CN110187429A - 用于发光的光纤柔性膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种用于发光的光纤柔性膜及其制备方法，所述柔性膜是将聚甲基丙烯酸甲酯纤芯的光纤部分嵌入TPU材料形成的膜中制成，其中，所述TPU材料是通过PPG 2000、T12催化剂、1，4‑丁二醇、三羟甲基丙烷、异佛尔酮二异氰酸酯以及消泡剂反应形成的；光源可与柔性膜膜体外预留光纤接口连接，光纤导光透过所述柔性膜形成发光柔性膜。本发明实施例提供的用于发光的光纤柔性膜，以光纤传导使柔性膜发光以及柔性膜的制备为核心技术，以TPU材料作为光纤的承载体，将光管控于柔性透明膜中提高了光的利用率，降低耗能，具有质量轻、机械性能优良、便于安装维修、成本低廉的优点。

Description

用于发光的光纤柔性膜及其制备方法
技术领域
本发明实施例涉及光学材料技术领域，具体涉及一种用于发光的光纤柔性膜及其制备方法。
背景技术
近年国内整体广告市场增速日渐趋于平稳，CAGR5约为8％，2017年广告规模约为3800亿元，而传统媒体行业规模约3000亿元，生活圈媒体市场规模约150亿元。由此可见，实体广告仍占据着广告行业较大的市场份额，但传统广告牌大多数存在耗能高、施工或维修难度大、易对人造成物理伤害等缺点。而且现在建筑玻璃幕墙的灯光夜景也成为城市中一道亮丽的风景线，视觉艺术领域也掀起了2D伪3D的热潮，现有部分计算机键盘或笔记本电脑无背光键盘照明，荧光键盘膜辅助照明亮度低，发光颜色单一，辅助照明计算机键盘不便于收纳，电路较复杂，产热高以及带有背光键盘的计算机能耗大、产热高，影响电池寿命的缺点。
综上所述，现有的发光装置存在着光能有效利用率不高，不便于收纳、发光单一、耗能大产热高以及制造、施工难、制造成本高的缺陷，亟待进一步改进。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种用于发光的光纤柔性膜及其制备方法，以解决现有技术中的发光装置光能有效利用率不高，耗能高，不便于收纳、发光单一、施工难、制造成本高的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种用于发光的光纤柔性膜，其特征在于，所述柔性膜是将聚甲基丙烯酸甲酯纤芯的光纤部分嵌入TPU材料形成的膜中，其中，所述TPU材料是通过PPG 2000、T12催化剂、1，4-丁二醇、三羟甲基丙烷、异佛尔酮二异氰酸酯以及消泡剂反应形成；
光源可与所述柔性膜的膜体外预留光纤接口连接，光纤发出的光透过所述柔性膜形成用于精准贴附的发光柔性膜。
优选的，所述TPU材料按照质量分数计包括PPG 2000 80-120份、1，4-丁二醇7-10份、三羟甲基丙烷1-5份、异佛尔酮二异氰酸酯35-50份、T12催化剂0.005-0.02份、消泡剂0.05-0.2份。
优选的，所述TPU材料按照质量分数计包括PPG 2000 100份、1，4-丁二醇8份、三羟甲基丙烷3份、异佛尔酮二异氰酸酯40份、T12催化剂0.01份、消泡剂0.1份。
优选的，所述柔性膜的吸水率小于2％，硬度为邵氏A85-90，拉伸强度为5-20 MPa，断裂伸长率为200％-500％。
本发明实施例还提供一种制备所述的用于发光的光纤柔性膜的方法，其包括以下步骤：
按照比例取PPG 2000、T12催化剂、1，4-丁二醇、三羟甲基丙烷、异佛尔酮二异氰酸酯以及消泡剂；
将PPG 2000和T12催化剂混合加热搅拌抽真空、脱水，得到第一混合物；
将1，4-丁二醇和三羟甲基丙烷混合，70℃加热，抽真空、脱水，得到第二混合物；
将异佛尔酮二异氰酸酯与所述第一混合物混合加热反应，得到第三混合物；
将所述第二混合物加入到所述第三混合物中，并加入消泡剂反应，形成TPU材料混合液；
所述TPU材料混合液注入到布设有光纤或者预留光纤注入孔的预热至80℃的模具中，成型固化形成柔性膜。
优选的，所述第一混合物的形成反应中，反应的温度为110℃，反应时间为2-3h，反应结束后将反应液降温至70℃。
优选的，所述第三混合物的形成反应中，加热温度小于85℃，反应时间为1.5-3h。
优选的，所述TPU材料混合液的形成反应中，在无水无氧条件下，搅拌反应液，反应温度为80℃，反应时间为1-3min。
本发明实施例还提供一种光纤柔性膜发光装置，其包括上述所述的柔性膜、所述柔性膜相结合的贴片LED以及与所述贴片LED连接的控制芯片。
优选的，所述发光装置为需要发光的广告牌、建筑玻璃幕墙、灯光荧幕以及发光键盘。
本发明实施例中，TPU为热塑性聚氨酯，是聚氨基甲酸酯的简称，在其主链上含有许多重复的-NHCOO-基团。它由具有不同官能度的异氰酸酯和聚合物多元醇聚合而成，是一种含软段和硬段的多嵌段共聚物，由于两种链段的热力学不相容性，形成了聚氨酯独特的微相分离结构，这种化学结构决定了它具有耐低温、耐磨、耐脆化、拉伸强度高、韧性和弹性好等优点。由于脂肪族聚氨酯弹性体的透明性和耐热性优于芳香族聚氨酯弹性体，因此本发明实施例选用脂肪族聚氨酯弹性体作为封装材料，使发光元器件包覆在柔性的脂肪族聚氨酯弹性体膜中，使得该柔性膜具有透光、耐水、耐温、耐磨、耐折和机械性能好的特点。
本发明实施例中，PPG 2000为聚丙二醇，分子式为其中，n＝2000。
本发明实施例中，IPDI为异佛尔酮二异氰酸酯，分子式为C11H14N2O3。
本发明实施例中，BDO为1,4-丁二醇，分子式为C4H10O2；
本发明实施例中，TMP为三羟甲基丙烷，分子式为C6H14O3；
本发明实施例中，T12催化剂为二月桂酸二丁基锡，分子式为C32H64O4Sn。
本发明实施例中，PMMA光纤为以聚甲基丙烯酸甲酯为纤芯的塑料光纤。
本发明实施例利用TPU材料制作的柔性膜体，该柔性膜高度透光柔软，在不影响视觉感官的条件下，为光纤的排布提供基础支撑和物理防护。同时，将光的传播一定程度上控制在柔性膜内；本发明实施例的光纤柔性膜采用光电分离、定向导光技术，将主发光光源与所需照明部位进行分离，利用光纤导光，依托柔性膜发光，形成光纤柔性膜，光纤发光的面积小，高效率定点定面照射，大大提高了光的利用率，同时减少产热，解决了大面积散热的问题。
本发明实施例具有如下优点：
本发明实施例提供的用于发光的光纤柔性膜，以TPU材料作为光纤的承载体，以光纤导光使柔性透明膜发光，柔性膜的质量轻、机械性能优良、便于安装维修、制造成本低廉。柔性膜的光纤与光源、控制器连接，可通过设定的计算机编程，来控制发光光源的发光状态，例如，控制发光颜色、发光时间等，控制发光单元之间相互配合，达到显示预期图像或文字的目的。本发明实施例的光纤柔性膜可以应用于户外灯光广告牌、3D全息视觉展示膜、城市夜景灯光幕墙贴膜、多色彩光纤传导发光辅助照明柔性膜等方面，有广泛的市场应用前景；本发明实施例的光纤柔性膜以其特有的光纤传导发光，具有耗能低、透光效果好、材料成本低、光能集中化管控、利用率高、绿色环保、对环境友好、适应性强、稳定性好的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实施例1提供的柔性膜发光装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的柔性膜发光装置的截面图；
图3为本发明实施例2提供的柔性膜发光装置的使用状态图；
图4和图5为现有技术的发光装置的使用状态图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例的用于发光的光纤柔性膜，该柔性膜是将聚甲基丙烯酸甲酯纤芯的光纤部分嵌入TPU材料形成的膜中制成，其中，TPU材料是通过PPG 2000、T12催化剂、1，4-丁二醇、三羟甲基丙烷、异佛尔酮二异氰酸酯以及消泡剂反应形成的；光源可与光纤连接，光纤发的光透过柔性膜形成发光柔性膜。具体的，TPU材料按照质量分数计包括PPG 200080g、1，4-丁二醇7g、三羟甲基丙烷1g、异佛尔酮二异氰酸酯35g、T12催化剂0.005g、消泡剂0.05g。
本发明实施例获得的柔性膜的吸水率为1％，硬度为邵氏A85(85-90)，拉伸强度为5-20 MPa，断裂伸长率为311％，透光率87％。
实施例2
本发明实施例的用于发光的光纤柔性膜，该柔性膜是将聚甲基丙烯酸甲酯纤芯的光纤部分嵌入TPU材料形成的膜中制成，其中，TPU材料是通过PPG 2000、T12催化剂、1，4-丁二醇、三羟甲基丙烷、异佛尔酮二异氰酸酯以及消泡剂反应形成的；光源可与光纤连接，光纤发的光透过柔性膜形成发光柔性膜。具体的，TPU材料按照质量分数计包括PPG 2000100g、1，4-丁二醇9g、三羟甲基丙烷3g、异佛尔酮二异氰酸酯35g、T12催化剂0.008g、消泡剂0.1g。
本发明实施例获得的柔性膜的吸水率为1.8％，硬度为邵氏A88(85-90)，拉伸强度为17 MPa，断裂伸长率为381％，透光率86％。
实施例3
本发明实施例的用于发光的光纤柔性膜，该柔性膜是将聚甲基丙烯酸甲酯纤芯的光纤部分嵌入TPU材料形成的膜中制成，其中，TPU材料是通过PPG2000、T12催化剂、1，4-丁二醇、三羟甲基丙烷、异佛尔酮二异氰酸酯以及消泡剂反应形成的；光源可与光纤连接，光纤发的光透过柔性膜形成发光柔性膜。具体的，TPU材料按照质量分数计包括PPG 2000120g、1，4-丁二醇10g、三羟甲基丙烷5g、异佛尔酮二异氰酸酯50g、T12催化剂0.02g、消泡剂0.2g。
本发明实施例获得的柔性膜的吸水率小于1.2％，硬度为邵氏A86(85-90)，拉伸强度为19 Mpa，断裂伸长率为401％，透光率85％。
本发明实施例1-实施例3中，吸水率根据标准GB/T 1034-2008测定；硬度使用邵氏A型硬度计根据标准GB/T 1034-2008测定；拉伸强度以及拉伸伸长率使用万能材料试验机测定根据标准GB/T 1040.3-2006测定；对于材料表征，还可以使用的测试方法有：DSC、DMA、TMA、NMR、FT-IR、GPC等；透光率使用雾度计法根据标准GB/T 2410-2008测定。
实施例4
一、试验材料：PPG 2000(牌号NJ 220)、IPDI、BDO、TMP、消泡剂、T12催化剂以及PMMA光纤(以聚甲基丙烯酸甲酯为纤芯的塑料通体发光光纤)等。
二、本发明实施例还提供一种制备用于发光的光纤柔性膜的方法，其包括以下步骤：
1、按照比例取PPG 2000、T12催化剂、1，4-丁二醇、三羟甲基丙烷、异佛尔酮二异氰酸酯以及消泡剂；
2、将PPG 2000和的T12催化剂混合电热套加热搅拌，抽真空、脱水，保持反应容器内无水无氧条件，反应温度为110℃，反应时间为2-3h，反应完成后，将反应物降温至70℃，得到第一混合物；
3、将1，4-丁二醇和的三羟甲基丙烷混合加热搅拌，抽真空、脱水，保证无水无氧条件下，反应温度为70℃，反应时间为3-4h，得到第二混合物；
4、将异佛尔酮二异氰酸酯与第一混合物混合加热反应，反应温度为不高于85℃，一般反应温度控制在80℃，在反应时间为2h，得到第三混合物；
5、将第二混合物加入到第三混合物中，并加入2滴消泡剂，抽真空、搅拌并提高转速，反应物温度为80℃，反应时间为2min，形成TPU材料混合液；
6、在TPU材料混合液凝聚之前，将TPU材料混合液加入到布设有光纤或者预留光纤插入孔的模具中，模具使用前，先将模具预热到80℃，模具中预留通气孔，将盛有TPU材料混合液的模具置于80℃的烘箱中固化48小时左右，固化形成柔性膜。
本发明实施例的步骤6中，光纤柔性膜成型的过程中，通过将PPG2000与IPDI在80℃下反应得到尚未固化成膜的TPU材料，在压制成膜的铁质模具中根据需要布设光纤，将反应中的TPU材料倒入模具中密封压制，80℃下固化成本发明实施例的光纤柔性膜。
本发明实施例的步骤6中，光纤柔性膜成型的过程中，可以直接使用成品TPU材料作为产品原料，通过挤出吹塑工艺得到具有中空孔道结构的TPU膜，然后将聚甲基丙烯酸甲酯通过灌注的方式将其充沛进中空孔道中，从而制得新型光纤传导发光辅助照明的光纤柔性膜。
本发明实施例的光纤柔性膜的厚度可根据使用环境调整，其厚度为1mm，便于将该光纤柔性膜贴附于被照射物体表面；光纤可以依次平行布设复合于TPU材料形成的膜体中间，也可以有规则交错布设于TPU材料形成的膜体中间。
本发明实施例1-3中制备的用于发光的光纤柔性膜均是通过实施例4的制备方法制备的。
本发明实施例方法制备的光纤柔性膜的吸水率小于2％、硬度为邵氏A85-90；拉伸强度为5-20 MPa；断裂伸长率：200％-500％和耐温性能5％热损失温度大于300℃。
实施例5
如图1和图2所示，本发明实施例提供一种柔性膜发光装置100，其包括本发明实施例1-3中制备的柔性膜110、柔性膜110相结合的贴片LED120以及与贴片LED120连接的控制芯片，柔性膜110上预留LED贴片120的光纤接口140。本发明实施例的光纤柔性膜发光装置利用光纤不同的排布方式可以实现适应不同工作环境，展现不同的效果。例如，通过光纤合理排布，配合电子器件完善产品控制部分，开发相应程序和PCB板，使得电子元件与柔性膜无缝结合形成光纤柔性膜发光装置。
本发明实施例采用可高效率导光的光纤材料，以达到光的定向传播；导纤维是质量极高、传导光极好的材料，光可在光纤内发生全反射，将光束传送到所需的地方，且损耗比较小；以高透明、高抗磨高机械强度的TPU材料为负载材料将光纤复合于其内部；在外接高性能LED发光源，将发光光源与照明部位光电分离，通过定向导光和发光，达到精准辅助照明的效果；通过计算机编程以及单片机控制发光光源的发光强度、闪烁频率、以及持续时间，结合人眼0.1至0.4秒的视觉暂留生理功能达到特定的视觉展示效果。
试验例
由平均照度公式如下所示：Eav＝(N×Ф×CU×k)/S，其中，Eav为平均照度，N为灯具数量，Ф为单个灯具光通量，CU为空间利用系数，k为维护系数，伴随照明灯具老化，输出能力下降，或由于传播介质中光的空间反射率低有关，S为区域面积。
其中，CU＝Фf/Фs，其中，CU为利用系数；Фf由灯具发出的最后落到工作面上的光通量，单位lm；Фs每个灯具中光源额定总光通量，单位为lm。
如图3所示，本发明实施例的柔性膜发光装置400有效减少了光在发光光源500与被照射物体表面之间的距离，有效增大了光的空间利用率和利用系数，在同等能耗的光源发光情况下，通过将光纤柔性膜100直接贴于被照射物体表面达到定点定面照明的效果，其将涣散的光通过光纤传导集中管控，理论上最高可以将能耗降低83.33％；如图4和图5所示，普通照明方案光源500的灯光在发光装置600的空间中发散，例如广告牌，只需要一个面被照射发光，在光照射的空间中，其他5个面的光是无效光照，而本发明实施例的光纤柔性膜聚集在膜中直接贴于被照物体表面，只需原发光强度的1/6，因为所有的光都被集中在一个面上，提高光的利用率，本发明实施例的光纤柔性膜装置与现有的发光装置相比较，其能耗降低了：1-1/6＝83.33％。此外，本发明实施例的光纤柔性膜发光装置可有效提高CU、k的值，增大平均照度，从而达到节能的效果。
本发明实施例方法制备的光纤柔性膜装置具有多种应用场景：
1、本发明实施例的光纤柔性膜发光装置作为发光广告牌的应用，本发明实施例的光纤柔性膜发光装置，其可降低照明功率，易于收纳安装，可吸附于广告搭建处，通过计算机程序控制光路颜色，发光强度等参数，通过光路直接呈现文字、图像等广告信息。
2、本发明实施例的光纤柔性膜发光装置作为夜景灯光幕墙的应用，城市夜景灯光幕墙市场开始扩大，柔性发光装置可直接附着于幕墙外侧，提高画面分辨率，增强观赏性。
3、本发明实施例的光纤柔性膜发光装置作为辅助照明键盘膜的应用，利用光纤导光柔性膜将发光光源与所需照明点分离，将多个发光点集中汇总在计算机外部特定区域集中发光，从而达到辅助照明并且减少产热，并且可大面积散热。
4、本发明实施例的光纤柔性膜发光装置作为3D全息视觉技术的应用，光纤导光柔性膜通装置过搭建和视觉感官错觉可产生伪3D效果，为3D全息视觉技术领域提供一种全新的技术方案。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于发光的光纤柔性膜，其特征在于，所述柔性膜是将聚甲基丙烯酸甲酯纤芯的光纤部分嵌入TPU材料形成的膜中制成，其中，所述TPU材料是通过PPG 2000、T12催化剂、1，4-丁二醇、三羟甲基丙烷、异佛尔酮二异氰酸酯以及消泡剂反应形成；
光源可与所述柔性膜的膜体外预留光纤接口连接，光纤发出的光透过所述柔性膜形成用于精准贴附的发光柔性膜。
2.如权利要求1所述的用于发光的光纤柔性膜，其特征在于，
所述TPU材料按照质量分数计包括PPG 2000 80-120份、1，4-丁二醇7-10份、三羟甲基丙烷1-5份、异佛尔酮二异氰酸酯35-50份、T12催化剂0.005-0.02份、消泡剂0.05-0.2份。
3.如权利要求2所述的用于发光的光纤柔性膜，其特征在于，
所述TPU材料按照质量分数计包括PPG 2000 100份、1，4-丁二醇8份、三羟甲基丙烷3份、异佛尔酮二异氰酸酯40份、T12催化剂0.01份、消泡剂0.1份。
4.如权利要求1所述的用于发光的光纤柔性膜，其特征在于，
所述柔性膜的吸水率小于2％，硬度为邵氏A85-90，拉伸强度为5-20 MPa，断裂伸长率为200％-500％。
5.一种制备权利要求1所述的用于发光的光纤柔性膜的方法，其特征在于包括以下步骤：
按照比例取PPG 2000、T12催化剂、1，4-丁二醇、三羟甲基丙烷、异佛尔酮二异氰酸酯以及消泡剂；
将PPG 2000和T12催化剂混合加热搅拌抽真空、脱水，得到第一混合物；
将1，4-丁二醇和三羟甲基丙烷混合，70℃加热，抽真空、脱水，得到第二混合物；
将异佛尔酮二异氰酸酯与所述第一混合物混合加热反应，得到第三混合物；
将所述第二混合物加入到所述第三混合物中，并加入消泡剂反应，形成TPU材料混合液；
所述TPU材料混合液注入到布设有光纤或者预留光纤注入孔的预热至80℃的模具中，成型固化形成柔性膜。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述第一混合物的形成反应中，反应的温度为110℃，反应时间为2-3h，反应结束后将反应液降温至70℃。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述第三混合物的形成反应中，加热温度小于85℃，反应时间为1.5-3h。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述TPU材料混合液的形成反应中，在无水无氧条件下，搅拌反应液，反应温度为80℃，反应时间为1-3min。
9.一种光纤柔性膜发光装置，其特征在于包括权利要求1-8任一项所述的柔性膜、所述柔性膜相结合的贴片LED以及与所述贴片LED连接的控制芯片。
10.如权利要求9所述的光纤柔性膜发光装置，其特征在于，
所述发光装置为需要发光的广告牌、建筑玻璃幕墙、灯光荧幕以及发光键盘。
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