DE2653839A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontrolle der innenspannungen in einem kunststoffilm - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur kontrolle der innenspannungen in einem kunststoffilmInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein"Verfahren für die fortlaufende
Kontrolle der Innenspannungen in einem Kunststoffilm mittels einer Messung der Veränderung der Doppelbrechung, die die
Feststellung sehr geringer Spannungen in transparenten oder transluziden Filmen gestattet; die Erfindung betrifft des
weiteren eine besondere Vorrichtung zur Durchführungäieses Verfahrens.
Unter der Bezeichnung Film werden gleichfalls flache Materialien verstanden, die eine bestimmte Dicke erreichen können, und
somit umfaßt dieses Wort gleichfalls Folien und Platten.
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• ff.
Im Rahmen der Herstellungstechniken für Kunststoffolien ist
die Kenntnis der Größe von in diesen Produkten vorhandenen
Innenspannungen von Bedeutung, selbst wenn diese geringwertig sind.
Innenspannungen von Bedeutung, selbst wenn diese geringwertig sind.
So bewirken bei der Herstellung von Kunststoffilmen im Wege
der Kalandrierung die nach der Kalandrierung durchgeführten Bearbeitungen Innenspannungen in den behandelten Folien. Wenn
diese Spannungen in den Filmen eingefroren sind, bilden sie die Ursache für eine Instabilität hinsichtlich der Abmessungen
des Films, die sich in einer Schrumpfung äußert, die häufig von Bedeutung ist bei ihrer normalen Verwendung und insbesondere
bei einer eventuellen Wiedererwärmung auf eine Temperatur
höher als die Übergangstemperatur zum glasigen Zustand des Materials, aus dem sie bestehen.
Für viele Anwendungsfälle ist es jedoch von Bedeutung, über
Filme mit einer vollständigen Stabilität hinsichtlich ihrer Abmessungen verfügen zu können. Zur Erzielung dieser gemeinhin
als schrumpfungsfreie Filme bezeichneten Filme wird im allgemeinen am Ende ihrer Herstellung eine Entspannungsphase vorgesehen,
während der der Film solchen Bedingungen ausgesetzt ist, daß die Innenspannungen freigesetzt werden können. Im
Laufe der Herstellung dieser Filme ist es offensichtlich von Bedeutung, diese Tätigkeit des Entspannens zu kontrollieren um sicherzustellen, daß das Endprodukt keine unannehmbaren
restlichen Innenspannungen besitzt.
Laufe der Herstellung dieser Filme ist es offensichtlich von Bedeutung, diese Tätigkeit des Entspannens zu kontrollieren um sicherzustellen, daß das Endprodukt keine unannehmbaren
restlichen Innenspannungen besitzt.
Gegenwärtig wird die Stabilität von Kunststoffilmen hinsichtlich
ihrer Abmessungen gemäß der in der Norm ASTM D124-54 dargestellten
Technik abgeschätzt, wozu die Entnahme einer Probe und eine Reihe von Behandlungen gehören. Diese Technik führt somit
zu einer Zeitverschiebung zwischen dem Augenblick der Proben-
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entnahme und dem Augenblick, zu dem die Meßergebnisse zur Verfügung stehen. Infolgedessen gestattet diese Zeitverschiebung
der Bedienungsperson keine direkte Reaktion auf das Verhalten der Herstellungsanlage, wenn sich die Qualität des Films oder
des Folienproduktes als schwach bzw. ungenügend erweist. Darüber hinaus ist diese Technik eine destruktive.
Ferner ist bereits vorgeschlagen worden, die in bestimmten
Materialien eingefrorenen Innenspannungen durch Prüfung ihrer Doppelbrechung festzustellen. So wird die Prüfung des Glühens
bzw. Anlassens von für die Herstellung optischer Linsen verwendetem Glas gewöhnlich im Wege der überprüfung dieses
Materials zwischen zwei gekreuzten Nicoischen Prismen ausgeführt (OPTICS - F.W. Sears - Addison Wesley Publishing Co. Cambridge,
1954, Seite 192).
Des weiteren ist bereits vorgeschlagen worden, die in Kunststoffen
auftretenden Innenspannungen im Wege einer Schätzung ihrer Doppelbrechung abzuschätzen (Encyclopedia of polymere
science - optical properties, Band 9, Seite 553). Zu diesem Zweck wird die Verschiebung der optischen Ausbreitung zwischen
den Wellen gemessen, die von der Probe ausgehen, wenn auf diese ein monochromatischer Lichtstrahl polarisierter Amplitude und
bekannter Wellenlänge in einer Richtung normal zu ihrer Ebene auftrifft. Diese Messung wird durch Zwischenschaltung eines
Babinet-Kompensatois auf dem optischen Weg zwischen der Probe und Analysator erreicht. Die Messung der optischen Verschiebung
kann eine Schätzung der in dem Material enthaltenen Innenspannungen liefern, und es könnte ins Auge gefaßt werden, diese
Schätzungsmethode als automatische und augenblickliche Methode auszubilden bzw. anzuwenden. Jedoch gestattet diese Technik
nicht die Messung optischer Verschiebungen kleiner' als 50 nm,
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und kann sie daher für die Messung in dünnen Filmen vorhandener geringer Restspannungen nicht nutzvoll angewendet werden, da
in diesem Fall die optische Verschiebung' im allgemeinen kleiner als 50 im ist.
Eine andere Technik, die zum Einsatz kommen könnte, besteht in der Messung der einfallenden Intensität Io vor der Probe, und
zwar eines auf die Probe gerichteten polarisierten Lichtstrahls, und in der Messung auch der austretenden Intensität Ie hinter
dem Analysator.
In diesem Fall kann die Doppelbrechung Δη abgeleitet werden aus
der Beziehung:
/\n = -—· arc.sin
wobei mit X die Wellenlänge der Lichtquelle und mit t. die Dicke
der Probe bezeichnet sind. Diese Beziehung besitzt jedoch nur dann Gültigkeit, wenn die optischen Achsen des geprüften Materials
um 45° gegenüber der Polarisationsebene des Polarisators gedreht sind.
Obwohl diese letztgenannte Meßtechnik eine Schätzung sehr kleiner optischer Verschiebungen gestattet und sich für eine Automatisierung
anbieten kann, die eine sofortige Schätzung liefert, kann sie nur für die Prüfung vollständig transparenter Filme verwendet werden,
da ansonsten die Absorption der einfallenden Strahlung und die Dispersion des Lichtes infolge der Trübung der Probe zu der Gefahr
einer Verfälschung der festgestellten Ergebnisse führen.
Es ist ein Verfahren zur Messung von in Kunststoffilmen und
-folien existenten Innenspannungen im Wege der Messung- ihrer Doppelbrechung gefunden worden, das eine kontinuierliche Kontrolle
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vorhandener Spannungen selbst geringen Wertes in Materialien
gestattet, die nicht vollständig transparent sind.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren, bei dem
ein monochromatischer Lichtstrahl in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Films oder der Folie ausgerichtet
wird und zwei Polarisatoren beiderseits des Films oder der Folie auf dem optischen' Weg des Lichtstrahls angeordnet
werden' und bei dem die Intensität des aus dem zweiten Polarisator
austretenden Lichtstrahls mit derjenigen des direkt aus dem Film oder der Folie austretenden Lichtstrahls verglichen
wird.
Es ist jetzt tatsächlich festgestellt worden, daß der Einfluß
der natürlichen Doppelbrechung der Probe auf die austretende Lichtifcensität, gemessen in Abwesenheit des zweiten Polarisators,
für Proben gleicher Absorption und gleicher Dickeyin den meisten Fällen
vernachlässigbar ist. Darüber hinaus kann nötigenfalls, bei- ·
spielsweise bei der Eontrolle von geprägten oder genarbten Filmen,
dieser Einfluß in einfacher Weise eliminiert werden, indem die
auftretende natürliche Doppelbrechung der Probe von der mittels der Messungen abgeschätzten Doppelbrechung abgezogen wird.
Die verwendete Lichtquelle ist in bevorzugter Weise eine Laserstrahlquelle,
und die Polarisatoren können beliebige sein und in bevorzugter Weise gekreuzte Nicoische Prismen oder besonders
behandelte Platten, wie sie beispielsweise im Handel unter der Bezeichnung Polaroid vertrieben werden.■
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet somit eine strenge
Kontrolle vorhandener Spannungen selbst geringen Wertes und kann sich für die Prüfung transparenter oder transluzider Filme eignen.
Darüber ηχηαμε eignet sich dieses Verfahren gut für eine fort-
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laufende und sofortige Kontrolle von Filmen im Laufe ihrer Herstellung
und gestattet somit eine sofortige, ja sogar automatische, Reaktion in demjenigen Fall, wo sich diese Herstellung als mangelhaft
erweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Kontrolle von Filmen in jedem beliebigen Stadium ihrer Herstellung und bei jeder beliebigen
Art ihrer Herstellungstechnik angewendet werden.
Es ist selbstverständlich, daß das Verfahren für die Kontrolle von Folien oder Platten anwendbar ist. Darüber hinaus ist das Verfahren
unabhängig von dem Material, aus dem der Film oder die Folie besteht. Somit kann sich das Verfahren beispielsweise auch
sehr gut für die Prüfung von in Glasfolien vorhandenen Spannungen eignen.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine besondere
Vorrichtung geschaffen worden, die ebenfalls Bestandteil· der vorliegenden Erfindung ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung verfügt über eine monochromatische
Lichtquelle, die einen in Richtung im wesentlichen senkrecht zur Ebene des zu kontrollierenden Films ausgerichteten Strahl abzugeben
in der Lage ist, über einen zwischen der Lichtquelle und dem zu kontrollierenden Film angeordneten ersten Polarisator, über einen
auf der anderen Seite des Films auf dem optischen Weg des Lichtstrahls angeordneten zweiten Polarisator, über einen ebenfalls
auf dem optischen Weg angeordneten Detektor, der die Intensität der empfangenen Lichtstrahlung zu messen in der Lage ist, und über
Mittel zur periodischen Wegbewegung des zweiten Polarisators aus dem optischen Weg des Lichtstrahls.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Polarisator" kontinuierlich um eine Achse parallel zum optischen Weg des Licht-
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• β.
Strahls derart drehbar, daß der Polarisator diesen Weg periodisch, unterbricht, und verfügt die Vorrichtung des
weiteren über eine opake Scheibe mit zwei um 180° gegeneinander
versetzten Fenstern, wobei die Scheibe zwischen dem zweiten Polarisator und dem Detektor und des weiteren synchron
zu dem zweiten Polarisator um eine Achse ebenfalls parallel zu dem optischen Weg des Lichtstrahls drehbar derart angeordnet
ist, daß sich eines der Fenster in dem optischen Weg der Lichtquelle zur selben Zeit wie der zweite Polarisator befindet und
daß das zweite Fenster sich in dem optischen Weg in einem Augenblick befindet, zu dem der zweite Polarisator aus dem optischen
Weg herausbewegt ist.
Der Vergleich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen, d.h. mit und ohne Anordnung des zweiten Polarisators auf dem optischen
Weg des Lichtstrahls, gestattet somit eine Schätzung der Doppelbrechung unter Berücksichtigung der Absorption und der Trübung
des geschätzten Films. Es ist somit möglich, die zeitliche Ver- · änderung dieser Doppelbrechung durch Vergleich aufgezeichneter
Meßwertpaare zu messen und folglich sehr genaue Auskünfte über die Größe der in dem Film vorhandenen Spannungen zu erhalten.
Die verwendete Lichtquelle kann eine beliebige sein, so weit sie monochromatisch ist (wenn das Licht polarisiert ist, ist der
Analysator nicht mehr erforderlich). Zur Vermeidung jeglicher Lichtdispersion wird jedoch einem Strahllaser der Vorzug gegeben.
Die Polarisatoren können Nicoische Prismen oder polaroidartige Platten bzw. Scheiben sein. Diese Polarisatoren müssen ganz
offensichtlich derart angeordnet sein, daß sie einander kreuzen, wenn sie sich im optischen Weg der Lichtquelle befinden.
— 8 —
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, AO.
Die opake Scheibe, die von dem Motor in Umdrehung versetzt werden kann, der den zweiten Polarisator antreibt, ist in bevorzugter
Weise derart gestaltet, daß sie sich im Bereich des optischen Weges der Lichtquelle befindet zwischen den Augenblicken
des Durchtritts ihrer Fenster durch den optischen Weg, damit der Detektor sich nach jeder anschließenden Intensitätsmessung wieder auf die Null-Intensität einstellen kann.
Die Drehgeschwindigkeit des zweiten Polarisators und damit diejenige
der mit Fenstern ausgestatteten Scheibe liegt vorzugsweise zwischen 1 und 6 0 U/sec. Diese Geschwindigkeit und die
Abmessung der Fenster müssen offensichtlich in Abhängigkeit von der Reaktionszeit des Detektors festgesetzt sein. In vorteilhafteryWeise
ist die Drehgeschwindigkeit in der höchstmöglichen Weise zu wählen, um eine dichte Aufeinanderfolge der
nacheinander durchzuführenden Messungen zu erreichen.
Der Detektor kann ein beliebiger sein; jedoch wird eine photoelektrische
Zelle bevorzugt. Ganz selbstverständlich muß die Detektorvorrichtungseinheit in einer schwarzen Kammer angeordnet
sein, um jeglichen Einfall eines Lichtes anders als dasjenige, das von der verwendeten Lichtquelle ausgeht, zu
verhindern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in zweckmäßiger und in nützlicher Weise durch eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien
und kontinuierlichen Messung der Dicke des behandelten Films ergänzt sein, um jeglicher zufälligen Veränderung dieser Dicke
Rechnung tragen zu können. Zu diesem Zweck wird die Verwendung einer Messung mit ß-Strahlung bevorzugt.
Die von dem Detektor periodisch abgegebenen elektrischen Signale sowie die von der Dickenmeßvorrichtung abgegebenen Signale werden
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in einen Rechner eingegeben, der direkt die Entwicklung der Veränderung der Doppelbrechung und damit eine Entwicklung der
Proportionen der in dem geprüften Film vorhandenen Spannungen liefern kann. Dieser Rechner kann derart gestaltet sein, daß
er eine akustische oder/anderweitige Warnung im Falle der Überschreitung
eines vorbestimmten Grundwertes liefert, die Anlage im Fall einer mangelhaften Arbeitsweise anhält oder automatisch
die Arbeitsweise der Anlage korrigiert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einfacher Weise an
jeder Stelle einer Herstellungsanlage für einen Kunststoffilm
angeordnet werden und die Regelung eines Ofens zur Entspannung sicherstellen, eine Streckzone kontrollieren, die Qualität des
Endproduktes kontrollieren etc., und zwar ohne jede Verzögerung und ohne mechanische Berührung mit dem Filmprodukt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist des weiteren in den zugehörigen
Zeichnungen dargestellt, die ausschließlich beispiel- - * haft zu verstehen sind und in denen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
und
Fig. 2 und 3 Draufsichten zur Darstellung der von der mit
Fenstern ausgestatteten Scheibe und dem zweiten Polarisator zu Zeiten zweier aufeinanderfolgender
Messungen eingenommenen Stellungen.
Gemäß Fig. 1 verfügt die Vorrichtung zur Kontrolle des Kunststofffilms
1 über eine Lichtquelle 2 in der Form eines HeNe-Strahllasers,
einen ersten Polarisator 3 in der Form eines Nicoischen Prismas, über einen zweiten Polarisator 4 ebenfalls in der Form
eines Nicoischen Prismas, das gegenüber dem ersten Polarisator gekreuzt und im übrigen auf einer Antriebswelle 5 angeordnet ist,
die von einem Motor 6 angetrieben ist, über eine opake Scheibe mit zwei Fenstern 8 und 9, die gegeneinander um 180° versetzt sind,
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. η-
wobei die Scheibe 7 um eine Welle 10 mittels des Motors 6 über
eine Transmission 11 in Umdrehung derart steht, daß sich der
Polarisator 4 und die Scheibe 7 synchron um ihre entsprechenden Wellen drehen, und über einen Lichtstrahldetektor 12 in der Form
eine photoelektrischen Zelle, die an einen Rechner 13 angeschlossen ist.
Darüber hinaus sind gemäß Fig. 2 und 3 die mit Fenstern ausgestattete
Scheibe 7 der zweite Polarisator 4 und die zugehörigen Wellen 5 und 10 derart angeordnet, daß sich dann, wenn der Polarisator
4 (Fig. 3) im Lichtstrahl befindet, das Fenster 9 sich ebenfalls auf diesem Lichtstrahl befindet und daß dann, wenn sich
das Fenster 8 auf dem Lichtstrahl befindet, der Polarisator 4 aus diesem Strahl herausgenommen ist (Fig. 2).
Die Vorrichtung kann darüber hinaus durch eine ß-Diekenmeßeinrichtung
für den Film (nicht dargestellt) ergänzt sein, die an den Rechner 13 angeschlossen ist. Schließlich sind der Polari- ♦
sator 4, die Scheibe 7 und die Detektoreinheit 12 in einem nicht dargestellten schwarzen Gehäuse angeordnet.
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Claims (6)
1. Verfahren zur Kontrolle von Innenspannungen in einem Kunststoff ilm durch Messung der Doppelbrechung des Films, bei dem
ein monochromatischer Lichtstrahl in einer Richtung im wesentlichen
senkrecht zur Filmebene gerichtet wird und zwei Polarisatoren
beiderseits des Films auf dem optischen Weg des Lichtstrahls angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die
Intensität des aus dem zweiten Polarisator austretenden Licht-
Strahls mit derjenigen des direkt aus dem Film austretenden Lichtstrahls verglichen wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine monochromatische Lichtquelle (2),
die einen in Richtung im wesentlichen senkrecht zur Ebene des zu kontrollierenden Films (1) ausgerichteten Strahl abzugeben
in der Lage ist, durch einen zwischen der Lichtquelle (2) und dem Film (1) angeordneten ersten Polarisator (3), durch
einen auf der anderen Seite des Films (1) auf dem optischen Weg des Lichtsträ-hls angeordneten zweiten Polarisator (4) ,
durch einen ebenfalls auf dem optischen Weg angeordneten Detektor (12), der die Intensität der empfangenen Strahlung
zu messen in der Lage ist, und durch Mittel (6,5) zur periodischen Wegbewegung des zweiten Polarisators (4) aus dem
optischen Weg des Lichtstrahls.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Polarisator (4) kontinuierlich um eine Achse (5)
parallel zum optischen Weg des Lichtstrahls derart drehbar ist, daß er periodisch in diesen Weg eintritt.
•12-
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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine
opake Scheibe (7) mit zwei um 18 0° gegeneinander versetzten randseitigen Fenstern (8,9), wobei die Scheibe (7) zwischen
dem zweiten Polarisator (4) und dem Detektor (12) und des weiteren synchron zu dem mit dem zweiten Polarisator (4) um
eine Achse ebenfalls parallel zum optischen Weg des Lichtstrahls derart drehbar angeordnet ist, daß sich eines (9)
der Fenster (8,9) in dem optischen Weg der Lichtquelle (2) zur .selben Zeit wie der zweite Polarisator (4) befindet, und
daß sich das zweite Fenster (8) in dem optischen Weg in einem Augenblick befindet, zu dem der zweite Polarisator (4) aus
dem optischen Weg herausbewegt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (2) ein Strahllaser ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit des zweiten Polarisators (4) und der mit *
Fenstern (8r9) ausgestatteten Scheibe (7) gleich groß sind
und zwischen 1 und 60 U/sec. liegen.
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Applications Claiming Priority (1)
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