歐陽星，陳大柱，湯皎寧

（深圳大學(xué)材料學(xué)院高分子材料與工程系，深圳市特種功能材料重點實驗室，廣東省深圳市 518060）

LED照明用光擴(kuò)散PC的制備

歐陽星，陳大柱，湯皎寧

（深圳大學(xué)材料學(xué)院高分子材料與工程系，深圳市特種功能材料重點實驗室，廣東省深圳市 518060）

光擴(kuò)散聚碳酸酯（PC）用于發(fā)光二極管照明能顯著改善照明效果。采用丙烯酸類和有機(jī)硅類光擴(kuò)散粒子制備了兩種光擴(kuò)散PC材料。通過掃描電子顯微鏡觀察、透光率測試和熱性能分析等研究了PC材料的分散性和光擴(kuò)散性能。結(jié)果表明：霧度為91.4%時，丙烯酸類光擴(kuò)散PC材料的透光率較有機(jī)硅類高，達(dá)到81.3%，但添加光擴(kuò)散粒子份數(shù)更大（2～5 phr）；有機(jī)硅類光擴(kuò)散PC材料能保持PC的沖擊強度和良好的加工熱穩(wěn)定性能。

聚碳酸酯 發(fā)光二極管照明 光擴(kuò)散 透光率 霧度

光擴(kuò)散材料指能將點、線光源轉(zhuǎn)化成線、面光源的材料，一般通過將與基材不同折射系數(shù)的光擴(kuò)散粒子分散在透明基材中制備得到，早期多用于液晶顯示器的背光源材料，又稱為光散射材料或散光材料[1-2]。將光擴(kuò)散材料用于發(fā)光二極管（LED）照明是近年來開辟的一個新應(yīng)用領(lǐng)域。LED照明較液晶背光源更強，柔和光線性能更高；用于LED照明的光擴(kuò)散材料在擴(kuò)散光的同時，須盡量減少光損失[3-4]，且有良好的韌性。因此，多采用有機(jī)光擴(kuò)散粒子和聚碳酸酯（PC）通過共混法制備兼有高透光率和高光擴(kuò)散性能的LED照明用光擴(kuò)散材料[5-7]。LED照明用光擴(kuò)散材料原理示意見圖1。

近年來，越來越多的LED照明光電企業(yè)和用戶已經(jīng)意識到光擴(kuò)散材料作為LED照明勻光燈罩材料的重要性；國際大公司多在我國申請該方面專利[5-7]；國內(nèi)塑料改性廠商也在推出類似產(chǎn)品[8]；總體說來，目前LED照明的光擴(kuò)散材料均處于市場試用階段。本工作采用應(yīng)用最廣的丙烯酸類和有機(jī)硅類光擴(kuò)散粒子制備LED照明用光擴(kuò)散PC。研究這兩種光擴(kuò)散粒子對PC材料性能的影響，比較了兩種光擴(kuò)散材料的分散性、光學(xué)性能及熱穩(wěn)定性能。

1 實驗部分

1.1 原料和設(shè)備

PC，1250Y，韓國LG公司生產(chǎn)；丙烯酸類光擴(kuò)散粒子和有機(jī)硅類光擴(kuò)散粒子，市售。TE35型同向雙螺桿擠出機(jī)，南京科亞公司生產(chǎn)；PT80型注塑機(jī)，力勁科技有限公司生產(chǎn)；SU70型掃描電子顯微鏡，日本日立公司生產(chǎn)；WGT-S型透光率/霧度測定儀，廣州標(biāo)際包裝設(shè)備有限公司生產(chǎn)；CMT6104型萬能試驗機(jī)，ZBC1400-B型塑料擺錘沖擊試驗機(jī)，均為美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國有限公司）生產(chǎn)；XNR-400AM型熔體流動速率儀，承德大華試驗機(jī)有限公司生產(chǎn)；Q50型熱重分析儀，Q200型差示掃描量熱儀，均為美國TA儀器公司生產(chǎn)。

1.2 試樣制備

將PC在110℃下干燥12 h，然后將光散射粒子分別按一定質(zhì)量份數(shù)與PC充分混合。用雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒后注塑成型，測試試樣。

1.3 性能測試

光擴(kuò)散粒子分散性:將試樣在液氮中脆斷，表面噴金后用掃描電子顯微鏡（觀察。

光擴(kuò)散性能按GB/T 2410—2008測試；簡支梁缺口沖擊強度按GB/T 1043.1—2008測試；拉伸性能按GB/T 1040—2006測試；熔體流動速率（MFR）按GB/T 3682—2000測試，260℃，2.16 kg。

熱重（TG）分析：稱取試樣約10 mg，氮氣氛圍，升溫速率20℃/min。差示掃描量熱法（DSC）分析：取約10 mg試樣，以20℃/min升溫至150℃，恒溫3 min，再迅速降溫至-20℃，然后以20℃/ min升溫至150℃，結(jié)果選取第二段升溫過程的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（g

2 結(jié)果與討論

2.1 光擴(kuò)散粒子形態(tài)和分散性

有機(jī)光擴(kuò)散粒子相對無機(jī)粒子而言對光的吸收較少，可制備兼有高透光率和高霧度的光擴(kuò)散材料。目前，應(yīng)用最廣的是丙烯酸類和有機(jī)硅類光擴(kuò)散粒子。從圖2可以看出：丙烯酸類光擴(kuò)散粒子呈球狀，粒徑在3～5 μm；有機(jī)硅類光擴(kuò)散粒子也是球狀，粒徑比丙烯酸類光擴(kuò)散粒子小，在2 μm左右。

要得到性能優(yōu)良的光擴(kuò)散材料，光擴(kuò)散粒子在聚合物中的良好分散很重要。從圖3可以看出：相對于純PC斷面，光擴(kuò)散PC中分布著大量光擴(kuò)散粒子微球和相應(yīng)孔洞。丙烯酸類光擴(kuò)散材料的孔徑大于有機(jī)硅類光擴(kuò)散材料，兩種光擴(kuò)散粒子均能在PC中良好分散。

2.2 光擴(kuò)散材料的透光率和霧度

從表1和表2可以看出：無論是丙烯酸類光擴(kuò)散PC還是有機(jī)硅類光擴(kuò)散PC，隨著光擴(kuò)散粒子用量增加，光擴(kuò)散材料的霧度不斷增大，透光率不斷下降。對比1.00 phr光擴(kuò)散粒子2 mm厚光擴(kuò)散板和2.00 phr光擴(kuò)散粒子1 mm厚光擴(kuò)散板可以看出：板材厚度對透光率和霧度的影響比光擴(kuò)散粒子用量的影響大。

表1 丙烯酸類光擴(kuò)散PC和的透光率和霧度Tab.1Transmittance and haze of the acrylic light diffusing PC

表2 有機(jī)硅類光擴(kuò)散PC的透光率和霧度Tab.2Transmittance and haze of the silica light diffusing PC

從圖4可以看出：添加少量的（如0.5 phr）有機(jī)硅類光擴(kuò)散粒子，PC板的霧度就可達(dá)到2 phr丙烯酸類光擴(kuò)散板的效果，但是透光率更低。其原因是有機(jī)硅類光擴(kuò)散粒子具有較小的粒徑和折射系數(shù)，因此具有更好的增大霧度的效果。從圖4還可以看出：達(dá)到相同的霧度時，盡管丙烯酸類光擴(kuò)散粒子用量顯著大于有機(jī)硅粒子，但丙烯酸類光擴(kuò)散材料卻具有比有機(jī)硅光擴(kuò)散材料更高的透光率。其原因是丙烯酸粒子對光的吸收較有機(jī)硅粒子少。

2.3 力學(xué)性能和MFR

從表3和表4可看出：PC的拉伸強度、拉伸斷裂應(yīng)變和MFR等隨光擴(kuò)散粒子用量改變不大。但丙烯酸光擴(kuò)散粒子會降低PC的沖擊強度，但PC中加入少量的丙烯酸類光擴(kuò)散粒子即引起沖擊強度顯著下降，而有機(jī)硅光擴(kuò)散粒子對PC沖擊強度影響不大。其中原因是丙烯酸光擴(kuò)散粒子粒徑（3～5 μm）較大。大粒徑粒子容易引發(fā)缺陷，導(dǎo)致沖擊強度顯著下降。而有機(jī)硅粒子的粒徑僅約2 μm，對沖擊強度影響不大。

表3 丙烯酸光擴(kuò)散PC力學(xué)性能Tab.3Mechanical properties of the acrylic light diffusing PC

表4 有機(jī)硅光擴(kuò)散PC力學(xué)性能Tab.4Mechanical properties of the silica light diffusing PC

2.4 熱性能

PC黏度大，加工溫度高，因此要求光擴(kuò)散粒子有一定的熱穩(wěn)定性。從圖5看出：丙烯酸類光擴(kuò)散粒子起始熱分解溫度約230℃有機(jī)硅類光擴(kuò)散粒子起始熱分解溫度約290℃，PC的起始熱分解溫度約430℃?？梢妰煞N光擴(kuò)散粒子的熱穩(wěn)定性均比PC差，有機(jī)硅類光擴(kuò)散材料比丙烯酸類光擴(kuò)散材料具有更好的熱穩(wěn)定性能。

由于有機(jī)硅類光擴(kuò)散材料的起始熱分解溫度約為290℃，并且用量較少，一般在1.00 phr以下，因此，對于300℃以下的成型加工，具有良好的熱穩(wěn)定性。

丙烯酸類光擴(kuò)散材料到354℃才有失重，對300℃下的加工影響不大。但將200～354℃曲線（圖5中虛線框部分）放大如圖5b所示，可以看到：加入光擴(kuò)散粒子的光擴(kuò)散材料在230℃開始已有輕微的熱失重。比較曲線2和曲線3可看出：隨著光擴(kuò)散粒子的用量增大（從1.00 phr增大到4.00 phr），光擴(kuò)散PC的熱失重更加明顯。因此，丙烯酸類光擴(kuò)散粒子會影響PC的熱穩(wěn)定性能，其添加量不能太大，否則光擴(kuò)散粒子在加工過程中的熱分解會影響光擴(kuò)散材料的性能。

從圖6看出：丙烯酸類光擴(kuò)散粒子的Tg是137.7℃，有機(jī)硅類光擴(kuò)散粒子低于200℃時不存在Tg，PC的Tg是150.2℃。光擴(kuò)散粒子加入到PC中均使其Tg下降。原因是均勻分散在PC中的球狀光擴(kuò)散粒子有助于PC分子鏈段的運動，故Tg降低。

3 結(jié)論

a)采用丙烯酸類和有機(jī)硅類光擴(kuò)散粒子制備得到LED照明用光擴(kuò)散PC材料；兩種光擴(kuò)散粒子均是微米級球狀，且均能良好地分散在PC中。

b)丙烯酸類光擴(kuò)散粒子較有機(jī)硅類光擴(kuò)散粒子粒徑更大，相應(yīng)光擴(kuò)散材料在達(dá)到相同霧度用量（2.00～5.00 phr）更多，但具有更高的透光率。

c)有機(jī)硅類光擴(kuò)散材料添加少量光擴(kuò)散粒子（低于1.00 phr）就能達(dá)到高霧度，而且能保持PC的高沖擊強度和良好的加工熱穩(wěn)定性能。

[1]Ishihaoda Minoru，Tanuma Itsuo，Nairo Kazuo.Light scattering material：US，5744534[P].1998-04-28.

[2]高峰，董賢武，童真.具有高散射能力的聚合物導(dǎo)光材料[J].材料研究學(xué)報，1998,12(6):619-623.

[3]Stokes，EdwardBrittain，McNulty，etal.Solidstateillumination systemcontainingalightemittingdiode，alightscatteringmaterial and a luminescent material：US，6791259[P].2004-09-14.

[4]Lenk C，Kaerol R.LED light source has filler material inside panel containing material to diffuse light from LED by Mie scattering：EP，2215403A1[P].2010-08-11.

[5]木暮真巳，川東宏至.光擴(kuò)散性聚碳酸酯系樹脂組合物以及使用該樹脂組合物的光擴(kuò)散板：中國，101193981A[P].2008-06-04.

[6]川東宏至,木暮真巳,堀尾慶彥，等.光擴(kuò)散性聚碳酸酯類樹脂組合物以及使用該樹脂組合物的光擴(kuò)散板：中國，101213256[P].2008-07-02.

[7]池松龍介，村井麻衣子.阻燃光擴(kuò)散性聚碳酸酯樹脂組合物：中國，101423655[P].2009-05-06.

[8]楊華軍，張秀菊，沈俊才,等.LED照明用聚碳酸酯基光散射材料的研究[J].工程塑料應(yīng)用，2011，39(1)：44-47.

Preparation of light diffusing polycarbonate used in LED illumination

Ouyang Xing,Chen Dazhu,Tang Jiaoning

(Shenzhen Key Laboratory of Special Functional Materials,Department of Polymer Materials and Engineering,College of Materials Science and Engineering,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China)

Using light diffusing polycarbonate(PC)in light-emitting diode(LED)illumination could improve lighting efficiency remarkably.Two kinds of light diffusing PC materials were prepared with acrylic and silica as light diffusing agents.The dispersing and light diffusing properties of the PC materials were studied by scanning electron microscopy(SEM),transmittance test and thermal analysis.The results show that when the materials′haze is 91.4%,the acrylic light diffusing PC material has transmittance of 81.3%,higher than the silica light diffusing PC material,though more quantity of light diffusing agent(2-5 phr)is needed.As a contrast,the silica light diffusing PC material can retain both the high impact strength and good thermal stability in processing the pure PC originally possesses.

polycarbonate;light-emitting diode illumination;light diffusing;transmittance;haze

TQ 342+.24

B

1002-1396（2012）-04-0021-04

2012-01-27。

2012-04-26。

歐陽星，1980年生，博士，副教授，2006年畢業(yè)于華南理工大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，主要研究方向為高分子合成、改性與功能化。聯(lián)系電話：13538099701；E-mail:oyx@szu.edu.cn。

廣東省科技計劃項目（2011B010400013）；深圳市模具先進(jìn)制造技術(shù)重點實驗室基金（MKL09009）。

（編輯：吳雅榮）