PISULA, Wojciech (Kaiser-Wilhelm-Ring 44, Mainz, 55118, DE)
STEIN, Peter (Datterichweg 22, Mühltal, 64367, DE)
ROTH, Christian (Hohensteiner Straße 46, Lautertal, 64686, DE)
SCHWARZ-BARAC, Sabine (Im Meerchen 18a, Riedstadt, 64560, DE)
ROCHHOLZ, Heiko (Am Weiler Pfad 20, Rümmelsheim, 55452, DE)
LASCHITSCH, Alexander (Kirchnerstrasse 5, Frankfurt, 60311, DE)
SCHMIDT, Jann (Klein-Gerauer-Weg 29c, Weiterstadt, 64331, DE)
PISULA, Wojciech (Kaiser-Wilhelm-Ring 44, Mainz, 55118, DE)
STEIN, Peter (Datterichweg 22, Mühltal, 64367, DE)
ROTH, Christian (Hohensteiner Straße 46, Lautertal, 64686, DE)
SCHWARZ-BARAC, Sabine (Im Meerchen 18a, Riedstadt, 64560, DE)
ROCHHOLZ, Heiko (Am Weiler Pfad 20, Rümmelsheim, 55452, DE)
LASCHITSCH, Alexander (Kirchnerstrasse 5, Frankfurt, 60311, DE)
| Ansprüche : Lichtleitkörper mit mindestens einer Lichteintrittsfläche und mindestens einer Lichtaustritts fläche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Lichtaustrittsfläche zu Lichteintrittsfläche mindestens 4 beträgt, dass er einen Haze, gemessen nach ASTM D1003, von kleiner als 4 % aufweist, und dass als Lichtstreumittel Titandioxid Partikel einer mittleren Partikelgröße von 150 - 500 nm in einer Konzentration bezogen auf das Gewicht des Lichtleitkörpers von 0.1 - 100 Gew.-ppm eingesetzt werden . 2. Lichtleitkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Titandioxid Partikel zu mindestens 50% in der Rutil-Modifikation vorliegen. Lichtleitkörper gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Lichtaustrittsfläche Lichteintrittsfläche mindestens 20 beträgt. Lichtleitkörper gemäß einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er aus mindestens einem transparenten, thermoplastischen oder thermoelastischen Kunststoff besteht und/oder dass er nur in bestimmten Bereichen Lichtstreumittel und einen Haze gemäß Anspruch 1 aufweist und/oder dass er Bereiche, die nicht lichtstreuend ausgeführt sind aufweist. Lichtleitkörper gemäß einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtstreumittel Titandioxid Partikel in einer Konzentration bezogen auf das Gewicht des Lichtleitkörpers von 0.1 - 50 Gew.-ppm, bevorzugt 0.1 - 10 Gew.-ppm eingesetzt werden und/oder dass die Titandioxidpartikel eine mittlere Partikelgröße von 160 bis 450 nm und besonders bevorzugt von 170 bis 400 nm aufweisen und/oder, dass der Haze im Bereich von 0, 2 bis 2% liegt . Lichtleitkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er keine Bedruckung und/oder keine lichtstreuenden Störstellen aufweist. Lichtleitkörper gemäß einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche senkrecht zur Lichteintrittsfläche steht. Lichtleitkörper gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche nicht senkrecht zur Lichteintrittsfläche steht und/oder dass es sich um einen Freiformkörper handelt. Lichtleitkörper gemäß einem oder mehreren der vorige Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitkörpers mindestens 40 Gew.%, bevorzugt mindestens 60 Gew. %, bezogen auf das Gewicht des Lichtleitkörpers, Polymethylmethacrylat umfasst. .Verfahren zur Herstellung eines Lichtleitkörpers gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man aus einer Formmasse aufweisend mindestens 40 Gew. %, bevorzugt mindestens 60 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Formmasse, Polymethylmethacrylat und 0,1 bis 100 Gew.-ppm, bezogen auf das Gewicht der Formmasse Titandioxid-Partikel mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 150 bis 500 nm einen Lichtleitkörper formt. 11. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleitkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Acrylharz aufweisend A) 0,1- 100 Gew.-ppm Titandioxid-Partikel mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 150 bis 500 nm, B) 40-99,999 Gew.-% Methylmethacrylat , C) 0-59,999 Gew.-% Comonomere, D) 0-59,999 Gew.-% in (B) oder (C) lösliche Polymere, wobei die Komponenten A) bis D) 100 Gew.-% ergeben, radikalisch polymerisiert und dadurch einen Lichtleitkörper erhält. 12. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleitkörpers nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper durch Gießverfahren, Spritzguss, Mehrkomponentensprit zguss oder durch Extrusion hergestellt wird. 13.Verwendung eines Lichtleitkörpers gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 als transparente Verglasungselemente, die sich durch Einschalten der an den Lichteintrittsflächen angebrachten Lichtquellen als flächige Leuchten nutzen lassen. 14.Verwendung eines Lichtleitkörpers gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 als Schilder, Anzeigeelemente, Werbeobjekte etc., welche bestimmte Symbole bzw. Zeichen erst nach dem Einschalten sichtbar machen. |
Transparenz
Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtleitkörper mit verbesserter Leuchtintensität und Transparenz, ein
Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung.
Lichtleitkörper, die auf dem Prinzip der Einbettung von Streupartikeln in eine transparente thermoplastische
Kunststoffmatrix beruhen, sind bekannt.
So sind aus der EP 656 548 Lichtleitkörper bekannt, die Polymerpartikel als Streupartikel verwenden. Die
Polymerpartikel weisen zu mehr als 98% eine Größe von mindestens 7 Mikrometern auf und werden zu 0,01 Gew.-% (100 Gew.-ppm) bis 1 Gew.-% (10000 Gew.-ppm) einem
Matrixkunststoff zugegeben. Diese Lichtleitkörper weisen den Nachteil auf, dass die Witterungsbeständigkeit
unzureichend ist und dass sie schon bei einer Dicke von 1 mm, insbesondere ab 2 mm eine Trübung - ausgedrückt durch den „Haze"-Wert - besitzen.
Die EP 1453900 beschreibt Lichtleitkörper, die als
Streupartikel Bariumsulfat mit einer mittleren
Teilchengröße von 0.3 - 20 Mikrometern in einer
Konzentration von 0,001 Gew.-% (10 Gew.-ppm) - 0,08 Gew.-% (800 Gew.-ppm) enthalten. Auch diese Lichtleitkörper weisen den Nachteil auf, dass sie schon bei einer Dicke von 1 mm, insbesondere ab 2 mm eine Trübung besitzen. Die zuvor beschriebenen Lichtleitkörper des Standes der
Technik weisen zudem den Nachteil auf, dass bei senkrechter Betrachtung zur Lichtaustrittsfläche eine geringe Leuchtdichte erreicht wird. Erst bei großen Winkeln, gemessen zur Flächennormale der Lichtaustrittsfläche (siehe hierzu Abbildung 1), nimmt die Leuchtdichte deutlich zu. Dieser Effekt ist für verschiedene Streupartikel in
Abbildung 2 dargestellt.
Neben Lichtleitkörpern mit Streupartikeln gibt es auch Lichtleitkörper, die durch mechanisches Einbringen von Störstellen auf der Oberfläche oder durch Bedrucken der Oberfläche hergestellt werden. Die Herstellung dieser
Lichtleitkörper ist jedoch mit einem erheblich höheren Produktionsaufwand verbunden. Ferner verursacht
insbesondere die Bedruckung eine schlechte Transparenz und beschränkt somit die Einsatzmöglichkeiten dieser
Lichtleitkörper. Lichtleitkörper mit eingebetteten
Streupartikeln können hingegen kostengünstig durch
Extrusion, Spritzguss sowie durch Gussverfahren ohne
Nachbearbeitung erzeugt werden. Beispiele für derart bedruckte Lichtleitkörper finden sich in der JP2004351649, der WO 2007/058060 der WO 2009/137053, der US 2005/272879.
In Anbetracht des zuvor diskutierten Standes der Technik war es somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Lichtleitkörper sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, die die Nachteile der Lichtleitkörper des Standes der Technik nicht oder nur in verringertem Umfang aufweisen .
Eine spezielle Aufgabe bestand darin Lichtleitkörper bereitzustellen, die eine geringe Trübung in Durchsicht, d.h. in Richtung der Flächennormalen, aufweisen und somit in Anwendungsgebieten eingesetzt werden können, die auf Grund der optischen Vorgaben, für Lichtleitkörper des Standes der Technik nicht zugänglich sind.
Eine weitere spezielle Aufgabe bestand darin
Lichtleitkörper bereitzustellen, die eine hohe Leuchtdicht bei geringem Winkeln, gemessen zur Flächennormale der Lichtaustrittsfläche, aufweisen.
Des Weiteren lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Lichtleitkörper zur Verfügung zu stellen, die besonders einfach hergestellt werden können, z. B. durch Extrusion, Spritzguss oder durch Gussverfahren.
Darüber hinaus war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Lichtleitkörper zu schaffen, die kostengünstig hergestellt werden können.
Ziel der vorliegenden Erfindung war es schließlich auch Lichtleitkörper bereitzustellen, die auf einfache Weise in Größe und Form den Anforderungen angepasst werden können.
Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem GesamtZusammenhang der nachfolgenden Beschreibung, Beispiele und Ansprüche.
Gelöst werden diese Aufgaben durch die in Anspruch 1 beschriebenen Lichtleitkörper. Zweckmäßige Abwandlungen de erfindungsgemäßen Lichtleitkörper werden in den auf
Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen unter Schutz gestellt.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung der
erfindungsgemäßen Lichtleitkörper liefern die Ansprüche 10 bis 12 sowie die nachfolgende Beschreibung eine Lösung der zugrunde liegenden Aufgabe.
Bevor die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben wird, werden einige wichtige Begriffe wie folgt definiert (siehe hierzu auch Abbildungen 1 und 3) :
Der Begriff Lichtaustritts läche kennzeichnet eine Fläche des Lichtleitkörpers, die bestimmt ist Licht abzustrahlen. Die Lichteintritts läche wiederum ist in der Lage Licht in den Lichtleitkörper aufzunehmen, so dass der
Lichtleitkörper das eingeleitete Licht über die
Lichtaustrittsfläche (n) weitgehend gleichmäßig verteilen kann .
Die erfindungsgemäßen Lichtleitkörper weisen bevorzugt mindestens eine Dicke von 1 mm auf. Besonders bevorzugt liegt die Dicke im Bereich von 2 bis 25 mm und ganz
besonders bevorzugt bei 3 bis 20 mm. Dem Lichtleitkörper können, wie in Abb. 1 angedeutet, noch weitere Schichten wie z. B. Spiegel- oder Reflexionsschichten zugeordnet sein .
Überrachenderweise wurde gefunden, dass durch Einbetten von Titandioxid-Streupartikeln, mit einer mittleren
Partikelgröße von 150 bis 500 nm, die Nachteile der
herkömmlichen Lichtleitkörper überwunden werden können. So haben die Erfinder zum Beispiel herausgefunden, dass erfindungsgemäße Lichtleitkörper enthaltend
Titandioxidpartikel mit dieser speziellen mittleren
Partikelgröße im Vergleich zu Lichtleitkörpern mit z. B. BaSC Streupartikeln deutlich transparenter sind, trotz deutlich höherer Lichtintensität bei geringem Winkel zur Flächennormale der Lichtaustrittsfläche. Die erfindungsgemäßen Lichtleitkörper weisen bevorzugt eine Dicke - gemessen an der dünnsten Stelle - von mindestens 1 mm, besonders bevorzugt von 2 bis 25 mm und ganz besonders bevorzugt bei 3 bis 20 mm auf. Die erfindungsgemäßen
Lichtleitkörper zeichnen sich zudem durch eine sehr geringe Trübung, gemessen als Haze nach ASTM D1003 aus, die kleiner als 4 %, bevorzugt kleiner als 2 %, besonders bevorzugt 0,2 bis 2 % ist. Damit wirken die erfindungsgemäßen
Lichtleitkörper im Gegensatz zu den Lichtleitkörpern des Standes der Technik für das menschliche Auge weitgehend transparent und können auch in Anwendungsgebieten
eingesetzt werden, die hohe Anforderungen an die optischen Eigenschaften haben. Besonders bevorzugt zeichnen sich die erfindungsgemäßen Lichtleitkörper dabei dadurch aus, dass sie keine für das menschliche Auge in einem
Betrachtungsabstand von 1 m wahrnehmbare, ganz besonders bevorzugt gar keine Bedruckung, insbesondere mit
Farbstoffen, auf der Oberfläche oder in einer anderen
Schicht des Formkörpers aufweisen. In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form weisen die erfindungsgemäßen Lichtleitkörper auch keine anderweitigen optischen
Störstellen auf der Oberfläche oder in einer Schicht auf. Im Gegensatz zu den Lichtleitkörpern des Standes der
Technik ist es somit erstmals gelungen eine sehr
gleichmäßige Lichtauskopplung über den ganzen
Lichtleitkörper in Kombination mit einer sehr hohen
Transparenz desselben zu erhalten ohne den zusätzlichen Arbeitsschritt der Aufbringung von Bedruckungen oder
Störstellen durchführen zu müssen. Die Möglichkeit auf Bedruckungen und Störstellen verzichten zu können ermöglicht es zudem die erfindungsgemäßen
Lichtleitkörper auch als Freiformkörper mit beliebiger räumlicher Gestalt auszugestalten. Im Gegensatz zu
Plattenförmigen Lichtleitkörpern des Standes der Technik in denen das Muster der Störstellen bzw. Bedruckungen einfach berechnet werden kann, ist dies bei komplizierten Gestalten nicht möglich. In einer besonders bevorzugten
Aus führungs form handelt es sich bei den erfindungsgemäßen Lichtleitkörpern somit um Freiformkörper mit hoher
Transparenz und gleichförmiger Lichtauskopplung, wodurch eine bislang nicht mögliche gestalterische Freiheit
erreicht wird. Transparente Lichtleitkörper bieten vielfältige praktische aber auch dekorative Anwendungen. So können Verglasungen gestaltet werden, die bei ausgeschalteter Lichtquelle eine klare, verzerrungsfreie und ununterbrochene Durchsicht gewähren. Schaltet man die Lichtquellen ein, so wirkt die Verglasung als flächige gleichmäßige Lichtquelle, die zur Allgemein- oder Ambientbeleuchtung eingesetzt werden kann.
Lichtleitkörper, die Titandioxid-Streupartikel enthalten, die eine mittlere Partikelgröße von 150 bis 500 nm
aufweisen, emittieren Licht sehr viel gleichmäßiger über alle Winkel, gemessen zur Flächennormale der
Lichtleitkörper, als Lichtleitkörper gemäß Stand der
Technik, z. B. der EP 1453900. Dies ist in Abbildung 4 und Abbildung 5 dargestellt. Die Leuchtdichte der
erfindungsgemäßen Lichtleitkörper ist somit bei senkrechter Betrachtung, deutlich höher als beim Einsatz herkömmlicher Streupartikel . Die Verwendung von Titandioxid-Partikeln als Streupartikel in Lichtleitkörpern ist an sich bekannt. Die JP2002148443 beschreibt z. B. Lichtleitkörper, die Titandioxid mit einer Partikelgröße von kleiner 100 nm enthalten. Die Erfinder haben jedoch herausgefunden, dass, Titandioxid seine höchste Streueffizienz in den erfindungsgemäßen
Streukörpern nahezu unabhängig von der Wellenlänge des Lichts bei einer Partikelgröße zwischen 150 und 500 nm besitzt. Dies wird in Abbildung 6 anhand einer Mie- Streusimulation von Titandioxid (Rutilmodifikation) in Polymethylmethacrylat verdeutlicht . Unterhalb von 150 nm, d.h. solche gemäß JP2002148443, streuen Titandioxid
Partikel zunehmend wellenlängenselektiv. Das heißt, blaues Licht (Wellenlänge 450 nm) wird deutlich mehr gestreut als grünes Licht (550 nm) und noch mehr rotes Licht (650 nm) . Das führt dazu, dass an den Lichteintrittsflächen in den Lichtleiter eingespeistes weißes Licht sich auf dem Weg im Lichtleiter entmischt. Dadurch ist das in geringem Abstand zu den Lichteintrittsflächen das aus den
Lichtaustrittsflächen austretende Licht bläulich, in großem Abstand zu den Lichteintrittsflächen zunehmend gelblich bis rötlich. Diese führt zu einer störenden
Wellenlängendispersion, d.h. das eingespeiste Licht tritt an den Lichtaustrittsflächen farblich verfälscht wieder aus. Dieses Problem wird durch die vorliegende Erfindung gelöst. Die erfindungsgemäß verwendeten Titandioxidpartikel weisen daher bevorzugt eine mittlere Partikelgröße von 150 bis 500 nm, besonders bevorzugt von 160 bis 450 nm, ganz besonders bevorzugt von 170 bis 450 nm und speziell
bevorzugt von 200 bis 400 nm und ganz speziell bevorzugt von 220 bis 400 nm auf. Titandioxid-Partikel, die die oben genannten Eigenschaften aufweisen sind kommerziell
erhältlich (z.B. KRONOS 2220 der Kronos Titan oder HOMBITAN R 610 K der Sachtleben Chemie) . Diverse Methoden zu ihrer Herstellung sind bekannt.
Der Anteil an Titandioxidpartikeln im Lichtleitkörper beträgt 0,1 bis 100 Gew. -ppm, bevorzugt 0,1 bis 50 Gew. - ppm und besonders bevorzugt 0,1 bis 10 Gew. -ppm, jeweils bezogen auf das Gewicht des Lichtleitkörpers. Dadurch kann trotz verbesserter Lichtintensität eine deutliche
Verringerung des Anteils an Streupartikeln und somit ein Kostenvorteil erreicht werden. Der verringerte Anteil wirkt sich auch positiv auf die Transparenz aus, so dass auch Lichtleitkörper von mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 2 mm Dicke mit hoher Transparenz und Streuintensität
hergestellt werden können. Ferner ist es möglich ein hohes Verhältnis von Lichtaustrittsfläche zu
Lichteinleitungsfläche von mindestens 4, bevorzugt
mindestens 10, besonders bevorzugt mindestens 20 und ganz besonders bevorzugt mindestens 80 zu realisieren. Hieraus ergibt sich, dass der Lichtleitkörper der vorliegenden Erfindung sich in starkem Maß von bekannten Abdeckungen für Beleuchtungskörper unterscheidet. Bekannte Abdeckungen zeichnen sich nämlich dadurch aus, dass die
Lichteinleitungsfläche parallel zur Lichtaustrittsfläche ausgebildet ist, so dass beide Flächen in etwa die gleiche Größe aufweisen.
Bevorzugt weisen erfindungsgemäße Lichtleitkörper eine Länge im Bereich von 25 mm bis 3000 mm, vorzugsweise von 50 bis 2000 mm und besonders bevorzugt von 200 bis 2000 mm auf. Die Breite liegt bevorzugt im Bereich von 25 bis 3000 mm, vorzugsweise von 50 bis 2000 mm und besonders bevorzugt von 200 bis 2000 mm.
Es sind kubische Ausführungen aber auch sich nach einer Seite hin verjüngende Ausführungen, die die Form eines Keils aufweisen, denkbar. Bei der Keilform wird bevorzugt nur über eine Lichteintrittsfläche Licht eingekoppelt.
Das Licht tritt bevorzugt senkrecht zur
Lichtaustrittsfläche in den Lichtleitkörper ein, d.h. die Lichteintrittsfläche steht senkrecht zur
Lichtaustrittsfläche. Beispiele für diese Aus führungs form finden sich in den Abbildungen 1 und 3. In einer
alternativen Ausführungsform ermöglichen es die
erfindungsgemäßen Lichtleitkörper jedoch auch, dass die Lichteintrittsfläche nicht senkrecht zu
Lichtaustrittsfläche steht und dennoch eine hohe
Lichtintensität erreicht wird. Dies ist z. B. dann möglich, wenn der Lichtleitkörper derart ausgestaltet ist, dass das eintretende Licht durch entsprechende Brechung oder
Reflektion an speziellen Schichten in die Lichtleit fläche gelenkt wird. Ein Beispiel hierfür wird in Abb. 7
dargestellt. Die erfindungsgemäßen Lichtleitkörper
ermöglichen somit einen deutlich verbesserten
Gestaltungsspielraum für den Anwender bzw. Designer.
Als Lichtquelle zur Beleuchtung der Lichteintrittsflächen der erfindungsgemäßen Lichtleitkörper können
Leuchtstofflampen, Leuchtdioden, Glühlampen und
Halogenglühlampen eingesetzt werden. Je nach Anordnung der Lichtquellen kann hierbei das Licht über alle vier Kanten eingestrahlt werden. Dies kann insbesondere bei sehr großen Lichtleitkörpern notwendig sein. Bei kleineren
Lichtleitkörpern genügt es im Allgemeinen ein oder zwei Kanten des Lichtleitkörpers zu beleuchten. Zur besseren Auswertung der eingesetzten Lichtenergie können die Kanten, die nicht mit einer Lichtquelle versehen sind,
reflektierend ausgestattet werden. Diese Ausstattung kann beispielsweise durch reflektierende Klebebänder erfolgen. Des Weiteren kann ein reflektierender Lack auf diese Kanten aufgebracht werden.
Die JP 7020459 beschreibt Lichtleitkörper, die Titandioxid in der Anatas-Modifikation als Streupartikel enthalten. Die Erfinder haben gefunden, dass Titandioxid mit hohem
Anatasanteil im Zusammenwirken mit Feuchtigkeit und
Sauerstoff zur beschleunigten Zersetzung des
Lichtleitkörper führen können. Daher weisen die
erfindungsgemäßen Lichtleitkörper in einer bevorzugten Aus führungs form Titandioxidpartikel mit einem Anteil der Rutil-Modifikation von mindestens50 Gew. %, bevorzugt mindestens 60 Gew. %, besonders bevorzugt mindestens 70 Gew. % und ganz besonders mindestens 90 Gew. % auf.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Lichtleitkörper, d.h. als transparente thermoplastische oder thermoelastische Kunststoffe zur Einbettung der Titandioxid Partikel, sind transparente Polycarbonate, Cycloolefincopolymere,
Polystyrole, Polyester und besonders
(Meth) acrylatpolymerisate geeignet. Diese (Meth) acrylatpolymere werden im Allgemeinen durch radikalische Polymerisation von Monomermischungen erhalten. Die Monomermischungen enthalten ganz besonders bevorzugt Methylmethacrylat , insbesondere mindestens 40 Gew. -%, vorzugsweise mindestens 60 Gew. -% und besonders bevorzugt mindestens 80 Gew. -%, bezogen auf das Gewicht der
Monomermischung, Methylmethacrylat . Daneben können diese Monomermischungen weitere (Meth) acrylate enthalten, die mit Methylmethacrylat
copolymerisierbar sind. Der Ausdruck (Meth) acrylate umfasst Methacrylate und Acrylate sowie Mischungen aus beiden. Diese Monomere sind weithin bekannt. Zu diesen gehören unter anderem (Meth) acrylate, die sich von
gesättigten Alkoholen ableiten, wie beispielsweise
Methylacrylat , Ethyl (meth) acrylat, Propyl (meth) acrylat, n-Butyl (meth) acrylat, tert.-Butyl (meth) acrylat, Pentyl (meth) acrylat und 2-Ethylhexyl (meth) acrylat ; (Meth) acrylate, die sich von ungesättigten Alkoholen ableiten, wie z. B. Oleyl (meth) acrylat, 2-Propinyl (meth) acrylat, Allyl (meth) acrylat, Vinyl (meth) acrylat ; Aryl (meth) acrylate, wie Benzyl (meth) acrylat oder Phenyl (meth) acrylat, wobei die Arylreste jeweils unsubstituiert oder bis zu vierfach substituiert sein können ; Cycloalkyl
(meth) acrylate, wie 3-Vinylcyclohexyl (meth) acrylat, Bornyl (meth) acrylat ; Hydroxylalkyl (meth) acrylate, wie 3-Hydroxypropyl (meth) acrylat, 3, 4-Dihydroxybutyl (meth) acrylat, 2-Hydroxyethyl (meth) acrylat, 2-Hydroxypropyl (meth) acrylat ; Glycoldi (meth) acrylate, wie 1, 4- Butandiol (meth) acrylat, (Meth) acrylate von
Etheralkoholen, wie Tetrahydrofurfuryl (meth) acrylat, Vinyloxyethoxyethyl (meth) acrylat ; Amide und Nitrile der (Meth) acrylsäure, wie N- ( 3-Dimethylaminopropyl ) (meth) acrylamid, N- (Diethylphosphono) (meth) acrylamid, 1-
Methacryloylamido-2-methyl-2-propanol ; schwefelhaltige Methacrylate, wie Ethylsulfinylethyl (meth) acrylat, 4- Thiocyanatobutyl (meth) acrylat, Ethylsulfonylethyl (meth) acrylat, Thiocyanatomethyl (meth) acrylat,
Methylsulfinylmethyl (meth) acrylat, Bis ( (meth)
acryloyloxyethyl ) sulfid ; mehrwertige (Meth) acrylate, wie Trimethyloylpropantri (meth) acrylat.
Neben den zuvor dargelegten (Meth) acrylaten können die zu polymerisierenden Zusammensetzungen auch weitere
ungesättigte Monomere aufweisen, die mit Methylmethacrylat und den zuvor genannten (Meth) acrylaten copolymerisierbar sind.
Hierzu gehören unter anderem 1-Alkene, wie Hexen-1, Hepten- 1 ; verzweigte Alkene, wie beispielsweise Vinylcyclohexan, 3, 3-Dimethyl-l-propen, 3-Methyl-l- diisobutylen, 4- Methylpenten-1 ; Acrylnitril ; Vinylester, wie Vinylacetat ; Styrol, substituierte Styrole mit einem
Alkylsubstituenten in der Seitenkette, wie z. B. - Methylstyrol und -Ethylstyrol , substituierte Styrole mit einem Alkylsubstitutenten am Ring, wie Vinyltoluol und p- Methylstyrol, halogenierte Styrole, wie beispielsweise Monochlorstyrole, Dichlorstyrole, Tribromstyrole und
Tetrabromstyrole ; Heterocyclische Vinylverbindungen, wie 2-Vinylpyridin, 3-Vinylpyridin, 2-Methyl-5-vinylpyridin, 3- Ethyl- 4-vinylpyridin, 2, 3-Dimethyl-5-vinylpyridin,
Vinylpyrimidin, Vinylpiperidin, 9-Vinylcarbazol , 3-
Vinylcarbazol , 4-Vinylcarbazol , 1-Vinylimidazol , 2-Methyl- 1-vinylimidazol , N-Vinylpyrrolidon, 2-Vinylpyrrolidon, N- Vinylpyrrolidin, 3-Vinylpyrrolidin, N-Vinylcaprolactam, N- Vinylbutyrolactam, Vinyloxolan, Vinylfuran, Vinylthiophen, Vinylthiolan, Vinylthiazole und hydrierte Vinylthiazole, Vinyloxazole und hydrierte Vinyloxazole ; Vinyl-und
Isoprenylether ; Maleinsäurederivate, wie beispielsweise Maleinsäureanhydrid, Methylmaleinsäureanhydrid, Maleinimid, Methylmaleinimid ; und Diene, wie beispielsweise
Divinylbenzol .
Im Allgemeinen werden diese Comonomere in einer Menge von 0 bis 60 Gew. -%, vorzugsweise 0 bis 40 Gew. -% und besonders bevorzugt 0 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Monomeren, eingesetzt, wobei die Verbindungen einzeln oder als Mischung verwendet werden können. Die Polymerisation wird im Allgemeinen mit bekannten
Radikalinitiatoren gestartet. Zu den bevorzugten
Initiatoren gehören unter anderem die in der Fachwelt weithin bekannten Azoinitiatoren, wie AIBN und 1, 1- Azobiscyclohexancarbonitril , sowie Peroxyverbindungen, wie Methylethylketonperoxid, Acetylacetonperoxid,
Dilaurylperoxyd, tert . -Butylper-2- ethylhexanoat ,
Ketonperoxid, Methyl isobutylketonperoxid,
Cyclohexanonperoxid, Dibenzoylperoxid, tert. - Butylperoxybenzoat , tert.- Butylperoxyisopropylcarbonat , 2,5-Bis ( 2-ethylhexanoyl- peroxy) -2 , 5-dimethylhexan, tert. -Butylperoxy-2ethylhexanoat , tert. -Butylperoxy-3 , 5,5- trimethylhexanoat , Dicumylperoxid, 1, 1-Bis (tert. - butylperoxy) cyclohexan,
1, 1-Bis (tert. -butylperoxy) 3,3, 5-trimethylcyclohexan, Cumylhydroperoxid, tert . -Butylhydroperoxid, Bis (4-tert. - butylcyclohexyl ) peroxydicarbonat , Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen miteinander sowie
Mischungen der vorgenannten Verbindungen mit nicht
genannten Verbindungen, die ebenfalls Radikale bilden können. Diese Verbindungen werden häufig in einer Menge von 0,01 bis 10 Gew. -%, vorzugsweise von 0,5 bis 3 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Monomeren, eingesetzt.
Es können verschiedene Poly (meth) acrylate eingesetzt werden, die sich beispielsweise im Molekulargewicht oder in der Monomerzusammensetzung unterscheiden.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Lichtleitkörper können die Monomermischungen in die gewünschte Form
gegossen und dann polymerisiert werden. Als Gießverfahren können sowohl diskontinuierliche oder kontinuierliche Gießverfahren zur Anwendung kommen.
Es kann aber auch zunächst eine Formmasse hergestellt und daraus der Lichtleitkörper geformt werden.
Derartig besonders bevorzugte Formmassen sind unter dem Handelsnamen PLEXIGLAS ® von der Fa. Röhm GmbH kommerziell erhältlich .
Das Gewichtsmittel des Molekulargewichts Mw der Formmassen kann in weiten Bereichen schwanken, wobei das
Molekulargewicht üblicherweise auf den Anwendungszweck und die Verarbeitungsweise der Formmasse abgestimmt wird. Im Allgemeinen liegt es aber im Bereich zwischen 20 000 und 1 000 000 g/mol, vorzugsweise 50 000 bis 500 000 g/mol und besonders bevorzugt 80 000 bis 300 000 g/mol, ohne dass hierdurch eine Einschränkung erfolgen soll. Nach Zugabe der Titandioxid-Partikel können aus diesen Formmassen Lichtleitkörper durch herkömmliche
thermoplastische Formgebungsverfahren hergestellt werden. Hierzu gehören insbesondere die Extrusion sowie der
Sprit zguss .
In einer besonders bevorzugten Aus führungs form werden die erfindungsgemäßen Lichtleitkörper im Mehrkomponenten, bevorzugt 2 -Komponenten, Spritzguß hergestellt, wobei nur eine Komponente (Formmasse) die Titandioxidpartikel enthält und die andere keine Streupartikel. Auf diese Weise ist es möglich Lichtleitkörper herzustellen bei denen die
Titandioxid-enthaltende Komponente ein bestimmtes Muster darstellt. In ausgeschaltetem Zustand, d.h. ohne
Lichteintritt, erscheint der Formkörper als homogener, transparenter Formkörper, das Muster ist nicht zu sehen. Nach dem Einschalten ist das Muster jedoch zu sehen, da nur der Teil der Formkörpers, der die Titandioxidpartikel enthält, das Licht auskoppelt.
In einer bevorzugten Aus führungs form umfasst die
vorliegende Erfindung daher auch Lichtleitkörper die nur in bestimmten Bereichen Lichtstreumittel und einen Haze gemäß Anspruch 1 aufweisen. Besonders bevorzugt sind die
restlichen Bereiche nicht lichtstreuend ausgeführt. Damit können z. B. Warnschilder hergestellt werden oder auch Abdeckungen von z. B. Fahrzeugcockpits, in denen die
Warnsymbole nach Aufleuchten dreidimensional hervorstehend erscheinen („schwebende Symbole") . Die erfindungsgemäßen Freiformkörper können bevorzugt durch Spritzguss oder durch Thermoformen zuvor hergestellter Lichtleitplatten hergestellt werden. Im speziellen lassen sich durch die Basis eines Thermoplasts leuchtende
Freiformkörper herstellen. So kann z. B. ein geschwungenes leuchtendes Display im Automobil Inferior oder Konturen auf einer Waschmaschine kann durch thermogeformte Platten hergestellt werden oder direkt im Spritzguss.
Durch den Verzicht auf Bedruckungen lässt sich dabei ein zusätzlicher Prozessschritt und damit verbundenen
Zusatzkosten vermeiden. Im Vergleich zu Lichtleitkörpern, welche mittels Spritzguss in strukturierten Formen
hergestellt werden, ermöglicht eine erfindungsgemäße
Formmasse mit Streukörpern einen Verzicht auf die
kostspielige Strukturierung der Spritzgußform, darüber hinaus kürzere Zykluszeiten, da keine Mikrostrukturen präzise ausgeformt werden müssen, sowie höhere Ausbeuten. Außerdem ist die lichttechnische Auslegung von
Mikrostrukturen in Freiformoberflächen deutlich
aufwändiger .
Wie bereits erwähnt können Lichtleitkörper der vorliegenden Erfindung auch durch Gussverfahren hergestellt werden.
Hierbei werden bevorzugt Acrylharzmischungen in eine Form gegeben und polymerisiert .
Ein bevorzugtes Acrylharz umfasst beispielsweise
A) bis 100 Gew.-ppm Titandioxidpartikel Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 150 bis 500 nm
B) 999 Gew. -% Methylmethacrylat ,
C) 0-59, 999 Gew.-% der oben definierten Comonomere, D) 0-59, 999 Gew. -% in (B) oder (C) lösliche
Polymere,
wobei die Komponenten A) bis D) 100 Gew.-% ergeben. Darüber hinaus weist das Acrylharz die zur Polymerisation notwendigen Initiatoren auf. Die Komponenten A bis D sowie die Initiatoren entsprechen den Verbindungen, die auch zur Herstellung geeigneter Polymethylmethacrylat Formmassen eingesetzt werden.
Die Formmassen sowie die Acrylharze können übliche
Zusatzstoffe aller Art enthalten. Hierzu gehören unter anderem Antistatika, Antioxidantien, Ent formungsmittel , Flammschutzmittel, Schmiermittel, Farbstoffe,
Fliessverbesserungsmittel , Füllstoffe, Lichtstabilisatoren und organische Phosphorverbindungen, wie Phosphite oder Phosphonate, Pigmente, Verwitterungsschutzmittel und
Weichmacher . Die Menge an Zusatzstoffen ist jedoch auf den
Anwendungs zweck beschränkt. So sollte die lichtleitende Eigenschaft der Polymethylmethacrylat-Lichtleitkörper nicht zu stark durch Additive beeinträchtigt werden. Die Lichtleitkörper der vorliegenden Erfindung können zur Beleuchtung von LCD-Displays, Hinweisschildern und
Reklametafeln dienen. Besonders bevorzugt werden die erfindungsgemäßen Lichtleitkörper als transparente
Verglasungselemente, die sich durch Einschalten der an den Lichteintrittsflächen angebrachten Lichtquellen als flächige Leuchten nutzen lassen, verwendet. Weiterhin können die erfindungsgemäßen Lichtleitkörper zu Herstellung von Schildern, Anzeigeelementen, Werbeob ekten etc., welche bestimmte Symbole bzw. Zeichen erst nach dem Einschalten sichtbar machen.
Meßmethoden :
Anteil an Ti0 2 im Lichtleitkörper Der Lichtleitkörper wird verascht Die Masse der
verbliebenen Asche wird ins Verhältnis zur Masse des
Lichtleitkörpers gesetzt. Hierbei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die komplette Masse der Asche mit dem Ti0 2 -Gehalt gleichgesetzt.
Mittlere Partikelgröße der Ti0 2 -Partikel im Lichtleitkörper Mit einem Transmissionselektronenmikroskop werden Bilder des Lichtleitkörpers aufgenommen. Die Partikeldurchmesser der in den Lichtleitkörper eingebetteten Titandioxid
Partikel wird bestimmt, indem ein Mittelwert aus der größten und der kleinsten Ausdehnung des jeweiligen
Titandioxid Partikels gebildet wird. Aus 50 Titandioxid Partikeldurchmessern wird die mittlere Partikelgröße bestimmt. Die Probenpräparation der Lichtleitkörper zur elektronenmikroskopischen Untersuchung wird nach üblichen, dem Fachmann bekannten Verfahren durchgeführt. Anteil der Rutilmodi ikation der Ti0 2 -Partikel
Mittels Ramanspektroskopie wird die Modifikation der
Titandioxid Partikel bestimmt. Der Anteil an Rutilpartikeln im Verhältnis zu den insgesamt vermessenen Partikeln wird danach ermittelt. Vorzugsweise werden mindestens 100
Titandioxid Partikel analysiert. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen können falls notwendig noch mehr Partikel
untersucht werden.
Leuchtdichte
Die Messung der Leuchtdichte erfolgt mit einem
handelsüblichen Leuchtdichtemessgerät (z.B. Fa. LMT oder Minolta)
Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Verdeutlichung und näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung, schränken diese jedoch in keiner Weise ein.
Vergleichsbeispiel 1: In einem Einschneckenextruder wurde Polymethylmethacrylat Formmasse mit einem Bariumsulfat enthaltenen Masterbatch vermischt und aufgeschmolzen. Die resultierende Schmelze enthielt 160 Gew.-ppm Bariumsulfat bezogen auf das Gewicht des Polymethylmethacrylats mit einer mittleren
Partikelgröße vom 3 Mikrometern. Die Schmelze wurde mittels einer Breitschlitzdüse aus dem Extruder ausgetragen und in einem Glättwerk zu einer Polymethylmethacrylat Platte geformt. Aus der Polymethylmethacrylat Platte wurde ein rechteckiger Lichtleitkörper von 900 mm Länge, 500 mm
Breite und 4 mm Dicke geschnitten. Dieser Lichtleitkörper wurde an allen 4 mm dicken Kanten (Lichteintrittsflächen) mit Leuchtdioden versehen, die das Licht in die Kanten abgeben. Auf einer Oberfläche des Lichtleitkörpers
(Lichtaustrittsfläche 1) wurde eine weiße, diffus
reflektierende Folie angeordnet. Mittig auf der
gegenüberliegenden Oberfläche des Lichtleitkörpers
(Lichtaustrittsfläche 2) wurde die Leuchtdichte in
verschiedenen Winkeln zur Flächennormalen der
Lichtaustrittsfläche 2 des Lichtleitkörpers gemessen.
Aus dem gleichen extrudierten Lichtleitkörper wurde ein Probestück von 100 mm Länge, 100 mm Breite und 4 mm Dicke geschnitten und die Trübung des 4 mm dicken Probestücks gemessen.
Beispiel 1: Es wurde wie in Vergleichsbeispiel 1 eine 4 mm dicke Platte geformt, die anstatt Bariumsulfat 1,2 Gew.-ppm Titandioxid mit einer Partikelgröße von 200 nm enthält. Wie in
Vergleichsbeispiel 1 wurde Leuchtdichte bei verschiedenen Winkeln und die Trübung bestimmt.
Abbildung 4 zeigt, dass die Leuchtdichte des mit
Titandioxid versetzten Lichtleitkörpers gleichmäßiger über die Winkel zur Flächennormale verteilt ist als die
Leuchtdichte eines mit Bariumsulfat versetzten
Lichtleitkörpers. Weiterhin ist zu erkennen, dass die
Leuchtdichte in Richtung der Flächennormalen, also beim Winkel 0°, bei der Platte mit Titandioxid höher ist als bei der Platte mit Bariumsulfat. Die Trübung des Titandioxid Lichtleitkörpers ist darüber hinaus deutlich geringer als die Trübung des mit
Bariumsulfat versetzten Lichtleitkörpers. Beispiel 2:
Einer polymerisierbaren Lösung von Polymethylmethacrylat in Methylmethacrylat wurden 1,2 Gew.-ppm Titandioxid Partikel bezogen auf das Gewicht der Lösung mit einer mittleren Partikelgroße von 200 nm zugegeben. Zur Lösung wurden ein radikalischer Polymerisationsinitiator, ein UV Absorber und ein Trennmittel zugesetzt. Die Lösung wurde in einer Kammer aus zwei Silikatglasscheiben, die durch eine umlaufende Dichtschnur versehen ist, gefüllt und bei 60°C vor- und später bei 120 endpolymerisiert . Aus der so erhaltenen 4 mm dicken Polymethylmethacrylat Platte wurde ein
Lichtleitkörper von 900 mm Länge, 500 mm Breite
geschnitten. Der Lichtleitkörper wurde allseitig mit
Leuchtdioden versehen, die das Licht in alle 4 mm dicken Kanten (Lichteintrittsflächen) des Lichtleitkörpers
abgeben. Auf einer Oberfläche des Lichtleitkörpers
(Lichtaustrittsfläche 1) wurde eine weiße, diffus
reflektierende Folie angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Platte (Lichtaustrittsfläche 2) wurde die Leuchtdichte in verschiedenen Winkeln zur Flächennormalen der Oberfläche des Lichtleitkörpers gemessen.
Aus der gleichen Platte wurde ein Probestück von 100 mm Länge, 100 mm Breite und 4 mm Dicke geschnitten und die Trübung des 4 mm dicken Probestücks als Haze-Wert gemessen.
Abbildung 5 zeigt, dass auch bei dem durch radikalische Polymerisation im Gießverfahren hergestellten
Lichtleitkörper die Leuchtdichte, des mit Titandioxid versetzten Lichtleitkörpers, gleichmäßig über die Winkel zur Flächennormale ist. Weiterhin ist zu erkennen, dass, wie in Beispiel 1, die Leuchtdichte des Lichtleitkörpers mit Titandioxid in Richtung der Flächennormalen höher ist als bei dem Lichtleitkörper mit Bariumsulfat.
Tabelle 1 stellt die Leuchtdichten des extrudierten
Lichtleitkörpers mit 3 Mikrometern Bariumsulfat- Streupartikel aus Vergleichsbeispiel 1 dem extrudierten Lichtleitkörper mit 200 nm Titandioxid-Streupartikeln aus Beispiel 1 und dem gegossenen (radikalisch polymerisierten) Lichtleitkörper mit 200 nm Titandioxid-Streupartikel aus Beispiel 2 gegenüber. Tabelle 2 stellt die Trübung des extrudierten
Lichtleitkörpers mit 3 Mikrometern Bariumsulfat- Streupartikel aus Beispiel 1 dem extrudierten
Lichtleitkörper mit 200 nm Titandioxid-Streupartikeln aus Beispiel 1 und dem gegossenen (radikalisch polymerisierten) Lichtleitkörper mit 200 nm Titandioxid-Streupartikel aus Beispiel 2 gegenüber. Die mit Titandioxid-Streupartikel hergestellten Lichtleitkörper weisen bei gleicher Dicke eine deutlich geringere Trübung gemessen als Haze auf und sind visuell betrachtet transparent.
Tabelle 1
Tabelle 2
Beispiel 3
Ausführungsbeispiel Freiformkörper :
Aus einer Lichtleitplatte gemäß Beispiel 1 wurde mittels eines Thermoformprozesses ein Freiformkörper hergestellt. Dieser wies keine Bedruckungen auf der Oberfläche auf und zeigte dennoch eine gleichmäßige Leuchterscheinung. Beispiel : Ausführungsbeispiel schwebende Symbole:
Ein schwebender Navigationpfeil im Automobil-Kombi- Instrument wurde durch folgende Technik hergestellt:
Im Zwei-Kombonenten-Sprit zguss wird mit einer
erfindungsgemäßen lichtstreuenden Formmasse der
Navigationspfeil gespritzt. Dieser Pfeil wird in eine zweite glasklare Formmasse-Komponente eingebettet. Dies entspricht quasi einer Intarsie auf der Basis des
Sprit zguss .
Das Halbzeug wurde danach mittig in einem Kombi-Instrument platziert und mit LEDs von der Seite her beleuchtet. Im nichtbeleuchteten Zustand sieht der Autofahrer durch die vollständig transparente Platte durch und erkennt keine Konturen. Durch das Beleuchten läuft das Licht durch die glasklare Formmasse wie durch einen Lichtleiter durch und ist somit nicht leuchtend. Im Bereich des Navigationspfeils koppeln die lichtstreuenden Partikel das Licht aus und die Kontur des Navigationspfeils leuchtet schwebend auf. Diese Technik lässt sich auf verschiedene Symbolbeleuchtungen übertragen .
Next Patent: METHOD FOR OPERATING A DOSING PUMP AND DEVICE HAVING A DOSING PUMP