制造光学功能膜的方法和系统与流程

参考

本申请要求根据35u.s.c.的优先权。119(e)截至2015年2月15日提交的美国临时专利申请no.62/116,545“溶液铸造法”的申请日，其全部内容通过引用并入本文。

本发明涉及光学部件，更具体地说，涉及制造一种功能性塑料薄膜，功能聚合物薄膜或功能性pva薄膜的方法和系统。

背景技术：

如一般所知，从高强度光源发射出的紫外线(uv)光可以引起严重的角膜灼伤。因此，我们的眼睛需要保护来避免这些有害的紫外线光。其他特别情况下我们的眼睛绝对需要保护避免紫外线光是在进行焊接工作时，暴露在高度超过5000英尺(1524米)的阳光下，当太阳照耀着雪或水的反射光，或者在做日光浴等时。

不仅仅是紫外线，红外线也是有害的。无线通信，家用电器，计算机和照明灯都会发出不同程度的有害辐射。其实也有很多天然红外线，比如来自阳光的。阳光由稍大于半红外线的热光谱辐射组成。在正午，阳光在海平面上放射约1千瓦/平方米的辐照度，其中，527瓦是红外线辐射。一旦太阳光到达地球表面，几乎所有的热辐射都是红外线。

地面上阳光的能量可分为大约3％的紫外线射线(uv)，44％的可见光线和53％的红外线(ir)。因此，当长时间暴露于强烈的阳光下而没有保护时，人眼可能会经历一种燃烧或刺痛的感觉，往往伴有疲劳感。因为红外线可以被隐形眼镜吸收，使得它们“预热”，所以对于佩戴隐形眼镜的人来说，这种不舒适特别显著。眼科医生总是鼓励配戴太阳镜如会曝露在太阳光下一段时间的习惯。

传统上，保护镜片为了要阻挡来自光源的有害射线，镜片必须涂上一层或多层ir和/或可见染料。通常，会使用可溶性染料和/或金属氧化物颜料涂覆在镜片以吸收或反射某些频率的光，例如ir频率，uv频率等。因此，涂覆后的镜片可减少或减轻诸如白内障和青光眼的眼部疾病。

由于太阳镜和保护眼镜的重要性，现今已有许多涂层技术通过将ir溶剂或可见染料浸入或喷涂在镜片。然而，由于大多数镜片是弯曲的，所以镜片的曲率在施加ir溶剂或可见染料方面有显著的障碍，因为涂层可能是不均匀的。因此，不均匀的涂层在弯曲镜片表面上，大大的降低保护层的有效性。

使用传统方法如压塑或注射时，会在加工过程中加入ir溶剂或可见染料。压塑是用于创建固定横截面轮廓的物体的技术。材料被推或拉通过所需横截面的模具。在塑料挤出过程中，首先将塑料熔化成粘稠的半液体状态。软化后，塑料通过轮廓压塑而成。使用这种技术，可以通过将软化的光学膜推过轮廓的开口来产生弯曲的镜片。

注射成型是通过将材料注入模具来制造零件的制造方法。将部件的材料进料到加热的桶中，混合并强制进入模腔，在其中使其冷却并固化到空腔的构型。对于光学塑料膜，无论是压塑法还是注射法，都需要加热来软化塑料膜，使其可以弯曲成型。由于染料对热敏感，因此发生染料降解，保护眼睛的效果降低。

这些ir溶剂或可见染料涂层镜片的另一个问题是它们容易划伤并且不耐化学物质抵抗。随着时间的使用，保护层逐渐失去效力，如果没有检测和更换，就会变得有害。为了克服这些问题，镜片制造商通常通过喷涂，浸渍或注射另一个保护层在镜片上。然而，附加层使镜片更厚并使其具有最小厚度，造成眼镜设计和舒适上的障碍。

此外，通过注射或压塑的传统方法在美学上较不吸引人，因为红外线染料在这种涂层中显得绿色。为了抵消这种不美观的绿色，通常会另外将灰色颜色添加到pva膜中。然而，这样的灰色的添加减少了光的穿透，并因此降低了的镜片可视性。最后，在镜片上的pva膜中添加灰色颜色会导致镜片的成本增加，从而导致最终产品的成本更高。因此，廉价且快速的ir吸收镜片的材料和制造方法为现所期望的。

近来，为了克服压塑和注射方法的缺点，已经发明出及延用较优选的溶液铸造法。该溶液铸造法技术具有独特性，因为该方法不需要应用常规的压塑和注射成型技术，相对的而是容易地包含这些工艺生产的部件和特征。该方法使用芯棒或内径模具，该芯棒或内径模具浸入聚合物溶液槽或液体塑料罐中，该槽是专门为该方法设计的。由于热和摩擦性能的组合，聚合物溶液在模具周围形成薄膜。然后以精确控制的方式从槽或罐中取出薄膜，然后进行固化或干燥过程。

用于溶液铸造方法的其它铸造装置可为带式或滚筒式机器。通常，支撑带宽度为1.0至2.0m，长度为10至100m。如为不锈钢带其厚度在1.0至2.0毫米之间。滚筒式通常直径为4至8米，宽为1.20至1.50米。带通道允许空气流沿机器方向或相反方向流动。滚筒式为密封形态，以防止蒸汽外放，并引导气流抵抗滚筒运动的方向。两个滑轮或多个滚筒中的一个连接到需要非常精确的速度控制的驱动器，以避免任何轻微的速度变化。另一个滚筒连接到一个调整皮带张力的伺服系统，以确保皮带的平稳度和皮带移动(振动)，并控制皮带因温度变化的膨胀和扩张。皮带机具有引导系统，以避免皮带在操作过程中移位。皮带由支撑滚筒的水平运动引导。许多不同的支撑材料已经用于皮带如：铜，镀银铜，镀铬钢，不锈钢，涂有聚乙烯醇或明胶的金属，聚酯膜，ptfe膜和其他聚合物膜。目前最常见的支撑材料是不锈钢和镀铬表面。皮带和滚筒的重要项目是材料的导热性，用于产生所需表面光洁度的技术过程以及修复小表面缺陷的选项。这种铸造技术允许简单地生产具有结构化表面的膜。皮带表面为一个精准的膜的复制。该技术是应用滚筒或皮带来生产具有高光泽，结构性的或无光泽的膜表面处理技术。

一旦薄膜的第一层被适当地固化，就可以向产品添加第二次功能特性，例如编织或盘绕的线，激光切割海波管或工程金属增强物，以防止扭结或成像特定于预期医疗应用的靶。然后可以重复多个铸造步骤以包封增强物，建立壁厚，添加额外的流明并优化柱强度。固化或固化后，将其从模具中取出。该方法与液体形式的溶剂聚合物一起工作，而不用过多的热量来固化该部件。由于该方法使用离心力来成型该部件，所以具有正确的流动性比，可以在不使用过多热量的情况下将非常薄的ir或可见染料溶液添加到光学薄膜。

制造薄膜的另一种方法是静电法，例如腔模或板铸或其它类似方法。

发明目的

如以上所述，本发明的目的是提供一种制造光学功能膜的方法和系统。

本发明的另一个目的是使用容易掺入的混合物组分制备成具有最大光学纯度和极低雾度的光学膜。

本发明的另一个目的是制造具有优异平坦度和尺寸稳定性的实质上各向同性的功能膜。

本发明的另一个目的是制备具有吸收染料的功能膜，并提供更高的精准度。

本发明的目的还在于制备功能性膜而不损害或降解热敏感染料。

本发明的另一个目的是在没有另外使用液体涂覆层的情况下制备功能膜，因此使保护层无需暴露于划痕或化学物质或元素。

本发明的另一个目的是制造具有较少处理手续，较少层，较少缺陷和较少分层的功能膜，并节省处理时间。

本发明的另一个目的是制造容易加工，质量更好，功能好的功能膜。

技术实现要素：

一种制备染色功能膜的方法，包括以下步骤：提供一种可溶性聚合物材料，pva粉末或pva材料，在聚合物材料，pva粉末或pva材料中加入溶剂或水，制成可溶性聚合物或pva溶液，提供一种可溶性染料，在ir和/或激光染料中加入溶剂，光致变色染料，可见染料制成可溶性染料溶液，将染料溶液加入到聚合物溶液或pva溶液中，将染色聚合物溶液或pva溶液引入溶液浇铸装置，使溶液浇铸装置中的染色聚合物溶液或pva溶液中形成透明的功能薄膜，从溶液浇铸装置中取出染色功能薄膜，使染色功能薄膜干燥固化。

在另一个实施方案中，将染色功能薄膜在40-100℃之间的温度下干燥。在另一个实施方案中，染色功能薄膜厚度介于0.0025mm-2.0mm之间。

在本发明的另一个方面，公开了一种制造功能薄膜的方法，其包括以下步骤：提供一种可溶性聚合物或pva材料，在聚合物或pva材料中加入聚合物溶剂以制备可溶性聚合物溶液或pva溶液；提供一种可溶性染料；在可溶性染料中加入染料溶剂制成可溶性染料溶液；将染料溶液加入到聚合物溶液或pva溶液中，从而制备染色聚合物溶液或染色的pva溶液；将染色的聚合物溶液或染色的pva溶液引入溶液浇铸装置，使溶液浇铸装置中的染色的聚合物溶液或染色的pva溶液形成染色光学薄膜；从溶液浇铸装置中取出染色光学薄膜；使染色光学薄膜干燥并固化。

在另一个实施方案中，染色光学薄膜在40-100℃之间的温度下干燥。

在另一个实施例中，染色光学薄膜厚度介于0.0025mm-2.0mm之间。

在另一个实施方案中，聚合物选自碳化钽(tac)，醋酸纤维素，丙酸纤维素，聚氨酯，聚氯乙烯(pvc)，硅烷聚氨酯共聚物，丙烯酸树脂，环烯烃聚合物(cop)，四氟乙烯聚合物，聚碳酸酯(pc)，聚丙烯(pp)，聚乙烯(pe)，聚醚砜，聚醚酰亚胺，聚偏二氟乙烯，环氧乙烷等，并将该聚合物加入到适当的溶剂中，例如磷酸三苯酯，磷酸二苯酯，二氯甲烷，甲醇，间苯二酚，四苯基二磷酸酯，丙酮，丁醇，醋酸丁酯，联苯二苯基磷酸酯，三氯甲烷，醋酸乙酯(eac)，异丙醇(ipa)，甲基异丁基酮(mibk)，乙二醇丁醚(bcs)，甲基酣醇(mcs)，醋酸乙酯(eac)，醋酸正丁酯(bac)，环己酮，四氢呋喃，醚，酯类，聚酰亚胺，二甲基甲酰胺，聚乙烯醇，甲基纤维素，淀粉衍生物，明胶，甲乙酮，四氢呋喃，二氯甲烷，醇等。

在另一个实施方案中，聚合物溶剂选自水，磷酸三苯酯，磷酸二苯酯，二氯甲烷，甲醇，间苯二酚，四苯基二磷酸酯，丙酮，丁醇，醋酸丁酯，联苯二苯基磷酸酯，三氯甲烷，醋酸乙酯(eac)，异丙醇(ipa)，甲基异丁基酮(mibk)，乙二醇丁醚(bcs)，甲基酣醇(mcs)，醋酸乙酯(eac)，醋酸正丁酯(bac)，环己酮，四氢呋喃，醚，酯类，聚酰亚胺，二甲基甲酰胺，聚乙烯醇，甲基纤维素，淀粉衍生物，明胶，甲乙酮，四氢呋喃，二氯甲烷，醇等。

在另一个实施例中，染色光学薄膜能够用作眼镜镜片，车窗，相机镜头，显微镜片，建筑物窗，电子屏幕或灯罩保护膜。

在另一个实施例中，将染色光学薄膜压膜到玻璃镜片或塑料镜片上。

在另一个实施例中，将真空涂层施加到该染色光学薄膜上。

在另一个实施例中，将抗反射涂层施加到该染色光学薄膜上。

在另一个实施例中，将硬涂层施加到该染色光学薄膜上。

在另一个实施例中，将防水涂层施加到该染色光学薄膜上。

在另一个实施例中，将耐划伤涂层施加到该染色光学薄膜上。

在另一个实施例中，将染色光学薄膜拉伸成pva极化膜。

在另一个实施方案中，可溶性染料选自ir染料，可见染料，光致变色染料或吸收染料。

在另一个实施方案中，ir染料选自四铵结构，铱酞菁，萘，金属配合物，偶氮染料，蒽醌，二次酸衍生物，亚影染料，苝，二蒽酮，花青，杂芳，金属二硫烯，恶二唑，酞菁，螺吡喃，四芳基二胺，三芳基，水溶性酞菁和/或萘酞菁染料发色团，或其他类似的染料。

在本发明的另一方面，公开了一种制造功能膜的方法，其包括以下步骤：提供可一种溶性聚合物；在可溶性聚合物中加入聚合物溶剂以制备可溶性聚合物溶液；提供一种可溶性染料；将一部分pva材料加入到可溶性聚合物溶液中；在可溶性染料中加入染料溶剂制成可溶性染料溶液；将染料溶液加入到聚合物溶液中，从而制备染色的聚合物溶液；将染色的聚合物溶液引入溶液浇铸装置；使溶液浇铸装置中的染色聚合物溶液制备成染色光学薄膜；从设备中取出染色光学薄膜；使染色光学薄膜干燥并固化。

在本发明的另一方面中，公开了一种包括染色光学薄膜的眼镜镜片，其中，所述染色光学薄膜由溶液浇铸装置中的一部分染色聚合物溶液制成，其中，染色聚合物溶液由可溶的染料溶液和可溶性聚合物溶液组成，其中，可溶性染料溶液由可溶性染料和染料溶剂组成，其中，可溶性聚合物溶液由聚合物溶剂和可溶性聚合物组成。

在本发明的另一方面中，一种包括染色光学薄膜的眼镜镜片，其中，所述薄染色光学膜由溶液浇铸装置中的一部分染色的pva溶液制成，其中，染色的pva溶液由可溶性染料溶液和可溶性pva溶液组成，其中，可溶性染料溶液由可溶性染料和染料溶剂组成，其中，可溶性pva溶液由聚合物溶剂和pva材料组成。

在另一个实施方案中，可溶性聚合物可选自碳化钽(tac)，醋酸纤维素，丙酸纤维素，聚氨酯，聚氯乙烯(pvc)，硅烷聚氨酯共聚物，丙烯酸树脂，环烯烃聚合物(cop)，四氟乙烯聚合物，聚碳酸酯(pc)，聚丙烯(pp)，聚乙烯(pe)，聚醚砜，聚醚酰亚胺，聚偏二氟乙烯，环氧乙烷等，并将该聚合物加入到适当的溶剂中，例如磷酸三苯酯，磷酸二苯酯，二氯甲烷，甲醇，间苯二酚，四苯基二磷酸酯，丙酮，丁醇，醋酸丁酯，联苯二苯基磷酸酯，三氯甲烷，醋酸乙酯(eac)，异丙醇(ipa)，甲基异丁基酮(mibk)，乙二醇丁醚(bcs)，甲基酣醇(mcs)，醋酸乙酯(eac)，醋酸正丁酯(bac)，环己酮，四氢呋喃，醚，酯类，聚酰亚胺，二甲基甲酰胺，聚乙烯醇，甲基纤维素，淀粉衍生物，明胶，甲乙酮，四氢呋喃，二氯甲烷，醇等。

在另一个实施方案中，可溶性染料选自ir染料，可见染料，光致变色染料或吸收染料。

在一个实施方案中，ir染料选自四铵结构，铱酞菁，萘，金属配合物，偶氮染料，蒽醌，二次酸衍生物，亚影染料，苝，二蒽酮，花青，杂芳，金属二硫烯，恶二唑，酞菁，螺吡喃，四芳基二胺，三芳基，水溶性酞菁和/或萘酞菁染料发色团。

在另一个实施方案中，聚合物溶剂选自水自水，磷酸三苯酯，磷酸二苯酯，二氯甲烷，甲醇，间苯二酚，四苯基二磷酸酯，丙酮，丁醇，醋酸丁酯，联苯二苯基磷酸酯，三氯甲烷，醋酸乙酯(eac)，异丙醇(ipa)，甲基异丁基酮(mibk)，乙二醇丁醚(bcs)，甲基酣醇(mcs)，醋酸乙酯(eac)，醋酸正丁酯(bac)，环己酮，四氢呋喃，醚，酯类，聚酰亚胺，二甲基甲酰胺，聚乙烯醇，甲基纤维素，淀粉衍生物，明胶，甲乙酮，四氢呋喃，二氯甲烷，醇等。

在另一个实施方案中，可溶性染料选自ir染料，可见染料，光致变色染料或吸收染料。

在一个实施方案中，ir染料选自四铵结构，铱酞菁，萘，金属配合物，偶氮染料，蒽醌，二次酸衍生物，亚影染料，苝，二蒽酮，花青，杂芳，金属二硫烯，恶二唑，酞菁，螺吡喃，四芳基二胺，三芳基，水溶性酞菁和/或萘酞菁染料发色团。

附图说明

以下所述仅为本发明的较佳实施例而已，当不能用以限定本发明所实施的范围。即凡依本发明专利范围所作的均等变化与修饰，都应属于本发明专利涵盖之范围内：

图1是在优选的溶剂或水中制备聚合物或pva溶液的说明性视图。

图2是在优选的溶剂或水中制备ir染料和/或激光染料，光致变色，可见染料溶液的说明图。

图3是典型的溶液浇铸方法和装置的说明图。

图4是使用溶液铸造法制造功能膜的方法的说明图。

图5是将新的功能膜作为光学部件与其他材料层叠以制造眼镜光学镜片，照相机镜头，显微镜，车窗，建筑物窗，电子屏幕，灯罩保护等的说明图。

具体实施方式

参考附图详细描述一些实施例。

附加实施例，特征和/或优点将从随后的描述中变得显而易见，或者可以通过实践本发明来了解。下面的描述不被认为是限制性的，而是仅仅是为了描述本发明的一般原理。本文所述的用于执行方法的步骤形成本发明的一个实施例，除非另有说明，否则必须不必执行所有步骤来实施本发明，也不必按所列顺序执行步骤。应该是注意到在本公开中对“一个”或“一个”或“某些”实施例的引用不一定是相同的实施例，并且这样的引用意味着至少一个。

根据本发明的实践，制造这里公开的功能膜的方法和系统提供了与现有技术相比很多重要的优点。具体地，本发明产生了虚拟的各向同性，平坦且尺寸稳定的功能膜。此外，功能膜实现最大的光学纯度和极低的雾度。该膜也染色成精确的规格，而不受染料降解问题的影响。因此，本发明的功能膜具有更少的处理，更少的缺陷，更少的分层和更少的应力，因此，光学镜片需要更少的层，并且处理时间更短。虽然产生许多优点，但是目前的方法使用传统方法中使用的容易混合的混合物组分。本发明不会增加材料成本，并且在某些情况下实际上降低了材料成本，因为它产生了精确的光学性能/规格以及薄膜功能膜，这又减少了光学镜片中的层数。

参考图1，塑料聚合物或pva材料101，选自碳化钽(tac)，醋酸纤维素，丙酸纤维素，聚氨酯，聚氯乙烯(pvc)，硅烷聚氨酯共聚物，丙烯酸树脂，环烯烃聚合物(cop)，四氟乙烯聚合物，聚碳酸酯(pc)，聚丙烯(pp)，聚乙烯(pe)，聚醚砜，聚醚酰亚胺，聚偏二氟乙烯，环氧乙烷等，并将该聚合物加入到适当的溶剂102中，例如水，磷酸三苯酯，磷酸二苯酯，二氯甲烷，甲醇，间苯二酚，四苯基二磷酸酯，丙酮，丁醇，醋酸丁酯，联苯二苯基磷酸酯，三氯甲烷，醋酸乙酯(eac)，异丙醇(ipa)，甲基异丁基酮(mibk)，乙二醇丁醚(bcs)，甲基酣醇(mcs)，醋酸乙酯(eac)，醋酸正丁酯(bac)，环己酮，四氢呋喃，醚，酯类，聚酰亚胺，二甲基甲酰胺，聚乙烯醇，甲基纤维素，淀粉衍生物，明胶，甲乙酮，四氢呋喃，二氯甲烷，醇等来制成溶液100，液体a，塑料聚合物溶液或pva溶液。

参考图如图2所示，将如ir和/或可见染料，光致变色染料或任何吸收染料的溶质102加入到适当的溶剂202中，例如水，磷酸三苯酯，磷酸二苯酯，二氯甲烷，甲醇，间苯二酚，四苯基二磷酸酯，丙酮，丁醇，醋酸丁酯，联苯二苯基磷酸酯，三氯甲烷，醋酸乙酯(eac)，异丙醇(ipa)，甲基异丁基酮(mibk)，乙二醇丁醚(bcs)，甲基酣醇(mcs)，醋酸乙酯(eac)，醋酸正丁酯(bac)，环己酮，四氢呋喃，醚，酯类，聚酰亚胺，二甲基甲酰胺，聚乙烯醇，甲基纤维素，淀粉衍生物，明胶，甲乙酮，四氢呋喃，二氯甲烷，醇等，制成第二溶液200，液体b，染料溶液。

参考图参照图3，描述了本发明中使用的聚合物浇铸方法。聚合物材料，pva粉末或pva材料301与溶剂302混合。在一个实施方案中，可以使用100℃以下的低热来加速聚合物溶解在溶剂中。在另一个实施方案中，其它聚合物材料，例如碳化钽(tac)，可能不需要任何热量溶解，可以进一步处理溶液以获得制备具有某些光学性质的功能膜所需的溶液。然后将最终的聚合物或pva溶液如所示引入浇铸装置303。在一个实施方案中，最终的聚合物或pva溶液通过脚轮或撒布机305沉积到移动带304上。聚合物或pva溶液通过在带通道307中流动的空气流306被干燥并固化。在其它实施例中，空气流306可以沿着移动带的方向流动。可以理解的，其干燥空气流动方向，腰带速度，带通道的空间等可事先校准，使得功能膜实现期望的厚度，干燥度和其他质量。此外，当功能膜到达薄膜取出点308时，所输入聚合物或pva溶液必须已被固化足够脱离腰带以进一步干燥或加工。

参考图如图4所示，铸造方法如图4所示。图3适用于本发明。通过向合适的溶剂402中加入聚合物材料401制备液体a，聚合物或pva溶液。制备液体b染料溶液，加入染料403，染料403可以是ir或可见染料，光致变色染料或任何吸收染料，到适合溶剂404中。在一个实施方案中，液体b由0.05％至5％的ir或可见染料或光致变色染料或吸收染料组成，其余部分在适当的溶剂中。在一个实施方案中，优选的实施方案是含有3％染料的液体b。将所得溶液混合在一起以制备染色聚合物溶液405。在一个实施方案中，具有ir染料的水溶性pva(聚乙烯醇)在混合物中也可含有少量溶剂可溶性聚合物，少于溶剂可溶性聚合物的10％。在一个实施方案中，液体a由大约9％至25％的聚合物或pva粉末和75％至91％组成的适当溶剂。

染色聚合物溶液405接着被引入溶液浇铸装置406。该装置利用大带407，其大带407的材料和设计适于所需的功能膜。在优选的实施方案中，将膜引入到温度在40-100℃之间的干燥环境中。功能膜连续从移动带上取下，进一步干燥，加工，轧制或成片。然后用于制造眼镜片，相机镜头，显微镜，车窗，建筑物窗，电子屏幕，灯罩保护等。在优选实施例中，功能膜厚度介于0.015mm-3.0mm之间。具有不同光学特性的不同的膜可以层叠在一起，以获得所需的眼镜镜片，相机镜头，显微镜，车窗，建筑窗户，电子屏幕，灯罩保护等。在一个实施例中，如图5所示，弯曲镜片503由使用如图3所示方法制造的可见和/或ir染色光学膜501层压在具有一定光学性质的另一透明膜或玻璃500上。在染色光学膜501的顶部层叠另一个耐刮擦光学玻璃502，以保护ir/可见层免受划痕，化学物质和/或元素的影响。