氮?dú)鈱?duì)車(chē)燈光導(dǎo)配光影響的研究

楊銀萍，夏瑋偉，莊麗娟

(常州星宇車(chē)燈股份有限公司, 江蘇常州 213000)

0 引言

隨著汽車(chē)行業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)汽車(chē)照明系統(tǒng)的要求日益提高。近幾年中高檔車(chē)越來(lái)越多使用LED燈，光導(dǎo)技術(shù)在此基礎(chǔ)上發(fā)展。光導(dǎo)使用高分子材料制成，光導(dǎo)質(zhì)量輕、節(jié)省LED使用數(shù)量、辨識(shí)度高，在車(chē)燈行業(yè)運(yùn)用廣泛。同時(shí)，光導(dǎo)在注塑過(guò)程中發(fā)生降解、碳化，影響透明度及配光結(jié)果[1]。本文作者針對(duì)某一光導(dǎo)，在其注塑過(guò)程中通入氮?dú)猓ㄟ^(guò)測(cè)試不同時(shí)間段內(nèi)的樣件的配光結(jié)果，驗(yàn)證氮?dú)鈱?duì)車(chē)燈厚壁件光導(dǎo)配光影響。

1 原理

1.1 導(dǎo)光原理

光線傳播時(shí)遵循反射定律、折射定律和全反射原理，光導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)建立在此基礎(chǔ)上。利用類(lèi)似三棱鏡狀的V-cut結(jié)構(gòu)，即業(yè)內(nèi)所說(shuō)的光齒，對(duì)光線進(jìn)行設(shè)計(jì)與模擬，使光線的路徑滿(mǎn)足光導(dǎo)的出光要求[2]。光線在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，但是通過(guò)不同折射率的介質(zhì)的時(shí)候，會(huì)發(fā)生折射及反射現(xiàn)象。當(dāng)光線從光密介質(zhì)(光在該介質(zhì)中折射率較大)射入光疏介質(zhì)(光在該介質(zhì)中折射率較小)，且入射角大于臨界角時(shí)，光線會(huì)全部被反射回原介質(zhì)內(nèi)，即發(fā)生了全反射現(xiàn)象。針對(duì)該光導(dǎo)而言，當(dāng)LED光源提供的光線從某一端進(jìn)入時(shí)，在光導(dǎo)介質(zhì)中，光線進(jìn)行反射。當(dāng)光線以一定的入射角接觸到空氣與光導(dǎo)界面時(shí)，入射角大于臨界角時(shí)，光線會(huì)在光導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行全反射；入射角小于臨界角時(shí)，光線發(fā)生折射和反射。光線在光導(dǎo)一側(cè)的光齒上，根據(jù)光齒的造型進(jìn)行原入射角度調(diào)整，破壞全反射，將一部分光線按一定的角度折射至空氣中，達(dá)到配光要求[3]，如圖1所示。

圖1 根據(jù)光齒的造型，進(jìn)行原入射角度調(diào)整

1.2 聚碳酸酯

聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)是五大工程塑料之一。聚碳酸酯因?yàn)槠涮赜械姆肿渔溄Y(jié)構(gòu)，具有高折射率、高透光率[4]。且由于其優(yōu)異的光學(xué)性能與機(jī)械性能，成為汽車(chē)車(chē)燈光導(dǎo)的首選材料。材料光學(xué)性能的常用指標(biāo)為透光率與霧度。透光率是材料的固有屬性，有研究表明隨著澆口形式不同，材料的透光率隨著熔體溫度的升高呈現(xiàn)不規(guī)則的變化，扇形澆口的熔體溫度在275 ℃和300 ℃時(shí)透光率最高[5]。此次實(shí)驗(yàn)通過(guò)工藝上改變?nèi)垠w溫度參數(shù)，測(cè)試的樣件配光值在270 ℃與300 ℃時(shí)光強(qiáng)最高。

文獻(xiàn)[6]中提到，可以用黃色指數(shù)(Yellowness Index，YI)的測(cè)試定量評(píng)價(jià)高分子材料老化的變化進(jìn)程。針對(duì)該光導(dǎo)使用材料，廠家測(cè)定黃色指數(shù)與工藝參數(shù)的關(guān)系見(jiàn)表1。根據(jù)表1中2、3、4，6、7、8與10、11、12號(hào)，停留時(shí)間大于10 min后，隨著料的停留時(shí)間越長(zhǎng)，材料的黃色指數(shù)越高，即產(chǎn)品的老化程度越高。根據(jù)4、8、12號(hào)，料停留30 min后，料溫240 ℃的黃色指數(shù)最高，280 ℃的黃色指數(shù)次之，260 ℃的黃色指數(shù)最低?？梢钥闯觯Ａ魰r(shí)間越長(zhǎng)，降解程度越大，對(duì)配光的影響越大。

表1 黃色指數(shù)測(cè)定

聚碳酸酯在氧氣與氮?dú)獾沫h(huán)境下均會(huì)降解，氧氣與聚合物反應(yīng)生成水，會(huì)加劇PC的分解。在N2作用下， 300 ℃下PC發(fā)生端基斷裂，裂解產(chǎn)物為少量CO、CO2及易揮發(fā)組分苯酚[7]。根據(jù)B N JANG等[8]的研究，針對(duì)叔丁基苯酚為端基的PC，在空氣與氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下，氧氣環(huán)境下的PC在降解初期生成了過(guò)氧化物，過(guò)氧化物解離與其他自由基反應(yīng)生成醛、酮及支鏈產(chǎn)物，氧氣也促進(jìn)了支鏈和交聯(lián)結(jié)構(gòu)的生成。而PC在氮?dú)庀陆到?，未發(fā)現(xiàn)有醛、酮類(lèi)產(chǎn)物生成，整個(gè)降解過(guò)程中均有二氧化碳和水生成。但在降解的主要階段，PC在空氣中的降解速率低于在氮?dú)庵械慕到馑俾省?/p>

2 實(shí)驗(yàn)方法

在注塑過(guò)程中以2.5 L/min的流量向螺桿內(nèi)通氮?dú)?，溫度?00 ℃下通氮?dú)?，前后各?個(gè)樣件，標(biāo)記為1～6號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2為第2節(jié)中的條件下得出的配光結(jié)果。

表2 配光結(jié)果 cd

續(xù)表2 cd

配光合格評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為各測(cè)試坐標(biāo)光強(qiáng)值在國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)，光衰穩(wěn)定后固定點(diǎn)光強(qiáng)與產(chǎn)品光強(qiáng)最大點(diǎn)光強(qiáng)值需滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求。因?yàn)樵u(píng)價(jià)結(jié)果的多樣性和復(fù)雜性，從3個(gè)方面評(píng)估氮?dú)鈱?duì)配光的影響。

(1)光衰穩(wěn)定后總體光強(qiáng)最大值(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為最大配光值)

根據(jù)表2中不同水平下的配光結(jié)果，選取其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)(即光導(dǎo)測(cè)試點(diǎn)坐標(biāo)光強(qiáng)允許值域I≤110 cd)，分析不同含量下3種樣件的最大光強(qiáng)值，其中xi1為方差分析法所用樣件光強(qiáng)值的和(見(jiàn)表3—表4)。

表3 光強(qiáng)最大處(-10，10)的配光值 cd

表4 光強(qiáng)最大處(-10，10)最大配光值的方差分析表

由于F1

(2)光衰穩(wěn)定后固定點(diǎn)(-10，10)光強(qiáng)值

根據(jù)表2中不同水平下的配光結(jié)果，選取其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)(即光導(dǎo)測(cè)試點(diǎn)坐標(biāo)光強(qiáng)允許值域I≥0.3 cd)，分析不同含量下3種樣件的最大光強(qiáng)值，其中xi2為方差分析法所用樣件光強(qiáng)值的和(見(jiàn)表5—表6)。

表5 光強(qiáng)最小處(-10，10)的光強(qiáng)值 cd

表6 光強(qiáng)最小處(-10，10)最大配光值的方差分析表

由于F2

(3)樣件不合格點(diǎn)總數(shù)

表7為不同氮?dú)夂肯碌牟缓细顸c(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)表，不合格點(diǎn)數(shù)值已用加粗字體標(biāo)出(見(jiàn)表2)。

表7 不同氮?dú)夂肯碌牟缓细顸c(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由表7可知，通氮?dú)夂蟛缓细顸c(diǎn)數(shù)增加。從整體結(jié)果看，通氮?dú)鈱?duì)配光值改善沒(méi)有顯著的影響，同時(shí)降低了產(chǎn)品各測(cè)試點(diǎn)配光的合格率。

4 原因分析

機(jī)臺(tái)選用FCS-450T，螺桿儲(chǔ)料量為1 234 cm3，每次射出80 g左右，材料密度為1.19 g/cm3，每模周期150 s左右?？梢运愠觯Ａ魰r(shí)間約為49 min。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試模情況，料溫升至300 ℃時(shí)，材料出現(xiàn)碳化的情況。根據(jù)B N JANG等的研究，在降解的主要階段，PC在空氣中的降解速率低于在氮?dú)庵械慕到馑俾?。認(rèn)為在此次試驗(yàn)中，在烘料過(guò)程(120 ℃，12 h)中已經(jīng)初步降解，由于炮筒儲(chǔ)量大的原因，PC在炮筒內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且已出現(xiàn)碳化，N2的存在加劇了降解，導(dǎo)致材料的透明度下降，配光的點(diǎn)合格率降低。

5 總結(jié)

由于材料的降解影響材料的透明度，進(jìn)而影響配光值。光齒的復(fù)制程度極大地影響配光值，材料的流動(dòng)性越好，光齒的復(fù)制程度越高。針對(duì)聚碳酸酯而言，在其他條件相同情況下，加工溫度越高，料流黏度越低，流動(dòng)性越好，而較高的溫度同樣帶來(lái)易降解的弊端。材料在炮筒內(nèi)停留的時(shí)間以及干燥的條件需要重新驗(yàn)證。氮?dú)飧綦x只能作為輔助措施，配光值的改善重點(diǎn)在于預(yù)防降解，溫度與時(shí)間對(duì)降解的影響有待驗(yàn)證。