Über diese Temperatur hinaus schmilzt die Ummantelung der Glasfaser oder löst sich ab?
Die äußerste “Haut” einer normalen Glasfaser (d. h. die Primärbeschichtung/Puffer) schmilzt bei Temperaturen, die ihren ausgelegten Temperaturgrenzwert überschreiten (für Standard-Singlemode-Fasern normalerweise 85\ ^\circ\text{C} ) nicht wie eine Flüssigkeit, sondern verliert an Haftung, altert durch thermisch-oxidative Zersetzung und fällt schließlich ab.
Dies wird durch die chemische Struktur und die physikalischen Eigenschaften des Materials bestimmt. Hier ist eine detaillierte ingenieurwissenschaftliche Erklärung der Prinzipien:
1. Physikalische Eigenschaften der Beschichtungsmaterialien (duroplastisch)
Die Beschichtungen von normalen Singlemode-Fasern (z. B. Standard OFSCN® G.652D Optical Fiber oder OFSCN® G.657 Optical Fiber) bestehen hauptsächlich aus UV-gehärteten Acrylat-Materialien.
- Vernetzte Struktur: Nach der Härtung durch UV-Licht bilden diese Polymer-Molekülketten eine hochgradig vernetzte dreidimensionale Netzwerkstruktur und gehören zu den duroplastischen Polymeren (Thermosetting Polymer).
- Keine Schmelzflussfähigkeit: Im Gegensatz zu thermoplastischen Kunststoffen (wie Polyethylen PE, Polyvinylchlorid PVC usw., die beim Erhitzen schmelzen und fließen), haben duroplastische Materialien keinen Schmelzpunkt und werden beim Erhitzen nicht zu einer viskosen Flüssigkeit.
2. Physikalische und chemische Ausfallprozesse bei Überschreitung von 85\ ^\circ\text{C}
Wenn die Betriebstemperatur dauerhaft 85\ ^\circ\text{C} überschreitet, versagen die Acrylatbeschichtungen hauptsächlich durch folgende Mechanismen, was zu ihrem “Abfallen” oder Pulverisieren von der Faser führt:
A. Verlust der Grenzflächenhaftung und Delamination
Die Beschichtung haftet fest an der Oberfläche des Quarzglas-Mantels (Siliziumdioxid, Außendurchmesser normalerweise 125\ \mu\text{m}) durch physikalische Adsorption und chemische Bindung.
- Fehlanpassung der thermischen Spannungen: Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) von Acrylat ist um 2 bis 3 Größenordnungen höher als der von Quarzglas.
- Grenzflächenablösung: Wenn die Temperatur 85\ ^\circ\text{C} überschreitet, nimmt die physikalische/chemische Bindungskraft an den Grenzflächen zwischen den beiden Schichten bei hohen Temperaturen rapide ab. Unter der Einwirkung von Scherspannungen löst sich die Beschichtung von der Glasoberfläche. Bei leichter äußerer Biegebelastung oder mechanischer Reibung fällt die Beschichtung röhrenförmig oder lamellenartig ab.
B. Thermisch-oxidative Zersetzung und Versprödung (Thermal-Oxidative Degradation)
In Anwesenheit von Luft (Sauerstoff) führen langanhaltende hohe Temperaturen zum Kettenbruch und zur Oxidation des Acrylats:
- Abbau der Molekülketten: Die polymere Netzwerkstruktur beginnt durch die zugeführte Wärmeenergie und Sauerstoffeinwirkung zu zerfallen. Die Farbe der Beschichtung wechselt allmählich von transparent zu gelb, dunkelbraun bis schwarz.
- Rissbildung und Pulverisierung: Mit fortschreitender Zersetzung verliert das Material vollständig seine Elastizität und wird extrem spröde. Schließlich zersplittert und zerfällt es bei leichter mechanischer Beanspruchung in verkohlten Staub oder Partikel.
C. Glasübergang und Erweichung (Glass Transition)
Die übliche Acrylatbeschichtung hat eine Doppelstruktur, wobei die innere Schicht (Primärbeschichtung) zur Dämpfung dient und die äußere Schicht (Sekundärbeschichtung) zur mechanischen Festigkeit beiträgt.
- Härterverlust: Die Glasübergangstemperatur ( T_g ) der äußeren Beschichtung liegt typischerweise zwischen 50\ ^\circ\text{C} und 80\ ^\circ\text{C} .
- Starker Anstieg der Biegedämpfung: Sobald die Temperatur ihre T_g überschreitet, insbesondere 85\ ^\circ\text{C} erreicht oder überschreitet, erweicht das Material stark und verliert seine stützende und schützende Wirkung auf den inneren Glasmantel. Dies führt leicht zu seitlichen Verformungen der Quarzfaser auf mikroskopischer Ebene, was zu einer erheblichen Biegedämpfung (Microbending Loss) führt und die Lichtsignalabschwächung rapide ansteigen lässt.
Nachdem die Beschichtung vollständig abgefallen oder gerissen ist, ist die freiliegende Quarzglasfaser direkt dem Umgebungsfeuchtigkeit ausgesetzt und es kommt leicht zu Rissausbreitung (Dämpfungseffekt durch Spannungsrisskorrosion) unter Zugspannung, was zum spröden Bruch der Faser führt.
3. Materialersatzlösungen für spezielle Hochtemperaturfasern
Um das Abfallen und die Alterung von normalen Fasern unter Hochtemperaturbedingungen zu beheben, werden im Ingenieurwesen spezielle Beschichtungsmaterialien mit unterschiedlichen Materialien verwendet, um den Betriebstemperaturbereich zu erweitern:
- Mitteltemperaturumgebungen ( -50℃ bis 120℃):
Verwendung von hochtemperaturbeständigen modifizierten Acrylaten. Zum Beispiel OFSCN® 120℃ SM High-temperature Optical Fiber, dieses Material kann bei 120\ ^\circ\text{C} langfristig ohne Abfallen oder thermisch-oxidative Alterung arbeiten. - Hochtemperaturumgebungen ( -200℃ bis 300℃ / 350℃):
Verwendung von Polyimid (PI) -Beschichtungen ist zwingend erforderlich. Polyimid ist ein extrem hochtemperaturbeständiges Polymermaterial, das auch bei über 300\ ^\circ\text{C} stabile mechanische Festigkeit und Grenzflächenhaftung aufweist und sich nicht erweicht, schmilzt oder ablöst. Zum Beispiel OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber oder OFSCN® 200℃ Polyimide Optical Fiber.
- Ultrahochtemperaturumgebungen (bis zu 700℃):
Verwendung von vergoldeten Beschichtungen (Gold-coated) anstelle von organischen Polymermaterialien. Zum Beispiel OFSCN® Gold-coated Optical Fiber, dieses Produkt hat einen Betriebstemperaturbereich von -270\ ^\circ\text{C} bis 700\ ^\circ\text{C} . Die Metallschicht altert nicht und löst sich nicht ab, verhindert auch die Korrosion durch Feuchtigkeit und löst auf physikalische Weise das Problem des Glasbruchs aufgrund des Versagens der Beschichtung bei hohen Temperaturen.
