光扩散剂选型在扩散板中的研究

  LED光板的使用量在迅速增加,2017年全球液晶出货量达2.1亿多台，对扩散板的需求量巨大，因此研究适合客户的特定扩散板具有重要意义。评定光扩散板光学性能的两个主要指标是透光率和雾度。光扩散板主要是由GPPS、MS、PMMA、PC等作为基材，加入一些有机光扩散剂或（和）无机光扩散剂及其它一些增韧剂、抗老化助剂等，把它们充分混合均匀后通过挤出机挤出，然后通过特定模头挤出成一定厚度的板材，然后通过CNC裁切成电视机中背光模组所需的尺寸。

在PC中加入PMMA（交联型）微球光扩散剂，分析了光扩散机理和光扩散剂粒径大小对PC光扩散板光透过率（T.T.）、雾度(HAZE)等方面的影响。研究结果显示光扩散剂粒径为20.0μｍ时，PC光扩散板光透过率较高；光扩散剂粒径为1.8μｍ时；光扩散剂粒径增大，光透过率增加，雾度减小。另外，光扩散板在灯饰中也有应用，不过它们大多要求透过率较高，雾度一般80%～90%；但在电视机行业内通常需求的透过率一般不会高于60%，客户常需求的透过率为43%左右，还有其他客户需求透过率55%等；通过大量的实验数据分析得出只用有机光扩散剂获得低透过率时，一方面有机光扩散剂成本相当高，别一方面用量比较大，用量高于1%时对透过率的贡献率较低，综合来看，生产透过率低于60%的光扩散板只用有机光扩散剂不经济。有机光扩散剂包括光扩散剂（折射率1.43）、苯乙烯型的光扩散剂（折射率1.55）、压克力型的光扩散剂（折射率1.5）等。

有机硅光扩散剂是有机硅聚合物，有机硅聚合物是分子结构中含有硅元素，且硅原子上连接有有机官能团的聚合物，以烷氧基硅烷(如甲基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷等)为原料，经过水解、缩合交联反应生成的聚硅倍半氧烷微球产品，其粒径分布在1～8μm之间，平均粒径2～4μm[5]。其中有机硅光扩散剂耐热、耐高温性能最好，扩散效率高、与基体树脂相容性好、比重小、分散性好、透光性与匀光性更平衡，综合来看有机硅树脂光扩散剂是首选；

无机光扩散剂包含二氧化钛、二氧化硅、碳酸钙、氢氧化铝、氧化锌、玻璃微珠等；其中钛白粉的折射率最大，金红石型钛白粉折射率为2.73左右，锐钛型钛白粉折射率为2.55左右；硫化锌折射率为2.37、锌钡白1.84、氧化锌折射率为2.02、二氧化硅折射率为1.45左右；单从折射率方面看，金红石型钛白粉能更有效的降低透过率，起到高遮蔽的作用。再一点是抗氧化性能好，耐候性好。因此，低透过率的扩散板中金红石型钛白粉是首选的无机光扩散剂。

1实验部分

1.1实验器材

1）双螺杆挤出机；

2）注塑机；

3）色彩分析仪CA210；

4）雾度测试仪NDH7000；

5）LED-TV背光模组；

6）板材成型成套设备；

7）CNC裁切机；

8）场外发射扫描电子显微镜（SEM）：QUANTA200型，美国FEI公司。

1.2实验材料

光学级GPPS；有机硅光扩散剂：粒径为1μm的DF10A0,粒径为2μm的DF20A0；无机光扩散剂：粒径230nm 左右的金红石型钛白粉（R103和R930）；光稳定剂：LS770;紫外线吸收剂：UV329;抗氧剂：215；白油。

2光扩散剂的影响分析

2.1单独用有机硅扩散剂对透过率的研究从图1中可以看到，粒径为1μm 的DF10A0,粒径为2μm 的DF20A0，DF10A0与DF20A0都随着用量的增加，透过率（T.T.）都会相应的降低，但是下降的幅度在小于0.5%时，透过率的变化非常明显，0.5%~1.0%间基上成线性下降，当用量多于1.0%后，再增加用量，对透过率的影响减小，因此，对于有机硅扩散剂用量一般不会超过1%的用量。通过实验知DF10A0在用量0.5%时，雾度（HAZE）已经达到99%。粒径为1μm 时对透过率的影响比2μm的要大，因为同样用量的扩散剂，粒径越小，所含的有效球型粒子数越多，从而发生散射的机率越大，透射的光就会相应减少，所以扩散板的透过率在粒径越小时会越低。除了受粒径大小的影响，还受到球度、颗粒表面规整度、浓度、粒径分布等方面影响。

2.2有机硅扩散剂在基材中的分布

通过扫描电镜图2可以看出，有机硅扩散剂是一个个圆形的小微球，材料微观上分析，为透明的球形体，因此会提供优越的光线透过性，同时与丙烯酸类、苯乙烯类相比，具有极低的折射率，因此与基材GPPS的折射率相比具有较大的差值，会赋予光扩散剂透光的同时，还赋予材料很高的雾度。光线经过此微球的表面时，利用扩散剂与主材折射率的差异使得光线一部发生的散射，一部分光线透过了此微球，最终入射光线被分解成无数个方向的光线，达到了透光不透明的舒适效果。

2.3无机光扩散剂对透过率的研究

从图3中可以看出，金红石型钛白粉对透过率的影响最大，这主要原因是此钛白粉的折射率最大，塑料中常用的钛白粉的粒径通常为0.15~0.3μm，此范围可达到最好的白度，可获得蓝色底相，对黄色相脂有遮蔽作用。金红石型钛白粉抗紫外线能力强，能有效散射UVA区的紫外线。因此，钛白粉的用量为0.15%时，厚度为1.2mm时，此时的透过率为43%左右，主要是对光线反射的结果。但是只用钛白粉做扩散剂时，扩散板的均匀度比较差，具体原因可能是钛白粉的用量较少，再加之密度较大(4.1g/cm3)，使得基材中的有效含量低。通过实验得到，离着灯珠近的位置光线通过比较多，但能明显的看到灯光；而离灯珠比较远的位置光线到的比较少，自然而然的通过的光线也相对偏少，导致Lv偏低。为了改善这一现象，通常会与有机硅扩散剂搭配使用。

2.4有机扩散剂与无机扩散剂配合使用的研究图4的走势为DF10A0的质量用量为0.6%，通过单独用有DF10A0从实验可知，DF10A0用量达到0.6%时，就已经能得到很好的雾度（99.4%左右）。通过选用粒径为0.23~0.25μm的R930与R103两种金红石型钛白粉做对比分析，发现，同样类型和粒径的TIO2也会有一定差别，尤其是在用<0.1%或>0.2%时。这主要因为R103为氯化法工艺生产，处理方式为氧化铝和有机物处理，R930为硫酸法工艺生产，处理方式为氧化铝和SIO2处理。因此选择一款适合的钛白粉也是相当重要的。

2.5有机扩散剂与无机扩散剂配合使用的研究

通过扫描电镜图5可以看出，有机硅光扩散剂能有效的填充在钛白粉的空隙中，有机硅扩散剂利用与基材树脂GPPS的折射率的差异，能对灯光源充分的发生散射，而且能把钛白粉反射的光线再次进行散射，使光线更好的分散均匀，通过测试9点亮度发现，扩散板的均匀度比单独用无机扩散剂时有了明显的改善，很好的改善了只用钛白粉时的均匀的不良现象。

2.6厚度对透过率的影响

图6为DF10A0含量为0.6%，通过对不同钛白粉含量时，分别对1.0，1.2，1.5mm 三种厚度进行了对比分析，通过图5可以看出，扩散板的厚度越厚，对透过率的影响就越大，因为扩散板越厚，同样尺寸的扩散板所含的扩散剂量就会越大，光线通过时发生散射、反射的机会就会越多，从而扩散板的光线均匀度越好，扩散板的透过率也会越低。

3结论

本文对单独用有机硅扩散剂时的不同粒径和不同用量，分别进行了对比，实验数据分析如下，粒径为1μm时对透过率的影响比2μm的大，因为同样用量的有机硅扩散剂，粒径越小，所含的有效球型粒子数越多，从而发生散射的机率越大，透射的光就会相应减少，所以扩散板的透过率在粒径越小时会越低；用量低于1.0%时，增加用量对透过率的影响较明显，当用量多于1.0%后，再增加用量，对透过率的影响减小。单独用有机硅扩散剂时达到低于50%的透过率所用的量比较多，无成本优势。对无机扩散剂钛白粉的选型及用量也进行了对应分析，分析可以看出，单独用无机扩散剂时，扩散板的透光均一性不佳，通过分析知选用金红石型钛白粉效果最好，用氯化法生产金红石型钛白粉比用硫酸法生产效果要好，钛白粉的改性也是选型考虑的重点之一，因此，选择一款合适的无机扩散剂尤为重要。最后对有机与无机扩散剂搭配使用进行对比分析，通过分析可知，最终选用有机硅扩散剂与无机扩散剂金红石型钛白粉配合使用，针对不同的厚度，采用不同的配方，达到了理想的效果。结果发现有机硅光扩散剂用量为0.6%~0.8%，金红石型钛白粉用量为0.15%时，厚度为1.2mm,透过率能达到（43

±3）%，雾度达到99.4%。