CN1204404A - 高漫射低吸收光学材料及其制备与使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及改进的使光漫透反射的材料和方法。通过使用包含聚合物节点和微丝的微结构的发泡聚四氟乙烯,本发明的材料在宽阔的紫外、可见和红外光谱范围内呈示非常好的漫反射性和透射性。此外,本发明的材料可提供许多以前高度漫透反射材料所不能得到的性质,包括高度的延展性,模塑性和柔韧性,以及在较薄的截面下仍具有有效的反射性。

Description

高漫射低吸收光学材料及其制备与使用方法

本申请是1995年1月6日提出、待审查的美国专利申请08／369，850号的部分继续申请。

本发明涉及用来反射和透射光的表面，尤其是涉及从其表面或通过其表面反射和透射均匀漫射光能的材料。

在各种要求光能从表面接近完全地反射并提供均匀分布的光的用途中，要使用特殊的光反射面。虽然良好的镜面可对可见光提供接近于完全的反射，但只有对以等于入射角的角度由表面反射出来的光能才是这样。对于许多用途而言，重要的是从表面反射的光具有均匀的分布。这种性质称为漫射式或“朗伯”反射。例如用来放映幻灯片或电影的投影幕，必须具有高反射率，而且在充分宽的范围内具有光漫射／分布，从而使大部分观众可看到清晰的图象。许多反射幕使用玻璃珠或类似材料的复盖层以帮助反射，在限定的投影范围内(例如离中心线约20°的范围内)提供优良的反射率，而在该限定的投影范围以外，则反射率显著减小。这些屏幕在限定的范围以内可提供良好的图景，而且不容易受杂散光源的干扰，这些杂散光源是指垂直投射至屏幕的主要光源以外的光源。为了在更宽的限定范围内得到更好的图景，可用经过褪光处理的屏幕有效地对全体观众提供更均匀的光分布。虽然对于屏幕在暗室中的大多数应用来说并不是非常重要，屏幕吸收或透射的光应尽可能地少，以便为观众提供最强的反射图象。

在许多其它用途中，反射率更为重要。例如，在电子设备所用的显示装置中(如仪器面板、手提计算机屏幕、液晶显示器(LCD)等)，不论是依赖于补充光(如背射光)或环境光，都要求其背部表面具有良好的漫反射性，以尽量提高图象质量。对于用电池供电的设备中的背射光显示器，反射率特别重要，因为较好的反射率直接与要求较小的光源从而较低的功率相连系。

激光器或光学测试设备结构中所用壳体中的高反射材料是要求更高的用途。由于这类设备的效率直接依赖于其有效地处理光能的能力，因此最重要的是用具有极高反射率和优良漫射性的材料构建这类设备。

相反地，也有一些应用中要求光有效地透射通过一种材料。这些应用的例子包括某些漫射滤光器，后投影屏幕，透反射显示器(transfiective displays)等。对于大多数反射和透射光的材料来说，还存在一个吸收分量。在同时需要反射和透射的场合，光能的吸收是不合要求的，因为它导致光能的浪费。

在后投影屏幕的情况下，屏幕置于光源与观众之间。这些屏幕以透射性替代反射性，而保持高度的漫射性。重复一下，为了尽量增大光能输出，重要的是屏幕材料吸收的光尽可能地少。

另一类要求权衡透射性与反射性关系的应用是某些航空电子学的透射反射LCD显示器。在这些透反射(既反射又透射的显示器)中采用一个反射片，它利用环境光向LCD显示器提供光。在这情况下，当环境光不足以照亮LCD显示器时，就要使用背射光。这背射光是通过反射片提供的；反射片必须同时具有反射性和透射性。在这些条件下，希望具有漫反射性和漫透射性，而不希望具有吸收性。

使用漫反射材料的另一类应用是作为太阳能集光器或光电池中的漫射体。由于太阳能驱动的装置一般利用300-2200纳米(nm)范围的阳光，本发明所具有的漫射性质与低吸收率是特别适合的。如美国专利4，571，448(A．M．Barnett)所述，通过装上具有漫射结构的反射性背表面，可使光电池的效率提高。在这些应用中，最好能提供在整个300-2200纳米太阳光谱范围内反射效率进一步提高的材料。

由于反射材料有许多不同的用途，因此存在许多市售的具有各种漫反射性质的产品也就不奇怪了。在本发明以前，已知的具有优良漫反射性的最好材料，是在美国专利4，912，720中所描述的并由Labsphere，Inc．，North Sutton，NH以商标SPECTRALON出售的材料。这种材料包含轻度压实的聚四氟乙烯颗粒，其中的空隙体积约为30-50％，并烧结成较硬的粘聚的块，以保持这些空隙体积。使用美国专利4，912，720所指出的技术，据说这种材料可得到非常高的可见光漫反射特性，与以前的反射材料相比，反射率由97％提高至99％以上。

尽管SPECTRALON材料具有所报导的优点，但它在许多方面是很不足的。首先，这种产品是一种较硬的材料块，必须小心地切割或加工成所需的形状和尺寸。这就严重限制了这种材料所能使用的方式和场合，并大大增加了在许多用途中使用这种材料的成本，尤其是在需要非平面形状的场合。因此，当在各种光反射应用中需要柔顺的材料时，显然SPECTRALON材料不能提供这种性质。此外，额外的加工过程产生了另一个污染源，而污染可能有损于其反射性质。

其次，根据结构的原因以及其反射光的能力，SPECTRALON材料的最小深度显然被限制在较厚的数值(例如厚于4毫米)。这也严重限制了这种材料所能使用的方式和场合。而且这种限制会使给定应用中所需材料的数量不必要地增加，同时也使所需材料的重量不必要地增加。

第三，SPECTRALON材料的制造和购买显然比较昂贵。这些费用还因为材料难以由坚硬形式加工成最终形状(即在生产过程中要加工削去并废弃多余的材料)以及需要一个最小厚度而进一步增加。结果，SPECTRALON材料因为太昂贵以致不能用于许多本来可得益于其反射性质的用途。

第四，虽然SPECTRALON具有高的漫反射性质，但在这方面应该可能有更好的性能。例如，SPECTRALON材料在可见光至近红外范围(即300-1800纳米)具有很好的反射性质，但在1800纳米以上其反射率急剧减小。而且，即使在SPECTRALON材料呈现最佳性能的可见光范围内，反射性能也可以进一步提高。

另一种普遍地用作漫反射器和透射反射器的材料是硫酸钡。硫酸钡是以粉末形式涂敷在各种基材(如金属或玻璃)上，以满足特定的反射或透反射要求。硫酸钡虽然能提供较好的光学性能，但它难以均匀涂敷。而且在其最终应用中易于剥落，特别是在存在振动和／或磨蚀的场合。

因此，本发明的主要目的是提供一种改进的高光漫反射材料及其使用方法，其性能与现有漫反射材料或透反射材料的性能相当或更好，而且具有更好的加工处理特性。

由以下的说明可明显了解本发明的这个目的和其它目的。

本发明涉及一种改进的使光转变方向的材料，它能有效地使光漫反射和漫透射。既能反射又能透射光能的材料在本领域中称为透反射材料。本发明使用一种由发泡聚四氟乙烯(PTFE)制成的使光转变方向的材料，它包含许多由微丝相互连接在一起的聚合物结点，形成微孔结构。已测定出这种结构具有漫反射性和漫透射性，二者结合起来可利用高达99％的所提供的光。

同样重要的是，本发明所用的材料具有许多其它性质，使它特别适合作为反射和／或透射材料。第一，该材料是高度柔韧性的，可以扭曲和成形为各种形状。这一性质大大减少了制造复杂的反射或透射结构(特别是非平面结构)所需的人力。而且，许多以前不能得到的结构，例如反射性极高的可弯曲结构，现在可用本发明得到。第二，本发明所用的材料对于振动和其它环境因素显示优良的光学均一性和稳定性。

本发明材料的另一个改进是它可与其它反射材料相结合以产生独特的反射性质。例如，将另一种反射材料(如金属层)粘附在本发明的透反射材料薄片上，可以得具有优良反射性能的复合材料，其反射性能优于该第二种材料单独的性能，而且使第二种材料的漫反射性大大提高。

从以下的说明并参照附图可更清楚地了解本发明的内容。附图中：

图1是放大5000倍的扫描电子显微照片(SEM)，显示由市售漫反射材料制得的使光转变方向的材料表面。

图2是放大5000倍的扫描电子显微照片，显示本发明的使光转变方向的材料的一个实例的表面。

图3是放大5000倍的扫描电子显微照片，显示本发明的使光转变方向的材料的另一个实例的表面。

图4是本发明的使光改变方向的材料的3／4等角图，显示了该材料的柔韧性。

图5是本发明的使光改变方向的材料的反射率与波长的关系图，以及与市售材料的比较。

图6是本发明的各种厚度的使光改变方向的材料的反射率与波长的关系图，以及与市售材料的比较。

图7是本发明使光改变方向的材料的各种结构实例的反射率与波长的关系。

图8是本发明一个实例的反射率和透射率与波长的关系。

图9是本发明两个实例的反射率和透射率与波长的关系。

图10是本发明另一个实例的反射率和透射率与波长的关系。

图11是本发明的一个实例、市售的反射材料和一种本发明复合材料的反射率与波长的关系。

图12是本发明的一个实例和本发明的一种复合材料的反射率与波长的关系。

本发明是用于在各种产品中提供优良漫射光转向特性的改进的材料和方法。

这里的术语“光”包括任何形式的电磁辐射，特别是指可见光谱(400-700波长)内、上至红外(IR)光辐射(700-2500纳米波长)并下至紫外(UV)光谱(400-250纳米及以下)的电磁辐射。应当理解，本发明的材料可通过使用涂覆层、填料或相似材料而调节改变其在特定光能波段的反射率或透射率。而这里的术语“使光转变方向”是指反射、透射、漫射、透反射、或改变来自材料或通过材料的光的路径的任何一种功能。

本发明主要涉及尽可能增大由材料反射或是透射通过材料的光能量，而使材料本身吸收的光能量尽可能地小。为了简化，本申请中对在这情况下材料反射或者透射光能的性质都称作“透反射性”。

如前面所述，目前市售的最好的漫反射材料是由Labsphere，Inc．，North Sutton，NH以商标SPECTRALON出售的材料。这种材料包含轻度压实并模塑成刚性块料的聚四氟乙烯颗粒材料。图1是1／2英寸厚的SPECTRALON反射材料片表面的扫描电子显微照片。这种材料对可见光和近红外光提供良好的反射性，在该部分光谱可提供高达99％的漫反射或“朗伯”反射，但该材料具有许多缺点，限制了其用途。这种材料存在的问题是：由于其坚硬性而难以加工，特别是在需要非平面形反射面的场合；能有效地反射光的可见和红外光谱范围较窄；最小厚度的数值较大(即厚度小于约4毫米时其有效反射率下降)；而且漫反射性并不是最好。尽管有这些缺陷，这种材料还是被认为是目前的标准，用以衡量所有其它材料的漫反射性。

本发明使用一种显著不同的使光转变方向的材料，该材料包含美国专利3，953，566；3，962，153；4，096，227；4，187，390和4，902，423中所述的发泡聚四氟乙烯(expanded polytetrafluoroethylene)，这些专利都在此引用参考。这种发泡聚四氟乙烯材料具有微孔结构，它包括由显微尺寸的聚合物微丝(即丝状单元)相互连接的聚合物节点(即微丝由之发出的颗粒)。这种材料的一个实例的双轴扩张结构如图2的扫描电子显微照片所示。该材料10包含聚合物节点12和许多由节点12伸出的微丝14。从图中可看到，在材料10内部有许多微孔空隙16。这里术语“发泡聚四氟乙烯”是指任何具有节点和微丝结构的聚四氟乙烯材料，其范围包括轻度扩张的结构(其中各微丝由较大的聚合物节点延伸出来)直至极度扩张的结构(其中各微丝只在节点处相交)。

发泡聚四氟乙烯具有许多重要的性质，使其特别适合用作本发明的使光转变方向的表面。首先，聚四氟乙烯是疏水的高度惰性的材料。因此该材料可耐水并耐受许多会损害其它一些反射表面的材料。此外，按美国专利3，953，566所述的方法使聚四氟乙烯扩张，形成节点与微丝结构，材料的拉伸强度会显著增大，变成高度柔韧性的，使其理想地适合于要求厚度小于0．25毫米、小于0．1毫米、小于0．05毫米以至小于0．01毫米的各种用途。此外，虽然以压实颗粒为基础的聚四氟乙烯材料具有良好的漫反射性质，但其拉伸性能较弱，限制了它在需要薄的材料截面的用途中的应用。而且，已发现发泡聚四氟乙烯的节点和微丝结构可提供高得多的漫反射性质，并且同时提供透反射性和透射性。

本发明的一种较佳的漫射光转向材料是按以下方法制备。将聚四氟乙烯树脂细粉与润滑剂(如无气味的溶剂油)掺合，直至形成混合物。所用润滑剂的体积应是足以润滑聚四氟乙烯原始(primary)颗粒，使这些颗粒在挤塑前发生剪切的可能性降至最小。

然后将该混合物压成粒料并挤塑(例如用活塞式挤塑机)，形成粘聚的挤出物片。压缩比(reduction ratio)可为30∶1至300∶1(压缩比=挤压料筒的截面积除以挤出模头截面积)。大多数应用中压缩比较好为75∶1至100∶1。

然后可将润滑剂去除(例如通过挥发)，并使干的粘聚挤出物片至少在一个方向快速扩张至其原来长度的1．1至50倍(较好为1．5-2．5倍)。扩张可按美国专利3，953，566所指出的方法进行，将干的粘聚挤出物通过一系列温度在100-325℃之间的旋转的加热辊筒或加热板。另外一种方法是按美国专利4，902，423(Bacino)所述的方法在去除润滑剂之前使挤出片扩张。

不论用哪种方法，该材料可进一步以1．1∶1至50∶1(较好是5∶1至35∶1)的比例扩张，形成最终的微孔片。片材最好在两个轴向扩张，使其在纵向和横向上的强度都增大。最后，可将该材料暴露于340℃以上的温度下，使其经受无定形锁定步骤。

本发明的材料较好制成片状，而这些材料片由于其固有的柔韧性，可形成为所需的各种形状，如管、带、凸或凹的结构等。此外，为了适合特殊的用途，本发明的材料还可以挤压或以其它方式制成连续的管子、棒(即圆柱体)、矩形体、不对称的形状以及其它感兴趣的结构。

按以上步骤制得的片料的厚度可以在(但不限于)0．01-2毫米的范围。可将各片料依次叠合起来置于300-400℃的温度下并施加足够的压力使各层粘合在一起。最终片材的厚度可在0．5毫米以下至6或12毫米或更厚。

已经确定，通过提供由聚合物节点和微丝构成的微孔表面，例如发泡聚四氟乙烯的表面，特别是在一个以上方向被发泡聚四氟乙烯表面，光可以非常均匀的漫散射(漫射)方式从节点与微丝结构反射和／或透射，而没有显著的由于吸收而引起的损失。在这方面，已确定本发明材料可使光能漫反射和／或漫透射。例如，已测定本发明的材料可在250-2500纳米这样宽的波长范围以高于99％的比率反射或透射光能。换言之，本发明的材料可非常有效地使光从其表面转变方向或是通过它，而在材料本身发生的光能吸收非常少。

如果需要，可用选定的填料或涂层使本发明的材料改性，以便在某些光波长范围提供光吸收而在其它范围提供高透射反射率。本发明还有一个优点是它可以与其它反射或透射材料(如金属片或涂层)相结合，而使光学性能大大提高。

据信本发明的最高数值是在紫外至可见光范围(约250-750纳米)。在该范围内，本发明的材料可容易地提供大于90％的反射率，而在250-750纳米的一部分或全部波长范围以至该范围之外可能达到91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％、以至接近100％的反射率。

本发明的另一优点是所述材料能提供非常稳定的透射反射光，对离开该材料表面的光不会引起失真或“偏移”。结果，本发明的材料特别适合于提供光能的非常真实的反射和折射，而不会使光能失真。

本发明还有一个优点是所述材料是高度惰性和耐用的。因此，本发明的材料具有独特的能力：既是优良的漫射体，又同时具有发泡聚四氟乙烯材料的全部优点(如对化学侵蚀和紫外降解有很强的抗御能力而且显示高的拉伸强度)。

图2的扫描电子显微照片显示了在两个不同方向经受了广延的扩张的本发明的发泡聚四氟乙烯材料10。该结构显示了微丝14沿x方向和y方向取向的比较“精细”的结构，在微丝相交处是小的节点12。图3的扫描电子显微照片显示了本发明的另一个实例。在这实例中，发泡聚四氟乙烯只沿纵向扩张。这例子中存在“较粗”的结构，其特征是节点较大和微丝较粗。微丝主要沿纵向取向。

以下将详细说明，本发明显示极高的漫反射性。与SPECTRALON材料的现有反射标准相比，本发明的反射材料呈现高得多的漫反射性。此外，本发明材料的反射性还具有许多比现有标准大大提高的性质。第一，本发明的材料在宽得多的光波长范围内保持高反射率。第二，即使在剖面比现有标准材料薄得多的情况下，本发明的材料也显示非常高的反射性。第三，所述材料在宽的光谱范围内显示可预期的、平坦的反射响应。

图4显示了本发明的另一个重要改进。本发明的使光转变方向的材料10是高度可延展的、可模塑的和柔软的，使它可以弯曲、扭曲、制成曲线或形成任何合适的形状。在这方面，本发明的使光转变方向的材料是与现有漫反射和／或漫透射材料相比的重大改进，例如SPECTRALON聚四氟乙烯反射材料必须切割或加工成所需形状，硫酸钡难以均匀涂敷，而且稳定性有限。应用本发明的材料，可以不费力地制成许多不同的非平面形状。这类反射率低于90％因而透射率大于10％的薄的、柔软的、可成形的材料将对许多应用有重大价值，例如投影屏幕(尤其是(但不限于)后投影屏幕)和背射光显示器(尤其是(但不限于)透反射的背射光显示器)。

本发明可包含单层或多层发泡聚四氟乙烯，或者包含一层或多层发泡聚四氟乙烯与背衬材料的层叠片。由于单独的发泡聚四氟乙烯膜易于伸长和变形，在某些用途中最好将这种膜固定在支承层上，例如层压在柔软的织造或非织造材料上，这样将有助于在使用时保持图象层的形状。适当的支承层的施加方法是：在发泡聚四氟乙烯膜上涂布粘合材料(例如可水分固化的聚氨酯或溶剂化的聚氨酯)，然后将涂覆了粘合材料的发泡聚四氟乙烯膜施加在柔软的背衬材料上(如聚酯、聚丙烯、MYLAR^、KEVLAR^、尼龙等)。然后该两种材料在外加压力下互相粘合在一起，例如使材料在一对或多对压料辊之间辊压。当使用水分固化的聚氨酯粘合剂将发泡聚四氟乙烯膜与织造的织物(如尼龙)粘结在一起时，需要施加1150克／线性米的压力。然后让材料在使用前水分固化约48小时。

此外，为了产生复杂的形状，可将发泡聚四氟乙烯片粘结在刚性的支承材料上，然后作为复合材料成形为各种形状，如抛物形或椭球形的拱顶。这种成形技术的一种适当方法是使用真空成形装置。

以下实施例说明本发明是怎样制造和使用的，但这些实施例并不是为了限制本发明的范围。

实施例1

按以下方法制备本发明的使光转变方向的材料。

将聚四氟乙烯树脂细粉与无气味的溶剂油(可购自Exxon Corp．的ISOPAR K)在混料器中混合，直至得到混合物。每克聚四氟乙烯树脂细粉所用的溶剂油的体积为0．275毫升／克。将混合物压成粒料，并通过连接于活塞式挤塑机的1．14毫米间隙模头压出成为粘聚的挤压物。使用的压缩比为47∶1。

然后，让无气味的溶剂油挥发去除，将干的粘聚的挤出物在300℃的温度下通过一系列旋转的加热辊筒，使其沿纵向单轴扩张至原来长度的4．0倍。再让该片料在385℃的温度下通过一系列旋转的加热辊筒，使材料与辊筒接触约12秒钟，从而经受一个无定形锁定(locking)步骤。

这种材料形成如图3所示的较粗的扩张(expanded)结构。

实施例2

按实施例1的方法制备本发明的另一片料，但有以下不同之处：

每克聚四氟乙烯树脂细粉所用的溶剂油的体积为0．297毫升／克。混合物压成粒料，通过连接于活塞式挤塑机的1．52毫米间隙模头压出成为粘聚的挤压物。使用的压缩比为70∶1。

然后，让无气味的溶剂油挥发去除。将三层干的粘聚挤出物堆叠起来，让它在310℃的温度下通过一系列旋转的加热辊筒，在纵向单轴扩张至原来长度的4．6倍。再让片料在385℃的温度下历时40秒钟通过一系列旋转的加热辊筒，从而经受一个无定形锁定步骤。

这种材料又形成如图3所示的较粗的扩张结构。

实施例3

按以下方法制备本发明的片料。

将聚四氟乙烯树脂细粉与无气味的溶剂油混合。每克聚四氟乙烯树脂细粉所用的溶剂油体积为0．275毫升／克。得到的混合物在低于室温下陈化，使溶剂油均匀地分布在聚四氟乙烯树脂细粉中。将该混合物压成粒料，以约8300kPa的压力通过连接于活塞式挤塑机的0．71毫米间隙模头压出成为粘聚的挤塑物。所用的压缩比为75∶1。

然后将该挤塑物在加热至30-40℃的两个金属辊筒之间辊压。辊压后的最终厚度是0．20毫米。在横向以3∶1的比例扩张该材料，然后将物料加热至240℃使溶剂油从挤塑物中去除(在该温度下溶剂由呈高度挥发性)。再将干的挤塑物在150℃下以3．5∶1的比率横向扩张。扩张后，料片在高于340℃的温度下进行无定形锁定，并冷却至室温。该材料形成如图2所示的较细的扩张结构。

可将多层这种材料片堆叠起来，置于压力之下，并暴露于约360℃的温度下约30分钟，将各层粘合成所需的任何厚度的粘聚片料。

实施例4

与实施例3所述相似的层叠发泡聚四氟乙烯材料，可从W．L．Gore＆Associates，Inc．，Elkton，MD，作为衬垫片材料购得，材料的商标为GORE-TEX GR^。该材料可有多种厚度(即包含不同层数以构成粘聚的片料)。为了测试本发明的材料与市售光反射材料相比的有效性，测试了以下各种衬垫片材料样品：

样品1：包含约15层发泡聚四氟乙烯片的复合片，其厚度为0．5毫米(mm)，密度为0．60克／厘米³。

样品2：包含约25层发泡聚四氟乙烯片的复合片，其厚度为1．0毫米，密度为0．57克／厘米³。

样品3：包含约60层发泡聚四氟乙烯片的复合片，其厚度为2．2毫米，密度为0．61克／厘米³。

样品4：包含约85层发泡聚四氟乙烯片的复合片，其厚度为3．4毫米，密度为0．59克／厘米³。

样品5：包含约150层发泡聚四氟乙烯片的复合片，其厚度为6．2毫米，密度为0．51克／厘米³。

另外，与上述实施例1和2相似的材料，可从W．L．Gore＆Associates，Inc．，作为衬垫带购得，衬垫带的商标为GORE-TEX^。同样，这种材料也可有不同厚度。测试了以下的衬垫带材料样品：

样品6：包含单层较粗的发泡聚四氟乙烯片的衬垫带，其厚度为1．0毫米，密度为0．50克／厘米³。

样品7：包含单层较粗的发泡聚四氟乙烯片的衬垫带，其厚度为3．3毫米，密度为0．66克／厘米³。

按以下方式测试了样品1-7，以测量其反射性质：

将样品1-7的每种2英寸×2英寸的小块放在带有Labsphere积分球的CARY5E分光光度计中。测量范围为175-2500纳米。低于250纳米的数据没有报导，因为标准材料在这数值以下不可信赖。所有的测量以双光束方式进行，工作标准与积分球参考反射口中相同。所用的反射标准为SPECTRALON材料，Labsphere序列号SRS-99-010-8111-A。在800纳米以下用光电倍增器检测，在800纳米以上用硫化铅检测。全部测量都相对于系统的基线规一化。然后将这些数据乘以随反射标准提供的修正因子进行修正。然后将数据平均并作图。

图5显示了本发明一个样品的反射率与光波长的关系，以及该材料与三种市售反射材料的比较。线18是本发明样品5材料的性能，与之比较的市售反射材料是SPECTRALON(线20)、SPECTRAFLECT(线22)和INFRAGOLD(线24)，都是购自Labsphere，Inc．，North Sutton，NH。制造商认为这些材料代表了所能得到的最高的漫反射材料。图中画出的市售材料的数据是由Labsphere，Inc．，出版的技术资料目录获得的。如图中所示，在所有测量波长下，本发明反射材料的反射率都显著高于市售反射材料。此外，本发明的材料反射率可比市售材料保持至高得多的波长范围。

应当注意，这里图中的反射率的数字并不是要说明性能优于完全反射，而是说明反射性能显著地优于作为标准的现有SPECTRALON反射材料。

图6显示了不同厚度的本发明材料的反射率与光波长的关系，以及与相似厚度的SPECTRALON反射材料的比较。线26、28、30和32分别表示本发明样品1、2、3和4的性能。为了比较，线34、36和38分别是根据Labsphere，Inc．，技术目录中公开的数据表示厚度为1．0毫米、2．0毫米和3．0毫米的SPECTRALON材料样品的性能。虽然未能得到0．5毫米厚度的SPECTRALON材料的数据，这里还是包括了样品1。在所有的情况下，本发明材料的反射率都显著高于相似厚度的SPECTRALON反射材料。当材料厚度减小时，差别更为显著。应当注意，本发明的0．5毫米材料，虽然厚度只有3．0毫米SPECTRALON材料的1／6，但在400-700纳米的可见光波长范围反射率与其相等或更高。

图7记录了密度相仿的四个本发明的发泡聚四氟乙烯材料样品的反射率与光波长的关系。在四个样品中，代表了两种不同的厚度水平，每种厚度水平有一个粗结构和一个细结构。线40和42分别代表样品6和7，各具有以大节点和粗微丝为特征的较粗的结构。线44和46分别代表样品2和4，各具有以小节点和细微丝为特征的较细的结构。

在相似厚度的比较中，较细结构材料的反射率在所有测试波长都比较粗结构材料高得多。例如，1．0毫米厚度的样品2反射率就显著地大于厚度同样为1．0毫米的样品6。

以上实施例表明，本发明的反射材料作为一种漫反射材料，与目前市售的最好漫反射材料相比，在更宽的光谱范围内，具有更好和更一致的性能。

图8画出了样品6的反射率和透射率与波长的关系。线48表示反射率，线50表示透射率，而线52表示反射率和折射率二者之和。这个图表示反射率随波长增大而减小，而透射率随波长增大而增大。照射在一个表面的光，必须或者被反射、被透射、或者被吸收。材料的吸收率可以由以下的数学公式确定：

吸收率=100％-(％反射率+％透射率)

这公式表明，当反射率和透射率之和等于100％时，材料对光的吸收率为零。因此，在该图所显示的是，在所有测量波长下，反射率与透射率之和近似地等于100％。所以，在整个测量光谱范围内，材料基本上没有吸收。

图9记录了样品6和7的反射率、透射率、和反射率与透射率之和。线54表示样品7的反射率；线56表示样品7的透射率；而线58表示样品7的反射率与折射率之和。线60表示样品6的反射率；线62表示样品6的透射率；线64表示样品6的反射率与透射率之和。

应当注意，两个样品在所有测试波长下，其反射率与透射率之和基本上等于100％。这表明同样结构的材料在不同厚度水平，可用透射性替代反射性，而不会由于吸收而使光损失。

图10记录了样品2和6的反射率、透射率和反射率与透射率之和。线66表示样品2的反射率；线68表示样品2的透射率；而线70表示样品2的反射率与透射率之和。线72表示样品6的反射率；线74表示样品6的透射率；而线76表示样品6的反射率与透射率之和。

仍然应注意，该两个样品在所有的测试波长下，其反射率与透射率之和都基本上等于100％。这表明在相同厚度水平但不同材料结构的情况，也仍可使反射率与透射率相互替换，而不会由于吸收而使光损失。因此，至少有两种方法来控制反射率与透射率的相互替换，以在反射类型的应用上满足各种特定的规格。

由于本发明的漫反射和／或透射及其结构性质，它可以用于许多可能的用途。作为一种通用的反射和／或透射材料，本发明可用来制造和／或透射屏幕(例如电视或电影投影屏幕)、背射光显示器的反射体、透反射显示器的透反射片、公路信息牌等。而且可以设计成医院或净化室中荧光或白炽光照明的专用反射体，在这些环境需要柔和的漫射照明，但需保持清洁而尽量避免污染。发泡聚四氟乙烯由于其惰性和固有的非颗粒特性，特别适合于这些用途。

本发明的高度柔韧性特别适合于一些特殊的用途，因为它可以卷绕或以其它方式压实，并能容易地形成不同的形状，尤其是非平面形状。本发明能够在薄尺寸提供有效反射的能力，使它可以在这方面发挥作用，特别是可使设计有更大的灵活性并减小材料的成本和重量。

实施例5

按以下方法制备本发明的材料片(样品8)。

将聚四氟乙烯树脂细粉与无气味的溶剂油混合。每克聚四氟乙烯树脂细粉所用的溶剂油体积为0．275毫升／克。让该混合物在低于室温的温度下陈化，使溶剂油均匀地分布于聚四氟乙烯树脂细粉中。将所得混合物制成粒料，在约8300kPa的压力下通过连接于活塞式挤塑机的0．71毫米间隙模头，压出成为粘聚的挤塑物。使用的压缩比为75∶1。

然后将该挤塑物在加热至30-40℃的两个金属辊筒之间辊压。辊压后的最终厚度是0．20毫米。在横向以3∶1的比例扩张该材料，然后将物料加热至240℃使溶剂油从挤塑物中去除(在该温度下溶剂油呈高度挥发性)。再将干的挤塑物在150℃下以3．5∶1的比例横向扩张。扩张后，料片在高于340℃的温度下进行无定形锁定，并冷却至室温。

样品8：该单层材料片的厚度为0．038毫米，密度为0．62克／厘米³。

实施例6

将一片实施例5的材料放在购自3M Construction Markets Division，St．Panl，MN的SILVERLUX SA-85P镜面铝反射膜上制成复合片(样品9)。测得SILVERLUX材料的厚度为0．097毫米。复合片(样品9)的总厚度为0．135毫米。

实施例7

通过蒸发和凝聚使铝汽相沉积在标称孔隙大小为0．2微米的0．025毫米厚的微孔发泡聚四氟乙烯膜上(购自W．L．Gore＆Associates，Inc．，)，使其金属化至光学密度为3．0密度单位(由Tobias Assoc．，Inc．的TRX-N型密度计测定)。具体地说，将铝丝放在氧化物坩埚内在高真空下加热(2×10^-6乇，约1220℃)，使铝蒸发。发泡聚四氟乙烯膜(简称为ePTFE)在其一侧带有衬底薄膜以阻挡铝蒸汽进入，使该膜通过坩埚上方，有衬底的一侧远离坩埚。由坩埚产生的铝蒸汽上升，在该膜与坩埚相邻的一侧形成不连续的复盖层。将涂覆后的膜卷绕在辊筒上。这种涂覆后的膜的样品称为样品10。

用购自Hunter Lab，Reson，VA的PG-3型光泽计测量样品8，9，10和一个SILVERLUX SA-85P样品，以测定其漫射相对值。所得数据列于表1。

表1

     Silverlux SA-85P      0．038毫米 ePTFE    0．038毫米 ePTFE／    金属化的PET

                                                 Silverlux SA-85P      载体 VD17读数   20°          60°          85°          20°      60°        85°       20°       60°       85°      20°      60°      85°1   185．3  199．9  149．7  1．2  4．4  35．3  1．6  5．3  39．2  1．2  3．3  7．72   185．3  199．9  148．9  1．1  4．1  19．4  1．5  4．4  21．6  1．2  3．4  5．43   185．3  199．9  148．4  1．1  3．9  11．9  1．5  4．3  13．6  1．2  3．5  11．4平均 185．3  199．9  149．0  1．1  4．1  22．2  1．5  4．7  24．8  1．2  3．4  8．2

该仪器是设计用来量化材料表面光泽的相对值的。光泽是在镜面角反射的光的量度，镜面角即与入射在样品上的光的角度相等而相反的角度。大多数的光泽度测量中，光是以离垂直方向60°的方向射向样品。在镜面角(-60°)反射光的百分率就报导为光泽度。60°是最常用的光泽角，但低光泽样品可使用85°，高光泽样品可使用20°。如果60°读数大于70，光泽计制造商建议使用20°角。如果60°计数小于10，则建议使用85°。

在总反射率相当高的均匀表面白色反射材料的测量中，认为低的镜面反射值表明高的漫射水平。表1中比较了上述四种不同材料的光泽度(或者反过来说，比较了它们的漫射水平)。可以看到SILVERLUX材料是镜面反射非常强的材料，因为在所有三个角度下的光泽计数都很高。其它三种材料(样品8、9和10)，在所有三个角度下都呈现较低的光泽读数，表明它们是漫反射较强的材料。因此显示了将诸如0．038毫米厚的本发明发泡聚四氟乙烯膜放在高度镜面性材料的前面，所得到的复合材料具有非常低的光泽，因而具有很高的漫射水平。

如实施例4中所述，用带有Labsphere积分球的CARY 5E型分光光度计测量样品8，9，10以及SILVERLUX SA-85P样品的半球总反射率。而且，样品6既测定了半球总反射率，也测量了半球总透射率。测量光谱范围为175-2500纳米。但是如实施例4所述，报导的范围为250-2500纳米。

图11画出了样品8、9和SILVERLUX SA-85P的反射率与波长的关系。线78、80和82分别代表样品8、9和SILVERLUX的反射率。该图表示在镜面反射材料前面放置一薄层发泡聚四氟乙烯，SILVERLUX材料的镜面性质可改变成漫射性质，如表1所示，而且本发明的这种材料也提高了所能得到的总反射率。此外，SILVERLUX的反射率作为波长函数的起伏，也因附加了本发明的材料而显著降低。从图上可以看到，在可见光范围内(450-700纳米)，复合材料具有大于90％的漫反射率。

图12是另一个发泡聚四氟乙烯膜与镜面反射体结合的例子。在该情况下，如实施例7所述，通过汽相沉积将铝涂覆层涂敷在发泡聚四氟乙烯层上。从图上可见，发泡聚四氟乙烯膜的总反射率(线84)由于附加了金属层而增大了(线86)。如表1所示，复合材料保持高的漫反射率，而不是象金属单独时那样具有镜面特性。

上面说明了本发明的具体实施例，但本发明并不限于这些说明。显然在后附权利要求的范围内，可以作各种变化和改变。

Claims (13)

1．一种使光转变方向的方法，包括：

提供使光转变方向的材料，该材料包含发泡聚四氟乙烯，其中具有由微丝相互连接的聚合物节点，在其内形成微孔空隙；

固定所述使光转变方向的材料，使光能接触该材料并由它透反射；

所述使光转变方向的材料使接触它的光能漫透反射，接触该材料的光能有90％以上从它透反射出来。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

提供发泡聚四氟乙烯软片作为使光转变方向的材料，令该使光转变方向的材料可容易地形成不同的形状；和

使该使光转变方向的材料成形，以提供非平面形的透反射表面。

3．如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

固定所述使光转变方向的材料，让光源放在该材料的一侧；和

使光源发出的光漫射通过所述使光转变方向的材料，使透射通过该材料的光均匀散射。

4．如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

将所述使光转变方向的材料放置在与第二种光反射材料紧贴的位置；和

使光源发出的光通过该使光转变方向的材料并由第二种光反射材料反射。

5．如权利要求4所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

使光从第二种光反射材料反射后，再次通过所述的使光转变方向的材料。

6．如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

将所述使光转变方向的材料用作光透反射面板。

7．如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

提供能将与其接触的250-750毫米范围的光能的95％以上透反射的材料作为所述的使光转变方向的材料。

8．如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

提供能将与其接触的250-750毫米范围的光能的99％以上透反射的材料作为所述的使光转变方向的材料。

9．一种改进的使光转变方向的材料，它包括：

透反射材料，它包含发泡聚四氟乙烯，其中具有由微丝相互连接的聚合物节点，在其内形成微孔空隙，该材料使接触它的光由它透反射，漫透反射率大于90％；

第二种光反射材料，放置在紧贴所述透反射材料的位置，使该第二种光反射材料接收透射通过该透反射材料的光，并反射回来通过该透反射材料。

10．如权利要求9所述的使光转变方向的材料，其特征在于所述的第二种光反射材料是附着于所述的透反射材料。

11．如权利要求10所述的使光转变方向的材料，其特征在于所述的第二种光反射材料包括附着于所述透反射材料的金属层。

12．如权利要求9所述的使光转变方向的材料，其特征在于所述使光转变方向的材料对投射在其表面的光具有大于90％的漫反射率。

13．一种使光转变方向的方法，包括：

提供使光转变方向的材料，该材料包含发泡聚四氟乙烯，其中具有由微丝相互连接的聚合物节点，在其内形成微孔空隙；

固定所述使光转变方向的材料，使光能接触该材料并由它透反射；

所述使光转变方向的材料使接触它的光能漫透反射，接触该材料的光能有99％以上从它透反射出来。

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