CN101137683B - 用于制备精密光学器件的模制组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及模制组合物,由此制成的模制体,以及包括表面结构的所述模制体的制造方法。
Description
发明领域
本发明涉及一种压印组合物(impression)、由其制成的模制部件、和具有表面结构的该模制部件的制造方法。
背景技术
显示器,例如具有移动用途的显示器的已知照明装置的光源是管式光源(CCFL;冷阴极荧光灯)。该光源发出的光被耦合到具有楔形横截面或在其正表面上具有立方形的模制部件内。尤其由于模制部件的楔形实施方案,在相界处和穿过相应散射的中心发生光束的总反射,且光束在楔形模制部件表面处离开。楔形模制部件的表面与要被透射的显示器相对放置。模制部件的表面具有使光通过折射离开光波导管的结构。由此折射的光通过位于模制部件和显示器之间的数张薄膜校准并被引导,以使基本白色的光到达显示器。这类照射装置的结构很复杂,由于必须在一个框架或类似物中插入数张薄膜而更为如此,且必须确保避免薄膜的位移或类似情况。由于结构复杂,制造成本很高。此外,具有功能缺陷的危险。
含有各种丙烯酸酯的组合物是已知的。
EP 0 478 261 A2描述了含有至多45重量%部分氟化丙烯酸酯的一定组合物。
US 4,511,209 A描述了含有超过9重量%光引发剂或少于50重量%部分氟化丙烯酸酯的组合物。
WO 92/21492 A1描述了含有超过5重量%光引发剂的组合物。
EP 0 536 743 A1描述了含有少于50重量%部分氟化丙烯酸酯或少于24.9重量%非氟化丙烯酸酯的组合物。
EP 0 333 464 A1描述了含有无间隔基的全氟化丙烯酸酯的组合物。
EP 0 196 212 A2也描述了含有无间隔基的全氟化丙烯酸酯的组合物。
发明内容
本发明的目的是提供用于制造模制部件的表面结构的压印组合物和方法,其不用额外的必要薄膜就能够实现可靠、廉价的制备。
在第一个实施方式中,本发明的目的通过无溶剂压印组合物实现,该组合物含有:
a)50至65重量%的至少一种1H,1H,2H,2H-全氟烷基丙烯酸酯,其烷基残基的链长为6至12个碳原子;
b)24.9至45重量%的至少一种非氟化丙烯酸酯;和
c)0.1至5重量%的至少一种光引发剂。
根据本发明,当制造模制部件的表面结构时,将压印组合物施加到阴铸模和/或模制部件上。优选地,阴铸模具有作为阴模形态(negativeform)的要被转印到作为基底的模制部件上的表面结构。表面结构的转印通过可固化压印组合物进行,该组合物在固化后粘合到模制部件表面上。模制部件是优选由透明材料、尤其是透明塑料材料制成的基底。透明塑料材料优选包括选自甲基丙烯酸酯聚合物(例如PMMA)、聚碳酸酯、环烯烃聚合物、苯乙烯聚合物、聚丙烯酸酯、聚醚砜和/或聚酰亚胺的那些。模制部件也可以由玻璃组成。
本发明含义内的全氟化丙烯酸酯优选地包括线型、支化和/或环状丙烯酸烷基酯或这类丙烯酸酯的混合物,其中,特别地,与丙烯酸酯官能团(间隔基)相邻的两个碳原子未被氟化,且其中烷基链的残基优选具有6至12个碳原子。全氟化丙烯酸酯是全氟烷基乙基丙烯酸酯(例如来自Clariant的FluowetAC 600),其中乙基未被氟化且全氟化烷基残基具有4至10个碳原子。如果烷基链更长,就可能不能再确保可脱模性,或可能形成全氟化和非氟化丙烯酸酯单体的两个相。如果在单体的组合物中形成两个或更多相,这可能在固化层中引起更多的光散射(浊度)。但是,如果烷基链更短,所得的压印组合物可能粘度太低。
因此,全氟化丙烯酸酯单体的分子量优选为350至500克/摩尔。如果分子量高于该范围,所得压印组合物可能很容易获得太高的粘度,这可能导致更多地形成表面元(surface element)的缺陷和后生现象(artifact)。如果分子量低于该范围,所得压印组合物可能很容易获得太低的粘度,这可能导致作为本发明的模制部件的一部分的层的层厚度太低。
有利地,本发明的全氟化丙烯酸酯单体的熔点在15至40℃的范围内。由于压印组合物优选在室温下使用,另外可以通过在接近室温的优选范围内选择全氟化丙烯酸酯单体的熔点来控制压印组合物的粘度。
本发明的非氟化丙烯酸酯优选为线型、支化和/或环状丙烯酸烷基酯或这类丙烯酸酯的混合物。特别优选的是具有两个或多个丙烯酸酯官能团和/或两个或多个醇基团和/或至少一个醚桥的单体(例如,二丙二醇二丙烯酸酯、二乙二醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、四乙二醇二丙烯酸酯、三乙二醇二丙烯酸酯、三丙二醇二丙烯酸酯、烷氧基化己二醇二丙烯酸酯、或酯二醇二丙烯酸酯或这类单体的混合物),因为这些单体由于它们的多官能性,产生特别稳定且无光学瑕疵的层作为本发明的模制部件的一部分。有利地,烷基链具有6至12个碳原子。如果烷基链更长,很容易形成部分氟化和非氟化丙烯酸酯单体的两个相。但是,如果烷基链更短,所得压印组合物可能粘度太低。
本发明的非氟化丙烯酸酯单体的分子量优选为150至340克/摩尔。如果全氟化丙烯酸酯单体的分子量高于该范围,所得压印组合物容易获得太高的粘度,这可能导致更多地形成表面元的缺陷和后生现象。如果分子量低于该范围,所得压印组合物可能容易获得太低的粘度,这可能导致作为本发明的模制部件的一部分的层的层厚度太低。
本发明含义内的光引发剂优选为苯基酮衍生物(例如来自CibaSpezialittenchemie Lampersheim GmbH的Irgacure184和/或Irgacure819),因为这些对本发明所得模制部件的光学性能的负面影响特别低。
优选地,压印组合物含有55至60重量%的全氟化丙烯酸酯或不同全氟化丙烯酸酯的混合物,因为当全氟化丙烯酸酯的含量太高或太低时,可能很容易形成部分氟化和非氟化的丙烯酸酯单体的相分离。
压印组合物有利地含有34.9至45重量%的非氟化丙烯酸酯或不同非氟化丙烯酸酯的混合物。对于更低的非氟化丙烯酸酯含量,观察到更多地形成两相压印组合物体系。单体组合物中相分离的形成引起固化的层中光散射(浊度)更大。当非氟化丙烯酸酯的比例更高时,固化的压印组合物与阴铸模的粘合增强并由此在脱模过程中出现问题。
有利地,压印组合物含有1至2重量%的光引发剂或不同光引发剂的混合物。这导致单体的交联特别高并使光学质量和机械负载性能改善。
优选地,压印组合物在室温下的粘度为2至30mPa·s(cP)。由此可以特别精确地再现阴铸模或模制部件的表面结构。粘度可以在25℃下用布鲁克菲尔德粘度计在900转/分钟的转速和CAP-1心轴和67微升的样品体积下测量。
优选地,压印组合物是单相的和/或均匀的,且有利地密度为1至1.5克/毫升。由此,压印组合物的密度高于普通有机组合物和液体,可以取代出自阴铸模的任何有机液体。由此,又可以避免具有表面元的固化层的缺陷。
优选地,压印组合物不含溶剂,因为这不仅产生更环保的制备方法,而且固化时可能逸出的溶剂会在本发明的模制部件的表面结构中造成缺陷。
在第二个实施方式中,本发明的目的通过透明模制部件实现,其包括片状基底和基底主表面上的层厚度为3至300微米并由聚合压印组合物组成的层,该组合物含有:
a)50至65重量%的至少一种如上所述的全氟化丙烯酸酯,;
b)24.9至45重量%的至少一种非氟化丙烯酸酯;和
c)0.1至5重量%的至少一种光引发剂;
其中该层在背向基底的表面上具有带有衍射表面元的表面结构,该表面元的缺陷的最大结构尺寸为至多100纳米,尤其是至多50纳米。
本发明含义内的缺陷是在本发明的模制部件的层的表面上的非预期的所有结构。这些包括,例如,中断、模制缺陷和类似缺陷。例如,如果本发明的模制部件的衍射表面元根据本发明大小为0.04至10,000平方微米,相互距离为1至100微米,这些表面元优选在其外表面上没有无意产生且结构大小超过100纳米的附加结构。这些缺陷的最大体积优选为1,000,000立方纳米,优选125,000立方纳米。
有利地,基底上的本发明的层的层厚度(该层和基底一起构成本发明的模制部件)为5至50微米,优选10至30微米。如果层厚度低于5微米,则在衍射表面元方面的设计自由度可能受到太大的限制。但是,如果层厚度大于50微米,可能会不合意地损失本发明的模制部件的光学质量。
基底优选由玻璃、甲基丙烯酸酯聚合物(例如PMMA)、聚碳酸酯、环烯烃聚合物、苯乙烯聚合物、聚丙烯酸酯、聚醚砜和/或聚酰亚胺,尤其是PMMA组成。这些材料将特别优异的光学性能和与本发明的压印组合物的高相容性结合在一起。
如果对于10毫米的层厚度,在不考虑衍射表面元的情况下,根据ASTM D1003测得的层的最大光散射(浊度)至多为10%,优选至多5%,则模制部件在本发明的含义内被说成是“透明的”。因此,可以在预定的发射方向上获得特别高的光输出,且损失到不想要的发射方向上的散射较少。
本发明的模制部件的颜色优选在根据CIE Lab系统定义的a<0.5和/或b<0.5、和/或L>80%范围内的色空间中。因此,可以获得例如可用作移动电话背光灯的色彩特别中性的模制部件。
这种色空间尤其对应于CIE 1931颜色模型中的0.0<x<0.4和0.3<y<0.4的范围。
在第三个实施方式中,本发明的目的通过用于制备本发明的模制部件的基本无压的方法实现,该方法包括下列步骤:
a)提供具有表面元成型体(shapings)的阴铸模;
b)以超出表面元成型体的量在铸模中加入压印组合物,其含有
i)50至65重量%的至少一种如上所述的全氟化丙烯酸酯,;
ii)24.9至45重量%的至少一种非氟化丙烯酸酯;和
iii)0.1至5重量%的至少一种光引发剂;
c)将基底施加到压印组合物的暴露表面上;
d)使压印组合物聚合,使压印组合物层粘合到基底上,以制备模制部件;和
e)从阴铸模上取出最终模制部件。
在该方法中,基底不接触阴模表面,而是几乎浮在压印组合物的暴露表面上。
在基底和阴铸模以及作为中间层的压印组合物呈三明治状重叠后,将压印组合物固化。例如,这在温度和/或辐射作用下实施,特别优选使用UV辐射,因为由此可以特别迅速地固化压印组合物。对于压印组合物,小于3秒、尤其是大约1秒的固化时间是足够的,因为可以由此减少工艺持续时间和制备方法的成本。随后,分离模制部件和阴铸模。由于阴铸模优选具有不与压印组合物粘合的表面,或者阴铸模表面与压印组合物之间的粘合力低于压印组合物与模制部件之间的粘合力,优选地可以不用溶剂便将模制部件与阴铸模分离。这样的优点在于,阴铸模非常精细的表面结构不会被溶剂或类似物涂饰,从而对表面结构变形的精确度产生不利影响。
本发明含义内的“无压”是指在步骤c)和d)中对压印组合物施加的压力不超过由大气压、重力、上覆基底和将基底轻微压向阴铸模引起的压力。这种轻微加压被认为是指将根据DIN 53576-B的压印硬度为50至200N的泡沫压印3毫米所必须的压力。
由于阴铸模的表面结构非常精细,根据本发明特别重要的是,阴铸模与基底之间的压印组合物层非常均匀且尤其没有任何杂质,例如空气夹杂物和类似物。为了实现这一点,首先将基底或阴铸模压在其一面上。结果阴铸模和基底在从该第一面开始的加压过程开始时具有延伸的缝隙。随后,从该第一面开始,朝第二面增加加压面积。由此将缝隙封闭,从而将任何现存的气泡从该缝隙中推出。由于在缝隙中产生的毛细力,确保了压印组合物在整个所需表面中、尤其在与阴铸模相邻的整个基底侧上均匀分布。
阴铸模优选为所谓的垫片(shim)。这是指特别适用于光学领域的精细模制工艺的阴铸模。为了避免使用脱模剂,垫片优选具有镍表面或完全由镍组成。这确保了脱模操作特别容易。镍片优选具有非常薄的设计,例如,厚度为大约0.1至1毫米。因此,可以用特别低的力使该薄片产生弹性变形,以进行变形。为了在镍层中产生非常小的表面结构,镍垫片优选用电流模制。优选通过平板法(1ithographic process)在镍垫片中引入表面结构。由此,当制备阴铸模时,可以借助既定方法。优选地,将镍垫片连接,优选粘结到加固体(stiffening body)如玻璃纤维板上,从而进行加固,以使脱模时的变形实际上是弹性的且该薄片不会随时间永久变形。
优选地,为了均匀施加或分布压印组合物以作为模制部件和阴铸模之间的压印组合物,持续地增加加压面积。特别地,确保受压区域不再分离以避免产生夹杂物。优选地,模制部件在加压过程中与阴铸模形成优选<3°、更优选<2°的开度角,从而可以实现压印组合物的尽可能均匀的分布。优选将压印组合物通过滴加施加到阴铸模和/或模制部件上,因为这同时确保压印组合物在阴铸模上的良好定量和良好铺展。优选地,通过分配装置施加精确的压印组合物的量,以便更容易地实现本发明的模制部件的可再现性。对于0.0016平米的表面,优选地,施加80微升±2微升的压印组合物的量,因为由此对所述尺寸而言,阴铸模特别精确地被压印组合物填充。因此,由于上述原因,每平米施加优选50毫升的压印组合物的量。为了确保要产生纹理的模制部件表面整个被压印组合物润湿,优选充分过量地供应压印组合物。
为了确保压印组合物与模制部件的牢固粘合,优选对要与压印组合物接触的基底表面进行预处理,以实现固化压印组合物层与基底之间特别好的粘合。特别优选用UV辐射进行预处理,因为由此可以在基底表面上形成自由基反应中心,压印组合物在施加压印组合物时可以已经在基底表面上开始交联。当使用PMMA作为基底并使用上述压印组合物时,数秒、优选少于2秒的预处理是足够的。当通过UV辐射促进固化时,特别优选提供用于预处理和固化的常用装置。因此,可以在已有压印组合物的另一基底进行压印组合物的固化的同时,对还要被涂布的基底进行预处理。
特别优选在施加压印组合物和/或将其压上基底和/或固化压印组合物的同时提供惰性气氛,尤其是氩气、氮气和/或二氧化碳气氛,因为由此可以尽可能远离外界影响,例如环境空气的臭氧含量(自由基来源),更好地进行固化。这尤其避免了由自由基空气或可能不利地影响压印组合物的其它因素引起的过早成形。
模制部件与阴铸模的分离优选地通过使模制部件和/或阴铸模弹性变形来实现,因为以该方式可以使阴铸模再使用。优选地,只有阴铸模发生弹性变形,以避免损害施加到模制部件上的表面结构。由于根据本发明阴铸模优选具有镍表面,且固化的压印组合物更好地粘附到基底表面而非粘附到镍表面上,提供脱模剂并不是必需的。因此,优选地,在本发明的方法中不使用脱模剂。此外,在本发明的这种优选实施方时中,不需要清洗阴铸模,因为固化的压印组合物没有残留在阴铸模上。因此,阴铸模具有自净功能。
有利地,该方法在室温下进行。这与传统方法相比显著简化了工艺管理。
步骤b)中加入到阴铸模中的压印组合物的量有利地为60至100微升。如果压印组合物正好以在基底的整个边界区域形成压印组合物弯月面的量加入,则是特别优选的。这样做的优点是只使用必要量的压印组合物,另一方面,基底和阴铸模之间的压印组合物层是封闭层。
本发明的方法优选在防尘环境中进行,以实现具有本发明的涂层的模制部件的可接受的光学质量。
此外,如果只通过施加基底就可以使压印组合物分布在阴铸模上,则是有利的。由此可以避免气泡形成并由此避免固化层形成缺陷。
具体实施方式
实施例:
将11克1H,1H,2H,2H-全氟辛基丙烯酸酯与8克二丙二醇二丙烯酸酯、来自Ciba Spezialittenchemie Lampersheim GmbH的0.1克Irgacure819和0.2克Irgacure184混合。将60微升所得混合物施加到2×2厘米大小的镍片上,其表面上已经形成有具有散射中心的模制部件相反(negative)形状。随后,在镍片上的混合物的表面上施加1毫米厚且1×1厘米大小的PMMA薄片。此后,用市售UV汞灯对由此获得的镍片夹层结构(该混合物夹在中间)施以UV辐射2秒。随后,将带有粘合到其上的固化压印组合物的基底从阴铸模上取出。该制备方法基本类似于欧洲专利申请05 003 358.8中所述的光学波导管元件的制备方法,将该申请在此并入本文作为参考。
Claims (9)
1.一种密度为1至1.5克/毫升的无溶剂压印组合物,其含有:
a)50至65重量%的至少一种1H,1H,2H,2H-全氟烷基丙烯酸酯,其烷基残基的链长为6至12个碳原子;
b)24.9至45重量%的至少一种非氟化丙烯酸酯;和
c)0.1至5重量%的至少一种光引发剂,
其中,
全氟化丙烯酸酯单体的分子量为350至500克/摩尔,
非氟化丙烯酸酯是具有两个或多个丙烯酸酯官能团和/或两个或多个醇基团和/或至少一个醚桥的单体,并且非氟化丙烯酸酯单体的分子量为150至340克/摩尔,所述非氟化丙烯酸酯中的烷基链具有6至12各碳原子。
2.根据权利要求1所述的压印组合物,其特征在于所述全氟化丙烯酸酯单体的含量为55至65重量%。
3.根据权利要求1所述的压印组合物,其特征在于所述非氟化丙烯酸酯的含量为至少34.9重量%。
4.根据权利要求1所述的压印组合物,其特征在于所述光引发剂的含量为1至2重量%。
5.根据权利要求1所述的压印组合物,其特征在于其粘度为2至30mPa·s。
6.根据权利要求1所述的压印组合物,其特征在于其由单一的液相组成。
7.根据权利要求6所述的压印组合物,其特征在于所述的液相是均匀的。
8.一种透明模制部件,其包括片状基底和位于所述基底主表面上的层厚度为5至50微米并由根据权利要求1所述的压印组合物组成的层,
其中所述层在背向基底的表面上具有带有衍射表面元的表面结构,所述表面元的缺陷的最大结构尺寸至多为100纳米。
9.一种用于制备根据权利要求8所述的模制部件的无压的方法,其包括下列步骤:
a)提供具有表面元成型体的阴铸模;
b)以超出表面元成型体的量在铸模中加入根据权利要求1所述的压印组合物;
c)将基底施加到所述压印组合物的暴露表面上;
d)使所述压印组合物聚合,使压印组合物层粘合到基底上,以制备模制部件;和
e)从阴铸模上取下最终模制部件,
所述无压是指在步骤c)和d)中对所述压印组合物施加的压力不超过由大气压、重力、上覆基底和将基底轻微压向阴铸模引起的压力。
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120627 Termination date: 20140308 |