DE1945321A1

DE1945321A1 - Verfahren zur Herstellung von optischen Elementen aus duroplastischen Kunststoffen

Info

Publication number: DE1945321A1
Application number: DE19691945321
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr-Ing Dinkelacker; Margarete Holl; Richard Koengeter; Wolfgang Dr-Ing Rebentisch; Walter Thumm
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1969-09-06
Filing date: 1969-09-06
Publication date: 1971-03-11

Description

Verfahren zur Herstellung von optische Elementen.
aus duroplastischen Kunststoffen Die Errindung betrifft ein Verrahren zur Herstellung von optischen Elementen aus Kunststoffen, insbesondere aus dreidimensional vernetztem, im folgenden kurz "duroplastisch" genanntem Kunststoff.
Die Herstellung von optischen Elementen aus duroplastischem Kunststoff wird angestrebt, weil dieser in vielen seiner Eigenschaften dem Glas Uberlegen ist. Man kann ihn beispielsweise in hoher Reinheit aus besonders sorgfältig gereinigten und gefilterten monomeren FlUssigkeiten polymerisieren, Kunststoffe haben außerdem etwa nur die Hälfte des spezifischen Gewichtes von Glas, was den Bau von erheblich leichteren optischen Geräten und Hilfsmitteln ermöglicht, und nicht zuletzt bieten sich Kunststoffe wegen ihrer hohen Elastizität und Bruchsicherheit und ihrer infolge des niedrigen Wärmeleitungskoeffizienten geringen Neigung zum Beschlagen zur Herstellung von Brillengläsern und anderen optischen Gegehständen des täglichen Gebrauchs an, wobei wegen ihrer Härte duroplastische Kunststoffe den thermoplastischen, zweidimensional vernetzten,vorgezogen werden.
ES ist bekannt, daß Kunststoffe infolge ihrer hohen Elastizität und ihres großen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei einer Oberflächenbehandlung durch Schleifen oder Polieren besondere Vorsichtsmaßnahmen erfordern. Optische Elemente werden deshalb im allgemeinen durch Gießen des monomeren Kunststoffes in entsprechend oberflächenbearbeitete Formen mit anschließender Polymerisation unter Wärmeeinwirkung gewonnen.
Es sind weiterhin Verfahren bekannt, Schrumpfunterschiede in Zonen unterschiedlicher Dick beim Gießen von Linsen aus ther-FoplJtisohon Kunststoffen durch Anwendung hoher Drucke zu beseitigen. Der Stand der Technik gibt aber ausdrücklich an, daß diese Maßnahme nur bei den thermoplastischen Kunststoffen befriedigende Resultate ergibt und bei den fUr optische Zwekke vorteilhafteren duroplastischen Künststoffen nicht zu: Erfolg rührt.
Aus duroplastischem Kunststoff können bisher nur Linsen, deren Flächenkrümmung an der Außen und Innenseite im wesentlichen gleich und parallel zueinander verläuft, sowie Linsen mit geringer dioptrischer Wirkung in einem Arbeitsgang durch Gießen der monomeren Flüssigkeit in entsprechende Formen und anschliessender Polymerisation hergestellt werden. Linsen, deren Wandstärke in der mittleren Zone von derjenigen an der Randzone erheblich abweicht, werden in zwei Arbeitsgängen hergestellt.
Es wurde nun überraschend und entgegen der herrschenden Meinung gefunden, daß auch aus duroplastischen Kunststoffen bei Anwendung hoher Drucke einwandfreie optische Linsen mit großen Dickenunterschieden zwischen Randzone und Mitte in einem Arbeitsgang gegossen werden können, wenn die Herstellungsbedingungen entsprechend der vorliegenden Erfindung eingehalten werden.
Die Erfindung betrifft dementsprechend ein Verfahren zur Herstellung von optisch wirksamen Körpern aus Kunststoffen, insbesondere duroplastischen Kunststoffen, durch Gießen der monomeren Flüssigkeit in eine entsprechende Gießform und anschliessendes Polymerisieren, welches auch die Herstellung von Körpern mit in'verschiedenen Zonen sehr verschiedenen Dicken in einem Arbeitsgang erlaubt.
Das Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß, beginnend mit der Gelierung der monomeren Flüssigkeit, ein dem Steigenden Polymerisationgrad entsprechend zunehmender Druck auf die Grießform ausgeübt wird. Der Druck auf die Gießform kann dabei diskontinuierlich erhbht werden, besonders vorteilhaft ist es Jedoch, das Verfahren so auszubilden, daß der Druck auf die Oießtorm kontinuierlich aunimmt.
Das neue Verfahren liefert optisch wirksame Körper, beispielsweise Linsen hoher Oberf.lächenqualität und einwandfreier vorherbestimmter Form in einem Arbeitsgang und zwar insbesondere auch dann, wenn diese Körper in verschiedenen Zonen sehr verschiedene Dicken aufweisen. So wird es mit Hilfe des neuen Verfahrens beispielsweise möglich, einwandfreie optische Linsen mit hoher Dioptrie und einer großen Dickendifferenz zwischen Rand und Mitte in einem Arbeitsgang herzustellen.
Bei dem neuen Verfahren muß der Druckanstieg so geregelt werden daß zu jedem Zeitpunkt des Polymerisationsprozesses Kontakt zwischen den polierten Flächen der Gußform und dem Polymerisat gewährleistet ist, daß aber kein anpolymerisiertes Material aus der Gußform austritt.
Der Druckanstieg ist deshalb jeweils individuell durch die geometrische Form und das Volumen des Gießlings bestimmt. Im allgemeinen muß der Druckanstieg mit steigendem Volumen und steigendem Dickenunterschied des Gießlings schneller erfolgen. Bei besonders ungünstigen Dickenverhältnissen des Gießlings sind gegen Ende des Polymerisationsvorganges Spanndrucke in der Größenordnung bis zu 100 kg/cm erforderlich.
Die Polymerisation der monomeren Flüssigkeit erfolgt in den üblichen Temperaturbereichen z.B. bei CR 39 zwischen 50 und 100° C. Dabei ist zu beachten, daß die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs von der Form des Gießlings abhängt. Mit zunehmendem Volumen und steigender Dickendifferenz zwischen Rand und Mitte des herzustellenden Körpers muß der Temperaturanstieg langsamer erfolgen, damit keine Rissbildung im Polymerisat auftritt. Die am Ende des Polymersationsvorganges erreichte Temperatur beträgt bei CR 39 etwa 950 G.
Nach Beendigung des Polymersationsvorganges werden die Gießlinge unter Aufrechterhaltung des Spanndruckes im abgeschalteten Ofen .langsam auf etwa 500 abgekühlt und nach Erreichen dieser Temperatur entspannt und entformt. Die entformten Gießlinge werden in bekannter Art durch Tempern im Ofen oder im Wasserbad von den bei der Polymerisation entstandenen inneren Spannungen befreit.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der -findung zeichnet sich vorteilhaft dadurch aus-, daß zur Aufnahme der monomeren Flüssigkeit eine zweiteilige gläserne Gußform verwendet wird, daß die im Kontakt mit dem Polymerisationsgut stehenden inneren Flächen der Formhälften die für das Endprodukt erwünschten optischen Oberflächen aufweisen, während die im Kontakt mit der den Druck übertragenden Vorrichtung stehenden äußeren Flächen der Formhälften plan sind, und daß die beiden Formhälften mit einem elastischen, gegenüber der Gußmasse inertem Abdichtring verbunden sind.
Es ist z.B. zweckmäßig, den Abdichtring aus Polyvinylchlorid auszubilden. In den Rand beider Formhälften ist eine Nut eingefräst und der Abdichtring ist mit einem Steg verbunden, der in die Nut eingreift, wobei die Stegbreite den Abstand der Formhälften bei Beginn des Polymerisationsvorganges bestimmt. Weiterhin weist der Abdichtring einen Kanal zum Einfüllen der monomeren Flüssigkeit sowie ein mit diesem Kanal verbundenes Vorratsgefäß zur Aufnahme zusätzlicher monomerer Flüssigkeit auf.
Diese zusätzlihe Menge monomerer Flüssigkeit von etwa 0,5 -1 cm dient dazu, den Volumenverlust während der Polymerisation des noch flüssigen Monomeren innerhalb der Gießform zu ersetzen, die Volumenausdehnung während der ersten Erwärmung des Monomeren zu kompensieren sowie die Einwirkung von Außenluft auf das im Inneren der Gießform befindliche Monomere auszuschließen. Außerdem wird mit Hilfe dieser kleinen zusätzlichen Menge Monomeren während des Polymerisationsvorganges der exakte zeitliche Beginn der Gelierung des Monomeren ermittelt. Dies ist erforderlich, da vom Glierpunkt an der Druckanstieg während der Polymerisation erfolgen muß.
Zur Ausübung des Druckes auf die beiden Formhälften kann eine mechanische oder eine hydraulische Vorrichtung Verwendung finden.
Die beigefügte Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Anhand dieser Zeichnung wird im folgenden die Herstellung einer Linse aus duroplastischem Kunststoff beschrieben.
Die beiden Hälften der aus Glas gefertigten Gießform 1 werden an ihren plangearbeiteten Flächen 2 zwischen einer festen Richtglocke 3 und einer drehbar gelagerten Richtglocke 4 in einem stabilen Metallbügel 5, der sich bei dem angewendeten Druck und den erforderlichen Temperaturen nicht verformen dar, gehalten. Zur Zentrierung der beiden Formhälften gegeneinander während der Polymerisation ist in der Mitte der Planfläche jeder Formhälfte ein zylindrischer Nippel 6 aus Metall aufgekittet, der beim Einlegen der Formschalen in die Druckspannvorrichtung in eine entsprechende zentrische Vertiefung der Richtglocke eingreift. Die im Kontakt mit dem Polymerisationsgut stehenden optischen Flächen 7 und 8 der Gießform haben die für das Endprodukt gewünschte Oberfläche. Zur Aufnahme des Abdichtringes 9 aus einem elastischen Kunststoff, beispielsweise Polyvinylchlorid, der die beiden,Formhälften verbindet, ist um den Rand der optischen Fläche eine ca. 1 mm tiefe Nut 10 eingefräst. Der auf die Gießform ausgeübte Druck kann durch Andrehen der Druckspindel 11 auf die Richtglocke 4 diskontinuierlich oder kontinuierlich gesteigert werden. Die feste Richtglocke 3 wird von einem gefederten Bolzen 12 gehalten. Nach dem ZusammenfUgen beider Gießformhälften mittels Abdichtring und dem Einspannen in den Metallbügel 5 wird die monomere Flüssigkeit, beispielsweise Allyldiglycolcarbonat mit 3 % Isopropylpercarbonat oder 3 - 4 ffi Dicyclohexylpercarbonat als Katalysator, mit einer Injektionsspritze in das Vorratsgefäß 15 gebracht, das durch den Kanal 14 mit der Gießform verbunden ist.
Die Gießform wird so weit aufgefüllt, daß das Monomere bis zum oberen Rand des Vorratsgefäßes 15 steht. Nach dem Füllen wird die Gießform samt Metallbugel 5 in einen vorgewärmten Luftumwälzofen gestellt und während der für die Polymerisation vorgeschriebenen Zeit der notwendigen Temperatur und Druckänderung unterworten, wobei das Einsetzen der Druckanwendung an das Beobachten des Zeitpunktes des Gelieren des Monomeren im Zusatzgefäß 15 gebunden ist.
Zur Fertigung größerer Stückzahlen ist eine kontinuierliche, automatische Drucksteigerung über ein entsprechendes Getriebe oder durch Hydraulik vorgesehen.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung von optisch wirksamen Körpern aus Kunststoffen, insbesondere dreidimensinal vernetzten Kunststoffen, durch Gießen der monomeren Flüssigkeit in entsprechende Gießformen und anschließendes Polymerisieren, dadurch gekennzeichnet, daß beginnend mit der Gelierung der monomeren Flüssigkeit ein dem steigenden Polymerisationsgrad entsprechend zunehmender Druck auf die Gießform ausgeübt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck auf die Gießform kontinuierlich zunimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckanstieg so geregelt wird, daß zu jedem Zeitpunkt des Polymerisationsprozesses Kontakt zwischen den polierten Flächen der Gußform und des Polymerisats gewäkrleistet ist, daß aber kein anpolymerisiertes Material aus der Gußform austritt4
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß gegen Ende des Polymerisationsprozesses Spann-2 drucke in der Größenordnung bis zu 100 kg/cm auftreten.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dffie Gießlinge nach Beendigung des polymerisation prozesses unter Aufrechterhaltung des Spanndruckes im abgeschalteten Ofen langsam auf etwa 500 C abkühlen und nach Erreichen dieser Temperatur entspannt und entformt werden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die entformten Gießlinge in bekannter Art durch Tempern im Ofen oder im Wasserbad von den bei. der Polymerisation entstandenen inneren Spannungen befreit werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Allyldiglycolcarbonat mit 3 ffi Isopropylpercarbonat oder 3 - 4 % Dicyclohexylpercarbonat als Katalysator polymerisiert wird:
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der monomeren Flüssigkeit eine zweiteilige gläserne Gußform (1) verwendet ist, daß die im Kontakt mit dem Polymerisationsgut stehenden inneren Flächen (7,8) der Formhälften die für das Endprodukt erwünschte optische Oberfläche aufweisen, während die im Kontakt mit der den Druck übertragenden Vorrichtung stehenden äußeren Flächen (2) der Formhälften plan sind, und daß die beiden Formhälften mit einem elastischen, gegenüber der Gießmasse inerten Abdichtring (9) verbunden sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den inneren Rand beider Formalhälften eine Nut (10) eingefräst ist, daß der Abdichtring (9) mit einem Steg (13) verbunden ist, der in die Nut (10) eingreift und dessen Breite den Abstand der Formhälften bei Beginn des Polymerisationsvorganges bestimmt, und daß der Abdichtring (9) einen Kanal (14) zum Einfüllen der monomeren Flüssigkeit sowie ein mit diesem Kanal verbundenes Vorratsgefäß (15) zur Aufnahme zusätzlicher monomerer Flüssigkeit aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausübung eines Druckes auf die beiden Formhälften eine mechanische, mit einer Druckspindel versehene Vorrichtung vorgesehen ist.

1 Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9> dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausübung eines Druckes auf die beiden Formhälften eine hydraulische Vorrichtung vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: DP 1 116 383