一种新型光学聚合物复合薄膜及其制作方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种新型光学聚合物复合薄膜及其制作方法和应用，在基底表面覆盖光学薄膜，基底由聚合物材料制成，光学薄膜由M个单元膜叠加而成，每个单元膜由N层采用聚合物材料制成的光学膜层叠加而成，其中N＝2或者N＝3，每层光学膜层具有预定的膜厚，任意相邻两层光学膜层具有不同的折射率；将多层光学膜层叠放在基底表面压制而成，或者，利用多层共挤吹塑方式制成多层光学薄膜并粘覆在基体表面制成。根据实际应用需要，通过对光学薄膜中单元模的数量以及单元模中每层光学膜层的膜厚、折射率以及膜层分布进行设计，可以实现光学薄膜的不同光学特性。本发明中，所述新型光学聚合物复合薄膜的工艺简单、价格低廉，可广泛应用在农业种植领域中。
【专利说明】一种新型光学聚合物复合薄膜及其制作方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及薄膜【技术领域】，尤其涉及一种新型光学聚合物复合薄膜及其制作方法和应用。
【背景技术】
[0002]光学薄膜是在基底材料的表面覆盖一层或多层其他材料，以达到改变预定波段光的透射率和反射率的目的。一般说来，膜层的厚度在光波长的量级，可通过改变膜层的厚度来改变光学薄膜的作用波段。参照图1，对于固定厚度的膜层，不同波段的光对应的光程(即相位差)不同，其相干叠加后的强度不同，这就对应着不同的透射率和反射率。当前，光学薄膜已广泛应用于光学及光电子【技术领域】，用于制造各种具有特定光学效应的仪器。
[0003]在实际应用过程中，常用的光学镀膜材料主要包括金属膜和介质膜，光学效应较好的光学薄膜对镀膜材料的纯度、膜层的厚度和均匀性的要求比较高，因此其价格也较为昂贵，这就限制了这种光学薄膜向其他产业的应用和推广，例如，在农业种植领域已经大规模使用的农业塑料大棚领域。
[0004]农作物的生长依附于环境，农业塑料大棚和一些室内栽培技术为农作物创造了一个更加适合生长的环境，其中，光环境就是非常重要的一种环境因素。红光、蓝光处于植物光合作用谱的两峰值处，是影响植物生长最主要的光源，也是植物需求量最大的光源，而其他波长的光对光合作用的影响相对较小，有研宄表明，绿光对某些植物的生长有一定的反向作用。尤其是在夏季，强烈的阳光不但使农作物处于光抑制状态，还使农作物和土壤中的水分大量蒸发，这对农作物的生长是严重不利的。
[0005]因此，如果能将光学薄膜应用在农业中，通过减少绿光的组分，除去红外光这种对光合作用没有效果而热效应比较严重的光源，除去对植物细胞有破坏作用的紫外光，这可以促进农作物的生长。如果再能将没有用于植物生长的光加以利用，例如中国专利申请CN103997285A公开的一种用于种植大棚的太阳能综合利用系统，便可产生附加的经济效益，以我国18亿亩的耕地面积进行计算，假如I %改造为综合型光伏农业基地，以10%的光电转换效率估算，其装机容量可达到1000GW，发电量相当于50个三峡电站，其能带来的附加收入是相当可观的。
[0006]但是，目前技术较为成熟的金属膜和介质膜因其价格较为昂贵，暂时不具备向农业种植领域进行推广的条件，限制了光学薄膜在农业种植领域的应用。
[0007] 申请人:在实现本申请的过程中注意到，如果采用聚合物材料作为光学薄膜材料，例如聚乙烯(PE)材料，其制作成本就可以大大地降低。PE材料具有高、中、低密度档，PE材料的密度、折射率可调控，从而为光学薄膜的设计提供了很大的选择空间，并且，现有不同类型和功能的PE材料的产品很多，生产工艺也较为成熟，为光学薄膜转化为便于应用的推广的产品打下了良好的基础。
【发明内容】
[0008]基于【背景技术】存在的技术问题，本发明提出了一种新型光学聚合物复合薄膜及其制作方法和应用。
[0009]本发明提出的一种新型光学聚合物复合薄膜的制作方法，所述制作方法包括在基底表面覆盖光学薄膜；基底采用聚合物材料制成；光学薄膜由M个单元膜叠加而成，其中M> 2，每个单元膜由N层采用聚合物材料制成的光学膜层叠加而成，其中N = 2或者N = 3，每层光学膜层具有预定的膜厚，任意相邻两层光学膜层具有不同的折射率。
[0010]优选地，所述在基底表面覆盖光学薄膜具体为将光学薄膜压制在基底表面制成；优选地，将MXN层光学膜层按照预定顺序叠放在基底表面，然后放置在加温环境中将光学膜层软化，并采用滚压装置对光学膜层进行压制而成，在压制过程中控制每层光学膜层的膜厚均匀；
[0011]或者，所述在基底表面覆盖光学薄膜具体为将光学薄膜粘覆在基底表面制成；优选地，利用多层共挤吹塑方式吹塑得到MXN层光学膜层，并将MXN层光学膜层粘覆在基底表面制成。
[0012]优选地，在单元膜中，具有不同折射率的光学膜层由具有不同密度的聚合物材料制成，和/或，具有不同折射率的光学膜层由具有不同掺杂的聚合物材料制成；
[0013]优选地，在单元膜中，具有不同折射率的光学膜层由具有不同密度的聚乙烯材料制成，和/或，具有不同折射率的光学膜层由具有不同掺杂的聚乙烯材料制成。
[0014]优选地，基底为聚甲基丙烯酸甲酯板材；优选地，将聚甲基丙烯酸甲酯板材的背光面制成导光板型或者散光板型；优选地，聚甲基丙烯酸甲酯板材的形状为抛物面型；或者，基底为聚乙烯薄膜。
[0015]优选地，根据光学薄膜的光学特性设计光学薄膜中单元模的数量以及单元模中每层光学膜层的膜厚、折射率以及膜层分布；优选地，光学薄膜的光学特性包括透射特性和反射特性；优选地，透光特征包括透光光谱和透光光强；优选地，反射特性包括反射光谱和反射光强。
[0016]优选地，M个单元膜具有相同的物理结构和光学特性。
[0017]本发明提出了一种新型光学聚合物复合薄膜，包括:基底和光学薄膜；基底由聚合物材料制成；光学薄膜覆盖在基底表面；光学薄膜由M个单元膜叠加而成，其中M > 2，每个单元膜由N层采用聚合物材料制成的光学膜层叠加而成，其中N = 2或者N = 3，每层光学膜层具有预定的膜厚，任意相邻两层光学膜层具有不同的折射率。
[0018]优选地，基底为聚甲基丙烯酸甲酯板材；优选地，将聚甲基丙烯酸甲酯板材的背光面制成导光板型或者散光板型；优选地，聚甲基丙烯酸甲酯板材的形状为抛物面型；或者，基底为聚乙烯薄膜；
[0019]优选地，在单元膜中，具有不同折射率的光学膜层由具有不同密度的聚合物材料制成，和/或，具有不同折射率的光学膜层由具有不同掺杂的聚合物材料制成；优选地，在单元膜中，具有不同折射率的光学膜层由具有不同密度的聚乙烯材料制成，和/或，具有不同折射率的光学膜层由具有不同掺杂的聚乙烯材料制成；
[0020]优选地，M个单元膜具有相同的物理结构和光学特性。
[0021]优选地，根据光学薄膜的光学特性设计光学薄膜中单元模的数量以及单元模中每层光学膜层的膜厚、折射率以及膜层分布；优选地，光学薄膜的光学特性包括透射特性和反射特性；优选地，透光特征包括透光光谱和透光光强；优选地，反射特性包括反射光谱和反射光强；
[0022]优选地，光学薄膜可透过预定波长范围的光并反射其余波长范围的光；优选地，所述预定波长范围的光包括红光、蓝光；
[0023]优选地，光学薄膜可透光可见光波长范围的可见光并反射预定波长范围的光；优选地，所述预定波长范围的光包括红外光、紫外光。
[0024]本发明提出了一种新型光学聚合物复合薄膜在农业种植大棚中作为滤光薄膜或覆盖薄膜的应用，所述新型光学聚合物复合薄膜为采用上述制作方法所制成的新型光学聚合物复合薄膜，或者，所述新型光学聚合物复合薄膜为上述新型光学聚合物复合薄膜。
[0025]在本发明中，将光学镀膜的光学薄膜设计原理融入传统的薄膜制作过程中，从而提出了一种新型光学聚合物复合薄膜及其制作方法。在具体实施例中，通过在基底表面覆盖光学薄膜制成；基底采用聚合物材料制成，光学薄膜由M个单元膜叠加而成，其中M > 2，每个单元膜由N层采用聚合物材料制成的光学膜层叠加而成，其中N = 2或者N = 3，每层光学膜层具有预定的膜厚，任意相邻两层光学膜层具有不同的折射率；在制作过程中，将MXN层光学膜层叠放在基底表面并压制而成，或者，利用多层共挤吹塑方式制成MXN层光学薄膜并粘覆在基体表面制成。其中，基底为聚甲基丙烯酸甲酯板材或者聚乙烯薄膜，具有不同折射率的光学膜层可以由具有不同密度的聚乙烯材料和/或由具有不同掺杂的聚乙稀材料制成。
[0026]在实际应用过程中，通过光学薄膜中单元模的数量以及单元模中每层光学膜层的膜厚、折射率以及膜层分布进行设计，实现了对光学特性的可调，满足了光学薄膜的不同光学特性要求。
[0027]本发明中，新型光学聚合物复合薄膜的工艺简单，通过借助于聚合物的产业化可实现大规模生产，价格低廉，其具有非常广泛的应用场景和应用范围。例如，将新型光学聚合物复合薄膜应用在农业种植领域中，可以更大限度地高效利用太阳能，提升农作物的生长环境，隔热保湿，节约了水资源，为干旱或沙漠地区的农业生产、环境治理提供了更好的解决途径。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为现有技术中光学薄膜的结构示意图和光学原理示意图。
[0029]图2为本发明中提出的一种新型光学聚合物复合薄膜的结构示意图。
[0030]图3为光通过导光板型的效果图。
[0031]图4为光通过散光板型的效果图。
[0032]图5为本发明中在基底上压制光学薄膜的结构示意图。
【具体实施方式】
[0033]在本发明中，将光学镀膜的光学薄膜设计原理融入传统的薄膜制作过程中，从而提出了一种新型光学聚合物复合薄膜及其制作方法。
[0034]如图2所示，本发明实施例提出的一种新型光学聚合物复合薄膜及其制作方法中，通过在基底表面覆盖光学薄膜制成；其中，基底由聚合物材料制成，光学薄膜由M个单元膜叠加而成，其中M > 2，每个单元膜由N层采用聚合物材料制成的光学膜层叠加而成，其中N = 2或者N = 3，每层光学膜层具有预定的膜厚，任意相邻两层光学膜层具有不同的折射率。
[0035]在具体实施例中，在基底表面覆盖光学薄膜，光学薄膜中M个单元膜设置具有相同的物理结构和光学特性；具体地，在M个单元膜中，光学膜层的层数N、每层光学膜层的膜厚、折射率和膜层分布等物理结构都相同，从而使得M个单元膜具有相同的光学特性。采用上述布置方式，在光学薄膜的MXN层光学膜层中，任意一层光学膜层将周期性重复叠加。
[0036]在薄膜的制作过程中，光学薄膜可通过压制或粘覆方式覆盖在基底表面制得，具体地，在压制过程中将多层光学膜层叠放在基底表面并压制而成，在粘覆过程中利用多层共挤吹塑方式制成多层光学薄膜并粘覆在基体表面制成。
[0037]在第一种具体实施例中，基底采用聚甲基丙烯酸甲酯板材，又称亚克力板材，其为硬质的光学级板材，其具有良好的透光率(透光率大于92% )，并且具有很大的机械强度和抗冲击性能。
[0038]如图3所示，可以将亚克力板材的背光面做成导光板型，如图4所示，可以将亚克力板材的背光面做成散光板型。将亚克力板材的背光面做成导光板型，当光的入射角较大时能增加照射在农作物上的光的分布；将亚克力板材的背光面做成散光板型，可使得透光面上的各点光线方向随机分布，光能量在地平面上的分布更加均匀；当平行入射的太阳光与地面法线的角度较大时，也使得更多的光线投射到地面的农作物上。
[0039]其中，在亚克力板材的表面压制光学薄膜制成新型光学聚合物复合薄膜的主要工艺流程包括:S1、将亚克力板材制成预定的形状(例如抛物面型)和厚度，并采用模具将亚克力板材的背光面做成导光板型或者散光板型；S2、根据光学薄膜的光学特性设计要求，将多层光学膜层一层层地叠放在亚克力板的表面，光学膜层的膜厚在十微米到百微米量级，在远离亚克力板材的最外侧的光学膜层表面涂覆润滑剂；S3、将S2中亚克力板材和层叠的多层光学膜层放置在加温环境中将多层光学膜层软化；S4、采用滚压装置对光学膜层进行压制至预定的厚度，在压制过程中控制好压制的力度与速度以使得多个光学膜厚分布均匀，如图5所示，得到所述新型光学聚合物复合薄膜。
[0040]其中，在亚克力板材的表面粘覆光学薄膜制成新型光学聚合物复合薄膜的主要工艺流程包括:S1、将亚克力板材制成预定的形状(例如抛物面型)和厚度，并采用模具将亚克力板材的背光面做成导光板型或者散光板型；S2、根据光学薄膜的光学特性设计要求，利用多层共挤吹塑方式吹塑得到多层光学膜层；S3、在预定温度下，在亚克力板材表面上涂覆一层熔融状态的粘附剂，再将S2吹塑出来的多层光学膜层粘覆在亚克力板材的表面，得到所述新型光学聚合物复合薄膜。
[0041]在第二种具体实施例中，基底采用聚乙烯薄膜，其质地柔韧，便于收纳，现有农业种植领域的大棚覆盖薄膜的常用材料；在聚乙烯薄膜的表面压制或粘覆光学薄膜制成新型光学聚合物复合薄膜，其制作过程与上述在亚力克板材的表面压制光学薄膜制成新型光学聚合物复合薄膜的主要工艺流程基本相似。
[0042]在具体实施例中，基底材料不限于亚克力板材和聚乙烯薄膜，还可以选择其他更加经济优质、便于推广的材料。
[0043]在实际应用过程中，在光学薄膜的制作过程中，可以根据光学薄膜的光学特性，对光学薄膜中单元模的数量M以及单元模中每层光学膜层的膜厚、折射率以及膜层分布进行设计，实现了对光学特性的可调，满足了光学薄膜的不同光学特性要求；其中，光学薄膜的光学特性包括透射特性和反射特性，透光特征包括透光光谱和透光光强，反射特性包括反射光谱和透光光谱。
[0044]在具体设计时，单元模的数量M可以选择大于2，例如根据光学特性的需要可以选择M大于10，并且，在每个单元膜中包括2层或3层光学膜层叠加而成；在单元膜的N层光学膜层中，当N = 2时，两层光学膜层的折射率不同，当N = 3时，第一层光学膜层和第二层光学膜层的折射率不同，第二层光学膜层和第三层光学膜层的折射率不同，第一层和第三层光学膜层的折射率不同，根据光学特性的要求也可以设计第一层和第三层光学膜层的折射率相同。
[0045]光学薄膜由M个单元膜叠加而成，在每个单元膜的N层光学膜层中，任意相邻两层光学膜层具有不同的折射率；基于聚合物的密度不同或者进行不同的掺杂都会影响其折射率的变化；因此，具有不同折射率的光学膜层可以采用不同密度的聚乙烯材料制成，和/或，具有不同折射率的光学膜层也可以采用不同掺杂的聚乙烯材料制成；当然，光学膜层还可以采用其他聚合物材料制备而成，只要任意相邻两层光学膜层之间存在折射率差就可以实现本发明的技术方案。
[0046]在具体设计过程中，在单元膜中，N层光学膜层可以采用多种组合形式。
[0047]例如，当N= 2时，两层光学膜层采用两种具有不同密度的聚乙烯材料制成，或者，两层光学膜层采用两种具有不同掺杂的聚乙烯材料制成，或者，两层光学膜层的其中一层在聚乙烯材料中未掺杂而另一层在聚乙烯材料进行了掺杂并且两者的折射率不同。
[0048]例如，当N = 3时，三层光学膜层采用三种具有不同密度的聚乙烯材料制成，或者，三层光学膜层采用三种具有不同掺杂的聚乙烯材料制成，或者，三层光学膜层的其中两层采用两种具有不同密度的聚乙烯材料制成，而另一层采用在聚乙烯材料中进行掺杂制成，或者，三层光学膜层的其中两层采用两种具有不同掺杂的聚乙烯材料制成，而另一层在聚乙烯材料中未进行掺杂。
[0049]本发明提出的新型光学聚合物复合薄膜，其工艺简单，通过借助于聚合物的产业化可实现大规模生产，价格低廉，具有非常广泛的应用场景和应用范围。
[0050]例如，可以将本发明的新型光学聚合物复合薄膜及其制作方法应用在农业种植领域中。
[0051]第一方面，将本发明的新型光学聚合物复合薄膜用在农业种植领域中作为滤光薄膜的应用。可以在亚克力板材上压制或粘覆光学薄膜制成滤光装置，通过光学膜层的层数、每层光学膜层的厚度和折射率以及多层光学膜层的膜层分布的设计，该滤光装置可以透过预定波长范围的光(例如红光、蓝光)并反射其他波长的光(例如绿光)，从而更高效利用太阳能，不仅使太阳光最大限度地提供满足农作物生长有用的能量，并通过阻断预定的光以改善农作物的生长环境。进一步地，可以将亚克力板材制成抛物面型，反射的光在抛物面的焦面处聚集可用于发电，用于发电的光能只损失了太阳光中较小的一部分红蓝光，这样，可在保证农作物生长的同时可以将其余的光转化为电能。
[0052]第二方面，将本发明的新型光学聚合物复合薄膜用在农业种植领域中作为覆盖薄膜的应用。在聚乙烯基底上压制或粘覆光学薄膜制成种植大棚覆盖膜，通过光学膜层的层数、每层光学膜层的厚度和折射率以及多层光学膜层的膜层分布的设计，光学薄膜可透过可见光波长范围的可见光，从而不影响农作物生长所需要的太阳光，并可反射预定波长范围的光，其中预定波长范围的光包括红外光和紫外光，通过阻断红外光可以降低覆盖膜内的环境温度，减少了夏季水分的蒸发，隔热保湿，节省了水资源，通过阻断紫外光可以降低其对农作物细胞的破坏作用，提升农作物的生长环境。新型光学聚合物复合薄膜用在农业种植领域中作为覆盖薄膜可以替代传统的种植大棚覆盖膜；并且，所述种植大棚覆盖膜可向干旱地区、沙漠地带推广，这对改善干旱或沙漠地带的农业生产、环境治理提供了更好的解决途径，其将起到十分有益的功效。
[0053]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种新型光学聚合物复合薄膜的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括在基底表面覆盖光学薄膜；基底采用聚合物材料制成；光学薄膜由Μ个单元膜叠加而成，其中Μ >2，每个单元膜由Ν层采用聚合物材料制成的光学膜层叠加而成，其中Ν = 2或者Ν = 3，每层光学膜层具有预定的膜厚，任意相邻两层光学膜层具有不同的折射率。
2.根据权利要求1所述的新型光学聚合物复合薄膜的制作方法，其特征在于，所述在基底表面覆盖光学薄膜具体为将光学薄膜压制在基底表面制成；优选地，将ΜΧΝ层光学膜层按照预定顺序叠放在基底表面，然后放置在加温环境中将光学膜层软化，并采用滚压装置对光学膜层进行压制而成，在压制过程中控制每层光学膜层的膜厚均匀； 或者，所述在基底表面覆盖光学薄膜具体为将光学薄膜粘覆在基底表面制成；优选地，利用多层共挤吹塑方式吹塑得到ΜΧΝ层光学膜层，并将ΜΧΝ层光学膜层粘覆在基底表面制成。
3.根据权利要求1或2所述的新型光学聚合物复合薄膜的制作方法，其特征在于，在单元膜中，具有不同折射率的光学膜层由具有不同密度的聚合物材料制成，和/或，具有不同折射率的光学膜层由具有不同掺杂的聚合物材料制成； 优选地，在单元膜中，具有不同折射率的光学膜层由具有不同密度的聚乙烯材料制成，和/或，具有不同折射率的光学膜层由具有不同掺杂的聚乙烯材料制成。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的新型光学聚合物复合薄膜的制作方法，其特征在于，基底为聚甲基丙烯酸甲酯板材；优选地，将聚甲基丙烯酸甲酯板材的背光面制成导光板型或者散光板型；优选地，聚甲基丙烯酸甲酯板材的形状为抛物面型；或者，基底为聚乙烯薄膜。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的新型光学聚合物复合薄膜的制作方法，其特征在于，根据光学薄膜的光学特性设计光学薄膜中单元模的数量以及单元模中每层光学膜层的膜厚、折射率以及膜层分布；优选地，光学薄膜的光学特性包括透射特性和反射特性；优选地，透光特征包括透光光谱和透光光强；优选地，反射特性包括反射光谱和反射光强。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的新型光学聚合物复合薄膜的制作方法，其特征在于，Μ个单元膜具有相同的物理结构和光学特性。
7.一种新型光学聚合物复合薄膜，其特征在于，包括:基底和光学薄膜；基底由聚合物材料制成；光学薄膜覆盖在基底表面；光学薄膜由Μ个单元膜叠加而成，其中Μ > 2，每个单元膜由Ν层采用聚合物材料制成的光学膜层叠加而成，其中Ν = 2或者Ν = 3，每层光学膜层具有预定的膜厚，任意相邻两层光学膜层具有不同的折射率。
8.根据权利要求7所述的新型光学聚合物复合薄膜，其特征在于，基底为聚甲基丙烯酸甲酯板材；优选地，将聚甲基丙烯酸甲酯板材的背光面制成导光板型或者散光板型；优选地，聚甲基丙烯酸甲酯板材的形状为抛物面型；或者，基底为聚乙烯薄膜； 优选地，在单元膜中，具有不同折射率的光学膜层由具有不同密度的聚合物材料制成，和/或，具有不同折射率的光学膜层由具有不同掺杂的聚合物材料制成；优选地，在单元膜中，具有不同折射率的光学膜层由具有不同密度的聚乙烯材料制成，和/或，具有不同折射率的光学膜层由具有不同掺杂的聚乙烯材料制成； 优选地，Μ个单元膜具有相同的物理结构和光学特性。
9.根据权利要求7所述的新型光学聚合物复合薄膜，其特征在于，根据光学薄膜的光学特性设计光学薄膜中单元模的数量以及单元模中每层光学膜层的膜厚、折射率以及膜层分布；优选地，光学薄膜的光学特性包括透射特性和反射特性；优选地，透光特征包括透光光谱和透光光强；优选地，反射特性包括反射光谱和反射光强； 优选地，光学薄膜可透过预定波长范围的光并反射其余波长范围的光；优选地，所述预定波长范围的光包括红光、蓝光； 优选地，光学薄膜可透光可见光波长范围的可见光并反射预定波长范围的光；优选地，所述预定波长范围的光包括红外光、紫外光。
10.—种新型光学聚合物复合薄膜在农业种植领域中作为滤光薄膜或覆盖薄膜的应用，所述新型光学聚合物复合薄膜为采用权利要求1-6所述的制作方法所制成的新型光学聚合物复合薄膜，或者，所述新型光学聚合物复合薄膜为权利要求7-9所述的新型光学聚合物复合薄膜。
【文档编号】G02B1/10GK104459833SQ201410767872
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月13日 优先权日:2014年12月13日
【发明者】刘 文, 许立新, 姚培军, 邵欢欢, 张放心, 钱大憨, 刘路青, 张智森 申请人:中国科学技术大学先进技术研究院