ES2288386B2 - Material de registro holografico medioambientalmente compatible basado en acrilatos metalicos. - Google Patents
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Abstract
Material de registro holográfico medioambientalmente compatible basado en acrilatos metálicos. Material fotopolimerizable sensible a la luz constituido por una sal metálica o amónica del ácido acrílico, 1,2 Dihidroxietilen-bis-acrilamida, trietanolamina, un polímero de peso molecular promedio en peso comprendido entre 25000 y 200000 uma (goma xantana, alcohol polivinílico, sal sódica de la carboximetil celulosa, metil celulosa, etil celulosa, gelatina) una sal metálica o amónica de monofosfato de 5¿-riboflavina, agua desionizada, ácido cianopentanoico y glicerina. El material se somete a un proceso de registro holográfico mediante el que se almacena información que es posible recuperar con posterioridad. Esto permite su aplicación en diferentes campos: interferometría holográfica, etiquetas codificadas y sistemas de seguridad, fabricación de elementos ópticos holográficos, sistemas de procesado de imágenes, dispositivos de intercomunicación de redes de fibra óptica, almacenamiento holográfico de datos.
Description
Material de registro holográfico
medioambientalmente compatible basado en acrilatos metálicos.
La presente invención queda enmarcada dentro de
los materiales sensibles a la luz, utilizados en diferentes
tecnologías ópticas, en especial como material de registro
holográfico, utilizado como soporte de elementos ópticos
holográficos y memorias holográficas.
Concretando el campo de la técnica al que se
hace referencia, la presente invención trata de la composición,
método de preparación y aplicaciones de nuevos materiales
utilizables como medio de registro holográfico y que tanto en sus
características como en el proceso de preparación así como durante
su vida útil y su posterior eliminación se siguen criterios
medioambientales que minimizan el impacto negativo sobre el medio
natural.
La holografía es una forma de registrar la
información óptica procedente de un determinado objeto, ya sea
reflejada o transmitida por éste, al ser iluminado con una fuente
de luz láser.
Una definición más exacta indica que la
holografía es una técnica óptica que permite el registro y la
reconstrucción del frente de onda de un objeto. Se registra la
amplitud compleja (amplitud y fase) de la onda que proviene del
objeto que queremos holografiar. Este registro se realiza mediante
la interferencia del haz luminoso que proviene del objeto, haz
objeto, con un haz luminoso de referencia o haz de referencia. La
interferencia de estos dos haces produce un patrón interferencial,
en el que se alternan zonas "luminosas" y zonas
"oscuras", que incide sobre el material de registro
holográfico, quedando almacenado en forma de franjas que reproducen
las zonas alternas "luminosas" y "oscuras" mediante la
variación de determinadas propiedades del medio. A la placa de
material donde se ha realizado este registro, una vez procesada, se
le denomina holograma. Si el holograma es iluminado con un haz de
reconstrucción, similar al haz de referencia, se obtiene la
reconstrucción del frente de onda objeto, al pasar la luz por el
patrón interferencia) almacenado en dicho material. Dado que este
patrón interferencial es característico del objeto del que se
realizó el holograma, en la reconstrucción, el frente de onda
objeto es idéntico al que producía el propio objeto, por tanto,
visualmente se percibe este frente de onda como si viniera del
objeto, dando lugar a una imagen tridimensional del mismo, ya que
no sólo se almacena la información relativa a la amplitud de la
onda objeto sino también la relativa a su fase.
Las técnicas disponibles para registrar
información mediante holografía son bien conocidas por los expertos
en ese campo.
La holografía tiene unas aplicaciones bien
definidas, entre las que se encuentran la interferometría
holográfica, la producción de imágenes tridimensionales para
etiquetas codificadas y sistemas de seguridad, la fabricación de
elementos ópticos holográficos como lentes, filtros, sistemas de
procesado de imágenes y dispositivos de intercomunicación de redes
de fibra óptica, o el almacenamiento holográfico de datos.
Se han desarrollado un gran número de materiales
útiles para el registro holográfico, tales como fotopolímeros,
fotorrefractivos inorgánicos y orgánicos, gelatinas dicromatadas,
gelatinas sensibilizadas de haluro de plata, haluros de plata,
fotorresinas, vidrios sol-gel, termoplásticos,
fotocrómicos y fotodicroicos.
La gran cantidad de materiales disponibles
obedece a la ausencia de un material de registro ideal que posea
todas las características requeridas para cada una de las
aplicaciones: espesor suficiente, alta capacidad de modulación de
índice de refracción, altos rendimientos en difracción, alta
sensibilidad, buena calidad óptica con bajos niveles de dispersión
de luz y pérdidas por absorción, estabilidad dimensional durante la
grabación del holograma y su posterior utilización, buena
estabilidad térmica y química.
Los fotopolímeros son materiales en los que
tienen lugar reacciones de fotopolimerización cuando son iluminados
con luz de una determinada longitud de onda. Su formulación consta
de un iniciador de la polimerización, un colorante sensibilizador y
uno o varios monómeros polimerizables, en una matriz polimérica que
actúa de soporte. Entre los fotopolímeros se encuentran los basados
en metacrilato de metilo, otros ésteres derivados del ácido
acrílico u otras sustancias orgánicas con insaturaciones como
monómero polimerizable, tanto solos como en combinación con otros
monómeros monofuncionales o polifuncionales, actuando estos últimos
como entrecruzantes. Todos estos fotopolímeros tienen en común su
carácter hidrófobo y su incompatibilidad con sistemas en fase
acuosa. Esto hace que muchos de sus componentes estén clasificados
como tóxicos, biotóxicos o nocivos. Otro inconveniente es que su
producción debe efectuarse en fase hidrófoba, por lo que en muchos
casos requieren el empleo de disolventes orgánicos inflamables, que
suponen un problema de seguridad, dado su difícil manejo, y de alto
riesgo de contaminación medioambiental. El problema se agrava al
considerar el fin de la vida útil de los elementos fabricados con
este tipo de materiales, dado que las características de sus
componentes los hacen especialmente peligrosos para el medio
ambiente y su carácter hidrófobo requiere de tratamientos basados
en disolventes orgánicos tóxicos e inflamables para su reciclado,
lo que suponen problemas futuros a tener muy en cuenta en el caso de
una producción industrial de este tipo de materiales.
Otros fotopolímeros comunes son los que utilizan
acrilamida como monómero polimerizable. Las desventajas de estos
materiales son la alta toxicidad de la acrilamida, sustancia con
propiedades carcinógenas, lo que los hace poco indicados para una
producción industrial y para su empleo en artículos de uso
generalizado.
Los sistemas fotopolimerizables tienen un campo
de aplicación mucho mayor que el referido a los materiales de
registro holográfico. Así la patente mundial W9962460 y la patente
europea 0366977 hacen referencia a composiciones fotopolimerizables
utilizables en tratamientos dentales. La patente mundial W9623836
hace referencia a un sistema fotopolimerizable para proteger faros
de vehículos. La flexoimpresión también es una aplicación típica de
los fotopolímeros, un ejemplo se puede encontrar en las patentes
europeas 0263301, 0833206. Dentro de los materiales de registro
holográfico, las patentes que hacen referencia a la utilización de
derivados del ácido acrílico, se refieren a sustancias de carácter
hidrófobo, insolubles en agua, o a ésteres del mencionado ácido
pero en ningún caso tienen relación con los acrilatos metálicos
(sales metálicas del ácido acrílico) utilizados en la presente
invención. Así en la patente española 2014832 se reivindica un
procedimiento para producir un holograma o registro holográfico de
lámina delgada mediante la utilización de un acrilato epoxídico. La
patente española 2141652 hace referencia a un material de registro
basado en gel de sílice impregnado en un éster del ácido
metacrílico, concretamente el metilmetacrilato. En este caso se
utilizan disolventes tóxicos como el metanol para la fabricación del
material de registro
holográfico.
holográfico.
La patente española 2060537 reivindica
composiciones fotopolimerizables sensibles a la luz visible que
contienen como monómeros ésteres del ácido acrílico.
La presente invención se refiere a un material
de registro holográfico en cuyo desarrollo se siguen criterios de
compatibilidad medioambiental durante su fabricación y vida útil y
de seguridad durante el proceso de fabricación. Así, una de sus
características es que está constituido por un medio hidrófilo que
permite en su fabricación utilizar como disolvente agua, lo que
evita la necesidad de emplear disolventes orgánicos clasificados
como tóxicos o nocivos, situación común en los materiales de
registro holográfico descritos en anteriores patentes. Otra
característica de importancia es que en su composición no se
incluyen sustancias clasificadas como tóxicas o nocivas, lo que
contribuye a la seguridad del personal laboral durante la
fabricación, a la seguridad del usuario durante su vida útil y al
posterior reciclado.
La composición del material desarrollado sigue
el esquema básico de los materiales de registro holográfico
fotopoliméricos:
Uno o más monómeros monofuncionales (un grupo
etilénicamente insaturado por molécula) y un monómero bifuncional
(dos grupos etilénicamente insaturados por molécula) que actúa como
entrecruzante. Los monómeros monofuncionales utilizados para el
material desarrollado son sales metálicas o amónicas del ácido
acrílico solubles en agua, sustancias no utilizadas en los
materiales de registro holográfico descritos en anteriores
patentes, concretamente se utiliza del 10-90% en
peso, con relación al peso total, de una sal metálica del ácido
acrílico o una sal amónica del ácido acrílico. Como monómero
bifuncional se emplea 1,2
Dihidroxietilen-bis-acrilamida,
sustancia soluble en agua de bajo nivel de toxicidad comparada con
los acrilatos bifuncionales habitualmente utilizados en otros
materiales de registro fotopoliméricos. Se utiliza del
0-70% en peso, con relación al peso total, de 1,2
Dihidroxietilen-bis-
acrilamida.
acrilamida.
Un colorante sensibilizador capaz de
experimentar una reacción de oxidación o reducción fotoquímica tras
la absorción de luz de la longitud de onda adecuada. Se utiliza en
el material desarrollado una sal metálica o amónica del monofosfato
de 5'-riboflavina, sustancia no tóxica y soluble en
agua. En una proporción del 10-99% en peso, con
relación al peso total. Esta sustancia permite utilizar el material
de registro para un rango de longitudes de onda de
200-550 nm.
Un agente de transferencia de cadena, ácido
4,4'-azo-bis(4-cianopentanoico),
0.01-10% en peso, con relación al peso total, que
permite regular el tamaño de las cadenas de polímero formadas
durante el proceso de registro.
Un desactivador de radicales libres,
trietanolamina, 0-20% en peso con relación al peso
total, que permite controlar la sensibilidad energética del material
de registro.
Un modificador del espesor de la capa de
fotopolímero: glicerina, 0-20% en peso con relación
al peso total, agua desionizada o destilada, 0.1-20%
en peso, con relación al peso total, que permite además regular los
procesos de difusión molecular que tienen lugar en el material.
Un polímero orgánico de carácter hidrófilo,
soluble en agua, que actúa como matriz donde están incluidos el
resto de componentes y es seleccionado entre goma xantana, alcohol
polivinílico, sal sódica de la carboximetil celulosa, metil
celulosa, etil celulosa, gelatina, con un peso molecular promedio
en peso comprendido entre 25000 y 200000 uma. En la proporción
1-90% en peso, con relación al peso total.
El material no contiene disolventes derivados
del petróleo ni en su preparación se utilizan disolventes derivados
del petróleo y ninguno de sus componentes está clasificado como
"tóxico", "biotóxico", "explosivo",
"radioactivo", "oxidante", "corrosivo", "peligroso
para el medio ambiente" o "inflamable" según la directiva
2001/59/EC de la comisión de la unión europea.
Para la preparación del material de registro se
disuelven en agua cada uno de los componentes que entran en la
formulación del material. Todos los componentes se disuelven a una
temperatura ambiente cercana a 20ºC excepto el polímero orgánico que
habitualmente es preciso utilizar calefacción a reflujo para que su
disolución se efectúe en un tiempo adecuado. Con las disoluciones
de cada uno de los componentes a temperatura ambiente se prepara
una disolución de partida mezclando mediante agitación las
cantidades apropiadas de cada uno de ellos para obtener la
concentración requerida en la disolución de partida, sin utilizar
calor o radiación electromagnética. La mezcla se realiza en un
tanque agitado que permita hacer vacío e introducir un gas inerte
(nitrógeno o argón) para evitar posibles interferencias derivadas de
la presencia de oxígeno atmosférico. Este proceso puede realizarse
bajo luz natural o artificial mientras no se añada el colorante
sensibilizador, momento en el que la mezcla debe estar en completa
oscuridad o iluminada por una fuente que emita a una longitud de
onda a la que no absorba el citado colorante. Realizada la mezcla,
la disolución de partida resultante puede almacenarse en un
depósito cerrado de un material químicamente inerte antes de su
utilización, teniendo en cuenta que durante el tiempo de
almacenamiento pueden tener lugar fenómenos de envejecimiento que
afectan negativamente al material de registro fabricado a partir de
esta disolución. La disolución de partida es depositada en moldes
abiertos de un material químicamente inerte o sobre un soporte
transparente o parcialmente transparente, que son situados sobre una
superficie nivelada y se deja en la oscuridad en una cámara que
permite el control de la temperatura y la humedad. Tras un proceso
de evaporación parcial del agua contenida en los moldes, cuya
duración depende de los valores de temperatura y humedad
utilizados, se obtiene una película plástica flexible con un espesor
de 20 a 2000 micrómetros que puede ser extraída del molde y
constituye el material de registro holográfico sensible a la luz.
El material de registro holográfico tiene carácter hidrófilo y
todos sus componentes y el propio material son solubles en agua, lo
que posibilita que tras su vida útil sea posible su eliminación
mediante procesos en fase acuosa. El diseño del material está
orientado a que tanto en su producción, usos prácticos y eliminación
de residuos tras la vida útil de los productos sea
medioambientalmente compatible, de forma que se minimizan riesgos
potenciales de contaminación.
La preparación de la disolución de partida, su
depositado en los moldes y su extracción pueden efectuarse de forma
automatizada y el material de registro holográfico obtenido puede
protegerse mediante un material plástico de características ópticas
apropiadas, total o parcialmente transparente a la luz, con el fin
de garantizar sus propiedades mecánicas durante su vida útil en
aquellas aplicaciones que lo requieran.
El material descrito se somete a un proceso de
grabación mediante una o varias de las denominadas técnicas
holográficas ampliamente conocidas por un experto en la materia,
permitiendo la obtención de hologramas por exposición a la luz, en
una sola etapa y sin necesidad de un procesado posterior, si bien,
tras la exposición a la luz el material puede protegerse mediante
un material plástico total o parcialmente transparente a la luz con
el fin de garantizar sus propiedades mecánicas.
En este proceso tienen lugar reacciones de
fotopolimerización que originan un cambio en las características
químicas del material, que da lugar a un cambio en su índice de
refracción. De esta forma se registra en el material la información
deseada mediante la utilización de un láser que opera a la longitud
de onda apropiada. La información puede ser recuperada tantas veces
como sea preciso, durante la vida útil del material sometido al
proceso de registro, mediante un sistema holográfico de lectura que
opera mediante un láser de reconstrucción que permite recuperar la
información almacenada en el medio.
Con carácter ilustrativo se describen a
continuación diferentes ejemplos de aplicación de la presente
invención, sin que éstos puedan tomarse como limitaciones a la
misma.
Ejemplo
1
Se prepara mediante calefacción a reflujo una
disolución en agua desionizada al 15% m/v de alcohol polivinílico
de peso molecular promedio en peso (M_{w}) igual a 130000. Se
preparan disoluciones en agua desionizada del resto de componentes
de la Tabla 1 mediante agitación a temperatura ambiente. Se prepara
una disolución mezclando las cantidades adecuadas de las distintas
disoluciones de cada componente obteniendo una disolución
resultante con las concentraciones de cada componente expresadas en
la Tabla 1. La adición del fosfato de riboflavina se efectúa bajo
luz roja. La mezcla es agitada hasta homogeneización de los
componentes, efectuándose a continuación un proceso de
desgasificación con el fin de eliminar el aire ocluido en la
disolución.
Ejemplo
2
Para la preparación del material de registro
holográfico se depositan 39 ml de la disolución anterior en un
molde circular de 8.5 cm de diámetro y 1 cm de altura. El molde con
la disolución se guarda en la oscuridad a una temperatura de 20ºC y
una humedad relativa de 45% sobre una superficie plana. Tras un
proceso de evaporación parcial del agua contenida en la disolución,
que dura 6 días, se extrae el material del molde, constituido por
una película plástica con un espesor de 1 mm.
Es posible almacenar la película de material de
registro hasta su utilización, tras el proceso de evaporación de
agua y antes de su extracción del molde, en una cámara oscura donde
se controlen las condiciones de temperatura y humedad relativa.
Para el tipo de dispositivo utilizado en la
exposición de las muestras que se incluyen en el siguiente ejemplo
se adhiere la capa de material sobre un vidrio de 6.5x6.5 cm^{2}
de superficie.
Ejemplo
3
Mediante un montaje holográfico convencional se
registran redes holográficas en el material. Se varían diferentes
parámetros como la intensidad de los haces de registro, la
frecuencia espacial, el ángulo de giro entre la capa de material y
los haces de registro, el ángulo de giro entre la capa de material
y el haz de reconstrucción, con el fin de evaluar las
características del material y obtener los valores de los
principales parámetros holográficos.
En una capa de 1 mm de espesor, utilizando una
intensidad de 5 mW/cm^{2} en los haces de registro se obtiene una
red de difracción de 1125 líneas/mm, con un espesor de red efectivo
superior al 80% del espesor de capa, con un rendimiento en
difracción o cociente entre la intensidad difractada y la
intensidad incidente, del 90%, unas pérdidas por absorción y
dispersión de luz del 10%, una sensibilidad energética o energía
necesaria para alcanzar el máximo rendimiento en difracción de 50
mJ/cm^{2}.
Claims (12)
1. Material fotopolimerizable sensible a la luz
constituido por:
- a.
- 10-90% en peso, con relación al peso total, de una sal metálica del ácido acrílico o una sal amónica del ácido acrílico.
- b.
- 0-70% en peso, con relación al peso total, de 1,2 Dihidroxietilen-bis-acrilamida.
- c.
- 0-20% en peso, con relación al peso total, de trietanolamina.
- d.
- 1-90% en peso, con relación al peso total, de un polímero de peso molecular promedio en peso comprendido entre 25000 y 200000 urna.
- e.
- 10-99% en peso, con relación al peso total, de una sal metálica o amónica de monofosfato de 5'-riboflavina.
- f.
- 0.1-20% en peso, con relación al peso total, de agua desionizada o destilada.
- g.
- 0.01-10% en peso, con relación al peso total, de ácido 4,4'-azo-bis(4-cianopentanoico).
- h.
- 0-20% en peso, con relación al peso total, de glicerina.
2. Material según la reivindicación 1,
caracterizado porque el citado polímero referido en d. es
uno de los siguientes: goma xantana, alcohol polivinílico, sal
sódica de la carboximetil celulosa, metil celulosa, etil celulosa,
gelatina.
3. Material según la reivindicaciones
1-2, caracterizado porque se prepara mediante
un proceso de agitación a temperatura ambiente, sin utilizarse
calor o radiación electromagnética.
4. material según la reivindicación
1-3, caracterizado porque al ser expuesto a
la luz tienen lugar reacciones de fotopolimerización que originan
un cambio en las características químicas del mismo que influye en
sus propiedades ópticas, en especial, en un cambio en el índice de
refracción.
5. Material según la reivindicación
1-4, caracterizado porque se deposita en un
molde del que se obtiene, tras un proceso de evaporación parcial del
agua contenida, un material plástico flexible que se extrae del
molde y constituye el medio sensible a la luz o bien se deposita en
forma de película sobre un soporte transparente o parcialmente
transparente, dando lugar, tras un proceso de evaporación parcial
del agua contenida al medio sensible a la luz.
6. Material según la reivindicaciones
1-5, cuya parte fotosensible tiene un espesor
comprendido entre 20 y 2000 micrómetros.
7. Material de registro holográfico según las
reivindicaciones 1-6, caracterizado porque
permite la obtención de hologramas por exposición a la luz, en una
sola etapa y sin necesidad de posterior procesado.
8. Material de registro holográfico según las
reivindicaciones 1-7, caracterizado porque
permite su encapsulado en un medio plástico total o parcialmente
transparente a la luz, previamente o con posterioridad a la
obtención de hologramas por exposición a la luz.
9. Material de registro holográfico según las
reivindicaciones 1-7, caracterizado porque
no contiene disolventes derivados del petróleo ni en su preparación
se utilizan disolventes derivados del petróleo y ninguno de sus
componentes está clasificado como "tóxico", "biotóxico",
"explosivo", "radioactivo", "oxidante",
"corrosivo", "peligroso para el medio ambiente" o
"inflamable" según la directiva 2001/59/EC de la comisión de
la unión europea.
10. Material de registro holográfico según las
reivindicaciones 1-7,9, caracterizado porque
tiene carácter hidrófilo y todos sus componentes y el propio
material son solubles en agua.
11. Material de registro holográfico según las
reivindicaciones 1-10, caracterizado porque
tras su vida útil es posible su eliminación mediante procesos en
fase acuosa.
12. Material de registro holográfico según las
reivindicaciones 1-11, caracterizado porque
su producción, usos prácticos y eliminación de residuos tras la vida
útil de los productos es medioambientalmente compatible, de forma
que se minimizan riesgos potenciales de contaminación.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200503113A ES2288386B2 (es) | 2005-12-19 | 2005-12-19 | Material de registro holografico medioambientalmente compatible basado en acrilatos metalicos. |
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|---|---|
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