专利名称：一种大尺寸微棱镜型反光材料模具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种大尺寸微棱镜型反光材料模具，适用于制造个人和道路交通
安全反光材料和制品。
(二)
背景技术：
近年来， 一方面由于社会的飞速发展，汽车越来越成为人们不可或缺的交通工具， 另一方面随着机动车辆的增加，交通事故也大幅度上升。有统计数字表明，行人着装及道路 标识与事故的相关概率为70 % ，鲜明的行人着装和道路标识可以给司机良好的条件反射。 行人穿戴装饰有反光材料的服装，使用反光材料设置醒目的交通标识、车辆牌照，可使交通 事故率下降30 % 40 % 。目前，反光材料已被广泛应用于个人交通安全产品和道路交通安 全产品中。事实上，随着政府对安全工作力度的加大和人们安全意识的提高，反光材料的应 用已不再仅局限在交通安全中，在矿山、消防、抢险、建筑等其它行业也开始了广泛使用。 用于个人交通安全的反光材料(如反光带、反光布和反光膜)主要用来制作反光 衣物，如交警和保洁工人穿着的反光衣。反光材料利用了光学的逆反射原理，其反光单元可 分为玻璃微珠和微棱镜两种类型，如微棱镜型反光带(膜)和玻璃微珠型的反光布(膜)。 从几何光学的角度，微棱镜阵列的极限反射率可达66%，而微珠阵列仅为50%。微棱镜型
反光材料及制品的逆反射效率的高低，主要由制造反光材料和制品的微棱镜模具决定，而 大尺寸微棱镜型反光材料模具又是批量生产高质量反光材料的关键，因此研发性能良好、 成本低廉的大尺寸微棱镜型反光材料模具及其制作工艺，已成为目前交通安全用反光材料 技术和生产领域中关注的焦点。 与本实用新型最接近的现有技术是一种由定向反光层、微气室层、附着层、粘胶层 和保护层紧贴构成的一种微棱镜型反光材料(中国专利CN 1271102A，2000)。其中定向反 光层为聚碳酸酯薄膜，其表面为微米级正方角锥棱镜阵列，微气室层和附着层为PVC材料， 粘胶层采用压印胶，保护层为纸质材料、使用时需揭掉。其制作工艺采用光刻技术和干法 刻蚀技术，因此不可能制作大尺寸模具。这种技术存在以下缺点1、结构复杂，由多层材料 构成，因此生产流程复杂；2、采用微细加工技术制作，一次成型的反光材料和制品的尺寸很 小，不利于产业化；3、采用光刻和干法刻蚀为主体的制造技术，导致生产成本高。
实用新型内容为了克服已有技术结构复杂、生产流程复杂、一次成型的反光材料和制品的尺寸
小、生产成本高等缺点，本实用新型提出一种可使用价格低廉的通用PVC材料，一次加工成
型的大尺寸微棱镜型反光材料模具，达到大幅度增加一次成型的反光材料和制品的尺寸、
降低生产成本、降低生产流程复杂度的目的。 本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是 —种大尺寸微棱镜型反光材料模具，包括模具基板和模具基板镀覆的金属薄膜， 所述的模具基板正面压制有紧密均匀排布的凹陷的棱镜阵列结构，所述的模具基板镀覆的金属薄膜依次为铜金属薄膜、镍金属薄膜，所述的模具基板材料为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸 甲酯或聚酰亚胺。 所述的棱镜阵列结构为本领域技术人员所熟知的都可以，可有多种形式；所述的
棱镜阵列结构的独立单元为正三棱锥体结构。正三棱锥体结构的高度，即正三棱锥顶点到 底面的垂直高度，即棱镜阵列结构的凹陷最低点的深度通常通过控制正三棱锥体底面与侧
面的夹角来实现，正三棱锥体侧面与底面的夹角为17. 47度 21. 47度，理论上正三棱锥
体侧面与底面的夹角成19. 47度最佳，为了确保最佳的反射效果，本实用新型实施例均采
用这个角度。正三棱锥体结构中的底面边长为90 350微米，如附图1所示，本实用新型
所述的独立单元正三棱锥体结构的底面是正三角形，顶点在底面的射影是底面三角形的中
心，即除底面外，另三个三角形是相同的等腰三角形。 所述的正三棱锥体结构中的底面边长优选为100 200微米。 本实用新型的制备方法可按如下步骤进行 (A)取铝合金为小尺寸金属模板基材，在小尺寸金属模板基材上刻制凸起的棱镜 阵列结构，形成若干个独立单元组成的微棱镜阵列结构，制成小尺寸金属阳模板，所述的小 尺寸金属阳模板连续布置可连接成紧密排布的棱镜阵列结构；这里所指的小尺寸金属阳模 板，是指刻纹内凹的模板，小尺寸金属阳模板在以下的步骤中要作为翻制大模板使用； (B)将步骤(A)制成的小尺寸金属阳模板进行清洗；通常清洗液为乙醇和丙酮按 体积比为1:1配制而成的溶液； (C)在经步骤(B)处理后的小尺寸金属阳模板上镀覆一层厚度为100-250纳米的 铜金属薄膜；采用的方法为电子束蒸发、离子束溅射或磁控溅射，其中最常用的是电子束蒸 发；镀膜厚度的控制可采用本领域技术人员所熟知的石英晶振法或时间控制法，通常采用 时间控制法； (D)以经步骤(C)处理后小尺寸金属阳模板作为电铸阴极材料，以电铸的方法生 长出厚度为4 5毫米的镍金属薄膜，制成小尺寸镍金属阳模板。 (E)利用步骤(D)制成的小尺寸镍金属阳模板，选大尺寸模具基板，在模具基板正 面上依次压制小尺寸镍金属阳模板，并使其连续紧密排列，形成大尺寸模板，所述的模具基 板材料为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚胺；所述的连续紧密排列是指小尺寸镍金 属阳模板在大尺寸模具基板连续依次压模，在大尺寸模具基板形成连续的微棱镜阵列结构 阴模； (F)在经步骤(E)制成的大尺寸模板上镀覆一层厚度为100 250纳米的铜金属 薄膜，作为电铸阴极材料；采用的方法为电子束蒸发或离子束溅射或磁控溅射，其中最常用
的是电子束蒸发；镀膜厚度的控制可采用本领域技术人员所熟知的石英晶振法或时间控制 法，通常采用时间控制法； (G)以经步骤(F)处理后大尺寸模板作为电铸阴极材料，以电铸的方法生长出厚 度为2 3毫米的镍金属薄膜，制成大尺寸镍金属模板，完成所述大尺寸微棱镜型反光材料 模具的制作。 所述步骤(B)中清洗是指用清洗液为乙醇和丙酮按体积比为l : l配制的溶液清 洗。 所述的模具基板材料优选为聚碳酸酯。[0020] 所述的步骤(A)在小尺寸金属模板基材上刻制所用的工具为金刚石刀具，所述的 金刚石刀具是根据所述棱镜阵列结构的独立单元结构经金刚石刀具磨床制作而成。理论上 独立单元的个数越多越好，受机器条件限制所述的小尺寸金属阳模板由120000 1500000 个并列的且排成若干排的独立单元组成。 所述的步骤(A)棱镜阵列结构的独立单元是正三棱锥体结构，用金刚石刀具磨床 根据所述的正三棱锥体结构制作的金刚石刀具在铝合金模板基材上刻制，每次刀刻深度为 0. 8 1. 2微米，推进行程结束后刀头抬起，回到起始位置，然后再重复此操作，一条刻槽刨 削完成后，工作台沿垂直于刨削路线的方向平移，金刚石刀具再刨削与前一刻槽平行的第 二条刻槽；当此方向上所有刻槽刨削好后，工作台旋转120° ，再依次刨削出另一组平行的 刻槽；最后再旋转120° ，依次刨削出第三组平行的刻槽，每一组平行刻槽之间相距78微米 至303微米，形成所述的棱镜阵列结构。 所述步骤(D)以经步骤(C)处理后小尺寸金属阳模板作为电铸阴极材料，以电铸 的方法生长出厚度为4-5毫米镍金属薄膜，制成小尺寸镍金属阳模板。所述电铸方法是本 领域技术人员所熟知的，电铸镍的电铸液类型主要为硫酸盐电铸液或氨基磺酸盐电铸液或 硫酸盐/氯化物电铸液，其中最常用的是硫酸盐电铸液。硫酸盐电铸液的质量配比为每升 电镀液含硫酸镍240 280克、氯化镍38 45克和硼酸36 42克配比而成，所述步骤 (G)也采用上述方法进行电铸。 所述步骤(E)的大尺寸模具基板根据生产制品所需要的尺寸决定，所述大尺寸模 具基板材料优选为聚碳酸酯。 本实用新型的有益效果主要表现在1、利用本实用新型提供的大尺寸微棱镜型反 光材料模具，可使用价格低廉的通用PVC材料， 一次加工成型大尺寸微棱镜型反光材料和 制品；2、降低了反光材料和制品的生产流程复杂度，降低了反光材料和制品的生产成本。
图1是本实用新型大尺寸微棱镜型反光材料模具中棱镜阵列结构示意图 图2是本实用新型大尺寸微棱镜型反光材料模具中棱镜阵列结构的独立单元示
意图 图3是采用本实用新型大尺寸微棱镜型反光材料模具制造的反光材料的逆反射 系数测量结果图
具体实施方式下面以具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明，但本实用新型的保 护范围不限于此 实施例1 : —种大尺寸微棱镜型反光材料模具，包括模具基板和模具基板镀覆的金属薄膜， 所述的模具基板正面压制有紧密均匀排布的凹陷的棱镜阵列结构，所述的模具基板镀覆的 金属薄膜依次为铜金属薄膜、镍金属薄膜，所述的模具基板材料为聚碳酸酯。所述的棱镜阵 列结构的独立单元为正三棱锥体结构，正三棱锥体侧面与底面的角度为19. 47度，正三棱 锥体结构中的底面边长为120微米。
5[0031] —种大尺寸微棱镜型反光材料模具的制作工艺步骤如下 (A)棱镜阵列结构的独立单元底面正三角形边长设定为120微米，依据本领域技 术人员公知的技术方法，利用金刚石刀具磨床制作用于加工小尺寸金属模版的精密金刚石 刀具，金刚石刀具斜面的角度设定为70. 53度，金刚石刀具的用于切割的斜面深度要足够 深，这个深度要超过棱镜阵列结构独立单元正三角锥体中的顶点到底面底边的距离，刀具 尺寸由棱镜阵列结构中独立单元的尺寸决定，这不是本实用新型的技术要点且本领域普通 技术人员根据棱镜阵列结构中独立单元设定的尺寸都能制备出与之匹配的金刚石刀具，故 金刚石刀具的制备过程不在此描述。
(B)利用步骤(A)制成的金刚石刀具制作小尺寸金属阳模版，材料为硬度较小的
铝合金，每次刀刻深度1微米，推进行程结束后刀头抬起，回到起始位置，然后再重复此操 作，即每一刻槽均需多次刨削而成，一条刻槽刨削完成后，工作台沿垂直于刨削路线的方向
平移，金刚石刀具再刨削与前一刻槽平行的第二条刻槽；当此方向上所有刻槽刨削好后，工 作台旋转12(T ，再依次刨削出另一组平行的刻槽；最后再旋转12(T ，依次刨削出第三组 平行的刻槽，每一组平行刻槽之间相距104微米，形成如图1所示的微棱镜阵列，共包含约 900000个独立单元，独立单元底面正三角形边长为120微米。这里要说明的是平行刻槽之 间相距理论上是底面正三角形的高，是正三角形边长的0. 866倍但实际超作时允许有些本 领域技术人员可接授的误差。 (C)对步骤(B)制成的小尺寸金属阳模版进行常规化学清洗，清洗液为乙醇和丙 酮按体积比为l:l配制而成的溶液。 (D)在经步骤(C)处理后的小尺寸金属阳模版上镀一层厚度为150纳米的铜金属 薄膜，作为电铸阴极材料。镀膜方法采用电子束蒸发，真空度1X10—3Pa，经标定实验得到镀 膜速率为每秒1纳米，150秒后结束镀膜，得到150纳米的铜金属薄膜。 (E)在经步骤(D)处理后的小尺寸金属阳模版上，利用电铸的方法生长出厚度为4 毫米的镍金属薄膜，制成微结构与小尺寸金属阳模版相匹配的小尺寸镍金属阳模版。所述 电铸方法是本领域技术人员所熟知的，首先将经步骤(D)处理后的小尺寸金属阳模版浸入 盛有电铸液的电解槽中，电铸镍的电铸液组成为硫酸盐，按照每升含硫酸镍250克、氯化镍 40克和硼酸40克配比而成，电铸温度55度，电铸时间30小时。 (F)利用步骤(E)制成的小尺寸镍金属阳模版，在尺寸为长500毫米，宽100毫米
的聚碳酸酯基底上依次压制并使其紧密排列，形成聚碳酸酯材料的大尺寸模版。 (G)在经步骤(F)制成的聚碳酸酯材料的大尺寸模版上镀一层厚度为150纳米的
铜金属薄膜，作为电铸阴极材料。镀膜方法采用电子束蒸发，真空度1X10—3Pa，经标定实验
得到镀膜速率为每秒1纳米，150秒后结束镀膜，得到150纳米的铜金属薄膜。 (H)在经步骤(G)处理后的大尺寸聚碳酸酯基底材料模版上，利用电铸的方法生
长出厚度为2毫米的镍金属薄膜，制成大尺寸镍金属模版，完成一种大尺寸微棱镜型反光
材料模具的制作。所述电铸方法是本领域技术人员所熟知的，首先将在经步骤(G)处理后
的小尺寸金属模版浸入盛有电铸液的电解槽中，电铸镍的电铸液组成为硫酸盐电铸液，按
照每升含硫酸镍250克、氯化镍40克和硼酸40克配比而成，电铸温度55度，电铸时间16小时。 实施例2 :[0041] 大尺寸微棱镜型反光材料模具与制作操作同实施例l，所不同的是 步骤(D)中在经步骤(C)处理后的小尺寸金属模版上镀一层厚度为250纳米的铜 金属薄膜。镀膜方法采用电子束蒸发，真空度1 X 10—3Pa，经标定实验得到镀膜速率为每秒1 纳米，250秒后结束镀膜，得到250纳米的铜金属薄膜。 步骤(G)中在经步骤(F)制成的聚碳酸酯材料的大尺寸模版上镀一层厚度为250 纳米的铜金属薄膜，镀膜方法与步骤(D)相同。 其余步骤与实施例1相同。 实施例3 : 大尺寸微棱镜型反光材料模具与制作操作同实施例l，所不同的是 步骤(D)中在经步骤(C)处理后的小尺寸金属模版上镀一层厚度为100纳米的铜 金属薄膜。镀膜方法采用电子束蒸发，真空度1 X 10—3Pa，经标定实验得到镀膜速率为每秒1 纳米，100秒后结束镀膜，得到100纳米的铜金属薄膜。 步骤(G)中在经步骤(F)制成的聚碳酸酯材料的大尺寸模版上镀一层厚度为100 纳米的铜金属薄膜，镀膜方法与步骤(D)相同。 其余步骤与实施例1相同。 实施例4 : 大尺寸微棱镜型反光材料模具与制作操作同实施例l，所不同的是 步骤(E)中在经步骤(D)处理后的小尺寸金属阳模版上，利用电铸的方法生长出
厚度为5毫米的镍金属薄膜。所述电铸方法与实施例1相同，电铸参数为电铸液组成为
硫酸盐电铸液，按照每升含硫酸镍250克、氯化镍40克和硼酸40克配比而成，电铸温度55
度，电铸时间38小时。 其余步骤与实施例1相同。 实施例5 : 大尺寸微棱镜型反光材料模具与制作操作同实施例l，所不同的是 步骤(H)中在经步骤(G)处理后的大尺寸聚碳酸酯基底材料模版上，利用电铸的
方法生长出厚度为3毫米的镍金属薄膜。所述电铸方法与实施例l相同，电铸参数为电铸
液组成为硫酸盐，按照每升含硫酸镍250克、氯化镍40克和硼酸40克配比而成，电铸温度
55度，电铸时间23小时。 其余步骤与实施例1相同。 实施例6 : 大尺寸微棱镜型反光材料模具其它同实施例l，不同的是模具基板材料为聚甲基
丙烯酸甲酯，制作操作同实施例l，所不同的是 步骤(F)中采用的模具基板材料为聚甲基丙烯酸甲酯。 其余步骤与实施例1相同。
实施例7 : 大尺寸微棱镜型反光材料模具其它同实施例l，不同的是模具基板材料为聚酰亚
胺，制作其他操作同实施例l，所不同的是 步骤(F)中采用的模具基板材料为聚酰亚胺。 其余步骤与实施例1相同。[0066] 实施例8 : 大尺寸微棱镜型反光材料模具其它同实施例l，不同的是独立单元正三棱锥体结
构中的底面正三角形边长为90微米，制作操作同实施例l，所不同的是 步骤(A)中利用金刚石刀具磨床制作用于加工实施例8所需的小尺寸金属模版的
精密金刚石刀具。 在步骤(B)中制作的小尺寸金属阳模版，每一组平行刻槽之间相距78微米，形成 的微棱镜阵列共包含约1500000个独立单元，独立单元底面正三角形边长为90微米。 步骤(D)中在经步骤(C)处理后的小尺寸金属模版上镀一层厚度为200纳米的铜 金属薄膜。镀膜方法采用电子束蒸发，真空度1 X 10—3Pa，经标定实验得到镀膜速率为每秒1 纳米，200秒后结束镀膜，得到200纳米的铜金属薄膜。 步骤(E)中电铸镍的电铸液组成为硫酸盐，按照每升含硫酸镍280克、氯化镍45 克和硼酸42克配比而成，电铸温度55度，电铸时间30小时。 步骤(H)中电铸镍的电铸液组成为硫酸盐，按照每升含硫酸镍280克、氯化镍45 克和硼酸42克配比而成，电铸温度55度，电铸时间16小时。 其余步骤与实施例1相同。 实施例9 : 大尺寸微棱镜型反光材料模具其它同实施例l，不同的是独立单元正三棱锥体结
构中的底面正三角形边长为200微米，制作操作同实施例l，所不同的是 步骤(A)中利用金刚石刀具磨床制作用于加工实施例9所需的小尺寸金属模版的
精密金刚石刀具。 在步骤(B)中制作的小尺寸金属阳模版，每一组平行刻槽之间相距173微米，形成 的微棱镜阵列共包含约330000个独立单元，独立单元底面正三角形边长为200微米。 步骤(D)中在经步骤(C)处理后的小尺寸金属模版上镀一层厚度为120纳米的铜 金属薄膜。镀膜方法采用电子束蒸发，真空度1 X 10—3Pa，经标定实验得到镀膜速率为每秒1 纳米，120秒后结束镀膜，得到120纳米的铜金属薄膜。 步骤(E)中电铸镍的电铸液组成为硫酸盐，按照每升含硫酸镍240克、氯化镍38 克和硼酸36克配比而成，电铸温度55度，电铸时间30小时。 步骤(G)在经步骤(F)制成的聚碳酸酯材料的大尺寸模版上镀一层厚度为120纳 米的铜金属薄膜，作为电铸阴极材料。镀膜方法采用电子束蒸发，真空度1X10—3Pa，经标定 实验得到镀膜速率为每秒1纳米，120秒后结束镀膜，得到120纳米的铜金属薄膜。 步骤(H)在经步骤(G)处理后的大尺寸聚碳酸酯基底材料模版上，利用电铸的方 法生长出厚度为3毫米的镍金属薄膜，制成大尺寸镍金属模版，电铸镍的电铸液组成为硫 酸盐，按照每升含硫酸镍240克、氯化镍38克和硼酸36克配比而成，电铸温度55度，电铸 时间24小时。 其余步骤与实施例1相同。 实施例10 : 大尺寸微棱镜型反光材料模具其它同实施例l，不同的是独立单元正三棱锥体结
构中的底面正三角形边长为350微米，制作操作同实施例l，所不同的是 步骤(A)中利用金刚石刀具磨床制作用于加工实施例10所需的小尺寸金属模版的精密金刚石刀具。 在步骤(B)中制作的小尺寸金属阳模版，每一组平行刻槽之间相距303微米，形成 的微棱镜阵列共包含约120000个独立单元，独立单元底面正三角形边长为350微米。 其余步骤与实施例1相同。 利用上述10个实施例制成的大尺寸微棱镜型反光材料模 具，试制了通用PVC材料的微棱镜型反光材料，对其逆反射系数进 行了领U试。逆反射率由公式R(y， z) = Rjy， z)+R2(y， z)求得，其中
i 2(>^)= Z2>2(7-^一-Oexp〖丁[2^m + 2械"+ (1-(-l)")^/w/4]，公式中dy， dz分
别为阵列在Y、Z轴方向上的周期，m、n为入射光线的方向余弦，M，N分别对应于Y、Z方向上 的单元数，r(y， z)表示单元反射率函数。 其中实施例1测试结果最好，如图3所示，逆反射系数接近800cd/lux/m2，接近同
类产品世界最高水平。
权利要求一种大尺寸微棱镜型反光材料模具，包括模具基板和模具基板镀覆的金属薄膜，所述的模具基板正面压制有紧密均匀排布的凹陷的棱镜阵列结构，其特征在于所述的模具基板镀覆的金属薄膜依次为铜金属薄膜、镍金属薄膜，所述的模具基板材料为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚胺。
2. 如权利要求1所述的大尺寸微棱镜型反光材料模具，其特征在于所述的棱镜阵列结 构的独立单元为正三棱锥体结构。
3. 如权利要求1或2所述的大尺寸微棱镜型反光材料模具，其特征在于所述的棱镜阵 列结构的正三棱锥体侧面与底面的夹角为17. 47度 21. 47度，正三棱锥体结构中的底面 边长为90 350微米。
4. 如权利要求3所述的大尺寸微棱镜型反光材料模具，其特征在于所述的正三棱锥体 结构中的底面边长为100 200微米。
5. 如权利要求1或2所述的大尺寸微棱镜型反光材料模具，其特征在于所述的棱镜阵 列结构的正三棱锥体侧面与底面的夹角为19. 47度。
专利摘要一种大尺寸微棱镜型反光材料模具，包括模具基板和模具基板镀覆的金属薄膜，所述的模具基板正面压制有紧密均匀排布的凹陷的棱镜阵列结构，所述的模具基板镀覆的金属薄膜依次为铜金属薄膜、镍金属薄膜，所述的模具基板材料为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚胺。本实用新型提供的大尺寸微棱镜型反光材料模具，可使用价格低廉的通用PVC材料，一次加工成型大尺寸微棱镜型反光材料和制品，降低了反光材料和制品的生产流程复杂度和生产成本。
文档编号B23D13/00GK201464665SQ20092012075
公开日2010年5月12日 申请日期2009年6月1日 优先权日2009年6月1日
发明者乐孜纯, 全必胜, 刘恺, 张明, 维切斯拉夫·彼得罗夫, 香诺伊罗·赛门 申请人:浙江工业大学