WO2010097263A1 - Verfahren und bemessungsregel zur dimensionierung und herstellung von fresnel-linsen zur licht-fokussierung - Google Patents

Verfahren und bemessungsregel zur dimensionierung und herstellung von fresnel-linsen zur licht-fokussierung Download PDF

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WO2010097263A1
WO2010097263A1 PCT/EP2010/050958 EP2010050958W WO2010097263A1 WO 2010097263 A1 WO2010097263 A1 WO 2010097263A1 EP 2010050958 W EP2010050958 W EP 2010050958W WO 2010097263 A1 WO2010097263 A1 WO 2010097263A1
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rotating drum
acrylate
lens
fresnel lenses
melt strand
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PCT/EP2010/050958
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Stefan Delp
Heiko Rochholz
Peter Battenhausen
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Evonik Röhm Gmbh
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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D11/00—Producing optical elements, e.g. lenses or prisms
    • B29D11/00009—Production of simple or compound lenses
    • B29D11/00269—Fresnel lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29D11/00009—Production of simple or compound lenses
    • B29D11/00278—Lenticular sheets
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C37/00—Component parts, details, accessories or auxiliary operations, not covered by group B29C33/00 or B29C35/00
    • B29C2037/90—Measuring, controlling or regulating
    • B29C2037/903—Measuring, controlling or regulating by means of a computer

Definitions

  • Fresnel lenses are also suitable for large-area applications due to their low material requirements. In the field of solar thermal energy production there is a useful potential for large collection lenses. You can focus sunlight on heat transfer media and heat them up to high temperatures.
  • Cheap Fresnel lenses can be molded from plastics and used in overhead projectors, passive infrared sensors, simple hand loupes, and wide angle lenses in automobile rear windows and counters to control the shopping carts
  • the invention relates to the use and the application of an improved manufacturing method of a linear Fresnel lens made of transparent plastics, whose geometry has been optically and manufacturing optimized with a new calculation program.
  • a linear Fresnel lens is understood to mean a Fresnel lens which acts like a cylindrical lens and has a linear focal zone.
  • US Patent No. 5,656,209 (Röhm GmbH) describes a process for the extrusion of Fresnel lenses from transparent plastics, such as polymethyl (nneth) acrylate (PMMA) or polycarbonate (PC).
  • PMMA polymethyl (nneth) acrylate
  • PC polycarbonate
  • the melt stream emerging from a slot die wraps around the embossing roll, which imprints the profile of the Fresnel lens on the melt stream.
  • the thickness of the lens is about 6 mm, the lenses are made of an unspecified polymethylmethacrylate.
  • WO 01/196000 (Schröder, Nawrath) describes another process for the production of endless, optically imageable films, webs or plates and an apparatus for carrying out the process.
  • the object of the invention is to improve the previously unsatisfactory imaging accuracy of the structures on the film o. ⁇ .
  • the solution is to press the emerging from a slot die PMMA melt belt by means of a rotating steel belt on the engraved roller.
  • the temperature of the gravure roll at the point of impact of the plastic melt (in the case of PMMA) is close to the maximum permissible temperature for extrusion processes, along the circumference of the gravure roll is then cooled, so that a demolding of the resulting Fresnel lens is easily possible.
  • EP 1 559 528 (Kark AG) describes an apparatus for molding a plastic molding on a rotating drum, wherein the drum can be heated and cooled in individual areas. task
  • the calculated contour on the impression roll is unscrewed with a wedge-shaped tool.
  • the lens is optically optimized under the constraint of the possibilities of the tool.
  • the object is achieved by the provision of the profile coordinates, which allow the machine for engraving the embossing roll to be controlled in such a way that an embossing roll can be produced with which linear fresnel lenses are shaped in accordance with the task using the prior art can be.
  • the invention further provides an optimized linear Fresnel lens made of transparent plastics.
  • poly (meth) acrylate (PMMA), polycarbonate (PC), cyclic olefin copolymers (OCP) or polystyrene (PS) can be used.
  • Suitable for carrying out the invention is z.
  • B. a Polymethylnnethacrylat - molding composition consisting of 80 to 100 wt .-% methyl methacrylate units and optionally from 0 to 20 wt .-% of other copolymerizable monomers. To name a few are z. As hydroxyethyl methacrylate, butyl acrylate, ethyl acrylate or preferably methyl acrylate.
  • the molecular weight M w (weight average, determined, for example, by DSC or by gel chromatography) can be determined, for example, by B. in the range of 5 x 10 4 to 2 x 10 5 lie.
  • the appropriate PMMA types are available under the trademark Plexiglas ® from Evonik Röhm GmbH, such as Plexiglas ® POQ 62 or Plexiglas ® POQ64 or Plexiglas ® 6N.
  • PMMA molding compositions with a melt volume rate of 25 are preferred - 5 cm 3 / 10min used, particularly preferably PMMA molding compositions with a melt volume rate of 20 - used tenth
  • the melt volume rate is determined according to ISO 1133 (230 / 3.8).
  • Impact-modified polymethyl methacrylate and its preparation is z. B. from EP-A 0 733 754 known.
  • the impact polymethyl methacrylate may, for. From p1) from 4 to 30% by weight of an elastomer phase and from p2) from 70 to 96% by weight of a thermoplastic matrix phase of polymethyl methacrylate containing up to 20 parts by weight, based on 100 parts by weight of P, may contain at suitable comonomer proportions, wherein the refractive indices of the elastomer phase E and the matrix phase M differ by a maximum of n ⁇ 0.02 and wherein the sum of p1) + p2) makes up 100 wt .-%.
  • the elastomer phase of crosslinked polymer phase is from 60 to 99.9 parts by weight of alkyl acrylate and / or aryl acrylate, from 0.1 to 10 parts by weight of suitable crosslinking agents and optionally from 0 to 30 parts by weight of suitable monofunctional ethylenically unsaturated monomers built up.
  • C 2 -C 10 -alkyl acrylates are preferably used as alkyl acrylates, for example ethyl acrylate, propyl acrylate, isopropyl acrylate, amyl acrylate, hexyl acrylate, octyl acrylate, decyl acrylate, and particularly preferably butyl acrylate and 2-ethylhexyl acrylate.
  • Preferred acrylates are phenyl acrylate, 2-phenylethyl acrylate, 3-phenyl-1-propyl acrylate, 2-phenoxyethyl acrylate, 2-phenoxyethoxyethyl acrylate, and particularly preferably benzyl acrylate.
  • the crosslinking agents are generally compounds having at least two ethylenically unsaturated, radically polymerizable radicals.
  • compounds having two ethylenically unsaturated, radically polymerizable radicals may be mentioned by way of example: (meth) acrylic esters of diols, such as ethylene glycol di (meth) acrylate or 1, 4-Butandioldi (meth) acrylate, aromatic compounds such as divinylbenzene, and compounds with at least an allyl group such as allyl (meth) acrylate.
  • crosslinking agents with three or more ethylenically unsaturated radically polymehsierbaren residues are exemplified by triallyl cyanurate, trimethylolpropane tri (meth) acrylate and pentaerythritol (meth) acrylate mentioned. Further examples of this are given, for example, in US Pat. No. 4,513,118.
  • comonomers optionally contained in 0 to 30 parts by weight in the elastomer phase, serve primarily to approximate the generally lower refractive index of the elastomer phase to those of the matrix phase M.
  • comonomers are selected with comparatively high refractive indices, such as free-radical polymerizable aromatic compounds. Examples include: vinyl toluene, styrene or ⁇ -methyl styrene, which are used in amounts such that they do not affect the weather resistance of the impact polymethylmethacrylate.
  • the at least 5 wt .-% covalently bonded to the elastomer phase matrix phase M consists of a polymethyl methacrylate P, which is composed of 80 to 100 parts by weight of methyl methacrylate units, and has a glass transition temperature of at least 70 0 C. Furthermore, in the polymethyl methacrylate 0 to 20 parts by weight of further ethylenically unsaturated, free-radically polymerizable comonomer units may be present, preferably alkyl (meth) acrylates having 1 to 4 carbon atoms in the alkyl radical.
  • Polymethylmethacrylate is favorably between 10 and 10, preferably between 3 x 10 and 5 x 10 Dalton (for the determination of M w see for example HF Mark et al., Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2nd Ed., Vol. 10, p ff, J. Wiley, New York, 1989).
  • the elastomer phase is part of two- or multi-stage emulsion polymers which consist in the outer shell of the polymethyl methacrylates forming the matrix phase.
  • emulsion polymers with an at least three-stage structure, formed from a core of polymethylmethacrylate, a first shell S1 of the elastomer phase and a second shell S2 of polymethylmethacrylate, wherein further shells can connect in accordance with the shells S1 and S2 alternately.
  • the proportion of emulsion polymers in the impact-resistant polymethyl methacrylate is between 5 and 70 wt .-%, preferably between 10 and 50 wt .-%, the remaining parts by weight of the non-contained in the latex particles polymethyl methacrylate plastic are made.
  • the impact-resistant polymethyl methacrylate is prepared by mixing the emulsion polymer with the polymethyl methacrylate, for example, the components are mixed and then the water phase and the emulsifiers are separated or wherein first the emulsion is isolated from the aqueous phase and then with, for example by continuous bulk polymerization Polymethylmethacrylate is melt-mixed.
  • the latex particles which form the emulsion polymer should have a diameter between 0.1 and 3 ⁇ m, preferably between 0.15 and 1 ⁇ m.
  • Polymethylmethacrylate serve the pertinent known molecular weight regulators, such as for example, mercapto compounds, such as 2-ethylhexyl thioglycolate or tert-dodecyl mercaptan.
  • emulsion polymers which are coagulated and dehydrated in an extruder.
  • the melt is divided in the dewatering zone of the extruder into several sections, which are each conveyed in separate screw flights.
  • the melt phase is thereby stowed in at least one of these flights in the intake nip of the twin screw to form a locally narrow pressure gradient to a coherent melt cake.
  • the water is allowed to flow down before the border of the melt cake under the action of gravity down through at least one exhaust port that the melt cake is not in contact with a continuous water phase.
  • the present invention also relates to thermoplastic moldable polycarbonates.
  • Polycarbonates are plastics known to the skilled person. They refer to thermoplastic polymers having the general structural formula
  • radical R denotes divalent aliphatic, cycloaliphatic or aromatic groups which are derived from the corresponding dihydroxy compounds.
  • the polycarbonates which can be used according to the invention include homopolycarbonates, copolycarbonates, unbranched polycarbonates, branched polycarbonates and mixtures of the polycarbonates mentioned.
  • aromatic radicals R are preferred. These include, but are not limited to, hydroquinone, resorcinol, 4,4'-dihydroxydiphenol, 2,2-bis- (4-hydroxyphenyl) -propane, 2,4-bis (4-hydroxyphenyl) -2-methylbutane, 2,2-bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) -propane, 2,2-bis (4-hydroxy-3,5-dichlorophenyl) -propane, 2,2-bis (4-hydroxy -3,5-dibromophenyl) -propane, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) -cyclohexane or derived from 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) -3,3,5-trimethylcyclohexane.
  • Particularly preferred radicals R are derived from 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane or from 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane.
  • the radicals R may optionally carry further substituents, preferably methyl or halogen groups. Particularly preferred substituents are bromine and chlorine atoms.
  • the polycarbonates of the invention preferably have a weight average molecular weight in the range between 10,000 g / mol and 200,000 g / mol. Particularly preferred is a weight average molecular weight in the range between 10,000 g / mol and 100,000 g / mol, in particular between 15,000 g / mol and 45,000 g / mol.
  • the polycarbonates of the invention may contain other polycarbonate-miscible polymers. These include, inter alia, poly (meth) acrylates, polyesters, polyamides, polyimides, polyurethanes, polyethers, ABS, ASA and PBT.
  • Miscibility of the various substances in the context of the present invention means that the components form a homogeneous mixture.
  • polycarbonates may contain additives well-known in the art. These include antistatics, antioxidants, dyes, fillers, light stabilizers, pigments, UV absorbers, weathering agents and plasticizers.
  • Polystyrene may for example be composed of the following monomers: styrene, substituted styrenes having an alkyl substituent in the side chain, such as ⁇ -methylstyrene and ⁇ -ethylstyrene, substituted styrenes having an alkyl substituent on the ring, such as vinyltoluene and p-methylstyrene, halogenated styrenes, such as monochlorostyrenes, dichlorostyrenes, tribromostyrenes and tetrabromostyrenes.
  • the refractive index value to be used in the calculation follows from a measurement on the transparent polymer to be used at a wavelength which is in the central region of the spectrum with which the lens is to be irradiated. It was determined at 23 ° C. As an example, one can assume 1.50.
  • the coordinates for the control of a CNC machine for the production of the Fresnel lens are determined in the following steps.
  • Fig. 1 shows the geometry that is assumed.
  • a bundle of parallel light rays is focused by the Fresnel lens to the point F.
  • the linear Fresnel lens spatially gives a line focus.
  • the bundle of parallel rays hits the lens at the angle ⁇ .
  • the width of the lens is b. It is a Fresnel lens to construct with these optical properties.
  • Fig. 2 shows that a Fresnel lens is made up of many elementary flank combinations arranged side by side.
  • a flank combination (3) consists of an optical flank (1), which directs the light beam in the direction of focus.
  • two interfering flanks (2) lead up and down, leading to the steps of the lens. These are to be aligned in such a way that as few rays of light as possible should impinge on them. These rays of light mean a reduction in the energy yield, since these light rays do not reach the focus.
  • the flank is aligned so that the middle light beam is directed into the focus.
  • the refraction of the light rays is calculated according to the Snellius law of refraction, taking into account the refractive index to be applied.
  • the flank is no longer aligned if, due to the total reflection condition, a light beam can no longer be directed to the focus.
  • Scale flank combination Steps 2 to 4 form a flank combination.
  • a limitation in the production is the maximum height h of the flank combination.
  • only optical edges with a maximum length z can be manufactured with optical precision. Under these two boundary conditions, the largest possible edge combination is selected by scaling and the coordinates are entered.
  • an equal Matehaliser is to be achieved in the production. Therefore, the edge combination is aligned in the horizontal so that averaged over an edge combination, the material consumption lies on the dashed line.
  • a circular Fresnel lens is understood to mean a lens with concentric steps.
  • a linear curved Fresnel lens is understood to mean a plate, whereby the steps run straight. This plate can then -. B. by clamping - be installed like a vault.
  • the embossing roll is in suitable mech. Machining centers provided by milling and or turning with the invention optimized Fresnel structure.
  • melt temperatures of approx. 200 ° C to 300 ° C must be used.
  • the pre-distribution of the plastic melt takes place through a slot die.
  • the melt film thus applied to the gravure roll is pressed into the gravure roll by a circulating mirror strip of highly polished stainless steel, which leads to the impression of the predetermined inventive Fresnel structure in the solidifying melt strand.
  • the rotating mirror band of highly polished Stainless steel can also be arranged one or more rollers to generate the contact pressure of the melt web on the gravure roll.
  • the contact pressure of the rollers may be the same or different.
  • the gravure roll can be equipped to be heatable and / or coolable, wherein individual areas can be heated and / or cooled.
  • the dimension of the lens depends essentially on the performance of the screw kneader as well as the slot die used and the width of the embossing drum.
  • the extrusion speed can vary from about 0.1 to 10 meters per inch, and is mainly affected by the emboss roll diameter and the lens thickness.
  • a lens was manufactured with the following parameters:

Abstract

Verfahren zur Herstellung von linearen Fresnel-Linsen durch Formen eines Schmelzestrangs eines thermoplastischen Kunststoffs, wie beispielsweise Polymethyl(meth)acrylat, auf der Oberfläche einer rotierenden Trommel, die in bestimmten Bereichen heiz- und kühlbar ist, wobei der Schmelzestrang mittels einer Vorrichtung an die rotierende Trommel angepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der rotierenden Trommel nach den Maßgaben des Optimierungsprogramms graviert ist.

Description

Verfahren und Bemessungsregel zur Dimensionierung und Herstellung von Fresnel-Linsen zur Licht -Fokussierung
Gebiet der Erfindung
Im Vergleich zu massiven Linsen eignen sich Fresnel-Linsen durch ihren geringen Materialbedarf auch für großflächige Anwendungen. Auf dem Gebiet der solarthermischen Energiegewinnung besteht für große Sammellinsen ein nützliches Einsatzpotential. Sie können Sonnenlicht auf Wärmeträger fokussieren und diese auf hohe Temperaturen aufheizen. Billige Fresnel-Linsen können aus Kunststoffen gepreßt werden und finden in Tageslichtprojektoren, bei Passiv-Infrarotsensoren, bei einfachen Handlupen und als Weitwinkellinsen in Automobil-Heckscheiben und Ladenkassen zur Kontrolle der Einkaufswagen Anwendung
Die Erfindung betrifft die Verwendung und die Anwendung eines verbesserten Herstellungsverfahrens einer linearen Fresnel-Linse aus transparenten Kunststoffen, deren Geometrie optisch und herstellungstechnisch mit einem neuen Berechnungsprogramm optimiert wurde. Unter einer linearen Fresnel-Linse wird eine Fresnel-Linse verstanden, die wie eine Zylinderlinse wirkt und eine lineare Brennzone aufweist. Stand der Technik
US-PS 5,656,209 (Röhm GmbH) beschreibt ein Verfahren zur Extrusion von Fresnel- Linsen aus transparenten Kunststoffen, wie beispielsweise Polymethyl(nneth)acrylat (PMMA) oder Polycarbonat (PC). Der aus einer Breitschlitzdüse austretende Schmelzestrom umschlingt die Prägewalze, die dem Schmelzestrom das Profil der Fresnel-Linse aufprägt. Die Dicke der Linse beträgt ca. 6 mm, die Linsen bestehen aus einem nicht näher spezifizierten Polymethylmethacrylat.
WO 01/196000 (Schröder, Nawrath) beschreibt ein weiteres Verfahren zur Herstellung von endlosen, optisch abbildungsfähigen Folien, Bahnen oder Platten und eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens. Aufgabe der Erfindung ist es, die bisher unbefriedigende Abbildungsgenauigkeit der Strukturen auf den Film o. ä. zu verbessern.
Die Lösung besteht darin, das aus einer Breitschlitzdüse austretende Schmelzeband aus PMMA mittels eines umlaufenden Stahlbands auf die gravierte Walze aufzupressen. Die Temperatur der Gravurwalze am Auftreffpunkt der Kunststoffschmelze (im Falle PMMA) liegt nahe der für Extrusionsprozesse höchst zulässigen Temperatur, entlang des Umfangs der Gravurwalze wird anschließend abgekühlt, so dass eine Entformung der entstandenen Fresnel-Linse problemlos möglich ist.
EP 1 559 528 (Kark AG) beschreibt eine Vorrichtung zum Formen eines Kunststoffformkörpers an einer rotierenden Trommel, wobei die Trommel in einzelnen Bereichen heizbar und kühlbar ist. Aufgabe
Es bestand nun die Aufgabe, das Verfahren zur Herstellung von linearen Fresnel- Linsen aus transparenten Kunststoffen mit den bekannten Vorrichtungen aus dem Stand der Technik so zu optimieren, dass man in der Lage ist, einer Prägewalze eine derart optimierte Struktur zu geben, dass eine damit geformte lineare Fresnel-Linse senkrecht auf sie einfallendes paralleles (Sonnen-) Licht bei optimaler Lichtsammeiintensität und Energieausbeute in einer möglichst schmalen Fokus- Linie bündelt.
Bei der Konstruktion dieser fresnel'schen Stufenstruktur gibt es folgende Probleme, die gelöst bzw. berücksichtigt wurden:
1. Aberration: Das Auftreten der sphärischen Aberration, also die Variation der Fokuslage von Achsen-fernen und Achsen-nahen Lichtstrahlen, wurde in der Berechnungsvorschrift durch eine optimierte Gestaltung der Flankenwinkel vermieden. (Hierzu wurde für den mittleren Wellenlängenbereich, mit dem die Linse bestrahlt werden soll, der Brechungsindex des eingesetzten Polymers bestimmt und in der Berechnung verwendet. Die Farbzerstreuung, also die Variation der Fokuslage in Abhängigkeit der Wellenlänge, kann wegen der Dispersion des Brechungsindex des eingesetzten Polymers mit einer einzelnen Fresnel-Linse nicht beeinflusst werden. Als mittlere Wellenlänge wurden beispielsweise 630 nm angenommen.)
2. Minimierung des von der Prägewalze umzuformenden Materials auf den Bereich der Breite einer Flankenstruktur entlang der gesamten Breite der Fresnel-Linse. 3. Durch die zu minimierende Abrundung der Stufenkanten in der Fresnel-Linse entstehen Störungen, die auch senkrecht auf die Plattenebene einfallendes Licht in ungewünschte Richtungen lenken. Die Flächen der dazwischen liegenden Steilflanken verursachen zusätzliche Verluste durch ihre Lichtbrechung gemäß einer Zerstreuungszylinderlinse. Die Bemessung dieses Winkels wurde auf den zur Entformung erforderlichen Wert minimiert. Der Winkel beträgt beispielsweise ca. 1° - 4°.
4. Die berechnete Kontur auf der Walze zur Abformung wird mit einem keilförmigen Werkzeug herausgedreht. Die Linse ist optisch optimiert unter der Nebenbedingung der Möglichkeiten des Werkzeuges.
Lösung
Gelöst wird die Aufgabe durch die zur Verfügungstellung der Profilkoordinaten, die es erlauben, die Maschine zur Gravur der Prägewalze so zu steuern, dass damit eine Prägewalze angefertigt werden kann, mit der unter Anwendung des Stands der Technik linearen Fresnel-Linsen im Sinne der Aufgabe geformt werden können. Die Erfindung stellt ferner eine optimierte lineare Fresnel-Linse aus transparenten Kunststoffen zur Verfügung.
Durchführung der Erfindung Transparenter Kunststoff
Als transparente Kunststoffe können Poly(meth)acrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), cyclisch Olefincopolymere (OCP) oder Polystyrol (PS) verwendet werden.
Poly(meth)acrylat (PMMA)
Geeignet zur Durchführung der Erfindung ist z. B. eine Polymethylnnethacrylat - Formmasse, das aus 80 bis 100 Gew.-% Methylmethacrylat-Einheiten und gegebenenfalls aus 0 bis 20 Gew.-% weiteren copolymerisierbaren Monomeren besteht. Zu nennen sind z. B. Hydroxyethylmethacrylat, Butylacrylat, Ethylacrylat oder bevorzugt Methylacrylat. Das Molekulargewicht Mw (Gewichtsmittel, bestimmt z. B. nach DSC oder durch Gelchromatographie) kann z. B. im Bereich von 5 x 104 bis 2 x 105 liegen. Die geeigneten PMMA-Typen sind unter der Marke Plexiglas® bei der Evonik Röhm GmbH erhältlich, beispielsweise Plexiglas® POQ 62 oder Plexiglas® POQ64 oder Plexiglas® 6N.
Bevorzugt werden leicht fließende Typen der PMMA-Formmassen mit einer Schmelzvolumenrate von 25 - 5 cm3/10min eingesetzt, besonders bevorzugt werden PMMA-Formmassen mit einer Schmelzvolumenrate von 20 - 10 eingesetzt. Die Schmelzvolumenrate wird nach ISO 1133 (230/3,8) bestimmt. Schlagzähes Polymethylmethacrylat (sz-PMMA)
Schlagzähmodifiziertes Polymethylnnethacrylat und dessen Herstellung ist z. B. aus EP- A 0 733 754 bekannt.
Das schlagzähe Polymethylnnethacrylat kann z. B. aufgebaut aus p1 ) 4 bis 30 Gew.-% einer Elastomerphase und aus p2) 70 bis 96 Gew.-% einer thermoplastischen Matrixphase aus Polymethylmethacrylat, das bis zu 20 Gew. -Teilen, bezogen auf 100 Gew.-Teile P, an geeigneten Comonomeranteilen enthalten kann, wobei die Brechungsindices der Elastomerphase E und der Matrixphase M um maximal n ≤ 0,02 voneinander abweichen und wobei die Summe von p1 ) + p2) 100 Gew.-% ausmacht.
Die Elastomerphase aus vernetzter Polymerphase ist aus 60 bis 99,9 Gew.-Teilen Alkylacrylat und/oder Arylacrylat, aus 0,1 bis 10 Gew.-Teilen geeigneten Vernetzungsmitteln und gegebenenfalls aus 0 bis 30 Gew.-Teilen an geeigneten monofunktionellen ethylenisch ungesättigten Monomeren aufgebaut.
Vorzugsweise werden als Alkylacrylate C2 - C10-Al kylacrylate eingesetzt, wie beispielsweise Ethylacrylat, Propylacrylat, iso-Propylacrylat, Amylacrylat, Hexylacrylat, Octylacrylat, Decylacrylat, sowie besonders bevorzugt Butylacrylat und 2- Ethylhexylacrylat. Bevorzugte Acrylate sind Phenylacrylat, 2-Phenylethylacrylat, 3- Phenyl-1 -propylacrylat, 2-Phenoxyethylacrylat, 2-Phenoxyethoxyethylacrylat, sowie besonders bevorzugt Benzylacrylat.
Die Vernetzungsmittel sind im allgemeinen Verbindungen mit mindestens zwei ethylenisch ungesättigten, radikalisch polymerisierbaren Resten. Als Vertreter für Verbindungen mit zwei ethylenisch ungesättigten, radikalisch polymerisierbaren Resten seien beispielhaft genannt: (Meth)acrylester von Diolen, wie beispielsweise Ethylenglykoldi(meth)acrylat oder 1 ,4-Butandioldi(meth)acrylat, aromatische Verbindungen, wie beispielsweise Divinylbenzol, sowie Verbindungen mit mindestens einer Allylgruppe, wie beispielsweise Allyl(meth)acrylat. Als Vernetzungsmittel mit drei oder mehr ethylenisch ungesättigten, radikalisch polymehsierbaren Resten seien beispielhaft Triallylcyanurat, Trimethylolpropantri(meth)acrylat sowie Pentaerythhtetra(meth)acrylat genannt. Weitere Beispiele hierzu werden beispielsweise in US-P 4,513,118 angegeben.
Die gegebenenfalls in 0 bis 30 Gew.-Teilen in der Elastomerphase enthaltenen Comonomeren, dienen vornehmlich der Angleichung des in der Regel niedrigeren Brechungsindex der Elastomerphase an denjenigen der Matrixphase M. Vorzugsweise werden also Comonomere mit vergleichsweise hohen Brechungs-Indizes gewählt werden, wie beispielsweise radikalisch polymerisierbare aromatische Verbindungen. Beispielhaft seien genannt: Vinyltoluol, Styrol oder α-Methylstyrol, die in solchen Mengen verwendet werden, daß sie die Witterungsbeständigkeit des schlagzähen Polymethylmethacrylats nicht beeinträchtigen.
Die mit der Elastomerphase zumindest zu 5 Gew.-% kovalent verbundene Matrixphase M besteht aus einem Polymethylmethacrylat P, das aus 80 bis 100 Gew.-Teilen Methylmethacrylat-Einheiten aufgebaut ist, und weist eine Glasübergangstemperatur von wenigstens 70 0C auf. Weiterhin können im Polymethylmethacrylat 0 bis 20 Gew.- Teile weitere ethylenisch ungesättigte, radikalisch polymerisierbare Comonomereinheiten anwesend sein, vorzugsweise Alkyl(meth)acrylate mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen im Alkylrest. Das mittlere Molekulargewicht Mw des
Polymethylmethacrylats beträgt günstigerweise zwischen 10 und 10 , vorzugsweise zwischen 3 x 10 und 5 x 10 Dalton (zur Bestimmung von Mw vergleiche beispielsweise H. F. Mark et.al., Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2nd Ed., Vol. 10, Seiten 1 ff , J. Wiley, New York, 1989).
Vorzugsweise ist die Elastomerphase Bestandteil zwei- oder mehrstufiger Emulsionspolymerisate, die in der äußeren Hülle aus dem die Matrixphase bildenden Polymethylmethacrylate bestehen. Besonders bevorzugt sind Emulsionspolymerisate mit einem wenigstens dreistufigen Aufbau, gebildet aus einem Kern aus Polymethylmethacrylat , einer ersten Schale S1 aus der Elastomerphase und einer zweiten Schale S2 aus Polymethylmethacrylat, wobei sich weitere Schalen entsprechend den Schalen S1 und S2 alternierend anschließen können. Der Anteil der Emulsionspolymerisate am schlagzähen Polymethylmethacrylat beträgt zwischen 5 und 70 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 10 und 50 Gew.-%, wobei die restlichen Gewichtsanteile von dem nicht in den Latexteilchen enthaltenen Polymethylmethacrylat- Kunststoff ausgemacht werden.
Vorzugsweise wird das schlagzähe Polymethylmethacrylat durch Abmischen des Emulsionspolymerisats mit dem Polymethylmethacrylat hergestellt, wobei beispielsweise die Bestandteile gemischt werden und anschließend die Wasserphase und die Emulgatoren abgetrennt werden oder wobei zunächst das Emulsionspolymerisat aus der wäßrigen Phase isoliert wird und anschließend mit dem, beispielsweise durch kontinuierliche Substanzpolymerisation hergestellten Polymethylmethacrylat in der Schmelze gemischt wird. Insgesamt sollen die Latexteilchen, die das Emulsionspolymerisat bilden, einen Durchmesser zwischen 0,1 und 3 μm, bevorzugt zwischen 0,15 und 1 μm aufweisen. Prinzipiell ist der Aufbau solcher Latexteilchen und die Isolierung des Emulsionspolymerisats für zweistufige Emulsionspolymerisate beispielsweise in EP-Patent 0 033 999 (= US-Patent 4,543,383) und für dreistufige Emulsionspolymerisate beispielsweise in EP-Patent 0 113 925 (= US-Patent 4,513,118) beschrieben. Bei der wäßrigen Emulsionspolymerisation arbeitet man zweckmäßigerweise im neutralen oder leicht sauren pH-Bereich, wobei der Verwendung langkettiger Alkylsulfate bzw. Alkylsulfonate als Emulgatoren günstig ist. Als Polymerisationsinitiatoren dienen zweckmäßig die einschlägig bekannten Azoverbindungen bzw. organische oder anorganische Peroxide, wie beispielsweise Persulfate, die im allgemeinen in Mengen zwischen 10" und 1 Gew.-%, bezogen auf die Monomeren, verwendet werden: Zur Einstellung des zuvor beschriebenen Molekulargewichts Mw des im Emulsionspolymerisat anwesenden
Polymethylmethacrylats dienen die einschlägig bekannten Molekulargewichtsregler, wie beispielsweise Mercaptoverbindungen, wie 2-Ethylhexylthioglykolat oder tert.- Dodecylmercaptan.
Besonders bevorzugt sind solche Emulsionspolymerisate, die im einem Extruder coaguliert und entwässert werden. Die Schmelze wird dabei in der Entwässerungszone des Extruders in mehrere Abschnitte unterteilt, die jeweils in voneinander getrennten Schneckengängen gefördert werden. Die Schmelzephase wird dabei in wenigstens einem dieser Schneckengänge im Einzugsspalt der Doppelschnecke unter Bildung eines örtlich eng begrenzten Druckgradienten zu einem zusammenhängenden Schmelzekuchen gestaut. Dabei wird das Wasser vor der Grenze des Schmelzekuchens unter der Wirkung der Schwerkraft derart nach unten durch wenigstens eine Abzugsöffnung abfließen gelassen, daß der Schmelzekuchen nicht mit einer zusammenhängenden Wasserphase in Berührung steht. Dadurch werden die im Wasser enthaltenen Zusatzstoffe und Verunreinigungen effektiv entfernt, so das ein besonders witterungsstabiles nicht zur Vergilbung neigendes Material erhalten wird (s. dazu EP-A 0 683 028 und als zweistufiges Verfahren DE 197 18 597 C1 ). Die geeigneten sz-PMMA-Typen sind unter der Marke Plexiglas® bei der Evonik Röhm GmbH erhältlich, beispielsweise Plexiglas® zk6BR, zk6HF oder zk6HT.
Polycarbonate
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf thermoplastische formbare Polycarbonate. Polycarbonate sind dem Fachmann bekannte Kunststoffe. Sie bezeichnen thermoplastische Polymere mit der allgemeinen Strukturformel
Figure imgf000012_0001
die formal als Polyester aus Kohlensäure und aliphatischen oder aromatischer Dihydroxy-Verbindung betrachtet werden können. Dabei bezeichnet der Rest R zweibindige aliphatische, cycloaliphatische oder aromatische Gruppen, die sich von den entsprechenden Dihydroxy-Verbindungen ableiten.
Zu den erfindungsgemäß einsetzbaren Polycarbonaten gehören Homopolycarbonate, Copolycarbonate, unverzweigte Polycarbonate, verzweigte Polycarbonate und Mischungen der genannten Polycarbonate.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden aromatische Reste R bevorzugt. Dazu gehören unter anderem Reste, die sich vom Hydrochinon, Resorcinol, 4,4'- Dihydroxydiphenol, 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan, 2,4-Bis-(4-hydroxyphenyl)-2- methylbutan, 2,2-Bis-(4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl)-propan, 2,2-Bis-(4-hydroxy-3,5- dichlorophenyl)-propan, 2,2-Bis-(4-hydroxy-3,5-dibromophenyl)-propan, 1 ,1-Bis-(4- hydroxyphenyl)-cyclohexan oder vom 1 ,1 -Bis-(4-hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethyl cyclohexan ableiten. Besonders bevorzugte Reste R leiten sich vom 2,2-Bis-(4- hydroxyphenyl)-propan oder vom 1 ,1 -Bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclohexan ab.
Die Reste R können gegebenenfalls weitere Substituenten, vorzugsweise Methyl- oder Halogengruppen tragen. Besonders bevorzugte Substituenten sind Brom- und Chloratome. Die erfindungsgemäßen Polycarbonate haben vorzugsweise ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts im Bereich zwischen 10.000 g/mol und 200.000 g/mol. Besonders bevorzugt ist ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts im Bereich zwischen 10.000 g/mol und 100.000 g/mol, insbesondere zwischen 15.000 g/mol und 45.000 g/mol.
Die erfindungsgemäßen Polycarbonate können weitere mit Polycarbonat mischbare Polymere enthalten. Hierzu gehören unter anderem Poly(meth)acrylate, Polyester, Polyamide, Polyimide, Polyurethane, Polyether, ABS, ASA und PBT.
Mischbarkeit der verschiedenen Substanzen bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, daß die Komponenten eine homogene Mischung bilden.
Des weiteren können die Polycarbonate in der Fachwelt weithin bekannte Zusatzstoffe enthalten. Hierzu gehören unter anderem Antistatika, Antioxidantien, Farbstoffe, Füllstoffe, Lichtstabilisatoren, Pigmente, UV-Absorber, Verwitterungsschutzmittel und Weichmacher.
Polystyrol
Polystyrol kann beispielsweise aus folgenden Monomeren aufgebaut sein: Styrol, substituierte Styrole mit einem Alkylsubstituenten in der Seitenkette, wie z.B. α- Methylstyrol und α-Ethylstyrol, substituierte Styrole mit einem Alkylsubstituenten an dem Ring, wie beispielsweise Vinyltoluol und p-Methylstyrol, halogenierte Styrole, wie beispielsweise Monochlorstyrole, Dichlorstyrole, Tribromstyrole und Tetrabromstyrole. Durchführung der Erfindung
1 Bestimmung des Brechungsindex
2 Optimierung der Linsenstruktur
3 Flussdiagramm
ad 1
Der in die Berechnung einzusetzende Wert für den Brechungsindex folgt aus einer Messung an dem zu verwendenden transparenten Polymer bei einer Wellenlänge, die im mittleren Bereich des Spektrums liegt, mit dem die Linse bestrahlt werden soll. Er wurde bei 23° C bestimmt. Als beispielhaften Wert kann man 1 ,50 annehmen.
ad 2
Die Koordinaten für die Ansteuerung einer CNC-Maschine zur Herstellung der Fresnel- Linse werden in folgenden Schritten ermittelt.
Figurenbeschreibung
Abb. 1 zeigt die Geometrie, von der ausgegangen wird. Ein Bündel paralleler Lichtstrahlen wird durch die Fresnel-Linse auf den Punkt F fokussiert. Es ist zu beachten, dass die lineare Fresnel-Linse räumlich einen Linienfokus ergibt. Allgemein sei angenommen, dass das Bündel paralleler strahlen unter dem Winkel α auf die Linse trifft. Außerdem ist der Fokus um den Abstand f von der optischen Achse entfernt. Im Folgenden wird nur α = 0° und f ' = 0 betrachtet.
Die Breite der Linse sei b. Es gilt eine Fresnel-Linse zu konstruieren mit diesen optischen Eigenschaften.
Abb. 2 zeigt, dass eine Fresnel-Linse aus vielen aneinandergereihten elementaren Flankenkombinationen aufgebaut ist. Eine Flankenkombination (3) besteht aus einer optischen Flanke (1 ), die den Lichtstrahl in Richtung Fokus lenkt. Außerdem schließen oben und unten zwei Störflanken (2) an, die zu den Stufen der Linse führen. Diese sind so auszurichten, dass möglichst wenige Lichtstrahlen darauf auftreffen sollen. Diese Lichtstrahlen bedeuten eine Verringerung der Energieausbeute, da diese Lichtstrahlen nicht den Fokus erreichen.
Zur Berechnung der optimierten Geometrie führt ein Prozess, der durch das Flussdiagramm (Abb. 3) beschrieben wird.
1. Startkoordinaten festlegen: Im Fall a = 0° und f ' = 0 ist die Linse symmetrisch zur optischen Achse und die Linse wird von der Achse aus nach oben konstruiert. Anschließend wird der obere Teil gespiegelt und die Linse nach unten vervollständigt. 2. Untere störende Flanke ausrichten: Die Flanke wird parallel den Lichtstrahlen in der Linse ausgerichtet. Bei a = 0° ist die Entformung exakt senkrecht zu dieser Oberfläche. Daher wird eine Entformungsneignung der Flanke von ca. 1 ° - 4° verwendet.
3. Optisch wirksame Flanke ausrichten: Die Flanke wird so ausgerichtet, dass der mittlere Lichtstrahl in den Fokus gerichtet wird. Die Brechung der Lichtstrahlen wird nach dem Snellius-Brechungsgesetz unter Einbeziehung des anzuwendenden Brechungsindex berechnet. Die Flanke wird nicht mehr ausgerichtet, wenn aufgrund der Totalreflexionsbedingung ein Lichtstrahl nicht mehr auf den Fokus gerichtet werden kann.
4. Obere störende Flanke optimieren: Die Flanke wird parallel den Lichtstrahl in der Linse ausgerichtet. Ebenfalls wird wieder die Entformungsneignung von ca. 1 ° - 4° berücksichtigt.
5. Flankenkombination skalieren: Die Schritte 2 bis 4 bilden eine Flankenkombination. Eine Einschränkung in der Herstellung ist die maximale Höhe h der Flankenkombination. Außerdem können nur optische Flanken mit einer maximalen Länge z mit optischer Präzision hergestellt werden. Unter diesen beiden Randbedingungen wird die größte mögliche Flankenkombination durch skalieren gewählt und die Koordinaten eingetragen. Außerdem soll ein gleicher Matehalfluss bei der Herstellung erzielt werden. Daher wird die Flankenkombination in der horizontalen so ausgerichtet, dass über eine Flankenkombination gemittelt, der Materialverbrauch auf der gestrichelten Linie liegt.
6. Ist die Sollbreite erreicht? Das Aneinanderreihen von Flankenkombinationen wird solange fortgesetzt, bis die Sollbreite erreicht wird oder aufgrund von eintretender Totalreflexion nicht mehr sinnvoll ist. 7. Koordinaten für die nächste Flankenkombination vorbereiten: Ist die Sollbreite noch nicht erreicht worden, so wird die nächste Kombination angehängt.
8. Koordinaten spiegeln: Im Fall a = 0° und f ' = 0 ist die Linse symmetrisch und die konstruierte Hälfte muss zusätzlich gespiegelt werden. Andernfalls wird die untere Hälfte separat berechnet.
Unter einer zirkulären Fresnel-Linse wird eine Linse mit konzentrischen Stufen verstanden. Unter einer linearen gekrümmten Fresnel-Linse wird eine Platte verstanden, wobei die Stufen gerade verlaufen. Diese Platte kann dann - z. B. durch einspannen - wie ein Gewölbe eingebaut werden.
Gravur der Prägewalze
Die Prägewalze wird in geeigneten mech. Bearbeitungszentren durch Fräsen und oder Drehen mit der erfindungsgemäß optimierten Fresnel-Struktur versehen.
Herstellung der erfindungsgemäßen Fresnel-Linsen
Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Fresnel-Linsen können herkömmliche Einschneckenkneter (Hersteller zum Beispiel Kühne, Breier, Krauss Maffei) zur Plastifizierung der ausgewählten Thermoplaste eingesetzt werden. Je nach Kunststoff und Kunststofftype sind Schmelzetemperaturen von ca. 2000C bis 3000C anzuwenden. Die Vorverteilung der Kunststoffschmelze erfolgt durch eine Breitschlitzdüse. Der so auf die Gravurwalze aufgebrachte Schmelzefilm wird durch ein umlaufendes Spiegelband aus hochglanzpoliertem Edelstahl in die Gravurwalze gedrückt, was zur Abformung der vorgegebenen erfindungsgemäßen Fresnel-Struktur in dem erstarrenden Schmelzestrang führt. Anstelle des umlaufendes Spiegelbands aus hochglanzpoliertem Edelstahl können auch eine oder mehrere Rollen angeordnet sein, um den Anpreßdruck der Schmelzebahn auf die Gravurwalze zu erzeugen. Der Anpreßdruck der Rollen kann gleich oder verschieden sein. Die Gravurwalze kann heiz- und/oder kühlbar ausgerüstet sein, wobei einzelne Bereiche heizbar und/oder kühlbar sein können.
Die Dimension der Linse hängt im Wesentlichen von der Leistung des Schneckenkneters sowie von der eingesetzten Breitschlitzdüse und der Breite der Prägetrommel ab.
Die Extrusionsgeschwindigkeit kann von ca. 0,1 bis 10m/nnin variieren und wird hauptsächlich durch den Prägewalzendurchmeser und die Linsendicke beeinflusst.
Beispielsweise wurde eine Linse mit folgenden Parametern hergestellt:
Breite 1000 mm Dicke 2,0 mm
Brechungsindex n = 1 ,49
Brennweite f = 1500 mm
Abformwinkel φ = 4° (Flankensteilheit zur senkrechten Linie)
Alle angegeben Werte sind als Beispiele zu verstehen, die nicht beschränkend sind.
Unter der Berücksichtigung der Fresnel'schen Reflexionen werden 89,9 % des Lichtes transmittiert.

Claims

Patentansprüche
I .Verfahren zur Herstellung von linearen Fresnel-Linsen durch Formen eines Schmelzestrangs eines thermoplastischen Kunststoffs auf der Oberfläche einer rotierenden Trommel, die in bestimmten Bereichen heiz- und kühlbar ist, wobei der Schmelzestrang mittels einer Vorrichtung an die rotierende Trommel angepreßt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Profil der rotierenden Trommel nach den Maßgaben des Optimierungsprogramms graviert ist.
2.Verfahren zur Herstellung von zirkulären Fresnel-Linsen durch Formen eines Schmelzestrangs eines thermoplastischen Kunststoffs auf der Oberfläche einer rotierenden Trommel, die in bestimmten Bereichen heiz- und kühlbar ist, wobei der Schmelzestrang mittels einer Vorrichtung an die rotierende Trommel angepreßt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Profil der rotierenden Trommel nach den Maßgaben des Optimierungsprogramms graviert ist.
3.Verfahren zur Herstellung von gekrümmten linearen Fresnel-Linsen durch Formen eines Schmelzestrangs eines thermoplastischen Kunststoffs auf der Oberfläche einer rotierenden Trommel, die in bestimmten Bereichen heiz- und kühlbar ist, wobei der Schmelzestrang mittels einer Vorrichtung an die rotierende Trommel angepreßt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Profil der rotierenden Trommel nach den Maßgaben des Optimierungsprogramms graviert ist.
4.Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 - 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung, womit der Schmelzestrang an die rotierende Trommel gepreßt wird, aus einer oder mehreren Rollen besteht.
δ.Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 - 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung, womit der Schmelzestrang an die rotierende Trommel gepreßt wird, aus einem Band besteht. Θ.Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Band aus Stahl besteht.
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