Brevet FR2578657A1 — publié le 19860912

FIBRE OPTIQUE. La présente invention concerne une fibre optique r5sistante à la chaleur et aux radiations. Les fibres optiques sont, de nos jours, de plus en plus utilisées dans les domaines de la communication, de la transmission des images, de telles fibres optiques comportant au moins un élément à fibre optique proprement dite permettant de transmettre la lumière, cet élément étant à base de verre, tel qu'un verre à plusieurs cons- tituants et verre de silice. Ces fibres optiques compor- tent au moins deux éléments à fibre optique et sont sou- vent désignées dans le commerce par l'expression "fibres multiples". L'élément à fibre optique comporte une cou- che d'enduction protectrice à sa surface. Tout défaut ou endommagement à la surface de l'élément à fibre optique est susceptible d'entraîner une détérioration des pro- priétés mécaniques dudit élément en-dessous d'un niveau acceptable. Cette couche de revêtement a également pour fonction d'augmenter la résistance à la tension, à la flexion ainsi que celle au milieu dans lequel est placée la fibre. Différents types de revêtement ont été propo- sés à ce jour. Cependant, il a été constaté, qu'à ce jour, les revêtements proposés se détériorent lorsque les fi- bres optiques sont disposées à l'intérieur d'un réacteur nucléaire, car ils n'offrent pas une résistance suffisan- te à la chaleur intense et à la radio-activité. Par sui- te, la résistance mécanique des fibres optiques se trou- ve diminuée, ce qui a pour conséquence d'entraîner leur rupture. Dans le cas d'une utilisation dans un environ- nement rigoureux, tel que par exemple dans un réacteur nucléaire, il a été proposé, afin de surmonter cet in- convénient, d'appliquer à l'élément optique un revête- ment extérieur constitué d'une multiplicité de couches -2- de protection. Une telle solution présente cependant com- me désavantage de diminuer la flexibilité de la fibre optique résultante et, par suite, la rend difficile à manipuler et à mettre en place. Pour surmonter cet inconvénient, il a également été proposé d'appliquer un revêtement de résine à base de fluor, tel que fluoréthylène propylène (FEP), tétrafluonlre d'éthylène (TFE), tétrafluorure d'éthylène éthylène (TETZEL), flucrure de vinvlidène (KF)..., autour du ou des cou- chesinterno de gomme de silicone. Une telle solution ne donne cependant pas satisfaction étant donné que lorsque le revêtement est soumis à une radiation, il y a produc- tion d'acide fluorhydrique qui a tendance à attaquer la surface de la fibre optique, ce qui entraîne une réduc- tion de sa résistance mécanique. Afin de surmonter cet inconvénient, il a été proposé d'utiliser une couche in- terne à base de gomme de silicone contenant des oxydes métalliques, solution qui également ne s'est pas avérée satisfaisante. L'invention vise à surmonter ces inconvénients et concerne donc un nouveau type de fibre optique compor- tant au moins un élément à fibre optique recouvert d'une couche de revêtement qui présente une excellente résis- tance à la chaleur et aux radiations. D'une manière générale, l'invention concerne donc une fibre optique qui comporte des moyens de transmis- sion de la lumière constitués d'au moins un élément à fibre optique, ledit élément étant recouvert d'une cou- che de protection résistante à la chaleur et aux radia- tions et elle se caractérise par le fait que le revête- ment protecteur comporte une couche tampon disposée au- tour des éléments qui transmettent la lumière et une - 3 - couche périphérique à base de polyéther éther cétone qui recouvre ladite couche intermédiaire. L'invention et les avantages qu'elle apporte seront cependant mieux compris grâce aux exemples de réalisation donnés ci-après à titre indicatif mais non limitatif et qui sont illustrés par les schemas annexes dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'une fibre op- tique réalisée conformément à l'invention; - la figure 2 est une vue similaire à la figure 1 illustrant une variante conforme à l'invention d'une fi- bre optique multiple; - la figure 3 est une vue schématique d'une instal- lation d'étirage utilisée pour la réalisation d'une tel- le fibre optique; - la figure 4 est une vue schématique d'une extru- deuse utilisée pour la réalisation d'une telle fibre op- tique. Dans la suite de la description et dans les dessins annexés qui illustrent l'invention, les mêmes références seront utilisées pour désigner les mêmes éléments. La figure 1 représente une fibre optique désignée par la référence générale (10) réalisée conformément à l'invention, et utilisée comme ligne de transmission de communication optique. Cette fibre comporte comme élé- ment transmetteur de la lumière une fibre optique-(12) qui est entourée d'une couche de revêtement désignée par la référence (14). La couche de revêtement (14), est, conformément à l'invention, composée d'une couche inter- médiai7re (16) (couche tampon) disposée directement au- tour de la fibre (12) et d'une couche périphérique (18) entourant la couche intermédiaire (16). L'élément à fi- bre optique (12) est obtenu, en étirant de manière -4- conventionnelle, une préforme, à base de verre tel que verre à multi-composants et verre de silice. L'obtention d'une telle fibre optique étant bien connue des techni- ciens ne sera pas décrite en détail. Conformément à l'invention, la couche de revêtement intermédiaire (16) est à base de gomme de silicone modi- fié qui présente la caractéristique d'être relativement mou ou élastique et possède un indice de réfraction su- périeur à celui du verre de silice. La gomme de silico- ne modifié est à base de gomme de methyl phényl silicone obtenu à partir de gomme de diméthyl silicone dans le- quel un radical méthyl est substitué par un radical phé- nyl. La couche interne (16) permet d'augmenter la résis- tance mécanique de la fibre optique (10) et joue égale- ment le rôle de couche tampon pour amortir les déforma- tions-de la fibre optique par suite des variations de température et des contraintes ou forces externes et per- met donc de maintenir la perte de la fibre ootique à un très faible niveau. La couche de revêtement interne (16) est appliquée sur la fibre optique lors de son étirage par passage au travers d'une filière permettant d'appliquer une solu- tion de gomme de silicone autour de la surface périphé- rique de la fibre optique aussitôt après l'opération d'étirage, ce qui permet d'éviter tout endommagement de cette surface. La fibre ainsi enduite avec la solution de silicone passe ensuite au travers d'un ensemble (four) permettant de réticuler ou durcir la solution de si- licone afin de former la couche de revêtement interne (16). La solution de silicone est appliquée uniformément sur la périphérie de la fibre étirée de telle sorte que cette couche (16) ait une épaisseur uniforme d'environ 150 à 200 p m et ce, sur toute la longueur de la fibre. - Si l'épaisseur de la couche interne (16) est inférieure à 100 pm, il a été constaté que cette couche ne remplis- sait pas sa fonction de tampon de manière satisfaisante. Par ailleurs, pour augmenter la résistance mécanique et l'effet tampon de la couche d'enduction interne (16), cet- te couche d'enduction peut être composée d'une première couche à base de gomme de silicone modifié du type préci- té, formée sur la surface périphérique externe de l'élé- ment à fibre optique (12) et d'une seconde couche de gom- me de silicone déposée autour de cette première couche. Dans ce cas, la première couche a une épaisseur d'environ à 50u m, tandis que la seconde couche aurait une é- paisseur d'environ 110 à 150 m. La couche d'enduction interne (16) joue le rôle de couche tampon et peut être à base de résine acrylique du type réticulable à l'ultra-violet, tel que acrylate epoxy, acrylate uréthane, acrylate silicone et acrylate polybu- tadiène. La couche externe (18) est à base de polyéther éther cétone (désiqnée ci-après dans la suite de la description par l'abréviation "PEC"), ce revêtement extérieur permet- tant, non seulement de manipuler la fibre optique facile- ment mais également d'augmenter la résistance à l'environ- nement et, par suite, d'augmenter la sûreté de fonction- nement. Afin d'appliquer le revêtement extérieur (18) sur la couche d'enduction interne (16), le PEC est fondu à une température d'environ 360 C, la matière fondue étant appliquée autour de la couche d'enduction interne (16) par extrusion. De préférence, l'épaisseur de la couche externe d'enduction (18) est comprise entre 120 et 130j m. Si cette épaisseur est inférieure à 1004m, la couche d'enduction externe (18) présente une résistance à la chaleur et aux radiations trop faible. La couche d'enduc- tion externe (18) est, comme dit précédemment, réalisée à partir de PEC, produit qui présente une excellente ré- sistance à la chaleur et aux radiations, ce qui permet -6- d'installer la fibre optique (10) même dans un environne- ment o elle est soumise à une chaleur et radioactivité intenses, ladite fibre (10) n'étant pas détériorée, même après une utilisation prolongée. Par suite, la fibre (10) conforme à l'invention peut être utilisée même dans un environnement o les conditions sont très sévères, sans qu'il soit nécessaire d'avoir un revêtement extérieur très épais, ce qui permet d'avoir une fibre (10) qui peut être pliée et manipulée aisément. La figure 2 illustre une fibre optique (10a) confor- me à l'invention utilisée pour la transmission d'une ima- ge, cette fibre optique (10a) étant très souvent désignée dans le commerce sous l'expression "fibre image". Une tel- le fibre (O10a) comporte une âme multifibres (20) comme moyen de transmission de la lumière, cette âme étant com- posée d'une pluralité d'éléments de fibre optique (12) liés ensemble à leur surface périphérique, cette âme étant enduite d'une couche (14), couche réalisée de la même ma- nière que dans l'exemple précédent illustré par la figure 1. Exemple 1: Cet exemple porte sur la réalisation d'une fibre op- tique (10Oa) telle qu'illustrée à la figure 2 et qui est préparée en utilisant une installation du type illustré par les figures 3 et 4. Dans une première phase, une pluralité d'éléments de fibre optique (12) sont insérés à l'intérieur d'un tube de verre afin de réaliser une préforme (22) de fibres mul- tiples ayant un diamètre de 30 mm. La préforme (22) ainsi réalisée est amenée dans un four à résistance électrique (24) à une vi- tesse de 10 mm/min et en est retirée à une vitesse de 2 m/min afin de former un élément à fibres multiples (20). -7- L'élément à fibres multiples (20) ainsi obtenu passe au travers d'une filière (26) d'un dispositif d'enduction qui permet d'appliquer une solution de gomme de silicone modifié (du type commercialisé sous la marque OF-127 par la société japonaise SHINETSU CHEMICAL KABUSHIKI KAISHA) sur toute la surface périphérique de l'élément multi- fibres (20) de manière à réaliser la couche d'enduction autour de c-t élément. L'élément multi-tibres (20) ainsi enduit de la solution de gomme de silicone modifié passe alors au travers d'un tube de réticulation (28) maintenu à une température de 450 C, de telle sorte que l'enduit soit durci et forme une couche tampon interne (16). L'é- lément multi-fibres (20) revêtu de la couche interne tam- pon (16) est alors enroulé sur un tambour de renvidage (30). L'élément multi-fibres (20) enduit de la couche (16) est alors déroulé de son support (30) pour être amené à passer à l'intérieur d'une extrudeuse ou dispositif d'en- duction (32) afin de le recouvrir de la couche extérieure d'enduction (18) à base de PEC qui, conformément à l'in- vention, recouvre la couche d'enduction interne (16). Lors de ce passage à l'intérieur de l'extrudeur (32), le fil passe au travers d'une filière (32a). Le cylindre de l'ex- trudeuse (32) a un diamètre interne de 30 mm et la tête de filière (32a) est maintenue à une température de 360 C. La fibre optique (10a) ainsi produite a un diamètre ex- térieur de 40 mm, l'élément à base de fibres multiples (12) ayant quant à lui un diamètre extérieur de deux mil- limètres alors que l'ensemble multifibres (20) avec la couche d'enduction interne (16) a un diamètre extérieur de 2,4 mm. Le tableau ci-après regroupe les caractéris- tiques et propriétés physiques du PEC. 2578&57 - 8 -5 TABLEAU PROPRIETES PEC Poids spécifique (g/cc) 1300 Propriétés résistance à la traction 930 mécaniques (kg/cm2) Module (kg/cm2) 4 x 10 résistance à l'impact Izod (entaillé) (kg.cm/cm) 45 Allongement (%) 150 Point de fusion ( C) 334 Propriétés Température de transition Propri6t6s thermiques du verre ( C) 143 Température de distorsion thermique ( C) 152 Indice de température UL ( C) (240) constante diélectrique Propriétés (10 Hz) 3,4 ectriques facteur de dissipation diélectrique (10 Hz) 0,003 tension de rupture dié- ___________ lectrique (KV/mm) 17 Retard de flamme UL94V-0 A titre comparatif, on prépare une fibre optique dans les mêmes conditions que dans l'exemple précédent si ce n'est que la couche d'enduction extérieure est à base de FEP. On place simultanément dans un four la fibre opti- que (10a) réalisée conformément à l'invention et une fi- bre optique de l'exemple comparatif et on soumet ces fi- - 9 - bres à un test de traitement à la chaleur pendant une du- rée de cinquante heures à une température de 200 C. On examine ensuite l'aspect de chacune des fibres optiques. On constate que la couche d'enduction extérieure de la fibre optique réalisée à titre comparatif est détériorée tandis que la couche d'enduction extérieure (18) de la fibre optique (10a) réalisée conformément à l'invention ne subit aucun dommage et n'est pas détériorée. Une cen- taine d'échantillons de fibres optiques (10a) sont sou- mises au test thermique décrit précédemment et une cen- taine d'échantillons de fibres optiques (10a) qui n'ont pas été soumises au test de traitement thermique sont alors soumises à un test de résistance à la rupture par traction. D'une manière similaire, une centaine d'échan- tillons de fibres optiques réalisées à titre comparatif sont soumises au traitement thermique alors que cent fi- bres identiques ne sont, quant à elles, pas soumises au traitement thermique, l'ensemble de ces fibres étant éga- lement soumises à un test de résistance à la rupture par la traction. Lors de la réalisation de ce test de résis- tance de la rupture par traction, les extrémités opposées de chaque échantillon sont tenues par une paire de pinces espacées l'une de l'autre d'une distance de dix mètres, l'une des pinces étant déplacée à une vitesse de cinquan- te centimètres/minute. La probabilité de casse ou ruptu- re est déterminée par la distribution de Weibull. Si l'on considère les fibres optiques (10a) qui n'ont pas été soumises au test de traitement thermique, une ligne de probabilité d'un graphique de distribution de vneibull s'élève brusquement à une charge de rupture de 1800 à 2000 kg tandis qu'une ligne de probabilité en ce qui con- cerne les fibres optiques (12a) soumises au traitement thermique s'élève brusquement à une charge de rupture comprise entre 1750 et lg50 kg. En ce qui concerne les fibres optiques réalisées à titre comparatif et qui n'ont - 10 - pas été soumises au test thermique, la ligne de probabi- lité augmente brusquement pour une charge de rupture com- prise entre 1700 et 2000 kg tandis qu'une ligne de proba- bilité dans le cas d'une fibre optique comparative sou- mise au traitement thermique aumgente brusquement pour une charge de rupture comprise entre 1400 et 1800 kg. Ce test comparatif montre que les fibres optiques (10a) réa- lisées conformément à la présente invention ont une ex- cellente résistance à la chaleur. Exemple 2: Afin de déterminer les effets des radiations, la fibre optique (10a) réalisée conformément à l'invention et une fibre optique comparative préparées dans les mê- mes conditions que dans l'exemple 1, sont soumises à une radiation gamma à température ambiante pendant une durée de mille heures dans une atmosphère d'air. Chaque fibre optique est espacée d'une source gamma de cobalt-60 de 104 Ci (curies) à une distance de cinq mètres. La fibre optique (10a) conforme à l'invention et la fibre optique comparative sont alors-soumises au test de traitement thermique selon la procédure de l'exemple 1. On constate que l'aspect des fibres optiques (10a) réa- lisées conformément à l'invention ne sont pas détério- rées du tout. De la même manière que dans l'exemple 1, on soumet alors une centaine d'échantillons de fibres optiques (10a) et une centaine d'échantillons de fibres comparatifs à des tests de résistance à la rupture et à la traction, la probabilité de casse ou rupture étant déterminée se- lon la distribution de Weibull. En ce qui concerne la fibre optique (10a) con orme à l'invention, une ligne de probabilité dans un graphique de distribution de Weibull - il - augmente brusquement pour une charge de rupture comprise entre 1700 et 2000 kg, tandis que dans le cas des fibres optiques comparatives, cette ligne de rupture se produit pour une charge comprise entre 1500 et 1900 kg. En consé- quence, les fibres optiques (10a) selon la présente in- vention présentent une excellente résistance à la radia- tion. - 12 - REVENDICATIONS 1/ Fibre optique comportant un élément transmetteur de la lumière comprenant au moins un élément à fibre op- tique qui est recouvert d'une couche d'enduction résis- tante à la chaleur et aux radiations, caractérisée par le fait que ladite couche d'enduction comporte une couche interne tampon (16) et une couche externe (18) à base de polyether ether cétone et qui recouvre la couche interne (16). 2/ Fibre optique selon la revendication 1, caracté- risée par le fait que l'élément transmetteur de lumière (20) comoorte une pluralité de fibres optiques (12) liées ensemble oar fusion sur leur périphérie extérieure. 3/ Fibre optique selon la revendication 1, carac- térisée par le fait que la couche interne tampon (16) est à base de gomme de silicone. 4/ Fibre optique selon la revendication 1, caracté- risée par le fait que la couche interne (16) a une épais- seur comprise entre 150 et environ 200 /m. 5/ Fibre optique selon la revendication 1, caracté- risée par le fait que la couche interne (16) est à base de gomme de silicone modifié souple et présentant un in- dice de réfraction supérieur à celui du verre de silice. 6/ Fibre optique selon la revendication 1, caracté- risée par le fait que la couche interne (16) est composée d'une première couche de gomme de silicone modifié dispo- sée autour de l'élément transmetteur de lumLère (12) et d'une seconde couche de gomme de silicone disposée autour de la première couche, la gomme. de silicone modifié étant - 13 - molle et ayant un indice de réfraction supérieur à celui du verre de silice, ladite première couche ayant une épaisseur comprise entre 40 et environ 50,Mm, et la se- conde couche ayant une épaisseur comprise entre 110 et environ 150yum. 7/ Fibre optique selon la revendication 1, caracté- tisée par le fait que la couche extérieure (18) a une épaisseur comprise entre environ 120 et 130u m.