专利名称：塑料光学产品、塑料光纤、用于制造塑料光学部件的设备以及制造塑料光学部件和塑料光 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制造塑料光学部件和塑料光学产品例如塑料光纤的方法。
背景技术：
与硅石光学部件相比，塑料光纤在加工便利性和成本方面具有优势。因此，可将塑料材料应用于光学部件如光纤中。塑料光纤比硅石光纤更加柔韧和轻便，因此在低成本制造大光纤方面，塑料光纤更具有优势。由于塑料光纤的传输损耗比硅石光纤大，因此优选将塑料光纤应用于其中传输损耗不成问题的短距离光通信中。
塑料光纤包括聚合物包层管和包层管内的聚合物芯体。该包层管通过挤压熔融的热塑性材料例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成。为了实现信号灯的全内发射，该包层管需要具有比芯体低的折射率。
通过拉拔光纤基材(预制坯)来制造光纤，其中该光纤基材通过在包层管内形成芯体的方式生产。例如，日本公开特许(JP-A)No.2-16504披露了通过同心挤出两种或多种具有不同折射率的聚合物成型预制坯的制造方法。在180℃至250℃的条件下对所述预制坯进行拉拔，从而生产出渐变折射率型(GI型)塑料光纤。JP-A-9-133818公开了一种通过同时挤出包层管和芯体成型预制坯的制造方法。此外，JP-A 8-201637公开了一种通过滴落未稀释溶液以在包层管内聚合芯体从而制成预制坯的方法，其中所述包层管以挤出成型方式形成。
在包层管被成型的同时，在刚刚将熔融聚合物挤出后将其送入到用于凝固的冷却装置内。因此，包层管的厚度变得不均匀。虽然在挤出过程中对熔融聚合物垂直挤压以防止其由于自身重力而弯曲，但因为挤压模形状和挤压速度的波动，仍然导致包层管厚度产生了变化。
如果包层管的厚度不一致，那么具有这种包层管的塑料光纤的直径则会变化。对这种光纤很难进行覆盖，并且使这种光纤与用于光传输的其他部件相连也非常困难。此外，由于这种不均匀直径的光纤导致高的传输损耗，因此需要降低不均匀性，以便能够在光传输系统中以塑料光纤代替硅石光纤。
本发明的目的是提供一种制造适用于具有较小厚度变化的包层管的塑料光学部件和塑料光学产品的方法以及通过该方法制造的塑料光学产品和塑料光纤。
发明概述根据本发明，按照如下步骤制造中空塑料光学部件(a)熔化聚合物；(b)从一挤压模中挤出该聚合物，以得到一中空熔融聚合物；(c)通过一成型模修正(矫正)该熔融聚合物的形状。
在优选实施例中，一减压泵通过形成于成型模的内表面上的多个孔与该成型模相连。当驱动该减压泵时，成型模的腔室被减压，从而使熔融聚合物紧密贴合于成型模的内表面上。成型模的内表面附近的气压优选为20kpa至50kpa。
成型模中的熔融聚合物的挤压速度优选等于或大于0.1m/min，以及等于或大于10m/min。熔融聚合物的温度优选等于或大于(Tg+30)℃，以及等于或大于(Tg+120)℃，其中Tg为聚合物的玻璃转化温度。此外，在挤压模的出口附近的熔融聚合物的表观粘度优选为500至10000Pa·s。
挤压模的出口与成型模的入口之间的距离优选大于0mm且小于20mm。可以在成型模的入口处安装一喉道部件，以保持光学部件厚度的一致性。熔融聚合物在离开成型模后进行冷却，以使其变为固态。
由于可通过成型模修正塑料光学部件的形状，因而能够减少中空塑料光学部件厚度上的误差。
可通过向所述塑料光学部件的中空区域内注入聚合材料来制造塑料光学产品。可以通过拉拔作为预制坯的塑料光学产品来制造塑料光纤。该塑料光学部件为该塑料光纤的包层，该聚合材料为该塑料光纤的芯体。
由于成型模降低了包层厚度误差，因此所述塑料光纤的光学特性得到改善。
附图的简要说明
图1是一塑料光学部件生产线的示意图；图2是图1的生产线中的成形模的部分分解透视图；图3是图2中的成型模的截面图；图4是沿IV-IV线剖开的图2中的成形模的截面图；图5A、5B和5C是本发明另一实施例的成型模的部分截面图；以及图6是根据本发明又一实施例的生产线的示意图。
实施本发明的最佳方式这里对作为优选实施例的带有包层管和芯体的塑料光纤生产线进行描述。下述所述这些实施例是并不意味着对本发明的权利要求的范围构成限制。
(塑料光纤的包层管)可通过挤压熔融热塑性材料形成所述包层管。该包层的折射率必须低于芯体的折射率，以使芯体内的传输光在芯体和包层管之间的界面处全反射。优选使用具有高持久性和抗热性的非晶态材料(无定形材料)制造包层管。例如，包层管的单体可以是甲基丙烯酸甲酯(MMA)、sthylene、甲基丙烯酸甲酯氘、三氟甲基丙烯酸乙酯、六氟异丙基-2-氟代丙烯酸酯，但并不局限于它们。将这些单体中的一个聚合成用作包层管的原料的均聚物。
可将两种或两种以上的单体聚合成用作包层管的原料的共聚物。也可以由两种或两种以上的单体的均聚物的组合物形成包层。所述包层管优选由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成，其中该聚甲基丙烯酸甲酯可通过MMA的聚合进行制备。在PMMA的不同结构的同质异构体中，考虑到成型工艺中的便易性，玻璃转化温度为105℃至120℃的间同结构是优选的。此外，考虑到塑料光纤的透明度，优选的是，用与制造芯体的材料相同的原料形成包层管。该包层管可为两层或多层，以减少传输损耗和弯曲损耗，并防止吸湿、提高强度等。这种包层管的一个例子通过由PMMA形成的内层和聚偏二氟乙烯(PVDF)形成的外层组成。
该包层管的平均聚合度优选为500至5000，更优选为700至3000，且最优选为800至2000。在上述优选平均聚合度的情况下，可平稳地拉拔预制坯以形成塑料光纤。以质量百分比计，聚合物中剩余原料的数量优选等于和小于1％，更优选为等于和小于0.5％。以上数值并非对包层管聚合物的性能进行限制。
(塑料光纤的芯体)可使用任何原料制造芯体，只要该芯体是透明的，以便传输光线。优选采用具有低传输损耗的聚合物来传输光线。例如，用作原料的单体可以是甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸甲酯氘、三氟甲基丙烯酸乙酯、六氟异丙基-2-氟代丙烯酸酯，但并不局限于它们。选择这些单体之一并将其聚合成可用作芯体材料的均聚物。在由该单体形成低聚物后，可生产出均聚物。该芯体可以由两种或两种以上单体的共聚物形成。也可以由均聚物的混合物形成该芯体。
该芯体优选由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成，其中该聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)可通过具有高聚合能力的MMA进行聚合而制备。还可使用具有其中氢原子(H)被氘原子(D)或卤素原子(X)置换的单体的均聚物、共聚物和复合聚合物。芯体中的CH链在一特定波长范围内导致传输损耗。氢原子的置换则导致该波长范围移向较长波长一侧，因此该特定波长范围内的传输损耗减少。
(添加剂)当将单体聚合成聚合物时，可以将聚合引发剂和聚合调节剂/改性剂(可作为链转移剂用的巯基化合物，如正丁硫醇(CH3-(CH2)3-SH)和正月桂基硫醇(CH3-(CH2)11-SH))添加到该单体中。这些添加剂能够有效地控制聚合状态和聚合速度，以及控制分子量，以使其适合于热拉拔工艺从而形成塑料光纤。
根据聚合状态和所使用的单体，可以选择使用聚合引发剂。用于该热聚合作用的聚合引发剂的例子有过氧化苯甲酰(BPO)、叔丁基过氧基-2-乙基乙酸酯(PBO)、过氧化二叔丁基(PBD)、叔丁基过氧基异丙基碳酸酯(PBI)、正丁基-4，4-双(叔丁基过氧基)paralate，但并不限于它们。也可将一种以上的聚合引发剂进行混合。
聚合调节剂(链转移剂)用于调节分子量，并且可根据单体的种类和聚合物的聚合程度进行选择。在将甲基丙烯酸甲酯化合物用作单体的情况下，如WO 93/08488中所公开的内容，聚合调节剂例如可以是烷基硫醇(例如正丁硫醇，正戊烷基硫醇，正辛基硫醇，正月桂基硫醇，叔十二烷硫醇)、苯硫酚(例如苯硫酚，间溴基苯硫酚，对溴基苯硫酚，间甲苯硫酚，对甲苯硫酚)。其中，优选采用烷基硫醇，例如正辛基硫醇，正月桂基硫醇和叔十二烷硫醇。还可以使用聚合调节剂，其中CH链中的氢原子被置换为氘原子(D)。也可将一种以上的聚合调节剂进行混合。本发明中聚合调节剂的示例并不限于上述物质。
渐变折射率型(GI型)光纤具有其中折射率从中央向外表面逐渐变化的芯体。与具有恒定折射率芯体的光纤相比，GI型光纤具有更大的传输能力。可通过添加折射率调节剂制造GI型光纤，以提高聚合物的折射率。聚合带有折射率调节剂的单体，以使芯体聚合物中包含有折射率调节剂。能够与聚合物共存并在聚合条件(加热和加压条件)下处于稳定状态的任何适宜材料均可作为折射率调节剂使用。例如，该折射率调节剂可以是安息香酯(BEN)、二苯硫(DPS)、磷酸三苯酯(TPP)、苄基邻苯二甲酰盐正丁基(BBP)、邻苯二甲酸二苯酯(DPP)，联苯(DP)、二苯基甲烷(DPM)、磷酸三甲苯酯(TCP)、二苯亚砜(DPSO)，但并不限于它们。其中，优选使用BEN、DPS、TPP和DPSO。
通过控制芯体内的折射率调节剂的数量和分布可以调节塑料光纤的折射率。而折射率调节剂的数量则根据光纤的用途和待混合原料确定。
所述芯体和/或包层管中还可包含一定程度的其他添加剂，其程度为这些添加剂不会影响光的传输能力。例如，可添加稳定剂，以提高抗气候影响能力和耐久性。此外，还可添加用作放大器的化合物，以随着信号灯的衰减发射泵浦光。将原料与这些添加剂一起成型，从而使芯体和/或包层管内包含添加剂。
(塑料光学部件的制造)塑料光学部件的生产线如图1所示。生产线10包括熔体挤出机11、挤压模12、成型模13、冷却器14以及拉拔机15。
熔体挤出机11具有一球丸形漏斗16，用来供应聚合物如PMMA。在熔体挤出机11的挤出部分11a处具有一带排架的单轴螺旋挤压机(未示出)。聚合物在挤出部分11a中熔化。该熔融聚合物向前进入到用于挤压的挤压模12中。该熔融聚合物的温度优选在(Tg+30)℃至(Tg+120)℃之间，其中Tg为聚合物的玻璃转化温度。更优选的是，熔融聚合物的温度在(Tg+70)℃至(Tg+90)℃之间。靠近挤压模12的出口12a处(参见图3)的熔融聚合物的表观粘度优选为500至10000Pa·s，更优选为1000至7000Pa·s，最优选为2000至5000Pa·s。将挤压模12内的熔融聚合物穿过出口12a挤出为一软包层(熔融树脂)20。
将软包层20传送至成型模13。所述成型模13的一个示例如图2、3和4所示，但本发明的成型模并不限于附图中所示的成型模。成型模13具有一成形管30，软包层20可穿过该成形管30被挤压。在使软包层20穿过成形管30被挤压的同时，软包层20的形状被修正，从而获得包层管21。成形管30中的软包层20的挤压速度S(m/min)优选为0.1＝S＝10.0，更优选为0.3＝S＝5.0，最优选为0.4＝S＝1.0。该挤压速度并不限于上述优选范围。
一减压室31优选通过形成于成形管30中的吸气孔30a与成形管30相连。当驱动与减压室31相连的真空泵17(参见图1)时，减压室31内的气压降低。然后，使包层管21的外表面21a与成形管30的内壁(成型壁)30b紧密贴合，从而改善包层管21的厚度一致性。减压室31内的气压优选为20kPa至50kPa，但并不限于此范围。
如图3所示，一用以调整包层21的直径的喉道部件18优选连接在成型模13的横向侧面13a，以减少包层21的厚度变化。喉道部件18可以与成型模13形成一体。图3中的平面角θ由带有软包层20的喉道部件18的切平面18a与垂直于包层21的挤压方向的平面21b限定。优选30°＝θ＝80°，以减小可导致包层形状不一致的压力，但也可将该平面角设在此范围外。
挤压模12的出口12a到成型模13的入口之间的距离L1应在0mm＜L1＜20mm的范围内，从而可以减小能够导致包层形状不一致的压力。此外，该范围内的长度L1可以防止软包层20由于自身重力而垂直弯曲。值得注意的是，成型模13的入口被定义为喉道部件18的外表面18b，并且当未连接喉道部件18时，其被定义为成型模的横向侧面13a。
长度L2被定义为沿挤出方向的成型模13(如果连接了喉道部件18的话，包括喉道部件18)的长度。为减少包层管21的厚度d2的波动，长度L2优选等于或大于包层管21的外径d1的4倍，更优选的是，等于或大于外径d1的8倍。这些比例关系并不对本发明构成限制。
包层管21的外径d1优选等于或小于50mm。更优选的是，外径d1为10mm＝d1＝30mm，最优选的是，15mm＝d1＝25mm。包层管21的厚度d2优选为2mm＝d2＝20mm，更优选的是，4mm＝d2＝15mm，最优选的是，4＝d2＝10mm。外径d1和厚度d2可以在这些范围外。
图1中，包层管21从成型模13被传送到冷却器14。冷却器14具有多个喷嘴40，以向包层管21提供冷却剂41，从而使包层管21凝固。冷却剂41被收集在接收器42中，并且由排出管42a排出。就节约资源方面来讲，优选在排出后重复使用冷却剂41。只要能使包层管21冷却，任何类型的冷却器14均可适用于本发明。
将冷却器14中的包层管21向着拉拔机15拉动，该拉拔机15具有一驱动辊50和一压紧辊51。一马达52与驱动辊50相连，以调节包层管21的拉拔速度。面对着驱动辊50的压紧辊51压紧包层管21，从而在与拉拔方向垂直的方向上调整包层管21的位置。通过调整包层管21的拉拔速度和位置，还可以减小包层管21厚度上的波动。
图5A、5B和5C示出了成形管的吸气孔的其他实施例。图5A所示的成形管63具有阶梯式横截面的吸气孔63a。图5B所示的成形管64具有三角形横截面的吸气孔64a。图5C所示的成形管65具有基本上为半球形横截面的吸气孔65a。其他形状的吸气孔例如横截面为矩形的吸气孔也适用于本发明。
图6示出了塑料光纤生产线的又一实施例。生产线70包括熔体挤出机11、挤压模12、冷却器71和拉拔机15。冷却器71具有一带有多个吸气孔72a的成形管72。图2、3和4所示的成形管30和图5A、5B和5C所示的成形管63至65均可应用到本实施例的成形管72中。
一真空泵(未示出)通过减压孔73与冷却器71相连，以减小冷却器71的内部气压。冷却器71具有多个可提供冷却剂的喷嘴74，以用于凝固包层管21。冷却剂75经由形成在冷却器71底部的排出管76排出。
由于可通过在其他塑性材料例如氯乙烯管的生产线上增加该成形管72的方式很容易地制备该生产线70，因此可有利地降低塑料光学部件的生产成本。此外，由于成形管72布置在冷却器71中，因此不必为成形管72准备一额外的区域。在进行初步试验以确定生产条件的情况下，可以通过根据生产条件改变成形管72的方式完成这样的初步试验。在降低初步试验的费用方面，这些特征是非常有利的。
利用如上所述的方法可生产出作为中空塑料光学部件的示例的光纤的包层管。该中空塑料光学部件还适用于除塑料光学纤维之外的其他目的。接着，将在下面对在包层管内具有芯体的预制坯的制造进行描述。
(预制坯的制造)
通过在由上述方法制成的包层管内形成芯体来制造该预制坯。优选的是，将包层管的一端覆盖，以便将单体(芯体原料)注入到包层管内。优选的是，将盖子紧紧地粘附在包层管的端部。该盖子优选由与包层管所用聚合物相同的材料制成，其可通过将包层管垂直保持在一容器内并使倾注在容器中的单体聚合的方式形成。
对注入在包层管中空部件内的用作芯体原料的单体进行界面聚合，以形成芯体。该芯体原料优选为与包层管原料相同的单体。可以将添加剂例如聚合引发剂和聚合调节剂添加到芯体原料中。可根据单体的种类调节添加剂的数量。聚合引发剂的数量优选为单体质量的0.005％至0.050％，更优选为单体质量的0.010％至0.020％。链转移剂的数量优选为单体质量的0.10％至0.40％，更优选为单体质量的0.15％至0.30％。
可通过添加折射率调节剂或聚合两种或更多种单体制造出渐变折射率(GI)型光纤。单体的聚合开始于包层管的内壁，并且向包层管的中心扩展。在聚合两种或更多种单体的情况下，与包层聚合物具有更高亲和性的单体主要在包层管内壁附近聚合，从而使具有更高亲和性的单体的密度在包层管附近变得较大。随着逐渐接近芯体中心，该具有更高亲和性的单体的密度逐渐变小。由于单体的组分可根据芯体的半径进行变化，因此芯体的折射率会逐渐变化。
在聚合带有折射率调节剂的单体的情况下，如WO 93/08488中所述，该包层管的被单体溶液(芯体溶液)溶解。那么，在已溶解单体扩散以形成一凝胶体的同时，该单体溶液并聚合。在该聚合中，由于该单体与该折射率调节剂相比具有对包层聚合物更高的亲合力，该折射率调节剂的密度在包层管的内壁附近变得更小。随着逐渐接近芯体中心，该折射率调节剂的密度逐渐变大。由于该折射率调节剂分布在该芯体中，该芯体中的折射率逐渐变化。
当在芯体内引入折射率分布时，芯体中的单体的热行为将根基折射率调节剂的密度变化。如果在恒定温度下聚合该单体，则响应于单体的收缩，其张弛能力发生变化，从而在预制坯内产生气泡和/或微孔。
此外，需要根据芯体单体的种类在适当的温度下进行聚合。低温聚合将降低芯体单体的聚合效率，并且这种不完全聚合可使透射率变差。另一方面，由于响应于体积收缩的不完全张弛，高的初始聚合温度将导致在芯体内产生气泡。当使用MMA作为芯体原料时，初始聚合温度优选为50℃至150℃，更优选为80℃至120℃。将单体注入包层管中之前，在低气压下对单体脱水和/或脱气可以有效地减少气泡。
在单体的聚合中，优选采用其10小时半衰期温度大于或等于单体沸点的聚合引发剂。优选的是，在初始聚合温度下以等于或大于聚合引发剂的半衰期的百分之十的周期聚合单体。随后的聚合周期优选等于或大于聚合引发剂的半衰期。此外，优选在等于或大于Tg且等于或小于(Tg+40)℃的温度下实施随后的聚合作用。温度Tg为芯体单体的玻璃转化温度。在这些条件下，初始聚合速度降得足够低，以便相应于体积收缩的单体松弛。因此，减少了预制坯内的气泡数量。
当使用MMA作为芯体原料时，所述其10小时半衰期温度大于或等于单体沸点的聚合引发剂例如可以是PBD和PHV。当使用PBD作为聚合引发剂时，优选在100℃至110℃的初始聚合温度下保持48至72小时，并且在120℃至140℃的随后聚合温度下保持24至48小时。当使用PHV作为聚合引发剂时，优选在100℃至110℃的初始聚合温度下保持4至24小时，并且在120℃至140℃的随后聚合温度下保持24至48小时。应使聚合温度尽可能快地逐渐或持续升高。
在聚合过程中，还可以如JP-A 9-269424所述对液态芯体加压，或如WO 93/08488所述对液态芯体减压。需要注意的是，术语“加压聚合”指在经加压的气压下进行聚合。例如，在加压聚合中，在将用作芯体原料的单体注入到圆柱形管内后，可以将作为包层管的塑料圆柱形管保持在一夹持器中。所述塑料圆柱形管被插入在与该塑料圆柱形管形状相同的夹持器的中空部分中。所述夹持器夹住该圆柱形管，以便在聚合过程中支持包层收缩而不产生变形。因此，夹持器的中空部分优选大于圆柱形管的直径，以便夹持器宽松地支承圆柱形管。中空部分的尺寸(如果使用圆柱形夹持器的话为内径)优选大于圆柱形管的外径的0.1％至40％，更优选的是大于10％至20％。
在加压聚合过程中，可以将带有圆柱形管的夹持器设置在一聚合腔内。聚合腔内的圆柱形管的轴向优选与垂直方向平行。对聚合腔内的圆柱形管加压，以便在惰性气体例如氮气或氩气的气氛中聚合芯体单体。在聚合过程中，聚合腔内的气压优选为0.05至1.00Mpa。
通过这种方式，便获得了带有芯体和包层的预制坯。除热聚合之外，还可利用紫外线聚合单体。
(由塑料光学部件制成的产品)预制坯可切成平面透镜元件，或者加热拉拔成塑料光纤。还可以形成在芯体内具有折射率分布的GI型塑料光纤。由于成型模提高了包层(塑料圆柱形管)的厚度均一性，因此可获得具有更高传输能力的塑料光纤。还可利用该预制坯形成其他光学产品，例如光学透镜和光波导。
带有塑料光纤(光缆)的光数据传输系统包括多种光学元件，例如光发射元件、光接收元件、光数据总线、光星形耦合器、光信号处理器以及光学连接器。由不同于上述方法的其他工艺制造的光纤也可被加入到该系统中。“塑料光纤的基础和实践”(由NTS有限公司发表)中所描述的任何已知技术均可适用于该系统的光学元件中。用于光学元件的其他例子可以为JP-A 10-123350和JP-A 2002-090571中所述的光数据总线，JP-A 2001-074971，JP-A 2000-329962，JP-A 2001-072966，JP-A2001-074968，JP-A 2001-318263以及JP-A 2001-311840中所述的光耦合器，JP-A 2000-241655中所述的光星形耦合器，JP-A 2002-062457，JP-A2002-101044和JP-A 2001-305395中所述的光信号传输装置和光数据总线系统，JP-A 2002-023011中所述的光信号处理器，JP-A 2001-086537中所述的光信号交叉连接系统，2002-026815中所述的光传输系统，以及JP-A2001-339554和JP-A 2001-339555中所述的多功能系统。
(塑料光纤的制造方法)作为塑料光学部件的塑料光纤可通过拉拔加热的预制坯的方式制成。加热温度根据预制坯的聚合物确定，并优选为180℃至250℃。拉拔预制坯的条件，例如张力和温度可根据预制坯聚合物的种类和塑料光纤的直径确定。例如，如JP-A 7-234322中所述，拉拔预制坯的张力优选等于或大于10g，以便为熔融的预制坯定向。此外，如JP-A 7-234324中所述，张力优选等于或小于100g，以便在塑料光纤内不产生应力。如JP-A8-106015中所述，在拉拔前可对预制坯进行预热。为改善弯曲和横向压力特性，可将塑料光纤的断裂延伸率和硬度控制在JP-A 7-244220中规定的限度以上。
通过上述方法生产的塑料光纤可用于不同的目的。为保护和/或加强塑料光纤，可以覆盖光纤、将纤维层混入塑料光纤中和/或捆束多个塑料光纤。
例如，为将树脂覆盖在塑料光纤上以制成塑料光缆，可使光纤束穿过形成在彼此相对的一对模具上的孔。在该模具之间的空间内充满熔融树脂的同时，将光纤束从一个模具移动至另一个模具，以便使熔融的树脂层覆盖在光纤束上。树脂层的厚度取决于熔融树脂的温度、光纤束的速度以及熔融树脂的冷却速度。当弯曲光纤时，树脂层可以保护光纤束不受应力的影响。为减少施加在光纤束上的应力，优选使树脂层覆盖在光纤束上而无需焊接在其上。确定光纤的移动速度，以便在覆盖过程中通过熔融的树脂减少热损伤。在该覆盖工艺中优选使用低熔化温度的树脂。当然也可利用其他已知方法，例如聚合施加到光纤束上的单体的方法、缠绕一片材的方法、以及将光纤束插入通过挤压成型的中空管内的方法。
主要有两种塑料光缆覆盖结构，即紧密覆盖结构和松散覆盖结构。紧覆盖结构的光缆具有与光纤束紧密接触的覆盖层。在松散覆盖结构的光缆中，在覆盖层和光纤束之间形成一间隙。当为连接光缆剥去覆盖层时，光缆被从光缆连接部分充入光缆中的该间隙内的水汽损坏。因此，通常使用情况下优选采用紧密覆盖结构。由于远离光纤束的覆盖层能够减轻损害如应力和热量，因此松散覆盖结构优选用于特定目的。光缆中的间隙可由具有流动性的半固体凝胶或粉末凝胶填充，以用于防潮。所述半固体和粉末凝胶还可具有其他功能，如耐热性和机械强度。可通过在覆盖过程中调整十字头模具中的挤压接头的位置以及控制气压来形成松散覆盖结构的光纤中的间隙。通过控制挤压接头的厚度和气压可以调整间隙的尺寸。
如果需要，在上述覆盖层(主覆盖层)的外表面上还可具有另一覆盖层(次覆盖层)。次覆盖层中可以具有例如构架抑制剂、紫外线吸收剂、抗氧化剂、收集剂和润滑剂等材料。只要原始覆盖层能够保持抗透射性和湿度，可将这些材料添加到主覆盖层中。一些构架抑制剂中可包含具有卤素如溴、添加剂和磷的树脂。近来，主要使用金属氢氧化物作为构架抑制剂，以用于减少有毒气体的散发。所述金属氢氧化物可包括在制造光缆的过程中不能除去的结晶水。因此，仅优选第二覆盖层中包含可作为构架抑制剂的金属氢氧化物。
可将具有多个功能的多个覆盖层覆盖在塑料光纤束上。例如，这样的覆盖层可以包括上述构架抑制剂层、用来防止吸湿的阻挡层、位于覆盖层之间或覆盖层内的吸湿剂(例如吸湿带或凝胶)、可作为减震器的挠性材料层和苯乙烯形成层、用来增强刚性的增强层。用作覆盖层的热塑性树脂可以包含结构材料，以提高光缆的强度。所述结构材料可以是高弹性的抗拉纤维和/或高刚度的金属丝。例如，该抗拉纤维可为芳族聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维。金属丝可以是不锈钢丝、锌合金丝、铜丝。所述结构材料并不限于上述所列材料。还可以提供其他材料，例如起保护作用的金属管、用来夹持光缆的支承丝线。在光缆布线中还可使用机械装置，以提高工作效率。
通过同心地捆束光纤束可形成捆束，并且通过平行布置光纤束可形成所谓的带绕芯线。还可使用LAP鞘套或粘合带收集捆束和带绕芯线。
实施例在下面的实施例中将描述塑料光纤的光学特征。这些实施例中的细节，例如原料和成型条件并不对本发明进行限制。
实施例1(制造包层管)可利用图1所示的生产线10制造用作塑料光学部件的包层管。供给至球形漏斗16的适量PMMA在一带有排架的单轴螺旋挤压机中熔化，并在挤压模12内挤压，以形成软包层20。所述PMMA的聚合度为1000。PMMA的分子量为100,000。PMMA的玻璃转化温度Tg为108℃。软包层20的温度为(Tg+70)℃至(Tg+120)℃。在挤压模12的出口12a处的聚合物的表观粘度为3000至4000Pa·s。以0.5m/min的挤压速度将软包层20送入成型模13中。
使用带有基本上为半球形吸气孔(参考图5C)的成型模13(参考图3)将软包层20模制为包层管21。包层管21的外径d1为20mm，厚度d2为5mm。减压室31内的气压为30kpa。喉道部件18的平面角θ为45°。挤压模12的出口和喉道部件18的外表面18b之间的距离L1为15mm。在长度为2.5m的冷却器14内冷却包层管21，以获得由PMMA形成的塑料圆柱形管(包层管)。冷却器14内的冷却剂41的温度为15℃。
(预制坯的制造)通过混合脱水MMA和低分子量化合物来制备用于折射率分布的溶液。使用精度为0.2μm的聚四氟乙烯膜式过滤器对所述溶液进行过滤。将过滤过的溶液注入到长度为600mm的PMMA圆柱形管内。该低分子化合物可以是二苯硫。所添加的二苯硫的量为MMA质量的11％。用作聚合引发剂的双叔丁基过氧化物的量为MMA质量的0.013％。作为聚合调节剂的正月桂基硫醇的量为MMA重量的0.27％。将含有添加剂的MMA注入后，将PMMA管垂直插入到设在一加压聚合室中的玻璃管内。所述玻璃管的中空区域的直径比圆柱形管的外径大2mm。在120℃的氮气氛围下使芯体单体(MMA)聚合48小时，从而得到预制坯。其中氮气压力为0.2Mpa。
在230℃下对预制坯进行加热后，拉拔预制坯，以得到直径为750μm、长度为600m的塑料光纤。塑料光纤的直径误差为-15μm至15μm。使用传输光线测量塑料光纤的传输损耗。其中该传输光线的波长为650nm。测量到的传输损耗为158dB/km，它比传统的塑料光纤更接近于理论极限(106dB/km)。测量频率范围，以与传统塑料光纤的传输能力数据进行对比。所测量到的频率范围的最大值是1.05GHz/100m，其优于传统的塑料光纤(50GHz/100m)通过测量杨氏模量和连接强度可计算塑料光纤的机械强度。利用strograph MA(由Toyo Seiki Seisaku-sho，Ltd.制造)进行上述测量。通过在拉伸塑料光纤的上下端部的同时检测带有节点的塑料光纤断裂时的负载，可测量上述连接强度。该塑料光纤的试样的长度为100m。使用一对夹头分别夹住其上端和下端大约10m的地方。夹头的间距为50mm，并且以10m/min的速度仅拖动上端的夹头。
测得的杨氏模量为41.2Mpa，测得的连接强度为46.3Mpa。该结果显示，使用上述方法制造的塑料光纤具有可满足实际使用的足够强度。
实施例2(包层管的制造)使用图1所示的生产线10制造用作塑料光学部件的包层管。该实施例中的原料为PVDF树脂KF-#850(由Kureha Chemicl Industry Co.，Ltd.制造)。将在球形漏斗16中提供的原料在带有排架的单轴螺旋挤压机中熔化。该PVDF树脂的熔点(Tm)为177℃。软包层20的温度T满足下述关系Tm-30＝T＝Tm+70。软包层20的温度T优选为170℃至200℃。其他制造条件与实施例1中的相同。在挤压模内挤压熔融树脂，以形成中空圆柱形包层管。包层管的外径d1为20mm，厚度d2为5mm。
(在包层管内形成芯杆)对圆柱形玻璃管的中空部分进行脱水，以便使中空部分的水汽为100ppm或更小。所述玻璃管的内径为10mm。通过在甲基丙烯酸甲酯(MMA)中添加添加剂来制备溶液。所述添加剂是可作为链转移剂(分子量调节剂)的正丁硫醇和可作为聚合引发剂的过氧化苯甲酰。其中过氧化苯甲酰的量为MMA质量的0.5％。正丁硫醇的量为MMA重量的0.28％。对该MMA溶液进行热聚合，同时在70℃下加热玻璃管，并以3000rpm的速度旋转玻璃管。这样，在玻璃管的内表面上形成厚度为5mm的PMMA层。
然后，对用作芯体原料的MMA进行脱水，使其等于或小于100ppm。通过向MMA中添加用作折射调节剂的二苯基硫化物制备溶液。所述二苯基硫化物的量为MMA质量的12.5％。利用精度为0.2μm的膜式过滤器对该溶液过滤后，将其注入到玻璃圆筒的中空部分内。用作聚合引发剂的双叔丁基过氧化物的用量为MMA质量的0.016％。用作聚合调节剂的十二烷基硫醇的用量为MMA重量的0.27％。将包含MMA溶液的玻璃管垂直放置到一加压聚合腔内。在120℃的氮气氛围下使芯体单体(MMA)聚合48小时。其中氮气压力为0.2Mpa。因此，得到带有折射率分布的圆柱形聚合物。将该圆柱形聚合物插入PVDF包层管内，以得到预制坯。
在230℃下对预制坯进行加热后，拉拔预制坯，以得到直径为750μm、长度为300m的塑料光纤。在拉拔过程中没有气泡产生。在波长为650nm的情况下，所测得的塑料光纤的传输损耗为165dB/km。长度为100m的塑料光纤的频率范围为1.10GHz。
工业实用性本发明可适用于塑料光学部件，例如塑料光纤。本发明还适用于渐变折射率型塑料光纤。
权利要求
1.一种制造中空光学部件的方法，包括如下步骤熔化聚合物；从一挤压模中挤出所述聚合物，以得到一中空熔融聚合物；以及通过一成型模修正该熔融聚合物的形状。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤驱动一减压泵，以使所述成型模减压，所述减压泵通过形成于成型模的内表面上的多个孔与成型模相连，从而所述熔融聚合物紧密贴合成型模的内表面。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成型模中的熔融聚合物的挤压速度等于或大于0.1m/min以及等于或大于10m/min。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔融聚合物的温度优选等于或大于(Tg+30)℃以及等于或大于(Tg+120)℃；其中Tg为所述聚合物的玻璃转化温度。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述挤压模的出口附近的熔融聚合物的表观粘度为500至10000Pa·s。
6.一种制造塑料光学产品的方法，包括以下步骤向所述塑料光学部件的中空区域内注入聚合材料；以及硬化所述聚合材料。
7.一种制造塑料光纤的方法，包括以下步骤拉拔按照权利要求6所述方法制造的塑料光学产品；其中所述塑料光学部件为所述塑料光纤的包层，所述聚合材料为所述塑料光纤的芯体。
8.一种按照权利要求6所述方法制造的塑料光学产品。
9.一种通过拉拔如权利要求8所述光学产品制成的塑料光纤，其中所述塑料光学部件为所述塑料光纤的包层，所述聚合材料为所述塑料光纤的芯体。
10.一种制造塑料光学部件的设备，包括用于熔化聚合物的装置；用以挤出所述聚合物以得到一中空熔融聚合物的挤压模；以及一设置在所述挤压模的下游侧用以修正所述熔融聚合物的形状的成型模。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，进一步包括一用来对所述成型模减压的减压泵，所述减压泵通过形成于所述成型模的内表面上的多个孔与所述成型模相连，其中所述熔融聚合物紧密贴合所述成型模的内表面。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述成型模的内表面处的气压为20kpa至50kpa。
13.如权利要求10所述的设备，其特征在于，进一步包括一安装在所述成型模的入口处的喉道部件。
14.如权利要求10所述的设备，其特征在于，进一步包括在通过所述成型模后用于冷却所述熔融聚合物的装置。
15.如权利要求10所述的设备，其特征在于，其满足下列关系；0＜L＜20其中L(mm)为所述挤压模的出口与所述成型模的入口之间的距离。
全文摘要
通过熔化并挤压聚合物例如PMMA的方式制成一包层管(21)。利用一挤压模(12)挤压所述熔融聚合物，以形成一软包层(20)。将该软包层(20)送入一成型模(13)内，以修正该软包层(20)的形状。对成型模(13)中的一减压室(31)进行减压，以使软包层(20)的外表面与成型模(13)的成型面(30b)紧密接触。软包层(20)在成型模(13)中成型后，可得到厚度波动较小的包层管(20)。
文档编号G02B6/00GK1655918SQ03812130
公开日2005年8月17日 申请日期2003年5月22日 优先权日2002年5月28日
发明者小仓徹, 三好孝仁, 白仓幸夫 申请人:富士胶片株式会社