Misurazione della Trasparenza

1 Introduzione

A seconda dell'applicazione del prodotto, i materiali trasparenti devono soddisfare requisiti diversi (Fig. 1). Le proprietà ottiche di pellicole e pannelli per serre dovrebbero essere altamente trasparenti e omogenee nella distribuzione della luce, mentre i film per imballaggio dovrebbero mostrare il prodotto confezionato il più chiaro possibile. 
Le variazioni di processo possono avere una grande influenza sulla qualità. L'aspetto del prodotto finale dipende dal materiale selezionato e dalle condizioni di lavorazione. Diversi parametri possono avere un impatto sulle proprietà ottiche. 
Temperatura della massa – additivi - omogeneità della massa - controllo della temperatura – compatibilità - struttura molecolare - velocità di raffreddamento - superficie del rullo – reologia - distribuzione della massa molecolare 
Sono necessari metodi di misurazione oggettivi nella ricerca e nel controllo di qualità per eliminare le incertezze basate su valutazioni visive. 
 

Immagine 1 I materiali trasparenti devono soddisfare diversi requisiti ottici

2 Percezione visiva

La trasparenza è l'interazione tra la luce e le proprietà fisiche del materiale. La percezione visiva della trasparenza è influenzata dal giudizio dell'osservatore. Si esegue osservando un oggetto di prova attraverso il prodotto trasparente (Fig. 2). Pertanto, in particolare la distanza tra gli oggetti ha un forte impatto sulla percezione visiva.
 

2.1 Oggetto della prova  

Per le valutazioni visive, un oggetto di prova standardizzato da visualizzare attraverso la pellicola/materiale trasparente deve avere un design con contrasto elevato e deve essere utilizzata un'illuminazione definita. Anche gli oggetti auto-illuminanti non sono buoni oggetti di prova, poiché l'occhio umano si stanca rapidamente a causa dell'elevata intensità della luce. 
 

2.2 Osservatore

Le valutazioni visive sono influenzate dall'abilità visiva, dalle condizioni quotidiane e dall'esperienza dell'osservatore.

Immagine 2 Osservazione visiva della trasparenza

3 Trasmissione e diffusione delle plastiche

In base alle caratteristiche del materiale si verificano effetti diversi illuminando un campione trasparente con luce diretta:
 

3.1 Materiali omogenei con superficie liscia

In caso di materiale “cristallino” la luce sarà parzialmente riflessa sulle facce e le interfacce tra i diversi materiali e la maggior parte della luce passerà attraverso il campione, senza alcuna diffusione (Fig. 3). Il campione appare molto brillante e “cristallino”. Il rapporto tra luce trasmessa e luce riflessa dipende dall'indice di rifrazione del materiale e dall'angolo di incidenza. L'intensità della luce trasmessa viene ridotta dalle proprietà di assorbimento del materiale come coloranti o pigmenti.
 

3.2 Rugosità superficiale e scattering interno

La diffusione della luce porta a una ridotta nitidezza dell'immagine. Piccole particelle all'interno del materiale come bolle d'aria, pigmenti scarsamente dispersi, inclusioni di polvere o cristallizzazione o strutture superficiali causano la diffusione (Fig. 4).
La quantità di luce diffusa aumenterà con il numero di diffusori nel materiale o in superficie, per cui la distribuzione spaziale è correlata alla dimensione delle particelle. I centri di diffusione di dimensioni più piccole causeranno una distribuzione più omogenea della luce diffusa, mentre con l'aumento delle dimensioni la luce sarà sempre più diffusa in avanti all'interno di un cono stretto. (Fig. 5). 
 

3.3 Aspetto dei materiali con diffusione

L'aspetto del campione è direttamente correlato al suo comportamento di diffusione. A seconda della distribuzione angolare della luce diffusa, gli oggetti visti attraverso una plastica trasparente appariranno in modo diverso. Se la luce viene diffusa in tutte le direzioni con una bassa intensità si parla di diffusione ad angolo largo. Se la luce è diffusa in un piccolo range di angoli con alta concentrazione si parla di diffusione ad angolo stretto. (Fig. 6) 
 

3.4 Diffusione ad angolo largo (Haze)

La diffusione ad angolo largo porta a una perdita di contrasto e a un aspetto lattiginoso e nebuloso. Questo effetto è anche chiamato Haze. Una lettera nera, con spigoli vivi su sfondo bianco, osservata attraverso un campione con haze porta a un'impressione lattiginosa. Ciò significa che il contrasto tra lo sfondo bianco e la lettera nera è ridotto. (Fig. 7)
 

3.5 Diffusione ad angolo stretto (Clarity)

Con la diffusione ad angolo stretto, la deviazione della luce in un piccolo range di angolo porta ad un'elevata concentrazione di intensità luminosa. Una lettera nera, con spigoli vivi su sfondo bianco, osservata attraverso un campione con diffusione ad angolo stretto porta a un aspetto sfocato della lettera. I contorni netti della lettera sono distorti, difficilmente riconoscibili e meno netti. Questo effetto è chiamato Clarity e descrive quanto bene i dettagli possono essere visti attraverso il campione. Un comportamento importante e una differenza rispetto all’haze è che la clarity è fortemente influenzata dalla distanza tra l'oggetto e il materiale trasparente: (Fig. 8) 
Questo effetto aumenta con la distanza tra il campione e l'oggetto osservato.

Immagine 3 Trasmissione e riflessione

Immagine 4 Diffusione su centri di scattering interni o strutture superficiali

Immagine 5 Distribuzione spaziale della luce diffusa in relazione alla dimensione delle particelle

Immagine 6 Diffusione ad angolo largo e stretto

Immagine 7 La diffusione ad angolo largo (Haze) porta ad una perdita di contrasto

Immagine 8 La diffusione ad angolo stretto riduce la nitidezza dell’immagine (Clarity)

4 Panoramica dei parametri di trasparenza

L'aspetto dei prodotti trasparenti può essere caratterizzato con brillantezza, colore e trasparenza. La trasparenza può essere descritta da tre effetti, trasmissione totale, haze e clarity.
La trasmissione totale è il rapporto tra la luce trasmessa e la luce incidente che viene ridotta dalla riflessione e dall’assorbimento.La trasmissione diretta corrisponde alla parte della luce trasmessa che attraversa il campione senza diffusione. La parte rimanente è la trasmissione diffusa, costituita dalla luce che attraversa il campione con diffusione. 

La trasmissione diffusa è secondo ASTM D 1003 la percentuale di luce che devia di oltre 2,5° dal raggio di luce incidente. La clarity invece è definita per angoli inferiori a 2,5°. [1]

5 Misurazione della trasmissione totale

La Figura 9 descrive il principio di misurazione per la trasmissione totale. Una sorgente luminosa con un raggio quasi parallelo punta perpendicolarmente a un campione posizionato a filo contro la porta di ingresso di una sfera integratrice. La luce colpisce il campione, viene parzialmente riflessa, assorbita e la parte rimanente viene trasmessa nella sfera integratrice (ITT). L'interno della sfera è rivestito uniformemente con un materiale bianco opaco per consentire la diffusione. Per la misura della trasmissione totale, il coperchio bianco sulla trappola di luce è chiuso. Un sensore nella sfera misura la trasmissione totale. 
La combinazione di illuminazione e sensore deve soddisfare i requisiti dello Standard Colorimetric Observer CIE del 1931 con illuminante standard CIE per luce diurna (CIE-C o -D65). Per applicazioni speciali come i parabrezza per autoveicoli può essere richiesto l'illuminante CIE-A. [1,2, 3, 4]
La trasmissione totale è calcolata in relazione all’intensità della luce incidente. 
T = 100 %  • I_TT / I_L 

L’impiego di questo metodo è raccomandato per:

• Valori di haze < 30% secondo lo standard ASTM D 1003 [1]
• Valori di haze < 40% secondo lo standard ISO 14782 [2]

5.1 Misura della trasmissione – Impatto della riflessione (metodo ISO)

La trasmissione totale è correlata all'intensità della luce incidente. L'intensità della luce incidente viene determinata durante la calibrazione al 100%. Durante questa fase di calibrazione nessun campione viene posizionato davanti alla sfera integratrice e viene eseguita una misurazione (Fig. 10). La luce si diffonde nella sfera e una piccola porzione fuoriesce attraverso la porta d'ingresso. Per cui durante la misurazione del campione, la luce che sarebbe sfuggita durante la calibrazione al 100% viene parzialmente riflessa nella sfera e aumenta l'intensità sul sensore. In altre parole, l'efficienza della sfera è aumentata rispetto alla calibrazione poiché il campione si trova davanti alla porta di ingresso. Questo effetto può portare a letture di trasmissione totale superiori di circa il 2% per campioni trasparenti e lucidi. [1] 
Pertanto, nella norma ISO 13468 è descritto un principio di misurazione modificato. Questa norma è composta da due parti, ciascuna delle quali descrive un metodo per prevenire letture troppo elevate della trasmissione totale dovute a una maggiore efficienza della sfera. [3, 4]
Nella parte 1 viene descritto il cosiddetto principio del raggio singolo (Fig. 11). La sfera ha un'ulteriore apertura (porta di compensazione) perpendicolare alla porta di ingresso. Durante la calibrazione al 100% il campione viene posizionato sulla porta di compensazione. La luce fuoriesce attraverso la porta di ingresso e si riflette in parte sul campione nella porta di compensazione. Durante la misurazione del campione, la stessa quantità di luce fuoriesce attraverso la porta di compensazione e si riflette in parte sul campione, ora posizionato sulla porta di ingresso. La stessa efficienza della sfera è assicurata per la calibrazione e la misurazione del campione. Questo principio è stato utilizzato in precedenza dall’haze-gard dual della BYK-Gardner. Per ogni valore di trasmissione da misurare dovevano essere effettuate due misurazioni. [3]Nella parte 2 della ISO 13468 viene descritto un metodo più efficiente in cui l'utente deve eseguire una sola misurazione. Questo metodo è chiamato metodo a doppio raggio ed è utilizzato dall’haze-gard i di BYK-Gardner (Fig. 12). Una seconda illuminazione è posta all'interno della sfera. Durante la calibrazione al 100% viene effettuata un'ulteriore misurazione per rilevare l'effettiva efficienza della sfera. Durante la determinazione della trasmissione del campione, viene eseguita automaticamente anche una misurazione con il secondo raggio per rilevare la variazione dell'efficienza della sfera. Con queste informazioni è possibile correggere la lettura della trasmissione. [4]
 

Immagine 9

Immagine 10

Immagine 11

Immagine 12

6 Misurazione dell’haze in trasmissione

Per misurare l’haze, si apre l'otturatore bianco opaco davanti alla porta di uscita. La luce diretta trasmessa viene eliminata dalla trappola di luce. Viene rilevata solo la luce che passando devia dal raggio incidente con un angolo maggiore di 2,5° in media. (Fig. 13) [1, 2]
Haze = 100 %  • I_Diff / I_TT 

L’impiego di questo metodo è raccomandato per:

• Valori di haze < 30% secondo lo standard ASTM D 1003 [1]
• Valori di haze < 40% secondo lo standard ISO 14782 [2]

Immagine 13

7 Misurazione della clarity

Per valutare la diffusione ad angolo stretto, il campione viene posizionato davanti all'unità di illuminazione. Un sensore a corona circolare (anello e centro) si trova sul lato della sfera all'interno dell'area della trappola di luce e viene utilizzato per misurare il comportamento di diffusione ad angolo stretto (clarity). (Fig. 14).

C = 100 % (I_C-I_R)/(I_C+I_R) 

Un campione perfettamente nitido non ha diffusione ad angolo stretto, ovvero l'intensità della luce sul sensore ad anello IR = 0 e il valore di clarity C = 100. Per cui una diffusione ad angolo stretto elevato porta a un minor contrasto tra i due sensori con conseguente diminuzione del valore di clarity.
Il rapporto tra quantità di luce non diffusa (IC-IR) e la luce trasmessa (IC+IR) è espresso in percentuale:
 

• 100 % è buono (nessuna diffusione ad angolo stretto)
• 0% non è buono (la quantità di luce diffusa uguaglia la quantità di luce non diffusa). 

Immagine 14

8 Misurazione della trasparenza su applicazioni speciali

8.1 Materie prime plastiche

Le materie prime plastiche si presentano sotto forma di granuli o pellet. In questa condizione, di forma e dimensioni irregolari, non è possibile decidere se il materiale soddisferà tutti i requisiti di trasparenza. Pertanto, i pellet devono essere trattati secondo una procedura standardizzata. Spesso vengono utilizzate placche stampate, ma sono possibili anche film realizzati con un estrusore da laboratorio. Pertanto, è importante standardizzare il metodo di preparazione del campione come dimensione, spessore, ecc. che deve essere documentato nel protocollo di misurazione (Fig.15). I portacampioni forniti da haze-gard i sono altamente raccomandati per ottenere misurazioni ripetibili e affidabili.
 

8.2 Analisi della prova di abrasione Taber con misura di haze

Graffi o danni simili sulla superficie hanno un grande impatto sull'aspetto e sulla trasparenza delle plastiche. Per diverse applicazioni è necessaria un'elevata resistenza alle sollecitazioni meccaniche. Una procedura ampiamente utilizzata per qualificare la resistenza ai graffi è la prova di abrasione Taber secondo ASTM D 1044. Il provino viene sollecitato da ruote abrasive che creano una pista circolare di graffi (Fig. 16). L’haze viene misurato come grado di resistenza in relazione al carico e alle rotazioni (Fig. 17). A seconda dell'applicazione di destinazione vengono utilizzate mole abrasive con grana diversa. [5]

8.3 Haze interno e haze superficiale

Per più strati o applicazioni speciali, può essere importante distinguere tra haze interno e superficiale. L’haze interno è causato da diffusioni interne, come vuoti o agglomerati di pigmenti. L’haze superficiale è causato dalle strutture della superficie, correlate al melt index o alla velocità di raffreddamento. Per poter differenziare questi due effetti, è possibile utilizzare la seguente procedura. È necessaria una cuvetta con un liquido avente un indice di rifrazione simile al campione. Ora è possibile eseguire i seguenti passaggi:

• Misurare il campione per ottenere il valore di haze “totale”
• Posizionare la cuvetta con il liquido di fronte alla porta di ingresso della sfera e effettuare una calibrazione (Fig. 18)
• Inserire il campione nel liquido e misurarlo per ottenere il valore di haze interno

Avendo il valore di haze "totale" e haze interno, l’haze superficiale può essere facilmente calcolato sottraendo questi due valori. 

8.4 Misurazione affidabile di campioni con haze molto basso

Electronic products such as smartphones are becoming more and more sophisticated. The number of sensors hidden behind the display glass is increasing. Front cameras are delivering more brilliant pictures from generation to generation. And even the display itself has to surpasses the performance of the former model every time. Therefore, the requirements for display glass have increased with ambitious specifications for transparency: Haze < 0.3. 
In order to support this special application with very tight specifications BYK-Gardner developed the haze-gard i Proto guarantee repeatable and reliable measurement data for haze < 0.3. The measurement mode has included internal averaging and additional steps during production to improve the performance for such kind of very low haze readings.

Immagine 15

Immagine 16

Immagine 17

Immagine 18

9 Sommario – Strumenti che supportano l’osservazione visiva

L'occhio umano è il giudice finale nella valutazione dell'aspetto. Per eliminare la soggettività dalla valutazione, sono necessari dispositivi di misurazione oggettivi correlati alla percezione visiva, in particolare durante lo sviluppo di nuovi prodotti e il controllo del processo.
L’haze-gard i di BYK-Gardner i ha una tecnologia di misurazione collaudata con un'eccellente correlazione visiva, conformità agli standard internazionali e un'esperienza utente senza precedenti con un funzionamento facile e veloce. (Fig.19)
La misurazione della trasmissione totale, dell’haze e della clarity assicura una qualità continua e omogenea. Inoltre, con questi valori misurati è possibile studiare l'influenza della variazione del processo e del materiale.
 

Immagine 19 Misurazione della trasmissione