白皮书 | PC在LED领域的创新应用（下）

 

　　LED由于具有独特的优势，自从诞生以来，得到了快速发展。但是在LED超薄轻量化领域，产品厚度降到0.7mm以下，PC存在强度和线膨胀系数偏低的缺点，产品容易出现偏软变形易弯曲等问题。为了解决PC这方面的问题，目前行业内开发了纳米增强管PC材料。

 

　　纳米增强PC材料是指以无机或有机纳米材料(三维空间中至少有一维处于纳米尺寸)对PC增强的材料。常规增强材料往往存在填料尺寸过大、分散不均等问题，导致增强材料在强度和模量提高的同时，韧性大幅度下降，表现为冲击强度、断裂伸长率下降明显。与一般增强材料相比，纳米增强材料采用独特的粒子细微化技术和表面处理技术对填料进行处理，提高填料与聚合物的相容性，在提高聚合物强度、模量的同时又能提高聚合物的冲击强度、断裂伸长率、耐紫外线等性能。不仅使材料的综合性能得到全面提升，同时降低材料成型收缩率、降低成本，扩大材料的应用领域[5]。

 

　　公开号为CN 104725816 A的发明专利公开了使用普通玻纤增强改性PC，但是由于普通玻纤属于圆柱形，增强效果比较有限，导致对于弯曲度、膨胀等改善效果并非明显，此外，材料的折射率在1.45 左右，透光率大幅度下降，点灯效果比普通光扩散PC要差，光线的均匀性较差;因此，单一使用玻纤，添加量大，增强效果不明显，表观效果差 [6]。纳米增强管材料针对现有技术的不足，提供一种LED灯管用低膨胀阻燃光扩散PC复合材料，具有低膨胀和阻燃特性，同时兼具良好的透光率、雾度、力学性能等特点，满足在大尺寸、超薄灯管领域使用。

 

　　3.2.2 纳米增强PC材料特性

 

　　纳米增强管材料是一种LED灯管用低膨胀阻燃光扩散PC复合材料，具有低膨胀和阻燃特性，同时兼具良好的透光率、雾度、力学性能等特点，满足在大尺寸、超薄灯管领域使用。

 

　　纳米增强管材料具有以下创新特点：

 

　　(1)、在提高材料强度和模量的同时，使材料的断裂伸长率和冲击强度提高5-10%;

 

　　(2)、由于PC分子含有刚性的苯环结构，导致成型时取向的分子链难以解取向，最终导致制品在使用过程中容易出现应力开裂和翘曲变形等问题。而本技术可以降低制品的残余应力，使制品成型后的开裂、翘曲和变形可以得到很好的抑制;

 

　　(3)、降低材料成型收缩率，可拓宽加工窗口，使材料适用于更加复杂的形状设计;

 

　　(4)、在一定程度上提高材料流动性，可解决复杂流道熔接痕问题。

 

　　3.2.3 纳米增强管PC材料行业进展

 

　　行业内使用纳米氧化铝晶粒或晶须中的至少一种，采用增强型LED 灯管的PC材料组合物，材料本身具有更加优良的透光率和光扩散的性能，并且可以消除分散性产生的光晕或者暗斑等现象，同时还具有更加优异的机械性能[7]。

 

　　3.2.4 市场应用

 

　　纳米增强管材料因强度高，韧性好，透光率高，轻薄耐用，柔和护眼等优点，广泛应用于超薄LED灯管、球泡灯罩、异型管等产品领域。

 

 

　　3.3 高透高雾PC材料

 

　　3.3.1 背景介绍：

 

　　PC以其在工程塑料中独特的高透光率、高折射率、高抗冲性、优良尺寸稳定性及易加工成型等特点，在该LED领域内占有日趋重要的位置。采用光学级PC制作的各种光学材料，无论是抗冲击性能还是成型加工性能，都是传统的无机玻璃所无法比拟的。尽管如此，由于结构特性本身的原因 ,PC作为LED材料在性能上仍有欠缺之处，因而对其光学性能进行研究并通过各种手段加以改善，已成为目前PC领域的重要课题。高性能光扩散PC是通过在PC树脂中添加光扩散剂、阻燃剂等助剂，评定光散射材料的两项主要指标是透光率和雾度 [8]。因此开发一些高性能光扩散PC显得尤为重要。为突破目前高透光率、高雾度关键共性技术问题，银禧光电已解决关键技术如下：

 

　　高透光率高雾度：目前透光率高达90%， 雾度96%，目前与出光、帝人等国际大公司产品性能接近，已经试用于部分产品中[9]。

 

　　3.3.2 高透高雾PC材料特性

 

　　采用特殊的处理手段，改善光扩散剂在PC基体中的分散性，考察不同光扩散剂用量对最终PC树脂中的透光率、雾度的影响特性，建立单因素变量(光扩散剂用量)对最终特性(透光率、雾度)的影响参数，进而找到与PC高透光率、高雾度特性相匹配的光扩散剂添加量 [10]。

 

 

　　行业内采用将PC树脂、有机硅树脂微球以及交联共聚物微球等在内的组分一次熔融共混的方法制得，这样得到的该组合物中，有机硅树脂微球以及交联共聚物微球两种微球均匀分布在连续相PC中，两种微球都呈单分散状态，其中交联共聚物微球在交联的表面存在酸酐基团，因此可以与PC分子链上的羰基发生酯交换反应，进一步有助于其在PC中的分散，当光线通过组合物的时候，在分散相两种微球的共同作用下可以将入射光线分散，将点光源变成面光源，使PC树脂组合物的雾度大幅度地提高，同时还可以使其具有较高的透光率，可以节约大量的能源，同时节约了材料的使用量，大幅降低材料的成本 [11]。

 

　　3.3.4 市场应用

 

　　目前高透光率高雾度产品已经通过化学工业合成材料老化质量监督检验中心认证，正在进入轨道交通领域和家用照明领域。

 

　　高性能光扩散PC材料，大力推动塑料材料在LED灯具上的推广应用，如图7所示，LED 灯具相对普通灯具节电效率高70%，寿命为普通灯具的10倍以上，几乎是免维护，不存在要经常更换灯管、镇流器、启辉器的问题，绿色环保型的半导体电光源，光线柔和，色彩纯正，有利于人们的视力保护及身体健康。本项目的实施不但可以大幅降低使用成本，还可以节约二次能源，对环境和能源有重大积极意义，有利于我国建设环境友好型和谐社会目标的实现。

 

　　3.4 3D打印PC在照明领域的开发和应用

 

　　3.4.1 背景介绍

 

　　3D打印又称增材制造，是快速成型技术的一种，它以计算机三维设计模型为基础，将打印材料通过逐层堆积的方式来构造三维物体，在航空航天、汽车、医疗、建筑、消费品等领域有着很好的潜在应用价值。随着对3D打印技术的深入研究，3D打印在照明领域的应用也得到了快速发展，能够实现照明产品零部件、组件的定制和创新的灯具设计是照明和3D打印能够结合在一起的主要原因。布鲁克林设计师罗伯特 ? 迪班 (robert debbane) 用3D打印机创作了一组雕琢精致的纹饰灯具，并在2015纽约设计周期间的“wanted 设计博览会”上亮相(图8)。在2018米兰设计周上，由清华学子创立的紫晶立方携带3D打印月球灯亮相了本次展会，让3D打印月球灯成为了展会上亮眼的“一颗”(图9)。这些都说明了3D打印材料在照明领域具有重要的应用价值。

 

　　3.4.2. 3D打印PC材料特性

 

　　应用于照明领域的3D打印技术主要有熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)和立体光固化成型法(SLA)。FDM 具有成型材料广泛、成型设备简单、操作简单、成本低廉等优点，缺点是精度低、表面质量差、悬臂件需加支撑、复杂构件不易制造。采用FDM方法打印的材料为PC，本色的PC具有透明性、高光泽、高耐热(超过120℃)的特点，在照明领域适合作为灯管、灯罩等用途，不过PC的打印温度较高，打印制品易翘曲。SLS技术的优点在于材料利用率高，生产周期短，开发成本低，成型件无需支撑结构，能够打印复杂制品，但需预热和冷却，成型过程中产生有毒气体和粉尘，表面粗糙。SLA技术的工作系统稳定，工件尺寸精度高，表面质量较好，能够构建复杂结构的工件，但可选择的材料种类有限，必须是光敏树脂，树脂会吸水，导致软薄部分弯曲，同时也需要设计工件的支撑结构，制作成本相对较高。

 

　　3.4.3 3D打印PC材料行业进展

 

　　成都新柯力化工科技有限公司的三维打印的浸胶PC丝料，其特征在于PC丝料外层包裹快熔性热熔胶，由以下原料按重量份制备而成，通过在PC细丝表面裹覆一层复合热熔胶，通过热熔胶中的碳粉和铝粉实现了PC细丝的快速均匀熔融，加入的增强剂能够增强PC材料的韧性和热稳定性，使PC材料在用于三维打印快速熔融时具有优异的熔融流动性，其在3D打印中有着非常广泛的应用[12]。

 

　　3.4.4 照明应用案例

 

　　3D打印材料已经在照明领域得到了一定的应用。FDM方法在照明领域主要用于打印灯具的灯罩、底座等。

 

　　3.5 绿色环保免喷涂材料

 

　　3.5.1 免喷涂材料定义与介绍：

 

　　免喷涂材料是在塑胶原料通过熔融共混的方式加入具有不同显示效果的：金属粉、珠光粉、陶瓷粉、高光色粉等，使其自带特殊色彩效果，通过直接注塑，成型的同时，获得接近涂装的表面效果，去除高污染、高成本的喷涂环节，可减少溶剂、重金属的使用，减少环境污染，降低相关从业人员患病风险，提高生产效率、降低生产成本。

 

　　3.5.2 国内外免喷涂材料发展趋势

 

　　随着国家和公众环保意识的增强，免喷涂技术日益得到业界的重视。上海汽车集团股份有限公司的李征、刘永强 [13] 针对钢琴黑高光注塑件在汽车内饰件上的开发，从注塑工艺，模具结构，材料选择做了深入分析，采用蒸汽加热设备，模温瞬间加热到180℃和瞬间冷却至40℃，制备得到钢琴黑制件，可以媲美喷涂件外观效果。泛亚汽车技术研究中心的赵颖等人 [14-15]，针对不同的钢琴黑免喷涂材料，在汽车格栅的应用做了大量对比试验，为汽车选材提供了技术依据。胡纲 [16-17] 考察了常规免喷涂材料中珠光粉和金属粉添加量对材料机械性能，外观影响研究。

 

　　3.5.3 免喷涂的优点，缺点，解决方案：

 

　　喷涂可以实现多彩绚丽的色彩、高光、光滑的质感，降低表面摩擦，但是同时也带来对环境、健康的不良影响，如果能够达到同样的功能和效果，免喷涂塑料将会取代喷漆塑料。

 

　　免喷涂聚合物材料是在PC中通过熔融共混的方式加入具有不同显示效果的金属粉、珠光粉、陶瓷粉、高光粉等，使其自带特殊色彩效果。相比喷涂产品，免喷涂产品易成型，且成品率高，制件可100%回收再利用，不产生对环境有毒有害的气体、粉尘等污染物质 [18-19]。此外，其靓丽的色彩可以帮助客户应对多样化、差别化的市场需求。

 

　　随着各行业的快速发展，极大的推动了我国涂料行业的发展，从上世纪70年代的年产1000吨，到2014年的年产1600万吨，产值约为 2000亿人民币，其增长速度惊人，每年以10%速度在增长。但是涂料行业在快速发展的同时，有机溶剂和重金属对环境、人员健康的杀伤力也不容小觑。免喷涂塑料产品的面世，将主要给汽车、卷材及工业防护涂料生产企业带来很大的冲击，免喷涂聚合物材料若替换20%的涂料市场，将会新增加400亿人民币的市场容量。免喷涂聚合物材料作为新型的环保材料，银禧光电从原材料、配方、模具设计到注塑工艺，产业链上下游积极开展免喷涂相关的技术和工艺研究，且市场需求每年以20%的速度增长，在汽车，家电和电子电气等领域拥有广阔的市场前景。

 

　　从环境保护和健康管理的角度来看，毫无疑问免喷涂聚合物材料是有压倒性优势的。免去喷漆的过程，可以有效控制VOC的产生，对环境、人体健康都是有利的。

 

　　从成本的角度来看，虽说免喷涂产品价格较高，但是成型过程中，免去油漆喷涂过程，加之可100%回收利用，综合来讲，相较于喷漆产品，成本下降了20-30%。

 

　　从原材料、配方、模具设计到注塑工艺，产业链上下游积极开展免喷涂相关的技术和工艺研究，大大地促进了免喷涂技术在各个领域的应用和普及。

 

　　但是在替代使用特殊效果颜料的涂装中，尚未能取得大规模的应用，主要有以下技术难点尚未得到很好解决：

 

　　(1) 金属颜料在挤出过程中被剪碎、压弯、光泽度下降，导致产品颜色发暗，金属质感差，无法媲美涂装的颜色外观效果。

 

　　(2) 注塑过程中，由于金属颜料与树脂相容性、分散性不好、流场对金属颜料排列的影响，从而使产品表面偏暗或出现流痕。

 

　　(3) 产品结构和模具浇口排列不合理引起的结合线发暗。

 

　　解决上述3个主要技术难点，是促进免喷涂材料大规模应用的前提条件。行业内主要研究攻克上述技术难点，并已取得部分成效，通过对颜料表面进行多层包裹处理、采用功能化改性技术和先进挤出工艺等方法解决上述技术难题。

 

　　3.5.5 应用实例

 

　　目前免喷涂塑料有免喷涂PC、免喷涂PC/ABS等，应用领域涵盖家电、电子电器、汽车、3C、照明领域。电饭煲、洗衣机、空调面板、手机外壳、汽车配件等都可使用免喷涂聚合物材料。如图10 所示，不同材质免喷涂材料在照明领域的应用。

 

 

　　四、结语

 

　　由于光电子技术迅速发展，各种光学用透明材料正在逐步向高分子材料替代无机玻璃的方向发展，其中PC以其独特、优异的综合性能使其在该领域的应用范围不断拓宽。随着人们对其光学性能、结构及成型过程之间关系的研究不断深化，目前在我国研发、应用尚属起步阶段的光学级PC，必将进一步显示出其更加广阔的应用领域和更加巨大的经济前景。