光学薄膜既能够保障较高的透光率，同时也将红外热能阻挡在薄膜外，有效地隔断薄膜内外的热量传递[1-2]，可应用在汽车[3]、建筑[4]门窗等领域。但由于制备工艺与设备技术十分复杂，制备的光学薄膜通常价格较高、层数较少且隔热性能较弱[5-8]，难以实现产业化和规模化的生产，阻止其进一步的拓展使用。微纳层共挤技术是一种制备多层高分子复合材料的有效方法，具有特殊设计的层叠结构、稳定的压力输出、较高的层次叠加效率等优点，可以使不同的聚合物通过不同的通道层层叠加，形成多层的复合薄膜，且每一层的薄膜厚度可以达到纳米的尺度[9-10]。国内外学者已经将微纳层共挤技术应用在工业包装、建筑材料、精密器械、汽车玻璃膜等制造行业[11-15]。为提高复合材料对近红外区域光谱反射率，减少薄膜内外的热量交换，本实验共设计4级层叠设备，共512层的PC/PMMA光学薄膜，并探究复合薄膜的流动性能、微观形态、力学性能和光学性能等。1实验部分1.1主要原料聚碳酸酯(PC)，HP-201，苏州晶塑米新材料有限公司；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，001，佳裕达塑业有限公司。1.2仪器与设备真空干燥箱，DH-2C，深圳市恒泰仪器有限公司；发射扫描电镜(SEM)，NOVA Nano SEM450，美国FEI公司；拉伸测试仪，SHK-A101，苏州检卓仪器科技有限公司；熔融指数仪，KL-MI-AP，惠州优智自动化设备有限公司；万能材料试验机，GX-2.5-10，东莞高鑫检测设备有限公司；分光光度计，DR-3900，美国哈希有限责任公司。1.3装置原理图1为微纳多层共挤设备的总体布置和层叠装置原理。从图1a可以看出，微纳多层共挤设备的整体构造可分为挤出和汇流设备、薄膜叠加设备和拉伸成膜设备，其中最核心的为叠加设备。从图1b可以看出，PC和PMMA两种聚合物通过叠加设备被分为4股平行的聚合物层层叠加，通过一级层叠设备后，可以形成2×4=8层的复合薄膜，本实验共设计4级层叠设备，薄膜层数为2×44=512层。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.012.F001图1微纳多层共挤实验装置Fig.1Micro-nano multilayer co-extrusion experimental device1.4样品制备将PMMA聚合物在90 ℃的真空干燥箱中放置3 h至完全烘干，在110 ℃下将PC聚合物放置10 h至完全烘干。将PMMA和PC聚合物分别置于两台完全相同的挤出机，分别设置一区至四区的温度，PMMA挤出机的温度设置分别为260、265、275和280 ℃，PC挤出机的温度设置分别为230、245、260和270 ℃，挤出速率在30 r/min。层叠装置、拉伸装置和定型设备分别恒温至260、175和60 ℃，性能参数调整好后预测30 min，调整拉伸设备的横纵比，得到不同厚度的复合材料。1.5性能测试与表征熔体流动速率(MFR)测试：按GB/T 3682—2000进行测试。SEM测试：对试样喷金处理，观察样品表面形貌。拉伸性能测试：按GB/T 1040.1—2018进行测试，拉伸速率2.5 mm/min，试样大小为150 mm×20 mm×4 mm。光学性能测试：测试近红外和可见光区域的波长分别为782~1 180 mm和410~775 mm，每步均为1 nm。2结果与讨论2.1温度对复合薄膜流动性的影响聚合物的流动速率与温度相关，为了使不同层的薄膜材料厚度均匀一致，需要调节温度控制各股聚合物流体的流动速度均匀且相同。图2为对PC和PMMA在不同温度的MFR测试结果。从图2可以看出，PC和PMMA两种聚合物的MFR随着温度的升高呈现不断增大的趋势，这是典型的热塑性聚合物特征。在245~260 ℃时，两种聚合物的MFR的大小基本一致，为两种聚合物能够通过层叠装置形成厚度均一的多层薄膜提供客观条件。在260 ℃以后，两者MFR之间的差值逐渐增大，这是因为随着温度的进一步升高，PMMA不稳定并发生降解，从而使PMMA的流动性能发生改变。因此，为了得到厚度均一的复合薄膜，选择层流挤出温度应该控制在245~260 ℃范围内。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.012.F002图2复合薄膜MFR随温度的变化Fig.2Temperature dependence of MFR of composite films2.2厚度对复合薄膜光学性能的影响热量分布集中在波长较长的近红外区域(82~1 180 mm)，在可见光区域(410~775 mm)热量较小，因此，对不同厚度(40~280 μm)的微纳多层聚合物薄膜，在近红外区域的反射率和可见光区域的透光率进行分析。图3为40~280 μm厚度的复合薄膜在近红外区域的平均反射率。从图3可以看出，随着薄膜膜厚的增加，薄膜的反射率呈现波动状态，当厚度为200 μm，聚合薄膜的平均反射率最高，可达到24.2%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.012.F003图3不同厚度复合薄膜在近红外区域的反射率Fig.3Reflectivity of composite films with different thickness in near infrared region图4为不同厚度的复合薄膜在可见光区域的透过率。从图4可以看出，复合薄膜在可见光区域仍保持较高的透过率，且不同厚度复合薄膜的平均透过率在77%~82%之间。在40、200和280 μm厚度下，复合薄膜的透过率超过80%，其中复合薄膜厚度为200 μm时，可见光透过率最高，平均透过率可以达到82.2%。因此，复合薄膜厚度为200 μm时，薄膜具有最高的热量反射率和可见光透过率，光学性能最好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.012.F004图4不同厚度复合薄膜在可见光区域的透过率Fig.4Transmittance of composite films with different thickness in visible region2.3复合薄膜的SEM分析图5为分别对200 μm和160 μm厚度的复合薄膜的断面进行SEM分析。从图5可以看出，厚度为200 μm时，薄膜的断面各层之间分界线清晰整齐，分层效果明显，这说明PC和PMMA两种物料层叠效果好，达到实验预期。厚度为160 μm时，层与层之间的分割线不明显，呈现不连续的状态，说明表面PC和PMMA两种聚合物在流动过程中已经发生混流，可能是由于复合薄膜厚度降低，使每层聚合物流动不连续。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.012.F005图5不同厚度下复合薄膜断面的SEM照片Fig.5SEM images of composite films with different thickness2.4复合薄膜的力学性能分析图6为PC、PMMA以及PC/PMMA薄膜的拉伸强度测试结果。从图6可以看出，在TD方向，PC和PMMA的拉伸强度分别为36.5 MPa和14.7 MPa，而PC/PMMA薄膜的拉伸强度可以达到42.3 MPa，较PC和PMMA分别提升15.9%和187.8%。在MD方向，PC/PMMA聚合物薄膜的拉伸强度高达58.1 MPa，较PC和PMMA的36.9 MPa和15.6 MPa分别提升57.5%和272.4%。无论在TD还是MD方向，复合薄膜的拉伸强度均明显优于单一的聚合物薄膜，PC/PMMA聚合物薄膜的力学性能均较大幅度地提升。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.012.F006图6PC、PMMA以及PC/PMMA薄膜的拉伸强度Fig.6Tensile strength of PC， PMMA and PC/PMMA films此外，PC、PMMA以及复合薄膜的MD拉伸强度明显比大于TD，这是因为聚合物流体在流经层叠装置时发生纵向的剪切作用，使每层的聚合物规则延伸，有效增强聚合物在横向的力学性能，而在纵向上，发生明显分层，使复合薄膜在TD上的力学性能减弱，拉伸强度下降。图7为PC、PMMA以及PC/PMMA复合薄膜在TD和MD方向上的断裂伸长率。从图7可以看出，无论在TD还是MD方向上，PC/PMMA复合薄膜的断裂伸长率都介于PC和PMMA之间。可能是因为经过层叠装置后的复合薄膜综合两种聚合物的性能，也说明在PMMA薄膜中，通过微纳多层技术加入PC聚合物是提升断裂伸长率的一种有效方法。另外，三种薄膜在MD方向的断裂伸长率大于TD方向，出现这种现象的原因是多层复合薄膜在MD方向上形成薄膜的有序排列，增强其拉伸强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.012.F007图7PC、PMMA以及PC/PMMA薄膜的断裂伸长率Fig.7Elongation at break of PC， PMMA and PC/PMMA films2.5复合薄膜的光学性能分析图8为近红外区域对PC、PMMA以及PC/PMMA复合薄膜的反射率。从图8可以看出，PC和PMMA薄膜在近红外区域反射率随波长的变化稳定在8%左右，而PC/PMMA复合薄膜的反射率明显优于单一薄膜，复合薄膜的最大反射率可以达到25.5%以上，平均反射率稳定在24%。说明通过微纳共挤技术制备的多层复合物薄膜，其反射近红外区域光线的性能得到明显提升。相比单一薄膜，复合薄膜的反射率也呈现波动的状态，因为不同层之间不同聚合物的折射率不同，在层与层之间发生光的干涉。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.012.F008图8近红外区域不同类型复合薄膜的反射率Fig.8Reflectivity of different types of composite films in near infrared region选取近红外区反射率较高和可见光区透过率较高的光学薄膜，图9为不同波长的光束下两种不同厚度的复合薄膜的反射率。从图9可以看出，765~870 nm和955~1 075 nm范围内，200 μm厚度的复合薄膜的反射率要高于120 μm厚度的复合薄膜，870~955 nm时则相反，超过1 075 nm的反射率大小基本相同。对比发现，200 μm厚度的复合薄膜反射近红外区域的最大反射率为25.7%，平均反射率为24%，120 μm厚度的复合薄膜最大反射率为24.4%，平均反射率为22.3%。综上所述，200 μm厚度的复合薄膜改善光学性能效果最好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.012.F009图9近红外区域两种厚度的复合薄膜的反射率Fig.9Reflectivity of composite films with two types of thickness in near infrared region3结论（1）通过改变温度来测试PC和PMMA的流动性能，结果发现：在245~260 ℃之间，两种聚合物的MFR的大小基本一致，为了保证两股聚合物流体的均匀流动，挤出温度应控制在245~260 ℃以内。厚度40~280 μm微纳多层聚合物薄膜中，200 μm厚度的复合薄膜光学性能最高，平均反射率和平均透过率可分别达到24.2%和84.2%。SEM结果表明：厚度为200 μm时，薄膜的断面各层分层效果明显，PC和PMMA层叠效果好，达到实验预期。（2）MD方向上的力学性能明显优于TD，复合薄膜的拉伸强度比单一薄膜的拉伸强度都要大，断裂伸长率介于PC和PMMA之间。（3）近红外区域，PC/PMMA复合薄膜的反射率优于单一薄膜。厚度为200 μm的复合薄膜的最大反射率为25.7%，平均反射率可达24%，改善光学性能效果更好。