一种复合光学材料压膜品质控制方法与流程

本发明属于材料加工领域，涉及一种复合光学材料压膜品质控制方法。

背景技术：

高分子蛋白石是一种新型复合光学材料，Chris Finlayson 等人在“3D Bulk Ordering in Opals by Edge-Induced Rotational Shearing, Adv. Mat. 23, 1540 (2011)” 中研究了以芯-壳结构聚合物微球夹在两层PET薄膜中间辊压成薄膜然后通过楔形金属顶端的压力导致剪切流动得到纳米微球规则排列以产生结构色的制备方法；CN103534079 A 中公布了以芯-壳结构聚合物微球制备高分子蛋白石的一种制备技术，通过夹层结构产生的剪切力使微球在层状薄膜中排列成规则的结构，进而产生类似自然蛋白石的光学结构色；Qibin Zhao等人在“Large-scale ordering of nanoparticles using viscoelastic shear processing” （Nature Communications 2016， 7：11661）中对这种制备工艺进行了进一步阐述，对剪切力的作用原理及效果进行了详细研究。上述资料中均使用了通过在两层PET薄膜中间辊压形成复合光学材料薄膜然后进行剪切规整处理的工艺，但是对于辊压工艺未进行详细阐述，同时在实验室中的小型设备只适用于制备5-10cm级别小片样品，同时所制备的材料厚度不均匀，不适合大宽幅工业连续生产。

实用化大尺寸工业级高分子蛋白石复合光学材料薄膜的连续生产需要匹配的生产工艺，辊压薄膜的品质工艺控制决定了能否顺利进行后续的剪切结构规整化工序，决定了产品的质量。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种复合光学材料压膜品质控制方法。

本发明提供了如下的技术方案：

一种复合光学材料压膜品质控制方法，包括以下各步骤：

（1）前处理：聚合物芯-壳结构纳米微球通过前处理形成连续片材，厚度为0.1-5mm；

（2）辊压薄膜处理：所述连续片材被加热到80-140℃软化，保持软化温度与上下两层包覆膜复合，在压辊的作用下挤压成光学薄膜，所述光学薄膜层的厚度为20-200μm。

材料从加热单元出来进入压辊之前这段时间容易快速冷却失去一定的温度，软化温度低于80度的话会导致材料进入压辊时的温度过低而不能达到需要的软化效果；加热单元软化温度过高的话材料可能因为耐热性无法承受而发生一定的破坏。光学薄膜层的限定，是因为薄膜太薄了会导致无法出现需要的光学特性，太厚的话与市场需求不符。通过在这个温度的预加热材料使材料保持软化状态进入压辊机从而保证压膜的均匀度。

在上述任一方案中优选的是，所述聚合物芯-壳结构纳米微球为粉体或块状材料。

在上述方案中优选的是，所述辊压薄膜处理采用的设备包括原料连续放卷、传送装置，片材加热装置和复合、辊压成膜装置。所述复合、辊压成膜装置包括辊压成膜装置。

在上述任一方案中优选的是，所述连续放卷、传送装置包括放卷装置和传输单元。

在上述任一方案中优选的是，所述片材加热装置包括加热单元。

在上述任一方案中优选的是，所述加热单元设置在所述传输单元的中后部。

在上述任一方案中优选的是，所述辊压薄膜处理过程如下：所述连续片材在所述放卷装置控制下进入所述传输单元，向所述辊压成膜装置运动，在所述传输单元中后部设置加热单元，所述连续片材在经过所述加热单元时被加热到80-140℃软化，保持软化温度进入所述辊压成膜装置与上下两层包覆膜复合，在压辊的作用下挤压成所述光学薄膜。

在上述任一方案中优选的是，所述光学薄膜层的厚度为50-140μm。

在上述任一方案中优选的是，所述传输单元为自带动力的连续运动的传输带。

在上述任一方案中优选的是，所述传输单元为不自带动力运动、由连续的转动轴组成或者由摩擦系数较小的表面组成。片材可以在较小的牵引力作用下在传输单元上运动。

在上述任一方案中优选的是，所述加热单元的加热方式包括电加热板加热、电磁加热板加热或红外加热单元加热。

本发明中加热单元设置在传输单元的某一部分，片材从加热单元中穿过，加热的方向可以是对片材单面加热，也可以对片材的上下表面同时加热。

在上述任一方案中优选的是，所述电加热板加热的装置由电加热板组成，加热方式为电加热棒加热，所述连续片材从两块加热板的间隙中穿过得到加热。

在上述任一方案中优选的是，所述电磁加热板加热的装置由电磁加热板组成，加热方式为电感加热，通过电磁感应装置对金属板（电磁加热板）进行加热，加热板然后使所述连续片材得到加热。

在上述任一方案中优选的是，所述外加热单元加热的装置由红外加热单元加热，通过红外线照射方式对所述连续片材进行加热。

在上述任一方案中优选的是，所述加热单元由控制模块控制，对所述连续片材进出所述加热单元的温度进行检测并调整加热功率。

在上述任一方案中优选的是，所述加热单元设置的位置贴近所述辊压成膜装置。保证材料通过加热后的温度尽可能接近80-150℃，但不超过150℃。优选为140℃。

材料如果在短时间（10秒左右）温度在150℃能能够保持特性不变，但是时间稍长就会出现破坏，140℃是实际操作的保险数值。

在上述任一方案中优选的是，所述辊压成膜装置包括上下卷包覆膜放卷装置和上下辊压的对辊加压装置。

在上述任一方案中优选的是，所述包覆膜的材料为聚酯（PET）、热塑性聚氨酯（TPU）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或双向拉伸聚丙烯薄膜（BOPP）。

PET作为上下夹层将所述连续片材光学原料夹在中间进入对辊，在对辊的压力下将片材挤压成薄膜。PET也可以由其他材质的聚合物薄膜替代，例如TPU，PMMA， BOPP等，但需要考虑压力及温度以及后续工艺的要求来进行选择和调整工艺参数。

在上述任一方案中优选的是，所述包覆膜为PET，厚度为20-200μm，

在上述任一方案中优选的是，所述包覆膜的厚度为经过压辊后所述光学薄膜层厚度的0.8-2倍。

这里的包覆膜的厚度，例如PET薄膜，它的单层厚度应该是两层PET中间夹着的辊压后光学材料的厚度的0.8-2倍，这个数值是保证中间光学材料的光学特性的最佳数值范围。

在上述任一方案中优选的是，所述上下辊压的对辊加压装置包括上下压辊，所述上下压辊为镜面辊，所述压辊表面温度为20-200℃。

表面温度的限定能够保证压膜过程顺利同时不破坏光学原材料的化学成分。

所述上下压辊的表面为经过表面镀铬等工艺处理的光滑表面，压辊需要能够控制表面温度。

在上述任一方案中优选的是，所述压辊表面温度为80-130℃。

在上述任一方案中优选的是，所述压辊的加热方式为油热或电感表面加热。

在上述任一方案中优选的是，所述压辊的宽幅为20-500厘米。

在宽幅大于60厘米的情况下压辊的形状设计考虑到加热变形因素最好进行特殊补偿设计。

在上述任一方案中优选的是，所述上下压辊的间隙为0-5毫米，精确到1微米。

在上述任一方案中优选的是，所述上下压辊的压强为0-40兆帕。

在上述任一方案中优选的是，所述压辊的转动线速度为0-5米/秒。

该线速度下能保证光学特性不被破坏。

在上述任一方案中优选的是，所述辊压薄膜处理采用的设备包括片材加热装置和复合、辊压成膜装置，所述连续片材的挤出模具头接近辊压成膜装置的上下辊压的对辊的间隙位置。

为不使用片材放卷装置及加热单元，而将片材挤出的模具头尽可能放置得接近压制薄膜的对辊的间隙位置，这样片材经过模具头挤出后的残余热量可以保证片材的柔化状态保持到压膜的过程。此时片材模头的温度可以设定135℃，在片材模头足够接近压辊的位置关系下，材料挤出后可以保证在这个软化温度。

压膜品质的一个重要参数是压制的薄膜的厚度均匀性，要想实现厚度的均匀，材料进入压辊之前的预加热是必须的。如果在片材进入压辊前不进行预加热，则片材的厚度均匀度较难控制，所制备的光学薄膜层厚度均匀度较难达到5%以下，为保证薄膜厚度的均匀度一般应通过加热单元进行预加热。本发明针对此问题提出相应的设备、工艺解决方案，以实现大于500mm宽幅光学薄膜的连续化生产、厚度均匀控制。

附图说明

图1是本发明一种复合光学材料压膜品质控制方法的一优选实施例的压膜设备和简化流程图；

图2是本发明一种复合光学材料压膜品质控制方法的另一优选实施例的压膜设备和简化流程图；

图3是未经过预热工艺与经过预热工艺然后辊压成膜的薄膜厚度均匀度差别。

具体实施方式

为了进一步了解本发明的技术特征，下面结合具体实施例对本发明进行详细地阐述。实施例只对本发明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本领域的技术人员在本发明的基础上做出的任何非实质性的修改，都应属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种复合光学材料压膜品质控制方法，包括以下各步骤：

（1）前处理：聚合物芯-壳结构纳米微球通过前处理形成连续片材，厚度为0.1-5mm；

（2）辊压薄膜处理：所述连续片材被加热到80-140℃软化，保持软化温度与上下两层包覆膜复合，在压辊的作用下挤压成光学薄膜，所述光学薄膜层的厚度为20-200μm。

进一步地，所述聚合物芯-壳结构纳米微球为粉体或块状材料。

更进一步地，所述辊压薄膜处理采用的设备包括原料连续放卷、传送装置，片材加热装置和复合、辊压成膜装置。所述复合、辊压成膜装置包括辊压成膜装置。

更进一步地，所述连续放卷、传送装置包括放卷装置和传输单元。

更进一步地，所述片材加热装置包括加热单元。

更进一步地，所述加热单元设置在所述传输单元的中后部。

更进一步地，所述辊压薄膜处理过程如下：所述连续片材在所述放卷装置控制下进入所述传输单元，向所述辊压成膜装置运动，在所述传输单元中后部设置加热单元，所述连续片材在经过所述加热单元时被加热到80-140℃软化，保持软化温度进入所述辊压成膜装置与上下两层包覆膜复合，在压辊的作用下挤压成所述光学薄膜。

更进一步地，所述光学薄膜层的厚度为50-140μm。

更进一步地，所述传输单元为自带动力的连续运动的传输带。

更进一步地，所述传输单元为不自带动力运动、由连续的转动轴组成或者由摩擦系数较小的表面组成。片材可以在较小的牵引力作用下在传输单元上运动。

更进一步地，所述加热单元的加热方式包括电加热板加热、电磁加热板加热或红外加热单元加热。

更进一步地，所述电加热板加热的装置由电加热板组成，加热方式为电加热棒加热，所述连续片材从两块加热板的间隙中穿过得到加热。

更进一步地，所述电磁加热板加热的装置由电磁加热板组成，加热方式为电感加热，通过电磁感应装置对金属板（电磁加热板）进行加热，加热板然后使所述连续片材得到加热。

更进一步地，所述外加热单元加热的装置由红外加热单元加热，通过红外线照射方式对所述连续片材进行加热。

更进一步地，所述加热单元由控制模块控制，对所述连续片材进出所述加热单元的温度进行检测并调整加热功率。

更进一步地，所述加热单元设置的位置贴近所述辊压成膜装置。

更进一步地，所述辊压成膜装置包括上下卷包覆膜放卷装置和上下辊压的对辊加压装置。

更进一步地，所述包覆膜的材料为聚酯（PET）、热塑性聚氨酯（TPU）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或双向拉伸聚丙烯薄膜（BOPP）。

更进一步地，所述包覆膜为PET，厚度为20-200μm，

更进一步地，所述包覆膜的厚度为经过压辊后所述光学薄膜层厚度的0.8-2倍。

更进一步地，所述上下辊压的对辊加压装置包括上下压辊，所述上下压辊为镜面辊，所述压辊表面温度为20-200℃。

更进一步地，所述压辊表面温度为80-130℃。

更进一步地，所述压辊的加热方式为油热或电感表面加热。

更进一步地，所述压辊的宽幅为20-500厘米。

更进一步地，所述上下压辊的间隙为0-5毫米，精确到1微米。

更进一步地，所述上下压辊的压强为0-40兆帕。

更进一步地，所述压辊的转动线速度为0-5米/秒。

更进一步地，所述辊压薄膜处理采用的设备包括片材加热装置和复合、辊压成膜装置，所述连续片材的挤出模具头接近辊压成膜装置的上下辊压的对辊的间隙位置。

本发明的复合光学材料的原料优选为经过干燥的聚合物芯-壳结构纳米微球粉体或块状材料，主要成分为聚苯乙烯、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯等以及少量交联剂和其他添加剂，与CN103534079 A中所公示的材料一致。

实施例 1：

如图1所示，以聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乙酯“芯-壳”结构聚合物纳米微球（直径250nm）粉体制备的厚度为0.5毫米的片材；采用如下设备配备：

1.复合材料片材放卷机，放卷速度设置低于压辊线速度；

2.传输装置，与片材接触的表面采用特氟龙材料减少摩擦并保证高温（120℃）下与片材不发生粘连，使片材能够在较小的牵引力下前进；

3.对片材的加热装置采用矩形面放置的多排红外加热灯管，放置在距离片材上表面10厘米高度的上部，对片材进行均匀加热，加热温度为120℃，外围采取锡纸或其他措施灯幕围绕以放置红外线外溢额外加热其他部件；

4.采用东丽高透光学耐高温PET薄膜（日本东丽公司生产的PET薄膜），厚度125微米作为上下夹层；

5.压辊宽幅800毫米，采用铸铁材质，表面镀铬镜面处理，导热油加热方式，油压加压，压强设置15兆帕，调整间隙为300-400微米，线速度0.1米/秒。

具体过程如下：

将压辊升温至120℃，调整好间隙，匀速运动，启动片材加热装置及放卷装置，复合光学材料片材在放卷后平置于传输装置上，按照预先测试后设定的加热功率启动片材加热装置，保证材料在经过加热装置后进入压辊间隙前温度在80-120℃。人工牵引片材进入压辊间隙，然后在压辊转动压膜产生的牵引力下自动前进，进行连续压膜。

实施例2

如图2所示，材料及压辊装置设置与实施例1相同，但不采用放卷、传输以及片材加热装置，将挤出机及附带片材生产线直接对接至压辊机，片材模头出料位置尽可能接近上下压辊间隙以保证材料进入压辊前的温度，片材模头温度设施在100-135℃。

实验例3

如图3所示， 未经过预热工艺与经过预热工艺然后辊压成膜的薄膜厚度均匀度差别。a, 辊压后的薄膜宽度700毫米，在薄膜的宽度方向取13个点进行测量，在长度方向间隔1米处再取同样位置的13个点测量薄膜的厚度。b，T1,T2为没有经过预热工艺辊压成膜的薄膜厚度在相应点的分布，T3，T4为经过预热进辊温度80℃的材料在辊压成膜后的厚度分布。预热工艺对材料厚度的均一度有关键性的影响，由图3可见，在预设挤压薄膜厚度为94微米的情况下，没有经过预热的工艺产出的薄膜厚度在长度和宽度方向的厚度变化达到了正负15微米，而进过预热生产的薄膜厚度波动范围只有正负3微米。

实施例3中的未经过预热工艺即为除了没有加热软化步骤外，其余步骤和过程均与本发明相同。

实施例 4：

以聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乙酯“芯-壳”结构聚合物纳米微球（直径250nm）粉体制备的厚度为0.8毫米的片材；采用如下设备配备：

1.复合材料片材放卷机，放卷速度设置低于压辊线速度；

2.传输装置，与片材接触的表面采用特氟龙材料减少摩擦并保证高温（140℃）下与片材不发生粘连，使片材能够在较小的牵引力下前进；

3.对片材的加热装置采用矩形面放置的多排红外加热灯管，放置在距离片材上表面10厘米高度的上部，对片材进行均匀加热，加热温度为110℃，外围采取锡纸或其他措施灯幕围绕以放置红外线外溢额外加热其他部件；

采用东丽高透光学耐高温PET薄膜，厚度120微米作为上下夹层；

压辊宽幅800毫米，采用铸铁材质，表面镀铬镜面处理，导热油加热方式，油压加压，压强设置15兆帕，调整间隙为80-100微米，线速度0.1米/秒。

具体过程如下：

将压辊升温至125℃，调整好间隙，匀速运动，启动片材加热装置及放卷装置，复合光学材料片材在放卷后平置于传输装置上，按照预先测试后设定的加热功率启动片材加热装置，保证材料在经过加热装置后进入压辊间隙前温度在80-120℃。人工牵引片材进入压辊间隙，软化的片材材料在进入压辊间隙处被上下放卷的两层PET夹紧，然后在压辊转动压膜产生的牵引力下自动前进，进行连续压膜。