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HINTERGUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Verfahren für die Herstellung
einer optischen Linse, insbesondere optischen Linsen, die Brechungsindizes
von 1,7 und mehr aufweisen, durch Polemisieren/Härten von Diepisulfiden mit
einem kationischen Photopolymerisationsinitiator.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Das
Dokument US-A-5807975 offenbart die thermische Polymerisation und
Härtung
von Diepisulfiden, insbesondere für die Herstellung von optischen
Materialien wie beispielsweise einem Linsenmaterial für Brillen.
Diese thermische Polymerisation/Härtung von Diepisulfiden dauert
mehrere Stunden, im Allgemeinen ca. 20 Stunden.
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Die
EP-640649 offenbart ein Verfahren für die Herstellung von streifenfreien
optischen Linsen durch Photopolymerisation von mit Bezug auf Ethylen
ungesättigten
Verbindungen.
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Die
photo-initiierte kationische Polymerisation von Monoepisulfiden
ist offenbart in dem Artikel "Photocationic
crosslinking of poly(2,3-epithiopropyl methacrylate) and Photoinitiated
cationic polymerization of its model compounds" von M. Tsunooka et al, Journal of Polymer
Science: polymer chemistry edition, Band 22, 2217–2225 (1984).
Die in der Photopolymerisation verwendeten Photoinitiatoren jedoch
sind gefärbte
Materialien, die nicht geeignet sind für die Herstellung von Materialien
für optische
Linsen.
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Die
kationische Polymerisation von Diepisulfiden zum Ausbilden von Polymernetzwerken
wurde noch nicht berichtet. Die Diepisulfide zeigen anders geartete
Reaktivitäten
als die Monoepisulfide aufgrund der benachbarten Episulfid- funktionellen
Gruppen.
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Es
besteht folglich ein Bedarf an schnellen Verfahren für die Polymerisation
von Diepisulfiden und Diepisulfid-basierenden Zusammensetzungen
für die
Herstellung von Linsenmaterialien, die ultrahohe Brechungsindizes
von 1,7 und mehr mit guten optischen Eigenschaften aufweisen.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Es
ist ein Gegenstand der Erfindung, ein Verfahren für die Herstellung,
in einer relativ kurzen Zeit, eines optischen Linsenmaterials durch
kationische Photopolymerisation einer Diepisulfid-basierenden Zusammensetzung
bereitzustellen.
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Es
ist noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung, ein Verfahren für die Herstellung
einer optischen Linse bereitzustellen, die einen Brechungsindex
gleich oder größer als
1,7 aufweist.
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Diese
und andere Gegenstände
werden bereitgestellt durch ein Verfahren für die Polymerisation/Härtung einer
polymerisierbaren Monomer-Zusammensetzung, beinhaltend zumindest
ein Diepisulfid-Monomer, welches das Mischen zu der Zusammensetzung
von zumindest einer effektiven Menge von zumindest einem kationischen
Photopolymerisationsinitiator (Photoinitiator) umfasst, um eine
photopolymerisierbare Zusammensetzung zu erhalten, und Bestrahlen
der photopolymerisierbaren Zusammensetzung mit einer UV-Strahlung,
um zumindest teilweise die photopolymerisierbare Zusammensetzung
kationisch zu photopolymerisieren.
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Das
Verfahren der Polymerisation/Härtung
der photopolymerisierbaren Zusammensetzung umfasst zuerst das Vorheizen
bzw. Vorwärmen
der photopolymerisierbaren Zusammensetzung auf eine vorbestimmte Temperatur,
Bestrahlen mit einer UV-Strahlung, um teilweise die photopolymerisierbare
Zusammensetzung kationisch zu polymerisieren, und dann Erwärmen der
teilweise polymerisierten Zusammensetzung auf eine vorbestimmte
Temperatur für
eine vorbestimmte Zeit, um die Polymerisation und Härtung zu
vervollständigen.
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Es
wurde festgestellt, dass das obige Verfahren insbesondere brauchbar
ist für
die Herstellung von Kunststofflinsen von hoher optischer Qualität, sowohl
endverarbeitet als auch halbfertig, in einer relativ kurzen Zeit.
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Insbesondere
kann das obige Verfahren verwendet werden für die Herstellung von Linsen
von hoher optischer Qualität,
welche klar, hart, verarbeitbar und frei von Streifen sind.
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Folglich
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren für die Herstellung einer Kunststofflinse
bereit, insbesondere aufweisend einen Brechungsindex von 1,7 oder
mehr, welches folgende Schritte umfasst:
- a)
Gießen
in eine Form einer photopolymerisierbare Monomer-Zusammensetzung,
beinhaltend zumindest ein Diepisulfidmonomer und zumindest einen
kationischen Photopolymerisationsinitiator;
- b) Vorheizen der photopolymerisierbaren Monomer-Zusammensetzung
auf eine Temperatur im Bereich von 50 bis 100°C;
- c) Bestrahlen der photopolymerisierbaren Monomer-Zusammensetzung
mit einer UV-Strahlung,
um die Zusammensetzung teilweise zu polymerisieren;
- d) Erwärmen
der teilweise polymerisierten Zusammensetzung auf eine Temperatur
im Bereich von 30 bis 100°C
für eine
vorbestimmte Zeit, um die Polymerisation zu vervollständigen;
und
- e) Erhalten der Kunststofflinse aus der Form.
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Während des
UV-Bestrahlungs-Schritts wird die Polymerisationstemperatur vorzugsweise überwacht, so
dass diese Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gehalten
wird. Für
das Steuern der exothermen Reaktion während der Photopolymerisation
wird die UV-Bestrahlung
wiederholt an- und ausgeschaltet, wie nötig, um die Polymerisationstemperatur
konstant zu halten, was wiederum in einer gleichförmigen Polymerisation
oder Härtung
resul tiert.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Gemäß der Erfindung
beinhaltet die photopolymerisierbare Monomer-Zusammensetzung zumindest ein
Diepisulfid-Monomer.
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Geeignete
Diepisulfid-Monomere sind Diepisulfide der Formel:
in welcher
R
1 und R
2 unabhängig voneinander
H, Alkyl, Aryl, Alkoxy, Aryloxy, Alkylthio oder Arylthio sind; R
3 und R
4 sind, unabhängig voneinander,
R
a bezeichnet
H, Alkyl, Aryl, Alkoxy, Aryloxy, Alylthio oder Arylthio und n ist
eine Ganzzahl von 0 bis 4 und m ist eine Ganzzahl von 0 bis 6.
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Eine
bevorzugte Klasse von Diepisulfiden ist umfasst von Diepisulfiden
der Formel:
in welcher R
1,
R
2, R
3 und R
4 wie oben definiert sind.
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Eine
weitere bevorzugte Klasse von Diepisulfiden ist umfasst von Diepisulfiden
der Formel:
in welcher R
1,
R
2, R
3 und R
4 wie oben definiert sind.
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In
R1, R2, R3 und R4 sind die
Alkyl- und Alkoxygruppen vorzugsweise C1-C6-, mehr bevorzugt C1-C4-Alkyl- und Alkoxygruppen wie beispielsweise
Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Methoxy, Ethoxy, Propoxy und Butoxy.
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Die
bevorzugten Diepisulfide sind jene der Formel:
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Die
photopolymerisierbaren Monomerzusammensetzungen beinhalten ferner
zumindest einen kationischen Photoinitiator für die kationische Photopolymerisation
der Monomere der Zusammensetzung.
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Jeder
beliebige kationische Photoinitiator kann in der photopolymerisierbaren
Zusammensetzung der Erfindung verwendet werden, jedoch sollte vorzugsweise
der Photoinitiator nicht das resultierende photopolymerisierte Material
einfärben.
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Unter
den bevorzugten Photoinitiatoren können die Verbindungen folgender
Formel aufgeführt
werden:
wobei
X Sb oder P ist,
sowie
Mischungen davon.
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Kationische
Photoinitiatoren sind kommerziell erhältlich unter den Handelsnamen
RHODORSIL☐ 2074 (Verbindung der
Formel V), Irgacure☐ 261 (Verbindung
der Formel IV), CYRACURE☐ (gemischte
Triarylsulfoniumhexafluorantimonat-Salze und gemischte Triarylsulfoniumhexafluorphosphat-Salze
der Formeln II und III), SATCAT☐ (gemischte
Triarylsulfonium- und Jodoniumsalze) und TTAS (Verbindung der Formel
VI).
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Im
Allgemeinen wird der Photoinitiator in einer Menge von 0,005 bis
5 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht der polymerisierbaren Monomere
der Zusammensetzung, und vorzugsweise in einer Menge von 0,25 bis
1 Gew.-%, verwendet.
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Die
photopolymerisierbaren Zusammensetzungen der Erfindung können einen
Photosensibilisator beinhalten. Jeder bekannte Photosensibilisator
kann in der Zusammensetzung der Erfindung verwendet werden.
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Unter
den üblichen
Photosensibilisatoren können
Alkoxyacetophenone, Benzoinether, Phosphin-Oxide, Benzoyloxime,
Benzophenone, Benzyle, Xanthone, Anthrone, Thioxanthone, Fluorenone,
Suberone, Acridone und Anthrazen aufgeführt werden.
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Derartige
Photosensibilisatoren sind im Stand der Technik bekannt und insbesondere
in den US-Patenten US-4026705; US-4069054 und US-4250053 beschrieben.
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Bevorzugte
Photosensibilisatoren sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus:
- a) aromatischen tertiären Aminen mit der Formel: wobei Ar1,
Ar2 und Ar3 aromatische
Gruppen mit 6 bis 20 Kohlenstoffatomen sind; Z aus gewählt ist
aus Sauerstoff, Schwefel,einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung;
oderwobei R'1 und R'2 ausgewählt sind
aus Wasserstoff, Alkylradikalen von 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und
Alkenylradikalen von 2 bis 4 Kohlenstoffatomen und wobei n1 0 oder 1 ist;
- b) aromatischen tertiären
Diaminen mit der Formel: wobei Y ein divalentes Radikal
ist, ausgewählt
aus Arylen und Ar8-Z-Ar9,
wobei Z wie oben beschrieben ist; Ar4, Ar5, Ar6, Ar7, Ar8 und Ar9 sind aromatische Gruppen mit 6 bis 20 Kohlenstoffatomen;
und wobei n1 und ml 0 oder 1 sind; und;
- c) aromatischen polyzyklischen Verbindungen mit zumindest drei
kondensierten Benzolringen und ferner aufweisend eine Ionisationsenergie
geringer als ca. 7,5 eV.
- d) Fluoreszierenden Polyarylverbindungen, ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Polyarylenen, Polyarylpolyenen, 2,5-Diphenylisobenzofuranen,
2,5-Diarylfuranen, 2,5-Diarylthiofuranen,
2,5-Diarylpryolenen, 2,5-Diarylcyclopentadienen, Polyarylphenylenen,
Coumarinen, und Polyaryl-2-pyrazolinen.
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Die
am meisten bevorzugten Photosensibilisatoren sind Anthrazen, 9-Methylanthrazen,
7-Dimethylamino-4-trifluormethylcoumarin,
Aceton, Perylen, 1,5-Diphenyl-3-styryl-2-pyrazolin, 1-Phenyl-3-(p-methoxy-styryl)-5-(p-methoxyphenyl-1,2-pyrazolin),
Isopropylthioxanthon.
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Die
Menge an Photosensibilisator in der photopolymerisierbaren Zusammensetzung
ist klassisch und reicht im Allgemeinen von 0,005 bis 1 Gew.-% bezogen
auf das Gesamtgewicht der photopolymerisierbaren Monomere.
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Die
photopolymerisierbaren Monomerzusammensetzungen der Erfindung können lediglich,
als polymerisierbare Monomere, eines oder mehrere der oben definierten
Diepisulfide umfassen. Wie jedoch später angedeutet werden wird,
können
die photopolymerisierbaren Monomerzusammensetzungen auch andere
polymerisierbare Monomere, unterschiedlich von den Diepisulfiden,
umfassen.
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Diese
Monomere sind Verbindungen, die zwei oder mehrere funktionelle Gruppen
umfassen, geeignet, mit einer Episulfidgruppe zu reagieren, oder
Verbindungen, die eine oder mehrere dieser funktionellen Gruppen
oder eine oder mehrere von anderen homopolymerisierbaren Gruppen
umfassen.
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Diese
zusätzlichen
Monomere beinhalten Epoxy-Verbindungen, Polythiole, ungesättigte Ethylen-Verbindungen
wie beispielsweise Vinylether oder (Methyl)acrylat-Verbindungen,
polyvalente Karbonsäuren
und Anhydride, Thiocarbonsäuren,
Thioalkohole, Thiophenole, Polyphenole, Amine und Amide.
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Bevorzugte
zusätzliche
Monomere sind Epoxyverbindungen, Polythiol-, Acrylat- und (Meth)acrylat-Verbindungen.
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Unter
den bevorzugten Epoxyverbindungen können die Verbindungen der Formel:
aufgeführt werden,
wobei X O oder S ist, R
b H, Alkyl oder Aryl
und vorzugsweise Alkyl oder Aryl ist, und R
1,
R
2, R
3, R
4, m und n wie oben definiert sind.
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Typische
Beispiele der ungesättigten
Ethylenverbindungen beinhalten Ethylenglycoldimethacrylat, Propylenglycoldimethacrylat,
Trimethylenglycoldimethacrylat, Tetramethylenglycoldimethacrylat,
Polyethylenglycoldimethacrylat, Trimethylolpropantriacrylat, Pentaerythritolpropantrimethacrylat,
epoxyliertes Bisphenol-A-Diacrylat, 1,6-Hexandioldimethacrylat, Urethandiacrylat,
Epoxydiacrylat, Diallylphthalat und Divinylbenzol.
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Beispiele
von Polythiolverbindungen beinhalten 1,2,3-Trimethylolpropan-tri(thioglycolat),
Pentaerythritol-tetra(thioglycolat), Pentaerythritol-tetra(3-mercaptopropionat),
1,2,3-Trimethylolpropan-tri(3-mercaptopropionat),
Thioglycerol, Dithioglycerol, Trithioglycerol, Dipentaerythrio-hexa(2-mercaptoacetat)
und 3,4,5,6-Tetrachloro-1,2-dimercaptobenzol.
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Unter
den (Meth)acrylat-Verbindungen können
Alkyl-(C1-C6)-(Meth)acrylat wie beispielsweise Methyl(meth)acrylat,
Ethyl(meth)acrylat, Propyl(meth)acrylat und Butyl(meth)acrylat erwähnt werden.
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Die
zusätzlichen
Monomere repräsentieren üblicherweise
0 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 0 bis 50 Gew.-%, bezüglich des
Gesamtgewichts an polymerisierbaren Monomeren, vorhanden in der
Zusammensetzung.
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Die
photopolymerisierbare Zusammensetzung kann ferner andere optionale
Inhaltsstoffe beinhalten, die klassisch in der Zusammensetzung von
polymerisierbaren Zusammensetzungen verwendet werden, wie beispielsweise
Entformungsmittel, Antioxidanzien, Farbstoffe und UV-Licht-Absorber.
Diese und andere Inhaltsstoffe können
in deren üblichen
Mengen für
deren übliche
Zwecke eingesetzt werden.
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Verdünnungsmittel
und Lösungsmittel
können
ebenfalls zugegeben werden, um die Viskosität der polymerisierbaren Zusammensetzung
einzustellen.
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Die
bevorzugten Lösungsmittel
sind Dimethylsulfoxid (DMSO), Dimethylformamid (DMF), Acetonitril und
Tributylphosphat (TBP).
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Das
Verfahren der Erfindung beinhaltet einen Schritt des teilweisen
Polymerisierens der photopolymerisierbaren Zusammensetzung durch
Bestrahlen der Zusammensetzung mit einer UV-Strahlung.
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Die
Ultraviolett-Strahlung, verwendet im Photopolymerisationsschritt,
kann ausgewählt
werden von jeder beliebigen geeigneten Quelle, beinhaltend Nieder-,
Mittel- oder Hochdruckquecksilberlampen, Laser, Xenon, Lumineszenz
wie beispielsweise Fluoreszenz oder Phosphoreszenz und dergleichen.
Die Bestrahlungsintensität
kann variieren von 5 mW/cm2 bis 350 mW/cm2, abhängig
von der photopolymerisierbaren Zusammensetzung und dem gewünschten
Grad der Photopolymerisation.
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Wie
zuvor angedeutet wird die Temperatur der exothermen Photopolymerisationsreaktion
vorzugsweise überwacht
durch An- und Ausschalten der Bestrahlung, um die Reaktionstemperatur
innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu halten. Dieser Temperaturbereich
variiert üblicherweise
von 30°C
bis 100°C,
typischerweise 60 bis 80°C.
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Das Überwachen
der Polymerisation einer Zusammensetzung ist offenbart in der US-A-5422046.
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Das
Verfahren der Erfindung beinhaltet einen Schritt des Vorheizens
bzw. Vorwärmens
der polymerisierbaren Zusammensetzung. Das Vorheizen kann ausgeführt werden
mittels eines Wasserbads, einer Wanne, IR-Bestrahlung oder durch
einen Luftofen.
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Das
Verfahren der Erfindung beinhaltet das Vorheizen der Zusammensetzung üblicherweise
bei einer Temperatur von 50° bis
100°C, typischerweise
60°C bis
80°C, vor
dem teilweisen Photopolymerisationsschritt und dem Vervollständigen der
Polymerisation durch Erwärmen
auf eine Temperatur von 30°C
bis 100°C,
vorzugsweise 60°C
bis 80°C.
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Der
teilweise Photopolymerisationsschritt kann einen einzelnen Vor-Polymerisationsschritt
umfassen, der im Erhalten eines Gels resultiert, oder einen ersten
Vorpolymerisationsschritt für
das Ausbilden eines Gels und einen zweiten Polymerisationsschritt
für das
Steigern der Polymerisationsrate über das reine Erhalten eines
Gels hinaus.
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Anschließend zur
teilweisen Polymerisation durch Bestrahlung bezieht der letzte Schritt
des Verfahrens ein thermisches Erwärmen ein, um die Polymerisation
zu vervollständigen.
Dies wird entweder in einem Ofen oder mittels einer IR-Quelle durchgeführt.
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Dieser
Erwärmungsschritt
dauert im Allgemeinen 1 bis 5 Stunden, um eine vollständige Polymerisation zu
erzielen, und typischerweise beträgt er drei Stunden.
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Das
Verfahren der Erfindung ist vorteilhaft für das Herstellen von Kunststofflinsen
mit Brechungsindizes in der Höhe
von 1,7 oder größer.
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Es
kann implementiert werden mittels klassischer zweiteiliger Glasformen.
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Wenn
das bevorzugte Verfahren einschließlich des Vorheizschritts und
des endgültigen
Erwärmungsschritts
verwendet wird, zeigen die resultierenden Linsen keine Streifenbildung.
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Die
folgenden Beispiele verdeutlichen die vorliegende Erfindung.
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In
den Beispielen sind, sofern nicht anders angegeben, alle Teile und
Prozentzahlen gewichtsbezogen.
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BEISPIELE 1 BIS 8
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Ein
Diepisulfid der Formel IA wurde bei 15°C mit Cyracure 6974 in den in
Tabelle I angegebenen Verhältnissen
gemischt. Die Mischung wurde entgast und in eine 1 mm dicke endverarbeitete
Single-Vision-Linsenform mit einer Gummidichtung injiziert. Die
Formenanordnung wurde auf 60°C
erwärmt
und dann einer An/Aus-Bestrahlung mit UV-Licht wie in Tabelle I
angegeben ausgesetzt. Die Formenanordnung wurde dann wie in Tabelle
I für die
Vervollständigung
der Polymerisation erwärmt.
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BEISPIELE 9 BIS 12
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Photopolymerisierbare
Zusammensetzungen wurden wie in den vorherigen Beispielen vorbereitet
unter Verwendung von Diepisulfid der Formel IB und Cyracure
☐ 6074 in den in Tabelle II angegebenen
Mengen. Die Formenanordnung wurde auf 60°C vor der Bestrahlung vorgewärmt. Die
Bestrahlungsbedingungen mit UV-Licht sind in Tabelle II angegeben.
Nach der Bestrahlung mit UV-Licht wurde die Formenanordnung auf 100°C über drei
Stunden erwärmt. TABELLE
II
- Cyracure☐ 6974
- : Mischung von Verbindungen
der Formel II und III X = Sb
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BEISPIELE 13 und 14
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Photopolymerisierbare
Zusammensetzungen mit den in Tabelle III angegebenen Zusammensetzungen
wurden über
1 Minute bei 60°C
entgast und in eine Form gegossen, wie im vorherigen Beispiel.
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Die
inneren Wände
der Form wurden mit einer Schicht eines standardmäßigen externen
Entformungsmittels beschichtet.
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Die
Zusammensetzungen wurden dann gemäß dem vorliegenden Verfahren
und wie in Tabelle III angegeben polymerisiert.
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Die
Löseeigenschaft
(Ausformung), Zerbrechen, Lichttransmissions- und Barcol-Werte der
resultierenden Linsen sind ebenfalls in Tabelle III angegeben.
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Ein
akzeptabler Barcol-Härtewertbereich
ist 72 bis 90.
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Die
Barcolhärte
der Linse wird gemessen mittels eines Barcol-Impressors gemäß der ASTM
D 2583-93, die dadurch präzisiert
wird, dass das Instrument zuerst mit einer Standardtestmetallscheibe
kalibriert wird.
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Ein
unbeschichtetes Linsenexemplar wird bei einer Temperatur von 23 ± 5°C und 50 ± 5°RH über 8 Stunden
platziert und unter dem Indentor platziert.
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Der
Durchschnitt von drei Ablesungen wird als der endgültige Barcolwert
genommen.