CN102590906A - 一种高分子基复合结构漫反射材料 - Google Patents

Abstract

一种高分子基复合结构漫反射材料，其特征在于：所述的漫反射材料由多层结构组成，包括具有微结构表层材料、单层或多层中间材料、反射层材料。该表面微结构是指具有线性或非线性几何特征微透镜阵列，如微槽型、球型、椭球型、多边形、抛物面、双曲面或者其组合。所制备的复合结构漫反射高分子材料反射率较高，漫反射效果良好。

Description

一种高分子基复合结构漫反射材料

技术领域：

高分子基复合材料，高分子材料加工，微纳制造。 

背景技术：

随着科学技术的进步，生活水平的提高，人们对环境的舒适要求也越来越高，目前应用较多的反射材料多为铝、铜、镍、铬等金属材料或塑料表面镀金属材料，在这种情况下，如果光源是点光源，这种反射材料形成镜面反射，容易产生眩光、光照不均匀等问题。而且金属材料的氧化也会使其反射效率下降。LED作为一种新型光源目前在各个领域都有着相当广泛的应用，包括显示、各种照明场合，与普通光源相比，照明用白光LED的特点是其体积小却具有超高亮度和定向光输出性，光照均匀度难以得到保证，更易产生眩光问题，上述传统的反射材料无法解决这些问题。目前关于反射材料的研究大多数都是局限于用反射膜的方法制备定向反射材料，主要用于交通标志等方面。定向反射材料是一种有机和无机相结合，由高折射率玻璃微珠、反射材料层、耐候性高分子树脂及高强度粘合剂等组成的复合型薄膜材料。这些定向逆反射材料虽然反射率比较高，用反射膜做的警示牌比其他非反射材料更醒目，具有节能高效的效果，但其中的漫反射率较低，不能产生均匀的照明效果。 

为此需研究新型反射材料提高高强度点光源的反射效率和漫反射效果，本发明正是基于上述背景提出，本发明可用于LED照明及对漫反射要求较高的照明场合，可以推广LED在照明领域的应用。本发明将高分子材料的加工与微纳制造相结合，从材料本身以及材料表面的微结构制作工艺出发，提出了通过将高反射材料与微结构光学设计相结合实现良好的漫反射效果和较高反射率。该复合材料用镀膜、共挤出、共注射、层压、粘合等方法将各层材料复合，表面微结构通过挤出微压印、微结构注射、微结构模压方法制备。制备的复合结构漫反射材料的反射原理如图1所示。没有微结构的复合材料对光的反射效率会提高，但是光线的分布不均匀，而用表面具有微结构的反射 复合材料由于光线通过微结构的折射作用，反射效果均匀，达到很好的漫反射效果。该复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。 

发明内容：

本专利所要解决的问题是提高高强度点光源的反射效率和漫反射效果，提供了一种高分子基复合结构及制备方法，该结构光反射材料不仅具有良好的反射效果，而且具有很好漫反射效果，能够达到一种反射出光均匀、柔和的效果。 

本专利解决上述问题所采用的技术方案为：将该高分子基复合结构材料设计为多层，主要包括扩散层、中间层、反射层，如图2所示。 

进一步，该表面微结构是指具有线性或非线性几何特征微透镜阵列。 

进一步，该表面微结构是微槽型、球型、椭球型、多边形、抛物面、双曲面或者其组合。 

进一步，该表面微结构的特征尺寸为0.1微米到1000微米。 

进一步，该反射层是铝、铬、铜、镍、锡、银及其合金或高分子基复合材料。 

进一步，对光线起扩散作用的表层及中间层是透明、半透明高分子材料或者其共混物、或含有机或无机分散相的高分子基复合材料。 

进一步，可以添加底层材料4，底层的作用主要是保护反射层或中间层。 

进一步，通过镀膜、共挤出、共注射、层压或粘合方法将各层材料复合，具有微结构表层材料通过挤出微压印、微结构注射或微结构模压方法制备。 

表层1的特征是经过微压印处理。微压印技术的基本原理是：首先将聚合物基片加热到其玻璃化温度以上30℃～100℃，对于结晶型聚合物基片，温度要达到熔融温度以上，然后在一定的压力作用下，将压印模具其上有所需要的微结构图形，压在聚合物基片上，使聚合物填充到模具上的微结构中，冷却定型后脱模，达到图形复制转移的目的。表面微结构通过挤出微压印、微结构注射、微结构模压方法制备。表层的微结构是具有线性或非线性几何特征微透镜阵列，微槽型、球型、椭球型、多边形、抛物面、双曲面等及其组合，如图3(a)所示球型微结构，图3(b)所示六边形微结构。微结构单元的 特征尺寸为0.1微米到1000微米。对光线起扩散作用、具有微结构的表层可以是透明、半透明高分子材料及其共混物或含有机、无机分散相的高分子基复合材料。当光线照射到透明或者半透明的表层会穿透表层单元，射到反射层，接下来反射回来，再次通过表层单元射出。带有微结构的表层对光线有扩散作用，原理见图1。采用具有反射率较高的材料作为反射层2，反射层可以是铝、铬、铜、镍、锡、银具有较高反射率的金属材料及其合金或高分子基复合材料，反射层可以减少光的透过和吸收，增加复合结构反射率。对于一些不易熔接的聚合物，或是金属，增加中间层可以起到填充和粘合的作用。底层材料4选择耐磨、耐高温的塑料材料或具有散热效果良好的其他耐磨材料，底层的作用主要是保护反射层或中间层。提出的制备方法为通过镀膜、共挤出、共注射、层压、以及粘合方法将各层材料相复合。所制备的复合结构漫反射高分子材料反射率较高，漫反射效果良好。 

附图说明：

图1为点光源照到材料表面反射光示意图(a)未加微结构(b)加微结构 

图2为高分子基复合结构漫反射材料 

1-扩散层 

2-中间层 

3-反射层 

4-底层 

图3为微结构显微镜图片(放大40倍) 

(a)半球形微结构(b)六边形微结构 

图4为高分子基复合结构漫反射板三维视图 

图5为不锈钢材料的光反射效果图片 

图6为PP无微结构复合材料的光反射效果图 

图7为具有PP半球形微结构复合材料的光反射效果图 

图8为具有PP六边形微结构复合材料的光反射效果图 

图9不同材料的反射率曲线。 

1-不锈钢 

2-无微结构聚丙烯PP和不锈钢复合材料 

3-带有半球形微结构聚丙烯PP和PET复合材料 

图10六边形微结构的聚丙烯PP和AL的反射率曲线对比。 

1-带有六边形微结构的聚丙烯PP表面单元的反射率曲线 

2-带有六边形微结构的聚丙烯PP和聚对苯二甲酸乙二酯PET复合结构的反射率曲线 

3-AL的反射率曲线 

4-带有六边形微结构的聚丙烯PP镀铝反射率曲线。 

具体实施方式：

以下结合附图对本专利做进一步详细描述。 

如图2所示，表面扩散层1、中间层2、反射层3、底层4可以通过镀膜、共挤出、共注射、层压、粘合这些方法相复合。表面微结构单元1可以通过挤出微压印、微结构注射、微结构模压方法制备。 

实施例1，用共挤出微压印的方法制备复合结构漫反射高分子材料，简单地介绍一种带有半球形微结构的聚丙烯PP和聚对苯二甲酸乙二酯PET高分子材料复合结构的制备。第一步，将两台单螺杆挤出机分别升温，第一台单螺杆挤出机的第一加热区温度设定190℃，第二加热区温度设定200℃，第三加热区温度设定200℃，片材机头温度设定205℃。第二台单螺杆挤出机，第一加热区温度设定245℃，第二加热区温度设定250℃，第三加热区温度设定250℃，片材机头温度设定260℃。第二步，待挤出机温度升到设定值，将准备好的聚丙烯PP和聚对苯二甲酸乙二酯PET分别加入到第一台、第二台螺杆挤出机中，就可以实现共挤出片材，将片材在带有微结构的双辊上进行压印，这时双辊的转数设定在100-200r/min，比较合适，这样就可以制备出带有微结构的复合材料，这是其中一种简便的加工复合结构漫反射高分子材料的方法。如图7所示，制备的半球形微结构的直径是0.15mm，相邻两球的中心距是0.30mm。带有这种微结构的高分子基复合结构，对光线有良好的扩散效果，可以使得反射光均匀、柔和，为人们提供一个舒适的照明环境。 

实施例2通过镀膜的方法制备复合结构漫反射高分子材料，选择聚丙烯PP作为表层材料，第一步，制备带有微结构的表面单元，具体方法是先利用 挤出机生产PP片材，单螺杆挤出机的第一加热区温度设定190℃，第二加热区温度设定200℃，第三加热区温度设定200℃，片材机头温度设定205℃。待挤出机温度升到设定值，将准备好的聚丙烯PP加入到螺杆挤出机中，就可以实现挤出片材，将片材在带有微结构的双辊上进行压印，这时双辊的转数设定在100-200r/min，比较合适，这样就可以制备出带有微结构的表层材料，第二步利用磁控溅射镀膜设备，将制备好的表层单元镀上铝膜，所制备的复合结构漫反射高分子材料对光线有着很好的漫反射效果。 

光反射效率测试结果： 

1.照度的均匀性 

利用点光源分别照射在不锈钢板、塑料板、所发明的高分子基复合结构漫反射材料上，测试不同材料的反射光照度的均匀性，照度均匀度＝最小照度/平均照度即U＝Emin/Eav，Eav＝(E1+E2+E3+E4+E5+E6+E7+E8+E9)/9，测试效果如图5-8所示。图5表示点光源照射到不锈钢材料表面的光反射效果，可以很容易地看出亮度很不均匀，中间少数区域很亮，其他边缘区域很暗，而且中间那些小面积区域亮度很高，看上去有些刺眼，经过计算得到不锈钢反射材料照度的均匀度仅仅是7.11％。图6表示点光源照射到聚丙烯和不锈钢复合材料表面的光反射效果，该复合材料表面是光滑的，这时候我们观察到中间局部比较亮，边缘还是有些暗。本发明通过共挤出把聚丙烯PP和聚对苯二甲酸乙二酯PET复合，然后利用带有特殊微结构的双辊在复合材料表面压印。如图7是具有半球型微结构，半球形微结构的直径是0.15mm，相邻两球的中心距是0.3mm。聚丙烯PP和聚对苯二甲酸乙二酯PET复合材料的光反射效果图，很容易看到反射光均匀，经过计算这种带有半球型微结构的聚丙烯和PET复合材料的反射光的照度均匀度达到43.17％，与不锈钢反射材料、聚丙烯PP和聚对苯二甲酸乙二酯PET复合材料相比，带有半球型微结构的聚丙烯PP和PET复合材料的反射光照度均匀性明显提高，表明该材料具有良好的漫反射效果。如图8所示是具有六边形微结构微结构聚丙烯PP和不锈钢的复合材料。从图中可以看出该材料反射光比较均匀，经过计算照度均匀度是31.67％。所以本发明设计的表面微结构单元和具有较高反射率的反射单元组成的复合高分子材料不仅可以作为反射材料使用，而且可以提高反射光照度的均匀性，具有良好的漫反射效果。 

2.反射率 

如图9表示不同的材料在各个波长下的反射率，数据是利用爱色丽测试仪colori5测定的反射率曲线。黑色曲线表示不锈钢材料的反射率，反射率曲线在各个波段下，缓慢上升，从30％上升到60％。红色曲线表示聚丙烯PP无微结构和不锈钢复合材料，当聚丙烯PP无微结构的材料和不锈钢复合后，该材料的反射率略有下降，对比红色和黑色的曲线，可以知道下降不多。绿色曲线表示带有半球形微结构聚丙烯PP和聚对苯二甲酸乙二酯PET复合材料，从图中可以看出在波长从360～420nm，反射率大幅上升，在波长430nm就达到60％多，430nm～740nm反射率达到70％～80％，反射率得到了很大的提高，所以带有半球形微结构聚丙烯PP与聚对苯二甲酸乙二酯PET复合结构的材料，不仅反射率光照度均匀，而且反射效率很高。 

如图10所示表示不同复合结构的材料在各个波长下的反射率，数据是利用爱色丽测试仪colori5选择sci模式下，测定的反射率曲线，黑色曲线表示带有六边形微结构的PP试样的反射率曲线，反射率比较低，在各个波段上，都没有超过20％。绿色曲线表示AL板的反射率，从图中可以看出，AL的反射率在各段波长下，比较均匀，集中在45％～65％，带有六边形微结构的PP和PET复合的试样在波长为360nm～410nm波段反射率呈现曲线上升，从波长420nm～740nm漫反射率很高，可以达到60％～75％。对于蓝色的曲线表示带有六边形微结构的聚丙烯PP镀铝的试样，在波长370nm～380nm之间，反射率已经超过100％，最低的反射率也在75％以上。所以从图中可以看出带有六边形微结构的PP镀铝的试样的反射率最高，反射效果最好。 

Claims (8)

1.一种高分子基复合结构漫反射材料，其特征在于：所述的漫反射材料包括具有微结构表层材料、单层或多层中间材料、反射层材料。

2.如权利要求1所述的高分子基复合结构漫反射材料，其特征在于：该表面微结构是指具有线性或非线性几何特征微透镜阵列。

3.如权利要求1所述的高分子基复合结构漫反射材料，其特征在于：该表面微结构是微槽型、球型、椭球型、多边形、抛物面、双曲面或者其组合。

4.如权利要求1所述的高分子基复合结构漫反射材料，其特征在于：该表面微结构的特征尺寸为0.1微米到1000微米。

5.如权利要求1所述的高分子基复合结构漫反射材料，其特征在于该反射层是铝、铬、铜、镍、锡、银及其合金或高分子基复合材料。

6.如权利要求1所述的高分子基复合结构漫反射材料，其特征在于对光线起扩散作用的表层及中间层是透明、半透明高分子材料或者其共混物、或含有机或无机分散相的高分子基复合材料。

7.如权利要求1所述的高分子基复合结构漫反射材料，其特征在于通过镀膜、共挤出、共注射、层压或粘合方法将各层材料复合，具有微结构表层材料通过挤出微压印、微结构注射或微结构模压方法制备。

8.如权利要求1所述的高分子基复合结构漫反射材料，其特征在于所述的漫反射材料还包括与反射层材料相邻的底层材料。

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