УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОЛИМЕРНОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА Российский патент 2000 года по МПК D01D5/34 G02B6/18 

Изобретение относится к области получения полимерного оптического волокна (ПОВ), в частности к устройству для получения ПОВ с различным распределением показателя преломления для одномодового полимерного световода и полимерного световода с градиентом показателя преломления как фокусирующего типа, так и рассеивающего, а также W-образного типа профиля. Такие ПОВ находят широкое применение в связи, медицине, световой рекламе и других областях.

Для изготовления многослойного волокна со ступенчатым изменением показателей преломления используются несколько готовых полимеров с различными показателями преломления, расплавы которых соединяются в особом фильерном блоке (US 5235660 А, 10.08.1993).

Соединение в единое целое осуществляют вне фильерного блока сплавлением в специальном устройстве.

Известно устройство для формования ПОВ, в котором фильерный комплект состоит как минимум из трех наложенных друг на друга распределительных пластин, позволяющих формовать волокна типа "острова в море", и содержит распределительную пластину с множеством прядильных отверстий для формования "островов", распределительную пластину с прядильным отверстием для формования "моря" и распределительную пластину с отверстием для собирания филаментов.

Поскольку волокна "островов" могут иметь структуру ядро - оболочка, то в фильерном комплекте может быть четвертая распределительная пластина для формования ядер оптических волокон.

Устройство позволяет получать многофиламентное ПОВ, содержащее в качестве компонента "острова" от 1000 до 10000 филаментов диаметром менее 500 мкм, которые окружены и объединены полимерным материалом, представляющим собой компонент "море".

Наиболее близким к заявленному устройству является известное устройство для получения многослойного полимерного оптического волокна, содержащее блок подачи полимерных материалов с различными показателями преломления и фильерный комплект (JP 08-313734 А, 29.11.1996).

В данном устройстве из узла подачи полимеров, снабженного приспособлением для нагрева и плавления полимеров, расплав полимеров с разными показателями преломления по индивидуальным каналам подают к распределителю фильерного комплекта, с помощью которого формируются концентрические слои полимера с разными показателями преломления. Эти слои формируются посредством цилиндрических и щелевидных отверстий, расположенных концентрически вокруг центрального выпускного отверстия. Далее все слои продавливают через фильеру. Внутри фильеры находятся цилиндрические отверстия, соответствующие слоям с разным показателем преломления. Число каналов соответствует числу выходных отверстий. В результате получают многослойное ПОВ, в котором коэффициент преломления изменяется по радиусу.

Однако данное устройство не позволяет получить качественную структуру волокна; поскольку оно имеет распределитель с одной пластиной, то не обеспечивается равномерная подача расплава через отдельные отверстия одной концентрической окружности. Слои в полученном волокне имеют переменную величину, меняющуюся от величины диаметра отверстия в месте выхода расплава до минимальной величины на участках между отверстиями вплоть до разрывов сплошности слоев, что ухудшает качество волокна. Кроме того, количество слоев ограничено реальным диаметром фильеры, которое не может увеличиваться в десятки раз.

Задачей изобретения является создание устройства для получения многослойного полимерного оптического волокна, обеспечивающего получение технического результата, состоящего в повышении качества оптического волокна за счет постоянства геометрических размеров его слоев и в устранении ограничения количества слоев волокна.

Этот технический результат в устройстве для получения многослойного полимерного оптического волокна, содержащем блок подачи полимерных материалов с различными показателями преломления и фильерный комплект, достигается тем, что фильерный комплект представляет собой набор из нескольких модулей, размещенных по вертикали друг за другом в едином корпусе, при этом каждый модуль состоит из нескольких распределительных пластин и одной или двух собирающих пластин, наложенных последовательно друг на друга.

Модули размещены в одном корпусе по вертикали друг за другом таким образом, что распределительная пластина первого модуля сопряжена с блоком подачи полимерных материалов, распределительная пластина второго модуля сопряжена с собирающей пластиной первого модуля, распределительная пластина третьего модуля сопряжена с собирающей пластиной второго модуля и т.д. Распределительные пластины модулей соединены питающими каналами с блоком подачи расплавов полимеров.

Количество полимерных материалов для получения многослойного ПОВ может достигать нескольких десятков, при этом расплавы полимерных материалов подаются на устройство для получения многослойного ПОВ с помощью шнека, поршня или давления инертного газа.

Каждый отдельный модуль предназначен для получения от трех до тринадцати слоев.

Первая распределительная пластина имеет на верхней поверхности центральное отверстие и две и более полостей для расплавов материалов с одинаковыми и разными показателями преломления, а на нижней плоскости расположены концентрические канавки, причем от трех до тринадцати полостей на верхней поверхности соединены вертикальными каналами с от трех до тринадцати концентрическими канавками на нижней плоскости распределительной пластины, а остальные полости соединены вертикальными питающими каналами через вторую распределительную пластину и собирающую пластину этого модуля с первой распределительной пластиной второго модуля.

Вторая распределительная пластина первого модуля имеет в центре набор из от двух до тринадцати фильерных конусообразных перевернутых пластин, коаксиально расположенных относительно друг друга для формирования от трех до тринадцати слоев в полимерном волокне, при этом по краям распределительной пластины расположены питающие каналы для расплавов полимерных материалов с одинаковыми и разными показателями преломления.

Собирающая пластина первого модуля имеет в центре конусообразное отверстие для соединения от трех до тринадцати слоев в единое целое, причем по ее краю расположены питающие каналы для остальных расплавов полимерных материалов с одинаковыми и разными показателями преломления.

Первая распределительная пластина второго модуля имеет в центре один канал для собранных в единое целое от трех до тринадцати слоев, при этом питающие каналы по краю распределительной пластины соединены с концентрическими канавками на нижней плоскости этой распределительной пластины.

Вторая распределительная пластина имеет в центре набор из от двух до двенадцати фильерных перевернутых конусообразных пластин с центральным каналом, расположенных коаксиально относительно друг друга, причем верхний край с внешней стороны по всей окружности конусообразной пластины имеет кольцо с распределительными пазами для расплава полимерного материала.

Собирающая пластина второго модуля имеет одно центральное отверстие для соединения от трех до тринадцати слоев первого модуля с от трех до тринадцати слоев второго модуля в единую монолитную струю со слоями в количестве от шести до двадцати шести.

Фильерный комплект содержит от двух и до нескольких десятков модулей, размещенных по вертикали друг за другом в едином корпусе.

С помощью полимерных материалов с одинаковыми и различными показателями преломления создается любой профиль волокна.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами, где на фиг. 1 изображено устройство для получения многослойного ПОВ, продольный разрез; на фиг. 2 изображена верхняя поверхность распределительной пластины первого модуля; на фиг. 3 - нижняя плоскость первой распределительной пластины первого модуля; на фиг. 4 - верхняя поверхность первой распределительной пластины второго модуля; на фиг. 5 - нижняя плоскость первой распределительной пластины второго модуля; на фиг. 6 - верхняя поверхность первой распределительной пластины третьего модуля; на фиг. 7 - нижняя плоскость первой распределительной пластины третьего модуля; на фиг. 8 - набор фильерных конусообразных пластин, продольный разрез; на фиг. 9 - набор фильерных конусообразных пластин, вид сверху.

Устройство для получения многослойного ПОВ состоит из блока подачи 1 расплавов полимеров с девятнадцатью питающими каналами 2, корпуса 3, в котором размещены три модуля 4, 5 и 6, причем модуль 4 состоит из распределительной пластины 7 с девятнадцатью каналами 2, из распределительной пластины 8, в центре которой расположен набор 9 из шести фильерных конусообразных пластин, размещенных коаксиально относительно друг друга, служащих для формирования семи слоев, и собирающей пластины 10, причем собирающая пластина 10 в центре имеет конусообразное отверстие 11, собирающее семь слоев в единое целое, а по краям - двенадцать вертикальных питающих каналов 2. Модуль 5 состоит из распределительной пластины 12 с двенадцатью питающими каналами 2 по периферии и каналом 13 в центре, через который транспортируют расплав из семи слоев, распределительной пластины 14, в центре которой расположен набор 15 из шести фильерных конусообразных пластин для формирования шести слоев ПОВ, и собирающей пластины 16, которая в центре имеет конусообразное отверстие 17 для соединения семи слоев модуля 4 и шести слоев модуля 5 в единое целое, и шесть питающих каналов 2. Модуль 6 состоит из распределительной пластины 18 с вертикальным каналом 19 в центре, через который транспортируют расплав из тринадцати слоев модуля 4 и 5, распределительной пластины 20, которая имеет набор 21 из шести фильерных конусообразных пластин для формирования шести слоев ПОВ, и собирающей пластины 22 с конусообразным центральным каналом 23 для соединения тринадцати слоев модулей 4 и 5 с шестью слоями модуля 6 в единое целое. При этом, распределительная пластина 7 модуля 4 непосредственно сопряжена с девятнадцатью питающими каналами блока 1, распределительная пластина 12 модуля 5 сопряжена с двенадцатью питающими каналами собирающей пластины 10 модуля 4, распределительная пластина 18 модуля 6 сопряжена с шестью питающими каналами собирающей пластины 16 модуля 5.

Конструкция распределительной пластины 7 модуля 4 изображена на фиг. 2 - верхняя поверхность и на фиг. 3 - нижняя плоскость. Она выполнена таким образом, что верхняя поверхность имеет девятнадцать питающих каналов 2, семь из которых соединены с семью концентрическими канавками 24 на нижней плоскости распределительной пластины 7, оставшиеся двенадцать питающих каналов соединены с питающими каналами распределительной пластины 8.

Конструкция распределительной пластины 12 модуля 5 изображена на фиг. 4 - верхняя поверхность и на фиг. 5 - нижняя плоскость. Верхняя поверхность распределительной пластины 12 имеет один центральный канал 13 и двенадцать питающих каналов 2, шесть из которых соединены с шестью концентрическими канавками 25 на нижней плоскости распределительной пластины 12, оставшиеся шесть питающих каналов соединены с питающими каналами распределительной пластины 14.

Конструкция распределительной пластины 18 модуля 6 изображена на фиг. 6 - верхняя поверхность и на фиг. 7 - нижняя плоскость. Верхняя поверхность распределительной пластины 18 имеет один центральный канал 19 и шесть питающих каналов 2, соединенных с шестью концентрическими канавками 26 на нижней плоскости распределительной пластины 18.

Набор фильерных конусообразных пластин изображен на фиг. 8 и фиг. 9. Каждая отдельная фильерная пластина представляет собой перевернутый усеченный конус, верхняя часть которого имеет кольцо 27 с распределительными пазами 28. Кольцо с пазами служит для жесткой фиксации его относительно других фильерных пластин, а пазы направляют расплавы полимерных материалов между конусами фильерных пластин.

Устройство для получения ПОВ работает следующим образом. В качестве примера взято устройство для получения многослойного ПОВ с девятнадцатью слоями.

В девятнадцать цилиндрических каналов блока 1 подают расплавы полимерных материалов с разными показателями преломления с помощью штоков, шнеков или с помощью давления инертных газов. Расплавы полимерных материалов поступают в питающие каналы 2 на верхней поверхности распределительной пластины 7 модуля 4, затем первые семь расплавов полимерных материалов поступают в концентрические канавки 24 на нижней плоскости распределительной пластины 7, а двенадцать других расплавов по питающим каналами 2 распределительной пластины 8 и собирающей пластины 10 попадают в питающие каналы 2 на верхней поверхности распределительной пластины 12 модуля 5. Первые семь слоев расплавов полимерных материалов с помощью концентрических канавок 24 распределительной пластины 7 и набора 9 из шести фильерных конусообразных пластин равномерно распределяются по семи концентрическим слоям и собираются в единое целое с помощью центрального конусообразного отверстия 10 собирающей пластины 9, при этом образуется монолитная струя, состоящая из семи расплавов полимерных материалов с разными показателями преломления, которая поступает в центральный канал 13 распределительной пластины 12 модуля 5 и далее по центральному каналу 13 распределительной пластины 12 попадает в набор 15 из шести фильерных конусообразных пластин, а далее в собирающую пластину 16 модуля 5, где соединяется с шестью слоями расплавов полимерных материалов, полученных с помощью шести концентрических канавок 25 на нижней плоскости распределительной пластины 12 и набора 15 из шести фильерных конусообразных пластин, при этом образуется монолитная струя, состоящая из тринадцати слоев расплавов полимерных материалов с разными показателями преломления, которая через центральный канал 19 распределительных пластин 18 и 20 модуля 6 попадает на собирающую пластину 22 модуля 6, где соединяется с шестью слоями расплавов полимерных материалов, которые формируются с помощью концентрических канавок 26 на нижней плоскости распределительной пластины 18 и набора 21 из шести фильерных конусообразных пластин. На собирающей пластине 22 все 19 слоев образуют единую монолитную струю, которая после охлаждения попадает на тянущее устройство, а затем в виде многослойного ПОВ поступает на приемную катушку.

Предлагаемое устройство позволяет получать многослойное ПОВ, содержащее множество слоев с одинаковыми и разными показателями преломления, что позволяет создать в ПОВ область с изменяющимся показателем преломления, причем в качестве материалов для многослойного ПОВ применяют полимеры или сополимеры, полимеры или сополимеры с неполимеризующимися добавками с разными показателями преломления и термодинамически совместимые друг с другом. Использование в качестве структурного элемента слоев с одинаковыми и разными показателями преломления позволяет получать ПОВ с любым профилем показателя преломления.

В качестве материалов для ПОВ используют либо прозрачные полимеры или сополимеры, либо смесь одного или нескольких полимеров с одним или несколькими сополимерами, либо композицию одного или нескольких прозрачных полимеров или одного или нескольких прозрачных сополимеров с одним или несколькими неполимеризующимися материалами, которые термодинамически совместимы друг с другом и отличаются один от другого по показателю преломления. Сформованные с помощью предлагаемого устройства из этих материалов слои с одинаковыми и разными показателями преломления укладываются в виде концентрических окружностей, причем показатель преломления каждой следующей концентрической окружности отличается от рядом расположенной на величину от 0 до 0,2; из множества таких концентрических окружностей создают структуру с изменяющимся показателем преломления и соответствующий профиль показателя преломления от типа ядро - оболочка до градиентного и W-образного. Предлагаемое устройство позволяет легко регулировать диаметр области с изменяющимся показателем преломления.

Пример получения многослойного ПОВ с девятнадцатью слоями из сополимера на основе метилметакрилата (ММА) и 2,2,3,3- тетрафторпропилметакрилата (МН-1).

Синтезируют восемнадцать сополимеров на основе ММА и МН-1 с соотношением ММА/МН-1 соответственно 97/3 вес.%, 95/5 вес.%, 93,5/6,5 вес.%, 92/8 вес.%, 90/10 вес. %, 89/11 вес.%, 87/13 вес.%, 85,5/14,5 вес.%, 84,5/15,5 вес.%, 83/17 вес. %, 81/19 вес.%, 79,5/20,5 вес.%, 77/23 вес.%, 74/5 вес.%, 71/29 вес. %, 70/30 вес.%, 69/31 вес.% и соответственно с показателем преломления 1,482; 1,481; 1,480; 1,479; 1,478; 1,477; 1,476; 1,475; 1,474; 1,473; 1,472; 1,471; 1,470; 1,469; 1,468; 1,466; 1,465. В качестве отражающей оболочки используют сополимер, содержащий 85 вес.% 2,2,3,3-тетрафторпропил-а-фторакрилат (ФН-1) и 15 вес.% акрилового эфира 1,1,5-тригидроперфторамилового спирта (АН-2) с показателем преломления 1,395. Сополимеры помещают в девятнадцать цилиндрических каналов блока 1 и после прогрева с помощью штоков подают на распределительную пластину 7 модуля 4, затем семь расплавов сополимеров с показателями преломления 1,482; 1,481; 1,480; 1,479; 1,478; 1,477; 1,476, уменьшающимися от центра к периферии, попадают в концентрические канавки на нижней плоскости распределительной пластины 7, двенадцать расплавов сополимеров с показателями преломления 1,475; 1,474; 1,473; 1,472; 1,471; 1,470; 1,469; 1,468; 1,466; 1,4655; 1,465; 1,395 по вертикальным питающим каналам 2 распределительной пластины 8 и собирающей пластины 10 попадают в полости на верхней поверхности распределительной пластины 12 модуля 5. Первые семь слоев расплавов сополимеров с помощью концентрических канавок распределительной пластины 7 и набора 9 из шести фильерных конусообразных пластин равномерно распределяются по семи концентрическим слоям и собираются в монолитную струю с помощью центрального конусообразного отверстия 11 собирающей пластины 10, а затем попадают в центральный канал 13 распределительной пластины 12, распределительной пластины 14 модуля 5, далее в конусообразное отверстие 17 собирающей пластины 16, где соединяются с шестью слоями расплавов сополимеров с показателями преломления 1,475; 1,474; 1,473; 1,472; 1,471; 1,470, которые формируют с помощью шести концентрических канавок на нижней плоскости распределительной пластины 12 и набора 15 из шести фильерных конусообразных пластин, при этом образуется монолитная струя, состоящая из тринадцати слоев расплавов сополимеров с показателями преломления от 1,482 до 1,470, которая через центральный канал 19 распределительных пластин 18 и 20 модуля 6 попадает в конусообразное отверстие 23 собирающей пластины 22 модуля 6, где соединяется с шестью слоями расплавов сополимеров с показателями преломления 1,469; 1,468; 1,466; 1,4655; 1,465; 1,395, которые формируются с помощью концентрических канавок на нижней плоскости распределительной пластины 18 и набора 21 из шести фильерных конусообразных пластин модуля 6. На собирающей пластине 22 все девятнадцать слоев образуют монолитную струю, которая после охлаждения попадает на тянущее устройство, а затем в виде многослойного ПОВ принимают на катушку.

Данное устройство позволяет получить ПОВ с любым профилем показателя преломления и высокими оптическими характеристиками.

Модульная вертикальная конструкция устройства позволяет получать ПОВ с десятками слоев и постоянными геометрическими размерами слоев, что не удается при коаксиальном горизонтальном расположении фильерных пластин.

Устройство может быть использовано для получения полимерного оптического волокна с различным распределением показателя преломления для одномодового полимерного световода и полимерного световода с градиентом показателя преломления как фокусирующего типа, так и рассеивающего типа. Устройство содержит блок подачи полимерных материалов с различными показателями преломления и фильерный комплект, который представляет собой набор из нескольких модулей, размещенных по вертикали друг за другом в едином корпусе. Каждый модуль состоит из нескольких распределительных пластин и одной или двух собирающих пластин, наложенных последовательно друг на друга. Изобретение позволяет повысить качество оптического волокна за счет постоянства геометрических размеров его слоев и устранить ограничения количества слоев волокна. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для получения многослойного полимерного оптического волокна, содержащее блок подачи полимерных материалов с различными показателями преломления и фильерный комплект, отличающееся тем, что фильерный комплект представляет собой набор из нескольких модулей, размещенных по вертикали друг за другом в едином корпусе, при этом каждый модуль состоит из нескольких распределительных пластин и одной или двух собирающих пластин, наложенных последовательно друг на друга. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый отдельный модуль предназначен для получения от трех до тринадцати слоев. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая распределительная пластина имеет на верхней поверхности центральное отверстие и две и более полостей для расплавов материала с одинаковыми и разными показателями преломления, а на нижней плоскости расположены концентрические канавки, причем от трех до тринадцати полостей на верхней поверхности соединены вертикальными каналами с от трех до тринадцати концентрическими канавками на нижней плоскости распределительной пластины, а остальные полости соединены вертикальными питающими каналами через вторую распределительную пластину и собирающую пластину этого модуля с первой распределительной пластиной второго модуля. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вторая распределительная пластина первого модуля имеет в центре набор из от двух до двенадцати фильерных конусообразных перевернутых пластин, коаксиально расположенных относительно друг друга для формирования от трех до тринадцати слоев в полимерном волокне, при этом по краям распределительной пластины расположены питающие каналы для расплавов полимерных материалов с одинаковыми и разными показателями преломления. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что собирающая пластина первого модуля имеет в центре конусообразное отверстие для соединения от трех до тринадцати слоев в единое целое, причем по ее краю расположены питающие каналы для остальных расплавов полимерных материалов с одинаковыми и разными показателями преломления. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая распределительная пластина второго модуля имеет в центре один канал для собранных в единое целое от трех до тринадцати слоев, при этом питающие каналы по краю распределительной пластины соединены с концентрическими канавками на нижней плоскости этой распределительной пластины. 7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вторая распределительная пластина второго модуля имеет в центре набор из от двух до двенадцати фильерных перевернутых конусообразных пластин с центральным каналом, расположенных коаксиально относительно друг друга, причем верхний край с внешней стороны по всей окружности конусообразной пластины имеет кольцо с распределительными пазами для расплава полимерного материала. 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что собирающая пластина второго модуля имеет одно центральное отверстие для соединения от трех до тринадцати слоев первого модуля с от трех до тринадцати слоев второго модуля в единую монолитную струю со слоями в количестве от шести до двадцати шести. 9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фильерный комплект содержит от двух до нескольких десятков модулей, размещенных по вертикали друг за другом в едином корпусе. 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что с помощью полимерных материалов с одинаковыми и различными показателями преломления создается любой профиль волокна.