DE19502321C1

DE19502321C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung polarisierender Gläser aus Gläsern, die submikroskopisch kleine Fremdphasen enthalten

Info

Publication number: DE19502321C1
Application number: DE1995102321
Authority: DE
Inventors: Reinhard Borek; Thomas Rainer; Klaus-Juergen Dr Berg
Original assignee: Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg
Current assignee: Codixx AG
Priority date: 1995-01-26
Filing date: 1995-01-26
Publication date: 1996-05-09
Anticipated expiration: 2015-01-27

Description

Die optischen Eigenschaften von Gläsern, die submikroskopisch kleine Fremdphasen enthalten, z. B. Metallpartikel, insbesondere aus Gold, Silber, Kupfer, hängen wesentlich von der Form dieser Teilchen ab. Eine Polarisationswirkung ergibt sich z. B., wenn die Fremdphasen Ellipsoide oder abgeplattete bzw. verlängerte Teilchen und einheitlich ausgerichtet sind. In der Regel haben die im Glas erzeugten Fremdphasen im Ausgangszustand eine annähernd sphärische Form. Durch Deformation des Glases im viskoelastischen Bereich wie Ziehen, Pres sen, Walzen oder Extrudieren bei Temperaturen in der Nähe der bekannten Transformations temperatur T_g können die Fremdphasen verformt und ausgerichtet werden. Die Deformations temperatur muß niedrig im Vergleich zu Temperaturen bei üblichen Glasformgebungs prozessen sein, um die Viskosität des Glases so hoch zu belassen, daß die Verformungskräfte der Glasmatrix ausreichend auf die Fremdphasen wirken. Die Stärke der Verformungskräfte bzw. der Druck- oder Zugspannung ist entscheidend für den Grad der Deformation der Fremd phasen. Dazu wurden bereits eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen in den Patenten US 3 653 863, US 4 282 022, DE 31 16 081, US 4 486 213 beschrieben, die durchgehend auf einer Bewegung von unter mechanischer Spannung stehendem Glas durch eine feststehende Heizzone beruhen.

Mit allen bisherigen Verfahren zur Herstellung solcher polarisierender Gläser lassen sich jedoch keine beliebig hohen Verformungskräfte einsetzen, so daß Gläser mit kleinen Querschnitts flächen und/oder niedrige Viskositäten bzw. hohe Deformationstemperaturen verwendet werden müssen, was eine erhebliche Beschränkung der Verfahren darstellt und insbesondere eine geringe Effektivität verursacht, z. B. beträgt gemäß US 4 486 213 die maximal mögliche Zugspannung 68,9 N/mm² und die Deformationstemperatur liegt über der Transformations temperatur T_g des Glases.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, Gläser großer Flächenabmessungen mit homogener Polarisationswirkung, verursacht durch deformierte, einheitlich orientierte Fremdphasen, wirt schaftlich herzustellen, um ihre Einsatzmöglichkeiten über das Anwendungsgebiet der Mikro optik hinaus zu erweitern, z. B. als farbig mikrostrukturierte Polarisatoren für Flüssigkristall matrixdisplays.

Dieses Problem wird gemäß Patentanspruch 1 dadurch gelöst, daß ein im Verhältnis zur Längsausdehnung des Glases schmaler, die gesamte Querschnittsfläche einschließender Quer streifen eines unter mechanischer Spannung stehenden Glases, welches submikroskopisch kleine Fremdphasen enthält, in einer parallel zur Richtung der angreifenden Deformationskraft kontinuierlich bewegten Heizzone auf Temperaturen um T_g erhitzt und deformiert wird. Ein Regelprogramm steuert auf der Grundlage der gemessenen Prozeßgröße Deformationsge schwindigkeit des Glases (durch Deformation hervorgerufene Änderung des geometrischen Maßes der Glasprobe in Kraftrichtung pro Zeiteinheit) sowie der vorgegebenen Startparameter geometrische Maße des nicht deformierten Glases und gewünschter Deformationsgrad des Glases die Geschwindigkeit der Heizzone zur Regelung der Deformationsgeschwindigkeit des Glases so, daß die dem gewünschten Deformationsgrad entsprechende Deformationsge schwindigkeit konstant gehaften wird. Das Regelprogramm basiert auf einer gleichzeitig zur Deformation ablaufenden Simulation, die auf der Grundlage der gemessenen Prozeßgrößen Deformationsgeschwindigkeit des Glases und Temperatur der Heizzone, der Startparameter sowie der Materialparameter des Glases, den Verlauf der ortsabhängigen Größen Temperatur, Querschnitt und Geschwindigkeit des Glases in der Heizzone berechnet.

Gemäß Patentanspruch 4 enthält die Deformationsanlage eine Vorrichtung zur Erhitzung des Glases, welche entlang des auf der einen Seite gehalterten und auf der anderen Seite mit einer Deformationsvorrichtung (Zug- oder Druckvorrichtung) verbundenen Glases beweglich ist. In dieser Vorrichtung wird, entsprechend seiner Dimensionierung, eine Zone des Glases auf Temperaturen um T_g erhitzt. Die durch die Deformationsvorrichtung bewirkte Spannung deformiert das Glas in der Heizzone. Durch die kontinuierliche Bewegung der Heizzone werden nacheinander immer neue Bereiche des Glases erhitzt und deformiert, während bereits deformierte Bereiche sich aus der Heizzone herausbewegen, abkühlen und schließlich ihre einmal erreichte Form nicht mehr ändern. Der sich auf diese Weise einstellende Deformations grad des Glases wird bei ansonsten konstanten Bedingungen von der Geschwindigkeit der Heizzone bestimmt, kann also über sie eingestellt und durch deren Steuerung entsprechend Patentanspruch 1 über beliebig große Längen der deformierten Probe konstant gehaften wer den (Fig. 1). Durch die Trennung von kraftaufbringenden Teilen und hochpräzisen Regel teilen der Anlage können hohe Deformationsspannungen erzeugt werden, ohne daß dabei auf tretende Deformationskräfte sowie die Trägheit von größeren und damit schwereren Gläsern die Regelung der Deformation hinsichtlich Genauigkeit und Geschwindigkeit erschweren. Durch die realisierbaren, nur durch die Bruchspannung des Glases beschränkten, hohen Zugspannungen bei "niedrigen" Deformationstemperaturen ist eine effektive Deformation der Fremdphasen möglich. Die Breite der durch Zugdeformation herstellbaren Gläser wird inner halb gewisser physikalischer Grenzen nur durch die Innenmaße der Heizzone begrenzt, und es können breite, gleichmäßig dünne deformierte Gläser bis hin zu Glasfolien hergestellt werden, die sich durch hohe Polarisationsgrade auszeichnen. Der einfache Aufbau der Vorrichtung ermöglicht ihren Einsatz gleichermaßen im Labor und in Produktionsstätten. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2, 3 und 5 angegeben. Auf diese Weise lassen sich Gläser herstellen, die insbesondere für den Einsatz in optischen Sensoren, Fiberoptik-Bauelementen, optischen Speicher-Bauelementen, CD-Lauf werken, Laserdruckern sowie Anzeigeelementen, Bildschirmen usw. geeignet sind. Durch die Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Anspruch 5 ist es möglich, Flachgläser mit üblichen Dicken bzw. gewünschten Formen nach Vorgabe herzustellen.

Ausführungsbeispiel 1

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Fig. 2 zeigt eine Deformationsanlage mit einer Grundplatte 1 und dem Schlitten 2, der durch den Antrieb von Motorspindel 3 und Schrittmotor 4 den elektrischen Wider standsofen 5 parallel zur Richtung der angreifenden Deformationskraft (Zugkraft) bewegt.

Das Glas 6 ist an einem Ende an der Halterung 7 befestigt und wird am anderen Ende mit dem über die Umlenkrolle 8 mit Wegaufnehmer geführten Zugseil 9 verbunden, an dem sich ein Zuggewicht 10 befindet. Die Regelung 11 setzt die Meßwerte des Wegaufnehmers in die Deformationsgeschwindigkeit des Glases um und steuert den Schrittmotor für die Ofenbe wegung.

Ausführungsbeispiel 2

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Fig. 3 zeigt eine Deformationsanlage mit einer Grundplatte 1 und dem Schlitten 2, der durch den Antrieb von Motorspindel 3 und Schrittmotor 4 den elektrischen Wider standsofen parallel zur Richtung der angreifenden Deformationskraft (Druckkraft) 5 und den Formteilen 6 bewegt. Das Glas 7 ist an einem Ende mit der Halterung 8 befestigt und liegt am anderen Ende an der Stirnfläche eines hydraulischen Kolben 9 an, der mit dem Wegaufnehmer gekoppelt ist. Die Regelung 10 setzt die Meßwerte des Wegaufnehmers in die entsprechende Deformationsgeschwindigkeit des Glases um und steuert den Schrittmotor für die Ofenbe wegung.

Ausführungsbeispiel 3

Ein Ausführungsbeispiel beschreibt ein Glasprodukt, welches mit der Deformationsanlage zur Zugverformung (Ausführungsbeispiel 1) hergestellt wurde. Das Ausgangsmaterial bildete handelsübliches Foucauftglas der Dicke d₀. Dieses wurde in Streifen unterschiedlicher Breite b₀ geschnitten. Das Foucauftglases hat bezüglich der Hauptkomponenten folgende prozentuale Zusammensetzung:

SiO₂\|72,47%
Na₂O	14,36%
K₂O	0,7%
CaO	6,1%
MgO	4,0%
Al₂O₃	1,49%
Fe₂O₃	0,133%
SO₃	0,37%
MnO	0,131%

Die Glasstreifen wurden mit einer Zugkraft F_Zug bei einer Temperatur von 853 K deformiert. Die während der Deformation erzielten Spannungen σ, die Deformationsgrade sowie die Ausgangs- und Endmaße der Glasstreifen bilden den Inhalt der folgenden Tabelle.

Tabelle

Ausgewählte Glasprodukte

Claims

1. Verfahren zur Herstellung polarisierender Gläser aus Gläsern, welche submikroskopisch kleine Fremdphasen enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Verhältnis zur Längs ausdehnung des Glases schmaler, die gesamte Querschnittsfläche einschließender Quer streifen eines unter mechanischer Spannung stehenden Glases in einer parallel zur Richtung der angreifenden Deformationskraft kontinuierlich bewegten Heizzone auf Temperaturen um die Transformationstemperatur T_g des Glases erhitzt und deformiert wird, wobei ein Regelprogramm auf der Grundlage der gemessenen Prozeßgröße Deformationsgeschwin digkeit des Glases sowie der vorgegebenen Startparameter geometrische Maße des nicht deformierten Glases, gewünschter Deformationsgrad des Glases und einer gleichzeitig zur Deformation ablaufenden Simulation, welche auf der Grundlage der gemessenen Prozeß größen Deformationsgeschwindigkeit des Glases und Temperatur der Heizzone, der Start parameter sowie der Materialparameter des Glases, den Verlauf der ortsabhängigen Größen Temperatur, Querschnitt und Geschwindigkeit des Glases in der Heizzone berechnet, die Geschwindigkeit der Heizzone zur Regelung der Deformationsgeschwindigkeit des Glases so steuert, daß die dem gewünschten Deformationsgrad entsprechende Deformationsge schwindigkeit konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Verformung der Gläser durch Zugbelastung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Verformung der Gläser durch Druckbelastung erfolgt.

4. Vorrichtung zur Herstellung polarisierender Gläser aus Gläsern, welche submikroskopisch kleine Fremdphasen enthalten, gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine parallel zur Deformationsrichtung des Glases beweglichen Vorrichtung zur Erhitzung einer Zone des Glases, das an einem Ende mit einer Halterung befestigt und am anderen Ende in Kraftrichtung beweglich gelagert und mit einer Deformationsvorrichtung verbunden ist, welche mit einer Vorrichtung zur Messung der in der Kraftrichtung auftretenden Verformung des Glases versehen ist, sowie einem Regelprogramm, das auf der Grundlage der gemessenen Prozeßgröße Verformung des Glases sowie der vorgegebenen Startparameter geometrische Maße des nicht verformten Glases, gewünschter Deforma tionsgrad des Glases und einer gleichzeitig zur Deformation ablaufenden Simulation, welche auf der Grundlage der gemessenen Prozeßgrößen Verformung des Glases und Temperatur der Heizzone, der Startparameter sowie vorgegebener Materialparameter des Glases, den Verlauf der ortsabhängigen Größen Temperatur, Querschnitt und Geschwindigkeit des Glases in der Heizzone berechnet, die Geschwindigkeit der Heizzone zur Regelung der Deformationsgeschwindigkeit des Glases so steuert, daß die dem gewünschten Deforma tionsgrad entsprechende Deformationsgeschwindigkeit konstant gehalten wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß zur Verformung des Glases parallel zur Richtung der Druckkraft in einer ausgewählten geometrischen Achse ent sprechende Formteile angebracht sind.