一種光學多層梯度薄膜及其製備裝置的製作方法

2023-05-27 07:00:21

本發明涉及薄膜技術領域，尤其涉及一種新型光學多層梯度薄膜及其製備裝置。

背景技術：

光學薄膜是一種達到改變預定波段光的透射率和反射率效果的膜。一般說來，膜層的厚度在光波長的量級，可通過改變膜層的厚度來改變光學薄膜的作用波段。對於固定厚度的膜層，不同波段的光對應的光程(即相位差)不同，其相干疊加後的強度不同，這就對應著不同的透射率和反射率。當前，光學薄膜已廣泛應用於光學及光電子技術領域，用於製造各種具有特定光學效應的儀器。

在實際應用過程中，光學效應較好的光學薄膜對鍍膜材料的純度、對膜層的厚度和均勻性的要求比較高，因此其價格也較為昂貴，這就限制了這種光學薄膜向其他產業的應用和推廣。

另一方面多層薄膜技術是20世紀70年代發明的，它是利用兩種或兩種以上具有不同折射指數的透明熱塑性塑料重複組合形成若干層均勻平行的交替層薄膜。

在中國專利申請CN200910237622.5公開的一種納米疊層複合材料製備裝置，主要包括有熔融塑化供料裝置、匯流器、層疊器、成型裝置，熔融塑化供料裝置、匯流器、層疊器、成型裝置前後依次串聯，熔體在層疊器入口被均分，沿各自流道扭轉、展開、變薄，在疊層器出口匯合成一股多層熔體，然後進入下一個疊層器，重複以上過程。通過層疊器的不斷分割、展開、拉薄、匯合，最終得到具有指定層數的具有交替結構的均勻複合材料，但是該方法不能夠實現多層梯度薄膜的效果。

在中國專利申請CN201410767872.0公開的一種新型光學聚合物複合薄膜的製作方法，在基底表面覆蓋光學薄膜。光學薄膜由M個單元膜疊加而成，每個單元膜由N層採用聚合物材料製成的光學膜層疊加而成，其中N＝2或者N＝3,每層光學膜層具有預定的膜厚，任意相鄰兩層光學膜層具有不同的折射率；將多層光學膜層疊放在基底表面採用滾壓裝置壓制而成，或者，利用多層共擠吹塑方式製成多層光學薄膜並粘覆在基體表面製成。但是該製作方法效率較低，並且不容易保證加工的精度。

目前，採用聚合物材料作為光學薄膜材料，生產工藝也較為成熟，為光學薄膜轉化為便於應用的推廣的產品打下了良好的基礎。

技術實現要素：

基於背景技術存在的技術問題，本發明提出了一種新型光學多層梯度薄膜及其製備裝置。

本發明提出了一種光學多層梯度薄膜，所述光學薄膜由2M組單元膜疊加而成，每個單元膜具有折射率相差較大的聚合物材料A和B交替而成N個相同的周期結構，聚合物材料A的折射率為n1，聚合物材料B的折射率為n2。前M組實現對一種波段(例如紫外線)的高反射，後M組實現對另一種波段(例如紅外線)的高反射。

所述單元膜滿足nd＝λ/4，其中n為聚合物材料的折射率，d為材料的單層厚度，λ為單元膜反射帶中心波長。

所述單元膜中，聚合物材料A與聚合物材料B周期結構厚度比值為對應折射率比值的倒數，為n2/n1。

所述2M組單元膜反射帶中心波長分別為λ1，λ2，……，λ2M。所述單元膜中聚合物材料A/聚合物材料B周期結構的理論層厚依次是：第一組(λ1/4n1)/(λ1/4n2)，第二組(λ2/4n1)/(λ2/4n2)，……，第M組(λM/4n1)/(λM/4n2)，……，第2M組(λ2M/4n1)/(λ2M/4n2)。

上述本發明一種光學多層梯度薄膜的製備裝置，主要包括有熔融塑化供料裝置、匯流器、多個均勻層疊器、梯度膜厚層疊器、成型裝置，熔融塑化供料裝置、匯流器、多個均勻層疊器、梯度膜厚層疊器、成型裝置前後依次串聯，均勻層疊器有多個串聯起來，相鄰的均勻層疊器沿擠出軸線的法向旋轉90度連接，匯流器將來自兩個熔融塑化供料裝置的兩股熔體按照聚合物材料A/聚合物材料B周期結構厚度比疊合成具有兩層結構的複合熔體，匯流器與均勻層疊器對接，均勻層疊器入口熔體通道尺寸與旋轉90度的出口的熔體通道面積相同，複合熔體沿寬度方向平均分割成t等分，每一等分在均勻層疊器中繼續向前流動時旋轉90度並且展寬，在出口端相互匯流成為2×t層的疊層結構，相鄰均勻層疊器的分層數相同，也可以不相同，該疊層結構熔體進入下一節均勻層疊器再平均分割成m等分，則可得到2×t×m層結構熔體；以此類推可以得到任意多層(層數為x)結構複合熔體。t和m為不小於2的整數，x為由t和m及均勻層疊器數量決定的整數。

若層數為x的多層複合熔體進入一個梯度膜厚層疊器，熔體不再被均勻分割，而是沿寬度方向梯度分割成2M組，該梯度分布決定最終單元膜的厚度比例。梯度膜厚層疊器出口對應的有沿厚度方向相同梯度分割的2M組，梯度膜厚層疊器出口得到2Mx層的複合熔體，每組有x層，M為不小於2的整數。最後與成型裝置連接，成型裝置保證厚度的相對關係不變而得到最終製品。例如:將兩種組分A和B的高分子熔體按照n2:n1，匯流後經過串聯一節一分二和兩節一分五的三個均勻層疊器，而後進入一定寬度比的M為4的梯度膜厚層疊器，得到總層數為2×(2×5×5)×(2×4)＝800層的多層複合熔體。該層狀熔體從成型裝置出來後，其結構厚度比例保持不變，最終薄膜的厚度也得以確定。如果梯度膜厚層疊器的梯度分布為(λ1/4n1+λ1/4n2):(λ2/4n1+λ2/4n2):…:(λM4n1+λM/4n2):…:(λ2M/4n1+λ2M/4n2)，且成型裝置出口厚度為D，那麼得到2M個單元膜厚度依次是：(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)。相應地，每個單元組內A/B周期結構的厚度依次是：第1組(λ1/4n1)S和(λ1/4n2)S，第2組(λ2/4n1)S和(λ2/4n2)S，…，第M組(λM/4n1)S和(λM/4n2)S，…，第2M組(λ2M/4n1)S和(λ2M/4n2)S。

本發明中，所述新型光學多層梯度薄膜一方面在太陽光譜的紫外波段(300-400nm)以及太陽光譜中主要的紅外波段(800-1100nm)形成了近100％的反射，在可見光波段(400-800nm)具有較高的反射效率(80％以上)，可實現寬帶的紫外紅外反射譜。本發明利用兩種折射率相差較大的材料，可實現多種波段的全反射，另一方面採用多個均勻層疊器、梯度膜厚層疊器實現膜厚可控成型，多層實現簡單，層厚達到納米級，生產成本低，且具有非常廣泛的應用。該新型光學多層梯度薄膜製備裝置的設計製造工藝簡單，精度容易保證，並且對物料的適應性和製造的效率有了大大提高。

附圖說明

圖1是本發明一種光學多層梯度薄膜。

圖2是本發明一種光學多層梯度薄膜製備裝置。

圖3是本發明一種光學多層梯度薄膜製備裝置梯度膜厚層疊器中熔體流動示意圖。

圖4是本發明一種光學多層梯度薄膜製備裝置梯度膜厚層疊器中熔體流動入口正視圖。

圖5是本發明一種光學多層梯度薄膜的反射與透射譜。

圖中：1塑化供料裝置；2匯流器；3均勻層疊器；4均勻層疊器；5梯度膜厚層疊器；6成型裝置。

具體實施方式

本發明提出了一種光學多層梯度薄膜，在具體實施過程中，如圖1所示，所述的光學薄膜由八組單元膜疊加而成，即M＝4，反射兩個波段，每個單元膜具有由折射率分別為1.49±0.01和1.65±0.01的聚合物材料PMMA和PET交替而成50個相同的周期結構，N＝50。前四組實現對紫外波段的高反射，後四組實現對紅外波段的高反射。

所述單元膜滿足nd＝λ/4，其中n為材料的折射率，d為材料的單層厚度，λ為單元膜中心波長。

在具體實施過程中，PMMA/PET周期結構厚度比值若為1.1，PMMA/PET周期結構的厚度如下：第一組52.36nm/47.6nm，第二組55.66nm/50.6nm，第三組58.96nm/53.6nm，第四組62.26nm/56.6nm，第五組141.24nm/128.4nm，第六組151.25nm/137.5nm，第七組161.15nm/146.5nm，第八組171.16nm/155.6nm。

本發明提出了一種光學多層梯度薄膜的製備裝置，如圖2所示，主要包括有熔融塑化供料裝置1、匯流器2、均勻層疊器一3、均勻層疊器二4、梯度膜厚層疊器5、成型裝置6，熔融塑化供料裝置1、匯流器2、均勻層疊器一3、均勻層疊器二4、梯度膜厚層疊器5、成型裝置6前後依次串聯，匯流器2將來自兩個熔融塑化供料裝置1的兩股聚合物材料熔體PMMA和PET按照厚度比例1.1:1疊合成具有兩層結構的複合熔體，匯流器2與均勻層疊器一3對接，均勻層疊器一3入口熔體通道尺寸與旋轉90度的出口的熔體通道面積相同，複合熔體沿寬度方向平均分割成2等分，每一等分在均勻層疊器一3中繼續向前流動時旋轉90度並且展寬，在出口端相互匯流成為2×2層的疊層結構，均勻層疊器一3與均勻層疊器二4的分層數不相同，該疊層結構熔體進入兩節相同的均勻層疊器二4依次平均分割成5等分，則可得到2×(2×5×5)＝100層結構熔體，x為100層。

該100層結構熔體進入如圖3所示的梯度膜厚層疊器5，熔體不再被均勻分割，而是沿寬度方向梯度分割成8組，圖4中8組通道的入口寬度比例為：4998:5313:5628:5943:13482:14437.5:15382.5:16338，前四組與後四組厚度差別較大，該梯度分布決定最終單元膜的厚度比例。梯度膜厚層疊器5出口對應地有沿厚度方向相同梯度分割的八組，梯度膜厚層疊器5出口得到800層的複合熔體，每組有100層。最後與成型裝置6連接，成型裝置6保證厚度的相對關係不變而得到最終製品。在具體實施過程中，該成型裝置6出口厚度為81522nm，且成型裝置6保證厚度的相對關係不變，那麼得到8個單元膜厚度依次是4998nm、5313nm、5628nm、5943nm、13482nm、14437.5nm、15382.5nm、16338nm的單元，每個單元組內A/B的厚度如下：第一組52.36nm/47.6nm，第二組55.66nm/50.6nm，第三組58.96nm/53.6nm，第四組62.26nm/56.6nm，第五組141.24nm/128.4nm，第六組151.25nm/137.5nm，第七組161.15nm/146.5nm，第八組171.16nm/155.6nm。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。