Оптическое волокно Российский патент 2020 года по МПК G02B6/44 

Область техники

Настоящее изобретение относится к оптическим волокнам.

Настоящая заявка испрашивает приоритет Японской патентной заявки 2016-217190 от 7 ноября 2016, полное содержание которой введено в настоящий документ.

Уровень техники

Обычно оптические волокна покрыты слоем смолы в целях защиты их стекловолокон. Например, в WO2014/168201 описано оптическое волокно с покрытием, содержащим основной слой и вспомогательный слой.

Сущность изобретения

Так как диаметр оптоволоконного кабеля становится все меньше, и кабель содержит все больше оптических волокон, имеется потребность в улучшении низкотемпературных свойств оптических волокон. При этом к низкотемпературным свойствам относится повышение оптических потерь при приложении бокового давления при низких температурах. Даже небольшое улучшение в отношнении данных потерь обеспечит превосходные низкотемпературные свойства. Целью настоящего изобретения является создание оптических волокон с отличными низкотемпературными свойствами.

Для достижения вышеуказанной цели настоящее изобретение в одном своем аспекте предлагает оптическое волокно, содержащее стекловолокно и смоляное покрытие, покрывающее стекловолокно, причем смоляное покрытие содержит основной слой смолы и вспомогательный слой смолы, и основной слой смолы содержит отвержденную смоляную композицию, полученную отверждением смоляной композиции, содержащей олигомер, мономер и инициатор фотополимеризации, причем олигомер является продуктом реакции полиольного соединения, изоцианатного соединения и содержащего гидроксильные группы (мет)акрилатного соединения; доля первичных гидроксильных групп в гидроксильных группах, имеющихся в полиольном соединении, составляет 3,5% или меньше, и модуль Юнга вспомогательного слоя смолы при -40°C больше или равен 1780 МПа.

Настоящее изобретение позволяет получать оптические волокна с отличными низкотемпературными свойствами.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 схематически показывает в виде в разрезе пример оптического волокна согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание

Описание вариантов осуществления настоящего изобретения

Сначала будут перечислены и описаны особенности вариантов осуществления настоящего изобретения. Согласно одному аспекту настоящего изобретения, оптическое волокно содержит стекловолокно и смоляное покрытие, покрывающее стекловолокно, причем смоляное покрытие содержит основной слой смолы и вспомогательный слой смолы, и основной слой смолы содержит отвержденную смоляную композицию, полученную отверждением смоляной композиции, содержащей олигомер, мономер и инициатор фотополимеризации, причем олигомер является продуктом реакции полиольного соединения, изоцианатного соединения и (мет)акрилатного соединения, содержащего гидроксильные группы; при этом доля первичных гидроксильных групп в гидроксильных группах, содержащихся в полиольном соединении, составляет 3,5% или меньше; и модуль Юнга вспомогательного слоя смолы при -40°C больше или равен 1780 МПа.

Таким образом, полиольное соединение является соединением, содержащим две или больше гидроксильных групп, примеры гидроксильных групп включают первичную гидроксильную группу и вторичную гидроксильную группу. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что если в качестве полиольного соединения, использующегося для получения олигомера, в свою очередь использующегося для образования основного слоя смолы, использовать полиольное соединение с низкой долей первичных гидроксильных групп, и если установить высокий модуль Юнга вспомогательного слоя смолы при низкой температуре, можно уменьшить повышение оптических потерь при низких температурах, и низкотемпературные свойства будут отличными; это и позволило совершить настоящее изобретение.

Доля первичных гидроксильных групп от всех концевых гидроксильных групп, содержащихся в полиольном соединении, может быть меньше или равна 2,5%, и модуль Юнга вспомогательного слоя смолы при -40°C может быть больше или равен 1970 МПа. Это позволяет еще больше уменьшить повышение оптических потерь при низких температурах, чтобы еще больше улучшить низкотемпературные свойства.

С точки зрения производства, оптоволоконный кабель содержит много оптических волокон, причем наружный диаметр каждого волокна может составлять 210 мкм или меньше. Обычно наружный диаметр каждого оптического волокна составляет примерно 250 мкм, поскольку при уменьшении диаметра волокон более вероятным становится усиление оптических потерь. Однако, если тонкое (тонкий слой смоляного покрытия) оптическое волокно снабдить вспомогательным слоем смолы в соответствии с описанным выше вариантом осуществления, повышение оптических потерь при низких температурах можно уменьшить.

С точки зрения модуля Юнга, полиольное соединение может быть алифатическим простым полиэфирполиолом со средним молекулярным весом 5000 или меньше.

Вспомогательный слой смолы может содержать пигмент или краситель. В этом случае вспомогательный слой смолы является цветным слоем, что делает полученные оптические волокна легко различимыми.

Подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения

Ниже с обращением к чертежу будут описаны конкретные примеры оптического волокна согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Отметим, что объем настоящего изобретение не ограничен этими примерами, а определяется только формулой изобретения, и предполагается, что он охватывает все модификации в пределах смысла и объема формулы изобретения ее эквивалентов. В следующем описании одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями в описании чертежа, и избыточные пояснения опускаются.

Оптическое волокно

Фиг. 1 схематически показывает вид в сечении примера оптического волокна согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Оптическое волокно 1 содержит стекловолокно 10, являющееся оптической передающей средой, и слой смоляного покрытия 20.

Стекловолокно 10 имеет ядро 12 и оболочку 14 и сделано из стекла, такого как кремнеземное стекло. Стекловолокно 10 передает свет, введенный в оптическое волокно 1. Ядро 12 находится, например, в зоне, через которую проходит центральная ось стекловолокна 10. Ядро 12 может состоять из чистого кремнеземного стекла и, кроме того, может содержать, например, GeO₂ или фтор. Оболочка 14 находится в зоне, окружающей ядро 12. Оболочка 14 имеет показатель преломления ниже, чем ядро 12. Оболочка 14 может быть выполнена из чистого кремнеземного стекла или из кремнеземного стекла, содержащего фтор.

Наружный диаметр стекловолокна 10 обычно составляет примерно 125 мкм. Наружный диаметр оптического волокна 1 предпочтительно меньше или равен 260 мкм и может составлять 210 мкм или меньше. Кроме того, нижний предел наружного диаметра оптического волокна 1 составляет примерно 190 мкм.

Смоляное покрытие 20 включает основной слой смолы 22, являющийся первым слоем, находящимся в контакте со стекловолокном, и вспомогательный слой смолы 24, который является вторым слоем, находящимся в контакте с первым слоем. Общая толщина смоляного покрытия 20 предпочтительно составляет от 32,5 до 67,5 мкм и может составлять от 32,5 до 42,5 мкм.

Низкотемпературные свойства оптических волокон обычно улучшаются, если основной слой смолы становится мягче, а вспомогательный слой смолы становится тверже при -40°C. В контексте настоящего изобретения смоляное покрытие обычно образовано из смоляной композиции, содержащей уретановый олигомер, и известно, что уретановый олигомер является продуктом реакции полиольного соединения с изоцианатным соединением. Полиольное соединение содержит гидроксильные группы. Так как первичная гидроксильная группа вызывает меньшее стерическое затруднение, чем вторичная гидроксильная группа, более высокая доля вторичных гидроксильных групп от всех гидроксильных групп делает уретановый олигомер более объемным и менее склонным образовывать агрегаты при низких температурах. Таким образом, это позволяет предположить, что модуль Юнга смоляного покрытия при низких температурах уменьшается. Кроме того, так как содержание олигомера в смоляной композиции, используемой для образования основного слоя смолы, выше, чем в смоляной композиции, используемой для образования вспомогательного слоя смолы, основной слой смолы более подвержен стерическому затруднению, обусловленному вторичными гидроксильными группами, чем вспомогательный слой смолы.

Модуль Юнга основного слоя смолы 22 при -40°C предпочтительно составляет от 1 до 40 МПа, более предпочтительно от 1 до 20 МПа или меньше.

Модуль Юнга вспомогательного слоя смолы 24 больше, чем у основного слоя смолы 22. С точки зрения улучшения низкотемпературных свойств, модуль Юнга вспомогательного слоя смолы 24 при -40°C больше или равен 1780 МПа, предпочтительно больше или равен 1900 МПа и более предпочтительно больше или равен 1970 МПа. Верхний предел модуля Юнга вспомогательного слоя смолы 24 при -40°C особо не ограничен, и может составлять 2500 МПа или меньше.

Основной слой смолы 22 может быть образован путем отверждения УФ-отверждаемой смоляной композиции, содержащей особые олигомер, мономер и инициатор фотополимеризации.

Вышеуказанный олигомер является уретановым олигомером, содержащим (мет)акрилоильную группу, полученный реакцией полиольного соединения, изоцианатного соединения и содержащего гидроксильные группы (мет)акрилатного соединения. Можно использовать смесь двух или более олигомеров. Содержание олигомера в смоляной композиции, используемой для получения основного слоя смолы, предпочтительно составляет от 40 до 80 вес.%.

С точки зрения улучшения низкотемпературных свойств, доля первичных гидроксильных групп в гидроксильных группах, имеющихся в полиольном соединении, меньше или равна 3,5%, предпочтительно меньше или равна 3,0% и более предпочтительно меньше или равна 2,5%. Нижний предел доли первичных гидроксильных групп в полиольном соединении особо не ограничивается и может составлять 1,5% или больше. Долю первичных гидроксильных групп, имеющихся в полиольном соединении, можно рассчитать из ЯМР-спектров олигомера.

Примеры полиольных соединений включают алифатические простые полиэфирполиолы, такие, как полипропиленгликоль и полиэтиленгликоль. С точки зрения модуля Юнга предпочтительным полиольным соединением является алифатический простой полиэфирполиол со средним молекулярным весом меньше или равным 5000, более предпочтительно полипропиленгликоль со средним молекулярным весом от 1000 до 4500. Молекулярный вес полиольного соединения можно определить, например, масс-спектрометрией.

Примеры изоцианатного соединения включают 2,4-толуилен диизоцианат, 2,6-толуилендиизоцианат, изофорондиизоцианат и дициклогексилметан 4,4'-диизоцианат.

Примеры (мет)акрилатного соединения, содержащего гидроксильные группы, включают 2-гидроксиэтил (мет)акрилат, 2-гидроксибутил (мет)акрилат, 4-гидроксибутил (мет)акрилат, 2-гидроксипропил (мет)акрилат, 1,6-гександиол моно(мет)акрилат, пентаэритрит три(мет)акрилат и трипропиленгликоль ди(мет)акрилат.

В контексте настоящего изобретения (мет)акрилат означает акрилат или соответствующий метакрилат. Это же относится к (мет)акриловой кислоте.

Мономер входит в молекулярную цепь олигомера и действует как реактивный разбавитель. Можно использовать монофункциональный мономер, содержащий одну полимеризующуюся группу, или полифункциональный мономер, содержащий две или более полимеризующихся групп. Можно использовать смесь двух или более мономеров.

Примеры монофункциональных мономеров включают N-виниловые мономеры, имеющие циклическую структуру, такие, как N-винилпирролидон, N-винилкапролактам и (мет)акрилоилморфолин; и (мет)акрилатные соединения, такие, как изоборнил(мет)акрилат, трициклодеканил(мет)акрилат, бензил(мет)акрилат, дициклопентанил (мет)акрилат, 2-гидроксиэтил(мет)акрилат, этоксилированный нонилфенил(мет)акрилат, феноксиэтил(мет)акрилат, полипропиленгликоль моно(мет)акрилат, лаурил(мет)акрилат, изооктил(мет)акрилат и изодецил(мет)акрилат. Из них с точки зрения повышения скорости отверждения предпочтительны N-виниловые мономеры циклической структуры.

Примеры полифункциональных мономеров включают полиэтиленгликоль ди(мет)акрилат, трициклодекандиилдиметилен ди(мет)акрилат, 1,6-гександиол (мет)акрилат, трипропиленгликоль ди(мет)акрилат, триметилолпропан три(мет)акрилат, ди(мет)акрилат этоксилированного или пропоксилированного бисфенольного соединения и эпокси(мет)акрилат, в котором ди(мет)акрилат присоединен к глицидиловому эфиру бисфенольного соединения.

При низкой температуре применения оптического волокна физические свойства (например, удлинение) слоя смоляного покрытия не должны быстро изменяться. Для этого температура стеклования (Tg) основного слоя смолы предпочтительно должна быть ниже, чем нижний предел допустимой температуры применения. Чтобы повышение оптических потерь при -40°C было маловероятным, мономер предпочтительно должен быть таким, чтобы Tg гомополимера, образованного в результате гомополимеризации этого мономера, составляло 5°C или ниже, более предпочтительно чтобы значение Tg составляло 0°C или ниже. Из вышеупомянутых мономеров предпочтительные примеры включают 2-гидроксиэтил(мет)акрилат, этоксилированный нонилфенил(мет)акрилат, феноксиэтил(мет)акрилат, лаурилакрилат, изооктил(мет)акрилат и изодецил(мет)акрилат.

Что касается инициатора фотополимеризации, можно использовать надлежащим образом выбранные известные фотоинициаторы радикальной полимеризации. Примеры фотоинициаторов включают инициаторы на основе ацилфосфиноксида и инициаторы на основе ацетофенона. Можно использовать смесь двух или более инициаторов фотополимеризации. Инициатор фотополимеризации содержится в смоляной композиции, используемой для образования слоя смолы, в количестве предпочтительно от 0,1 до 5 вес.%.

Примеры инициаторов на основе ацилфосфиноксида включают 2,4,6-триметилбензоил дифенилфосфиноксид (торговое наименование "Lucirin TPO", производство BASF Inc.), 2,4,4-триметилпентил фосфиноксид и 2,4,4-триметилбензоил дифенилфосфиноксид.

Примеры инициаторов на основе ацетофенона включают 1-гидроксициклогексан-1-ил фенилкетон (торговое наименование "Irgacure 184", производство BASF Inc.), 2-гидрокси-2-метил-1-фенилпропан-1-он (торговое наименование: "Darocur 1173", производство BASF Inc.), 2,2-диметокси-1,2-дифенилэтан-1-он (торговое наименование "Irgacure 651", производство BASF Inc.), 2-метил-1-(4-метилтиофенил)-2-морфолинопропан-1-он (торговое наименование "Irgacure 907", производство BASF Inc.), 2-бензил-2-диметиламино-1-(4-морфолинофенил)-бутанон-1 (торговое наименование "Irgacure 369", производство BASF Inc.), 1-гидроксициклогексил фенилкетон, 2,2-диметокси-2-фенилацетофенон и 1-(4-изопропилфенил)-2-гидрокси~2-метилпропан-1-он.

С точки зрения улучшения характеристик отверждения основного слоя смолы, в качестве инициатора фотополимеризации предпочтительно использовать фосфорсодержащий инициатор на основе ацилфосфиноксида.

Вспомогательный слой смолы 24 можно образовать, например, путем отверждения УФ-отверждаемой смоляной композиции, содержащей олигомер, мономер, и инициатор фотополимеризации (при условии, что эта композиция отличается от смоляной композиции, использованной для образования основного слоя смолы 22). В качестве инициатора фотополимеризации, добавляемого во вспомогательный слой смолы 24, можно использовать инициатор, надлежащим образом выбранный из вышеупомянутых примеров фотоинициаторов для основного слоя смолы 22. Олигомер содержится в смоляной композиции, используемой для образования вспомогательного слоя смолы, предпочтительно в количестве 20-60 вес.%.

Отметим, что вспомогательный слой смолы 24, являющийся слоем смоляного покрытия 20, может быть окружен цветным слоем, то есть слоем краски, чтобы отличать одно оптическое волокно от другого. Альтернативно, вспомогательный слой смолы 24 может быть цветным слоем.

С точки зрения улучшения различимости оптических волокон друг от друга, цветной слой предпочтительно содержит пигмент или краситель. Примеры пигментов включают: цветные пигменты, такие, как сажа, оксид титана и цинковые белила, и неорганические пигменты, как магнитные порошки (например, γ-Fe₂O₃, смешанный кристалл γ-Fe₂O₃ и γ-Fe₃O₄, CrO₂, феррит кобальта, оксид железа с добавками кобальта, феррит бария, Fe-Co, Fe-Co-Ni), MIO (слюдяной оксид железа), хромат цинка, хромат стронция, триполифосфат алюминия, цинк, оксид алюминия, стекло и слюда.

Кроме того, можно также использовать органические пигменты, такие как азо-пигменты, фталоцианиновые пигменты и краплаки. Пигменты можно подвергнуть обработке, такой, например, как различные модификации поверхности, и превращению в композитный пигмент.

Примеры

Настоящее изобретение будет описано подробнее на примерах, однако оно не ограничено этими примерами.

Получение смоляной композиции, используемой для образования основного слоя смолы

Каждую смоляную композицию, используемую для образования основного слоя смолы, готовили, смешивая 2,4,6-триметилбензоил дифенилфосфиноксид (торговое наименование "Lucirin TPO", производство BASF Inc.), N-винилкапролактам, этоксилированный нонилфенилакрилат и уретанакрилат, полученный реакцией полипропиленгликоля с диизозоцианатом и гидроксиэтилакрилатом, так что модуль Юнга основного слоя смолы при -40°C составлял 12 МПа. Кроме того, каждый используемый полипропиленгликоль имел долю первичных гидроксильных групп, указанную в таблице 1 или 2.

Получение смоляной композиции, используемой для образования вспомогательного слоя смолы

Каждую смоляную композицию, используемую для образования вспомогательного слоя смолы, готовили, смешивая Irgacure 184, Lucirin TPO, 1,6-гександиол диакрилат, эпоксиакрилат на основе бисфенола и уретанакрилат, полученный реакцией полипропиленгликоля с диизозоцианатом и гидроксиэтилакрилатом, так что модуль Юнга вспомогательного слоя смолы был таким, как указано в таблице 1 или 2.

Получение оптических волокон

В примерах 1-5, 7 и 9 и в сравнительных примерах 1-5 оптические волокна с наружным диаметром 245 мкм получали, образуя основной слой смолы, имеющий толщину 35 мкм, по периметру стекловолокна с наружным диаметром 125 мкм, состоящего из ядра и оболочки, а затем образуя вспомогательный слой смолы толщиной 25 мкм по периметру основного слоя смолы.

В примерах 6, 8 и 10 оптические волокна с наружным диаметром 200 мкм получали, образуя основной слой смолы, имеющий толщину 17,5 мкм, по периметру стекловолокна с наружным диаметром 125 мкм, состоящего из ядра и оболочки, а затем образуя вспомогательный слой смолы толщиной 20 мкм по периметру основного слоя смолы.

В примере 11 оптическое волокно с наружным диаметром 200 мкм получали, образуя основной слой смолы, имеющий толщину 17,5 мкм, по периметру стекловолокна с наружным диаметром 125 мкм, состоящего из ядра и оболочки, а затем образуя цветной вспомогательный слой смолы толщиной 20 мкм по периметру основного слоя смолы. Отметим, что в примере 11 использовалась смоляная композиция, использовавшаяся для образования вспомогательного слоя смолы, и в эту смоляную композицию добавляли 5 весовых частей органического пигмента.

Оценка оптических волокон

Оценивали низкотемпературные свойства полученных оптических волокон. Результаты приведены в таблицах 1 и 2.

Модуль Юнга вспомогательного слоя смолы

Сначала каждое оптическое волокно замачивали в растворителе (этанол:ацетон=3:7) и слой смоляного покрытия снимали со стекловолокна, чтобы получить образец (длиной 50 мм или больше). Затем этот образец использовали для испытания на растяжение (измерительная база: 25 мм) при -40°C, чтобы определить модуль Юнга вспомогательного слоя смолы из секущего модуля при растяжении 2,5%.

Низкотемпературные свойства

Каждое оптическое волокно наматывали вокруг стеклянной катушки, чтобы образовать монослой оптического волокна, под натяжением 50 г; измеряли характеристики передачи оптического сигнала с длиной волны 1550 нм, в условиях температуры 23°C и -40°C, чтобы рассчитать оптические потери при 23°C и -40°C, соответственно. Если разница между оптическими потерями при -40°C и при 23°C составляла меньше 0 дБ/км, низкотемпературным свойствам присваивалась оценка A; если эта разница составляла от 0 дБ/км до менее 0,01 дБ/км, низкотемпературным свойствам присваивалась оценка B, и если разница составляла 0,01 дБ/км или больше, низкотемпературным свойствам присваивалась оценка C. Допустимыми считались оценки B и выше.

Таблица 1

Пример Основной слой смолы Вспомогательный слой смолы Низкотемпературные свойства Доля (%) первичных гидроксильных групп Модуль Юнга (МПа) при -40°C 1 3,5 1830 B 2 2,5 1780 B 3 1,7 1880 B 4 3,2 1992 B 5 2,5 2020 A 6 1,5 2010 A 7 1,8 1973 A 8 2,2 2040 A 9 2,1 2090 A 10 2,0 1980 A 11 2,0 1980 A

Таблица 2

Сравнительный пример Основной слой смолы Вспомогательный слой смолы Низкотемпературные свойства Доля (%) первичных гидроксильных групп Модуль Юнга (МПа) при -40°C 1 5,0 1811 C 2 4,0 1799 C 3 6,0 1760 C 4 5,0 1580 C 5 3,5 1680 C

Было найдено, что оптические волокна, полученные в примерах, имели отличные низкотемпературные свойства, так как они имели малое повышение оптических потерь при низкой температуре.

Изобретение относится к оптическим волокнам. Заявленное оптическое волокно содержит стекловолокно и смоляное покрытие, покрывающее стекловолокно, причем смоляное покрытие содержит основной слой смолы и вспомогательный слой смолы и основной слой смолы содержит отвержденную смоляную композицию, полученную отверждением смоляной композиции, содержащей олигомер, мономер и инициатор фотополимеризации, причем олигомер является продуктом реакции полиольного соединения, изоцианатного соединения и содержащего гидроксильные группы (мет)акрилатного соединения; доля первичных гидроксильных групп в гидроксильных группах, имеющихся в полиольном соединении, составляет 3,5% или меньше, и модуль Юнга вспомогательного слоя смолы при -40°C больше или равен 1780 МПа. Технический результат – возможность получать оптические волокна с отличными низкотемпературными свойствами. 4 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

1. Оптическое волокно, содержащее стекловолокно и смоляное покрытие, покрывающее стекловолокно, причем

смоляное покрытие содержит основной слой смолы и вспомогательный слой смолы,

основной слой смолы содержит отвержденную смоляную композицию, полученную отверждением смоляной композиции, содержащей олигомер, мономер и инициатор фотополимеризации, причем

олигомер является продуктом реакции полиольного соединения, изоцианатного соединения и содержащего гидроксильные группы (мет)акрилатного соединения,

доля первичных гидроксильных групп в гидроксильных группах, имеющихся в полиольном соединении, составляет 3,5% или меньше, и

модуль Юнга вспомогательного слоя смолы при -40°C больше или равен 1780 МПа.

2. Оптическое волокно по п. 1, причем доля первичных гидроксильных групп меньше или равна 2,5%, а модуль Юнга больше или равен 1970 МПа.

3. Оптическое волокно по п. 1 или 2, причем наружный диаметр оптического волокна меньше или равен 210 мкм.

4. Оптическое волокно по п. 1 или 2, причем полиольное соединение является алифатическим простым полиэфиролиолом с молекулярным весом меньше или равным 5000.

5. Оптическое волокно по п. 1 или 2, причем вспомогательный слой смолы содержит пигмент или краситель.