JP6702720B2 - 耐久性ソーラーミラーフィルム - Google Patents

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Description

(関連出願の相互参照)
米国政府は、米国エネルギー省によって授与されたDE−AC36−08GO28308(CRADA No.08−316)に従って本願に記載の発明の少なくとも一部の権利を有する。
(発明の分野)
本開示は、一般的に、耐久性ソーラーミラーフィルム、耐久性ソーラーミラーフィルムを製造する方法、及び耐久性ソーラーミラーフィルムを含む構造物に関する。
再生可能エネルギーは、太陽光、風、雨、潮汐、地熱等、補充が可能な天然資源から誘導されるエネルギーである。再生可能エネルギーの需要は、テクノロジーの進歩と世界人口の増大につれて大幅に増大している。今日のエネルギー消費の大半は化石燃料によって供給されているが、化石燃料は再生可能ではない。これら化石燃料に対する国際的な依存により、その枯渇に対する懸念だけではなく、これら燃料の燃焼から生じる排出に関連する環境への懸念も高まっている。これら懸念の結果として、世界中の国々で大規模及び小規模な再生可能エネルギー源を開発するための取組を確立している。現在、見込みのあるエネルギー源の1つは、太陽光である。世界的に、現在、何百万軒もの家庭が、太陽光起電システムから電力を得ている。
一般的に、集光型ソーラー技術は、電力を直接又は間接的に生産するために、太陽放射を収集することを含む。集光型ソーラー技術の3つの主な種類は、集光型光起電、集光型太陽光発電、及び太陽熱である。
集光型光起電(CPV)では、集光された太陽光が、光起電効果を介して直接、電力に変換される。一般的に、CPV技術は、光学(例えば、レンズ又は鏡)を用いて、小さな面積の太陽光起電材料に多量の太陽光を集光して電力を発生させる。CPVシステムは、多くの場合、他の種類の光起電エネルギー生成よりも生産が遥かに安価であるが、その理由は、太陽エネルギーの集中により、コストの高い太陽電池の使用数を遥かに少なくすることができるためである。
集光型太陽光発電(CSP)では、集光した太陽光を熱に変換し、次いで、熱を電力に変換する。一般的に、CSP技術は、受光器に太陽光を集光するために複数の形状(例えば、平面鏡、放物線状ディッシュ、及び放物線状トラフ)の鏡面を使用する。次いで、これは、作業流体(例えば、合成油又は溶融塩)を加熱するか、又は熱機関(例えば、蒸気タービン)を駆動する。幾つかの場合においては、この作業流体は電力を生産するエンジンを駆動するものである。他の場合においては、この作業流体は、熱交換器を通過して蒸気を生成し、これを用いて蒸気タービンを動かし、電力を生成する。
太陽熱システムは、太陽放射を集めて水を加熱するか、又は工場においてプロセスストリームを加熱する。幾つかの太陽熱設計では、反射鏡を利用して、水又は供給ストリームを含む受容器に太陽光を集光する。この作動原理は、集光型太陽光発電ユニットに非常に似ているが、太陽光の集光、ひいては作動温度は、それほど高温ではない。
太陽光発電に対する需要増大に伴い、これら用途の要件を満たすことができる反射デバイス及び材料に対する需要が増大している。これら太陽反射鏡テクノロジーとしては、ガラス鏡、アルミ表面鏡、及び金属化ポリマーフィルムが挙げられる。これらのうち、金属化ポリマーフィルムは、軽量であり、設計の柔軟性を提供し、且つ従来のガラス鏡よりも安価な設置システム設計が潜在的に可能になるため、特に魅力的である。ポリマーは、軽量であり、安価であり、且つ製造が容易である。ポリマーにおいて金属表面特性を得るために、金属(例えば、銀)の薄層をポリマー表面にコーティングする。
1つの例示的な市販のソーラーミラーフィルムを図1に模式的に示す。図1のソーラーミラーフィルム100は、プレマスク層110、耐候性層120(例えば、ポリマーを含む)、薄いスパッタコーティングされた結合層140、反射層150(例えば、銀等の反射金属を含む)、耐食性層160(例えば、銅等の金属を含む)、接着剤層170、及びライナー180を含む。図1のフィルムは、典型的に、ライナー180を除去し、接着剤層170を支持基材に隣接して配置することによって支持基材に適用される。次いで、プレマスク層110を除去して、耐候性層120を太陽光に曝露する。
集光型太陽光発電ユニット及び集光型光起電力電池で用いられる金属化ポリマーフィルムは、風雨に連続曝露される。したがって、金属化ポリマー反射フィルムを設計及び製造する際の技術的な課題は、厳しい環境条件に曝される場合に長期的な(例えば、20年間)耐久性を達成することである。いったん集光型太陽光発電ユニット又は集光型光起電力電池に設置されたら、耐久性を提供し且つ光学性能(例えば、反射率)が保持される金属化ポリマーフィルムが必要とされている。機械的特性、光学的透明度、耐食性、紫外線安定性、及び屋外気候条件に対する耐性は全て、長期間の稼働にわたって材料が徐々に劣化する一因となり得る要因である。
本開示の発明者らは、その光学性能を保持する長期にわたる屋外使用を可能にする耐久性金属化ポリマーフィルムの形成における技術的問題の多くが、金属とポリマーとの物理的及び化学的性質及び特性における根本的な不整合から生じることを認識していた。特に困難な点の1つは、ポリマー層と、金属反射表面との間で良好な接着を確保することに関係する。これら表面/層間に良好な接着が存在しないと、層間剥離が生じる。ポリマー層と反射層との間の層間剥離は、「トンネリング」と呼ばれることが多い。
本開示の発明者らは、層間剥離が、典型的に、ポリマー層と反射層との間の接着力低下から生じることを認識していた。この接着力低下は、多くの要因のいずれか、及び多くの場合これら要因の組み合わせによって引き起こされ得る。本開示の発明者らが認識していた幾つかの例示的な要因としては、(1)ポリマー層と反射層との間の機械的応力の増加;(2)反射層の酸化;(3)反射層に隣接する接着剤の酸化;及び(4)ポリマー層の分解(これは、例えば、太陽光に対する曝露によるものであり得る)が挙げられる。これら要因は、それぞれ、例えば、環境温度(環境温度の変動を含む)、熱ショック、湿度、水分への曝露、(例えば、塩及び硫黄等の)空気不純物への曝露、UV曝露、製品の取り扱い、及び製品の保管等の多くの外部条件によって影響を受け得る。
最も挑戦的な問題のうちの1つは、金属/ポリマー界面における応力に関する。いったん応力が大きくなりすぎると、座屈が生じ、ポリマー層を金属反射層から層間剥離させる場合がある。更に、金属化ポリマーフィルムを切断するとき、その縁部が断裂し、無防備な状態になることがある。金属化ポリマーの腐食は、典型的に、その縁部で始まる。したがって、断裂し、露出した金属縁部と上記の正味界面応力との組み合わせは、接着強度に打ち勝ち、トンネリングを引き起こし得る。本発明の発明者らは、特に縁部に沿って、ポリマー層と金属反射層との間の界面を保護することの重要性を認識していた。
2つの従来技術のアプローチが、これら問題に対処するために用いられている。第1に、ソーラーミラー金属化フィルムの縁部の周囲に填隙封止材を塗布する。第2に、ソーラーミラー金属化フィルムの縁部をテープで包み込む。両アプローチは、適切に適用すれば、短期間層間剥離及び/又はトンネリングを最小限に抑えるのに有効である。しかし、両アプローチは、不都合なことに、合計利用可能反射面積を減少させる。また、両アプローチは、不都合なことに、金属化フィルムの前面に別個の材料を導入するので、金属化フィルムの平面の上下に突起又は突出部が生じる。これら突起又は突出部は、例えば、金属化フィルムが風及び雹に曝露されたとき、更なる応力に曝される可能性のある領域である。更なる応力は、例えば、洗浄(例えば、高圧洗浄)及び適用中の取り扱いを含む日常のメンテナンスプロセス中に増加する。また、金属化フィルムの寿命(例えば、20年間)にわたって有効であるために、別個の材料は、フィルムの寿命の間金属化フィルムに接着していなくてはならない。これら材料は、そのような能力が限定されている。したがって、どの従来技術のアプローチも、本明細書に記載する問題に対して有効で長期的な解決策を提供することができない。
本願の発明者らは、ポリマー耐候性層(例えば、アクリル)が、パーセント相対湿度(RH)当たり約30百万分率(ppm)の吸湿膨張係数(CHE)を有するが、金属反射層は、RH当たり約0ppmのCHEを有することを認識していた。本開示の発明者らは、フィルムの層間剥離及び/又はトンネリングを最小限に抑えるか又はなくすための1つの方法が、ミラーフィルム構造物中に耐候性層として多層光学フィルムを含むことを認識していた。多層光学フィルムは、従来技術の耐候性層のCHEと反射層のCHEとの間のCHEを有する。このように、耐候性層として多層光学フィルムを用いると、従来技術の耐候性層と金属反射層とのCHEの差異によって引き起こされる応力の差が減少する。この応力の差をなくすか又は最小限に抑えることにより、トンネリング及び/又は層間剥離がなくなるか又は最小限に抑えられ、寿命の長いソーラーミラーフィルムが得られる。寿命の延長により、太陽光発電のコストが低減され、この有益な形態の自然エネルギー生成をより早く及び/又はより広く採用させることができる。
本開示の1つの実施形態は、パーセント相対湿度当たり約30ppm未満の吸湿膨張係数を有する多層光学フィルム層と、反射層とを含むソーラーミラーフィルムに関する。
ソーラーミラーフィルムの幾つかの実施形態は、RHパーセント当たり約25ppm〜RHパーセント当たり約5ppmのCHEを有する多層光学フィルムを含む。ソーラーミラーフィルムの幾つかの実施形態では、多層光学フィルム層のCHEは、RHパーセント当たり約10ppm〜RHパーセント当たり約25ppmである。ソーラーミラーフィルムの幾つかの実施形態では、多層光学フィルム層のCHEは、RHパーセント当たり約15ppm〜RHパーセント当たり約20ppmである。
ソーラーミラーフィルムの幾つかの実施形態は、反射層として金属層を有する。ソーラーミラーフィルムの幾つかの実施形態は、銀、金、アルミニウム、銅、ニッケル、及びチタンのうちの少なくとも1つである反射層を含む。ソーラーミラーフィルムの幾つかの実施形態は、CHEがRHパーセント当たり0ppm〜RHパーセント当たり3ppmである反射層を含む。
ソーラーミラーフィルムの幾つかの実施形態は、多層光学フィルム層と反射層との間に結合層を更に含む。幾つかの実施形態では、結合層は、二酸化チタンを含む。
ソーラーミラーフィルムの幾つかの実施形態では、多層光学フィルム層は、耐候性層である。ソーラーミラーフィルムの幾つかの実施形態は、耐候性層を含む。
ソーラーミラーフィルムの幾つかの実施形態は、多層光学フィルム層と反射層との間にコンプライアンス層を含む。幾つかの実施形態では、コンプライアンス層は、ブチルアクリレートを含む。ソーラーミラーフィルムの幾つかの実施形態は、反射層に隣接する防食性層を含む。幾つかの実施形態では、防食性層は、銅及び不活性金属合金のうちの少なくとも1つを含む。
ソーラーミラーフィルムの幾つかの実施形態は、反射層に隣接する接着剤層を含む。幾つかの実施形態では、接着剤は、感圧接着剤である。幾つかの実施形態では、接着剤層は、反射層と基材との間に存在する。
本開示の別の実施形態は、上記の実施形態のいずれかを含むが、これらに限定されない、本明細書に記載するようなソーラーミラーフィルムを含む集光型光起電システムに関する。
本開示の別の実施形態は、上記の実施形態のいずれかを含むが、これらに限定されない、本明細書に記載するようなソーラーミラーフィルムを含む集光型太陽光発電システムに関する。
本開示の別の実施形態は、上記の実施形態のいずれかを含むが、これらに限定されない、本明細書に記載するソーラーミラーフィルムを含む反射体アセンブリに関する。
本開示の例示的実施形態の様々な態様及び利点を要約してきた。前述の課題を解決するための手段は、本開示の例示されたそれぞれの実施形態又は全ての実施を記載するものではない。以下の図面及び詳細な説明は、本明細書に開示する様々な実施形態をより具体的に例示する。これら及び様々な他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明を読むことにより明らかになるであろう。
従来技術のソーラーミラーフィルムの概略図である。 本開示に係るソーラーミラーフィルムの1つの例示的な実施形態の概略図である。 本開示に係るソーラーミラーフィルムの別の例示的な実施形態の概略図である。 本開示に係るソーラーミラーフィルムの別の例示的な実施形態の概略図である。 本開示に係るソーラーミラーフィルムの別の例示的な実施形態の概略図である。
本願の幾つかの実施形態は、ソーラーミラーフィルムの耐候性層として多層光学フィルムを含むことに関する。多層光学フィルム(MOF)は、典型的に用いられる耐候性層(例えば、アクリル)のCHEと反射層のCHEとの間のCHEを有する。したがって、多層光学フィルムは、耐候性層と反射層とのCHEの差異によって引き起こされる応力の差を減少させる。
1つの例示的な実施形態を図2に模式的に示す。図2のソーラーミラーフィルム200は、プレマスク層110、MOF耐候性層220、薄いスパッタコーティンされた結合層140、反射層150(例えば、銀等の反射金属を含む)、耐食性層160(例えば、銅等の金属を含む)、接着剤層170、及びライナー180を含む。
別の例示的な実施形態を図3に模式的に示す。ソーラーミラーフィルム300は、プレマスク層110、MOF耐候性層220、コンプライアンス層310(例えば、ブチルアクリレートを含む)、薄いスパッタコーティンされた結合層140、反射層150(例えば、銀等の反射金属を含む)、耐食性層160(例えば、銅等の金属を含む)、接着剤層170、及びライナー180を含む。
別の例示的な実施形態を図4に模式的に示す。ソーラーミラーフィルム400は、プレマスク層110、PMMA層410、接着剤層420、MOF耐候性層220、薄いスパッタコーティンされた結合層140、反射層150(例えば、銀等の反射金属を含む)、耐食性層160(例えば、銅等の金属を含む)、接着剤層170、及びライナー180を含む。この実施形態の幾つかの実施は、図3に模式的に示すように、また以下に記載するように、コンプライアンス層も含む。
別の例示的な実施形態を図5に模式的に示す。ソーラーミラーフィルム500は、プレマスク層110、コンプライアンス層310、MOF耐候性層220、薄いスパッタコーティンされた結合層140、反射層150(例えば、銀等の反射金属を含む)、耐食性層160(例えば、銅等の金属を含む)、接着剤層170、及びライナー180を含む。
明瞭にする目的のために、図1〜5に示す及び本明細書に記載する様々な実施形態における全ての層は、MOF層及び反射層を除いて任意である。一般的に本明細書に記載される種類のソーラーミラーフィルムに含まれ得る各層について、以下に詳細に論じる。
プレマスク層
プレマスク層は、任意である。存在する場合、プレマスクは、取り扱い、積層、及び設置中に耐候性層を保護する。次いで、このような構成は、輸送、保管及び消費者使用のために便利にパッケージ化することができる。幾つかの実施形態では、プレマスクは、屋外設置中に作業者を保護するために不透明である。幾つかの実施形態では、プレマスクは、欠陥を点検できるように透明である。任意の公知のプレマスクを用いることができる。1つの例示的な市販のプレマスクは、Tredegar of Richmond,Virginiaによって販売されているForceField(登録商標)1035である。
多層光学フィルム層
本開示の例示的な多層光学フィルムは、例えば、「Apparatus for Making Multilayer Optical Films」という名称の米国特許第6,783,349号、「Method for Making Multilayer Optical Films」という名称の米国特許第6,827,886号、並びに「Solar Concentrating Mirror」という名称の国際公開第2009/140493号及び「Multi−layer Optical Films」という名称の国際公開第2011/062836号(これらは全て、参照によりその全文が本明細書に援用される)に開示されている装置及び方法を用いて調製してよい。国際公開第2009/140493号には、PMMA/PVDFスキン層が記載されている。本開示の例示的な多層光学フィルムとともに用いるのに好適な更なる層又はコーティングの例は、例えば、両方とも「Multilayer Polymer Film with Additional Coatings or Layers」という名称の米国特許第6,368,699号及び同第6,459,514号(これらは両方、参照することによりその全文が本明細書に援用される)に記載されている。
幾つかの実施形態では、耐候性MOF層は、高反射率(>90%)のスペクトル領域及び高透過率(>90%)の他のスペクトル領域を有し得る。幾つかの実施形態では、耐候性層は、太陽スペクトルの一部に対する高光透過率、並びに低曇り度及び黄変、良好な耐候性、良好な接着力、取り扱い及び洗浄中の耐引っ掻き性及び耐亀裂性、並びに、例えば、小型電子ディスプレー及び/又は太陽エネルギー用途で基材として用いられるとき、フィルムの一方又は両方の主表面に適用される他の層(例えば、他の(コ)ポリマー層、金属酸化物層、及び金属層)に対する良好な接着力を提供する。
ソーラーミラーフィルム構造物に多層光学フィルムを含むことは、幾つかの実施形態では、インラインプロセスとして導入することができる。
ソーラーミラーフィルムに多層光学フィルムを含むことにより、様々な利点が付与される。多層光学フィルムは、従来技術の耐候性層の吸湿膨張係数と反射層の吸湿膨張係数の間の吸湿膨張係数を有する。幾つかの実施形態では、多層光学フィルムは、RHパーセント当たり30ppm未満である吸湿膨張係数を有する。幾つかの実施形態では、多層光学フィルムは、パーセント相対湿度当たり約10ppm〜パーセント相対湿度当たり約25ppmの吸湿膨張係数を有する。幾つかの実施形態では、多層光学フィルムは、パーセント相対湿度当たり約15ppm〜パーセント相対湿度当たり約20ppmの吸湿膨張係数を有する。
従来技術の耐候性フィルムは、RHパーセント当たり少なくとも約30ppmの吸湿膨張係数を有する。幾つかの実施形態では、多層光学フィルムの吸湿膨張係数は、従来技術の耐候性層の吸湿膨張係数の約75%〜約25%である。幾つかの実施形態では、多層光学フィルムの吸湿膨張係数は、従来技術の耐候性層の吸湿膨張係数の約70%〜約30%である。幾つかの実施形態では、多層光学フィルムの吸湿膨張係数は、従来技術の耐候性層の吸湿膨張係数の約60%〜約40%である。
結合層
幾つかの実施形態では、結合層は、酸化アルミニウム、酸化銅、二酸化チタン、二酸化ケイ素、及びこれらの組合せ等の金属酸化物を含む。結合層として、二酸化チタンは、乾燥剥離及び湿潤剥離試験において、驚くほど高い層間剥離耐性をもたらすことが見出されている。金属酸化物結合層の更なる選択肢及び利点は、参照することにより本明細書に援用される米国特許第5,361,172号(Schisselら)に記載されている。
前述の例示的な実施形態のいずれかでは、結合層は、500マイクロメートル以下の厚さを有する。幾つかの実施形態では、結合層は、約0.1マイクロメートル〜約5マイクロメートルの厚さを有する。幾つかの実施形態では、結合層は、少なくとも0.1ナノメートル、少なくとも0.25ナノメートル、少なくとも0.5ナノメートル、又は少なくとも1ナノメートルの合計厚さを有することが好ましい。幾つかの実施形態では、結合層は、2ナノメートル以下、5ナノメートル以下、7ナノメートル以下、又は10ナノメートル以下の合計厚さを有することが好ましい。
コンプライアンス層
幾つかの実施形態では、ソーラーミラーフィルムは、コンプライアンス層を含む。コンプライアンス層は、好ましくは、周囲温度で非粘着性である。幾つかの実施形態では、コンプライアンス層は、ポリ(メチルメタクリレート)と、それぞれメタクリレート、アクリレート、スチレン、又はこれらの組み合わせを含む第1のモノエチレン性不飽和モノマーから誘導される少なくとも2つのエンドブロックポリマー単位であって、各エンドブロックが、少なくとも摂氏50度のガラス転移温度を有するエンドブロックポリマー単位、及びメタクリレート、アクリレート、ビニルエステル、又はこれらの組み合わせを含む第2のモノエチレン性不飽和モノマーから誘導される少なくとも1つのミッドブロックポリマー単位であって、各ミッドブロックが、摂氏20度以下のガラス転移温度を有するミッドブロックポリマー単位を有する、第1のブロックコポリマーと、を含む。
あるいは、幾つかの実施形態では、コンプライアンス層は、ブロックコポリマー/ホモポリマーブレンドを含む。例えば、コンプライアンス層は、A又はBブロックのいずれかに可溶性であるホモポリマーとブレンドしたA−B−Aトリブロックコポリマーを含み得る。任意で、ホモポリマーは、A又はBブロックのいずれかと同一のポリマー単位を有する。1つ以上のホモポリマーのブロックコポリマー組成物への添加は、1つ又は両方のブロックを可塑化又は硬化するために有利に利用することができる。好ましい実施形態では、ブロックコポリマーは、ポリ(メチルメタクリレート)Aブロック及びポリ(ブチルアクリレート)Bブロックを含み、ポリ(メチルメタクリレート)ホモポリマーとブレンドされる。
有利なことに、ポリ(メチルメタクリレート)ホモポリマーをポリ(メチルメタクリレート)−ポリ(ブチルアクリレート)ブロックコポリマーとブレンドすることにより、硬度を、望ましい用途に合わせて調節することが可能になる。更なる有利な点として、ポリ(メチルメタクリレート)とのブレンドは、組成物全体の透明度又は加工性を有意に低下させることなく硬度に対する制御を提供する。好ましくは、ホモポリマー/ブロックコポリマーブレンドは、ブレンドの総重量に基づいて少なくとも30パーセント、少なくとも40パーセント、又は少なくとも50パーセントの総ポリ(メチルメタクリレート)組成物を有する。好ましくは、ホモポリマー/ブロックコポリマーブレンドは、ブレンドの総重量に基づいて95%以下、90%以下、又は80%以下の総ポリ(メチルメタクリレート)組成物を有する。
特に好適な非粘着性ブロックコポリマーとしては、ポリ(メチルメタクリレート)−ポリ(n−ブチルアクリレート)−ポリ(メチルメタクリレート)(25:50:25)トリブロックコポリマーが挙げられる。これら材料は、Kuraray Co.,LTDから商品名LA POLYMERとして既に入手可能である。
任意で、ブロックコポリマーを好適な紫外線吸収剤と組み合わせて、安定性を高めることができる。幾つかの実施形態では、ブロックコポリマーは、紫外線吸収剤を含有する。幾つかの実施形態では、ブロックコポリマーは、ブロックコポリマー及び紫外線吸収剤の総重量に基づいて0.5重量パーセント〜3.0重量パーセントの範囲の量の紫外線吸収剤を含有する。しかし、ブロックコポリマーは、紫外線吸収剤を含有する必要はないことに留意されたい。紫外線吸収剤は表面から分離し、隣接層に対する接着に干渉することがあるので、紫外線吸収剤を全く含まない組成物を使用することは有利であり得る。
幾つかの実施形態では、ブロックコポリマーは、コンプライアンス層の弾性率を調整するために1つ以上のナノフィラーと合わせてよい。例えば、二酸化ケイ素又は二酸化ジルコニウム等のナノフィラーをブロックコポリマーに均一に分散させて、ソーラーミラーフィルムの全体的な剛性又は硬度を高めることができる。好ましい実施形態では、ナノフィラーは、ポリマーマトリックスと相溶性になるよう表面改質される。
幾つかの実施形態では、コンプライアンス層は、比較的高いTを有する第1のポリマー単位と、比較的低いTを有する第2のポリマー単位とを有するランダムコポリマーを含む。この実施形態では、第1のポリマー単位は、メタクリレート、アクリレート、スチレン、又はこれらの組み合わせを含む第1のモノエチレン性不飽和モノマーから誘導され、且つ少なくとも摂氏50度のガラス転移温度を有し、第2のポリマー単位は、メタクリレート、アクリレート、ビニルエステル、又はこれらの組み合わせを含む第2のモノエチレン性不飽和モノマーから誘導され、且つ摂氏20度以下のガラス転移温度を有する。幾つかの好ましいランダムコポリマーでは、第1のポリマー単位は、メチルメタクリレートであり、第2のポリマー単位は、ブチルアクリレートである。ランダムコポリマーは、ランダムコポリマーの総重量に基づいて少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、又は少なくとも80%のメチルメタクリレート組成物を有することが好ましい。ランダムコポリマーは、ランダムコポリマーの重量に基づいて最高80パーセント、最高85パーセント、最高90パーセント、又は最高95パーセントのメチルメタクリレート組成物を有することが更に好ましい。
幾つかの実施形態では、コンプライアンス層は、少なくとも10マイクロメートル、少なくとも50マイクロメートル、又は少なくとも60マイクロメートルの厚さを有する。更に、幾つかの実施形態では、コンプライアンス層は、200マイクロメートル以下、150マイクロメートル以下、又は100マイクロメートル以下の厚さを有する。幾つかの実施形態では、コンプライアンス層は、5マイクロメート以下の厚さを有する。幾つかのこのような実施形態では、コンプライアンス層は、0.1マイクロメートル〜3マイクロメートルの厚さを有する。
反射層
本明細書に記載するソーラーミラーフィルムは、1層以上の反射層を含む。高度の反射率を提供することに加えて、反射層は、製造の柔軟性を提供することができる。任意で、反射層は、比較的薄い有機結合層又は無機結合層に適用することができ、この結合層が耐候性層上に配置される。
幾つかの実施形態では、反射層は、鏡面反射性である滑らかな反射金属層を有する。本明細書で使用するとき、用語「鏡面」は、入射光の方向と出射光の方向とが表面垂線に対して同じ角度を形成する、鏡のような光の反射を誘導する表面を指す。この目的のために任意の反射金属を使用することができるが、好ましい金属としては、銀、金、アルミニウム、銅、ニッケル、及びチタンが挙げられる。幾つかの実施形態では、反射層は、元素銀を含む。
反射層は、RHパーセント当たり約0ppmの吸湿膨張係数を有する。幾つかの実施形態では、反射層は、RHパーセント当たり約0ppm〜RHパーセント当たり約3ppmの吸湿膨張係数を有する。
反射層は、耐候性層の主表面全体にわたって延在する必要はない。必要に応じて、反射層が耐候性層の所定の部分のみに適用されるように、耐候性層は、蒸着プロセス中マスクされてもよい。
多層光学フィルム又は耐候性層上への反射層のパターン化蒸着も可能である。反射層にパターンを生成する例示的な方法は、例えば、案件番号69678US002、69677US002、及び69681US002(全て本出願人に譲渡され、全文が本明細書に援用される)に記載されている。
金属のポリマーへの適用は、例えば、スパッタコーティングを介する物理蒸着、e−ビーム又は熱的方法を介する蒸発、イオンアシストe−ビーム蒸発、電気めっき、スプレー塗装、真空蒸着、及びこれらの組み合わせを含む多数のコーティング方法を用いて行うことができる。金属化プロセスは、用いられるポリマー及び金属、コスト、並びに多くの他の技術的及び実用的要因に基づいて選択される。
金属の物理蒸着(PVD)は、幾つかの用途において非常に一般的であるが、その理由は、清浄な界面上に最も純度の高い金属を提供するためである。この技法では、ターゲットの原子は、基材上に衝突して薄いフィルムを形成することができるように、高エネルギー粒子ボンバードメントによって発射される。スパッタ蒸着に使用される高エネルギー粒子は、グロー放電によって、又は、例えば、電磁場をアルゴンガスに印加することによって生成される自己保持性プラズマによって生成される。
1つの例示的な方法において、蒸着プロセスは、耐候性層上に好適な層厚さの反射層を構築するのに十分な持続時間継続され、これによって反射層を形成する。
反射層は、好ましくは、望ましい太陽光スペクトル量を反射するのに十分な厚さである。好ましい厚さは、反射層の組成によって変動してよい。幾つかの例示的な実施形態では、反射層は、銀、アルミニウム、銅、及び金等の金属について約75ナノメートル〜約100ナノメートルの厚さを有する。図には示されていないが、2層以上の反射層を使用してもよい。
幾つかの実施形態では、反射層は、500ナノメートル以下の厚さを有する。幾つかの実施形態では、反射層は、80nm〜250nmの厚さを有する。幾つかの実施形態では、反射層は、少なくとも25ナノメートル、少なくとも50ナノメートル、少なくとも75ナノメートル、少なくとも90ナノメートル、又は少なくとも100ナノメートルの厚さを有する。更に、幾つかの実施形態において、反射層が、100ナノメートル以下、110ナノメートル以下、125ナノメートル以下、150ナノメートル以下、200ナノメートル以下、300ナノメートル以下、400ナノメートル以下、又は500ナノメートル以下の厚さを有する。
耐食性層
耐食性層は、任意である。含まれる場合、耐食性層は、例えば、元素銅を含んでよい。犠牲陽極として作用する銅層を使用することで、耐食性及び屋外耐候性の強化された反射物品を提供することができる。別のアプローチとして、インコネル(鉄−ニッケル合金)等の比較的不活性な合金を使用することもできる。
耐食性層は、好ましくは、所望の量の耐食性を提供するのに十分な厚さである。好ましい厚さは、耐食性層の組成によって変動してよい。幾つかの例示的な実施形態では、耐食性層は、約75ナノメートル〜約100ナノメートルの厚さである。他の実施形態では、耐食性層は、約20ナノメートル〜約30ナノメートルの厚さである。図には示されていないが、2層以上の耐食性層を用いてもよい。
幾つかの実施形態では、耐食性層は、500ナノメートル以下の厚さを有する。幾つかの実施形態では、耐食性層は、80nm〜250nmの厚さを有する。幾つかの実施形態では、耐食性層は、少なくとも25ナノメートル、少なくとも50ナノメートル、少なくとも75ナノメートル、少なくとも90ナノメートル、又は少なくとも100ナノメートルの厚さを有する。更に、幾つかの実施形態では、耐食性層は、100ナノメートル以下、110ナノメートル以下、125ナノメートル以下、150ナノメートル以下、200ナノメートル以下、300ナノメートル以下、400ナノメートル以下、又は500ナノメートル以下の厚さを有する。
接着剤層
接着剤層は、任意である。存在する場合、接着剤層は、多層構造物を基材(図示されない)に接着させる。幾つかの実施形態では、接着剤は、感圧接着剤である。本明細書で使用するとき、用語「感圧性接着剤」は、強力且つ持続性の粘着性、指圧以下での基材への接着性、及び基材から除去可能な十分な凝集力を示す接着剤を指す。例示的な感圧性接着剤としては、参照することにより本明細書に援用される国際公開第2009/146227号(Josephら)に記載されているものが挙げられる。
ライナー
ライナーは、任意である。存在する場合、ライナーは、接着剤を保護し、ソーラーミラーフィルムを別の基材に移動させることができる。次いで、このような構成を、輸送、保管、及び消費者使用のために便利にパッケージ化してよい。幾つかの実施形態では、ライナーは、剥離ライナーである。幾つかの実施形態では、ライナーは、シリコーンコーティングされた剥離ライナーである。
基材
本明細書に記載するフィルムは、ライナー180(存在する場合)を除去し、基材に隣接して接着剤層170(存在する場合)を配置することによって、基材に適用することができる。次いで、プレマスク層110(存在する場合)を除去して、耐候性層120を太陽光に曝露する。好適な基材は概ね、特定の特性を共有している。最も重要なことに、基材は、十分に剛性でなければならない。第2に、基材は、基材の質感が接着剤/金属/ポリマー積層体を通って伝わることのないよう、十分に滑らかでなければならない。これは、次の理由から有利である:(1)光学的に正確な鏡を可能にする、(2)金属反射層を腐食させたり接着剤を劣化させたりする可能性のある反応性種の侵入経路を排除することによって、金属反射層の物理的一体性を維持する、及び(3)反射フィルム−基材積層体内の応力密度を制御及び規定する。第3に、基材は、好ましくは、腐食を防ぐため、反射鏡積層体に対して非反応性である。第4に、基材は、好ましくは、接着剤が耐久的に接着する表面を有する。
反射フィルム用の例示的な基材と、それに関連する選択肢及び利点は、国際公開第04114419号(Schripsema)、同第03022578号(Johnstonら)、米国特許公開第2010/0186336号(Valenteら)及び同第2009/0101195号(Reynoldsら)、並びに米国特許第7,343,913号(Neidermeyer)に記載されている。例えば、物品は、同時係属の同一出願人による米国仮出願第13/393,879号(Cosgroveら)に記載の通り、多くのミラーパネルアセンブリのうちの1つに含まれ得る。他の例示的な基材としては、金属(例えば、アルミニウム)、鋼、ガラス、又は複合材が挙げられる。
当業者は、本明細書に記載する実施形態が、更なる材料又は層を含んでもよいことを理解する。例えば、幾つかの実施形態は、本出願人に譲渡され、参照することによりその全文が本明細書に援用される米国特許出願第69682US002に記載のように、コンプライアント層を含んでもよい。幾つかの実施形態は、本出願人に譲渡され、参照することによりその全文が本明細書に援用される米国特許出願第69678US002に記載のように、ソーラーミラーフィルムの縁部領域に銀を少量しか有しない又は全く有しなくてよい。
本開示の利点及び実施形態を以降の実施例によって更に例示するが、これら実施例において列挙される特定の材料及びそれらの量、並びに他の条件及び詳細は、本発明を不当に制限するように解釈されるべきではない。これらの実施例は単にあくまで例示を目的としたものであり、添付した「特許請求の範囲」に限定することを意味するものではない。更に、本開示の広範囲で示す数値的範囲及びパラメータは、近似値であるにも関わらず、具体的な実施例に記載される数値は可能な限り正確に報告する。しかしながら、いずれの数値も、それらのそれぞれの試験測定値に見られる標準偏差から必然的に生じる特定の誤差を本来有している。少なくとも特許請求の範囲への均等論の適用を制限する試みとしてではなく、各数値パラメータは、少なくとも、報告された有効数字の数を考慮して、通常の四捨五入を適用することによって解釈されなければならない。また、これらの実施例では、全ての百分率、比率、及び比は、特に断らない限り重量による。
試験方法:
吸湿膨張係数(CHE):吸湿膨張は、DMA−RHアクセサリー(TA Instrumentsから入手)と一体化している動的機械分析装置(DMA)モデル「Q800」、TA Instrumentsから入手)を用いて測定した。25℃の一定温度で約20%〜約80%の範囲の変動する相対湿度の勾配にわたって変位(m/m)を測定した。湿度変化によって引き起こされるサンプル寸法の変化を用いて、CHEを計算する。結果は、パーセント相対湿度(% RH)当たりの百万分率(ppm)で表す。
中性塩噴霧試験(NSS)
結果を様々な時間後の目視観測として報告することを除いて、ISO 9227:2006「Corrosion tests in artificial atmospheres−−Salt spray tests」に概説されている手順に従って、比較例及び実施例の腐食を評価した。
比較例
銀金属化アクリルフィルム(「ECP−305+」、3M Company,St.Paul,MNによって製造)を提供した。このフィルムは、結合層140を含んでいないことを除いて、図1に示すフィルムと実質的に同じに見えた。銀金属化アクリルフィルムは、RHパーセント当たり30ppmのCHEを有していた。製品に含まれているPSAを用いて、塗装されているアルミニウム基材にECP−305+フィルムを積層した。剪断機を用いてサンプルを4”×4”(10.6cm×10.6cm)に切断した。上記NSSに従ってサンプルを耐候試験したところ、72時間未満でトンネリングを示すことが見出された。
(実施例1)
多層光学フィルムを以下の通り調製した:第1及び第2のポリマー層を多層ポリマー溶融物マニホールドを通して共押出して、500〜50層の交互に重なった層を有する多層溶融流を作製することによって多層光学積層体(以下に記載)を調製した。また、それぞれ約4マイクロメートルの厚さを有する2層のスキン層を、光学層積層体の各側に保護層として共押出した。多層溶融流を冷却ロール上に流延して、多層キャストウェブを作製した。次いで、多層キャストウェブを、テンターオーブン内で約105℃の温度まで加熱し、その後3.8×3.8の延伸比に二軸配向させた。約100nmの厚さの銀反射層をフィルム基材上に蒸着させた。約80nmの厚さの銅層を銀層上にコーティングした。25マイクロメートルのアクリル接着剤を銅層上にコーティングした。得られた多層光学フィルムを、約0.5mmの厚さを有するエポキシコーティングされたアルミニウム基材に接着させた。剪断機を用いて積層サンプルを4”×4”(10.6cm×10.6cm)に切断した。
多層積層体の第1のポリマー層は、ポリエチレンテレフタレート(PET)(商品名「PET 9921」として入手、Eastman Chemical Companyにより販売)及び約10重量パーセント(重量%)で配合された紫外線吸収剤(商品名「SUKANO UV MASTERBATCH TA07−07」として入手、Sukano Polymers Corporation,Duncan,South Carolinaにより販売)を含む複屈折性層であった。第2のポリマー層は、ポリメチル(メタ)アクリレートのコポリマー(co−PMMA)(商品名「ATOGLAS 510A」として入手、Arkema,King of Prussia,Pennsylvaniaによって販売)を含んでいた。スキン層は、35%ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(商品名「DYNEON PVDF 6008」として入手、3M Companyによって販売)及び65%ポリメチル(メタ)アクリレート(PMMA)(商品名「CP−82」として入手、Plaskolite,Columbus,Ohioによって販売)を含むポリマーブレンドを含んでおり、これは、2.5重量%の第2の紫外線吸収剤を含んでいた。
多層MOFフィルムの吸湿膨張を上記の通り測定したところ、RHパーセント当たり約15ppmであると測定された。
積層フィルムサンプルを上記の通り耐候試験したところ、150時間後でもトンネリングを示さないことが見出された。
(実施例2)
多層光学フィルムを以下の通り調製した:第1及び第2のポリマー層を多層ポリマー溶融物マニホールドを通して共押出して、100〜50層の交互に重なった層を有する多層溶融流を作製することによって多層光学積層体(以下に記載)を調製した。また、それぞれ約4マイクロメートルの厚さを有する2層のスキン層を、光学層積層体の各側に保護層として共押出した。多層溶融流を冷却ロール上に流延して、多層キャストウェブを作製した。次いで、多層キャストウェブを、テンターオーブン内で約105℃の温度に加熱し、その後3.8×3.8の延伸比に二軸配向させた。約100nmの厚さの銀反射層をフィルム基材上に蒸着させてよい。約80nmの厚さの銅層を銀層上にコーティングしてよい。25マイクロメートルのアクリル接着剤を銅層上にコーティングしてよい。得られた多層光学フィルムを、約0.5mmの厚さを有するエポキシコーティングされたアルミニウム基材に接着させてよい。
多層積層体の第1のポリマー層は、80重量%ポリメチル(メタ)アクリレート(PMMA)(商品名「CP−82」として入手、Plaskolite,Columbus,Ohioによって販売)及び20重量%ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(商品名「DYNEON PVDF 6008」として入手、3M Companyによって販売)を含むポリマーブレンドを含む非複屈折性層であった。第2のポリマー層は、20重量%ポリメチル(メタ)アクリレート(PMMA)(商品名「CP−82」として入手、Plaskolite,Columbus,Ohioによって販売)及び80重量%ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(商品名「DYNEON PVDF 6008」として入手、3M Companyによって販売)を含むポリマーブレンドを含んでいた。スキン層は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(商品名「DYNEON PVDF 6008」として入手、3M Companyによって販売)、及びポリメチル(メタ)アクリレート(PMMA)(商品名「CP−82」として入手、Plaskolite,Columbus,Ohioによって販売)を含み、更に10重量%の第2の紫外線吸収剤(商品名「SUKANO UV MASTERBATCH TA11−10 MB03」として入手、Sukano Polymers Corporationによって販売)を含むポリマーブレンドを含んでいた。
上記の通り測定した多層MOFフィルムの吸湿膨張は、RHパーセント当たり約15ppmであると予測される。上記の通り耐候試験したフィルムは、1500時間後にトンネリングを示すとは予測されない。
言及された全ての参照は、参照により本明細書に組み込まれる。
他に指示がない限り、本開示及び特許請求の範囲で使用される特徴の大きさ、量、物理特性を表わす数字は全て、どの場合においても用語「約」によって修飾されるものとして理解されるべきである。それ故に、そうでないことが示されない限り、前述の明細書及び添付の特許請求の範囲で示される数値パラメータは、当業者が本明細書で開示される教示内容を用いて、目標対象とする所望の特性に応じて、変化し得る近似値である。
本明細書及び添付の「特許請求の範囲」において使用するとき、単数形「a」、「an」、及び「the」は、その内容が明らかにそうでないことが示さないかぎりは複数の指示物を有する実施形態を包含する。本開示及び添付の特許請求の範囲において使用するとき、その内容について別段の明確な指示がない限り、「又は」という用語は概して、「及び/又は」を包含する意味で用いられる。
本出願では、以下の態様が提供される。
1. パーセント相対湿度当たり約30ppm未満の吸湿膨張係数を有する多層光学フィルム層と、反射層と、を含む、ソーラーミラーフィルム。
2. 前記多層光学フィルム層の吸湿膨張係数が、パーセント相対湿度当たり約25ppm〜パーセント相対湿度当たり約5ppmである、態様1に記載のソーラーミラーフィルム。
3. 前記反射層が、金属層である、態様1又は2に記載のソーラーミラーフィルム。
4. 前記反射層が、銀、金、アルミニウム、銅、ニッケル、及びチタンのうちの少なくとも1つを含む、態様1〜3のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルム。
5. 前記反射層が、パーセント相対湿度当たり0ppm〜パーセント相対湿度当たり3ppmの吸湿膨張係数を有する、態様1〜4のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルム。
6. 前記多層光学フィルム層と前記反射層との間に結合層を更に含む、態様1〜5のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルム。
7. 前記結合層が、二酸化チタンを含む、態様6に記載のソーラーミラーフィルム。
8. 前記多層光学フィルム層が、耐候性層である、態様1〜7のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルム。
9. 前記多層光学フィルム層に隣接する耐候性層を更に含む、態様1〜8のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルム。
10. 前記多層光学フィルム層が、380nm〜3,000nmの太陽放射波長域の一部にわたって少なくとも90%の平均放射反射率を示す、態様1〜9のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルム。
11. 前記多層光学フィルム層の吸湿膨張係数が、パーセント相対湿度当たり約10ppm〜パーセント相対湿度当たり約25ppmである、態様1〜10のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルム。
12. 前記多層光学フィルム層の吸湿膨張係数が、パーセント相対湿度当たり約15ppm〜パーセント相対湿度当たり約20ppmである、態様1〜11のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルム。
13. 前記多層光学フィルム層と前記反射層との間にコンプライアンス層を更に含む、態様1〜12のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルム。
14. 前記コンプライアンス層が、ブチルアクリレートを含む、態様13に記載のソーラーミラーフィルム。
15. 前記反射層に隣接する防食性層を更に含む、態様1〜14のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルム。
16. 前記防食性層が、銅及び不活性金属合金のうちの少なくとも1つを含む、態様15に記載のソーラーミラーフィルム。
17. 前記反射層に隣接する接着剤層を更に含む、態様1〜16のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルム。
18. 前記接着剤層が、感圧性接着剤を含む、態様17に記載のソーラーミラーフィルム。
19. 前記接着剤層が、前記反射層と基材との間に存在する、態様17又は18に記載のソーラーミラーフィルム。
20. 基材を更に含む、態様1〜19のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルム。
21. 反射体アセンブリに組み込まれる、態様1〜20のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルム。
22. PMMA及びPVDFを含む1層以上のスキン層を含む、態様1〜21のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルム。
23. PMMAとPVDFとのブレンドを含む1層以上の光学層を含む、態様1〜22のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルム。
24. 態様1〜23のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルムを含む、集光型光起電システム。
25. 態様1〜23のいずれか一項に記載のソーラーミラーフィルムを含む、集光型太陽光発電システム。
本開示の様々な実施形態及び実施が開示される。開示された実施形態は、例証するために提示されるもので、制限するためのものではない。上記の実施及び他の実施は以下の請求項の範囲内である。本開示が、開示されたもの以外の実施形態及び実施により実行され得ることは当業者には理解されよう。上記の実施形態及び実施例の詳細には、本発明の基礎をなす原理から逸脱することなく多くの変更を加えることができる点は当業者に認識されるであろう。本発明は、本明細書に記載される例示的な実施形態及び実施例によって不当に限定されるものではない点、また、こうした実施例及び実施形態はあくまで例示を目的として示されるにすぎないのであって、本発明の範囲は本明細書において以下に記載する「特許請求の範囲」によってのみ限定されるものである点は理解すべきである。更に、本発明に対する様々な改変及び変形が、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく当業者にとって明らかとなろう。したがって、本出願の範囲は、以下の「特許請求の範囲」によってのみ定められるべきものである。

Claims (3)

  1. 共押出による交互の第1および第2のポリマー層を多数含んでなり、パーセント相対湿度当たり約30ppm未満の吸湿膨張係数を有し、耐候性層である、多層光学フィルム層と、
    金属反射層と、
    前記多層光学フィルム層と前記金属反射層との間の結合層であって、二酸化チタンを含む前記結合層と
    前記多層光学フィルム層に隣接する別の耐候性層と
    前記多層光学フィルム層と前記金属反射層との間のコンプライアンス層と
    を含み、
    前記多層光学フィルム層、前記コンプライアンス層、前記結合層、および前記金属反射層がこの順で配置され、
    前記多層光学フィルム層が、380nm〜3,000nmの太陽放射波長域の一部にわたって少なくとも90%の平均放射反射率を示す、
    ソーラーミラーフィルム。
  2. 前記多層光学フィルム層の吸湿膨張係数が、パーセント相対湿度当たり約25ppm〜パーセント相対湿度当たり約5ppmである、請求項1に記載のソーラーミラーフィルム。
  3. 前記金属反射層に隣接する接着剤層を更に含む、請求項1又は2に記載のソーラーミラーフィルム。
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