可清洁的耐污染光反射表面的制作方法

专利名称：可清洁的耐污染光反射表面的制作方法
背景技术：
发明领域本发明涉及用于对光反射的表面，具体而言涉及多孔的光反射表面，以及防止这种表面的污染。
相关领域的描述在范围很广的用途中，光反射表面可用于各种目的。光反射表面常用来使光改变方向到需要的一个表面、目标或区域。相反地，也可用来将到达一个表面、目标或区域的光量部分或全部衰减。
光反射表面一般分类为镜面反射和漫反射。这种一般分类实际上指可能的连续范围。在其一端，按照反射定律，理想的镜面反射表面改变入射光束的方向，相对于在反射点和反射表面相切平面而言，反射光的角度等于入射光的角度。在其另一端，理想的漫反射表面按照余弦分布函数在所有方向上漫反射光。一种材料是反射或漫反射的程度可通过双向反射率分布函数来分类。
主要为镜面反射表面的例子有镀银镜子、抛光的铝和金属化薄膜(如SILVERLUX,3M,St.Paul,MN销售)。主要为漫反射表面的例子包括氧化镁、发泡聚四氟乙烯(本文中，聚四氟乙烯缩写为“PTPE”)，多孔PTFE的其它形式(如SPECTRALON,Labsphere,Inc.,North Sutton,NH销售)、以及其它的多孔聚合物如尼龙、聚亚乙烯基和乙酸纤维素。处于理想镜面反射和理想漫反射之间的连续范围上其它表面的例子有冷锻铝，其表面主要为镜面反射，同时提供一定的漫反射光，另外有白色搪瓷，主要为漫反射，但含有一定明显的镜面反射组分。
许多用途中，常要求(如果不是绝对的话)反射表面效率最大。反射率很大(按定义)的光反射表面可由在需要的波长范围内光透射和吸收皆很小的材料构成。
对要求高水平漫反射(＞92％反射)的用途，发泡PTFE以及其它形式的多孔PTFE是合适的材料。部分原因是其在从UV-C到近IR的宽波长范围(即从180nm-2500nm)内的光吸收极低。多孔PTFE的各种形式能成功地作为反射材料的其它原因是其耐热性、化学稳定性和抗UV降解性。发泡PTFE还有一个好处是这种材料可以做得很薄，是柔性和顺应性的，因此安装方便和经济。这样的高效多孔反射材料已成功地应用于许多用途，包括校准用基准、LCD后灯、光诱导室(phtoinductionchamber)以及各种照明装置包括小型荧光凹槽聚光灯。
然而，由于这些结构的性质，多孔反射材料易于被低表面张力液体侵入。这些液体中许多能吸收光，因此降低反射率。有些情况下，低表面张力组分如溶剂或清洁剂会起载体作用，将能吸收光的物质带入其孔隙中。所以，任何在多孔反射材料结构上或其中的残余物会降低表面的反射率。这些污染物用常规方法不能除去，难以或者不可能现场提取除去。
因此，需要一种可采用常规方法清洁，用于反射UV和可见光的改进材料。
发明概述本发明提供用于UV和可见光的改进反射器的材料和方法，这种材料能采用常规方法清洁，能有效用于要求有效漫反射表面的任何用途。本发明使用一种多孔反射材料，较好的是发泡PTFE，这种材料具有界定微孔空隙的原纤所互相连接的聚合物结点。另外，在反射材料上放置一层基本透明的保护层，防止污染物侵入反射片的微孔结构。这个保护层还提供了易于清洁，不易被污染的光滑表面。按这种方式形成的复合结构，基本上可以保持多孔材料需要的反射性能，而使外露于污染物引起的负面作用的程度和持久性最小。
本发明较好的实施方案中，发泡PTFE片是多孔反射材料，保护层是一层薄的Teflon四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)或Teflon四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)薄膜(皆可从E.I.Dupont de Nemours Inc.,Wilmington,DE购得)。这种组合除上面列举的益处外还有一些好处。第一，因为这种材料的柔性高，由一片该材料就能制造多面空腔或抛物线形反射器，这样就可减少多片产品所固有的许多接缝，因此，总的反射率提高。第二，这种材料易于冲切，采用有效而洁净的方法即可使每片达到合适的尺寸。第三，已证实发泡PTFE具有优良的反射性质，即使在厚度较薄情况下(如＜1毫米)，所以制造的复合照明器较为轻便，减小材料体积，比目前可用的材料更为便宜。由于多孔反射材料和保护层这两种组分在很宽的环境条件下非常稳定，不随时间变化，这种复合物适合在要求恶劣环境条件下长期稳定的应用。而且，这两种组分的UV光吸收都很低，在经常辐照有害波长情况下也不受影响。
附图简述由下面结合附图的说明，能更好地了解本发明的功能，其中附图

图1是本发明一个实施方案反射材料的截面图；图2是市售材料的反射率与波长的曲线；图3是本发明一个实施方案的反射率与波长的曲线；图4是市售材料的反射率与波长的曲线；图5是本发明一个实施方案的反射率与波长的曲线。
本发明详细描述本发明涉及对光反射的薄膜。具体涉及在紫外光和可见光波长中光反射性能高的表面。本文中使用的术语“光”包括各种形式的电磁辐射，尤其是在UV-可见光(250-750波长)直至红外光(IR)辐射(750nm-大于2500nm波长)的范围。这些反射表面可用于例如照明用途和光诱导室。
“照明”是指包括很宽范围类别的装置，如照明装置、显示器、投影系统、图象系统和照明信号系统。照明应用的具体例子包括在照明器中的用途如小型荧光凹槽聚光灯、在用于液晶显示的后灯中、在摄影护罩(photographic umbrella)中、以及在设备图象系统中。
“光诱导室”是指以受控方式反射光能的任何空间范围，以便由投射到某个表面或物质上的光能进行物理、化学或生物的变化。光诱导室通常包括一个或多个UV和/或可见光源以及至少一个用于使光改变方向至目标材料的反射器。另外，光诱导室的壁由反射材料构成，使杂散光改变方向至目标材料，得以提高该系统的效率。这种光诱导室可部分或全部封闭，以便留下光能或引导光的方向。通常，间歇法采用全部封闭的室，而连续法通常使用部分封闭的室。
为使商业上可行，所有这样的反射器随时间推移在需要的波长范围必须基本保持其反射性。所以，在反射表面会外露于污染物的用途中，因为污染物会明显降低反射材料在要求波长范围的反射性，故而任何外露的表面应具备抗这类污染物的能力并且是“可清洁的”(即采用常规方法如用异丙醇擦拭，可使污染物除去的性能)。
本发明具体涉及一类多孔反射材料，以及能防止污染物渗透其中的方法。多孔反射材料一般是本领域技术人员已知的一些聚合物和这类聚合物的变体。多孔聚合结构可填入如陶瓷粉末。折射率大于或等于1.42，孔隙率为10-90％的聚合物适合用作反射材料。这些聚合物的例子包括但不限于由PTFE、尼龙、聚偏氟乙烯(PVDF)、乙酸纤维素、聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、丙烯酸、聚丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯或聚酰胺制成的多孔聚合物薄膜。应用中使用的具体聚合物取决于要求的反射率，连同其它材料性质如温度和化学相容性、强度、热膨胀系数、UV稳定性和成本等。
多孔PTFE由于其反射率高、以及耐热性、化学稳定性和抗UV降解性高，所以是特别适合的反射材料。一种市售的多孔PTFE反射材料是Labsphere,Inc.,ofNorth Sutton,NH以SPECTRALON商品名销售的产品。这种材料是聚四氟乙烯颗粒材料，松散填装并模压成硬块的形式。虽然这种材料提供了良好的可见光和近IR光的反射性，但其反射性在UV波长小于325纳米时下降。它还有其它缺点，限制了它的使用。这些缺点包括由于其硬度造成加工时的困难，尤其在要求非平面反射表面的情况时；在UV-可见光和IR光的范围有效光反射的范围受到限制；最小厚度较大(因厚度约小于4毫米时其有效反射减小)；并且达不到最佳反射率。
由于多种原因，最好的市售多孔反射材料是发泡PTFE。按照美国专利3,953,566、3,962,153、4,096,227、4,187,390和4,902,423(这些专利参考结合于此)制成的发泡PTFE可用作高效漫反射器。这种发泡PTFE材料包含互连聚合物结点(即显现原纤的颗粒)的显微聚合原纤(即丝状元素)微孔结构。本文中使用的术语“发泡PTFE”，包括具有结点和原纤结构的任何PTFE，其结构范围从具有原纤自聚合材料相对较大结点扩展的微发泡结构，直到具有仅彼此相交于结点的原纤的极度发泡的结构。
发泡PTFE具备若干个重要性能，使其特别适合作为反射表面。首先，PTFE是疏水而高度惰性的材料。因此，这种材料能承受会危害一些其它反射表面的水和其它各种材料的不利影响。另外，按照美国专利3,953,566揭示的方式制造发泡PTFE，这种材料的抗张强度明显提高，并变得高度柔性。而且，填装的颗粒PTFE提供良好的反射性质，发泡PTFE的结点和原纤结构提供了高得多的反射率。
尽管多孔反射材料是很有用的，但迄今还不能适合许多种用途，因为其多孔结构会让低表面张力液体如溶剂、油脂和油类包括人手上油脂渗透进出。这些液体会吸收光，引起多孔反射材料的反射率降低。当受到充分污染时，这种多孔反射材料片会变为几乎完全吸收性的。采用常规方法如用异丙醇擦拭，来清洁其多孔反射表面，结果材料最初的反射性能几乎未能得到恢复。外露的表面上虽获得清洁，但是大量有害的污染物仍残留在多孔结构中。因此，仅靠这种多孔反射材料本身不适用于反射表面外露于含有害量这类污染物的环境的用途。
本发明提供了一种改进方法，采用这种方法，多孔聚合物可在外露于污染物中并要求可清洁性的用途中用作反射表面。这种新型的反射复合物是上述一种多孔聚合物和透明保护层的组合。图1说明了本发明。图中所示是一层反射材料10层叠固定在透明保护层11上。
保护层宜基本上覆盖外露于有害污染物并要用于对光进行反射的整个多孔表面。该保护层对要求的光基本上为透明的，能阻止污染物的渗透，与常规清洁溶剂如异丙醇接触时不应产生负面作用。对保护层的其它要求，取决于不同用途，包括粘着在多孔反射表面的能力、柔性程度、耐UV降解性、对温度变化的承受性能以及厚度等。例如，对UV固化光诱导室，Teflon PFA和Teflon FEP是很适合的，因为它们基本上可透过UV光，经UV辐照不会有不良影响，这些材料是化学惰性的，能承受相当高的最大温度(温度范围宽)，具有良好的不粘性质(因此易于清洁)，并能很好地粘着在多孔反射材料，尤其是发泡PTFE上。
除了Teflon PFA和Teflon FEP薄膜外，其它可用的保护层材料，包括但不限于如全密度(full-density)PTFE、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚醚酮、聚醚砜等聚合物，以及其它在使用者要求的频率范围吸收率低的塑料。另外，合适的玻璃、石英在许多不要求柔性的用途中也可用作保护层。
本发明一种由双向发泡PTFE作为多孔反射材料，Teflon FEP作为透明保护层构成的较好反射材料，可按照下面方式制造。将细粉末PTFE树脂与一种润滑剂如无臭矿油精混合，直到形成混合物。润滑剂用量应能充分润滑PTFE树脂的初级颗粒，使进行挤压前颗粒所受的剪切作用最小。
然后，将该混合物压制成坯料，然后进行挤压，如通过柱塞型挤压机，挤压得到内部粘结良好的片。采用约30∶1至300∶1的压缩比(即压缩比=挤压机筒横截面积除以挤压模头的横截面积)。对大多数用途，压缩比为75∶1至100∶1为佳。
然后，如通过蒸发除去润滑剂，使干的挤出片在至少一个方向上迅速膨胀为其原来长度的约1.1-50倍(较好约为1.5-2.5倍)。膨胀的工艺是使干的挤出片通过一系列温度在100-325℃之间的旋转加热辊或加热板进行膨胀，如美国专利3,953,566中揭示的方法。也可以按照美国专利4,902,423中所述的方法，在除去润滑剂之前，让挤出片进行膨胀。
无论是上述两种情况的哪一种，材料还可以1.1∶1至50∶1(较好为5∶1至35∶1)的比值进一步膨胀，形成最终的微孔片。该片材宜进行双向或多向膨胀，提高在其纵向和横向的强度。最后将该材料置于高于340℃的温度，进行无定形锁固步骤。
本发明的材料较好是制成片形，由于其固有的柔性，可以按照要求再成形为其它各种形状，如管、条、凸状或凹状结构等。另外针对提出的具体用途，本发明的材料可挤压或以其它方法成形为连续管、棒(即圆柱体)、长方形、不平形状和其它要求的形状。
由上述加工步骤可制成厚度在0.01-12毫米或更大(不限于此范围)的片材。随后将这些片材相互层叠，并在约300-400℃范围，施加足够的压力，粘合在一起。
在升高温度下，通过施加压力，将一层Teflon FEP层粘合到发泡PTFE上。施加的压力一般小于50psi，但较好小于5psi，较好的范围为0.5-5psi。温度一般在250-350℃之间，较好约为300℃。需要采用足够的压力进行充分粘合，但又应使其最小，防止发泡PTFE片受到过度压缩。加上透明保护层后，在有污染危险的用途中就可利用发泡PTFE的高效优点。这种复合物的抗污染性优于单一的发泡PTFE，用普通溶剂如异丙醇擦拭时，可完全恢复其最初的反射率。加上保护层，其效率虽然不会受到明显影响，但会使发泡PTFE的漫反射降低。只要将保护材料厚度降至最小和使粘合过程中压力最小，可使这种作用最小。另一个实施方案中，可使用粘合剂将保护层粘着在反射材料上，粘合剂将这两层粘合在一起。
本发明可包括单层或多层多孔反射材料，也可包括一层或多层多孔反射材料与一背衬支撑材料的层叠物。由于一些多孔反射材料，尤其是多孔聚合物，如果承受负荷的作用或承受热量时，易于拉伸或变形，因此，较好的是将多孔反射器安装在一支撑层上，如层叠在柔性机织材料或非织造材料上，这样，在使用期间就有助于保持多孔反射器的形状。通过施加一种粘合材料如可湿固化的聚氨酯或溶剂化聚氨酯，将合适的支撑层固定到多孔反射材料上，然后再固定到柔性背衬材料(如聚酯、聚丙烯、Mylar聚酯、kevlar聚芳酰胺、尼龙等)上。施加压力，如在一对或多对夹辊之间进行辊压，可将这两种材料彼此粘合在一起。
另外，要形成复杂的形状，柔性多孔反射片如发泡PTFE可粘着在刚性支撑材料上，然后以这种复合物进行成形，成为如抛物线或椭圆的拱顶形。用于这样成形技术的一种合适方法是使用真空成形设备。
提供下面实施例，但不构成对本发明范围的限制。
比较例1从W.L.Gore&Assiociates获得其Gore-TexGR密封片的层状发泡PTFE。这种材料有25层发泡PTFE片，总厚度为1.0毫米，密度为0.57克/厘米3。
按照下面所述试验这种材料的可清洁性。从该片材上切出约2×2英寸样品用于反射试验。使用Perkin Elmer Lambda 18 Spectrophotometer，在UV-可见光范围(250-800nm)测试该样品的反射率。然后，将一毛巾浸在10％(重量)液压油中，再用该毛巾将油擦拭到样品上，污染该样品。再次测试该样品的反射率，观察到由原来的值明显下降(＞50％)。然后用无纤维屑的布蘸异丙醇清洁该样品，测定的反射率示于图2。如图2所示，样品的反射率，仍低于其原始反射率很多，尽管反射表面看起来是清洁的。
实施例1将比较例1的材料粘合到一层0.0005英寸厚的Teflon FEP上。用Carver实验室压机于300℃，轻压(小于5psi)发泡PTFE和Teflon FEP 10秒种，进行粘合。用手拿取这些材料时需戴无粉末的乳胶手套，并且在加压粘合操作时要将该层压物置于两片0.002英寸Kapton聚酰亚胺薄膜之间，防止反射材料被手或压机污染。
从片材上切出约2×2英寸样品用于反射测试。使用Perkin Elmer Lambda 18Spectrophotometer，在UV-可见光范围测试该样品。然后，如同比较例1，用蘸有10％(重量)液压油的毛巾擦拭，污染该样品。再次测试该样品的反射率，观察到反射率由原来的值明显下降。然后用无纤维屑的布蘸异丙醇清洁该样品，测定的反射率示于图3。如图3所示，样品反射率完全恢复到原值。
比较例2用Spectratlon PTFE样品进行和比较例1同样的污染和可清洁性试验，结果示于图4。由图4可知，反射率明显受到污染的影响，用异丙醇清洁也不能恢复原值。
实施例2按照与实施例l同样的方式，将比较例2的Spectratlon PTFE样品粘合在一层0.0015英寸厚的Teflon FEP上。然后对该复合物进行和比较例1同样的污染和可清洁性试验，结果示于图5。由图5可知，尽管污染物明显降低了该复合物的反射率，用异丙醇清洁能完全恢复到原值。
预示例1若将比较例1的材料粘着到一层0.0005英寸厚的Teflon FEP上。用Carver实验室压机于300℃，轻压(小于5psi)发泡PTFE和Teflon FEP10秒种，进行粘合。用手取这些材料时需戴无粉末的乳胶手套，并且在加压粘合操作时要将该层压物置于0.002英寸Kapton聚酰亚胺薄膜之间，防止其中的反射材料被手或压机污染。
从样品上切出约2×2英寸试样用于反射测试。使用Perkin Elmer Lambda 18Spectrophotometer，在UV-可见光范围(250-800nm)测试该样品。然后，如同比较例1，用蘸有10％(重量)液压油的毛巾擦拭，污染该样品。再次测试该样品的反射率，应观察到由原来的值明显下降。然后用无纤维屑的布蘸异丙醇清洁该样品，测定反射率。反射率应恢复到原值。
虽然描述和说明了本发明的一些具体实施方案，本发明不应仅限于此。显然可在下列权利要求范围内，加入各种变化体现为本发明的构成部分。
权利要求
1．一种用于对光进行反射的制品，该制品包括一层多孔反射材料和一层放置在所述多孔反射材料层上的透明保护层。
2．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述多孔反射材料是漫反射的材料。
3．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述多孔反射材料选自聚四氟乙烯、尼龙、聚偏氟乙烯、乙酸纤维素、聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、丙烯酸、聚丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯或聚酰胺。
4．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述透明保护层直接放置在所述反射材料层上。
5．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述多孔反射材料是发泡PTFE。
6．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述透明保护层选自PFA、FEP、PTFE、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚苯乙烯、聚亚乙烯基、聚乙烯、聚丙烯、聚醚醚酮、聚醚砜、玻璃或石英。
7．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述透明保护层是PFA。
8．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述透明保护层是FEP。
9．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述多孔反射材料是发泡PTFE，所述透明保护层选自PFA或FEP。
10．如权利要求9所述的制品，其特征在于所述透明保护层是FEP。
11．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述透明保护层基本上覆盖所述反射材料，以防止所述多孔反射材料被低表面张力材料污染。
12．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述透明保护层为可清洁的，基本上覆盖所述多孔反射材料，
13．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述透明保护层粘合到所述多孔反射材料层上。
14．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述制品还包括一层固定在所述多孔反射材料层上的支撑层。
15．如权利要求14所述的制品，其特征在于所述支撑层选自聚酯、聚丙烯、Mylar聚酯、Kevlar聚芳酰胺或尼龙。
16．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述多孔反射材料厚度约为0.01-12毫米。
17．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述多孔反射材料层厚度为1.0毫米。
18．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述透明保护层厚度约为0.0001-0.01英寸。
19．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述制品具有多层所述多孔反射材料层。
20．如权利要求1所述的制品，其特征在于所述多孔反射材料是漫反射的，所述制品不受低表面张力物质如油脂和油类包括人体油脂的影响。
21．一种制造反射制品的方法，所述方法包括下列步骤(a)提供一层反射材料层；(b)提供一层透明保护层；(c)将所述反射材料层粘合到所述透明保护层上。
22．如权利要求21所述的方法，其特征在于所述粘合步骤包括加热所述反射材料层和所述透明保护层至约250-350℃，同时在所述反射材料层和透明保护层上施加约小于50psi的压力。
23．如权利要求22所述的方法，其特征在于所述温度约为300℃，所述压力约小于5psi。
24．一种防止反射材料反射率减小的方法，所述方法包括在所述反射材料的至少一部分上放置透明保护层的步骤。
全文摘要
一种适合耐污染的漫反射材料。这种材料较好的是一层发泡PTFE,其上面置有例如PFA或FEP的透明保护层。如果发生污染,该材料可以进行清洁,基本恢复到原来的反射率。
文档编号G02B5/08GK1312915SQ99809712
公开日2001年9月12日 申请日期1999年8月9日 优先权日1998年8月18日
发明者W·T·康纳斯, W·G·哈迪 申请人:戈尔企业控股股份有限公司