有机硅微球粒径对PC 光扩散板性能的影响

在当今资源匮乏的大背景下，LED光源因其节能、发热量小、光照强度高等优势，如雨后春笋般迅速发展起来，现已广泛应用于照明、显示、背光等行业。但LED光源主要以点光源的形式发光，容易产生聚光、眩光，最终形成光的不均匀现象。为了消除LED光源的眩光以及让光均匀分布，光材料应运而生。光扩散材料是指具有一定雾度和透光率，可以将点光源转换成线光源和面光源，使入射光束光强均匀分布的光学材料。

光扩散剂是制备光扩散材料的关键原料之一。早期的光扩散剂以碳酸钙、硫酸钡、钛白粉等无机粉末为主，虽然也能把点光源变成均匀的面光源，但光线在通过灯罩时无法进入或穿透无机分子，导致光能损耗很大，影响亮度。相对无机光扩散剂，有机光扩散剂可增加透明基体塑料的光散射性和透射性，在遮住发光源以及刺眼光源的同时，使整个透明发出更加柔和、美观、高雅的光，达到透光不透明的舒适效果。将有机光扩散剂添加到树脂基体中，复合材料的透光率远远高于添加无机光扩散剂的材料，因此有机光扩散剂是综合性能更加优异的光扩散剂。光扩散剂是目前应用效果最好的光扩散剂，相比于传统的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)类、聚苯乙烯(PS) 类有机光扩散剂，它具有如下优势:

1)有机硅光扩散剂光扩散效果佳、耐候性佳、抗紫外、不黄变、耐热性优异(在基体材料的加工温度范围内，不变形，球形度保持完整，而其他类型的有机光扩散剂由于耐热温度低则容易受热变形，致使光扩散效果不理想);

2)有机硅光扩散剂材料微观上为透明的球形体，提供了优越的光透过性。极低的折光率1.43 ( 相比于丙烯酸类1.50 左有机硅微球粒径对PC光扩散板性能的影响右，苯乙烯乙烯类1.55 左右)在赋予光扩散材料高光透过率的同时，赋予材料高的雾度。本实验采用自制的有机硅微球作为光扩散剂，首先制备含有光扩散剂的母粒，随后将母粒添加到聚碳酸酯(PC) 中，进而制备LED光源用聚碳酸酯光扩散板。通过对光扩散板的性能表征，探究了有机硅微球粒径大小对光扩散板性能的影响。

1实验部分

1.1 实验原料

PC:01-11，折射率1.585，鲁西石化;有机硅微球光扩散剂:粒径分别为1、2、5、10μm，型号分别为ZY-100、ZY-200、ZY-500、ZY-1000，折射率为1.43，自制。

1.2 设备及仪器

电热恒温鼓风干燥箱:DHG 101-3，上虞市沪越仪器设备厂;同向双螺杆挤出机:CTE35，南京科倍隆机械有限公司;注塑机:98F1V，东华机械;透光率/雾度测试:EEL68D，上海精密仪器有限公司;箱式电阻炉:SXL-1600，中国科学院上海光学精密机械研究所;万能材料试验机:AGS-J，日本岛津公司;冲击实验机:XJU 系列，承德市金建检测有限公司。

1.3 试样制备

将纯PC在120℃下干燥4h，利用双螺杆挤出机，将不同粒径的有机硅光扩散剂与PC熔融共混，制备光扩散剂质量分数为10%的光扩散母粒。再将制得的母粒与PC树脂按一定比例混合后，加入注塑机，制备光扩散剂质量分数为2%的光扩散板。

1.4 性能测试

(1) 灼烧残余测试

准确称取一定量的光扩散母粒放入箱式电阻炉中，在600℃下灼烧4h 后取出称量，从而确定灼烧残余，其公式如下:实际含量=灼烧后的质量/灼烧前的质量×100%( 1)

(2) 透光率雾度测试

根据GB/T 2410—2008测得可见光波段下的光透率(T1) 以及光线偏离入射光线的光透过率(T2) ，并由此计算雾度，公式为:雾度=T2 /T1×100%( 2)

(3) 力学性能测试

拉伸测试按照GB/T 1040. 1—2006标准进行;缺口冲击强度测试按照GB/T 1043—1993标准进行测试。

2结果与讨论

2.1 光扩散母粒灼烧残余试验分析

表1为不同粒径光扩散母粒灼烧残余实验数据。四种母粒ZY-100、ZY-200、ZY-500、ZY-1000中光扩散剂的含量分别为9.85%、9.73%、9.76%、9.58%，误差范围小于0.5%，实际含量均接近理论含量，这表明粒径对母粒中光扩散剂的实际含量几乎没有影响。同时，该实验还说明有机硅光扩散剂稳定性较好，在挤出加工过程中几乎没有损失。用这样的光扩散母粒制备光扩散板，可确保PC光扩散板中的光扩散剂的实际含量接近理论含量，使实验具有准确性。

表1不同粒径光扩散母粒灼烧残余试验结果

2.2 有机硅光扩散剂粒径对光扩散板光学性能的影响

2.2. 1 对透光率的影响

图1为不同粒径有机硅光扩散剂对PC光扩散板透光率的影响。由图可知，随着光扩散剂粒径的增加，光扩散板的透光率不断增大。使用粒径为2μm的光扩散剂制备的光扩散板的透光率相较于1μm光散剂制备的光扩散板，透光率显著提升。同时，随着光扩散剂粒径进一步增大时，光扩散板的透光率的提

升幅度有所放缓。

对于光扩散板的透光率随着光扩散剂粒径的增加而增大的现象，可以由如下理论做出解释:实验中所用的有机硅光扩散剂的粒径为1～10μm，均大于可见光波长(380～780nm) ，因此可用Mie散射理论来解释其对光的散射效应。根据Mie射理论［3，6］，当球形粒子均匀分散在树脂基体中时，体系的散射光强

(即总透光率)与粒子粒径以及粒子相对周围介质折射率密切相关。在一定范围内，粒径越大，折射率差值越大，则试样的散射光强越大。本实验中均采用有

机硅光扩散剂，粒子相对周围介质折射率相同，故透光率随着粒径的增大而逐渐增加。

2.2. 2 对雾度的影响

图2为不同粒径有机硅光扩散剂对PC光扩散板雾度的影响，随着光扩散剂粒径的增大，PC光扩散板的雾度逐渐减小，下降趋势表现为先慢后快。当光扩散剂粒径在2μm 及以下时，随着粒径的增加，光扩散板的雾度缓慢下降，当光扩散剂大于2μm 时，随着粒径的增加，光扩散板的雾度迅速下降。

可由示意图3解释光扩散板雾度随着光扩散剂粒径的增大而减小的现象。根据图3，光线入射PC光扩散板时，有两种折射模式:当光扩散剂粒子与基体

之间存在孔隙时，以a模式进行折射;当孔隙减小直至消失时，以b模式进行折射。入射光线以a模式进行折射时，会发生3次折射:1) 进入PC基体时发

生折射;2) 在孔隙处发生折射;3) 与光扩散剂发生折射。入射光线以b模式进行折射时，会发生2次折射:1) 进入PC基体时发生折射;2) 与光扩散剂

发生折射。由雾度的定义，光线偏离入射光线的光透过率与透过材料的光通量之比的百分率可知，光线在光扩散板中折射的次数越多，则雾度越大。光扩散剂粒径越大，其与基体之间的孔隙则越小，当粒径增大时，折射模式由模式a向模式b转变，折射次数随之减少，于是雾度随着粒径的增大而减小。

2.3 有机硅光扩散剂粒径对光扩散板力学性能的影响

图4为不同粒径有机硅光扩散剂对PC光扩散板力学性能的影响。由图可知，随着光扩散剂粒径的增加，光扩散板的拉伸强度逐渐增大，但增长幅度较平缓。试样的缺口冲击强度在光扩散剂粒径为2μm及以下时，几乎保持不变，当粒径继续增加时，缺口冲击强度快速降低。实际使用过程中要求光扩散板的拉

伸强度为50MPa 以上，缺口冲击强度为60kJ /m2 以上，如图4所示，由力学性能随着粒径增加的变化趋势可知，使用粒径为1μm和2μm的扩散剂制备的光扩散板能够满足力学性能的使用要求。

2.4 有机硅光扩散剂最佳粒径选取

在实际应用中，光扩散板不仅需要同时具有高透过率、高雾度，还需要具有一定的力学性能。结合前文结论，随着有机硅光扩散剂粒径的增大，光扩散板的透光率逐渐升高，而雾度逐渐降低，因此光扩散剂存在一粒径可同时满足高透过率、高雾度的要求。对于光扩散剂粒径为2μm的试样，其透光率相较于粒径为1μm的试样显著提高，继续增大粒径，试样透光率提升不明显;同样地，就雾度而言，粒径为2μm的试样，其雾度略微低于粒径为1μm的试样，继续增大粒径则试样的雾度显著下降，即使用粒径为2μm填充光扩散剂填充光扩散板可以满足既有高透光率又有高雾度的要求。同时，根据力学性能的结果，利用2μm的光扩散剂制备的光扩散板也能够满足力学性能的要求，故本实验中光扩散剂的最佳粒径为2μm。

3结论

1)不同粒径有机硅光扩散剂母粒的实际含量均接近理论含量，误差范围小于0.5%，粒径对母粒中光扩散剂的实际含量几乎没有影响。

2)对于光扩散板的光学性能，随着有机硅光扩散剂粒径的增大，光扩散板的透光率逐渐升高，而雾度逐渐降低。

3)对于光扩散板的力学性能，随着有机硅光扩散剂粒径的增大，光扩散板的拉伸强度逐渐升高，而缺口冲击强度逐渐降低。

4)本实验中有机硅光扩散剂的最佳粒径为2μm，将此光扩散剂填充到光扩散板中，可使光扩散板同时具备高透光率、高雾度以及一定的力学性能，满足实际使用的需要。