專利名稱：菲涅耳透鏡制造中聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)薄膜的連續(xù)層壓的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性地涉及將具有壓印光學(xué)結(jié)構(gòu)的薄膜層壓至聚合物片材上的方法和 工藝，更具體地說，涉及將具有菲涅耳透鏡圖案的薄膜熱粘結(jié)至片材上而不損害該透鏡結(jié) 構(gòu)的完整性的方法和工藝。
背景技術(shù)：
菲涅耳透鏡自19世紀(jì)開始出現(xiàn)并已經(jīng)用于投影TV、高射投影儀、汽車頭燈、燈塔 等。最近，菲涅耳透鏡已經(jīng)用于將太陽能聚焦在將太陽能轉(zhuǎn)化成電的光電太陽能接收器上。為了改進(jìn)壓印有光學(xué)元件的薄膜的性能，例如剛性、耐候性和耐磨性，將該壓印薄 膜層壓至支撐薄膜上是合乎需要的。通常，薄的支撐薄膜對大多數(shù)目的是足夠的。然而，當(dāng) 菲涅耳透鏡用于太陽能集中器時，將該菲涅耳薄膜層壓至厚的片材基材上是合乎需要的， 以提高該菲涅耳透鏡的剛性，并且使得它可以容易地安裝在太陽能集中器中。制造層壓菲涅耳透鏡的當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法包括使用二氯甲烷將市售菲涅耳薄膜 膠合至丙烯酸系樹脂片材上的離線方法。這種方法具有負(fù)面的環(huán)境影響，因為二氯甲烷是 聯(lián)邦法規(guī)列出的有害空氣污染物(Hazardous Air Pollutant)。此外，因為層壓是與薄膜擠 出或片材擠出方法分離的步驟，所以它向最終產(chǎn)物引入更多成本。熱層壓允許壓印薄膜在某些溫度下粘結(jié)至支撐薄膜而無需任何粘合劑。離線熱層 壓可以用薄的薄膜進(jìn)行，但是對厚的薄膜如菲涅耳薄膜是成問題的。這是因為將菲涅耳薄 膜熱粘結(jié)至厚的片材上要求大量熱并且這種熱通常破壞光學(xué)結(jié)構(gòu)。壓印薄膜也已經(jīng)通過在線層壓方法而層壓到載體薄膜上。美國專利 5，945，042 (該文獻(xiàn)全文引入本文作為參考)描述了在壓印薄膜擠出過程中將具有光學(xué)元 件的薄膜層壓至載體薄膜上的方法。根據(jù)這一方法，首先使溫度等于或高于其流動起始溫 度的合成樹脂薄片緊密接觸移動的模具，然后將載體薄膜供給該薄片的與該模具相對的那 面，并層壓到其上。然后將所得的層壓薄膜冷卻到低于所述合成樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的 溫度并從模具剝離。美國專利6，375，776 (全文引入本文作為參考)公開了將載體薄膜層壓至具有壓 印元件的精確圖案的熱塑性聚合物薄膜上的方法。根據(jù)該專利，通過將樹脂質(zhì)薄膜和載體 薄膜連續(xù)地供到經(jīng)加熱的壓印工具上而形成層壓體，其中將該樹脂質(zhì)薄膜擠壓到該壓印工 具上并將該樹脂質(zhì)薄膜加熱到大于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，同時該載體薄膜保持在低于其玻璃 化轉(zhuǎn)變溫度的溫度。在該樹脂質(zhì)薄膜與該載體薄膜粘結(jié)之后，將該層壓體冷卻并從壓印工 具剝離。專利5，945，042和專利6，375，776中公開的在線層壓方法采用薄的壓印薄膜和薄 的載體薄膜非常有效。專利‘042具體公開了壓印薄膜具有10-100 μ m的厚度并且載體薄 膜的厚度一般是35-150 μ m。厚的壓印片材，例如具有丙烯酸系樹脂基材的菲涅耳透鏡的在線生產(chǎn)已經(jīng)公開在Benz，美國專利5，656，209中。Benz ‘209描述了使用為高粘度模塑料和低粘度模塑料的 共擠出而設(shè)計的三輥拋光組而制造線性菲涅耳透鏡的方法。該專利全文引入本文。雖然 Benz‘209提供了制造菲涅耳透鏡的在線方法，但是發(fā)現(xiàn)通過該方法制備的透鏡在邊緣處較 不清晰。仍需要有效將菲涅耳透鏡層壓至厚聚合物片材上，而同時對環(huán)境造成最少污染的 方法。

發(fā)明內(nèi)容
概述本文公開了與現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)相比降低與將壓印有光學(xué)結(jié)構(gòu)的薄膜層壓至聚合物 片材上相關(guān)聯(lián)的成本和環(huán)境影響的熱層壓方法。該方法包括以下步驟提供具有第一表面和相對的第二表面的薄膜，該第一表面 壓印有光學(xué)結(jié)構(gòu)；將該薄膜引導(dǎo)至一對層壓輥的咬入點；將聚合物片材供給該咬入點，其 中該聚合物片材具有對于使得該聚合物片材和薄膜之間能夠熱粘結(jié)而言有效的表面溫度； 和將該聚合物片材層壓至該薄膜的第二表面上。在一個實施方案中，壓印結(jié)構(gòu)是菲涅耳透鏡，并且聚合物片材是丙烯酸系樹脂片 材，優(yōu)選PMMA片材。本發(fā)明方法不要求粘合劑或附加加熱。除薄膜本身以外存在最少的附加污染源。 所要求的附加設(shè)備制造起來較簡單和廉價。


圖1是顯示壓印薄膜與聚合物片材的層壓中涉及的方法和設(shè)備的示意圖。圖2是圖1的設(shè)備的一部分的示意性放大剖視圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的層壓菲涅耳薄膜的正視圖。詳細(xì)描述參照附圖，并最初參照圖1，示出了舉例說明將壓印薄膜層壓到聚合物片材上涉及 的方法和設(shè)備的示意圖。如具有顯示作業(yè)流程方向的箭頭100的示意圖中所示，將聚合物 片材4和薄膜2供入兩個壓延輥5和6的咬入點7并使它們彼此粘結(jié)。這兩個壓延輥是冷 硬金屬輥。如圖2中所示，薄膜2具有壓印有光學(xué)結(jié)構(gòu)的第一表面11和待層壓至聚合物片材 4上的第二表面10。薄膜2可以用任何已知的方法壓印并在層壓之前處于環(huán)境溫度下。薄 膜2也可以從商業(yè)源獲得。再次參考圖1，在一個實施方案中，將薄膜2供應(yīng)在輥子1中并 經(jīng)過一個或多個導(dǎo)輥3供入咬入點7?？梢哉J(rèn)識到，可以從不同角度將薄膜2供入咬入點 7，如圖1所示，例如通過偏置導(dǎo)輥3'。在本申請中，聚合物片材定義為厚度大于Imm的片材。在本發(fā)明的一個實施方案 中，聚合物片材4是由常規(guī)片材擠出方法制備的。并且當(dāng)該片材仍然熱且易彎時，將它供入 咬入點7以與薄膜2的表面10(圖2)緊密接觸。聚合物片材4在咬入點7處的溫度對層 壓的成功是關(guān)鍵的。如果表面溫度過低，則將不會存在粘結(jié)。如果表面溫度太高，則薄膜2 的光學(xué)結(jié)構(gòu)將被破壞?？梢哉J(rèn)為，聚合物片材4具有有效確保片材4和薄膜2之間的熱粘
5結(jié)而同時保持薄膜2的光學(xué)結(jié)構(gòu)的完整性的表面溫度。對于3mm PMMA聚合物片材，在操作 點的示例性的表面溫度是大約120°C -大約175°C，優(yōu)選140°C _160°C。在使薄膜2與聚合物片材4在咬入點7處緊密接觸后，熱粘結(jié)發(fā)生并且薄膜2被 層壓至片材4上。在層壓期間無需外部加熱。熱粘結(jié)所要求的加熱由來自片材4的內(nèi)部加 熱提供。在層壓工藝期間，維持薄膜2的表面溫度低于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以防止光學(xué)結(jié)構(gòu) 的扭曲。在層壓后，然后引導(dǎo)層壓體到冷卻區(qū)9，該冷卻區(qū)9包括多個冷卻輥。在將該層壓 體冷卻到室溫(公稱上，22°C )后，切割成品，例如通過飛鋸在端點處切割。在一個實施方案中，光學(xué)結(jié)構(gòu)是菲涅耳透鏡，并且聚合物片材是丙烯酸系樹脂片 材，優(yōu)選PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)片材。菲涅耳透鏡可以是正方形、矩形或其它所需形狀。 雖然對薄膜的厚度沒有特別限制，但是它一般可以是0. 5-0. 9mm。聚合物片材的厚度一般可 以是 1. 85-5. 85mm。在本發(fā)明的另一個實施方案中，薄膜由按格柵圖案排列的大致7" X7"正方形 獨立透鏡構(gòu)成。圖3提供了根據(jù)這一實施方案的層壓菲涅耳薄膜的正視圖。在普通片材產(chǎn)品的正常操作條件下，薄膜沿縱向(MD)拉伸并沿橫向(TD)收縮，如 在層壓前和層壓后從透鏡寬度和長度測量看出的那樣。常規(guī)上，沿MD施加一定量張力以防 止帶狀物緊隨壓延工藝之后下垂?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)可以通過降低MD張力而消除拉伸。在各種操 作條件下的詳細(xì)收縮/拉伸數(shù)據(jù)示于表1中。翹曲是層壓產(chǎn)品可能經(jīng)歷的另一個問題。通常，在層壓后，片材朝菲涅耳表面凹形 翹曲。測量翹曲的一種方法如下沿每個方向切割兩個36. 5"長X4"寬的條形物，以凹面 彼此面對而垂直地放置它們，測量它們之間的最寬距離，并將結(jié)果減半。3mm層壓基材上的 典型的翹曲在每個方向上公稱是13mm。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)存在降低翹曲影響的數(shù)種方法。首先，當(dāng)將抗沖改性劑添加到片材基材中時，顯著地降低導(dǎo)致的翹曲。例如，當(dāng)將 8%丙烯酸丁酯添加到片材基材中時，公稱上所導(dǎo)致的翹曲從13mm減少到7mm。通常，薄膜的基礎(chǔ)聚合物樹脂具有添加的丙烯酸丁酯抗沖改性劑，該抗沖改性劑 降低其脆性并促進(jìn)卷繞到輥子上。然而，聚合物片材的典型的基礎(chǔ)聚合物不含抗沖改性劑， 并因此具有與薄膜不同的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)片材冷卻時，基材和薄膜收縮到不同的最終尺寸， 引起翹曲?？箾_改性劑引入到基礎(chǔ)片材基材中降低薄膜和片材之間的熱膨脹系數(shù)差別，并 因此顯著地降低翹曲。其次，在咬入點下游將菲涅耳透鏡薄膜表面進(jìn)行空氣冷卻降低了翹曲到變化的程 度。例如，在不同的下游位置空氣冷卻層壓體將公稱翹曲從13mm降低到7-12. 5mm。關(guān)于在 不同操作條件下的翹曲影響的詳細(xì)實驗數(shù)據(jù)示于表2中。表 權(quán)利要求
形成層壓產(chǎn)品的方法，包括以下步驟提供具有第一表面和相對的第二表面的薄膜，該第一表面壓印有光學(xué)結(jié)構(gòu)；將所述薄膜引導(dǎo)至一對層壓輥的咬入點；將聚合物片材供給所述咬入點，所述聚合物片材具有對于使得所述聚合物片材和所述薄膜之間能夠熱粘結(jié)而言有效的表面溫度；和將所述聚合物片材層壓至所述薄膜的所述第二表面上。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述薄膜是基于丙烯酸系的薄膜。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述薄膜具有大約0.5mm-大約0. 9mm的厚度。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述薄膜的所述第一表面的溫度低于所述薄膜的玻璃化轉(zhuǎn) 變溫度。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述光學(xué)結(jié)構(gòu)是菲涅耳透鏡。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述薄膜包括按格柵圖案排列的正方形獨立菲涅耳透鏡的 矩陣。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述薄膜作為線性菲涅耳透鏡配置，其中所述圖案對于所 述薄膜的長度而言是連續(xù)的。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述聚合物片材是PMMA片材。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所述聚合物片材的基礎(chǔ)聚合物包含丙烯酸丁酯改性劑。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述聚合物片材具有大約1.85mm-大約5. 85mm的厚度。
11.權(quán)利要求1的方法，其中所述聚合物片材的厚度是3mm并且所述聚合物片材在所述 咬入點處的表面溫度是大約148°C -大約150°C。
12.權(quán)利要求1的方法，還包括以下步驟通過緊接在將所述片材供入所述咬入點之前 的擠出工藝形成所述聚合物片材。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述聚合物片材是通過聚合物在所述聚合物片材的一 面或兩面上的共擠出而形成，所述聚合物具有比所述聚合物片材的基礎(chǔ)聚合物低的軟化溫 度。
14.權(quán)利要求1的方法，還包括以下步驟人工地調(diào)節(jié)壓延輥壓力以補(bǔ)償所述薄膜的不一致厚度。
15.權(quán)利要求1的方法，還包括以下步驟在所述層壓輥的一個或多個下游位置冷卻所述層壓產(chǎn)品。
16.權(quán)利要求1的方法，還包括以下步驟通過橫向飛鋸切割所述層壓產(chǎn)品。
17.將具有光學(xué)結(jié)構(gòu)的薄膜層壓至經(jīng)擠出的聚合物片材上的設(shè)備，包括 第一冷層壓輥；第二冷層壓輥，所述第一冷層壓輥和第二冷層壓輥在其間形成咬入點； 所述薄膜的導(dǎo)出裝置，所述導(dǎo)出裝置配有制動系統(tǒng)，該制動系統(tǒng)用于維持所述薄膜上 的張力；和允許從不同角度將所述薄膜供給所述咬入點的一個或多個導(dǎo)輥。
18.權(quán)利要求17的設(shè)備，其中所述設(shè)備還包括安裝在所述第一和第二層壓輥的下游位 置中的空氣冷卻系統(tǒng)。
19.權(quán)利要求17的設(shè)備，其中所述第二層壓輥具有橡膠覆蓋物。
20.通過包括以下步驟的方法制造的層壓菲涅耳透鏡提供具有第一表面和相對的第二表面的薄膜，該第一表面壓印有光學(xué)結(jié)構(gòu)； 將所述薄膜引導(dǎo)至一對層壓輥的咬入點；將聚合物片材供給所述咬入點，所述聚合物片材具有對于使得所述聚合物片材和所述 薄膜之間能夠熱粘結(jié)而言有效的表面溫度；和將所述聚合物片材層壓至所述薄膜的所述第二表面上。
21.太陽能收集器，其具有通過包括以下步驟的方法制造的層壓菲涅耳透鏡 提供具有第一表面和相對的第二表面的薄膜，該第一表面壓印有光學(xué)結(jié)構(gòu)； 將所述薄膜引導(dǎo)至一對層壓輥的咬入點；將聚合物片材供給所述咬入點，所述聚合物片材具有對于使得所述聚合物片材和所述 薄膜之間能夠熱粘結(jié)而言有效的表面溫度；和將所述聚合物片材層壓至所述薄膜的所述第二表面上。
全文摘要
本發(fā)明公開了層壓產(chǎn)品的形成方法，包括提供具有第一表面和相對的第二表面的薄膜(2)，該第一表面壓印有光學(xué)結(jié)構(gòu)；將該薄膜引導(dǎo)至一對層壓輥(5，6)的咬入點；將聚合物片材(4)供給該咬入點(7)，其中該聚合物片材具有對于使得該聚合物片材和薄膜之間能夠熱粘結(jié)而言有效的表面溫度；和將該聚合物片材層壓至該薄膜的第二表面上。本發(fā)明方法與現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)相比降低與將菲涅耳透鏡薄膜層壓至丙烯酸系樹脂片材上相關(guān)聯(lián)的成本和環(huán)境影響。
文檔編號G02B6/00GK101959684SQ200980107255
公開日2011年1月26日 申請日期2009年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者G·B·拉豐泰納, M·T·帕賽爾伯 申請人:贏創(chuàng)羅姆有限公司