专利名称：具有多层保护套的聚合物光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学元件领域并将应用于由聚合物塑料组成的并提供有多层保护套的纤维型光波导的设计中。
光波导一方面适合于大量数据的传输，另一方面适合于无干扰的数据传输，例如可以不受电磁场的影响。对于约100m范围内的短距离数据传输，除了相对昂贵的玻璃波导，廉价的塑料波导适合于例如机械制造、汽车制造和办公部门等领域。同样被称为“聚合物光纤”的这些波导的基本结构由光芯、光覆层和保护套组成。芯和覆层的直径约为1mm，而保护套的壁厚为约0.2～1mm。尽管芯(例如聚甲基丙烯酸甲酯，)和覆层(例如含氟聚合物，如聚偏二氟乙烯或聚四氟乙烯)材料的选择基本上决定了光传输性能，保护套材料的选择用来使聚合物光纤的性能曲线与光纤使用的特殊环境相适应(期刊“Draht”导线)，1995，第4期，187～190页；会议刊物IMechE(Conference PublicationIMechE)，1981，C192/180，227～229页“汽车中的复用布线近期可能性(Multiplexed Wiring in the Automobilenear termpossibility)”)。
在最简单的情况下，聚合物光纤的保护套由单层形成，为此目的，其中，已知使用聚乙烯、聚氯乙烯和氯化聚乙烯。该保护套可能含有碳黑以便防止外部光线透入聚合物光纤。为了提高这种纤维的长期使用温度并且改善它们对气候负荷和外部机械作用的抵抗力，用于单层保护套的材料同样可以是聚酰胺，聚亚胺酯或聚氧化甲烯。这些材料也可富含阻燃剂(DE 92 09 018 U)。为了获得具有改善的耐热性的聚合物光纤，同样已知由可热固化的硅氧烷树脂制造光传输芯，在此情况下，在其制造过程中芯材料在未固化状态下被注入双层覆层管。覆层管的两层，其外壳由于富含碳黑被构成为不透光的，被同时挤压并且通过挤压工艺被相互牢固地连接在一起(DE 38 43 310 C2)。
同样已知使用热塑合成橡胶作为聚合物光纤保护套的材料并且用多层结构构造该套(EP 0 395 823 B1)。为了用多层保护套修正低温衰减特性，也可以使用具有相同或不同杨氏模量值的各种塑料(EP 0 162 471A1)。
为了改善较高温度下聚合物光纤的传输性能，此外已知用热变形温度至少为120℃的材料制成保护套。在这种纤维的制造过程中，光芯、光覆层和保护套用组合纺织工艺成型，在此保护套材料例如聚碳酸酯可富含有机或无机填充物，例如碳黑、滑石、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维或碳纤维。保护套也可具有两层结构，内层用作外层的缓冲垫层。此外，一或二附加涂层，例如在湿气作用下可交联的聚乙烯涂层，可被施加在保护套上。这种类型的聚合物光纤可被用在机动车的发动机室中用于数据传输或传感目的(EP 0 183 853 B1)。
以由具有权利要求1的前序部分中特征的聚合物光纤为基础的本发明的任务在于以这种方式设计保护套，光纤的性能曲线可以容易地与不同的机械和化学要求相适应并与不同的使用性能相适应。
为了实现该任务，本发明提出保护套由共同施加并相互牢固地连接的至少三层组成，其第一层是内层由天然色热塑型塑料组成，第二层为不透光层和第三层是外层由着色热塑型塑料组成。
根据本发明提出的保护套至少三层的设计以及这些层的应用对于光纤的使用性能共同提供了相当大的变化范围。内部、天然色层保证了光芯和光覆层与其它层的机械以及光学去耦合。天然色塑料的使用排除了颜料颗粒或其它填充物颗粒对纤维的光覆层的机械作用以及因而对光衰减的影响。该内层优选由热塑合成橡胶，例如聚亚胺酯或聚醚块酰胺(Polyether-Blockamid)组成。在保护套的应用过程中，上述材料提供了防止尘状杂质对纤维表面损害的良好保护。此外上述材料使保护套与光覆层能够有确定的紧密配合，而没有横向压力的增加。此外对于插头的安装它使保护套能够可靠去除。
设置在内层外的第二层是不透光的，这通常通过在塑料层中添加碳黑实现。但是，不透光层也可以由低熔金属组成并同时形成扩散阻挡层和/或被用于低能量电脉冲的传输。用于该目的的低熔金属优选铋基合金，例如特殊焊料或伍德合金，在某些情况下其熔点低于耐热塑料的挤压温度。
这种类型金属层与相邻塑料层的连接可由粘和介质保证，它作为一薄夹层与其它层同时施加-例如采用在薄膜制造中使用的多层挤压。形式为相当薄的夹层的粘和介质也可用于两塑料层的牢固连接。
通过在该层中掺入任意所需要的染料，保护套的外层、第三层通常提供了光纤清楚的标识的可能性。彩色层与例如在黑色层上加上的印刷标记-这还可能导致制造问题-相比容易识别。但是，第三外层也可以富含其它添加剂或填充物以便保证特定的机械或物理或化学性能。如果需要，具有这些性能的特殊层可以作为在不透光层和第三着色层之间的第四层设置。
此外新型光纤的性能曲线也可以通过为各种层选择不同的塑料确定。这些塑料包括，尤其是，聚酰胺、聚亚胺酯、聚酯、聚烯烃类、聚氯乙烯、聚醛和含氟聚合物。但是，保护套以及由此纤维的性能曲线也可以部分地通过第二和第三层的特殊成型确定，例如由第二层的表面波纹确定，为此第二层由坚硬的材料例如聚酰胺组成，而软材料第三层例如聚亚胺酯以光滑表面设置在其上。这种类型的设计保证在弯曲后，例如纤维以缠绕状态存储后具有高弹性。
新型保护套的使用性能同样取决于各层的厚度。这些厚度应为，内层和不透光层约50～200μm，第三外层约20～800μm；两内层每一层的壁厚优选应约为外层壁厚的1/4。
可以受通过适当层组合构造保护套影响的并且可以被最佳组合的性能包括·外部光线的衰减和入射，·产品设计，例如尤其是颜色，·机械性能，例如抗拉强度和抗横向应力性能，·化学性能，例如抗溶解、抗油和抗燃料性能，·对环境影响的阻挡作用，例如射线、湿气、气体和液体介质，·热性能，例如耐热性和耐火性，·生理安全性，例如放入饮用水中的适用性，·电性能，例如漏电性能、绝缘和导电性能以及表面电阻值。
图1至图4示出新型光纤的三种实施例，其中图1示出具有三层聚酰胺保护套的聚合物光纤，图2示出具有由不同塑料组成的四层保护套的纤维，图3示出具有特殊的保护套机械结构的光纤，以及图4示出具有金属不透光层的光纤。
图1示出聚合物光纤1的部分剖面图，它首先由例如聚甲基丙烯酸酯的光芯11和例如聚偏二氟乙烯的光覆层12组成。三层的保护套被施加在覆层12上，每层由聚酰胺组成并且三层在三重挤压模具中同时挤压并因此在它们相邻的区域内相互连接并同时施加给光覆层12。内层13由无色的，即天然色聚酰胺组成，第二层14由富含碳黑并因此不透光的聚酰胺组成，而外层15由富含染料的聚酰胺组成。内层13和中间层14基本上用于提供聚合物光纤的光学质量，而保护套的外层15基本上决定了机械性能、化学性能和产品设计。在此13和14两层壁厚约为100μm，而外层15壁厚约为400μm。
图2中所示聚合物光纤2在光芯11和光覆层12方面具有与图1中纤维相同的结构。紧接着光覆层是聚亚胺酯内层21，紧接着后者是富含碳黑的聚酰胺不透光层22。另一层是乙烯/醋酸乙烯酯共聚物层23，通过添加氧化铝水合物它构成耐火性。与此紧接是含氟聚合物着色层24。这种聚合物光纤结构特别考虑到光学性能和热性能，例如耐火性和耐热性。
图3所示聚合物光纤4中，由聚亚胺酯或作为替换聚醚块酰胺(Polyether-Blockamid)的内层21，富含碳黑的聚酰胺不透光层41和着色聚亚胺酯外层42组成的三层的保护套，被施加在围绕光芯11的光覆层12上。层41的外表面沿光纤的长度方向被形成波纹，即壁厚沿长度方向规则变化。由此形成的凹部被层42填充。层41的特殊设计和层42材料的选择获得特殊的机械性能，即高弯曲弹性同时适当的柔软性。
在图4所示的聚合物光纤3中，五层的保护套被施加给光芯11和光覆层12。该套由无色聚亚胺酯内层21，薄粘和层31，低熔金属不透光层32，另一粘和层33和着色聚氯乙烯外层34组成。该保护套结构特别考虑到环境的影响，由于金属层32可防止湿气、气体和液体介质的渗透，并且还考虑到“电导率”性能。
权利要求
1.聚合物光纤，含有光芯和光覆层并含有具有不透光层的施加在光覆层上的保护套，其特征在于，保护套由同时施加并相互牢固地连接的至少三层(13，14，15)组成，这三层的第一是内层(13)由天然色热塑型塑料组成，第二层(14)为不透光层，第三层是外层(15)由着色热塑型塑料组成。
2.按权利要求1的光纤，其特征在于，不透光层(14)由热塑型塑料组成。
3.按权利要求1的光纤，其特征在于，不透光层(32)由低熔金属组成。
4.按权利要求1至3之一的光纤，其特征在于，保护套中的两相邻层(21，32)借助粘和介质(31)牢固地连接。
5.按权利要求1至4之一的光纤，其特征在于，保护套中的塑料层从基于聚酰胺、聚亚胺酯、聚酯、聚烯烃、聚氯乙烯、聚缩醛和含氟聚合物的材料中选择。
6.按权利要求5的光纤，其特征在于，第一层(21)由热塑型弹性物，例如聚亚胺酯或聚醚块酰胺(Polyether-Blockamid)组成。
7.按权利要求5或6所要求的光纤，其特征在于，第三外层含有添加剂或填充物，例如抗老化剂、阻燃剂、传导填充物、增韧纤维或金属纤维。
8.按权利要求1至7之一的光纤，其特征在于，第二层(41)由坚硬材料例如聚酰胺组成，并且其外表面被形成波纹，在其中第三层(42)由柔软材料如聚亚胺酯组成。
9.按权利要求1至8之一的光纤，其特征在于，保护套第一和第二层(13，14)的壁厚是第三外层(15)壁厚的1/4。
全文摘要
为了使聚合物光纤能够最佳适应不同的机械和化学要求并适应不同的使用性能,施加在光覆层上的保护套由同时施加并相互牢固地连接的至少三层组成,其中第一层是内层(13)由天然色热塑型塑料组成,第二层(14)为不透光层,第三层是外层(15)由着色热塑型塑料组成。通过为由多重挤压施加的各层选择不同的材料,光纤可以给出按规定的要求制成性能特征。这种纤维特别适合于机动车中的数据传输。
文档编号G02B6/02GK1269021SQ98808682
公开日2000年10月4日 申请日期1998年8月12日 优先权日1997年8月29日
发明者J·库斯, J·罗森菲德, J·施利克, T·米勒, R·施雷德, J·谢弗 申请人:西门子公司