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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Herstellung von Kunststoffbahnen. Insbesondere betrifft die
vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von Kunststoffbahnen, die eine geringe verbleibende Spannung und
eine hohe Oberflächenqualität aufweisen.
Kunststoffbahnen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden
sind, sind insbesondere für
Anwendungen bei optischen und elektronischen Displays, wie zum Beispiel
optischen Fenstern, optischen Filtern, Aufnahmemedien und Flüssigkristall-Displays
(LCD) geeignet.
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Glas-
oder Quarzbahnen optischer Qualität werden bei Anwendungen für elektronische
Displays als „Substrate" verwendet. Bei solchen
Anwendungen ist das „Substrat" eine Materialbahn,
die benutzt wird, um ein elektronisches Display zu bilden. Solche Substrate
können
transparent, durchscheinend oder opak sein, sind typischerweise
aber transparent. Im allgemeinen weisen solche Bahnen leitende Beschichtungen
auf, die auf sie aufgebracht werden, bevor sie als Substrate verwendet
werden. Solche Substrate weisen häufig strenge Spezifikationen
hinsichtlich der optischen Klarheit, Flachheit und minimaler Doppelbrechung
auf und müssen
typischerweise eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber der Durchdringbarkeit
mit Gas und Flüssigkeiten
zeigen. Mechanische Eigenschaften wie Flexibilität, Schlagwiderstandsfähigkeit,
Härte und
Kratzwiderstandsfähigkeit
stellen ebenso wichtige Überlegungen
dar. Glas- oder Quarzbahnen sind für Displayanwendungen verwendet
worden, weil diese Materialien geeignet sind, die optischen Anforderungen
und die Anforderungen hinsichtlich der Flachheit zu erfüllen und weil
sie gute thermische und chemische Widerstandsfähigkeit- und Barriereeigenschaften
aufweisen. Diese Materialien weisen jedoch einige der erwünschten
mechanischen Eigenschaften nicht auf, von denen die bemerkenswertesten
eine geringe Dichte, Flexibilität
und Schlagwiderstandsfähigkeit sind.
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Angesichts
der mechanischen Beschränkungen
von Glas- oder Quarzbahnen für
optische oder Displayanwendungen ist es wünschenswert, für solche
Anwendungen Kunststoffbahnen zu verwenden. Obwohl Kunststoffbahnen
eine größere Flexibilität aufweisen,
eine größere Bruchwiderstandsfähigkeit aufweisen
und leichter sind als Glas- oder Quarzbahnen gleicher Dicke, ist
es in der Vergangenheit sehr schwierig gewesen, Kunststoffbahnen,
die die benötigten
optischen Spezifikationen, wie sie zur Benutzung in optischen und
Displayanwendungen benötigt werden,
erfüllen,
zu vernünftigen
Kosten herzustellen. Darüber
hinaus treten bei vielen Typen an Kunststoffbahnen nicht akzeptable
Verformungen der Dimensionen auf, wenn diese während der Herstellung der Displayvorrichtungen
Herstellungsbedingungen für
Substrate ausgesetzt werden. Dies gilt insbesondere im Hinblick
auf die Temperatur.
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Es
gibt verschiedene kommerziell genutzte Verfahren zur Herstellung
von Kunststoffbahnen und Filmen, einschließlich Guss-, Extrusions-, Formpress-
und Streckverfahren. Einige dieser Verfahren sind zur Herstellung
von Hochqualitätskunststoffbahnen
nicht geeignet. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird der
Begriff „Hochqualität" verwendet, um Kunststoffbahnen
zu beschreiben, die die folgenden Eigenschaften aufweisen: Geringe
Oberflächenrauheit,
geringe Welligkeit, geringe Dickenvariation und eine minimale Menge
an Polymerkettenorientierung (wie sie zum Beispiel anhand asymmetrischer physikalischer
Eigenschaften wie Doppelbrechung oder thermischer Schrumpfung gemessen
werden).
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Es
ist zum Beispiel wahrscheinlich, dass das Spritzgussverfahren ein
hohes Ausmaß an
Polymerkettenorientierungen, insbesondere bei dünnen Bahnen, wegen des Fließens des
geschmolzenen Kunststoffs in die Form bewirkt. Dadurch wird die
Doppelbrechung für
Polymere mit nicht-vernachlässigbaren Photoelastizitätskoeffizienten
in nicht akzeptabler Weise erhöht.
Das Spritzformpressen ist ein verbessertes Gießverfahren, das es erlaubt,
das Polymer nach dem Einspritzen zu quetschen, um die Oberflächenqualität zu verbessern
und die Polymerkettenorientierung zu reduzieren. Trotz dieser Verbesserungen
erlaubt das Spritzformpressen nur begrenzt, Hochqualitätsbahnen
herzustellen.
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Formpressen
und Presspolieren können
zur Herstellung von Bahnen mit guter Oberflächenqualität verwendet werden. Der Quetschfluss,
der bei solchen Verfahren inhärent
auftritt, resultiert jedoch in einer Polymerkettenorientierung,
die zu einer nicht-akzeptablen Schrumpfung während der thermischen Kreislaufführung führt. Darüber hinaus
können diese
Verfahren nicht kontinuierlich geführt werden und erhöhen damit
die Arbeits- und Produktionskosten.
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Spannverfahren
(zum Beispiel zur Herstellung von uniaxial- oder biaxial-orientierten – Filmen) und
die Glasfolienextrusion bewirken inhärent große Mengen an Polymerkettenorientierung
und sind nicht zur Herstellung von Hochqualitätskunststoffbahnen geeignet.
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Das
Lösungsmittelgießen kann
verwendet werden, um Hochqualitätsfilme
herzustellen. Es gibt jedoch praktische Beschränkungen hinsichtlich der maximalen
Filmdicke, die mit diesem Verfahren erreicht werden kann. Darüber hinaus
muss das Lösungsmittel,
das zum Gießen
verwendet wird, nach der Herstellung der Bahn entfernt werden.
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US-A-4930565
offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Filmes aus einem geschmolzenen Material,
bei der eine Trommel oder eine Walze verwendet werden, um das geschmolzene
Material von der Überlaufdüse wegzuführen.
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Das
Dokument EP-A-914926, das gemäß Art. 54(3)
EPC zum Stand der Technik gehört,
offenbart alle Merkmale von Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung
außer
der Tatsache, dass das Polycarbonat als Bisphenol zumindest teilweise
1,1-bis(4-Hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethylcyclohexan
enthält.
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Die
Folienextrusion wird als kontinuierlicher Vorgang betrieben, allerdings
führt dieses
Verfahren zu einer nicht akzeptablen Polymerkettenorientierung wegen
der Art des Polymerflusses in die Düse und zwischen den polierten
Walzen in dem Walzenstapel.
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Es
gibt daher ein andauerndes Bedürfnis
für ein
Verfahren zur Herstellung relativ günstiger Hochqualitätskunststoffbahnen
in kontinuierlicher Weise, wobei die resultierende Kunststoffbahn
geeignet ist, als Substrat bei optischen und elektronischen Displayanwendungen
verwendet zu werden.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist hinsichtlich ihrer verschiedenen Aspekte
in den Ansprüchen
dargestellt. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Herstellung von Kunststoffbahnen optischer Qualität, wie es
in Anspruch 1 offenbart ist, beinhaltend die Schritte: a) Bereitstellen
eines geschmolzenen Kunststoffharzes; b) Zuführen des geschmolzenen Kunststoffharzes
an eine Überlaufdüse, die
einen Zugang, einen Ausgang und ein Paar Düsenlippen und konvergierende
Seiten, die im Querschnitt in einer Spitze zulaufen, hat; c) Formen des
geschmolzenen Kunststoffharzes unter Verwendung besagter Überlaufdüse in ein
geschmolzenes Netz, wobei das geschmolzene Kunststoffharz auf die
Düsenlippen
und um die Seiten herumfließt
und an der Spitze konvergiert, um das geschmolzene Netz zu bilden;
d) Wegführen
des besagten geschmolzenen Netzes von besagter Überlaufdüse unter Verwendung eines Abnahmemittels,
das nur die äußeren Ränder des
Netzes kontaktiert; und e) Abkühlen
von besagtem geschmolzenen Netz, um eine feste Bahn zu bilden, wobei
das geschmolzene Kunststoffharz ein Polycarbonat ist, enthaltend
die Bisphenolkomponenten: (1) 1,1-Bis(4-Hydroxyphenyl)-3,3,5-Trimethylcyclohexan;
(2) eine Mischung von 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propan und 1,1-Bis(4-hydroxyphenyl)-3,3,5-Trimethylcyclohexan;
eine Mischung von (1) und (2); oder eine Mischung von (1) oder (2)
mit einem zweiten Polycarbonat, enthaltend die Bisphenolkomponente 2,2,-Bis(4-Hydroxyphenyl)propan.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Substrat für ein Flüssigkristall-Display,
umfassend a) eine Kunststoffbahn optischer Qualität, die nach
dem Verfahren gemäß Anspruch
1 hergestellt wird, und b) eine leitende Schicht, die auf mindestens
einer Seite der Bahn angebracht ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Substrat für ein Flüssigkristall-Display,
umfassend a) eine Kunststoffbahn optischer Qualität, die nach
dem Verfahren gemäß Anspruch
1 hergestellt worden ist, und b) eine Schicht von aktiven elektronischen
Vorrichtungen, die auf mindestens einer Seite der Bahn aufgebracht
sind.
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Kurze Beschreibung
der Abbildungen
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1 ist eine Vorderansicht
einer typischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist eine Seitenansicht
der Vorrichtung aus 1.
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3A–3C sind
Großansichten
der Überlaufdüse 20. 3A ist eine perspektivische
Ansicht der Düse
mit einem daran angebrachten Heizverteiler. 3B ist eine Draufsicht der Düse und 3C ist eine Seitenansicht
der Düse.
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4 ist eine Querschnittsansicht
der Überlaufdüse 20.
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5–7 zeigen
verschiedene Ausführungsformen
der Überlaufdüse der vorliegenden
Erfindung. 5 stellt
eine Überlaufdüse dar,
die eine Reihe an Löchern
anstelle des Schlitzes 22 der Düse 20 aufweist. 6 stellt eine Überlaufdüse dar,
die einen sich nicht-verjüngenden
Schlitz aufweist und 7 stellt
eine Überlaufdüse dar,
die eine „Kleiderbügel"-Anordnung aufweist.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Im
Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden für die folgenden Begriffe die
folgenden Definitionen verwendet, es sei denn, dass der Kontext deutlich
etwas anderes anzeigt. „Glasübergangstemperatur" oder „Tg" ist der Mittelpunkt
des schmalen Temperaturbereiches, über den Polymere aus einem relativ
harten und brüchigen
Zustand in einen relativ weichen und viskosen (gummiartigen) Zustand übergehen.
Der Begriff „Kunststoff" bezieht sich auf
Polymere wie thermoplastische Polymere, die Bahnen bilden können. Die
Begriffe „Polymer" und „Harz" werden im Rahmen
der Beschreibung miteinander austauschbar verwendet und beinhalten
alle Typen an Polymeren und Harze einschließlich, ohne Beschränkung, Homopolymere,
Copolymere, Terpolymere und ähnliche.
Der Begriff „Bahn" bezieht sich auf
eine Bahn, die eine Dicke von circa 25 mm oder weniger hat, und
soll auch den Begriff „Filme" (Bahnen mit einer
Dicke von < 0,5
mm) beinhalten. Der Begriff „Schrumpfung" bezieht sich auf
eine irreversible Änderung
hinsichtlich der Dimensionen, die bei einer Bahn auftritt, die einem
Erhitzen-Abkühlen-Zyklus unterworfen
wurde. Die Begriffe „Bisphenol
A" und „2,2-bis(4-Hydroxyphenyl)propan" werden im Rahmen
der Beschreibung miteinander austauschbar verwendet. Der Begriff „Bisphenol
A Polycarbonat" bezieht
sich auf ein Polycarbonat, das Bisphenol A und Phosgen enthält. Die
folgenden Abkürzungen werden
im Rahmen der Beschreibung verwendet: cm = Zentimeter, mm = Millimeter,
nm = Nanometer, μ = Mikron
(Mikrometer), g = Gramm, mL = Milliliter, Pa = Pascal, kPa = Kilopascal,
Pa-s = Pascal-Sekunde, sec = Sekunde, min = Minute, hrs = Stunde,
UV = Ultraviolett und IR = Infrarot. Alle Temperaturangaben sind °C gegeben,
es sei denn, dass es anders angezeigt wird. Angegebene Bereiche
sind inklusive zu verstehen, es sei denn, dass es anders angezeigt wird.
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Die
Hochqualitätskunststoffbahnen,
die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt werden, können
in einer Reihe von Anwendungen verwendet werden, die, ohne darauf
beschränkt
zu sein, einschließen:
Substrate für
elektronische Displayvorrichtungen, wie zum Beispiel LCD und elektroluminiszierende
Dispslays, optische Fenster und Filter, Substrate für optische,
magnetische, chemische oder andere Typen von Aufnahmemedien, Substrate
für Bildanwendungen
wie zum Beispiel photographische oder Röntgenstrahlenanwendungen. Abhängig von der
Verwendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Bahnen, können
die Bahneigenschaften, wie eine geringe Schrumpfung, geringe Doppelbrechung
und Oberflächenqualität bzgl.
ihrer relativen Wichtigkeit variieren. Die gewünschte Bahndicke wird ebenfalls
von der jeweiligen Verwendung abhängen. Sie wird aber im allgemeinen
circa 25 mm oder weniger, bevorzugt 10–5000 μ und am meisten bevorzugt 50– 1000 μ sein. Die
Bahndicke kann durch die Variierung der Geschwindigkeit des Auslieferns
des geschmolzenen Polymers an die Düse oder die Variierung der
Geschwindigkeit der Abnahmemittel angepasst werden. Die Dicke-Abweichung über eine
Probenlänge
von 400 mm sollte im allgemeinen 10% oder weniger, bevorzugt 5%
oder weniger und am meisten bevorzugt 1% oder weniger sein.
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Eine
erfindungsgemäße Bahn
oder ein erfindungsgemäßer Film
sind zur Verwendung als ein Substrat für eine elektronische Displayvorrichtung,
z. B. eine Flüssigkristall-Displayvorrichtung
geeignet. Solche Substrate werden häufig mit einer oder mehreren
Filmbeschichtungen beschichtet, bevor eine leitende Schicht oder
eine Schicht mit aktiven elektronischen Vorrichtungen, wie zum Beispiel
Dünnfilmtransistoren
oder Dioden, aufgebracht wird. Die Beschichtungstypen, die aufgebracht
werden können, schließen quervernetzte
Beschichtungen, Barrierebeschichtungen und leitende Beschichtungen
ein.
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Eine
quervernetzte Beschichtung kann die Lösungsmittelwiderstandsfähigkeit
und die Abriebwiderstandsfähigkeit
verbessern und kann die Adhäsion
zwischen dem Kunststoffsubstrat und der sich daran anschließenden Beschichtungsschicht
(zum Beispiel zwischen einer organischen und anorganischen Beschichtung)
verstärken.
Quervernetzte Beschichtungsschichten können, wenn sie benutzt werden, auf
eine oder beide Seiten des Kunststoffsubstrats aufgebracht werden.
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Eine
Barrierenschicht ist eine Beschichtung, die die Durchdringung mit
Gas oder Feuchtigkeit reduziert. Die Zusammensetzung einer Barrierenschicht
kann organisch oder anorganisch sein. Eine Barrierenschicht kann
auch als eine Lösungsmittel-widerstandsfähige Beschichtung
nützlich
sein, wenn das Material der Barrierenschichtung gegen Lösungsmittel
widerstandsfähig
ist und die Einwanderung von Lösungsmittel(n)
in die Kunststoffbahn verhindern oder signifikant vermindern kann.
Barrierenschichten können,
wenn sie verwendet werden, auf eine oder beide Seiten der Kunststoffbahn
aufgebracht werden.
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Erfindungsgemäße Substrate
können
mit einer leitenden Schicht zur Benutzung in optischen Displays
beschichtet werden. Wenn das Substrat zum Beispiel in einem Flüssigkristall-Display (LCD) verwendet
wird, ist eine leitende Schicht auf mindestens einer Seite des Substrats
notwendig. Typischerweise wird die leitende Schicht nur auf einer
Seite des Substrats angebracht und zwar derjenigen, die sich „innerhalb" der LCD-Zelle finden
wird und dem Flüssigkristall
am nächsten
sein wird. Alternativ kann die leitende Schicht auf beide Seiten
des Substrats aufgebracht werden. Bei einer anderen Ausführungsform wird
das Substrat mit einer oder mehreren Schichten einer Schutzbeschichtung,
Farbfilterbeschichtung oder Barrierenbeschichtungen beschichtet,
bevor es mit der leitenden Schicht beschichtet wird. Wenn die Bahn
als Substrat in Flüssigkristall-Displays
verwendet wird, kann die erfindungsgemäß hergestellte Bahn eine Schicht
von aktiven elektronischen Vorrichtungen umfassen, die auf mindestens
einer Seite der Bahn angebracht sind.
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Die
erfindungsgemäßen Substrate
können durch
Inkorporationsmaterialien und -verfahren, die den von W. C. O'Mara in Liquid Crystal
Flat Panel Displays (Van Nostrand Reinhold, New York, 1993) beschriebenen ähnlich sind,
in Flüssigkristall-Displayzellen
eingefügt
werden. Das Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristallzelle aus Substraten kann
einen oder mehrere der folgenden Schritte beinhalten: Strukturieren
eines klaren leitenden Films auf mindestens einem Substrat und Verwendung
eines photolithographischen Verfahrens; Anbringen des Ausrichtungsmaterials
für Flüssigkristalle
an der leitenden Schicht auf den zwei Substraten; Reiben der Ausrichtungsschichten,
um die Ausrichtungsmerkmale auf die Substrate zu übertragen;
Anbringung von Abstandspartikeln auf mindestens einem Substrat;
Aufbringung einer Kantendichtung auf mindestens einem Substrat;
Kontaktieren der zwei Substrate in der richtigen Orientierung, wobei
die leitenden Schichten sich gegenüberliegen; Härten der Kantendichtung;
Injektion von Flüssigkristallen
in den schmalen Spalt, der zwischen den zwei Substraten gebildet
wird und Abdichten des Spalts. Die erfindungsgemäßen Substrate können für alle Typen
von Flüssigkristall-Displayzellen
verwendet werden, einschließlich
der Typen, die eine Zusammensetzung von Flüssigkristall und Polymer inkorporieren,
der Typen, bei denen Bildelemente des Displays aktiv durch elektronische
Vorrichtungen auf dem Substrat (Aktivmatrix-Displays) adressiert
werden und der Typen, bei den die Bildelemente des Displays passiv
(sogenannte Passivmatrix-Displays) adressiert werden. Erfindungsgemäße hergestellte
Polycarbonatbahnen, die eine Schicht von elektronischen Vorrichtungen,
die auf mindestens einer Seite der Bahn angebracht ist, aufweisen,
sind insbesondere nützlich
für Flüssigkristall-Displayzellen.
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Eine
typische erfindungsgemäße Vorrichtung
ist in den 1–4 gezeigt. Wie dem Fachmann klar
ist, können
Abweichungen von den in diesen Abbildungen dargestellten Vorrichtungen
hergestellt werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Ein
geschmolzenes Polymer aus einer Quelle 10 wird an eine Überlaufdüse mittels
eines Kanals 12 (bevorzugt reguliert durch Auslieferungsmittel 14) ausgeliefert,
wo es durch die Leitungsöffnung 21 in das
Leitungselement 22 und darüber in die Düse 20 eingeführt wird.
Die Temperatur des geschmolzenen Polymers, wie es an die Düse 20 ausgeliefert
wird, wird mittels Heizmittel 15, die in unmittelbarer
Nähe zu
der Düse 20 lokalisiert
sind, aufrecht erhalten. Während
das geschmolzene Polymer die Öffnung 21 füllt, wird
es durch die Dosierungsvorrichtung, die Spalte 23, herausgepresst
und fließt
aus der Düse 20 heraus
entlang der Seiten 24 und 25. An der Spitze 26 der
Düse konvergiert
das geschmolzene Polymer, das entlang der Seiten 24 und 25 fließt, um den
Anfang eines geschmolzenen Netzes 27 zu bilden.
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Das
geschmolzene Netz 27 wird an seinen Rändern von zwei Paaren Führungsmitteln
(z. B. durch die Behälterlaufflächen 31, 32, 33 und 34)
aufgenommen, die das geschmolzene Netz von der Düse 20 wegführen. Während das
geschmolzene Netz 27 von der Düse 20 weggeführt wird,
fällt die Temperatur
des Netzes schrittweise unter die Glasübergangstemperatur des Polymers,
was in einer abgekühlten
Bahn 40 resultiert. Bei einer optionalen Ausführungsform
helfen Abkühlungsvorrichtungen 36,
die in unmittelbarer Nähe
der Wegführvorrichtungen 31, 32, 33, 34 angebracht
sind, die Temperatur des Netzes zu erniedrigen.
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Das
geschmolzene Harz kann auf verschiedene Weise zur Verfügung gestellt
werden. Zum Beispiel kann das geschmolzene Harz aus einem Polymerisationsreaktor
kommen, einer Mischvorrichtung, einer Vorrichtung zur Abnahme der
flüchtigen
Bestandteile (z. B. eine Verdampfungssäule (engl.: flash column),
einer Strangfallvorrichtung zur Abnahme flüchtiger Bestandteile (engl.:
falling strand devolatilizer) oder eine Rolldünnfilmverdampfungsvorrichtung (engl.:
wiped film evaporator) oder aus einem Extruder. Ein Extruder ist
bevorzugt, da er auch als eine Polymerauslieferungsvorrichtung (siehe
Diskussion unten) fungieren kann. Am meisten bevorzugt ist es, einen
Einschneckenextruder zu verwenden, obwohl ein Zweischneckenextruder
oder ein Mehrschneckenextruder auch verwendet werden kann. Wenn
ein Zwei- oder Mehrschneckenextruder verwendet wird, kann es sich
dabei um alle Typen, zum Beispiel gegenläufige, gleichläufige, ineinandergreifende
oder nicht-ineinandergreifende
Extruder, handeln. Dem Fachmann wird bewusst sein, dass gut bekannte Techniken
zur Handhabung und Herstellung von Harzen in dem vorliegenden beschriebenen
Verfahren verwendet werden können.
Solche Techniken schließen
die Trocknung, die Verwendung einer Inertatmosphäre, die Entstaubung von Pellets
und ähnliches ein.
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Das
geschmolzene Harz kann ein oder mehrere Kunststoffzusätze wie
zum Beispiel Antioxidantien, Ultra-Violett(UV)-Absorber, UV-Stabilisatoren, fluoreszierende
oder absorbierende Farbstoffe, antistatische Zusatzstoffe, Freisetzungsstoffe,
Füllstoffe und
Partikel enthalten. Die An und die Menge an Zusatz, die zusammen
mit spezifischen Harzen für
spezifische Zwecke verwendet werden, ist dem mit der Kunststofftechnik
vertrauten Fachmann bekannt und wir hier nicht weiter im Detail
dargestellt.
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Die
Temperatur, bei der das Harz prozessiert wird, wird von der Zusammensetzung
des Harzes abhängen
und während
des Herstellungsverfahrens variieren können. Die Temperatur muss ausreichend hoch
sein, um zu gewährleisten,
dass das Harz fließfähig ist.
Sie darf aber nicht so hoch sein, dass das Harz degradiert wird.
Die Betriebsbedingungen werden vom Polymertyp, der verarbeitet werden
soll, abhängen
und sich innerhalb der Bereiche bewegen, die dem Fachmann bekannt
sind. Als eine generelle Richtlinie wird die Betriebstemperatur
jedoch zwischen 100 und 400°C
sein. Zum Beispiel kann PMMA in einem Extruder verarbeitet werden,
wenn der Extruderzylinder eine Temperatur von 150 bis 260°C und die
Schmelztemperatur 150 bis 260°C
beträgt. Andere
Polymere, wie zum Beispiel Polycarbonat oder Polymethylmethacrylimid,
können
auch bei passenden höheren
Schmelztemperaturen (200–330°C) verwendet
werden. Es ist bevorzugt, dass flüchtige Materialien und unerwünschte Partikelmassen
aus dem geschmolzenen Kunststoffharz vor der Bahnbildung entfernt
werden. Dies kann durch Verfahren erreicht werden, wie sie dem Fachmann
bekannt sind Auslieferungsmittel 14 zum Ausliefern eines
konstanten Flusses an geschmolzenem Polymer werden benötigt, um
die Fließgeschwindigkeit
zu regulieren und die Drücke
zur Verfügung
zustellen, die benötigt
werden, um das geschmolzene Polymer durch den Kanal 12,
die Leitungsöffnung 21,
das Leitelement 22 an die Düse 20 auszuliefern.
Die Auslieferungsmittel können
jeden mechanischen Schmelzpumpentyp, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein,
jeden passenden Extruder (wie sie oben beschrieben sind), Zahnradpumpen
oder Kombinationen davon einschließen. Bei einer einfachen Form
kann es sich bei den Auslieferungsmitteln um eine durch die Gravitationskraft
angetriebene Zugvorrichtung handeln oder um hydrostatischen Druck.
Die Auslieferungsmittel können
in Übereinstimmung
mit Verfahren, wie sie dem Fachmann bekannt sind, ausgewählt werden. Die
Verwendung einer Schmelzenpumpe vom Zahnradtyp wird bevorzugt, weil
sie eine Regelung der Fließgeschwindigkeit
ermöglicht
und Abweichungen in der Fließgeschwindigkeit
minimiert, was zu einer einheitlicheren Bahndicke führt. Zusätzlich kann
die Verwendung einer Schmelzenpumpe die Musterung des geschmolzenen
Harzes reduzieren, indem die Schererwärmung des Polymers vermindert
wird. Die Temperaturen für
die Schmelze werden durch das verwendete Kunststoffharz bestimmt
und sind denen, die bei Standardextrusionsverfahren verwendet werde, ähnlich.
Typischerweise sind sie zwischen 50 und 200°C oberhalb der Tg des Harzes.
Es kann mehr als eine Auslieferungsvorrichtung zum Beispiel zur
Herstellung von breiten Bahnen, verwendet werden. Erfindungsgemäß sollen
die Auslieferungsmittel das geschmolzene Polymer an den Zugang der Überlaufdüse in einem
Bereich von 50 bis 70.000 kPa, bevorzugt 300 bis 7000 kPa und am
meisten bevorzugt 1000 bis 3500 kPa anliefern.
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Bei
einer Ausführungsform
wird die Polymerschmelze durch einen Schmelzfilter oder einen Mischer
geführt,
die sich zwischen den Auslieferungsmitteln 14 und der Düse 20 befinden.
Bevorzugt wird die Polymerschmelze zuerst durch ein Schmelzfilter
und dann einen Mischer geführt
wird. Der Filter entfernt Gele, Dreck und Fremdpartikel aus der Schmelze.
Der Mischer mischt das Polymer, um thermische Gradienten in der
Schmelze zu minimieren und die Flusslinien, wie sie vom Schmelzfilter
herrühren,
zu entfernen. Es können
beliebige Schmelzfilter für
das vorliegende Verfahren verwendet werden. Geeignete Schmelzfilter
schließen
Kerzenfilter und Scheibenfilter ein. Bevorzugt wird ein Scheibenfilter verwendet.
Jeder Mischer kann für
das vorliegende Verfahren verwendet werden, wie zum Beispiel statische
Mischer oder Rotationsmischer. Die Verwendung eines Schmelzfilters
und eines Mischers ergibt Kunststoffbahnen, die eine bessere Qualität hinsichtlich
der Kontrolle der Glattheit und Dicke aufweisen.
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Die Überlaufdüse wird
benutzt, um eine Bahn aus dem geschmolzenen Plastikharz zu bilden. Die
Düse beinhaltet
eine Dosierungsvorrichtung und eine Überlaufoberfläche mit
konvergierenden Seiten, die im Querschnitt in einer Spitze zusammenlaufen. In
Längsrichtung
kann die Düse
im wesentlichen linear, kurvig, oval oder kreisförmig sein. Das Verhältnis von
Düsenhöhe zur Breite
sollte im allgemeinen im Bereich von 1 : 1 zu 10 : 1, bevorzugt
2 : 1 bis 5 : 1 und am meisten bevorzugt 2,5 : 1 bis 4 : 1 liegen.
Das Verhältnis
der Länge
(oder des Umfangs) zur Höhe sollte
im allgemeinen mindestens 1 : 2, bevorzugt mindestens 2 : 1 und
am meisten bevorzugt mindestens 3 : 1 sein.
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Der
Dosierungsteil der Überlaufdüse besteht aus
Elementen zur Fließverteilung,
wie zum Beispiel Löchern,
Spalten, „Kleiderbügel"-Anordnungen oder Kombinationen
davon, die die Fließverteilung
des geschmolzenen Harzes entlang der Düse regulieren und damit das
Dickeprofil der Bahn kontrollieren. Beispiele für solche Dosierungsvorrichtungen
sind in den 5–7 dargestellt. Andere Dosierungsvorrichtungen,
wie sie dem Fachmann bekannt sind, können ebenfalls verwendet werden.
Die Länge
der Düse wird
von der Breite der herzustellenden Bahn abhängen, wobei das Verhältnis der
durchschnittlichen Spaltenbreite (durchschnittliche Breite der Spalte 23) zu
dem durchschnittlichen Durchmesser des Leitungselements (durchschnittlicher
Durchmesser des Leitungselements 22) im allgemeinen mindestens
1 : 5, bevorzugt mindestens 1 : 10 und am meisten bevorzugt mindestens
1 : 20 sein sollte. Für
Bahnen, die eine Enddicke von 1 mm oder weniger aufweisen, wird
eine im wesentlichen konstante Spaltenbreite entlang der Düse bevorzugt.
Bei größeren Breiten wird
ein sich verjüngender
Spalt bevorzugt, wobei der Spalt an dem Zuführende dünner und an dem entgegengesetzten
Ende dicker ist. Wenn eine breite Bahn erwünscht ist, können Leitungsöffnungen 21 und 21' (siehe 6) an beiden Enden der Düse angebracht
sein und es ist dann möglich,
dass die Spalte 23 an beiden Enden verjüngt ist.
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Die Überlaufoberfläche wird
durch das Äußere der
Düse 20 gebildet
und besteht aus einem Paar Düsenlippen,
die mit der Dosierungsvorrichtung verbunden sind und das geschmolzene
Polymer entlang der konvergierenden Seiten 24 und 25 leiten. Die
konvergierenden Seiten dirigieren den Schmelzfluss an die Spitze 26,
wo das geschmolzene Netz die Düse
verlässt.
Obwohl die Überlaufoberfläche texturiert
oder glatt sein kann, ist sie bevorzugt glatt. Darüber hinaus
ist die Überlaufoberfläche bevorzugt hochpoliert,
um Abweichungen und Defekte in der Bahn zu minimieren. Die Überlaufoberfläche kann mit
einer Beschichtung (zum Beispiel Elektroplattierung- oder andere
Aufbringungstechniken) behandelt sein, um die Düsenoberflächenglattheit zu verbessern,
Korrosionswiderstandsfähigkeit
zu gewährleisten
oder die Flusseigenschaften über
die Düse
zu verbessern.
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Das
Konstruktionsmaterial der Düse
ist wichtig. Metalle sind bevorzugt wegen ihrer hohen thermischen
Leitfähigkeit,
guten Korrosionswiderstandsfähigkeit,
ihres hohen Moduls und ihrer Fähigkeit,
poliert werden zu können.
Andere Materialien, wie Glas und Keramik, können im Prinzip auch benutzt
werden. Bevorzugt wird rostfreier oder Werkzeugqualitäts-Stahl verwendet.
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Wenn
eine nicht-planare Bahn erwünscht
ist, kann die Düsengeometrie
entsprechend Verfahren, wie sie dem Fachmann bekannt sind, modifiziert
werden. Wenn zum Beispiel eine gebogene Schicht erwünscht ist,
kann die Düse
entlang ihrer Längsachse gebogen
sein.
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Im
allgemeinen ist es erwünscht,
die Viskosität
des geschmolzenen Kunststoffes (bei einer Scherrate von 10 sec–1)
zwischen 1 und 10 000 Pa-s, bevorzugt zwischen 5 und 1000 Pa-s,
und am meisten bevorzugt zwischen 10 und 500 Pa-s zu halten. Zusätzlich ist
die Schmelzfließgeschwindigkeit
pro Einheit Düsenlänge (Fließgeschwindigkeit
geteilt durch die Länge)
typischerweise im Bereich von 1,0 × 10–3 bis
10 g/s/cm, bevorzugt 1,0 × 10–2 bis
1,0 g/s/cm und am meisten bevorzugt 2,0 × 10–2 bis
2,0 × 10–1 g/s/cm.
Die Viskosität
kann durch die Variierung der Temperatur kontrolliert werden. Abhängig vom Düsendesign
kann die Temperaturkontrolle wichtiger oder weniger wichtig sein.
Je gleichmäßiger die
Temperatur entlang der Düse
ist, umso gleichmäßiger wird
die Breite der Schicht sein. Es ist bevorzugt, dass die Schmelztemperatur
einheitlich entlang der Düse
ist. Die Dickenvariation, die aus einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung
entlang der Düsenlänge resultiert,
kann durch Wechsel der Ausgestaltung des Spaltes oder anderer Dosierungsvorrichtungen
minimiert werden. Die Temperaturkontrolle kann zum Beispiel durch
eine oder mehrere der folgenden Komponenten erreicht werden: elektrische
Heizpatronen, Infrarotlampenheizvorrichtungen, geheiztes Öl (oder
andere Hitzetransferflüssigkeit),
Heizrohre oder Mikrowellenheizvorrichtungen. Erhitztes Öl oder andere
Hitzetransferflüssigkeiten
werden bevorzugt, weil die Temperatur mittels eines Thermostats
kontrolliert werden kann und eine einheitliche Temperatur leicht
erreicht werden kann. Die Düse
befindet sich bevorzugt innerhalb einer teilweise umschlossen Umgebung,
um Temperaturschwankungen zu minimieren. Bevorzugt kann auch eine
inerte Umgebung verwendet werden. Solche inerten Umgebungen minimieren
die Verfärbung
und die Degradation des Harzes.
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Es
ist bevorzugt, aber nicht essentiell, dass der geschmolzene Kunststoff
in einer nach unten gerichteten Richtung fließt, nachdem er durch die Düse getreten
ist, da der nach unten gerichtete Fluss durch die Schwerkraft beeinflusst
wird. Die Fließgeschwindigkeit
wird durch eine Kombination des Schwerkrafteffekts und der Spannung,
die durch die Abnahmemittel aufgebracht wird, bestimmt. Indem der
Kunststofffluss in eine nach unten gerichtete Richtung über die
Düse geleistet
wird, wirkt die Schwerkraft in dieselbe Richtung wie der Kunststofffluss,
so dass die Spannung, die seitens der Abnahmemittel benötigt wird,
reduziert wird, was die Bahnqualität verbessert. Der geschmolzene
Kunststoff nimmt, nachdem er die Düse passiert hat, eine Form
an, die als „Netz" bezeichnet wird.
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Die
Abnahmevorrichtungen transportieren das geschmolzene Kunststoffnetz
von der Düse
mit einer regulierten Geschwindigkeit weg und erlauben es dem Netz
abzukühlen.
Die Abnahmevorrichtungen können
zum Beispiel Walzen oder „Gehäuselaufbänder"-Vorrichtungen sein,
wobei nur die äußeren Ränder der
Bahn in Kontakt mit den Abnahmevorrichtungen kommen. Eine „Gehäuselaufbänder"-Vorrichtung wird
bevorzugt, da dies die Glattheit der Bahnoberfläche maximal erhöht. Eine
Gehäuselaufflächen-Vorrichtung
ist als Teil der Vorrichtung der 1 und 2 in Form der Ziffern 31, 32, 33 und 34 dargestellt.
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Die
Abnahmevorrichtungen kontrollieren die Geschwindigkeit mit der die
Kunststoffbahn produziert wird, welche bei einer gegebenen Polymerfließgeschwindigkeit
die Dicke der Bahn bestimmt. Daher ist die Regelung der Geschwindigkeit
der Abnahmevorrichtung ziemlich wichtig. Die Abnahmevorrichtungen
unterstützen
ebenso das Gewicht der Bahn, wodurch eine konsistente Bahnbreite
und Dicke aufrechterhalten wird. Es ist wünschenswert, die Abnahmevorrichtungen
so nah wie möglich
an der Düse
zu positionieren, damit die Menge an geschmolzenem Harz, die nicht
unterstützt
wird, minimiert ist. Die Distanz zwischen der Spitze der Düse zu dem
Abnahmesystem (z. B. die Walzenspaltfläche an der Spitze der Laufflächenvorrichtung)
ist typischerweise < 25 cm,
bevorzugt < 10
cm und am meisten bevorzugt < 5
cm.
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Die
Abnahmegeschwindigkeit der Bahn wird abhängig von dem erwünschten
Bahntyp und der Dicke variieren. Zum Beispiel wird für eine Bahn
mit einer Dicke von 0,4 mm die Abnahmegescwindigkeit der Bahn im
allgemeinen im Bereich von 10 bis 1000 cm/min, bevorzugt von 20
bis 200 cm/min und am meisten bevorzugt von 50 bis 100 cm/min liegen,
wohingegen für
eine Bahn mit einer Breite von 1 mm die Abnahmegeschwindigkeit im
allgemeinen im Bereich von 5 bis 500 cm/min, bevorzugt von 10 bis
100 cm/min und am meisten bevorzugt von 25 bis 50 cm/min liegen
wird. In ähnlicher
Weise wird die Verbleibezeit während
des Abkühlens
in dem Abnahmesystem vor dem Biegen variieren. Zum Beispiel wird die
Verbleibezeit für
eine Bahn mit 0,4 mm Dicke vor dem Verbiegen im allgemeinen ≥ 10 sec, bevorzugt ≥ 1 min und
am meisten bevorzugt ≥ 2
min sein, wohingegen für
eine Bahn mit einer Dicke von 0,2 mm die Verbleibezeit vor dem Verbiegen
im allgemeinen ≥ 5 sec,
bevorzugt ≥ 30
sec und am meisten bevorzugt ≥ 1
min sein wird.
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Die
Kunststoffbahn kann durch natürliche Konvektion
während
des Transports mit dem Abnahmesystem abkühlen oder durch eine erzwungene Konvektion.
Die natürliche
Konvektion besteht im passiven Abkühlen der Bahn während der
Passage durch die Luft oder ein Flüssigkeitsbad. Die erzwungene
Konvektion wird dadurch erreicht, dass eine Hitzetransferflüssigkeit
entlang oder gegen die Bahn gepumpt oder geblasen wird, um den Hitzeaustausch zu
verstärken.
Die natürliche
Konvektion wird bevorzugt, um die Bahnwelligkeit und Oberflächenmarkierung
zu minimieren. Bevorzugt wird eine saubere Flüssigkeit (frei von Partikeln)
zum Abkühlen
der Bahn verwendet, um Oberflächenkontanimationen oder
Defekte zu vermeiden. Zum Beispiel können HEPA-Filter mit Luft oder
Gaskühlung
für diesen Zweck
verwendet werden. Jede Flüssigkeit
oder Kombination an Flüssigkeiten
kann zur Abkühlung der
Bahn verwendet werden, vorausgesetzt dass die benutzte Flüssigkeit
nicht schädlich
für das
verarbeitete Kunststoffmaterial ist. Beispiele für nützliche Kühlflüssigkeiten sind: Luft, Stickstoff,
Wasser, Öle und
Glykole. Es ist möglich,
das Abkühlungsverfahren
mit einem Beschichtungsverfahren zu kombinieren, indem ein geeignetes
Kühlmittel
verwendet wird, das als Beschichtung wirkt und in Form eines Film auf
der Plastikbahn aufgebracht wird, während diese das Kühlbad verlässt.
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Der
Fachmann erkennt, dass eine Bandbreite an optionalem Equipment,
das sich den Abnahmevorrichtungen anschließt, eingesetzt werden kann. Beispiele
für optimales
Equipment schließen
konventionelles Filmhandhabungsequipment, wie zum Beispiel Filmaufrollapparate,
Kantenschneider, Blattschneider und Verpackungsequipment, ein. Zusätzlich können andere
nachgeschaltete Vorrichtungen, wie zum Beispiel Vorrichtungen zum
Formen, Beschichtungsausrüstung,
Dekorationsequipment und Laminierungsequipment verwendet werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann mit jedem geeigneten Kunststoffharz durchgeführt werden.
Bevorzugt wird thermoplastisches Harz verwendet. Ein thermoplastisches
Harz ist ein Polymerharz, das reversibel erweicht, wenn es Hitze
ausgesetzt ist, und infolge von Abkühlung wieder erhärtet. Thermoplastische
Harze können
lineare oder verzweigte Polymere sein, die im wesentlichen nicht
quervernetzt sind. Bevorzugt werden die thermoplastischen Harze,
die für
das erfindungsgemäße Verfahren
geeignet sind, praktisch keine Quervernetzung aufweisen und thermische
Stabilität
(für Verweildauern
bis zu 10 min oder mehr) bei den Schmelztemperaturen des Verfahrens
(d. h. eine Viskosität
in der Größenordnung von
103 Pa-s) aufweisen. Beispiele für thermoplastische
Harze, die für
das erfindungsgemäße Verfahren geeignet
ist, schließen
ein, ohne darauf beschränkt zu
sein: Homopolymere oder Copolymere von Acrylsäure, Methacrylsäure und
deren Estern, einschließlich,
ohne darauf beschränkt
zu sein, Copolymere mit Styrol und seinen Derivaten, N-Alkylmaleimid,
Acrylonitril und Vinylacetat, Phenoxyether, Polyphenylen, Oxidharze,
Epoxyharze, Zelluloseharze, Vinylpolymere wie Polyvinylchlorid („PVC"), Fluorpolymere wie
fluoriertes Ethylenpropylen und Poly(vinylidenfluorid), Polystyrol,
Polyolefine wie Polyethylen, Polypropylen, Poly-1-methylpenten-1,
und einschließlich zyklische
Olefinpolymere und Copolymere wie solche, die auf Norbornen und
funktionalisierte Norbornenmonomeren beruhen, Polysulfone, Polyethersulfonee,
Polyetherketone, Polyetherimide, Polyphenylensulfide, Polyarylenesterharze,
Polyester, Homopolymere oder Copolymeredes N-H und/oder N-Alkylglutarimid,
Acrylonitrilbutadien-Styrolharze („ABS"), Styrolacrylonitrilharze („SAN"), Styrolmaleinanhydridharze
(„SMA"), imidiertes SMA,
Polyamide („Nylon"), Polycarbonate,
einschließlich
Hochtemperaturhomopolymeren und Copolymeren, Polycarbonatpolyester
und Polyarylate. Geeignete Polycarbonate schließen ein oder mehrere Bisphenole und
ein oder mehrere Carbonsäuren
ein. Geeignete Carbonsäuren
schließen
ein, ohne darauf beschränkt zu
sein: Phosgen, Diphosgen, Triphosgen, Carbonsäureester, wie Chloroformsäureester
und Mischungen davon. Geeignete Bisphenole schließen ein, ohne
darauf beschränkt
zu sein: Bis(4-Hydroxyphenyl)alkane und Cycloalkane, Bis(3-substituiertes-4-Hydroxyphenyl),
Alkylcycloalkane, Bis(3,5-disubstituiertes-4-Hydroxyphenyl)alkylcycloalkane, wie
2,2-bis(4-Hydroxyphenyl)propan, 2,2-bis(3-methyl-4-hydroxyphenyl)propan,
2,2-bis(3,5-Dimethyl-4-hydroxyphenyl)propan; 1,1-bis(4-Hydroxyphenyl)cyclohexan,
2,2-bis(3-phenyl-4-hydroxyphenyl)propan, 2,2-bis(3-isopropyl-4-hydroxyphenyl)propan,
2,2-bis(4-Hydroxyphenyl)butan, 9,9-bis(4-Hydroxyphenyl)fluoren,
9,9-bis(4-Hydroxy-3-methylphenyl)fluoren, 1,1-bis(4-Hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethylcyclohexan,
1,1-bis(4-Hydroxyphenyl)-3,3-dimethylcyclohexan, 1,1-bis(3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethyllcyclohexan,
1,3-bis(4-hydroxyphenyl)-5,7-dimethyladamantan,
1,1-bis(4-Hydroxyphenyl)-1-phenylethan, 4,4'-dihydroxy tetraphenylmethan, 2,2-bis(4-Hydroxyphenyl)propan,
und 6,6'-dihydroxy-3,3,3',3'-tetramethyl-1,1'-spiro(bis)indan. Die Polyesterpolycarbonat-Copolymere,
die erfindungsgemäß geeignet
sind, umfassen ein oder mehrere Bisphenole, ein oder mehrere Carbonsäuren und
ein oder mehrere zusätzliche
Säuren,
wie zum Beispiel Terephtal- und Isophthalsäuren. Die Polycarbonate und
Polyesterpolycarbonate, die für
die vorliegende Erfindung geeignet sind, sind aus dem Stand der
Technik gut bekannt. Mischungen von thermoplastischen Harzen können ebenfalls
benutzt werden. Besonders nützliche
thermoplastische Harzmischungen schließen zum Beispiel ein: SAN-Polyglutarimid,
Polycarbonatpolyester, PMMA-poly(vinylidenfluorid), Polystyrol-poly(phenylenoxid)
und Polycarbonatmischungen, einschließlich Mischungen von 2,2-Bis(4-Hydroxyphenyl)-propanpolycarbonat
und Hochtemperatur-Polycarbonatcopolymeren, wie zum Beispiel ein
Copolymer aus 2,2-Bis(4-Hydroxyphenyl)propan und 1,1-Bis(4-Hydroxyphenyl)-3,3,5-Trimethylcyclohexan,
erhältlich
als APEC Polycarbonat (Bayer Corp.). Bevorzugte Harze für die Verwendung in
dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind: Polycarbonate, lineare Acrylhomopolymere und Copolymere, zyklische
Polyolefine und lineare imidierte Acrylhomopolymere und Copolymere
wie solche, die in U.S.-Patent-Nr. 4,727,117 (Hallden-Abberton et
al.) und U.S.-Patent-Nr. 4,246,374 (Kopchik) beschrieben sind. Insbesondere
bevorzugt ist, dass das Polycarbonat ein Copolymer aus 2,2-Bis(4-Hydroxyphenyl)propan
und 1,1-Bis-(4-Hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethylcyclohexan oder eine
Mischung mit 2,2-bis(4-Hydroxyphenyl)propan.
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Die
Kunststoffharze, die für
die vorliegende Erfindung geeignet sind, werden typischerweise durch
Additionspolymerisations- oder Kondensationspolymerisationsverfahren
gewonnen. Additionspolymerisationsverfahren schließen die
Substanzpolymerisation und Lösungs-
oder Dispersionspolymerisation in Wasser oder organischen Lösungsmitteln ein.
Solche Verfahren sind aus dem Stand der Technik gut bekannt und
können
kationische, anionische oder freie Radikalinitiations- und Wachstumsreaktionen
beinhalten. Kondensationspolymerisationsverfahren schließen Substanz-,
Lösungs-
und Dispersionspolymerisationsverfahren ein. Kunststoffharze, die
in Polymerisationsverfahren, bei denen es sich nicht um eine Substanzpolymerisation
handelt, gebildet werden, benötigen
möglicherweise
eine anschließende
Behandlung, um das Harz zu isolieren.
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Die
folgenden Beispiele werden präsentiert, um
weitere verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung zu illustrieren,
sollen aber nicht den Umfang der Erfindung in irgendeiner Hinsicht
begrenzen.
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Beispiel 1: Herstellung
eines Acrylfilms
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Dieses
Beispiel stellt das erfindungsgemäße Verfahren dar, wie es benutzt
wird, um eine Acrylbahn optischer Qualität herzustellen.
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PMMA-Harz
mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 110000 wurde in
einen belüfteten,
zweistufigen Einschnecken-Extruder mit 2 Inch (5 cm) Durchmesser,
der ein L : D-Verhältnis von
30 : 1 aufwies, bei einer Geschwindigkeit von 3,1 g/s unter Verwendung
einer Volumendosiervorrichtung langsam beladen. Der Extruderzylinder
wies ein Temperaturprofil von 204°C
am Zufuhrende, bis zu 274°C
am Entladeende auf. Das Harz wurde mittels eines Entlüftungsventils,
das bei 720–750
mm Hg arbeitete, entlüftet.
Die Schnecke wies eine Rotationsgeschwindigkeit von 30 rpm auf.
Eine Schmelzenpumpe vom Zahnradtyp wurde benutzt, um das geschmolzene
Harz durch einen „Screen
pack" Filter an eine
12'' (30 cm) lange Überlaufdüse zu pumpen,
die ein internes Leitelement mit einem Durchmesser von 1,27 cm und
eine Reihe von 22 Dosierlöchern mit einem Abstand von
1,27 cm aufwies. Der Durchmesser der Dosierungslöcher nahm vom Zufuhrende der Düse bis zum
abwärts
gelegenen Ende von 3,18 mm auf 3,73 mm zu. Die Schmelzpumpentemperatur
war 274°C.
Der Schmelzpumpenansaugdruck war 2100 kPa und der Schmelzpumpenentladedruck
war circa 4100 kPa. Die Überlaufdüse wurde
intern unter Verwendung von drei elektrischen Heizpatronen und extern
unter Verwendung von 3 IR Heizeinheiten auf eine Temperatur von
274°C erhitzt.
Das geschmolzene Netz, das sich an der Spitze der Düse bildete,
wurde durch zwei Paare von Gehäuseleitbahnen
weggeführt
und unter Verwendung von Druckluftkühlung, die unter Verwendung
von zwei Luftverteilerkanälen zur
Verfügung
gestellt wurde, gekühlt.
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Die
resultierende Bahn hatte eine durchschnittliche Dicke von 0,325
mm, eine Oberflächen-Rauhheit Rq von 14,6
nm und eine optische Verzögerung
von < 5 nm.
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Beispiel 2: Herstellung
einer imidierten Acrylbahn
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Dieses
Beispiel illustriert das erfindungsgemäße Verfahren, wie es zur Herstellung
einer imidierten Acrylbahn optischer Qualität verwendet wird.
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Ein
gekapptes imidiertes Acrylharz mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht
von 108000 und einer Glasübergangstemperatur
von circa 180°C wurde
langsam in einen belüfteten,
zweistufigen Einschraubenextruder mit 2 Inch (5 cm) Durchmesser und
einem L : D-Verhältnis
von 30 : 1 mit einer Geschwindigkeit von 2,5 g/s unter Verwendung
einer durch Gravitation betriebenen Zuführvorrichtung langsam zugefüttert. Der
Extruderzylinder wies ein Temperaturprofil von 246°C am Zufuhrende
und 329°C
am Entladeende auf. Das Harz wurde unter Verwendung eines Entlüftungsventils,
das bei 720–750
mm Hg arbeitete, entlüftet.
Die Rotationsgeschwindigkeit der Schnecke betrug 30 rpm. Eine Schmelzenpumpe
vom Zahnradtyp wurde benutzt, um das geschmolzene Harz durch einen „Screen pack"-Filter an eine 25,5
Inch (65 cm) lange Überlaufdüse zu führen, die
ein internes Leitelement mit einem Durchmesser von 1,58 cm und eine
16 Inch (40 cm) breiten Spalt aufwies, der sich von 0,038 auf 0,042
Inch (0,965 auf 1,067 mm) verjüngte.
Die Schmelzpumpentemperatur war 329°C. Der Schmelzpumpenansaugdruck
war 4.100 kPa. Der Schmelzpumpenentladedruck war circa 1650 kPa. Die
Düse wurde
unter Verwendung eines Heißölsystems
(Öltemperatur
= 343°C) über interne
Löcher
in der Düse
erhitzt und die Luft um die Düse
wurde mit einem Druckluftofen (Temperatur = 280°C) erhitzt. Das geschmolzene
Netz, das sich an der Spitze der Düse bildete, wurde unter Verwendung
von zwei Paaren an Gehäuseleitbahnen,
die bei einer Geschwindigkeit von 1,2 cm/s arbeiteten, weggeführt und
mittels natürlicher
Raumluftkonvektion gekühlt.
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Ein
200 mm × 200
mm Stück
wurde von der abgekühlten
Bahn abgeschnitten und überprüft. Die resultierende
Bahn wies eine Dicke von 0,390 mm mit einer Variation von ± 0,015
mm auf. Die Oberflächenwelligkeit
Wy und Wq waren < 0,5 μ und 0,18 μ. Die Oberflächen-Rauhheit Rq war 7,6
nm und die optische Verzögerung
war < 6 nm. Die
thermische Schrumpfung, die bei einer Temperatur von 160°C gemessen
wurde, war 0,03% oder weniger.
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Beispiel 3: Herstellung
einer Polycarbonatbahn
-
Dieses
Beispiel stellt das erfindungsgemäße Verfahren dar, wie es zur
Herstellung einer Polycarbonatbahn optischer Qualität verwendet
wird.
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Ein
Polycarbonatharz von Extrusionsqualität (Lexan 101, GEPlastics, Pittsfield,
MA) wurde langsam in einen belüfteten,
zweistufigen Einschneckenextruder mit 2 Inch (5 cm) Durchmesser
und einem L : D-Verhältnis
von 30 : 1 bei einer Geschwindigkeit von 4,4 g/s unter Verwendung
einer durch Gravitation betriebenen Zuführvorrichtung langsam gefüttert. Der
Extruderzylinder wies ein Temperaturprofil von 232°C an dem
Zuführvorrichtungsende
und bis zu 315°C
am Entladeende auf. Das Harz wurde mittels eines Entlüftungsventils,
das bei 720–750
mm Hg arbeitete, entlüftet.
Die Schneckengeschwindigkeit betrug 30 rpm. Eine Schmelzenpumpe
vom Zahnradtyp wurde benutzt, um das geschmolzene Harz durch einen „Screen
pack"-Filter an
eine 37,5 Inch (95 cm) lange Überlaufdüse zu führen, die
ein internes Leitungselement mit einem Durchmesser von 1,905 cm und
einen 28 Inch (71 cm) langen Spalt aufwies, der sich von 0,038 auf
0,045 Inch (0,965 auf 1,143 mm) verjüngte. Die Schmelzpumpentemperatur
war 315°C.
Der Schmelzpumpenansaugdruck war circa 3400 kPa. Der Schmelzpumpenentladedruck
war circa 1300 kPa. Die Düse
wurde unter Verwendung eines Heißölsystems (Öltemperatur = 315°C) über interne
Löcher
in der Düse
behitzt und die Luft um die Düse
wurde mit einem Druckluftofen (Temperatur = 260°C) erhitzt. Das geschmolzene
Netz, das sich an der Spitze der Düse bildete, wurde unter Verwendung von
zwei Paaren von Gehäuseleitbändern, die
mit einer Geschwindigkeit von 1,2 cm/s arbeiteten, wegtransportiert
und durch natürliche
Raumluftkonvektion abgekühlt.
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Ein
400 mm × 400
mm großes
Stück wurde von
der abgekühlten
Bahn abgeschnitten und überprüft. Die
resultierende Bahn hatte eine Durchschnittsdicke von 0,43 mm mit
einer Variation von ± 0,02
mm sowohl in der transversen als auch in der Herstellungsrichtung.
Wy war < 1 μ, Wq war
0,15 μ, die
Oberflächen-Rauhheit
Rq war < 10 nm
und die durchschnittlich optische Verzögerung war 20 nm mit einer
Abweichung von 10 nm. Die thermische Schrumpfung, die bei 130°C gemessen
wurde, betrug 0,02%.
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Beispiel 4: Herstellung
eines Polycarbonatfilms
-
Dieses
Beispiel stellt das erfindungsgemäße Verfahren dar, wie es zur
Herstellung eines Polycarbonatfilms optischer Qualität verwendet
wird.
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Polycarbonatharz
mit Extrusionsqualität
(Lexan 101, GE Plastics, Pittsfield, MA.) wurde langsam in einen
belüfteten,
zweistufigen Einschschneckenextruder mit 2 Inch (5 cm) Durchmesser
und einem L : D-Verhältnis
von 30 : 1 bei einer Geschwindigkeit von 2,5 g/s unter Verwendung
einer durch Gravitation betriebenen Zuführvorrichtung langsam zugefüttert. Der
Extruderzylinder wies ein Temperaturprofil von 232°C an dem
Zuführvorrichtungsende
und bis 315°C
am Entladeende auf. Das Harz wurde mittels eines Entlüftungsventils,
das bei 720–750
mm Hg arbeitete, entlüftet.
Die Rotationsgeschwindigkeit der Schnecke war 30 rpm. Eine Schmelzenpumpe
vom Zahnradtyp wurde benutzt, um das geschmolzene Harz durch einen „Screen
pack" Filter an
eine 37,5 Inch (95 cm) lange Überlaufdüse zu pumpen,
die ein internes Leitelement mit einem Durchmesser von 1,905 cm
und einen 28 Inch (71 cm) langen Spalt aufwies, der von 0.038 auf
0,045 Inch (0,965 auf 1,143 mm) sich verjüngte. Die Schmelzpumpentemperatur war
315°C. Der
Schmelzpumpenansaugedruck war 2100 kPa. Der Schmelzpumpenentladedruck
war circa 1300 kPa. Die Düse
wurde unter Verwendung eines Heißölsystems (Öltemperatur = 315°C) über interne
Löcher
in der Düse
beheizt und die Luft um die Düse
wurde mit einem Druckluftofen (Temperatur = 250°C) beheizt. Das geschmolzene
Netz, das sich an der Spitze der Düse bildete, wurde unter Verwendung von
zwei Paaren von Gehäuseleitbahnen,
die mit einer Geschwindigkeit von 3,1 cm/s arbeiteten, weggeleitet
und durch natürliche
Raumluftkonvektion abgekühlt.
-
Ein
400 mm × 400
mm großes
Stück wurde von
der abgekühlten
Bahn abgeschnitten und überprüft. Der
resultierende Film hatte eine durchschnittliche Dicke von 54 μ mit einer
Abweichung von ± 4 μ sowohl in
die transverse als auch in die Herstellungsrichtung. Die optische
Verzögerung
war < 10 nm.
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Beispiel 5: Herstellung
einer Hochtemperatur-Polycarbonatmischung-Bahn
-
Eine
vorgemischte Mischung von 2,33 Teilen APEC DP9-9371, bei dem es
sich um ein Polycarbonat-Copolymer handelt, das von Bayer, Corp.,
Pittsburg, PA, erhältlich
ist und das eine Tg von 205°C hat,
und einem Teil Makrolon DP1-1235, bei dem es sich um ein Niedermolekulargewichtspolycarbonat, das
ebenfalls von Bayer, Corp. erhältlich
ist, handelt und das eine Tg von 150°C aufweist, wurde in einen Extruder
mit einer Geschwindigkeit von 2,5 g/s unter Verwendung einer durch
Gravitation betriebenen Zuführvorrichtung
langsam zugefüttert.
Der Extruder war ein belüfteter
zweistufiger Einschneckenextruder mit 5,08 cm (2 inch) Durchmesser
und einem L : D-Verhältnis
von 30 : 1, mit einer 10 cc/rev Schmelzpumpe vom Zahnradtyp, mit
einem Schmelzenfilter, mit einem Rotationsmischer und einer Überlaufdüse. Das
gesamte Verfahrensequipment wurde mit Stickstoffgas vor dem Start
gespült.
Das Harz wurde unter Verwendung eines Entlüftungsventils, das bei 720–750 mm
Hg arbeitete, entlüftet.
Die Schneckengeschwindigkeit war 30 rpm. Die Zahnradpumpe wurde
verwendet, um das geschmolzene Harz durch einen 5 Micron gesinterten
Metallfaser-Schmelzenfilter
(gefalteter Kerzentyp) zu dosieren. Der Harzfluss durch den Filter
war 8,6 lb./hr./sq.ft. bei einem Druckabfall von 3800 kPa. Der Extruderzylinder
wies ein Temperaturprofil von 273°C
an dem Zuführvorrichtungsende
bis 304°C
an dem Entladungsende auf. Der Schmelzenfilter wurde bei 322°C gehalten.
Der Extruderzuführungstrichter
und ein Ofen um die Überlaufdüse wurden
mit Stickstoff unter einer inerten Atmosphäre gehalten, um die Bildung
eines quervernetzten Gels im Harz zu minimieren. Nach dem Verlassen
des Schmelzenfilters betrat das Harz einen Rotationsmischer, in
dem das geschmolzene Polymer bei 165 rpm gemischt wurde. Die Mischzylindertemperatur
wurde bei 325°C
gehalten. Das geschmolzene Harz verließ den Mischer und betrat die 37,5'' (95 cm) lange Überlaufdüse, die ein internes Leitungselement
mit einem Durchmesser von 1,905 cm und einem 28 Inch (71 cm) langen
Spalt aufwies, der sich von 0,038 auf 0,045 Inch (0,965 auf 1,143 mm)
verdünnte.
Der Düseneintrittsdruck
war circa 700 kPa und dieser wurde bei einer Temperatur von 321°C durch Kreislaufführung eines
heißen Öls durch interne
Passagen gehalten. Der Stickstoff um die Düse wurde auf 240°C mittels
eines Ofens mit erzwungener Konvektion erhitzt. Das geschmolzene Netz,
das sich an der Spitze der Düse
bildete, wurde durch Paare von Vorrichtungsleitbahnen, die bei einer
Geschwindigkeit von 0,7 cm/s arbeiteten, wegtransportiert und durch
natürliche
Raumluftkonvektion abgekühlt.
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Ein
400 mm × 400
mm großes
Stück wurde von
der abgekühlten
Bahn abgeschnitten und untersucht. Die resultierende Bahn wies eine
Dicke von 0,420 mm mit einer Abweichung von ± 0,020 mm auf. Gelmessungen
ergaben Werte von weniger als 200 m2. Die
Oberflächenwelligkeit
Wy und Wq betrugen jeweils 1 μm
und 0,17 μm.
Die Oberflächen-Rauhheit Rq
war < 10 nm. Die
optische Verzögerung
war < 20 nm. Die
thermische Schrumpfung, die bei einer Temperatur von 160°C gemessen
wurde, war < 0,05%
-
Testverfahren
-
Die
folgenden Testverfahren wurden benutzt, um die Bahnen, die in den
oben dargestellten Beispielen hergestellt wurden, zu untersuchen.
Der Fachmann weiß,
dass diese Testverfahren exemplarischer Natur sind und dass die
Ergebnisse nicht verfahrensabhängig
sind.
-
Optische Verzögerung
-
Die
Verzögerung
von Licht bei 632,8 nm Wellenlänge
wurde in folgender Weise bestimmt. Ein polarisierter Laserstrahl
(polarisiert bei –45° im Hinblick auf
das Laborkoordinatensystem) wurde durch die Kunststoffschicht gestrahlt
und dann durch einen durch einen photoelastischen Modulator (PEM)
(Model PEM-90, Hinds Instruments, Inc.; Hillsboro, Oregon), der
mit der optischen Achse auf 0° im
Laborkoordinatensystem gesetzt war. Die PEM-Spannung wurde auf eine ¼ Wellenverzögerung (158,2
nm) eingestellt. Das Licht wurde dann durch einen zweiten linearen
Polarisator (Polarisationsachse + 45°) gestrahlt und die Intensität durch
einen Siliziumdiodendetektor (Model PDA-50, ThorLabs inc.; Newton, New
Jersey)) nachgewiesen. Der PEM und der Detektor wurden moduliert
und das Signal aus dem Detektor durch einen Lock-in-Verstärker (Model
5210, EG & G
Princeton Applied Research; Princeton, New Jersey) prozessiert.
Die Kunststoffbahn wurde senkrecht zu dem Laserstrahl rotiert, um
das maximale Signal zu finden. Die Verzögerung wurde durch Vergleich
des maximalen Signals zu dem Signal bestimmt, das für eine Standard ¼ Wellenplatte
gemessen wurde.
-
Die
Doppelbrechung eines Materials kann bestimmt werden, indem die optische
Dichte eines Materials durch seine Dicke geteilt wird. Wenn zum Beispiel
die optische Dicke für
eine 0,4 mm breite Kunststoffbahn 4 nm ist, beträgt die Doppelbrechung des Materials
0,00001. Für
die Kunststoffbahnen optischer Qualität, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt werden, wird eine Doppelbrechung des Materials als niedrig
angesehen, wenn sie ≤ 0,0002,
bevorzugt ≤ 0,00005
und am meisten bevorzugt ≤ 0,00001
ist.
-
Bahnwelligkeit
-
Die
Bahnwelligkeit (Wy und Wq) wurde unter Verwendung eines Stiftprofilmessers
(Surfanalyzer System 5000, Federal Products; Providence, Rhode Island)
mit einem Verfahren gemessen, das ähnlich dem SEMI Standard D15-1296
ist. Das gemessene Profil wurde mit einem Gausschen „Langen
Wellenlängen"-Cutoff (8 mm) (engl.:
Gaussian long wavelength cutoff) digital gefiltert. Wy ist der Unterschied zwischen
Maximal- und Minimalwerten in einer Probe von 20 mm Länge und
Wq ist die mittlere quadratische Abweichung eines gefilterten Profils
von einer Durchschnittslinie, die über 8 mm berechnet und über eine
80 mm Evaluierungslänge
gemittelt wird. Für Bahnen
optischer Qualität,
die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt werden, sollte Wy ≤ 2,0 μ, bevorzugt ≤ 1,0 μ und am meisten
bevorzugt ≤ 0,5 μ sein.
-
Bahnrauhheit
-
Die
Bahnrauhheit (Rq) wurde unter Verwendung eines Stiftprofilmessgeräts (Dektak
3-30, Veeco/Sloan; Santa Barbara, CA) in einem Verfahren ähnlich dem
SEMI Standard D 7-94 bestimmt. Das gemessene Profil wurde digital
gefiltert mit einer Gausschen „Langen
Wellenlänge"-Cutoff (0,08 mm) (engl.:
Gaussian long wavelength cutoff) und einem „kurzen Wellenlängen"-Cutoff (0,0025 mm)
(engl.: short wavelength cutoff). Die Beurteilungslänge war 0,4
mm. Der Rauhheits-Parameter (Rq) ist die mittlere quadratische Abweichung
eines gefilterten Profils von einer Durchschnittslinie. Der Durchschnittswert von
drei verschiedenen Messungen wurde aufgenommen. Für Bahnen
optischer Qualität,
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt werden, sollte Rq ≤ 50
nm, bevorzugt ≤ 10
nm und am meisten bevorzugt ≤ 5
nm sein.
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Schrumpfung
-
Die
Schrumpfung wurde durch direkte Messung der Probenlänge vor
und nach der Hitzebehandlung bestimmt. Mehrere Messungen wurden durchgeführt, um
die Länge
eines trockenen Kunststoffstücks
zu bestimmen. Die Genauigkeit der Messung war 0,005%. Die Probe
wurde auf einen Temperatursatz unterhalb ihrer Tg für 4 Stunden
erhitzt. Nach dem Abkühlen
auf Raumtemperatur wurde die Länge
wiederum durch mehrere Messungen bestimmt. Die prozentuale Änderung
der Länge
vor und nach dem Hitzezyklus wurde als Schrumpfung betrachtet. Für Bahnen
optischer Qualität,
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt werden, sollte die Schrumpfung ≤ 0,1%, bevorzugt ≤ 0,075% und
am meisten bevorzugt ≤ 0,05%
sein.
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Gel-Zähl-Testverfahren
-
Gel-Zählungen
wurden durch Projektion der Bahndefekte auf einen Schirm mittels
eines Tageslichtprojektors gemessen. Neun 3 × 3 cm große Flächen jeder 400 mm × 400 mm
großen
Bahn wurden gezählt.
Die Anzahl an Oberflächendefekten,
die auf dem Schirm innerhalb jedes der 3 × 3 cm Quadrate projiziert
wurden, wurden gezählt
und die Anzahl gemittelt, um eine Gesamtgelzahl für die Probe
zu ermitteln.