Füllmasse für ein optisches Übertragungselement und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Füllmasse für ein langgestrecktes optisches Übertragungselement mit mindestens einem Lichtwel¬ lenleiter, wobei die Füllmasse mindestens einen Weichmacher enthält.

Eine Füllmasse dieser Art ist aus der WO/AI-94 27 174 bekannt. Neben den Weichmachern werden bei der bekannten Füllmasse als Zusatzstoffe Thixotropierungsmittel und/oder Kügelchen (insbesondere Hohlkügelchen) und/oder Verdickungs- mittel beigefügt. Als Verdickungsmittel werden bevorzugt

Kohlenwasserstoff-Polymere verwendet. Die Verdickungsmittel werden so eingesetzt, daß sie einem Austropfen der Füllmasse insbesondere bei hohen Temperaturen möglichst weitgehend ent¬ gegenwirken.

Aus der US-PS 4,342,500 ist ein hochspannungsfestes optisches Kabel bekannt. Wenn ein derartiges Kabel allein mit vernetz¬ ten synthetischen Materialien (z.B. Polyurethan, Epoxidharz, Polyesterharz) gefüllt wird, dann sind Luftspalte unvermeid- lieh. Diese führen im Bereich von Hochspannungsanlagen wegen der möglichen hohen Feldstärkekonzentrationen zu Schwierig¬ keiten. Aus diesem Grund werden die Kunststoffmaterialien angeweicht durch den Zusatz von entsprechenden Weichmachern, weil dadurch vermieden werden kann, daß sich solche uner- wünschten Hohlräume bilden.

Aus der DE-OS 27 28 642 ist ein längswasserdichtes Lichtwel¬ lenleiter-Kabel bekannt, bei dem eine unpolare Füllmasse aus gequollenem Polystyrol mit Öl oder thermoplastischer Poly- urethankauschuk als Aderfüllmasse verwendet ist. Das Anquel¬ len des Polystyrols wird durch das dort verwendete Öl be¬ wirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Füllmasse zu schaffen, die leicht und preiswert hergestellt werden kann und bei der sich die gewünschte AustropfSicherheit in einfa¬ cher Weise gewährleisten läßt. Diese Aufgabe wird bei einer Füllmasse der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Füllmasse mindestens ein Zusatzstoff beigefügt ist, der mit dem Weichmacher in Wechselwirkung tritt und von diesem gelöst und/oder angelöst wird.

Durch die Wechselwirkung zwischen dem Weichmacher und dem Zusatzstoff wird letzterer so verändert, daß er eine gelar¬ tige Struktur erhält und so einen besonders guten und wir¬ kungsvollen Verdickungseffekt ergibt. Dadurch ergeben bereitε relativ geringe Mengen an Zusatzstoffen eine hohe Sicherheit gegen Austropfen der Füllmasse. Je nach Dosierung kann es dabei zu einem Anlösen (=Aufquellen oder Anquellen) des Zusatzstoffes kommen oder zu einem vollständigen Auflösen desselben.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstel¬ lung einer Füllmasse gemäß der Erfindung, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Zusatzstoff in eine fertig aufbe¬ reitete, mindestens einen Weichmacher enthaltende Grundfüll- masse eingebracht und mit dieser gut angelöst und/oder gelöst wird. Die Grundfüllmasse enthält alle sonstigen für die Füll¬ masse vorgesehenen Bestandteile und die fertige Füllmasse im Sinne der Erfindung wird somit allein dadurch hergestellt, daß der Zusatzstoff eingebracht und dadurch die erwähnte Wechselwirkung zwischen Zusatzstoff einerseits und Weich¬ macher andererseits ausgelöst wird. Dieses Verfahren hat somit den Vorteil, daß nicht wie bisher Füllmassen auf Vorrat bereitgestellt werden müssen, sondern daß die endgültige Füllmasse erst bei Bedarf endgültig fertig angemischt werden kann.

Dies ermöglicht ein Verfahren zur Herstellung eines opti¬ schen Übertragungselementes mit einer Füllmasse gemäß der Erfindung, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Grundfüllmasse im Bereich der Fertigung für eine Lichtwellen¬ leiterader und/oder ein Lichtwellenleiterkabel mit dem Zusatzstoff zusammengebracht wird und daß die so erhaltene nunmehr fertige Füllmasse in einem durchgehenden Prozeß in die jeweilige Lichtwellenleiterader und/oder das optische Kabel eingefüllt wird.

Die Erfindung betrifft auch ein optisches Übertragungsele¬ ment, insbesondere in Form eines optischen Kabels und/oder einer optischen Ader, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine Füllmasse nach einem der Ansprüche 1 -12 enthält.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein optisches Übertragungselement in Form einer Hohlader mit einer Füllmasse gemäß der Erfindung innerhalb der Schutzhülle,

Figur 2 im Querschnitt ein optisches Kabel mit einer Füll¬ masse gemäß der Erfindung als Seelenfüllmasse und

Figur 3 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Füllung eines optischen Übertragungselementes mit einer Füllmasse gemäß der Erfindung.

In Figur 1 ist eine sogenannte Hohlader GA

(Lichtwellenleiterader) dargestellt, bei der innerhalb einer Schutzhülle SH aus Kunststoff und/oder Metall mindestens ein Lichtwellenleiter LW angeordnet ist, der außen von einer dicht aufsitzenden Schutzschicht (Coating) CT umgeben ist. Zur weichen Einbettung dieses Lichtwellenleiters ist eine

Füllmasse FC vorgesehen, die den Lichtwellenleiter LW all¬ seitig umgibt. Diese Füllmasse enthält mindestens einen An¬ teil in Form eines Weichmachers sowie einen Zusatzstoff, der mit dem Weichmacher in Wechselwirkung tritt und von diesem angelöst bzw. gelöst wird. Infolge der günstigen Eigenschaf¬ ten der εo hergestellten Füllmasse ist diese in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar und doch - zum Schutz des Licht- Wellenleiters LW - ausreichend weich und zugleich hinreichend gegen Austropfen gesichert.

In Figur 2 ist ein optisches Kabel OC dargestellt, das drei Lichtwellenleiteradern GA1, GA2 und GA3 enthält, deren Aufbau der Struktur nach Figur 1 entspricht. Sie enthalten jeweils mindestens einen Lichtwellenleiter LW1, LW2 und LW3, der mit einer entsprechenden Schutzschicht (Coating CTI, CT2, CT3) umgeben ist. Weiterhin ist jeweilε innerhalb der zugehörigen Schutzhülle SH1 biε SH3 eine Füllmasse FC1 bis FC3 vorgese¬ hen, die einen Weichmacher sowie einen Zusatzstoff aufweist, der mit dem Weichmacher in Wechselwirkung tritt und von die- sem angelöst bzw. gelöst wird. Die äußeren Zwickelräume der zweckmäßig miteinander verseilten Lichtwellenleiteradern GA1 biε GA3 sind vorteilhaft mit einer Seelenfüllmasse FCS gefüllt, die den gesamten Innenraum bis zur Innenwand deε Kabelmantels CS vollständig ausfüllt. Auf diese Weise ent- steht ein längswasserdichtes optisches Lichtwellenleiterkabel OC, das einen optimalen mechanischen Schutz sowohl der Licht- wellenleiteradern GA1 bis GA3 als auch der in ihnen enthal¬ tenen Lichtwellenleiter LW1 bis LW3 bietet.

Es ist auch möglich, daß das Element OC nur ein optisches Leiterbündel bildet (gegebenenfalls unter Weglassung der äußeren Schutzhülle CS bzw. unter Einsatz nur einer Bewick¬ lung oder Bespinnung anstelle von CS) . Dabei können mehrere derartige Bündel zu einem Kabel verseilt werden, wobei dann außen um diese Bündel ein äußerer Kabelschutzmantel aufzu¬ bringen ist und die Zwickelräume ebenfalls mit Seelenfüll¬ masse FCS gefüllt sind.

Die bei der Füllmasse gemäß der Erfindung verwendeten Bestandteile werden nachfolgend im einzelnen näher beschrie¬ ben:

Weichmacher

Bevorzugt werden Weichmacher verwendet, die bei 20 °C flüs¬ sig sind. Vorteilhaft werden PVC-Weichmacher verwendet. Es können auch unterschiedliche Weichmacher insbesondere unter- schiedliche PVC-Weichmacher eingesetzt werden. Bevorzugt wer¬ den Weichmacher mit mindestens einem Säureester eingesetzt. Besonders zweckmäßig ist der Einsatz von Karbonsäureestern, insbesondere Mehrfachkarbonsäureestern aus aromatischen und/oder aliphatischen Mehrfachkarbonsäureestern oder deren Gemische. Es ist auch möglich, als Weichmacher Phthalsäure- eεter, Trimellitsäureester, Polyεter aus Adipin, Sebacin oder Azelain, Fettsaureester zu verwenden.

Eε ist auch möglich, als Weichmacher Epoxidweichmacher vorzu- sehen. Der oder die Epoxid Weichmacher sollten zweckmäßig mindestens eine polare Gruppe im Molekül aufweisen, insbeson¬ dere in Form einer funktionellen Gruppe oder eines Hetero- atomε. Besonderε vorteilhaft ist es, als Weichmacher Carboxyl-Gruppen, Hydroxyl-Gruppen, Ester-Gruppierungen oder eine Ether-Gruppe zu verwenden. Als Heteroatome werden bevor¬ zugt Stickstoff-, Phosphor oder Halogenatome verwendet. Die polaren Moleküle der Weichmacher sind zweckmäßig stärker polar als die einer reinen KohlenwasεerεtoffVerbindung bzw. alε reine Polyolefine.

Die Weichmacher werden bevorzugt εo ausgewählt, daß sie die Materialien der verwendeten Schutzhüllen SH in Fig. 1 und/oder SH1 - SH3 sowie CS in Figur 2 nicht anlösen oder be¬ einflussen. Sind beispielsweiεe die Schutzhüllen aus Polyole- finen, wie z.B. Polypropylen, Polyethylen, Polymethylpenten usw. aufgebaut, dann kommen als Weichmacher zweckmäßigerweise

solche in Betracht, die polarer sind als die genannten Schutzhüllen (d.h. alle Weichmacher, die oben genannt sind) .

Der Anteil an Weichmacher(n) an der gesamten Füllmasse sollte zweckmäßig zwischen 99 Gew.% und 80 Gew.%, insbesondere zwi¬ schen 99 Gew.% und 92 Gew.%, gewählt werden

Zusatzstoff

Als Zusatzstoff (es können gegebenenfalls auch mehrere unter- schiedliche Zusatzstoffe verwendet werden) sind besonders diejenigen Stoffe geeignet, für den der jeweilige Weichmacher auch sonst (d.h. bei den üblichen Anwendungsfällen von Weich¬ machern in der Chemie) eingesetzt werden. Beispielsweise wird bevorzugt ein PVC-Weichmacher zusammen mit einem aus PVC be- stehenden Zusatzstoff eingesetzt. Werden als Weichmacher

Epoxidweichmacher vorgesehen, wird als Zusatzstoff ein durch Epoxidweichmacher anlösbarer und/oder lösbarer Stoff einge¬ setzt, insbesondere z.B. Epoxide.

Besonderε geeignet alε Zusatzstoffe sind alle polaren Fest¬ stoffe um angelöste Gele der gewünschten Art herzustellen.

Der Vorteil derartiger Gele besteht vor allem darin, daß sich polare Festεubstanzen wie z.B. PVC in den PVC-Weichmachern extrem schnell lösen und somit auch ideal verteilt vorliegen. Es ist für einen gleichmäßigen und homogenen Aufbau der Füll¬ masse von besonderer Bedeutung. Das Verfahren Gele oder Füll- maεεen dieser Art herzustellen ist denkbar einfach und erfor¬ dert keine besondere Verfahrenstechnik. Bevorzugt wird der Zusatzstoff heiß (im Temperaturbereich zwischen 100°C und 160°C) in den Weichmacher eingerührt und erfährt dann dort innerhalb von kürzester Zeit (zwiεchen 60 s und 600 s das gewünschte Anlösen und/oder Lösen bzw. die gewünschte Wech¬ selwirkung. )

Relativ geringe Anteile von Zusatzstoffen reichen aus, um eine gewünschte gelartige Füllmasse zu erhalten. Der Anteil

der Zusatzstoffe an der ge- samten Füllmasse wird zweckmä¬ ßig weniger als 20 Gew.%, vorzugsweise weniger als 10 Gew.%, und insbesondere weniger als 8 Gew.% der Füllmasse gewählt.

Als Mindestanteil sind zweckmäßig 1 bis 3 Gew.% der Füllmasse vorteilhaft als Zusatzstoff vorhanden.

Beim vollständigen Auflösen des/der Zusatzstoffe werden die Pulverkörnchen in eine Lösung übergeführt. Dagegen werden beim Aufquellen/Anquellen des/der Zusatzstoffe die Pulver¬ körnchen nur zum Quellen gebracht und vergrößern ihr Volumen. So kann es bei PVC zum vollständigen Auflösen und bei PS/PC/PBT usw. zu einem Quellen der Partikel kommen.

Der/die Zusatzstoffe wirken ähnlich wie die sonst bei Füll¬ massen üblichen Verdickungs- bzw. Thixotropierungsmittel, so daß auf solche weiteren Zusätze bei der erfindungsgemäßen Füllmasse im allgemeinen meist verzichtet werden kann.

Ergänzungsstoffe:

Neben den bereits erwähnten und das Verhalten der Füllmasse weitgehend prägenden Anteilen an Weichmachern und mit diesen in Wechselwirkung in Form von Auf- oder Anlösen tretenden Zu¬ satzstoffen können weitere Ergänzungsstoffe eingesetzt wer- den, je nach dem gewünschten Anwendungsfall:

a) Kügelchen, insbesondere Hohlkügelchen.

Der Einsatz derartiger insbesondere unter dem Handelsnamen

„Expancell" der Firma Nobel Industrieε verwendet werden. Der Außendurchmesser (Teilchengröße) dieser Kügelchen sollte zweckmäßig deutlich unter dem Durchmesser der Lichtwellenlei¬ ter also unter 100 μm liegen. Bevorzugt werden Kügelchen ver¬ wendet, deren Durchmesser kleiner als 50 μm, insbesondere un¬ ter 10 μm liegt. Der Anteil der Kügelchen an der gesamten Füllmasse sollte zweckmäßig zwischen 1 Gew.% und 4 Gew.%, insbesondere zwi¬ schen 2 Gew.% und 3 Gew.%, gewählt werden.

Als leicht in allen genannten flüssigen Weichmachern lösliche polare Feststoffe sind besonders geeignet PVC, Methylcellu¬ lose, Cellulosederivate, Celluloseacetat, Cellulosepropionat, PC, ABS, PBT und Epoxide.

Die letztgenannten Stoffe PC, ABS, PBT und Epoxide sind po¬ lare Feststoffe, die sich in den genannten Weichmachern lösen bzw. aufquellen.

Die nachfolgenden Beispiele geben Rezepturen wieder, die den an Füllmassen für optische Kabel oder optische Hohladern zu stellenden Anforderungen genügen:

1. Beispiel:

In 96 Gew% Palamoll 652 (Fa. BASF) als Weichmacher und 1 % Stabilisator Irganox 1010 (Ciba Additive, Frankfurt) dient als Stabilisierung von PVC bzw. als Antioxidant werden unter Rühren bei 140°C 3% Vinnol E G 70 (Fa. Vinnolit Kunst- stoff/Ismaning) als Zusatzstoff eingebracht.

Nach dem Erkalten der homogenen Flüssigkeit entsteht ein Gel mit folgenden Eigenschaften:

Konuspenetration bei -40°C: 200 1/10 mm Viskosität bei 20°C: 15.000 mPa ^' s Gefrierpunkt: < - 30°C

Daε Gel wurde in 30 cm lange Hohladerröhrchen (vgl. Fig. 1) gefüllt und bei verschiedenen Temperaturen im Umlufttrocken- schrank senkrecht gelagert. Der Tropfpunkt der Masse liegt bei > 80°C

2. Beispiel In 95 Gew% Palamoll 652 (Fa. BASF) als Weichmacher und 1 %

Stabilisator Irganox 1010 als Antioxidant werden unter Rühren bei 140°C 4% Vinnol EG 70 als Zusatzstoff eingebracht.

Nach dem Erkalten der homoge- nen Flüssigkeit entsteht ein Gel mit folgenden Eigenschaften:

Konuspenetration bei - 40°C: 183 1/10 mm Viskosität bei 20°C:26.000 mPa ^' s Gefrierpunkt : < - 30°C

Das Gel wurde in 30 cm Hohladerröhrchen gefüllt und bei ver¬ schiedenen Temperaturen im Umlufttrockenschrank senkrecht ge- lagert .

Der Tropfpunkt der Masse liegt bei > 80°C

3. Beispiel

In 95 Gew% Palatinol AH (Fa.BASF) als Weichmacher und 1 % Stabilisator Irganox 1010 (Fa. Ciba Additive/Frankfurt) als Stabilisator für PVC werden unter Rühren bei 140°C 4% Vinnol EG70 (Fa. Vinnolit Kunststoff/Ismaning) als Zusatzstoff ein¬ gebracht.

Nach dem Erkalten der homogenen Flüssigkeit entsteht ein Gel mit folgenden Eigenschaften:

Konuspenetration bei - 40°C: 264 1/10 mm Viskoεität bei 20°C: 8.000 mPa ^' s

Gefrierpunkt : <-45°C

Das Gel wurde in 30 cm Hohladerröhrchen gefüllt und bei ver¬ schiedenen Temperaturen im Umlufttrockenschrank senkrecht ge- lagert.

Der Tropfpunkt der Masse liegt bei > 80°C

4. Beispiel

In 96 Gew% Palatinol AH (Fa. BASF) alε Weichmacher und 1 % Stabilisator Irganox 1010 (Fa. Ciba Additive/Frankfurt) als Stabilisator für PVC werden unter Rühren bei 140°C 3 % Vinnol

EG70 (Fa. Vinnolit Kunst- stoff/Ismaning) als Zusatz¬ stoff eingebracht.

Nach dem Erkalten der homogenen Flüssigkeit entsteht ein Gel mit folgenden Eigenschaften:

Konuspenetration bei -40°C: 350 1/10 mm Viεkoεität bei 20°C: 5.000 mPa ^' s Gefrierpunkt: < -45 °C

Daε Gel wurde in 30 cm Hohladerröhrchen gefüllt und bei ver¬ schiedenen Temperaturen im Umlufttrockenschrank senkrecht ge¬ lagert . Der Tropfpunkt der Masse liegt bei > 80°C

5. Beispiel

In 95 Gew% Palatinol 11 (Fa. BASF) als Weichmacher und 1 % Stabilisator Iragnox 1010 (Fa. Ciba Additive/Frankfurt) als Stabilisator für PVC werden unter Rühren bei 140°C 4 % Vinnol E G 70 (Fa. Vinnolit Kunststoff/Ismaning) als Zusatzstoff eingebracht .

Nach dem Erkalten der homogenen Flüssigkeit entsteht ein Gel mit folgenden Eigenschaften:

Konuspenetration bei - 40°C: 140 1/10 mm Viskosität bei 20°C: 6.000 mPa ^' s Gefrierpunkt: < -40°C

Das Gel wurde in 30 cm Hohladerröhrchen gefüllt und bei ver- schiedenen Temperaturen im Umlufttrockenschrank senkrecht ge¬ lagert . Der Tropfpunkt der Masse liegt bei > 80°C.

6. Beispiel In 96 Gew.% Palatinol AM (Fa. BASF) als Weichmacher und 1 % Stabilisator Irganox 1010 (Fa. Ciba) alε PVC-Stabilisator werden unter Rühren bei 120°C 2 Gew.% vinnol EG 70 (Fa. Vin-

nolit Kunststoff) als Zusatz- stoff und 2 Gew.% Expancell (Fa. Nobel Industries) als Hohlkügelchen eingebracht.

Nach dem Erkalten entsteht ein heterogenes Gel mit folgenden Eigenschaften:

Konuspenetration bei - 40°C: 300 1/10 mm Viskoεität bei 20°C: 17.000 mPa ^' ε Gefrierpunkt: < -45°C

Die Aufbereitung der erfindungsgemäßen Füllmasse und deren

Einsatz im Bereich der Kabelfertigung wird anhand von Figur 3 näher erläutert. Dabei iεt zunächst vorausgesetzt, daß ein optisches Übertragungselement im Sinne der Figur 1, d.h. ins- beεondere eine optische Hohlader hergestellt werden soll. Der oder die Lichtwellenleiter LW sind auf Vorratsspulen VS un¬ tergebracht und laufen in einen Extruder EX ein. Dieser Ex¬ truder EX dient der Aufbringung der äußeren Schutzhülle SH, so daß an seinem Ausgang ein fertiges optisches Übertragung¬ selement z.B. in Form einer Hohlader GA vorliegt.

Die Aufbereitung der Füllmasse erfolgt zweckmäßig vor Ort, d.h. unmittelbar im Bereich des Extruders EX und „online", d.h. in einem durchlaufenden Fertigungεprozeß. In einem er¬ εten Vorratsbehälter BT1 ist der vorzugsweise pulverförmige Zusatzstoff FCP untergebracht, während in einem zweiten Vor¬ ratsbehälter BT2 die fertig aufbereitete Grundfüllmasse FCW enthalten ist, also insbesondere der flüssige Weichmacher so¬ wie gegebenenfalls Hohlkügelchen. Die Grundfüllmasse enthält also alle Bestandteile der fertigen Füllmasεe auεgenommen le- diglich den für daε Anlöεen/Lösen benötigten Zusatzstoff. Die Grundfüllmasεe FCW wird zusammen mit dem Zusatzstoff FCP ei¬ ner Mischeinrichtung MX zugeführt, wo es zu einer innigen Vermengung der bevorzugt pulverförmigen Bestandteile des Zu¬ satzstoffes FCP und der übrigen, bevorzugt flüsεigen, Be- standteile der Grundfüllmasse FCW kommt. Bereits beim Misch¬ prozeß setzt die Wechselwirkung (Anweichen bzw. Lösen) zwi¬ schen dem flüsεigen Weichmacher der Grundfüllmasse FCW einer-

seits und dem oder den Zu- satzstoffen FCP andererseits ein, was insbesondere dadurch gefördert wird, daß mit einer höheren Temperatur z.B. zwischen 100°C und 160°C im Bereich des Mischers MX gearbeitet wird. Die so erhaltene fertige Füllmasse FC wird über eine entsprechende Leitung in den Ex¬ truderkopf des Extruders EX eingeführt und dort, bevorzugt im Bereich des Reckkegels für die Schutzhülle SH in das Innere dieseε Reckkegelε eingeleitet. Dadurch ist sichergestellt, daß es zu einer allseitigen und vollständigen Füllung des In- nenraums der Schutzhülle SH nach Figur 1 kommt.

Wenn mit der Anlage nach Figur 3 ein Kabel entεprechend Fi¬ gur 2 hergeεtellt werden soll, dann laufen von der/den Vor¬ ratsspulen VS ein oder mehrere Bündel ab, die in das Innere des Extruders EX geführt werden, wo der Außenmantel CS des fertigen Kabels OCl aufgebracht wird.