CN106707374B - 一种光学多层梯度薄膜及其制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学多层梯度薄膜及其制备装置，所述光学薄膜由2M组单元膜叠加而成，每个单元膜具有折射率相差较大的聚合物材料A和B交替而成N个相同的周期结构，聚合物材料A的折射率为n1，聚合物材料B的折射率为n2；前M组实现对一种波段的高反射，后M组实现对另一种波段的高反射。所述的装置主要包括有熔融塑化供料装置、汇流器、多个均匀层叠器、梯度膜厚层叠器和成型装置。本发明利用两种折射率相差较大的材料，可实现多种波段的全反射；采用多个均匀层叠器、梯度膜厚层叠器实现膜厚可控成型，层厚达到纳米级，生产成本低，且具有非常广泛的应用。本发明的薄膜及制备装置制造工艺简单，精度容易保证，对物料适应性和制造效率大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜技术领域，尤其涉及一种新型光学多层梯度薄膜及其制备装置。
背景技术
光学薄膜是一种达到改变预定波段光的透射率和反射率效果的膜。一般说来，膜层的厚度在光波长的量级，可通过改变膜层的厚度来改变光学薄膜的作用波段。对于固定厚度的膜层，不同波段的光对应的光程(即相位差)不同，其相干叠加后的强度不同，这就对应着不同的透射率和反射率。当前，光学薄膜已广泛应用于光学及光电子技术领域，用于制造各种具有特定光学效应的仪器。
在实际应用过程中，光学效应较好的光学薄膜对镀膜材料的纯度、对膜层的厚度和均匀性的要求比较高，因此其价格也较为昂贵，这就限制了这种光学薄膜向其他产业的应用和推广。
另一方面多层薄膜技术是20世纪70年代发明的，它是利用两种或两种以上具有不同折射指数的透明热塑性塑料重复组合形成若干层均匀平行的交替层薄膜。
在中国专利申请CN200910237622.5公开的一种纳米叠层复合材料制备装置，主要包括有熔融塑化供料装置、汇流器、层叠器、成型装置，熔融塑化供料装置、汇流器、层叠器、成型装置前后依次串联，熔体在层叠器入口被均分，沿各自流道扭转、展开、变薄，在叠层器出口汇合成一股多层熔体，然后进入下一个叠层器，重复以上过程。通过层叠器的不断分割、展开、拉薄、汇合，最终得到具有指定层数的具有交替结构的均匀复合材料，但是该方法不能够实现多层梯度薄膜的效果。
在中国专利申请CN201410767872.0公开的一种新型光学聚合物复合薄膜的制作方法，在基底表面覆盖光学薄膜。光学薄膜由M个单元膜叠加而成，每个单元膜由N层采用聚合物材料制成的光学膜层叠加而成，其中N＝2或者N＝3,每层光学膜层具有预定的膜厚，任意相邻两层光学膜层具有不同的折射率；将多层光学膜层叠放在基底表面采用滚压装置压制而成，或者，利用多层共挤吹塑方式制成多层光学薄膜并粘覆在基体表面制成。但是该制作方法效率较低，并且不容易保证加工的精度。
目前，采用聚合物材料作为光学薄膜材料，生产工艺也较为成熟，为光学薄膜转化为便于应用的推广的产品打下了良好的基础。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种新型光学多层梯度薄膜及其制备装置。
本发明提出了一种光学多层梯度薄膜，所述光学薄膜由2M组单元膜叠加而成，每个单元膜具有折射率相差较大的聚合物材料A和B交替而成N个相同的周期结构，聚合物材料A的折射率为n1，聚合物材料B的折射率为n2。前M组实现对一种波段(例如紫外线)的高反射，后M组实现对另一种波段(例如红外线)的高反射。
所述单元膜满足nd＝λ/4，其中n为聚合物材料的折射率，d为材料的单层厚度，λ为单元膜反射带中心波长。
所述单元膜中，聚合物材料A与聚合物材料B周期结构厚度比值为对应折射率比值的倒数，为n2/n1。
所述2M组单元膜反射带中心波长分别为λ1，λ2，……，λ2M。所述单元膜中聚合物材料A/聚合物材料B周期结构的理论层厚依次是：第一组(λ1/4n1)/(λ1/4n2)，第二组(λ2/4n1)/(λ2/4n2)，……，第M组(λM/4n1)/(λM/4n2)，……，第2M组(λ2M/4n1)/(λ2M/4n2)。
上述本发明一种光学多层梯度薄膜的制备装置，主要包括有熔融塑化供料装置、汇流器、多个均匀层叠器、梯度膜厚层叠器、成型装置，熔融塑化供料装置、汇流器、多个均匀层叠器、梯度膜厚层叠器、成型装置前后依次串联，均匀层叠器有多个串联起来，相邻的均匀层叠器沿挤出轴线的法向旋转90度连接，汇流器将来自两个熔融塑化供料装置的两股熔体按照聚合物材料A/聚合物材料B周期结构厚度比叠合成具有两层结构的复合熔体，汇流器与均匀层叠器对接，均匀层叠器入口熔体通道尺寸与旋转90度的出口的熔体通道面积相同，复合熔体沿宽度方向平均分割成t等分，每一等分在均匀层叠器中继续向前流动时旋转90度并且展宽，在出口端相互汇流成为2×t层的叠层结构，相邻均匀层叠器的分层数相同，也可以不相同，该叠层结构熔体进入下一节均匀层叠器再平均分割成m等分，则可得到2×t×m层结构熔体；以此类推可以得到任意多层(层数为x)结构复合熔体。t和m为不小于2的整数，x为由t和m及均匀层叠器数量决定的整数。
若层数为x的多层复合熔体进入一个梯度膜厚层叠器，熔体不再被均匀分割，而是沿宽度方向梯度分割成2M组，该梯度分布决定最终单元膜的厚度比例。梯度膜厚层叠器出口对应的有沿厚度方向相同梯度分割的2M组，梯度膜厚层叠器出口得到2Mx层的复合熔体，每组有x层，M为不小于2的整数。最后与成型装置连接，成型装置保证厚度的相对关系不变而得到最终制品。例如:将两种组分A和B的高分子熔体按照n2:n1，汇流后经过串联一节一分二和两节一分五的三个均匀层叠器，而后进入一定宽度比的M为4的梯度膜厚层叠器，得到总层数为2×(2×5×5)×(2×4)＝800层的多层复合熔体。该层状熔体从成型装置出来后，其结构厚度比例保持不变，最终薄膜的厚度也得以确定。如果梯度膜厚层叠器的梯度分布为(λ1/4n1+λ1/4n2):(λ2/4n1+λ2/4n2):…:(λM4n1+λM/4n2):…:(λ2M/4n1+λ2M/4n2)，且成型装置出口厚度为D，那么得到2M个单元膜厚度依次是：(λ1/4n1+λ1/4n2)S,(λ2/4n1+λ2/4n2)S，…，(λM/4n1+λM/4n2)S，…，(λ2M/4n1+λ2M/4n2)S，其中，S＝D/(λ1/4n1+λ1/4n2+λ2/4n1+λ2/4n2+…+λM/4n1+λM/4n2+…+λ2M/4n1+λ2M/4n2)。相应地，每个单元组内A/B周期结构的厚度依次是：第1组(λ1/4n1)S和(λ1/4n2)S，第2组(λ2/4n1)S和(λ2/4n2)S，…，第M组(λM/4n1)S和(λM/4n2)S，…，第2M组(λ2M/4n1)S和(λ2M/4n2)S。
本发明中，所述新型光学多层梯度薄膜一方面在太阳光谱的紫外波段(300-400nm)以及太阳光谱中主要的红外波段(800-1100nm)形成了近100％的反射，在可见光波段(400-800nm)具有较高的反射效率(80％以上)，可实现宽带的紫外红外反射谱。本发明利用两种折射率相差较大的材料，可实现多种波段的全反射，另一方面采用多个均匀层叠器、梯度膜厚层叠器实现膜厚可控成型，多层实现简单，层厚达到纳米级，生产成本低，且具有非常广泛的应用。该新型光学多层梯度薄膜制备装置的设计制造工艺简单，精度容易保证，并且对物料的适应性和制造的效率有了大大提高。
附图说明
图1是本发明一种光学多层梯度薄膜。
图2是本发明一种光学多层梯度薄膜制备装置。
图3是本发明一种光学多层梯度薄膜制备装置梯度膜厚层叠器中熔体流动示意图。
图4是本发明一种光学多层梯度薄膜制备装置梯度膜厚层叠器中熔体流动入口正视图。
图5是本发明一种光学多层梯度薄膜的反射与透射谱。
图中：1塑化供料装置；2汇流器；3均匀层叠器；4均匀层叠器；5梯度膜厚层叠器；6成型装置。
具体实施方式
本发明提出了一种光学多层梯度薄膜，在具体实施过程中，如图1所示，所述的光学薄膜由八组单元膜叠加而成，即M＝4，反射两个波段，每个单元膜具有由折射率分别为1.49±0.01和1.65±0.01的聚合物材料PMMA和PET交替而成50个相同的周期结构，N＝50。前四组实现对紫外波段的高反射，后四组实现对红外波段的高反射。
所述单元膜满足nd＝λ/4，其中n为材料的折射率，d为材料的单层厚度，λ为单元膜中心波长。
在具体实施过程中，PMMA/PET周期结构厚度比值若为1.1，PMMA/PET周期结构的厚度如下：第一组52.36nm/47.6nm，第二组55.66nm/50.6nm，第三组58.96nm/53.6nm，第四组62.26nm/56.6nm，第五组141.24nm/128.4nm，第六组151.25nm/137.5nm，第七组161.15nm/146.5nm，第八组171.16nm/155.6nm。
本发明提出了一种光学多层梯度薄膜的制备装置，如图2所示，主要包括有熔融塑化供料装置1、汇流器2、均匀层叠器一3、均匀层叠器二4、梯度膜厚层叠器5、成型装置6，熔融塑化供料装置1、汇流器2、均匀层叠器一3、均匀层叠器二4、梯度膜厚层叠器5、成型装置6前后依次串联，汇流器2将来自两个熔融塑化供料装置1的两股聚合物材料熔体PMMA和PET按照厚度比例1.1:1叠合成具有两层结构的复合熔体，汇流器2与均匀层叠器一3对接，均匀层叠器一3入口熔体通道尺寸与旋转90度的出口的熔体通道面积相同，复合熔体沿宽度方向平均分割成2等分，每一等分在均匀层叠器一3中继续向前流动时旋转90度并且展宽，在出口端相互汇流成为2×2层的叠层结构，均匀层叠器一3与均匀层叠器二4的分层数不相同，该叠层结构熔体进入两节相同的均匀层叠器二4依次平均分割成5等分，则可得到2×(2×5×5)＝100层结构熔体，x为100层。
该100层结构熔体进入如图3所示的梯度膜厚层叠器5，熔体不再被均匀分割，而是沿宽度方向梯度分割成8组，图4中8组通道的入口宽度比例为：4998:5313:5628:5943:13482:14437.5:15382.5:16338，前四组与后四组厚度差别较大，该梯度分布决定最终单元膜的厚度比例。梯度膜厚层叠器5出口对应地有沿厚度方向相同梯度分割的八组，梯度膜厚层叠器5出口得到800层的复合熔体，每组有100层。最后与成型装置6连接，成型装置6保证厚度的相对关系不变而得到最终制品。在具体实施过程中，该成型装置6出口厚度为81522nm，且成型装置6保证厚度的相对关系不变，那么得到8个单元膜厚度依次是4998nm、5313nm、5628nm、5943nm、13482nm、14437.5nm、15382.5nm、16338nm的单元，每个单元组内A/B的厚度如下：第一组52.36nm/47.6nm，第二组55.66nm/50.6nm，第三组58.96nm/53.6nm，第四组62.26nm/56.6nm，第五组141.24nm/128.4nm，第六组151.25nm/137.5nm，第七组161.15nm/146.5nm，第八组171.16nm/155.6nm。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种光学多层梯度薄膜的制备装置，其特征在于：主要包括有熔融塑化供料装置、汇流器、多个均匀层叠器、梯度膜厚层叠器和成型装置，熔融塑化供料装置、汇流器、多个均匀层叠器、梯度膜厚层叠器和成型装置前后依次串联，均匀层叠器有多个串联起来，相邻的均匀层叠器沿挤出轴线的法向旋转90度连接，汇流器将来自两个熔融塑化供料装置的两股熔体按照聚合物材料A/聚合物材料B周期结构厚度比叠合成具有两层结构的复合熔体，汇流器与均匀层叠器对接，均匀层叠器入口熔体通道尺寸与旋转90度的出口的熔体通道面积相同，复合熔体沿宽度方向平均分割成t等分，每一等分在均匀层叠器中继续向前流动时旋转90度并且展宽，在出口端相互汇流成为2×t层的叠层结构，相邻均匀层叠器的分层数相同或不相同，所得叠层结构熔体进入下一节均匀层叠器再平均分割成m等分，则可得到2×t×m层结构熔体；以此类推可以得到层数为x的结构复合熔体；层数为x的多层复合熔体进入一个梯度膜厚层叠器，熔体沿宽度方向梯度分割，梯度膜厚层叠器出口对应的有沿厚度方向相同梯度分割的2M组，梯度膜厚层叠器出口得到2Mx层的复合熔体，每组有x层，最后与成型装置连接；t为均匀层叠器复合熔体沿宽度方向平均分割的等分数，m为下一节均匀层叠器复合熔体沿宽度方向平均分割的等分数，x为薄膜进入梯度膜厚层叠器前的层数，x＝2×t×m，t和m为不小于2的整数，x为由t和m及均匀层叠器数量决定的整数；M为光学薄膜中每个单元膜的组数，梯度膜厚层叠器将熔体沿宽度方向梯度分割成2M组，M为不小于2的整数。
2.根据权利要求1所述的一种光学多层梯度薄膜的制备装置，其特征在于：聚合物材料A为PMMA，聚合物材料B为PET，前M组实现对紫外波段的高反射，后M组实现对红外波段的高反射，M取4，PMMA/PET周期结构的厚度如下：第一组52.36nm/47.6nm，第二组55.66nm/50.6nm，第三组58.96nm/53.6nm，第四组62.26nm/56.6nm，第五组141.24nm/128.4nm，第六组151.25nm/137.5nm，第七组161.15nm/146.5nm，第八组171.16nm/155.6nm。
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