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光散射材料的研发以及发展现状
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光散射材料是指能够使光通过而又能有效的散射光的材料。透光率和雾度是评定光散射材料的两项主要指标,透光率是指透过试样的光通量和射到试样上的光通量之比。它是表征透明高分子材料透明程度的一个重要性能指标。雾度,又称浊度,是透过试样而偏离入射光方向的散射光与透射光通量之比,是材料内部或表面上的不连续性或不规则性所造成。通常用雾度的大小来表征材料的光散射强弱。

光散射材料能将点、线光源转化成线、面光源,可以作为面光源材料应用指示标牌、广告招牌、展示橱窗、投影背墙以及壁挂式均匀照明光源等,也可以作为背光源材料应用于液晶显示,还可以与液晶元件复合制备高分子分散型散射元件。

1光散射产生的机理

如果媒质的均匀性遭到破坏,即尺度达到波长数量级的邻近媒质小块之间在光学性质上(如折射率)有较大差异,在光波作用下,它们将成为强度差别较大的次波源,而且从它们到空间各点已有不可忽略的光程差,这些次波相干叠加的结果,光场中的强度分布将与上述均匀媒质情形有所不同,这时,除了按几何光学规律传播的光线外,其他方向或多或少也有光线存在,这就是散射光,即产生了散射。对于不均匀形态较大的媒质,光散射也可看作是反射和折射的综合结果。

散射光强除了与入射光的波长、散射角有关外,还与散射体材料的折射率(N)和机体材料的折射率有关。目前,关于散射光强的计算理论,发展还不十分完善。计算散射光强,最简单的近似理论为Rayleigh-Gans-Debye(RGD)理论。对于半径较大或折射率较大的粒子,要用Mie理论来计算光强。如果粒子达到Mie理论不适用时,就要用传统的射线光学来处理。下面的公式可以用于聚合物光散射材料散射光强的近似计算:lv=KI0R3n3γ0-4(nB2-n2)[1+(8/3)2R2v2sin2(θ/2)-2上式中,K为常数,=2/,为光在介质中的波长,0为光在真空中的波长,为光散射角,n是介质的平均折射率:n=nAVA+nBVB。

2光散射材料的分类

根据散射机理的不同,可以将光散射材料分为:面散射材料和体散射材料。

传统的光散射材料大多为面散射材料,采用面散射机理,即将透明板材或其它形状制品的一个表面(一般为内表面)打磨,涂层或将其成型模具的相应面做喷砂或刻痕处理,利用它们粗糙的表面来产生光散射。这种材料的一个显著缺点是:它不能较好地兼顾材料的光散射性和透明性,综合性能较差,因而大大限制了它的应用范围。

体散射材料多为分散有光散射体的透明合成材料,起散射作用的散射体的尺寸等于或大于可见光波长。这种材料应用了整体散射机理:即材料的内部与表面均起散射作用,能够很好地克服面散射所固有的弱点,制品具有高的光散射性,较好的透明性及优异的综合性能。目前,它已成为一种新型的背光源材料,逐渐在许多领域取代了传统光散射材料,并进一步扩展了新的应用领域,如液晶显示等。

另外,还有一种体——面散射材料,由产生体散射的基板和涂覆在基板上的能够产生面散射的表面组成,即将消光颗粒与涂料共混,涂覆在基板表面,利用涂层的收缩形成表面微结构,同时消光颗粒导致了涂层的光学非均一性,产生光散射。

3光散射材料的制备

3.1面散射材料的制备方法

通过对透明的基体材料表面进行磨砂处理,或利用特殊的成型模具或浮雕辊得到浮雕或喷砂效果的表面,利用材料表面的粗糙度得到散射效果;也有以表面凸凹起伏的高分子材料制备,巧妙设计表面的波纹实现材料的散射效应。面散射材料的制备方法存在着显著的缺点:一方面,散射光的量取决于刻痕和划痕等的数量及分布,使散射发生的不均匀,另一方面折射率和透光率不易控制。

3.2体散射材料的制备方法

体散射材料的制备方法大致分为两种:聚合法和共混法。

3.2.1聚合法

利用折光率有一定差异、相容性不太好的聚合物单体共聚合或采用分段聚合来制备光散射材料。具体又可分为以下几种情况:

(1)将一种单体混合分散于透明的基体中,使单体聚合,生成的聚合物作为散射体,其折射率不同于透明基体的折射率,因而入射光产生光散射。

(2)将一种单体混合分散于一种透明材料中,使单体聚合,生成的聚合物作为基体,其折射率不同于透明材料,进而材料产生光散射。

(3)散射体材料是无机粒子或有机粒子,将散射体粒子分散于基体单体中,使单体聚合生成聚合物基体。

ISHIHARADAM等人以玻璃转化温度低于室温的弹性体橡胶为基体材料,以折射率不同于基体的透明材料(可以是无机粒子或有机物)为散射体,通过聚合法制备了一种光散射材料,广泛应用于照明装置,也可以作为灯箱广告牌的面光源,还可以与透光管和光波导管联用。由于基体的玻璃转化温度低于室温,所以材料在室温下即可操作加工。华南理工大学高峰等人,以不同分子量的聚苯乙烯作为散射材料,将其溶解在甲基丙烯酸甲酯中,通过原位聚合法制备了光散射材料,研究发现PS作为散射体分布在基体PMMA中能够产生散射,PS的分子量要高于临界分子量43900。当聚苯乙烯分子量大于43900,且其质量分数为0.20%-0.30%时散射板性能最优,透光率为73.0%,雾度为74.7%。

近年来,纳米粒子掺杂有机玻璃制备新型复合材料广受关注。张启卫等人通过原位聚合和同步溶胶——凝胶过程制备了PMMA/SiO2杂化材料,研究表明该材料有机/无机相间的相容性好,材料的透明性好,透光率可达80%左右。清华大学钱志勇等人以纳米Al2O3、SiO2和CaO颗粒,采用三种不同粒度的纳米颗粒利用在位分散法制备了以PMMA为基体的复合光散射材料,成功用于平板显示。其研究指出:由于微粒的散射和纳米粒子的结构特点,随着纳米粒子粒度的减小,复合材料样品板亮度增加,视角变大,整体光学性能变得优异。中国专利03127636.9提供了一种纳米硅改性有机玻璃光散射材料及制备方法。该方法先将纳米SiO2粉末通过高频超声波震荡混入MMA单体中,使其呈乳白色半透明状,加入引发剂及其他组分真空脱气后在90℃预聚合,冷却灌浆入模后在25-100℃处理,24-72小时即可得到光散射材料。材料的光谱透过曲线与本体材料相近,光散射分布均匀,可用作照明显示器件。

3.2.2共混法

共混法是通过透明的聚合物基体材料和散射体粒子的共混制备光散射材料的方法。

在共混法中,散射体粒子的制备至关重要。欧洲专利EP0634445报道了一种核壳结构的复合散射粒子,这种光散射复合物以类橡胶的乙烯基聚合物为核,具有一层或多层壳,散射体粒子中含有至少15%的烷基丙烯酸或烷基甲基丙烯酸。日本专利JP04161448中介绍的光散射材料,使用一种粉末状的TiO2,外层涂有交联球形环己顺丁烯——二酰亚胺——苯乙烯共聚物作为散射体粒子,但是成本很高。美国专利Pat.Nos.5237004和5346954中使用了一种具有橡胶核热塑壳的散射体粒子,能够很好的分散于基体中,而基体的抗冲性能和物理性质不受影响,而且核内聚合物的折射率可以调节,也保证了基体良好的透光率。

目前,大多数新型光散射材料是采用共混法生产的,因为这种方法与一般聚合物掺混的工艺过程非常类似,特别是对于用量最大的光散射板材,它能够连续化生产,生产率较高。但是共混法制备光散射材料经常会遇到一些问题,例如:粒子与基体材料的相容性差,不易分散于基体材料中;分散相粒子在基体中的分散性能差导致基体材料的透光率下降以及物理性能老化;材料的折光率不易调节,导致光学性质不易调节;分散相粒子坚硬导致材料的抗冲击性能变差等。如何行之有效地克服这些问题,将是今后共混法研究的方向。

4光散射材料的发展方向

目前,光散射材料在照明领域和显示领域得到了广泛的应用,随着光散射材料性能的不断提高和完备,其应用领域将进一步扩大。一些具备特殊功能的光散射材料将会不断被开发出来,例如热可逆记录材料和表面具有自清洁功能的光散射材料等。由于纳米技术的飞速发展,无机掺杂聚合物制备复合光散射材料也将成为研究的一个热点。

光散射材料的研发以及发展现状责任编辑:陈老师    阅读:人次
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