沈辰 蔡思怡 周康 徐灯 丁永红

(常州大学材料科学与工程学院，江苏 常州，213164)

光扩散剂粒径对PC光扩散板性能的影响

沈辰 蔡思怡 周康 徐灯 丁永红

(常州大学材料科学与工程学院，江苏 常州，213164)

在聚碳酸酯(PC)中加入交联聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球(光扩散剂)，通过紫外可见光分光光度计、扫描电子显微镜(SEM)等测试方法研究了PC光扩散板的光扩散机理以及光扩散剂粒径大小对PC光扩散板光透过率、雾度、有效光散射系数及力学性能的影响。结果表明：光扩散剂粒径为20.0 μm时，PC光扩散板光透过率较高；光扩散剂粒径为1.8 μm时，PC光扩散板雾度较大；光扩散剂粒径为3.0 μm时，PC光扩散板有效光散射系数较大且满足使用时力学性能要求；光扩散剂粒径增大，光透过率增加，雾度减小。

聚碳酸酯 交联聚甲基丙烯酸甲酯微球 光扩散剂 光扩散机理 粒径大小 光扩散性能

为了应对光二极管(LED)光源产业的高速发展，光扩散材料的生产必须要实现连续化和高产率。因此，大多数新型光扩散材料是采取透明的聚合物基材树脂与光扩散微球粒子共混的方法制备。其中光扩散微球粒子包括无机微粒，如SiO2,BaSO4；以及有机聚合物微粒，如丙烯酸类交联微球、聚苯乙烯(PS)、硅树脂等[1]。但是，由于无机微粒表面较尖锐，容易划伤光扩散材料，导致其光学性能受影响，所以有机聚合物微粒作为光扩散剂使用较广泛。本试验采用应用广泛的交联聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球作为光扩散剂制备LED光源用聚碳酸酯(PC)光扩散板，比较光扩散剂粒径大小对PC光扩散板性能的影响。

1 试验部分

1.1 主要原料

PC，1100，折射率1.59，韩国湖南石化；MX系列的光扩散剂是一组粒径分别为1.8，3.0，10.0，15.0，20.0 μm的交联PMMA微球，型号分别为MX-180，MX-300，MX-1000，MX-1500，MX-2000(下文以其型号代替相应微球)，折射率1.49，综研(苏州)化学有限公司。

1.2 仪器及设备

同向双螺杆挤出机，SHJ-35，中国广达橡塑机械厂；注塑机，HY600，宁波海鹰塑料机械有限公司；紫外可见光分光光度计、UV-2450，紫外光分光光度计积分球、ISR-2200，扫描电子显微镜(SEM)，JSM-6360LA，日本岛津公司；微机控制电子万能试验机，WDT-10，深圳凯强利机械有限公司；冲击试验机，XJU-22，承德市试验机厂。

1.3 试样制备

将纯PC在110 ℃下干燥12 h，然后利用双螺杆挤出机，分别与不同粒径的光扩散剂混合制造光扩散剂质量分数为10%的母粒，再将制得的母粒与PC按一定比例混合，通过注塑机制备光扩散剂质量分数为1.5%的注射成型光扩散板。

1.4 性能测试

根据GB/T 2410—2008测得在可见光波段下的光透过率(Tt)以及光线偏离原始入射光线2.5°的光透过率(Td)，计算出雾度为Td/Tt。

SEM分析：将样品放入液氮中浸泡10 min，取出直接脆断，断面经表面喷金处理后，在SEM上观察光扩散剂在PC光扩散板中的分散情况。

力学性能测试：拉伸强度测试按照GB/T 1040.1—2006标准测试；弯曲强度测试按照GB/T 14208 2—2009标准测试；缺口冲击强度试验按照GB/T 1043—1993标准测试。

2 结果与讨论

2.1 微观形貌的表征

图1为在光扩散剂加入质量分数为1.5%时，改变光扩散剂粒径大小得到的不同PC光扩散板的SEM照片。由图1可以看出，PC基材与光扩散剂之间形成孔隙。

2.2 光扩散机理的研究

由2.1微观形貌可以看出，光线入射后得到折射的类型有3种：1)入射光线进入PC基材发生折射；2)入射光线在孔隙处发生折射；3)入射光线与光扩散剂发生折射。当孔隙减小直至消失时，光线入射后得到折射的类型仅有2种：1)入射光线进入PC发生折射；2)入射光线与光扩散剂发生折射。由于PC、空气、光扩散剂交联PMMA微球的折射率分别为1.59，1.00，1.49。所以光线在PC光扩散材料中折射示意图如图2所示。按照雾度的定义为，使部分平行光偏离入射方向大于2.5°的散射光通量与透过材料的光通量之比的百分率，所以光线在基材中折射次数越多，理论上雾度越大。根据图2所示的光扩散折射示意图，当光扩散材料中具有孔隙时，光线折射次数多于在无孔隙的光扩散材料中折射次数，又因为粒径越大孔隙直径与光扩散剂直径之比越小，使得孔隙越小，所以推测当光扩散剂粒径增大时，光扩散材料雾度下降。

由于本试验采用的光扩散剂粒径分布在1.8～20.0 μm，其尺寸大于可见光波长，因此其对光的扩散效应属于Mie散射。根据Mie散射定律，将球形粒子均匀分散在基材树脂中，体系的散射光强即总光透过率，是粒子折射率、粒径、散射角以及粒子周围介质中入射光波长的函数[2]。由于散射角及粒子周围介质中入射光波长是一定的，仅考虑粒子折射率和粒径对试样光学性能影响时，在一定范围内，粒径越大，折光率差值越大，试样的散射光强较高，所以在一定范围内，推测光透过率随着粒径增大而增大。

根据光扩散机理，当光扩散剂与PC基材形成两相结构时，可以通过改变光扩散剂粒径大小从而改变其与PC基材间的孔隙，所以不考虑增加PC基材与交联PMMA微球光扩散剂之间相容性。

2.3 光扩散剂粒径对PC光扩散板光学性能影响

2.3.1 对雾度的影响

图3为光扩散剂质量分数为1.5%，选择添加不同粒径的光扩散剂注塑色板进行紫外光分光光度计测试，得到的在可见光波长范围内(390～780 nm)，不同粒径光扩散剂填充PC光扩散板雾度曲线。由图3可以看出，随着光扩散剂粒径的增大，PC光扩散板雾度减小。

图4为选取图3中600 nm波长下，粒径大小对PC光扩板散雾度影响。

由图4可知，光透过率随粒径增大而减小，在粒径为1.8 μm时达到最大值，雾度为92.89%。

2.3.2 对光透过率的影响

图5为光扩散剂质量分数为1.5%，选择添加不同粒径的光扩散剂注塑色板进行紫外光分光光度计测试，得到的在可见光波长范围内(390～780 nm)，不同粒径光扩散剂填充PC光扩散板光透过率曲线。由图5可知，光透过率随着光扩散剂粒径的增加呈上升趋势。

图6为选取图5中600 nm波长时，光扩散剂粒径对PC光扩散板光透过率影响。由图6可知，光透过率随粒径增大而增大，在粒径为20.0 μm时达到最大值，光透过率为83.73%。

2.3.3 有效光散射系数判断光扩散剂较佳粒径

由光扩散板实际应用可知，光扩散材料需要同时满足高光透过率、高雾度2种要求。所以，引进雾度与光透过率的乘积，即有效光散射系数作为判断光散射板光扩散性能好坏的物理量。

图7是在波长600 nm下，将光透过率与雾度进行乘法运算，得出有效光散射系数随着光扩散剂粒径增加的关系(光扩散剂质量分数1.5%)。由图7可知，随着光扩散剂粒径增加，有效光散射系数先增加后减小，在粒径为3.0 μm时达到最大值69.68%。即粒径为3.0 μm光扩散剂填充PC光扩散板可以达到既有高光透过率又高雾度的要求，此时光透过率为75.01%，雾度为92.89%。

2.4 光扩散剂粒径对PC光扩散板力学性能影响

光扩散板在实际使用过程中，除了需要有良好的光学性能，在力学性能方面也必须满足拉伸强度、冲击强度以及弯曲强度的要求。图8为光扩散剂质量分数为1.5%，得到不同粒径光扩散剂填充PC光扩散板力学性能的曲线。由图8可以看出,随着光扩散剂粒径增加，PC光扩散板的拉伸强度逐渐增加，当粒径为20.0 μm时，拉伸强度最大为67.69 MPa。随着光扩散剂粒径的增加，缺口冲击强度在光扩散剂粒径为3.0 μm及以下时，基本保持不变，当粒径继续增加时，缺口冲击强度下降较快。随着光扩散剂粒径增加，弯曲强度基本不变。这是因为本试验添加的光扩散剂含量较少，不足以引发较明显的弯曲性能变化。

光扩散板实际应用时力学性能要求拉伸强度55.00 MPa，缺口冲击强度60.00 kJ/m2,弯曲强度为100.0 MPa。当光扩散剂粒径3.0 μm时，拉伸强度为57.99 MPa，缺口冲击强度为68.13 kJ/m2,弯曲强度为105.2 MPa,满足光扩散板使用的力学性能要求。

3 结论

a) PC光扩散板扩散光源的机理为入射光线在经过PC基材、孔隙以及光扩散剂时，发生折射与反射。

b) 随光扩散剂粒径增加，使PC光扩散板光透过率增加，雾度降低；当粒径为20.0 μm时，光透过率为83.73%，当粒径为1.8 μm时，雾度为92.89%。

c) 当光扩散剂粒径为3.0 μm时，可以得到具有光透过率、高雾度的PC光扩散板,制备的PC光扩散板满足力学性能要求。

[1] Yamada Y，Kasuga F．Light-scattering spherical silica particles suitable for liquid crystal display device and their preparation：JP，2001188109[P]．2001-06-21．

[2] Jonsson Jocob C，Smith Georey B，Niklasson Gunnar A．Experinmental and monte carlo analysis of isotropic multiple Mie scattering[J].Optics Communications，2004，240：9-17．

Effect of Particle Size of Light Diffusion Agent on Properties of PC Light Diffusion Slab

Shen Chen Cai Siyi Zhou Kang Xu Deng Ding Yonghong

(School of Material Science and Engineering， Changzhou University, Changzhou, Jiangsu,213164)

Microspheres of cross-linked PMMA(light diffusion agent) were added into the PC. By using UV-visible spectrophotometer,scanning electron microscope and other test methods, the diffusion mechanism of PC light diffusion slab, and the influence of particle size of light diffusion agent on light transmittance,haze, effective light scattering coefficient and mechanical property of PC light diffusion slab were studied. The result indicateds that the light transmittance of PC light diffusion slab is high when the particle size of light diffusion agent is 20.0 μm; and the haze of PC light diffusion slab is high when the particle size of light diffusion agent is 1.8 μm. When the particle size of light diffusion agent is 3.0 μm, the effective light scattering coefficient of PC light diffusion slab is high, which meets the operating requirement for mechanical property.Light transmittance increases and haze decreases with the increase of the particle size of light diffusion agent.

polycarbonate; cross-linked polymethyl methacrylate microphere; light diffusion agent; light diffusion mechanism; particle size; light diffusion performance

2014-06-16;修改稿收到日期:2014-11-15。

沈辰,在读硕士研究生,研究方向为高分子材料加工与改性，主要致力于光扩散材料的研究。E-mail:735108379@qq.com。