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CN1474947A - 弹性光学结构 - Google Patents

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CN1474947A CNA018186653A CN01818665A CN1474947A CN 1474947 A CN1474947 A CN 1474947A CN A018186653 A CNA018186653 A CN A018186653A CN 01818665 A CN01818665 A CN 01818665A CN 1474947 A CN1474947 A CN 1474947A
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Abstract

一种弹性光学结构，该结构具有在受到如划伤或摩擦之类的伤害后能恢复到其原始形状的能力，该结构包括一个基层，以及一个附着在该基层上且以可弹回聚合材料构成的光学元件层。该光学结构可以包括漫射器，菲涅尔透镜，线性棱镜膜，准直膜，柱状透镜元件，以及回射结构。形成这样一种弹性光学结构的方法包括提供一个基层，附着一个以可弹回聚合材料构成的光学元件层，该光学元件层附着在该基层上，从而形成一个光学结构。

Description

弹性光学结构
发明背景
光漫射膜目前被广泛使用于许多光学、照明和显示的应用中。最有效的漫射器中的许多是采用经过设计的微结构，从而以所希望的方式有效地分布光。这些漫射膜中的大多数是通过将一种聚合物相对于一个模具表面进行模制或铸造而构成的，该模具表面具有表征在膜表面上所要加工之相应结构的浮雕结构。这些结构通常是用非弹性聚合材料制成，比如，聚丙烯酸酯，聚苯乙烯，聚碳酸酯和聚烯烃。
当所需要的漫射微结构具有一种易碎的形状且在装配过程中对膜的正常操作也容易造成其损坏时，难题就产生了。微小的表面擦伤会在漫射膜上造成永久、可见的划痕或磨损，从而使其在许多应用场合无法使用，或者至少损害了其外观。因此，存在这样一种需求，即提供一种改进的光漫射膜。
发明概述
一种可弹回光学结构包括一个基层，以及一个附着在该基层上且以可弹回聚合材料构成的光学元件层。该光学结构可以包括漫射器，菲涅尔透镜，线性棱镜膜，准直膜，柱状透镜元件(lenticular elements)以及回射结构。形成这样一种弹性光学结构的方法包括提供一个基层，附着一个以可弹回聚合材料构成的光学元件层，该光学元件层附着在该基层上，从而形成一个光学结构。
本发明能够应用于漫射膜，菲涅尔透镜，准直膜，线性光学结构等等。本发明所具有的优点是在对操作中产生的划伤和磨损有抵抗力的同时具有好的光学性能。例如，指甲划过一个漫射器，该漫射器具有由丙烯酸树脂构成且尺寸为大约2到大约10微米数量级的光学微结构，纸张或指甲的边缘会在该漫射器上留下永久的痕迹。与此相反，本发明的结构在受到类似伤害后能够本质上在若干分钟到若干小时的一段时间内恢复到其原始构造。本发明的另一个优点是可弹回聚合物能有效地阻止未经许可对光学结构进行复制。伪造的光学结构模具可以通过光学结构的压痕来制造，然后通过电铸来提供一个尚可但不是高质量的模具。这种与复制品加工商一起出现的复制方式可以在硬的基层上进行，比如丙烯酸聚合物。用可弹回聚合物构成的光学结构充分柔韧，从而能有效地阻止高质量的复制。
附图说明
附图所示为一个可弹回光漫射膜。
通过结合所示的附图对本发明下列实施方案的更具体描述，本发明上述和其他目的、特征和优点将变得清晰，在所有不同的视图中，相同的部分用相同的附图标记来表示。附图不必要按照尺寸比例来画，其重点在于说明本发明的原理。除另外注明的以外，所有百分数和份数都是按重量定的。
具体实施方式
本发明包括将一个具有微结构的表面铸造或成型到一个所要求的片材上，该片材采用弹性聚合物。本发明的一个实施方案采用一种高效辐射固化铸造方法，该方法利用的是能够从一种多官能末端不饱和氨基甲酸乙酯低聚物(multi-functionalterminally unsaturated urethane oligomer)得到其弹性的活性铸造聚合物。这种聚合物是包含末端不饱和异氰酸酯的聚氨酯低聚物与烷氧基化的多元醇的反应产物。该聚氨酯低聚物典型地形成范围在约50％(重量)和约90％(重量)的可弹回结构。可弹回被认为是当用一个物体碰撞或接触一种结构物并保持一段短暂的时间后，该结构物基本上回弹或弹回(to spring or bounceback)为与该接触前相同的形状，并能够继续保持该结构的功能性。
合适的光学结构包括本行业公知的漫射屏，菲涅尔透镜，线性棱镜膜，准直膜，柱状透镜元件以及回射结构。漫射屏可以用于背投银幕。漫射屏包括带色彩或不带色彩的整体漫射器，具有柱状透镜的带色彩整体漫射器，玻璃珠屏(glass-beadedscreen)和带色彩表面浮雕漫射器。如图所示，该光学结构10可以包括一个基层12，该基层12可以是一个薄膜。基层12的厚度可以在约12.5到约1,500微米之间的范围内。该薄膜是由聚酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯或其他合适的支撑膜材料或它们的组合来形成的。这种薄膜可以按本领域已知的方法用染料或颜料进行染色或成为光学透明。光学元件层14附着于基层10上。该光学元件层14可以具有线性棱镜、柱状棱镜或其他合适的用于重新引导光线的元件。该光学元件层14是由可弹回材料，如聚氨酯形成的，这些材料具有这样的光学性能，即具有连续的折射率。该聚合物是不起粒状的，且具有一致和均匀的结构。在一个实施方案中，该光学元件层的厚度在约0.15到约150微米的范围内。
形成这种可弹回聚合物的方法的一个实例记载在美国专利5,578,693中，该专利于1996年11月26日授予了Hagstrom等人。通过连同一种高官能度改性单体一起使用这种低聚物，并且，这种高官能度改性单体优选具有相对密实的结构，所得到的聚合物的特性可以被改进，以改变介于弹性和刚性之间的平衡，给出针对给定应用的必要的恢复特征。在一个实施方案中，这种改性单体形成该可弹回聚合物总重量的约1％到约25％之间的范围。在一个优选的实施方案中，该范围为约3％到约10％之间。改性单体的实例包括二-三羟甲基丙烷四丙烯酸酯(di-trimethylolpropane tetraacrylate)，二-五赤藻糖醇五丙烯酸酯(dipentaerythritol pentaacrylate)或它们的烷氧基化类似物。
粘结可以通过确定的常规方法，如对该基片进行电晕放电处理，或者通过使用预先施加在该膜基片上的粘结增强中间涂层来完成。这种低聚物对所需基片之间的粘结特性可以通过(优选为单官能)活性稀释剂的选择来调节。例如，丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯是合适的稀释剂。适合作为稀释剂单体的实例包括(甲基)丙烯酸四氢糠酯；(甲基)丙烯酸2-苯氧乙酯；(甲基)丙烯酸异冰片酯；二(甲基)丙烯酸1，6-己二醇酯或它们的烷氧基化类似物。该稀释剂单体的浓度可以在约0到约50％的范围内。在一个实施方案中，该稀释剂单体的浓度为约10％。
该化合物可以按需要包含其他组分。这些组分的实例包括光引发剂，其浓度在约2％到约8％的范围内，受阻胺光稳定剂，其浓度为约3％或更低。合适的胺的实例是双-(1，2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基(piperidinyl))癸二酸酯。合适的受阻胺的量在约0到约3％的范围内。其他组分包括紫外线吸收剂，如二苯酮或苯并三唑类化合物，它们能够大大地改进色牢度和稳定性。一种合适的紫外线吸收剂的实例是2-(2’-羟基-3’-5’-二-叔戊基苯基)苯并三唑。另外，着色剂也可以加入，以提供灰色色调或其他需要的效果。
在一个优选的实施方案中，一种多官能末端不饱和氨基甲酸乙酯低聚物包括(a)一种含末端不饱和异氰酸酯的聚氨酯低聚物与(b)一种烷氧基化的多元醇的反应产物。通过将作为官能度改性剂烷氧基化多元醇并入封端的氨基甲酸乙酯低聚物的反应化学计量中，以高官能度低聚物获得该低聚物粘度的显著降低。
用于生产这些多官能末端不饱和氨基甲酸乙酯低聚物的方法包括如下步骤：(1)将至少一种二异氰酸酯与至少一种多羟基化合物反应，生成端基为异氰酸酯的预聚物；(2)将未反应的末端异氰酸酯基团部分与至少一种羟基官能的丙烯酸酯或羟基官能乙烯基醚反应，生成含末端不饱和异氰酸酯的氨基甲酸乙酯低聚物；以及(3)将剩余的末端异氰酸酯基团与至少一种烷氧基化多元醇反应。
一种辐射固化配方含有一种多官能末端不饱和氨基甲酸乙酯低聚物，其包含(a)一种含末端不饱和异氰酸酯的聚氨酯与(b)和烷氧基化的多元醇的反应产物；和一种活性单体。
这里所使用的术语“含末端不饱和异氰酸酯的氨基甲酸乙酯低聚物”是指包含一个不饱和端基并且还含有异氰酸酯基团的任何聚氨酯化合物。该不饱和端基优选是由羟基官能丙烯酸酯和羟基官能乙烯基醚所形成的。这些优选的封端氨基甲酸乙酯低聚物类可以从商业途径获得，并且还已知，分别是丙烯酸化聚氨酯和乙烯基醚聚氨酯。这些含末端不饱和异氰酸酯的聚氨酯是通过将聚异氰酸酯与多羟基化合物和有一个不饱和基团的羟基官能的化合物(如羟基丙烯酸酯或羟基乙烯基醚)反应来制备的。这三者的反应可以顺序或同时进行，正如常规所采用的方式一样。
在一个优选的实施方案中，该聚异氰酸酯是二异氰酸酯。合适的二异氰酸酯包括亚甲基双(异氰酸苯酯)(也称之为MDI)；2，4-二异氰酸甲苯酯(2，4-TDI)；2，4-和2，6-二异氰酸甲苯酯的80∶20混合物(也称之为TDI)；3，-异氰酸酯基甲基-异氰酸3，5，5-三甲基环己基酯(IPDI)；二异氰酸m-四甲基二甲苯酯(TMXDI)；六亚甲基二异氰酸酯(HDI)；和亚甲基双(异氰酸环己酯)(按Desmodur W销售)。
所使用的多羟基化合物可以是聚醚多羟基化合物或聚酯多羟基化合物。聚醚多羟基化合物的实例包括聚(环氧丙烷)二醇，共聚(环氧乙烷-环氧丙烷)二醇，和聚(四氢呋喃)二醇[poly(tetramethylene oxide)diols]。合适的聚酯多羟基化合物的实例优选包括任何已知的末端为二-，三-，或四羟基的聚酯，例如聚内酯聚酯和聚酯多羟基化合物，它们是通过二羧酸或它们的酸酐与二-，三-，或四醇的缩聚反应来制备的。
术语“羟基官能的丙烯酸酯”是指适合于制备和使用一种封端氨基甲酸乙酯低聚物的任何羟基取代的丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯化合物。这些化合物的实例包括丙烯酸2-羟基乙基酯，丙烯酸2-羟基丙基酯，甲基丙烯酸2-羟基乙基酯，三丙烯酸五赤藻糖醇酯(PETA)，和丙烯酸4-羟基丁基酯。
术语“羟基官能的乙烯基醚”是指适合于制备和使用一种封端氨基甲酸乙酯低聚物的任何羟基取代的乙烯基醚。其实例包括乙二醇单乙烯基醚，和环己烷二甲醇单乙烯基醚(cyclohexane dimethanol monovinyl ether)。
该多官能度改性剂可以是标称6摩尔三羟甲基丙烷的乙氧基化物(可以从PPG Industries以MACOL RD 306EM购得)，和标称12摩尔山梨糖醇的丙氧基化物(可以从Eastman ChemicalCo.以THANOL LS 490购得)。同样，这些只是用来解释的，任何官能度大于2的烷氧基化多元醇都可以考虑被使用。
分子量取决于特定的多羟基化合物，聚异氰酸酯和它们的比例，以及特定的多官能改性剂。通常，该多官能末端不饱和氨基甲酸乙酯低聚物的数均分子量可以在约1,500到约10,000的范围内，不考虑链延长。
一个优选的实施方案涉及一种封端的氨基甲酸乙酯低聚物，其包含如下的组合：(a)至少一种二异氰酸酯，其当量为约80到约200；(b)至少一种多羟基化合物，其当量为约100到约2,000；(c)至少一种羟基丙烯酸酯或羟基乙烯基醚；以及(d)至少一种烷氧基化的多元醇，其当量为约32到约200。
这种优选的实施方案基于改进的低聚物的性能，即通过将封端的氨基甲酸乙酯低聚物的官能度提高到大于2官能但小于6官能，同时，与所记载的常规方法相比，降低粘度。该方法还有一个优点，就是异氰酸酯，羟基丙烯酸酯或羟基乙烯基醚，和多羟基化合物的任何混合物都可以用来达到这种可固化材料的最终性能。通过采用烷氧基化的多元醇调整反应的化学计量，可以使该聚氨酯低聚物的粘度最小化。
通过借助烷氧基单元(如，EO或PO基团)将该官能改性剂(即，多元醇，如TMP或山梨糖醇)从最靠近的氨基甲酸乙酯基团中分离出来，并且将该改性的烷氧基化的多元醇的官能度提高到大于2，与类似的TMP或山梨糖醇产物而没有EO或PO基团的比较起来，实现了低聚物粘度的显著降低，而没有反过来影响其他性能。而且，通过提高该改性剂的官能度，多羟基分子的氨基甲酸乙酯的含量也提高了(如，用山梨糖醇代替TMP，例如，将上述低聚物中的氨基甲酸乙酯基团的数目提高到了约24)。
可以通过自由基形成热固化，例如用过氧化物，或者，做为选择地，按照辐射固化的常规方法的辐射固化，包括采用紫外线或电子束能量等方法，对该多官能、末端不饱和氨基甲酸乙酯低聚物进行固化。通常，这些多官能末端不饱和氨基甲酸乙酯低聚物可以单独使用，或者，作为辐射固化组合物的主要成分，连同其他组分，如活性单体、交联剂和光引发剂一起使用。优选地，这些多官能末端不饱和氨基甲酸乙酯低聚物的浓度在该辐射可固化组合物中约20％到约100％(重量)的范围内，更优选在约50％到约100％(重量)的范围内。
活性单体，也称之为活性溶剂，也可以存在于这些辐射可固化组合物中。通常，任何适合于常规辐射可固化组合物的活性单体都可以与该多官能末端不饱和氨基甲酸乙酯低聚物一起使用。这类活性溶剂优选为丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯。在辐射可固化组合物中的活性单体的浓度可以在约0％到约40％(重量)的范围内，优选在约0％到约20％(重量)的范围内。该辐射可固化组合物中还可以包含常规的交联剂和光引发剂。基于该辐射可固化组合物的总重量，这些类型组分的每一种的浓度优选可以在约0％到约30％的范围内。
该辐射可固化组合物还可以包含少量的常规添加剂，如颜料，湿润剂，及诸如此类，它们是按照通常所公知的有效浓度来使用的。
该辐射可固化组合物可以通过常规的方法来制备，即，将所选的组分一起混合。该组合物可以借助常规的方式施加于基片，这些方式包括喷涂、帘幕涂、浸垫(dip pad)、辊涂和刷涂过程。该组合物可以被施加于任何可接受的基片，如玻璃、塑料等等。在一个优选的实施方案中，该组合物可以被施加于聚酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯等形成的薄膜上，然后，将该组合物在模具中铸造成膜，并且，组合物被压轧(pressure nipped)。
被施加的辐射可固化组合物可以通过任何已知的光化学辐射固化方法，如曝露在紫外线、x-光、α粒子、电子束、或γ射线的方法来固化。辐射可以使用任何已知的或通常可以得到的那类辐射固化设备来进行，例如，固化可以在借助于低、中、或高压汞弧灯来进行。固化可以在空气中或在惰性气氛，如氮或氩中进行。
固化该组合物所需的曝露时间随着特定的配方、辐射的类型和波长、能量通量、和膜的厚度的变化而有些变化。辐射技术领域的技术人员能够确定任何特定组合物的合适的固化时间。通常，该固化时间相当短，即，小于约1分钟。在一个实施方案中，紫外线固化辐射可以是约157-236瓦/厘米(400-600瓦/英寸)，使用中压紫外线光源。

Claims (18)

1.一种可弹回的光学结构，包括：
a)一个基层；和
b)一个以可弹回聚合材料构成并附着在该基层上的光学元件层。
2.如权利要求1的可弹回的光学结构，其中，所述的光学结构选自由漫射器，菲涅尔透镜，线性棱镜膜，回射元件，柱状透镜元件，和准直膜组成的组。
3.如权利要求1的可弹回的光学结构，其中，所述的基层包括一种选自聚酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯和聚烯烃的一种聚合物，或它们的组合。
4.如权利要求1的可弹回的光学结构，其中，所述的可弹回聚合材料包括聚氨酯。
5.如权利要求4的可弹回的光学结构，其中，所述的聚氨酯是由一种多官能末端不饱和氨基甲酸乙酯低聚物形成的。
6.如权利要求4的可弹回的光学结构，其中，所述的聚氨酯是由一种包含末端不饱和异氰酸酯的聚氨酯低聚物与一种烷氧基化多元醇形成的。
7.如权利要求1的可弹回的光学结构，其中，所述的可弹回聚合材料包括一种多官能末端不饱和氨基甲酸乙酯低聚物，这种多官能末端不饱和氨基甲酸乙酯低聚物来自一种包含末端不饱和异氰酸酯的聚氨酯低聚物与一种烷氧基化多元醇的反应产物。
8.如权利要求1的可弹回的光学结构，其中，所述的可弹回聚合材料包含一种稀释剂。
9.如权利要求8的可弹回的光学结构，其中，所述的可弹回聚合材料包含一种选自由包括(甲基)丙烯酸四氢糠酯；(甲基)丙烯酸2-苯氧乙酯；(甲基)丙烯酸异冰片酯；二(甲基)丙烯酸1，6-己二醇酯或它们的烷氧基化类似物的单体所组成的组的一种稀释剂。
10.如权利要求1的可弹回的光学结构，其中，所述的可弹回聚合材料包含丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯。
11.如权利要求1的可弹回的光学结构，其中，所述的可弹回聚合材料包含一种光引发剂。
12.如权利要求1的可弹回的光学结构，其中，所述的可弹回聚合材料包含一种受阻胺光稳定剂。
13.如权利要求1的可弹回的光学结构，其中，所述的可弹回聚合材料包含一种紫外线吸收剂。
14.如权利要求1的可弹回的光学结构，其中，所述的可弹回聚合材料包括一个在约0.15到约150微米范围内的厚度。
15.一种可弹回的光学结构，包括：
a)一个基层；和
b)一个用可弹回聚氨酯材料构成并附着在该基层上的光学元件层，其中，所述的光学结构选自由漫射器，菲涅尔透镜，线性棱镜膜，回射元件，柱状透镜元件，和准直膜组成的组。
16.一种形成可弹回的光学结构的方法，包括：
a)提供一个基层；和
b)附着一个以可弹回聚合材料构成的光学元件层，该光学元件层附着在该基层上，从而形成一个光学结构。
17.如权利要求16的方法，其中，该可弹回聚合材料是借助光化学辐射固化的。
18.如权利要求16的方法，其中，该可弹回聚合材料是通过曝露在由紫外线、x-光、α粒子、电子束、和γ射线组成的组中的一种来固化的。
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