SKLO A PLASTY JAKO MATERIÁLY BRÝLOVÝCH ČOČEK, POVRCHOVÉ ÚPRAVY BRÝLOVÝCH ČOČEK

MASARYKOVA UNIVERZITA V BRNĚ Lékařská fakulta SKLO A PLASTY JAKO MATERIÁLY BRÝLOVÝCH ČOČEK, POVRCHOVÉ ÚPRAVY BRÝLOVÝCH ČOČEK DIPLOMOVÁ PRÁCE Vedoucí práce: Mgr. Petr Veselý, DiS. Bc. Jana Randulová Optometrie Brno, květen 2010

Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracovala samostatně na základě poznatků z literatury a že jsem veškerou použitou literaturu řádně ocitovala a uvedla v seznamu. 1

Poděkování Děkuji panu Mgr. Petrovi Veselému, DiS. za vedení mé diplomové práce, za připomínky, nápady a cenné rady, které mi během psaní poskytl. Obzvláště děkuji za čas, který mi věnoval a za velmi dobrou spolupráci. 2

Souhlas Souhlasím s tím, že má diplomová práce může být použita k vnitřním potřebám školy a studijním účelům. 3

Anotace Diplomová práce pojednává o materiálech, ze kterých se vyrábí brýlové čočky (minerální a organické materiály) a zabývá se nejčastějšími povrchovými úpravami těchto čoček. Blíže se věnuje fototropním brýlovým čočkám, které plní funkci jak korekčních, tak i slunečních brýlí. Výzkumná část je pak zaměřena na porovnání fototropních vlastností různých brýlových čoček tohoto typu. Abstract My thesis deals with materials for spectacle lenses (glass and plastic materials), surface treatments of spectacle lenses and transitions spectacle lenses. The research in this work compares various types of transitions lenses. Klíčová slova brýlové čočky, minerální materiál, organický materiál, vysokoindexové brýlové čočky, povrchové úpravy, tvrzení, antireflex, fototropní brýlové čočky, DriveWear. Key words Spectacle lenses, glass materials, plastic materials, surface treatments, hardening, antireflex, transitions spectacle lenses, DriveWear. 4

Obsah TEORETICKÁ ČÁST...7 1. Úvod...7 2. Historie...8 3. Minerální materiál...11 3.1. Sklo...11 3.2. Optické sklo...12 3.2.1. Suroviny...12 3.2.2. Výroba skla...12 3.2.3. Vady skla...14 3.2.4. Vlastnosti skla...14 3. 2. 5. Barvení skla...17 3. 2. 6. Vysokoindexové minerální čočky...17 3. 2. 7. Výhody a nevýhody minerálních čoček...18 4. Organické materiály...19 4. 1. Typy organických materiálů pro výrobu brýlových čoček...21 4. 2. Vlastnosti organických čoček...27 4. 3. Vysokoindexové organické čočky...28 4. 4. Výhody a nevýhody organických brýlových čoček...30 5. Vzájemné porovnání materiálů...31 6. Povrchové úpravy brýlových čoček...33 6. 1. Tvrzení...33 6. 1. 1. Tvrzení (zpevnění) minerálních brýlových čoček...33 6. 1. 2. Tvrzení organických brýlových čoček...35 6. 2. Antireflexní úprava...36 6. 2. 1. Klasické vakuové napařování...38 6. 2. 2. Vakuové napařování s podporou iontového plazmatického zdroje...40 6. 3. Hydrofobní vrstva + antistatická úprava...41 6. 4. Polarizační filtr...42 5

6. 5. Zrcadlová úprava...43 7. Fototropní brýlové čočky...45 7. 1. Historie fototropních brýlových čoček...45 7. 2. Minerální fototropní brýlové čočky...46 7. 2. 1. Výroba minerálních fototropních čoček...46 7. 2. 2. Jak minerální fototropní čočky fungují?...46 7. 2. 3. Barevné odstíny a rozsah absorpce fototropních minerálních čoček...48 7. 3. Organické fototropní brýlové čočky...48 7. 3. 1. Výroba a princip organických fototropních čoček...48 7. 3. 2. Srovnání organických a minerálních fototropních čoček...49 7. 3. 3. Brýlové čočky Transitions...50 7. 4. DriveWear...54 VÝZKUMNÁ ČÁST...58 8. Úvod...58 9. Použitý materiál...58 10. Metodika výzkumu...63 11. Výsledky...64 12. Diskuse...70 13. Závěr...72 Seznam obrázků...73 Seznam tabulek...75 Použitá literatura...76 6

TEORETICKÁ ČÁST 1. Úvod Zrak považujeme za nejcennější lidský smysl. Většinu dění okolního života člověk získává prostřednictvím očí, ale až když začíná mít při vidění potíže, uvědomuje si jeho hodnotu a začíná hledat nejrůznější možnosti, jak tyto nedokonalosti odstranit. V dnešní vyspělé době si každý člověk s nedokonalým viděním může vybrat hned z několika možností, jak svůj zrak vylepšit, avšak nejvíce rozšířený prostředek ke korekci zraku jsou stále brýle. Lidé o brýlové korekci věděli už dávno, ale veškeré brýlové čočky vyráběli ze skla. Díky expanzivnímu rozvoji průmyslu začali výrobci objevovat nové a lepší materiály, které poskytovaly pohodlnější, kvalitnější a komfortnější vidění. Na trhu se tak objevily brýlové čočky z organických materiálů. I tyto materiály však mají svá určitá úskalí. Na všechny hotové brýlové čočky se mohou nanášet povrchové zušlechťující vrstvy, které mohou alespoň částečně nedokonalosti materiálů potlačit. Snahou každého výrobce je vytvořit produkt, který by se co nejvíce podobal náročným požadavkům koncového spotřebitele. Na trhu se tak neustále objevují nové a stále dokonalejší materiály pro výrobu brýlových čoček. Ve své diplomové práci se věnuji široké oblasti brýlových čoček, a to z hlediska jejich výrobních materiálů. Samotnou práci jsem rozčlenila do sedmi kapitol a několika podkapitol. V úvodu práce zmiňuji historický pohled na brýlovou korekci a vývoj optických materiálů. Celou následující kapitolu jsem věnovala minerálním materiálům. Čtvrtá kapitola pojednává o organických materiálech. Následuje krátké srovnání obou materiálů. V další části popisuji nejčastěji prováděné povrchové úpravy a v poslední kapitole se podrobně věnuji fototropním brýlovým čočkám, které jsou také předmětem mého výzkumu. 7

2. Historie Nejranější historické prameny poukazují na to, že lidé se optikou zabývali již 500 let před naším letopočtem v antickém Řecku. V této době bylo sklo již známé, Řekové znali např. účinek skleněné kuličky, pomocí níž uměli zapálit hořlavý materiál soustředěním sluneční energie. Ve 4. roce před naším letopočtem římský spisovatel Seneca popisoval, jak se jeví drobné detaily a písmo, když se na ně díváme přes skleněnou kuličku naplněnou vodou. Zvětšující účinek byl však tehdy připisován vodě a ne konvexní ploše těchto prvních optických členů. V roce 1025 arabský učenec Ibn Al-Haitam, zvaný v Evropě Alhazen, popisuje ve svém díle POKLAD OPTIKY zvětšující účinek plankonvexní čočky, jako oddělené části skleněné koule, přiložené na pozorovaný detail. Teprve však až ve 13. století došlo k rozšíření tohoto objevu, hovoříme o tzv. čtecích kamenech (obr. 1), které měly podobu plankonvexní čočky. Obr. 1: Čtecí kámen Ve druhé polovině 13. století se optikou zabýval i františkánský mnich Roger Bacon z Anglie, který vše shrnul ve svých dílech OPUS MAJOR, OPUS MINOR a OPUS TERTIUM. Z doby kolem roku 1300 existují první dochované písemné záznamy o brýlích, jako korekčních pomůckách nasazených před očima. Tyto záznamy pochází z Itálie, z oblasti Benátek. V podstatě šlo o nýtované spojení dvou držátek s objímkami původních čtecích kamenů. Zápisy z archivu kláštera v Pise hovoří o zručném dominikánském mnichovi Alessandro della Spinovi, který údajně jako první vyráběl brýle. Jiní historikové uvádějí jako vynálezce brýlí šlechtice Salvino degli Armatiho z Florencie. V průběhu 15. století se poprvé objevují brýle v podobě brýlových středů s nosníkem. K výrobě se používaly různé přírodní materiály jako kůže, dřevo, kost, rohovina, 8

želvovina, slonovina, železo, stříbro, zlato a bronz. Tyto brýle byly však bez stranic, proto se přidržovaly v ruce nebo se upevňovaly na nejrůznější pokrývky hlavy. Pokrokem byly v 16. 17. století tzv. stužkové brýle, které se připevňovaly pomocí tkaniček přímo k uším. Postupem času se začaly vyrábět brýle s pevnými stranicemi. Značně se tak zlepšila stabilita brýlí a také se definitivně uvolnily ruce pro potřebnou manipulaci zejména při práci s korekcí do blízka. [1], [14], [17] Stejně jako vývoj brýlových obrub, tak i materiály používané k výrobě brýlových čoček prošly dlouholetým vývojem. Prvním a jediným známým materiálem používaným k výrobě brýlových čoček bylo až do začátku 20. století sklo. Existovaly 4 hlavní sklářské oblasti: Benátky, Anglie, Německé a České země. V začátcích optické výroby nebylo vyráběné sklo zcela čisté a homogenní, aby se z něj dala vyrobit kvalitní optika. Kolem roku 1670 se dlouholetým vývojem výroby českého vápenatodraselného skla vyvinul světoznámý český křišťál - za vynálezce byl považován huťmistr Michal Muller. V roce 1886 založil německý optik Carl Friedrich Zeiss továrnu na výrobu optického skla v Jeně. Mezi jeho spolupracovníky patřili fyzik prof. Ernst Abbe a chemik Friedrich Otto Schott, kteří se zasloužili o hlavní technická řešení. Prvním opticky vyhovujícím organickým materiálem k výrobě brýlových čoček byl polymetylmetakrylát (PMMA), v období 2. světové války byl používán do kokpitů letadel a pro některé další vojenské účely. Tento materiál se však díky své nízké odolnosti proti mechanickému namáhání neosvědčil jako vhodný do brýlí. Ještě během války byla v USA objevena nová umělá hmota z kategorie allyldiglycolcarbonatů. Z ní se brýlové čočky vyráběly technologií odlévání a polymerování v pružných umělohmotných pouzdrech. Objev byl výsledkem 39 pokusných sériích, a proto byla nová plastická hmota pojmenována CR 39 (Columbia Resin 39; v češtině kolumbijská pryskyřice 39 ). Lidé ocenili zvláště jeho bezpečnost a přibližně poloviční hustotu oproti tradiční skleněné hmotě. Ovšem co se týče odolnosti povrchu proti mechanickým vlivům, bylo sklo bezkonkurenčně lepší. Tento hrubý nedostatek se řešil náročnou technologií povrchového vytvrzování. Přívětivá byla i možnost snadného barvení tohoto materiálu. Také optické vlastnosti jako index lomu (1,498) a Abbeovo číslo (58), které udává disperzi, jsou vyhovující. Brýlové čočky vyrobené 9

z tohoto materiálu se masově rozšířily po celém světě. Dnes patří k nejběžnějším materiálům pro výrobu brýlových čoček. V roce 1957 se na trhu objevil nový materiál z kategorie termoplastů polykarbonát, který se používal k výrobě průzorů přileb kosmonautů a oken kosmických lodí. O 21 let později byly z tohoto materiálu vyrobeny první brýlové čočky metodou vstřikování do forem. Tento materiál má ještě příznivější hustotu a index lomu (1,586). Méně příznivé je však Abbeovo číslo (32 42). Z hlediska bezpečnosti je tento materiál vynikající. Z podobných materiálů se vyrábějí například bezpečnostní vesty, které chrání člověka proti střelnému poranění. Na počátku 90. let byl objeven další nový materiál zvaný NXT. Jde o skupinu patentovaných polyuretanových optických polymerů, nerozbitných a průhledných. Původně byl vyvinut pro vojenské účely k výrobě neprůstřelného, průhledného a lehkého materiálu, který poskytoval vyšší ochranu, trvanlivost a spolehlivost než polykarbonát. [7], [14], [15] S rozvojem dalších poznatků ve vědě a technice se výrobci snaží vytvářet nové, lepší a kvalitnější materiály, které by co nejvíce vyhovovaly náročným požadavkům dnešního moderního života. 10

3. Minerální materiál Do této skupiny řadíme čočky vyrobené z přírodních materiálů ze skla. Sklo klasicky dělíme na korunové draselnovápenaté nízkoindexové (Abbeovo číslo > 55) a flintové draselnoolovnaté vysokoindexové (Abbeovo číslo 55). 3.1. Sklo Sklo můžeme charakterizovat jako tvrdý, křehký a špatně vodivý materiál. Jestliže je vystaven prudkým teplotním změnám (zejména ochlazení), tak praská. Sklo je anorganická amorfní hmota, která vzniká relativně rychlým ztuhnutím taveniny sklotvorných oxidů s příměsí taviv a stabilizátorů. Sklo nemá pevný bod tání, pouze se při zahřívání plynule snižuje jeho viskozita. Sklo obsahuje 3 základní složky (obr. 2): a) Sklotvorné suroviny podstatou skla je ztuhlá tavenina sklotvorných oxidů nejčastěji oxidu křemičitého. Surovinou křemičitého skla bývá nejčistší písek, ale i rozdrcené valouny křemene. Ty musí být však rozemlety na stejnou zrnitost (0,2 0,5mm), aby tavení zrníček probíhalo současně. Písek by neměl obsahovat žádné příměsi, například oxid železa způsobuje nežádoucí zelené zabarvení. b) Taviva jejich úkolem je podstatně snižovat příliš vysokou a energeticky náročnou teplotu tavení oxidu křemičitého (cca 1800 o C). Mezi nejběžnější taviva patři oxid sodný a oxid draselný. Taviva se roztaví již při nižší teplotě (t t oxidu sodného je 853 C, t t oxidu křemičitého je 909 C), obalují zrníčka písku a dochází k chemickým reakcím mezi tavivy a oxidem křemičitým za vzniku křemičitanů. 11 Obr. 2: Suroviny pro výrobu skla c) Stabilizátory zvyšují chemickou stálost a odolnost skla, ovlivňují jeho výsledné vlastnosti. Taviva totiž kromě jiného značně snižují chemickou i mechanickou odolnost vytaveného skla, proto se do sklářského kmene pro zlepšení výsledných vlastností přidávají také stabilizátory. Nejčastějšími stabilizátory jsou oxid vápenatý a oxid olovnatý. Díky různému poměru mísení jednotlivých surovin je možné vyrobit odlišné typy skel

např. sklo stavební, chemické, užitkové, laboratorní, optické a mnoho dalších. 3.2. Optické sklo Na optické sklo jsou kladeny vysoké nároky. Musí být dokonale čisté, průhledné, izotropní, homogenní a s co nejmenší disperzí. Aby bylo dosaženo požadovaných optických vlastností, musí být suroviny naprosto čisté, přesně navážené a ve správném poměru. 3.2.1. Suroviny K výrobě optického skla se nejčastěji používá těchto základních a pomocných surovin: Základní suroviny oxid křemičitý (SiO 2 ) uhličitan draselný (K 2 CO 3 potaš) uhličitan sodný (Na 2 C0 3 soda) uhličitan vápenatý (CaCO 3 vápenec) skleněné střepy Pomocné suroviny barviva (nikl červenofialová, chrom žlutozelená, kobalt modrá, selen červená) čeřiva (napomáhají odstranění plynů ze skloviny; používá se síran sodný, chlorid sodný a ledek) odbarviva (odstraňují nežádoucí železo ze skloviny; používá se oxid manganičitý a oxid niklitý) 3.2.2. Výroba skla Základní technologický postup výroby skla můžeme rozdělit do následujících pěti fází: 1. Příprava sklářského kmene všechny potřebné suroviny je důležitě přesně navážit, najemno rozemlet a důkladně promíchat za přítomnosti vody. Takto získáme sklářský kmen. Do sklářského kmene se přidávají střepy skla pro zlepšení kvality budoucího skla. Tuto směs označujeme vsázka. 12

Suroviny + voda = sklářský kmen + střepy = vsázka 2. Tavba suroviny se ve speciální peci roztavují při teplotě kolem 1200 1500 C. Během tavení dochází k chemickým reakcím. 3. Čeření během dalšího zvýšení teploty se do pece přidávají čeřidla, díky nimž dochází k uvolňování plynů. 4. Homogenizace veškerý roztavený materiál je promícháván. 5. Sejití sklovina je ochlazována na potřebnou teplotu, při které je možné odebírání a tvarování. V případě běžné sériové výroby brýlových čoček je sklovina vkapávána automaticky do miskovitých forem, které následně projíždějí chladícím tunelem. Získali jsme tak výlisek budoucí brýlové čočky. Pro určitý rozsah vrcholových lámavostí se vyrábí výlisek co nejpodobnější tvaru budoucí čočky, aby se během následného frézování nemuselo ubírat příliš mnoho materiálu. Z výlisků, které jsou odstupňovány většinou po 0,5D nebo po 1,0D, se vyrábí celý sortiment minerálních brýlových čoček s odstupňováním po 0,25D. Výlisky nejprve procházejí vstupní kontrolou, zjišťuje se geometrický tvar, povrchové vady a vnitřní pnutí. Jsou-li výlisky v pořádku, nastává frézování diamantovým nástrojem. Frézuje se střídavě konvexní i konkávní plocha skla. Během tohoto procesu je diamantový nástroj ochlazován a čištěn. Vyfrézovaná skla jsou natmelena na tmelky a jsou připravena k broušení. Brousící přípravek má kulovou plochu o takovém poloměru křivosti, jaký bude mít vybroušené sklo. Brousící suspenze se na brousící přípravek nanáší samočinně. Sklo očištěné od brousících přípravků se leští na leštících strojích. Po vyleštění výrobek prochází několika lázněmi a předávají se ke konečné kontrole. [3], [4], [7], [14], [15], [16] 13

3.2.3. Vady skla Během výroby se mohou na hotovém skle projevit nejrůznější vady. Nejčastější vady jsem uvedla v následující tabulce. [4] Vada Příčina vzniku Co způsobuje kamínky šlíry bublinky neprotavené tuhé částice ve skle, nízká teplota tavení špatné mísení kmene, nízká teplota a krátká doba tavení málo čeřiv, chybné vážení surovin, krátká doba čeření praskání a pnutí kolem kamínků, rušivý vliv zobrazení praskání a pnutí kolem šlír nebo ve šlírách, změny chodu paprsků vady optického zobrazení 3.2.4. Vlastnosti skla Snahou každého výrobce je docílit především kvalitního zobrazení, tedy dobrých optických vlastností čoček, lehkosti, tenkosti, vysoké mechanické a chemické odolnosti. Všechny tyto vlastnosti však nelze dokonale splnit, a proto bývá často některý požadavek u konkrétní brýlové čočky vyzdvižen na úkor jiného. K základním vlastnostem skla řadíme: index lomu, disperzi, odrazivost, absorpci, propustnost (= optické vlastnosti) hustotu, tvrdost (= mechanické vlastnosti) vnitřní pnutí (= tepelné vlastnosti) Index lomu Index lomu je jedna z nejdůležitějších optických vlastností materiálů brýlových čoček. Udává nám, kolikrát pomaleji se šíří světlo v daném materiálu ve srovnání se vzduchem (resp. vakuem). Rychlost šíření světla závisí na vlnové délce tohoto světla. Platí tedy, že hodnota indexu lomu se mění v závislosti na vlnové délce dopadajícího světla, dále závisí na chemickém složení skla a na jeho struktuře. V praxi to znamená, že při průchodu bílého světla se jeho jednotlivé složky šíří odlišně v závislosti na své vlnové délce a dochází tak k disperzi. Klasické korunové sklo má index lomu 1,523. Vysokoindexové minerální čočky dosahují hodnot indexu lomu až 1,9. S rostoucím indexem lomu se snižuje rozdíl mezi 14

zakřivením přední a zadní plochy čočky, a tím se stává čočka o stejné vrcholové lámavosti plošší a tenčí, což ocení zejména zákazníci s vyšší dioptrickou hodnotou. Disperze Disperze neboli barevný rozptyl je jev, který nastává při dopadu bílého světla na optické rozhraní. Jak jsem již uvedla, vzniká v důsledku toho, že každá vlnová délka se v daném materiálu šíří jinou rychlostí. Obr. 3: Disperze světla Stupeň disperze se vyjadřuje pomocí Abbeova čísla (ν). Je to bezrozměrné číslo, které vypočítáme jako podíl indexu lomu (n D ) ze střední části pracovní oblasti zmenšené o 1 a rozdíl indexů lomu (n F, n C ) z krajních částí oblasti. Matematický zápis pro výpočet Abbeova čísla: υ = n n F D 1 n C n D, n F, n C indexy lomu příslušného materiálu odpovídající vlnovým délkám Frauenhoferových čar D, F, C (tj. 589,2 nm, 486,1 nm a 656,3 nm). S klesající hodnotou Abbeova čísla roste disperze a kvalita zobrazení se tím hodně snižuje. Velká nežádoucí disperze se projevuje u vysokoindexových čoček. Při stranovém pohledu přes čočku se objevují kolem pozorovaného předmětu duhové kruhy. Odrazivost Odrazivost (R) je bezrozměrná veličina, která udává podíl odražených paprsků z celkového množství dopadajícího světla. Matematicky ji vypočítáme podle následujícího vztahu: R = ( n ( n 2 2 n + n n 1, n 2 indexy lomu dvou sousedních optických prostředí 1 1 ) ) 2 2 15

Čím má brýlová čočka vyšší odrazivost, tím nižší je kvalita zobrazení. Proto se brýlové čočky opatřují antireflexní vrstvou. Absorpce Absorpce (A) je schopnost materiálu pohltit určitou část dopadajících paprsků. Absorpce viditelného světla je nežádoucím jevem optického skla (značně zhoršuje jasnost obrazu). Pohlcení různých vlnových délek elektromagnetického spektra je žádoucí u nejrůznějších typů filtrů a ochranných skel např. UV, protisluneční a IČ. U protislunečních (barevných) brýlových čoček sledujeme, kterou barvu pohlcují a jestli nezkreslují barevné vidění. Propustnost Propustnost (T) udává, kolik procent z dopadajícího světla na čočku jí skutečně projde. Propustnost optického materiálu můžeme vyčíst z grafů spektrální propustnosti. Pro odrazivost (R), absorpci (A) a propustnost (T) platí následující jednoduchý vztah: R + A + T = 1 (100%) Hustota Hustota, neboli také měrná hmotnost je další důležitý údaj udávaný v katalozích brýlových čoček. Podílí se na celkové hmotnosti čočky. Obecně platí, že s rostoucím indexem lomu roste i měrná hmotnost. Víme, že dvě čočky se stejnou vrcholovou lámavostí vyrobené z materiálů s odlišnými indexy lomu mají jiné poloměry křivosti. Čočka z výšelomivého materiálu je celkově tenčí a plošší, má tedy v případě spojky menší středovou, v případě rozptylky menší okrajovou tloušťku. Tím je objem této čočky menší než objem čočky z běžné skloviny a celková hmotnost obou čoček se tak přibližně vyrovná. U minerálních čoček se hustota pohybuje v rozmezí od 2,55 g/cm 3 4,02 g/cm 3 [14]; nejlehčí jsou skla korunová. Tvrdost Sklo patří k jedné z nejtvrdších hmot, ale je zároveň velmi křehké. Tvrdost skla lze měřit různými způsoby. Nejčastěji se používá zkouška dle Martense, která spočívá ve vtlačování diamantového kužele pod určitým tlakem do skla. Určuje se vrypová 16

tvrdost. Pro srovnání: celková tvrdost minerálního skla je asi 46x větší než tvrdost materiálu CR-39. 3. 2. 5. Barvení skla Barvení minerálních čoček je poměrně složitý technologický proces. Probíhá tím způsobem, že se k základním surovinám při výrobě skla přidají potřebná barviva. Barviva se dělí na: iontová (oxid nikelnatý, oxid kobaltnatý, oxid chromitý, oxid měďný, oxid měďnatý, oxid železitý) molekulární (selen, sulfid kademnatý, sulfid antimonitý) koloidní (chlorid zlatitý, dusičnan stříbrný) [7] Výsledný odstín skla závisí na jeho chemickém složení, postupu zpracování a způsobu chlazení. 3. 2. 6. Vysokoindexové minerální čočky Snaha zlepšit estetický vzhled brýlových čoček s vyšší dioptrickou hodnotou přiměla výrobce k pokusům co nejvíce tyto čočky ztenčit. Výrobci tedy začali k surovinám, z nichž se vyrábí běžné korunové sklo, přidávat nejprve olovo, později titan (n = 1,7) a lanthan (n = 1,8). Titan a lanthan mají nižší měrnou hmotnost než olovo, ale i tak zvyšují hmotnost čočky. Přidáním těchto surovin se zvýší index lomu skla, čímž se zmenší tloušťka brýlové čočky (obr. 4). Vysokoindexové minerální čočky se dnes vyrábějí do hodnoty indexu lomu 1,9. Díky vzájemné provázanosti optických a mechanických vlastností s náročností výroby se materiály s ještě vyšším indexem lomu stávají nevhodnými pro výrobu brýlových čoček. vysokoindexové sklo obr. 4 obyčejné sklo Vysokoindexové minerální čočky jsou zatíženy několika nedostatky: vysoká disperze rušivé působení duhových lemů v okrajích vysoká odrazivost snižujeme ji nanesením antireflexní vrstvy 17

mechanicky méně odolné chemicky méně odolné. K nepříjemnostem spojené s vysokoindexovými čočkami patří i jejich poněkud vyšší pořizovací cena. Se zvyšujícím se indexem lomu roste i cena. 3. 2. 7. Výhody a nevýhody minerálních čoček Výhody: velký rozsah indexů lomu (od n = 1,5 do n = 1,9), což umožňuje vyrábět tenké čočky i pro vysoké dioptrické hodnoty, vysoká odolnost proti poškrábání, a tím i delší životnost čočky, dobrá povrchová tvrdost, nízká disperze (menší barevné lemy než u plastových čoček), vysoká tepelná odolnost (žádná deformace a žádné zhoršení optické kvality při vyšších teplotách), dobrá cenová dostupnost, dobrá ekologická slučitelnost výrobního procesu. Nevýhody: vysoká hmotnost, křehkost (při rozbití možné poranění oka), obtížnější barvitelnost, lze je použít jen do celoobrub. 18

4. Organické materiály Minerálnímu sklu, které bylo doposud jediným materiálem pro výrobu brýlových čoček, vyrost silný konkurent v podobě organických hmot. Zejména díky své nepřekonatelné lehkosti se staly na trhu velmi oblíbenými. Plastové čočky dosahují téměř poloviny měrné hmotnosti, než čočky minerální. Mezi další přednosti těchto organických čoček patří nerozbitnost a snadná barvitelnost, která umožňuje probarvení do různých odstínů dle přání zákazníka. Organické hmoty zaujaly výrobce především díky svým výborným optickým vlastnostem. Původní plastové materiály však nevyhovovaly pro jejich malou odolnost proti vyšším teplotám, proti oděru a neměly ani dobrou pevnost. Zásadním obratem ve výrobě čoček bylo použití chemických sloučenin, které umožnily tvorbu polymerů. Takto vyrobená brýlová čočka byla tvrdší a také odolnější proti vyšším teplotám. Polymery získáme z jednoduchých organických sloučenin chemickými reakcemi, během nichž se přetvářejí sloučeniny monomeru, a následně se velký počet přetvořených molekul spojuje v makromolekulu výsledného polymeru. Nejběžnějšími reakcemi jsou polymerace (molekuly původně jednoduché organické sloučeniny se spojují za vzniku makromolekulární látky) a polykondenzace (velký počet molekul dvou původních monomerů se vzájemně váže do makromolekuly polymeru). Fyzikální vlastnosti uměle vytvořených polymerů jsou ovlivněny zejména tvarem a strukturou makromolekul. Struktura makromolekulárních řetězců může být: lineární 19

rozvětvená prostorově síťovaná Polymery s lineárními a rozvětvenými řetězci se dají po nahřátí tvarovat. Jejich vláknité rovnoběžné makromolekuly se mohou vůči sobě volně pohybovat. Při ochlazení opět ztuhnou do pevné podoby. V průběhu tohoto děje se nemění chemická podstata materiálu a je možné ho opakovat. Velmi dobře se rozpouštějí v organických rozpouštědlech. Díky těmto vlastnostem je zařazujeme mezi tzv. termoplasty (= jsou teplem tvárlivé). Jsou to např. acetát celulózy, plexisklo, polyamidy, polykarbonát, PVC, atd. Polymery s prostorově síťovanými řetězci jsou podstatně pevnější, mají nižší rozpustnost v organických materiálech a mnohem hůře se po zahřátí tvarují. Je to dáno tím, že lineární řetězce makromolekul jsou propojeny navzájem ještě příčnými vazbami. S rostoucím počtem příčných vazeb klesá vzájemná pohyblivost řetězců makromolekul. Tyto polymery jsou základem reaktoplastů (termosetů). Sem patří mimo jiné také materiál Orma (CR-39). 20

přísady: Při výrobě plastů se k základním makromolekulárním surovinám přidávají různé změkčovadla slouží k usnadnění počátečního zpracování směsi a zlepšují tvarovatelnost výrobku. Změkčovadla mohou v materiálu volně migrovat a s postupem času se dostávají na povrch výrobku, vypařují se a výrobek se tak stává křehčí. Změkčovadla mohou na místech, kde se výrobek (např. brýlová obruba) dotýká s kůží, způsobovat alergickou reakci. Jako změkčovadla se používají estery dikarboxylových, mastných kyselin, ftalové, citrónové a fosforečné kyseliny. pigmenty slouží k vytvoření nejrůznějších odstínů a barev výrobku. stabilizátory ty zpomalují stárnutí materiálu vlivem světla, tepla a chemickými vlivy. Přidávají se tzv. UV inhibitory, které pohlcují toto záření a zároveň v případě brýlových čoček chrání oči před jeho škodlivým účinkem. 4. 1. Typy organických materiálů pro výrobu brýlových čoček Pro výrobu organických čoček mají nebo měly význam zejména akryláty, allylové pryskyřice a polykarbonáty. Akryláty polymethylmetakrylát (PMMA) vzniká polymerací metylmetakrylátu (=organická sloučenina tvořena acetonem, kyanovodíkem, metanolem a kyselinou sírovou). PMMA je dobře opracovatelný, průhledný, má malou hmotnost, je stálý při delším působení světla, avšak díky své nízké otěruvzdornosti a křehkosti se k výrobě brýlových čoček nyní už nepoužívá. Nahradily ho mnohem odolnější materiály. Allylové pryskyřice CR-39, Orma (tvrdá pryskyřice) tyto organické materiály patří do skupiny allylových esterů (= chemické deriváty organických kyselin). Estery se vyrábí esterifikací: organická kyselina + alkohol ester + voda Základní suroviny tvoří fosgen (chlorid karbonylu, dichlorid kys. uhličité), allylalkohol (je velmi reaktivní a snadno polymeruje) a etylenglykol (dvojsytný alkohol). Vznikne tak monomer allyldiglykokarbonát, který má ve své molekule allylovou skupinu s dvojnou vazbou, díky níž se mohou molekuly spojovat do řetězců makromolekul. 21

Vzorec: K této čiré rosolovité kapalině se přidá nepatrné množství katalyzátoru (např. peroxid), který spustí polymeraci, během níž se molekuly monomeru na sebe navzájem váží a tvoří se tak prostorová síť. Látka rosolovatí a tuhne, vzniká čirý polymer polyallyldiglykolkarbonát. Vlastnosti polymeru se odvíjí od: mechanické čistoty, chemické čistoty surovin, množství a složení iniciátoru, tepelného režimu polymeračního procesu. Pokud je síť makromolekuly příliš řídká, materiál je pak měkký, málo otěruvzdorný, je lépe barvitelný. Je-li síť příliš hustá, plast je tvrdší, méně náchylný na poškrábání, ale barví se hůře. Jak už jsem uvedla výše, CR-39 patří k reaktoplastům, nedá se tedy dost dobře tepelně tvarovat. Výroba brýlových čoček licí metodou Výroba čoček se provádí ve 3 fázích příprava, odlití a kontrola (obr. 5). Obr. 5: Proces výroby čoček 22

1. příprava: Nejprve je potřeba zkontrolovat dokonalou čistotu monomeru. To se provádí zkouškou transparentnosti na chromatografickém analyzátoru. Do monomeru se přidá přesná dávka katalyzátoru (spouštěče polymerace) a správné množství UV inhibitorů a vše se asi 1-2 hodiny míchá při teplotě 20-40 C. Následuje odplynění této směsi. K odplynění dochází ve vakuu za stálého míchání (cca 30minut). Tato hotová monomerní směs se přefiltrovává filtrem o velikosti 10 a 3µm a ukládá se do přenosných sklenic. 2. odlití: Lití připravené monomerní směsi se provádí pomocí přetlaku ze skleněné nádoby přes filtry o tloušťce 3 až 1µm injekční stříkačkou do sestavených forem. Licí forma je složena ze dvou tvrzených minerálních čoček s dokonale opticky opracovanými plochami, které tvoří vnitřní stěny formy. Další součástí formy je distanční kroužek. Je to pružný obvodový prstenec s nalévacím hrdlem a prstencovým výstupkem, který má funkci těsnící, aby nedošlo k vniknutí vzduchu při smrštění a pružící při objemovém zmenšení polymeru. Každý Obr. 6: Části licí formy 2 minerální čočky, distanční kroužek, spona kroužek je jen na jedno použití. Poslední součástí formy je zajišťovací pérová spona, kterou se obě skleněné čočky přitlačí k distančnímu prstenci (obr. 6). Forma musí vydržet objemové smrštění obsahu asi o 14% při polymeraci. Naplněné formy (obr. 7) se vkládají do speciálních polymeračních pecí. V průběhu celého procesu je přesně elektronicky řízena teplota v rozsahu 40 C 100 C. V každé časové fázi musí dosahovat předepsané hodnoty. Proces polymerace trvá asi 21 hodin. Samotná polymerace je v určité etapě exotermická chemická reakce, při které se vznikající teplo musí odvádět, aby nedocházelo k místnímu přehřátí ve formách. 23

Vytvrzené formy se otevírají pomocí mechanického klínu (obr. 8). Formy se otevírají tehdy, je-li teplota čoček asi 60 C. Vyjmuté čočky se následně zahřívají, aby se uvolnilo vnitřní pnutí, které v čočkách vzniklo při nestejnoměrném tuhnutí. Skleněné formy se po dokonalém vyčistění mohou znovu použít. 3. kontrola: Obr. 7: Plnění forem 24 Obr. 8: Otevírání forem Hotové čočky se kontrolují vizuálně. Zjišťuje se napětí v čočkách, a to pomocí polarizovaného světla. Pomocí obloukovité lampy se kontroluje optická homogenita. Tato metoda není nijak zvlášť náročná na vybavení. Vybavení na výrobu 100 kusů brýlových čoček za den se moc neliší od výbavy potřebné k vyrobení 10 000 čoček denně. Barvení Čočky z allylové pryskyřice jsou velmi dobře barvitelné. Barvení se provádí procesem ponoření čoček do horké barvící lázně. Nejprve se upevní do speciálních držáků a ponoří se do lázně (obr. 10). Čočky jsou ponořené maximálně po dobu 5 hodin, kdy barvivo proniká povrchem čočky do hloubky cca 0,1mm. Teplota lázně je vždy konstantní. Homogenitu barvící směsi Obr. 9: Barevné brýlové čočky zajišťuje magnetická míchačka. K barvení se používají stejná barviva jako v textilním průmyslu. S použitím základních barev (červená, žlutá, modrá) lze snadno dosáhnout libovolného odstínu nebo barevného tónu. Plynulý přechod od tmavého po světlý odstín získáme postupným pomalým vyjímáním z lázně. Zabarvené čočky se kontrolují vizuálně na speciálních stolech s bílým povrchem za použití speciálního