способ получения листового двухслойного органического стекла для цветных светофильтров

Формула изобретения

1. Способ получения листового двухслойного органического стекла для цветных светофильтров, включающий предварительную форполимеризацию метакрилового мономера, смешанного с красителем, в присутствии инициатора радикальной полимеризации, отверждение полученного окрашенного форполимера в плоскопараллельной форме при нагревании в присутствии инициатора радикальной полимеризации с образованием первого слоя органического стекла с последующей заливкой в форму на этот слой предварительно полученного форполимера метилметакрилата, окрашенного красителем, отличным от красителя первого слоя, и его отверждением с образованием приполимеризованного к первому слою второго слоя, отличающийся тем, что для получения первого слоя органического стекла форполимер метилметакрилата или смеси метилметакрилата с 1-5 мас.% метакриловой кислоты со степенью конверсии 3-5 мас.% и вязкостью 20-50 сСт отверждают при режиме отверждения от 55 до 115°С в присутствии 0,03-0,04 мас.ч. азодинитроизомасляной кислоты и дополнительно введенных на 100 мас.ч. мономера 0,4-2,0 мас.ч. сшивающего агента, 0,5-2,0 мас.ч. светопоглощающей добавки - смеси суховальцованной пасты на основе хлорированного поливинилхлорида и углерода технического и 0,01-0,1 мас.ч. антиадгезива - диоктилсукцината натрия, а для получения второго слоя заливают форполимер метилметакрилата со степенью конверсии 7-10 мас.% и вязкостью 70-110 сСт и отверждают при режиме отверждения от 50 до 90°С в присутствии инициатора, сшивающего агента, светопоглощающей добавки и антиадгезива, используемых при получении первого слоя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве красителей используют жирорастворимые, основные красители и люминофоры в количестве 0,0022-0,2084 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера для каждого слоя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сшивающий агент выбран из группы, включающей диметакриловый эфир диэтиленгликоля, диакриловый эфир этиленгликоля, триаллилцианурат.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что инициатор радикальной полимеризации - азодинитроизомасляную кислоту - используют в количестве 0,06-0,08 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера для каждого слоя двумя равными порциями на стадиях форполимеризации и отверждения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения листового двухслойного окрашенного органического стекла на основе эфиров метакриловой кислоты, предназначенного для изготовления цветных, в том числе и флуоресцирующих, светофильтров.

Перед авторами изобретения стояла задача разработки двухслойного органического стекла, где каждый слой должен быть равномерно окрашен в массе необходимыми органическими красителями и иметь заданные цвета слоев, например, зеленый/желтый, темно-зеленый/синий, светло-зеленый/синий, розовый/зеленый, коричневый/серо-зеленый и т.д. Органические стекла для светофильтров должны быть также светостойкими и иметь результирующие спектральные характеристики нейтрально-серых светофильтров. Пропускание в видимой области спектра (400-750 нм) должно быть 12-45%, а оптическая плотность 0,4-1,0.

Разрабатываемые двухслойные окрашенные органические стекла для светофильтров должны иметь также гомогенные граничные слои, не нарушающие спектральные характеристики светофильтра. По внешнему виду стекло должно быть без пузырей, заполированных отпечатков, трещин от силикатного стекла, лунок в виде углублений на поверхности стекла, поверхностных наплывов. Наличие таких дефектов стекла снижает видимость и распознавание объектов через светофильтры.

Двухслойное окрашенное органическое стекло по предлагаемому изобретению получают методом «приполимеризации» в массе эфиров метакриловой кислоты.

Способы получения многослойного органического стекла методом «приполимеризации» в массе метилметакрилата известны.

Известен способ получения многослойного органического стекла на основе метилметакрилата, включающий нанесение на первый слой полимера на основе метилметакрилата (ММА) хотя бы одного, совместимого с первым слоем, следующего слоя мономеров и/или полимеров состава иного, чем состав первого слоя (Гудимов М.М., Перов Б.В. Органическое стекло. - М.: Химия, 1981 г.).

Известен также способ получения многослойного органического стекла на основе ММА, включающий нанесение на первый слой полимера на основе ММА хотя бы одного совместимого с первым слоем следующего слоя мономеров и/или полимеров состава иного, чем состав первого слоя, причем в качестве первого слоя полимеров используют слой, полученный полимеризацией ММА до конверсии 50-98%, а затем проводят дополнительную полимеризацию в слоях до конверсии, близкой к 100% (патент РФ №2217319, В 32 В 27/30, опубл. 27.11.2003 г.) При получении по этому способу прозрачных бесцветных многослойных стекол, в том числе и двухслойных, происходит увеличение прочности соединения между полимерными слоями, что приводит к улучшению ряда свойств органического стекла, например, его прочности и теплостойкости.

Однако данный способ не позволяет получить двухслойное цветное органическое стекло с гомогенными граничными слоями, то есть однородными по цвету.

При производстве двухслойных стекол с разнородными цветными поверхностями более рыхлая (недополимеризованная) структура первого слоя не позволяет получать гомогенные граничные слои из-за неоднородного дифундирования второго цветного слоя при его «приполимеризации» к первому.

Прототипом предлагаемого способа получения листового двухслойного органического стекла для цветных светофильтров является способ получения двухслойных цветных листов полиметилметакрилата по патенту Великобритании №886130, опубл. 03.01.1962 г. Способ по прототипу заключается в том, что мономер ММА или сиропоподобная смесь ММА (форполимер), имеющая необходимый цвет, заливается в форму с дном, состоящим из пластины пММА, имеющей другой цвет, и полимеризуется на подложенной металлической пластине с промежуточным слоем из бумаги, приклеенной к пММА 5% раствором желатина. Полимеризацию осуществляют в печи при 50°С в течение 10-24 часов в зависимости от толщины двухцветных стекол. Основным недостатком способа по прототипу является неполная степень превращения мономера в полимер при заявленном режиме отверждения. Ограничение температуры отверждения до 50°С в данном способе обусловлено использованием в качестве промежуточной прослойки 5% животного желатина. При температуре выше 50°С желатин плавится (течет), ухудшая при этом внешнюю поверхность первой пластины двухслойного стекла и нарушая герметичность формы. При изучении кинетики радикальной полимеризации в массе моно-меров метакрилового ряда обнаружено, что если температура полимеризации ниже температуры стеклования чистого полимера, то реакционная система не достигает полной степени превращения мономера в полимер (Soh S.K., Sundberq D.C., J.Polym.Sei: Polym.Chem.Ed, 1982, V 20, p.1299-1371). Листовое двухслойное органическое стекло, полученное при 50°С по вышеприведенному прототипу, имеет степень превращения мономера в полимер ˜ 70-80%.

Неполная степень превращения мономера в полимер (70-80%) приводит к значительному снижению деформационно-прочностных свойств и температуры размягчения органического стекла. При этом в случае продолжительного хранения двухслойного окрашенного органического стекла степень превращения мономера во втором слое незначительно повышается, но при этом происходит коробление второго слоя, а отсюда и всего двухслойного стекла. Кроме того, происходит нарушение гомогенности граничных окрашенных слоев из-за неравномерной диффузии оставшегося мономера в первый слой и появляется оптическая неоднородность органического стекла.

Целью данного изобретения является получение двухслойного равномерно окрашенного оптически однородного органического стекла с гомогенными граничными слоями, не нарушающими спектральных характеристик нейтрально-серых светофильтров.

Для достижения поставленной цели предлагается способ получения листового двухслойного органического стекла для цветных светофильтров, в котором предварительно осуществляют форполимеризацию ММА или смесь ММА с 1-5 мас.% метакриловой кислоты (МАК), смешанных с красителем, в присутствии азодинитроизомасляной кислоты. Окрашенный форполимер, имеющий степень конверсии 3-5 мас.% и вязкость 20-50 сСт отверждают при режиме отверждения от 50 до 115°С в плоскопараллельной форме в присутствии 0,03-0,04 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера азодинитроизомасляной кислоты, 0,4-2,0 мас.ч. сшивающего агента, 0,5-2,0 мас.ч. светопоглощающей добавки - смеси суховальцованной пасты на основе хлорированного поливинилхлорида и углерода технического и 0,01-0,1 мас.ч. антиадгезива: диоктилсукцината натрия. Получают первый слой органического стекла. Для получения второго слоя предварительно полученный форполимер ММА, окрашенный красителем, отличным от красителя первого слоя, и имеющий степень конверсии 7-10 мас.% и вязкость 70-110 сСт заливают в форму на первый слой органического стекла и отверждают при режиме отверждения от 50 до 90°С в присутствии инициатора, сшивающего агента, светопоглощающей добавки и антиадгезива, используемых при получении первого слоя. Получают двухслойное окрашенное органическое стекло, где второй слой «приполимеризован» к первому.

В качестве красителя в предлагаемом изобретении можно использовать жирорастворимые красители, например, ярко-синий антрахиноновый, зеленый антрахиноновый 2Ж и другие, основные красители, например, родамин 6Ж, оксазин 17 и другие, люминоры, например, желто-зеленый 490 РТ, красный 2Ж 600РТ и другие в количестве 0,0022-0,2084 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера.

В качестве инициатора радикальной полимеризации используют азодинит-роизомасляную кислоту (АДН) в количестве 0,06-0,08 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера для каждого слоя двумя равными порциями на стадиях форполимеризации и отверждения.

В качестве сшивающего агента можно использовать диметакриловый эфир этиленгликоля (ДМЭГ), диакриловый эфир этиленгликоля (ДАЭГ), триаллилцианурат (ТАЦ).

Ниже приведены конкретные примеры реализации заявленного способа получения листового двухслойного органического стекла для цветных светофильтров.

Пример 1

0,0022 мас.ч. флуоресцирующего красителя родамина 6Ж смешивается с 100 мас.ч. смеси на основе ММА и МАК. Форполимер приготовляется следующим образом: мономерная смесь на основе - ММА - 95 мас.ч., МАК - 5 мас.ч. в присутствии 0,03 мас.ч. АДН подогревается при постоянном перемешивании на водяной бане до 75-80°С и выдерживается при заданной температуре до конверсии 3%, что соответствует вязкости 20 сСт (сантистокс). Вязкость замеряется временем истечения через вискозиметр с диаметром капилляра 4 мм (ВЗ-4, ГОСТ 9070-75).

В охлажденный до комнатной температуры форполимер добавляется вторая часть инициатора АДН - 0,03 мас.ч., ДМЭГ - 0,5 мас.ч., диоктилсукцинат натрия (ДОССН) в качестве антиадгезива - 0,1 мас.ч., паста суховальцованная на основе хлорированного поливинилхлорида и углерода технического (СВП(ч)) - 0,5 мас.ч. Смесь вакуумируется при остаточном давлении 30-40 мм рт.ст. в течение 5 минут и заливается в форму из силикатных стекол и прокладочной поливинилхлоридной трубкой. Полимеризация осуществляется в воздушном шкафу по следующему режиму:

1-я стадия: 55°С - 6 часов

2-я стадия: 60°С - 0,5 часа

80°С - 0,5 часа

100°С - 0,5 часа

115°С - 0,5 часа

Охлаждение естественное.

Получают лист толщиной 2±0,3 мм.

Далее готовят вторую смесь, состоящую из форполимера, полученного аналогично вышеописанному способу с вязкостью по ВЗ-4 - 70 сСт, с конверсией 7%, красителя зеленого антрахинонового 2Ж - 0,0084 мас.ч., люминора желто-зеленого 490РТ - 0,2 мас.ч., ДМЭГ - 0,4 мас.ч., ДОССН - 0,01 мас.ч., СВП(ч) - 0,5 мас.ч., АДН -0,03 мас.ч.

Смесь вакуумируется и заливается в форму, состоящую из силикатной подложки, первого цветного стекла, прокладочной ПВХ-трубки и второго силикатного стекла. Герметичность формы создается за счет ПВХ-трубки и металлических струбцин. Форма полимеризуется в воздушном шкафу по следующему режиму:

50°С - 1 час

60°С - 1 час

65°С - 1 час

70°С - 1 час

75°С - 0,5 часа

80°С - 0,5 часа

85°С - 0,5 часа

90°С - 0,5 часа

Полученное стекло органическое листовое цветное флуоресцирующее двухслойное. Цвет - зеленый/желтый. Общая толщина 3±0,3 мм. Степень конверсии первого слоя - 99,5%, второго - 95,5%. Коэффициент пропускания двухслойного стекла ( , %) при 400-750 нм - 43%, оптическая плотность 0,36. Коэффициент пропускания определен на спектрофотометре СФ-18. Полученная гомогенность граничных слоев не нарушает спектральные характеристики. По внешнему виду полученное двухслойное стекло оптически однородное, без дефектов не имеет пузырей, заполированных отпечатков, трещин от силикатного стекла, лунок в виде углублений, поверхностных наплывов.

Пример 2

Способ получения стекла органического листового двухслойного цветного флуоресцирующего и методы его испытаний по примеру 1.

Первый слой толщиной (2±0,3) мм (цвет розовый) получают из форполимера на основе ММА (95 мас.ч.) и МАК (5 мас.ч.), оксазина 17 в количестве 0,0022 мас.ч., АДН - 0,03 мас.ч., с вязкостью 50 сСт (конверсия 5%) по ВЗ-4 и добавок: ДМЭГ - 0,5 мас.ч., АДН (2-я порция - 0,03 мас.ч., ДОССН - 0,08 мас.ч., СВП-4 - 0,8 мас.ч. Второй полимеризуемый слой толщиной (1±0,2 мм) (зеленый цвет) получают на основе смеси, состоящей из форполимера (ММА - 100 мас.ч., красителя зеленого антрахинонового 2Ж - 0,007 мас.ч., люминора желто-зеленого - 0,2 мас.ч., 1-я порция АДН - 0,03 мас.ч.) с вязкостью 110 сСт по В3-4 (конверсия 10%) и добавок: АДН (2-я порция) - 0,03 мас.ч., ДМЭГ - 0,4 мас.ч., ДОССН - 0,01 мас.ч., СВП(ч) - 1,0 мас.ч.

Режимы отверждения первого слоя и «приполимеризованного» второго аналогичны примеру 1. Общая толщина двухслойного цветного стекла равна 3±0,5 мм. Степень конверсии второго слоя после отверждения 95%, первого - 99,5%.

Стекло цветное двухслойное имеет коэффициент пропускания при 400-750 нм, определенный на спектрофотометре СФ-18 - 18%, оптическую плотность 0,78.

Полученное листовое цветное двухслойное стекло имеет цвет розовый/зеленый. Внешний вид по качественным показателям аналогичен примеру 1.

Пример 3

Двухслойное цветное стекло цвета коричневый/серо-зеленый получают аналогично примеру 1.

Первый слой (2±0,3 мм) содержит ММА - 100 мас.ч., АДН - 0,04 мас.ч. (1-я порция), красители: ярко-синий антрахиноновый - 0,025 мас.ч. и люминор красный 2Ж 600РТ - 0,0075 мас.ч. на 100 мас.ч. смеси, а форполимер на их основе имеет вязкость 40 сСт (конверсия 4%).

Добавки для форполимера: АДН (2-я порция) - 0,04 мас.ч., ДМЭГ - 0,5 мас.ч., ДОССН - 0,01 мас.ч., СВП(ч) - 0,8 мас.ч. на 100 мас.ч. смеси.

Второй (серо-зеленый) «приполимеризуемый» слой содержит ММА - 100 мас.ч., красители: зеленый антрахиноновый - 0,007 мас.ч., люминор желто-зеленый - 0,2 мас.ч., СВП(ч) - 1,6 мас.ч. на 100 мас.ч. смеси. Вязкость форполимера для второго слоя - 90 сСт (конверсия 8%). Стекло цветное двухслойное имеет коэффициент пропускания при 400-750 нм, определенный на спектрофотометре СФ-18 - 14%, оптическую плотность - 0,32.

Полученное листовое цветное двухслойное стекло имеет цвет коричневый/серо-зеленый.

Внешний вид по качественным показателям аналогичен примерам 1 и 2.

Пример 4

Двухслойное цветное стекло цвета темно-зеленый/синий получают аналогично примеру 1. Первый слой (2±0,3 мм) содержит ММА - 99 мас.ч., МАК - 1 мас.ч., АДН - 0,03 мас.ч. (1-я порция), красители - родамин 6Ж в количестве 0,0022 мас.ч., с вязкостью форполимера на их основе, равной 50 сСт (конверсия 5%). Добавки для форполимера: АДН (2-я порция) - 0,03 мас.ч., ТАЦ - 2 мас.ч., ДОССН - 0,08 мас.ч., СВП(ч) - 1,6 мас.ч.

Второй слой (1±0,1 мм) содержит ММА - 100 мас.ч., красители - зеленый антрахиноновый - 0,0043, люминор желто-зеленый 490РТ; АДН - 0,03 мас.ч.

Форполимер на основе данной смеси имеет вязкость по ВЗ-4 - 100 сСт (конверсия 9%). Добавки для форполимера АДН - 0,03 мас.ч., ДОССН - 0,01 мас.ч., паста СВП(ч) - 1,0 мас.ч., ТАЦ - 1,0 мас.ч. Коэффициент пропускания при 400-750 нм - 11%, оптическая плотность - 0,95. Стекло не имеет внешних дефектов и оптически однородное.

Пример 5

Двухслойное цветное стекло цвета светло-зеленый/синий получают аналогично примеру 1. Первый слой (2±0,3 мм) содержит ММА - 95 мас.ч., МАК - 5 мас.ч., АДН - 0,03 мас.ч., родамин 6Ж - 0,0022 мас.ч., вязкость форполимера на их основе по ВЗ-4 - 50 сСт (конверсия 5%). Добавки для форполимера первого слоя: АДН - 0,05 мас.ч. (2-я порция), ДАЭГ - 0,5 мас.ч., ДОССН - 0,1 мас.ч., СВП(ч) -1,2 мас.ч.

Второй слой (1±0,1 мм) содержит ММА - 100 мас.ч., красители: зеленый антрахиноновый - 0,0056 мас.ч., люминор желто-зеленый 490РТ - 0,2 мас.ч. АДН - 0,03 мас.ч. (1-я порция). Вязкость форполимера 110 сСт (конверсия 10%). Добавки для форполимера (2-го слоя) - АДН - 0,03 мас.ч., ДАЭГ - 0,4 мас.ч., ДОССН - 0,01 мас.ч., СВП(ч) - 0,8 мас.ч. Коэффициент пропускания при 400-750 нм - 12,5%. Оптическая плотность - 0,72.

Примеры 6-11 (для сравнения)

Состав, способ получения стекла и его свойства приведены в таблице.

Из приведенных в таблице данных следует, что предлагаемый авторами способ позволяет получать листовое двухслойное органическое стекло для цветных светофильтров, равномерно окрашенное в массе красителями, имеющее гомогенные граничные слои, не нарушающие спектральные характеристики светофильтров Светофильтры имеют заданные цвета слоев, например, зеленый/желтый, темно-зеленый/синий, светло-зеленый/синий с заданными спектральными характеристиками, внешними качественными показателями, позволяющими их использование в оптических приборах спецназначения (см. примеры 1-5).

По предлагаемому способу только использование форполимеров определенной вязкости (степени конверсии) и отверждения их при определенных температурах в присутствии сшивающего агента позволяет получить оптически однородные с гомогенными пограничными слоями двухслойное окрашенное органическое стекло (см. примеры 1-5) в сравнении с 9-11).

Использование форполимеров другой вязкости (степени конверсии), или отверждения их при иной температуре и в отсутствие сшивающего агента не позволяет достичь цели изобретения (см. примеры 9-11).