DE102006012116A1

DE102006012116A1 - Glaserfaserkabel

Info

Publication number: DE102006012116A1
Application number: DE102006012116A
Authority: DE
Inventors: Markus Kappel; Thomas Weingärtner; Thomas Henrich; Wolfram Dr. Gehenn; Axel Curdt; Lothar Willmes; Wolfgang Eis
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2007-09-20
Also published as: CN101405232A; WO2007104764A1; WO2007104300A1; CN101405232B; US7760977B2; EP1993963A1; CN101400617A; DE202007018590U1; US20090067792A1; EP1993963B1; CN101400617B; JP2009529712A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Glasfaserkabel zur Leitung von elektromagnetischer Strahlung insbesondere Licht zur Datenübertragung mit wenigstens einem Bündel von Einzelfasern, welche in einer Kunststoffummantelung aufgenommen sind, wobei die Einzelfasern optische Stufenfasern aus Mehrkomponentenglas mit einem Kernglas und einem das Kernglas vollständig an seiner Umfangswand umschließenden Mantelglas umfassen. Dabei ist einerseits von besonderer Bedeutung, dass die Stufenfasern für die Datenübertragung hohe Transmissionsfähigkeit aufweisen. Andererseits ist erforderlich, dass die Transmissionseigenschaften in ausreichendem Maße dauerhaft erhalten bleiben. Dabei soll das Glasfaserkabel gegenüber physikalischen und chemischen Einflüssen der Umgebung beständig sein und vor radikalen Umgebungschemikalien geschützt sein. Dies wird dadurch erreicht, dass das Mantelglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist, welche beim Faserziehen weitgehend frei von chemischen Wechselwirkungen mit dem Kernglas ist und gegenüber der Kunststoffummantelung chemisch inaktiv ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Glasfaserkabel zur Leitung von Licht zur Datenübertragung mit wenigstens einem Bündel von Einzelfasern, welche in einer Kunststoffummantelung aufgenommen sind, wobei die Einzelfasern optische Stufenfasern aus Mehrkomponentenglas mit einem Kernglas und einem das Kernglas vollständig an seiner Umfangswand umschließenden Mantelglas umfassen.

Zur Datenübertragung sind im Stand der Technik Lichtleiter aus Kunststofffasern bekannt. Diese werden in sogenannten MOST-Bus-Systemen eingesetzt. Kunststofffasern weisen den Nachteil auf, dass die Alterungsbeständigkeit bei den üblichen Betriebstemperaturen gering ist. Insbesondere, wenn die Lichtleiter in einer Umgebung mit hoher Konzentration von aggressiv wirkenden Chemikalien längere Zeit eingesetzt sind, wird die Oberfläche aber auch die innere Beschaffenheit der Kunststofffasern nachteilig verändert. Hiermit geht eine unerwünschte Verschlechterung der optischen Eigenschaften einher, so dass die erhöhten Anforderungen an Transmissionseigenschaften für die Datenübertragungen bei Kunststofffasern dauerhaft nicht gewährleistet sind.

Des Weiteren unterliegen die Kunststofffasern einer unerwünschten Degradation durch das Klima ihrer Umgebung. Kabel aus Kunststofffasern werden üblicherweise bei Anwendungstemperaturen von –40°C bis +85°C eingesetzt. Insbesondere beim Einsatz in Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen kommt es dabei zu Alterungserscheinungen, welche durch sich häufig ändernde Temperaturen am Einsatzort verstärkt werden.

In einigen Bereichen eines Kraftfahrzeugs ist eine Temperaturbeständigkeit der Kabel von mindestens 125°C im Innenraum beziehungsweise von mindestens 150°C im Motorraum erforderlich. In diesen Bereichen weisen Kabel aus Kunststofffasern erhebliche Nachteile auf, so dass von einer Verwendung dort abgesehen wird.

Datenkabel aus Kunststoff, welche als Einzelfaserkabel ausgebildet sind, weisen zudem aufgrund des großen Faserdurchmessers große Biegeradien auf. Bei Unterschreitung des Mindest-Biegeradius kommt es zur Lichtauskopplung und damit zu einer Unterbrechung der Datenleitung.

Des Weiteren sind Glasfaserkabel mit einem extrudierten Kunststoffmantel für Beleuchtungszwecke bekannt. Diese Kabel weisen Nachteile bezüglich chemischer, thermischer und mechanischer Beständigkeit auf, welche für die Gewährleistung einer dauerhaft optimalen Datenübertragung erforderlich ist.

Als geeignete Glasfasern haben sich optische Stufenfasern aus Mehrkomponentengläsern erwiesen, wobei Stufenfasern ein Kernglas und ein das Kernglas vollständig an seiner Umfangswand umschließendes Mantelglas umfassen.

Im Allgemeinen ist eine Glasfaser zur Lichtübertragung aus einem hochbrechenden Kernglas und einem dieses umgebendes Mantelglas mit niedrigerer Brechzahl als der des Kernglases aufgebaut. Ein lichtübertragender Glaskörper in Faserform, bei dem über den Querschnitt des Kernglases die Brechzahl konstant ist und der mit einem beschriebenen Mantelglas umhüllt ist, nennt man Stufenfaser.

Glasfasern dieses Typs übertragen Licht, das in das eine Ende der Faser eingekoppelt wird, an das andere Ende der Faser, wobei das Licht an der Grenzfläche zwischen Kernglas und Mantelglas vollständig reflektiert wird (Totalreflexion).

Die Lichtmenge, die in eine solche Faser eingekoppelt und übertragen werden kann, ist proportional dem Quadrat der Numerischen Apertur (NA) der Faser und der Querschnittsfläche des Faserkerns. Um möglichst große Lichtmengen über kurze bis mittlere Entfernungen (< 100 m) zu übertragen, werden solche Stufenfasern zu dichten Faserbündeln zusammengepackt, mit einem Schutzschlauch versehen, ihre Enden in Metallhülsen oder in Hülsen eines anderen geeigneten Materials eingefasst und die Stirnseiten durch Schleifen und Polieren zu optisch planen Flächen bearbeitet. Entsprechend konfektionierte optische Faserbündel nennt man faseroptische Lichtleiter.

Diese faseroptischen Lichtleiter finden in den unterschiedlichsten technischen und medizinischen Bereichen Anwendung (allgemeine Industrietechnik, Beleuchtungs-, Verkehrstechnik, Automobilindustrie, Architektur, Endoskopie, Dentalmedizin). Ihre wichtigste Funktion ist die Übertragung eines möglichst großen Lichtstroms.

Je höher die NA der in dem Bündel enthaltenden Einzelfasen ist, desto größere Lichtmengen können diese Lichtleiter übertragen. Die durch faseroptische Lichtleiter übertragene Lichtmenge hängt neben der NA ihrer Fasern auch ab von der Transmissionseigenschaft der Kerngläser. Nur Kerngläser ganz bestimmter spezifischer Zusammensetzung und mit sehr niedrigen Verunreinigungsgraden der Rohstoffe, aus denen sie geschmolzen werden, leiten das Licht möglichst dämpfungsarm über die gesamte Lichtleiterlänge.

Die Rohstoffe zum Erschmelzen solcher Kerngläser sind aufgrund ihrer hohen Reinheit recht teuer, was zu erheblichen Herstellkosten solcher Fasern bzw. daraus hergestellter Lichtleiter führen kann.

Die Herstellung optischer Stufenfasern aus Mehrkomponentengläsern erfolgt entweder über das sogenannte Doppeltiegel- oder das Stab-Rohr-Verfahren. In beiden Fällen werden Kern- und Mantelglas auf Temperaturen erhitzt, die einem Viskositätsbereich zwischen 10⁴ bis 10³ dPa s entsprechen und dabei zu einer Faser ausgezogen. Damit eine stabile Faser niedriger Dämpfung hergestellt werden kann, müssen Kern- und Mantelglas in einer Reihe von Eigenschaften wie Viskositätsverlauf, thermischer Ausdehnung, Kristallisationsneigung u.a.m. kompatibel zueinander sein. Insbesondere darf es in der Grenzfläche zwischen Faserkern und -mantel nicht zu Kontaktreaktion bzw. Kristallisation kommen, was eine Totalreflexion des im Faserkern geführten Lichtes empfindlich stören und damit die Faser für die Anwendung zur dämpfungsarmen Lichtübertragung untauglich machen würde. Darüber hinaus würde auch die mechanische Festigkeit der Faser durch Kristallisation negativ beeinträchtigt.

Optische Gläser für Stufenfasern sind aus der DE 199 58 522 B4 2004.04.08 und Stufenfasern sind aus der DE 102 45 987 B3 2004.05.06 bekannt. In der DE 199 58 522 A1 werden zinkhaltige optische Gläser beschrieben mit Brechzahlen n_d zwischen 1,52 und 1,66. Neben SiO₂ enthalten diese Gläser zumeist auch ZnO in unterschiedlichen Prozentsätzen sowie hauptsächlich Alkalien und einige wenige andere Elemente wie B, Ba, Mg, Ca, Al, Y, Zr, Ge und teilweise Pb, beziehungsweise deren Oxide.

Die meisten der dort offenbarten Gläser zeichnen sich durch eine hohe Reintransmission und gute Farbneutralität aus. Neben diesen optischen Eigenschaften weisen die Gläser auch eine gute Kristallisationsstabilität und Schmelzbarkeit auf. Obwohl zinkhaltige optische Gläser stärker zu Kristallisation neigen als bleihaltige, konnten aus dem in der DE 199 58 522 A1 zugrunde liegendem Glassystem Gläser gefunden werden, die zur Herstellung von erfindungsgemäß verwendeten Stufenfasern geeignet sind.

Stufenfasern aus den oben beschriebenen Gläsern beziehungsweise Glasfaserbündel aus diesen Stufenfasern weisen die Eigenschaft auf, dass sie auf bestimmte Umgebungschemikalien empfindlich reagieren. Insbesondere werden aus der Oberfläche der Stufenfasern von Radikalen leicht Bestandteile von chemischen Verbindungen an der Glasoberfläche gelöst, so dass die optischen Eigenschaften der Stufenfasern nicht mehr gewährleistet sind.

Diese radikalen Umgebungschemikalien kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen vor, an beziehungsweise in denen eine Vielzahl unterschiedlicher Materialen verarbeitet sind, welche eine große Anzahl an derartigen Radikalen an die Umgebung abgeben. Aber auch die Materialien, welche zur Ummantelung von Bündeln aus derartigen Stufenfasern verwendet werden, können selbst aggressive radikale Elemente beziehungsweise Verbindungen freisetzen, welche unmittelbar an die Oberfläche der Stufenfasern gelangen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Glasfaserkabel zur Verfügung zu stellen, welches den Anforderungen für den Einsatz in Kraftfahrzeugen gerecht wird. Dabei ist einerseits von besonderer Bedeutung, dass die Stufenfasern für die Datenübertragung hohe Transmissionsfähigkeit aufweisen. Andererseits ist erforderlich, dass die Transmissionseigenschaften während der typischen Lebensdauer- beziehungsweise Gesamtnutzungszeit von Kraftfahrzeugen in ausreichendem Maße erhalten bleiben. Dabei soll das Glasfaserkabel gegenüber physikalischen und chemischen Einflüssen der Umgebung beständig sein und vor radikalen Umgebungschemikalien geschützt sein.

Eine erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bereitgestellt. Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung werden durch die Merkmale der Unteransprüche bereitgestellt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Mantelglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist, welche beim Faserziehen weitgehend frei von chemischen Wechselwirkungen mit dem Kernglas ist und gegenüber der Kunststoffummantelung chemisch inaktiv ist.

In vorteilhafter Weise wird so ein Glasfaserkabel bereitgestellt, welches optimale optische Eigenschaften sowie dauerhafte Beständigkeit sowohl des Glasfaserbündels als auch der Kunststoffummantelung gewährleistet. Insbesondere beim Einsatz in Kraftfahrzeugen wird so die für die Datenübertragung erforderliche Lichtleitfähigkeit dauerhaft erhalten. Es werden erfindungsgemäß bereits durch die Wahl des Mantelglases bei der Herstellung der Einzelfasern, beim Faserziehen, zwischen Mantelglas und Kernglas Kristallisations- und Grenzflächenreaktionen vermieden, wodurch optimale optische Eigenschaften der Einzelfasern erreicht werden. Durch das erfindungsgemäße Mantelglas werden des Weiteren Wechselwirkungen zwischen Mantelglas und Kunststoffummantelung vermieden, welche einen unerwünschten Einfluss auf die Haltbarkeit und somit auch auf die optischen Eigenschaften des Glasfaserkabels haben könnten. Insbesondere wird dadurch die Haltbarkeit des Glases gegenüber Korrosion oder Erosion aufgrund Beaufschlagung mit Umgebungschemikalien beim Einsatz gewährleistet.

Für das Glasfaserkabel ist mit der Erfindung gefunden worden, dass das Mantelglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit den Komponenten:
SiO₂ von 60-72 Gew.%, B₂O₃ < 20 Gew.%, Al₂O₃ < 10 Gew.%, Na₂O < 18 Gew.%, K₂O < 15 Gew.%, Li₂O < 5 Gew.% und F ≤ 1 Gew.%. Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Materialzusammensetzung wird mit Li₂O < 2 Gew.% und F < 0,02 Gew.% realisiert.

Alternativ wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass das Mantelglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit den Komponenten:
SiO₂ von 72-78 Gew.%, B₂O₃ von 5 bis 15 Gew.%, Al₂O₃ von 5 bis 10 Gew.%, Na₂O < 10 Gew.%, K₂O < 10 Gew.%, Li₂O < 5 Gew.%, F ≤ 1 Gew.%. Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Materialzusammensetzung wird mit SiO₂ von 72,5-75 Gew.%, B₂O₃ von 8-12 Gew.%, Na₂O von 5-10 Gew.%, K₂O von 1-4 Gew.%, Li₂O < 2 Gew.% und F < 0,02 Gew.% realisiert. Mit diesem Mantelglas wird eine Stufenfaser für das Glasfaserkabel bereitgestellt, welche eine bessere chemische Beständigkeit aufweist als die erstgenannte Materialzusammensetzung. Jedoch neigt diese Materialzusammensetzung beim Herstellen mittels Faserziehen eher zur Kristallisation. Je nach vorgesehenem Einsatzbereich kann somit eine der beiden erfindungsgemäßen alternativen für die Herstellung des Glasfaserkabels ausgewählt werden.

Für die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Materialzusammensetzungen ist des Weiteren in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass das Mantelglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit zusätzlichen Anteilen einer oder mehrerer der folgenden Komponenten:
MgO < 3 Gew.%, BaO < 3 Gew.%, SrO < 4 Gew.%, CaO < 6 Gew.%, ZnO < 3 Gew.%, Rb₂O < 15 Gew.%, Cs₂O < 15 Gew.%.

Von besonderem Vorteil hat sich eine Materialzusammensetzung erwiesen mit einem Anteil an ZnO ≤ 1,5 Gew.%, wobei bei einer ersten bevorzugten Variante eine Materialzusammensetzung mit einem Anteil an ZnO von 0,6 Gew.% und bei einer zweiten bevorzugten Variante eine Materialzusammensetzung mit einem Anteil an ZnO von 1 Gew.% vorgesehen ist. Auch weil Rb und Cs teure Rohstoffe sind, werden sie bevorzugt in den Bereichen Rb₂O < 5 Gew.% und Cs₂O < 5 Gew.% eingesetzt.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass das Mantelglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist, wobei die Summe der Komponenten Li₂O, Na₂O, K₂O, Rb₂O, Cs₂O > 5 Gew.% ist.

Außerdem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Mantelglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist, wobei die Summe der Komponenten MgO, CaO, SrO, BaO, ZnO ≤ 4 Gew.% ist.

Darüber hinaus kann das Mantelglas Läutermittel in den üblichen Mengen enthalten. Hierfür ist vorgesehen, dass das Mantelglas die Läuterungsmittel As₂O₃, Sb₂O₃, SnO₂, RCl und/oder R₂SO₄ in den üblichen Mengen enthält.

Aufgrund der besseren chemischen Beständigkeit des erfindungsgemäßen Mantelglases wird die mechanische Festigkeit der Einzelfasern verbessert, so dass mit der so hergestellten Stufenfaser ein langlebiges Glasfaserkabel zur Verfügung gestellt werden kann.

Mit dieser Materialzusammensetzung steht ein Fasertyp zur Verfügung, dessen optisches Verhalten insbesondere in feuchter Wärme, vor allem jedoch in wechselndem Umgebungsklima, gleichbleibend gut ist. Somit werden die Anforderungen an Datenkabel beispielsweise für den Einsatz in Kraftfahrzeugen ohne weiteres erfüllt.

Die günstigen Eigenschaften hinsichtlich der klimarelevanten Materialveränderungen werden dadurch erreicht, dass das Mantelglas der Einzelfaser Feuchtigkeit ausgesetzt werden kann, ohne dass es durch die Feuchtigkeit zu Erosionserscheinungen oder einem „Auslaugen" des Mantelglases kommt. Weiterhin wird erreicht, dass die optischen Eigenschaften des Mantelglases gegenüber dem Kernglas unbeeinträchtigt bleiben, so dass auch die Eigenschaften hinsichtlich der Totalreflexion in der Einzelfaser erhalten bleibt. Außerdem wird so vermieden, dass die mechanische Vorspannung der Einzelfasern abgebaut wird und dass die Einzelfasern somit brüchig werden. Damit kann Faserbruch vermieden werden, was die Transmission von Licht im Glasfaserkabel beeinträchtigen würde.

Es ist mit der Erfindung erkannt worden, dass bestimmte Materialzusammensetzungen des Mantelglases für bestimmte Kunststoffummantelungen ungeeignet sind. Andererseits korrespondieren bestimmte Materialzusammensetzungen der Kerngläser beim Faserziehen nicht mit jeder Materialzusammensetzung der Mantelgläser.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Kernglas eine Materialzusammensetzung mit Transmissionsfähigkeit der daraus hergestellten Einzelfaser mit zumindest einer Numerischen Apertur NA ≥ 0,48 und/oder Dämpfung von D(650 nm) ≤ 300 dB/km, vorzugsweise D(650 nm) ≤ 200 dB/km aufweist. Generell kann zur Datenübertragung Licht oder gene rell elektromagnetische Strahlung beliebiger Wellenlänge verwendet werden. Daher ist der Begriff „Licht" im Rahmen der vorliegenden Anmeldung als elektromagnetische Strahlung im generellen zu verstehen.

Die Materialzusammensetzung für das Kernglas hat als Einzelfaser somit eine ausreichend große Numerische Apertur. Darüber hinaus besitzt das Kernglas die erforderliche niedrige Dämpfung in Abhängigkeit von der Reinheit der verwendeten Rohstoffe. Bevorzugt wird eine Materialzusammensetzung mit einer Dämpfung von D(650 nm) ≤ 300 dB/km, vorzugsweise D(650 nm) < 200 dB/km. Das Kernglas ist günstig herzustellen. Bei der Herstellung zeichnet es sich darüber hinaus durch eine gute Ziehbarkeit aus und es besteht weitgehend aus umweltschonenden Rohstoffkomponenten.

Um die erfindungsgemäßen Eigenschaften der Einzelfasern zu gewährleisten, wird die Kombination des erfindungsgemäßen Mantelglases mit einem Kernglas dahingehend vorgeschlagen, dass das Kernglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit SiO₂ von 42 bis 53 Gew.%, ZnO von 30 bis 38 Gew.%, Na₂O < 14 Gew.%, K₂O < 12 Gew.%, wobei die Summe der Anteile von Na₂O+K₂O ≥ 2 Gew.% ist, sowie BaO < 0,9 Gew.%.

Eine Alternative wird durch die Kombination bereitgestellt, dass das Kernglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit SiO₂ von 42 bis 53 Gew.%, ZnO von 16 bis 38 Gew%, PbO von 1 bis 20 Gew.%, wobei die Summe der Anteile von ZnO+PbO ≥ 30 Gew.% beträgt, Na₂O < 14 Gew%, K₂O < 12 Gew.%, wobei die Summe der Anteile von Na₂O+K₂O ≥ 2 Gew.% ist.

Von besonderem Vorteil hat sich eine Materialzusammensetzung erwiesen mit einem Anteil an F < 2 Gew.%, wobei bei einer bevorzugten Variante eine Materialzusammensetzung mit einem Anteil an F < 0,5 Gew.% vorgesehen ist.

Für die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Materialzusammensetzungen ist des Weiteren in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass das Kernglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit zusätzlichen Anteilen einer oder mehrerer der folgenden Komponenten: Li₂O < 3 Gew.%, ZrO₂ < 2 Gew.%, MgO < 6 Gew.%, CaO < 5 Gew.%, SrO < 6 Gew.%, B₂O₃ < 1 Gew.%, Al₂O₃ < 1,5 Gew.%, La₂O₃ < 10 Gew.%.

Außerdem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kernglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist, wobei die Summe der Komponenten Li₂O, Na₂O, K₂O ≥ 2 Gew.%, vorzugsweise ≥ 5 Gew.% ist.

Es hat sich erwiesen, dass die mit der erfindungsgemäßen Materialzusammensetzungen hergestellten Einzelfasern verbesserte mechanische Gesamtfestigkeit und weniger Schwachstellen aufweisen. Außerdem können die Einzelfasern mit geringeren Kosten hergestellt werden.

Das erfindungsgemäße Glasfaserkabel kann sowohl als optischer Lichtleiter für das gesamte Anwendungsspektrum faseroptischer Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise als Lichtleiter im Bereich der Beleuchtungstechnik beinhaltend Beleuchtungsanwendungen aller Art, sowie als Datenkabel, vorzugsweise jeweils in der Gebäude-, Industrie-, Kraftwerks-, Medizin-, Fahrzeug-, Schiffahrts-, Flugzeug- und Weltraumtechnik.

Zur Gewährleistung der Materialbeständigkeit von Mantelglas und Kunststoffummantelung vorzugsweise bei Datenkabel im Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass die Kunststoffummantelung bei Kontakt mit Umgebungschemikalien, wie Öle, Fette, Laugen, Säuren, PVC, Kraftstoffe sowie daraus entstehenden Flüssigkeiten oder Gasen undurchlässig und chemisch beständig ist. Somit wird neben geringer Wasserdampfpermeabilität auch ein Schutz der Glasfasern vor sonstigen Umweltchemikalien erreicht, insbesondere solcher, die in Fahrzeugen vorkommen. Es wird somit ein Glasfaserkabel zur Verfügung gestellt, das ohne weiteres in dementsprechender Umgebung einsetzbar ist, wie in Kraftwerken, Fahrzeugen, Raumfahrzeugen, Raumsonden, Satelliten, Flugzeugen, Schiffen, Schienenfahrzeugen, Zügen und dergleichen.

Mit der Erfindung ist wie vorerwähnt gefunden worden, dass schädigende Stoffe, insbesondere auch Wasserdampf aus der Umgebung des Kabels, aber darüber hinaus auch bestimmte Stoffe aus der Kunststoffummantelung selbst, dem Mantelglas schaden können. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass die Kunststoffummantelung aus einem Material hergestellt ist, welches eine vernachlässigbar geringe Eigenausdünstung von Kunststoffadditiven und/oder Restmonomerbildung aufweist. Es wird damit vermieden, dass schädigende Einwirkungen auf die Oberfläche des Mantelglases der Stufenfasern durch radikale chemische Elemente beziehungsweise Verbindungen der Kunststoffummantelung selbst zu einer unerwünschten Veränderung des Glasfaserkabels führen. Alternativ beziehungsweise optional kann auch eine Kunststoffart eingesetzt werden, welche ausschließlich eine geringe Eigenausdünstung oder Restmonomerbildung aufweist.

Erfindungsgemäß werden Kombinationen von Mantelglas und Kunststoffen bereitgestellt. Diese Kunststoffe stellen für den Extrusionsprozess geeignete Materialen für die Kabelummantelung dar. Dies wird dadurch erreicht, dass die Kunststoffummantelung ein Poly mermaterial ist, mit einer Reißdehnung größer 10%, welches eine Festigkeit von Shore 60A bis Shore 80D aufweist.

Erfindungsgemäß wird hierzu vorgeschlagen, dass die Kunststoffummantelung aus einem Material besteht mit einem oder mehreren der folgenden Kunststoffe:
elastische Fluorpolymere, vorzugsweise PVDF, FEP, ETFE; thermoplastische Elastomere auf Basis von Olefinen, vernetzten Olefinen und/oder Kautschuken; Thermoplaste, vorzugsweise PVC, PE, PP, PA, PBT; Copolyester; Urethane; Polyester; Polyamide und/oder Polyetheramide. Diese Materialien können alleine sowohl als Blends, als auch gefüllt eingesetzt werden. Die Kabelummantelung ist erfindungsgemäß sowohl einschichtig als auch mehrschichtig aufgebaut, vorgesehen.

Erfindungsgemäß ist eine Kombination von Mantelglas und Kunststoffzusammensetzung dadurch vorgesehen, dass die Kunststoffummantelung ein thermoplastisches Polyurethan-Elastomer oder ein vernetztes thermoplastisches Elastomer ist, vorzugsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), ein thermoplastisches Urethan (TPE-U), ein Polypropylen-Copolymer (TPE-0) oder ein Polyolifin-Kautschuk-Compounds (TPE-V).

Mit den gefundenen Kunststoffen wird erreicht, dass die Kunststoffummantelung und das Mantelglas sich zueinander chemisch inaktiv verhalten. Die Kunststoffummantelung weist eine hohe Dauertemperaturbeständigkeit, etwa im Bereich von +125°C über 6000 Stunden, eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit von etwa –40°C bis +125°C über 3000 Stunden und eine hohe Beständigkeit gegen feuchte Wärme bei +85°C und 85% relativer Feuchte über 3000 Stunden auf.

Des Weiteren weist die Kunststoffummantelung die vorgeschriebene Flammwidrigkeit, chemische Resistenz gegen die typischen Umgebungschemikalien in einem Kraftfahrzeug sowie optimale kleine Biegeradien bis etwa 5 mm ohne wesentlichen Anstieg der optischen Dämpfung des Kernglases auf.

Des Weiteren spalten die erfindungsgemäßen Kunststoffe, Restmonomeranteile und Additive wie z.B. Flammschutzmittel, keine oder nur ausreichend geringe Mengen an sauren oder alkalischen Komponenten ab, was insbesondere in hoher Luftfeuchte und in Kombination mit hohen Temperaturen bei üblichen Kunststoffen im Kraftfahrzeugbau der Fall sein kann.

Eine weitere Verbesserung der erforderlichen Resistenz für Glasfaserkabel wird erfindungsgemäß dadurch bereitgestellt, dass das Glasfaserbündel in der Kunststoffumman telung mit einem hydrophoben Schlichtemittel benetzt ist. Damit wird zwischen der Kunststoffummantelung und der Mantelglasoberfläche ein Schutzfilm aufgebaut, durch den eine Beaufschlagung der Mantelglasoberfläche mit Wasserdampf beziehungsweise mit wassergelösten Radikalen vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird dabei vorgeschlagen, dass das Schlichtemittel einen oder mehreren der folgenden Bestandteile aufweist: n-fache Carbonsäuren (C_n; n > 12), sogenannte langkettige Carbonsäuren; ethoxilierte Fettsäureaminoamide; modifizierte Organosilane; fluoralkylfunktionelle Silane; Perfluorpolyether; Kondensate aus Polyethyleniminen sowie deren Salze; Silikonöl. Die gefundenen Schlichtemittel sind weitgehend chemisch neutral und weisen optimale Gleit- und Benetzungseigenschaften auf. Darüber hinaus sind sie äußerst wasserabweisend beziehungsweise wasserdampfabweisend (hydrophob).

In vorteilhafter Weise wird mit dem erfindungsgemäßen Glasfaserkabel ein Datenkabel mit ausreichend guter Lichtleitfähigkeit zur Verfügung gestellt, welches insbesondere eine niedrige Dämpfung aufweist, welche für eine optimale Datenübertragung erforderlich ist und welches für den Einsatz in Umgebungen mit aggressiven Substanzen geeignet ist. Dabei sind blei- und/oder zinkhaltige Kerngläser in Kombination mit entsprechenden Materialzusammensetzungen für Mantelgläser gefunden worden, beispielsweise entsprechend der Offenbarung in den eingangs eingeführten Druckschriften.

Als optische Stufenfasern werden in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Einzelfasern in einer Kombination eingesetzt, dass das Kernglas aus einer Materialzusammensetzung besteht mit den Komponenten SiO₂ von 42 bis 53 Gew.%, ZnO von 16 bis 38 Gew%, PbO von 1 bis 20 Gew.%, wobei die Summe aus ZnO und PbO ≥ 30 Gew.% beträgt, Na₂O < 14 Gew%, K₂O < 12 Gew.%, wobei die Summe aus Na₂O und K₂O ≥ 2 Gew.% beträgt, und einem Mantelglas, welches aus einer Materialzusammensetzung besteht mit den Komponenten SiO₂ von 60 bis 72 Gew.%, B₂O₃ < 20 Gew.%, Al₂O₃ < 10 Gew.%, Na₂O < 18 Gew.%, K₂O < 15 Gew.% sowie ZnO < 1,5 Gew.%. Das Mantelglas kann Läutermittel aufweisen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Glasfaserkabels für den Einsatz in Land-, Luft- oder Weltraumfahrzeugen wird mit einer Stufenfaser erreicht, welche frei von bleihaltigen Komponenten ist. Dies wird mit einer Kombination aus Kern- und Mantelglas wie nachfolgend bereitgestellt, wobei das Kernglas aus einer Materialzusammensetzung besteht mit den Komponenten SiO₂ von 42 bis 53 Gew.%, ZnO von 30 bis 38 Gew.%, BaO < 0,9 Gew.%, Na₂O < 14 Gew.%, K₂O < 12 Gew.%, wobei die Summe aus Na₂O und K₂O ≥ 2 Gew% ist, und einem Mantelglas aus einer Zusammensetzung SiO₂ von 60 bis 72 Gew.%, B₂O₃ < 20 Gew.%, Al₂O₃ < 10 Gew.%, Na₂O < 18 Gew.%, K₂O < 15 Gew.%, sowie ZnO < 1,5 Gew.%. Das Mantelglas kann ebenfalls Läutermittel aufweisen.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des Glasfaserkabels wird dadurch bereitgestellt, dass das Mantelglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit den Komponenten SiO₂ von 70-80 Gew.%, B₂O₃ < 5 Gew.%, Al₂O₃ < 10 Gew.%, La₂O₃ < 2 Gew.%, Na₂O < 10 Gew.%, K₂O < 10 Gew.%, ZrO₂ < 2 Gew.%.

Dabei ist erfindungsgemäß außerdem vorgesehen, dass das Mantelglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit zusätzlichen Anteilen einer oder mehrerer der folgenden Komponenten: MgO < 10 Gew.%, BaO < 2 Gew.%, CaO < 2 Gew.%, ZnO < 2 Gew.%, vorzugsweise ZnO ≤ 1 Gew.%.

Als weitere Ausführungsform hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass das Kernglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit SiO₂ 30 bis 45 Gew.%, B₂O₃ < 12 Gew.%, ZnO < 10 Gew%, BaO 25 bis 40 Gew.%, Na₂O < 10 Gew%, K₂O < 2 Gew.%, Al₂O₃ < 1 Gew.%, La₂O₃ < 10 Gew.%, und Läutermittel. Wobei außerdem als vorteilhaft gefunden worden ist, dass das Kernglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit zusätzlichen Anteilen einer oder mehrerer der folgenden Komponenten ZiO₂ < 5 Gew.%, MgO < 1 Gew.%, CaO < 1 Gew.%.

Die gefundenen Stufenfasern weisen während des Faserziehprozesses eine hohe chemische Resistenz von Mantelglas und Kernglas auf, so dass Kristallisation und Grenzflächenreaktionen vermieden werden. Das Kernglas weist eine hohe Transmissionsfähigkeit mit optimaler Reflexionsfähigkeit an der Grenze zwischen Kern- und Mantelglas auf und die Dämpfung ist gering. Darüber hinaus korrespondiert das Mantelglas in vorteilhafter Weise mit den gefundenen Kunststoffummantelungen. Das Glasfaserdatenkabel gemäß dieser Erfindung weist gegenüber Kunststofffasern Temperaturbeständigkeiten auf, welche im Bereich von mindestens 125°C bis zu 150°C liegen.

Von der Erfindung sind darüber hinaus Einzelfasern mit weiteren Materialzusammensetzungen umfasst, welche beim Faserziehen der Einzelfasern geringe Kristallisationsneigung an den Grenzflächen zwischen Kern- und Mantelglas aufweisen, wobei die Kunststoffummantelung mit dem Mantelglas in erfindungsgemäßer Weise korrespondiert.

In vorteilhafter Weise wird mit der Erfindung des Weiteren dadurch eine Ausführungsform eines Glasfaserkabels bereitgestellt, dass das Bündel von Einzelfasern an den Enden heißverschmolzen oder verklebt ist beziehungsweise mit vercrimpten Endabschlüssen versehen ist. Es ist dabei vorgesehen, dass auch Kombinationen der vorgenannten Endabschlüsse oder Endflächen an einem Klasfaserkabel verwirklicht sind. Dabei ist außerdem erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Endflächen einen optisch aktiven Bereich mit einem Durchmesser von 0,3 bis 2,0 mm aufweisen, vorzugsweise 1,0 mm. Weiter ist vorgesehen, dass die Einzelfasern einen Durchmesser von 30 bis 150 μm aufweisen, vorzugsweise einen Durchmesser von 53 μm mit einer Abweichungstoleranz von 4 μm. Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Kabeldurchmesser insgesamt zwischen 1 und 5 mm beträgt, vorzugsweise 2,3 mm. Damit wird ein Glasfaserkabel bereitgestellt, welches flexibel verlegbar ist, da es kleine Biegeradien realisiert. Insbesondere im Kraftfahrzeugbau kann das Glasfaserkabel mit Mindestbiegeradien von etwa 5 mm einfach eingebaut werden. Das Glasfaserkabel kann mit einer Anzahl von Einzelfasern zwischen 50 und 2000 Einzelfasern hergestellt werden, ohne dass die vorteilhaften Eigenschaften des Datenkabels beeinträchtigt werden und das Bündel ausreichend mechanische Festigkeit aufweist. Das Bündel aus Einzelfasern ist dazu in einer Kunststoffummantelung aus einem der vorgeschlagenen Kunststoffe aufgenommen, vorzugsweise TPE-V.

Weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen des Glasfaserkabels sind anhand der nachfolgenden Tabelle 1 für die Materialzusammensetzungen von Mantelgläsern und Tabelle 2 für die Materialzusammensetzungen von Kerngläsern entnehmbar. Die entsprechenden Kern- und Mantelgläser sind dabei frei kombinierbar.

Die erfindungsgemäßen Glasfaserkabel werden bevorzugt für Beleuchtungsanwendungen oder Datenübertragungsanwendungen insbesondere jeweils in der Gebäude- oder Industrie- oder Kraftwerks- oder Medizin- oder Fahrzeug- oder Schifffahrts- oder Flugzeug- oder Weltraumtechnik verwendet. Besonders bevorzugt können sie für die Datenübertragung in Automobilen oder Motorrädern eingesetzt werden.

Tabelle 1: Mantelgläser

Tabelle 2: Kerngläser

Claims

Glasfaserkabel zur Leitung von Licht zur Datenübertragung mit wenigstens einem Bündel von Einzelfasern, welche in einer Kunststoffummantelung aufgenommen sind, wobei die Einzelfasern optische Stufenfasern aus Mehrkomponentenglas mit einem Kernglas und einem das Kernglas vollständig an seiner Umfangswand umschließenden Mantelglas umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist, welche beim Faserziehen weitgehend frei von chemischen Wechselwirkungen mit dem Kernglas ist und gegenüber der Kunststoffummantelung chemisch inaktiv ist.
Glasfaserkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit den Komponenten
Glasfaserkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit den Komponenten
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit zusätzlichen Anteilen einer oder mehrerer der folgenden Komponenten:
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Komponenten Li₂O, Na₂O, K₂O, Rb₂O, Cs₂O > 5 Gew.% ist.
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Komponenten MgO, CaO, SrO, BaO, ZnO ≤ 4 Gew.% ist.
Glasfaserkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit den Komponenten SiO₂ von 70-80 Gew.%, B₂O₃ < 5 Gew.%, Al₂O₃ < 10 Gew.%, La₂O₃ < 2 Gew.%, Na₂O < 10 Gew.%, K₂O < 10 Gew.%, ZrO₂ < 2 Gew.%.
Glasfaserkabel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit zusätzlichen Anteilen einer oder mehrerer der folgenden Komponenten:
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelglas Läutermittel As₂O₃, Sb₂O₃, SnO₂, RCl und/oder R₂SO₄ enthält.
Glasfaserkabel gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernglas eine Materialzusammensetzung mit Transmissionsfähigkeit der daraus hergestellten Einzelfaser mit zumindest einer Numerischen Apertur NA ≥ 0,48 und/oder Dämpfung von D(650nm) ≤ 300 dB/km, vorzugsweise D(650nm) ≤ 200 dB/km aufweist.
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit SiO₂ von 42 bis 53 Gew.%, ZnO von 30 bis 38 Gew.%, Na₂O < 14 Gew.%, K₂O < 12 Gew.%, Na₂O+K₂O ≥ 2 Gew.%, BaO < 0,9 Gew.%

und Läutermittel.
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit SiO₂ 42 bis 53 Gew.%, ZnO 16 bis 38 Gew%, PbO 1 bis 20 Gew.%, ZnO+PbO ≥ 30 Gew.%, Na₂O < 14 Gew%, K₂O < 12 Gew.%, Na₂O+K₂O ≥ 2 Gew.%

und Läutermittel.
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit einem Anteil an F < 2 Gew.%, vorzugsweise F < 0,5 Gew.%.
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit zusätzlichen Anteilen einer oder mehrerer der folgenden Komponenten: Li₂O < 3 Gew.%, ZrO₂ < 2 Gew.%, MgO < 6 Gew.%, CaO < 5 Gew.%, SrO < 6 Gew.%, B₂O₃ < 1 Gew.%, Al₂O₃ < 1,5 Gew.% La₂O₃ < 10 Gew.%.
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Komponenten Li₂O, Na₂O, K₂O ≥ 2 Gew.%, vorzugsweise ≥ 5 Gew.% ist.
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit SiO₂ 30 bis 45 Gew.%, B₂O₃ < 12 Gew.%, ZnO < 10 Gew%, BaO 25 bis 40 Gew.%, Na₂O < 10 Gew%, K₂O < 2 Gew.%, Al₂O₃ < 1 Gew.% La₂O₃ < 10 Gew.%

und Läutermittel.
Glasfaserkabel Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernglas der Stufenfasern eine Materialzusammensetzung aufweist mit zusätzlichen Anteilen einer oder mehrerer der folgenden Komponenten: ZrO₂ < 5 Gew.%, MgO < 1 Gew.%, CaO < 1 Gew.%.
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffummantelung bei Kontakt mit haushalts- und KFZ-üblichen Umgebungschemikalien, wie Ölen, Fetten, Laugen, Säuren (insbesondere Batteriesäure), Bremsflüssigkeit, PVC, Kraftstoffen sowie daraus entstehenden Flüssigkeiten oder Gasen undurchlässig und chemisch beständig ist.
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffummantelung aus einem Material hergestellt ist, welches eine vernachlässigbar geringe Eigenausdünstung von Kunststoffadditiven und/oder Restmonomerbildung aufweist.
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffummantelung ein Polymermaterial ist, mit einer Reißdehnung größer 10%, welches eine Festigkeit von Shore 60A bis Shore 80D aufweist.
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffummantelung aus einem Material besteht mit einem oder mehreren der folgenden Kunststoffe: – Fluorpolymere, vorzugsweise PVDF, FEP, ETFE, – thermoplastische Elastomere auf Basis von Olefinen, vernetzten Olefinen und/oder Kautschuken, – Thermoplaste, vorzugsweise PVC, PE, PP, PA, PBT, sowie Copolyester, Urethane, Polyester, Polyamide und/oder Polyetheramide.
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffummantelung ein thermoplastisches Polyurethan-Elastomer oder ein vernetztes thermoplastisches Elastomer ist, vorzugsweise Polyvinyildenfluorid (PVDF), ein thermoplastisches Urethan (TPE-U), ein Polypropylen-Copolymer (TPE-0) oder ein Polyolifin-Kautschuk-Compounds (TPE-V).
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasfaserbündel in der Kunststoffummantelung mit einem hydrophoben Schlichtemittel benetzt ist.
Glasfaserkabel nach einem Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlichtemittel einen oder mehreren der folgenden Bestandteile aufweist: n-fache Carbonsäuren (C_n; n > 12); ethoxilierte Fettsäureaminoamide; modifizierte Organosilane; fluoralkylfunktionelle Silane; Perfluorpolyether; Kondensate aus Polyethyleniminen sowie deren Salze; Silikonöl.
Glasfaserkabel nach einem Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Bündel von Einzelfasern an den Enden heißverschmolzen und/oder verklebt ist und/oder mit vercrimpten Endabschlüssen versehen ist.
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Endflächen einen optisch aktiven Bereich mit einem Durchmesser von 0,3 bis 2,0 mm aufweisen, vorzugsweise 1,0 mm.
Glasfaserkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelfasern einen Durchmesser von 30 bis 150 μm aufweisen, vorzugsweise einen Durchmesser von 53 μm mit einer Abweichungstoleranz von 4 μm.
Glasfaserkabel einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Kabeldurchmesser insgesamt zwischen 1 und 5 mm beträgt, vorzugsweise 2,3 mm.
Verwendung eines Glasfaserkabels nach mindestens einem der vorherstehenden Ansprüche für Beleuchtungsanwendungen insbesondere in der Gebäude- oder Industrie- oder Kraftwerks- oder Medizin- oder Fahrzeug- oder Schifffahrts- oder Flugzeug- oder Weltraumtechnik.
Verwendung eines Glasfaserkabels nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 28 für Datenübertragung insbesondere in der Gebäude- oder Industrie- oder Kraftwerks- oder Medizin- oder Fahrzeug- oder Schifffahrts- oder Flugzeug- oder Weltraumtechnik.
Verwendung eines Glasfaserkabels nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 28 für die Datenübertragung in Automobilen oder Motorrädern.