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Optische Eigenschaften

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Die optischen Eigenschaften von thermoplastischen Polyurethanen variieren in Abhängigkeit von den verwendeten chemischen Bausteinen, Herstellverfahren und Hilfsstoffen.

Zu den optischen Eigenschaften thermoplastischer Polyurethane (TPU) zählen Transparenz, Vergilbung und Lichtbrechung, Glanz, Farbe, Trübung und Transmission, Reflexion und Graumassstab. Die wichtigsten Messwerte und Prüfverfahren sind weiter unten aufgeführt. Das UL Thermoplastics Testing Center (UL-TTC) stellt unseren Kunden optische Prüfverfahren zur Verfügung.

Transparenz

Thermoplastische Polyurethane sind in der Regel transluzent bis opak. Eine Reihe an Desmopan®-Typen sind allerdings bis zu einer Materialstärke von etwa 2 mm transparent. Diese Eigenschaft ist jedoch keine Konstante und kann abhängig von den Verarbeitungsbedingungen sehr stark variieren. Um diesen Nachteil auszugleichen, wurde eine spezielle Reihe aromatischer Desmopan®-Typen entwickelt, die bis zu einer Materialstärke von 6 mm eine konstante, garantierte Transparenz von > 90 % aufweisen. Diese UV-stabilisierte Serie enthält verschiedene Typen mit der Bezeichnung Desmopan® 36xx (Polyester) oder Desmopan® 96xx (Polyether) in Übereinstimmung mit der Desmopan®- Nomenklatur. Darüber hinaus liefern wir aliphatische TPU mit einer besonders hohen Transparenz aus unserer US- Texin-Reihe. Diese auf Desmodur® W basierenden Typen besitzen selbst bei einer Materialstärke von 10 mm noch eine herausragende Transparenz sowie alle Vorteile aliphatischer TPU.

Vergilbung

Aromatische thermoplastische Polyurethane vergilben unter dem Einfluss von UV-Licht, das die Bildung von Verbindungen mit konjugierten Doppelbindungen im Hartsegment auslöst, die Farbstoffen in der chemischen Struktur ähnlich sind.
Der Gelbwert (YI) wird zur Bestimmung des Vergilbungsausmaßes gemessen. Aromatische TPU mit UV- Stabilisatoren zu versetzen, verzögert die Vergilbung zeitlich, verhindert sie aber nicht. Vergilbung ist bei Teilen, für die strenge optische Anforderungen bestehen, ein Nachteil. Daher wurden aliphatische thermoplastische Polyurethane entwickelt, die keinen solchen Effekt aufweisen. Das folgende Diagramm zeigt den Unterschied zwischen aliphatischen und aromatischen TPU, letztere sowohl mit als auch ohne UV-Stabilisierung.
Zeitlich bedingte Vergilbung bei aliphatischen und aromatischen TPU

Brechungsindex

Der Brechungsindex ist eine Messung der Lichtbrechung, das heißt, des Richtungswechsels eines Lichtstrahls beim Übergang von einem Medium auf ein anderes. Er wird aus dem Verhältnis der Phasengeschwindigkeit von Licht in einem Vakuum zur Phasengeschwindigkeit von Licht in dem betreffenden Medium gebildet. Im Fall von Desmopan® ist der Brechungsindex insofern von praktischer Bedeutung, als dass TPU in Mischungen nur dann transparent sind, wenn die Brechungsindizes der verschiedenen Bestandteile relativ nahe beieinander liegen. Der Brechungsindex von aromatischen Desmopan®-Typen reicht je nach chemischem Aufbau von 1,52 bis 1,57. Die Verwendung von aliphatischen Isocyanaten reduziert den Brechungsindex von TPU. Daher weisen aliphatische Desmopan®- Typen auf Basis von HDI Brechungsindizes zwischen 1,49 und 1,50 auf, während der Brechungsindex von aliphatischen Texin®-Typen auf Basis von Desmodur® W bei etwa 1,51 liegt.
Brechungsindex ausgewählter Desmopan®-Typen 

Optische Prüfverfahren

Für die Überprüfung der optischen Eigenschaften von Materialien stehen eine Reihe verschiedener Testverfahren zu Verfügung. Im Rahmen dieser Tests können Eigenschaften wie Glanz, Farbe, Trübung und Transmission, Reflexion sowie Graumassstab gemessen und Bilder ausgewertet werden. Sie werden z.B. von den Experten im UL-Thermoplastics Testing Center (UL-TTC) gemäß den unten aufgelisteten Standards durchgeführt.
Optische Prüfverfahren

Dispersion und Abbe-Zahl

Die Abbe-Zahl ist in der Optik eine dimensionslose Größe zur Beschreibung der Dispersion eines transparenten Mediums. Die Abbe-Zahl, ausgedrückt durch das Formelzeichen V, wird folgendermaßen definiert:
Formel der optischen Eigenschaften
Je kleiner die Abbe-Zahl, desto größer die Dispersion und umgekehrt: Ein Material mit schwacher Dispersion hat eine höhere Abbe-Zahl. Der reziproke Wert der Abbe-Zahl wird häufig auch als relative Dispersion bezeichnet.
Optische Dispersion bedeutet, dass die Lichtbrechung in einem Medium von der Wellenlänge (und somit von der Farbe) abhängig ist. Diese Dispersion ist der Grund dafür, dass ein weißer Lichtstrahl in ein Farbspektrum aufgebrochen wird, wenn er auf die Kante eines Prismas trifft. Dispersion tritt jedoch überall dort auf, wo Licht gebrochen wird. Dispersion erfolgt auch dann, wenn ein Strahl, der aus Licht verschiedener Wellenlängen besteht, an einem Punkt abgebildet werden soll. Die Abbildung an einem Punkt ist eine entscheidende Voraussetzung für die Projektion scharfer Bilder durch ein optisches System wie eine Linse. In Linsensystemen erzeugt Dispersion verschiedene Grade an Farbsäumen rund um die Bilder heller Gegenstände. Dieser Abbildungsfehler ist als chromatische Aberration bekannt.
Um die Dispersion eines Materials (z. B. einer Glassorte) vollständig zu beschreiben, muss angegeben werden, inwiefern der Brechungsindex n des Materials sich in Zusammenhang mit der Wellenlänge λ des Lichts ändert. Daher muss die vollständige Funktion n(λ) angegeben werden. Für einfache Berechnungen genügt es häufig, die Dispersion im sichtbaren Lichtspektrum anhand der Abbe-Zahl zu beschreiben.
Wenn sie für Wellenlängen im sichtbaren Lichtspektrum definiert wurde, eignet sich die Abbe-Zahl nicht für das infrarote und ultraviolette Spektrum.
Optische Strahlung

Brechungsindex und Abbe-Zahl

Die folgende Tabelle zeigt den bei 589,3 nm gemessenen Brechungsindex und die zugehörige Abbe-Zahl für mehrere Desmopan®-Typen, die möglicherweise für optische Anwendungen in Frage kommen.
Brechungsindex und Abbe-Zahl für Desmopan®-Typen

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