CN1239589C - 光导体及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有至少一个光入射面和至少一个光出射面的光导体，其中光出射面积与光入射面积的比率至少为4，其包含至少一个具有厚度为至少2mm的光导层，其特征在于光导层包含基于光导层的重量计为至少60重量%的聚甲基丙烯酸甲酯和基于光导层的重量计为0.001-0.08重量%的具有平均直径为0.3-20μm的球形硫酸钡颗粒。

Description

光导体及其生产方法
本发明涉及具有至少一个光入射面和至少一个光出射面以及2mm厚光导层的光导体，其中光出射面积与光入射面积的比率至少是4。
这类光导体本身是已知的。例如，透明板可配有缺口，光在此处被与传播方向垂直输出耦合。这类光导体是EP 800 036的主题。但缺口的获得是昂贵的，这样要寻求替代物。
另外，从EP 656 548中得知使用聚合物颗粒作为散射体的光导体。这些光导体的问题是其耐风化性。尤其是，强UV辐射使塑料颗粒分解，这样UV辐射导致产生黄色色调。该黄色色调对于用作光导体又十分关键，因为产生不均匀的颜色效应。
另外，由EP 1022129中得知具有由聚甲基丙烯酸甲酯制备的无颗粒光导层的光导体，该层上涂有漫射配置层。该漫射配置层具有厚度为10-1500μm，包含硫酸钡颗粒。根据该原理，光通过PMMA层导过，其中通过漫射层进行输出耦合。但光输出耦合几乎不可控制，因为仅散射了已穿过漫射配置层的界层的与传播方向垂直的光。因此，这不涉及光导层内的干扰，而是漫射的后反射。另外，光强度下降非常多，如此例所证明的。
由此，在远离光源处出现低的亮度，这在许多应用中是不够的。根据EP 1022129的光导体在离光源为较大距离处的低亮度另外导致对在光出射面上擦痕形成的高敏感度。这些擦痕可能通过风化和通过机械作用两者而形成。这些擦痕在此的问题在于使光散射。EP 800 036的教导基于该原理。这些缺陷在高度光输出耦合时不特别引人注意。但在低亮度下，它们被视为一种干扰。
考虑到本文引用和讨论的现有技术，本发明的一个目的因此是提供具有特别的耐风化性的光导体。在此，光导体应该使得光输出耦合可适应各种要求，而无需在板上具有缺口。
另外，亮度应该在光出射面的整个面上尽可能恒定。
本发明的另一目的是，该光导体具有高耐久性，尤其是对UV辐射的高耐性。
另外，本发明的一个目的是提供可按照特别简单的方式制备的光导体。例如该光导体应该尤其可通过挤塑、注塑和通过铸塑工艺而生产。
另外，本发明的一个目的因此是获得可便宜地制备的光导体。
另外，本发明的一个目的是提供具有突出机械性能的光导体。该性能对于其中光导体需要具有高冲击稳定性的应用领域特别重要。
本发明的另一目的是提供可容易地适应在尺寸和形状方面的要求的光导体。
这些目的，以及尽管没有实际明确地指出，但可自然地从本文所述的上下文推导出或从中必然得到的其它目的，通过权利要求1所述的光导体而实现。按照本发明的光导体的有目的的改变在归属于权利要求1的从属权利要求中得到保护。
关于生产方法，权利要求11和12提供了实现此目的方案。
由以下方式可以提供对风化影响具有尤其高的耐性的光导体：光导体的光导层包含基于光导层的重量计为至少60重量％的聚甲基丙烯酸甲酯，和基于光导层的重量计为0.001-0.08重量％的具有平均直径为0.3-20μm的球形硫酸钡颗粒，其中包含至少一个具有厚度为至少20mm的光导层的该光导体具有至少一个光入射表面和至少一个光出射面，其中所述光出射面积与光入射面积的比率是至少4。
根据本发明的方法尤其达到以下优点：
-本发明的光导体可按照一种特别简单的方式制备。例如，光导体可通过挤塑、注塑和通过铸塑工艺而制备。
-按照本发明的光导体具有对UV辐射的高耐性。
-另外，按照本发明的光导体具有尤其均匀的亮度分布。在此，可生产出不同尺寸的光导体，而亮度分布在相当程度上并不是关键的。
-另外，本发明光导体具有尤其恒定颜色的光，这样不会因为增加离光源的距离而带来黄色效应。
-光导体的亮度可适应要求。
-本发明光导体具有良好的机械性能。
按照本发明的光导体的光导层具有0.001-0.08，优选0.001-0.06和尤其优选0.001-0.04重量％的球形硫酸钡颗粒，基于光导层的重量计。
术语″球形″在本发明范围内表示，该颗粒优选具有球形形状，但对本领域熟练技术人员显而易见的是，基于生产方法也可含有其它形状的颗粒，或颗粒的形状可偏离理想球形。
因此，术语″球形″是指，颗粒的最大尺寸与最小尺寸的比率是最多为4，优选最多为2，其中这些尺寸分别穿过颗粒的重心而测定。基于颗粒数计，优选至少70％，尤其优选至少90％是球形的。
硫酸钡颗粒具有平均直径(重均)为0.3-20μm，优选0.7-6μm，尤其是1.4-3.5μm。更有利地，75％的颗粒是0.3-6μm。颗粒尺寸利用X-射线沉降图而测定。在此，硫酸钡在重力场中的沉降行为利用X-射线跟踪。颗粒尺寸根据X-射线透明度(利用X-射线的吸收原理以直接确定当液体中的颗粒根据斯托克斯定律沉降时质量浓度的变化)而推导。
具有前述性能的硫酸钡颗粒本身是已知的，且它们尤其可购自Sachtleben Chemie GmbH，D-47184 Duisburg。各种生产方法也是已知的。
根据本发明的一个特别的方面，这些颗粒均匀分布地存在于塑料基体中，而没有发生硫酸钡颗粒的明显附聚或堆聚。″均匀分布″是指，硫酸钡在塑料基体内的浓度是基本上恒定的。视生产塑料型体的方式而定，为确保颗粒在塑料基体中的这种分布，本领域熟练技术人员已知有多种方法。如果光导层按照铸塑工艺制备，那么例如可加入防止硫酸钡沉降和因此确保良好分布的试剂。如果光导层由可热塑成型的聚甲基丙烯酸甲酯制备，那么可将已知的分散剂加入模塑料中。
根据本发明，光导层包含至少60重量％聚甲基丙烯酸甲酯，基于光导层的重量计。
这些聚合物一般通过包含甲基丙烯酸甲酯的混合物的自由基聚合反应而制备。一般来说，这些混合物包含基于单体重量计的至少40重量％，优选至少60重量％和尤其优选至少80重量％的甲基丙烯酸甲酯。
另外，这些混合物可包含可与甲基丙烯酸甲酯共聚的其它(甲基)丙烯酸酯。措辞″(甲基)丙烯酸酯″包括甲基丙烯酸酯和丙烯酸酯和两者的混合物。
这些单体是广泛已知的。它们尤其包括
衍生自饱和醇的(甲基)丙烯酸酯，例如丙烯酸甲酯，(甲基)丙烯酸乙酯，(甲基)丙烯酸丙酯，(甲基)丙烯酸正丁基酯，(甲基)丙烯酸叔丁基酯，(甲基)丙烯酸戊基酯和(甲基)丙烯酸-2-乙基己酯；
衍生自不饱和醇的(甲基)丙烯酸酯，例如(甲基)丙烯酸油基酯，(甲基)丙烯酸-2-丙炔基酯，(甲基)丙烯酸烯丙基酯，(甲基)丙烯酸乙烯基酯；
(甲基)丙烯酸芳基酯，如(甲基)丙烯酸苄基酯或(甲基)丙烯酸苯酯，其中芳基基团在每种情况下可以是未取代的或被取代最多至4次；
(甲基)丙烯酸环烷基酯，如(甲基)丙烯酸-3-乙烯基-环己基酯，(甲基)丙烯酸冰片基酯；
(甲基)丙烯酸羟基烷基酯，如(甲基)丙烯酸-3-羟丙基酯，(甲基)丙烯酸-3，4-二羟基丁酯，(甲基)丙烯酸-2-羟基乙基酯，(甲基)丙烯酸-2-羟基丙基酯；
二醇二(甲基)丙烯酸酯，如1，4-丁二醇(甲基)丙烯酸酯，醚醇的(甲基)丙烯酸酯，如(甲基)丙烯酸四氢糠基酯，(甲基)丙烯酸乙烯基氧基乙氧基乙基酯；
(甲基)丙烯酸的酰胺和腈，如N-(3-二甲基氨基丙基)(甲基)丙烯酰胺，N-(二乙基膦酰基)(甲基)丙烯酰胺，1-甲基丙烯酰基酰氨基-2-甲基-2-丙醇；
含硫的甲基丙烯酸酯，如(甲基)丙烯酸乙基亚硫酰基乙酯，(甲基)丙烯酸-4-硫代氰酸根合丁酯，(甲基)丙烯酸乙基磺酰基乙酯，(甲基)丙烯酸硫代氰酸根合甲酯，(甲基)丙烯酸甲基亚硫酰基甲酯，双((甲基)丙烯酰基氧基乙基)硫化物；
多价(甲基)丙烯酸酯，如三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯。
除了以上说明的(甲基)丙烯酸酯，所要聚合的组合物也可以具有可与甲基丙烯酸甲酯和前述(甲基)丙烯酸酯共聚的其它不饱和单体。
这些尤其包括，1-烯烃，如1-己烯，1-庚烯；支链烯烃，例如乙烯基环己烷，3，3-二甲基-1-丙烯，3-甲基-1-二异丁烯，4-甲基戊-1-烯；
丙烯腈；乙烯基酯，如乙酸乙烯酯；苯乙烯；在侧链中具有烷基取代基的取代苯乙烯，例如α-甲基苯乙烯和α-乙基苯乙烯，在环上具有烷基取代基的取代苯乙烯，如乙烯基甲苯和对甲基苯乙烯，卤化苯乙烯，例如一氯苯乙烯，二氯苯乙烯，三溴苯乙烯和四溴苯乙烯；
杂环乙烯基化合物，如2-乙烯基吡啶，3-乙烯基吡啶，2-甲基-5-乙烯基吡啶，3-乙基-4-乙烯基吡啶，2，3-二甲基-5-乙烯基吡啶，乙烯基嘧啶，乙烯基哌啶，9-乙烯基咔唑，3-乙烯基咔唑，4-乙烯基咔唑，1-乙烯基咪唑，2-甲基-1-乙烯基咪唑，N-乙烯基吡咯烷酮，2-乙烯基吡咯烷酮，N-乙烯基吡咯烷，3-乙烯基吡咯烷，N-乙烯基己内酰胺，N-乙烯基丁内酰胺，乙烯基氧戊环，乙烯基呋喃，乙烯基噻吩，乙烯基硫戊环，乙烯基噻唑和氢化乙烯基噻唑，乙烯基噁唑和氢化乙烯基噁唑；
乙烯基和异戊烯基醚；马来酸衍生物，例如马来酸酐，甲基马来酸酐，马来酰亚胺，甲基马来酰亚胺；和二烯，例如二乙烯基苯。
一般来说，这些共聚单体的用量是0-60重量％，优选0-40重量％和尤其优选0-20重量％，基于单体的重量计，其中这些化合物可单独或作为混合物使用。
聚合反应一般使用已知的自由基引发剂引发。优选的引发剂特别包括专业人员中广泛已知的偶氮引发剂，如AIBN，和1，1-偶氮二环己腈，以及过氧化合物，如甲基乙基酮过氧化物，乙酰丙酮过氧化物，二月桂基过氧化物，过-2-乙基己酸叔丁基酯，酮过氧化物，甲基异丁基酮过氧化物，环己酮过氧化物，过氧化二苯甲酰，过苯甲酸叔丁基酯，过异丙基碳酸叔丁基酯，2，5-双(2-乙基己酰基过氧)-2，5-二甲基己烷，过氧-2-乙基己酸叔丁基酯，过氧-3，5，5-三甲基-己酸叔丁基酯，过氧化二枯基，1，1-双(叔丁基过氧)环己烷，1，1-双(叔丁基过氧)-3，3，5-三甲基环己烷，氢过氧化枯基，氢过氧化叔丁基，过二碳酸双(4-叔丁基环己基)酯，两种或多种前述化合物相互间的混合物，以及前述化合物与同样可形成自由基的未提及化合物的混合物。
这些化合物的用量通常是0.01-10重量％，优选0.5-3重量％，基于单体的重量计。在这种情况下，可以使用具有例如不同的分子量或单体组成的各种聚(甲基)丙烯酸酯。
另外，模塑料可包含其它聚合物以改进性能。对此尤其包括聚丙烯腈，聚苯乙烯，聚醚，聚酯，聚碳酸酯和聚氯乙烯。这些聚合物可单独或作为混合物使用，其中可衍生自前述聚合物的共聚物也可加入模塑料中。
这些尤其优选的模塑料可以商标名PLEXIGLAS购自Rhm GmbH公司。
按照本发明用作基体聚合物的均聚物和/或共聚物的重均分子量Mw可在宽范围内变化，其中分子量通常与应用目的和模塑料的加工方法相适应。但一般来说，该值是20,000-1,000,000g/mol，优选50,000-500,000g/mol和尤其优选80,000-300,000g/mol，但不因此进行任何限制。
在加入硫酸钡颗粒之后，可由这些模塑料通过常规热塑性成型方法而制备光导层。对此尤其包括挤塑和注塑。
本发明的光导层可另外通过铸塑工艺而制备。在这种情况下，将合适的丙烯酸树脂混合物放在模具中并聚合。
合适的丙烯酸树脂包含，例如，
A)0.001-0.08重量％的具有平均直径0.7-6μm的球形硫酸钡颗粒，
B)40-99.999重量％甲基丙烯酸甲酯，
C)0-59.999重量％共聚单体，
D)0-59.999重量％可溶于(B)或(C)中的聚合物，
其中所述组分A)-D)加和为100重量％。
丙烯酸树脂另外具有聚合反应所需的引发剂。组分A-D和引发剂对应于也用于生产合适的聚甲基丙烯酸甲酯模塑料的化合物。
为了固化，可以使用例如所谓的铸塑腔法(参见例如，DE 25 44 245，EP-B 570 782或EP-A 656 548)，其中塑料盘的聚合反应在用环绕带密封的两个玻璃板之间进行。
根据本发明的一个特别的实施方案，光导层具有基于光导层重量计为至少70重量％，优选至少80重量％和尤其优选至少90重量％的聚甲基丙烯酸甲酯。
根据本发明的一个特别的方面，光导层的聚(甲基)丙烯酸酯具有在Na-D线(589nm)和在20℃下测定的折光指数为1.48-1.54。
模塑料和丙烯酸树脂可以包含所有种类的常规添加剂。对此尤其包括，抗静电剂，抗氧化剂，脱模剂，阻燃剂，润滑剂，染料，流动增强剂，填料，光稳定剂，和有机磷化合物，如亚磷酸酯或膦酸酯，颜料，抗风化剂和增塑剂。但添加剂的量受到使用目的的限制。例如，聚甲基丙烯酸甲酯层的光导性能必须不会由于添加剂而受到极大损害。
光导层一般具有透射率为75-92％，优选80-92％，更优选83-92％，但不由此进行任何限制。透射率可以根据DIN 5036而测定。
光导体的光导层根据本发明具有至少厚度为2mm。优选，光导层的厚度是2-100mm，特别优选3-100mm，尤其优选3-20mm。
本发明光导体具有至少一个光入射面和至少一个光出射面。
术语光出射面在本文中是指适用于发射光的光导体的面。而光入射面又能够接收光到光导体中，使得光导层可将入射光分布到整个光出射面上。光导层具有厚度为至少2mm。硫酸钡颗粒导致光的输出耦合，这样光在整个光出射面上射出。
在此，光出射面积与光入射面积的比率是至少为4，优选至少为20和尤其优选至少为80。
由此得出，本发明的光导体在很大程度上不同于用于已知的照明体的覆盖物。这些覆盖物的特征在于，光入射面与光出射面平行形成，使得两个面具有大致相同的尺寸。
输出耦合的光的量取决于塑料基体中的硫酸钡颗粒的量。该量越大，光从该光导体中被输出耦合的可能性越大。由此得出，硫酸钡的量取决于光出射面的大小。垂直于光入射面的光导体的尺寸越大，光导层中的硫酸钡颗粒的所选量越小。
根据本发明一个优选的方面，光导体可呈现厚板形状，其中光导体的三个尺寸具有不同的大小。
这种厚板例如在图1和2中示意给出。在此，参考号数1表示可分别用作光入射面的厚板的边缘。参考号数2描述厚板的光出射面。
最小尺寸在这种情况下是厚板的厚度。最大尺寸定义为长度，这样第三尺寸表示宽度。由此得出，该实施方案的光出射面由对应于长度*宽度乘积的表面定义。厚板的边缘，分别定义为由长度*厚度或宽度*厚度的乘积形成的表面，一般可用作光入射面。用作光入射面的边缘优选被抛光。
优选这种光导体具有长度为25mm-3000mm，优选50-2000mm和尤其优选200-2000mm。
该特别的实施方案的宽度一般是25-3000mm，优选50-2000mm和尤其优选200-2000mm。
这种光导体的厚度超过2mm，优选3-100mm和尤其优选3-20mm。但除了这些立方体规格，也可想见朝向一侧变细的具有楔形的规格。对于该楔形，光仅在一个光入射面上方输入。
视光源的布置而定，可在此在所有四个边缘上方发射光。这尤其是在非常大的光导体的情况下是必要的。对于较小光导体，一个或两个光源一般足够。
根据本发明一个优选的实施方案，光出射面垂直于光入射面。
为了更好地利用所用的光能量，没有配有光源的边缘可配置为反射性。可将至少一个平行于光入射面的面配置为反射性。该配置可例如通过使用反射性粘合带而进行。可另外将反射漆涂覆到这些边缘上。
根据本发明一个特别的实施方案，光导体由光导层组成，其中光导层的边缘可非必要地配置为反射性。
光导体和光导层具有突出的机械和热性能。这些性能包括，尤其是，根据ISO 306(B50)的Vicat软化温度为至少95℃和根据ISO 527-2的杨氏模量为至少2000MPa。
本发明光导体可尤其用于LCD显示器、信息标牌和广告牌的照明。
由此，本发明另外提供一种用于间接照明的设备，其具有至少一个根据本发明的光导体和可照亮光导体的光入射面的光源。
所有已知的光源都可用于将光入射面照明。合适的有：点状白炽灯，例如低电压卤素白炽灯，光导体的一端或多端，一个或多个发光二极管，以及管状卤素灯和荧光管。这些光源可以例如排列在一个边缘处的框架中，或光导体的边缘面或端面上，在所要间接照亮的表面的旁边。
为了将光导体更好地照明，光源可以是配有反射器。
下面，本发明通过实施例和比较实施例更详细阐述，但不由此将本发明限定至这些实施例。
实施例1
A)白色糊的制备：
5重量份具有n spez/C为50-55ccm/g的聚甲基丙烯酸甲酯溶解在94重量份的甲基丙烯酸甲酯中。将1.0重量份购自Sachtleben Chemie GmbH，D-47184 Duisburg公司的Blanc Fixe N(洗过)加入该溶液。该混合物在约700rpm下，在最高至55℃的温度下，在转子-定子分散器(UltraTurrax T 50，购自Janke und Kunkel，Freiburg公司)中分散，并随后冷却至室温。
B)聚合反应批料的制备：
将1.8重量％白色糊加入具有约25％比例的PMMA(n Spez/C为75)的98.2重量％MMA/PMMA浆料中。将0.075％2，2-偶氮二(异丁腈)和0.015％2，2-偶氮二(2，4-二甲基戊睛)加入该批料中。整个批料在桨式搅拌器中搅拌约30min。搅拌入的气泡随后通过施加减压而从批料中去除。
C)PMMA板的制备，其中加入Blanc Fixe N(洗过)：
使用PVC带(直径9.6mm)，由2个硅酸盐玻璃盘(厚度6mm)构成一个腔。其中用夹子将两个硅酸盐玻璃盘和PVC带固定在一起。将硅酸盐玻璃腔的中间空间填充以B)中所述的聚合反应批料，然后封闭该腔。将填充腔放在温度为40-50℃的水浴中并在约10小时内固化，其中在固化结束阶段去除PVC带。随后，最终的聚合反应在烘箱中，在温度为115℃下，在3小时内进行。然后在室温下脱模，并取出具有厚度为8mm的板状模塑品。
从板切出具有长度为595mm，宽度为84mm和厚度为8mm的板条。板条在四个边缘上抛光成高光泽。两个抛光的595mm长边缘配有购自制造商3M的反射性粘合带(9)(型号：Scotch Brand 850)，这样照射到这些边缘的光线被反射到板中。
板条(5)在图3和4中所示的特殊测量装置中测量。该测量装置由具有长度为708mm和宽度为535mm的长方形铝框架(3)组成。相互平行排列的两个PHILIPS TLD 15W/4型荧光管(4)分别安装到具有宽度为535mm的铝框架的边缘。这两个荧光管的距离是599mm，且它设计使得板条可位于中心地放置在荧光管之间，且荧光管所发射出的光照射到板条的84mm宽边缘上。具有白色反射表面(10)的板(7)安装到板条(5)的下方。白色表面用于将板条(5)的在观察者对侧的表面出射的光反射给观察者。在朝向观察者的板条(5)的上方，板条配有厚度为0.5mm的漫射体膜(8)，它将在观察者方向上从板条中射出的光均化。7个测量点(6)被标注在漫射体膜上，在这些点上使用MINOLTA LUMINANCE METER 1°型亮度计测定亮度。测量点离板条的84mm长边缘之一的距离如下：74mm；149mm；223mm；298mm；372mm；446mm；521mm。测得以下亮度。
表1
  离板边缘的距离[mm]   亮度(具有0.018％硫酸钡的板条)[cd/m2]
  74   111
  149   96
  223   86
  298   83
  372   88
  446   99
  521   111
对于以上所述的实施方案，参考图3和图4中的图示。

Claims (13)

1.一种光导体，其具有至少一个光入射面和至少一个光出射面，其中所述光出射面积与光入射面积的比率至少为4，其包含至少一个具有厚度为至少2mm的光导层，其特征在于光导层包含基于光导层的重量计为至少60重量％的聚甲基丙烯酸甲酯和基于光导层的重量计为0.001-0.08重量％的具有平均直径为0.3-20μm的球形硫酸钡颗粒。
2.根据权利要求1的光导体，其特征在于光出射面积与光入射面积的比率是至少20。
3.根据权利要求1或2的光导体，其特征在于光导层的厚度是3-100mm。
4.根据权利要求1或2的光导体，其特征在于光导体包含基于光导体的重量计为至少90重量％的聚甲基丙烯酸甲酯。
5.根据权利要求1或2的光导体，其特征在于硫酸钡颗粒具有平均直径为1.4-3.5μm。
6.根据权利要求1或2的光导体，其特征在于光导层包含基于光导层的重量计为0.001-0.04重量％的球形硫酸钡颗粒。
7.根据权利要求1或2的光导体，其特征在于光导层的聚甲基丙烯酸甲酯具有在Na-D线(589nm)和在20℃下测定的折光指数为1.48-1.54。
8.根据权利要求1或2的光导体，其特征在于光导层具有根据DIN 5036测定的透射率为75-92％。
9.根据权利要求1或2的光导体，其特征在于光出射面垂直于光入射面。
10.根据权利要求1或2的光导体，其特征在于将至少一个平行于光入射面的面配置为反射性。
11.一种用于生产根据权利要求1-10中任一项的光导体的方法，其特征在于将具有基于模塑料重量计为至少60重量％的聚甲基丙烯酸甲酯和基于模塑料重量计为0.001-0.08重量％的具有平均直径为0.7-6μm的球形硫酸钡颗粒的模塑料热塑成型。
12.一种用于生产根据权利要求1-10中任一项的光导体的方法，其特征在于将具有以下物质的丙烯酸树脂自由基聚合：
A)0.001-0.08重量％的具有平均直径为0.7-6μm的球形硫酸钡颗粒，
B)40-99.999重量％甲基丙烯酸甲酯，
C)0-59.999重量％共聚单体，
D)0-59.999重量％可溶于(B)或(C)中的聚合物，
其中所述组分A)-D)加和为100重量％。
13.一种用于间接照明的设备，其具有至少一个根据权利要求1-10中任一项的光导体和可照亮光导体的光入射面的光源。
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