DE102012216081A1

DE102012216081A1 - Verfahren zur Herstellung von lichtstreuenden Formteilen mit hervorragenden optischen Eigenschaften und deren Verwendung

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Publication number: DE102012216081A1
Application number: DE102012216081A
Authority: DE
Inventors: Klaus Schultes; Werner Höss; Yujun Zhang; Michael Zietek; Christian Bitsch; Victor Khrenov; Andreas Schönherr; Ursula Golchert; Sabine Schwarz-Barac
Original assignee: Evonik Industries AG
Current assignee: Evonik Industries AG
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2013-03-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spritzgießverfahren zur Herstellung eines komplexen lichtstreuenden Formteils mit hoher optischer Güte und deren Verwendung in LED-Anwendungen. Es wird eine Formmasse eingesetzt, die eine Matrix aus Polymethyl(meth)acrylat und sphärische Kunststoffpartikel mit einer Teilchengröße im Bereich von 1 bis 24 μm in einer Konzentration im Bereich von 0,05 bis 30 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Polymethyl(meth)acrylats umfasst, wobei die sphärischen Partikel einen Brechungsindexunterschied zur Polymethyl(meth)acrylat-Matrix von 0,01 bis 0,2 aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Abdeckungen für Beleuchtungskörpern, wobei Polymethyl(meth)acrylat lichtstreuend oder diffus ausgestattet wird. Dies geschieht durch Beimischung von Streupartikeln zur Kunststoffmatrix, die gegenüber dem Polymethyl(meth)acrylat einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen. Weiter betrifft die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Formteile in LED-Anwendungen.
Solche Gemische aus Polymethyl(meth)acrylat und Streupartikeln eignen sich speziell für die Lichttechnik. So beschreibt EP-A 0 656 548 gleichmäßig ausgeleuchtete Lichtleiterplatten aus einer Methylmethacrylat-Matrix und darin eingelagerten Streupartikeln aus einem vernetzten Polymerisat, welches Acrylsäureester, Methacrylsäureester und Styrol enthalten kann. Die Streupartikel besitzen eine Größenordnung von 2–20 μm und sind mit dem Matrixkunststoff unverträglich.
Des weiteren sind Leuchtenschirme bekannt, die Kunststoffpartikel als Streumedien enthalten. So beschreibt das Dokument JP11179856 Mehrschichtplatten mit mindestens einer Schicht, die eine Polymethylmethacrylat-Matrix sowie vernetzte Polymethylmethacrylat-Perlen als Streu-/Mattierungsmittel umfasst, wobei der Anteil der Perlen im Bereich von 0,5 bis 25 Gew.-% liegt. Die Perlen weisen eine Größe im Bereich von 3 bis 30 µm auf, wobei in den Beispielen lediglich 2 mm dicke Platten beschrieben werden, die etwa 3 Gew.-% Streuperlen einer Größe von ca. 6 µm enthalten.
In der japanischen Offenlegungsschrift JP-A 418346 werden lichtstreuende Mehrschichtplatten mit einer Schicht aus Methylmethacrylat beschrieben, welche 1–20 Gew.-% vernetzte Styrolpartikel mit einer mittleren Partikelgröße von 1–30 µm enthält.
Die beschriebenen Formmassen werden üblicherweise durch Extrusion zu Lichtleiterplatten oder Schirmen weiterverarbeitet. Zur Herstellung komplexer geformter Teile, wie z.B. spezieller Scheinwerferabdeckungen, und Teilen mit Hohlräumen oder Durchbrüchen, müssen die extrudierten Produkte durch Umformungsverfahren weiterverarbeitet werden. Nachteilig bei dieser Verfahrensweise sind die hohen Kosten, die durch den zusätzlichen Arbeitsschritt entstehen.
In den letzten Jahren werden immer mehr Licht emittierende Dioden (LED) als Strom sparende Leuchtmittel eingesetzt. Ein wesentlicher Grund hierfür ist insbesondere ihre gute Lichtausbeute, d.h. die Ausbeute bei der Umwandlung von elektrischem Strom in Licht. Die Lichtausbeute von LEDs, gemessen in Lumen pro Watt elektrischer Leistung, ist größer als die von Glühlampen und Halogenglühlampen. Spezielle Hochleistungs-LEDs erreichen und übertreffen sogar die Lichtausbeute von energiesparenden Leuchtstofflampen.
Ein weiterer wesentlicher Grund ist die Lebensdauer von LEDs, die bis zu 100.000 h betragen kann. Aktuelle Hochleistungs-LEDs werden, um eine maximale Lichtausbeute zu erreichen, oft an Arbeitspunkten betrieben, bei denen ihre Lebensdauer bei 15.000 bis 30.000 Stunden liegt. Dies ist deutlich mehr als die Lebensdauer von Glühlampen und Halogenglühlampen aber auch mehr als die Lebensdauer von Leuchtstofflampen
Im Gegensatz zu Leuchtstofflampen besitzen LEDs eine sehr kleine Leuchtfläche. Der Licht emittierende Halbleiterchip reicht von Dimensionen unter 1 mm² bis zu wenigen mm². Dies führt zu Blendungen, wenn man direkt in die LED schaut. Bei Hochleistungs-LED’s besteht sogar die Gefahr der Netzhautschädigung, wenn man direkt in den Schein der LED blickt. In der Allgemeinbeleuchtung kann auf eine Verteilung des von einem LED-Leuchtmittel erzeugten Licht über entsprechende optische Elemente aus Gründen des Gesundheitsschutzes aber auch aus ästhetischen Gründen oft nicht verzichtet werden. Um die punktförmige Abstrahlung der LEDs in eine homogene, flächige Beleuchtung zu wandeln, müssen die LEDs als Lichtquellen hinter einem lichtstreuenden Formteil, einer Streuscheibe, angebracht sein. Bekannte Streuscheiben zeigen jedoch entweder eine zu geringe Lichtdurchlässigkeit (bei gewünschter Streustärke) oder eine zu geringe Streustärke.
In Anbetracht der zuvor angegebenen und diskutierten Probleme des Standes der Technik bestand eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung eines lichtstreuenden Formteils zur Verfügung zu stellen, welches besonders preiswert ist und hohe Produktivität erlaubt. Ein solches Verfahren soll mit den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen durchführbar sein.
Ferner sollte ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, nach dem lichtstreuende Formteile mit hoher optischer Güte erhalten werden, bei denen das Auftreten optischer Fehler und Inhomogenitäten, wie z.B. Schlierenbildung, Wolkenbildung und Bildung deutlich sichtbarer Fließnähte weitgehend vermieden wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines lichtstreuenden Formteils ohne oder mit nur sehr geringer Anzahl an Oberflächenfehlern.
Außerdem sollte durch die Erfindung ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden das zu lichtstreuenden Formteilen mit hervorragenden Eigenschaften führt. Insbesondere sollten die Formteile eine hohe Schlagfestigkeit, Wetterfestigkeit und Kratzfestigkeit zeigen.
Weiterhin sollte ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, aus dem man lichtstreuende Formteile erhält, die durch Lichteinwirkung über eine längere Zeit keine Verfärbung durch lichtinduzierte chemische oder physikalische Zersetzung zeigen.
Zudem bestand die Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens, das zu Formteilen mit hervorragenden optischen Eigenschaften, wie z.B. Lichttransmission und Streuvermögen, führt.
Eine weitere Aufgabe bestand darin, hocheffektive Formteile, insbesondere Streuscheiben, für LED-Anwendungen zur Verfügung zu stellen, die das Licht ausreichend streuen bei einer möglichst hohen Lichtdurchlässigkeit.
Gelöst werden diese Aufgaben sowie weitere, die zwar nicht wörtlich genannt werden, sich aber aus den hierin diskutierten Zusammenhängen wie selbstverständlich ableiten lassen oder sich aus diesen zwangsläufig ergeben, durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren. Zweckmäßige Abwandlungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen unter Schutz gestellt.
Dadurch, dass man komplexe lichtstreuende Formteile durch Spritzgießen aus einer Formmasse herstellt, die Polymethyl(meth)acrylat und sphärische Kunststoffpartikel mit einer Teilchengröße im Bereich von 1 bis 24 μm in einer Konzentration im Bereich von 0,05 bis 30 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Polymethyl(meth)acrylats umfasst, wobei die sphärischen Partikel einen Brechungsindexunterschied zur Polymethyl(meth)acrylat-Matrix von 0,01 bis 0,2 aufweisen, können solche Formteile kostengünstig und mit hoher optischer Güte hergestellt werden. Dabei wird die Formmasse in ein entsprechendes Werkzeug gespritzt, mit dem ein komplexes Formteil hergestellt werden kann.
Weiterhin werden durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die folgenden Vorteile erzielt:

• Es können Formteile hergestellt werden, die eine sehr geringe Anzahl optischer Fehler und Inhomogenitäten, wie Wolken, Schlieren und Fließnähte aufweisen. Wolken und Schlieren bezeichnen Trübungsstellen im Formteil, an denen die Transparenz des Teiles gegenüber den sonstigen Bereichen vermindert ist und wodurch sowohl die optimale Streuwirkung als auch das optische Erscheinungsbild gestört werden.
• Die erfindungsgemäß hergestellten Formteile weisen eine verminderte Anzahl von Oberflächenfehlern auf.
• Weiterhin weisen die erfindungsgemäß hergestellten Formteile hervorragende optische Eigenschaften auf, wie z.B. Lichttransmission, Gelbwert und Streuvermögen.
• Ebenfalls hervorragend sind die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Formteile.
• Die hergestellten Formteile zeigen durch Lichteinwirkung über eine längere Zeit keine oder nur sehr geringe Verfärbung durch lichtinduzierte chemische oder physikalische Zersetzung.
• Diese Eigenschaften machen die erfindungsgemäß hergestellten Formteile besonders geeignet für die Anwendung in der Lichttechnik.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich weiterhin durch verbesserte Fließeigenschaften der Formmasse aus.

Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten lichtstreuenden Formteile werden besonders bevorzugt in LED-Anwendungen bzw. bei LED-Leuchtmitteln eingesetzt.
Die in der vorliegenden Erfindung eingesetzte Spritzgießtechnik zur Verarbeitung thermoplastischer Formmassen ist dem Fachmann bekannt. Übersichten sind z.B. zu finden in:
W. Mink, Grundzüge der Spritzgießtechnik, 1. Auflage, Zechner & Hüthig Verlag, Speyer, 1966; und
Saechtling, Kunststofftaschenbuch, 26. Ausgabe, Carl Hanser Verlag, 1995.
Das Spritzgießen der Formteile kann sowohl mit der Heißkanal-Technik als auch mit der Kaltkanal-Technik durchgeführt werden. Die Heißkanal-Technik bietet gegenüber der Kaltkanal-Technik einige Vorteile, wie z.B. die Realisierung langer Fließwege, so dass man den Anschnitt an die optimale Stelle legen kann, ein verlustfreies Arbeiten durch die Vermeidung von Angußabfall, die Möglichkeit eines längeren Nachdrucks, da das Material im Anguss nicht einfriert und die Realisierbarkeit kürzerer Zykluszeiten. Von Nachteil sind u.a. die höheren Werkzeugkosten durch eine aufwendigere Konstruktion, die höhere Störanfälligkeit und die schwierigere Wartung.
Die Formmasse umfasst Polymethyl(meth)acrylat (PMMA), welches die Matrix bildet, worin die sphärischen Kunststoffpartikel eingebettet sind. Vorzugsweise umfasst die Matrix mindestens 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Formmasse, Polymethyl(meth)acrylat. Die Poly(meth)acrylate der Matrix der Formmasse weisen gemäss einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Brechungsindex gemessen bei der Na-D-Linie (589 nm) und bei 20°C im Bereich von 1,46 bis 1,54 auf.
Polymethyl(meth)acrylate werden im allgemeinen durch radikalische Polymerisation von Mischungen erhalten, die Methyl(meth)acrylat enthalten. Im allgemeinen enthalten diese Mischungen mindestens 40 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 60 Gew.-% und besonders bevorzugt mindestens 80 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Monomere, Methyl(meth)acrylat.
Daneben können diese Mischungen zur Herstellung von Polymethyl(meth)acrylaten 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-1-propen, 3-Methyl-1-diisobutylen, 4-Methylpenten-1; Acrylnitril; Vinylester, wie Vinylacetat;
Styrol, substituierte Styrole mit einem Alkylsubstituenten in der Seitenkette, wie z. B. α-Methylstyrol und α-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, Methylisobutylketonperoxid, Cyclohexanonperoxid, Dibenzoylperoxid, tert.-Butylperoxybenzoat, tert.-Butylperoxyisopropylcarbonat, 2,5-Bis(2-ethylhexanoyl-peroxy)-2,5-dimethylhexan, tert.-Butylperoxy-2-ethylhexanoat, 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.
Hierbei können verschiedene Poly(meth)acrylate eingesetzt werden, die sich beispielsweise im Molekulargewicht oder in der Monomerzusammensetzung unterscheiden.
Des weiteren kann die Formmasse weitere Polymere enthalten, um die Eigenschaften zu modifizieren. Hierzu gehören unter anderem Polyacrylnitrile, Polystyrole, Polyether, Polyester, Polycarbonate und Polyvinylchloride. Diese Polymere können einzeln oder als Mischung eingesetzt werden, wobei auch Copolymere, die von den zuvor genannten Polymeren ableitbar sind, eingesetzt werden können.
Das Gewichtsmittel des Molekulargewichts Mw der in der Formmasse zu verwendenden Homo- und/oder Copolymere 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.
Gemäss einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Formmasse mindestens 70, vorzugsweise mindestens 80 und besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Formmasse, Polymethyl(meth)acrylat auf.
Besonders bevorzugte Polymere zur Herstellung der Formmassen sind unter dem Handelsnamen ACRYLITE^® vom Hersteller CYRO Industries kommerziell erhältlich.
Neben der zuvor beschriebenen Matrix aus Poly(meth)acrylat umfasst die Formmasse sphärische Kunststoffpartikel.
Die Größe der Kunststoffpartikel (mittlerer Durchmesser-Gewichtsmittel) liegt im Bereich von 1 bis 24 µm, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 15 µm und noch mehr bevorzugt im Bereich von 3 bis 14 µm.
Im günstigen Fall besitzen die Partikel eine möglichst enge Größenverteilung. Vorzugsweise weisen mindestens 60 % der sphärischen Kunststoffpartikel in der im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Formmasse eine Größe von mindestens 1 μm und höchstens 30 % der sphärischen Kunststoffpartikel eine Größe von mehr als 15 μm auf.
Der Gewichtsanteil der Kunststoffpartikel, bezogen auf das Gewicht des Polymethyl(meth)acrylats, beträgt 0,05–30 Gew.-%. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die eingesetzte Formmasse einen Gewichtsanteil an sphärischen Kunststoffpartikeln von 0,1–25 Gew.-% auf.
Vorzugsweise liegen die sphärischen Partikel gleichmäßig verteilt in der Polymethyl(meth)acrylat-Matrix der Formmasse vor, ohne dass eine nennenswerte Aggregation oder Zusammenlagerung der Partikel auftritt. Gleichmäßig verteilt bedeutet, dass die Konzentration an Partikeln innerhalb der Matrix im wesentlichen konstant ist.
Die Mischung der Matrix mit den Kunststoffpartikel zur Formmasse, welche im erfindungsgemäßen Spritzgießverfahren eingesetzt wird, erfolgt vorzugsweise durch Schmelzemischung mittels eines Einschnecken- oder Doppelschneckenextruders, ohne dass hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll.
Der Begriff sphärisch bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Kunststoffpartikel vorzugsweise eine kugelförmige Gestalt aufweisen, wobei dem Fachmann offensichtlich ist, dass aufgrund der Herstellungsmethoden auch Kunststoffpartikel mit anderer Gestalt enthalten sein können, oder dass die Form der Kunststoffpartikel von der idealen Kugelgestalt abweichen kann.
Dementsprechend bedeutet der Begriff sphärisch, dass das Verhältnis von der größten Ausdehnung der Kunststoffpartikel zur geringsten Ausdehnung maximal 4, vorzugsweise maximal 2 beträgt, wobei diese Ausdehnungen jeweils durch den Schwerpunkt der Kunststoffpartikel gemessen werden. Vorzugsweise sind mindestens 70%, besonders bevorzugt mindestens 90%, bezogen auf die Zahl der Kunststoffpartikel, sphärisch.
Die Ermittlung der Teilchengröße sowie der Teilchengrößenverteilung kann mittels Laserextinktionsverfahren erfolgen. Hierzu kann ein Galai-CIS-1 der Firma L.O.T. GmbH verwendet werden, wobei die Messmethode zur Bestimmung der Teilchengröße im Benutzerhandbuch enthalten ist.
Die erfindungsgemäss verwendbaren Kunststoffpartikel sind nicht besonders beschränkt. So ist die Art des Kunststoffs aus dem die Kunststoffpartikel hergestellt werden weitgehend unkritisch, wobei an der Phasengrenze der Kunststoffperlen zum Matrixkunststoff eine Brechung des Lichts stattfindet.
Dementsprechend weist der Brechungsindex der Kunststoffpartikel eine bei der Na-D-Linie (589 nm) und bei 20°C gemessene Brechzahl n_o auf, die sich um 0,01 bis 0,2 Einheiten von der Brechzahl n_o des Matrixkunststoffs unterscheidet.
Besonders bevorzugt werden Kunststoffpartikel eingesetzt, die eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 200°C, insbesondere von mindestens 250°C aufweisen, ohne dass hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll. Hierbei bedeutet der Begriff temperaturbeständig, dass die Teilchen im wesentlichen keinem wärmebedingten Abbau unterliegen.
Die Temperaturstabilität kann durch thermogravimetrische Bestimmung ermittelt werden. Die Bestimmungsmethodik ist dem Fachmann geläufig. Bei Anwendung des Verfahrens tritt bis zur angegeben Temperatur unter Schutzgas ein Masseverlust an der zu messenden Kunststoffprobe von nicht mehr als 2 Gew.-% auf.
Bevorzugte Kunststoffpartikel sind aufgebaut aus:

b1) 25 bis 99,9 Gew.-Teilen von Monomeren, die aromatische Gruppen als Substituenten aufweisen, wie beispielsweise Styrol, α-Methylstyrol, ringsubstituierte Styrole und halogenierte Styrole, Phenyl(meth)acrylat, Benzyl(meth)acrylat, 2-Phenylethyl(meth)acrylat, 3-Phenylpropyl(meth)acrylat oder Vinylbenzoat; sowie
b2) 0 bis 60 Gew.-Teilen eines Acryl- und/oder Methacrylsäureesters mit 1 bis 12 C-Atomen im aliphatischen Esterrest, die mit den Monomeren b1) copolymerisierbar sind, wobei beispielhaft genannt seien: Methyl(meth)acrylat, Ethyl(meth)acrylat, n-Propyl(meth)acrylat, i-Propyl(meth)acrylat, n-Butyl(meth)acrylat, i-Butyl(meth)acrylat, tert.Butyl(meth)acrylat, Cyclohexyl(meth)acrylat, 3,3,5-Trimethylcyclohexyl(meth)acrylat, 2-Ethylhexyl(meth)acrylat, Norbornyl(meth)acrylat oder lsobornyl(meth)acrylat;
b3) 0,1 bis 15 Gew.-Teilen vernetzenden Comonomeren, die mindestens zwei ethylenisch ungesättigte, radikalisch mit b1) und gegebenenfalls mit b2) copolymerisierenbare Gruppen aufweisen, wie beispielsweise Divinylbenzol, Glykoldi(meth)acrylat, 1,4-Butandioldi(meth)acrylat, Polyethylenglycoldimethacrylat, Allyl(meth)acrylat, Triallylcyanurat, Diallylphthalat, Diallylsuccinat, Pentaerythrittetra(meth)acrylat oder Trimethylolpropantri(meth)acrylat, wobei sich die Comonomeren b1), b2) und b3) zu 100 Gew.-Teilen ergänzen.

Die voranstehend beschriebenen Kunststoffpartikel und Formmassen, die diese Partikel und Poly(methyl)methacrylat enthalten, sind beschrieben in EP 0 656 548 .
Die Herstellung von vernetzten Kunststoffpartikeln ist in der Fachwelt bekannt. So können die Streupartikel durch Emulsionspolymerisation hergestellt werden, wie beispielsweise in EP-A 342 283 oder EP-A 269 324 beschrieben, ganz besonders bevorzugt durch Polymerisation in organischer Phase, wie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 43 27 464.1 beschrieben, wobei bei der letztgenannten Polymerisationstechnik besonders enge Teilchengrößenverteilungen oder anders ausgedrückt besonders geringe Abweichungen der Teilchendurchmesser vom mittleren Teilchendurchmesser auftreten.
Besonders bevorzugte Kunststoffpartikel umfassen vernetzte Polystyrole. Solche Partikel können durch Suspensionspolymerisation eines Styrolmonomers, wie voranstehend unter b1) aufgezählt, und eines vernetzenden Monomers, wie voranstehend unter b3) aufgezählt, erhalten werden, wobei Styrol und Divinylbenzol besonders bevorzugt sind. Ebenso kann eine Mischung mehrerer Styrolmonomer aus b1) verwendet werden. Der Gewichtsanteil des Styrolpolymers in den Partikeln beträgt bevorzugt 80 bis 95 Gew.-%. Der Gewichtsanteil des vernetzenden Monomers beträgt bevorzugt 5–20%. Angesichts der Gleichmäßigkeit der Lichtdiffusion und des optischen Erscheinungsbildes werden bevorzugt Polystyrolpartikel verwendet, die durch Suspensionspolymerisation hergestellt wurden, wie in JP 64 266 17 , JP 1 146 910 , JP 1172412 und JP-A 418 346 beschrieben. In JP-A 418346 sind auch Formmassen beschrieben, die Polystyrolpartikel und Poly(methyl)methacrylat umfassen.
Ferner sind besonders bevorzugte Partikel aus vernetztem Polystyrol von Sekisui Plastics Co., Ltd. unter den Handelsnamen Techpolymer^® SBX-4, Techpolymer^® SBX-6, Techpolymer^® SBX-8 und Techpolymer^® SBX-12 kommerziell erhältlich.
Weitere besonders bevorzugte sphärische Kunststoffpartikel, die als Streumittel eingesetzt werden, enthalten Silikone. Solche Partikel werden zum Beispiel durch Hydrolyse und Polykondensation von Organotrialkoxysilanen und/oder Tetraalkoxysilanen erhalten, welche durch die Formeln R¹Si(OR²)₃ und Si(OR²)₄ beschrieben werden, worin R¹ beispielsweise eine substituierte oder unsubstituierte Alkylguppe, eine Alkenylgruppe oder eine Phenylgruppe darstellt, und der Rest R² der hydrolisierbaren Alkoxygruppe eine Alkylgruppe, wie Methyl, Ethyl oder Butyl oder eine Alkoxy-substituierte Kohlenwasserstoffgruppe, wie 2-Methoxyethyl oder 2-Ethoxyethyl darstellt. Beispielhafte Organotrialkoxysilane sind Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Methyl-n-propoxysilan, Methyltriisopropoxysilan und Methyltris(2-methoxyethoxy)silan.
Die zuvor genannten Silanverbindungen und Verfahren zur Herstellung sphärischer Silikonpartikel daraus sind der Fachwelt bekannt und den Schriften EP 1 116 741 , JP 63-077940 und JP 2000-186148 entnehmbar.
In der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt eingesetzte Streumittel aus Silikon sind von der Firma GE Bayer Silicones unter den Handelsnamen TOSPEARL^® 120 und TOSPEARL^® 3120 erhältlich.
Die Formmassen zur Herstellung des Formteils können übliche Additive/Zusatzstoffe aller Art enthalten. Hierzu gehören unter anderem Farbstoffe, Antistatika, Antioxidantien, Entformungsmittel, Flammschutzmittel, Schmiermittel, Fliessverbesserungsmittel, Füllstoffe, Lichtstabilisatoren und organische Phosphorverbindungen, wie Phosphite oder Phosphonate, Pigmente, Verwitterungsschutzmittel und Weichmacher. Die Menge an Zusatzstoffen ist jedoch auf den Anwendungszweck beschränkt. So sollte die lichtstreuende Eigenschaft der Formmasse sowie deren Transparenz nicht zu stark durch Additive beeinträchtigt werden.
Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Formmasse gegebenenfalls durch einen Schlagzähmodifier mechanisch stabiler ausgerüstet werden. Derartige Schlagzähmodifizierungsmittel für Polymethacrylat-Kunststoffe sind hinlänglich bekannt, so sind die Herstellung und der Aufbau von schlagzähmodifizierten Polymethacrylat-Formmassen unter anderem in EP-A 0 113 924 , EP-A 0 522 351 , EP-A 0 465 049 und EP-A 0 683 028 beschrieben.
Bevorzugte schlagzähe Formmassen weisen 70–99 Gew.-% Polymethyl(meth)acrylate auf. Diese Polymethyl(meth)acrylate wurden zuvor beschrieben.
Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die zur Herstellung von schlagzähmodifizierten Formmassen verwendeten Polymethyl(meth)acrylate durch radikalische Polymerisation von Mischungen erhalten, die 80 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 90–98 Gew.-%, Methylmethacrylat und gegebenenfalls 0–20 Gew.-%, bevorzugt 2–10 Gew.-% weitere radikalisch polymerisierbare Comonomere umfassen, die ebenfalls zuvor aufgeführt wurden. Besonders bevorzugte Comonomere sind unter anderem C₁- bis C₄-Alkyl(meth)acrylate, insbesondere Methylacrylat, Ethylacrylat oder Butylmethacrylat.
Vorzugsweise liegt das mittlere Molekulargewicht Mw der Polymethyl(meth)acrylate zur Herstellung besonders schlagzäher Formmassen im Bereich von 90.000 g/mol bis 200.000 g/mol, insbesondere 100.000 g/mol bis 150.000 g/mol.
Bevorzugte schlagzähe Formmassen enthalten 1 bis 60, bevorzugt 2 bis 50, besonders bevorzugt 3 bis 45, insbesondere 5 bis 42 Gew.-% eines Schlagzähmodifizierungsmittels, welches eine Elastomerphase aus vernetzten Polymerisatteilchen darstellt.
Das Schlagzähmodifizierungsmittel kann in an sich bekannter Weise durch Perlpolymerisation oder durch Emulsionspolymerisation erhalten werden.
Bevorzugte Schlagzähmodifizierungsmittel stellen vernetzte Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 50 bis 1000 nm, bevorzugt 60 bis 500 nm und besonders bevorzugt 80 bis 450 nm dar.
Derartige Partikel können beispielsweise durch die radikalische Polymerisation von Mischungen erhalten werden, die in der Regel mindestens 40 Gew.-%, bevorzugt 50 bis 70 Gew.-% Methylmethacrylat, 20 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 25 bis 45 Gew.-% Butylacrylat sowie 0,1 bis 2, bevorzugt 0,5 bis 1 Gew.-% eines vernetzenden Monomeren, z. B. einem mehrfunktionellen (Meth)acrylat, wie z. B. Allylmethacrylat und Comonomeren enthalten, die mit den zuvor genannten Vinylverbindungen copolymerisiert werden können.
Zu den bevorzugten Comonomeren gehören unter anderem C₁-C₄-Alkyl(meth)acrylate, wie Ethylacrylat oder Butylmethacrylat, bevorzugt Methylacrylat, oder andere vinylisch polymerisierbare Monomere wie z. B. Styrol. Die Mischungen zur Herstellung der zuvor genannten Partikel können vorzugsweise 0 bis 30, bevorzugt 0,5 bis 15 Gew.-% Comonomere umfassen.
Besonders bevorzugte Schlagzähmodifizierungsmittel sind Polymerisatteilchen, die einen zwei-, besonders bevorzugt einen dreischichtigen Kern-Schale-Aufbau aufweisen. Derartige Kern-Schale-Polymerisate sind unter anderem in EP-A 0 113 924 , EP-A 0 522 351 , EP-A 0 465 049 und EP-A 0 683 028 beschrieben.
Besonders bevorzugte Schlagzäh-Modifier auf Basis von Acrylatkautschuk haben unter anderem folgenden Aufbau:
Kern: Polymerisat mit einem Methylmethacrylatanteil von mindestens 90 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Kerns.
Schale 1: Polymerisat mit einem Butylacrylatanteil von mindestens 80 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der ersten Schale.
Schale 2: Polymerisat mit einem Methylmethacrylatanteil von mindestens 90 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der zweiten Schale.
Der Kern sowie die Schalen können neben den genannten Monomeren jeweils weitere Monomere enthalten.
Beispielsweise kann ein bevorzugter Acrylatkautschuk-Modifier folgenden Aufbau aufweisen:
Kern: Copolymerisat aus Methylmethacrylat (95,7 Gew.-%), Ethylacrylat (4 Gew.-%) und Allylmethacrylat (0,3 Gew.-%)
S1: Copolymerisat aus Butylacrylat (81,2 Gew.-%), Styrol (17,5 Gew.-%) und Allylmethacrylat (1,3 Gew.-%)
S2: Copolymerisat aus Methylmethacrylat (96 Gew.-%) und Ethylacrylat (4 Gew.-%)
Das Verhältnis von Kern zu Schale(n) der Acrylatkautschuk-Modifier kann in weiten Bereichen schwanken. Vorzugsweise liegt das Gewichtsverhältnis Kern zu Schale K/S im Bereich von 20:80 bis 80:20, bevorzugt von 30:70 zu 70:30 bis Modifiern mit einer Schale bzw. das Verhältnis von Kern zu Schale 1 zu Schale 2 K/S1/S2 im Bereich von 10:80:10 bis 40:20:40, besonders bevorzugt von 20:60:20 bis 30:40:30 bei Modifiern mit zwei Schalen.
Die Partikelgröße der Kern-Schale-Modifier liegt üblich im Bereich von 50 bis 1000 nm, vorzugsweise 100 bis 500 nm und besonders bevorzugt von 150 bis 450 nm, ohne daß hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll.
Derartige Schlagzähmodifier sind von der Fa. Mitsubishi unter dem Handelsnamen METABLEN^® IR 441 kommerziell erhältlich. Darüber hinaus können auch schlagzäh-modifizierte Formmassen erhalten werden. Hierzu gehört unter anderem ACRYLITE PLUS^® vom Hersteller CYRO Industries.
Das erfindungsgemäße Spritzgießverfahren zur Herstellung komplexer lichtstreuender Formteile von hoher optischer Güte wird bevorzugt auf die nachfolgend beschriebene Art und Weise durchgeführt:
Die Temperatur der geschmolzenen Formmasse bei dem erfindungsgemäßen Spritzgießverfahren beträgt vorzugsweise 210–270 °C und noch mehr bevorzugt 240–250 °C, ohne dass hierdurch eine Einschränkung erfolgen soll.
Des weiteren beträgt die Temperatur der Spritzgießdüse bevorzugt 230–270 °C, noch mehr bevorzugt 240–250 °C, und die Temperatur des Spritzgießwerkzeugs beträgt bevorzugt 40–80 °C und noch mehr bevorzugt 50–60 °C.
Die Temperatur des Spritzgießzylinders beträgt vorzugsweise 220–260 °C und noch mehr bevorzugt 230–250°C.
Die Formmasse wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Druck im Bereich von 50 bar bis 1000 bar in das Werkzeug eingespritzt. Dabei kann der Druck in einer besonderen Ausführungsform gestuft sein und beträgt in der ersten Stufe 50 bar und in der zweiten Stufe 400 bar.
Ebenso kann die Einspritzgeschwindigkeit gestuft sein und liegt in der ersten Stufe im Bereich von 0,01 m/s bis 0,1 m/s in der zweiten Stufe im Bereich von 0,1 m/s bis 1 m/s und in einer möglichen dritten Stufe im Bereich von 0,05 m/s bis 0,5 m/s. Dabei beträgt der Dosierweg vorzugsweise das 1- bis 4fache des Schneckendurchmessers
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass optische Inhomogenitäten, wie Wolken und Schlieren und Bindenähte bei komplexen Formteilen wirkungsvoll vermieden werden können, wenn man das erfindungsgemäße Verfahren zu deren Herstellung anwendet.
Werden sphärische Kunststoffpartikel mit einer mittleren Größe von 1–24 μm in einer Matrix aus Polymethyl(meth)acrylat in einem Spritzgießverfahren eingesetzt, so können komplexe Formteile von besonders guter optischer Qualität und Homogenität und weitgehend ohne Wolken, Schlieren und Bindenähten hergestellt werden. Besonders gut können diese optischen Fehler vermieden werden, wenn Streumittel auf Basis von vernetzten Silikonen oder vernetztem Polystyrol mit einer mittleren Teilchengröße von 2–15 μm in einer Matrix aus Polymethyl(meth)acrylat verwendet werden.
Bei komplexen Formteilen, wie z.B. solchen mit variabler Dicke und/oder Durchbrüchen, treten optische Fehlstellen wie Wolken, Schlieren und Bindenähte normalerweise besonders leicht auf. Dickenunterschiede in der entsprechenden Spritzgießform und insbesondere Durchbrüche, d.h. Bereiche einer Form, die von der Schmelze umspritzt werden, haben einen starken Einfluß auf das rheologische Füllverhalten des Werkzeughohlraumes, auch Kavitäten genannt. Durch das sogenannte "Vor- oder Nacheilen" von Teilen der Schmelze kann die Bildung von Wolken-Schlieren und Bindenähten verstärkt werden.
Ein komplexes Formteil nach dem Verständnis der vorliegenden Erfindung ist ein Formteil, das eines oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein komplexes Formteil unterschiedliche Wanddicken auf. Bevorzugt wird ein Formteil erhalten, dessen Wanddicke im Bereich von 1–30 mm liegt und innerhalb des Formteils variieren kann. Die Variation der Wanddicke kann z.B. durch die Differenz zwischen minimaler und maximaler Wanddicke des Formteils angegeben werden, wobei diese Differenz mehr als 1 mm, vorzugsweise mehr als 5 mm und besonders bevorzugt mehr als 10 mm beträgt. Das Verhältnis von maximaler zu minimaler Wanddicke liegt vorzugsweise im Bereich von ≥ 1:20 und mehr bevorzugt im Bereich von ≥ 1:10, besonders bevorzugt bei ≥ 1:4 und am meisten bevorzugt bei ≥ 1:2.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein komplexes Formteil mindestens einen Durchbruch auf. An der Stelle eines Durchbruches beträgt die Wanddicke des Formkörpers Null. Die einen Durchbruch umgebende Formmasse kann im umgebenden Bereich eine gleichmäßige oder variierende Wanddicke ausbilden, wobei die Wanddicke bevorzugt innerhalb des oben angegebenen Bereiches liegt.
Weiterhin wird durch eine Abwandlung des zuvor beschriebenen Verfahrens ein komplexes Formteil hergestellt, das mindestens eine nicht ebene Oberfläche aufweist. Vorzugsweise ist eine solche Oberfläche konvex oder konkav ausgebildet.
Durch die zuvor angegebenen Definitionen und Maße eines komplexen Formteils werden lediglich bevorzugte Produkte des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht, welche in keiner Weise als Beschränkung der allgemeinen erfinderischen Idee aufzufassen sind.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Formteile weisen vorzugsweise die nachfolgend genannten Eigenschaften auf.
Eine besondere Ausführungsform des Formteils, welches aus dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird, weist einen Intensitätshalbwertswinkel von ≥ 1,5°, insbesondere ≥ 10°C auf.
Vorzugsweise zeigt das erfindungsgemäß hergestellte Formteil einen Gelbwert, bestimmt gemäß DIN 6167 von kleiner oder gleich 12, insbesondere kleiner oder gleich 10, ohne dass hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll.
Weiterhin zeigen die erfindungsgemäß hergestellten Formteile hervorragende mechanische Eigenschaften. So können Formteile erhalten werden, die eine Charpy Schlagzähigkeit gemäß ISO 179 von ≥ 80 KJ/m² aufweisen. Die Streckspannung gemäß ISO 527 kann auf ≥ 70 MPa eingestellt werden. Auch eine nominelle Bruchdehnung von > 50% gemäß ISO 527 ist hervorragend.
Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten lichtstreuenden Formteile werden besonders bevorzugt in LED-Anwendungen bzw. bei LED-Leuchtmitteln eingesetzt. Hierbei hat es sich überraschenderweise gezeigt, dass silikonbasierte Streuperlen als besonders effektive Streumittel in Streuscheiben, bevorzugt in Streuscheiben basierend auf PMMA, zur Lichtstreuung von LED basierendem Licht geeignet sind.
Die Erfindung umfasst somit auch die Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten lichtstreuenden Formteile, insbesondere auf PMMA basierende Streuscheiben, die als Streumittel silikonbasierte Streuperlen enthalten, zur Lichtstreuung von LED basierendem Licht. Vorzugsweise sind die erfindungsgemäß eingesetzten Streumittel bzw. Streuperlen für die Verwendung in LED-Anwendungen kugelförmig und haben eine Teilchengröße von ca. 2 µm.
Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten lichtstreuenden Formteile in einem LED-Lichtleitsystem.
Vorzugsweise sind für die Erzeugung einer 1 bis 2 mm dicken ausreichend lichtstreuenden Scheibe aus einer erfindungsgemäßen Formmasse in dieser 1 bis 2 Gew.-% Streumittel bzw. Streuperlen bezogen auf das Gesamtgewicht der erfindungsgemäßen Formmasse enthalten. Ist die lichtstreuende Scheibe dicker als 2 mm, kann vorzugsweise die Streumittelmenge reduziert werden – soll die Scheibe dünner als 1 mm sein, kann entsprechend vorzugsweise die Streumittelmenge erhöht werden.
Neben den genannten Streumitteln bzw. Streuperlen können in der vorzugsweise PMMA basierenden erfindungsgemäßen Formmasse noch weitere üblichen Additive, wie Lichtstabilisatoren, Gleitmittel, Verarbeitungsstabilisatoren, Farbpigmente und/oder Farbmittel enthalten sein.
Nachfolgend wird die Erfindung durch Beispiele und Vergleichsbeispiele eingehender erläutert, ohne dass die Erfindung auf diese Beispiele beschränkt werden soll.
A) Meßmethoden
Die Transmission D65/2° wurde gemäss DIN 5036 mit einem Messgerät Lambda 19 der Fa. Perkin Elmer bestimmt.
Der Gelbwert D65/10° wurde gemäss DIN 6167 mit einem Messgerät Lambda 19 der Fa. Perkin Elmer bestimmt.
Das Streuvermögen wird durch die Messung des Energiehalbwertswinkels und des Intensitätshalbwertswinkels gemäss DIN 5036 mit einem Messgerät LMT-Goniometer-Messplatz GO-T-1500 der Fa. LMT bestimmt.
Die Ermittlung der Teilchengröße sowie der Teilchengrößenverteilung erfolgte mittels einem Laserextinktionsverfahren. Hierzu wurde ein Galai-CIS-1-Gerät der Firma L.O.T. GmbH verwendet, wobei die Messmethode zur Bestimmung der Teilchengröße im Benutzerhandbuch beschrieben ist.
B) Charakterisierung der eingesetzten Streumittel
Im den erfindungsgemäßen Beispielen wurden zum einen die Streumittel Techpolymer^® SBX-8 (Hersteller: Sekisui Chemical Co. Ltd, Japan), TOSPEARL^® 120 und TOSPEARL^® 3120 (Hersteller: GE Bayer Silicones) eingesetzt.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Beispiel wurde eine Abmischung aus einem Polymerisat C, hergestellt analog Beispiel 2 in EP 1 219 641 A1 mit einer handelsüblichen Formmasse (Polymerisat A) aus 96 Gew.-% Methylmethacrylat 5 und 4 Gew.-% Methylacrylat als Matrix eingesetzt.
Als Vergleichsbeispiel diente Polymerisat B, bestehend aus Polymerisat A mit einem Anteil von 6 Gew.-% sphaerischer lichtstreuender Kunststoffpartikel auf Basis von Poly(meth)acrylat-Copolymeren (Polymerisat D) mit einem mittleren Teilchendurchmesser von ca. 50 μm.

Tabelle 1 zeigt eine Zusammenstellung über die Eigenschaften der in diesen erfindungsgemäßen Beispielen eingesetzten Streumittel. Tabelle 1: Charakteristika der Streumittel

	1	2	3	4	5
Streumittel	Polymerisat C	TECHPOLYMER^® SBX-8	TOSPEARL^® 120	TOSPEARL^® 3120	Polymerisat D
Brechungsindex n_D20	1,525	1,590	1,41	1,41	1,525
Dichte [g/cm³]	n.b.	1,06	1,32	1,32	n.b.
mittlere Partikelgröße [μm]	20	8	2	12	20
spez. Oberfläche [m²/g]	n.b.	n.b.	15–35	18	n.b.

C) Herstellung der Formmassen
Mit den in Tabelle 1 genannten Streumitteln wurden Formmassen in der Konzentration hergestellt, die zur Erreichung vergleichbarer optischer Eigenschaften wie bei dem Verkaufsprodukt Polymerisat B (Vergleichsbeispiel 1, Hersteller: Röhm GmbH & Co. KG, Deutschland) nötig sind. Nach dem Einwiegen der Komponenten wurde die Mischung taumelgemischt und auf einem Einschneckenextruder compoundiert.
Tabelle 2 beinhaltet die Eigenschaften von Formmassen, wie sie im Stand der Technik (Vergleichsbeispiele) bzw. im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden (Beispiele C-1 bis C-5). Als Matrixmaterial diente in allen Fällen Polymerisat A.
Eine Formmasse mit 0,3% TOSPEARL^® 120 zeigt annähernd gleiche optische Eigenschaften wie Polymerisat B (Vergleichsbeispiel C-1, Tabelle 2). Bei Einsatz von Techpolymer^® SBX-8 als Streumittel ist die Transmission etwas geringer als bei Polymerisat B.
D) Spritzgießparameter

Alle Formmassen wurden unter den gleichen Verarbeitungsparametern (siehe Tabelle 3) spritzgegossen. Bei Zusatz von TOSPEARL^® und Techpolymer^® SBX-8 wurde eine Verbesserung der Fließeigenschaften der Formmassen festgestellt. Tabelle 3: Einstellparameter für die Spritzgiessverarbeitung der Formmassen (Spritzgießmaschine DEMAG D 150)

Temperaturen[°C]
Schmelze	245
Zylinder	230; 235; 240; 245
Werkzeug	55
Heisskanal (Düse, Kanal)	246; 246

Dosierweg	26 mm

Einspritzgeschwindigkeit (gestuft)
Stufe 1 (23 mm–20 mm)	13
Stufe 2 (20 mm–15 mm)	16
Stufe 3 (15 mm–0 mm)	13

Nachdruck (gestuft)
Nachdruckumschaltung	wegabhängig bei 5 mm Schneckenweg
Stufe 1 (18 s)	82
Stufe 2 (8 s)	75

E) Herstellung von Formteilen und Beurteilung der optischen Qualität
Beispiel 1: Formteil aus Polymerisat A mit Streumittel Techpolymer^® SBX-8
Zur Herstellung der Formmasse wurden in eine 30 l-Mischtrommel 10 kg Polymerisat A und 0,3 kg Techpolymer^® SBX-8 mit 8 μm mittlerer Teilchengröße eingewogen, taumelgemischt und auf einem 35 mm-Einschneckenextruder Schmelze-compoundiert. Das anschließende Spritzgießen zu Formteilen erfolgte mit einem Heißkanalwerkzeug mit den in Tabelle 3 angegebenen Parametern. Aus der Formmasse wurden quadratische Platten (100 × 100 mm) spritzgegossen, die vier quadratische Segmente mit verschiedenen Wandddicken von 1, 2, 3 und 4 mm aufweisen.
Beispiel 2: Formteil aus Polymerisat A mit Streumittel TOSPEARL^® 120
Zur Herstellung der Formmasse wurden 10 kg Polymerisat A glasklar und 0,3 kg TOSPEARL^® 120 wie in Beispiel 1 beschrieben zu einer Formmasse verarbeitet. Das anschließende Spritzgießen zu Formteilen erfolgte mit einem Heißkanalwerkzeug mit den in Tabelle 3 angegebenen Parametern. Aus der Formmasse wurden quadratische Platten (100 × 100 mm) spritzgegossen, die vier quadratische Segmente mit verschiedenen Wandddicken von 1, 2, 3 und 4 mm aufweisen.
Beispiel 3: Formteil aus Polymerisat A mit Streumittel TOSPEARL^® 3120
Zur Herstellung der Formmasse wurden 10 kg Polymerisat A glasklar und 0,3 kg TOSPEARL^® 3120 wie in Beispiel 1 beschrieben zu einer Formmasse verarbeitet. Das anschließende Spritzgießen zu Formteilen erfolgte mit einem Heißkanalwerkzeug mit den in Tabelle 3 angegebenen Parametern. Aus der Formmasse wurden quadratische Platten (100 × 100 mm) spritzgegossen, die vier quadratische Segmente mit verschiedenen Wandddicken von 1, 2, 3 und 4 mm aufweisen.
Beispiel 4: Formteil aus Polymerisat A mit Streumittel Polymerisat C
Zur Herstellung der Formmasse wurden 10 kg Polymerisat A und 0,3 kg Polymerisat C wie in Beispiel 1 beschrieben zu einer Formmasse verarbeitet. Aus der Formmasse wurden quadratische Platten (100 × 100 mm) spritzgegossen, die vier quadratische Segmente mit verschiedenen Wandddicken von 1, 2, 3 und 4 mm aufweisen.
Vergleichsbeispiel:
Formteil aus Polymerisat B
Aus Polymerisat B wurden auf einer Spritzgießmaschine DEMAG D 150 mittels eines Heißkanal-Spritzgießwerkzeuges mit den in Tabelle 3 angegebenen Parametern Platten 100 × 100 × 1/2/3/4 mm spritzgegossen.

Die Beurteilung der optischen Qualität der spritzgegossenen Prüfkörper erfolgte visuell. Als Beurteilungskriterium dienten die Ausprägung von Bindenähten sowie von Inhomogenitäten (Wolken, Schlieren) im Formteil. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst. In der Tabellen wurde ein nicht vorhandenes Merkmal mit ++, eine geringe Ausprägung des Merkmals mit +, eine deutliche Ausprägung mit - und eine sehr deutliche Ausprägung mit -- gekennzeichnet. Tabelle 4: Optische Beurteilung der Formteile

	Fließnähte	Wolken	Schlieren	Oberflächen fehler
Beispiel 1 (Techpolymer^® SBX-8)	+	++	++	++
Beispiel 2 (TOSPEARL^® 120)	+	++	++	++
Beispiel 3 (TOSPEARL^® 3120)	+	++	++	++
Beispiel 4 (Polymerisat C)	-	+	+	+
Vergleichsbeispiel Polymerisat B	--	--	-	-

F) Weiteres erfindungsgemäßes Beispiel 5:
Zur Herstellung der Formmasse wurden 10 kg PLEXIGLAS^® 7N (98,5 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Mischung) und 0,152 kg TOSPEARL^® 120 (1,5 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Mischung) wie in Beispiel 1 beschrieben zu einer Formmasse verarbeitet.
Aus der so hergestellten Formmasse wurden Stufenplatten gespritzt (4 Stufenplatten / Stufendicke 1mm, 2mm, 3mm, 4mm / Fläche der jeweiligen Stufe 50mm × 50mm) und lichttechnisch vermessen.
Es wurden folgende lichttechnische Eigenschaften gemessen:

• Transmission: Transmission Lichtart D65/10°
• Intensitätshalbwertswinkel: Goniometermessung nach DIN 5036 mit einem Messgerät LMT- Goniometer-Messplatz GO-T-1500 der Fa. LMT
• Maximale Leuchtstärke: Goniometermessung

In Tabelle 5 sind die lichttechnischen Eigenschaften der Formkörper aus Beispiel 5 aufgeführt. Tabelle 5: Optische Beurteilung der Formteile

Beispiel 5 (1 mm Stufendicke) Beispiel 5 (2 mm Stufendicke)

Transmission [%] 73 55

Maximale Leuchtstärke [cd/m²] 114 58

Intensitätshalbwerts winkel [°] 34 68
Die gemäß Beispiel 5 erfindungsgemäß hergestellten Formteile eignen sich insbesondere aufgrund ihres hohen Intensitätshalbwertswinkels bevorzugt für Anwendungen zur Lichtstreuung von LED basierendem Licht, weiter bevorzugt für die Anwendung in LED-Lichtleitsystemen bzw. bei LED-Leuchtmitteln. Dabei zeigen erfindungsgemäß hergestellte Streuscheiben eine hohe Effektivität im Vergleich zu bekannten Scheiben, d. h. die erfindungsgemäß hergestellten Streuscheiben streuen das von einer LED erzeugte Licht ausreichend, besitzen also eine ausreichende Streustärke, zeigen jedoch parallel und überraschenderweise eine gute Lichtdurchlässigkeit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0656548 A [0002, 0050]
JP 11179856 [0003]
JP 418346 A [0004, 0052]
EP 342283 A [0051]
EP 269324 A [0051]
DE 4327464 [0051]
JP 6426617 [0052]
JP 1146910 [0052]
JP 1172412 [0052]
EP 1116741 [0055]
JP 63-077940 [0055]
JP 2000-186148 [0055]
EP 0113924 A [0058, 0067]
EP 0522351 A [0058, 0067]
EP 0465049 A [0058, 0067]
EP 0683028 A [0058, 0067]
EP 1219641 A1 [0102]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

W. Mink, Grundzüge der Spritzgießtechnik, 1. Auflage, Zechner & Hüthig Verlag, Speyer, 1966 [0020]
Saechtling, Kunststofftaschenbuch, 26. Ausgabe, Carl Hanser Verlag, 1995 [0020]
DIN 6167 [0089]
ISO 179 [0090]
ISO 527 [0090]
DIN 5036 [0097]
DIN 6167 [0098]
DIN 5036 [0099]
DIN 5036 [0117]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines lichtstreuenden Formteils, dadurch gekennzeichnet, dass man in einem Spritzgießverfahren eine Formmasse einsetzt, welche eine Matrix aus Polymethyl(meth)acrylat und darin eingelagerte sphärische Kunststoffpartikel mit einer Teilchengröße im Bereich von 1 bis 24 μm in einer Konzentration im Bereich von 0,05 bis 30 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Polymethyl(meth)acrylats umfasst, wobei die sphärischen Partikel einen Brechungsindexunterschied zur Polymethyl(meth)acrylat-Matrix von 0,01 bis 0,2 aufweisen, wobei die Formmasse in ein Werkzeug gespritzt wird, mit dem ein komplexes Formteil hergestellt werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Formteil herstellt, welches unterschiedliche Wanddicken aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Formteil herstellt, dessen Wanddicke im Bereich von 1–30 mm liegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der eingesetzten Formmasse der Gewichtsanteil der sphärischen Kunststoffpartikel 0,1–25 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Polymethyl(meth)acrylats beträgt.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der sphärischen Kunststoffpartikel in der eingesetzten Formmasse im Bereich von 2 bis 15 μm liegt.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 60 % der sphärischen Kunststoffpartikel in der eingesetzten Formmasse eine Größe von mindestens 1 μm und höchstens 30 % der sphärischen Kunststoffpartikel eine Größe von mehr als 15 μm aufweisen.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sphärischen Kunststoffpartikel in der eingesetzten Formmasse vernetzte Silikone und/oder vernetztes Polystyrol und/oder vernetzte Copolymere basierend auf (Meth)acrylaten und Styrol umfassen.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Formteil herstellt, das einen Intensitätshalbwertswinkel von ≥ 1,5° aufweist.
Verwendung eines gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche herstellbaren oder hergestellten lichtstreuenden Formteils, insbesondere einer auf PMMA basierenden Streuscheibe, die als Streumittel bevorzugt silikonbasierende Streuperlen enthält, zur Lichtstreuung von LED basierendem Licht.
Verwendung gemäß Anspruch 26 in einem LED-Lichtleitsystem.