专利名称：照明显示用纳米硅改性有机玻璃光散射材料及制备方法
技术领域：
本发明涉及无机物掺杂的聚合物光学材料及其制备，属于纳米复合光学材料领域。
背景技术：
根据光散射的电磁学理论，当光线通过固态或液态媒质时，如媒质中极化率不均匀，就会产生光散射现象。而物质的极化率与其折射率成比例，也就是说当媒质中存在折射率不均匀分布时就会发生光散射。造成折射率不均匀的原因可以是媒质本身的密度涨落，也可以是混有折射率不同的微粒散射点。日本专利JP04 59,854公开了一种基质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，散射体为具有一定粒径分布的无机微粒，例如氧化锌(ZnO)，碳酸钙(CaCO3)，沸石等的光漫反射纸张的制备方法。当组分配比为粒径是0.5μm的ZnO0.2份，粒径为0.5μm的CaCO31.5份和100份的PMMA进行直接共混制备出光散射材料，由于透明度较低，仅适用于照明，指示牌等场合。
纳米SiO2掺杂有机玻璃材料是20世纪80年代末期随着纳米技术的兴起而发展起来的新型复合材料的一种。目前它还局限于实验研究阶段。《应用化学》2002年第九期报道了张启卫等的工作，采用溶胶-凝胶技术，文章认为它的有机/无机两相间的相溶性好，不产生相分离，材料透明，透光率可达80％左右。一般认为这样制备的材料仅限于改性原有机玻璃表面，通过涂层增强有机玻璃的硬度和耐热性。《工程塑料应用》1994，22(5)47；《高分子材料学与工程》1999，15(1)，108以及《功能材料》1995，26(6)，510报道了有关硅掺杂的工作，样品制备采用本体聚合法，SiO2表面处理剂的使用并没使纳米颗粒的分散均匀性有较大改善。中国专利01115311.3公开了《制备纳米SiO2改性塑料光纤的方法》，MMA单体与硅氧烷类化合物之比为5∶1-50∶1，加入总量0.1-1％的偶氮类或过氧化物类引发剂及0.03-0.2％的硫醇类链转移剂，得到机械性能，光学性能均有提高的纳米SiO2改性PMMA光纤材料。
发明内容
本发明的目的在于改性PMMA的光学特性，使其成为光散射材料。通过对纳米SiO2颗粒尺寸及PMMA前驱体组分比例的控制，使复合材料性能均匀散射各种波长的光，用作照明、显示光散射材料不仅可以增强本体亮度且给人以良好的视觉感受。
本发明的目的可通过如下措施来达到一种纳米硅改性有机玻璃光散射材料的制备方法，包括依次进行的如下步骤1、按所针对的光波波长，在下列组分含量范围内调整各组分重量百分比含量，并按调整好的配方备料；组分 重量百分比甲基丙烯酸甲酯MMA 86.0-98.5过氧酸苯甲酰BPO0.1-0.3纳米SiO2粉0.1-3.0增塑剂邻苯二甲酸丁酯 1.0-10.0防老剂UV9或49 0.1-0.52、将步骤1组分中MMA单体，按计算投料量取出20％，加入MMA计算投料量0.1-3.0％重量百分量的SiO2纳米粉，在0℃-45℃下进行高频超声波振荡混合，至全部SiO2悬浮，且MMA呈乳白色，半透明液体为止；3、将步骤2所得液体，与另外80％重量的MMA混匀，加入步骤1用作引发剂的过氧化苯甲酰，用作增塑的邻苯二甲酸二丁酯和用作抗老化剂的UV-9或49，混匀后真空脱氧至乳白色，半透明液为止；将混合液在90℃下，25分钟预聚合；4、将步骤3得到的预聚物冷却至室温，灌浆入模具中；在水浴中25-100℃不同温区，不同耗时下聚合累计24-72小时。
步骤1中添加的纳米SiO2粉的粒径可以在20nm到600nm之间。也可以在步骤3中加入油溶性透明颜料，预聚后得到有色的预聚物。
本发明在PMMA中掺杂的纳米SiO2颗粒，聚合中并未发生交联反应，材料结构中纳米SiO2均匀分散在PMMA连续体中，并未改变母体材料原有的化学结构和基本物理性质，纳米SiO2颗粒作为散射点，当它的尺寸大于光的波长时，形成散射光的互相干涉，表现出各种向异性，将传统PMMA改性成光散射材料，一般认为SiO2和PMMA连续介质间有一定的物理亲合力，或称范德瓦尔力。
本发明选用了20-600nm粒径的不同SiO2粉以及控制掺杂量在0.1-3.0％，从而控制对不同波长光线的光散射强度。
传统PMMA与掺杂纳米SiO2的PMMA的光学透过率的比较，是掺杂材料用在光学领域的首选指标，
图1中给出了在可见光范围(400-700nm)光学透过率曲线，传统PMMA在90％左右，而掺杂SiO2纳米颗粒的PMMA其光谱透过率随波长趋短而略有降低，然而这正是纳米SiO2颗粒对光的散射的结果，光波长愈接近SiO2纳米颗粒尺寸，散射愈强。
通过PMMA板材几个物理参数的测定，如表1所示出，传统板与掺杂板在密度、折射率，热膨胀系数，拉伸弹性模数，弯曲特性两者相差不大。
表1几种物性测试数据 四、附图的图面说明图1是光学透过率曲线图，图中①为传统有机玻璃，②为掺杂200nm SiO2纳米颗粒的有机玻璃。
五、具体实施例
实施例120mm厚Si改性板材的制备组分 重量百分比甲基丙烯酸甲酯 94.45过氧化苯甲酰 0.15纳米SiO2粉(200nm粒径) 0.2邻苯二甲酸二丁酯 5.0UV9 0.2按上述配料比，先将SiO2粉通过高频超声波振荡均匀分散在MMA单体中，然后加入引发剂、增塑剂、防老剂混匀，真空脱气至无气泡为止，90℃下预聚合25分钟，冷却至室温，然后将该预聚物浇灌入模具中，在水浴中按下列温区，耗时进行聚合25-40℃，36小时；40-60℃，20小时；60-70℃，4小时；70-80℃，2小时；80-90℃，1小时；90-100℃，0.5小时。
实施例2Φ45m/m棒材组分 重量百分比甲基丙烯酸甲酯 91.05过氧化苯甲酰0.15纳米SiO2粉(100nm粒径) 0.3邻苯二甲酸二丁酯8.0UV-49 0.5SiO2分散、脱氧、预聚同实施例1在水浴中按下列温区，耗时进行聚合25-30℃，48小时；30-40℃，24小时40-60℃，12小时；60-80℃，12小时；80-90℃，2小时。
实施例315mm厚红色板材组分 重量百分比甲基丙烯酸甲酯 98.05过氧化苯甲酰0.2
纳米SiO2粉(600nm粒径) 0.25邻苯二甲酸二丁酯1.0UV-49 0.4红色油溶性颜料 0.3SiO2分散、脱氧、预聚同实施例1，在水浴中按下列温区，耗时进行聚合40-50℃，36小时；50-60℃，12小时；60-80℃，10小时；80-100℃，10小时。
实施例45mm厚板材组分 重量百分比甲基丙烯酸甲酯 88.35过氧化苯甲酰0.3纳米SiO2粉(50nm粒径) 2.0邻苯二甲酸二丁酯9.0UV-90.1透明绿色油溶颜料0.25SiO2分散、脱氧、预聚同实施例1，在水浴中按下列温区，耗时进行聚合45-55℃，20小时；55-75℃，10小时；75-90℃，5小时。
实施例51mm厚板材组分 重量百分比甲基丙烯酸甲酯 86.0过氧化苯甲酰0.3纳米SiO2粉(20nm粒径) 3.0邻苯二甲酸二丁酯10.0UV-90.5兰色油溶性颜料 0.2SiO2分散、脱氧、预聚同实施例1，在水浴中按下列温区，耗时进行聚合50-60℃，2小时；60-85℃，12小时。
权利要求
1.一种纳米硅改性有机玻璃光散射材料及制备方法，其特征在于依次包括以下步骤步骤一按所针对的光波波长，在下列组分含量范围内调整各组分重量百分比含量，并按调整好的配方备料组分 重量百分比甲基丙烯酸甲酯MMA 86.0-98.5过氧化苯甲酰 0.1-0.3纳米SiO2粉0.1-3.0增塑剂邻苯二甲酸二丁酯 1.0-10.0防老剂UV9或49 0.1-0.5步骤二将步骤一组分中MMA单体，按计算投料量取出20％，加入MMA计算投料量0.1-3.0％重量百分量的SiO2纳米粉，在0℃-45℃下进行高频超声波振荡混合，至全部SiO2悬浮，且MMA呈乳白色，半透明液体为止；步骤三将步骤二所得液体，与另外80％重量的MMA混匀，加入步骤一用作引发剂的过氧化苯甲酰，用作增塑剂的邻苯二甲酸二丁酯和用作抗老化剂的UV-9或49混匀，真空脱气至无气泡为止；步骤四将步骤三得到的前驱物，在90℃下，预聚合25分钟，冷却至室温；步骤五将步骤四得到的予聚物浇灌入模具中，在25℃-100℃下水浴中不同温区，不同耗时累计聚合24-100小时，得到SiO2改性有机玻璃光散射材料。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述纳米SiO2粉的粒径在20nm到600nm之间。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于可在步骤三中加入油溶性透明颜料，预聚后得到有色的预聚物。
4.一种按权利要求1、2或3的方法制备的有机玻璃光散射材料。
全文摘要
本发明提供一种纳米硅改性有机玻璃光散射材料及制备方法。该材料各组分重量百分含量是MMA 86.0－98.5％，SiO
文档编号G02B1/04GK1539878SQ0312763
公开日2004年10月27日 申请日期2003年7月17日 优先权日2003年7月17日
发明者王平, 尤克, 徐迈, 王岩, 蔡治国, 王 平 申请人:长春市恩特尔新型材料有限责任公司