CN100455882C - 光反射聚合物组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光反射聚合物组合物,其包括至少一种不含卤化阻燃剂添加剂的聚合物,包括有Sb2O3和TiO2组合的颜料包分散在该聚合物中。Sb2O3和TiO2优选平均颗粒尺寸约0.05μm~约1.0μm,更优选约0.2μm。当以组合使用时,Sb2O3和TiO2颜料协同地一起相互作用,以提供这样的聚合物组合物,该组合物展现出与可以通过单独使用该两种颜料的其中一种获得的相比显著更高的反射率。
Description
发明领域
本申请涉及光反射聚合物组合物。
相关技术的描述
大多数光源在所有方向上发出可见范围的电磁波谱内(即波长约400nm~700nm)的光,这使得使用一个或多个反射器成为必要,以将光集中并且将其引导在所需的位置。研究表明:直线传播的光在其被正确地引导在所需位置之前通常从照明器材中的一个或多个反射器的表面反射或者“回弹”平均5次。例如,如果反射器材料反射90%的光,那么90%的发射光在第一次反射或者“回弹”时反射,并且10%的光被反射器材料吸收。在第二次“回弹”时,从第一次回弹反射出的90%的光第二次反射,于是10%的反射光被反射器材料吸收。在5次“回弹”之后,仅仅约59%的最初从光源中发出的光可以到达目标区域(90.000%×90.000%×90.000%×90.000%×90.000%=59.049%)。
由于聚合物组合物的反射率百分比相对小的提高可以对引导在所需位置的光的数量和产生所需的照明所需要的能量数具有显著的作用,因此许多年来,已经作了许多努力以开发出高度反射的聚合物材料。使用如上相同的例子,如果反射器材料的反射率百分比可以增加8.000%(即到达98.000%),于是约90.392%的最初从光源中发出的光可以到达目标区域(98.000%×98.000%×98.000%×98.000%×98.000%=90.392%)。因此,用于制造照明器材中反射器的材料的反射率仅仅提高8%就可以导致照明效率增加30%。
发明简述
本发明提供一种光反射聚合物组合物,其包括至少一种不含卤化阻燃剂添加剂的聚合物,包括有Sb2O3和TiO2组合的颜料包分散在该聚合物中。Sb2O3和TiO2优选平均颗粒尺寸约0.05μm-约1.0μm,更优选约0.2μm。当以组合使用时,将Sb2O3和TiO2颜料组合以协同地提供这样的聚合物组合物,该组合物在可见范围的电磁波谱内展现出与可以通过单独使用该两种颜料的其中一种获得的相比显著更高的反射率。有机荧光增白剂可以任选地包括在该聚合物组合物中,以进一步提高并且调节聚合物材料的反射率,特别地为400-450nm范围。聚烯烃,特别是聚丙烯是目前最优选的用于本发明的聚合物。
根据本发明的光反射聚合物组合物与现有技术相比提供了显著的益处。该组合物对UV稳定、耐高温并且可以使用常规设备而被加工成各种产品例如薄膜和注塑部件。根据本发明的光反射聚合物组合物提供了与常规的反射体系例如反射的预涂白钢(~86%)、反射的预涂铝(~90%)、镜面反射的铝和金属薄膜(~95%)、反射的(并且昂贵的)氟聚合物薄膜(~97%)相比更优良的反射率(~98%)性能和/或较低的成本。光反射聚合物组合物适用于各种应用,包括,例如使用显露技术如LED′s的照明器材和自动仪表面板组。
本发明的上述和其他特征在下文中被更完全地描述并且特别在权利要求中指明,下面的说明书详细地阐述了本发明的说明性实施方案,然而,这些实施方案仅仅用于说明,可以根据本发明原则进行各种不同方式的变化。
附图简述
图1是表示根据本发明的各种聚合物组合物的反射率百分比作为波长函数的曲线图。
图2是表示在实施例1和2中形成的聚合物组合物的反射率百分比作为波长函数的曲线图。
图3是表示在实施例1中形成的聚合物组合物对可商购获得的高度反射聚合物材料的反射率作为波长函数的曲线图。
图4是表示由根据本发明的光反射聚合物组合物制得的反射器与根据UL 1638(以及UL 1971和CAN/ULC S526-M87)测量的UL极限相比的水平光输出量分布的示意图。
发明详述
根据本发明的光反射聚合物组合物包括至少一种不含卤化阻燃剂添加剂的聚合物,包括有Sb2O3和TiO2组合的颜料包分散在该聚合物中。通过当前的说明书和附属的权利要求,术语“不含卤化阻燃剂添加剂的聚合物”是指不含卤化阻燃剂添加剂例如溴化聚苯乙烯、二溴新戊二醇、六溴环十二烷和四溴双酚-A的聚合物。用于本发明的合适的聚合物包括,例如聚烯烃、苯乙烯聚合物、聚酰胺、聚酯、聚丙烯酸、聚碳酸酯、工程树脂如液晶聚合物,和前述的共聚物和聚合物混合物以及合金。聚丙烯是特别优选的用于本发明的聚合物。
根据本发明,通过在挤出机中熔融混合将颜料包分散于至少一种聚合物或聚合物混合物中而形成光反射聚合物组合物。申请人已经惊奇地发现:将包括有Sb2O3和TiO2组合的颜料包分散在至少一种聚合物中导致了所得的聚合物组合物在约450nm~约700nm的电磁波谱部分的反射率与可以通过单独使用该两种颜料组分的其中一种获得的相比显著的提高。
当在物体的第一表面上反射的少部分光(通常为1-10%)没有变化时出现了镜面反射(光泽)。在粗糙的或无光泽的表面上,光在观察者所看得见的许多方向上散射。当光能遇到颗粒并且改向或者折射时出现了散射。材料的折射率显示了与空气相比多少光被减速(改向或者折射),空气被指定为1的指数。散射是造成着色剂的不透明性或者遮盖力的原因。不受特定理论的约束,申请人假定:所观察到的、由根据本发明的光反射聚合物组合物提供的反射协同作用是由聚合物(例如聚丙烯)基质中的颜料体系(Sb2O3和TiO2)的颗粒尺寸、分布、不透明性、遮盖强度和近似折射率的组合所引起的。
颜料等级TiO2是广泛适用的并且通常被用作各种聚合物体系中的遮光剂和/或增白剂。Sb2O3比TiO2更昂贵,“白色”Sb2O3并不是特别有效的遮光剂或增白剂。少量相对粗糙的8b2O3颗粒(例如,平均颗粒尺寸约0.8μm~约1.0μm)有时作为卤化阻燃剂添加剂的协同剂而用于聚合物体系。但是,Sb2O3极少被用作聚合物体系中的颜料。
根据本发明的光反射聚合物组合物中的颜料包优选包括约10wt%~约60wt%的Sb2O3和约40wt%~约90wt%的TiO2。可以使用该范围内的任意组合,例如TiO2和Sb2O3颜料的50%/50%混合物。
已经确定了颜料包中TiO2和Sb2O3颜料的颗粒尺寸对聚合物组合物的反射率具有显著的作用。优选地,TiO2和Sb2O3颜料的平均颗粒尺寸约0.05μm~约1.0μm,更优选约0.1μm~约0.3μm,最优选约0.2μm。因此,用于根据本发明的颜料包的Sb2O3颜料明显小于通常用作卤化阻燃剂添加剂的协同剂的Sb2O3颗粒。聚合物与分散在其中的颜料包的比例优选为以重量计约100∶1~约3∶1,更优选以重量计约20∶1~约5∶1,最优选以重量计约12∶1~约8∶1。
在特别优选的本发明的实施方案中,光反射聚合物组合物包括约75~约95重量份不含卤化阻燃剂添加剂的聚烯烃,在其中分散约5~约25重量份的包括有Sb2O3和TiO2组合的颜料包。聚烯烃优选是聚丙烯均聚物。如刚才所述的那样,聚合物组合物将通常反射98.0%或更多的光通过450nm~700nm的电磁波谱部分。
将理解的是:常规添加剂和/或聚合物改性剂例如抗氧剂、润滑剂、冲击改性剂和填料可以被加到聚合物或多个聚合物中,只要不明显影响所得聚合物组合物的反射率。用于典型的根据本发明的光反射聚合物组合物的填料例子包括滑石、碳酸钙、云母、钙硅石、白云石、玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、颜料或其混合物。优选的填料包括可商购的滑石例如R.T.Vanderbit′s Select-O-Sorb和玻璃纤维。包括在本发明的光反射聚合物组合物中的填料和纤维的数量以填料计为组合重量的聚合物的约1%~约70%。通常,使用5%~30%的数量。
可以采用偶联剂处理填料和纤维,以增强在填料与纤维之间对树脂的接合性。例如,可以采用材料例如脂肪酸(例如硬脂酸)、硅烷、马来酸化的聚丙烯等处理填料。使用的偶联剂的数量是有效地增强在填料和纤维之间与树脂的接合性的数量。可以在本发明的聚合物混合物中包括其他添加剂,以改进或者以获得所希望的性能。例如,稳定剂以及氧化分解、热分解和紫外线分解的抑制剂可以包括在聚合物混合物中,同样,润滑剂和模具脱模剂、包括染料和颜料的着色剂、成核剂、增塑剂等可以包括在聚合物混合物中。
可以在聚合物混合物制备中的任意阶段引入稳定剂,并且优选地,在能够保护组合物之前早先包括有稳定剂,以防止引发分解。可用于本发明的聚合物混合物中的氧化稳定剂和热稳定剂包括通常用于加成聚合物的那些。它们包括,例如,基于聚合物混合物重量至多约1wt%的I族金属卤化物例如钠、钾、锂和亚铜卤化物(例如氯化物、溴化物和碘化物)、受阻酚、氢醌和这些材料的各种取代的衍生物及其组合。
基于聚合物混合物重量,含有紫外线稳定剂至多约2wt%。紫外线稳定剂的例子包括各种取代的间苯二酚、水杨酸酯、苯并三唑、苯甲酮等。
基于聚合物混合物重量,合适的润滑剂和模具脱模剂至多约1wt%,包括这些材料,例如硬脂酸、硬脂醇、硬脂酰胺、有机冲模例如苯胺黑、颜料例如二氧化钛、硫化镉等。基于聚合物混合物重量,增塑剂至多约20wt%,包括这些材料,例如邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二苄酯、丁基苯并邻苯二甲酸酯、烃油、磺酰胺例如对-甲苯乙基磺酰胺,等等。
为了提高聚合物材料特别是在400nm~450nm范围的电磁薄膜内的反射率,还可以加入一种或多种有机荧光增白剂,例如苯并噁唑衍生物。有机荧光增白剂还可以被用于平衡和微调材料的反射率。为了说明这一点,参照图1,其显示了根据本发明的聚合物组合物的反射率百分比作为波长函数的典型曲线图。图1中所示的曲线A是用于含有TiO2和Sb2O3组合,但没有荧光增白剂的组合物。图1中所示的曲线B是用于含有TiO2和Sb2O3的相同组合加上1.0wt%荧光增白剂的组合物。图1中所示的曲线C是用于含有TiO2和Sb2O3的相同组合加上0.003wt%荧光增白剂的组合物。注意曲线C中有多少反射率百分比在450nm~700nm内相对没有变化。这是高度希望的,因为反射光将具有“平衡的”天然外观。
根据本发明的聚合物组合物适用于各种应用,包括,例如自动仪表面板组、照明器材和外壳、计算机屏幕(例如笔记本电脑)和PDA(“个人数字助理”)显示器。根据本发明的聚合物组合物反射出比常规聚合物组合物更高百分比的光,其提高了照明的能量效率并且降低了获得用于特定的最终用途应用所需的照明所需要的能量。
以下实施例仅仅是阐述本发明,不应该被理解为对权利要求的限制。
实施例1
通过在挤出机中将在下表1中以重量百分比列出的各种组分熔融混合而各自单独形成光反射聚合物组合物A和B:
表1
组分 | A | B |
聚合物聚丙烯均聚物-12熔体流动 | 89.300 | 83.297 |
颜料包Sb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-0.2μm平均颗粒尺寸TiO<sub>2</sub>-0.2μm平均颗粒尺寸 | 5.0005.000 | 3.50012.500 |
抗氧剂季戊四醇四(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯三(2,4-二叔丁基苯基)磷酸酯硫代二丙酸二硬脂酰酯 | 0.2500.2500.100 | 0.2500.2500.100 |
润滑剂硬脂酸锌二丁基二硫代氨基甲酸锌 | 0.0800.020 | 0.0800.020 |
荧光增白剂2,5-噻吩二基双(5-叔丁基-1,3-苯并噁唑) | --- | 0.003 |
总计 | 100.000 | 100.000 |
然后采用常规的聚丙烯加工条件(375~425℃),使用实验室流延薄膜线(Killion,带有标准冷却辊的1”单螺杆挤出机)将每一组合物模制成大约10密耳厚和10英寸宽的片材。
特别地,组合物B提供了优良的不透明性。因此,其适用于通过注塑技术而形成面板组和其他部件。
比较例2
使用与实施例1中的光反射组合物A的相同配方制备聚合物组合物C,除了组合物C的颜料包仅仅由10.000wt%TiO2组成,没有Sb2O3之外。使用与实施例1中的光反射组合物B的相同配方制备聚合物组合物D,除了组合物D的颜料包仅仅由16.000wt%Sb2O3组成,没有TiO2之外。如图2中所示,光反射聚合物组合物A在450nm~700nm内的反射率明显比组合物C和D的反射率高。光反射聚合物组合物A在约450nm~约700nm内展现出约98.0%的反射率。
比较例3
如图3中所示,光反射聚合物组合物A和B在450nm~700nm内的反射率明显比被3M Corporation在商业名称VIKUITI Enhanced Diffuse Reflector(EDR)Film下出售的高反射薄膜的反射率高。光反射聚合物组合物A在约450nm~约700nm内展现出约96.0%的反射率。光反射聚合物组合物B在约450nm~约700nm内展现出约97.5%的反射率。3M EDR Film在相同范围内展现出约90.0%的反射率。
实施例4
通过在挤出机中将在下表2中以重量百分比列出的各种组分熔融混合而形成光反射聚合物组合物F:
表2
组分 | F |
聚合物聚丙烯均聚物-12熔体流动 | 77.297 |
颜料包Sb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-0.2μm平均颗粒尺寸TiO<sub>2</sub>-0.2μm平均颗粒尺寸 | 3.50012.500 |
抗氧剂季戊四醇四(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯三(2,4-二叔丁基苯基)磷酸酯硫代二丙酸二硬脂酰酯 | 0.2500.2500.100 |
润滑剂硬脂酸锌二丁基二硫代氨基甲酸锌 | 0.0800.020 |
荧光增白剂2,5-噻吩二基双(5-叔丁基-1,3-苯并噁唑) | 0.003 |
填料短切玻璃纤维(Owens Corning 147A14P) | 6.000 |
总计 | 100.000 |
引入短切纤维的结果是,组合物F提供了高的光反射率和优良的耐热性以及刚度。因此,组合物F特别适用于注塑部件,例如荧光照明器材和其他产品。
比较例5
由将聚对苯二甲酸丁二酯(PBT,General Electric’s Valex CS8060 ColorWH6085)注塑并且然后用粘合剂作背面的、可从W.L.Gore & Associates,Inc获得的白色星型反射器材料的薄膜覆盖而形成选通脉冲室外壳1。由上面实施例1中所述的组合物B各自形成选通脉冲室外壳2和3。选通脉冲室外壳2轻微地有织纹,以提供“喷砂处理的”表面外观,同时选通脉冲室外壳3保持其“有光泽的”初始表面外观。选通脉冲室外壳1、2和3各自根据UL1638(以及UL1971和CAN/ULC S526-M87)测试,以测量光输出量。水平的数据示于下表3中:
表3
角度 | UL极限 | 外壳1 | 外壳2 | 外壳3 |
0 | 177 | 210.5 | 204.5 | 197 |
5 | 159.3 | 211 | 203 | 198 |
10 | 159.3 | 209 | 202 | 199 |
15 | 159.3 | 207 | 199 | 196 |
20 | 159.3 | 202 | 195 | 190 |
25 | 159.3 | 199 | 192 | 186 |
30 | 132.75 | 190 | 188 | 182 |
35 | 132.75 | 184 | 178.2 | 173 |
40 | 132.75 | 174 | 168 | 163 |
45 | 132.75 | 165 | 160 | 156 |
50 | 97.35 | 153 | 149 | 144 |
55 | 79.65 | 142 | 140 | 136 |
60 | 70.8 | 131 | 127 | 124.8 |
65 | 61.95 | 118 | 116 | 114.6 |
70 | 61.95 | 106 | 104 | 101.9 |
75 | 53.1 | 94.5 | 92.2 | 92.5 |
80 | 53.1 | 91.6 | 82.8 | 82.1 |
85 | 44.25 | 70.1 | 60.5 | 73 |
90 | 44.25 | 36.8 | 16<sup>*</sup> | 13.5<sup>*</sup> |
应该注意:可以仅仅通过调节选通脉冲室外壳的结构而容易地校正超出90度范围的数据点,这正好属于本领域技术人员的能力范围。图4用图表示了选通脉冲室外壳2与如根据UL 1638(以及UL 1971和CAN/ULC S526-M87)测量的UL极限(以实线表示)相比的水平光输出量分布的图(以虚线表示)。结果表明:相对昂贵的、消耗时间的反射膜可以被根据本发明的较低成本的注塑材料代替。
对于本领域那些技术人员而言,另外的优点和改进将容易地显现出来。因此,本发明在其较宽的方面并不限于本文中所示并且所述的特定细节和说明性实施例。因此,可以作出各种改进,只要不偏离如由附属的权利要求和它们的等价物所确定的总的本发明概念的精神或范围。
Claims (18)
1.一种光反射聚合物组合物,其包括至少一种不含卤化阻燃剂添加剂的聚合物,包括由Sb2O3和TiO2组合的颜料包分散在该聚合物中。
2.根据权利要求1的光反射聚合物组合物,其中所述颜料包包括10%~60%重量的Sb2O3。
3.根据权利要求1的光反射聚合物组合物,其中所述颜料包包括40%~90%重量的TiO2。
4.根据权利要求1的光反射聚合物组合物,其中所述颜料包中Sb2O3的平均颗粒尺寸0.05μm~1.0μm。
5.根据权利要求1的光反射聚合物组合物,其中所述颜料包中的TiO2的平均颗粒尺寸0.05μm~1.0μm。
6.根据权利要求1的光反射聚合物组合物,其中所述聚合物包括聚烯烃。
7.根据权利要求6的光反射聚合物组合物,其中所述聚烯烃包括聚丙烯。
8.根据权利要求1的光反射聚合物组合物,其中聚合物与分散在其中的颜料包的比例以重量计100∶1~3∶1。
9.根据权利要求1的光反射聚合物组合物,其中有机荧光增白剂分散在聚合物中。
10.根据权利要求1的光反射聚合物组合物,其中一种或多种抗氧剂分散在聚合物中。
11.一种光反射聚合物组合物,其包括75~95重量份不含卤化阻燃剂添加剂的聚烯烃,5~25重量份的包括由Sb2O3和TiO2组合的颜料包分散在该聚烯烃中。
12.根据权利要求11的光反射聚合物组合物,其中所述颜料包包括以重量计10%~60%的Sb2O3和以重量计40%~90%的TiO2。
13.根据权利要求12的光反射聚合物组合物,其中所述颜料包中的Sb2O3和TiO2的平均颗粒尺寸0.1μm~0.3μm。
14.根据权利要求13的光反射聚合物组合物,其中有机荧光增白剂分散在聚烯烃中。
15.根据权利要求13的光反射聚合物组合物,其中一种或多种抗氧剂分散在聚烯烃中。
16.根据权利要求11的光反射聚合物组合物,其中所述聚烯烃包括聚丙烯均聚物。
17.一种照明器材,包括光源和邻近所述光源设置的反射器,所述反射器由包括至少一种不含卤化阻燃剂添加剂的聚合物的反光聚合物组合物形成,包括由Sb2O3和TiO2组合的颜料包分散在该聚合物中。
18.根据权利要求17的照明器材,其中所述光源包括荧光灯。
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