DE69614023T2

DE69614023T2 - Verfahren zum schnellen Auftragen und Härten einer Beschichtung einer optischen Faser

Info

Publication number: DE69614023T2
Application number: DE69614023T
Authority: DE
Inventors: Darryl Leneir Brownlow; Alex Harris; Nicholas James Levinos; Robert Clark Moore; Lloyd Shepherd; Yussuf Sultan Ali
Original assignee: AT&T Corp; AT&T IPM Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1995-04-20
Filing date: 1996-04-10
Publication date: 2002-03-21
Anticipated expiration: 2016-04-11
Also published as: EP0738695B1; EP0738695A1; US5756165A; DE69614023D1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung polymerbeschichteter Lichtleitfaser und insbesondere verbesserte Verfahren zum Beschichten und Aushärten solcher Faser. Die verbesserten Verfahren ergeben schnellere, verbesserte Beschichtungen, geringere Verarbeitungskosten und eine verbesserte Energieausnutzung.

Allgemeiner Stand der Technik

Lichtleitfasern sind Schlüsselkomponenten in modernen Telekommunikationssystemen. Lichtleitfasern sind dünne Fasern aus Glas, die ein Lichtsignal, das eine große Informationsmenge enthält, über große Distanzen mit sehr geringen Verlusten übertragen können. Eine Lichtleitfaser ist im wesentlichen ein Wellenleiter mit kleinem Durchmesser, der durch einen Kern mit einem ersten Brechungsindex, der von einem Mantel mit einem zweiten (niedrigeren) Brechungsindex umgeben wird, gekennzeichnet ist. Lichtstrahlen, die in einem Winkel auf dem Kern auftreffen, der kleiner als ein kritischer Annahmewinkel ist, erfahren eine interne Totalreflexion im Faserkern. Diese Strahlen werden mit minimaler Dämpfung entlang der Achse der Faser geführt. Typische Lichtleitfasern bestehen aus hochreinem Silika mit geringfügigen Konzentrationen von Dotierungsstoffen zur Steuerung des Brechungsindex.
Kommerzielle Lichtleitfasern werden mit Polymerbeschichtungen ausgestattet, wie zum Beispiel Urethanacrylatbeschichtungen, um die Fasern vor mechanischer Abnutzung und Mikrobiegebelastungen zu schützen. Die Beschichtungen werden in der Regel unmittelbar nach dem Ziehen der Faser aufgebracht und on-line mit UV-Licht in einem kontinuierlichen Prozeß des Ziehens, Beschichtens und Aushärtens ausgehärtet. Die beschichtete Faser wird dann zur Speicherung auf Rollen gewickelt. Ein solcher Prozeß wird in US-A-4 388 093 beschrieben.
Der übliche Prozeß der Faserbeschichtung und -aushärtung führt zu Problemen bei der Aushärtgeschwindigkeit, den Kosten und der Energieausnutzung. Der Aushärtschritt ist ein relativ langsamer Schritt, der die Geschwindigkeit des kontinuierlichen Prozesses begrenzt. Obwohl höhere Zieh- und Beschichtungsgeschwindigkeiten möglich sind, hat der Aushärtungsschritt die Geschwindigkeit typischer kommerzieller Prozesse auf etwa 5 Meter pro Sekunde begrenzt. Da eine praktische Grenze für die UV-Intensität besteht, die aus Hochleistungs-UV-Lampen abgeleitet werden kann, erfordert ein Erhöhen der Ziehgeschwindigkeit in der Regel die Verwendung längerer Hochleistungs-Lampensysteme, die die beschichtete Faser über eine längere Länge hinweg beleuchten. Diese Modifikation ist sowohl wegen den Kosten der Hochleistungs-UV-Lampen als auch wegen der vergrößerten Benutzung von Vertikalraum auf dem Ziehturm zum Aushärten kostspielig. Ein kontinuierliches Aushärten ist außerdem energieineffizient. Die sich bewegende beschichtete Faser wird in der Regel durch einen Brennpunkt eines zylindrischen elliptischen Reflektors geleitet, wobei sich am anderen Brennpunkt eine UV-Lampe befindet. Der Durchmesser des fokussierten ultravioletten Lichts muß jedoch für eine leichte Ausrichtung größer als der Faserdurchmesser sein. In der Regel werden nur einige wenige Prozent des Lichts bei einer einzigen Beleuchtung von der Beschichtung absorbiert.
Eine zusätzliche Schwierigkeit bei dem herkömmlichen kontinuierlichen Beschichtungsprozeß besteht darin, daß die Aushärtung der Beschichtung bei erhöhten Temperaturen stattfindet, deren Werte zu 120-150ºC abgeschätzt werden. Dies ist auf die erhöhte Temperatur des Glases zum Zeitpunkt der Beschichtung, die Hitze aus den Hochleistungs-UV-Lampen und der durch die Aushärtreaktion selbst freigegebene Hitze zurückzuführen. Die erhöhten Aushärttemperaturen können die mechanischen Eigenschaften der Polymerbeschichtung, darunter das mechanische Modul (das durch einen insitu-Modultest gemessen wird) und die primäre Faserbeschichtungsabreißkraft (ein Maß der Haftung von Beschichtung/Glas), verschlechtern. Für Beschichtungen auf kommerziellen beschichteten Fasern sind sowohl ein stabiles, gut gesteuertes mechanisches Modul als auch eine hohe Abreißkraft wichtige Faktoren. Dementsprechend wird ein verbesserter Prozeß zur Beschichtung und Aushärtung von Lichtleitfaser benötigt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren nach Anspruch 1 bereitgestellt.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die Anmelder haben festgestellt, daß die Geschwindigkeit der Faserherstellung wesentlich vergrößert werden kann, indem ein zweischrittiger Aushärtprozeß verwendet wird, bei dem die Faser on-line mit hohen Geschwindigkeiten gezogen, beschichtet und Ultraviolettlicht ausgesetzt wird, um eine teilweise Aushärtung der Beschichtung zu bewirken. Nach weiterem Abkühlen wird die teilweise ausgehärtete Beschichtung durch Belichtung mit Ultraviolettlicht auf der Rolle voll ausgehärtet. Die Belichtung auf der Rolle kann auf der Ziehturm-Aufnahmerolle stattfinden, während diese sich mit Faser füllt, oder kann off-line stattfinden, nachdem die Aufnahmerolle gefüllt und von der Linie entfernt wurde. Die Belichtung auf der Rolle findet vorteilhafterweise entweder während des Füllens der Aufnahmerolle oder während des Leerens der Rolle statt, so daß jede Faserschicht auf der Rolle gleichermaßen dem Ultraviolettlicht ausgesetzt wird. Dieses Verfahren der UV-Belichtung verbessert die Energieausnutzung bei der zweiten Belichtung um einen Faktor von mindestens 10 bis auf einen Faktor von 1000. Die Faserabreißstärke und das mechanische Modul verbessern sich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Vorteile, Beschaffenheit und verschiedenen zusätzlichen Merkmale der Erfindung werden bei Betrachtung der nun ausführlich zu beschreibenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der Schritte bei der Herstellung einer polymerbeschichteten Faser;
Fig. 2 eine Vorrichtung, die bei der Bewirkung der teilweisen on-line-Aushärtung in dem Prozeß von Fig. 1 nützlich ist; und
Fig. 3 eine bevorzugte Vorrichtung zur Bewirkung der letzten Aushärtung auf der Rolle in dem Prozeß von Fig. 1.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der UV- Intensität als Funktion der Winkelposition der Rolle für die Vorrichtung von Fig. 3.
Fig. 5 zeigt Aushärtungsgrade für Fasern, die während des Wiederaufwickelns mit mehreren Geschwindigkeiten ausgehärtet werden.
Es vesteht sich, daß diese Zeichnungen lediglich Beispiele für die Konzepte der Erfindung sind und mit Ausnahme des Graphen nicht maßstabgetreu sind.

Ausführliche Beschreibung

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines verbesserten Prozesses zur Herstellung polymerbeschichteter Lichtleitfaser. Der erste im Block A gezeigte Schritt besteht in der Bereitstellung der unbeschichteten Faser. Vorzugsweise wird die Faser bereitgestellt, indem von einem Glas-Preform gezogen wird. Dies unterscheidet sich von der herkömmlichen Praxis insofern, als die Faser schneller gezogen wird, und zwar mit mehr als 10 m/s.
Der nächste, im Block B gezeigte Schritt ist das Auftragen von unausgehärtetem Polymer auf die Faser. Das unausgehärtete Polymer wird vorzugsweise dadurch aufgetragen, daß die gezogene Faser durch eines oder mehrere Bäder aus ungehärteter Polymerflüssigkeit geleitet wird. Bei typischen Anwendungen wird der Faser eine Doppelbeschichtung verliehen, die aus einer primären (inneren) Beschichtung und einer sekundären (äußeren) Beschichtung besteht. Die Polymerbeschichtungen können beliebige von vielfältigen Polymeren sein, darunter Kohlenwasserstoffpolymere, Polyether, Polycarbonate, Polyester und Silikone. Die primäre Beschichtung wird vorteilhafterweise so formuliert, daß eine weiche, gummiartige Beschaffenheit bereitgestellt wird, während die sekundäre Beschichtung vorteilhafterweise eine stärker vernetzte, glänzende Beschaffenheit erzeugt. Die Polymere werden vorzugsweise durch Urethanacrylate abgeschlossen. Beschichtungen aus Kohlenwasserstoffpolymeren, die mit Urethanacrylaten abgeschlossen werden, werden in dem US-Patent Nr. 5,146,531 mit dem Titel Ultraviolet Curable Coatings For Optical Fibers and Optical Fibers Coated Therewith für Paul J. Shustack, 8.9.1992, beschrieben. Beschichtungen mit Polycarbonatpolymeren, die mit Urethanacrylaten abgeschlossen werden, werden in der Internationalen Anmeldung WO91/03503, veröffentlicht unter dem Patentkooperationsabkommen am 21.3.1991 mit dem Titel "Primary Coating Composition For Optical Glass Fibers", beschrieben.
Der dritte, im Block C dargestellte Schritt ist das teilweise Aushärten der Polymerbeschichtung on-line mit hoher Geschwindigkeit. Genauer gesagt wird die mit dem ungehärteten Polymer bedeckte Faser durch eine oder mehrere UV-Aushärtlampen mit hoher Geschwindigkeit (10- 20 m/s) geleitet, obwohl die Lampen die Polymerbeschichtung bei dieser Geschwindigkeit nicht vollständig aushärten können. Das Ziel besteht darin, eine ausreichende teilweise Aushärtung der äußeren Polymerbeschichtung zu erzielen, so daß die die Lampe verlassende Faser auf eine Rolle gewickelt werden kann, ohne zusammenzukleben oder permanent deformiert zu werden. Dies wird vorzugsweise durch eine Aushärtung im Bereich von 55-75% der Doppelbindungsumbildung erzielt.
Die bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung der teilweisen on-line-Aushärtung ist die in Fig. 2 abgebildete herkömmliche UV-Lampenanordnung mit einer UV-Lampe 20 und einem zylindrischen Reflektor 21 mit elliptischem Querschnitt. Die Lampe wird vorteilhafterweise entlang einer Brennlinie ausgerichtet, und die Faser 22 wird so entlang der anderen Brennlinie geleitet, daß reflektierte Strahlung auf der Faser konzentriert wird.
Der nächste Schritt nach einem weiteren Abkühlen besteht darin, die Aushärtung des Polymers auf der Rolle zu beenden. Vorzugsweise erfolgt dies während des Abnehmens der Faser von der Linie durch Aufwickeln auf die Turm-Aufnahmerolle. Als Alternative kann der Faser die Aushärtung auf der Rolle bei einem nachfolgenden Abwickeln der Aufnahmerolle wie bei einem Transfer von Rolle zu Rolle vermittelt werden. Vorzugsweise härtet dieser Schritt die Faser weiter bis auf einen Aushärtungsgrad von 90-95% der Doppelbindungsumbildung aus.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung der Aushärtung auf der Rolle, mit einer Rolle 30 teilweise ausgehärteter Faser 31 und 2 UV- Lampen 32 (die jeweils zwei Birnen 33 enthalten), die sich parallel zu der Rollenachse erstrecken. Die Reflektoren 34 werden zum Richten von Licht aus den Birnen zu der Rolle bereitgestellt. Die Drehung der Rolle um ihre Achse ergibt eine Belichtung der gesamten Faser. Vorteilhafterweise kann das zweite Aushärten erzielt werden, während die Rolle während der Aufnahme gefüllt wird, oder während sie während des Umwickelns geleert wird, so daß alle Faserlagen auf der Rolle gleichermaßen dem Ultraviolettlicht ausgesetzt werden. Um die Reaktionseffizienz zu optimieren, sollte das Ultraviolettlicht so reflektiert werden, daß die Stirnseite der Rolle gleichmäßig beleuchtet wird, statt einer Fokussierung auf eine Linie oder einen Punkt. Vorteilhafterweise erstrecken sich die Reflektoren 34 in der Nähe der Rolle, um Techniker vor einer direkten Belichtung mit UV-Licht zu schützen, und Endschirme 35 werden für den gleichen Zweck bereitgestellt.
Das Verfahren von Fig. 1 und seine Vorteile bei der Herstellung von Lichtleitfaser werden bei Betrachtung des folgenden Beispiels deutlicher.

Beispiel

Aushärtexperimente auf der Rolle wurden mit UV-A-Schwarzlichtlampen ausgeführt, die eine Rolle von Faser beleuchteten, während diese mit verschiedenen Geschwindigkeiten abgewickelt wurde. Der Aufbau war wie in Fig. 3 dargestellt. Die Experimente verwendeten XX-15A-Schwarzlichtlampen von der Spectronics Corp. Diese Schwarzlichtbirnen haben eine Gesamtleistung von jeweils 15 W und erzeugen ungefähr 1 mW/cm² UV-A- Intensität in einer Entfernung von 25,4 cm (10 Zoll) von der Birne. Die Birnen sind 30,48 cm (12 Zoll) lang und wurden in Paaren in standardmäßigen Gestellen angebracht, ähnlich wie Leuchtstofflichtgestelle mit integralen Aluminiumreflektoren. Experimente wurden so ausgeführt, daß entweder zwei oder vier Gestelle um die Rolle herum angeordnet waren, wodurch entweder vier oder acht Lampen die Rolle beleuchteten. Zur Prüfung der tatsächlichen Dosis auf der Faseroberfläche wurde ein Lightbug-Monitor von International Light auf einer Rolle angebracht und zur Überwachung der UV-Intensität beim Betrieb zweier Gestelle (vier Lampen) verwendet. Die UV-Intensität als Funktion der Winkelposition ist in Fig. 4 gezeigt. Es ist ersichtlich, daß die Gesamt- UV-Intensität etwa einer Intensität von 2,5 mW/cm² gleich kommt, die die Hälfte der Rollenoberfläche beleuchtet. Im Fall von vier Gestellen (acht Lampen) beleuchten die beiden zusätzlichen Gestelle die Rückseite der Rolle, so daß die Gesamtintensität auf der gesamten Rollenoberfläche ungefähr 2,5 mW/cm² entspricht.
Es wurden mehrere Faserrollen mit unterausgehärteter Acrylatfaser besorgt. Die Beschichtung war unterausgehärtet, wobei die primären Aushärtungsgrade, gemessen durch Infrarotspektroskopie, 60-70% betrugen. Die Rollen enthielten typischerweise ~20 km Faser.
Zur Verstärkung der Aushärtungsgrade wurde die Faser auf eine (nichtbeleuchtete) Aufnahmerolle abgewickelt und das Umwickeln wurde zur selben Zeit begonnen, zu der die Lampen eingeschaltet wurden. Zwei km Faser wurden umgewickelt, um sicherzustellen, daß die Abwickelrolle einen gleichmäßigen Aushärtungsgrad erreicht. Danach wurde die Faser geschnitten und die Faser auf der Abwicklungsrolle wurde untersucht, indem Abschnitte von mehreren Metern mit Infrarotanalyse analysiert wurden. Es wurde festgestellt, daß die verstärkte Aushärtung aufgrund der Lampen ungefähr 750 m (Faser) auf der Rolle oder etwa 3 vollständige, dichtgepackte Faserlagen durchdringt. (Die tatsächliche Fasermenge in jeder Lage beträgt eher 150 Meter, da die Lagen nicht dichtgepackt sind.) Die Eindringtiefe legt nahe, daß die UV-Eindringung ausreicht, um eine gleichförmige Aushärtung auf der Unterseite gegenüber der Oberseite jeder Faserlage zu garantieren. Die Aushärtung auf der oberen Faserlage wird als ein Maß des stationären Werts der Aushärtung bei jeder Umwickelgeschwindigkeit verwendet.
Fig. 5 zeigt die Ergebnisse für eine Faser mit einem anfänglichen primären Aushärtungsgrad von 70%, die entweder mit 4 oder 8 Lampen weiterausgehärtet wird. Die Verstärkungsaushärtung mit 4 Lampen, die 60 W Gesamtleistung darstellt, beträgt 92% bei 8 m/s Umwickelgeschwindigkeit und ist bei niedrigeren Geschwindigkeiten besser. Mit 8 Lampen ist die Aushärtung im wesentlichen abgeschlossen, sogar bei 8 m/s.
Die Vorteile dieses zweischrittigen Aushärtprozesses sind beträchtlich. Die höhere Durchlaufgeschwindigkeit vergrößert den Durchsatz proportional. Und überraschenderweise verringert die zweite Aushärtung auf der Rolle die notwendige UV-Leistung um einen Faktor von mehreren zehn bis mehreren tausend. Das gesamte ultraviolette Licht kann auf die Stirnseite der Rolle abgebildet werden, so daß nahezu 100% des Lichts von der Beschichtung absorbiert wird. Außerdem kann die Beleuchtung länger mit niedrigeren Leistungspegeln erfolgen, was bei der Induzierung von Polymerisierungsreaktionen wirksamer ist. Ein dritter Vorteil entsteht, da die Faser sich von ihren erhöhten Temperaturen bis auf eine Temperatur von vorzugsweise weniger als 50ºC vor der letzten Aushärtung abkühlen kann. Dies erzeugt eine verbesserte Aushärtung mit verbesserter Abreißstärke und höherem In-situ-Modul.
Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Ausführungsformen nur ein Beispiel für einige wenige der vielen möglichen spezifischen Ausführungsformen sind, die Anwendungen der Prinzipien der Erfindung darstellen können.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung polymerbeschichteter Lichtleitfaser mit den folgenden Schritten:

Ziehen unbeschichteter Lichtleitfaser (31) aus einem Preform (Fig. 1, Block A);

Aufbringen einer Beschichtung aus unausgehärtetem Polymer on-line auf die gezogene Faser (Fig. 1, Block B),

teilweises Aushärten der unausgehärteten Polymerbeschichtung on-line durch Belichten mit Ultraviolettstrahlung mit einer Geschwindigkeit von mehr als 10 m/s (Fig. 1, Block C);

Aufwickeln der Faser auf eine Rolle (30); und

völliges Aushärten der Polymerbeschichtung auf der Rolle (Fig. 1, Block D).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die teilweise ausgehärtete Faserbeschichtung bei einer Temperatur T 50ºC völlig ausgehärtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des völligen Aushärtens durch die folgenden Schritte ausgeführt wird:

Aufwickeln der Faser auf eine Rolle; und

Belichten der Rolle mit Ultraviolettstrahlung, während sich die Faser auf die Rolle wickelt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin mit dem Schritt des Abnehmens der Faser von der Rolle, wobei der Schritt des völligen Aushärtens durch den folgenden Schritt ausgeführt wird:

Belichten der Rolle mit Ultraviolettstrahlung, während die Faser von der Rolle abgenommen wird.