Glasfaserbeschichtungen erklärt

Dieser Artikel setzt die neueste Serie von FOC über Herstellungsverfahren für Glasfasern fort und bietet einen Überblick über Beschichtungen für eine breite Palette von Standardkommunikations- und Speziallichtwellenleitern. Die Hauptaufgabe von Beschichtungen besteht darin, die Glasfaser zu schützen, aber es gibt viele Feinheiten bei diesem Ziel. Beschichtungsmaterialien werden sorgfältig formuliert und getestet, um diese Schutzfunktion sowie die Glasfaserleistung zu optimieren.

Beschichtungsfunktion

Bei einer Faser mit Standardgröße mit 125 µm Manteldurchmesser und 250 µm Beschichtungsdurchmesser sind 75 % des dreidimensionalen Volumens der Faser die Polymerbeschichtung. Kern- und Mantelglas machen die restlichen 25 % des Gesamtvolumens der beschichteten Faser aus. Beschichtungen spielen eine Schlüsselrolle dabei, dass die Faser Umwelt- und mechanische Spezifikationen sowie einige optische Leistungsanforderungen erfüllt.

If eine Faser gezogen werden sollte und nicht beschichtet, wäre die Außenfläche der Glasverkleidung Luft, Feuchtigkeit, anderen chemischen Verunreinigungen, Kerben, Stößen, Abrieb, mikroskopischen Biegungen und anderen Gefahren ausgesetzt. Diese Phänomene können Fehler in der Glasoberfläche verursachen. Anfänglich können solche Defekte klein oder sogar mikroskopisch sein, aber mit der Zeit, Belastung und Wassereinwirkung können sie zu größeren Rissen werden und schließlich zum Versagen führen.

Das heißt, auch mit modernsten Herstellungsverfahren und hochwertigen Materialien ist es nicht möglich, eine Faser absolut fehlerfrei herzustellen. Faserhersteller unternehmen große Anstrengungen, um Vorformlinge zu verarbeiten und die Ziehbedingungen zu kontrollieren, um die Fehlergrößen und ihre Verteilung zu minimieren. Trotzdem wird es immer einige mikroskopische Fehler geben, wie zum Beispiel Risse im Nanometerbereich. Die Aufgabe der Beschichtung besteht darin, die Glasoberfläche „wie gezogen“ zu erhalten und vor äußeren Einflüssen zu schützen, die die Glasoberfläche beschädigen könnten, wie Handhabung, Abrieb usw.

Daher alle Die Faser erhält beim Ziehen eine Schutzschicht. Unbeschichtete Fasern treten nur für eine kurze Strecke auf dem Ziehturm auf, zwischen dem Zeitpunkt, an dem die Faser den Boden des Vorformofens verlässt und in den ersten Beschichtungsbecher auf dem Ziehturm eintritt. Dieses unbeschichtete Intervall ist gerade lang genug, damit die Faser abkühlen kann, damit die Beschichtung aufgebracht werden kann.

Beschichtungsmaße

Wie oben erwähnt, haben die meisten Standardkommunikationsfasern einen Manteldurchmesser von 125 µm und eine UV-gehärtete Acrylatpolymerbeschichtung, die den Außendurchmesser auf 250 µm erhöht. In den meisten Fällen handelt es sich bei der Acrylbeschichtung um ein Zweischicht-Beschichtungssystem mit einer weicheren Innenschicht, die als Primärbeschichtung bezeichnet wird, und einer härteren Außenschicht, die als Sekundärbeschichtung bezeichnet wird¹. In letzter Zeit haben einige Unternehmen Kommunikationsfasern mit 200 µm oder sogar 180 µm beschichteten Durchmessern für dichte Kabel mit hoher Anzahl entwickelt. Diese Entwicklung bedeutet dünnere Beschichtungen, aber auch unterschiedliche Biege- und mechanische Eigenschaften der Beschichtung.

Bei Spezialfasern hingegen gibt es je nach Art der Spezialfaser und deren Anwendung viel mehr Varianten in Bezug auf Fasergröße, Beschichtungsdurchmesser und Beschichtungsmaterialien. Der Glasmanteldurchmesser von Spezialfasern kann von weniger als 50 µm bis über 1,000 µm (1 mm) reichen. Auch die Beschichtungsmenge dieser Fasern weist je nach Faseranwendung und Beschichtungsmaterial eine große Bandbreite auf. Einige Beschichtungen können bis zu 10 µm dünn sein, andere sind mehrere hundert Mikrometer dick.

Einige Spezialfasern verwenden die gleichen Acrylatbeschichtungen wie Kommunikationsfasern. Andere verwenden unterschiedliche Beschichtungsmaterialien für Anforderungen in der Sensorik, in rauen Umgebungen oder als Sekundärmantel. Beispiele für Nicht-Acrylat-Spezialfaserbeschichtungsmaterialien umfassen Kohlenstoff, Metalle, Nitride, Polyimide und andere Polymere, Saphir, Silikon und komplexe Zusammensetzungen mit Polymeren, Farbstoffen, fluoreszierenden Materialien, Sensorreagenzien oder Nanomaterialien. Einige dieser Materialien wie Carbon und Metall können in dünnen Schichten aufgetragen und mit anderen Polymerbeschichtungen ergänzt werden.

Da derzeit Kommunikationsfasern in einer Größenordnung von 500 Millionen Faserkilometern pro Jahr hergestellt werden, stellen die UV-gehärteten Acrylate die überwiegende Mehrheit (wahrscheinlich mehr als 99%) aller Beschichtungen, die auf Glasfasern aufgebracht werden. Innerhalb der Familie der Acrylatbeschichtungen bieten die wichtigsten Anbieter mehrere Varianten für unterschiedliche Zugturm-Aushärtungssysteme, Umweltanforderungen und optische und mechanische Leistungseigenschaften, wie z. B. Faserbiegespezifikationen.

Schlüsseleigenschaften von Glasfaserbeschichtungen

Wichtige Parameter von Beschichtungen sind unter anderem:

• Modul wird auch „Elastizitätsmodul“ oder „E-Modul“ genannt. Dabei handelt es sich um ein Maß für die Härte, das typischerweise in MPa angegeben wird. Bei Primärbeschichtungen kann der Modul im einstelligen Bereich liegen. Bei Sekundärbeschichtungen kann er größer als 700 MPa sein.
• Brechungsindex ist die Geschwindigkeit, mit der Licht das Material durchdringt, ausgedrückt als Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Der Brechungsindex weit verbreiteter Telekommunikationsfaserbeschichtungen von großen Anbietern wie Covestro reicht von 1.47 bis 1.55. Covestro und andere Unternehmen bieten auch Beschichtungen mit niedrigerem Brechungsindex an, die häufig bei Spezialfasern verwendet werden. Der Brechungsindex kann mit Temperatur und Wellenlänge variieren, daher werden Beschichtungsindizes typischerweise bei einer bestimmten Temperatur, wie z. B. 23 °C, angegeben.
• Temperaturbereich reicht typischerweise von -20°C bis + 130°C für viele der weit verbreiteten UV-gehärteten Acrylate, die mit Telekommunikationsfasern verwendet werden. Für raue Umgebungen stehen höhere Reichweiten zur Verfügung. Mit anderen Beschichtungsmaterialien wie Polyimid oder Metall sind Bereiche über +200°C möglich.
• Viskosität und Härtungsgeschwindigkeit betreffen die Beschichtungseigenschaften beim Auftragen auf den Ziehturm. Diese Eigenschaften sind auch temperaturabhängig. Für den Ziehingenieur ist es wichtig, die Beschichtungsparameter zu kontrollieren, was die Kontrolle der Beschichtungstemperatur einschließt.
• Haftung und Delaminationsbeständigkeit sind wichtige Eigenschaften, um sicherzustellen, dass sich die Primärbeschichtung nicht vom Glasmantel und die Sekundärbeschichtung nicht vom Glasmantel löst Primärbeschichtung. Zur Messung der Delaminationsbeständigkeit wird ein standardisiertes Testverfahren, TIA FOTP-178 „Coating Strip Force Measurement“, verwendet.
• Abziehbarkeit ist im Wesentlichen das Gegenteil von Delaminationsbeständigkeit – Sie unterlassen Sie möchten, dass sich die Beschichtung ablöst, während die Faser verwendet wird, aber Sie do möchten, dass kurze Längen davon für Verfahren wie Spleißen, Montieren von Steckverbindern und Herstellen von Sicherungskopplern entfernt werden. In diesen Fällen streift der Techniker mit Spezialwerkzeugen eine kontrollierte Länge ab.
• Mikrobiegeleistung ist ein Fall, in dem die Beschichtung entscheidend dafür ist, dass die Glasfaser ihre optischen Eigenschaften behält, insbesondere ihre Dämpfungs- und Polarisationsleistung. Mikrobiegungen unterscheiden sich von Makrobiegungen, die mit bloßem Auge sichtbar sind und Biegeradien in Millimetern haben. Mikrobiegungen haben Biegeradien in der Größenordnung von Hunderten von Mikrometern oder weniger. Diese Biegungen können während der Herstellungsvorgänge, wie z. B. bei der Verkabelung, auftreten oder wenn die Faser eine Oberfläche mit mikroskopischen Unregelmäßigkeiten berührt. Um Mikrobiegeprobleme zu minimieren, haben Beschichtungshersteller Systeme entwickelt, die eine Primärbeschichtung mit niedrigem Modul und eine Sekundärbeschichtung mit hohem Modul enthalten. Es gibt auch standardisierte Tests für das Mikrobiegen, wie z. B. TIA FOTP-68 „Optical Fiber Microbend Test Procedure“.
• Abriebfestigkeit ist für einige Spezialfaseranwendungen von entscheidender Bedeutung, während die meisten Kommunikationsfasern zusätzlichen Schutz durch Hüllrohre und andere Kabelelemente erhalten. Fachartikel beschreiben verschiedene Tests zur Durchstoß- und Abriebfestigkeit. Für Anwendungen, bei denen dies ein kritischer Parameter ist, können die Faser- oder Beschichtungshersteller Details zu den Testmethoden bereitstellen.

Zugfestigkeit

Der wichtigste Festigkeitsparameter von Fasern ist die Zugfestigkeit – ihre Bruchfestigkeit beim Ziehen. Der Parameter wird in Pascal (MPa oder GPa), Pfund pro Quadratzoll (kpsi) oder Newton pro Quadratmeter (N/m .) ausgedrückt²). Alle Fasern werden nachweislich getestet, um sicherzustellen, dass sie einer Mindestzugfestigkeit entsprechen. Nach dem Ziehen und Beschichten durchläuft die Faser eine Prüfmaschine, die eine voreingestellte feste Zugbelastung auf die Faser ausübt. Die Belastung richtet sich nach den Faserspezifikationen oder, insbesondere bei den meisten Kommunikationsfasern, nach internationalen Standards.

Während des Proof-Tests kann die Faser aufgrund eines Glasfehlers an einer Stelle mit einer schwachen Stelle brechen. In diesem Fall hat die Faser, die vor dem Bruch durch das Prüfzahnrad gelaufen ist, den Proof-Test bestanden. Es hat die minimale Zugfestigkeit. Auch Fasern werden nach dem Bruch durch die Maschine geführt und auf die gleiche Weise gesiebt. Ein Problem besteht darin, dass solche Brüche die kontinuierliche Länge der gezogenen Faser beeinträchtigen können. Dies kann bei einigen Spezialfaseranwendungen ein Problem darstellen, wie etwa Gyroskopen mit polarisationserhaltenden Fasern, bei denen Spleiße nicht akzeptabel sind. Brüche können auch die Ausbeute des Faserherstellers verringern. Und eine übermäßige Anzahl von Brüchen kann auf andere Probleme im Preform- und Ziehprozess hinweisen².

Wie beeinflussen Beschichtungen die Zugfestigkeit? Typische Beschichtungen können die Festigkeit einer Faser nicht erhöhen. Wenn ein Fehler groß genug ist, um während der Proof-Tests einen Bruch zu verursachen, kann die Beschichtung den Bruch nicht verhindern. Aber wie bereits erwähnt, weist das Glas unvermeidbare Fehler auf, die klein genug sind, damit die Faser den Proof-Test bestehen kann. Hier spielen Beschichtungen eine Rolle – sie helfen der Faser, diese Mindestfestigkeit über ihre Lebensdauer beizubehalten. Beschichtungen tun dies, indem sie kleinere Fehler vor äußeren Einflüssen und anderen Gefahren schützen und verhindern, dass die Fehler groß genug werden, um Faserbrüche zu verursachen.

Es gibt Tests, um zu charakterisieren, wie eine beschichtete Faser Veränderungen der Zugbelastung standhält. Daten aus solchen Tests können verwendet werden, um die Lebensdauerleistung zu modellieren. Ein standardisierter Test ist TIA-455 „FOTP-28 Measurement Dynamic Strength and Fatigue Parameters of Optical Fibers by Tension“. In der Beschreibung der Norm heißt es: „Diese Methode testet das Ermüdungsverhalten von Fasern durch Variation der Dehnungsrate.“

FOTP 28 und andere dynamische Zugversuche sind zerstörend. Das bedeutet, dass die für die Tests verwendeten Fasersegmente für nichts anderes verwendet werden können. Daher können solche Tests nicht verwendet werden, um Fasern aus jedem Vorformling zu charakterisieren. Vielmehr werden diese Tests verwendet, um Daten für bestimmte Fasertypen in bestimmten Umgebungen zu sammeln. Die Testergebnisse gelten für alle Fasern eines bestimmten Typs, solange die gleichen Materialien und Verfahren bei ihrer Herstellung verwendet werden.

Ein aus dynamischen Zugfestigkeitsversuchsdaten abgeleiteter Parameter wird als „Spannungskorrosionsparameter“ oder „n-Wert." Sie wird aus Messungen der aufgebrachten Spannung und der Zeit bis zum Versagen berechnet. Das n-Wert wird bei der Modellierung verwendet, um vorherzusagen, wie lange es dauert, bis eine Faser ausfällt, wenn sie in bestimmten Umgebungen unter Belastung steht. Die Prüfung erfolgt an beschichteten Fasern, daher variieren die n-Werte bei verschiedenen Beschichtungen. Die Beschichtungen selbst haben keine n-Wert, aber Daten auf n-Werte für Fasern mit spezifischen Beschichtungen können von Beschichtungslieferanten gesammelt und gemeldet werden.

Beschichtungseigenschaften und Spezialfasern

Was ist der wichtigste Parameter bei der Auswahl von Beschichtungsmaterialien? Die Antwort hängt davon ab, welche Art von Faser Sie herstellen und wie sie verwendet wird. Hersteller von Telekommunikationsfasern verwenden ein Zweischichtsystem, das für Hochgeschwindigkeitszug, hohe Festigkeit und überlegene Mikrobiegeleistung optimiert ist. Andererseits erfordern Telekommunikationsfasern keinen niedrigen Brechungsindex.

Bei Spezialfasern variieren die Beschichtungsspezifikationen stark je nach Fasertyp und Anwendung. In einigen Fällen Festigkeit und mechanische Leistung – hoher Modul und hohe n-Wert – sind wichtiger als der Brechungsindex. Bei anderen Spezialfasern kann der Brechungsindex am wichtigsten sein. Nachfolgend finden Sie einige Kommentare zu Beschichtungsüberlegungen für ausgewählte Beispiele von Spezialfasern.

Seltenerd-dotierte Faser für Faserlaser
Bei einigen Faserlasern dient die Primärbeschichtung als Sekundärmantel. Das Ziel besteht darin, die Menge an optischer Pumpleistung zu maximieren, die in die Faser eingekoppelt wird. Bei Faserlasern hilft die in den Mantel eingeleitete Pumpleistung, den Verstärkungsbereich im dotierten Kern der Faser zu stimulieren. Die Beschichtung mit niedrigem Index verleiht der Faser eine höhere numerische Apertur (NA), was bedeutet, dass die Faser mehr Pumpleistung aufnehmen kann. Diese „double-clad“-Fasern (DCFs) haben oft einen sechseckigen oder achteckigen Glasmantel und dann einen runden Sekundärmantel aus Polymer mit niedrigem Index. Die Glasplattierung wird durch Anschleifen von Flachseiten auf die Preform geformt und anschließend wird die Low-Index-Beschichtung / Sekundärplattierung auf dem Ziehturm aufgebracht. Da es sich um eine Beschichtung mit niedrigem Index handelt, ist auch eine härtere Außenbeschichtung erforderlich. Die Außenbeschichtung mit hohem Index hilft der Faser, die Festigkeits- und Biegeanforderungen zu erfüllen

Fasern zur Leistungsabgabe
Neben seltenerddotierten Fasern für Laser gibt es andere Spezialfasern, bei denen eine Beschichtung mit niedrigem Index als Mantelschicht dienen und die optische Leistung verbessern kann. Einige medizinische und industrielle Lasersysteme verwenden beispielsweise eine großkernige Faser, um die Laserleistung zu liefern, etwa für chirurgische Eingriffe oder die Materialbearbeitung. Wie bei dotierten Faserlasern dient die Beschichtung mit niedrigem Index dazu, die NA der Faser zu erhöhen, sodass die Faser mehr Leistung aufnehmen kann. Beachten Sie, dass Faserliefersysteme mit vielen Lasertypen verwendet werden können – nicht nur mit dotierten Faserlasern.

Polarisationserhaltende Fasern. PM-Fasern stellen eine Klasse mit mehreren Faserdesigns für mehrere Anwendungen dar. Einige PM-Fasern haben beispielsweise Seltenerd-Dotierstoffe für Faserlaser. In diesen Fällen kann die Beschichtung mit niedrigem Index als sekundäre Umhüllung verwendet werden, wie oben beschrieben. Andere PM-Fasern sollen zu engen Spulen für Gyroskope, Hydrophone und andere Sensoren gewickelt werden. In diesen Fällen müssen die Beschichtungen möglicherweise Umweltanforderungen, wie beispielsweise niedrige Temperaturbereiche, sowie Festigkeits- und Mikrobiegeanforderungen im Zusammenhang mit dem Wickelprozess erfüllen.

Bei einigen interferometrischen Sensoren wie Gyroskopen besteht ein Ziel darin, das Übersprechen zu minimieren – dh die Menge der von einem Polarisationsmodus in einen anderen gekoppelten Leistung zu minimieren. Bei einer gewickelten Spule hilft eine weiche Beschichtung, Übersprechen und Mikrokrümmungsprobleme zu vermeiden, daher wird eine Primärbeschichtung mit niedrigem Modul spezifiziert. Eine härtere Sekundärbeschichtung wird spezifiziert, um mechanische Risiken im Zusammenhang mit dem Wickeln der Fasern zu beseitigen. Bei einigen Sensoren müssen die Fasern unter hoher Spannung fest gewickelt werden, daher können die Festigkeitsanforderungen bei der Sekundärbeschichtung kritisch sein.

In einem anderen Fall von PM-Fasern erfordern einige Kreisel Fasern mit kleinem Durchmesser, damit mehr Fasern zu einem kompakten „Puck“, einem zylindrischen Gehäuse, gewickelt werden können. In diesem Fall haben Kreiselhersteller eine Faser mit einem Außendurchmesser von 80 µm (Mantel) und einem beschichteten Durchmesser von 110 µm spezifiziert. Um dies zu erreichen, wird eine einzige Beschichtung verwendet, also nur eine Schicht. Diese Beschichtung muss daher die Weichheit, die erforderlich ist, um das Übersprechen zu minimieren, gegen die für den Schutz erforderliche Härte ausgleichen.

Andere Überlegungen für PM-Fasern sind, dass die Faserspulen oft mit Epoxidharzen oder anderen Materialien in einer abgedichteten Packung vergossen werden. Dies kann zusätzliche Anforderungen an die Beschichtungen hinsichtlich Temperaturbereich und Stabilität gegenüber anderen Chemikalien stellen.

Zusammenfassung

Die Idee einer einzigen „perfekten“ Beschichtung für einen bestimmten Fasertyp ist unwahrscheinlich, wenn nicht unmöglich. In der Praxis stellen die Beschichtungszusammensetzungen Kompromisse zwischen verschiedenen Parametern dar, einschließlich Brechungsindex, Modul, Temperaturverhalten und Anforderungen an den Ziehturm. Um diesem Anforderungsmix gerecht zu werden, betreiben Beschichtungshersteller laufende Forschungs- und Entwicklungsprogramme, um die Leistung ihrer Harze zu verbessern und ein besseres Gleichgewicht mehrerer Parameter zu erreichen.

Ein Hauptschub der Forschung und Entwicklung von Beschichtungsharzen in den letzten Jahren war die Härtungsgeschwindigkeit, insbesondere für Telekommunikationsfasern mit hoher Ziehgeschwindigkeit. Die Entwicklung von UV-LEDs anstelle von mikrowellenbetriebenen UV-Lampen zum Aushärten hat die Arbeit an für die LED-Wellenlängen optimierten Harzen angeregt. Diese Entwicklung bietet Faserherstellern vielversprechende Vorteile in Bezug auf Temperaturkontrolle und Energieeinsparung. Weitere Forschungs- und Entwicklungsbereiche sind Beschichtungen für neuartige Sensoren und Beschichtungen für Fasern, die in raueren Umgebungen eingesetzt werden.

Die Faserberater von FOC verfügen über umfassende Erfahrung in der Unterstützung von Faserherstellern bei der Bewältigung von Problemen bei der Spezifikation und Anwendung von Beschichtungen. Begleitend zu diesem Artikel finden Sie auf der FOC-Website eine Liste der von uns angebotenen Beschichtungsharze, aufgeführt in einer Tabelle mit ihrer Viskosität, ihrem Brechungsindex und einer kurzen Beschreibung: FOC EPOXY OPTISCHE BESCHICHTUNGSMATRIX. Alle stammen aus dem Beschichtungssortiment von Covestro. Die gezeigten Versionen umfassen Angebote von Covestro für Primär- und Sekundärbeschichtungen sowie Harze für Einzelbeschichtungen, Spezialfaserbeschichtungen und Wiederbeschichtungsanwendungen.