球形二氧化硅光擴(kuò)散劑在光學(xué)級pmma中的應(yīng)用

球形二氧化硅光擴(kuò)散劑在光學(xué)級pmma中的應(yīng)用

1光擴(kuò)散材料本構(gòu)模型近年來，計算機(jī)技術(shù)技術(shù)不斷發(fā)展和成熟，主要是膜收圖技術(shù)，尤其是具有優(yōu)秀畫質(zhì)、空間利用率高、消耗能耗低、無輻射等特點(diǎn)的膜和解膜收圖機(jī)。此外，它還具有優(yōu)秀的薄膜大豆?jié)h江片顯示功能（t-liqual圖形顯示，t-hd），成為市場的主流。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)(backlightsystem)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)價值。光擴(kuò)散材料是指既能使光通過又能有效散射光的材料,它能將點(diǎn)、線光源轉(zhuǎn)化成線、面光源,并可作為面光源材料應(yīng)用于指示標(biāo)牌、展示櫥窗、投影壁墻,壁掛式均勻光源及穿透型顯示器等,還可與液晶元件復(fù)合制備高分子分散型液晶顯示元件,并可作為液晶顯示器背光源材料。目前,大多數(shù)新型光擴(kuò)散材料的制備都是以透明的高分子基質(zhì)材料和分散于其中的光擴(kuò)散材料共混。評定光擴(kuò)散材料的兩項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)是透光率和霧度。通常情況下,材料的透光率與霧度都是相互矛盾的,透光率高的材料,霧度值低;反之亦然。如何平衡二者的關(guān)系,光擴(kuò)散劑的選擇是關(guān)鍵。本文采用光學(xué)性能和耐候性頗佳的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為基體,研究了實(shí)驗(yàn)室合成的兩種不同種類的光擴(kuò)散劑對于導(dǎo)光板用光擴(kuò)散材料的光學(xué)及力學(xué)性能的影響,為光擴(kuò)散材料的制備提供了有利的參考數(shù)據(jù)。2實(shí)驗(yàn)2.1主要原材料PMMA牌號VH5為日本三菱麗陽高分子材料(南通)有限公司制造;二氧化硅基光擴(kuò)散劑A和光擴(kuò)散劑B為自制材料。2.2試驗(yàn)設(shè)備與設(shè)備場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM),NvoaNanoSEM430,荷蘭FEI;WGT-S型透光率/霧度測定儀,上海精密科學(xué)儀器有限公司;真空干燥箱:DZF-6050型,上海申賢恒溫設(shè)備廠;雙螺桿擠出機(jī),RheoDrive7型,德國HAAKE公司;注塑機(jī),HQT980,寧波海強(qiáng)電氣機(jī)械制造有限公司;萬能電子拉力試驗(yàn)機(jī),AG-1,日本島津公司;簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī),XJJ-50,承德試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司;懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī),JC-3002,江都市精誠測試儀器廠。2.3光擴(kuò)散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定將PMMA粒料在相對真空度-0.092MPa,溫度85℃下干燥2.5h,然后將光擴(kuò)散劑分別按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1.0%與PMMA充分混勻。經(jīng)螺桿擠出機(jī)擠出造粒,然后注射制成用于性能測試的各種標(biāo)準(zhǔn)樣條。2.4試驗(yàn)和測試指標(biāo)SEM分析:將光擴(kuò)散劑A、B均勻?yàn)⒃趯?dǎo)電膠表面,噴金,制得適合進(jìn)行電鏡分析的樣品;透光率和霧度按GB/T2410-2008測試,試樣尺寸為60mm×40mm×4mm;拉伸強(qiáng)度按GB/T1040-2006測試;彎曲強(qiáng)度按GB/T9341-2008測試;簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T1043-2008測試;懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T1843-2008測試。3結(jié)果與討論3.1光擴(kuò)散劑的粒徑圖1為自制的改性二氧化硅基光擴(kuò)散劑A和擴(kuò)散劑B的SEM照片。由圖中可以看出,兩種自制的光擴(kuò)散劑均呈球形,并且粒子表面光潔度高。但光擴(kuò)散劑A的粒徑大小不均一,少數(shù)大粒徑為3~4μm,多數(shù)粒徑范圍為0.3~2.5μm,且部分粒子表面含有某些粉狀物質(zhì);而光擴(kuò)散劑B粒徑非常均勻,均為2μm左右。光擴(kuò)散劑A、B粒子的不同微觀形貌也會影響到復(fù)合材料的光學(xué)性能。3.2入射的光通量之比的百分?jǐn)?shù)的表示評定光擴(kuò)散材料光學(xué)性能的兩項(xiàng)主要指標(biāo)是透光率和霧度。透光率是以透過材料的光通量與入射的光通量之比的百分?jǐn)?shù)表示;霧度又稱濁度,為透明或者半透明材料不清晰的程度,是材料內(nèi)部或表面由于光擴(kuò)散造成的云霧狀或混濁的外觀,以散射光通量與透過材料的光通量之比的百分率表示。3.2.1光擴(kuò)散劑的影響光擴(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物質(zhì)的分界面時必然會發(fā)生散射。不同種類、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的光擴(kuò)散劑對試樣透光率、霧度的影響如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可以看出,PMMA空白板的透光率為92.5%,霧度為1.8%。由圖2可見,添加光擴(kuò)散劑后,PM-MA試樣的透光率均有所下降,其中,添加光擴(kuò)散劑A的下降幅度較大。當(dāng)光擴(kuò)散劑A的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時,試樣的透光率為85.4%,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時,透光率下降為65.0%。而添加光擴(kuò)散劑B的下降幅度則相對較緩,當(dāng)光擴(kuò)散劑的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.2%增加到1.0%時,試樣的透光率也僅由89.7%下降到82.4%。出現(xiàn)這一差別的原因主要是光擴(kuò)散劑A中少量粒徑為3~4μm的大粒子對可見光透過的阻擋造成的。由圖3可見,光擴(kuò)散劑的添加可以有效提高PMMA的霧度。PMMA空白板的霧度僅為1.82%,添加0.2%的光擴(kuò)散劑A到PMMA樹脂中,PMMA板的霧度可達(dá)89.13%;添加相同含量的光擴(kuò)散劑B到PMMA樹脂中,PMMA板的霧度為81.46%,可見在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的添加量范圍下,光擴(kuò)散劑A比光擴(kuò)散劑B對試樣霧度的提高效果更明顯。這也與光擴(kuò)散劑A粒子的粒徑分布有關(guān),由于光擴(kuò)散劑A的多數(shù)粒子粒徑都較小,這樣在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加量下,添加相同含量的光擴(kuò)散劑到PMMA樹脂中,添加光擴(kuò)散劑A的單個粒子數(shù)目更多,光擴(kuò)散中心更多,從而使PMMA板的霧度值提高得更多。而在較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加量下,PMMA樹脂中光擴(kuò)散劑粒子濃度均較高,光擴(kuò)散中心量也較高,從而由粒徑大小造成的光擴(kuò)散中心的偏差影響縮小,所以,兩種光擴(kuò)散劑對霧度影響變小,并且接近。當(dāng)光擴(kuò)散劑的用量為1.0%時,添加光擴(kuò)散劑A的PMMA樹脂板的霧度值為92.86%,添加光擴(kuò)散劑B的PMMA樹脂板的霧度值為91.85%。3.2.2光擴(kuò)散劑a的影響通常,用透光率×霧度(T×H)來表示材料的有效光擴(kuò)散能力。其值越大,表示在獲得高光擴(kuò)散強(qiáng)度時,其光損失越小?？梢酝ㄟ^改變光擴(kuò)散劑的添加量來獲得理想的透光率和霧度值,從而轉(zhuǎn)化為有效光擴(kuò)散值。圖4為光擴(kuò)散劑含量對試樣有效光擴(kuò)散系數(shù)的影響。由圖4可以看出,光擴(kuò)散劑A對有效光擴(kuò)散系數(shù)的影響是隨光擴(kuò)散劑含量的增加,試樣的有效光擴(kuò)散系數(shù)線性減少;當(dāng)添加量為0.2%時,材料的有效光擴(kuò)散系數(shù)最大,為76.1%;添加量為1.0%時,材料的有效光擴(kuò)散系數(shù)降低到60.4%。而光擴(kuò)散劑B的添加量由0.2%增加到0.4%時,有效光擴(kuò)散系數(shù)由73.1%增加到79.3%,之后,隨光擴(kuò)散劑含量增加,有效光擴(kuò)散系數(shù)不斷減小。3.3光擴(kuò)散劑的添加量圖5為光擴(kuò)散劑含量對試樣拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及缺口沖擊強(qiáng)度的影響。由圖5(a)可知,將光擴(kuò)散劑A、B分別加入PMMA后,添加量在0.2%~0.8%范圍內(nèi),光擴(kuò)散材料的拉伸強(qiáng)度均有不同程度的提高。純PMMA的拉伸強(qiáng)度約為63MPa,分別添加光擴(kuò)散劑A、B后,材料的拉伸強(qiáng)度的最大值可分別達(dá)75.6MPa和76.7MPa。但當(dāng)光擴(kuò)散劑的添加量達(dá)到1.0%時,光擴(kuò)散材料的拉伸強(qiáng)度不但沒有升高,反而下降了。這可能與光擴(kuò)散劑在基體樹脂PMMA中的界面相溶性有關(guān)。由圖還可以看出,光擴(kuò)散劑的粒徑大小及粒徑分布對光擴(kuò)散材料的拉伸強(qiáng)度也有影響。由圖5(b)可見,添加光擴(kuò)散劑后,復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度略有提高。純PMMA的彎曲強(qiáng)度為86MPa,加入光擴(kuò)散劑后,復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為86~89MPa,且光擴(kuò)散劑的添加量不超過0.6%時,復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著光擴(kuò)散劑添加量的增加提高較少,當(dāng)光擴(kuò)散劑的添加量超過0.6%時,隨著光擴(kuò)散劑添加量的進(jìn)一步增加,復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度提高較快。由圖5(c)、(d)可知,復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度隨著光擴(kuò)散劑含量的增加而降低,光擴(kuò)散劑添加量不超過0.4%時,復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度下降幅度較小,這可能是因?yàn)樘砑由倭抗鈹U(kuò)散劑影響不明顯;進(jìn)一步增加光擴(kuò)散劑的添加量,復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)