摘要 以聚碳酸酯（PC）為基材，分別選用無機(jī)光散射劑BaSO4、SiO2和有機(jī)光散射劑聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），研究不同種類和含量的光散射劑對PC力學(xué)性能、透光率和霧度的影響。結(jié)果表明，光散射劑的加入對試樣的拉伸強(qiáng)度影響較小，對缺口沖擊強(qiáng)度影響較大。通過調(diào)節(jié)光散射劑的種類和用量，可以有效調(diào)節(jié)PC復(fù)合材料的透光率和霧度。當(dāng)光散射劑PMMA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．0%時(shí)，PC/PMMA復(fù)合材料的透光率為85%，霧度為91．97%，性能非常優(yōu)異，可以滿足實(shí)際需要。
關(guān)鍵詞 聚碳酸酯 光散射劑 透光率 霧度
近年來，面臨全球能源危機(jī)，LED產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般發(fā)展起來，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于照明、顯示、背光等行業(yè)。由于具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，LED照明的應(yīng)用前景十分廣闊。隨著LED照明產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，LED燈外殼材料的使用量也迅速增長。目前LED照明用光散射產(chǎn)品幾乎被國外幾家大公司（如旭化成、住友化學(xué)、帝人化成及韓國LG等）壟斷，其價(jià)格較高，嚴(yán)重地阻礙了我國LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，研發(fā)國產(chǎn)的LED照明用外殼材料迫在眉睫。
LED照明用外殼材料，即光散射材料，是指既能使光通過又能有效散射光的材料［1］，其能將點(diǎn)、線光源轉(zhuǎn)化成線、面光源［2］。評定光散射材料的兩項(xiàng)主要指標(biāo)是透光率和霧度［3］。要實(shí)現(xiàn)柔和的勻光效果，一般要求光散射材料具有80%以上的透光率和90%以上的霧度。為了應(yīng)對LED照明產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，外殼材料的生產(chǎn)必須要實(shí)現(xiàn)連續(xù)化和高產(chǎn)率。因此大多數(shù)新型光散射材料是采用透明的聚合物基體材料和散射體粒子共混的方法制備。包括無機(jī)微粒，如玻璃微珠［4］、SiO2等物質(zhì)［5－8］；以及有機(jī)聚合物微粒，如聚甲基丙烯酸縮水甘油酯、聚苯乙烯（PS）［9］、硅樹脂［10－11］等。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。由于透光率和霧度相互矛盾，往往提高透光率就會降低霧度。如何平衡這兩個(gè)指標(biāo)，光散射劑的選擇是關(guān)鍵，筆者采用力學(xué)性能和耐熱性能優(yōu)異的PC作為基體材料，研究了不同種類不同微觀形貌的光散射劑對LED照明用外殼材料力學(xué)和光學(xué)性能的影響，從而為實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)提供有利的參考依據(jù)。
1實(shí)驗(yàn)部分
1．1
原材料
PC：日本三菱化工公司；
BaSO4：無錫惠隆電子材料有限公司；SiO2、PMMA：上海震鑫科技有限公司。
1．2儀器及設(shè)備
同向雙螺桿擠出機(jī)：SHJ－20型，南京杰亞擠出裝備有限公司；
注塑機(jī)：HM7DENKEY型，日精樹脂工業(yè)株式會社；
場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）：XL30S－FEG型，荷蘭FEI公司；
透光率/霧度測定儀：WGT－S型，上海精密科學(xué)儀器有限公司；
萬能電子拉力試驗(yàn)機(jī)：Zwick/RoellZ005型，德國ZwickRoell試驗(yàn)機(jī)有限公司；沖擊試驗(yàn)機(jī)：ZBC－50型，深圳新三思材料檢測有限公司。
1．3試樣制備
將純PC粉料在110℃下干燥12h，然后將光散射劑BaSO4、SiO2、PMMA分別按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．5%、1．0%、1．5%、2．0%、3．0%與PC充分混勻。經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)擠出，然后注射成型標(biāo)準(zhǔn)試樣。
1．4性能測試
簡支梁沖擊強(qiáng)度按GB/T1043－1993測試；
拉伸強(qiáng)度按GB/T1040－2006測試；
透光率和霧度按GB/T2410－2008測試，試樣尺寸為40mm×30mm×1mm；
SEM分析：將試樣在液氮中脆斷，表面噴金后，用SEM觀察并拍照。
2結(jié)果與討論
2．1微觀形貌
光散射劑原料以及PC基光散射材料（光散射劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1．5%）的SEM照片如圖1所示。由圖1a可以看出，BaSO4形狀極不規(guī)則，微粒大小普遍在1μm左右。圖1b中，光散射劑形狀較為規(guī)則，但粒徑大小不均勻，大粒徑為2～3μm，但多數(shù)粒徑在0．5～1μm。圖1c中，光散射劑呈現(xiàn)規(guī)則的球形，粒徑分布較為均勻，基本在2～4μm之間。從圖1d、圖1e、圖1f可看出，光散射劑粒子均勻分布在PC基體中，仍保持原來的形狀，這些散射體粒子成為散射中心。試樣中存在大量的孔洞，這是由于光散射劑與PC基體不相容，當(dāng)試樣受到?jīng)_擊時(shí)，散射體粒子從基體中脫落。從圖1f中可以看到大量的PMMA粒子，其在280℃下仍能保持一定的形狀而不熔融，可能是因?yàn)?span>PMMA存在一定的交聯(lián)。
筆者采用的光散射劑粒徑分布在1～5μm（如圖1所示），其尺度大于可見光波長（400～760nm），因而其散射效應(yīng)屬于Mie散射。根據(jù)Mie散射理論，將球形粒子均勻分散于基體樹脂中，體系的散射強(qiáng)度是粒子折射率、粒徑、散射角以及粒子周圍介質(zhì)中入射光波長的函數(shù)［12］。不考慮散射角以及粒子周圍介質(zhì)中入射光波長的因素，而僅考慮粒子折射率和粒徑對試樣光學(xué)性能的影響。在一定范圍內(nèi)，粒徑越大，折光率差值越大，試樣的散射強(qiáng)度較高。PMMA與基材PC的折光率有較大差異，而BaSO4、SiO2的折光率與PC相差較小（折光率PC為1．59，PMMA為1．49，SiO2為1．54、BaSO4為1．64）。這種差異使得光線穿過試樣時(shí)，具有較高的散射強(qiáng)度。從圖1a、圖1b、圖1c可以看出，PMMA粒徑較大，形狀較好，粒徑分布均勻，而SiO2粒徑較小，BaSO4形狀極為不規(guī)則。而無機(jī)粒子SiO2和BaSO4分布不均勻，甚至出現(xiàn)粒子團(tuán)聚現(xiàn)象，這種粒子分布的不均勻性也影響到試樣的光學(xué)性能。
2．2力學(xué)性能
圖2為光散射劑含量對試樣拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度的影響。由圖2a可見，隨著光散射劑含量的增加，試樣的拉伸強(qiáng)度略有下降。一般來說，純PC的拉伸強(qiáng)度為63MPa，加入光散射劑后，試樣的拉伸強(qiáng)度為58～66MPa，說明光散射劑的加入對試樣的拉伸強(qiáng)度影響較小。由圖2b可見，隨著光散射劑含量的增加，試樣的缺口沖擊強(qiáng)度不斷下降，略小于純PC的缺口沖擊強(qiáng)度（105kJ/m2）。添加光散射劑SiO2的試樣缺口沖擊強(qiáng)度下降不大，在光散射劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3．0%時(shí)，其缺口沖擊強(qiáng)度為95．94kJ/m2。原因在于SiO2作為無機(jī)剛性粒子對PC具有增韌作用，當(dāng)添加量少時(shí)，具有一定增強(qiáng)作用，當(dāng)添加量增大時(shí)，PC的缺口沖擊強(qiáng)度下降平緩。光散射劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3．0%時(shí)，加有光散射劑BaSO4和PMMA的試樣缺口沖擊強(qiáng)度分別下降到14．79kJ/m2和11．58kJ/m2。這主要是由于PC是缺口敏感型塑料，而光散射劑與基體PC之間相容性不好，試樣出現(xiàn)脆性斷裂，從而導(dǎo)致缺口沖擊強(qiáng)度下降。
2．3光學(xué)性能
檢測光散射材料光學(xué)性能的主要指標(biāo)是透光率和霧度。透光率是指透過試樣的光通量和投射到試樣的光通量之比；霧度是指透過試樣而偏離入射光方向的散射光與透射光通量之比。
（1）光散射劑含量對試樣透光率和霧度的影響
純PC的透光率為89%～92%，如果LED燈的外殼材料用純PC，雖然可以實(shí)現(xiàn)良好的透光效果，但LED燈散發(fā)的光往往會造成眩暈現(xiàn)象，導(dǎo)致使用者心理上的不安。這就需要對光進(jìn)行一定程度的散射，使得光既能夠透過，又可以達(dá)到均勻柔和的效果。光散射現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因是媒質(zhì)均勻性遭到破壞。當(dāng)均勻媒質(zhì)（組成連續(xù)相）中的顆粒（分散相）尺寸達(dá)到可見光波長數(shù)量級的時(shí)候，如果分散相和連續(xù)相的折射率有一定差別，在入射光的作用下，分散相顆粒可以作為發(fā)射次級子波的波源。根據(jù)惠更斯－菲涅耳原理，當(dāng)次級子波在2π空間均勻相干迭加時(shí)，其結(jié)果是除了部分光波仍沿著幾何光學(xué)規(guī)定的方向傳播外，在其它方向上不能抵消，造成散射。因此，當(dāng)入射光照射在兩種折射率不同的物質(zhì)的分界面時(shí)必然會發(fā)生散射，沿著幾何光學(xué)傳播方向的強(qiáng)度必然減少［9］。圖3～圖5分別為光散射劑BaSO4、SiO2、PMMA對試樣霧度和透光率的影響。由圖3～圖5可見，隨著光散射劑含量的增加，試樣中散射中心的含量升高，因此，散射光增強(qiáng)，其霧度增大，透光率下降。當(dāng)光散射劑含量增加到一定濃度時(shí)，霧度不再增加。曲線的變化規(guī)律與光散射公式相吻合［13］。
由圖3可見，當(dāng)光散射劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至1．5%時(shí)，透光率為75%，霧度達(dá)到90%，繼續(xù)增加光散射劑的含量，霧度增加緩慢，而透光率下降較快，當(dāng)光散射劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，試樣的透光率下降到65．5%。
由圖4可見，SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1．0%時(shí)，試樣的透光率幾乎不變，在82%左右。但繼續(xù)增加SiO2含量，透光率下降較快，當(dāng)光散射劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3．0%時(shí)，透光率下降到62．9%。霧度在光散射劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1．0%時(shí)，變化較小，為87%左右。但繼續(xù)增加光散射劑含量時(shí)，霧度迅速增加，達(dá)到94%，再繼續(xù)增加光散射劑含量，霧度基本保持不變。
由圖5可見，當(dāng)光散射劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．5%時(shí)，試樣的透光率為86．5%。隨著光散射劑的含量增加，霧度增加，但當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至1．5%時(shí)，霧度達(dá)到93%，之后隨著光散射劑含量的繼續(xù)增加，霧度幾乎不變。
（2）有效光散射系數(shù)與光擴(kuò)散劑含量的關(guān)系
通常，用透光率×霧度（T×H）來表示材料的有效光散射能力，其值越大，表示在獲得高散射強(qiáng)度時(shí)，其它光損失越小。通過改變散射體的添加量獲得透光率和霧度值，通過轉(zhuǎn)化得到有效光散射值。圖6為光散射劑含量對試樣有效光散射系數(shù)的影響曲線。
由圖6可見，隨著光散射劑含量的增加，試樣有效光散射系數(shù)先增大后減小。添加光散射劑PMMA的試樣有效光擴(kuò)散系數(shù)在光散射劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．0%時(shí)達(dá)到最大值，為78．2%。在光散射劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．5%時(shí)，添加光散射劑BaSO4的試樣有效光散射系數(shù)達(dá)到最大值，為67．69%。而添加SiO2的試樣在1．0%時(shí)，有效光散射系數(shù)達(dá)到最大值，為71．41%。因此，添加光散射劑PMMA的試樣的光學(xué)性能最好，其最佳添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1．0%，最大有效光散射值為78．2%。
2．4應(yīng)用情況
筆者將該研究成果應(yīng)用于佛山某改性塑料材料公司，在PC基體中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1．0%的PMMA光散射劑生產(chǎn)出的LED球形燈罩的光學(xué)性能非常優(yōu)異，透光率為84．3%，霧度可達(dá)90．12%，有效光散射系數(shù)為75．97%，遠(yuǎn)好于市場上其它同類產(chǎn)品的性能。因此，該項(xiàng)目的研究具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，有利于國內(nèi)光擴(kuò)散材料的發(fā)展。
3結(jié)論
（1）加入光散射劑對PC的拉伸強(qiáng)度影響較小，對缺口沖擊強(qiáng)度的影響較大。當(dāng)光散射劑BaSO4、PMMA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3．0%時(shí)，試樣的缺口沖擊強(qiáng)度下降較大。
（2）試樣的透光率和霧度隨光散射劑含量變化較大。以PMMA為光散射劑的試樣性能最好，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．0%時(shí)，其有效光散射系數(shù)達(dá)到78．17%，PC/PMMA復(fù)合材料的透光率為85%，霧度為91．97%，性能非常優(yōu)異，可以滿足實(shí)際需要。