发明内容
本发明申请即是针对目前在光学显示屏领域存在的上述缺陷,提供一种新的纳米复合材料以及由该材料制作的屏幕,该屏幕除了保留美丽的外观和良好的物理、化学性能外,还具有优异的光学性能,可达到高清晰,高通透,高均匀性、高对比度、高亮度、宽视角的影像显示效果。
本发明申请的另一目的是提供该材料的制作方法。
具体来说,本发明申请所述的纳米光学复合材料的母料,其特征在于:所述的母料包括如下重量份的各种组分:
1.高分子聚碳酸酯 70-90份;
2.粒径0.3-0.35um的核壳结构的增韧剂,其中核是丁二烯一苯乙烯橡胶,壳是聚甲基丙烯酸甲酯 5-8份;
3.苯并三氮唑类光稳定剂 0.15-0.6份;
4.超高分子量聚硅氧烷 0.1-0.3份;
5.折射率为1.49的2.6-3.6um聚甲基丙烯酸酯型的光扩散粒子0.5-3.0份;
6.无卤环保磺酸盐类阻燃剂 0.06-0.1份。
其中,高分子聚碳酸酯的分子结构为-[-O-(C6H4)-C(CH3)2-(C6H4)-O-CO-]n-),聚碳酸酯(简称PC)是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物,根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多种类型,聚碳酸酯无色透明,耐热,抗冲击,阻燃BI级,在普通使用温度内都有良好的机械性能。同性能接近聚甲基丙烯酸甲酯相比,聚碳酸酯的耐冲击性能好,折射率高,加工性能好。
粒径0.3-0.35um的核壳结构的增韧剂可以使材料在-30℃以下同样具有优异的的韧性,并且还能改善PC耐应力开裂性缺点;苯并三氮唑类光稳定剂可进一步防止太阳光紫外线引起产品疲劳变黄现象发生;超高分子量聚硅氧烷起到高光耐磨的作用,折射率为1.49的2.6-3.6um二氧化钛(TiO2)粒子聚甲基丙烯酸酯型的光扩散粒子,可以使透过光线在化学颗粒和基层之间不断折射、反射和散射,将点光源转换成面光源,形成光的均匀扩散效果,达到显示效果的一致性;无卤环保磺酸盐类阻燃剂具有提高阻燃效果的作用。
本发明申请所述的纳米光学复合材料母料的制作工艺,如下所述:
1、将上述各种原料预处理后,各自加温至150℃-270℃,共同进入料斗搅拌;
2、均匀混合后进入挤压机升温到270℃-300℃,物料被螺杆连续的挤出机头;
3、进入模具保温反应1.5-2.5小时定型,经降温冷却至室温10-25℃、然后经牵引、切割的工序成型为预设厚度的基材胚板;其中,牵引、切割为预设厚度的基材胚板都是先有的成熟的工艺技术,这里不再赘述;
4、然后通过粉碎设备,把该胚板粉碎成1×1×3毫米的标准粒子。
本发明申请还提供上述纳米光学复合材料的基材,所述的基材包括母料和光扩散粒子,其中,各组分的重量份如下所述:
1、母料 96-99份;
2、折射率为1.49的平均粒径为2.6-3.6um的聚甲基丙烯酸酯型的光扩散粒子 1-1.5份。
进一步的,所述的基材还可以包括如下重量份的成分:
1、平均粒径为5.2-6.2um的聚甲基丙烯酸酯型的光扩散粒子 1-1.5份;
2、平均粒径为9.0-12um的聚甲基丙烯酸酯型的光扩散粒子 0.5-1.0份。
这些光扩散粒子使透过光线在化学颗粒和基层之间不断折射、反射和散射,可以将点光源转换成面光源,形成光的均匀扩散效果,可显著提高对光的散光性、匀光性、聚集性和导光性。
上述基材的制作工艺如下所述:对上述母料和光扩散粒子分别加温至150℃-270℃,当上述母料变成熔体后,光扩散粒子再进入料斗搅拌,充分均匀混合后,进入挤压机,升温到270℃-300℃,被螺杆连续的挤出机头,进入模具保温反应1.5-2.5小时,降温冷却、牵引、最后切割成型为1.5-5MM厚度的平板基材。
本发明申请还提供用上述纳米光学复合材料加工制作的显示屏,所述的显示屏按照距离光源由近及远的顺序依次为吸光层、导光层、增益层、滤光层、防眩光层,各部分的结构如下:
1、吸光层:厚度为40-50μm,在导光层的朝光源面均匀涂布一层针状结构的金红石相纳米氧化钛,针长40nm,宽10nm进行表面涂布,添加量为涂布总量的0.5-1%,同时还用折射率为1.49,平均粒径20um的聚甲基丙烯酸酯型光扩散半球粒子,添加量为涂布总量的1-1.5%;由于紧致细密的金属粒子组成吸光层,对可视光及红外光透光率超98%,它们反射率不超过2%,可显著提高板材的吸光性能;
2、导光层:由上述工艺得到的平板基材构成,厚度为1.5-5毫米;
3、增益层:厚度为10-15μm,在导光层朝观测面上均匀涂布折射率为1.59,平均粒径1.3-2.6um聚甲基丙烯酸酯型光扩散粒子0.5-1重量份,形成凹凸不平的表面,由于均匀、至密的圆球微粒与基材的折射差异组成一个增亮的透镜层,从而增加它的可视角及亮度;
4、滤光层:厚度为10-15μm,是纳米氧化硅微粒分散在深灰色透明树脂相中而构成的滤光层,在增益层上均匀涂布平均粒径10±5nm的多微孔纳米氧化硅粒子0.3-1份;由于微小的圆球微粒层反射掉绝大部分外部的紫外线及红外线,另外透明树脂染至深灰色,从前面来的各种环境光几乎都被全黑的区域所吸收,而从后面传来的光线又可正常传出,对内部的光线不会产生干扰,从而具备良好的抗环境光作用;
5、防眩光层:厚度为13-15μm,在涂完滤光层后再涂布一层防眩光层,防眩光层是由平均粒径在75nm的PMMA/TiO2纳米复合粒子(采用原位乳液聚合法,用经硅烷偶联剂处理过的纳米TiO2,与MMA单体混合,合成PMMA/TiO2纳米复合粒子)0.5份,平均粒径1.3-2.6um聚甲基丙烯酸酯型光扩散粒子0.5-0.75份组成,可防止色彩白化现象,具有优良的防眩光效果、其透光率大于90%,同时还涂布一层平均粒径30±5(nm)氧化铝粒子(分子式Al2O3)0.2重量份,可以起到自洁净功能。
本发明申请还要求包括上述的纳米光学复合材料加工制作的显示屏在屏幕显示、液晶电视背光模组成像系统的应用。
本发明申请所述的纳米光学复合材料以及由此制作的显示屏,通过原材料不同的配比及先进的生产工艺,结合运用五层微透镜阵列结构、通过掺杂不同的纳米粒子和改善叠层表面微结构的方式,实现对光的吸收、聚集、传输、变换等。
具体实施方式
以下结合附图对发明申请所述的纳米光学复合材料及其制备方法和应用进行描述,目的是为了公众更好的理解本发明申请所述的技术方案,而不是对所述技术方案的限制,事实上,在以与本发明申请相同或近似的原理,对所述纳米光学复合材料,包括母料、基材,与其制作方法,以及由上述基材制成的显示屏的结构,进行的增减、替换和改进,都在本发明申请所要求保护的技术方案之内。
实施例一
母料配方一
本发明申请所述的纳米光学复合材料的母料,包括如下重量份的各种组分:
1、高分子聚碳酸酯 70份;
2、粒径为0.3-0.35um的核壳结构的增韧剂,其中核是丁二烯一苯乙烯橡胶,壳是聚甲基丙烯酸甲酯 8份;
3、苯并三氮唑类光稳定剂 0.15份;
4、超高分子量聚硅氧烷 0.3份;
5、折射率为1.49的2.6-3.6um聚甲基丙烯酸酯型的光扩散粒子0.5份;
6、无卤环保磺酸盐类阻燃剂 0.1份。
实施例二
母料配方二
本发明申请所述的纳米光学复合材料的母料,包括如下重量份的各种组分:
1、高分子聚碳酸酯 90份;
2、粒径0.3-0.35um的核壳结构的增韧剂,其中核是丁二烯一苯乙烯橡胶,壳是聚甲基丙烯酸甲酯 5份;
3、苯并三氮唑类光稳定剂 0.6份;
4、超高分子量聚硅氧烷 0.1份;
5、折射率为1.49的2.6-3.6um聚甲基丙烯酸酯型的光扩散粒子3.0份;
6、无卤环保磺酸盐类阻燃剂 0.06份。
实施例三
母料配方三
本发明申请所述的纳米光学复合材料的母料,包括如下重量份的各种组分:
1、高分子聚碳酸酯 80份;
2、粒径0.3-0.35um的核壳结构的增韧剂,其中核是丁二烯一苯乙烯橡胶,壳是聚甲基丙烯酸甲酯 6.5份;
3、苯并三氮唑类光稳定剂 0.4份;
4、超高分子量聚硅氧烷 0.2份;
5、折射率为1.49的2.6-3.6um聚甲基丙烯酸酯型的光扩散粒子2.0份;
6、无卤环保磺酸盐类阻燃剂 0.08份。
实施例四
下面以实施例三中所述的配方为例,说明所述母料的制备方法,其余配方的制备方法与之类似,不再赘述;
1、将实施例三中所述各种原料预处理后,各自加温至200℃,共同进入料斗搅拌;
2、均匀混合后进入挤压机升温到290℃,物料被螺杆连续的挤出机头;
3、进入模具保温反应2小时定型,经降温冷却、牵引、切割等工序成型为预设厚度的基材胚板;
4、然后通过粉碎设备,把该胚板粉碎成1×1×3毫米的标准粒子。
实施例五
基材配方一
本发明申请还提供上述纳米光学复合材料的基材,所述的基材包括母料和光扩散粒子,其中,各组分的重量份如下所述:
1、母料 96份;
2、折射率为1.49的平均粒径为2.6-3.6um的聚甲基丙烯酸酯型的光扩散粒子 1.5份;
3、平均粒径为5.2-6.2um的聚甲基丙烯酸酯型的光扩散粒子 1份;
4、平均粒径为9.0-12um的聚甲基丙烯酸酯型的光扩散粒子 0.5份。
实施例六
基材配方二
述的基材包括母料和光扩散粒子,其中,各组分的重量份如下所述:
1、母料 99份;
2、折射率为1.49的平均粒径为2.6-3.6um的聚甲基丙烯酸酯型的光扩散粒子 1份。
实施例七
基材配方三
述的基材包括母料和光扩散粒子,其中,各组分的重量份如下所述:
1、母料 97份;
2、折射率为1.49的平均粒径为2.6-3.6um的聚甲基丙烯酸酯型的光扩散粒子 1.2份;
3、平均粒径为5.2-6.2um的聚甲基丙烯酸酯型的光扩散粒子1.2份;
4、平均粒径为9.0-12um的聚甲基丙烯酸酯型的光扩散粒子 0.7份。
实施例八
基材的制备方法:
以实施例七所述的配方为例,说明基材的制备方法,其余配方基材的制备方法与之类似,不再赘述;
1、对实施例七所述的母料和光扩散粒子的配比分别加温至200℃;
2、当上述母料变成熔体后,光扩散粒子再进入料斗搅拌,充分均匀混合后,进入挤压机,升温到290℃,被螺杆连续的挤出机头;
3、进入模具保温反应2小时,降温冷却、牵引、最后切割成型为1.5-5MM厚度的平板基材。
实施例九
纳米光学复合材料的结构:
由上述基材制得的纳米光学复合材料,运用五层结构,具体包括:吸光层、导光层、增益层、滤光层、防眩光层,如图1所示;
1、其中,导光层即是由平板基材制得,这些光扩散粒子使透过光线在化学颗粒和基层之间不断折射、反射和散射,可以将点光源转换成面光源,形成光的均匀扩散效果,可显著提高对光的散光性、匀光性、聚集性和导光性,其中多分散型光扩散粒子的电子显微镜照片,如图2所示;生产工艺是对其各自加温150℃-270℃,当纳米光学复合材料母粒子变成熔体后,辅料(光扩散粒子)再进入料斗搅拌,充分均匀混合后,进入挤压机,升温到270℃-300℃,被螺杆连续的挤出机头,进入模具保温反应2小时±0.5小时,降温冷却,牵引,最后切割成型为1.5-5MM厚度的平板基材(导光层);
2、增益层10-15μm:在原配方的基础上,在平板基材(导光层)朝观测面上面均匀涂布折射率为1.59,平均粒径1.3-2.6um聚甲基丙烯酸酯型光扩散粒子0.5-1%重量份,形成凹凸不平的表面,由于均匀、至密的圆球微粒与基材的折射差异组成一个增亮的透镜层,从而增加它的可视角及亮度,形成增益层,如图3所示;
3、滤光层10-15μm,如图4所示,是纳米氧化硅(分子式为SiOX)微粒分散在深灰色透明树脂相中而构成的滤光层,在原配方的基础上,在增益层上面均匀涂布平均粒径10±5(nm)多微孔纳米氧化硅粒子0.3-1%重量份,由于微小的圆球微粒层反射掉绝大部分外部的紫外线及红外线;另外透明树脂染至深灰色,从前面来的各种环境光几乎都被全黑的区域所吸收;而从后面传来的光线又可正常传出,对内部的光线不会产生干扰,从而具备良好的抗环境光作用;
P型纳米氧化硅的表面含有许多纳米级微孔,其孔隙率达0.611ml/g;多微孔粒子平均粒径10±5(nm)比表面积(640±30m2/g)松装密度(<0.12g/cm3)紫外反射率(>85%),(需充分分散)后,由于其表面羟基含量高(羟基含量>45%),对紫外线、红外线反射能力强,可以有效阻抗大部分环境光的干扰;
如图5和图6所示,由于涂层中的纳米粒子产生空穴导电,引起自由载流子的吸收来增强浓度,从而表现出对太阳光谱具有选择性,即波长在400-800nm的可见光区,涂膜透过率达82%;波长在小于400nm的紫外线区,涂膜透过率达15%;波长在800-2500nm的近红外区,由于太阳入射光的频率高于涂膜中纳米导电粒子的振动频率,引起了其粒子的高反射,对分布于此波段占50%左右的太阳能量起屏蔽阻隔作用;
4、如图7所示,防眩光层13-15μm:在涂完滤光层后再涂布一层防眩光层,防眩光层是由平均粒径在75nm的PMMA/TiO2纳米复合粒子(采用原位乳液聚合法,用经硅烷偶联剂处理过的纳米TiO2,与MMA单体混合,合成PMMA/TiO2纳米复合粒子)0.5%重量份,平均粒径1.3-2.6um聚甲基丙烯酸酯型光扩散粒子0.5-0.75%重量份组成,可防止色彩白化现象,具有优良的防眩光效果、其透光率大于90%。同时还涂布一层平均粒径30±5(nm)氧化铝粒子(分子式Al2O3)0.2%重量份。γ相(晶相)比表面积(m2/g)180±30,密度(0.2-0.4g/cm3)。可以起到自洁净功能;
5、如图8所示,吸光层40-50μm:在原配方的基础上,在导光层上面(朝光源面)再均匀涂布一层针状结构的金红石相(晶型)纳米氧化钛(分子式为TiO2)(外观:白色疏松粉末比表面积:160±30m2/g),平均粒度:针长40nm,宽10nm进行表面涂布。添加量为涂布总量的0.5-1%。同时还选用平均粒径20um的聚甲基丙烯酸酯型光扩散半球粒子(折射率为1.49),添加量为1-1.5%。,由于紧致细密的金属粒子组成吸光层,对可视光及红外光透光率超98%。它们反射率不超过2%,可显著提高板材的吸光性能。
实施例十
本发明申请所述的纳米复合材料与目前市面上光学屏幕及散射屏幕(普遍都由丙烯酸制成)的物理化学性能的比较,具体如下表所示:
本发明申请得到的显示屏具有优异的光学性能,具体来说表现在以下几个方面:
1、均匀性更好:传统屏幕都会存在一定的中心亮、四周偏暗的现象,即常见的“太阳效应”,而本发明申请所述的纳米复合屏幕由于扩散粒子均匀分布在整个产品中,可以显著提高四周亮度,提高整体显示亮度均匀性。无“热岛”及“太阳效应”;
2、亮度更高:传统屏幕都普遍存在亮度不够的现象(亮度太高,太阳效应明显),需要更大功率的投影系统,而纳米复合材料本身具有极高的透明度,产品均匀性保障的前提下,透光率达60%-90%,所以亮度比其它屏幕更高;
3、分辨率更精细:普通屏幕画质模糊,物理像素点较粗,而纳米复合材料由于显像面是由纳米级粒子构成,有效成像点距细至普通屏幕的1/100,这就使显示精细程度提升数十倍,无论是文档与表格的商业展示,还是图片视频,效果都及细腻逼真,清晰无比;
4、对比度更高:普通屏幕对比度偏低,色彩偏灰,整体色彩度不饱满,而纳米复合屏幕产品整体颜色调配适当,拥有出色的灰阶、色阶,能够最大限度提升色彩平衡性能,使影像更饱满生动;
5、通透度更透:普通屏幕都会产生影像模糊的雾状感,这是由于其材料本身雾化度偏高,有3.5%,而纳米复合屏幕产品雾化度只有0.80%,具有超凡的影像立体感,尤其在显示动态视频或图片时,极强的层次感和纵深感令影像鲜活灵动、栩栩如生;
6、重影更少:当不同的光强穿过菲涅尔透镜结构时容易产生重叠,尤其是大面积显示锐度和高对比度(如文本显示),重影图象就更明显,产生明显的莫尔条纹(如下图所示),而纳米复合材料运用5层独特的透镜结构和材料色彩的科学处理,可以大大减少重影的现象,使图像更加真实自然;
7、抗眩光能力强:普通屏幕受环境光的影响较大,尤其是外部光线比较明亮时,在显示面上容易产生外界虚影,反光强烈。而纳米复合材料由于表面具有一层防眩光粒子,可以减少色彩白化现象,具有优良的防眩光效果,这一特性使屏幕具备超强的抗环境光干扰能力;
8、视角更广阔:普通屏幕水平视角都比较大,可以做到120-180度,但垂直角度不到80度,而纳米复合材料由于特有的分子组成及透镜结构,在保证水平角度175度的基础上,也使垂直角度更广,可以达到90度以上;
9、新纳米复合材料的成品率高、生产效率更高;普通材质制成的显示屏其表面同心圆的菲涅尔透镜纹路都不尽相同,个性化比较严重,不方便批量生产,散射材料由于其材质本身物理化学性能较差,只有表面一层膜起到漫反射左右,质量难以控制,废品率高;而复合材料适合大规模批量生产,故生产总成本更低。
本发明所述的新型光学纳米材料的制作技术,通过原材料不同的配比及先进的生产工艺,结合运用五层微透镜阵列结构、通过掺杂不同的纳米粒子和改善叠层表面微结构的方式,实现对光的吸收、聚集、传输、变换等,在屏幕显示、液晶电视背光模组成像系统中有广泛应用,尤其是大型尺寸上有着重要的应用。