ДЕКОРАТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК B44F1/06 B44C5/08 G02F1/13 

Изобретение относится к области изготовления декоративных материалов и витражей на основе оптических эффектов в поляризованном свете и может быть применение в прикладном декоративном искусстве, рекламном деле, в изготовлении витрин, декоративных перегородок и т.п.

Известно, что поляризованный свет позволяет получить разнообразные оптические эффекты, которые могут быть использованы для различных целей. Так, например, свойство поляризатора менять интенсивность проходящего через него поляризованного света в зависимости от направления плоскости поляризации света и оси поляризации используется в индикаторах и других устройствах отображения информации на жидких кристаллах для получения изображения.

Другой оптический эффект, возникающий при размещении между скрещенными поляризаторами анизотропной непоглощающей пленки, может быть использован для получения переливающейся цветовой окраски. В этом случае непрозрачное состояние поляризаторов просветляется и в зависимости от ориентации анизотропной пленки, ее толщины и угла наблюдения вся система приобретает интерференционную окраску. Это свойство может быть использовано для создания декоративных изображений и витражей. Так, например, в изобретении [1] предлагается цветной декоративный материал, имеющий слоистое строение, включающее подложку из стекла, оптически прозрачную пленку, фазосдвигающую пластину или поляризующую пластину, на которую наклеивают в виде мозаики в соответствии с эскизом подобранные по цвету и раскроенные фрагменты фазосдвигающей пластины, а с обеих сторон подложки с наклеенными фрагментами, располагают слоями поляризующие пластины. При прохождении света через такую систему под определенным углом зрения каждый элемент мозаики окрашивается в определенный цвет. Вращение поляризаторов или изменение угла зрения будет приводить к изменению цветовых оттенков каждого элемента мозаичной структуры.

Недостатком известного материала является то, что он состоит из отдельных элементов, вырезанных в определенной ориентации из оптически анизотропной прозрачной пленки. Это создает большие трудности при изготовлении материала, т.к. процесс вырезания, сборки и закрепления мозаичных элементов требует ручной малопроизводительной работы, что существенно удорожает изготовление такого декоративного стекла.

Задачей настоящего изобретения является создание декоративного материала, состоящего из непрерывной оптически анизотропной пленки и упрощение способа его производства, заключающееся в устранении трудоемкой фазы изготовления декоративного стекла, связанной с вырезанием отдельных элементов мозаики из оптически анизотропного материала, размещением и закреплением их на подложке.

Поставленная задача решается таким образом, что мозаичная структура декоративного материала формируется либо путем локального изменения оптических свойств изначально однородной анизотропной или изотропной пленки, либо путем нанесения на однородную по оптическим свойствам, анизотропную прозрачную пленку поляризующего покрытия, направление его поляризации которого изменяется заданным образом, образуя мозаичную структуру.

Рассмотрим более подробно физическую основу заявляемого решения. Интерференционные явления в системе поляризатор - двулучепреломляющая прозрачная пленка - поляризатор возникают из-за расщепления пучка света в двулучепреломляющей пластине на обыкновенный и необыкновенный лучи, которые на выходе из пленки интерферируют с образованием эллиптически поляризованного луча. Форма эллипса и направление его осей зависят от оптической разности фаз обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе из двулучепреломляющей пленки и ориентации плоскости поляризации входящего луча относительно главных направлений показателя преломления пленки. Ориентация плоскости поляризации определяется углом α между осями эллипсоида показателя преломления и направлением оси поляризации. Значения эллипсоидных полуосей a и b определяются выражениями
a = E•sinα; b = E•cosα,
где
E - электрическое поле световой волны.

Разность фаз /фазовый набег/ определяется выражением
δ = (n_e-n_o)•d/cosψ,
где
n_e и n_o - показатели преломления необыкновенного и обыкновенного лучей;
d - толщина пленки;
ψ - - угол распространения луча в пленке относительно нормали.

Форма эллипса может изменяться от круговой (δ = λ/y) до линейной (δ = λ/2,λ), а направление длинной оси эллипса относительно главных направлений тензора показателя преломления - от 0 до 90. При ориентации плоскости поляризации света под углом 45^o относительно осей оптической анизотропии фазозадерживающей пленки и при δ = λ/2 фазозадерживающая пленка поворачивает плоскость поляризации падающего на нее света на 90^o, в результате чего он будет, не ослабляясь, проходить через второй поляризатор, если тот находится в скрещенном положении относительно первого поляризатора. При δ = λ направлении плоскости поляризации не изменяется и свет будет блокироваться вторым поляризатором. При промежуточных значениях δ свет, имея эллиптическую поляризацию, будет частично проходить через второй поляризатор. Так как показатели преломления n_o и n_e зависят от длины волны, то условие δ = λ/2 или δ = λ будет выполняться только для определенной длины волны. Поэтому, если свет немонохроматичный, оптическая система поляризатор - фазозадерживающая пленка - поляризатор окрашивается в какой-либо цвет, меняющийся при изменении угла зрения. Он меняется также при изменении d или α. Как видно из формул [1] и [2], для того, чтобы сформировать мозаичный рисунок, достаточно изменить в соседних элементах один из параметров, определяющих форму и направление эллипса поляризации проходящей световой волны: n_e, n_o, d, α или ψ.
Существенное отличие заявляемого решения основано на том, что декоративный материал создается на основе анизотропной пленки с изменяющимися оптическими свойствами, размещенной между двумя поляризаторами, или на основе анизотропной пленки с однородными оптическими свойствами, но на которую с одной или обеих сторон наносится поляризующее покрытие с изменяющимся направлением оси поляризации.

Анизотропная пленка с изменяющимися оптическими свойствами создается путем тиснения или локальной температурной обработки изначально однородной анизотропной пленки или нанесением на изотропную подложку тонкой пленки вещества, в которой молекулы, не имеющие основных полос оптического поглощения в видимой области, заданным образом ориентационно упорядочиваются.

Поляризующее покрытие с изменяющимся направлением оси поляризации формируется известными способами, описанными в патентах [2, 3, 4].

С помощью тиснения однородной анизотропной пленки создаются участки, отличающиеся геометрической толщиной, что и обеспечивает разную фазовую задержку и, следовательно, разную цветовую окраску этих областей. Для того чтобы цветовые оттенки двух соседних мозаичных элементов, имеющих разность показателей преломления Δ n = 0,1, воспринимались как разные, необходимо, чтобы их толщины различались на 1-3 мкм.

Тиснение осуществляется путем сдавливания полимерной пленки с помощью пресса между двумя поверхностями пресс-формы, одна из которых или обе имеют гравировку в виде рисунка. Другой способ тиснения заключается в прокатке полимерной пленки между двумя валиками. При этом на поверхность одного из них или на поверхности обоих валиков нанесена гравировка в виде рисунка. Гравировка пресс-формы и валков представляет собой обнижение вокруг рисунка на глубину от 0,1 до 10 мкм и может быть выполнена химическим или электрохимическим травлением или осаждением пленки металла, напылением, механической гравировкой или другими известными методами. Если рисунки наносятся на обе поверхности пресс-формы или валиков, то они могут быть сделаны одинаковыми по форме контура или разными. При одинаковой форме рисунков их можно выполнить оба как возвышающимися, так и обниженными элементами, либо на одной поверхности элемент выполнен в виде возвышения, а на другой в виде обнижения, так, чтобы при тиснении одинаковые области входили друг в друга, образуя при этом разную величину зазора в соседних областях. Для того, чтобы процесс тиснения протекал более легко, валики или пресс-форму нагревают до температуры размягчения полимерной пленки. Чтобы выровнять поверхность пленки после тиснения и придать ей однородность по толщине, сохранив при этом локальные изменения в оптической разности хода, на поверхность тиснения анизотропной пленки наносят изотропный слой лака или полимера.

Изменение оптических свойств анизотропной пленки путем ее локального нагрева можно осуществить непосредственным или косвенным касанием пленки нагретым до необходимой температуры предметом, обработкой пламенем горелки или потоком горячего газа.

Для получения анизотропного оптически прозрачного слоя с однородными или изменяющимися оптическими свойствами путем нанесения на изотропную подложку тонкой пленки молекулярно ориентированного вещества используются соединения, которые сами по себе или их растворы могут находиться в ЖК состоянии. В качестве таких соединений могут быть использованы низкомолекулярные ЖК, имеющие температуры плавления выше температуры окружающей среды, ЖК полимеры [5], а также некоторые низкомолекулярные вещества, склонные в растворах к образованию молекулярных агрегатов удлиненной формы [2].

Кроме красителей [2] для получения анизотропного прозрачного в видимой области спектра слоя могут быть использованы водные и водно-органические растворы ароматических соединений, обладающих поглощением в области спектра ниже 40 нм, выбранных из ряда органических и неорганических солей алкилбензолсульфонатов, сульфокислот нафталинового ряда, моно- и полисульфокислот производных бензоимидазола и бензотиазола, антрахинона, фенантрена, амино-, гидрокси-, галоид-, нитро и алкилантрахинонов, бензантрона, 3-бромбензантрона, водорастворимых органических белофоров и отбеливателей.

Нанесение пленки ЖК осуществляется известными способами, подробно описанными в патентах [2, 3], в основе которых лежат ракельный, фильерный и валковые методы. В этих методах процесс нанесения слоя ЖК раствора сочетается с одновременным ориентированием молекул под действием вязкостных сил, возникающих в процессе нанесения при растяжении слоя жидкости или сдвиге одного слоя относительно другого или за счет направленной обработки поверхности для придания ей анизотропии поверхностных свойств. При нанесении ЖК, находящихся в обычных условиях в твердом состоянии, их предварительно переводят в ЖК состояние разогревом до температуры плавления. Для получения элементов с разной толщиной могут быть использованы все перечисленные методы. Для этого на поверхности наносящего узла формируется известными способами рельеф ступенчатой, клинообразной или иной формы с перепадом высот на разных участках от 1 до 15 мкм. Чтобы получить мозаичную структуру за счет различной ориентации оптических осей анизотропного слоя, необходимо в случае фильерного или ракельного способов придать наносящему узлу возвратно-поступательное движение в направлении, перпендикулярном движению основы, на которую наносится анизотропный слой. В случае валковых методов это достигается путем формирования на поверхности вала рельефа в виде вытянутых канавок, направленных под необходимым углом к образующей вала. Эти канавки придают анизотропные свойства поверхности вала и обеспечивают молекулярную ориентацию в заданном направлении.

Другой способ формирования анизотропной пленки с изменяющимся направлением ориентации оптических осей и разности показателей преломления основан на известном способе получения оптической анизотропии путем направленной фотополимеризации или просто облучении поляризованным светом полимерной пленки, нанесенной на подложки [6].

Декоративный материал с интерференционно окрашенной мозаичной структурой может быть получен с помощью одного поляризатора. В этом случае вместо заднего поляризатора устанавливается зеркально или диффузно отражающая поверхность. Для этого на одну из поверхностей анизотропного материала напыляется пленка алюминия или другого хорошо отражающего материала или приклеивается отражающее покрытие в виде металлической фольги, зеркала или отражающей пленки. На другой стороне закрепляется поляризатор.

Для получения оригинальных оптических эффектов можно анизотропной пленке придать определенную форму и закрепить ее на прозрачный предмет с заданной плотностью, поместив все это в замкнутый объем, заполненный прозрачной жидкостью, например водой или органическим растворителем, так, чтобы анизотропная пленка и предмет, на котором она закреплена, находились в погруженном состоянии. При этом поляризаторы наклеить на внешние стороны сосуда. Движение предмета с анизотропной пленкой будет создавать игру цветов при наблюдении за ним через стенки сосуда с наклеенными на них поляризаторами. В качестве предмета, имеющего заданную плотность, можно использовать пустотелый объем из стекла, пластика или другого прозрачного материала.

Более подробно строение декоративного материала изображено на фиг. 1-4, а способы его изготовления на фиг. 5. На фиг. 1 показан декоративный материал, в котором мозаичный эффект возникает из-за разнотолщинности соседних участков анизотропной пленки 1. Анизотропная пленка помещена между двух поляризаторов 2, поляризующие оси которых могут быть ориентированы под произвольным углом, но для получения более выраженного эффекта предпочтительно под углом 90^o. Для улучшения оптических свойств и придания конструкции единства один или оба поляризаторов могут быть наклеены на анизотропную пленку 1. Для защиты всей конструкции от внешней среды с одной или обеих сторон они закрываются стеклянными прозрачными пластинами 3 или другим прозрачным жестким материалом путем механического закрепления или приклеивания 4. Чтобы повысить долговечность поляризаторов и анизотропной пленки на стекло может быть нанесен слой вещества, поглощающий свет в УФ и ИК области 5.

На фиг. 2 показан декоративный материал, в котором в качестве анизотропной пленки используется молекулярно ориентированная пленка вещества 1, прозрачного в видимой области и нанесенной на изотропную подложку 6, а мозаичный эффект достигается за счет различия в ориентации оптических осей соседних элементов мозаики. Все остальные элементы конструкции такие же, как и на фиг. 1.

На фиг. 3 изображен декоративный материал, в котором оптически анизотропная пленка имеет однородные свойства, а эффект мозаики достигается нанесением на обе стороны анизотропной пленки поляризующих покрытий 2, одно из которых или оба имеют различное направление оси поляризации в соседних элементах мозаики.

На фиг. 4 показан декоративный элемент с отражающим слоем 3 вместо одного из поляризаторов.

На фиг. 5 показан способ тиснения анизотропной пленки. Однородная по толщине анизотропная пленка 1 прокатывается между вращающимися валами 2 и 3, на поверхности которых имеются обнижения 4 и выступы 5, которые и формируют участки с различной толщиной. Для придания полимерной пленке 1 пластичности валики поддерживаются при температуре, близкой к температуре плавления полимера.

Действие декоративного элемента на проходящий через него свет происходит следующим образом. Поток света 1 /фиг. 1/, проходя через поляризатор 2, попадает на фазозадерживающую пластину 1. На каждом мозаичном элементе пучок света расщепляется на обыкновенный и необыкновенный луч, которые распространяются с разной скоростью. Так как мозаичные элементы имеют различную геометрическую толщину, в каждом элементе разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучом будет своя и на выходе из фазосдвигающей пластины все пучки будут иметь различную эллиптичность, что и обеспечивает различное пропускание светового потока вторым поляризатором. В случае немонохроматического света это приведет к различной окраске элементов мозаики. Если мозаика создается изменением ориентации оптических осей фазосдвигающей пластины в соседних элементах /фиг. 2/, поляризованный свет, проходящий через соседние элементы, будет иметь различную ориентацию осей эллипсов поляризации, и это также приведет к различному пропусканию потока света вторым поляризатором. При создании декоративного эффекта за счет мозаичного распределения осей поляризации в одном из поляризаторов /фиг. 3/ однородно поляризованный свет после прохождения через поляризатор 2 попадает на фазосдвигающую пластину 1 и однородно изменяет свою поляризацию по всей плоскости декоративной пластины. При прохождении света через второй поляризатор 3, в котором соседние элементы мозаики имеют различное направление осей поляризации, он будет в каждом элементе ослабляться по разному и поэтому они приобретут различную окраску. Декоративный материал с отражающим слоем /фиг. 4/ действует аналогично материалу с двумя поляризаторами. Свет проходит через поляризатор и дважды через анизотропную среду за счет отражения от задней поверхности и приобретает в результате в каждом мозаичном элементе соответствующую фазовую задержку. После этого он выходит из системы снова через тот же поляризатор, действующий на выходящий свет как второй поляризатор.

Таким образом, как видно из описания, заявляемое решение позволяет получить декоративный материал, выполненный не из отдельных вырезанных элементов мозаики, а из непрерывного оптически прозрачного материала, что значительно упрощает способ его изготовления.

Источники информации
1. JP 4-307300, A, 29.10.92
2. PCT WO 94/28073 A, 08.12.94
3. US 2400877 A, 28.05.46
4. JP 1-183602 A, 21.07.89.

5. US 5247377 A, 21.09.93.

6. SU 1015326 A, 25.01.82.

Декоративный материал для получения непрерывной оптически анизотропной пленки содержит фазозадерживающую пластину, включающую непрерывный слой оптически анизотропного материала, имеющего области, которые различаются величиной фазового набега и/или направлением быстрой оптической оси, или включающую непрерывный оптически однородный анизотропный материал, или вместо одного из поляризаторов содержит отражающую поверхность, а способ его изготовления для упрощения способа заключается в том, что формирование мозаичной структуры осуществляется путем тиснения оптически анизотропной полимерной пленки или путем локального температурного нагрева оптически анизотропной полимерной пленки. 5 с. и 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Декоративный материал, содержащий из двух поляризаторов с произвольным направлением осей поляризации и помещенных между ними фазозадерживающих пластин, имеющих разную толщину или ориентацию оптических осей и образующих рисунок или мозаичную структуру, отличающийся тем, что в качестве фазозадерживающей пластины содержит непрерывный слой оптически анизотропного материала, имеющего области, которые различаются величиной фазового набега и/или направлением быстрой оптической оси. 2. Материал по п.1, отличающийся тем, что оптически анизотропный материал представляет собой молекулярно ориентированную пленку вещества, нанесенную на оптически изотропную основу. 3. Декоративный материал, состоящий из двух поляризаторов с произвольным направлением осей поляризации и помещенных между ними фазозадерживающих пластин, имеющих разную толщину или ориентацию оптических осей и образующих рисунок или мозаичную структуру, отличающийся тем, что фазозадерживающая пластина представляет собой непрерывный оптически однородный анизотропный материал, а один или оба поляризатора представляют собой несколько элементов, которые различаются направлением оси поляризации. 4. Материал по пп.1 и 3, отличающийся тем, что анизотропная пленка помещена в прозрачную емкость, заполненную прозрачной или слабо окрашенной жидкостью, а поляризаторы размещены на внутренних или внешних сторонах емкости. 5. Материал по п.3, отличающийся тем, что один или оба поляризатора представляют собой пленку молекулярно ориентированного органического вещества, нанесенного непосредственно на оптически анизотропный материал или на оптически прозрачный подслой, нанесенный на поверхность анизотропного материала. 6. Материал по п.3, отличающийся тем, что в качестве молекулярно ориентированной пленки содержит слой органического вещества, для формирования которого используют лиотропные жидкие кристаллы или термотропные жидкие кристаллы, имеющие температуру перехода из твердого состояния в жидкокристаллическое выше температуры окружающей среды. 7. Декоративный материал, состоящий из двух поляризаторов с произвольным направлением осей поляризации и помещенных между ними фазозадерживающих пластин, имеющих разную толщину или ориентацию оптических осей и образующих рисунок или мозаичную структуру, отличающийся тем, что вместо одного из поляризаторов содержит отражающую поверхность. 8. Способ изготовления декоративного материала, включающий формирование мозаичной структуры из элементов оптически анизотропного материала, размещение ее между двумя поляризаторами и фиксации всей конструкции путем склеивания, отличающийся тем, что формирование мозаичной структуры осуществляется путем тиснения оптически анизотропной полимерной пленки. 9. Способ изготовления декоративного материала, включающий формирование мозаичной структуры из элементов оптически анизотропного материала, размещение ее между двумя поляризаторами и фиксации всей конструкции путем склеивания, отличающийся тем, что формирование мозаичной структуры осуществляется путем локального температурного нагрева оптически анизотропной полимерной пленки. 10. Способ по пп.8 и 9, отличающийся тем, что для формирования анизотропного прозрачного в видимой области спектра слоя используют водные и водно-органические растворы ароматических соединений, обладающих поглощением в области спектра ниже 400 нм, выбранных из ряда органических и неорганических солей алкилбензолсульфонатов, сульфокислот нафталинового ряда, моно- и дисульфокислот производных бензоимидазола и бензоимидазола и бензотиазола, антрахинона, фенантрена, гидрокси-, галоид-, нитро и алкилантрахинонов, бензантрона, 3-бромбензантрона, водорастворимых органических белофоров и отбеливателей.