DE2001764A1 - Verfahren zur Herstellung von rotationssymmetrischen Gegenstaenden durch Schleuderguss - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von rotationssymmetrischen Gegenständen wie z. B. Linsen durch Schleudergießen von Flüssigkeiten, die entweder durch Abkühlen oder durch eine chemische Reaktion erstarren, wobei sich die gegossene Flüssigkeit während des Schleudergußverfahrens nur mit einer flüssigen oder gasförmigen Phase bzw. Phasen in Berührung befindet. Jede Berührung der gegossenen Flüssigkeit mit einer festen Phase, insbesondere mit der Wand des rotierenden Gefäßes, ist somit ausgeschlossen und die gegossene Flüssigkeit wird durch eine andere, spezifisch schwere Flüssigkeit getragen (weiterhin als Tagflüssigkeit bezeichnet), mit welcher sie eine scharfe Trennungsfläche bildet, wobei gegebenenfalls noch eine andere, im Vergleich mit der gegossenen Flüssigkeit spezifisch leichtere Verformungsflüssigkeit verwendet wird, die mit der gegossenen Flüssigkeit sowie mit der Tragflüssigkeit ebenfalls scharfe Trennungsflächen bildet. Beim Ausschluß jeder Berührung mit der festen Phase wird die gegossene Flüssigkeit nur durch die Fliehkraft, durch die Oberflächenspannung und durch die Schwerkraft verformt.

Es war bekannt, verschiedene Gegenstände durch Schleuderguss zu erzeugen, wobei jedoch die gegossene Flüssigkeit immer mit der festen Form in Berührung war und teilweise durch dieselbe verformt wurde. Es war z.B. bekannt, parabolische Spiegel derart zu erzeugen, dass eine durch Abkühlung oder durch eine chemische Reaktion erstarrende Flüssigkeit in einer festen Form geschleudert wurde, wobei die untere Oberfläche durch die Form und die obere Oberfläche durch die Fliehkraft verformt wurde. Bei kleinen Gegenständen wie z.B. Kontaktlinsen tritt auch die Oberflächenspannung stark in Vordergrund, die sonst bei grossen Spiegeln oder dgl. bloss auf das enge Randgebiet beschränkt wird. Es wurde auch versucht, die feste Form durch eine schwerere rotierende Flüssigkeit wie z.B. Quecksilber zu ersetzen, dabei wurden jedoch bis jetzt nur gekrümmte Gebilde gewonnen, deren beide Flächen praktisch parallel waren, sodass keine wirkliche Linse auf diese Weise erhalten werden konnte. Das Problem ist jedoch sehr interessant, da parabolische Flächen auf beiden Seiten der Linse sehr erwünscht sind. Sphärische Aberration könnte nämlich auf diese Weise leicht beseitigt werden. Die Herstellung einer konvexen parabolischen Fläche unter Anwendung von mechanischen Mitteln ist schwierig und kostspielig, und auch parabolische konkave Formen werden nur mit Schwierigkeiten erzeugt. Die einzige bisher gangbare Möglichkeit war, zunächst eine parabolische Form durch Schleudergiessen von einer erstarrenden Flüssigkeit wie z.B. eines wässrigen Gipsbreies herzustellen, und auf der so erhaltenen festen Giessform die Linse oder dgl. durch Schleuderguss z.B. eines Epoxydharzes zu verfertigen. Die Giessform konnte jedoch üblich nur einmal gebraucht werden, und war zur Herstellung von glatten Oberflächen wenig geeignet, sodass die Oberfläche immer noch poliert werden musste. Direkte Herstellung von Linsen auf einer flüssigen rotierenden "Form" scheiterte jedoch wie oben erwähnt.

In allen Verfahren der oben erwähnten Art bildet sich immer eine Trennungsfläche zwischen der gegossenen Flüssigkeit und der festen Form: Bei der Anwendung einer "flüssigen" Form besteht wenigstens ein Kontakt zwischen den beiden Phasen auf dem Rande des verformten Gebildes, z.B. der Linse. Die obere Oberfläche nähert sich einem idealen Paraboloid nur wenn der Diameter gross genug ist, sodass die Wirkung der Oberflächenspannung praktisch nur am Rande zum Vorschein kommt. Laut der anerkannten Theorie ist die Form der rotierenden Flüssigkeit von der Dichte derselben nicht explizit abhängig.

Davon kann man deduzieren, dass die Form der rotierenden Oberfläche hauptsächlich durch die Winkelgeschwindigkeit, durch die Oberflächenspannung und durch die Dimensionen des herzustellenden Gegenstandes beeinflusst wird. Die Oberflächenspannung kann nur in engen Grenzen geändert werden, und die Dimensionen des Erzeugnisses sind üblich von vorhinein gegeben. Die einzige Veränderliche ist daher die Winkelgeschwindigkeit, und die Form der Oberfläche wird auf ein mehr oder weniger genaues Paraboloid begrenzt.

Ein anderer Nachteil der oben erwähnten bekannten Verfahren liegt darin, dass das Erzeugnis oft schwierig von der Form getrennt werden kann. Besonders die durch Polymerisation beim Schleudern erhaltenen Erzeugnisse haften sehr fest auf der Oberfläche der festen Giessform. Nur falls das Polymer durch Einquellen oder Entquellen seine Dimensionen ändert, kann es leicht von der Giessformoberfläche gelöst werden. Das hat jedoch auch manchmal gewisse Nachteile. Erstens kann dieses Verfahren nur bei vernetzten Polymeren angewandt werden, die keinen Kaltfluss aufweisen; auch dann kann die Quellung umständlich sein, wenn das Quellmittel wieder nachträglich entfernt werden muss, da dabei nicht selten unerwünschte Deformationen vorkommen. Wo diese Möglichkeit nicht besteht, werden oft entweder die Oberfläche des Erzeugnisses, oder die Giessform selbst oder beide beschädigt bezw. zerstört, wodurch die Herstellungskosten stark erhöht werden.

Der hohe Preis der genauen Giessformen ist ebenfalls nachteilig, besonders wenn die Giessformen in einem breiten Sortiment zur Verfügung stehen müssen und wenn sie oft im Betrieb beschädigt werden. Besonders bei der Herstellung von Kontaktlinsen muss stets ein grosser Vorrat von Giessformen verschiedener Krümmung und Grösse erhalten werden, wobei die Werte sich immer noch sprunghaft ändern. Auch die Reinigung muss sehr sorgfältig durchgeführt werden.

Es wurde gefunden, dass sämtliche oben erwähnte Nachteile und Schwierigkeiten sofort beseitigt werden, wenn man eine flüssige Form anwendet, wobei jedoch jede Berührung der gegossenen Flüssigkeit mit einer festen Phase ausgeschlossen wird. Die Herstellung von Linsen auf einer flüssigen rotierenden Giessform scheiterte deshalb, weil die gegossene Flüssigkeit mit ihrem Rande die feste Formwand benetzte. Wenn dies ausgeschlossen wird, kann man erfindungsgemäss jede rotationssymmetrische Form, mit einer beliebigen dioptrischen Stärke im Plus- sowie in Minusgebiete erhalten. Die gegossene Flüssigkeit darf daher nur die Tragflüssigkeit und eine Gasphase (z.B. die Luft oder ein inertes Gas) berühren, gegebenenfalls auch eine noch leichtere flüssige Phase, die auf der gegossenen Flüssigkeit überschichtet wird. Selbstverständlich müssen die sich berührenden Phasen nicht nur scharfe Trennungsflächen bilden, sondern dürfen sie auch aufeinander schädlich nicht einwirken. So z.B. darf die Tragflüssigkeit keine Inhibitore enthalten, falls die gegossene Flüssigkeit ein polymerisierendes Monomerengemisch darstellt.

Bei dem vorliegenden Verfahren werden verschiedene dioptrische Werte hauptsächlich durch die abgemessene Menge der gegossenen Flüssigkeit mit Rücksicht auf die Tragflüssigkeit und durch die Winkelgeschwindigkeit bestimmt.

Die Bedingungen, die zum Vermeiden der Berührung der gegossenen Flüssigkeit mit der Formwand nötig sind, lassen sich leicht experimentell feststellen, z.B. so dass das rotierende System von oben beleuchtet und von der Seite her entweder beobachtet oder photographiert wird. Das rotierende Gefäss muss dabei natürlich aus einem durchsichtigen Material erzeugt werden, der Hintergrund wird vorzugsweise dunkel gewählt. Allgemein kann man sagen, dass die Berührung zwischen der gegossenen Flüssigkeit und der Formwand dann vermieden wird, wenn die Zwischenphasenenergie auf der Trennungsfläche zwischen der gegossenen - und Tragflüssigkeit bezw. der Gasphase annähernd der Potentialenergie der gegossenen Flüssigkeit in dem Zentrifugal- und Gravitationsfeld gleicht, und wenn die Menge der gegossenen Flüssigkeit mit Rücksicht auf die Menge der Tragflüssigkeit genügend klein ist, um bei den gewählten Umdrehungen den Rand des Gefässes nicht zu erreichen. Auf diese empirische Weise kann man die Grenzmenge der gegossenen Flüssigkeit bei der gegebenen Umdrehungszahl oder, umgekehrt, die noch verwendbare Umdrehungszahl bei der gegebenen Menge der gegossenen Flüssigkeit leicht feststellen.

Eine überraschende Erscheinung kann beobachtet werden, wenn entweder die gegossene Flüssigkeit allein oder zusammen mit der Tragflüssigkeit mit einer spezifisch noch leichteren, mit beiden anderen Flüssigkeiten praktisch unmischbaren bezw. mit denselben eine scharfe Trennungsfläche bildenden Flüssigkeit überschichtet wird. Diese dritte Flüssigkeit, die gegebenenfalls mit der Wand des rotierenden Gefässes in Berührung kommen kann, ermöglicht eine zusätzliche, sehr wirksame Verformung der oberen Oberfläche und gleichzeitig der ganzen Linse zu extrem hohen negativen oder positiven dioptrischen Werten (vgl. ABB. 4 - 9 der Zeichnung). Wie aus den Abb. 6, 7 und 9 ersichtlich; die spezifisch leichteste Flüssigkeit wird durch die Fliehkraft zur Wand des Gefässes geschleudert, wogegen die spezifisch schwerere gegossene Flüssigkeit gleichzeitig herunter gegen den Drehpunkt gepresst wird, proportionell der Menge der höheren leichtesten Flüssigkeit.

Die Methode nach der Erfindung ist näher illustriert durch beiliegende Zeichnungen, worin g die Gasphase, s die feste Phase, d.i. die Wand des Gefässes bedeutet; l[tief]1 ist die spezifisch schwerste Tragflüssigkeit, l[tief]2 die gegossene Flüssigkeit, wie z.B. eine Schmelze oder ein initiiertes Monomerengemisch, l[tief]3 ist die spezifisch leichteste Verformungsflüssigkeit. D ist der Diameter des Abgusses, D' der Diameter des rotierenden Gefässes, (das keine wahre Giessform darstellt) und S die sagittale Tiefe des Erzeugnisses.

Abb. 1 zeigt schematisch eine typische Situation der Formgebung beim Schleuderguss nach der Erfindung, Abb. 2 veranschaulicht die Oberfläche der Tragflüssigkeit allein, vor der Zugabe der gegossenen Flüssigkeit. Abb. 3 zeigt den Misserfolg bei einem Versuch, durch Giessen einer Polymerlösung in einem flüchtigen Lösungsmittel auf eine rotierende Flüssigkeit eine Linse herzustellen. Anstatt der Linse bekommt man ein parabolisch gekrümmtes Gebilde, dessen dioptrischer Wert beinahe Null ist.

Abb. 4 zeigt den Fall, wo die spezifisch leichteste Verformungsflüssigkeit in einer kleinen Menge zugefügt wurde. Die Bedeutung von weiteren Abbildungen wird in anschliessendem Text näher erläutert.

In Abb. 7 bis 9 wurden die Symbole l[tief]1, l[tief]2, l[tief]3 für

Vereinfachung als 1, 2, 3 bezeichnet.

Die Gegenstände, die nach dem neuen Verfahren hergestellt werden, haben alle Flächen und Kanten rotationssymmetrisch rund der Drehachse angeordnet und werden ohne jede Giessform gewonnen. Man kann sogar über eine flüssige Giessform nicht sprechen, weil die Form von allen Trennungsflächen veränderlich ist und gegenseitig beeinflusst wird, wie aus der weiteren Beschreibung erscheinen wird.

Bei den bekannten Verfahren wurde die Oberfläche der festen Giessform nur schwierig durch die gegossene Flüssigkeit benetzt, sodass die Kanten oft uneben waren. Nach der vorliegenden Erfindung fällt diese Schwierigkeit vollständig weg, vorausgesetzt natürlich, dass keine feste Verunreinigungen anwesend sind, die sich sonst an den Trennungsflächen anhäuften. Die Linsen oder dgl. aus in Wasser quellenden Polymeren lassen sich vorteilhaft in Abwesenheit von Wasser oder von anderen Quellungsmitteln herstellen, sodass die Erzeugnisse sofort mechanisch bearbeitet werden können, inwieweit es nötig ist, z.B. durch Polieren, ohne vorher getrocknet werden zu müssen. Die zu diesem Zwecke vorteilhafte Deformation z.B. durch Anpressen in der Wärme auf eine ebene Fläche kann sofort nach Herausnehmen aus dem rotierenden Gefäss vorgenommen werden. Die aus einem durchsichtigen Material erzeugten Linsen sind vollständig frei von der sphärischen Abberation, da ihre beiden Flächen parabolisch sind. Es ist gar nicht notwendig, einen Vorrat von verschiedenen Giessformen zu halten, da die Tragflüssigkeit und die gegossene Flüssigkeit durch Abmessen und durch die Wahl der Umdrehungszahl jedem Anspruch genau angepasst werden können. Das Herausnehmen von den Erzeugnissen aus den Giessformen ist äusserst leicht, da die Erzeugnisse auf der Oberfläche der Tragflüssigkeit schwimmen.

Die gegossene Flüssigkeit kann gegebenenfalls verdünnt werden, z.B. mit Wasser oder mit einer durch Wasser verdrängbaren Flüssigkeit wie Glyzerin, vorausgesetzt, dass diese Verdünnungsmittel mit der Tragflüssigkeit bezw. mit der obersten Verformungsflüssigkeit nicht mischbar sind.

Die Berührung mit den Verformungsflüssigkeiten hilft zum Zerstreuen der Reaktionswärme und der zur Herabsetzung der Enthalpie notwendigen Wärme aus der gegossenen Flüssigkeit. Dadurch wird die Bildung von Blasen bezw. Poren vermieden. Die Polymerisation oder andere zum Erstarren führende Reaktion findet bei so homogenen, konstanten Bedingungen statt, dass das Material im Laufe der allmählichen Erstarrung frei relaxieren kann.

Besonders die sonst beim Schleuderguss vorhandene Adhäsion zur festen Wand des Gefässes und die dadurch hervorgerufene Störung der homogenen Relaxation wird hier ganz vermieden. Aus diesem Grunde sind die Erzeugnisse weitgehend frei von inneren Spannungen, die sonst zur späteren unerwünschten Verformung führen könnten.

Die Durchführung des Verfahrens ist keinesfalls auf die empirische Bestimmung der Bedingungen begrenzt, die eine genaue Gestaltung des Erzeugnisses erschweren könnte. Im Gegenteil, jede gewünschte Form des Abgusses kann an Hand von üblichen, jedoch genauen Messungen vorher berechnet werden, wie es in weiterem erläutert wird.

Für leichtere Orientierung werden folgende Symbole benutzt: Feste Phase s und gasförmige Phase g kommen in sämtlichen Systemen als bloss eine Art vor und brauchen daher keinen Index. Da dagegen mehr als eine flüssige Phase in jedem System anwesend ist, werden die verschiedenen Phasen mit Indexen [tief]1,2,3 bezeichnet, wobei der Indes [tief]1 der schwersten Tragflüssigkeit zukommt. Auch sämtliche Parameter dieser Flüssigkeiten werden mit entsprechenden Indexen bezeichnet. Zwischenphasen-Trennungsflächen werden z.B. als s-l[tief]1 bezeichnet, das ist Trennungsfläche zwischen der festen Phase und der Tragflüssigkeit, oder l[tief1-l[tief]2, bedeutend Trennungsfläche zwischen der Tragflüssigkeit und der gegossenen Flüssigkeit. Gleiche Symbole werden in beiliegenden Zeichnungen angewendet. Weiterhin werden folgende Symbole benutzt:
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= spezifisches Gewicht einer Flüssigkeit i, kleines Delta[tief]i = Oberflächenspannung einer Flüssigkeit i, g = Schwerkraftbeschleunigung, kleines Omega = Winkelgeschwindigkeit der Rotation, V[tief]i = das Volumen einer Flüssigkeit i, D' = charakteristische Dimension des rotierenden Gefässes,
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= eine beliebige Längedimension des Abgusses (z.B. falls der Abguss eine Linse ist, dann S = sagittale Tiefe, t = zentrale Dicke, r[tief]1 = äusserliche zentrale Krümmung, D[tief]1 = Linsendiameter, durch die Trennungsfläche l[tief]1-l[tief]2 begrenzt, D[tief]2 ein anderer Diameter in einem System mit mehr als zwei flüssigen Phasen, begrenzt durch die Schnittlinie der Trennungsflächen l[tief]1-l[tief]2 und l[tief]2-g.

Ein Beispiel des Systems mit zwei flüssigen Phasen ist auf der Abb. 1 veranschaulicht. Beispiele mit drei flüssigen Phasen werden in den Abb. 4 bis 9 angegeben.

Das Verfahren nach der Erfindung kann z.B. in einem System mit zwei flüssigen Phasen durchgeführt werden. Wie aus der Abb. 1 ersichtlich, sind dann 4 verschiedene Phasentrennungsflächen vorhanden: s-l[tief]1, l[tief]1-l[tief]2, l[tief]1-g und l[tief]2-g. Die gegossene Flüssigkeit bildet einen Körper, der durch die Trennungsflächen l[tief]1-l[tief]2 und l[tief]2-g begrenzt ist, wobei diese beiden Flächen verschiedene Form besitzen. Die Trennungsfläche l[tief]1-l[tief]2 wird durch das Gewicht der gegossenen Flüssigkeit l[tief]2 deformiert, und da die Höhe der Flüssigkeitssäule sich mit dem Diameter ändert, ist die Form der Trennungsfläche l[tief]1-l[tief]2 wesentlich abweichend von der Fläche l[tief]1-g (ohne l[tief]2), die zum Vergleich in der Abb. 2 veranschaulicht ist. Die Trennungsfläche l[tief]1-l[tief]2 ist ausserdem durch die Wirkung der Zwischenphasenenergie auch deformiert.

In dem oben erwähnten Falle von zwei flüssigen Phasen kann man jede beliebige Längedimension
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des Abgusses als eine kriteriale Abhängigkeit von weiteren Veränderlichen ausdrücken, z.B.

worin A[tief]i, a[tief]i, b[tief]i, c[tief]i, d[tief]i, e[tief]i Konstanten für einen frei gewählten Simplex darstellen, wobei diese Konstanten für verschiedene Simplexe allgemein verschieden sind. Falls die experimentellen Bedingungen so geändert werden, dass der Wert des Simplexes

= 1, verschwindet die Trennungsfläche l[tief]1-g und entsteht eine neue Trennungsfläche l[tief]2-s. Dadurch wird die Energieverteilung in einzelnen Komponenten plötzlich geändert, wobei natürlich die Summe der Energien unverändert bleibt. Die Form des Abgusses für

> 1 wird in der Abb. 3 veranschaulicht, worin D[tief]1 die doppelte Entfernung der Schnittlinie l[tief]1-l[tief]2/l[tief]2-g von der Drehachse bedeutet. Es ist klar, dass in diesem Falle die erwogene Schnittlinie nur gedacht ist, und dass sie nur durch Extrapolation von Schnitten beider Flächen erhalten wurde. Bei den erwähnten Bedingungen werden die beiden Trennungsflächen plötzlich zu beiderseitig ähnlichen Flächen geändert, die sich einem idealen Paraboloid nähern. Aus dem gesagten geht ferner hervor, dass die Bedingung, welche die Anwendbarkeit der vorliegenden Methode beschränkt, auch durch den Ausdruck definiert werden kann.

In dem oben erwogenen Falle von zwei flüssigen Phasen kann die Form der beiden Trennungsflächen durch sieben aufeinander unabhängigen Parameter geändert werden. Daraus kommt hervor, dass die Möglichkeit, die Form zu wählen, bedeutend breiter ist als in dem bekannten Verfahren, wo die äussere konvexe Fläche durch die Form der Giessform bestimmt wird und die obere konkave Oberfläche nur durch die Winkelgeschwindigkeit beim Schleudern und durch die Oberflächenspannung geändert werden kann.

Im Falle von drei flüssigen Phasen ist die Situation mehr kompliziert und man kann Gegenstände, z.B. Linsen, mit sehr verschiedenen Formen erhalten, z.B. solche, die durch drei verschiedene Flächen begrenzt sind, oder bikonvexe Linsen usw. Wenn man z.B. eine dritte, mit den beiden anderen Flüssigkeiten unmischbare und spezifisch leichtere Flüssigkeit l[tief]3 in einer kleinen Menge appliziert, bekommt man die in der Abb. 4 veranschaulichte Form, die durch drei Trennungsflächen l[tief]1-l[tief]2, l[tief]2-l[tief]3 und l[tief]2-g begrenzt ist.

Durch Steigerung der Menge der flüssigen Phase l[tief]3 kann man den in der Abb. 5 veranschaulichten Zustand erreichen, wo die gegossene Flüssigkeit durch zwei Trennungsflächen l[tief]1-l[tief]2 und l[tief]2-l[tief]3 begrenzt ist, wobei die Trennungsfläche l[tief]2-g gerade verschwunden und die Trennungsfläche l[tief]1-l[tief]3 noch nicht entstanden ist.

In der Abb. 6 ist die Form wiedergegeben, die durch weitere Erhöhung der Menge der leichtesten Flüssigkeit l[tief]3 entsteht, wobei der Abguss durch Trennungsflächen l[tief]1-l[tief]2, l[tief]2-l[tief]3 und l[tief]2-g begrenzt ist, die jedoch eine ganz andere Gestalt besitzen als die nach Abb. 4, weil die Fläche l[tief]1-g verschwunden ist und gleichzeitig neue Trennungsflächen l[tief]1-l[tief]3 und l[tief]3-s gebildet wurden.

Wird das Volumen V[tief]3 weiter vergrössert, werden die Parameter kontinuierlich geändert bis zum Augenblick, wo die Trennungsfläche l[tief]2-g verschwindet. In diesem Augenblick wird die Form des Abgusses wiederum plötzlich verändert, wie es in der Abb. 7 schematisch dargestellt wird.

Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, dass die Auswahl von Formen bei dem Schleuderguss nach dem neuen Verfahren sehr breit ist. Ausser den Parametern, die im Falle mit zwei Flüssigkeiten genannt wurden, sind des noch drei weitere, und zwar
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kleines Delta[tief]3 und V[tief]3. Das System kann durch ähnliche kriteriale Gleichung wie im Falle von zwei flüssigen Phasen beschrieben werden:

Auch hier gilt die Grundbedingung, dass keine Trennungsfläche zwischen der gegossenen Flüssigkeit und der festen Wand des rotierenden Gefässes gebildet werden darf. Dieselbe Bedingung gilt übrigens auch für höhere Systeme mit mehr als 3 Flüssigkeiten. Das bedeutet, dass die Anzahl von Trennungsflächen s-l immer niedriger sein muss als die von flüssigen Phasen, oder, in anderen Worten, dass der Simplex immer kleiner als l sein muss, oder, in äusserstem Falle, l gleichen kann. Mit drei flüssigen Phasen und bei entsteht der auf der Abb. 8 dargestellte unerwünschte Zustand, wo die Formen der beiden l - l - Trennungsflächen geometrisch ähnlich sind.

Als Gussflüssigkeiten kann man verschiedenste, im Laufe des Schleudergiessens erstarrende Flüssigkeiten verwenden. Unter den Monomeren sind es z.B. Methylmethacrylat, Glykolmethacrylate,

Glycidylmethacrylat, Diglycoldiallyldicarbonat, Styrol und seine Derivate und manche ähnliche Monomere oder deren Gemische, die miteinander kopolymerisieren können und besonders solche, die durchsichtige Polymere und Kopolymere bieten. Die Monomere werden mit Polymerisationsinitiatoren oder Katalysatoren gemischt, wobei noch verschiedene andere Zusätze wie Vernetzungsmittel, Lösungs- oder Verdünnungsmittel, Farbstoffe, Arzneimittel und andere mitverwendet werden können, je nach dem gewünschten Zwecke. Es ist natürlich auch möglich, Vorpolymere zu verwenden, ferner flüssige reaktive Harze, geschmolzene Harze oder andere Polymere, geschmolzene anorganische Gläser, Zementgemische und andere leicht erstarrende Flüssigkeiten. Aus der Natur des Verfahrens ergibt sich, dass dasselbe in erster Reihe zur Herstellung von optischen Linsen, Kontaktlinsen oder Brillengläsern geeignet ist.

Als spezifisch schwere Tragflüssigkeit kann man z.B. konzentrierte wässrige Lösungen von anorganischen Salzen, geschmolzene Salze, Quecksilber oder Galliummetall, niedrigschmelzende Metallegierungen u.ä. anwenden.

Als die spezifisch leichteste Flüssigkeit l[tief]3 eignet sich z.B. Paraffinöl, Silikonöl oder dgl., vorausgesetzt, dass sie mit den anderen Flüssigkeiten scharfe Trennungsflächen bildet, und dass auch die Dichte und die Oberflächenspannung mit den obigen Gleichungen vereinbar ist. Ausserdem darf der Erstarrungsprozess wie z.B. die Polymerisation durch die beiden Verformungsflüssigkeiten nicht gestört werden. So z.B. darf keine von diesen Flüssigkeiten Inhibitore der Polymerisation enthalten.

Die Parameter der beiden Hilfsflüssigkeiten lassen sich auf verschiedene Weise dem beabsichtigten Zwecke anpassen, wie z.B. durch Änderung der Temperatur oder der Konzentration der gelösten Salze, durch Anwendung von Legierungen oder eutektischen Gemischen, durch Zusatz von oberflächenaktiven Stoffen usw.

Die Form des Abgusses hängt nicht von der chemischen Zusammensetzung der gegossenen Flüssigkeit ab, sondern nur von den physikalischen Parametern des Systems. Aus diesem Grunde wurden die grundlegenden Modellversuche stets mit einer und derselben Gussflüssigkeit durchgeführt, um die Reproduzierbarkeit zu sichern und die Unterschiede auf eine klare, eindeutige Weise zu zeigen. Die verwendete Flüssigkeit war Äthylenglykolmonomethacrylat mit einem Gehalt von 0,4 % (Gewicht) am Äthylenglykoldimethacrylat, das als Vernetzungsmittel diente. Als Polymerisationsinitiator wurde stets 0,3 % von Di-isopropylpercarbonat verwendet. Die Polymerisation dauerte 25 Minuten bei 60 °C unter reinem Stickstoff. Die in den folgenden Beispielen erhaltenen Ergebnisse wurden durch Auswertung von Photokopien des rotierenden Systems bei niedrigeren Temperaturen, wenn die gegossene Flüssigkeit noch flüssig war (vor dem Gelierungspunkte) erhalten. Die Ergebnisse wurden dann durch Messung von fertigen, festen Abgüssen bestätigt. Die Unterschiede entsprechen der Schwindung bei der Polymerisation und der Schrumpfung beim Abkühlen.

Das spezifischeGewicht
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und die Oberflächenspannung
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wurden bei 25 °C gemessen. Die Bedeutung der Symbole in den folgenden Beispielen ist dieselbe wie in dem obigen Text und in den Zeichnungen. Alle Prozente sind als Gewichtsprozente gemeint, wenn nichts anderes ausdrücklich bemerkt.

Beispiel 1.

Ein Gemisch von Äthylenglycolmonomethacrylat mit 0,4 % Äthylenglykoldimethacrylat und 0,3 % Di-isopropylpercarbonat wurde bei 28 °C und 423 Umdrehungen in einer Minute gegossen. Das äussere Glasgefäss hatte inneren Durchmesse D' = 14,5 mm. Als Tragflüssigkeit wurde eine wässrige Kaliumdihydrophosphatlösung, Dichte
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= 1,643 (25 °C) und Oberflächenspannung
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= 78,6 dyn/cm verwendet. Die Oberflächenspannung des Monomers war
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= 37,6 dyn/cm, die Dichte
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= 1,03, beide bei 25 °C gemessen. Das Volumen V[tief]1 der Tragflüssigkeit war 3,5 ml, das der gegossenen Flüssigkeit 0,066 ml. Nach der Durchführung von photographischen Aufnahmen wurde die Temperatur auf 60 °C erhöht und die Polymerisation beendet. Die fertige Linse hatte folgende Parameter: D[tief]1 = 10,0 mm, r[tief]1 = 7,9 mm, r[tief]2 = 14,5 mm, t = 1,58 mm, S = 0,67 mm, dioptrische Stärke + 28,4 D.

Beispiel 2.

Die Verformung wurde auf dieselbe Weise mit derselben Tragflüssigkeit und Giessflüssigkeit wie im Beispiel 1 vorgenommen, nur die Umdrehungen wurden zu 465 U/min geändert. Unter den Bedingungen D[tief]1 = 10,8 mm, V[tief]1 = 3,5 mm, V[tief]2 = 0,067 ml wurde eine Linse desselben Typs wie in der Abb. 1 wiedergegeben erhalten, mit folgenden Parametern: D[tief]1 = 10,8 mm, r[tief]1 = 7,9 mm, r[tief]2 = 11,15 mm, t = 1,22 mm, S = 1,31 mm, dioptrische Stärke + 19 D.

Beispiel 3

Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt nur mit der Änderung der Umdrehungszahl zu 501 U/min und von V[tief]2 zu 0,11 ml.

Die so erhaltene Linse erwies folgende Werte: D[tief]1 = 14,2 mm, r[tief]1 = 8,4 mm, r[tief]2 = 8,8 mm, t = 1,19 mm, S = 2,88 mm, dioptrische Stärke +5 D.

Beispiel 4.

Dasselbe Monomerengemisch wie im Beispiel 1 wurde bei 379 U/min in demselben Behälter geschleudert, der jedoch mit einer wässrigen Kochsalzlösung, Dichte
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= 1,208, Oberflächenspannung klein Delta = 85,2 dyn/cm, V[tief]1 = 3,5 ml als Tragflüssigkeit versehen wurde. V[tief]2 = 0,108 ml, D' = 14,5 mm. Die erhaltene Linse derselben Art wie in der Abb. 1 erwies folgende Werte: D[tief]1 = 14,0 mm, r[tief]1 = 10,7 mm, r[tief]2 = 11,6 mm, t = 0,94 mm, S = 2,23 mm und dioptrische Stärke +4,3 D.

Beispiel 5

Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde bei 423 U/min wiederholt, wobei als Tragflüssigkeit eine wässrige Natriumsulfatlösung mit
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= 1,127, Oberflächenspannung
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=75,6 dyn/cm verwendet wurde. Bei den Werten V[tief]1 = 3,5 ml, V[tief]2 = 0,045 ml und D' = 14,5 mm wurde eine Linse der in der Abb. 1 veranschaulichten Art gewonnen. Ihre Parameter waren: D[tief]1 = 10,6 mm, r[tief]1 = 8,0 mm, R[tief]2 = 8,9 mm, t = 0,53 mm, S = 1,45 mm und dioptrische Stärke +7,2 D.

Beispiel 6.

Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt, nur die Umdrehungszahl wurde zu 379 U/min geändert und als Tragflüssigkeit wurde eine konzentrierte wässrige Ammoniumsulfatlösung verwendet,
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= 1,127, klein Delta = 89,1 dyn/cm. Bei V[tief]1 = 3,5 ml, V[tief]2 = 0,065 ml und D' = 14,5 ml wurde eine Linse des in der Abb. 1 wiedergegebenen Typs erhalten, mit D[tief]1 = 13,9 mm, r[tief]1 = 11,2 mm, r[tief]2 = 11,7 mm, t = 0,56 mm, S = 2,12 mm und +2,6 D.

Beispiel 7.

Die Verformung wurde so wie im Beispiel 6 durchgeführt, jedoch bei 465 U/min und V[tief]2 = 0,1 ml. Die erhaltene Linse hatte folgende Parameter: D[tief]1 = 13,8 mm, r[tief]1 = 9,4 mm, r[tief]2 = 9,85 mm, t = 1,05 mm, S = 2,95 mm und dioptrische Stärke +3,8 D.

Beispiel 8:

Es wurde nach Beispiel 1 verfahren jedoch mit dem Unterschied, dass 0,018 ml von Paraffinöl, Dichte
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= 0,91, klein Delta = 32,5 dyn/cm zugesetzt wurde. Die erhaltene Linse hatte die in der Abb. 4 veranschaulichte Form und folgende Werte: D[tief]1 = 11,45 mm, D[tief]2 = 9,35 mm, r[tief]1 = 8,0 mm, r[tief]2 = 8,9 mm, t = 0,84 mm, S = 1,425 mm, dioptrische Stärke +8,2 D.

Beispiel 9

Das Verfahren nach Beispiel 8 wurde wiederholt, nur die Menge des zugesetzten Paraffinöls wurde auf 0,071 ml erhöht. Die erhaltene Linse war des Typs nach der Abb. 5, mit D[tief]1 = 10,2 mm, D[tief]2 = 7,95 mm, r[tief]1 = 7,95 mm, r[tief]2 = 6,1 mm, t = 0,98 mm, S = 1,27 mm, dioptrische Stärke -14 D.

Beispiel 10.

Das Verfahren nach Beispiel 6 wurde wiederholt, wobei jedoch die Paraffinölmenge auf 0,325 ml erhöht wurde. Die erhaltene Linse hatte die in der Abb. 6 veranschaulichte Form und folgende Werte: D[tief]1 = 8,45 mm, D[tief]2 = 2,64 mm, r[tief]1 = 7,7 mm, r[tief]2 = 3,75 mm, t = 2,45 mm, S = 0,17 mm, dioptrische Stärke -51 D.

Beispiel 11.

Das Verfahren nach Beispiel 8 wurde wiederholt, nur die Menge des Parafinöls wurde auf 0,43 ml erhöht. Die gewonnene Linse war des in der Abb. 7 wiedergegebenen Typs und hatte folgende Parameter: D[tief]1 = 8,45 mm, r[tief]1 = 7,1 mm, r[tief]2 = 14,1 mm, t = 2,54 mm und dioptrische Stärke +94 D.

Weitere Beispiel illustrieren nur geeignete Trag- und Giessflüssigkeiten, wobei die Parameter der Linsen nicht gemessen wurden.

Beispiel 12.

Gegossene Flüssigkeit war Glykolmonomethacrylat wie im Beispiel 1, als Tragflüssigkeit wurde jedoch wässrige Kochsalzlösung nach Beispiel 4 verwendet. Bei 501 U/min und V[tief]2 = 0,032 wurde die gegossene Flüssigkeit bis zur Wand des Behälters l geschleudert. Die Lage entsprach dann der in der Abb. 3 veranschaulichten und der gewonnene Abguss war unregelmässig mit unebenem Rande, unregelmässiger Dicke und nichtkreisförmig. Die dioptrische Stärke war gleich Null.

Beispiel 13.

Ein walzenförmiger Behälter, Durchmesser D' = 57 mm, wurde mit destilliertem Wasser gefüllt, auf 90 °C erhitzt und bei 612 U/min gedreht. Darauf wurden 16,7 ml von geschmolzenem Paraffin auf die Wasseroberfläche aufgegossen und die Drehung wurde so lange fortgesetzt, bis die Temperatur auf 25 °C gesunken ist. Dann wurde die Drehung unterbrochen. Der erhaltene linsenförmige Abguss konnte als positive Giessform benutzt werden.

Beispiel 14.

Ein 62 mm breiter Behälter wurde bei 20 °C mit 500 ml von technisch reinem Quecksilber gefüllt. 18 ml von feinem wässrigem Gipsbrei wurde zugesetzt und der Behälter wurde bei 400 U/min. gedreht. Nach einer Stunde wurde der erstarrte Gipsabguss herausgenommen. Der linsenförmige Abguss hatte scharfe Kanten und glatte Oberfläche und konnte als positive Giessform benutzt werden.

Beispiel 15.

Das Verfahren nach Beispiel 14 wurde mit polarographisch reinem Quecksilber und 12 ml von Diäthylenglykol-Diallyl-bis-carbonat wiederholt, wobei als Polymerisationsinitiator 2 % von Di-isopropylpercarbonat (auf das Gewicht des Monomers) zugesetzt wurde. Im Laufe der zweistündigen Rotation wurde die Temperatur allmählich auf 50 °C und dann in 4 Stunden auf 80 °C erhöht. Auf dieser Temperatur wurde der rotierende Behälter noch 10 Stunden gehalten. Schliesslich wurde die Temperatur auf 115 °C erhöht und auf demselben Niveau noch 6 Stunden erhalten. Dann wurde das Drehen abgestellt und das System langsam auf 25 °C abgekühlt. Es wurde eine glatte, optisch homogene und scheuerfeste Linse gewonnen.

Beispiel 16.

In einem Behälter mit D' = 100 mm wurden 750 ml von geschmolzenem Wood-Metall (Schmelzpunkt 79 °C) bei 680 U/min und 82 °C gedreht. Darauf wurden 21 ml von dünnem Epoxyharz (Schutzmarke Epoxy 1200) mit 1,6 % von Hexamehtylendiamin gegossen. Nach 5 Stunden wurde die Rotation unterbrochen. Es wurde eine durchsichtige, glatte Linse gewonnen, die entweder unmittelbar oder als eine positive Form verwendet werden konnte.

Beispiel 17

In einem rotierenden Behälter mit D' = 17 mm wurde das Verfahren nach Beispiel 1 mit 0,112 ml von Glycidylmethacrylat, enthaltend 0,25 % von Dibenzoylperoxyd, bei 70 °C und 423 U/min mit der gleichen Tragflüssigkeit wiederholt. Die so erhaltene Linse war der nach Beispiel 5 ähnlich.

Es ist klar, dass das vorliegende Verfahren mit beliebigen Monomeren bezw. während der Rotation erstarrenden Stoffen durchgeführt werden kann. Ebenfalls ist das Verfahren auf bestimmte Initiatoren bezw. Katalysatoren nicht beschränkt. So kann man z.B. Methylmethacrylat, mit Dibenzoylperoxid und p-Toluolsulfinsäure initiiert, verwenden, oder aber Styrol mit Azo-bis-isobutyronitril usw.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung von rotationssymmetrischen Gebilden, insbesondere von Linsen durch Schleudergießverfahren von Flüssigkeiten, die im Laufe der Rotation entweder durch chemische Reaktion oder durch Abkühlen erstarren, dadurch gekennzeichnet, dass die gegossene Flüssigkeit nur mit einer flüssigen Phase oder Phasen und gegebenenfalls mit einer gasförmigen Phase in Berührung kommt, mit welchen sie scharfe Trennungsflächen bildet, wobei eine der flüssigen Phasen (Tragflüssigkeit) ein höheres spezifisches Gewicht und die gegebenenfalls vorhandene weitere flüssige Phase oder Phasen ein niedrigeres spezifisches Gewicht als die gegossene Flüssigkeit aufweist.