LED照明用聚碳酸酯基光散射材料的研究
杨华军 张秀菊 沈俊才 陈文彬 林志丹
（暨南大学理工学院，广州510632）
摘要 以聚碳酸酯（PC）为基材，分别选用无机光散射剂BaSO4、SiO2和有机光散射剂聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），研究不同种类和含量的光散射剂对PC力学性能、透光率和雾度的影响。结果表明，光散射剂的加入对试样的拉伸强度影响较小，对缺口冲击强度影响较大。通过调节光散射剂的种类和用量，可以有效调节PC复合材料的透光率和雾度。当光散射剂PMMA的质量分数为1．0%时，PC/PMMA复合材料的透光率为85%，雾度为91．97%，性能非常优异，可以满足实际需要。
关键词 聚碳酸酯 光散射剂 透光率 雾度
近年来，面临全球能源危机，LED产业如雨后春笋般发展起来，现已广泛应用于照明、显示、背光等行业。由于具有节能、环保、寿命长等优点，LED照明的应用前景十分广阔。随着LED照明产业的迅猛发展，LED灯外壳材料的使用量也迅速增长。目前LED照明用光散射产品几乎被国外几家大公司（如旭化成、住友化学、帝人化成及韩国LG等）垄断，其价格较高，严重地阻碍了我国LED产业的发展。因此，研发国产的LED照明用外壳材料迫在眉睫。
LED照明用外壳材料，即光散射材料，是指既能使光通过又能有效散射光的材料［1］，其能将点、线光源转化成线、面光源［2］。评定光散射材料的两项主要指标是透光率和雾度［3］。要实现柔和的匀光效果，一般要求光散射材料具有80%以上的透光率和90%以上的雾度。为了应对LED照明产业的高速发展，外壳材料的生产必须要实现连续化和高产率。因此大多数新型光散射材料是采用透明的聚合物基体材料和散射体粒子共混的方法制备。包括无机微粒，如玻璃微珠［4］、SiO2等物质［5－8］；以及有机聚合物微粒，如聚甲基丙烯酸缩水甘油酯、聚苯乙烯（PS）［9］、硅树脂［10－11］等。常用的光散射材料基体主要采用透明聚合物，如聚碳酸酯（PC），PS、透明聚烯烃材料、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等。由于透光率和雾度相互矛盾，往往提高透光率就会降低雾度。如何平衡这两个指标，光散射剂的选择是关键，笔者采用力学性能和耐热性能优异的PC作为基体材料，研究了不同种类不同微观形貌的光散射剂对LED照明用外壳材料力学和光学性能的影响，从而为实际工业化生产提供有利的参考依据。
1实验部分
1．1原材料
PC：日本三菱化工公司；
BaSO4：无锡惠隆电子材料有限公司；SiO2、PMMA：上海震鑫科技有限公司。
1．2仪器及设备
同向双螺杆挤出机：SHJ－20型，南京杰亚挤出装备有限公司；
注塑机：HM7DENKEY型，日精树脂工业株式会社；
场发射扫描电子显微镜（SEM）：XL30S－FEG型，荷兰FEI公司；
透光率/雾度测定仪：WGT－S型，上海精密科学仪器有限公司；
万能电子拉力试验机：Zwick/RoellZ005型，德国ZwickRoell试验机有限公司；
冲击试验机：ZBC－50型，深圳新三思材料检测有限公司。
1．3试样制备
将纯PC粉料在110℃下干燥12h，然后将光散射剂BaSO4、SiO2、PMMA分别按照质量分数为0．5%、1．0%、1．5%、2．0%、3．0%与PC充分混匀。经双螺杆挤出机挤出，然后注射成型标准试样。
1．4性能测试
简支梁冲击强度按GB/T1043－1993测试；拉伸强度按GB/T1040－2006测试；
透光率和雾度按GB/T2410－2008测试，试样尺寸为40mm×30mm×1mm；
SEM分析：将试样在液氮中脆断，表面喷金后，用SEM观察并拍照。
2结果与讨论
2．1微观形貌
光散射剂原料以及PC基光散射材料（光散射剂质量分数1．5%）的SEM照片如图1所示。由图1a可以看出，BaSO4形状极不规则，微粒大小普遍在1μm左右。图1b中，光散射剂形状较为规则，但粒径大小不均匀，大粒径为2～3μm，但多数粒径在0．5～1μm。图1c中，光散射剂呈现规则的球形，粒径分布较为均匀，基本在2～4μm之间。从图1d、图1e、图1f可看出，光散射剂粒子均匀分布在PC基体中，仍保持原来的形状，这些散射体粒子成为散射中心。试样中存在大量的孔洞，这是由于光散射剂与PC基体不相容，当试样受到冲击时，散射体粒子从基体中脱落。从图1f中可以看到大量的PMMA粒子，其在280℃下仍能保持一定的形状而不熔融，可能是因为PMMA存在一定的交联。
笔者采用的光散射剂粒径分布在1～5μm（如图1所示），其尺度大于可见光波长（400～760nm），因而其散射效应属于Mie散射。根据Mie散射理论，将球形粒子均匀分散于基体树脂中，体系的散射强度是粒子折射率、粒径、散射角以及粒子周围介质中入射光波长的函数［12］。不考虑散射角以及粒子周围介质中入射光波长的因素，而仅考虑粒子折射率和粒径对试样光学性能的影响。在一定范围内，粒径越大，折光率差值越大，试样的散射强度较高。PMMA与基材PC的折光率有较大差异，而BaSO4、SiO2的折光率与PC相差较小（折光率PC为1．59，PMMA为1．49，SiO2为1．54、BaSO4为1．64）。这种差异使得光线穿过试样时，具有较高的散射强度。从图1a、图1b、图1c可以看出，PMMA粒径较大，形状较好，粒径分布均匀，而SiO2粒径较小，BaSO4形状极为不规则。而无机粒子SiO2和BaSO4分布不均匀，甚至出现粒子团聚现象，这种粒子分布的不均匀性也影响到试样的光学性能。
2．2力学性能
图2为光散射剂含量对试样拉伸强度和缺口冲击强度的影响。由图2a可见，随着光散射剂含量的增加，试样的拉伸强度略有下降。一般来说，纯PC的拉伸强度为63MPa，加入光散射剂后，试样的拉伸强度为58～66MPa，说明光散射剂的加入对试样的拉伸强度影响较小。由图2b可见，随着光散射剂含量的增加，试样的缺口冲击强度不断下降，略小于纯PC的缺口冲击强度（105kJ/m2）。添加光散射剂SiO2的试样缺口冲击强度下降不大，在光散射剂的质量分数为3．0%时，其缺口冲击强度为95．94kJ/m2。原因在于SiO2作为无机刚性粒子对PC具有增韧作用，当添加量少时，具有一定增强作用，当添加量增大时，PC的缺口冲击强度下降平缓。光散射剂的质量分数为3．0%时，加有光散射剂BaSO4和PMMA的试样缺口冲击强度分别下降到14．79kJ/m2和11．58kJ/m2。这主要是由于PC是缺口敏感型塑料，而光散射剂与基体PC之间相容性不好，试样出现脆性断裂，从而导致缺口冲击强度下降。
2．3光学性能
检测光散射材料光学性能的主要指标是透光率和雾度。透光率是指透过试样的光通量和投射到试样的光通量之比；雾度是指透过试样而偏离入射光方向的散射光与透射光通量之比。
（1）光散射剂含量对试样透光率和雾度的影响
纯PC的透光率为89%～92%，如果LED灯的外壳材料用纯PC，虽然可以实现良好的透光效果，但LED灯散发的光往往会造成眩晕现象，导致使用者心理上的不安。这就需要对光进行一定程度的散射，使得光既能够透过，又可以达到均匀柔和的效果。光散射现象产生的根本原因是媒质均匀性遭到破坏。当均匀媒质（组成连续相）中的颗粒（分散相）尺寸达到可见光波长数量级的时候，如果分散相和连续相的折射率有一定差别，在入射光的作用下，分散相颗粒可以作为发射次级子波的波源。根据惠更斯－菲涅耳原理，当次级子波在2π空间均匀相干迭加时，其结果是除了部分光波仍沿着几何光学规定的方向传播外，在其它方向上不能抵消，造成散射。因此，当入射光照射在两种折射率不同的物质的分界面时必然会发生散射，沿着几何光学传播方向的强度必然减少［9］。图3～图5分别为光散射剂BaSO4、SiO2、PMMA对试样雾度和透光率的影响。由图3～图5可见，随着光散射剂含量的增加，试样中散射中心的含量升高，因此，散射光增强，其雾度增大，透光率下降。当光散射剂含量增加到一定浓度时，雾度不再增加。曲线的变化规律与光散射公式相吻合［13］。
由图3可见，当光散射剂质量分数增加至1．5%时，透光率为75%，雾度达到90%，继续增加光散射剂的含量，雾度增加缓慢，而透光率下降较快，当光散射剂质量分数为3%时，试样的透光率下降到65．5%。
由图4可见，SiO2的质量分数小于1．0%时，试样的透光率几乎不变，在82%左右。但继续增加SiO2含量，透光率下降较快，当光散射剂质量分数为3．0%时，透光率下降到62．9%。雾度在光散射剂质量分数小于1．0%时，变化较小，为87%左右。但继续增加光散射剂含量时，雾度迅速增加，达到94%，再继续增加光散射剂含量，雾度基本保持不变。
由图5可见，当光散射剂质量分数为0．5%时，试样的透光率为86．5%。随着光散射剂的含量增加，雾度增加，但当其质量分数增加至1．5%时，雾度达到93%，之后随着光散射剂含量的继续增加，雾度几乎不变。
（2）有效光散射系数与光扩散剂含量的关系
通常，用透光率×雾度（T×H）来表示材料的有效光散射能力，其值越大，表示在获得高散射强度时，其它光损失越小。通过改变散射体的添加量获得透光率和雾度值，通过转化得到有效光散射值。
由图6可见，随着光散射剂含量的增加，试样有效光散射系数先增大后减小。添加光散射剂PMMA的试样有效光扩散系数在光散射剂质量分数为1．0%时达到最大值，为78．2%。在光散射剂质量分数为1．5%时，添加光散射剂BaSO4的试样有效光散射系数达到最大值，为67．69%。而添加SiO2的试样在1．0%时，有效光散射系数达到最大值，为71．41%。因此，添加光散射剂PMMA的试样的光学性能最好，其最佳添加量为质量分数1．0%，最大有效光散射值为78．2%。
2．4应用情况
笔者将该研究成果应用于佛山某改性塑料材料公司，在PC基体中加入质量分数1．0%的PMMA光散射剂生产出的LED球形灯罩的光学性能非常优异，透光率为84．3%，雾度可达90．12%，有效光散射系数为75．97%，远好于市场上其它同类产品的性能。因此，该项目的研究具有较好的经济效益，有利于国内光扩散材料的发展。
3结论
（1）加入光散射剂对PC的拉伸强度影响较小，对缺口冲击强度的影响较大。当光散射剂BaSO4、PMMA质量分数为3．0%时，试样的缺口冲击强度下降较大。
（2）试样的透光率和雾度随光散射剂含量变化较大。以PMMA为光散射剂的试样性能最好，当其质量分数为1．0%时，其有效光散射系数达到78．17%，PC/PMMA复合材料的透光率为85%，雾度为91．97%，性能非常优异，可以满足实际需要。