ITMI960004A1 - Superficie riflettente la luce e metodo per realizzazione e l'uso della stessa - Google Patents

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Gordon L Mcgreogor
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Abstract

Oggetto della presente invenzione è un materiale perfezionato e un metodo da utilizzare per ottenere una riflessività diffusa della luce. Utilizzando un politetrafluoroetilene espanso (PTFE) comprendente una microstruttura di nodi e fibrille polimerici, il materiale di cui alla presente invenzione dimostra un'eccezionale riflessività diffusa entro un ampio spettro di luce visibile e infrarossa. Inoltre il materiale di cui alla presente invenzione offre molte proprietà che i precedenti materiali a riflessione altamente diffusa non possedevano, incluso un alto grado di malleabilità, stampabilità e flessibilità e una riflettività efficace anche con sezioni trasversali relativamente sottili.

Description

DESCRIZIONE
1. Campo dell ' invenzione
L'oggetto della presente invenzione è costituito da superfici usate per riflettere la luce e in particolare da superfici altamente riflettenti che forniscono una diffusione omogenea dell'energia luminosa dalle loro superfici.
2 . Stato dell'arte
Superfici speciali riflettenti la luce vengono utilizzate in una varietà di applicazioni che richiedono che l'energia luminosa sia riflessa quasi completamente, fornendo al contempo una distribuzione omogenea della luce dalla superficie. Se le buone superfici speculari possono fornire una riflettività pressoché perfetta della luce visibile, l'energia luminosa proveniente da dette superfici ne esce soltanto a un angolo uguale all'angolo di incidenza del contatto della luce. Per molte applicazioni è importante che la luce venga riflessa con una distribuzione omogenea della stessa dalla superficie. Quest'ultima proprietà viene definita riflettanza diffusa o "lambertiana".
Per esempio, gli schermi di proiezione, come quelli usati per la presentazione di diapositive o di film, devono fornire un'alta riflettività e una diffusione/distribuzione della luce su un campo sufficientemente ampio, per offrire un'immagine chiara alla maggior parte degli spettatori. Molti schermi riflettenti utilizzano un rivestimento di grani di vetro o di materiale simile come coadiuvante per la riflettanza, per fornire un'eccellente riflettività su un campo di proiezione definito (per esempio, circa 20° da una linea mediana) , con una riflettività significativamente ridotta al di fuori del campo di proiezione definito. Questi schermi forniscono un'eccellente visione entro il campo definito e sono meno portati a interferenze da fonti di luce parassita diverse dalla fonte luce primaria orientata perpendicolarmente allo schermo. Per fornire una visione migliore a un campo definito più ampio, sono efficaci schermi a finitura opaca, che forniscono una distribuzione della luce più omogenea a tutti gli spettatori. Benché non sia un fattore critico per la maggior parte delle applicazioni per gli schermi di protezione in stanze oscurate, è sempre importante che lo schermo assorba o trasmetta meno luce possibile, così da assicurare la massima immagine riflettiva agli spettatori.
La riflettività è di gran lunga più critica in molte altre applicazioni. Per esempio, i display usati nelle attrezzature elettroniche (per esempio pannelli di strumenti, schermi di computer portatili, display a cristalli liquidi (LCDs), ecc.), vuoi basati su luci supplementari (per esempio controluci) o semplicemente sulla luce ambiente, richiedono ottime superfici di fondo riflettenti diffuse per massimizzare la qualità dell'immagine. La riflettività è particolarmente critica con display illuminati controluce in attrezzature azionate a batteria, dove la migliore riflettività è direttamente collegata alle più piccole fonti di luce necessarie e portano a un minor fabbisogno di energia.
Applicazioni ancor più esigenti in fatto di materiali altamente riflettivi sono costituite dagli involucri usati nelle strutture laser. Poiché l'efficienza di un laser dipende direttamente dalla sua capacità di elaborare efficacemente l’energia luminosa entro il suo involucro, è critico il fatto che gli involucri siano di un materiale dotato di riflettività estremamente elevata e di eccellenti proprietà di diffusione.
Forse le applicazioni più esigenti in fatto di materiali riflettenti vengono usate in una varietà di attrezzature per prove ottiche, come riflettometri, fotometri integratori a sfera, spettrofotometri, collettori solari e cellule fotovoltaiche, ecc. Materiale altamente riflettivo viene anche usato come standard in attrezzature oltreché per assicurare una corretta gestione della luce entro dette attrezzature .
A causa delle molte e diverse applicazioni esistenti per i materiali riflettenti, non è sorprendente che siano commercialmente disponibili molti prodotti diversi con una varietà di proprietà di riflessione diffusa. Fino alla presente invenzione, il miglior materiale conosciuto avente un'eccellente riflettività diffusa era quello descritto nel brevetto USA 4.912.720 e prodotto con il marchio di fabbrica SPECTRALON dalla Labsphere, Ine., North Sutton, NH. Questo materiale contiene granuli leggermente compressi di politetrafluoroetilene che hanno un volume di vuoto di circa il 30-50% ed è sinterizzato in un blocco coesivo relativamente duro, così da mantenere tale volume di vuoto. Usando la tecnica illustrata nel brevetto USA 4.912.720, si afferma che questo materiale consenta di ottenere caratteristiche eccezionalmente elevate di riflettanza della luce visibile diffusa, con un aumento della riflettanza, rispetto ai materiali riflettenti precedentemente disponibili, dal 97% a oltre il 99%. Nelle strutture degli involucri laser, si afferma che ciò porta a un aumento della produzione laser addirittura del 100% rispetto ai materiali riflettenti precedentemente disponibili.
Si afferma che il materiale SPECTRALON sia il materiale a riflettanza diffusa più efficace oggi disponibile per la riflettività della luce visibile e del vicino infrarosso (IR). Di conseguenza, oltre che per la costruzione di involucri laser, questo materiale è usato in una serie di applicazioni in cui è necessaria una riflettività estremamente elevata. Per esempio, questo materiale è considerato così riflettivo da poter servire come materiale standard a fronte del quale tutti gli altri materiali riflettenti vengono misurati mediante riflettometri e altri dispositivi di misurazione della luce.
Nonostante gli asseriti vantaggi dello SPECTRALON, esso è considerato del tutto inadeguato sotto molti aspetti. Anzitutto, questo materiale comprende un blocco relativamente duro di materiale che deve essere accuratamente tagliato o lavorato nelle forme e dimensioni volute. Ciò limita gravemente il campo di applicazione di questo materiale e aumenta notevolmente il costo dell'uso dello stesso in molte applicazioni, specialmente quando si vogliono ottenere forme non planari. Pertanto, quando è opportuno utilizzare un materiale flessibile in varie applicazioni che richiedono luce riflessa, è evidente che lo SPECTRALON non è in grado di fornire tale proprietà. Inoltre, l'ulteriore processo di lavorazione fornisce un'ulteriore fonte di contaminazione che può essere nociva alle sue proprietà riflettive.
In secondo luogo, lo SPECTRALON è apparentemente limitato, sia strutturalmente, sia nella sua capacità di riflettere la luce, a uno spessore minimo relativamente spesso {cioè a uno spessore superiore a 4 mm). Anche questo fatto contribuisce a limitare il campo di applicazione di questo materiale. Inoltre, questa limitazione tende inutilmente ad aumentare sia la quantità di materiale necessario per una data applicazione sia il peso del materiale necessario per tale applicazione.
In terzo luogo, lo SPECTRALON è apparentemente relativamente dispendioso da produrre e acquistare. Questi costi vengono ulteriormente aumentati dalla difficoltà di conferire al materiale, mediante lavorazione, la forma finale partendo dalla forma dura (cioè, quantità eccessive di materiale devono essere staccate e scartate durante la produzione) e dalle sue esigenze di spessore minimo. Di conseguenza, lo SPECTRALON è troppo costoso per essere usato in molte applicazioni che potrebbero altrimenti beneficiare delle sue proprietà riflettive.
In quarto luogo, sebbene lo SPECTRALON abbia elevate proprietà di riflessione diffusa, si ritiene che prestazioni ancor migliori siano possibili sotto questo aspetto. Per esempio, lo SPECTRALON ha ottime proprietà riflessive diffuse per la luce visibile fino al vicino IR (per esempio da 300 a 1800 nm) , ma la riflessività del materiale diminuisce enormemente sopra i 1800 nm. Inoltre, si ritiene che prestazioni riflettive ancor migliori siano possibili anche nella gamma della luce visibile in cui lo SPECTRALON fornisce le prestazioni migliori.
SOMMARIO DELL’INVENZIONE
L'oggetto della presente invenzione è costituito da un materiale perfezionato e da un metodo in grado di fornire una riflessività altamente diffusa di luce da una superficie. La presente invenzione utilizza un materiale riflettente di politetrafluoroetilene espanso (PTFE) comprendente nodi polimerici interconnessi da fibrille che definiscono una struttura microporosa. E<1 >stato accertato che questa struttura fornisce una riflessività diffusa estremamente elevata, con una riflettanza significativamente superiore al 99% della luce fornita. Infatti, il materiale di cui alla presente invenzione ha dimostrato una riflessività più diffusa dei migliori materiali a riflessione diffusa attualmente disponibili.
Altrettanto importante è il fatto che il materiale di cui alla presente invenzione dimostra di possedere molte altre proprietà che lo rendono particolarmente idoneo per l'utilizzo come materiale riflettente. Anzitutto, il materiale è altamente flessibile, ciò che consente di distorcerlo e di conferirgli una varietà di forme. Questa proprietà riduce notevolmente lo sforzo necessario per formare molte strutture riflettive complesse e particolarmente le strutture non planari. Inoltre, molte strutture precedentemente non ottenibili, come le strutture pieghevoli estremamente riflettenti, sono oggi ottenibili grazie alla presente invenzione. In secondo luogo, il materiale utilizzato nella presente invenzione dimostra di possedere eccellenti proprietà riflettenti anche con uno spessore relativamente sottile (per esempio, <1 mm), ciò che rende il materiale più leggero e meno costoso da utilizzare rispetto ai materiali attualmente disponibili, oltre a consentirne l'uso in molte applicazioni non precedentemente possibili.
DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Il funzionamento della presente invenzione sarà chiarito dalla seguente descrizione considerata unitamente ai disegni accompagnatori, in cui:
la Figura 1 è una micrografia elettronica a scansione (SEM), ingrandita di 5000 volte, che mostra la superficie di un materiale a riflessione diffusa commercialmente disponibile ;
la Figura 2 è una SEM, ingrandita di 5000 volte, che mostra la superficie di una forma di realizzazione di un materiale riflettente la luce di cui alla presente invenzione ;
la Figura 3 è una SEM, ingrandita di 5000 volte, che mostra la superficie di un'altra forma di realizzazione di un materiale riflettente la luce di cui alla presente invenzione ;
la Figura 4 è una veduta isometrica di tre quarti di un materiale riflettente la luce di cui alla presente invenzione, in cui è dimostrata la flessibilità del materiale;
la Figura 5 è un tracciato della riflettanza rispetto alla lunghezza d'onda di un materiale riflettente di cui alla presente invenzione rispetto a materiali commercialmente disponibili;
la Figura 6 è un tracciato della riflettanza rispetto alla lunghezza d'onda di spessori variabili del materiale riflettente di cui alla presente invenzione rispetto ai materiali commercialmente disponibili;
la Figura 7 è un tracciato della riflettanza rispetto alla lunghezza d'onda di varie strutture di forme di realizzazione di materiali riflettenti di cui alla presente invenzione .
DESCRIZIONE PARTICOLAREGGIATA DELL'INVENZIONE
Oggetto della presente invenzione è un materiale perfezionato e un metodo per fornire eccellenti caratteristiche di riflettanza della luce diffusa in una varietà di prodotti riflettenti. Secondo l'accezione qui usata, il termine "luce" include ogni forma di radiazione elettromagnetica, ma specialmente quella compresa nello spettro di luce visibile (lunghezza d'onda 400-700 nra) fino alla radiazione della luce infrarossa (IR) inclusa (lunghezza d'onda da 700 a oltre 2500 nm). Occorre rendersi conto che il materiale di cui alla presente invenzione può essere appositamente lavorato in modo da modificare la riflettanza in particolari bande di energia luminosa attraverso l'uso di rivestimenti, cariche o materiali simili.
Come è stato spiegato, il miglior materiale a riflessione diffusa commercialmente disponibile oggi è quello venduto sotto il marchio di fabbrica SPECTRALON dalla Labsphere, Ine., North Sutton, NH . Questo materiale è costituito da un materiale politetrafluoroetilenico granulare leggermente compresso e poi stampato in un blocco rigido. La Figura 1 è una micrografia elettronica a scansione (SEM) di una superficie di una lastra di materiale riflettente SPECTRALON di 1,27 cm (mezzo pollice) di spessore. Se questo materiale fornisce una buona riflessività della luce visibile e vicina all'IR, fornendo fino a circa il 99% di riflettanza diffusa o "lambertiana" su porzioni di tale spettro di luce, il materiale presenta una serie di inconvenienti che ne limitano l'uso. Fra i problemi presentati da questo materiale vi sono: difficoltà di lavorazione, dovuta alla sua rigidità, specialmente quando sono richieste superfici riflettenti non planari; gamma limitata di riflettanza effettiva della luce dello spettro della luce visibile e IR; spessori minimi relativamente spessi (cioè, la sua riflettanza effettiva diminuisce a spessori inferiori a circa 4 mm); e riflettività diffusa non ottimale. Nonostante queste carenze, si ritiene che questo materiale presenti uno standard a fronte del quale viene misurata la riflettività diffusa di tutti gli altri materiali .
La presente invenzione utilizza un materiale nettamente diverso, comprendente un politetraf luoroetilene espanso (PTFE), come quello prodotto secondo i brevetti USA 3.953.566, 3.962.153, 4.096.227, 4.187.390 e 4.902.423, citati tutti come riferimento. Questo PTFE espanso ha una struttura microporosa di fibrille polimeriche microscopiche {cioè, elementi filiformi), che collegano nodi polimerici (cioè, particelle da cui emergono fibrille). La struttura di un esempio espanso biassialmente di questo materiale è illustrata nella SEM di Figura 2. Questo materiale 10 comprende nodi polimerici 12 e numerose fibrille 14 che si estendono dai nodi 12. Come si può vedere, nel materiale 10 sono presenti numerosi vuoti microporosi 16. Il termine "PTFE espanso" come viene qui usato include ogni materiale di PTFE avente una struttura a nodi e fibrille, con una gamma che parte da una struttura leggermente espansa con fibrille che si estendono da nodi relativamente grossi di materiale polimerico fino a una struttura estremamente espansa avente fibrille semplicemente intersecantisi 1<1 >una con l'altra nei punti nodali.
Il PTFE espanso è dotato di una serie di importanti proprietà che lo rendono particolarmente idoneo come superficie riflettente di cui alla presente invenzione.
Anzitutto, il PTFE è un materiale altamente inerte e idrofobo. Per questa ragione, il materiale è resistente sia all'acqua sia a un'ampia varietà di altri materiali che possono danneggiare alcune altre superfici riflettenti. Inoltre, espandendo il PTFE nella maniera illustrata dal brevetto USA 3.953.566 così da formare la struttura a nodi e fibrille, il materiale acquista un notevole aumento di resistenza alla trazione e diventa altamente flessibile. Inoltre, mentre il PTFE basato su granuli pressati fornisce buone proprietà di riflessione diffusa, è stato osservato che la struttura a nodi e fibrille di PTFE espanso fornisce una proprietà di riflettanza diffusa assai più elevata.
Un materiale riflettente preferito di cui alla presente invenzione viene ottenuto nella maniera seguente. Una resina di PTFE in polvere sottile viene miscelata a un lubrificante, per esempio spiriti minerali inodori, fino a formare un composto. Il volume di lubrificante usato deve essere sufficiente a lubrificare particelle primarie della resina di PTFE, così da minimizzare il potenziale di taglio delle particelle prima dell'estrusione.
Il composto viene poi compresso in una billetta ed estruso, per esempio attraverso un estrusore del tipo a slittone, per formare una lastra omogenea di materiale estruso. Può essere utilizzato un tasso di riduzione di circa 30:1 fino a 300:1 (cioè tasso di riduzione = area della sezione trasversale del cilindro di estrusione diviso per 11area della sezione trasversale dello stampo per estrusione) . Per la maggior parte delle applicazioni è preferito un rapporto di riduzione di 75:1 fino a 100:1.
II lubrificante può allora venire eliminato, per esempio mediante volatilizzazione, e la lastra estrusa omogenea asciutta viene espansa rapidamente in almeno una direzione fino a 1,1-50 volte la sua lunghezza originale (preferibilmente 1,5-2,5 volte). L'espansione può essere ottenuta, come nel metodo illustrato nel brevetto USA 3.953.566, facendo passare l'estruso omogeneo asciutto su una serie di rulli ruotanti riscaldati o di piastre riscaldate a una temperatura fra circa 100 e 325°C. In alternativa, la lastra estrusa può essere espansa nella maniera descritta nel brevetto USA 4.902.423 di Bacino, prima dell'eliminazione del lubrificante .
In entrambi i casi, il materiale può essere ulteriormente espanso fino a un rapporto di 1:1,1-50:1 (preferibilmente 5:1-35:1) a formare una lastra finale microporosa. Preferibilmente, la lastra è espansa biassialmente, così da aumentarne la resistenza nelle due direzioni longitudinale e trasversale. Infine, il materiale può essere sottoposto a una fase di bloccaggio amorfo esponendolo a una temperatura superiore a 340°C.
Il materiale di cui alla presente invenzione è preferibilmente realizzato sotto forma di lastre alle quali, a causa della loro inerente flessibilità, può essere conferita un'ampia varietà di altre forme desiderate, quali tubi, nastri, strutture convesse o concave, ecc. Inoltre, per particolari applicazioni, il materiale di cui alla presente invenzione può essere estruso o altrimenti formato in tubi continui, barre (cioè, cilindri), rettangoli, forme irregolari e altre strutture che possono interessare.
Le lastre realizzate con le suddette fasi di lavorazione possono essere prodotte in spessori nella gamma da, ma non limitatamente a, 0,01 mm-2 mm. Le lastre possono essere successivamente stratificate fra loro e sottoposte a temperature nella gamma da circa 300°C a 400°C, applicando pressioni sufficienti per legare fra loro gli strati.
E' stato osservato che con una superficie microporosa di nodi e fibrille polimerici, come quella del PTFE espanso e in particolare il PTFE espanso in più di una direzione, la luce viene riflessa dalla struttura a nodi e fibrille con elevata efficienza, con una dispersione (cioè diffusione) diffusa assai omogenea della luce. La SEM di Figura 2 mostra il PTFE espanso 10 che ha subito un'estesa espansione in due diverse direzioni. Questa struttura presenta una struttura relativamente "fine", con fibrille 14 orientate in entrambe le direzioni x e y e piccoli nodi 12 in cui le fibrille si intersecano. Un'altra forma di realizzazione ancora della presente invenzione è illustrata nella SEM di Figura 3. In questo caso, il PTFE espanso è stato espanso soltanto in direzione longitudinale. In questo esempio vi è una struttura "più grossolana", caratterizzata da nodi più grossi 12 e da fibrille più spesse 14. Le fibrille 14 sono orientate prevalentemente in direzione longitudinale.
Come è spiegato più dettagliatamente nel seguito, la presente invenzione dimostra una riflettività estremamente elevata. Confrontata con l'attuale standard riflettente dello SPECTRALON, il materiale riflettente di cui alla presente invenzione ha presentato una riflettività diffusa sostanzialmente più elevata. Inoltre, la riflettività del materiale di cui alla presente invenzione è in grado di possedere una serie di altre proprietà eccezionalmente migliori rispetto all'attuale standard. Anzitutto, la riflettività del materiale rimane elevata in un ampio spettro di lunghezze d'onda della luce. In secondo luogo, il materiale di cui alla presente invenzione dimostra una riflettività eccezionale anche con profili assai più sottili rispetto al consueto materiale standard. In terzo luogo, il materiale dimostra una risposta riflettiva assai prevedibile a linea piatta in un ampio spettro di luce.
Un altro importante perfezionamento di cui alla presente invenzione è illustrato alla Figura 4 . Il materiale riflettente 10 di cui alla presente invenzione è altamente malleabile, stampabile e flessibile, ciò che consente di piegarlo, torcerlo, curvarlo o altrimenti formarlo in qualsivoglia idonea forma. Sotto questo aspetto, il materiale riflettente di cui alla presente invenzione costituisce un miglioramento notevole rispetto ai precedenti materiali altamente riflettenti disponibili, quali i materiali riflettenti di politetrafluoroetilene SPECTRALON, che devono essere tagliati o lavorati nelle forme volute. Con il materiale di cui alla presente invenzione è possibile ottenere facilmente una quantità di forme diverse non ■planari. Questi tipi di materiali, flessibili, plasmabili, aventi almeno il 95% e anche il 90% di riflettività possono essere assai importanti in numerose applicazioni, come schermi da proiezione, display illuminati controluce, riflettori di luce fluorescente, ombrelli fotografici, ecc.
La presente invenzione può comprendere strati singoli e multipli di PTFE espanso o può comprendere un laminato di uno o più strati di PTFE espanso e un materiale di supporto. Poiché il la membrana di PTFE espanso da sola tende a essere sensibile allo stiramento e alla distorsione, per alcune applicazioni può essere preferibile che la membrana sia montata su uno strato di supporto, per esempio attraverso laminazione su un tessuto o un nontessuto flessibile, che aiuta a mantenere la forma dello strato dell'immagine durante l'uso. Uno strato di supporto idoneo viene ottenuto applicando un materiale adesivo, come poliuretano indurente a umido o poliuretano solvatato, alla membrana di PTFE espanso e poi applicando la membrana di PTFE espanso rivestita di adesivo a un materiale di sostegno flessibile (per esempio, poliestere, polipropilene, MYLAR®, KEVLAR®, nylon, ecc.). I due materiali possono poi essere uniti fra loro mediante pressione, per esempio laminando il materiale fra due o più coppie di rulli di compressione. Con l'uso di un adesivo poliuretanico induribile a umido per legare una membrana di PTFE espanso a un tessuto tessuto, come il nylon, viene applicata una pressione di 1150 g per metro lineare per legare fra loro i materiali. I materiali vengono poi lasciati indurire a umido per un periodo di circa 48 ore prima dell'uso.
Inoltre, per creare forme complesse, si può legare una lastra di PTFE espanso a un materiale di supporto rigido e poi conferirgli come supporto forme quali volte paraboliche o elissoidali. Un metodo idoneo per queste tecniche di formatura comprende l'uso di dispositivi di formatura sotto vuoto .
La presente invenzione si presta particolarmente a essere usata per una varietà di applicazioni. Queste comprendono riflettometri, fotometri integrati a sfere, spettrofotometri, ecc. Un'applicazione di particolare interesse può essere l'uso della presente invenzione nei collettori solari o nelle celle fotovoltaiche. Poiché i dispositivi ad azionamento solare come questi usano generalmente la luce solare nella gamma da 300 a 2200 nm, la riflettanza della presente invenzione è particolarmente idonea .
Senza con ciò limitare l'ambito della presente invenzione, i seguenti esempi illustrano il modo in cui la presente invenzione può essere realizzata e usata:
ESEMPIO 1
Un materiale riflettente di cui alla presente invenzione fu preparato nel modo seguente:
Una resina di PTFE in polvere sottile fu combinata in un miscelatore con spiriti minerali inodori (ISOPAR K, prodotto dalla Exxon Corp.), fino a ottenere un composto. Il volume di spiriti minerali usati per grammo di resina di PTFE in polvere fine fu di 0,275 cc/gm. Il composto fu compresso in una billetta ed estrusa attraverso un laminatoio con vuoto di 1,14 mm collegato a un estrusore del tipo a slittone, per formare un estruso omogeneo. Fu usato un tasso di riduzione di 47:1.
Successivamente, lo spirito minerale inodore fu volatilizzato ed eliminato e 1'estruso omogeneo asciutto fu espanso non assialmente in direzione longitudinale fino a raggiungere 4,0 volte la sua lunghezza originale, facendo passare l'estruso omogeneo e asciutto attraverso una serie di rulli rotanti riscaldati a una temperatura di 300°C. La lastra fu successivamente sottoposta a una fase di bloccaggio amorfo facendo passare la lastra stessa su una serie di rulli rotanti riscaldati a una temperatura di 385°C, in modo che il materiale fosse in contatto con i rulli per circa 12 secondi.
Questo materiale forma una struttura espansa relativamente grossolana, come quella illustrata alla Figura 3.
ESEMPIO 2
Un'altra lastra di cui alla presente invenzione fu prodotta nello stesso modo dell'Esempio 1, fuorché per le seguenti differenze:
Il volume di spiriti minerali usati per grammi di resina di PTFE in polvere sottile fu di 0,297 cc/gm. Il composto fu compresso in una billetta ed estruso attraverso un laminatoio con vuoto di 1,52 mm collegato a un estrusore del tipo a slittone, per formare un estruso omogeneo. Fu usato un tasso di riduzione di 70:1.
Successivamente, lo spirito minerale inodore 'fu volatilizzato ed eliminato. Tre strati dell'estruso omogeneo asciutto furono poi impilati ed espansi non assialmente in direzione longitudinale fino a raggiungere 4,6 volte la lunghezza originale dello stesso, facendo passare l'estruso omogeneo asciutto su una serie di rulli rotanti e riscaldati a una temperatura di 310°C. La lastra fu successivamente sottoposta a una fase di bloccaggio amorfo, facendo passare la lastra su una serie di rulli rotanti riscaldati a una temperatura di 385°C per circa 40 secondi.
Anche in questo caso, questo materiale forma una struttura espansa relativamente grossolana come quella illustrata alla Figura 3.
ESEMPIO 3
Una lastra di cui alla presente invenzione fu prodotta nel modo seguente:
Una resina di PTFE in polvere sottile fu combinata con uno spirito minerale inodore. Il volume degli spiriti minerali usato per grammo di resina PTFE in polvere sottile fu di 0,275 cc/gm. La miscela venne fatta invecchiare a una temperatura inferiore alla temperatura ambiente per consentire agli spiriti minerali di distribuirsi uniformemente entro la resina di PTFE in polvere sottile. Questa miscela fu compressa in una billetta ed estrusa a circa 8300 kPa attraverso un laminatoio con vuoto di 0,71 mm, collegato a un estrusore del tipo a slittone, per formare un estruso omogeneo. Fu usato un tasso di riduzione di 75:1.
L'estruso venne poi fatto passare attraverso due rulli di metallo riscaldati a una temperatura fra 30 e 40°C. Lo spessore finale dopo la laminazione fu di 0,20 mm. Il materiale fu espanso trasversalmente con un rapporto di 3:1 e poi gli spiriti minerali furono eliminati dall'estruso riscaldando la massa a 240°C (cioè, a una temperatura in cui gli spiriti minerali sono altamente volatili) . L'estruso asciutto fu espanso trasversalmente a 150°C a un tasso di 3,5:1. Dopo l'espansione la lastra fu sottoposta a bloccaggio amorfo auna temperatura superiore a 340°C e raffreddata a temperatura ambiente. Questo materiale forma una struttura espansa relativamente sottile, come quella illustrata in Figura 2.
Strati multipli di questo materiale in lastra possono poi essere impilati, sottoposti a pressione ed esposti a una temperatura di circa 360°C per circa 30 minuti per legare gli strati in una lastra omogenea avente virtualmente qualsivoglia spessore voluto.
Un materiale di PTFE espanso stratificato simile a quello descritto nell'Esempio 3 di cui sopra è prodotto dalla W.L. Gore & Associates, Ine., Elkton, MD, come materiale in lastra per guarnizioni, con il marchio di fabbrica GORE-TEX GR®, guarnizioni in lastra. Questo materiale è disponibile in spessori diversi (cioè formando lastre omogenee con strati in numero diverso). Per testare l'efficacia del materiale di cui alla presente invenzione rispetto ai materiali riflettenti la luce commercialmente disponibili, vari campioni di materiali per guarnizioni in lastra furono testati come segue:
Campione 1: lastra composita comprendente circa 15 strati di lastre di PTFE espanso avente le seguenti proprietà :
Spessore: 0,5 mm Densità: 0,60 g/cc Campione 2: Lastra composita comprendente circa 25 strati di lastre di PTFE espanso avente le seguenti proprietà :
Spessore: 1,0 mm Densità: 0,57 g/cc Campione 3: Lastra composita comprendente circa 60 strati di lastre di PTFE avente le seguenti proprietà:
Spessore: 2,2 mm
Densità 0,61 g/cc Campione 4 : Lastra composita comprendente circa 85 strati di lastre di PTFE espanso avente le seguenti proprietà:
Spessore: 3,4 mm
Densità 0,59 g/cc Campione 5 : Lastra composita comprendente circa 150 strati di lastre di PTFE espanso avente le seguenti proprietà :
Spessore : 6,2 mm
Densità: 0,51 g/cc Inoltre, un materiale simile a quello descritto negli Esempi 1 e 2 di cui sopra è prodotto dalla W.L. Gore & Associates, Ine., come nastro per guarnizioni con il marchio di fabbrica GORE-TEX®. Anche in questo caso il materiale è disponibile in diversi spessori. Campioni di questo materiale sono stati testati come segue:
Campione 6: Nastro per guarnizioni comprendente un unico strato di PTFE espanso relativamente grossolano avente le seguenti proprietà:
Spessore : 1 ,0 mm Densità: 0,50 g/cc Campione 7: Nastro per guarnizioni comprendente un unico strato di PTFE espanso relativamente grossolano avente le seguenti proprietà:
Spessore : 3 ,3 mm Densità: 0,66 g/cc Ciascuno dei campioni da 1 a 7 fu testao nel seguente modo per quantificarne le proprietà riflettenti:
Un campione di 2 pollici per 2 pollici di ciascuno dei campioni da 1 a 7 fu disposto in uno spettrofotometro CARY 5E con una sfera integrante Labsphere. La gamma spettrale misurata fu di 175-2500 nm. I dati inferiori a 250 nm non furono registrati a causa dell'inaffidabilità del materiale standard al di sotto di questo valore. Tutte le misurazioni vennero effettuate nel modo a doppio fascio con lo stesso standard di lavoro nella porta di riflettanza di riferimento della sfera. Lo standard di riflettanza usato fu quello dello SPECTRALON, numero di serie Labsphere SRS-99-010-8111-A. Il rilevamento al fotomoltiplicatore fu utilizzato sotto gli 800 nm e il rilevamento al solfuro di piombo fu utilizzato sopra gli 800 nm. Tutte le misurazioni furono normalizzate rispetto alla linea di riferimento del sistema. Questo dato viene poi corretto moltiplicandolo per i fattori di correzione ottenuti con lo standard di riflettanza. Questi dati furono poi mediati e riportati su un tracciato.
Il grafico di Figura 5 registra la riflettanza rispetto alla lunghezza d'onda della luce di un campione di cui alla presente invenzione rispetto a tre materiali riflettenti commercialmente disponibili. La linea 18 è la prestazione del materiale del Campione 5 di cui alla presente invenzione rispetto ai materiali riflettenti commercialmente disponibili SPECTRALON (linea 20) SPECTRAFLECT (linea 22) e INFRAGOLD (linea 24), prodotti ciascuno dalla Labsphere, Ine., North Sutton, NH. Questi materiali sono presentati dal loro fabbricante come alcuni dei materiali a maggiore riflessione diffusa oggi disponibili. I dati tracciati per i materiali commercialmente disponibili sono stati ottenuti dal catalogo di informazioni tecniche pubblicato dalla Labsphere, Ine.. Come si può vedere, a tutte le lunghezze d'onda della luce testate, il materiale riflettente di cui alla presente invenzione ha dimostrato una riflettività notevolmente più alta dei materiali riflettenti commercialmente disponibili. Inoltre, il materiale di cui alla presente invenzione ha mantenuto le sue proprietà riflettenti in lunghezze d'onda assai più alte rispetto ai materiali commerciali.
Si deve notare che non si vuole affermare che le cifre relative alla riflettività qui riportaei dimostrino una riflettanza assoluta della luce, ma piuttosto una riflettanza significativamente migliore dell'attuale materiale riflettente avanzato SPECTRALON usato come standard.
Il grafico di Figura 6 registra la riflettanza rispetto alla lunghezza d'onda della luce di diversi spessori di materiale dell'invenzione rispetto a spessori simili del materiale riflettente SPECTRALON. Le linee 26, 28, 30 e 32 rispettivamente rappresentano le prestazioni dei campioni 1, 2, 3 e 4 di cui alla presente invenzione. A titolo di confronto, le linee 34, 36 e 38 rappresentano rispettivamente le prestazioni di campioni di SPECTRALON di 1,0 mm, 2,0 mm e 3,0 mm di spessore secondo i dati pubblicati nel catalogo tecnico della Labsphere, Ine. Il Campione 1 è stato incluso, anche se non vi sono informazioni disponibili per lo SPECTRALON di 0,5 mm di spessore. In tutti i casi, il materiale dell'invenzione ha dimostrato una riflettività sostanzialmente più elevata del materiale riflettente SPECTRALON di spessore analogo. Questa differenza sembra ancor più pronunciata a mano a mano che lo spessore dei materiali diminuisce. Si deve notare che il materiale da 0,5 mm di cui alla presente invenzione, pur essendo sei volte più sottile dello SPECTRALON da 3,0 mm, dimostra una riflettività uguale o superiore nelle lunghezze d'onda visibili da 400 a 770 nanometri.
Il grafico di Figura 7 registra la riflettanza rispetto alla lunghezza d'onda di quattro campioni di densità analoghe di PTFE espanso di cui alla presente invenzione. Dei quattro campioni, due diversi livelli di spessore sono rappresentati, con un materiale a struttura grossolana e sottile per ogni livello. Le linee 40 e 42 rappresentano i campioni 6 e 7 rispettivamente, ciascuno con una struttura relativamente grossolana caratterizzata da grandi nodi e spesse fibrille. Le linee 44 e 46 rappresentano i campioni 2 e 4 rispettivamente, aventi ciascuno una struttura relativamente sottile caratterizzata da piccoli nodi e fini fibrille.
Confrontato con spessori analoghi, il materiale a struttura più sottile ha dimostrato una riflettività assai più elevata rispetto al materiale con struttura più grossolana a tutte le lunghezze d'onda testate. Per esempio, il Campione 2 con uno spessore di 1,0 mm era sostanzialmente più riflettente del Campione 6 avente lo stesso spessore di 1,0 mm.
Gli esempi suddetti dimostrano che il materiale riflettente di cui alla presente invenzione fornisce prestazioni di gran lunga migliori e più costanti come materiale a riflessione diffusa per un ampio spettro di luce rispetto al materiale riflettente più diffuso attualmente disponibile in commercio.
A causa delle proprietà di riflessione diffusa e strutturali della presente invenzione, essa può essere utilizzata in un'ampia gamma di possibili applicazioni. Come materiale riflettente generale, la presente invenzione può essere utilizzata per formare schermi riflettenti (per esempio schermi di proiezione TV o per film), riflettori per display illuminati controluce, tabelloni stradali, ecc. Inoltre, riflettori specializzati per illuminazione fluorescente o a incandescenza possono essere progettati per ambienti ospedalieri o camere asettiche in cui si desideri ottenere un'illuminazione morbida e diffusa, mantenendo al contempo la pulizia voluta e minimizzando la contaminazione. Il PTFE espanso, a causa delle sue caratteristiche insite di inerzia e di non particellizzazione si presta in modo ideale per queste applicazioni.
L'alta flessibilità della presente invenzione si presta in particolare a tali applicazioni, in quanto essa può essere laminata o altrimenti compattata, come è spesso necessario, e può essere facilmente plasmata in forme diverse e particolarmente in forme non planari. La capacità della presente invenzione di fornire una riflettanza efficace con spessori molto sottili si presta anche a essere usata sotto questo aspetto, in particolare consentendo una maggiore flessibilità progettuale e riducendo il costo e il peso del materiale .
Un'altra area di particolare interesse è costituita dall'applicazione della presente invenzione ad apparecchi che richiedono un'alta riflettanza diffusa, come nelle cavità usate per la generazione del laser. In queste applicazioni, 1'aumento della riflettanza della presente invenzione può grandemente aumentare l'efficienza dell'apparecchiatura che la utilizza. Inoltre, le proprietà strutturali della presente invenzione relativamente a flessibilità, spessore minimo e anche inerzia possono notevolmente migliorare la gamma di applicazioni dei materiali riflettenti in queste applicazioni .
Il fatto che il materiale di cui alla presente invenzione sia più riflettente del miglior materiale attualmente conosciuto ne fa una logica scelta come materiale standard della prossima generazione per testare la riflettanza e altre proprietà luminose di altri materiali.
Infine, la presente invenzione può rivelarsi estremamente utile in una varietà di altre applicazioni, incluse quelle dei collettori solari, fotocellule e altre applicazioni in cui è auspicabile un'alta riflettività diffusa .
Se le particolari forme di realizzazione di cui alla presente invenzione sono state illustrate e descritte come sopra, la presente invenzione non è limitata a dette illustrazioni e descrizioni. E' ovvio che cambiamenti e modifiche possono essere incorporate e inglobate come parte della presente invenzione, sempre nell'ambito delle seguenti rivendicazioni .

Claims (18)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per fornire una migliore riflettività diffusa della luce comprendente: realizzare un materiale riflettente comprendente un politetrafluoroetilene espanso avente nodi polimerici interconnessi da fibrille che definiscono fra gli stessi vuoti microporosi; montare il materiale riflettente per far sì che l'energia luminosa ne venga riflessa; ottenendo così che il materiale riflettente fornisca una riflettività diffusa con oltre il 99% della luce che colpisce il materiale riflettente riflessa dal materiale stesso.
  2. 2. Metodo di cui alla rivendicazione 1, comprendente inoltre : realizzazare come materiale riflettente una lastra flessibile di politetrafluoroetilene espanso, così che il materiale riflettente possa essere facilmente plasmato in forme diverse; e formare il materiale riflettente per fornire una superficie riflessiva non planare.
  3. 3. Metodo di cui alla rivendicazione 2, comprendente inoltre : realizzare come un materiale riflettente un materiale avente uno spessore inferiore a 3 mm.
  4. 4. Metodo di cui alla rivendicazione 1, comprendente inoltre : realizzare come materiale riflettente un materiale avente uno spessore inferiore a 3 mm.
  5. 5. Metodo di cui alla rivendicazione 4, comprendente inoltre : realizzare come materiale riflettente un materiale avente uno spessore inferiore a 0,5 mm.
  6. 6. Metodo di cui alla rivendicazione 1, comprendente inoltre : utilizzare il materiale riflettente come pannello riflettente la luce.
  7. 7. Metodo di cui alla rivendicazione 1, comprendente inoltre : utilizzare il materiale riflettente come materiale riflettente là luce entro un laser.
  8. 8. Metodo di cui alla rivendicazione 1, comprendente inoltre : utilizzare il materiale riflettente come standard riflettente.
  9. 9. Metodo per ottenere una riflessività migliorata della luce comprendente: realizzare un materiale riflettente comprendente un politetraf luoroetilene espanso avente nodi polimerici interconnessi da fibrille che definiscono in essi vuoti microporosi ,il materiale riflettente essendo flessibile così da consentire al materiale di essere facilmente plasmato in varie forme; montare il materiale riflettente per far sì che l'energia luminosa ne venga riflessa; così che il materiale riflettente fornisca una riflessività diffusa con oltre il 90% della luce che colpisce il materiale riflettente riflessa dal materiale.
  10. 10. Metodo di cui alla rivendicazione 9, comprendente inoltre: realizzare il materiale riflettente flessibile per ottenere una superficie riflessiva non planare.
  11. 11. Metodo di cui alla rivendicazione 9, comprendente inoltre: realizzare come materiale riflettente un materiale avente uno spessore inferiore a 3 mm.
  12. 12. Metodo di cui alla rivendicazione 11, comprendente inoltre : realizzare come materiale riflettente un materiale avente uno spessore inferiore a 0,5 mm.
  13. 13. Metodo di cui alla rivendicazione 9, comprendente inoltre: utilizzare il materiale riflettente come pannello riflettente la luce.
  14. 14. Metodo di cui alla rivendicazione 9, comprendente inoltre : utilizzare il materiale riflettente come materiale riflettente la luce entro un laser.
  15. 15. Metodo di cui alla rivendicazione 9, comprendente inoltre : utilizzare il materiale riflettente come standard riflettente .
  16. 16. Metodo di realizzazione di una riflessività diffusa migliorata della luce comprendente: realizzare un materiale riflettente comprendente un politetrafluoroetilene espanso avente nodi polimerici interconnessi da fibrille che definiscono fra essi vuoti microporosi, il materiale riflettente avendo uno spessore inferiore a 1 mm; montare il materiale riflettente in modo tale per cui l'energia luminosa ne venga riflessa; cosicché il materiale riflettente fornisce una diffusa riflessività con oltre il 90% della luce che colpisce il materiale riflettente riflessa dal materiale.
  17. 17. Metodo di cui alla rivendicazione 16, comprendente inoltre: realizzare il materiale riflettente come lastra flessibile di politetrafluoroetilene espanso, che consente che il materiale riflettente venga facilmente plasmato in forme diverse; e plasmare il materiale riflettente per fornire una superficie riflettente non planare.
  18. 18. Metodo di cui alla rivendicazione 16, comprendente inoltre : realizzare un materiale riflettente con una riflessività diffusa superiore al 95%.
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