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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft interne Löse- bzw. Trennzusammensetzungen
als Additive zu synthetischen Harzmischungen für die Verwendung in der Produktion
von Kunststoffprodukten, wie beispielsweise von Kunststofflinsen.
Im spezielleren betrifft die folgende Erfindung eine Zusammensetzung
von Phosphorsäureestern
für die
Herstellung von Polyurethan- oder Polythiocarbamatlinsen für Brillengläser.
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2. Beschreibung des bekannten
Standes der Technik
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Linsen
für Brillengläser, hergestellt
aus Kunststoffharzsubstanzen sind im Stand der Technik bekannt. Traditionell
werden die Linsen hergestellt aus Diethylenglycol-bis(allylcarbonat),
welches kommerziell in seiner monomeren oder polymerisierten Form
als CR-39 bekannt ist. Gemäß den bekannten
Herstellungsverfahren wird das CR-39 monomär gemischt mit einem freien
Radikalinitiator, wie beispielsweise Diisopropylperoxiddicarbonat.
Diese Mischung wird indiziert innerhalb eines Paares von Glasformabschnitten,
die versiegelt werden mittels einer Dichtung und zusammengehalten
werden mittels eines Federklipps oder einer anderen geeigneten Befestigung.
Die gefüllte
Formenanordnung wird dann erwärmt
in einem Wasserbad oder Ofen auf eine vorbestimmte Temperatur, um
das Harz zu härten.
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Die
breite Akzeptanz des CR-39 besteht aufgrund dessen Klarheit, Tönbarkeit,
hohen Kratz- und Schlagbeständigkeit,
hohe Beständigkeit
gegenüber
Fehlfärbung
und Beständigkeit
gegenüber
Verwerfung oder Verzerrung.
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Das
CR-39 weist jedoch einen großen
Nachteil auf. Die Kunststofflinsen, hergestellt aus CR-39, weisen
einen Brechungsindex (nd) von ca. 1,50 auf, welcher geringer ist
als der Brechungsindex von konventionellen Glaslinsen, wobei letzterer
bei ca. 1,52 liegt. Die Dicke der Linsen muss daher größer sein
als die Dicke von konventionellen Glaslinsen.
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Es
wurden daher Bestrebungen unternommen, synthetische Materialien
zu entwickeln, welche in der Lage sind, Linsen von höherem Brechungsindex
als jene, gegenwärtig
erzeugt von CR-39, herzustellen. Polythiocarbamat- (hierin im folgenden
Polythiourethan-) Harze waren bekannt als eines der besten Linsenharze, in
der Lage, einen hohen Brechungsindex, in allgemeinen ca. 1,6, zu
erreichen, mit herausragenden optischen und physikalischen Linseneigenschaften.
Eine vollständigere
Beschreibung dieses Typs an Material kann gefunden werden im U.S.-Patent
Nr. 4,689,387 und U.S.-Patent Nr. 4,780,522.
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Während Formgießen für das Ausbilden
von Plastiklinsen gut bekannt ist, war das Verfahren für die industrielle
Herstellung von Kunsstofflinsen, insbesondere Polyurethan, extrem
schwierig. Ein großer
Nachteil des Formens von Polyurethan oder Polythiourethan ist die
Tendenz dieser Polymäre,
an Glasformen anzuhaften, was die Formzerlegung sehr schwierig,
wenn nicht unmöglich
macht. Für
die Anhaftung der Linse an die Innenfläche der Form während des
Formgießens
wurde gefunden, dass sie von vielen Verarbeitungsparametern oder
-variablen abhängt,
die beispielsweise dem Glastyp, der für die Herstellung der Form
verwendet wird, der Reinheit der Form, dem Alter der Form, der Form
und Krümmung
der Form, Zusammensetzung des linsenausbildenden Materials, Länge und
Temperatur des Härtungszyklus
und der Elastizität
des Dichtungsmaterials, das in der Formanordnung verwendet wird.
Um hohe Ausbeuten zu erzielen und folglich eine industrielle Herstellung
möglich
zu machen, muss die Anhaftung der Form ausreichend sein, um die
Kunststofflinse fest gegen die Formenoberfläche während des Härtungschritts zu halten, dabei
ausreichend schwach, um eine kohesive Separation der Härtung folgend
zu erlauben. Vorschnelles Lösen
bevor die Härtung
vervollständigt ist,
resultiert üblicherweise
in einer Defekte aufweisenden Linsenoberfläche. Dieses Phänomen ist
als der Entformungsdefekt bekannt. Umgekehrt wird zu viel Anhaftung
zwischen der Linse und der Form nach dem Härten in einer schwierigen Trennung
und/oder Formungsschaden resultieren. Dieser Defekt ist bekannt
als schlechte Entformung.
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Die
Erfahrung hat gezeigt, dass trotz der engen Kontrolle bzw. Steuerung
von vielen bekannten Variablen die industrielle Herstellung von
Polyurethan- und Polythiourethan-Kunststofflinsen
sehr kostspielig war aufgrund der inkonsistenten Entformung. Ein
bekanntes Verfahren versuchte dieses Problem zu lösen durch Beschichtung
der Innenfläche
der Form mit Oberflächengleitmitteln,
wie beispielsweise Siloxanen und fluorierten Kohlenwasserstoffen.
Diese sind als externe Formtrennmittel bzw. Entformungsmittel bekannt.
Das Verfahren der Anwendung von Formenoberflächengleitmitteln hat verschiedene
Nachteile einschließlich,
dass ein Teil oder der gesamte Formtrennfilm auf die Linsenoberfläche übertragen
wird. Dies kann wiederum Bereiche von inkonsistenten physikalischen
Eigenschaften über
die Linsenoberfläche
erzeugen, welche nachteilig die Adhäsionsleistung und die Tönung von
auf die Linse aufgebrachten Beschichtungen beeinflussen können.
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Zusätzliche
Nachteile der Verwendung von externen Formtrennzusammensetzungen
beinhalten die technischen Schwierigkeiten, die mit diesem Verfahren
verbunden sind:
- 1) Die Formtrennung wird im
allgemeinen angewendet durch dippen der Formen in ein Trennlösungsbad. In
der Vergangenheit konnten Trennungsbäder Fluorchlorkohlenwasserstoffe,
z.B. Freon, als Lösungsmittel einsetzen.
Neuerdings diktiert ein Verbot des EPA von solchen Lösungsmitteln
die Verwendung von umweltfreundlichen Lösungsmitteln, wie beispielsweise
wasserbasierende Systeme. Die wasserbasierenden Systeme sind hochgradig
pH-abhängig.
Veränderungen
im pH können
Agglomeration von Trennpartikeln im Bad verursachen, was konsequenterweise
die Form verunreinigt und/oder die Integrität des Trennsystems aufs Spiel
setzt. Das Ergebnis ist bestenfalls eine verunreinigte Linse und
schlechtestenfalls ein Verlust der Formen, oder beides.
- 2) Die Formtrennung kann manuell – von Hand – angewendet werden, ähnlich dem
Wachsen von Automobillack. Das Wischen des Trennmittels auf die
Formenoberflä che
resultiert in einer extra Handhabung und erhöhten Möglichkeit eines Formenschadens
und/oder Verunreinigung. Obwohl die Integrität der Trennung selbst im allgemeinen
verlässlich
ist, ist das Verfahren extrem arbeitskraftintensiv.
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Statt
der Beschichtung der Form mit Formtrennsystem wurde vorgeschlagen,
ein Trennmittel zu dem linsenausbildenden Material zuzugeben und
dann die gesamte Mischung einer Formgusspolymerisation zu unterwerfen.
Diese Trennsysteme sind bekannt als interne Trennmittel. Der bekannte
Stand der Technik offenbart die Verwendung von Silikonen, fluorierten
Kohlenwasserstoffen, Fettsäuren
und Ammoniumsalzen als interne Trennmittel in Linsenformgussverfahren,
siehe die U.S.-Patente Nr. 4,622,376 und 4,929,707 und die
EP 271 839 . Diese Typen von
internen Trennmaterialien, wenn sie im Formgussverfahren von Polyurethan
oder Polythiourethan verwendet werden, versagen häufig aufgrund
einer schlechten oder inkonsistenten Trennung oder aufgrund eines
Kompatibilitätsproblems,
wie beispielsweise eines Löslichkeitsproblems,
oder beeinflussen nachteilig die physikalischen Eigenschaften der
gegossenen Linse, wie beispielsweise die optische Klarheit, Starrheit
und Härte.
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Das
U.S.-Patent Nr. 4, 662, 376 offenbart, dass eine Mischung von Mono-
und Dialkylphosphaten von langgeradkettigen Alkylgruppen von 8 bis
16 Kohlenstoffatomen, kommerziell erhältlich unter dem Markennamen
OrtholeumTM und ZelecTMUN
(erhältlich
von DuPont, Inc., Wilmington, DE), geeignete interne Trennmittel für Formgußpolymerisation
von Acrylaten und allylischen Carbonaten in einer bevorzugten Menge
von 25 bis ca. 100 ppm des Gesamtgewichts des linsenausbildenden
Materials sind. (Das Patent Nr. 4, 662, 376 bezieht sich auf das
ZelecTMUN als 16 bis 18 Kohlenstoffatome
in der/den Alkylgruppe(n) aufweisend, jedoch hat gemäß der MSDS
von DuPont das ZelecTMUN 8 bis 16 Kohlenstoffatome
in der Kohlenstoffkette). Das Formgießen von Polyurethan- oder Polythiourethanlinsen
erfordert andererseits viel größere Mengen
dieser internen Trennmitteln, ca. 2000 ppm, um einen konsistente
Trennfähigkeit
der Polyurethan- oder Polythiourethanlinse von der Form zu induzieren.
Die Verwendung von Mengen von 1000 ppm oder mehr dieser langkettigen
Alkylphosphat-Trennmittel bildet jedoch trübe Linsen aus. Deshalb ist
die Verwendung dieser Trennmittel allein ungeeignet für das Formgießen von
Polyurethan- und Polythiourethanlinsenmaterialien.
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Die
EP 271 839 beschreibt unter
anderem die Verwendung von acidischen Mono- oder Diphosphatestern
einschließlich
Dibutylphosphat als interne Trennmittel in Polyurethanzusammensetzungen
für Linsen.
Das U.S.-Patent Nr. 4,975,328 beschreibt die Verwendung von kurzkettigen
Dialkylphosphorsäureestern,
wie beispielsweise Dibutylphosphat, als ein internes Trennmittel
für das
Formgießen
von Polythiourethanlinsen. In diesem Patent ist die Verwendung von
kurzkettigen Dialkylphosphorsäureestern
beschrieben bei eher hohen Konzentrationen (bis zu 20 %) und die
meisten der Beispiele beschreiben die Verwendung von Dibutylphosphat
bei 2,5 %, d.h. 25000 Teile pro Million. Diese höhere Konzentration ist aufgrund
der Tatsache, dass Dibutylphosphat allein kein sehr effizientes
Trennmittel ist.
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Hohe
Mengen von internen Trennmitteln sind jedoch unerwünscht aufgrund
des negativen Effekts auf die mechanischen Eigenschaften der Linse.
Polythiourethanlinsen weisen im allgemeinen eine schlechte Hochtemperaturleistung
auf, wie beispielsweise Linsen, die dazu tendieren, während des
Einfärbens
zu verzerren. Zusätzlich
erzeugen Polythiowethanlinsen starke Schwefelgerüche während der Linsenverarbeitung (Beschichten
und Einfassen). Diese zwei inhärenten
Defekte verschlechtern sich und werden unakzeptabel, wenn die Linse
weicher wird aufgrund der Zugabe von höheren Mengen interner Trennmittel.
Deshalb scheint Dibutylphosphat allein nicht akzeptabel als ein
internes Trennmittel für
die Herstellung von Polythiourethanlinsen für Brillengläser zu sein.
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Folglich
besteht immer noch der Bedarf an einer guten konsistenten Formtrennbarkeit
in der industriellen Herstellung von Polyurethan- und Polythiourethanlinsen.
Deshalb haben die aktuellen Erfinder intensive Forschung durchgeführt, um
ein effizientes internes Trennsystem zu entwickeln, um die Probleme
und Nachteile zu überwinden,
die dem Stand der Technik innewohnen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des
oben beschriebenen bekannten Standes der Technik zu überwinden.
Eine weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, eine effektive und
konsistente Formtrennbarkeit für
die Herstellung von Polyurethan- und Polythiourethanlinsen für Brillengläser bereitzustellen.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, eine konsistente Formtrennbarkeit
ohne den Bedarf an einer externen Formtrennung bereitzustellen.
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Es
ist ein noch weiterer Gegenstand dieser Erfindung, eine effiziente
und konsistente Formtrennbarkeit bereitzustellen, ohne einen Defekt
oder Formenschaden vor- auszulösen
und ohne die physikalischen Eigenschaften der Linsen, wie beispielsweise
deren optische Klarheit, Brechungsindex, Starrheit, Härte, Schlagbeständigkeit,
Kratzbeständigkeit,
Tönbarkeit,
Beschichtbarkeit und Einfassen negativ zu beeinflussen.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte
Formtrennzusammensetzung bereitzustellen. Ein noch weiterer Gegenstand
der Erfindung ist es, eine polymerisierbare Zusammensetzung und
ein Polymer, die Formtrennzusammensetzung der vorliegenden Erfindung
enthaltend, bereitzustellen. Ein noch weiterer Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist es, ein Verfahren für die Herstellung eines Kunststoffs,
wie beispielsweise einer Kunststofflinse, bereitzustellen, welcher
die Formtrennzusammensetzung verwendet.
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Die
vorangehenden und weiteren Gegenstände der Erfindung werden erreicht
gemäß eines
Aspekts der vorliegenden Erfindung, welcher eine Formtrennzusammensetzung
bereitstellt, umfassend: (a) ein Mono-C2-C6 Alkylphosphat; (b) ein Di-C2 bis
C6-Alkylphosphat, wobei die Alkylgruppen
des Dialkylphosphates dieselben oder verschiedene sein können und
wobei die Alkylgruppen des Mono- und Dialkylphosphates dieselben
oder verschiedene sein können;
und (c) ein C7-C18 Mono-
und/oder Dialkylphosphat, wobei die Alkylgruppen des C7-C18 Dialkylphosphates
dieselben oder verschiedene sein können und wobei die Akylgruppen
des C7-C18 Mono-
und Dialkylphosphates dieselben oder verschiedene sein können.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wurde eine polymerisierbare
Zusammensetzung bereitgestellt, umfassend: (a) ein oder mehrere
Monomere, zwei oder mehrere Isocyanatgruppen enthaltend; (b) ein
oder mehrere Monomere, zwei oder mehrere funktionelle Gruppen enthaltend,
ausgewählt
aus einer Thiolgruppe und einer Hydroxylgruppe; (c) eine Mischung
eines Mono- C2-C6 Alkylphosphats
und eines Di- C2-C6 Alkylphosphats,
wobei die Alkylgruppen des Dialkylphosphats dieselben oder verschiedene
sein können
und wobei die Alkylgruppen der Mono- und Dialkylphosphat-Mischung
dieselben oder verschiedene sein können und wobei das Mono- C2-C6 Alkylphosphat
vorliegt in einer Menge von ≥ 20
wt%, basierend auf dem Gesamtgewicht der Mischung des Mono- C2-C6 Alkylphosphats
und des Di- C2-C6 Alkylphosphats.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist zumindest eine der zwei oder mehr funktionellen Gruppen eine
Thiolgruppe. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die polymerisierbare
Zusammensetzung ferner ein (d) C7-C18 Mono- und/oder Dialkylphosphat, wobei
die Alkylgruppen des C7-C18 Dialkylphosphats
dieselben oder verschiedene sein können und wobei die Akylgruppen
des C7-C18 Mono- und Dialkylphosphats dieselben oder verschiedene
sein können.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wurde ein Verfahren
für die
Herstellung eines Polymers bereitgestellt sowie ein Polymer, daraus
hergestellt, umfassend: (a) Bereitstellung einer Zusammensetzung
umfassend: (i) ein oder mehrere Monomere, enthaltend zwei oder mehrere
Isocyanatgruppen, (ii) ein oder mehrere Monomere, zwei oder mehrere
funktionelle Gruppen enthaltend, ausgewählt aus einer Thiolgruppe und
einer Hydroxylgruppe, (iii) eine Mischung eines Mono- C2-C6 Alkylphosphats und eines Di- C2-C6 Alkylphosphats, wobei die Alkylgruppen
der Di- C2-C6 Alkylphosphat-Mischung
dieselben oder verschiedene sein können, und wobei die Alkylgruppen
des Mono- und Dialkylphosphats dieselben oder verschiedene sein
können,
und wobei das Mono- C2-C6 Alkylphosphat
vorliegt in einer Menge von ≥ 20
wt%, basierend auf dem Gesamtgewicht der Mischung des Mono- C2-C6 Alkylphosphats
und des Di- C2-C6 Alkylphosphats,
und (iv) einen Katalysator; und (b) Unterwerfen der Zusammensetzung
einer Polymerisierungsreaktion. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist zumindest eine der zwei oder mehreren funktionellen Gruppen
eine Thiolgruppe. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
beinhaltet die Zusammensetzung ferner ein (d) C7-C18 Mono- und/oder Dialkylphosphat, wobei
die Alkylgruppen des C7-C18 Dialkylphosphats
dieselben oder verschiedene sein können, und wobei die Alkylgruppen
des C7-C18 Mono-
und Dialkylphosphats dieselben oder verschiedene sein können.
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Gemäß noch eines
weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wurde ein Verfahren
für die
Herstellung einer Kunststofflinse und einer daraus hergestellten
Kunststofflinse bereitgestellt, welches das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung beinhaltet mit dem Schritt des Gießens der Zusammensetzung in
eine Linsenform vor der Fertigstellung der Polymerisation, um eine
Kunststofflinse herzustellen.
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Weitere
Gegenstände,
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden Fachleuten ersichtlich
werden aus der Betrachtung der detaillierten Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen,
welche folgt.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die
vorliegende Erfindung bezieht die Verwendung einer Mischung von
Phosphorsäureestern
als ein effizientes internes Trenn- bzw. Lösemittel für die industrielle Herstellung
von Polyurethan- und Polythiourethanharzen, wie beispielsweise Kunststofflinsen
für Brillengläser, ein.
Obwohl vieles der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
auf Linsen gerichtet ist, sollte verstanden werden, dass Anwendungen
der Polyurethan- und Polythiourethanharze, die die Formtrenn-Zusammensetzung
enthalten, in Anwendungen anders als Linsen von der vorliegenden
Erfindung vollständig
in Erwägung
gezogen werden, wie beispielsweise die Verwendung in der Automobilindustrie.
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In
der vorliegenden Erfindung werden eine oder mehrere NCO enthaltende
Verbindungen mit einer oder mehreren SH und/oder OH enthaltenden
aliphatischen oder aromatischen Verbindungen, einem Katalysator
und dem Trennsystem vermischt und die Komponenten werden gemischt
im allgemeinen unter Vakuum und gekühlt, dann zwischen zwei Glasformen
gegossen. Der gefüllten
Form wird dann erlaubt, thermisch zu härten in einer Wanne und/oder
Ofen für
10 bis 72 Stunden.
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Das
interne Trennmittel oder -Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung
ist eine Mischung von mono- und/oder disubstituierten kurzkettigen
C2 bis C6 Alkylphospat-
und mono- und disubstituierten
langkettigen C7 bis C18 Alkylphosphatestern.
Im Falle der Dialkylphosphate (unbeachtlich der Kettenlänge) befindet sich
eine P-OH-Gruppe in dem Dialkylphosphat-Molekül. Im Falle der Monoalkylphosphate
befinden sich zwei P-OH-Gruppen in dem Monoalkylphosphat-Molekül.
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Die
Alkylgruppen des kurzkettigen Dialkylphosphats können dieselben oder verschiedene
sein und die Alkylgruppen des Mono- und Dialkylphosphats können dieselben
oder verschiedene sein. Illustrative Alkylgruppen und Kombinationen
von Alkylgruppen beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf
Mono- oder Diethyl-, Mono- oder Dipropyl-, Mono- oder Dibutyl-,
Mono- oder Dipentyl-, Mono- oder Dihexyl-Phosphate. Auch Ethylpropyl-,
Ethylbutyl-, Ethylpentyl-, Ethylhexyl-, Propylbutyl-, Propylpentyl-,
Propylhexyl- und andere disubstituierte Phosphate können verwendet
werden. Jede beliebige Kombination dieser kurzkettigen Ester kann
im allgemeinen verwendet werden. In jenen Ausführungsformen, wo lediglich
kurzkettige Alkylphosphate verwendet werden, liegt im allgemeinen
das Mono- C2 bis C6 Alkylphospat
in einer Menge von ≥ 20
wt% vor. In den meisten Ausführungsformen
sind die Verhältnisse
vorzugsweise im Bereich von 20 wt% bis 60 wt% monosubstituiert,
40 wt% bis 80 wt% disubstituiert.
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Die
kurzkettigen Alkylphosphatester sind vorzugsweise Mono- oder Dipropyl-,
Mono- oder Dibutyl-, Mono- oder Dipentyl, in Mischungen von 30 wt%
bis 50 wt% monosubstituierte und 50 wt% bis 70 wt% disubstituierte
Phosphate.
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Am
meisten bevorzugt ist die kurzkettige Alkylphosphatmischung ein
45 % monosubstituierter und 55 % disubstituierter Butylphosphatester.
Monobutylsäurephosphat
und Dibutylsäurephosphat
in einem 45 : 55 wt/wt – Verhältnis ist
kommerziell erhältlich
von den Chemiekonzernen Kodak und Johoko. Hierin wird später diese
spezielle Phosphatmischung als die MBP/DBP-Mischung bezeichnet.
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Der
Vorteil der Verwendung kurzkettiger Mono- und Dialkylphosphate in
einer Kombination gemäß der vorliegenden
Erfindung verglichen mit der separaten Verwendung von jedem dieser
Phosphate wird in den Vergleichsbeispielen 9 und 10 demonstriert.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wurde für das Einschließen von
längerkettigen
Alkylphosphaten in das Monomer gefunden, dass es die Formtrenn-
und andere Eigenschaften außerordentlich
verbessert. Speziell die Effizienz des kurzkettigen Mono- und Dialkylphosphatsystems
kann verbessert werden ferner durch Zugeben eines C7 bis
C18 Mono- und/oder Dialkylphosphates.
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Die
Alkylgruppen des eines C7-C18 Dialkylphosphates
können
dieselben oder verschiedene sein und die Alkylgruppen des eines
C7-C18 Mono- und
Dialkylphosphates können
dieselben oder verschiedene sein. Illustrative Alkylgruppen und
Kombinationen von Alkylgruppen beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf Mono-
und/oder Diheptyl-, Mono- und/oder Dioctyl-, Mono- und/oder Dinonyl-,
Mono- und/oder Didecyl-, Mono- und/oder Diundecyl-, Mono- und/oder
Didodecyl-, Mono- und/oder Ditetradecyl-, Mono- und/oder Dihexadecyl-,
Mono- und/oder Dioctadecyl-Phosphate. Auch beinhaltet sind Heptyloctyl-,
Heptylnonyl-, Heptyldecyl-, Octylnonyl-Phosphate usw.
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Die
langkettigen Phosphatester sind vorzugsweise Mono- und/oder Di-,
C7 bis C18 Alkylphosphate
und am meisten bevorzugt das Mono- und/oder Di-, C8 bis
C16 Alkylphosphat, kommerziell erhältlich von
DuPont Chemical, bekannt als ZelecTMUN.
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Die
Anwesenheit von 600 ppm ZelecTMUN zusätzlich zu
kurzkettigen Alkylphosphatestern kann das gesamte Trennerfordernis
reduzieren um annähernd
50 % bis 60 % der gesamten Trennerfordernis verglichen mit allein
verwendeten kurzkettigen Phosphaten (siehe Beispiel 7).
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Für alle Beispiele
wurden gerade kurzkettige (C2 bis C6) und gerade langkettige (C7 bis
C18) Alkylphosphate verwendet. Es wird jedoch
angenommen, dass verzweigtkettige Alkylphosphate zufriedenstellend
arbeiten würden.
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Die
Menge an zu verwendender Phosphatesterzusammensetzung wird weit
variieren, abhängig
von den gewünschten
Eigenschaften des Polyurethan- und Polythiourethanprodukts. Ein
Fachmann, der die vorliegende Beschreibung als Anleitung verwendet,
wird in der Lage sein, angemessene Mengen zu bestimmen, die für eine spezielle
Anwendung zu verwenden sind.
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Für die Herstellung
von Linsen werden die Menge und der Typ der Alkylphosphate der vorliegenden Erfindung
ausgewählt
durch Beachtung der Trennfähigkeitsleistung
der Polyurethan- oder Polythiourethanlinse von der Form und den
physikalischen und optischen Eigenschaften der Linse. Die Linse
sollte sich konsistent von der Form ohne Beschädigen der Linse oder der Form
mit Produktionsausbeuten von 90 % oder besser lösen. Die interne Trennung sollte
nicht die optische Klarheit, den Brechungsindex, die Steifigkeit,
Härte, Schlagbeständigkeit,
Kratzbeständigkeit,
Tönbarkeit,
Beschichtbarkeit oder Einfassen nachteilig beeinflussen. Exakte
Mengen und Typen von zu verwendenden Alkylphosphaten können bestimmt
werden von Fachleuten mittels der vorliegenden Beschreibung als
Anleitung. Im allgemeinen können
die C2-C6 Phosphatester
vorhanden sein bei Konzentrationen, die von 1000 ppm bis 15000 ppm
bezogen auf das Gewicht, basierend auf dem Gesamtgewicht des Monomersystems,
vorliegen, wobei C7-C18 Phosphatester
zwischen 400 ppm und 1600 ppm gewichtsbezogen vorliegen. Vorzugsweise,
basierend auf dem Gesamtgewicht des Monomersystems können die
C2-C6 Phospatester
vorliegen bei Konzentrationen, die von 1000 ppm bis 7000 ppm gewichtsbezogen
reichen mit C7-C18 Phosphatestern
zwischen 400 ppm und 800 ppm gewichtsbezogen. Am meisten bevorzugt,
basierend auf dem Gesamtgewicht des Monomersystems, können die
C2-C6 Phosphatester
vorliegen bei Konzentrationen von 1500 ppm bis 3000 ppm gewichtsbezogen,
mit C7-C18 Phosphatestern
bei 500 ppm bis 700 ppm gewichtsbezogen.
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Das
Verhältnis
der kurzkettigen zu langkettigen Alkylphosphatester ist vorzugsweise
im Bereich von 1,5:1 bis 8:1, mehr bevorzugt von 2,5:1 bis 4,0:1.
Während
Verhältnisse
außerhalb
dieser bevorzugten Bereiche nicht außerhalb des Bereichs der Erfindung
liegen, können
für manche
Anwendungen, wie beispielsweise Hochqualitätslinsen, die Trennqualitäten nicht
als so vorteilhaft wie jene der oben aufgeführten bevorzugten Verhältnisse
sein.
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Die
tri-substituierten Alkylphosphate haben keine aktive Hydroxygruppe,
um mit den NCO funktionellen Gruppen zu reagieren und sind nicht
in der Lage, eine Bindung auszubilden und in das Polymernetzwerk eingearbeitet
zu werden. Im allgemeinen wird keine Trennung von der Form erzielt
bei Verwendung von tri-substituierten Phosphaten, und während sie
nicht vom Bereich der vorliegenden Erfindung ausgeschlossen sind, wird
kein Vorteil deren Verwendung darin erzielt.
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Die
NCO enthaltenden Verbindungen können
umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Isophoron-Diisocyanat,
Hexamethylen-Diisocyanat, jedes beliebige Isomer von Toluol-Diisocyanat und jedes
beliebige Isomer von Xylol-Diisocyanat, Isocyanatoethyl-2,6-Diisocyanotohexanoat,
4,4'-Diphenylmethan-Diisocyanat,
jedes beliebige Isomer von Tetrachlorotoluol-Diisocyanat oder Tetrachloroxylol-Diisocyanat.
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Die
bevorzugten NCO enthaltenden Verbindungen sind die aromatischen
Diisocyanate, wie beispielsweise m-Xylol-Diisocyanat, p-Xylol-Diisocyanat,
p-Toluol-Diisocyanat oder m-Toulol-Diisocyanat.
Das am meisten bevorzugte von diesen ist m-Xylol-Diisocyanat.
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Die
SH/OH enthaltenden aliphatischen oder aromatischen Verbindungen
müssen
zwei oder mehrere SH-Gruppen, zwei oder mehrere OH-Gruppen, oder
eine oder mehrere OH-Gruppen in Kombination mit einer oder mehreren
SH-Gruppen enthalten. Diese Verbindungen beinhalten, sind jedoch
nicht beschränkt
auf: Di-(2-mercaptoethyl)-ether, 1,2-Ethandiol, 1,4-Butan-dithiol, Trimethylolpropan-tris-(thioglykolat),
Glycerol, Thioglycerol, Pentaerythritoltetrakis-(beta-mercaptopropionat),
Pentaerythritol-tris-(beta-mercaptoporpoionat), Pentaerythritoltetrakis-(thioglykolat),
1,2,3-Trimercapto-benzol und 4-Methyl-1,2-dimercaptobenzol.
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Von
diesen die bevorzugten Verbindungen sind Pentaerythritoltetrakis-(beta-mercaptopropionat), Pentaerythritol-tris-(beta-mercaptopropionat)
und Thioglycerol. Die am meisten bevorzugte Verbindung ist Pentaerythritoltetrakis-(beta-mercaptopropionat).
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Die
NCO enthaltenden Verbindungen und SH/OH enthaltenden Verbindungen
werden im allgemeinen gemischt, so dass das Verhältnis von NCO zu SH + OH-Gruppen
im allgemeinen 0,5 zu 3,0, vorzugsweise 0,75 zu 1,5, und am meisten
bevorzugt 1 zu 1 ist. Der Effekt eines Verhältnisses, das weniger als 0,5
ist, ist ein weiches, gummiartiges Material. Das gehärtete Polymer
kann nicht gut von beliebigen Härtungsformen
getrennt werden und kann faule Gerüche emittieren, wenn es bearbeitet
wird. Wenn das Verhältnis
größer als
3,0 ist, kann das Material gelb, spröde sein und optische Verzerrungen
enthalten.
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Die
Monomer-Mischung wird katalysiert mit einem beliebigen Standardurethan-
oder Thiourethankatalysator, wie beispielsweise Dibutylzinndilaurat,
Dibutylzinndichlorid, im allgemeinem im Bereich von 20 bis 2000
ppm. Der vorzuziehende Konzentrationsbereich ist 30 bis 250 ppm,
und am meisten bevorzugt 40 bis 125 ppm.
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Überschüssiger Katalysator
in dem Monomer kann in milden Fällen
eine optische Verzerrung in den resultierenden Linsen verursachen,
in schweren Fällen,
vorzeitiges Gelen bzw. Gelieren und riskante Polymerisation. Zu
wenig Katalysator wird in einem ungenügenden Härten des Polymers resultieren.
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Standard-UV-Absorber
können
ebenfalls zu der Polymer-Mischung zugegeben werden. UV-Absorber, wie beispielsweise
Cyasorb UV 5411 (ein Benzotriazolderivat), Cyasorb UV 9 und UV 24
(beide Benzophenolderivate), und Cyasorb UV 3638 (ein Benzotriazolderivat),
erhältlich
von Cytec Industries, Inc., können
alle verwendet werden. Der Bereich kann zwischen 100 und 5000 ppm,
vorzugsweise 1000 bis 5000 ppm und am meisten bevorzugt 2500 bis
5000 ppm liegen.
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Überschüssige Zugabe
des UV-Absorbers wird in gelben Linsen resultieren. Zu wenig UV-Absorber kann ein
schnelleres Altern des Linsenmaterials verursachen.
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Die
Erfindung wird nun beschrieben mit Bezug auf die folgenden Beispiele,
welche nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung beschränken sollen.
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Verfahren für die Monomer-Herstellung
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In
den folgenden Beispielen wurden die Monomer-Mischungen wie folgt
hergestellt:
- 1. Ein Mischgefäß wird mit
Poly(thi)ol beladen, das in den Reaktor unter Vakuum fließt. Die
Inhalte des Reaktors werden zwischen –10° Celsius und 20° Celsius
während
der Ansatzherstellung und Formbefüllung gehalten. Vorzugsweise
ist die Temperatur zwischen 0° Celsius
und 20° Celsius
und am meisten bevorzugt zwischen 5° Celsius und 15° Celsius.
- 2. Die Gesamtmenge von benötigtem
Diisocyanat wird berechnet. Es ist die Gesamtmenge, die benötigt wird,
um das Mol-Verhältnis
von NCO zu OH + SH-Gruppen einzustellen.
- 3. Zwischen 70 % und 80 % des benötigten Diisocyanats werden
zu dem Reaktor zugegeben. Das verbleibende Diisocyanat wird verwendet,
um das Trennmittel, den optionalen UV-Absorber und den Katalysator im
Gefäß vorzumischen.
- 4. Zusammensetzungen ohne UV-Absorber: Annähernd 15 % bis 30 % von Diisocyanat
wird benötigt
für jede
von zwei Additiv-Vormischungen. Das in jeder Additiv-Vormischung verwendete
Diisocyanat ist: (Gesamtmenge von Diisocyanat, das für den Monomeransatz
benötigt
wird minus der Menge an zugegebenen Diisocyanat in Schritt 3) /2.
Wenn
ein optionaler UV-Absorber zugegeben wird, wird eine separate Additiv-Vormischung für diese
Zugabe verwendet. In diesem Fall werden ca. 5 % bis 10 % an Diisocyanat
benötigt
für jede
der drei Additiv-Vormischungen. Das in jeder Additiv-Vormischung verwendete
Diisocyanat ist: (Gesamtmenge an Diisocyanat, das für den Monomeransatz
benötigt
wird minus der Menge an in Schritt 3 zugegebenem Diisocyanat)/3.
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Additiv-Vormischung #1:
-
- 5. Die Menge an in Schritt 4 berechnetem Diisocyanat
wird in einen geeigneten Kolben plaziert mit sanftem Rühren unter
trockenem Stickstoff. Eine Menge von 45-55 wt% Mono- bis Dibutylphosphat-Mischung,
insgesamt 0,2 % des Monomeransatzgewichtes ausmachend, wird langsam
zum Kolben zugegeben. Die Phosphatmischung muss sich komplett lösen. Zu
dieser Zeit wird eine Menge von C8 bis C18 Mono- und Dialkylphosphaten, insgesamt
600 ppm der Monomeransatzgröße ausmachend,
langsam zugegeben. Nachdem sich diese Zugabe vollständig gelöst hat,
werden die Inhalte des Kolbens zum Reaktor unter Vakuum zugegeben.
Die beschriebenen Phosphate werden vorzugsweise separat in dieser
Reihenfolge zugegeben. Eine gleichzeitige Zugabe oder eine Umkehr
der Reihenfolge der Zugabe kann in trüben Linsen resultieren.
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Additiv-Vormischung #2
(UV-Absorber):
-
- 6. Mittels des selben Verfahrens wie oben wird
eine Menge an UV-Absorber, basierend auf der Monomeransatzgröße, zu dem
Kolben und anschließend
dem Reaktor zugegeben. Um klare transparente Linsen sicherzustellen,
wird der UV-Absorber vorzugsweise separat von den Phosphaten und
dem Katalysator zugegeben.
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Additiv-Vormischung #
2 (oder #3 wenn UV-Absorber):
-
- 7. Mittels des selben Verfahrens wie in Schritt
5, wird eine Menge an Katalysator, basierend auf der Monomeransatzgröße, zu dem
Kolben und anschließend
dem Reaktor zugegeben. Der Katalysator wird vorzugsweise separat
von den Phosphaten und dem UV-Absorber zugegeben, da er das Diisocyanat
veranlassen kann, unerwünscht
mit jeder Komponente zu reagieren.
- 8. Der Mischung wird erlaubt, unter Vakuum im Reaktor zu mischen.
Die Mischzeit ist im allgemeinen 0,5 bis 8 Stunden, vorzugsweise
0,5 bis 4 Stunden und am meisten bevorzugt 1 bis 2 Stunden. Der
Absolutdruck im Reaktor ist im allgemeinen 1 bis 100 Torr, vorzugsweise
1 bis 50 Torr und am meisten bevorzugt 1 bis 10 Torr.
- 9. Nachdem das Mischen vollständig ist, werden die Formen
gefüllt
von der Monomermischung im Reaktor.
- 10. Die Formen werden in verschiedenen Härtungszyklen von 10 bis 100
Stunden Länge
platziert. Die anfänglichen
Starttemperaturen sind im allgemeinen 0° Celsius bis 30° Celsius
und steigen bis 100° Celsius bis
135° Celsius,
steigen dann letztendlich auf 50 bis 75° Celsius vor der Zerlegung der
Formen.
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Beispiele 1 bis 3: Zusammensetzungen
nur mit MBP/DBP
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Beispiel 1
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Für Beispiel
1 war das Polythiol Pentaerythritoltetrakis-(3-mercaptopropionat)
in einer Menge von 1000 Gramm.
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Das
Diisocyanat war m-Xyloldiisocyanat in einer Gesamtmenge von 769,2
Gramm, 616,2 Gramm für die
anfängliche
Ladung und 76,5 Gramm für
jede Additiv-Vormischung.
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Andere
Komponenten: 14,26 Gramm MBP/DBP und eine angemessene Menge an Katalysator.
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Sobald
bereit, wurde die Monomermischung in Glasformen gegossen und einer
Härtung
ausgesetzt. Der verwendete Härtungszyklus
hängt von
der gegossenen Linsengeometrie ab. Für dünne Linsen mit einer Mittendicke
weniger als 3,0 mm wurde ein 24-Stunden-Zyklus, beginnend zwischen
25° Celsius
und 50° Celsius,
erwärmend
auf zwischen 100° Celsius
und 135° Celsius
und abkühlend
auf zwischen 50° Celsius
und 75° Celsius
verwendet. Bei zwischen 50 und 75° Celsius
wurden die Linsen geöffnet.
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Für dicke
Linsen mit einer Mittendicke gleich oder größer als 3,0 mm wurde ein 48-Stunden-Zyklus, beginnend
bei 10° Celsius
bis 25° Celsius,
erwärmend
auf zwischen 100° Celsius
und 135° Celsius
und abkühlend
auf zwischen 50 und 75° Celsius
verwendet. Bei zwischen 50° Celsius
und 75° Celsius
wurden die Linsen geöffnet.
-
In
Beispiel 1 war der MBP/DBP-Grad 8000 ppm mit keinem ZelecTNUN. Die dicken Linsen öffneten sich sehr einfach mit
manchen Vor-Trennmarkierungen bzwl. -malen, waren klar, hatten gute
optische Qualität
mit einem starken Geruch während
der Bearbeitung.
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Beispiel 2
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Beispiel
2 repräsentiert
eine Zusammensetzung von 7000 ppm MBP/DBP und keinem ZelecTNUN. In diesem Fall wurden lediglich dicke
Linsen gegossen. Sie öffneten
sich gut, waren klar, von guter optischer Qualität und hatten einen starken
Geruch während
der Bearbeitung.
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Beispiel 3
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In
Beispiel 3 wurde der MBP/DBP-Grad auf 5000 ppm gebracht und ohne
ZelecTNUN. Die dicken Linsen waren schwierig
zu öffnen
ohne Schaden. Die Linsen, die sich öffnen ließen, waren klar mit guter optischer Qualität. Geruchstests
wurden nicht durchgeführt.
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Beispiele 4 bis 8: Zusammensetzungen
mit MBP/DBP und ZelecTNUN
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Beispiel 4
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Um
den Geruch nach der Linsenerzeugung zu reduzieren, wurde ein niedrigerer
Grad (4000 ppm) an MBP/DBP getestet. Um sich gegen einen Formenschaden
abzusichern, wurden 1600 ppm ZelecTNUN zugegeben.
Es wurden lediglich dicke Linsen gegossen. Die dicken Linsen öffneten
sich sehr einfach mit manchen Verformungen, waren klar und von guter
optischer Qualität.
Ein milder Geruch trat während
der Bearbeitung auf.
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Beispiel 5
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Der
MBP/DBP-Grad wurde reduziert auf 2000 ppm. Die dicken Linsen waren
sehr einfach zu öffnen und
mit manchen Verformungen, waren klar, hatten eine gute optische
Qualität
und hatten einen milden Geruch während
der Bearbeitung. Dünne
Linsen waren einfach zu öffnen
mit manchen Verformungen.
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Beispiel 6
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Der
MBP/DBP-Grad war bei 2000 ppm und das ZelecTNUN
wurde verringert auf 850 ppm. Die dünnen Linsen waren einfach zu öffnen mit
keiner Verformung, manchen Vor-Trennmarkierungen,
waren klar, hatten gute optische Qualität und hatten einen milden Geruch
während
der Bearbeitung.
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Beispiel 7
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Der
MBP/DBP-Grad war bei 2000 ppm und das ZelecTNUN
wurde verringert auf 600 ppm. Dünne
Linsen waren einfach zu öffnen
mit keinen Verformungen, hatten keine Vor-Trennmarkierungen, waren klar, hatten
eine gute optische Qualität
und hatten einen milden Geruch während
der Bearbeitung. Dieses Beispiel repräsentiert die am meisten bevorzugte
Ausführungsform.
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Beispiel 8
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Der
MBP/DBP-Grad war bei 3000 ppm und das ZelecTNUN
war bei 600 ppm. Die dünnen
Linsen waren einfach zu öffnen,
hatten Vor-Trennmarkierungen bzw. -male, waren klar, hatten eine
gute optische Qualität und
hatten einen milden Geruch während
der Bearbeitung.
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Vergleichsbeispiel 1
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Kein
MBP/DBP wurde zugegeben und das ZelecTNUN
war vorhanden bei 1000 ppm. Die dünnen Linsen waren schwer zu öffnen, hatten
einen gewissen Formschaden und waren trüb.
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Vergleichsbeispiel 2
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Diethylphosphat
war vorhanden bei 2600 ppm. Die dicken Linsen waren einfach zu öffnen, hatten
keine Trübung,
die Linsen waren jedoch gelb.
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Vergleichsbeispiele 3,
4 und 5
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Ethylhexylethoxylcarbonylphosphat,
Tributylphosphat und Triethylphosphat wurden jeweils zu 2700 ppm
zugegeben. In allen Fällen öffneten
sich die dicken Linsen nicht und die Formen waren verloren.
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Vergleichsbeispiele 6,
7 und 8
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Tris(2-ethylhexyl)phosphat,
Tributylphosphat und Triethylphosphat wurden jeweils zu 7000 ppm
zugegeben. In allen Fällen öffneten
sich die dicken Linsen nicht und die Formen waren verloren. Die
Vergleichsbeispiele 6, 7 und 8 repräsentieren alle die trisubstituierten
Phosphate.
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In
allen sechs Fällen
trennten sich die Linsen nicht von den Formen, bei Konzentrationen,
wo MBP/DBP erfolgreich war. Diethylphosphat trennte sich erfolgreich
bei niedrigeren Konzentrationen.
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Vergleichsbeispiel 9
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DBP
bei 7000 ppm. Die dicken Linsen waren schwer zu öffnen mit einem gewissen Formenschaden.
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Vergleichsbeispiel 10
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Reines
Monobutylphosphat bei 7000 ppm. Die dicken Linsen waren schwer zu öffnen mit
einem gewissen Formenschaden und waren trüb.
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