JP5210575B2

JP5210575B2 - プラスチック光ファイバの製造装置

Info

Publication number: JP5210575B2
Application number: JP2007233897A
Authority: JP
Inventors: 武史北山; 英樹木原; 淳奥村; 政光関沢; 宜之小川
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2007-09-10
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2027-09-10
Also published as: JP2009062660A

Description

本発明は、プラスチック光ファイバを溶融紡糸する際に、外径変動を小さくできるプラスチック光ファイバの製造装置に関する。

従来、プラスチック光ファイバの紡糸製造は、図７に示すような製造装置１１０により行われていた。この製造装置１１０は、溶融樹脂を連続的に吐出する１つ以上の吐出口が円周状、千鳥状又は一直線状に配置された紡糸口金１２０と、該紡糸口金１２０の直下に設けられた保温筒１３０と、溶融紡糸されたプラスチック光ファイバを冷却するための冷却装置１４０とからなっている。例えば、紡糸口金１２０から溶融紡糸されたプラスチック光ファイバＺは保温筒１３０の内部を通過後、冷却装置１４０から吹き出された冷却風により冷却され、その後、ガイド１５０を経てニップロール１７０により引き取られて延伸工程へと送られる。

このようなプラスチック光ファイバの製造では、紡糸工程での外径の均一性が、得られるプラスチック光ファイバの外径の均一性に大きな影響を与える。紡糸工程で外径が不均一なプラスチック光ファイバが紡糸されて延伸工程に送られると、外径が細い部分に大きな引張張力が集中し、その部分がさらに細くなってしまうため、外径の不均一性が増してしまう。したがって、得られるプラスチック光ファイバの外径を均一にするためには、紡糸工程での外径変動の制御が非常に重要である。

紡糸工程で生じるプラスチック光ファイバの外径変動には、規則的で周期性のある外径変動と、不規則的で周期性のない外径変動とがある。規則的で周期性のある外径変動を引き起こす要因の一つとしては、定量ポンプの吐出量の変動の影響が考えられる。この外径変動を制御する方法としては、例えば、計量用のギヤポンプの一次樹脂圧力を一定にする方法が示されている（特許文献１）。また、複数のギヤ式定量ポンプを用いて溶融樹脂を吐出量の変動周期の位相が異なる複数の原料流に分配し、これらの複数の原料流を、吐出量の変動周期の位相が打ち消されるように組み合わせて合流させることにより、吐出量の変動を制御する方法が示されている（特許文献２）。しかし、これらの技術では、規則的で周期性のある外径変動は制御できても不規則的で周期性のない外径変動の制御は困難である。

不規則的で周期性のない外径変動を制御する方法としては、冷却風を吹き出す冷却装置において、冷却風の上部の風向きを斜上向きに変化させる方法が示されている（特許文献３）。しかし、特許文献３の技術では、冷却風の吹き出し口と通過するプラスチック光ファイバとの距離によって、各プラスチック光ファイバ間に外径変動の差が生じるという問題があった。また、異なる品種のプラスチック光ファイバを製造する際には、その都度煩雑な風速の微調整が必要であった。

特許文献４には、保温筒に冷却風が入り込まないような遮断板と、風速と温度を個別に設定できる多段構造型の冷却装置とを設け、上段部分から徐々に低い温度の風を吹きつけて溶融紡糸したプラスチック光ファイバを冷却することにより、得られるプラスチック光ファイバの外径変動を制御する方法が示されている。特許文献４の技術は、品種による煩雑な風速の微調整もなく、プラスチック光ファイバの外径変動を小さく制御できる。
特開平２−２４９２３号公報特開平５−１１１２７号公報特開平４−２２５３０３号公報特開２００５−４２２４７号公報

しかし、保温筒内で発生した温風等により、冷却装置から吹き出される冷却風の方向が乱される場合があり、外径変動を充分に制御しきれないことがあった。したがって、得られるプラスチック光ファイバの外径変動がより安定に制御できる、プラスチック光ファイバの製造装置が望まれている。
そこで、本発明では、紡糸速度を維持して生産性を落とすことなく、高い安定性で外径変動が制御できるプラスチック光ファイバの製造装置を目的とする。

本発明は、溶融樹脂をストランド状に吐出する一つ以上の吐出口を有する紡糸口金に、保温筒が隣接して設けられ、該保温筒の紡糸口金側と反対側に、冷却装置が近接して設けられた製造装置であって、前記冷却装置が、溶融樹脂に吹き付ける風を整流するための多筒集合体を有しており、該多筒集合体を形成する各筒状体の開口面積Ｓと長さＬとが、Ｌ／Ｓ＝０．５〜１５であるプラスチック光ファイバの製造装置を提供する。

本発明のプラスチック光ファイバの製造装置によれば、高い生産性を保ったまま、外径変動が小さく抑えられたプラスチック光ファイバが高い安定性で製造できる。

以下、本発明のプラスチック光ファイバの製造装置の一実施形態例について、図１〜５に基づいて詳細に説明する。
本発明のプラスチック光ファイバの製造装置１０は、図１に示すように、紡糸口金２０、保温筒３０、冷却装置４０、ガイド５０、外径計測器６０、及びニップロール７０を備えている。

紡糸口金２０には、例えば、円周状、千鳥状或いは一直線状に配置された一つ以上の吐出口が設けられる。また、紡糸口金２０の直下に保温筒３０が備え付けられる。保温筒３０の下側には溶融紡糸されたプラスチック光ファイバが通過するための開口部３２が設けられる。また、保温筒３０の下には、溶融紡糸されたプラスチック光ファイバを冷却するための冷却装置４０が設けられる。

本実施形態例の冷却装置は、図１に示すように、冷却装置４０を３段重ね、風速及び温度が個別に設定できる３段構造型（以下、３段重ねにした各冷却装置４０を、上段から順に上段冷却装置４０ａ、中段冷却装置４０ｂ、下段冷却装置４０ｃとする。）である。冷却装置は、単独で使用してもよく、上記のように複数積み重ねて使用してもよい。
冷却装置４０を複数積み重ねて使用して溶融紡糸されたプラスチック光ファイバを冷却する際は、上側にある冷却装置からの冷却風の温度よりも下側にある冷却装置からの冷却風の温度の方が低くなるように設定するのがよい。例えば、図１では、上段冷却装置４０ａよりも中段冷却装置４０ｂ、中段冷却装置４０ｂよりも下段冷却装置４０ｃの方が、冷却風の温度が低くなるのがよい。また、中段冷却装置４０ｂと下段冷却装置４０ｃからの冷却風は、上段冷却装置からの冷却風の温度より低ければ、同じ温度であっても構わない。このようにすることで、プラスチック光ファイバの外径変動が制御し易くなる。
また、冷却装置４０は、図２に示すように、例えば、ブロア４１、抵抗体４２、冷温水コイル４３、多筒集合体４５等の部品が備えられるが、設定した温度の、均一な冷却風を吹き出せるものであれば部品の種類や、その数量及び配置は特に限定されない。
まず、ブロア４１により吹き出された風が抵抗体４２により拡散された後に、冷温水コイル４３に送られる。冷温水コイル４３には外部の冷温水循環装置４４から循環水が供給されており、この循環水の温度をフィードバック制御することにより冷却風の温度が調節される。冷温水コイル４３を通過した風は、吹き溜まり部ｄで一旦吹き溜まり、均一にされた後、多筒集合体４５のそれぞれの筒状体４６から吹き出される。

本発明のプラスチック光ファイバの製造装置１０の特徴は、冷却装置４０が多筒集合体４５を有していることにある。従来のプラスチック光ファイバの製造装置では、冷却装置から吹き出す冷却風全体を金網等により一括して整流していたため、高い整流効果が得られていなかった。そのため、保温筒３０内から吹き出してくる温風等によって冷却風が乱される場合があり、得られるプラスチック光ファイバの外径変動が制御しきれないことがあった。しかし、本発明の製造装置１０では、多筒集合体４５を利用し、冷却装置４０から吹き出す冷却風をそれぞれの筒状体４６により整流する。このようにすれば、各筒状体４６により冷却風を分割して別々に整流でき、さらに筒状体の長さを長くすれば整流効果を非常に高くすることができる。そのため、冷却装置４０から吹き出された冷却風は、保温筒３０から吹き出される温風等によって乱されることなく直進するため、プラスチック光ファイバの外径変動が所望の通りに制御できる。
本発明のプラスチック光ファイバの製造装置１０では、多筒集合体４５を形成する各筒状体４６は、該筒状体４６の開口面積Ｓと長さＬとが、Ｌ／Ｓ＝０．５〜１５となるようにする。筒状体４６の開口面積Ｓと長さＬとの関係は、Ｌ／Ｓ＝１〜１２の範囲であるのが好ましい。Ｌ／Ｓが１５以下であれば冷却装置から冷却風を吹き出すのに大きなエネルギーが必要なくなるため、経済性が高くなる。また、Ｌ／Ｓが０．５以上であれば、冷却装置から吹き出される冷却風が充分に整流され、吹き出された冷却風の方向が安定する。

冷却装置４０の多筒集合体４５としては、例えば、図３に示すようなハニカムを用いることができる。この場合にはアルミハニカムであるのが好ましいが、これに限定されない。また、ハニカム以外であってもよく、例えば、断面四角形、断面五角形、断面円形等の筒状体の集合体であってもよく、いくつかの種類の筒状体を混合して集合体としたものであってもよい。また、各筒状体のＬ／Ｓ値は０．５〜１５の範囲であれば異なっていてもよい。

また、本発明の冷却装置４０は、図４に示すように、ブロア４１の多筒集合体４５側に、外部に設置された冷水循環装置４８から冷水が供給される冷水コイル４７と電気ヒータ４９とを設け、冷水コイル４７により冷却された風を電気ヒータ４９によって加熱することにより、設定した温度の冷却風とするものであっても構わない。このとき、冷水コイル４７はブロア４１よりも多筒集合体４５側にあっても、多筒集合体４５側と逆側にあってもよい。

冷却装置４０（本実施形態例では上段冷却装置４０ａ）は、図１に示すように、冷却装置４０から出る冷却風のうち最も上側の冷却風が、保温筒３０のすぐ下側を通るように設けるのがよい。このように、冷却装置４０と保温筒３０との間の距離を小さくすることにより、保温筒３０から吹き出てくる温風により対流が生じるのを防ぎ易くなる。

また、製造装置１０の保温筒３０には、保温筒３０内部の温度と気流を安定させるため、遮断板３１を設けてもよい。遮断板３１には、溶融紡糸されたプラスチック光ファイバが通過するための開口部３２が形成される（図１）。遮断板３１の設置は、冷却風の風速が０．４ｍ／ｓｅｃ以上の場合に効果的である。また、遮断板３１を設けていれば、上段冷却装置４０ａから吹き出された冷却風Ｘが保温筒３０内部へと侵入して、保温筒３０内部の気流を乱すことがなくなる。そのため、プラスチック光ファイバの外径変動を抑えることができる。また、例えば、図７に示すように遮断板を設けない場合には、保温筒１３０の冷却装置１４０から遠い側の内側面１３４に冷却風が衝突し、はね返った冷却風が冷却装置から遠い側にあるプラスチック光ファイバに集中して衝突するため、各プラスチック光ファイバ間の外径変動に差がでてしまうことがある。図１に示すように、遮断板３１を設けておけば、保温筒３０内への冷却風の侵入を防ぎ易く、保温筒３０の内側面３４への冷却風の衝突が防げるため、各プラスチック光ファイバ間の外径変動差を小さくし易い。

遮断板３１は、図５（ａ）、（ｂ）に示すような構造であるのが好ましい。図５（ａ）の遮断板３１は、保温筒３０内部へと傾斜して設けられている。一方、図５（ｂ）の遮断板は冷却装置４０側へと傾斜して設けられている。また、遮断板３１は、図５（ｃ）に示すような、水平に設置した遮断板３１に開口部３２を設け、該開口部３２の周縁部の保温筒内部側に側部３３ｃが形成されたものや、図５（ｄ）に示すような、開口部３２の周縁部に冷却装置側へと側部３３ｄが形成されたものであるのがより好ましい。また、水平に設けた遮断板３１に形成させる開口部３２の開口径が、プラスチック光ファイバに接触しない範囲でできるだけ小さく設けられた遮断板３１がさらに好ましい。また、遮断板３１は、図５（ｃ）、図５（ｄ）のように遮断板３１が水平に設けられ、該遮断板３１に開口部３２がプラスチック光ファイバ１本に対して１つずつ設けられているのが特に好ましい。

例えば、本実施形態例のように、冷却装置４０を３段重ねて使用する際には、上段冷却装置４０ａから吹き出される冷却風の温度は、２０〜７０℃の範囲とするのがよい。前記冷却風の温度をこの範囲とすることで、該冷却風の風速が０．４ｍ／ｓｅｃ未満の場合でも、上段冷却装置４０ａからの冷却風による流体塊ｃと、紡糸口金２０からの輻射熱及びプラスチック光ファイバからの放熱により保温筒３０内部に発生した温度の高い流体塊ｂとの温度差により生じる流体塊ａの熱膨張が防ぎ易くなる（図１）。そのため、流体塊ａが流体塊ｃよりも軽くなって浮力が生じることが原因で発生する自然対流が抑えられるため、自然対流の断続的なプラスチック光ファイバへの衝突が起き難くなり、製造されるプラスチック光ファイバの外径変動が制御し易くなる。また、上段冷却装置４０ａからの冷却風の温度を２０℃以上とすれば、流体塊ａの部分の空気密度が小さくなるため、前記冷却風の方向が保たれ易くなる。また、上段冷却装置４０ａからの冷却風の温度を７０℃以下とすれば、中段冷却装置４０ｂ、下段冷却装置４０ｃからの冷却風との温度差が小さくでき、それにより生じる上昇気流により外径変動が大きくなることを防ぎ易くなる。

また、プラスチック光ファイバの表面温度を充分に低下させてから、ガイド５０やニップロール７０と接触させるため、中段冷却装置４０ｂ及び下段冷却装置４０ｃからの冷却風は、上段冷却装置４０ａよりも低い温度で、かつ５〜２５℃であるのが好ましい。また、下段冷却装置４０ｃからの冷却風の温度は、中段冷却装置４０ｂの冷却風の温度以下に設定される。このような温度範囲とすることで、プラスチック光ファイバがガイド５０やニップロール７０に接触する際の、傷等の欠陥の発生が防ぎ易くなる。また、中段冷却装置４０ｂ及び下段冷却装置４０ｃからの冷却風の風速は０．３〜１．５ｍ／ｓｅｃであるのが好ましい。

上段冷却装置４０ａからの冷却風の風速は０．２〜０．８ｍ／ｓｅｃであるのがよく、温度が２０〜７０℃であれば、品種ごとに風速を調整しなくとも、高い安定性でほとんどのプラスチック光ファイバの外径変動が制御できる。ここで、冷却風の風速の斑は、各段の冷却装置４０から吹き出される冷却風それぞれについて、各段の平均流速から±０．１ｍ／ｓｅｃの範囲内であるのが好ましい。また、温度斑についても、格段の冷却装置４０からの冷却風それぞれについて、各段の平均温度から±１℃の範囲であるのが好ましい。

尚、本実施形態例では、冷却装置４０を３段重ねたものを説明したが、それ以上の多段構造型であってもよい。例えば、上段冷却装置４０ａをさらに多段に分割し、プラスチック光ファイバに吹き付ける冷却風の温度が２０〜７０℃で、上段から下段に向かって温度が低くなるような設定としてもよい。
また、保温筒３０の長さｅ及び上段冷却装置４０ａの高さｆは、プラスチック光ファイバＹが冷却固化されるまでの時間及び紡糸速度によって適宜設定できるが、共に５０〜５００ｍｍの範囲とするのが好ましい。

以下、実施例及び比較例を示し、本発明を詳細に説明する。尚、本発明は以下の記載によって限定されない。
実施例及び比較例における評価方法は以下に示す通りである。
［プラスチック光ファイバの外径変動率］
紡糸工程後のプラスチック光ファイバの外径をキーエンス（株）製のレーザ外径測定器（図１の外径測定器６）により、サンプル間隔０．１ｓｅｃ、サンプル時間３０ｍｉｎで測定し、この外径測定結果から標準偏差を求めた。次に、この標準偏差の３倍値（３σ）を外径変動とし、この値を用いて外径変動率を求めた。尚、外径変動率とは式（１）で算出される。
Ａ＝（Ｂ／Ｃ）×１００・・・（１）
ここで、Ａは外径変動率（％）、Ｂは標準偏差の３倍値（３σ）、Ｃは平均外径を示す。

［外径変動差］
冷却装置に一番遠い側のプラスチック光ファイバの外径変動率（Ａ_１）と、一番近い側のプラスチック光ファイバの外径変動率（Ａ_２）とを用いて外径変動差Ａ_Ｔ（％）を求めた。
Ａ_Ｔ＝｜（Ａ_１）−（Ａ_２）｜

［実施例１］
芯材としてポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、鞘材としてフッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン（８０／２０（ｍｏｌ％））を溶融樹脂として用いた。製造装置は、図１及び図２に示した装置構成で、紡糸口金２０は円周状に配置された４つの吐出口を有しており、保温筒３０の長さｆは３００ｍｍである。また、冷却装置４０ａの長さｇは３００ｍｍである。冷却装置４０を形成する多筒集合体４５としてはアルミハニカムを用い、各筒状体４６の開口面積Ｓを１０ｍｍ^２、長さＬを１００ｍｍとした（Ｌ／Ｓ＝１０）。遮断板３１は、図６に示すように、紡糸口金２０から紡出されたプラスチック光ファイバからの距離ｇが１２ｍｍ、開口径ｈが１００ｍｍとなるように開口部３２を設けた。ニップロールの引取速度を２０ｍ／ｍｉｎ、紡糸温度を２３０℃とし、上段冷却装置４０ａからの冷却風の温度を２５℃、風速を０．５ｍ／ｓｅｃとした。また、中段冷却装置４０ｂからの冷却風の温度を２０℃、風速を０．５ｍ／ｓｅｃとし、下段冷却装置４０ｃからの冷却風の温度を２０℃、風速を０．５ｍ／ｓｅｃとした。この製造装置１０によりファイバ外径７５０μｍのプラスチック光ファイバの製造を試みた。

［実施例２］
多筒集合体４５を形成する各筒状体４６の開口面積Ｓを２０ｍｍ^２、長さＬを１００ｍｍ（Ｌ／Ｓ＝５．０）とした以外は、実施例１と同様にプラスチック光ファイバの製造を行った。

［実施例３］
多筒集合体４５を形成する各筒状体４６の開口面積Ｓを７０ｍｍ^２、長さＬを１００ｍｍ（Ｌ／Ｓ＝１．４）とした以外は、実施例１と同様にプラスチック光ファイバの製造を行った。

［比較例１］
多筒集合体４５を形成する各筒状体４６の開口面積Ｓを３００ｍｍ^２、長さＬを１００ｍｍ（Ｌ／Ｓ＝０．３）とした以外は、実施例１と同様にプラスチック光ファイバの製造を行った。

［比較例２］
多筒集合体４５を形成する各筒状体４６の開口面積Ｓを１０ｍｍ^２、長さＬを２００ｍｍ（Ｌ／Ｓ＝２０）とした以外は、実施例１と同様にプラスチック光ファイバの製造を行った。
実施例１〜３及び比較例１〜２における各筒状体の条件と製造されたプラスチック光ファイバの評価を表１に示す。

多筒集合体を形成する各筒状体の開口面積Ｓと長さＬが適切な条件である実施例１〜３では、製造されたプラスチック光ファイバの外径変動率が小さく、また、冷却装置に近い側と遠い側のプラスチック光ファイバの外径変動差も小さい。
一方、Ｌ／Ｓが小さい比較例１では、製造されたプラスチック光ファイバの外径変動率は大きく、また、冷却装置に近い側と遠い側のプラスチック光ファイバの外径変動差も大きい。同様に、Ｌ／Ｓが大きい比較例２でも、製造されたプラスチック光ファイバの外径変動率は大きく、また、冷却装置に近い側と遠い側のプラスチック光ファイバの外径変動差も大きい。

本発明のプラスチック光ファイバの製造装置によれば、高い安定性で、製造されるプラスチック光ファイバの外径変動が小さく抑えられ、各プラスチック光ファイバ間の外径変動差も小さくできる。このように、本発明の製造装置は、品質に優れたプラスチック光ファイバが安定的に製造できるため有用である。

本発明のプラスチック光ファイバの製造装置の一例を示す概略図である。図１の製造装置１０の冷却装置４０を詳細に示した概略図である。本発明の製造装置１０の多筒集合体４５を開口面側から見た正面図である。図１の製造装置の冷却装置４０の他の形態を詳細に示した概略図である。図１の製造装置の遮断板３０の構造を示す概略図である。実施例及び比較例に用いた遮断板を冷却装置４０側から見た正面図である。従来のプラスチック光ファイバの製造装置を示した概略図である。

符号の説明

１０プラスチック光ファイバの製造装置
２０紡糸口金
３０保温筒
４０冷却装置
４５多筒集合体
４６筒状体

Claims

溶融樹脂をストランド状に吐出する一つ以上の吐出口を有する紡糸口金に、保温筒が隣接して設けられ、該保温筒の紡糸口金側と反対側に、冷却装置が近接して設けられた製造装置であって、
前記冷却装置が、溶融樹脂に吹き付ける風を整流するための多筒集合体を有しており、該多筒集合体を形成する各筒状体の開口面積Ｓと長さＬとが、Ｌ／Ｓ＝０．５〜１５であるプラスチック光ファイバの製造装置。