Medición de transparencia

1 Introducción

Según la aplicación del producto, los materiales transparentes deben cumplir diferentes requisitos (Fig. 1). Las propiedades ópticas de las láminas y paneles para invernaderos deben ser altamente transparentes y homogéneas en la distribución de la luz, mientras que las láminas de embalaje deben mostrar el producto envasado lo más claro posible.
Las variaciones del proceso pueden tener una gran influencia en la calidad. La apariencia del producto final depende del material seleccionado y las condiciones de procesamiento. Varios parámetros pueden tener un impacto en las propiedades ópticas.
Temperatura de masa – aditivos – homogeneidad de masa – control de temperatura – compatibilidad – estructura molecular - velocidad de enfriamiento - superficie del rodillo – reología - distribución de masa molecular
Se necesitan métodos de medición objetivos en la investigación y el control de calidad para eliminar las incertidumbres basadas en evaluaciones visuales.

Imagen 1 Los materiales transparentes tienen que lograr completamente diferentes requisitos ópticos

2 Percepción visual

La transparencia es la interacción entre la luz y las propiedades físicas del material. La percepción visual de la transparencia está influenciada por el juicio del observador. Se realiza mediante la observación de un objeto de ensayo a través de la muestra transparente (Fig. 2). Por lo tanto, especialmente la distancia entre los objetos tiene un alto impacto en la percepción visual.

2.1 Objeto de ensayo

Para las evaluaciones visuales, un objeto de ensayo estandarizado para ser visto a través de la película / material transparente debe tener un patrón de alto contraste y se debe utilizar una iluminación definida. Los objetos autoiluminados tampoco son buenos objetos de ensayo, ya que el ojo humano se cansa rápidamente debido a la alta intensidad de la luz.

2.2 Observador

Las evaluaciones visuales están influenciadas por la capacidad visual, la condición diaria y la experiencia del observador.

Imagen 2 Inspección visual de la transparencia

3 Transmisión y dispersión en plásticos

En función de las características del material, se producen diferentes efectos al iluminar una muestra transparente con luz dirigida:

3.1 Material homogéneo con superficie lisa

En el caso del material "cristalino", la luz se reflejará parcialmente en los límites entre los diferentes materiales y la mayoría de la luz pasará a través de la muestra, sin ninguna dispersión (Fig. 3). La muestra parece de alto brillo y "cristalina". La relación entre la luz transmitida y la luz reflejada depende del índice de refracción del material y del ángulo de incidencia. La intensidad de la luz transmitida se ve disminuida por las propiedades de absorción del material, como tintes o pigmentos.

3.2 Rugosidad superficial y dispersión interna

La dispersión difusa lleva a una distinción reducida de la imagen. Pequeñas partículas dentro del material como burbujas de aire, pigmentos poco dispersos, motas de polvo o estructuras de cristalización o superficie causan dispersión (Fig. 4).
La cantidad de luz dispersa aumentará con el número de dispersores en el material o en la superficie, por lo que la distribución espacial está relacionada con el tamaño de partícula. Los dispersores de menor tamaño darán como resultado una distribución más homogénea de la luz dispersa, mientras que con el aumento del tamaño más y más luz se dispersará hacia adelante dentro de un cono estrecho. (Fig. 5).

3.3 Apariencia de los materiales de dispersión

La apariencia de la muestra está directamente relacionada con su comportamiento de dispersión. Dependiendo de la distribución angular de la luz dispersa, los objetos vistos a través de un plástico transparente aparecerán de manera diferente. Si la luz se difunde en todas las direcciones con una intensidad baja, se conoce como dispersión de gran angular. Si la luz se difunde en un rango de ángulo pequeño con alta concentración, se denomina dispersión de ángulo estrecho. (Figura 6)

3.4 Dispersión gran angular (Haze)

La dispersión de gran angular conduce a una pérdida de contraste y una apariencia lechosa y nebulosa. Este efecto también se llama haze. Una letra negra, con bordes afilados sobre un fondo blanco observado a través de una muestra brumosa conduce a una impresión lechosa. Eso significa que el contraste entre el fondo blanco y la letra negra se reduce. (Figura 7)

3.5 Dispersión de ángulo estrecho (Claridad)

La dispersión de ángulo estrecho, la deflexión de la luz en un rango de ángulo pequeño conduce a una alta concentración de intensidad de luz. Una letra negra, con bordes afilados sobre un fondo blanco observado a través de un espécimen con dispersión de ángulo estrecho conduce a una apariencia borrosa de la letra. Los contornos afilados de la letra están distorsionados, son más duros reconocibles y menos nítidos. Este efecto se llama claridad y describe qué tan bien se pueden ver los detalles finos a través del espécimen. Un comportamiento notable y una diferencia con el haze es que la claridad está muy influenciada por la distancia entre el objeto y el material transparente: (Fig. 8)
Este efecto aumenta con la distancia entre la muestra y el objeto observado.

Imagen 3 Transmisión y reflexión

Imagen 4 Dispersión difusa en interrupciones internas o estructuras superficiales

Imagen 5 Distribución espacial de la luz dispersa en relación con el tamaño de partícula

Imagen 6 Dispersión de ángulo amplio y estrecho

Imagen 7 La dispersión de gran angular (Haze) conduce a menos contraste

Imagen 8 La dispersión de ángulo estrecho está reduciendo la distinción de la imagen (Claridad)

4 Descripción general de los parámetros de transparencia

La apariencia de los productos transparentes se puede separar en brillo, color y transparencia. La transparencia se puede describir por tres efectos, transmisión total, haze y claridad.
La transmisión total es la relación entre la luz transmitida y la luz incidente que se reduce por reflexión y absorción.
La transmisión directa corresponde a la parte de la luz transmitida que pasa por la muestra sin dispersión. La parte restante es la transmitancia difusa, que consiste en la luz que pasa la muestra con dispersión.

La transmitancia difusa es según ASTM D 1003 el porcentaje de la luz que se desvía en más de 2,5° del haz de luz incidente. La claridad, por otro lado, se define para ángulos inferiores a 2,5°.[1]

5 Medición de transmitancia total

La Figura 9 describe el principio de medición para la transmitancia total. Una fuente de luz con un haz de luz casi paralelo apunta perpendicularmente a una muestra colocada al ras contra el puerto de entrada de una esfera integradora. La luz golpea la muestra, se refleja parcialmente, se absorbe y la parte restante se transmite en la esfera integradora (ITT). El interior de la esfera está recubierto uniformemente con un material blanco mate para permitir la difusión. Para la medición de la transmitancia total, la cubierta blanca de la trampa de luz está cerrada. Un detector en la esfera mide la transmitancia total.
La combinación de iluminación y detector tiene que cumplir con los requisitos del Observador Colorimétrico Estándar CIE de 1931 con el iluminante patrón CIE para la luz del día (CIE-C o -D65). Para aplicaciones especiales como lunas para automoción se puede requerir Iluminante CIE-A. [1,2, 3, 4]
La transmitancia total se calcula en relación con la intensidad de la luz incidente.

T = 100 %  • I_TT / I_L 

5.1 Medición de transmitancia - Impacto de la reflectancia (método ISO)

La transmitancia total está relacionada con la intensidad de la luz incidente. La intensidad de la luz incidente se determina durante la calibración del 100%. Durante este paso de calibración no se coloca ninguna muestra delante de la esfera integradora y se realiza una medición (Fig. 10). La luz se dispersa en la esfera y una pequeña porción escapa a través del puerto de entrada. Por lo que, durante la medición de la muestra, la luz que se habría escapado durante la calibración del 100% se refleja parcialmente en la esfera y aumenta la intensidad en el detector. En otras palabras, la eficiencia de la esfera aumenta en comparación con la calibración, ya que la muestra está frente al puerto de entrada. Este efecto puede conducir a lecturas de transmitancia total aproximadamente un 2% más altas para muestras claras y de alto brillo. [1]
Por lo tanto, se describe un principio de medición modificado en la norma ISO 13468. Este estándar tiene dos partes, cada una de ellas describe un método para evitar lecturas demasiado altas de transmitancia total debido a una mayor eficiencia de la esfera. [3, 4]
En la parte 1 se describe el llamado principio de haz único (Fig. 11). La esfera tiene una abertura adicional (puerto de compensación) en perpendicular al puerto de entrada. Durante la calibración del 100%, la muestra se coloca en el puerto de compensación. La luz se escapa a través del puerto de entrada y se refleja en parte en la muestra en el puerto de compensación. Durante la medición de la muestra, la misma cantidad de luz se escapa a través del puerto de compensación y se refleja parcialmente en la muestra, ahora colocada en el puerto de entrada. Se garantiza la misma eficiencia de esfera para la calibración y la medición de muestras. Este principio fue utilizado anteriormente por el dual BYK-Gardner haze-gard. Para cada valor de transmitancia determinado había que realizar dos mediciones. [3]
En la parte 2 de la ISO 13468 se describe un método más eficiente donde el usuario tiene que realizar una sola medición. Este método se denomina método de doble haz y es utilizado por el BYK-Gardner haze-gard i (Fig. 12). Una segunda iluminación se coloca dentro de la esfera. Durante la calibración del 100% se realiza una medición adicional para detectar la eficiencia real de la esfera. Al determinar la transmitancia de la muestra, también se realiza automáticamente una medición con el segundo haz para detectar el cambio de la eficiencia de la esfera. Con esta información se puede corregir la lectura de transmitancia. [4]

Imagen 9

Imagen 10

Imagen 11

Imagen 12

6 Medición de haze de transmisión

Para medir el haze, se abre el obturador blanco mate frente al puerto de salida. La luz transmitida directamente es eliminada por la trampa de luz. Solo se detecta la luz que al pasar se desvía del haz incidente superior a 2,5° en promedio. (Figura 1 3) [1, 2]

Haze = 100 %  • I_Diff / I_TT 

Se recomienda el uso de este método para:

• Valores de haze < del 30% según standard ASTM D 1003 [1]
• Los valores de haze < 40% según standard ISO 14782 [2]

Imagen 13 T: Lichtfalle

7 Medición de claridad

Para evaluar la dispersión de ángulo estrecho, la muestra se coloca frente a la unidad de iluminación. Un sensor de anillo y centro se encuentra en el lado de la esfera dentro del área de la trampa de luz y se utiliza para medir el comportamiento de dispersión de ángulo estrecho, también conocido como Claridad. (Fig. 14).

C = 100 % (I_C-I_R)/(I_C+I_R) 

Una muestra perfectamente clara no tiene dispersión de ángulo estrecho, es decir, la intensidad de la luz en el sensor de anillo IR = 0 y el valor de claridad C = 100. Por lo que una dispersión de ángulo estrecho alto conduce a un menor contraste entre los dos sensores, lo que resulta en un valor de claridad disminuido.
La relación entre la cantidad de luz no dispersada (IC-IR) y la luz transmitida (IC+IR) se expresa en porcentaje:

• 100 % es bueno (sin dispersión de ángulo estrecho

• 0% es malo (la cantidad de luz dispersa es igual a la cantidad de luz no dispersada).

Imagen 14 IC: Mittensensor

8 Medición de transparencia en aplicaciones especiales

8.1 Materia prima plástica

La materia prima plástica viene en forma de gránulos o granza. En esta condición, irregular en forma y tamaño, no se puede tomar ninguna decisión sobre si el material cumplirá con todos los requisitos de transparencia. Por lo tanto, los pellets deben procesarse en un procedimiento estandarizado. A menudo se utilizan placas moldeadas, pero también son posibles películas hechas con un extrusor de laboratorio. Por lo tanto, es importante estandarizar el método de preparación de la muestra, como el tamaño, el grosor, etc., que debe documentarse en el protocolo de medición (Fig.15). Los soportes de muestra proporcionados por el haze-gard i son muy recomendables para lograr mediciones repetibles y fiables.

8.2 Análisis del ensayo de abrasión Taber con medición de haze

Los arañazos o daños similares en la superficie tienen un gran impacto en la apariencia y transparencia de los plásticos. Se necesita una alta resistencia contra el estrés mecánico para varias aplicaciones. Un procedimiento ampliamente utilizado para calificar la resistencia a los arañazos es el ensayo de abrasión Taber de acuerdo con ASTM D 1044. La muestra es sometida a las ruedas de abrasión que están creando una pista circular de arañazos (Fig. 16). El haze se mide con el grado de resistencia en relación con la carga y las rotaciones (Fig. 17). Dependiendo de la aplicación objetivo, se utilizan ruedas de abrasión con diferentes granos. [5]

8.3 Haze interior versus haze superficial

Para múltiples capas o aplicaciones especiales, puede ser importante diferenciar entre haze interior y superficial. El haze interior es causado por dispersiones internas, como vacíos o aglomeraciones de pigmento. El haze superficial es causado por estructuras de la superficie, relacionadas con el índice de fusión o la velocidad de enfriamiento. Para poder diferenciar estos dos efectos, se puede utilizar el siguiente procedimiento. Se necesita una cubeta con un líquido que tenga un índice de refracción similar al de la muestra. Ahora se pueden realizar los siguientes pasos:

• Mida la muestra para obtener su valor de haze "total"

• Coloque la cubeta con el líquido frente al puerto de entrada de la esfera y realice una calibración (Fig. 18)

• Inserte la muestra en el líquido y tome una medida para obtener su valor de haze interno

Al tener el valor de haze "total" y haze interno, el haze superficial se puede calcular fácilmente restando estos dos valores.

8.4 Medición fiable de muestras de haze muy bajo

Los productos electrónicos como smartphones son cada vez más sofisticados. El número de sensores ocultos detrás del vidrio de la pantalla está aumentando. Las cámaras frontales ofrecen imágenes cada vez más brillantes. E incluso la pantalla en sí tiene que superar el rendimiento del modelo anterior cada vez. Por lo tanto, los requisitos para el vidrio de visualización han aumentado con especificaciones ambiciosas para la transparencia: Haze < 0.3.
Con el fin de dar soporte a esta aplicación especial con especificaciones muy ajustadas, BYK-Gardner desarrolló el haze-gard i Pro para garantizar datos de medición repetibles y fiables para < de haze 0.3. El modo de medición ha incluido un promedio interno y pasos adicionales durante la producción para mejorar el rendimiento para este tipo de lecturas de haze muy bajas.

Imagen 15

Imagen 16

Imagen 17

Imagen 18

9 Resumen – Instrumentos de soporte para la inspección visual

El ojo humano es el juez final en la evaluación de la apariencia. Para eliminar la subjetividad de la evaluación, se necesitan dispositivos de medición objetivos que se correlacionen con la percepción visual, especialmente durante el desarrollo de nuevos productos y el control de procesos.
El BYK-Gardner haze-gard i tiene una tecnología de medición probada con una excelente correlación visual, cumplimiento de los estándares internacionales y una experiencia de usuario sin precedentes con una operativa fácil y rápida. (Figura. 19)
La medición de la transmitancia total, el haze y la claridad garantiza una calidad continua y homogénea. Además, la influencia de la variación en el proceso y el material se puede investigar con estos valores medidos.

Imagen 19 Medición de la transmitancia