多层光干涉彩虹膜及其制备方法 【发明领域】
本发明涉及多层光干涉彩虹膜和用共挤出方法制备该多层光干涉彩虹膜的方法。
技术背景
多层光干涉彩虹膜是七十年代发明的。它是利用两种或两种以上具有不同折光指数的透明热塑性树脂(折光指数至少相差0.03)经ABABAB.....或ABCABCABC...组合形成至少30层以上均匀平行的交替芯层，在芯层外面包附厚度为薄膜总厚度5-50％的两边皮层经流延到冷却棍上形成厚度为0.015-0.05mm的薄膜，当薄膜的厚度达到一定范围时，由于光干涉的作用，薄膜会产生五颜六色类似彩虹的效果。其原理是彩虹膜由许多相互平行层构成，各层光学厚度基本相同。以201层彩虹膜为例：它由101个奇数层和100个偶数层组成，如果奇数层折光指数为1.6，偶数层折光指数为1.5，当一束波长为λ的光照射到薄膜上时，会在多个层界面之间发生部分反射.在渐增的折光率界面间反射光会发生相位改变，由于层间折光率相差仅0.1，所以个别反射是很微弱的.但是，不同的层界面间反射的光总会有与别的层同相位的反射光，这样有建设性的干涉就产生强烈的反射。那么光通过薄膜时每层都会产生反射光，如果每层的反射光波长都相同地话，则出现正干涉作用。光从多层膜反射示意图如图1所示。
这种产生的彩虹效果在不同的观看角度色彩是不同的，而且其表现出来的反射色彩和透射色彩是不同的。这种彩虹膜已经大量用于包装装潢，印刷，服饰、化装品领域。
在这种彩虹膜制备中，不同折光指数的树脂选择，配比是制备彩虹膜的关键。United States Patent 5089318、6475608以及CN1292746A都涉及到彩虹膜不同折光指数的树脂选择和配比。目前，从公开的专利说明书看常用的作为彩虹膜芯层树脂的配比有：EVA/PS；PMMA/PET；PMMA/PBT；PMMA/PETG；PMMA/POL等，皮层主要有：PBT；PETG；LLDPE；PP等。
EVA/PS具有很好的加工性能，但所制备的彩虹膜强度低，并且容易分层。
PMMA/PET；PMMA/PBT为芯层的彩虹膜在加工中由于PMMA的加工温度高于250℃时容易分解产生大量的气泡，而PET的加工温度必须在260℃以上，因此给两种树脂的共挤出造成一定的麻烦，生产成本也较高。此外由于PET所具有的高强度和高开口敏感性也给薄膜的切边造成一定的麻烦。
【发明内容】
本发明是采用一组新的彩虹膜树脂组合，采用以聚烯烃的均聚物、共聚物或共混物为低折光指数的树脂，分别以苯乙烯的均聚物、共聚物或以聚酯的聚合物或几种聚酯聚合物的共混物为高折光指数的树脂。皮层以K树脂、AS树脂、苯乙烯-马来酸树脂和透明ABS树脂或聚酯的聚合物如PET、PBT、PEN、PETG树脂。该彩虹膜的特点是加工容易，成本低，强度好，色彩鲜艳。
根据本发明，提供了：
1、多层光干涉彩虹膜，其特征是以聚烯烃的均聚物、共聚物或共混物为低折光指数的树脂作为A层，以苯乙烯的均聚物、共聚物或以聚酯的聚合物或几种聚酯聚合物的共混物为高折光指数的树脂作为B层，其中A层和B层交替排列并平行组成芯层，层数为70层以上，优选100层以上，更优选100-500层，在芯层的两边包附皮层。
2、以上项1的多层光干涉彩虹膜，其中膜的厚度为0.010-0.100mm。
3、以上项1的多层光干涉彩虹膜，其中皮层的厚度为薄膜总厚度的10-60％，优选20-50％。
4、根据以上项1的多层光干涉彩虹膜，其中聚烯烃的均聚物可以是LDPE、LLDPE、HDPE和PP等，聚烯烃的共聚物可以是EVA、EEA、EMAA或EAA，共混物中可以是以上两种或两种以上的聚烯烃的混合物；苯乙烯的聚合物主要包括PS、K树脂(苯乙烯-丁二烯共聚物)、丙烯腈-苯乙烯共聚物(AS树脂)、苯乙烯-马来酸树脂和透明ABS树脂，聚酯的聚合物主要包括：PET、PBT、PEN、PETG等。
5、根据以上项1-4中任一项的多层光干涉彩虹膜，其中皮层由透明树脂构成，例如由苯乙烯的均聚物、共聚物或以聚酯的聚合物和几种聚酯聚合物的共混物构成。
6、以上项1-5中任一项的多层光干涉彩虹膜的制备方法，包括：将聚烯烃的均聚物、共聚物或共混物为低折光指数的树脂加入到A挤出机中，以苯乙烯的均聚物、共聚物或以聚酯的聚合物或几种聚酯聚合物的共混物为高折光指数的树脂加入到B挤出机中，分别熔化挤出进入ABABAB.....或BABABA…组合的多层机头模具中，交替排列并平行，层数达到70层以上，优选100层以上，更优选100-500层，形成芯层；将苯乙烯的均聚物、共聚物或聚酯的聚合物或几种聚酯聚合物的共混物加入到C挤出机中熔化挤出在ABABAB....或BABABA…芯层外包附形成厚度为薄膜总厚度的10-60％，优选20-50％的皮层，流延到冷却棍上形成厚度为0.010-0.100mm，优选0.020-0.050mm的薄膜；所述薄膜产生强烈的五颜六色的彩虹效果。
7、以上项6的方法，其中将K树脂、AS树脂、苯乙烯-马来酸树脂或透明ABS树脂或聚酯的聚合物如PET、PBT、PEN、PETG或它们的混合物加入到C挤出机中熔化挤出在ABABAB....芯层外包附形成厚度为薄膜总厚度的10-50％的皮层，制备100层以上的彩虹膜，该彩虹膜具有强烈的色彩和较好的拉伸强度。
以下详细描述本发明。
本发明的彩虹膜以聚烯烃的均聚物、共聚物或共混物为低折光指数的树脂作为A层，以苯乙烯的均聚物、共聚物或以聚酯的聚合物或几种聚酯聚合物的共混物为高折光指数的树脂作为B层，其中A层和B层交替排列并平行组成芯层，层数为70层以上，优选100层以上，更优选100-500层，在芯层的两边包附皮层。皮层的厚度一般为薄膜总厚度的10-60％，优选20-50％。皮层优选由苯乙烯的均聚物、共聚物或以聚酯的聚合物和几种聚酯聚合物的共混物构成。
聚烯烃的均聚物可以是LDPE、LLDPE、HDPE和PP等。聚烯烃的共聚物可以是EVA、EEA、EMAA或EAA。共混物中可以是以上两种或两种以上的聚烯烃的混合物。苯乙烯的聚合物主要包括PS、K树脂(苯乙烯-丁二烯共聚物)、AS树脂、苯乙烯-马来酸树脂和透明ABS树脂。聚酯的聚合物主要包括：PET、PBT、PEN、PETG等。
聚烯烃树脂如LLDPE、LDPE和PP都具有很好的加工性能，它们的加工温度可以从200℃到300℃，在加工中不易分解，并且熔体具有很大的延伸性，可以制备很薄的薄膜，它与PS配合可以改善PS的脆性，所制备的彩虹膜具有很好的柔韧性能和很低的生产成本。
但这些树脂由于分子结构上缺少极性基团，缺少与高折光指数树脂的粘合能力，采用加入分子结构中含有极性基团的烯烃树脂与之混合，可以改善多层复合膜的抗分层能力。这类的树脂如EAA、EEA和马来酸接枝烯烃树脂等。这些树脂的加入量为0-50％。同样在PS中也可以加入K树脂、AS树脂、苯乙烯-马来酸树脂和透明ABS树脂，加入量为0-30％。
高折光指数的树脂可以使用聚酯的聚合物或几种聚酯聚合物的共混物。聚酯的聚合物都含有极性基团对彩虹膜的层间粘和能力是十分有利的。可以使用PET、PBT、PEN或PETG，其中PET价格较低，强度高但开口敏感性大。
在确定芯层树脂配比后，改变皮层树脂，采用PET加入到C挤出机中熔化挤出在ABABAB....芯层外包附形成厚度为薄膜总厚度的20-50％的皮层，制备彩虹膜。该彩虹膜具有明亮的色彩和很好的强度，但开口敏感性较大。采用PETG加入到C挤出机中熔化挤出在ABABAB....芯层外包附形成厚度为薄膜总厚度的20-50％的皮层，制备彩虹膜。该彩虹膜具有明亮的色彩和很好的强度，开口敏感性较PET有较大的改善。
以PP、LLDPE和EAA共混物和PET组成芯层的彩虹膜具有明亮的彩虹效果，PET树脂的强度使薄膜具有较高的强度和挺括性。采用PBT代替PET做芯层则使所制备的彩虹膜具有较好的柔韧性，开口敏感性也有较大的改善，有利于薄膜的切边，分切，但亮度有所下降。
PETG是一个非结晶的聚酯的共聚物，它具有比PET低30-40℃的熔点，并具有一定的柔韧性和抗开口敏感性，用PETG作为皮层的原料，带来加工的方便和所制备彩虹膜与其它材料粘和的容易。
本发明还提供用共挤出方法制备多层光干涉彩虹膜树脂的方法。该方法是以两种或两种种以上折光指数至少相差0.05以上的热塑性透明树脂以ABABAB......排列到70层以上为芯层，用一种透明树脂包附在芯层两边为皮层，流延形成厚度为0.015mm-0.03mm的薄膜。由于光干涉的原理，薄膜产生五颜六色类似彩虹色彩的效果。本发明所使用的两种不同折光指数不同的芯层树脂为以聚烯烃的均聚物、共聚物或共混物为低折光指数的树脂，以苯乙烯的均聚物、共聚物或以聚酯的聚合物或聚合物共混物为高折光指数的树脂如PP+EAA/PBT；PP+EAA/AS+PS；LLDPE/AS+PS；LLDPE/PET；LLDPE+EAA/PET；LLDPE+EAA/PBT等。透明的皮层树脂是AS；PET；K树脂；ABS；PBT或PETG。采用以上树脂的配比，制备彩虹膜具有优良的加工性能、较好的抗分离效果和较低的生产成本。
本发明的多层光干涉彩虹膜可以采用已知设备来生产，例如采用在美国专利3,773,882和3,884,606以及中国专利CN1292746A中所述的多层膜挤出模具。为了实施本专利的目的，这些专利在这里全文引入供参考。
制备本发明的多层光干涉彩虹膜的设备也可以自行设计。为此，本发明人设计了组合式多层膜挤出模具，它由一个个独立的分流板组合而成。如图2所示，组合式多层膜挤出模具由分配器1，压缩器2，流延机头3，螺钉4组成，其中分配器由各个独立的分流板组成，它可以组成ABABAB...，ABCABCABC..，CABABAB..C等ABC的任意组合，在图2中示出了位于分配器两端的C型分流板5(用空白表示)，位于中间的交替的A型分流板6(用斜线表示)和B型分流板7(用横线表示)，图中只示出了部分分流板。层数可以从50层到500层任意组合，与压缩器和流延机头连接。这样可以根据多层薄膜的层间结构要求，改变分流板的组合，很容易地改组成所需要的分配器，这是与以前他人所设计多层膜挤出模具的最大区别。
这种组合式的分配器由各个独立的分流板组成，并由螺钉4固定。图3是A、B和C型分流板的主视图和仰视图。独立的分流板有三种形式的分流道板，如图3所示。
①.如图3，A型，流道在左侧
②.如图3，B型，流道在中间
③.如图3，C型，流道在右侧
分配器由各个独立的分流板组成。每个分流板在相同的位置具有组装用的螺钉固定孔5(图中示出了6个)。在组装时，将各个分流板的流道1、2和3以及分流道对齐后用螺钉4固定成一体，用定位孔4定位后，检查各流道是否与相应的分流道相通，是否有漏料之处。
分配器由各个独立的分流板组成。独立分流板的厚度在1.5mm-15mm之间。可以利用各个独立的分流板的厚度不同，流道大小不同，可以组成各层厚度不同的薄膜，或组成层数不同但与压缩器连接的出口尺寸相同的分配器。如分配器出口与压缩器相接的尺寸为600mm，在制备400层的薄膜时，每个分流板的厚度为1.5mm，每个分流道的高度在0.5mm-1mm。同样的出口尺寸制备200层膜时，可以采用AABBAABB..结构组合，也可以用分流板的厚度为3mm的板组合。这样压缩器和流延模具都不用更换。同样用这种方法，可以组合成每层厚度不同的薄膜。
分流板的结构如图3，除了上述的描述外，还设有狭缝入口7、分流道8、均料槽6和流道1、2和3。流道1、2和3是贯穿该分流板的圆孔，所有分流板的相应流道连接成长通道，当物料从挤出机中出来，进入该通道，流经狭缝入口时，物料从狭缝沿分流道8向下流，在均料槽6中被均匀化，再流入压缩器被压缩。流道1的物料流经A型分流板时能从A型板的狭缝入口向下流，而经过C型和B型分流板时不与分流道8相通，即B和C型分流板的流道1没有狭缝入口。同样，流道3的物料流经B型分流板时，物料能从B型分流板的狭缝入口向下流，而经过C型和A型分流板时不与分流板的分流道8相通，即没有狭缝入口；流道2的物料流经C型分流板时，物料能从C型分流板的狭缝入口向下流，而经过A型和B型分流板时不与分流板的分流道8相通，即没有狭缝入口。例如从挤出机A出来的本发明的低折光指数的物料可以由A型分流板的狭缝入口流出，从挤出机B中出来的高折光指数的物料可以由B型分流板的狭缝入口流出，从挤出机C中出来的皮层物料可以由C型分流板的狭缝入口流出，分别经过分流道8，在均料槽6中均匀化，再经压缩器压缩，流延，形成结构为CABABABAB…C的多层光干涉薄膜。为了保证组装精度，分流板上下两面互为平行，并与分流槽平行。分流板上下两面和分流槽应精加工防止组装后漏料。分流道的厚度可以是分流板总厚度的30-80％。宽度可以从80mm-350mm。均料槽是为了保证聚合物在分流道截面上的均匀流出。
附图简述
图1为多层膜的光反射示意图。
图2为组合式多层膜挤出模具，包括分配器1，压缩器2，流延机头3，螺钉4，位于分配器两端的C型分流板5(用空白表示)，位于中间的交替的A型分流板6(用斜线表示)和B型分流板7(用横线表示)，其中图中只示出了部分分流板。
图3为A、B和C型分流板的主视图和仰视图，其中5为螺钉固定孔(图中示出各有6个)，4为定位孔(各有2个)，7为狭缝入口，8为分流道，6为均料槽，1、2、3为流道。
实施例
以下通过实施例来进一步阐述本发明，应该指出的是，这些实施例仅用于说明的目的，不构成对本发明的任意限制。本领域的技术人员清楚，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以做出一些变化和改良，这些变化和改良意图包含在本发明的范畴内。
实施例1
以PP和EAA共混物为低折光指数的树脂加入到A挤出机中，以PS和AS共混物为高折光指数的树脂加入到B挤出机中，EAA的加入量为30％；AS的加入量为20％分别熔化挤出进入ABABAB.....组合的多层机头模具中，交替排列并平行达到211层的芯层。将AS加入到C挤出机中熔化挤出在ABABAB....芯层外包附形成厚度为薄膜总厚度的20-50％的皮层，流延到冷却棍上形成厚度为0.015-0.035mm的薄膜。该薄膜加工容易并具有强烈的五颜六色的彩虹效果。
实施例2
LLDPE和EAA共混物为低折光指数的树脂加入到A挤出机中，EAA的加入量为20％；用PET为高折光指数的树脂加入到B挤出机中，PBT加入到C挤出机中熔化挤出在ABABAB....芯层外包附形成厚度为薄膜总厚度的20-50％的皮层，制备211层彩虹膜。该彩虹膜具有强烈的色彩和较好的拉伸强。
实施例3
根据实施例2的芯层树脂配比，改变皮层树脂，采用PET加入到C挤出机中熔化挤出在ABABAB....芯层外包附形成厚度为薄膜总厚度的20-50％的皮层，制备211层彩虹膜。该彩虹膜具有明亮的色彩和很好的强度，但开口敏感性较大。
实施例4
根据实施例2的芯层树脂配比，改变皮层树脂，采用PETG加入到C挤出机中熔化挤出在ABABAB....芯层外包附形成厚度为薄膜总厚度的20-50％的皮层，制备211层彩虹膜具有一定的柔韧性和抗开口敏感性，容易与其它材料粘和。
实施例5
LLDPE和EAA共混物为低折光指数的树脂加入到A挤出机中，EAA的加入量为50％；用PBT为高折光指数的树脂加入到B挤出机中，PETG加入到C挤出机中熔化挤出在ABABAB....芯层外包附形成厚度为薄膜总厚度的20-50％的皮层，制备211层彩虹膜。该彩虹膜具有较好的柔韧，抗开口敏感性和粘合性能。