聚碳酸酯基光扩散材料的制备

近年来，全球LED产业发展迅猛，各国对LED产业的发展表现出极大的热情。2012年5月7日，由科技部发布的《半导体照明科技发展“十二五”专项规划》(征求意见稿)提出：到2015年，LED照明产品占通用照明的30%，建成50个“十城万盏”试点示范城市。市场的需求和政策的支持都预示着LED照明灯具的市场前景十分广阔，作为LED照明灯具外壳材料的光材料也随之迎来巨大的市场需求。目前，大多数新型光扩散材料采用透明的聚合物基体材料和扩散体粒子共混的方法生产。光扩散剂多采用无机粒子，包括玻璃微珠，SiO2，TiO2，

CaCO3，MgSiO3，BaSO4及硫化物ZnS，BaS等。这些无机粒子通常是坚硬、不规则的，加工时容易磨损加工设备，分散相的颗粒大小很难达到均匀，使聚合

物基体的力学性能有所下降，这些粒子对热、氧和紫外光敏感，如果分散粒子过大还会导致材料的表面不平，而且，无机粒子的加入会严重影响透光率，严重限制了无机粒子在光扩散材料中的应用。近年来，有机聚合物粒子作为光扩散剂的应用也较多，主要有聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、硅、丙烯酸类树脂、甲基丙烯酸甲酯–苯乙烯交联共聚微球[7–8]等。在光扩散材料中，光扩散剂的选择、用量及粒径对光扩散材料光学性能的影响最为关键，笔者选取力学性能优良、加工性能优异的聚碳酸酯(PC)作为基体材料，研究不同种类、用量和粒径的有机光扩散剂对光扩散材料的力学和光学性能的影响，为实际生产和应用提供参考。

1　实验部分

1．1　主要原材料

PC：德国拜耳公司；光扩散剂A：丙烯酸类光扩散剂，市售；光扩散剂B(平均粒径2μm)，C(平均粒径3μm)：类光扩散剂，市售；其它助剂：市售。

1．2　主要仪器与设备

同向双螺杆挤出机：CTE–35型，科倍隆(南京)机械有限公司；注塑机：HTEF90W1型，宁波海天塑机集团有限公司；场发射扫描电子显微镜(SEM)：QUANTA200

型，美国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：SHIMADZUAGS–J型，日本岛津制作所；冲击试验机：XJJ–5型，承德试验机有限责任公司。

1．3　试样制备

将原材料在110℃下干燥12h，按一定质量分数把光扩散剂粒子与PC混合均匀，用双螺杆挤出机挤出造粒。将粒料在110℃下干燥12h，注塑成测试试样。

1．4　性能测试

拉伸强度按GB／T1040.2–2006测试；缺口冲击强度按GB／T1043.1–2008测试；透光率和雾度按GB／T2410–2008测试，试样厚度为2mm ；SEM观察：分别将光扩散剂A，B，C均匀洒在导电胶表面，喷金，用SEM观察并拍照。将试样在液氮中冷冻并脆断，在断口表面喷金，用SEM观察并拍照。

2　结果与讨论

2．1　微观形貌

相对无机光扩散剂而言，有机光扩散剂对光的吸收较少，可用于制备兼有高透光率和高雾度的光扩散材料。图1为光扩散剂及PC基光扩散材料(光扩散剂质量分数为0.5%)的SEM照片。由图1a、图1c、图1e可以看出，光扩散剂A，B，

C均为规则的球形颗粒，但光扩散剂A的粒径分布范围较广，粒径分布范围为1～4μm，平均粒径为2μm；光扩散剂B的粒径大小也不均匀，粒径分布范围为1～3μm，平均粒径为2μm；光扩散剂C的粒径大小均匀，粒径分布较为集中，平均粒径为3μm。由图1b、图1d、图1f可以看出，光扩散剂均能均匀地分散在PC基体中，并保持原来的形状。但是，图1d和图1f中的光扩散剂与基体的接触面有空隙，试样中也存在大量的空洞，说明有机硅类光扩散剂与基体树脂的相容性较差。另外，由于试样是在280～300℃制得的，而光扩散剂在试样中均保持原有形状，说明3种光扩散剂均具有较好的耐热性。

图1　光扩散剂及PC基光扩散材料的SEM照片

2．2　力学性能

图2为光扩散剂用量对PC基光扩散材料力学性能的影响。由图2可以看出，随着光扩散剂质量分数的增加，材料的拉伸强度呈波动式下降趋势，但变化幅度

很小；材料的缺口冲击强度呈下降趋势，其变化幅度也很小。一般来说，纯PC的拉伸强度为63MPa，加入光扩散剂后，拉伸强度在60.5～62.5MPa间波动，变化幅度不大，说明光扩散剂对材料的拉伸强度无明显影响。这是因为加入的光扩散剂较少，在材料中造成的缺陷数量相对于材料本身的缺陷数量较少，所以加入光扩散剂后材料整体的缺陷数量并没有明显增加，而对材料拉伸强度影响最明显的是引起应力集中的缺陷；加入光扩散剂后，材料的缺口击强度在12～14kJ／m2间波动，其中，随着光扩散剂A质量分数的增加，材料的缺口冲击强度基本

不变化，而加入光扩散剂B，C的材料的缺口冲击强度随其质量分数的增加而降低。这可能是因为丙烯酸类光扩散剂与PC的相容性相比有机硅类光扩散剂与PC的相容性好一些，而PC是缺口敏感材料，所以加入有机硅类光扩散剂后材料容易出现脆性断裂，导致其缺口冲击强度下降，但是，由于加入的光扩散剂较少，所以下降幅度较小。

2．3　光学性能

评定光扩散材料的两项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射到试样上的光通量之比，是表征透明高分子材料透明程度的一个重要性能指标。高分子材料的透光率越高，其透明性越好；雾度又称浊度，是透过试样而偏离入射光方向的散射光通量与透射光通量之比，用来衡量一种透明或半透明材料不清晰或浑浊的程度，是材料内部或表面上的不连续性或不规则性所造成的。通常用雾度的大小来表征光散射材料的光散射强弱。

(1)光扩散剂用量对试样透光率和雾度的影响。

光散射现象产生的原因]是媒质均匀性遭到破坏的结果，即尺寸在波长数量级的临近介质单元之间在光学性质上（如折射率）有较大差异，在入射光的作用下，它们作为次波源将辐射振幅大小不同的次波，彼此的相位也有差别。而次波相干迭加的结果，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，从而造成散射。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。

由图3可以看出，当光扩散剂A的质量分数为0.2%时，试样的透光率为88.6%，雾度为59.3%；随着光扩散剂A质量分数的增加，试样的透光率逐渐下降，雾度上升；当光扩散剂A的质量分数为0.6%时，试样的透光率为78.4%，雾度为79.3%，雾度相对较低，距离满足要求的雾度(≥ 90%) 相差较远，需要继续增加光扩散剂A的质量分数才能满足要求。由图4可以看出，当光扩散剂B的质量分数为0.2%时，试样的透光率为86.5%，雾度为73.8%；当光扩散剂B的质量分数增加到0.3%时，试样的透光率下降为73.5%，雾度上升为92.5%；继续增加光工程塑料应用2013年，第41卷，32第5期扩散剂B的质量分数，试样的透光率迅速下降，而雾度只是缓慢增加。图5为光扩散剂C质量分数对试样透光率和雾度的影响。

由图5可以看出，当光扩散剂C的质量分数为0.2%时，试样的透光率为83.2%，雾度为90.8%；继续增加光扩散剂C的质量分数，试样的透光率显著下降,雾度则上升；当光扩散剂C的质量分数为0.3%时，试样的透光率下降为80.8%，雾度上升为94.9%，之后继续增加光扩散剂C的质量分数，试样的雾度反而有所降低。综上所述，当加入光扩散剂的质量分数相同时，加入光扩散剂A(丙烯酸类)的试样的透光率高于加入光扩散剂B，C(有机硅类)的试样，且前者的雾度也明显较低。这是因为有机硅类光扩散剂对光的吸收比丙烯酸类光扩散剂多。

(2)光扩散剂用量对试样有效光扩散系数的影响。

通常，用透光率×雾度表示材料的有效光扩散能力。其值越大，表示在获得高光扩散强度时，其光损失越小。可以通过改变光扩散剂的用量获得理想的透光率和雾度值，从而转化为有效光扩散系数。由图6可以看出，随着光扩散剂质量分数的增加，试样的有效光扩散系数呈现先增大后减少的趋势。加入光扩散剂A的试样中，当质量分数为0.2%时，有效光扩散系数为52.5%；质量分数为0.5%时，有效光散射系数达到最大值，为63.0%；继续增加光扩散剂A的质量分数时，试样的有效光散射系数减小。加入光扩散剂B，C的试样中，当光扩散剂B，

C的质量分数分别为0.3%时，有效光散射系数均达到最大值，分别为68.0%，76.7%；继续增加光扩散剂的质量分数，试样的有效光散射系数迅速减小。说明有机硅类光扩散剂在较小用量下就能达到较高的有效光扩散系数，且其用量对有效光扩散系数的影响非常明显。

(3)光扩散剂粒径对试样雾度的影响。

图7　光扩散剂粒径对试样雾度的影响

由图7可以看出，使用光扩散剂B的材料的雾度普遍比使用光扩散剂C的低，但两者相差幅度较小。这是因为本实验采用的光扩散剂粒径均大于可见光波长，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、散射角及粒子周围介质中入射光波长的函数。不考虑散射角及粒子周围介质中入射光波长因素，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，材料的散射强度较高。根据GB／T2410–2008《透明塑料透光率和雾度的测定》

中的计算公式，散射强度高的材料其雾度大。光扩散剂C的粒径比光扩散剂B的粒径大，故加入光扩散剂C的试样的雾度比加入光扩散剂B的试样高，由于其粒径相差较小，其雾度相差较小。

3　结论

(1)有机硅类光扩散剂与PC基体的相容性较差，而丙烯酸类光扩散剂与PC基体相容性较好。加入有机硅类光扩散剂对PC的拉伸强度基本无影响，但对缺口冲击强度有一定的影响。

(2)光扩散剂用量对材料的透光率和雾度的影响较大。对于丙烯酸类光扩散剂，为使材料达到一定的雾度，需增加其用量，但其具有更高的透光率；加入少量有机硅类光扩散剂就能使材料达到较高雾度，同时透光率没有明显下降。当有机硅类光扩散剂C的质量分数为0.3%时，材料的有效光扩散系数可达到76.7%，透光率为80.8%，雾度为94.9%，具有很好的实际应用价值。

(3)光扩散剂的粒径在一定范围内对材料的雾度有影响，光扩散剂粒径大的材料，其雾度较高。