WO2008003537A1 - Extrudierte polymerplatten für anisotrope lichtstreuung mit hoher dimensionsstabilität - Google Patents

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WO2008003537A1
WO2008003537A1 PCT/EP2007/054325 EP2007054325W WO2008003537A1 WO 2008003537 A1 WO2008003537 A1 WO 2008003537A1 EP 2007054325 W EP2007054325 W EP 2007054325W WO 2008003537 A1 WO2008003537 A1 WO 2008003537A1
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polymer
scattering
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Michael Meier-Kaiser
Herbert Groothues
Volker Mende
Markus Parusel
Alexander Laschitsch
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Evonik Röhm Gmbh
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    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133504—Diffusing, scattering, diffracting elements

Definitions

  • the invention relates to a transparent plastic molding compound in which scattering bodies and / or glass fibers are compounded in order to be subsequently extruded in the form of semi-finished products.
  • the plastic moldings have an excellent light scattering ability with a preferred scattering direction with good mechanical properties.
  • a polymer matrix containing spherical scattering beads of another polymeric material is mechanically uniaxially stretched and
  • WO 02/057384 (3 M) describes a polymer composition consisting of an adhesive and longitudinal structures embedded therein.
  • the adhesive is optically isotropic and the refractive indices of the two materials differ by at least 0.01.
  • the longitudinal structures are made of plastics.
  • WO 02/071148 (3 M) describes a screen on which an adhesive is applied, in which longitudinal structures are dispersed.
  • the longitudinal structures are the same as in WO 02/057384.
  • WO 2004/106989 (Eastman Kodak) describes a polymeric film of two polymers with anisotropic optical properties. In addition to the weighted refraction of light by longitudinal parts of the refractive effect is reinforced by sitting on the surface of the film three-dimensional structures.
  • US-OS 2005/0036199 (3 M) describes a screen on which an adhesive is located in the adhesive is a number of elongated structures.
  • the refractive indices of the adhesive and the elongated ones Structures differ by at least 0.01.
  • US Pat. No. 5,940,211 (US Philips Corp.) describes an optical system that polarizes transmitted light to achieve an anisotropic distribution of luminosity.
  • US-OS 2003/0175466 (Sughrue Mion) describes a film with anisotropic refraction, which is achieved by an arrangement of rod-shaped structures in a polymer matrix.
  • the rods are oriented in one direction and the refractive index of the rods in the axial direction differs in itself from the refractive index of the matrix in the corresponding direction.
  • the rods have a diameter of less than 200 microns and a length of more than 800 microns.
  • the rods are made of liquid crystalline aromatic polyesters. The improvement of the mechanical properties of the anisotropic plastic molding is not discussed in the prior art.
  • the glass transition temperature is shifted upwards T 9 111, 7 ⁇ * 113.3 ° C (20% GF content)
  • the object is achieved by a light scattering body according to claim 1, the light scattering body is obtainable by an extrusion process according to claim 8.
  • polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), cycloolefinic copolymers (COC), polystyrene (PS) and copolymers in any combination of the above-mentioned monomers are suitable.
  • the plastic molding compositions can also be equipped impact resistant. Especially preferred is the use of transparent PMMA molding compounds.
  • the glass fibers used consist of A glass, C glass, D glass, E glass, AR glass, ECR glass and R glass, which differ in their composition and thus in their refractive index. Products available on the market also differ in fiber length and diameter, as well as a special coating (sizing), which ensures compatibility with the various polymer matrices.
  • the glass fibers are available, for example, from PPG Industries Glass & Fiber GmbH or from Saint Gobain.
  • a possible manufacturing method for the anisotropic plastic molding is to mix the intended amount of glass fibers with the respective plastic molding compound and extruded by means of a commercial extruder under the respective plastic adapted conditions.
  • a further possible manufacturing method for the anisotropic plastic molding is to separately compound the intended amount of glass fibers with a portion of the plastic molding composition for producing a masterbatch and to mix in the second stage the intended amount of masterbatch with the respective plastic molding compound and by means of extrude a commercial extruder under the respective plastic adapted conditions.
  • the glass fibers metered into the hot plastic melt are metered in via a side stuffing plant, which corresponds to particularly gentle processing.
  • the anisotropically light-scattering plastic mixture can also be applied as a co-extrudate to a plastic molding in the extrusion process in at least one layer.
  • anisotropic light scattering plates The main benefit of anisotropic light scattering plates is the increase in energy efficiency.
  • CCFLs CoId Cathode Fluorescent Lamps
  • the lamps themselves have a cylindrical (elongated structure, eg 30 cm length to 2 mm diameter) and are mounted in the BLU parallel to each other in the vertical (to the viewing plane).
  • lenses must be placed in front of the CCFL light sources. Arrangement to be set. The distance to the light sources (and on the other side to the actual display) must be kept low, since in flat screens only very limited space is available. Similarly, the lens should be thin (usually 2mm thickness).
  • back projection the image is projected on the screen by means of a projector from behind (i.e., on the opposite side of the viewer).
  • the rear projection is based on light transmission.
  • the size of the screens is also a scattering of light up here or bottom unnecessarily, while scattering in the horizontal plane is strongly desired.
  • this effect is achieved by the use of lenticular lenses on the surface facing the observer. Since the light is scattered in a targeted manner in the observer plane, a higher light output and uniformity is achieved in the level of consideration for the same coupled power.
  • the throughput must not be too high (about 10 kg / h), the speed of the screw is 175 min "1 .
  • the flow field created by the flow of the plastic melt orients the glass fibers substantially parallel within the polymer matrix.
  • the flow field has a parabolic velocity profile within the nozzle of the extruder, which in turn results in a linear shear field which causes the glass fibers to rotate and align parallel to the walls of the nozzle of the extruder.
  • the mean aspect ratio of the inorganic glass fibers is between 1 and 10, preferably between 1 and 20, and very particularly preferably between 1 and 50.
  • the aim is a high orientation of the glass fibers:
  • the following process conditions are required in the extrusion:
  • the orientation of the glass fibers in the polymer would normally be indicated by an orientation distribution function.
  • the number of glass fibers per orientation direction is applied to a - in principle arbitrarily chosen - main axis direction; a reasonable choice of the main axis is in the extrusion direction, which is a major axis of orientation because of the flow profile.
  • This Gaussian distribution curve will become narrower with increasing degree of orientation of the glass fibers, ie their Half width decreases. Ideally distributed (ie all fibers in exactly one direction parallel to the extrusion
  • the orientation distribution function can not be determined directly or this would be quite expensive.
  • a very good measure of the degree of orientation is the measured optical anisotropy of the
  • the BTDF Bi-directional Transmission Distribution Function
  • Half-value angle and scattering power of the two curves will differ, which can be taken as a good measure of the anisotropy of the orientation.
  • a gentle processing of the plastic mixture should be chosen so that the glass fibers are not shattered and thus would produce a high fines content.
  • a gentle processing means that the glass fibers are not subjected to high shear stress, so that they do not break into small pieces as much as possible. This is achieved by blending the heated liquid polymer into the compound just before the extrusion nozzle via a so-called side stuffing unit (side feeder). Thus, the GFs are not subjected to shear through the entire screw path upon heating of the polymer.
  • Example 1 PLEXIGLAS® 7N (PMMA) with glass fibers Chopped Strand EC14 4,5 mm - 914
  • optical characterization is the measurement of the light scattering properties by means of goniometric luminance measurement.
  • the scattering power and the intensity half-value angle were determined according to DIN 5036 using a measuring device, LMT goniometer measuring station GO-T-1500 from LMT. These measurements were carried out for the test specimens respectively in and across the extrusion direction in order to detect the anisotropy of the scattering properties.
  • FIGS 1 to 4 show this anisotropy with increasing glass fiber content.
  • FIGS. 1-4 it can be seen that the anisotropy of the scattering occurs most with a glass fiber content of 20%. In the border areas 10% and 40% glass fiber content, the curves approach each other.
  • FIG. 5 shows the increase in the half-power angle with increasing glass fiber content. It can be observed that the half-value angle transverse to the extrusion direction between 10% wt. GF content and 20% wt GF content increases much more than the half-value angle along the extrusion direction.
  • FIG. 6 shows the magnitude of the quotient of the light scattering.
  • FIG. 7 shows the decrease of the light transmission with increasing glass fiber content.
  • the transmission TD65 / IO ° / reflection pD65 / io ° was determined according to DIN (German Industrial Standard) 5036 using a Lambda 19 measuring instrument from Perkin Elmer (or Varian Cary 5000 from Varian Inc.). In this case, a radiation source of the light type D65 (sodium light) was used.
  • Figure 8 shows the increase in yellowness with increasing glass fiber content.
  • a possible explanation are additives (sizing) of the glass fibers, which dissolve / decompose through the processing process and thus correspondingly low molecular weight fractions are formed in the material, which produce the yellowing effect.
  • the yellow value [ ⁇ D65 / 10 ° or pD65 / 10 °] was determined according to DIN 6167 using a Lambda 19 meter from Perkin Elmer (or Varian Cary 5000 from Varian Inc.).

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Diffusionskörper mit anisotroper Lichtstreuung.

Description

Extrudierte Polymerplatten für anisotrope Lichtstreuung mit hoher Dimensionsstabilität
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine transparente Kunststoffformmasse, in die Streukörper und/oder Glasfasern eincompoundiert werden, um danach in Form von Halbzeugen extrudiert zu werden. Die Kunststoffformkörper weisen ein hervorragendes Lichtstreuvermögen mit bevorzugter Streurichtung bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften auf.
Stand der Technik
Zur Erreichung einer anisotropen Lichtstreuung wurden schon verschiedene Prinzipien verwendet. Die wichtigsten in Bezug auf unsere Erfindung sind dabei die Folgenden:
1. Eine Polymermatrix, die sphärische Streuperlen eines anderen polymeren Materials enthält, wird mechanisch uniaxial verstreckt und
2. Glasfasern, die in einer Polymermatrix zueinander parallel orientiert sind. Hauptsächlich durch die Firma 3M wurde eine Konfiguration untersucht und vorgeschlagen, bei der kugelförmige Streuteilchen in eine Polymermatrix compoundiert sind, wobei diese Streuteilchen einen von der Matrix abweichenden Brechungsindex haben. Anschließend wird die gesamte Polymerplatte uniaxial verstreckt, was gleichzeitig zu einer Verstreckung der kugelförmigen Teilchen führt, die somit eine elliptische Form annehmen. Diese Form führt dann zu einem anisotropen Streuverhalten des Gesamtmaterials.
WO 02/057 384 (3 M) beschreibt eine Polymerzusammensetzung, die aus einem Adhäsiv und darin eingebetteten longitudinalen Strukturen besteht. Das Adhäsiv ist optisch isotrop und die Brechungsindices der beiden Materialien unterscheiden sich um mindestens 0,01. Die longitudinalen Strukturen bestehen aus Kunststoffen.
WO 02/071148 (3 M) beschreibt einen Bildschirm, auf dem ein Adhäsiv aufgebracht wird, in dem longitudinale Strukturen dispergiert sind. Die longitudinalen Strukturen sind die gleichen wie in WO 02/057384.
WO 2004/106989 (Eastman Kodak) beschreibt einen polymeren Film aus zwei Polymeren mit anisotropen optischen Eigenschaften. Neben der gewichteten Lichtbrechung durch longitudinale Teile wird der lichtbrechende Effekt durch auf der Oberfläche des Films sitzende dreidimensionale Strukturen verstärkt.
US-OS 2005/0036199 (3 M) beschreibt einen Schirm, auf dem sich ein Adhäsiv befindet, im Adhäsiv befindet sich eine Anzahl von länglichen Strukturen. Die Brechungsindices des Adhäsivs und der länglichen Strukturen unterscheiden sich um mindestens 0,01. Gegebenenfalls können noch Polarisatoren, Fresnel-Linsen oder Reflektoren vorhanden sein.
US-PS 5,940,211 (US Philips Corp.) beschreibt ein optisches System, das durchtretendes Licht polarisiert und so eine anisotrope Verteilung der Leuchtstärke erreicht.
US-PS 6,123,877 (Nashua Corporation) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines anisotropen Lichtstrahls, in dem man ihm durch eine polymere Matrix mit unterschiedlichen Brechungsindices leitet. Die Brechungsindexunterschiede werden durch sphärische Partikel erzeugt.
US-OS 2003/0175466 (Sughrue Mion) beschreibt einen Film mit anisotroper Lichtbrechung, die durch eine Anordnung von stäbchenförmigen Strukturen in einer Polymer-Matrix erreicht wird. Die Stäbchen sind in eine Richtung orientiert und der Brechungsindex der Stäbchen in axialer Richtung in sich vom Brechungsindex der Matrix in der entsprechenden Richtung unterscheidet. Die Stäbchen haben einen Durchmesser von weniger als 200 μm und eine Länge von mehr als 800 μm. Die Stäbchen bestehen aus flüssigkristallinen aromatischen Polyestern. Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des anisotropen Kunststoffformkörpers wird im Stand der Technik nicht diskutiert.
European Polymer Journal 41 (2005) 1729-1737. Kim beschreibt den Einfluß von thermo-physikalischen Eigenschaften, Luftfeuchtigkeit und Steifigkeit auf Diffuserplatten aus dem Matrixmaterial PMMA, die mit
Glasfasern modifiziert wurden.
Kim fand heraus, daß die Beigabe der Glasfasern die Warpage
(Durchbiegung) unter Einfluß der beschriebenen Umgebungsbedingungen drastisch reduziert. Dabei konnte er nur geringen Einfluß auf die optischen
Eigenschaften feststellen, insbesondere findet er keine anisotropen
Streueigenschaften .
Folgende mechanischen Eigenschaften findet er
1. der Speichermodul mit steigendem Glasfaseranteil zunimmt (2,2 -> 3,2 GPa bei T = 25°C)
2. Die Glasübergangstemperatur nach oben verschoben wird T9 111 ,7 ■* 113,3 °C (20% GF-Anteil)
3. Die Wasserabsorption fällt stark ab wird (24 h: 0,4% -> 0,2 %)
4. die Warpage abgesenkt wird.
Aufgabe und Lösung
Angesichts des diskutierten Standes der Technik bestand nun die Aufgabe der Erfindung, einen weiteren optischen Streukörper mit verbesserten Streuverhalten zur Verfügung zu stellen, der darüberhinaus noch gute mechanischen Eigenschaften aufweist und daher problemlos zu verarbeiten ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung der anisotropen Kunststoffformkörper zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird durch einen Lichtstreukörper nach Anspruch 1 gelöst, der Lichtstreukörper ist nach einem Extrusionsverfahren nach Anspruch 8 erhältlich.
Als transparente Kunststoffe kommen Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethyleneterephtalat (PET), cycloolefinische Copolymere (COC), Polystyrol (PS) und Copolymere in jeder Kombination der oben genannten Monomere in Frage. Gegebenenfalls können die Kunststoffformmassen auch schlagzäh ausgerüstet sein. Besonderes bevorzugt ist die Verwendung von transparenten PMMA-Formmassen.
Die verwendeten Glasfasern bestehen aus A-Glas, C-Glas, D-Glas, E- Glas, AR-Glas, ECR-Glas und R-Glas, die sich in ihrer Zusammensetzung und somit in ihrem Brechungsindex voneinander unterscheiden. Auf dem Markt verfügbare Produkte unterscheiden sich außerdem in Faserlänge und Durchmesser, sowie einer speziellen Beschichtung (Schlichte), die die Kompatibilität mit den verschiedenen Polymermatrizen gewährleistet. Die Glasfasern sind beispielsweise von den Firmen PPG Industries Glass & Fiber GmbH oder von Saint Gobain erhältlich. Ein mögliches Herstellverfahren für den anisotropen Kunststoffformkörper besteht darin, die vorgesehene Menge an Glasfasern mit der jeweiligen Kunststoffformmasse zu mischen und mittels eines handelsüblichen Extruders unter dem jeweiligen Kunststoff angepassten Bedingungen zu extrudieren.
Ein weiters mögliches Herstellverfahren für den anisotropen Kunststoffformkörper besteht darin, über einen zweistufigen Prozess die vorgesehene Menge an Glasfasern mit einem Teil der Kunststoffformmasse zur Herstellung eines Masterbatches separat zu compoundieren und in der zweiten Stufe die vorgesehene Menge an Masterbatch mit der jeweiligen Kunststoffformasse zu mischen und mittels eines handelsüblichen Extruders unter dem jeweiligen Kunststoff angepassten Bedingungen zu extrudieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden bei der Herstellung des Masterbatches die Glasfasern in die heiße Kunststoffschmelze eindosiert über ein Seitenstopfwerk eindosiert, was einer besonders schonenden Verarbeitung entspricht.
Die anisotrop lichtstreuende Kunststoffmischung kann auch mindestens einschichtig als Coextrudat auf einen Kunststoffformkörper im Extrusionsprozess aufgebracht werden. Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Der hauptsächliche Nutzen anisotroper Lichtstreuplatten liegt in der Erhöhung der Energieeffizienz.
In folgenden Anwendungen sei beispielhaft erläutert, auf weiche Art durch diese anisotrope Lichtstreuung die Energieeffizienz erhöht wird.
1. Back Light Units für grossflächige Display-Anwendungen (großformatige Flachbildschirme wie z.B. Fernsehgeräte)
Grosse BLUs werden normalerweise direkt hinterleuchtet, da eine Kantenbeleuchtung über grosse Flächen nicht die notwendige Helligkeit auskoppelt. Die direkte Hinterleuchtung besteht oft aus sog. CCFLs (CoId Cathode Fluorescent Lamps), da diese kostengünstig und vergleichsweise robust sind. Die Lampen selbst haben eine zylinderförmige (langgezogene Struktur, z.B. 30 cm Länge auf 2 mm Durchmesser) und sind in der BLU parallel zueinander in der Vertikalen (zur Betrachtungsebene) montiert Um ein gleichmässig ausgeleuchtetes Bild zu erhalten müssen also Streuscheiben vor die CCFL-Lichtquellen-Anordnung gesetzt werden. Der Abstand zu den Lichtquellen (und auf der anderen Seite zum eigentlichen Display) muss gering gehalten werden, da in Flachbildschirme nur sehr begrenzter Bauraum zur Verfügung steht. Ebenso sollte die Streuscheibe dünn sein (üblicherweise 2mm Dicke). Wegen des geringen Abstandes von Lichtquelle zu Streuscheibe kann die notwendige „Homogenisierung" des modulierten Helligkeitsprofils nur durch die Verwendung sehr starker Streuscheiben erreicht werden. Diese haben allerdings den Nachteil, dass die gesamte Lichttransmission nur 40-60% beträgt. (HWW = 70-86°), d.h. dass hohe Verluste auftreten. Bisher sind hier nur isotrope Streuscheiben im Einsatz, die das Licht in alle Raumrichtungen streuen. Anisotrope Streuscheiben hätten hier den Vorteil, dass sie das Licht bevorzugt in die Ebene des Betrachters streuen, d.h. senkrecht zur Richtung der Lampen. Dies ist genau die benötigte Streurichtung zur Homogenisierung des Beleuchtungsfeldes. Die Streuung nach oben oder unten (,wo sich ohnehin kein Betrachter befindet.), ist hier gar nicht notwendig, da die Lichtquellen über ihre Länge (weitgehend) homogen abstrahlen. Somit muss die hohe Lichtstreuung nur auf einer Hauptachse (senkrecht zur Richtung der Lampenanordnung) wirksam sein, in Richtung der anderen Hauptachse (parallel zum Verlauf der Lichtquellen) würde deutlich weniger Licht gestreut (= „verbraucht") als bei isotropen Streuscheiben. Um somit die gleiche Helligkeit in Betrachterebene zu erreichen, ist bei anisotropen Streuscheiben weniger eingekoppelte Lichtenergie nötig als im Vergleich zu Anordnungen mit brightness- enhancement-Folien. (BEF).
2. Anisotrop streuende Rückprojektionsscheiben
Bei der Rückprojektion wird das Bild mittels Beamer von hinten (d.h. auf der dem Betrachter gegenüberliegenden Seite) auf den Screen geworfen. Im Gegensatz zur Frontprojektion beruht die Rückprojektion also auf Lichttransmission.
Bei solchen Screens kommt es darauf an, dass das Bild unter verschiedenen Betrachtungswinkeln möglichst dieselbe Helligkeit aufweist. Dazu muss das Licht entsprechend in den Raum gestreut werden. Wg. der Größe der Screens ist auch hier eine Streuung des Lichtes nach oben oder unten unnötig, während eine Streuung in der horizontalen Ebene stark erwünscht ist.
Im Rückprojektionsbereich wird dieser Effekt durch den Einsatz von Lentikularlinsen an der dem Betrachter zugewandten Oberfläche erreicht. Da das Licht gezielt in die Betrachterebene gestreut wird, wird bei derselben eingekoppelten Leistung eine höhere Lichtausbeute und Gleichmäßigkeit in Betrachterebene erreicht.
Die Temperaturen in den Aufheiz-Bereichen des Extruders betragen beispielsweise für PLEXIGLAS ® 7N (PMMA-Formmasse, erhältlich bei der Röhm GmbH) zwischen T = 1800C und T = 230° C, die Austrittstemperatur der Schmelze aus der Düse beträgt ca. T = 2400C. Der Durchsatz darf nicht zu hoch gewählt werden (ca. 10 kg/h), die Drehzahl der Schnecke liegt bei 175 min"1.
Es handelt sich um einen Extruder der Fa. Breyer mit einer Entgasungsschnecke mit dem Durchmesser D = 60 mm, 60 mm Steigung und der Länge 33 D = 1980 mm, deren Einzug mit Nutbuchse ausgeführt ist.
Das Strömungsfeld, das durch den Fluß der Kunststoffschmelze erzeugt wird, orientiert die Glasfasern im wesentlichen parallel innerhalb der Polymermatrix. Das Strömungsfeld weist innerhalb der Düse des Extruders ein parabolisches Geschwindigkeitsprofil auf, dieses wiederum führt zu einem linearen Scherfeld, welches dazu führt, dass die Glasfasern rotieren und sich parallel zu den Wänden der Düse des Extruders ausrichten. Es wurden zwei Typen von Glasfasern verwendet, die sich vor allem im Durchmesser von einander unterscheiden.
Bezeichnung GF-Länge [mm] GF-Durchmesser [μm] Glassorte
Figure imgf000011_0001
EC14-4,5mm 4,5 14 1 ,56 E-Glas 914
CS-PA — — 1 ,56 E-Glas
Das mittlere Aspektverhältnis der anorganischen Glasfasern liegt zwischen 1 und 10, bevorzugt zwischen 1 und 20 und liegt ganz besonders bevorzugt zwischen 1 und 50.
Es wird eine hohe Orientierung der Glasfasern angestrebt: Hierzu werden folgende Prozessbedingungen bei der Extrusion benötigt:
• hohe Schergeschwindigkeit
• enger Lippenspalt
• höhere Viskosität der Schmelze
Die Orientierung der Glasfasern im Polymer würde normalerweise über eine Orientierungsverteilungsfunktion angegeben. Dabei wird die Anzahl der Glasfasern pro Orientierungsrichtung um eine - im Prinzip beliebig gewählte - Hauptachsenrichtung aufgetragen; eine sinnvolle Wahl der Hauptachse besteht in der Extrusionsrichtung, die wegen des Strömungsprofils eine Hauptachse der Orientierung darstellt. Diese Gauß'sche Verteilungskurve wird mit zunehmendem Orientierungsgrad der Glasfasern schmaler werden, d.h. deren Halbwertsbreite nimmt ab. Bei idealer Verteilung (d.h. alle Glasfasern genau in einer Richtung parallel zur Extrusion
Die Orientierungsverteilungsfunktion kann jedoch nicht direkt bestimmt werden bzw. dies wäre recht aufwändig. Ein sehr gutes Maß für den Grad der Orientierung ist jedoch die gemessene optische Anisotropie der
Streuscheibe.
Hierzu wird mit Hilfe eines entsprechenden Messaufbaus die BTDF (Bi- directional Transmission distribution function). Zur Charakterisierung der wesentlichen Auswirkung der Orientierung genügt es die 2-dimensionale
Streuverteilungskurve entlang der beiden Orientierungs-Hauptachsen zu bestimmen.
Halbwertswinkel sowie Streuvermögen der beiden Kurven werden sich unterscheiden, was als gutes Maß für die Anisotropie der Orientierung angenommen werden kann.
Allgemein ist eine schonende Verarbeitung der Kunststoffmischung zu wählen, damit die Glasfasern nicht zerschert werden und somit einen hohen Feinanteil erzeugen würden.
Unter einer schonenden Verarbeitung wird verstanden, dass die Glasfasern keiner hohen Belastung durch Scherung ausgesetzt werden, damit sie möglichst nicht in kleine Teile zerbrechen. Dies wird dadurch erreicht, dass Sie beim Compoundieren erst kurz vor der Extrusionsdüse über ein sog. Seitenstopfwerk (Side-Feeder) dem erhitzten flüssigen Polymer beigemischt werden. Somit werden die GF nicht der Scherung durch den gesamten Schneckenweg beim Erhitzen des Polymers ausgesetzt. . Beispiel 1 : PLEXIGLAS® 7N (PMMA) mit Glasfasern Chopped Strand EC14 4,5 mm - 914
In Extrusionsversuchen wurden verschiedene Gewichtsanteile Glasfasern (10, 20, 30 und 40%) einer PMMA-Formmasse : PLEXIGLAS® 7N beigegeben und in 2mm dicken Platten extrudiert. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung fasst Tabelle 1 zusammen:
Figure imgf000013_0001
Ein wichtiger Aspekt der optischen Charakterisierung ist die Vermessung der Lichtstreueigenschaften mittels goniometrischer Leuchtdichtemessung.
Das Streuvermögen und der Intensitätshalbwertswinkel wurde gemäss DIN 5036 mit einem Messgerät, LMT-Goniometer-Messplatz GO-T-1500 der Fa. LMT bestimmt. Diese Messungen wurden für die vorliegenden Probekörper jeweils in und quer zur Extrusionsrichtung durchgeführt, um die Anisotropie der Streueigenschaften zu erfassen.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen diese Anisotropie mit zunehmendem Glasfaseranteil.
In den Figuren 1-4 erkennt man, dass die Anisotropie der Streuung am stärksten bei einem Glasfaseranteil von 20% auftritt. In den Grenzbereichen 10% sowie 40% Glasfaseranteil nähern sich die Kurven einander an.
In den folgenden Figuren sind die Ergebnisse dargestellt: Figur 5 zeigt die Zunahme der Halbwertswinkel mit steigendem Glasfaseranteil. Dabei ist zu beobachten, dass der Halbwertswinkel quer zur Extrusionsrichtung zwischen 10%wt. GF-Anteil und 20%wt GF-Anteil weitaus stärker ansteigt, als der Halbwertswinkel längs Extrusionsrichtung.
Figur 6 zeigt den Betrag des Quotienten der Lichtstreuung.
Deutlich wird dies auch im Anisotropiequotiente A = HWW(q) : HWW(I), dem Quotienten der Halbwertswinkel, der bei ca. 20%-wt. ein Maximum hat. Aus diesen Ergebnissen ist zu schliessen, dass a. zwischen 10 und 20 %-Gew. Glasfaseranteil eine starke Zunahme der Lichtstreuung erfolgt und b. die Zunahme der mittleren Orientierung der Glasfasern in diesem Bereich stark zunimmt, wobei sich die Ausrichtung bei höheren Glasfaseranteilen nicht mehr stark verbessert.
Figur 7 zeigt die Abnahme der Lichttransmission mit zunehmendem Glasfaseranteil.
Die Transmission TD65/IO° / Reflexion pD65/io° wurde gemäss DIN (Deutscher Industrienorm) 5036 mit einem Messgerät Lambda 19 der Fa. Perkin Eimer (oder Varian Cary 5000 der Firma Varian Inc.) bestimmt. Dabei wurde eine Strahlungsquelle der Lichtart D65 (Natrium-Licht) verwendet.
Im Bereich von 10%wt. GF bis 40%-wt. GF nimmt die Lichttransmission von 75% auf 39% ab, wobei der Verlauf nahezu linear ist.
Figur 8 zeigt die Zunahme des Gelbwerts mit steigendem Glasfaseranteil. Eine mögliche Erklärung sind Zusatzstoffe (Schlichte) der Glasfasern, die sich durch den Verarbeitungsprozess lösen/zersetzen und somit entsprechend niedermolekulare Anteile im Material entstehen, die die Gelbwirkung erzeugen. Der Gelbwert [τ D65/io° oder pD65/io°] wurde nach DIN 6167 mit einem Messgerät Lambda 19 der Fa. Perkin Eimer (oder Varian Cary 5000 der Firma Varian Inc.) bestimmt.
Zusammenfassend aus allen Messergebnissen ergibt sich ein Optimum bei ca. 20%-wt. Glasfaseranteil, da hier der Verlust an Lichttransmission und der Gelbwert (ungewünschte Effekte) noch nicht zu hoch sind und andererseits die Lichtstreuung sowie deren Anisotropie schon sehr stark ausgeprägt sind.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Diffusionskörper, aufgebaut aus einem transparentem Polymer und Glasfasern.
2. Diffusionskörper nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass als transparentes Polymer Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyester oder Polyolefine verwendet werden.
3. Diffusionskörper nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Differenz der Brechungsindices zwischen Polymer und organischer Glasfaser mindestens 0,01 beträgt.
4. Diffusionskörper nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Differenz der Brechungsindices zwischen Polymer und organischer Glasfaser mindestens 0,05 beträgt.
5. Diffusionskörper nach einem der vorgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Durchmesser der anorganischen Glasfasern zwischen 1 ,0 und 100 μm liegt.
6. Diffusionskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das mittlere Aspektverhältnis der anorganischen Glasfasern zwischen 1 und 10 liegt.
7. Diffusionskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das mittlere Aspektverhältnis der anorganischen Glasfasern zwischen 1 und 20 liegt.
8. Diffusionskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das mittlere Aspektverhältnis der anorganischen Glasfasern zwischen 1 und 50 liegt.
9. Diffusionskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mittlere Abweichung der Glasfasern von der Vorzugsrichtung zwischen 0° und 45° liegt.
10. Verfahren zur Herstellung eines Diffusionskörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass man die anorganischen Glasfasern mit dem Polymeren im Masseverhältnis von 1 : 10 - 1 : 10.000 mischt und extrudiert.
11. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass man die anorganischen Glasfasern in Form eines Masterbatches zum Polymer hinzugibt.
12. Masterbatch,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Masseverhältnis zwischen anorganischem Glas und Polymer zwischen 1 : 5 und 1 : 500 liegt.
13. Diffusionskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Ansiotropieverhältnis mindestens 1 ,1 beträgt.
14. Verwendung des Diffusionskörpers nach einem der vorstehenden Ansprüche als Verkleidung für Leuchtmittel.
15. Verwendung des Diffusionskörpers nach einem der vorstehenden Ansprüche als Bauelement für Flachbildschirme.
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