光擴(kuò)散材料的研究以及進(jìn)展(DOC)

1、光擴(kuò)散材料的研究以及進(jìn)展在當(dāng)前全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，節(jié)約能源是我們未來面臨的重要的問題，在照明領(lǐng)域，LED發(fā)光產(chǎn)品的應(yīng)用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，必然是未來發(fā)展的趨勢，21世紀(jì)將進(jìn)入以LED為代表的新型照明光源時(shí)代。LED球泡燈具與白熾燈比較，其最大的發(fā)展動(dòng)力就是節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%以上。當(dāng)LED新型點(diǎn)光源在照明燈具行業(yè)廣泛應(yīng)用的同時(shí)，為減弱LED光源單點(diǎn)光強(qiáng)度對視覺的不舒適性刺激，燈具行業(yè)出現(xiàn)了擴(kuò)散板在照明產(chǎn)品中的大量應(yīng)用。傳統(tǒng)的材料用的是磨砂玻璃，但是這類材料易碎，透光率低，光擴(kuò)散材料的出現(xiàn)，不僅解決了材料的易碎問題，在

2、透光率上能提高20%以上，光擴(kuò)散材料得到了快速的發(fā)展。1. 光擴(kuò)散材料的概述光擴(kuò)散材料，指的是可以透過光線、又能夠使光線發(fā)生散射的材料。光擴(kuò)散材料可以將點(diǎn)、線狀的光源轉(zhuǎn)化為面狀的光源，其散射范圍較大、透光性良好，且光線分布均勻。光擴(kuò)散現(xiàn)象的產(chǎn)生是媒質(zhì)的均勻性遭到破壞的結(jié)果，即尺寸達(dá)到波長數(shù)量級的臨近媒質(zhì)小塊之間在光學(xué)性質(zhì)上(如折射率)有較大差異，在入射光的作用下，它們作為次級波源將輻射振幅大小不同的次波，彼此的相位也有差別。這樣，由于次波的相干迭加，除了部分光波仍沿著幾何光學(xué)規(guī)定的方向傳播外，在其他方向不能抵消，造成散射。因此，當(dāng)入射光照射在兩種折射率不同。早期多用于液晶顯示器的背光源材料，又

3、稱為光散射材料或散光材料。將光擴(kuò)散材料用于發(fā)光二極管(LED)照明是近年來開辟的一個(gè)新應(yīng)用領(lǐng)域。LED照明較液晶背光源更強(qiáng)、柔和光線性能更高；用于LED照明的光擴(kuò)散材料在擴(kuò)散光的同時(shí)，須盡量減少光損失，且有良好的韌性。評價(jià)光擴(kuò)散材料性能的兩個(gè)重要指標(biāo)是光線透過率和霧度，前者代表著一種材料的透明程度，而后者代表著材料散射光線能力的強(qiáng)弱。透光率是指透過試樣的光通量和射到試樣上的光通量之比，它是表征透明高分子材料透明程度的一個(gè)重要性能指標(biāo)。一種高分子材料的透光率越高，其透明性就越好。霧度又稱濁度，是透過試樣而偏離入射光方向的散射光與透射光通量之比，它衡量一種透明或半透明材料不清晰或者渾濁的程度，霧度

4、大小是材料內(nèi)部或表面上的不連續(xù)性或不規(guī)則性所造成的。通常用霧度表征光散射材料的光散射強(qiáng)弱。隨著液晶顯示器的大量應(yīng)用，作為其背光源模組重要組成部分的光擴(kuò)散膜的需求也越來越大。光擴(kuò)散膜的作用是將點(diǎn)光源、線光源轉(zhuǎn)化為面光源，具有高透光率和高霧度等特點(diǎn)。光擴(kuò)散材料根據(jù)作用機(jī)理不同，可分為面擴(kuò)散和體擴(kuò)散兩種。面擴(kuò)散主要通過打磨、涂層、噴砂或刻痕等手段，利用粗糙表面產(chǎn)生光擴(kuò)散。如LinChifeng等通過表面微結(jié)構(gòu)處理制備光擴(kuò)散材料；體擴(kuò)散是通過在透明基體中添加異質(zhì)顆粒的方法，利用顆粒的散射產(chǎn)生光擴(kuò)散，一般采用共混法制備。如趙鋆沖等以聚碳酸酯為基體通過添加有機(jī)硅類光擴(kuò)散劑制備的光擴(kuò)散材料，其透光率為80.

5、8%，霧度為94.9%。光擴(kuò)散材料是光線通過塑料基材的擴(kuò)散層，遇到內(nèi)含與其折射率相異的介質(zhì)（擴(kuò)散粒子）時(shí)，會發(fā)生多角度、多方向的折射、反射與散射的現(xiàn)象，從而使點(diǎn)光源達(dá)到光擴(kuò)散效果，為照明燈具提供更加均勻、更加舒適的出光效果。目前，市場上主流光散射材料可采用聚合法制備與共混法制備。常用的光散射材料基體主要采用透明聚合物，如聚碳酸酯（PC）、PS、透明聚烯烴材料、聚對苯二甲酸乙二酯（PET）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等。2. 光擴(kuò)散材料的發(fā)展背景自20世紀(jì)60年代世界第一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光二極管誕生以來，作為一種全新的照明技術(shù)LED利用半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料、直接將電能轉(zhuǎn)換為光能，以其發(fā)光效率高、耗

6、電量少、使用壽命長。安全可靠性強(qiáng)、環(huán)保衛(wèi)生等優(yōu)越性，已逐漸取代傳統(tǒng)光源，成為新一代的主流光源。但是LED照明燈具一般由若剛LED排列組成，每一個(gè)LED都是一個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)發(fā)光源，發(fā)光強(qiáng)度相對較高，多個(gè)電光源密集組合成的LED照明必然會形成光線不均勻以及炫目等問題，用于照明時(shí)必然會給人的視覺帶來炫目等不適。而光擴(kuò)散膜可以有有效解決LED的搶光問題，使照明光均勻柔和，消除炫光。傳統(tǒng)的透光和擴(kuò)散光線的材料都是透明或乳白的玻璃或塑料，光線經(jīng)過它們時(shí)發(fā)出折射（透明材料）或擴(kuò)散（漫透射材料），將它們做成平片或棱鏡透鏡（僅對透明材料）后控制光線的走向，從而達(dá)到改變光源光分布的目的。不過控光部件的能力或功效比較低

7、，受棱角大小、材料表面的反射和折射率數(shù)值的限制，光線的偏折角度是有上限的，效率不高。近年來，液晶顯示技術(shù)不斷發(fā)展與成熟，在平板顯示市場占據(jù)了主導(dǎo)地位，尤其是具有高畫質(zhì)、空間利用率佳、低消耗功率及無輻射等優(yōu)越特性的薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)，更已成為市場主流。隨著TFT-LCD的蓬勃發(fā)展，導(dǎo)光板作為其不可缺少的組成部分背光照明系統(tǒng)的組成構(gòu)件，其需求量也不斷增加。傳統(tǒng)的印刷型導(dǎo)光板由于散射角過大，印刷點(diǎn)亮度對比高，為了使光線均勻射出，必須使用較厚的擴(kuò)散膜，但會使背光組件的照明亮度降低；而注射型導(dǎo)光板雖然能解決導(dǎo)光板厚度方面的問題，但其對于機(jī)械的加工精度要求非常高，也給實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)帶來諸

8、多不便。因此，光擴(kuò)散聚合物導(dǎo)光板具有非常高的研究和開發(fā)價(jià)值。常用的光擴(kuò)散材料的光學(xué)性能要求與主要技術(shù)指標(biāo)主要有：(1)具有高透光、高擴(kuò)散、無眩光、無光影；(2)光源隱蔽性要好，有效調(diào)整擴(kuò)散率和透光率；(3)具有良好流動(dòng)性，良好的模具脫模性質(zhì)，優(yōu)良的耐候性；(4)透光率達(dá)到或超過80%；具有高阻燃性；(6)具有高抗沖擊強(qiáng)度；(7)適合于LED燈罩、燈泡、燈管的使用。3. 常用光擴(kuò)散材料簡介3.1光擴(kuò)散聚碳酸酯(PC)材料聚碳酸酯(簡稱PC)是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，1898年Einhom采用對苯二酚和間苯二酚在吡啶溶液中進(jìn)行光氣化反應(yīng)，首次合成出聚碳酸酯。1953年，德國拜耳公司首先

9、研究成功PC,并于1958年首先實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，至今已有50多年的歷史。在聚碳酸酯合成工藝的發(fā)展歷程中，出現(xiàn)過很多合成方法。目前，可用于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的則有光氣(界面縮聚)法和熔融酯交換縮聚法、非光氣熔融酯交換縮聚法3種合成工藝，工藝由原來傳統(tǒng)酯交換合成工藝從根本上擺脫了有毒的光氣，是一種無污染的綠色合成。根據(jù)酯基的結(jié)構(gòu)可分為脂肪族、芳香族、脂肪族芳香族等多種類型引。由于脂肪族和脂肪族一芳香族聚碳酸酯的機(jī)械性能較低，從而限制了其在工程塑料方面的應(yīng)用，因此僅有芳香族聚碳酸酯實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。芳香族聚碳酸酯具有無色透明，耐熱，抗沖擊，阻燃BI級，在普通使用溫度內(nèi)都有良好的機(jī)械性能而廣泛的被運(yùn)用在各

10、個(gè)領(lǐng)域，目前已經(jīng)推出了光盤、汽車、辦公設(shè)備、箱體、包裝、醫(yī)藥、照明、薄膜等多種產(chǎn)品各自專用的品級牌號。聚碳酸酯(PC)無色透明，耐熱，抗沖擊，在普通使用溫度內(nèi)都有良好的機(jī)械性能，同時(shí)透光率高達(dá)百分之九十以上，兼有易成型、密度低等特點(diǎn)，是一種綜合性能良好的熱塑性塑料。光擴(kuò)散材料的制備方法一般可分為聚合法和共混法兩種，聚合法在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基光擴(kuò)散材料的制備中應(yīng)用較為廣泛，但在PC基光擴(kuò)散材料的制各中應(yīng)用較少，相關(guān)研究和報(bào)道也較為少見。(1) 聚合法是根據(jù)光折射的原理，選擇折射存在一定的差異、相容性不好的兩種聚合物單體共同聚合或者是采用分段聚合，用來進(jìn)一步制備光散射的材料。常用的聚合

11、法是將兩種反應(yīng)活性不同的單體進(jìn)行聚合制備，因?yàn)樯⑸潴w單體與形成基體的單體反應(yīng)活性不相同，散射體單體產(chǎn)生自聚或與基體單體嵌段共聚，這樣兩種單體對于各自聚合鏈內(nèi)所形成的凝聚核其光學(xué)性質(zhì)是均勻，在凝聚核的邊界。(2) 共混改性法是在PC樹脂中添加光擴(kuò)散劑，光擴(kuò)散劑呈球形，均勻分散在PC樹脂中形成海島結(jié)構(gòu)，由于PC樹脂和光擴(kuò)散劑的折射率不同，光線在光擴(kuò)散劑表面類似鏡面反射，共混改性法是在PC樹脂中添加光擴(kuò)散劑，光擴(kuò)散劑呈球形，均勻分散在PC樹脂中形成海島結(jié)構(gòu)，由于PC樹脂和光擴(kuò)散劑的折射率不同，光線在光擴(kuò)散劑表面類似鏡面。目前，很多新型的光擴(kuò)散材料都是使用方法產(chǎn)生的，因?yàn)檫@種方法類似聚合物摻雜，工藝簡

12、單，尤其是在用量非常大的光擴(kuò)散板材方面，這種方法能夠進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。PC光擴(kuò)散材料，具有良好的光擴(kuò)散效果，較高的透光率以及優(yōu)異的力學(xué)性能。未來對于PC光擴(kuò)散材料的研究應(yīng)該分層進(jìn)行，先研究選擇出優(yōu)異性能的散射體粒子，進(jìn)而制備出和基體樹脂能夠相容的、有優(yōu)異光學(xué)性能的復(fù)合材料。引起了業(yè)界的極大的關(guān)注。3.2光擴(kuò)散聚碳酸酯(PC)材料PET是聚對苯二甲酸類塑料的一種，全稱是聚對苯二甲酸乙二醇酯，是熱塑性聚酯中最主要的品種。它是對苯二甲酸與乙二醇的縮聚物，與PBT一起統(tǒng)稱為熱塑性聚酯，或飽和聚酯。第一個(gè)PET纖維的制備專利由英國于1946年發(fā)表，被美國杜邦公司購買，建立生產(chǎn)裝置，并首個(gè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)

13、化生產(chǎn)。20世紀(jì)80年代以來，PET工程塑料進(jìn)展迅速，作為熱塑性聚酯，成為五大工程塑料之一。PET是乳白色或淺黃色高度結(jié)晶性的聚合物，表面平滑而有光澤)分子結(jié)構(gòu)高度對稱，具有一定的結(jié)晶取向能力，故具有較高的成膜性、很好的光學(xué)性能和耐候性，非晶態(tài)的PET具有良好的光學(xué)透明性。另外它還具有優(yōu)良的耐磨耗摩擦性和尺寸穩(wěn)定性以及電絕緣性；PET耐蠕變、抗疲勞，磨耗小而硬度高，具有熱塑性塑料中最大的韌性；電絕緣性能好，受溫度影響小，但耐電暈性較差。PET無毒、耐氣候性、抗化學(xué)藥品穩(wěn)定性好，吸水率低，耐弱酸和有機(jī)溶劑，但不耐熱水浸泡，不耐堿。眾多優(yōu)良的品質(zhì)和特點(diǎn)決定了其在生活和生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用和重要地位。H

14、.P.Kuo等對涂覆法制備聚對苯二甲酸乙二酯(PET)光擴(kuò)散膜進(jìn)行研究。目前LCD中應(yīng)用的PET光擴(kuò)散膜都是用涂覆工藝制備。通過共混法在聚對苯二甲酸乙二酯(PET)中添加光擴(kuò)散劑制備PET光擴(kuò)散膜。利用Mie散射理論計(jì)算了光擴(kuò)散劑顆粒的折射率和粒徑對光擴(kuò)散效果的影響，并通過實(shí)驗(yàn)對理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，光擴(kuò)散劑顆粒折射率對光擴(kuò)散效果的影響較小，而顆粒粒徑的影響較大，與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。探討了光擴(kuò)散劑添加量對光擴(kuò)散效果的影響和原因，制備出透光率為85.3%、霧度為90.86%的PET光擴(kuò)散膜，具有較為廣泛的應(yīng)用前景。3.3光擴(kuò)散聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA

15、)是透光性最好的塑料之一，透光率可達(dá)92%，堪與光學(xué)玻璃媲美，并且它硬度高，高溫可塑性好，是理想的光散射材料基體。具有散射能力的高聚物導(dǎo)光材料同時(shí)具有透明性和散射能力。這種材料能將點(diǎn)、線光源轉(zhuǎn)化成線、面光源，散射角大，導(dǎo)光性好，透光均勻，是一種新型的背光源材料，可用于制造液晶顯示器(LCD)導(dǎo)光板，我國LCD需求的高速增長極大地拉動(dòng)了PMMA的生產(chǎn)。廣泛應(yīng)用于廣告招牌、指示標(biāo)牌、展示櫥窗、投影壁墻、照明光源以及液晶顯示等領(lǐng)域。制備高散射高聚物導(dǎo)光材料的方法大致可分為兩種：(1)物基體材料和分散于其中的散射體粒子共混。這種方法的缺陷是散射體粒子在基體中混合分散很難達(dá)到均勻，而影響光散射效果；(2

16、)利用折光率有一定差異、相容性不太好的兩種聚合物原位共聚合。這種方法的缺陷是:散射體與基體兩相間的不相容性可能造成散射體粒子凝聚。此外，將苯乙烯預(yù)聚物加入到甲基丙烯酸甲酯單體中進(jìn)行原位聚合，制備透明、高散射、導(dǎo)光聚合物材料。對預(yù)聚反應(yīng)體系的引發(fā)劑用量、預(yù)聚時(shí)間以及苯乙烯預(yù)聚物用量和反應(yīng)溫度等條件對樣品的透明性、散射性影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在預(yù)聚溫度80°C時(shí)，St預(yù)聚物的用量在0.2%1%,預(yù)聚20min能夠得到透明高散射導(dǎo)光的高聚物材料。實(shí)驗(yàn)表明，隨著苯乙烯預(yù)聚物用量的增加或預(yù)聚時(shí)間的延長，材料的透光率下降，散射增強(qiáng)，霧度升高。材料的透光率能夠大于85%,霧度大于80%。將苯乙

17、烯(St)定時(shí)間的聚合產(chǎn)物(散射添加物)與甲基丙烯酸甲酯(MMA)單體進(jìn)行原位聚合，制備透明、高散射、導(dǎo)光聚合物體散射材料。對材料的光學(xué)性能測試表明：調(diào)節(jié)散射添加物的用量，可以調(diào)控材料的透光率和霧度，透光率隨著添加物用量的增加而下降，霧度隨添加物用量的增加而上升，材料的透光率能夠大于85%，霧度大于80%；對材料的紅外分析表明光散射材料的散射基體為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；反應(yīng)體系溫度的變化使材料的分子量具有雙峰分布；材料的分子量分布介于3.0與3.5之間;材料的微觀結(jié)構(gòu)分析表明：聚苯乙烯(PS)均勻的分布在PMMA基體中，其尺寸與可見光波長相當(dāng)或略小；隨著添加物用量的增加，分散在PMMA

18、基體中的PS的粒徑增加，分布的密度減少。通過將散射添加物加入到第二單體MMA中進(jìn)行原位聚合能夠制備出高散射、導(dǎo)光和透明的高聚物體散射材料。通過微觀結(jié)構(gòu)的觀察可知材料內(nèi)部散射體粒子分布均勻。紅外分析表明材料的散射基體為PMMA。調(diào)節(jié)散射添加物的用量，能夠調(diào)控材料的透光率、霧度與散射強(qiáng)度，可以得到透光率大于85%且霧度大于80%的散射性能優(yōu)異的聚合物體散射材料。材料的分子量具有雙峰分布，有利于兼顧力學(xué)性能和加工性能。近年來，全球LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，各國對LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展表現(xiàn)出極大的熱情。2012年5月7日，由科技部發(fā)布的半導(dǎo)體照明科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃提出：到2015年，LED照明產(chǎn)品占通用照明的30%，建成50個(gè)“十城萬盞”點(diǎn)示范城市。市場的需求和政策