光扩散剂粒径对pc光扩散板性能的影响

      为了应对光二极管（ＬＥＤ）光源产业的高速发展，光材料的生产必须要实现连续化和高产率。因此，大多数新型光扩散材料是采取透明的聚合物基材与光扩散微球粒子共混的方法制备。其中光扩散剂包括无机微粒，例如ＳｉＯ２，ＢａＳＯ４；以及有机聚合物微粒，如丙烯酸类交联微球、聚苯乙烯（ＰＳ）微球，微球。但是，由于无机微粒表面较尖锐，容易划伤光扩散材料，导致其光学性能受影响，所以有机聚合物微粒作为光扩散剂使用较广泛。

本试验采用应用优美^TM有机硅微球作为光扩散剂制备ＬＥＤ光源，用聚碳酸酯（ＰＣ）光扩散板，比较光扩散剂粒径大小对ＰＣ光扩散板性能的影响。

１　试验部分

１．１　主要原料ＰＣ，1100，折射率1.59，韩国湖南石化；优美^TM有机硅微球是一组粒径分别为1.8，3.0，10.0，15.0，20.0μｍ的有机硅球形微粉，型号分别为YGF-101，YGF-103YGF-115 YGF-120 (下文以其型号代替相应微球），折射率1.43九江优美新材料科技有限公司制

１．２　仪器及设备

同向双螺杆挤出机，ＳＨＪ－３５，中国广达橡塑机械厂；注塑机，ＨＹ６００，宁波海鹰塑料机械有限公司；紫外可见光分光光度计、ＵＶ－２４５０，紫外光分光光度 计 积 分 球、ＩＳＲ－２２００，扫 描 电 子 显微镜（ＳＥＭ），ＪＳＭ－６３６０ＬＡ，日本岛津公司；微机控制电子万能试验机，ＷＤＴ－１０，深圳凯强利机械有限公司；冲击试验机，ＸＪＵ－２２，承德市试验机厂。

１．３　试样制备

将纯ＰＣ 在１１０ ℃下干燥１２ｈ，然后利用双螺杆挤出机，分别与不同粒径的光扩散剂混合制造光扩散剂质量分数为１０％的母粒，再将制得的母粒与ＰＣ按一定比例混合，通过注塑机制备光扩散剂质量分数为１．５％的注射成型光扩散板。

１．４性能测试

根据ＧＢ／Ｔ　２４１０—２００８测得在可见光波段下的光透过率（Ｔｔ）以及光线偏离原始入射光线２．５°的光透过率（Ｔｄ），计算出雾度为Ｔｄ／Ｔｔ。ＳＥＭ分析：将样品 放入液氮中 浸 泡 １０ ｍｉｎ，取出直接脆断，断 面经表面喷 金 处理后，在 ＳＥＭ上观察光扩散剂在ＰＣ光扩散板中的分散情况。力学 性 能 测 试：拉 伸强 度 测 试 按 照 ＧＢ／Ｔ１０４０．１—２００６标准测试；弯曲强度测试按照ＧＢ／Ｔ　１４２０８　２—２００９标准测试；缺口冲击强度试验按照ＧＢ／Ｔ　１０４３—１９９３标准测试。

２　结果与讨论

２．１　微观形貌的

表征图１为在光扩散剂加入质量分数为１．５％时，改变光扩散剂粒径大小得到的不同ＰＣ 光扩散板的ＳＥＭ 照片。由 图 １ 可以看出，ＰＣ基 材 与光扩散剂之间形成孔隙。

２．２　光扩散机理的研究

由２．１微观形貌可以看出，光线入射后得到折射的类型有３种：１）入射光线进入ＰＣ基材发生折射；２）入射光线在孔隙处发生折射；３）入射光线与光扩散剂发生折射。当孔隙减小直至消失时，光线入射后得到折射的类型仅有２种：１）入射光线进入ＰＣ发生折射；２）入射光线与 光 扩 散 剂 发 生 折 射。由于 ＰＣ、空气、光扩散剂交联ＰＭＭＡ 微球的折射率分别为１．５９，１．００，１．４９。所以光线在ＰＣ光扩散材料中折射示意图如图２所示。按照雾度的定义为，使部分平行光偏离入射方向大于２．５°的散射光通量与透过材料的光通量之比的百分率，所以光线在基材中折射次数越多，理论上雾度越大。根据图２所示的光扩散折射示意图，当光扩散材料中具有孔隙时，光线折射次数多于在无孔隙的光扩散材料中折射次数，又因为粒径越大孔隙直径与光扩散剂直径之比越小，使得孔隙越小，所以推测当光扩散剂粒径增大时，光扩散材料雾度下降。由于本试验采用的光扩散剂粒径分１．８～２０．０μｍ，其尺寸大于可见光波长，因此其对光的扩散效应属于Ｍｉｅ散射。根 据Ｍｉｅ散射定律，将球形粒子均匀分散在基材树脂中，体系的散射光强即总光透过率，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［２］。由于散射角及粒子周围介质中入射光波长是一定的，仅考虑粒子折射率和粒径对试样光学性能影响时，在一定范·０５·围内，粒径越大，折光率差值越大，试样的散射强较高，所以在一定范围内，推测光透过率随着粒径增大而增大。根据光扩散机理，当光扩散剂与ＰＣ 基材形成两相结构时，可以通过改变光扩散剂粒径大小从而改变其与ＰＣ 基材间的孔隙，所以不考虑增加 ＰＣ基材与交联ＰＭＭＡ 微球光扩散剂之间相容性。

２．３　有机硅光扩散剂粒径对ＰＣ光扩散板光学性能影响

２．３．１　对雾度的影响图３为光扩散剂质量分数为１．５％，选择添加不同粒径的光扩散剂注塑色板进行紫外光分光光度计测试，得 到 的 在 可 见 光 波 长 范 围 内（３９０～７８０ｎｍ），不同粒径光扩散剂填充 ＰＣ光扩散板雾度曲线。由图３可以看出，随着光扩散剂粒径的增大，ＰＣ光扩散板雾度减小。

由图４可知，光透过率随粒径增大而减小，在粒径为１．８μｍ时达到最大值，雾度为92.89％。

２．３．２对光透过率的影响图５为光扩散剂质量分数为１．５％，选择添加不同粒径的光扩散剂注塑色板进行紫外光分光光度计测试，得到的在可见光波长范围内（３９０～７８０ｎｍ），不同粒径光扩散剂填充ＰＣ光扩散板光透过率曲线。由图５可知，光透过率随着光扩散剂粒径的增加呈上升趋势。图５光扩散剂对ＰＣ的光透过率的影响图６为选取图５中６００ｎｍ波长时，光扩散剂粒径对ＰＣ光扩散板光透过率影响。

由图６可知，光透过率随粒径增大而增大，在粒径为２０．０μｍ时达到最大值，光透过率为83.73％。

２．３．３　有效光散射系数判断光扩散剂较佳粒径由光扩散板实际应用可知，光扩散材料需要同时满足高光透过率、高雾度２种要求。所以，引进雾度与光透过率的乘积，即有效光散射系数作为判断光散射板光扩散性能好坏的物理量。图７是在波长６００ｎｍ下，将光透过率与雾度进行乘法运算，得出有效光散射系数随着光扩散剂粒径增加的关系（光扩散剂质量分数１．５％）。由图７可知，随着光扩散剂粒径增加，有效光散射系数先增加后减小，在粒径为３．０μｍ时达到最大值69.68%

即粒径为３．０μｍ光扩散剂填充ＰＣ光扩散板可以达到既有高光透过率又高雾度的要求，此时光透过率为７５．０１％，雾度为９２．８９％。

２．４光扩散剂粒径对ＰＣ光扩散板力学性能影响

光扩散板在实际使用过程中，除了需要有良好的光学性能，在力学性能方面也必须满足拉伸强度、冲击强度以及弯曲强度的要求。图８为光扩散剂质量分数为１．５％，得到不同粒径光扩散剂填充ＰＣ光扩散板力学性能的曲线。由图８可以看出，随着光扩散剂粒径增加，ＰＣ光扩散板的拉伸强度逐渐增加，当粒径为20.0μｍ时，拉伸强度最大为67.69ＭＰａ。随着光扩散剂粒径的增加，缺口冲击强度在光扩散剂粒径为３．０μｍ及以下时，基本保持不变，当粒径继续增加时，缺口冲击强度下降较快。随着光扩散剂粒径增加，弯曲强度基本不变。这是因为本试验添加的光扩散剂含量较少，不足以引发较明显的弯曲性能变化。光扩散板实际应用时力学性能要求拉伸强度

55.00ＭＰａ，缺口冲击强度６0.00ｋＪ／ｍ２，弯曲强度为100.0ＭＰａ。当光扩散剂粒径3.0μｍ时，拉伸强度为57.99ＭＰａ，缺口冲击强度为68.13ｋＪ／ｍ２，弯曲强度为105.2ＭＰａ，满足光扩散板使用的力学性能要求。

３　结论

ａ）　ＰＣ光扩散板扩散光源的机理为入射光线经过ＰＣ基材、孔隙以及光扩散剂时，发生折射与反射。

ｂ）　随光扩散剂粒径增加，使ＰＣ光扩散板光透过率增加，雾度降低；当粒径为20.0μｍ时，光透过率为83.73％，当粒径为1.8μｍ时，雾度为92.89%。

ｃ）　当光扩散剂粒径为3.0μｍ时，可以得到具有光透过率、高雾度的ＰＣ光扩散板，制备的ＰＣ光扩散板满足力学性能要求。