Jasné vyhlídky pro akrylátová skla

Výrobky z akrylového skla se staly nedílnou součástí našeho každodenního života - od sklíček hodinek až po tlakové trupy ponorek. Doufejme, že tyto průhledné přepážky z období pandemie jsou navždy minulostí. Podle toho, zda je požadován křišťálově průzračný pohled, nebo matné sklo: zakalení akrylátového skla se definuje jako tzv. „hodnota zákalu“, nebo-li turbidita, která se určuje podle normy ASTM D 1003. Hodnotu zákalu lze určit pomocí UV-Vis spektrofotometru (nebo zkráceně „spektrometru“). Proces měření je však zdlouhavý a při každodenní laboratorní práci není dostatek času na ruční analýzu požadovaných údajů. Proto bylo nutné tento proces automatizovat a zároveň mít na paměti požadavky normy.

Akrylátové sklo je plast, který se od svého vynálezu používá v široké škále aplikací. A není divu, nejenže je tento materiál lehký, ale lze jej také bez problémů tepelně tvarovat. Ve většině případů plastové sklo nahrazuje sklo minerální, což znamená, že by mělo být stejně průhledné. Průsvitné akrylátové sklo se však někdy používá také, například v LED panelech nebo pro účely soukromého osvětlení (obrázek 1). Stupeň zakalení akrylátového skla je proto důležitou specifikací pro jeho budoucí použití a musí být kontrolován při kontrole kvality.

Shimadzu: Obrázek 1 - Srovnání průhledného a průsvitného akrylátového skla. Čím vyšší je difúzní transmitance, tím rozmazaněji se obrysy skrze sklo jeví

Podle normy ASTM D 1003 se optická kvalita plastového skla udává jako hodnota zákalu. Ten je definován jako procentuální poměr rozptýleného a celkově prošlého viditelného světla vzorkem. Zjednodušeně řečeno, čím nižší je hodnota zakalení, tím je materiál více čirý.

Hodnoty propustnosti světla (transmitance) potřebné k výpočtu hodnoty zákalu se buď měří speciálním měřičem zákalu, který je podrobně popsán v normě, nebo se vypočítávají ze spekter pořízených UV-Vis spektrometrem.

Měřiče zákalu vs. spektrometry

Obě zařízení používají zabudovanou kouli mezi vzorkem a detektorem ke sběru difuzně procházejícího světla. Jedná se o dutou kouli s vysoce reflexním vnitřním povrchem, která shromažďuje světlo jako velký trychtýř. Specifikace této koule je popsána v normě a splňují ji zabudované koule Shimadzu s vnitřním průměrem 150 mm (ISR-1503 a ISR-1053F). V aplikačním listu A525A jsou vysvětleny technické podrobnosti.

Největším rozdílem mezi měřičem zákalu a spektrometrem je monochromátor. Ten je ve spektrometru umístěn mezi zdrojem světla a vzorkem a rozkládá bílé světlo ze zdroje na různé vlnové délky - v případě viditelného světla od 380 nm do 780 nm (obrázek 2).

Shimadzu: Obrázek 2 - Schéma měřiče zákalu podle normy ASTM D 1003 (nahoře) a spektrometru (dole). Oba přístroje obsahují zdroj světla (1), vzorek (2) a detektor (3), ale spektrometr má navíc monochromátor (4)

Měřič zákalu nemá monochromátor, takže vždy měří pouze jednu hodnotu: jas světelného zdroje za vzorkem. Naproti tomu spektrometr měří propustnost světla vzorkem pro každou vlnovou délku. To je výhodné, protože ze spektra lze kromě hodnoty zákalu vypočítat i další parametry, jako je barva nebo transmitance ultrafialového, nebo infračerveného světla. V závislosti na konkrétním použití jsou tyto hodnoty vyžadovány dalšími normami, například normou DIN EN 410 pro barevnou stálost a tepelnou izolaci okenních skel.

Ale právě tato univerzálnost je tak trochu nevýhodou spektrometru: stanovení hodnoty zákalu vyžaduje oproti měřiči zákalu pro spektrometr práci navíc. Výpočet a vyhodnocení je stále nutné provádět z velké části ručně. To znamená, že laboratoře dříve stály před rozhodnutím, zda zakoupit měřič zákalu, který slouží pouze k jednomu účelu, nebo se smířit s další námahou.

Výpočet hodnoty zákalu

Oba přístroje mohou měřit celkovou transmitanci, kdy prochází veškeré světlo na detektor a difúzní odraz, kdy je světlo rozptýleno vzorkem a toto rozptýlené světlo dopadá na detektor. Tímto způsobem se soubor dat skládá ze surových dat ze čtyř měření:

• Měření slepého vzorku s nastavením měření pro celou transmitanci, T1 ~ 100 %.
• Celková propustnost světla vzorkem, T2 ≤ 100 %.
• Měření slepého vzorku s nastavením měření pro difúzní transmitanci, T3 ~ 0 %.
• Světlo rozptýlené na vzorku, T4 ≤ T1

Protože při měření slepého vzorku není světlo od vzorku odraženo, pohlceno ani rozptýleno, odpovídá hodnota transmitance v ideálním případě 100 % a naopak 0 % jde-li o difúzní transmitanci. U reálných vzorků je pak celková transmitance menší než 100 %, neboť dochází k odrazu a absorpci světla vzorkem. Naměřená hodnota difúzní transmitance závisí do značné míry na hodnotě zákalu a pohybuje se mezi 0 % (žádný zákal) a naměřenou hodnotou celkové transmitance (úplný zákal = 100 %).

Při měření spektrometrem je nutno celé spektrum nejprve převést na jednotlivé hodnoty transmitance pro každou vlnovou délku zvlášť.

Hodnota transmitance každé vlnové délky je dána intenzitou simulovaného zdroje světla a citlivostí lidského oka na jas. Součet těchto parametrů pro všechny vlnové délky v rozsahu viditelného světla (380-780 nm) se pak vypočítá, aby se celé spektrum (intenzita vs. vlnová délka) převedlo na jedinou hodnotu intenzity. Pro dosažení srovnatelných hodnot jsou emisní křivky přípustných zdrojů světla (wolframová lampa nebo denní světlo) a citlivost lidského oka pro každou vlnovou délku podrobněji popsány a shrnuty v tabulkách v normě ASTM D 1003.

Údaje lze převést přímo v programu LabSolutions UV-Vis pro každé jednotlivé měření, jak je popsáno, a lze je přednastavit jako automatické zpracování dat. Příslušné tabulky jsou již uloženy v softwaru, takže je třeba pouze vybrat vhodný zdroj světla.

Korigovaná hodnota zákalu se vypočítá z těchto čtyř jednotlivých měření odečtením hodnoty zákalu slepého vzorku (ideálně 0) od hodnoty zákalu vzorku:

Shimadzu: Výpočet hodnoty zákalu

Tento poslední krok výpočtu není obvykle možný ze softwaru spektrometru, místo toho je nutné surová data exportovat do vyhodnocovacího softwaru, jako je Microsoft Excel, MathWorks MATLAB nebo OriginLab Origin. Tento manuální krok je velmi náchylný k chybám.

Automatizovaný proces

Aby byl tento časově náročný proces pro uživatele jednodušší, bylo nutné software LabSolutions UV-Vis rozšířit a odpovídajícím způsobem automatizovat. Po pečlivém zvážení normy ASTM D 1003 byla nejprve vypracována šablona Excel pro vyhodnocení po ručním exportu dat a poté rozšířena o automatické měření.

V nyní upraveném softwaru lze pro zjednodušení tvorby závěrečné zprávy použít šablonu Excel s připravenými vzorci nebo makry. Pro použití v regulovaném prostředí (21 CFR Part 11) nabízí společnost Shimadzu nástroj LabSolutions Manager pro vykazování více dat, tabulkovou aplikaci s plnou sledovatelností díky auditní stopě a elektronickým podpisům. Pro oba případy je možné vyžádat si připravené šablony pro měření zákalu.

Laboratorní software v praxi

Pro demonstraci vlivu hodnoty zákalu jsou použita čtyři různě zakalená akrylátová skla s odpovídajícími transmitačními spektry a hodnotami zákalu (obr. 3). Byly umístěny před fotografii obličeje pana Genza Shimadzu staršího, zakladatele společnosti Shimadzu.

Shimadzu: Obrázek 3 - Příklady různých hodnot zákalu, které se zvyšují od levého k pravému vzorku. Zatímco celková transmitance (modrá křivka) je u všech vzorků téměř stejná, difuzní transmitance (oranžová čára) se s rostoucí hodnotou zákalu zvyšuje

Vzorek úplně nalevo s hodnotou zákalu kolem 0 % nemá téměř žádnou difuzní transmitanci a obraz je jasně rozpoznatelný. Zatímco celková transmitance zůstává u všech ostatních vzorků téměř stejná, naměřená hodnota difuzní transmitance se zvyšuje s hodnotou zákalu; obrysy Genzova obličeje jsou stále rozmazanější. U vzorku napravo s téměř 100 % hodnou zákalu jsou obrysy sotva rozpoznatelné; křivky celkové a difúzní transmitance jsou téměř stejné.

Měření čtyř požadovaných souborů surových dat a jejich analýzu nyní zjednodušuje speciální měřicí program. Ten uživatele provede jednotlivými kroky a zajistí, aby surová data byla do šablony protokolu zadána ve správném formátu a analyzována.

Grafické uživatelské rozhraní tohoto programu je znázorněno na obrázku 4. Přehledné instrukce vedou uživatele analýzou krok za krokem a v případě potřeby i s ilustracemi. Příslušná metadata (Jedná se o vzorek nebo blank? Má se měřit celková nebo difúzní transmitance?) jsou automaticky generována na pozadí a předána do systému LabSolutions UV-Vis. Poté se vygeneruje zpráva pomocí aplikace Excel nebo zpráva s více daty, v závislosti na regulačních požadavcích, kde jsou zde popsané vzorce již uloženy v šabloně zprávy.

Shimadzu: Obrázek 4 - Grafické rozhraní makra LabSolutions UV-Vis pro měření zákalu s jasnými pokyny pro přípravu měření

Tím odpadá nutnost přenášet data do dalšího programu pro vyhodnocení. Automatizace závěrečného a rozhodujícího kroku výpočtu šetří čas a pomáhá předcházet chybám, které mohou vzniknout při přenosu.

Hodnota zákalu akrylového skla je rozhodující pro technické použití příslušného výrobku. Čirá čočka s nízkou hodnotou zákalu umožňuje jasný výhled, zatímco zakalená čočka s vysokou hodnotou zákalu rozmazává obrysy všech předmětů za ní. Ruční určení hodnoty zákalu vyžaduje určité základní znalosti. To bylo usnadněno programem s automatickým měřením a jasnými pokyny, který nyní umožňuje provádět analýzy i méně zkušeným uživatelům. Software LabSolutions UV-Vis umožňuje automatizaci pomocí maker a export dat do aplikace Excel. Díky zde uvedenému balíčku zařízení, softwaru a šablonám zpráv je tento proces automatizován. Nyní stačí, když uživatel zadá vzorky a stiskne tlačítko „Start“, aby obdržel hotový report.