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Dokumentenidentifikation DE10126973B4 19.04.2007
Titel Lichtdurchlässiges Bauelement aus einem thermoplastischen Polymer
Anmelder Frischat, Günther Heinz, Prof.Dr., 38678 Clausthal-Zellerfeld, DE;
Ziegmann, Gerhard, Prof.Dr., 38678 Clausthal-Zellerfeld, DE;
Heide, Gerhard, Prof.Dr., 38678 Clausthal-Zellerfeld, DE;
Wondraczek, Lothar, Dr., 38678 Clausthal-Zellerfeld, DE
Erfinder Frischat, Günther Heinz, Prof. Dr., 38678 Clausthal-Zellerfeld, DE;
Ziegmann, Gerhard, Prof. Dr., 38678 Clausthal-Zellerfeld, DE;
Weidenfeller, Bernd, Dr., 38678 Clausthal-Zellerfeld, DE;
Heide, Gerhard, Dr., 38678 Clausthal-Zellerfeld, DE;
Müller, Dirk, Dr., 38667 Bad Harzburg, DE;
Haacke, Florian Wigo, 38640 Goslar, DE;
Wondraczek, Lothar, 38678 Clausthal-Zellerfeld, DE
Vertreter GRAMM, LINS & PARTNER GbR, 38122 Braunschweig
DE-Anmeldedatum 01.06.2001
DE-Aktenzeichen 10126973
Offenlegungstag 19.12.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse C08K 3/40(2006.01)A, F, I, 20061113, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C08K 7/14(2006.01)A, L, I, 20061113, B, H, DE   C08K 7/20(2006.01)A, L, I, 20061113, B, H, DE   C08K 9/06(2006.01)A, L, I, 20061113, B, H, DE   C08L 69/00(2006.01)A, L, I, 20061113, B, H, DE   G02B 1/00(2006.01)A, L, I, 20061113, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein lichtdurchlässiges Bauelement aus einem thermoplastischen Polymer mit einer zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaft behandelten Oberfläche.

Es ist bekannt, lichtdurchlässige Bauelemente, beispielsweise Streulichtscheiben aus einem thermoplastischen Polymer herzustellen, um das Bauteil gegenüber Glaswerkstoffen leichter und mit einer höheren Schlagzähigkeit auszustatten. Derartige bekannte Bauteile bestehen beispielsweise aus Polycarbonat (PC). Die Vorteile des geringeren Gewichts und der besseren Schlagzähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit werden dabei mit einer schlechteren Oberflächenbeständigkeit, insbesondere Kratzbeständigkeit, UV-Beständigkeit und chemischen Beständigkeit eingekauft.

Aus DE 196 13 645 A1 sind optische Bauteile mit Gradientenstruktur bekannt, bei denen die in eine feste Matrix eingebetteten nanoskaligen Teilchen einen Stoffgradienten und Gradienten im Brechungsindex bewirken.

Für hochwertige Kunststoffteile ist es bekannt (vgl. US 5,364,487), diese mit einer kratzfesten Oberflächenbeschichtung zu versehen, die durch einen aufgebrachten Film gebildet ist. Dieses Verfahren ist sehr aufwändig und wird daher fast ausschließlich für hochwertige Bauteile, wie beispielsweise Kunststoff-Brillengläser, angewandt. Zudem ist die Haltbarkeit dieser Beschichtungen vor allem bei Langzeitbeanspruchungen unter möglicherweise widrigen Bedingungen begrenzt. Die Verbindung zwischen dem Film und der Glasoberfläche ist im Übrigen wegen der stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von beispielsweise Glas und einem Kunststofffilm und wegen der schlechten Verbindbarkeit dieser Materialien problematisch.

Die vorliegende Erfindung geht daher von der Problemstellung aus, ein lichtdurchlässiges Bauelement aus einem thermoplastischen Polymer zu erstellen, das in weniger aufwändiger Weise als bisher mit einer beständigeren Oberfläche ausgebildet ist.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem mit einem lichtdurchlässigen Bauelement der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass zu der Oberfläche hin Mikropartikel mit einer größten Abmessung zwischen 1 &mgr;m und 200 &mgr;m und einer gegenüber dem Polymer größeren Härte in dem Polymer eingeschlossen sind, dass die Oberfläche zu 70 bis 100 % durch die Mikropartikel gebildet ist, dass die Teilchendichte der Mikropartikel von der Oberfläche zum Innern des Bauelements auf Null abnimmt, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der Mikropartikel kleiner als der des thermoplastischen Polymers ist und dass Brechzahl und Dispersion der Mikropartikel an die des thermoplastischen Polymers angepasst sind.

Das erfindungsgemäße lichtdurchlässige Bauelement wird daher bereits bei der Formgebung des thermoplastischen Polymers mit der verbesserten Oberflächeneigenschaft versehen, indem in das Polymer Partikel größerer Härte mit einer zur Oberfläche hin zunehmenden Dichte eingeschlossen werden. Da das thermoplastische Polymer für die Formgebung erhitzt werden muss und auf Grund der Abkühlung aushärtet, bewirkt das thermoplastische Polymer, dass es sich beim Aushärten um die Partikel wegen des höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten stärker zusammenzieht als die Partikel selbst, sodass die Partikel in dem Polymer unter einer ständigen Druckspannung durch das Polymer eingeschlossen sind. Diese Druckspannung bleibt im Wesentlichen auch bei einer Erwärmung des Bauteils während des Gebrauchs bestehen, solange die Temperatur unter der Glasübergangstemperatur oder der jeweiligen Aushärtungstemperatur des thermoplastischen Polymers bleibt, beispielsweise unter 140 °C für PC.

Die erfindungsgemäß verwendeten Mikropartikel haben eine größte Abmessung > 1 &mgr;m. Diese Partikel sind erfindungsgemäß in Brechzahl und Dispersion an die des thermoplastischen Polymers angepasst, sodass die Mikropartikel zumindest über einen weiten Bereich des sichtbaren Lichts nicht in dem thermoplastischen Polymer aufgrund der praktisch gleichen Brechzahl erkennbar sind. Die Partikel können dabei Glaspulverkörner einer geeigneten Glassorte sein.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen lichtdurchlässigen Bauelements ist darauf zu achten, dass die Partikel ohne Ausbildung mikroporöser Strukturen oder Risse in der thermoplastischen Matrix eingeschlossen sind. Mikroporen und Risse bilden nämlich Streuzentren für das sichtbare Licht und vermindern die Lichtdurchlässigkeit. Da sich die thermoplastische Matrix erfindungsgemäß stärker beim Abkühlen zusammenzieht als die Partikel, kann die Ausbildung von Mikroporen dadurch vermieden werden, dass die Partikel im Wesentlichen Kugelform haben. In einfacher Weise kann die Ausbildung von Mikroporen auch bei der Verwendung von Kurzfasern als Partikel vermieden werden. Kurzfasern weisen eine wesentlich größere Länge als Querschnittsausdehnung auf, wobei die Länge < 200 &mgr;m ist. Die Kurzfasern sind zweckmäßigerweise texturiert in das lichtdurchlässige Bauelement eingebracht, insbesondere vorwiegend parallel zur Oberfläche angeordnet.

Zur Verbesserung der Verbindung zwischen den Partikeln und dem thermoplastischen Polymer kann es zweckmäßig sein, wenn diese vor dem Einschluss in dem thermoplastischen Polymer mit einem Benetzungsmittel vorbehandelt sind. Geeignete Haft- und Benetzungsmittel sind z. B. Silane. Um durch das Benetzungsmittel keine Beeinträchtigung der Lichtdurchlässigkeit hervorzurufen, kann entweder die Schicht des Benetzungsmittels ausreichend dünn ausgebildet werden oder das Benetzungsmittel so ausgewählt werden, dass seine Brechzahl an die Brechzahl der Partikel und/oder der thermoplastischen Matrix angepasst ist, und zwar vorzugsweise über einen Temperaturbereich von –40 °C bis +90 °C.

Die für erfindungsgemäße Bauteile vorzugsweise einsetzbaren thermoplastischen Polymere sind insbesondere Polycarbonate und Cycloolefin-Copolymere, die sich bereits als Polymer mit einer relativ hohen Schlagfestigkeit und Kratzfestigkeit herstellen lassen. Verwendbar sind aber auch andere thermoplastische Polymere, wie beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA).

Für die Verwendung der Mikropartikel kommt es auf eine Übereinstimmung der Brechzahl ne zwischen dem thermoplastischen Polymer und den eingeschlossenen Partikeln, insbesondere Glaspartikeln, an. Polycarbonat hat beispielsweise eine Brechzahl ne von 1,585, sodass übliche Gläser mit einer Brechzahl von 1,60 ± 0,005 bereits nicht mehr die gewünschte Transparenz bewirken würden. In Frage kommen jedoch Flintgläser LF 5 und BaF 3 mit einer Brechzahl von 1,58482 bzw. 1,58565 oder das Schwerkronglas SK 12 mit einer Brechzahl von 1,58547.

Die Übereinstimmung in der Abbe-Zahl ve ist insbesondere bei dem Flintglas LF 5 (Pb-Na-K-Silicat) am größten, für BaF 3 (Ba-Pb-Zn-Silicat) etwas weniger gut und für das Schwerkronglas SK 12 möglicherweise bereits problematisch.

Die in Frage kommenden Gläser sind auch hinsichtlich Klimaresistenz, Fleckenresistenz, Säureresistenz und Alkaliresistenz bewährt, sodass mit ihnen eine sehr gute Oberflächenbeschaffenheit des lichtdurchlässigen Bauteils erzielbar ist.

Der Füllgrad der Partikel an der Oberfläche durch die Verwendung einer geeigneten Partikelgrößenverteilung kann mehr als 80% betragen, sodass die Eigenschaften der Oberfläche im Wesentlichen durch die Eigenschaften der Partikel gebildet werden.

Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung von Partikeln in einem thermoplastischen Polymer bei einem erfindungsgemäßen Bauteil

2 eine schematische Darstellung der auf das Partikel wirkenden Druckspannung

3 eine schematische Darstellung eines Zentrifugenofens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils

4 eine Variante des Zentrifugenofens gemäß 3.

1 lässt erkennen, dass das erfindungsgemäße Bauteil 1 auf seiner Werkstoffinnenseite 2 frei von Partikeln 3 ist und die Anzahl der Partikel pro Volumeneinheit zur Werkstoffaußenseite 4 hin zunimmt, sodass die Werkstoffaußenseite zu 70 bis 100% durch die Partikel 3 gebildet werden kann. Aufgrund der kontinuierlich zunehmenden Dichte der Partikel 3 entsteht somit eine kontinuierliche Änderung der Eigenschaften des Bauteils zur Werkstoffoberfläche 4 hin, sodass ein Gradienten-Verbundwerkstoff entsteht.

Da das thermoplastische Polymer einen deutlich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (70 × 10–6/K) als übliche Gläser (8 bis 30 × 10–6/K) aufweist, entwickelt die Polymermatrix beim Abkühlen eine Druckspannung auf die eingeschlossenen Partikel 3, die in 2 schematisch veranschaulicht ist und für eine feste Verankerung des Partikels 3 in der Polymermatrix sorgt.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen ungleichmäßigen Verteilung der Partikel in der Polymermatrix kann durch Sedimentation eines geeignet vorbereiteten Vorkörpers erfolgen. Der Vorkörper kann ein homogen mit den Partikeln 3 gefülltes Polymer sein.

Geeignet ist auch eine auf das Polymer aufgelegte Partikelschicht oder eine Partikelschicht zwischen zwei Polymerkörpern.

Der so hergestellte Vorkörper kann durch Temperatursteigerung erweicht und anschließend einem Schwerefeld ausgesetzt werden. Im Schwerefeld bewegt sich die Phase mit dem höheren spezifischen Gewicht (Glaspartikel 3) in Richtung des Schwerefeldes. Die Erzeugung des Schwerefeldes ist z. B, mit einem in 3 oder 4 dargestellten Zentrifugenofen möglich. Ein durch eine Antriebswelle 5 um die Achse der Antriebswelle 5 rotierbarer Vorkörper 6 befindet sich in einem Ofenraum 7, der gemäß 3 stationär oder gemäß 4 mit rotieren kann. Durch Heizen des Vorkörpers 6 in dem Ofenraum 7 erweicht der Vorkörper 6 und die Glaspartikel 3 können in den Polymerkörper eindringen bzw. sich im Polymerkörper radial nach außen bewegen, um so die Verteilung der Partikel 3 in dem Bauteil 1 herzustellen, die in 1 dargestellt ist.

Ein anderes geeignetes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils stellt das Heizpressen dar, bei dem eine Pulvermischung aus Polymer und Partikeln 3 hergestellt wird, wobei in Abhängigkeit von dem gewünschten Gradienten der Anteil an Partikeln 3 gegenüber dem Polymer variiert wird. Dann können Pulverlagen hergestellt werden, deren Dicke, Konzentration und Anzahl in Abhängigkeit von dem gewünschten Gradienten für die Dichte der Partikel 3 variiert wird. Die hergestellte Mischung kann dann mit einem Heizstempel oder isostatisch gepresst oder durch Pressen unter Vakuum blasenfrei gesintert werden.

Statt einer Pulvermischung können auch Wechsellagen aus Folien (Polymer) und Partikeln 3 hergestellt werden, die in gleicher Weise gepresst werden können.


Anspruch[de]
Lichtdurchlässiges Bauelement aus einem thermoplastischen Polymer mit einer zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaft behandelten Oberfläche (4), dadurch gekennzeichnet, dass zu der Oberfläche (4) hin Mikropartikel (3) mit einer größten Abmessung zwischen 1 &mgr;m und 200 &mgr;m und einer gegenüber dem Polymer größeren Härte in dem Polymer eingeschlossen sind, dass die Oberfläche (4) zu 70 bis 100 % durch die Mikropartikel (3) gebildet ist, dass die Teilchendichte der Mikropartikel (3) von der Oberfläche (4) zum Innern (2) des Bauelements auf Null abnimmt, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der Mikropartikel (3) kleiner als der des thermoplastischen Polymers ist und dass Brechzahl und Dispersion der Mikropartikel (3) an die des thermoplastischen Polymers angepasst sind. Lichtdurchlässiges Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der Partikel (3) um wenigstens den Faktor 2 kleiner als der des thermoplastischen Polymers ist. Lichtdurchlässiges Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahl und die Dispersion der Mikropartikel (3) über einen Temperaturbereich von –40 °C bis +90 °C an die des thermoplastischen Polymers angepasst sind. Lichtdurchlässiges Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropartikel (3) Glaspulverkörner sind. Lichtdurchlässiges Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropartikel (3) im Wesentlichen kugelförmig sind. Lichtdurchlässiges Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropartikel (3) in Form von Kurzfasern ausgebildet sind. Lichtdurchlässiges Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzfasern mit einer Vorzugsrichtung parallel zur Oberfläche des Bauelements angeordnet sind. Lichtdurchlässiges Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropartikel (3) vor dem Einschluss in das thermoplastische Polymer mit einem Benetzungsmittel vorbehandelt sind. Lichtdurchlässiges Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahl des Benetzungsmittels an die Brechzahl des thermoplastischen Polymers und der Mikropartikel (3) angepasst ist. Lichtdurchlässiges Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht des Benetzungsmittels so dünn ausgebildet ist, dass es für sichtbares Licht durchsichtig ist. Lichtdurchlässiges Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropartikel (3) in dem thermoplastischen Polymer ohne Ausbildung mikroporöser Strukturen eingeschlossen sind.






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