專利名稱：一種高分子基復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
高分子基復(fù)合材料，高分子材料加工，微納制造。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境的舒適要求也越來(lái)越高，目前應(yīng)用較多的反射材料多為鋁、銅、鎳、鉻等金屬材料或塑料表面鍍金屬材料，在這種情況下， 如果光源是點(diǎn)光源，這種反射材料形成鏡面反射，容易產(chǎn)生眩光、光照不均勻等問(wèn)題。而且金屬材料的氧化也會(huì)使其反射效率下降。LED作為一種新型光源目前在各個(gè)領(lǐng)域都有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，包括顯示、各種照明場(chǎng)合，與普通光源相比，照明用白光LED的特點(diǎn)是其體積小卻具有超高亮度和定向光輸出性，光照均勻度難以得到保證，更易產(chǎn)生眩光問(wèn)題，上述傳統(tǒng)的反射材料無(wú)法解決這些問(wèn)題。目前關(guān)于反射材料的研究大多數(shù)都是局限于用反射膜的方法制備定向反射材料，主要用于交通標(biāo)志等方面。定向反射材料是一種有機(jī)和無(wú)機(jī)相結(jié)合，由高折射率玻璃微珠、反射材料層、耐候性高分子樹(shù)脂及高強(qiáng)度粘合劑等組成的復(fù)合型薄膜材料。這些定向逆反射材料雖然反射率比較高，用反射膜做的警示牌比其他非反射材料更醒目，具有節(jié)能高效的效果，但其中的漫反射率較低，不能產(chǎn)生均勻的照明效果。為此需研究新型反射材料提高高強(qiáng)度點(diǎn)光源的反射效率和漫反射效果，本發(fā)明正是基于上述背景提出，本發(fā)明可用于LED照明及對(duì)漫反射要求較高的照明場(chǎng)合，可以推廣 LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用。本發(fā)明將高分子材料的加工與微納制造相結(jié)合，從材料本身以及材料表面的微結(jié)構(gòu)制作工藝出發(fā)，提出了通過(guò)將高反射材料與微結(jié)構(gòu)光學(xué)設(shè)計(jì)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)良好的漫反射效果和較高反射率。該復(fù)合材料用鍍膜、共擠出、共注射、層壓、粘合等方法將各層材料復(fù)合，表面微結(jié)構(gòu)通過(guò)擠出微壓印、微結(jié)構(gòu)注射、微結(jié)構(gòu)模壓方法制備。制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射材料的反射原理如圖I所示。沒(méi)有微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料對(duì)光的反射效率會(huì)提高， 但是光線的分布不均勻，而用表面具有微結(jié)構(gòu)的反射復(fù)合材料由于光線通過(guò)微結(jié)構(gòu)的折射作用，反射效果均勻，達(dá)到很好的漫反射效果。該復(fù)合材料不但具有很好的反射效果，而且具有良好的漫反射效果。

發(fā)明內(nèi)容
本專利所要解決的問(wèn)題是提高高強(qiáng)度點(diǎn)光源的反射效率和漫反射效果，提供了一種高分子基復(fù)合結(jié)構(gòu)及制備方法，該結(jié)構(gòu)光反射材料不僅具有良好的反射效果，而且具有很好漫反射效果，能夠達(dá)到一種反射出光均勻、柔和的效果。本專利解決上述問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為將該高分子基復(fù)合結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)為多層，主要包括擴(kuò)散層、中間層、反射層，如圖2所示。進(jìn)一步，該表面微結(jié)構(gòu)是指具有線性或非線性幾何特征微透鏡陣列。進(jìn)一步，該表面微結(jié)構(gòu)是微槽型、球型、橢球型、多邊形、拋物面、雙曲面或者其組
八
口 ο進(jìn)一步，該表面微結(jié)構(gòu)的特征尺寸為O. I微米到1000微米。
進(jìn)一步，該反射層是鋁、鉻、銅、鎳、錫、銀及其合金或高分子基復(fù)合材料。進(jìn)一步，對(duì)光線起擴(kuò)散作用的表層及中間層是透明、半透明高分子材料或者其共混物、或含有機(jī)或無(wú)機(jī)分散相的高分子基復(fù)合材料。進(jìn)一步，可以添加底層材料4，底層的作用主要是保護(hù)反射層或中間層。進(jìn)一步，通過(guò)鍍膜、共擠出、共注射、層壓或粘合方法將各層材料復(fù)合，具有微結(jié)構(gòu)表層材料通過(guò)擠出微壓印、微結(jié)構(gòu)注射或微結(jié)構(gòu)模壓方法制備。表層I的特征是經(jīng)過(guò)微壓印處理。微壓印技術(shù)的基本原理是首先將聚合物基片加熱到其玻璃化溫度以上30°C 100°C，對(duì)于結(jié)晶型聚合物基片，溫度要達(dá)到熔融溫度以上，然后在一定的壓力作用下，將壓印模具其上有所需要的微結(jié)構(gòu)圖形，壓在聚合物基片上，使聚合物填充到模具上的微結(jié)構(gòu)中，冷卻定型后脫模，達(dá)到圖形復(fù)制轉(zhuǎn)移的目的。表面微結(jié)構(gòu)通過(guò)擠出微壓印、微結(jié)構(gòu)注射、微結(jié)構(gòu)模壓方法制備。表層的微結(jié)構(gòu)是具有線性或非線性幾何特征微透鏡陣列，微槽型、球型、橢球型、多邊形、拋物面、雙曲面等及其組合，如圖 3(a)所示球型微結(jié)構(gòu)，圖3(b)所示六邊形微結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)單元的特征尺寸為O. I微米到 1000微米。對(duì)光線起擴(kuò)散作用、具有微結(jié)構(gòu)的表層可以是透明、半透明高分子材料及其共混物或含有機(jī)、無(wú)機(jī)分散相的高分子基復(fù)合材料。當(dāng)光線照射到透明或者半透明的表層會(huì)穿透表層單元，射到反射層，接下來(lái)反射回來(lái)，再次通過(guò)表層單元射出。帶有微結(jié)構(gòu)的表層對(duì)光線有擴(kuò)散作用，原理見(jiàn)圖I。采用具有反射率較高的材料作為反射層2，反射層可以是鋁、 鉻、銅、鎳、錫、銀具有較高反射率的金屬材料及其合金或高分子基復(fù)合材料，反射層可以減少光的透過(guò)和吸收，增加復(fù)合結(jié)構(gòu)反射率。對(duì)于一些不易熔接的聚合物，或是金屬，增加中間層可以起到填充和粘合的作用。底層材料4選擇耐磨、耐高溫的塑料材料或具有散熱效果良好的其他耐磨材料，底層的作用主要是保護(hù)反射層或中間層。提出的制備方法為通過(guò)鍍膜、共擠出、共注射、層壓、以及粘合方法將各層材料相復(fù)合。所制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射高分子材料反射率較高，漫反射效果良好。


圖I為點(diǎn)光源照到材料表面反射光不意圖(a)未加微結(jié)構(gòu)(b)加微結(jié)構(gòu)圖2為高分子基復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射材料I-擴(kuò)散層2-中間層3-反射層4-底層圖3為微結(jié)構(gòu)顯微鏡圖片(放大40倍)(a)半球形微結(jié)構(gòu)(b)六邊形微結(jié)構(gòu)圖4為高分子基復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射板三維視5為不銹鋼材料的光反射效果圖片圖6為PP無(wú)微結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的光反射效果7為具有PP半球形微結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的光反射效果8為具有PP六邊形微結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的光反射效果9不同材料的反射率曲線。
I-不銹鋼2-無(wú)微結(jié)構(gòu)聚丙烯PP和不銹鋼復(fù)合材料3-帶有半球形微結(jié)構(gòu)聚丙烯PP和PET復(fù)合材料圖10六邊形微結(jié)構(gòu)的聚丙烯PP和AL的反射率曲線對(duì)比。I-帶有六邊形微結(jié)構(gòu)的聚丙烯PP表面單元的反射率曲線2-帶有六邊形微結(jié)構(gòu)的聚丙烯PP和聚對(duì)苯二甲酸乙二酯PET復(fù)合結(jié)構(gòu)的反射率曲線3-AL的反射率曲線4-帶有六邊形微結(jié)構(gòu)的聚丙烯PP鍍鋁反射率曲線。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本專利做進(jìn)一步詳細(xì)描述。如圖2所示，表面擴(kuò)散層I、中間層2、反射層3、底層4可以通過(guò)鍍膜、共擠出、共注射、層壓、粘合這些方法相復(fù)合。表面微結(jié)構(gòu)單元I可以通過(guò)擠出微壓印、微結(jié)構(gòu)注射、微結(jié)構(gòu)模壓方法制備。實(shí)施例1，用共擠出微壓印的方法制備復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射高分子材料，簡(jiǎn)單地介紹一種帶有半球形微結(jié)構(gòu)的聚丙烯PP和聚對(duì)苯二甲酸乙二酯PET高分子材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備。第一步，將兩臺(tái)單螺桿擠出機(jī)分別升溫，第一臺(tái)單螺桿擠出機(jī)的第一加熱區(qū)溫度設(shè)定190°C，第二加熱區(qū)溫度設(shè)定200°C，第三加熱區(qū)溫度設(shè)定200°C，片材機(jī)頭溫度設(shè)定 205°C。第二臺(tái)單螺桿擠出機(jī)，第一加熱區(qū)溫度設(shè)定245°C，第二加熱區(qū)溫度設(shè)定250V ’第三加熱區(qū)溫度設(shè)定250°C，片材機(jī)頭溫度設(shè)定260°C。第二步，待擠出機(jī)溫度升到設(shè)定值， 將準(zhǔn)備好的聚丙烯PP和聚對(duì)苯二甲酸乙二酯PET分別加入到第一臺(tái)、第二臺(tái)螺桿擠出機(jī)中，就可以實(shí)現(xiàn)共擠出片材，將片材在帶有微結(jié)構(gòu)的雙輥上進(jìn)行壓印，這時(shí)雙輥的轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定在100-200r/min,比較合適,這樣就可以制備出帶有微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料,這是其中一種簡(jiǎn)便的加工復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射高分子材料的方法。如圖7所示，制備的半球形微結(jié)構(gòu)的直徑是 O. 15mm，相鄰兩球的中心距是O. 30mm。帶有這種微結(jié)構(gòu)的高分子基復(fù)合結(jié)構(gòu)，對(duì)光線有良好的擴(kuò)散效果，可以使得反射光均勻、柔和，為人們提供一個(gè)舒適的照明環(huán)境。實(shí)施例2通過(guò)鍍膜的方法制備復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射高分子材料，選擇聚丙烯PP作為表層材料，第一步，制備帶有微結(jié)構(gòu)的表面單元，具體方法是先利用擠出機(jī)生產(chǎn)PP片材，單螺桿擠出機(jī)的第一加熱區(qū)溫度設(shè)定190°c，第二加熱區(qū)溫度設(shè)定200°C，第三加熱區(qū)溫度設(shè)定200°C，片材機(jī)頭溫度設(shè)定205°C。待擠出機(jī)溫度升到設(shè)定值，將準(zhǔn)備好的聚丙烯PP加入到螺桿擠出機(jī)中，就可以實(shí)現(xiàn)擠出片材，將片材在帶有微結(jié)構(gòu)的雙輥上進(jìn)行壓印，這時(shí)雙輥的轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定在100-200r/min,比較合適,這樣就可以制備出帶有微結(jié)構(gòu)的表層材料,第二步利用磁控濺射鍍膜設(shè)備，將制備好的表層單元鍍上鋁膜，所制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射高分子材料對(duì)光線有著很好的漫反射效果。光反射效率測(cè)試結(jié)果I.照度的均勻性利用點(diǎn)光源分別照射在不銹鋼板、塑料板、所發(fā)明的高分子基復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射材料上，測(cè)試不同材料的反射光照度的均勻性，照度均勻度=最小照度/平均照度即U =Emin/Eav，Eav = (E1+E2+E3+E4+E5+E6+E7+E8+E9)/9，測(cè)試效果如圖 5_8 所示。圖 5 表示點(diǎn)光源照射到不銹鋼材料表面的光反射效果，可以很容易地看出亮度很不均勻，中間少數(shù)區(qū)域很亮，其他邊緣區(qū)域很暗，而且中間那些小面積區(qū)域亮度很高，看上去有些刺眼，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到不銹鋼反射材料照度的均勻度僅僅是7. 11%。圖6表示點(diǎn)光源照射到聚丙烯和不銹鋼復(fù)合材料表面的光反射效果，該復(fù)合材料表面是光滑的，這時(shí)候我們觀察到中間局部比較亮，邊緣還是有些暗。本發(fā)明通過(guò)共擠出把聚丙烯PP和聚對(duì)苯二甲酸乙二酯PET復(fù)合， 然后利用帶有特殊微結(jié)構(gòu)的雙輥在復(fù)合材料表面壓印。如圖7是具有半球型微結(jié)構(gòu)，半球形微結(jié)構(gòu)的直徑是O. 15mm,相鄰兩球的中心距是O. 3mm。聚丙烯PP和聚對(duì)苯二甲酸乙二酯 PET復(fù)合材料的光反射效果圖，很容易看到反射光均勻，經(jīng)過(guò)計(jì)算這種帶有半球型微結(jié)構(gòu)的聚丙烯和PET復(fù)合材料的反射光的照度均勻度達(dá)到43. 17%,與不銹鋼反射材料、聚丙烯PP 和聚對(duì)苯二甲酸乙二酯PET復(fù)合材料相比，帶有半球型微結(jié)構(gòu)的聚丙烯PP和PET復(fù)合材料的反射光照度均勻性明顯提高，表明該材料具有良好的漫反射效果。如圖8所示是具有六邊形微結(jié)構(gòu)微結(jié)構(gòu)聚丙烯PP和不銹鋼的復(fù)合材料。從圖中可以看出該材料反射光比較均勻，經(jīng)過(guò)計(jì)算照度均勻度是31. 67%。所以本發(fā)明設(shè)計(jì)的表面微結(jié)構(gòu)單元和具有較高反射率的反射單元組成的復(fù)合高分子材料不僅可以作為反射材料使用，而且可以提高反射光照度的均勻性，具有良好的漫反射效果。2.反射率如圖9表示不同的材料在各個(gè)波長(zhǎng)下的反射率，數(shù)據(jù)是利用愛(ài)色麗測(cè)試儀 C0l0ri5測(cè)定的反射率曲線。黑色曲線表示不銹鋼材料的反射率，反射率曲線在各個(gè)波段下，緩慢上升，從30%上升到60%。紅色曲線表示聚丙烯PP無(wú)微結(jié)構(gòu)和不銹鋼復(fù)合材料， 當(dāng)聚丙烯PP無(wú)微結(jié)構(gòu)的材料和不銹鋼復(fù)合后，該材料的反射率略有下降，對(duì)比紅色和黑色的曲線，可以知道下降不多。綠色曲線表示帶有半球形微結(jié)構(gòu)聚丙烯PP和聚對(duì)苯二甲酸乙二酯PET復(fù)合材料，從圖中可以看出在波長(zhǎng)從360 420nm，反射率大幅上升，在波長(zhǎng)430nm 就達(dá)到60 %多，430nm 740nm反射率達(dá)到70 % 80 %，反射率得到了很大的提高，所以帶有半球形微結(jié)構(gòu)聚丙烯PP與聚對(duì)苯二甲酸乙二酯PET復(fù)合結(jié)構(gòu)的材料，不僅反射率光照度均勻，而且反射效率很高。如圖10所示表示不同復(fù)合結(jié)構(gòu)的材料在各個(gè)波長(zhǎng)下的反射率，數(shù)據(jù)是利用愛(ài)色麗測(cè)試儀colori5選擇sci模式下，測(cè)定的反射率曲線，黑色曲線表示帶有六邊形微結(jié)構(gòu)的 PP試樣的反射率曲線，反射率比較低，在各個(gè)波段上，都沒(méi)有超過(guò)20%。綠色曲線表示AL 板的反射率，從圖中可以看出，AL的反射率在各段波長(zhǎng)下，比較均勻，集中在45% 65%， 帶有六邊形微結(jié)構(gòu)的PP和PET復(fù)合的試樣在波長(zhǎng)為360nm 410nm波段反射率呈現(xiàn)曲線上升，從波長(zhǎng)420nm 740nm漫反射率很高，可以達(dá)到60% 75%。對(duì)于藍(lán)色的曲線表示帶有六邊形微結(jié)構(gòu)的聚丙烯PP鍍招的試樣，在波長(zhǎng)370nm 380nm之間，反射率已經(jīng)超過(guò) 100%，最低的反射率也在75%以上。所以從圖中可以看出帶有六邊形微結(jié)構(gòu)的PP鍍鋁的試樣的反射率最高，反射效果最好。
權(quán)利要求
1.一種高分子基復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射材料，其特征在于所述的漫反射材料包括具有微結(jié)構(gòu)表層材料、單層或多層中間材料、反射層材料。
2.如權(quán)利要求I所述的高分子基復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射材料，其特征在于該表面微結(jié)構(gòu)是指具有線性或非線性幾何特征微透鏡陣列。
3.如權(quán)利要求I所述的高分子基復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射材料，其特征在于該表面微結(jié)構(gòu)是微槽型、球型、橢球型、多邊形、拋物面、雙曲面或者其組合。
4.如權(quán)利要求I所述的高分子基復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射材料，其特征在于該表面微結(jié)構(gòu)的特征尺寸為O. I微米到1000微米。
5.如權(quán)利要求I所述的高分子基復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射材料，其特征在于該反射層是鋁、鉻、 銅、鎳、錫、銀及其合金或高分子基復(fù)合材料。
6.如權(quán)利要求I所述的高分子基復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射材料，其特征在于對(duì)光線起擴(kuò)散作用的表層及中間層是透明、半透明高分子材料或者其共混物、或含有機(jī)或無(wú)機(jī)分散相的高分子基復(fù)合材料。
7.如權(quán)利要求I所述的高分子基復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射材料，其特征在于通過(guò)鍍膜、共擠出、 共注射、層壓或粘合方法將各層材料復(fù)合，具有微結(jié)構(gòu)表層材料通過(guò)擠出微壓印、微結(jié)構(gòu)注射或微結(jié)構(gòu)模壓方法制備。
8.如權(quán)利要求I所述的高分子基復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射材料，其特征在于所述的漫反射材料還包括與反射層材料相鄰的底層材料。
全文摘要
一種高分子基復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射材料，其特征在于所述的漫反射材料由多層結(jié)構(gòu)組成，包括具有微結(jié)構(gòu)表層材料、單層或多層中間材料、反射層材料。該表面微結(jié)構(gòu)是指具有線性或非線性幾何特征微透鏡陣列，如微槽型、球型、橢球型、多邊形、拋物面、雙曲面或者其組合。所制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)漫反射高分子材料反射率較高，漫反射效果良好。
文檔編號(hào)G02B5/02GK102590906SQ20121005001
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者何曉祥, 劉穎, 吳大鳴, 姜輝, 羅祎瑋, 計(jì)紅艷, 許紅, 趙忠里, 鄭秀婷 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)