DE19829282B4

DE19829282B4 - Optische Vorrichtung und Verwendung der optischen Vorrichtung mit einem Epoxidharz, dessen Transmission stabilsiert ist, derartiges Epoxidharz und Verfahren zur Herstellung des Epoxidharzes

Info

Publication number: DE19829282B4
Application number: DE19829282A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Chem.(FH) Kobusch
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2018-07-01
Also published as: DE19829282A1

Abstract

Optische Vorrichtung, die ein elektromagnetische Strahlung transmittierendes Epoxidharz aufweist und bei der das Epoxidharz einer elektromagnetischen Strahlung im UV-, Röntgen- oder γ-Bereich ausgesetzt ist, wobei das Epoxidharz mindestens einen chemischen Zusatz enthält, der das Transmissionsverhalten des Epoxidharzes bei einer Bestrahlung im UV-, Röntgen- oder γ-Bereich stabilisiert, indem er einer Verfärbung des Epoxidharzes infolge der Bestrahlung entgegenwirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Daneben wird eine Verwendung der Vorrichtung, ein Epoxidharz und ein Verfahren zur Herstellung des Epoxidharzes angegeben.

In der Literatur gibt es eine Reihe von Beispielen dafür, wie eine optische Eigenschaft eines Epoxidharzes, das in einer optischen Vorrichtung verwendet wird, mit Hilfe eines Zusatzes beeinflußt werden kann. Beispielsweise geht aus JP 60-212701 A die Herstellung eines optischen Glases aus einem Epoxidharz hervor. Aus JP 61-117501 A und JP 03-073901 A geht jeweils ein Epoxidharz hervor, das eine verbesserte Transmission im Infrarotbereich der elektromagnetischen Strahlung aufweist.

Zweikomponenten-Epoxidharze, die aus einer Harzkomponente (z.B. Bisphenol und Epichlorhydrin) und einer Härterkomponente (z.B. Polyamine) bestehen, zeigen aber oft eine geringe Stabilität gegenüber energiereicher elektromagnetischer Strahlung (z.B. UV-, Röntgen- oder γ-Strahlung). Dies macht sich dadurch bemerkbar, daß sich das Epoxidharz, das energiereicher Strahlung ausgesetzt ist, gelb bis braun verfärbt. Das Transmissionsverhalten des Harzes ändert sich mit der Dauer der Bestrahlung.

Die Änderung des Transmissionsverhaltens wirkt sich dann negativ aus, wenn ein Wellenlängenbereich von der Verfärbung betroffen ist, in dem eine optische Untersuchung stattfindet, und wenn für die Untersuchung eine weitgehend konstante Transmission des Epoxidharzes nötig ist.

Werden beispielsweise Verklebungen aus Epoxidharzen in optischen Komponenten verwendet, die einer energiereichen Strahlung ausgesetzt sind, verringert sich die Transparenz der optischen Komponente mit zunehmender Bestrahlungsdauer. Im Epoxidharz können auch Pigmente wie beispielsweise Titandioxid enthalten sein. Solche Harze werden in optischen Komponenten als Reflektoren eingesetzt. Bei Strahlenbelastung verfärbt sich die Reflektorschicht und das Reflexionsvermögen nimmt ab. Die Veränderung von optisch transparenten Verklebungen bzw. optisch reflektierenden Schichten beeinträchtigt die Funktionalität der Bauteile. Ein vorzeitiger Ausfall des Bauteils ist die mögliche Folge.

Dieses Problem kann bisher oft nur mit dem Austausch des schadhaften Bauteils umgangen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Vorrichtung mit einem Epoxidharz anzugeben, das einer energiereichen elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt ist und dessen Transmission in einem Wellenlängenbereich weitgehend konstant ist.

Diese Aufgabe wird von den Merkmalen des Anspruchs 1 und der Nebenansprüche 10, 11 und 12 der Erfindung gelöst. Besondere Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Nach Anspruch 1 wird eine optische Vorrichtung angegeben, die ein elektromagnetische Strahlung transmittierendes Epoxidharz aufweist und bei der das Epoxidharz einer elektromagnetischen Strahlung im UV-, Röntgen- oder γ-Bereich ausgesetzt ist, wobei das Epoxidharz mindestens einen chemischen Zusatz enthält, der das Transmissionsverhalten des Epoxidharzes bei einer Bestrahlung im UV-, Röntgen- oder γ-Bereich stabilisiert, indem er einer Verfärbung des Epoxidharzes infolge der Bestrahlung entgegenwirkt.

Zur Lösung der Aufgabe wird zudem elektromagnetische Strahlung transmittierendes Epoxidharz angegeben zur Verwendung in einer optischen Vorrichtung, bei der das Epoxidharz einer elektromagnetischen Strahlung im UV-, Röntgen- oder γ-Bereich ausgesetzt ist, wobei das Epoxidharz mindestens einen chemischen Zusatz enthält, der das Transmissionsverhalten des Epoxidharzes bei einer Bestrahlung im UV-, Röntgen- oder γ-Bereich stabilisiert, indem er einer Verfärbung des Epoxidharzes infolge der Bestrahlung entgegenwirkt.

Bei Bestrahlung des Epoxidharzes mit energiereicher elektromagnetischer Strahlung wie UV- , Röntgen- oder γ-Strahlung ändert sich die Transmission des Harzes in dem Spektralbereich, in dem eine Untersuchung mit Hilfe der Vorrichtung stattfindet, nicht bzw. die Änderung während der Betriebsdauer deutlich verlangsamt. Es muß praktisch die Quantenausbeute für die Bildung von Verbindungen gesenkt werden, die die Untersuchung stören könnten.

Es wird angenommen, daß Bindungen der Harzkomponente photoinduziert homolytisch gespaltet werden. Dabei entstehen als Zwischenverbindungen kurzlebige, hoch reaktive Radikale. Ausgehend von diesen Radikalen gibt eine Vielzahl möglicher Folgereaktionen. Die Radikale können sich beispielsweise im weiteren Verlauf umlagern. Denkbar sind auch radikalische Additionsreaktionen. Auf diese Weise entstehen neue Verbindungen, die ein anderes Transmissionsverhalten zeigen können, als das Epoxidharz selbst.

Beispielsweise können sich als Folgeprodukte der photoinuzierten homolytischen Spaltung Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen bilden, die beispielsweise in Konjugation mit einem aromatischen n-System (z.B. Bisphenol) stehen. Dadurch entstehen Verbindungen, die beispielsweise im blauen Bereich des sichtbaren Lichts absorbieren und somit eine Gelbverfärbung des Epoxidharzes hervorrufen.

Aus diesen Gründen ist in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung der Zusatz ein Radikalfänger. Durch Radikalkombination gelingt es, intermediär auftretende Radikale der Harzkomponente abzufangen.

An den Zusatz, der als Radikalfänger fungiert, sind dabei bestimmte Anforderungen gestellt:

– Der Zusatz muß ein effizienter Radikalfänger sein, um die Konzentration des Zusatzs im Epoxidharz möglichst gering halten zu können. Dadurch werden wichtige Eigenschaften des Harzes wie beispielsweise die Festigkeit kaum beeinflußt.
– Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Radikalfänger homogen im Epoxidharz verteilt ist. Dadurch wird erreicht, daß die Stabilisierung der Transmission überall im Epoxidharz gleich ist.
– Insbesondere ist wichtig, daß sich durch die Radikalkombination des Radikalfängers mit intermediär entstehenden Radikalen der Harzkomponente und/oder daran anschließende Folgereaktionen nur Verbindungen bilden, die im Spektralbereich, der Untersuchung optisch transparent sind.
– Schließlich muß der Radikalfänger im untersuchten Spektralbereich selbst optisch transparent sein.

Im Hinblick auf die genannten Forderungen an den Radikalfänger ist besonders ein Zusatz geeignet, der eine ungesättigte organische Verbindung ist. Vor allem kleine aromatische Systeme kommen in Frage, die zudem über Heteroatom-Substituenten verfügen.

Wichtig in bezug auf die optische Transparenz des Radikalfängers ist die spektrale Empfindlichkeit des Detektorsystems auf der einen Seite und die Absorptionscharakteristik des Radikalfängers auf der anderen. Als Detektoren werden beispielsweise Photomultiplier oder Photodioden eingesetzt. Je nach Detektormaterial und/oder dem Einsatz von Filterelementen sind die Detektoren spektral unterschiedlich empfindlich. In erster Linie werden aber nicht zuletzt aus Kostengründen Detektoren eingesetzt, die im mittel- bis langwelligen Bereich des sichtbaren Lichts empfindlich sind. Das n-System der ungesättigten organischen, vornehmlich aromatischen Verbindung muß deshalb möglichst klein sein, damit es möglichst kurzwellig absorbiert. Dadurch ist die Wahrscheinlichkeit gering, daß durch die Eigenabsorption des Zusatzs eine optische Untersuchung im längerwelligeren Bereich beeinträchtigt wird. Außerdem entstehen in den Folgereaktionen, beispielsweise durch Radikalkombination ebenfalls kleinere Moleküle, die die Untersuchung kaum oder gar nicht beeinflussen.

Je kleiner ein n-System ist, desto weniger ist es in der Lage, radikalische Zwischenstufen zu stabilisieren und somit als guter Radikalfänger zu fungieren. Die Effizienz, mit der ein Molekül Radikale abfängt, läßt sich allerdings durch Heteroatomsubstituenten erhöhen. Dies gelingt insbesondere dadurch, daß der Radikalfänger mindestens ein Atom enthält, das aus der Gruppe Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Chlor, Brom, Iod, Phosphor, und/oder Schwefel ausgewählt ist. Diese Heteroatome sind vornehmlich mit einem freien Elektronenpaar am n-System der aromatischen Verbindung involviert. Mit Hilfe von Heteroatomsubstituenten sind auch kleine aromatische Verbindungen in der Lage, radikalische Zwischenstufen effizient zu stabilisieren und so deren Reaktivität gezielt zu beeinflussen.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung enthält das Epoxidharz der Vorrichtung ein Methoxyphenol. Es fungiert als effizienter Radikalfänger und erfüllt alle oben genannten Anforderungen.

Ein Epoxidharz, das einen geeigneten Radikalfänger enthält, kann insbesondere für zur Verwendung in einer optischen Vorrichtung eingesetzt werden, in der es einer energiereichen elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt ist. Insbesondere eignet sich ein erfindungsgemäßes Epoxidharz für transparente Verklebungen und/oder für Reflexionsbeschichtungen in Röntgengeräten.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt nach gängigen Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Epoxidharzen. Dabei wird eine Harzkomponente (z.B. Bisphenol und Epichlorhydrinaddukte) und eine Härterkomponente (z.B. Polyamine, Anhydride) möglichst homogen vermischt. Die Geschwindigkeit des Aushärteprozesses wird beispielsweise durch die Konzentration der Komponenten und/oder die Reaktionstemperatur gesteuert.

Insbesondere vor dem Mischen der Komponenten wird in der Harz- und/oder Härterkomponente ein Zusatz homogen verteilt, der die Transmission des herzustellenden Epoxidharzes stabilisiert. Dieser Zusatz ist bevorzugt ein Radikalfänger.

Bezüglich der Herstellung werden an den Radikalfänger folgende Forderungen gestellt:

– Der Radikalfänger sollte nach Möglichkeit nicht mit der Komponente reagieren, in der er homogen verteilt wird.
– Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Radikalfänger in der Harz- und/oder Härterkomponente gut löslich ist. Durch ähnliche Dipolmomente des Radikalfängers und der entsprechenden Komponente resultiert beispielsweise eine gute Löslichkeit des Radikalfängers in der Komponente. Dies ist vor allem im Hinblick auf eine homogene Verteilung des Radikalfängers im herzustellenden Epoxidharz wichtig.
– Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, wenn sich der Radikalfänger so in das Zweikomponenten-Epoxidharz des Epoxidharzes einfügt, daß die Aushärtegeschwindigkeit des Epoxidharzes nahezu unbeeinflußt bleibt.

Durch diese Forderungen bleiben die Eigenschaften des Epoxidharzes und die Verarbeitung der Komponenten praktisch unbeeinflußt. Ein eingeführter Herstellungsprozeß eines Bauteils aus Epoxidharz kann unverändert beibehalten werden.

Eine gute Löslichkeit des Radikalfängers in der Harz- bzw. Härterkomponente ist übrigens besonders wichtig. Dadurch kann die Konzentration des Radikalfängers gezielt auf die Intensität der energiereichen Strahlung eingestellt werden, der die Vorrichtung im Betrieb ausgesetzt ist. Die Löslichkeit des Radikalfängers in einer Komponente sollte sich beispielsweise im Bereich von 0,1 – 10% bewegen.

Anhand eines einfachen Beispiels wird im folgenden eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgestellt. Die 1 stellt keine maßstabsgetreue Abbildung der bezeichneten Gegenstände dar.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
2 zeigt die Transmissionsspektren verschiedener Epoxidharze.
3 zeigt die Reflexionsspektren von Reflektorschichten, die verschiedene Epoxidharze enthalten.
Einem Epoxidharz (Araldit 2020, XW 396/XW 397, Fa. Ciba) wird zur Stabilisierung der Transmission des Epoxidharzes 4-Methoxyphenol beigemischt. Dieser Zusatz fungiert als Radikalfänger und erfüllt alle oben genannte Forderungen.
In 2 ist die Wirkung von 4-Methoxyphenol dargestellt. Abgebildet ist dabei die Transmission des reinen Epoxidharzes 21 und die Transmission des Epoxidharzes 22, das eine Stunde mit einer Röntgenröhre bestrahlt wurde (20 kV, 40 mA). Deutlich sieht man die Änderung der Transmission, die durch die Röntgenstrahlung verursacht wird. Im gesamten dargestellten Spektralbereich nimmt die Transmission durch die Bestrahlung ab.
Unter der gleichen Strahlungsbelastung wie das Epoxidharz 22 verringert sich dagegen die Transmission des Epoxidharzes 23 deutlich langsamer. Das Epoxidharz 23 enthält 0,5% 4-Methoxyphenol.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung wird beispielsweise in einem Detektor für Röntgenstrahlung in einem Computertomogra phen eingesetzt. Die Vorrichtung besteht z.B. aus einem keramischen Szintillator 11, einer Reflexionsschicht 12 und einer Detektoreinheit 13 (1). Die Detektoreinheit kann beispielsweise als Detektorarray bestehend aus Photodioden oder Photomultiplier aufgebaut sein. Die Röntgenstrahlung 14 trifft durch die Reflexionsschicht 12 auf den Szintillator 11 und wird dort in niedrig energetische elektromagnetische Strahlung 15 umgewandelt und gelangt auf die Detektoreinheit 13. Die Reflexionsschicht 12 verhindert Verluste der Strahlung 15.
Die Reflexionsschicht 12 besteht beispielsweise aus einem Epoxidharz 31 – 33, das 50% Titandioxid als reflektierendes Material enthält.
Die Vorrichtung ist so konzipiert, daß die gesamte Röntgenstrahlung 14 durch den Szintillator 11 in niedrigenergetische elektromagnetische Strahlung 15 umgewandelt wird. Die niedrigenerge tische Strahlung 15 kann, dabei UV-Strahlung aufweisen, die das Epoxidharz der Reflexlonsschicht 12 schädigt. Außerdem kann nicht ganz ausgeschlossen werden, daß durch Spalte oder Ähnlichem direkt Röntgenstrahlung 14 auf das Epoxidharz gelangt.
In 3 ist das Reflexionsvermögen einer Schicht mit dem Epoxidharz 31 vor einer Belichtung gezeigt. Die Reflexionsschicht mit einem Epoxidharz 32, das keinen Radikalfänger enthält, wird gemäß der Vorrichtung der Strahlung einer Röntgenröhre ausgesetzt (16h, 20 kV, 40 mA). Durch die Bestrahlung verringert sich das Reflexionsvermögen der Schicht deutlich. Dies liegt daran, daß sich die Transmission der Epoxidphase verringert, die die reflektierenden Partikel enthält.
Dagegen enthält das Epoxidharz 33 1% 4-Methoxyphenol. Unter der gleichen Strahlenbelastung wie die Reflexionsschicht 32 ist der Verlust des Reflexionsvermögens deutlich schwächer ausgeprägt.

Claims

Optische Vorrichtung, die ein elektromagnetische Strahlung transmittierendes Epoxidharz aufweist und bei der das Epoxidharz einer elektromagnetischen Strahlung im UV-, Röntgen- oder γ-Bereich ausgesetzt ist, wobei das Epoxidharz mindestens einen chemischen Zusatz enthält, der das Transmissionsverhalten des Epoxidharzes bei einer Bestrahlung im UV-, Röntgen- oder γ-Bereich stabilisiert, indem er einer Verfärbung des Epoxidharzes infolge der Bestrahlung entgegenwirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz ein Radikalfänger ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz im Epoxidharz homogen verteilt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz eine ungesättigte organische Verbindung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz mindestens ein Atom enthält, das aus der Gruppe Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Chlor, Brom, Iod, Phosphor, und/oder Schwefel ausgewählt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz ein Methoxyphenol ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz 4-Methoxyphenol ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Epoxidharz einen ein Licht reflektierenden Zusatz enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Epoxidharz Titandioxid enthält.
Elektromagnetische Strahlung transmittierendes Epoxidharz zur Verwendung in einer optischen Vorrichtung, bei der das Epoxidharz einer elektromagnetischen Strahlung im UV-, Röntgen- oder γ-Bereich ausgesetzt ist, wobei das Epoxidharz mindestens einen chemischen Zusatz enthält, der das Transmissionsverhalten des Epoxidharzes bei einer Bestrahlung im UV-, Röntgen- oder γ-Bereich stabilisiert, indem er einer Verfärbung des Epoxidharzes infolge der Bestrahlung entgegenwirkt.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Detektion von Röntgenstrahlung.
Verfahren zur Herstellung eines Epoxidharzes zur Verwendung in einer optischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor einer Reaktion einer Harzkomponente mit einer Härterkomponente zu einem Epoxidharz mindestens ein Zusatz, der die Transmission des Epoxidharzes stabilisiert, in der Harz- und/oder Härterkomponente homogen verteilt wird.