JP4845007B2

JP4845007B2 - 光ファイバ心線および光ファイバテープ心線とその製造方法

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Publication number: JP4845007B2
Application number: JP2006076834A
Authority: JP
Inventors: 哲夫佐藤; 康雄中島; 敦義妹尾
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2026-03-20
Also published as: JP2007256322A

Description

本発明は、光ファイバケーブルに収納される光ファイバ心線及びその製造方法に関するものである。特に紫外線硬化性樹脂組成物の硬化物により被覆された光ファイバ素線に、着色材を含む紫外線硬化性樹脂組成物を塗布して硬化させ光ファイバ心線とした際に、被覆層と着色層との良好な密着性を有する光ファイバ心線を提供する。

光ファイバ素線は、通常、ガラス光ファイバを保護するためにその外周に２層の被覆、すなわち軟質の一次被覆層（プライマリ層）及び硬質の二次被覆層（セカンダリ層）を有している。ケーブル内で用いられる場合、光ファイバ素線は、識別のためにその外周に着色を行って光ファイバ心線とし、さらに複数本の心線を透明な紫外線硬化樹脂で一括被覆することで光ファイバテープ心線として提供されることがある。このテープ心線は接続の際、テープ層を除去して複数本の独立した心線として用いる。しかしながら、着色層とセカンダリ層との密着力がテープ層と着色層との密着力よりも弱い場合には、テープ心線から心線を取り出すためにテープ層を除去する際に同時に着色層も剥がれてしまい、光ファイバ着色心線として使用できなくなる。

被覆材の密着力は、その下地となる樹脂の表面状態に大きく依存する。すなわち、着色層とセカンダリ層との密着力は光ファイバ素線の表面状態に大きく影響される。たとえば、「特許文献１」では、光ファイバ素線の表面を未硬化状態で保持させ、その外周に着色層を設けることで、良好な密着力を得る光ファイバ着色心線の製造方法が開示されている。
特開平04-268521号公報

特許文献１に開示されているように、光ファイバ素線の表面が未硬化状態であると、着色層の硬化時に光ファイバ素線表面との間に化学的な結合が生じ、良好な密着力が得られ易いと考えられるが、光ファイバ素線の表面を未硬化状態としても、光ファイバ素線のぬれ性が低く、良好な密着が得られない場合がある。

上述の課題を解決すべく、本発明の光ファイバ心線は、ガラス光ファイバに少なくとも１層の被覆層樹脂を被覆してなる光ファイバ素線の上層に、着色用被覆層樹脂液が塗布され、この着色用被覆層樹脂液が硬化されて構成され、光ファイバ素線の表面自由エネルギーの極性力成分γ_s ^pが着色用被覆層樹脂液の表面張力γ_lより大きいことを特徴とする。

本発明の光ファイバ心線の一つの実施態様において、光ファイバ素線の表面自由エネルギーの極性力成分γ_s ^pは、既知の表面自由エネルギーを有する少なくとも２種類の液体に対する光ファイバ素線の後退接触角βから算出される。

さらに、上述の光ファイバ心線を複数本平面上に並べ、テープ層樹脂により一括被覆することにより、本発明の光ファイバ心線の特徴を備える光ファイバテープ心線が得られる。

また、本発明の光ファイバ心線の製造方法においては、ガラス光ファイバに少なくとも１層の被覆層樹脂を被覆することにより光ファイバ素線が生成され、当該光ファイバ素線の上層に着色用被覆層樹脂液を塗布し、着色用被覆層樹脂液を硬化させることにより、光ファイバ心線が生成され、光ファイバ素線を生成する際に、光ファイバ素線の表面自由エネルギーの極性力成分γ_s ^pが、前記着色用被覆層樹脂液の表面張力γ_lより大きくなるように、前記光ファイバ素線の最外被覆層の樹脂硬化時に使用される雰囲気中の酸素濃度および／または紫外線照射量を調整することを特徴とする。

本発明の光ファイバ心線の製造方法の一つの実施態様において、光ファイバ素線の表面自由エネルギーの極性力成分γ_s ^pは、既知の表面自由エネルギーを有する少なくとも２種類の液体に対する光ファイバ素線の後退接触角βから算出される。

本発明によれば、良好な着色密着力を有する光ファイバ心線を提供することができる。またそのような光ファイバ心線を一括被覆することで、単心分離性に優れた光ファイバテープ心線を提供することができる。

図１は、本発明に係る光ファイバ心線の一実施形態を示す模式的断面図である。光ファイバ心線６は着色材を含む紫外線硬化性樹脂組成物からなる着色層樹脂５を光ファイバ素線４の外周に被覆したものである。光ファイバ素線は、ガラス光ファイバ１を第一次被覆層（プライマリ層２）と第二次被覆層（セカンダリ層３）で被覆したものである。一般的には、プライマリ層はヤング率３ＭＰａ以下、セカンダリ層はヤング率５００ＭＰａ以上の樹脂が用いられている。

図２は、本発明に係る光ファイバテープ心線の一実施形態を示す模式的断面図である。光ファイバテープ心線８は複数本の光ファイバ心線６を紫外線硬化性樹脂組成物からなるテープ層樹脂７にて一括被覆したものである。

本発明の光ファイバ心線に用いられる光ファイバ素線４は一例として、以下の方法で製造される。あらかじめ用意した所定の屈折率分布を有する光ファイバ用母材を図４に示す線引き方法により線引きする。具体的には、まず、光ファイバ用母材４１を加熱炉４２により加熱溶融させ、外径約１２５μｍのガラス光ファイバ１に線引きする。このガラス光ファイバ１上に、樹脂被覆用のダイス４３にてプライマリ層２用の紫外線硬化型樹脂を塗布し、引き続き所定の酸素濃度雰囲気に調整された紫外線照射室４４にて紫外線を照射してこれを硬化させ、プライマリ層２を形成する。更に、ダイス４５にてセカンダリ層３用の紫外線硬化型樹脂を塗布し、引き続き所定の酸素濃度雰囲気に調整された紫外線照射室４６にて紫外線を照射して硬化させ、セカンダリ層を形成し、外径約２５０μｍの光ファイバ素線４を得、これをボビン４７に巻き取る。

ここで得られた光ファイバ素線４に、さらにダイスを用いて着色用被覆層樹脂液を塗布し、引き続いて所定の酸素濃度雰囲気に調整された紫外線照射室にて紫外線を照射して硬化させることで、光ファイバ心線６が形成される。

第３図は光ファイバ素線４の表面自由エネルギーを求めるための動的接触角の測定方法についての説明図である。動的接触角は自動表面張力計（K100, KRUSS社製）を用いて測定した。測定環境は温度２５℃、湿度５０％である。光ファイバ素線４は両面テープを用いて自動表面張力計のプローブ部１１に固定されている。この光ファイバ素線４を表面張力が既知の液体に一定速度で浸漬していくときの接触角を前進接触角αと呼び、逆に液体から一定速度で引き上げるときの接触角を後退接触角βと呼ぶ。前進接触角αは液体に対するぬれ性を示す指針とされているが、本発明では塗布樹脂との密着性が、液体に接触した後の表面状態を示す後退接触角βから算出される表面自由エネルギーの極性力成分と相関関係にあることを見出したことから、ここでは後退接触角βを用いる。ウイルヘルミィ法よる接触角の計算方法は、公知文献（例えば、石井他編、「ぬれ技術ハンドブック ―基礎・測定評価・データ―」、株式会社テクノシステム）に記載の通りである。また接触角から表面自由エネルギーを計算するOwensの式についても上記の公知文献などに記載の通りである。表面自由エネルギーの分散力成分及び極性力成分を求めるには、その表面自由エネルギーが既知の２種類以上の液体が必要であり、ここでは純水とジヨードメタンを用いて測定している。尚、純水の表面張力の分散力成分γ_l ^dは２６．０mN/m、極性力成分γ_l ^pは４６．８mN/mであり、その表面張力γ_lは合計値である７２．８mN/mである。またジヨードメタンの表面張力の分散力成分γ_l ^dは４４．１mN/m、極性力成分γ_l ^pは６．７mN/mであり、その表面張力γ_lは合計値である５０．８mN/mである。光ファイバ素線４の表面状態は周囲の環境によっても変化するため、光ファイバ素線４は接触角の測定前に、温度２５℃、湿度５０％の環境下で状態調整を行っている。

動的接触角の後退接触角βから表面自由エネルギーを算出するには、具体的は次のように行う。純水およびジヨードメタンのそれぞれに対し、次に示すOwensの式が成り立つ。
γ_l(1+cosβ) = 2(γ_l ^dγ_s ^d)^0.5 + 2(γ_l ^pγ_s ^p)^0.5
ここでβは実測値であり、γ_l ^dおよびγ_l ^hは先に記した純水およびジヨードメタンの固有値を用いる。不明なのはγ_s ^dおよびγ_s ^pであるが、純水およびジヨードメタンに対するそれぞれの式を連立方程式として解くことで、表面自由エネルギーの分散力成分γ_s ^dおよび極性力成分γ_s ^pが求まる。表面自由エネルギーγ_sはγ_s ^dおよびγ_s ^pの合計値である。
一方、光ファイバ素線４に塗布する着色材の表面張力γ_lは、樹脂液の状態において、温度２５℃、湿度５０％の環境下で、自動表面張力計（K100, KRUSS社製）用いて、白金板が樹脂液に一定速度で浸漬していくときの表面張力γ_lとして測定された。表面張力の計算方法は、上記の公知文献などに記載の通りである。

種々の表面状態を有する光ファイバ素線の、後退接触角βの測定を行い、表面自由エネルギーγ_sを算出した。また表面張力γ_lの異なる着色層用紫外線硬化性樹脂組成物をもちいて被覆を行い、着色密着力の測定を行った。結果を表１に示す。

表１において、酸素濃度と照射量は光ファイバ素線のセカンダリ層３形成時の、酸素濃度と紫外線照射量である。なお、照射量“高”とは１００ｍＪ／ｃｍ^２以上、“中”とは４０〜１００ｍＪ／ｃｍ^２、“低”とは４０ｍＪ／ｃｍ^２以下である。

また、表面自由エネルギーは、前述した光ファイバ素線４の純水およびジヨードメタンに対する動的接触角（後退接触角β）の結果から算出した表面自由エネルギーを示す。

着色密着力は、ナイロンたわしを用いたしごき試験により評価した値である。より具体的には、２ｃｍ^２程度の大きさに切断した市販のナイロンたわし（スコッチブライト）２枚で光ファイバ心線６を挟み、ナイロンたわしに均一に２０Ｎの荷重を加えた状態で光ファイバ心線をスライドさせた。測定は５回行い、その平均値を表１に記載した。

表１に示されたように、光ファイバ素線の表面自由エネルギーの極性力成分γ_s ^pと着色密着力に明らかな相関が見られる。すなわち、光ファイバ素線の表面自由エネルギーの極性力成分γ_s ^pが着色材の表面張力γ_lより小さいとき（言い換えれば、γ_s ^p-γ_lがマイナスのとき）、着色密着力（剥離までのしごき回数）は３回未満である。一方で極性力成分γ_s ^pが着色材の表面張力γ_lより大きい（言い換えれば、γ_s ^p-γ_lが０以上）とき、着色密着力（剥離までのしごき回数）は３回以上であり、またγ_s ^p-γ_lが大きくなるにつれて着色密着力も向上している。着色密着力（剥離までのしごき回数）が３回未満の光ファイバ心線は、着色密着力が低いことから単心分離不良を生じる問題がある。実際にしごき回数が３回以上である場合は、単心分離不良はほとんど生じず、しごき回数が３回未満である場合は、１０〜２０％くらいの単心分離不良率となるデータが得られている。また、このような着色心線や、このような着色心線を用いた光ファイバテープ心線は水に浸漬した際に、光ファイバ素線と着色層樹脂との界面に剥離が生じ、光ファイバの伝送損失が生じる可能性が高い。

一般に、液体の表面張力γ_lより固体の表面自由エネルギーγ_sの方が大きいと、その接触角は０°になり完全にぬれることになる。しかしながら表１に示されたように、光ファイバ心線６においては、着色材の表面張力γ_lより光ファイバ素線の表面自由エネルギーγ_sが大きくても着色密着力は不十分であり、着色材の表面張力γ_lより光ファイバ素線の表面自由エネルギーの極性力成分γ_s ^pが大きいことが必要である。また言い換えれば、良好な密着力を発現させるためには、光ファイバ素線の表面自由エネルギーの極性力成分γ_s ^pより小さい表面張力γ_lを有する着色材を用いる必要がある。

これは、光ファイバ心線６の製造において、着色材はダイスにより光ファイバ素線４上に強制的に塗布され、その後光ファイバ素線４の表面状態に応じて部分的にはじかれると考えられる。光ファイバ素線４に着色材が良好に塗られれば、安定した密着力が発現され、良好な着色密着力が得られると考えられる。従って、光ファイバ素線４の表面状態を評価するには、後退接触角βから求めた表面自由エネルギーγ_sが重要と推定される。

表面自由エネルギーの極性力成分γ_s ^pを調整する手段としては、セカンダリ層３の硬化時の照射量、および酸素濃度を調整することが挙げられる。セカンダリ被覆層３の樹脂硬化の際における紫外線照射量と酸素濃度を種々に変化させ、動的接触角（後退接触角β）の測定を行い、表面自由エネルギーの算出を行った。結果を表２に示す。

表２において、酸素濃度と照射量は光ファイバ素線のセカンダリ層３形成時の、酸素濃度と紫外線照射量である。なお、照射量“高”とは１００ｍＪ／ｃｍ^２以上、“中”とは４０〜１００ｍＪ／ｃｍ^２、“低”とは４０ｍＪ／ｃｍ^２以下である。

表２に示されたように、極性力成分γ_s ^pは硬化時の酸素濃度が高くなるにつれて大きくなる傾向がある。また一定の酸素濃度下では、極性力成分γ_s ^pは硬化時の照射量が低くなるにつれて大きくなる傾向がある。言い換えれば、光ファイバ素線の製造において、セカンダリ硬化時の酸素濃度や紫外線照射量の調整により、表面自由エネルギーを変化させることができ、表面自由エネルギーの極性力成分γ_s ^pを、着色用被覆層樹脂液の表面張力γ_lより大きくなるように、酸素濃度および／または紫外線照射量を調整することで、良好な着色密着力を有する光ファイバ心線を得ることができる。

以上から良好な着色密着力を得るためには、光ファイバ素線の上層に塗布する被覆層樹脂液の表面張力γ_lが、光ファイバ素線の表面自由エネルギーの極性力成分γ_s ^p以下である必要があり、そのためにはセカンダリ層３の硬化時の酸素濃度を高くする、または紫外線照射量を少なくすることが有効であることがわかる。ただし、これらの操作により被覆層樹脂の硬化性を下げすぎると、光ファイバ素線の被覆が柔らかくなり傷つきやすくなる問題を生じ、また被覆層樹脂の摩擦性が上がることから光ファイバ素線のボビン巻き取り時の巻き不良などの問題が生じる。ボビンへの巻き取り時の巻き不良を考慮すれば、γ_s ^pは６０mN/m以下が好ましい。

本発明の光ファイバ心線の一実施形態を示す模式的断面図である。本発明の光ファイバテープ心線の一実施形態を示す模式的断面図である。光ファイバ素線の動的接触角の測定方法についての説明図である。一般的な光ファイバ素線の製造方法を示す図である。

Claims

光ファイバ心線の製造方法であって、
ガラス光ファイバに少なくとも１層の被覆層樹脂を被覆することにより、光ファイバ素線を生成するステップと、
前記光ファイバ素線の上に着色用被覆層樹脂液を塗布し、前記着色用被覆層樹脂液を硬化させて、光ファイバ心線を生成するステップと、を含み、
前記光ファイバ素線を生成するステップの前に、前記光ファイバ素線の最外被覆層の樹脂硬化時に使用される雰囲気中の酸素濃度および／または紫外線照射量と前記光ファイバ素線の表面自由エネルギーの極性力成分γ _s ^p の関係を予め求めるステップを有し、
前記光ファイバ素線を生成するステップは、前記極性力成分γ_s ^pが、３１．８ｍＮ/ｍ以上６０ｍＮ/ｍ以下であり、かつ、前記着色用被覆層樹脂液の表面張力γ_lより大きくなるように、前記光ファイバ素線の最外被覆層の樹脂硬化時に使用される雰囲気中の酸素濃度および／または紫外線照射量を前記関係に基づいて調整するステップを含むことを特徴とする光ファイバ心線の製造方法。
前記光ファイバ素線の表面自由エネルギーの極性力成分γ_s ^pは、既知の表面自由エネルギーを有する少なくとも２種類の液体に対する前記光ファイバ素線の後退接触角βから算出されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ心線の製造方法。