Mesure de Transparence

1 Introduction

Selon l'application du produit, les matériaux transparents doivent répondre à différentes exigences (Fig. 1). Les propriétés optiques des feuilles et des panneaux pour les serres doivent être hautement transparentes et homogènes dans la distribution de la lumière, tandis que les feuilles d'emballage doivent afficher le produit emballé aussi clairement que possible.
Les variations de processus peuvent exercer une influence majeure sur la qualité. L'apparence du produit final dépend du matériau sélectionné et des conditions de traitement. Plusieurs paramètres peuvent avoir un impact sur les propriétés optiques.
Température de la masse - additifs - homogénéité de la masse - contrôle de la température - compatibilité - structure moléculaire - vitesse de refroidissement - surface du rouleau - rhéologie - répartition de la masse moléculaire
Des méthodes de mesure objectives sont nécessaires dans la recherche et le contrôle de la qualité pour éliminer les incertitudes basées sur des évaluations visuelles.

Image 1 Les matériaux transparents doivent répondre à différentes exigences optiques

2 Perception Visuelle

La transparence est l'interaction entre la lumière et les propriétés physiques des matériaux. La perception visuelle de la transparence est influencée par le jugement de l'observateur. Elle est réalisée en observant un objet test à travers un spécimen transparent (Fig. 2). De ce fait, la distance entre les objets à un impact important sur la perception visuelle

2.1 Objet à tester

Pour les évaluations visuelles, on doit utiliser un éclairage défini et l’objet test standardisé à observer à travers le film / matériau transparent doit avoir un motif à contraste élevé. Les objets auto-éclairants ne sont pas non plus de bons objets de test, car l'œil humain se fatigue rapidement en raison de la forte intensité lumineuse.

2.2 Observateur

Les évaluations visuelles sont influencées par la capacité visuelle, la condition quotidienne et l'expérience de l'inspecteur.

Image 2 Contrôle visuel de la transparence

3 Transmission et diffusion sur les plastiques

En fonction des caractéristiques du matériau, différents effets se produisent en éclairant un échantillon transparent avec une lumière dirigée :

3.1 Matériau homogène à surface lisse

Dans le cas d'un matériau « cristallin », la lumière sera partiellement réfléchie sur les limites entre les différents matériaux. La majorité de la lumière traversera l'échantillon, sans aucune diffusion (Fig. 3). Le spécimen apparaît très brillant et "limpide". Le rapport entre la lumière transmise et la lumière réfléchie dépend de l'indice de réfraction du matériau et de l'angle d'incidence. L'intensité de la lumière transmise est diminuée par les propriétés d'absorption du matériau, tels que les colorants ou les pigments.

3.2 Rugosité de surface et diffusion interne

La diffusion conduit à une netteté réduite de l'image. De petites particules à l'intérieur du matériau telles que des inclusions d'air, des pigments mal dispersés, des inclusions de poussière, une cristallisation ou des structures de surface provoquent une diffusion (Fig 4).
La distribution spatiale étant liée à la taille des particules, la quantité de lumière diffusée augmentera avec le nombre de diffuseurs dans le matériau ou à la surface. Des diffuseurs de plus petite taille entraîneront une distribution plus homogène de la lumière diffusée, tandis qu'avec une taille de plus en plus croissante, la lumière sera diffusée vers l'avant dans un angle étroit. (Fig. 5).

3.3 Aspect des matériaux diffusants

L'apparence de l'échantillon est directement liée à son comportement de diffusion. Selon la distribution angulaire de la lumière diffusée, les objets vus à travers un plastique transparent apparaîtront différemment. Si la lumière est diffusée dans toutes les directions avec une faible intensité, on parle de diffusion à grand angle. Si la lumière est diffusée dans une petite plage d'angles avec une concentration élevée, on parle de diffusion à angle étroit. (Fig. 6)

3.4 Diffusion grand angle (Haze/Voile)

La diffusion à grand angle entraîne une perte de contraste ainsi qu’un aspect laiteux et trouble. Cet effet est aussi appelé haze. Une lettre noire, aux arêtes vives sur fond blanc observée à travers un spécimen flou donne une impression laiteuse. Cela signifie que le contraste entre le fond blanc et la lettre noire est réduit. (Fig. 7)

3.5 Diffusion angle étroit (Clarity/Clarté)

La diffusion angle étroit est la déviation de la lumière dans une petite plage d'angle qui conduit à une forte concentration d'intensité lumineuse. Une lettre noire, avec des arêtes vives sur un fond blanc observée à travers un spécimen avec une diffusion à angle étroit conduit à un aspect flou de la lettre. Les contours nets de la lettre sont déformés, moins reconnaissables et nets. Cet effet est appelé clarté et décrit jusqu’à quel point les détails fins peuvent être vus à travers le spécimen. Un comportement remarquable et une différence avec le haze est que la clarté est fortement influencée par la distance entre l'objet et le matériau transparent : (Fig. 8)
Cet effet augmente avec la distance entre l'échantillon et l'objet observé.
 

Image 3 Transmission et réflexion

Image 4 Diffusion diffuse sur les perturbations internes ou les structures de surface

Image 5 Répartition spatiale de la lumière diffusée en fonction de la taille des particules

Image 6 Diffusion à angle large et étroit

Image 7 La diffusion grand angle (Haze) réduit le contraste

Image 8 La diffusion a petit angle réduit la netteté de limage (Clarté)

4 Présentation des paramètres de transparence

L'apparence des produits transparents peut être décomposée en brillance, couleur et transparence. La transparence peut être décrite par trois effets, la transmission totale, le voile et la clarté.
La transmission totale est le rapport entre la lumière transmise et la lumière incidente qui est réduite par réflexion et absorption.
La transmission directe correspond à la partie de la lumière transmise traversant l'échantillon sans se diffuser. La partie restante est la transmittance diffuse, représentée par la lumière traversant l'échantillon avec diffusion.

Selon la norme ASTM D 1003, la transmission diffuse est le pourcentage de lumière déviant de plus de 2,5° du faisceau lumineux incident. La clarté, quant à elle, est définie pour des angles inférieurs à 2,5°. [1]

5 Mesure de la transmission totale

La figure 9 décrit le principe de mesure de la transmission totale. Une source lumineuse avec un faisceau lumineux presque parallèle pointe perpendiculairement sur un spécimen placé au ras de l'orifice d'entrée d'une sphère d'intégration. La lumière frappe l'échantillon, est partiellement réfléchie et absorbée alors que la partie restante est transmise dans la sphère d'intégration (ITT). L'intérieur de la sphère est recouvert uniformément d'un matériau blanc mat pour permettre la diffusion. Pour la mesure de la transmission totale, le couvercle blanc du piège à lumière est fermé. Un détecteur dans la sphère mesure la transmission totale.
La combinaison de l'éclairage et du détecteur doit répondre aux exigences de l'observateur colorimétrique standard CIE de 1931, avec l'illuminant standard CIE pour la lumière du jour (CIE-C ou -D65). Pour des applications spéciales telles que les verres automobiles, l'illuminant CIE-A peut-être requis. [1,2, 3, 4]
La transmission totale est calculée en fonction de l'intensité de la lumière incidente.

T = 100 %  • I_TT / I_L 

5.1 Mesure de la transmission - Impact de la réflectance (méthode ISO)

La transmission totale est liée à l'intensité de la lumière incidente. L'intensité de la lumière incidente est déterminée à 100 % lors de l'étalonnage. Au cours de cette étape d'étalonnage, aucun échantillon n'est placé devant la sphère d'intégration et une mesure est effectuée (Fig. 10). La lumière est dispersée dans la sphère et une petite partie s'échappe par le port d'entrée. Ainsi, lors de la mesure de l'échantillon, la lumière qui se serait échappée lors de l'étalonnage à 100% est partiellement réfléchie dans la sphère et augmente l'intensité sur le détecteur. En d'autres termes, l'efficacité de la sphère est augmentée par rapport à l'étalonnage car l'échantillon est devant le port d'entrée. Cet effet peut conduire à des lectures de transmission totale d'environ 2 % plus élevées pour les échantillons clairs et très brillants. [1]
Par conséquent, un principe de mesure modifié est décrit dans la norme ISO 13468. Cette norme comporte deux parties, chacune décrivant une méthode permettant d'éviter des lectures trop élevées de la transmission totale en raison d'une efficacité accrue de la sphère. [3, 4]
Dans la partie 1, on décrit le principe dit du faisceau unique (Fig. 11). La sphère a une ouverture supplémentaire (orifice de compensation), perpendiculairement à l'orifice d'entrée. Pendant l'étalonnage à 100 %, l'échantillon est placé sur le port de compensation. La lumière s'échappe par l'orifice d'entrée et se réfléchit en partie sur l'échantillon au niveau de l'orifice de compensation. Pendant la mesure de l'échantillon, la même quantité de lumière s'échappe par le port de compensation et se réfléchit en partie sur l'échantillon, maintenant placé sur le port d'entrée. La même efficacité de sphère est assurée pour l'étalonnage et la mesure d'échantillon. Ce principe était utilisé auparavant par le haze-gard dual BYK-Gardner. Pour chaque valeur de transmission déterminée, deux mesures devaient être effectuées. [3]
Dans la partie 2 de l'ISO 13468, une méthode plus efficace est décrite où l'utilisateur n'a qu’à effectuer une seule mesure. Cette méthode est appelée méthode à double faisceau, elle est utilisée par le haze-gard i BYK-Gardner (Fig. 12). Une deuxième illumination est placée à l'intérieur de la sphère. Lors de l'étalonnage à 100 %, une mesure supplémentaire est effectuée pour détecter l'efficacité réelle de la sphère. Lors de la détermination de la transmittance de l'échantillon, une mesure avec le deuxième faisceau est également effectuée automatiquement pour détecter le changement de l'efficacité de la sphère. Avec cette information, la lecture de la transmission peut être corrigée. [4]

Image 9

Image 10

Image 11

Image 12

6 Mesure du voile de transmission

Pour mesurer le haze, on ouvre l'obturateur blanc mat devant le port de sortie. La lumière transmise directe est éliminée par le piège à lumière. On ne détecte que la lumière qui en passant s'écarte du faisceau incident de plus de 2,5° en moyenne. (Fig. 13) [1, 2]

Haze = 100 %  • I_Diff / I_TT 

L'utilisation de cette méthode est recommandée pour :

• Valeurs de Haze < 30% selon la norme ASTM D 1003 [1]
• Valeurs de Haze < 40% selon la norme ISO 14782 [2]

Image 13

7 Mesure du Clarity

Afin d'évaluer la diffusion à angle étroit, l'échantillon est placé devant l'unité d'éclairage. Un capteur annulaire est situé du côté de la sphère dans la zone du piège à lumière. Il est utilisé pour mesurer le comportement de diffusion à angle étroit, également appelé clarté. (Fig. 14).

C = 100 % (I_C-I_R)/(I_C+I_R) 

Un échantillon parfaitement clair n'a pas de diffusion à angle étroit, c'est-à-dire l'intensité lumineuse sur le capteur annulaire IR = 0 et la valeur de clarté C = 100. Par conséquent, une diffusion à angle étroit élevée conduit à moins de contraste entre les deux capteurs, ce qui entraîne une diminution de la valeur de clarté.
Le rapport entre la quantité de lumière non diffusée (IC-IR) et la lumière transmise (IC+IR) est exprimé en pourcentage :

• 100 % est bon (pas de diffusion à angle étroit)

• 0 % est mauvais (la quantité de lumière diffusée est égale à la quantité de lumière non diffusée).

Image 14

8 Mesure de la transparence des applications spéciales

8.1 Matière première plastique

La matière première plastique se présente sous forme de granulés ou de pastilles. Dans cet état, de forme et de taille irrégulières, aucune décision ne peut être prise quant à savoir si le matériau répondra à toutes les exigences de transparence. Par conséquent, les granulés doivent être traités selon une procédure standardisée. Des plaques moulées sont souvent utilisées, mais des films fabriqués avec une extrudeuse de laboratoire sont également possibles. Par conséquent, il est important de normaliser la méthode de préparation de l'échantillon, telle que la taille, l'épaisseur, etc., qui doit être documentée dans le protocole de mesure (Fig.15). Les porte-échantillons fournis par le haze-gard i sont fortement recommandés pour obtenir des mesures reproductibles et fiables.

8.2 Analyse du test d'abrasion Taber avec mesure du haze

Les rayures à la surface ont un impact important sur l'apparence et la transparence des plastiques. Une résistance élevée aux contraintes mécaniques est nécessaire pour plusieurs applications. Le test d'abrasion Taber selon la norme ASTM D 1044 est une procédure largement utilisée pour qualifier la résistance aux rayures. L'échantillon est sollicitée par des meules abrasives qui créent une trace circulaire de rayures (Fig. 16). Le haze est mesuré en degré de résistance par rapport à la charge et aux rotations (Fig. 17). Selon l'application cible, des meules abrasives avec différents grains sont utilisées. [5]

8.3 Haze interne versus haze de surface

Pour plusieurs couches ou applications spéciales, il peut être important de faire la différence entre le haze intérieur et le haze de surface. Le haze interne est causé par des diffusions internes, telles que des vides ou des agglomérations de pigments. Le haze de surface est causé par les structures de la surface, liées à l'indice de fluidité ou à la vitesse de refroidissement. Pour pouvoir différencier ces deux effets, la procédure suivante peut être utilisée. Une cuvette avec un liquide ayant un indice de réfraction similaire à celui de l'échantillon est nécessaire. Maintenant, les étapes suivantes peuvent être effectuées :

• Mesurez l'échantillon pour obtenir sa valeur de haze "total"

• Placez la cuvette avec le liquide devant le port d'entrée de la sphère et effectuez un étalonnage (Fig. 18)

• Insérez l'échantillon dans le liquide et prenez une mesure pour obtenir sa valeur de haze interne

En ayant la valeur de haze "total" et de haze intérieur, le haze de surface peut être facilement calculé en soustrayant ces deux valeurs.

8.4 Mesure fiable d'échantillons à très faible trouble

Les produits électroniques tels que les smartphones deviennent de plus en plus sophistiqués. Le nombre de capteurs cachés derrière la vitre de l'écran augmente. Les caméras frontales offrent des images plus brillantes de génération en génération. Et même l'écran lui-même doit surpasser à chaque fois les performances de l'ancien modèle. Par conséquent, les exigences en matière de verre d'affichage ont augmenté avec des spécifications ambitieuses en matière de transparence : Haze < 0,3.
Afin de prendre en charge cette application spéciale avec des spécifications très strictes, BYK-Gardner a développé le haze-gard i Proto pour garantir des données de mesure reproductibles et fiables pour le trouble < 0,3. Ce mode de mesure a inclus une moyenne interne et des étapes supplémentaires pendant la production pour améliorer les performances pour ce type de lectures à très faible trouble.

Image 15

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9 Résumé – Instruments d'aide à l'inspection visuelle

L'œil humain est le juge final dans l'évaluation de l'apparence. Afin d'éliminer la subjectivité de l'évaluation, des dispositifs de mesure objectifs en corrélation avec la perception visuelle sont nécessaires - en particulier lors du développement de nouveaux produits et du contrôle des processus.
Le haze-gard i BYK-Gardner dispose d'une technologie de mesure éprouvée avec une excellente corrélation visuelle, une conformité aux normes internationales et une expérience utilisateur sans précédent grâce à son fonctionnement simple et rapide. (Fig.19)
La mesure de la transmission totale, du haze et de la clarté assure une qualité continue et homogène. De plus, l'influence de la variation du processus et du matériau peut être étudiée avec ces valeurs mesurées.

Image 19 Mesure de transmission