DE10258352B4

DE10258352B4 - Verfahren zum Beschichten von Glasfasern sowie Verwendung der beschichteten Glasfasern

Info

Publication number: DE10258352B4
Application number: DE10258352A
Authority: DE
Inventors: Inka Dr. Henze; Dirk Dr. Schlatterbeck
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-12-13
Also published as: DE10258352A1

Abstract

Verfahren zum Beschichten von Glasfasern (1), gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
in einem ersten Schritt (I) wird die Glasfaser (1) mit einem Haftvermittler (2) beschichtet, wobei dieser Schritt online, das heißt während des Ziehprozesses bei der Glasfaserherstellung ausgeführt wird;
in einem zweiten nachfolgenden Schritt (II) wird die Glasfaser (1) mit einem Polyfluoralkylen (3) beschichtet, wobei der zweite Schritt (II) offline, das heißt zeitlich entkoppelt vom Ziehprozess der Glasfaserherstellung, ausgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Glasfasern sowie die Verwendung der beschichteten Glasfasern. Eine solche Beschichtung dient dem Schutz der Glasfasern.

Auf die folgenden Druckschriften wird verwiesen:

(1) DE 27 38 506 A1
(2) DE 198 44 023 A1
(3) EP 0 239 935 A2
(4) JP 2001172055 A
(5) DE 196 49 954 A1 .

Glasfasern werden heutzutage in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten in Form von Bild- oder Lichtleitfasern oder zur optischen Datenübertragung eingesetzt. In der Regel werden solche Glasfasern durch ein Ziehverfahren hergestellt, wobei in der Regel eine Preform berührungslos auf kleine Durchmesser ausgezogen wird. Die Glasfasern sind sehr anfällig gegen Beschädigungen, so dass es bereits beim Ziehprozess erforderlich ist, die Fasern unmittelbar mit einer Schutzschicht zu versehen. Die unmittelbare Beschichtung der gezogenen Glasfaser beim Ziehprozess ist dem Fachmann als Online-Beschichtung bekannt.

Beim üblicherweise eingesetzten Verfahren werden die Glasfasern mit Hitze- oder UV-härtbaren Kunststoffen online beschichtet. Ziel dieser Beschichtung ist die Erreichung einer bestmöglichen klimatischen und mechanischen Schutzfunktion für die Faser.

An die Faserbeschichtung werden verschiedene Anforderungen gestellt. Insbesondere bei Verwendung der Glasfaser in einem Glasfaserbündel sind beispielsweise Grenzen hinsichtlich der maximalen Dicke der Beschichtung gesetzt, da der Außendurchmesser der beschichten Faser bestimmte Abmaße nicht überschreiten darf. Gleichzeitig ist jedoch auch ein bestimmter minimaler Durchmesser der aktiven Faser gefordert, so dass die Beschichtung möglichst dünn ausgeführt sein sollte. Gleichzeitig muss diese Schicht aber auch die mechanischen und klimatischen Schutzfunktionen zuverlässig erfüllen.

Bekannte Beschichtungsverfahren weisen insbesondere bei dünnen Beschichtungen (< 20 μm) zwei erhebliche Nachteile auf: Zum einen erfüllen sie die Schutzfunktion nicht zuverlässig, insbesondere sind sie durchlässig für Feuchtigkeit (zum Beispiel Acrylate etc.) oder der Beschichtungsprozeß ist zu langsam (zum Beispiel bei der Beschichtung mit Polyimid). Eine langsame Beschichtung der Faser im Online-Prozeß bedeutet aber, daß die Produktivität der Ziehanlagen herabgesetzt wird, was zu höheren Produktionskosten führt.

Nachfolgend sollen einige bekannte Beschichtungswerkstoffe mit ihren spezifischen Nachteilen genannt werden, die heutzutage im Online-Beschichtungsverfahren eingesetzt werden:

– Polyurethan-Acrylate: kaum Schutz vor Wasserstoff und Korrosion, geringe Hochtemperaturfestigkeit, Tendenz zur Kristallisation
– Acrylate: gesundheitsschädlich, absorbieren Feuchtigkeit, neigen zu Versprödung
– Polyolefine: kein hermetischer Verschluss, geringe Langzeitstabilität, geringe Ölresistenz, wenig hochtemperaturfest
– Polyamide (Nylon): teuer und aufwendig in der Herstellung, zeigt größeren axialen Schrumpf
– Polyether: oxidierend, wasserabsorbierend
– Polyurethan-Monoacrylate: geringe Aushärtungsgeschwindigkeit
– Fluoralkyl-Methyiacrylate: geringe Haftung, schlechte Hochtemperaturfestigkeit
– Polyimid-Coating: Thermisches Aushärten bei 300° C nötig

Viele der bekannten Beschichtungen neigen zudem zur Expansion oder Schrumpfung unter Hitzeeinwirkung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Beschichten von Glasfasern anzugeben, das gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist und insbesondere die oben genannten Nachteile vermeidet. Weiterhin soll eine Glasfaser mit einer verbesserten Schutzbeschichtung dargestellt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben besonders vorteilhafte Ausgestaltungen.

Die Erfinder haben erkannt, daß die Beschichtung der Fasern mit einer besonders dünnen Schutzschicht nicht mit der bei dickeren Schichten möglichen Faserziehgeschwindigkeit erfolgen kann, da die Kraft der notwendigeerweise verwendeten dünnen Beschichtungsdüse auf die Faser extrem groß wird und die Fasern bei hohen Ziehgeschwindigkeiten geschädigt würden. Eine langsame Ziehgeschwindigkeit steht aber einer hohen Produktivität der Ziehanlagen entgegen, so dass erfindungsgemäß der zeitaufwendige Beschichtungsschritt vom eigentlichen Ziehprozess abgekoppelt wird, um die Produktivität der Ziehmaschine zu steigern. Um aber die Faser auch im eigentlichen Ziehprozess bereits vor Verletzungen zu schützen, wird erfindungsgemäß während des Ziehprozesses, das heißt online, auf die Glasfaser ein Haftvermittler aufgebracht, der die Faser insbesondere bei Aufwicklung auf eine Spule vor Verletzungen schützt. Dieser aufgebrachte Haftvermittler hat gleichzeitig eine zweite Funktion, er bereitet nämlich die vom Ziehprozess abgekoppelte Beschichtung mit einem Polyfluoralkylen vor.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten von Glasfasern sieht somit eine zweistufige Behandlung vor, nämlich das Beschichten der Glasfaser mit einem Haftvermittler online. und das anschließende Beschichten der Glasfaser mit einem Polyfluoralkylen offline. Da die Online-Beschichtung der Glasfaser mit dem Haftvermittler eine hohe Ziehgeschwindigkeit zuläss, insbesondere eine Ziehgeschwindigkeit von 50 – 1000 m/min kann eine große Produktivität der Ziehanlagen erreicht werden. Bei der anschließenden Offline- Beschichtung wird die mit dem Haftvermittler vorbehandelte Glasfaser mit Polyfluoralkylenen besichtet Besonders vorteilhaft sind Homopolymere aus fluorierten Alkylenen wie Teflon ® oder deren Copolymere wie Tefzel ® oder Teflon AR ®.

Als Haftvermittler hat sich Silan oder insbesondere die Online-Beschichtung mit fluoriertem Silan als vorteilhaft erwiesen, da sich damit das Polyfluoralkylen chemisch an die Glasoberfläche binden lässt, was zu einer kraftschlüssigen Umhüllung der Glasfaser führt. Ohne diese Vorbehandlung bildet Polyfluoralkylen auf Glasfasern lediglich eine formschlüssige Verbindung und neigt zum Abriss während des Beschichtungsprozesses.

Besonders bevorzugt ist Haftvermittler (2) ein Silan, das die allgemeine Formel:

aufweist, wobei x und y unabhängig voneinander 0, 1, 2 oder 3 ist und x + y = 3 ist, a, a' und b, b' unabhängig voneinander 0, 1 oder 2 sind und a + b sowie a' + b' = 2 ist und n und m unabhängig voneinander eine ganze Zahl von 0 bis 20 bedeutet und zusammen maximal 30 ergeben und R ein geradkettiger, verzweigter, gesättigter oder ungesättigter, ggf. Heteroatome aufweisender C₁- bis C₈-Alkylrest ist.

Durch die erfindungsgemäße Beschichtung von Glasfasern kann ein besonders hoher Schutz gegen Feuchte und/oder Hitze errreicht werden und eine besonders hohe Haftung des Polyfluoralkylens auf der Glasfaser. Dadurch können besonders dünne Schichten auf der Glasfaser ausgeführt werden, ohne dass die Gefahr des Beschichtungsabrisses auf der Oberfläche besteht. Insbesondere können Beschichtungen mit einer Gesamtdicke von weniger als 15 Mikrometern ausgeführt werden. Durch diese Platzersparnis können besonders enge Faserabstände in Glasfaserbündeln erreicht werden und ein besonders hohes Verhältnis von aktiver Fläche zur Umhüllungsfläche im Querschnitt der einzelnen Glasfaser.

Trotz der zeitlichen Entkopplung des langsameren Beschichtungsschrittes von der Faserziehanlage, was zu einer höheren Produktivität der Ziehanlage und damit zu geringeren Produktionskosten führt, wird die Faser durch die erfindungsgemäße Online-Beschichtung mit einem Haftvermittler zuverlässig gegen Beschädigung geschützt. Die Online- und die Offline-Beschichtung können vollständig unabhängig voneinander, sowohl zeitlich als auch räumlich entkoppelt erfolgen.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und den beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 schematisch die beiden Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine erfindungsgemäß beschichtete Glasfaser.
In 1 ist der erste Schritt 1 des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, nämlich die Online-Beschichtung der Glasfaser 1 mit einem Haftvermittler 2. Die Glasfaser 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Multikomponenten-Glasfaser und wird durch berührungsloses Ziehen hergestellt. Dies ist wichtig, um eine glatte feuerpolierte Oberfläche zu erreichen. Die Glasfaser wird aus einer Preform gezogen, welche aus einem stabförmigen Kernglas 1.1 und aus einem rohrförmigen Mantelglas 1.2, das das Kernglas 1.1 radial umschließt, aufgebaut ist. Die senkrechte ausgerichtete Preform wird in einen Ringofen 10 derart eingebracht, daß die Preform am axial unteren Ende erhitzt wird und so die Glasfaser 1 zunächst senkrecht nach unten aus der Preform gezogen wird. Anschließend wird die Glasfaser 1 über eine Umlenkrolle 12 in eine Horizontale umgelenkt und durch mit Haftvermittler getränkte Lappen 14 geführt. Somit wird der Haftvermittler 2 (wie angedeutet durch die Linien am Ende der dargestellten Glasfaser 1) durch Aufwischen auf die Glasfaser 1 aufgebracht. Die Lappen 14 werden vorzugsweise kontinuierlich getränkt. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, den Haftvermittler durch andere Verfahren auf die Glasfaser 1 aufzutragen, beispielsweise durch Sprühen oder direktes Tränken.
Anschließend kann die so hergestellte Glasfaser beispielsweise auf eine Spule (nicht dargestellt) aufgewickelt werden.
Man erkennt in 1 weiterhin den zweiten Schritt II des erfindungsgemäßen Verfahrens, der dem ersten Schritt 1 nachgeschaltet ist. Bei diesem Schritt wird die mit dem Haftvermittler 2 versehene Glasfaser 1 mit einem Polyfluoralkylen 3 beschichtet. Dies geschieht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mittels einer Beschichtungsdüse 13.
2 zeigt eine Glasfaser 1 mit einer Schutzschicht, die gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgebracht wurde. Die Glasfaser 1 wurde zunächst mit einem fluorierten Silan als Haftvermittler 2 online beschichtet, und anschließend wurde in einem nächsten Schritt ein Polyfluoralkylen 3 in Form von Teflon ® aufgebracht. Die gestrichelten Linien sollen in der 2 kennzeichnen, daß zwischen dem Haftvermittler 2 und dem Polyfluoralkylen 3 eine chemische Bindung stattgefunden hat, die zu einer kraftschlüssigen Umhüllung der Glasfaser geführt hat.
Selbstverständlich ist es auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren für eine Quarzglasfaser anstelle der dargestellten Multikomponenten-Glasfaser anzuwenden. Auch das Ziehen einer Faser direkt aus dem Tiegel ist möglich, insbesondere ohne vorher eine Preform herzustellen.

1: Glasfaser
1.1: Kernglas
1.2: Mantelglas
2: Haftvermittler
3: Polyfluoralkylen
10: Ringofen
12: Umlenkrolle
13: Beschichtungsdüse
14: Lappen
I: erster Schritt
II: zweiter Schritt

Claims

Verfahren zum Beschichten von Glasfasern (1), gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: in einem ersten Schritt (I) wird die Glasfaser (1) mit einem Haftvermittler (2) beschichtet, wobei dieser Schritt online, das heißt während des Ziehprozesses bei der Glasfaserherstellung ausgeführt wird; in einem zweiten nachfolgenden Schritt (II) wird die Glasfaser (1) mit einem Polyfluoralkylen (3) beschichtet, wobei der zweite Schritt (II) offline, das heißt zeitlich entkoppelt vom Ziehprozess der Glasfaserherstellung, ausgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Haftvermittler (2) ein Silan verwendet wird, das die allgemeine Formel:
aufweist, wobei x und y unabhängig voneinander 0, 1, 2 oder 3 ist und x + y = 3 ist, a, a' und b, b' unabhängig voneinander 0, 1 oder 2 sind und a + b sowie a' + b' = 2 ist und n und m unabhängig voneinander eine ganze Zahl von 0 bis 20 bedeutet und zusammen maximal 30 ergeben und R ein geradkettiger, verzweigter, gesättigter oder ungesättigter, ggf. Heteroatome aufweisender C₁- bis C₈–Alkylrest ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Polyfluoralkylen (3) ein Homopolymer aus fluorierten Alkylenen wie PTFE, insbesondere Teflon ® oder dessen Copolymer, insbesondere mit Ethylen wie Tefzel O verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Beschichtung eine Dicke von weniger als 15 Mikrometern aufweist.
Verfahren gemäß einem der Schritte 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung gemäß des ersten Schrittes (I) bei einer Ziehgeschwindigkeit der Glasfaser (I) von 50 – 1000 Metern pro Minute erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfaser (1) berührungslos gezogen wird, insbesondere aus einer Preform, und der Haftvermittler (2) insbesondere durch Aufwischen mittels mit Haftvermittler getränkten Lappen auf die Glasfaser (1) aufgebracht wird.
Verwendung der nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Schutzbeschichtung versehenen Glasfaser (1) als Lichtwellenleiter in einem optischen Kommunikationssystem.
Verwendung der mit einer Schutzbeschichtung versehenen Glasfaser (1) nach Anspruch 7 in einem optischen Interconnect.