CN101365968A - 用在太阳反射镜中的改进的抗紫外线银镜 - Google Patents

用在太阳反射镜中的改进的抗紫外线银镜 Download PDF

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Abstract

一种银镜结构，当在太阳反射镜中使用时，其在整个紫外线和可见光光谱维持高百分比的半球向反射比，该结构包括：a)一个压敏粘合剂层，位于一银覆层下方；b)一个聚合物薄膜，置于该银覆层上；c)一个粘合剂层，位于该聚合物薄膜上；和d)一个屏蔽紫外线的丙烯酸酯薄膜，置于该粘合剂层上。

Description

用在太阳反射镜中的改进的抗紫外线银镜
本发明的契约性来源
根据美国能源部和国家可再生能源实验室中西部研究所分部之间的合同No.DE-AC36-99GO10337，美国政府对本发明拥有权利。
技术领域
本发明涉及用在太阳反射镜中的改进的抗紫外线镜面银镜，且是提交于2001年2月9日的美国专利申请09/762，719的部分继续申请。更具体地说，该发明涉及用在太阳反射镜中的改进的抗紫外线镜面银镜，所述镜的特征在于大大改善了在户外的环境条件下的光学耐久性和对隧道效应(tunneling)和脱层故障的非凡抗性。
背景技术
抗大气影响力的不足和紫外线降解是使用以柔性的镜面银镜制成的太阳反射镜时遇到的问题。当在户外使用时，这些镜必须耐久且抗紫外线(UV)，以保持其尺寸稳定性、漂亮的外观以及在可见光、紫外线和近红外波长的镜面反射。
镜面反射通过镀银复合层而被提供到柔性银镜中，该镀银复合层在一个柔性的聚合物基底的表面上真空沉积一薄层的银。银是优选的金属，因为它的反射率充分高于其他金属，如铝。为随着时间的推移保持镜面反射率，现有技术着重于应用改进的粘合剂和保护层，这些层涂在聚合物基底和银层之上，以保护镜免遭磨损、大气影响(weathering)和紫外线降解。
早期用来保护太阳反射镜免受磨损、大气影响和紫外线降解的技术是针对铝镜开发的。例如，在美国专利No.4,307,150中公开了一个太阳反射镜，其中一个真空沉积在柔性的聚酯支持层上的不透明的铝表面，通过一个丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯(methacrylate)共聚物的共聚物层而免遭腐蚀和大气影响。该支撑层包括了一个双轴取向的聚对苯二甲酸乙二酯层，其具有常规滑爽剂以方便缠绕，以及另一个不包含滑爽剂的聚对苯二甲酸乙二酯层。
银比铝具有更高的镜面反射率。因此，合乎逻辑的假设曾是在上文所述的太阳反射镜中以银取代铝。然而，本方法已经在美国专利No.4.645,714中被披露具有两种不可取的现象。首先，银易受腐蚀，无论是由丙烯酸酯覆层中孔的发展而引起的，还是沿着涂银薄膜的外围部分。其次，银的薄层与铝的薄层不同，它具有一个谱窗口，紫外线(“UV”)容易经该窗口通过。该光的透射峰值在320nm，日光包括了这个波长内的紫外线。穿过该银层的该紫外线传输降解了下面的聚酯衬底，造成粘合剂中出现泡沫，该粘合剂通常用来将该基底粘附到刚性的支撑面。这种降解和起泡降低了该太阳反射镜的美观性和镜面功能特性。
被纳入了覆盖在聚酯和银镜衬底之上的粘合剂或保护膜覆层之中的缓蚀剂和紫外线吸收剂已被用来保持这些功能特性。然而，虽然缓蚀剂确能减轻腐蚀，但随着时间的推移，它们频繁地向该镜添加一种不可接受的颜色，并且不能阻挡紫外线。相反，当紫外线吸收剂被纳入一个保护性的聚合物覆层之中时，聚酯支撑层降解率减少，但银腐蚀加剧。因此，人们一直在尝试，将该缓蚀剂和紫外线吸收剂成分与该镜中的反应成分隔离，以便消除这些不良效应。
在Roche的美国专利No.4,645,714中公开了一种耐腐蚀银镜，其中一缓蚀剂和一紫外线吸收剂均被纳入独立的丙烯酸酯共聚物涂料薄覆层中。该镜面反射镜是由一聚酯支撑膜之上的真空沉积的银形成的。聚酯支撑膜的紫外线降解、以及随之发生的下方的粘合剂的起泡，是通过将紫外线吸收剂纳入被涂于第一聚合物覆层之上的第二聚合物覆层之中而减轻的，其中该第一聚合物覆层纳入了缓蚀剂。该第一聚合物覆层是直接涂在该银反射表面上的。该聚合物基底——一个共挤双轴取向聚酯箔，包括：(1)一个聚对苯二甲酸乙二酯层，其包括了常规滑爽剂以方便卷绕；和(2)不包括滑爽剂的聚对苯二甲酸乙二酯层，其导致一个光学平滑的暴露表面。该银镜面反射层覆于该共挤薄膜的光滑表面上，且被结合到其上。在该银层之上的是一个第一丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯共聚物覆层，具有0.5至2.5％的二巯基乙酸乙二醇酯分散剂，其用作偶联剂底漆，和缓蚀剂。此覆层重量为1-4g/m2。覆于该第一丙烯酸酯覆层之上的是第二丙烯酸酯覆层，其包括在整个300-400纳米范围内有效的紫外线吸收剂。该第二涂层的重量是4-8g/m2。将该缓蚀剂和紫外线吸收剂包括到独立的层中，是旨在保持该紫外线吸收剂与该银不接触，并避免任何腐蚀效应。在该共挤聚酯支撑膜的反面是一个均质的粘性压敏粘合剂(95:5丙烯酸异辛酯：丙烯酰胺共聚物)覆层，重约10-15g/m3。常规隔离衬垫例如聚硅氧烷涂覆的聚酯薄膜，可用于在使用前保护粘合剂。美国专利No.4,645,714的公开内容在此以援引方式纳入本文，如同全部在本文提出。
然而，据Hutchinson的美国专利No.5,118，540所述，在美国专利No.4,307,150和4,645,714中所述的反射薄膜通常不适用于太阳能应用。在户外条件下，这些薄膜的薄丙烯酸酯防水覆层易于糟糕地受到大气影响，并迅速被侵蚀。因此，这些覆层提供了一道不足以防护磨损和水汽的屏障。若该太阳反射镜包括一个具有一个聚酯支撑层和一层银的衬底，当外部丙烯酸酯防水覆层包括紫外线吸收剂时，紫外线侵蚀并降解该聚酯支撑层，该镜的美观性和光学效率变差。为了缓解此问题，Hutchinson公开了在粘合剂中使用缓蚀剂和紫外线吸收剂，所述粘合剂被用于将一个抗磨损且抗水汽的碳氟化合物保护性覆层结合在聚酯和银镜衬底的上方。该处中的相关的实施方案描述了抗腐蚀且抗紫外光的柔性反射膜，其中抑制剂和吸收剂被各自纳入独立的粘合剂覆层。一薄层的银被真空沉积到一个柔性的聚酯支撑层上，产生了该镜面银表面。该粘合剂用于将一碳氟化合物薄膜固定到该银表面，该薄膜具有抗磨损和抗大气影响的功能。该粘合剂被作用到两个独立的层中。该第一粘合剂层邻近于该银沉积层，并包括一抗蚀剂。该第二粘合剂层包括一紫外线吸收剂，且覆于该第一粘合剂层的上方，用于将该碳氟化合物保护膜固定到该银表面。用粘合剂将该碳氟化合物薄膜固定到该银表面是本结构的一个必需的要素，因为碳氟化合物薄膜不与金属表面结合。然而，该结构作为太阳反射镜，随着时间的推移并不是没有缺陷。在紫外线下，改进的粘合剂(纳入了紫外线吸收剂和抗蚀剂的粘合剂)直接在银衬底上的涂覆导致了该银/粘合剂界面的降解。当银被直接粘合到丙烯酸酯薄膜时，也发生脱层故障。此外，不带有紫外线吸收剂的碳氟化合物保护性薄膜通常提供了不足以抵抗大气影响的防护。出于这些原因，人们相信，这些银镜用作太阳反射镜时仍然缺乏长期耐久性，这导致光学效率和美观性的损失。
存在对改进的抗紫外线银镜的需求，该银镜能有效地屏蔽紫外线，保留其镜面光学效率和美观性，给出与现有技术的聚合物反射镜相比大为改良的光学耐久性，并且展示对脱层故障的非凡抗性。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种改进的太阳反射镜材料的结构，其与现有技术的聚合物反射镜结构相比具有改进的光学耐久性。
本发明的另一个目标是提供一种改进的太阳反射镜材料的结构，其具有对隧道效应或脱层故障的改进的抗性。
本发明还有一个目标是提供一种改进的太阳反射镜结构，其中银层被定位在一聚酯薄膜层之下，以保持该银层的顶面不接触粘合剂，以通过顶层屏蔽掉大量的紫外线，以保护该聚酯层和该银/聚合物界面免受紫外线降解。
本发明还有一个目标是提供一种改进的太阳反射镜结构，其中银层被定位在一聚酯薄膜层之下，以保持该银层的顶面不接触粘合剂，以允许由顶层屏蔽大量的紫外线，以保护该聚酯层和该银/聚合物界面免受紫外线降解，且其中在银层下方加了一铜层，以允许该银层的背面与该压敏粘合剂分离。
简而言之，本发明提供了一种改进的太阳反射镜的结构，其中银层位于聚酯薄膜层的下方，以保持该银层的顶面不接触粘合剂，以允许由顶层屏蔽大量的紫外线，以保护该聚酯层和该银/聚合物界面免受紫外线降解。
本发明的前述具体目标和优点对于本发明所能实现的目标和优点而言是示例性的，并非意在穷举或限定可被本发明实现的优点。因此，本发明的那些以及其他目标和优点可从此处的描述明了，或可从实践本发明中得知，所述目标和优点在此处得以体现或如同那些根据本领域技术人员显而易见的变体而修改的。
除非另有说明，此处使用的科学技术术语均具有与本发明所属领域普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。虽然任何与此处所述类似或等同的方法和材料都可以用在本发明的实践或测试之中，现仍对优选的方法和材料进行描述。
附图说明
图1是示出了改进的太阳能反射镜的横截面图，其中根据本发明的结构，银层位于一聚酯薄膜层下方。
图2是示出了该改进的太阳能反射镜的替代性实施方案的横截面图，其中银层被置于一聚酯薄膜层之下，而一铜层被置于该银层之下。
图3是示出了在本发明的改进的抗紫外线银镜结构和美国专利No.4.645,714中所公开的3M公司的SS-95型镜面结构上采用了“使用集中日光对非金属材料进行加速户外大气影响”获得的半球向反射比(％)(hemispherical reflectance)相对于以年为单位的等效曝光时间的变化。
图4是一个图表，示出了在本发明的改进的抗紫外线的银镜结构上的和在镀银的厚丙烯酸酯镜样品上的未出现脱层故障的区域所占的百分比作为浸入水中的时间的函数。
具体实施方式
本发明提供用于太阳反射镜中的改进的抗紫外线镜面银镜，其中该镜的特征在于大大改善了在户外的环境条件下的光学耐久性和对隧道效应和脱层故障的非凡抗性。
现在参照附图，其中相同的号码代表了相同的元件，且其中图1从总体上示出了银镜10的最基础的构造。银镜10包括了屏蔽紫外线的丙烯酸酯薄膜11，其置于沉积在聚酯薄膜13之上的粘合剂层12之上。银覆层14被定位于该聚酯薄膜层之下，从而保持该银层的顶部光照面不接触该粘合剂，该粘合剂是可以导致银层降解的材料。一个压敏粘合剂层15被置于银覆层14之下。
在图1中所示的结构中，银层位于一聚酯薄膜层的下方，虽然这会导致反射率略低于银层在聚酯层上方的结构，但这个结构保持了银层的顶面(光照面)，也即最易遭到紫外线引发的降解的面(不与粘合剂接触)，该粘合剂是一种可促进银降解的材料。该粘合剂对可见光、紫外线和近红外光具有高的透过性。该结构的耐久性和户外耐大气影响性的关键在于顶层的广泛的紫外线屏蔽，该顶层保护了该聚酯层(免受紫外线降解)和银/聚合物界面(该界面也易受紫外线降解)。
本发明基于前述构建改进的银镜的新方式，其中将市售的但单独不足以构成太阳反射镜的材料以独特的方式合并，以形成一耐久的具有户外耐大气影响性的太阳反射镜。早些时候的结构描述了一种太阳反射镜结构，其中由3M公司开发的一种低成本的反射材料，SS-95，(通过多种结合方式)与一屏蔽紫外线的薄膜相结合。SS-95自身并不具有作为用于太阳能设备上的可行材料的足够的户外耐大气影响性。SS-95的户外耐大气影响性本身非常有限，因为用于制造该产品的超薄覆膜不能为下方的镀银反射层提供足够的保护。然而，当以一厚得多的屏蔽紫外线的薄膜保护时，就达到了户外耐大气影响性。
在本发明中有对此概念的改进和增补。一种基于丙烯酸酯的紫外线屏蔽薄膜(名为KoradTM)是市面现有的产品。该产品具有能使之成为该改进的太阳反射镜的良好顶层的特性。虽然也发现了市面现有的其他银反射薄膜(不同于SS-95)，但这些市面现有的其他银反射薄膜由于材料的固有限制和它们的结构而不具有良好的户外耐大气影响性。这些市面现有的镀银薄膜是用于室内使用的，例如增强办公室灯具的性能。加上屏蔽紫外线的薄膜(例如KoradTM)顶层，可得到一个合适的太阳反射镜，其给出了大为改进的户外耐大气影响性。
参见图2，示出了用于太阳反射镜的改进的抗紫外线银镜的另一个实施方案。在该实施方案中，银层14之下和压敏粘合剂层15之上有一铜层16。本结构生成了一个改进的抗紫外线银镜，当该抗紫外线银镜用在太阳反射镜中时，提供更佳的户外耐大气影响性，因为银层的背面与压敏粘合剂层15分离。
在图1和图2中的结构上执行的加速曝露测试，例如使用加速的实验室可控的和加速的户外环境测试，展示了与现有技术中的聚合物反射镜相比大为改良的光学耐久性，因为现有技术的聚合物镜特别易遭受所知的隧道效应故障模式——其中在水汽条件下反射层灾难性地从聚合物层脱离。此外，该新结构(其不包括丙烯酸酯防水薄覆层)的加速大气影响曝露测试示出了与Roche的专利No.4,465,714中的3M公司的商业材料(SS-95)相比，该结构展示了非凡的光学耐久性。
工业应用
图3示出了与基于Roche的专利的3M公司的商业材料(SS-95)相比，本发明的新反射镜结构(其不包括丙烯酸酯防水薄覆层)的光学耐久性的引人注目的改善。空心三角形符号示出了该SS-95反射镜的反射率的改变作为在亚利桑那州菲尼克斯市的实时曝露的函数。实心符号示出了改良的层反射镜结构的优选实施方案的结果。这些材料受到大约5倍于自然日光的户外曝露。这些曝露是用
Figure A200680052293D0009162328QIETU
(准确控制的紫外线曝露)大气影响装置根据测试标准ASTM G 90——“使用集中自然日光对非金属材料进行加速户外大气影响＂——进行的。实心的方形符号对应于我们的改进的反射镜，所述反射镜具有2.4mil厚的丙烯酸酯屏蔽紫外线层/PET/银/铜/PSA的结构，其中PET是聚对苯二甲酸乙二酯(聚酯)而PSA是压敏粘合剂。用于该曝露于
Figure A200680052293D0009162343QIETU
的材料的等效曝露时间基于紫外日光的累积性照射量。
可见，虽然SS-95材料的初始反射率略微大于改进的反射镜，但在约两年的户外曝露之后，该SS-95的反射率迅速降低。然而，改进的本发明镜面在相当于超过9年的户外曝露中保留了高反射率。
现有技术的另一个缺点和指定了较厚的镀银丙烯酸酯薄膜的结构相关。真空沉积银与丙烯酸酯薄膜之间固有的粘性很弱。人们发现，包含了银/丙烯酸酯结构的太阳镜在应用于户外时，一旦暴露于水汽下，特别易于遭受所知的隧道效应故障模式——其中该银层灾难性地从该基底丙烯酸酯层脱离。该厚的丙烯酸酯薄膜吸收了水汽并膨胀，产生机械压力，该机械压力导致了与该银层的脱离。该效应在图4中清晰地示出。这些结果对应于将候选的镀银聚合物太阳镜结构浸入水中的测试，且测量了脱层区域所占百分比作为浸没时间长度的函数。对于所引现有技术中所指定的镀银的厚丙烯酸酯薄膜样品，镜面的60％在仅仅4天之后就脱层。这造成了彻底的不可接受的故障。
虽然已经参考特定实施方案对本发明做了描述，但应理解对本发明的修改和改变对于本领域技术人员将是显而易见的，且这样的修改和替换可在不脱离权利要求所限定的范围和精神的前提下做出。

Claims (11)

1.一种银镜结构，当在太阳反射镜中使用时，其在整个紫外线和可见光光谱维持高百分比的半球向反射比，该结构包括：
a)一个压敏粘合剂层，位于一银覆层下方；
b)一个聚合物薄膜，置于该银覆层上；
c)一个粘合剂层，位于该聚合物薄膜上；和
d)一个屏蔽紫外线的丙烯酸酯薄膜，置于该粘合剂层上。
2.权利要求1的银镜，其中一个铜层插入所述银覆层下方和所述压敏粘合剂层上方。
3.权利要求1的银镜，其中所述聚合物薄膜是聚酯。
4.权利要求3的银镜，其中所述聚酯薄膜是聚对苯二甲酸乙二酯。
5.权利要求2的银镜，其中所述聚合物薄膜是聚合物聚对苯二甲酸乙二醇酯。
6.权利要求4的银镜结构，其特征在于厚度约2.4mil。
7.权利要求5的银镜结构，其特征在于厚度约2.4mil。
8.权利要求6的银镜结构，其中所述高百分比的半球向反射比在2年以外的时期中超过90％。
9.权利要求7的银镜结构，其中所述高百分比的半球向反射比在约2年以外的时期中超过90％。
10.权利要求8的银镜结构，其中所述约2年以外的时期是超过大约9年。
11.权利要求9的银镜结构，其中所述约2年以外的时期是超过大约9年。
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