光擴(kuò)散劑粒徑對PC光擴(kuò)散板性能的影響

沈辰 蔡思怡 周康 徐燈 丁永紅

(常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州，213164)

光擴(kuò)散劑粒徑對PC光擴(kuò)散板性能的影響

沈辰 蔡思怡 周康 徐燈 丁永紅

(常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州，213164)

在聚碳酸酯(PC)中加入交聯(lián)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球(光擴(kuò)散劑)，通過紫外可見光分光光度計、掃描電子顯微鏡(SEM)等測試方法研究了PC光擴(kuò)散板的光擴(kuò)散機(jī)理以及光擴(kuò)散劑粒徑大小對PC光擴(kuò)散板光透過率、霧度、有效光散射系數(shù)及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：光擴(kuò)散劑粒徑為20.0 μm時，PC光擴(kuò)散板光透過率較高；光擴(kuò)散劑粒徑為1.8 μm時，PC光擴(kuò)散板霧度較大；光擴(kuò)散劑粒徑為3.0 μm時，PC光擴(kuò)散板有效光散射系數(shù)較大且滿足使用時力學(xué)性能要求；光擴(kuò)散劑粒徑增大，光透過率增加，霧度減小。

聚碳酸酯 交聯(lián)聚甲基丙烯酸甲酯微球 光擴(kuò)散劑 光擴(kuò)散機(jī)理 粒徑大小 光擴(kuò)散性能

為了應(yīng)對光二極管(LED)光源產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，光擴(kuò)散材料的生產(chǎn)必須要實現(xiàn)連續(xù)化和高產(chǎn)率。因此，大多數(shù)新型光擴(kuò)散材料是采取透明的聚合物基材樹脂與光擴(kuò)散微球粒子共混的方法制備。其中光擴(kuò)散微球粒子包括無機(jī)微粒，如SiO2,BaSO4；以及有機(jī)聚合物微粒，如丙烯酸類交聯(lián)微球、聚苯乙烯(PS)、硅樹脂等[1]。但是，由于無機(jī)微粒表面較尖銳，容易劃傷光擴(kuò)散材料，導(dǎo)致其光學(xué)性能受影響，所以有機(jī)聚合物微粒作為光擴(kuò)散劑使用較廣泛。本試驗采用應(yīng)用廣泛的交聯(lián)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球作為光擴(kuò)散劑制備LED光源用聚碳酸酯(PC)光擴(kuò)散板，比較光擴(kuò)散劑粒徑大小對PC光擴(kuò)散板性能的影響。

1 試驗部分

1.1 主要原料

PC，1100，折射率1.59，韓國湖南石化；MX系列的光擴(kuò)散劑是一組粒徑分別為1.8，3.0，10.0，15.0，20.0 μm的交聯(lián)PMMA微球，型號分別為MX-180，MX-300，MX-1000，MX-1500，MX-2000(下文以其型號代替相應(yīng)微球)，折射率1.49，綜研(蘇州)化學(xué)有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

同向雙螺桿擠出機(jī)，SHJ-35，中國廣達(dá)橡塑機(jī)械廠；注塑機(jī)，HY600，寧波海鷹塑料機(jī)械有限公司；紫外可見光分光光度計、UV-2450，紫外光分光光度計積分球、ISR-2200，掃描電子顯微鏡(SEM)，JSM-6360LA，日本島津公司；微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)，WDT-10，深圳凱強(qiáng)利機(jī)械有限公司；沖擊試驗機(jī)，XJU-22，承德市試驗機(jī)廠。

1.3 試樣制備

將純PC在110 ℃下干燥12 h，然后利用雙螺桿擠出機(jī)，分別與不同粒徑的光擴(kuò)散劑混合制造光擴(kuò)散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的母粒，再將制得的母粒與PC按一定比例混合，通過注塑機(jī)制備光擴(kuò)散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的注射成型光擴(kuò)散板。

1.4 性能測試

根據(jù)GB/T 2410—2008測得在可見光波段下的光透過率(Tt)以及光線偏離原始入射光線2.5°的光透過率(Td)，計算出霧度為Td/Tt。

SEM分析：將樣品放入液氮中浸泡10 min，取出直接脆斷，斷面經(jīng)表面噴金處理后，在SEM上觀察光擴(kuò)散劑在PC光擴(kuò)散板中的分散情況。

力學(xué)性能測試：拉伸強(qiáng)度測試按照GB/T 1040.1—2006標(biāo)準(zhǔn)測試；彎曲強(qiáng)度測試按照GB/T 14208 2—2009標(biāo)準(zhǔn)測試；缺口沖擊強(qiáng)度試驗按照GB/T 1043—1993標(biāo)準(zhǔn)測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌的表征

圖1為在光擴(kuò)散劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，改變光擴(kuò)散劑粒徑大小得到的不同PC光擴(kuò)散板的SEM照片。由圖1可以看出，PC基材與光擴(kuò)散劑之間形成孔隙。

2.2 光擴(kuò)散機(jī)理的研究

由2.1微觀形貌可以看出，光線入射后得到折射的類型有3種：1)入射光線進(jìn)入PC基材發(fā)生折射；2)入射光線在孔隙處發(fā)生折射；3)入射光線與光擴(kuò)散劑發(fā)生折射。當(dāng)孔隙減小直至消失時，光線入射后得到折射的類型僅有2種：1)入射光線進(jìn)入PC發(fā)生折射；2)入射光線與光擴(kuò)散劑發(fā)生折射。由于PC、空氣、光擴(kuò)散劑交聯(lián)PMMA微球的折射率分別為1.59，1.00，1.49。所以光線在PC光擴(kuò)散材料中折射示意圖如圖2所示。按照霧度的定義為，使部分平行光偏離入射方向大于2.5°的散射光通量與透過材料的光通量之比的百分率，所以光線在基材中折射次數(shù)越多，理論上霧度越大。根據(jù)圖2所示的光擴(kuò)散折射示意圖，當(dāng)光擴(kuò)散材料中具有孔隙時，光線折射次數(shù)多于在無孔隙的光擴(kuò)散材料中折射次數(shù)，又因為粒徑越大孔隙直徑與光擴(kuò)散劑直徑之比越小，使得孔隙越小，所以推測當(dāng)光擴(kuò)散劑粒徑增大時，光擴(kuò)散材料霧度下降。

由于本試驗采用的光擴(kuò)散劑粒徑分布在1.8～20.0 μm，其尺寸大于可見光波長，因此其對光的擴(kuò)散效應(yīng)屬于Mie散射。根據(jù)Mie散射定律，將球形粒子均勻分散在基材樹脂中，體系的散射光強(qiáng)即總光透過率，是粒子折射率、粒徑、散射角以及粒子周圍介質(zhì)中入射光波長的函數(shù)[2]。由于散射角及粒子周圍介質(zhì)中入射光波長是一定的，僅考慮粒子折射率和粒徑對試樣光學(xué)性能影響時，在一定范圍內(nèi)，粒徑越大，折光率差值越大，試樣的散射光強(qiáng)較高，所以在一定范圍內(nèi)，推測光透過率隨著粒徑增大而增大。

根據(jù)光擴(kuò)散機(jī)理，當(dāng)光擴(kuò)散劑與PC基材形成兩相結(jié)構(gòu)時，可以通過改變光擴(kuò)散劑粒徑大小從而改變其與PC基材間的孔隙，所以不考慮增加PC基材與交聯(lián)PMMA微球光擴(kuò)散劑之間相容性。

2.3 光擴(kuò)散劑粒徑對PC光擴(kuò)散板光學(xué)性能影響

2.3.1 對霧度的影響

圖3為光擴(kuò)散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%，選擇添加不同粒徑的光擴(kuò)散劑注塑色板進(jìn)行紫外光分光光度計測試，得到的在可見光波長范圍內(nèi)(390～780 nm)，不同粒徑光擴(kuò)散劑填充PC光擴(kuò)散板霧度曲線。由圖3可以看出，隨著光擴(kuò)散劑粒徑的增大，PC光擴(kuò)散板霧度減小。

圖4為選取圖3中600 nm波長下，粒徑大小對PC光擴(kuò)板散霧度影響。

由圖4可知，光透過率隨粒徑增大而減小，在粒徑為1.8 μm時達(dá)到最大值，霧度為92.89%。

2.3.2 對光透過率的影響

圖5為光擴(kuò)散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%，選擇添加不同粒徑的光擴(kuò)散劑注塑色板進(jìn)行紫外光分光光度計測試，得到的在可見光波長范圍內(nèi)(390～780 nm)，不同粒徑光擴(kuò)散劑填充PC光擴(kuò)散板光透過率曲線。由圖5可知，光透過率隨著光擴(kuò)散劑粒徑的增加呈上升趨勢。

圖6為選取圖5中600 nm波長時，光擴(kuò)散劑粒徑對PC光擴(kuò)散板光透過率影響。由圖6可知，光透過率隨粒徑增大而增大，在粒徑為20.0 μm時達(dá)到最大值，光透過率為83.73%。

2.3.3 有效光散射系數(shù)判斷光擴(kuò)散劑較佳粒徑

由光擴(kuò)散板實際應(yīng)用可知，光擴(kuò)散材料需要同時滿足高光透過率、高霧度2種要求。所以，引進(jìn)霧度與光透過率的乘積，即有效光散射系數(shù)作為判斷光散射板光擴(kuò)散性能好壞的物理量。

圖7是在波長600 nm下，將光透過率與霧度進(jìn)行乘法運(yùn)算，得出有效光散射系數(shù)隨著光擴(kuò)散劑粒徑增加的關(guān)系(光擴(kuò)散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%)。由圖7可知，隨著光擴(kuò)散劑粒徑增加，有效光散射系數(shù)先增加后減小，在粒徑為3.0 μm時達(dá)到最大值69.68%。即粒徑為3.0 μm光擴(kuò)散劑填充PC光擴(kuò)散板可以達(dá)到既有高光透過率又高霧度的要求，此時光透過率為75.01%，霧度為92.89%。

2.4 光擴(kuò)散劑粒徑對PC光擴(kuò)散板力學(xué)性能影響

光擴(kuò)散板在實際使用過程中，除了需要有良好的光學(xué)性能，在力學(xué)性能方面也必須滿足拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度以及彎曲強(qiáng)度的要求。圖8為光擴(kuò)散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%，得到不同粒徑光擴(kuò)散劑填充PC光擴(kuò)散板力學(xué)性能的曲線。由圖8可以看出,隨著光擴(kuò)散劑粒徑增加，PC光擴(kuò)散板的拉伸強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)粒徑為20.0 μm時，拉伸強(qiáng)度最大為67.69 MPa。隨著光擴(kuò)散劑粒徑的增加，缺口沖擊強(qiáng)度在光擴(kuò)散劑粒徑為3.0 μm及以下時，基本保持不變，當(dāng)粒徑繼續(xù)增加時，缺口沖擊強(qiáng)度下降較快。隨著光擴(kuò)散劑粒徑增加，彎曲強(qiáng)度基本不變。這是因為本試驗添加的光擴(kuò)散劑含量較少，不足以引發(fā)較明顯的彎曲性能變化。

光擴(kuò)散板實際應(yīng)用時力學(xué)性能要求拉伸強(qiáng)度55.00 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度60.00 kJ/m2,彎曲強(qiáng)度為100.0 MPa。當(dāng)光擴(kuò)散劑粒徑3.0 μm時，拉伸強(qiáng)度為57.99 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度為68.13 kJ/m2,彎曲強(qiáng)度為105.2 MPa,滿足光擴(kuò)散板使用的力學(xué)性能要求。

3 結(jié)論

a) PC光擴(kuò)散板擴(kuò)散光源的機(jī)理為入射光線在經(jīng)過PC基材、孔隙以及光擴(kuò)散劑時，發(fā)生折射與反射。

b) 隨光擴(kuò)散劑粒徑增加，使PC光擴(kuò)散板光透過率增加，霧度降低；當(dāng)粒徑為20.0 μm時，光透過率為83.73%，當(dāng)粒徑為1.8 μm時，霧度為92.89%。

c) 當(dāng)光擴(kuò)散劑粒徑為3.0 μm時，可以得到具有光透過率、高霧度的PC光擴(kuò)散板,制備的PC光擴(kuò)散板滿足力學(xué)性能要求。

[1] Yamada Y，Kasuga F．Light-scattering spherical silica particles suitable for liquid crystal display device and their preparation：JP，2001188109[P]．2001-06-21．

[2] Jonsson Jocob C，Smith Georey B，Niklasson Gunnar A．Experinmental and monte carlo analysis of isotropic multiple Mie scattering[J].Optics Communications，2004，240：9-17．

Effect of Particle Size of Light Diffusion Agent on Properties of PC Light Diffusion Slab

Shen Chen Cai Siyi Zhou Kang Xu Deng Ding Yonghong

(School of Material Science and Engineering， Changzhou University, Changzhou, Jiangsu,213164)

Microspheres of cross-linked PMMA(light diffusion agent) were added into the PC. By using UV-visible spectrophotometer,scanning electron microscope and other test methods, the diffusion mechanism of PC light diffusion slab, and the influence of particle size of light diffusion agent on light transmittance,haze, effective light scattering coefficient and mechanical property of PC light diffusion slab were studied. The result indicateds that the light transmittance of PC light diffusion slab is high when the particle size of light diffusion agent is 20.0 μm; and the haze of PC light diffusion slab is high when the particle size of light diffusion agent is 1.8 μm. When the particle size of light diffusion agent is 3.0 μm, the effective light scattering coefficient of PC light diffusion slab is high, which meets the operating requirement for mechanical property.Light transmittance increases and haze decreases with the increase of the particle size of light diffusion agent.

polycarbonate; cross-linked polymethyl methacrylate microphere; light diffusion agent; light diffusion mechanism; particle size; light diffusion performance

2014-06-16;修改稿收到日期:2014-11-15。

沈辰,在讀碩士研究生,研究方向為高分子材料加工與改性，主要致力于光擴(kuò)散材料的研究。E-mail:735108379@qq.com。