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浅谈PC材料在LED领域的创新应用 (上)

一、前言

PC(聚碳酸酯)最早由德国科学家Alfred Einhorn在1898年首次合成,因为一直没有找到合适的应用领域,长达半个多世纪“养在闺中无人知”。不过是金子就总会有发光的那一天,1955年,Bayer公司的科学家Hermannschnell重新将PC合成出来,并于当年申请了专利。同年,Bayer公司正式给自家的PC起了个商品名“Makrolon”。纵观整个塑料科技史,不得不说,上世纪五六十年代是塑料科技大发展的时代。就在同一时期,1953年GE公司(后来塑料部门出身的杰克-韦尔奇担任该公司CEO)的科学家Daniel Fox也独立合成出了PC,而且,同样在1955年向美国专利局提交了专利申请,一场知识产权大战由此展开……

最后,美国专利局裁定,该项技术专利归Bayer所有,因为他们比GE公司早提交申请书一个星期。就因短短一星期,Bayer从GE那里拿到了不少专利费。时间就是金钱,在这里得到了完美的体现。

1958年,Bayer公司开始量产并商业化“Makrolon”。两年后,在支付了一笔“保护费”后,GE公司也开始量产PC,GE家的PC商品名是“Lexan”。自此,PC作为工程塑料登上历史舞台,由于它集良好的光学性能、力学性能以及阻燃性能于一体,很快就得到了人们的关注。

二、PC材料的结构和性能

聚碳酸酯是指大分子链由碳酸酯型重复结构单元组成的一类聚合物,英文名称Polycarbonate,简称PC,它是第二大通用工程塑料品种。根据具体组成不同,PC可分成脂肪族、脂环族、芳香族三类,但在工程上具有实际应用价值的只有芳香族PC。

PC是一种无色透明(或淡黄色透明)、刚硬而坚韧的材料,无毒、无味,外观类似于有机玻璃。PC的性能与其大分子的结构特征密切相关。PC大分子主链是由异丙撑基与碳酸酯基交互与苯环相连构成的线性大分子。分子结构对称、规整、重复单元长。苯环是刚性的,碳酸酯基是极性吸水基,虽然具有柔性,但它与两个苯环构成共轭体系,增加了主链的刚性和稳定性。异丙撑基是非极性的吸水基,对称分布的甲基位阻降低,提供主链以柔性。所以PC大分子以刚性为主并具有一定柔性。聚碳酸基的极性受到芳烃基的影响,失水率不高(约0.05%),但依然存在高湿度下易水解的弊病。PC具有规整的结构,大分子能够结晶。但实际上PC的结晶度很低,基本上属无定形聚合物,这可能与其分子刚性和重复单元太长有关。

一般性能:PC为透明、呈微黄色或白色硬而韧的树脂,燃烧时发出花果臭味、离火自熄、火焰呈黄色、熔融气泡。

力学性能:PC的力学性能十分优良,具有刚而韧的优点。其冲击性能是热塑性塑料中最好的一种,比PA、POM高3倍之多,接近PF和UP玻璃钢的水平。PC的拉伸强度和弯曲强度都好,并受温度的影响小。PC的耐蠕变性优于PA和POM,尺寸稳定性好。热学性能:PC的耐高低温性好,可在-130~130℃温度范围内使用,热变形温度可达130-140℃,并受载荷作用小,热导率和线膨胀系数都比较小,阻燃性好,属于自熄性能材料。

电学性能:PC因属弱极性聚合物,其绝缘性能一般。但可贵之处在于其电性能在很宽的温度及温度范围内变化较小,如介电常数和介电损耗角正切值在23-125℃范围内几乎不变。但需注意的是,随PC制品结晶度的提高,其体积电阻率增大。

环境性能:PC可耐有机酸、稀无机酸、盐、油、脂肪烃及醇类,但不耐氯烃、稀碱、澳水、浓酸、胺类、酮及脂等,可溶于二氯甲烷、二氯乙烷及甲酚等溶剂中。PC不耐60℃以上的热水,长期接触会导致应力开裂并失去韧性。PC的耐紫外线性不好,需加入紫外线吸收剂,但PC的耐空气、臭氧性较好。

光学性能:PC力量优异的力学塑料品种之一,其透光率可达93%之多,折射率为1.587,适于透镜材料。PC作为高档光学材料的不足之处:一为硬度低,耐磨性差;二为双折射高,不易用于光学仪器等高精度制品中。

三、PC材料在LED领域中的应用种类和性能特点

在光学材料领域,随着光电产品向“轻、薄、短、小”的方向发展,人们对一些重要的光学元器件如光学透镜、光钎、光盘、发光二极管等的综合性能要求越来越高,光学元器件也越做越小。与无机材料玻璃相比,PC既有质轻、高强度、高抗冲性、易加工等优点,又具有高透光率(透光率可达90%)、高折射率、优良尺寸稳定性等特点。采用光学级PC制作的各种光学透镜,无论是抗冲性能还是成型加工性能,都是传统无机玻璃无法相比的,所以在光学材料领域内占有日趋重要的位置。

3.1 健康照明——LED增透阻蓝光扩散技术

3.1.1 LED蓝光对健康的影响

作为第四代绿色光源,LED(Light-EmittingDiode)具有发光效率高、体积小、寿命长、节能环保等优点,自1998年世界第一支实用的白光发光二极管(WLED)问世以来,它已经应用于照明、液晶显示、户外显示等领域。目前制备的WLED的主流方案是依靠450nm左右高能蓝光激发黄光荧光粉(YAG:ce3+)产生白光。

生活中液晶显示、照明等WLED光源无处不在,给人们带来的舒适的生活环境和视觉享受。同时,由于对这种人造光的长期依赖,人们也逐渐认识并越来越重视LED激发的HEV对人的健康危害。过量的LED灯具蓝光可能产生视网膜的结构损伤和视觉疲劳。蓝光会穿透晶状体,导致黄斑病变或形成白内障,尤其是儿童晶状体较清澈,无法有效抵挡蓝光,更容易导致黄斑病变以及白内障。众多研究表明,过量蓝光可对昼夜节律产生影响。人眼视网膜上存在第三类感光细胞——内在光敏性视网膜神经节细胞(intrinsicallyphotosensitive retinal ganglion cells(ipRGCs)),负责调节机体视觉以外的非视觉效应,如管理时间的功能,协调和控制人们在不同时段里的活动节律和幅度。蓝光LED的波长在450nm左右,正好与人体的辰(昼夜节律/生物钟)节律一致,蓝光刺激ipRGcs产生信号阻止身体释放褪黑素,而褪黑素与我们的昼夜节律循环密切相关,是影响睡眠的一种重要激素,众多研究证明蓝光会导致睡眠质量下降、失眠和抑郁等。

2012年,国际电工委员会IEC将LED灯具的蓝光危害纳入安全要求,从而使蓝光危害成为灯具必须考量的参数之一。LED灯具的光辐射安全性,应符合EN62471《灯和灯系统的光生物安全性》标准要求,而后针对蓝光危害又评价补充推出IEC/TR62778,并被同年修订的IEC60598-1、IEC62031等各大光源和灯具安全标准引用。我国于2017年1月1日正式实施的最新版国家标准GB7000.1-2015的《灯具第1部分:一般要求与试验》也规定带有整体式LED或LED模块的灯具应根据IEC/TR62778进行蓝光危害评估。蓝光危害已经成为灯具必须考量的参数。

3.1.2 目前市场上的解决方案:

目前市场上主要采用光扩散技术解决光源刺眼问题。光扩散剂将LED点光源和线光源转换成线光源和面光源,做到“不刺眼”效果,它可以添加到PC、PVC、PS、PMMA、PET、环氧树脂等透明树脂基材中,增加光的散射、折射和透射,使整个树脂发出更加柔和,美观,高雅的光,达到透光不透明的舒适效果,还可以在可视角度增加光线亮度,但光散射剂对蓝光的吸收微乎其微,不能屏蔽蓝光。

针对白光LED光源的富蓝化现象,采用蓝光吸收剂改性PC基材,利用蓝光吸收剂吸收高能量的蓝光并转化为热能或无害低能辐射释放出来,以消除白光LED光谱中的高能蓝光波段。结果表面,蓝光吸收剂改性PC材料后,可以有效减少各波长处的蓝光透过率,并且随着蓝光吸收剂比例的增加蓝光吸收效果增强。虽然这种方法能够有效减小蓝光占比,降低蓝光导致的健康危害,但是也存在一些缺点。

A 产品功能角度:

采用的色粉光谱吸收选择性差,有效阻止HEV的同时,也会大量吸收高波长有益蓝光和部分黄绿光,因此,相比原光扩散板,导致光通量减小,光效降低,透光率下降;

B 外观性能角度:

由于对蓝光谱段过量吸收,导致产品外观发黄偏色,对部分绿光和黄光的吸收造成光透下降。

C 加工工艺角度:

该方法需要将色粉和基材粉末共混后注塑,而色粉容易团聚,很难在基材中分散均匀,导致产品色粉分布不均、阻蓝效率低,造成产品色差,光学不稳定。

D 经济价值角度:

由于色粉的分散效果差,用量会增加,导致成本增高。

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