgeschwindigkeit. Fachleute sind in der Lage, ohne unzumut baren Versuchsaufwand mit dem üblichen Fachwissen der Vernetzung über relativ grosse Distanzen (dicke Schichten, grosse Durchmesser, d. h. Millimeterskala statt dünne Filme im nm-Bereich) den Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem die Vernetzung zum Erzielen des gewünschten Profils beginnen sollte. Hierzu ist zu verweisen auf J. Rad.Curing, 1980, 7(2), Seite 20, und auf J. G. Woods, "Radiatioh curable adhesives", in: Radiation Curing: Science and Technolog (S. P. Pappas, Hrsg.), Plenum Publishers, New York, 1992, Kapitel 9.It should be noted that the ideal situation is when diffusion takes place in a first stage to form the desired refractive index profile and that in a second stage this profile is fixed by UV cross-linking. In general, however, these stages overlap in practice, since the cross-linking speed is of the same order of magnitude (seconds) as the diffusion speed. Experts are able to It is possible to determine the point in time at which crosslinking should begin to achieve the desired profile without a reasonable amount of experimentation and with the usual expertise in crosslinking over relatively long distances (thick layers, large diameters, ie millimetre scale rather than thin films in the nm range). Reference is made to J. Rad.Curing, 1980, 7(2), page 20, and to JG Woods, "Radiation curable adhesives", in: Radiation Curing: Science and Technology (SP Pappas, ed.), Plenum Publishers, New York, 1992, Chapter 9.
Es wurde eine Lösung von PMMA (Handelsname Elvacite 2041 von ICI, It = 540,0000 gemessen durch HPLC) MMA mit einer Konzentration von 28 Gew.-% hergestellt. Die Lösung enthielt 100 ppm Benzochinon als thermischen Inhibitor und 0,1 Gew.-% (±)-2-Benzyl-2-(dimethylamino)-4 '-morpholinobutyrophenon (Irgacure 369) als UV-Initiator.A solution of PMMA (trade name Elvacite 2041 from ICI, It = 540.0000 measured by HPLC) MMA was prepared with a concentration of 28 wt%. The solution contained 100 ppm benzoquinone as a thermal inhibitor and 0.1 wt% (±)-2-benzyl-2-(dimethylamino)-4'-morpholinobutyrophenone (Irgacure 369) as a UV initiator.
In gleicher Weise wurde eine zweite Lösung von PMMA (Elvacite 2041) in BzMA, ebenfalls mit einer Konzentration von 28 Gew.-%, hergestellt.In the same way, a second solution of PMMA (Elvacite 2041) in BzMA, also with a concentration of 28 wt.%, was prepared.
In einem Spinnversuch wurden zwei Hochdruckspritzpumpen mit diesen Lösungen gefüllt. Die beiden Pumpen sind mit einer Zweikomponenten-Spinndüse verbunden. Die Spinntemperatur betrug 75ºC. Eine Zweikomponentenfaser mit der Lösung mit MMA im Mantel und der Lösung mit BzMA im Kern wird durch eine Kapillare mit 1 mm Durchmesser in eine Stickstoffatmosphäre gesponnen. Die Extrusionsgeschwindigkeit betrug 0,6 m/min. das Volumenverhältnis von Mantel zu Kern betrug 50 : 50. Die Aufnahmegeschwindigkeit betrug 1,2 m/min. Unterhalb der Spinndüse wurde eine Diffusionssektion mit einer Länge von 50 cm, gefolgt von einer Härtungssektion mit einer Länge von 150 cm gebildet. Das Abziehen erfolgt in der Diffusionssektion, so dass die Verweilzeit in der Vernetzungssektion 75 Sekunden betrug. Die Vernetzungssektionen enthalten 12 W-Röhren in einem Kreis um das ersponnene Filament mit einer Strahlung zwischen 213 und 370 nm (Philips Cleo Performance).In a spinning test, two high-pressure injection pumps were filled with these solutions. The two pumps are connected to a two-component spinneret. The spinning temperature was 75ºC. A two-component fiber with the solution with MMA in the sheath and the solution with BzMA in the core is spun through a capillary with a diameter of 1 mm into a nitrogen atmosphere. The extrusion speed was 0.6 m/min. The volume ratio of sheath to core was 50:50. The take-up speed was 1.2 m/min. Below the spinneret, a diffusion section with a length of 50 cm was formed, followed by a curing section with a length of 150 cm. The drawing off takes place in the diffusion section, so that the residence time in the cross-linking section was 75 seconds. The cross-linking sections contain 12 W tubes in a circle around the spun filament with a radiation between 213 and 370 nm (Philips Cleo Performance).
Die Lichttransmission der hergestellten Faser konnte einfach mit einer Lichtauelle bestätigt werden.The light transmission of the manufactured fiber could be easily confirmed using a light tube.
In einem Vergleichsspinnversuch wurde die gleiche Arbeitsweise befolgt, jedoch unter Verwendung von PMMA mit einem niedrigeren Molekulargewicht, nämlich Elvacite 2021 mit Mw = 130,000, gemessen mittels HPLC. Es wurde keine Fadenbildung festgestellt und die Lösung tropfte von der Spinndüse ab.In a comparative spinning test, the same procedure was followed but using PMMA with a lower molecular weight, namely Elvacite 2021 with Mw = 130,000, measured by HPLC. No thread formation was observed and the solution dripped from the spinneret.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |