CN101059568A

CN101059568A - 光散射导光板的制造方法及其制得的导光板

Info

Publication number: CN101059568A
Application number: CNA2007101124247A
Authority: CN
Inventors: 顾陈斌; 刘遥; 牧新明
Original assignee: KAIBANG TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Nottingham Technology Ltd.
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2027-06-21
Also published as: CN101059568B

Abstract

本发明涉及光功能材料技术领域，且特别涉及光散射导光板的制造方法及其制得的导光板。整个工艺分为两个步骤：首先，合成含SiO₂微晶通过化学键与PMMA基材相连的光散射复合材料。其次，制备光散射导光板，将光散射复合材料与MMA预聚液混合，通过浇注法制备光散射导光板；或将光散射材料与PMMA商用树脂均匀混合，通过挤出法或注射法制备光散射导光板。本发明制备的光散射导光板亮度高、均匀性好、光转换效率高、耐温性好，使用寿命长，可广泛应用于显示、仪器仪表、广告、照明等领域。

Description

光散射导光板的制造方法及其制得的导光板

技术领域

本发明涉及光功能材料技术领域，且特别涉及光散射导光板的制造方法及其制得的导光板。

背景技术

导光板是将点光源或线光源转变成面光源的光学元件，应用于液晶显示、仪器仪表、广告、照明等领域。

传统的导光板根据制造工艺的不同可分为雕刻型，印刷型和注射型三类。

雕刻型导光板是在透明有机玻璃板材的表面雕刻出网状的格槽。入射光从导光板的侧面入射，当光线入射到导光板背面时，在格槽处由于全反射条件遭到破坏，使光线由导光板的背面射出，背面射出的光通过添加反射膜使光线从导光板的正面射出，形成面光源。雕刻型导光板具有制作成本高，生产效率低，亮度低且视角较窄的缺点。

印刷型导光板是在有机玻璃板材的底面印刷出高反射率的白色网点，网点的主要成分为二氧化钛和硫酸钡等高反射率物质的混合物。入射光线由于底面网点的反射从正面射出。散射光的强弱取决于网点的直径和分布密度。靠近光源的部分网点直径较小，分布密度较小，远端的网点直径较大，分布密度也较大。印刷型导光板的缺点主要表现在亮度低、视角窄，以及长期使用过程中油墨容易老化而脱落，从而影响表面亮度。

注射型导光板是通过精密加工技术，将注射成型的模具表面加工成微小的网点，然后一次注射成型。根据导光机理的不同又分为散射型、反射型和折射型。注射型导光板虽然简化了导光板的制作工艺，但是需要设计和制造精密的注射模具，因此，需要很高的制作成本。另外，射出成型导光板在应用时同样需要精密的技术，任何细微的损坏都将影响导光板的使用性能。，由于模具尺寸的限制，射出成型不能生产大尺寸的导光板，目前只用于生产17英寸以下导光板。

实际上，无论是雕刻型导光板、印刷型导光板和注射型导光板，都存在着制作成本高，亮度低，均匀性差，辉度低和视角小的缺点。这些缺点导致了应用时产品的耗电量增加，尺寸和重量增加等不利因素。由于导光板的尺寸、结构和形状大都是根据应用产品的参数而设计，一旦成型后，导光板的尺寸和形状就不能任意更改，这在很大程度上也限制了导光板的广泛应用。

单纯从液晶显示器方面的应用来说，随着液晶显示器制造技术的提升，大尺寸及低价格的趋势下，背光模块在考虑轻量化、薄型化、低消费电力、高亮度及降低成本的市场要求，为保持在未来市场的竞争力，开发、设计新型的背光模块及导光板成型的新制作技术，就显得非常重要。

发明内容

基于上述原因，一种新型的光散射聚合物导光板一直是该领域内的研究热点。根据光传输理论，光线在折射率不同的两种材料的界面传输时会发生折射现象。因此，在密度均匀的基体材料中添加折射率与基体材料不同第二相材料，光在其中传输时就会形成光散射。基体材料为透明的聚合物材料，如PMMA，PS，或PC等，第二相材料可以为无机材料(如二氧化硅或二氧化钛等)、与基体聚合物不同的高分子材料(如聚酰胺等)，或者液晶材料。优异的光散射效果可以通过控制两相的相对折射率(Δn＝n1-n2)，散射单元的尺寸和间隔距离来获得。所谓的光散射聚合物导光板是在聚合物基体内形成微观不均一结构，使聚合物导光板同时具备光导波与散射光线的功能，进而获得高辉度照明用光散射效应。换言之光散射聚合物导光板是控制可散射光线的微观结构的相对折射率与及其大小，获得多重光散射效果，使光线在没有损耗的环境下均匀且朝特定方向扩散射出。研究表明，一般它的辉度比传统背光照明单元高二倍左右。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)由于其优异的透光性、抗老化性能和加工性能而被称为有机玻璃，是制备导光板的主要材料。本发明主要提供一种基于聚甲基丙烯酸甲酯的导光板的制造方法及其制得的导光板，通过该方法制得的导光板具有亮度高、均匀性好、耐温性能好、寿命长等特点，解决了直接以纳米二氧化硅与甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体混合或纳米二氧化硅与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混来生产光散射导光板工艺中易形成的分散不均匀从而导致不均匀散射的困难。

本发明的光散射导光板的制造方法主要包括以下两个步骤：

步骤1.光散射复合材料的合成

一种基于SiO₂/PMMA的光散射复合材料的合成方法，其是在PMMA聚合过程中，将SiO₂前驱体溶解到PMMA基材中，然后将含SiO₂前驱体的PMMA基材在溶液中溶胀，使溶液中的水分子通过高分子链间的空隙扩散到PMMA基材内部，与SiO₂前驱体发生水解反应，原位生成SiO₂微晶，SiO₂与PMMA基材通过化学键相连。

上述方法可以由下列步骤A到步骤C完成：

步骤A，将SiO₂前驱体、硅烷偶联剂、MMA和PMMA混合，然后向体系中加入引发剂、链转移剂，得到均匀透明的高分子反应液。

步骤B，将上述高分子反应液缓慢加入到蒸馏水中，加入的同时(采用机械)搅拌整个体系，加入完成后，继续搅拌，并保持整个体系的温度为60℃～90℃；搅拌并加热3～30小时后过滤得到高分子粉末。

步骤C，将上述高分子粉末浸泡于0.1～1N的盐酸与无水甲醇的混合溶液中常温下浸泡10～100小时，比较恰当的浸泡时间为20～50小时，无水甲醇在溶液中所占的质量比为20％～80％。然后，将高分子粉末过滤干燥即得到基于SiO₂/PMMA的光散射复合材料。

上述SiO₂前驱体可以为四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、乙氧基三甲氧基硅烷、甲氧基三乙氧基硅烷、二甲氧基二乙氧基硅烷中的一种或几种的混合物；

上述硅烷偶联剂可以为甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷(MSMA)；

上述引发剂可以为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰；

上述链转移剂可以为硫醇类化合物，例如正丁基硫醇、十二烷基硫醇或十六烷基硫醇等；

上述PMMA和MMA的质量比可以为1∶20～1∶1，上述硅烷偶联剂与SiO₂前驱体的质量比可以为1∶100～5∶1；

上述PMMA和MMA的质量比可以为1∶10～1∶2，上述硅烷偶联剂与SiO₂前驱体的质量比可以为1∶20～2∶1；

上述SiO₂前驱体与MMA和PMMA的总质量的比例可以为1∶100～1∶1，较佳的可以为1∶20～1∶5；

在聚合反应过程中，硅烷偶联剂与MMA共聚，二氧化硅前驱体均匀分布在共聚物的基材中。在生成二氧化硅的过程中，硅烷偶联剂参与反应，使最终生成的二氧化硅与高分子基材间通过化学键相连，从而得到分布均匀并且性能稳定的光散射复合材料。

由上述方法得到的光散射复合材料原位生成SiO₂微晶，SiO₂与PMMA基材通过化学键相连。

其中，SiO₂晶体粒径可以为100nm～2μm。

步骤2.光散射导光板的制造

光散射导光板的制造可采用浇注法、挤出法或注射法。

1)浇注法

将MMA单体与引发剂和链转移剂按一定的比例混合得到混合液，将上述混合液加入到带搅拌和夹层的反应釜中加热反应，反应时体系温度控制在70℃～110℃之间，反应时体系的搅拌转速在每分钟100转以上，反应1～5小时后停止加热，继续搅拌直至完全冷却，通过该反应可得到转化率在10％～30％的预聚液。

将步骤1合成得到的光散射复合材料按重量百分数0.1％～10％的比例加入到上述的预聚液中，充分搅拌得到反应液，然后将上述反应液浇注到预定尺寸的模具中，将模具在50～80摄氏度的恒温水浴中加热3～8小时直至反应液固化，然后在90～130摄氏度的烘房中继续加热1～5小时使单体完全聚合。冷却、脱模后即得到光散射导光板原板，根据使用尺寸裁切即得到可实际使用的光散射导光板。

2)挤出法

将步骤1合成得到的光散射材复合料按重量百分数0.1％～10％的比例与光学级商用PMMA树脂在高速搅拌机中混合，搅拌速度为每分钟1500转到3000转，搅拌时间为30分钟到3小时。

停止搅拌后，将上述混合材料采用脱气式双螺杆挤出机挤出成厚度在1mm～10mm厚的光散射导光板原板板材，螺筒温度控制在180℃～240℃。将原板板材按实际应用尺寸切割后即可直接使用。

3)注射法

停止混合后，将上述混合材料通过注射机注射到模具中，脱模切割后即得到可直接应用的光散射导光板。

我们的研究工作表明，采用本发明所制造的光散射导光板亮度高，均匀性好，视角宽，光转换效率高，色彩还原性好，耐温性能好，寿命长，成本低，，特别适合在显示和照明领域内的应用。

附图说明

图1为光散射导光板的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。对于所属技术领域的技术人员而言，从对本发明的详细说明中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1为光散射导光板的工作原理示意图，其中：1.光源，2.高分子基材(折射率为n1)，3.第二相材料(折射率为n2)。

光线在折射率不同的界面传输时会发生折射，如图1所示，光线从光源1射向高分子基材2，光线在高分子基材2内部遇到第二相材料3时，在两者的界面发生折射，而就整个高分子基材2而言，即发生散射现象。

实施例1

步骤1，光散射复合材料的合成

将100克四乙氧基硅烷、20克甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷作为偶联剂，100克聚甲基丙烯酸甲酯、400克甲基丙烯酸甲酯加入到1000毫升的圆底烧瓶内，加入0.8克偶氮二异丁腈作为引发剂，加入0.8克正丁基硫醇作为链转移剂，充分搅拌溶解后得到透明反应液，并将此反应液注入到1000毫升的分液漏斗内。

向5升的三口烧瓶内加入3000毫升蒸馏水，采用油浴将蒸馏水的温度加热到80摄氏度，向蒸馏水中缓慢加入上述反应液，并保持对整个体系的搅拌，搅拌转速保持在每分钟500转，保持整个体系的温度为80摄氏度，反应液加入完毕后保持体系温度和搅拌转速不变，6小时后停止加热，保持搅拌直至体系温度降至室温。停止搅拌，将混合物过滤、干燥得到白色高分子粉末。

将上述高分子粉末浸泡于1N的盐酸与无水甲醇的混合溶液中常温下浸泡24小时，无水甲醇在溶液中所占的质量比为50％。然后，将高分子粉末过滤干燥即得到聚甲基丙烯酸甲酯和粒径分布在100nm～1μm的二氧化硅晶体的复合材料，作为光散射复合材料。

步骤2，光散射导光板的制造

将100公斤甲基丙烯酸甲酯与200克偶氮二异丁腈及200克正丁基硫醇混合得到反应液，将上述反应液加入反应釜中加热反应，反应时体系温度控制在85℃，反应时体系的搅拌转速为每分钟800转，反应3小时后停止加热，继续搅拌直至完全冷却得到预聚液。

将步骤1合成得到的光散射复合材料加入到上述预聚液中，充分搅拌，然后将上述混合反应液浇注到5套透明玻璃模具中，每套模具由两片钢化平板玻璃制成，模具内尺寸为1200mm×1800mm×8mm。将上述含反应液的模具放入到65摄氏度的恒温水槽中加热进行聚合反应8小时后，再放入到130摄氏度的烘房中进一步聚合3小时，冷却脱模后得到尺寸为1200mm×1800mm×8mm的光散射导光板原板，根据实际需要尺寸裁切后即可应用。

实施例2

步骤1，光散射复合材料的合成

将50克乙氧基三甲氧基硅烷、150克甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷作为偶联剂，150克PMMA、550克MMA加入到1000毫升的圆底烧瓶内，加入0.6克过氧化苯甲酰作为引发剂，加入0.8克十二烷基硫醇作为链转移剂，充分搅拌溶解后得到透明反应液，并将此反应液注入到1000毫升的分液漏斗内。

向5升的三口烧瓶内加入3000毫升蒸馏水，采用油浴将蒸馏水的温度加热到65摄氏度，向蒸馏水中缓慢加入反应液，并保持对整个体系的搅拌，搅拌转速保持在每分钟750转，保持整个体系的温度为65摄氏度，反应液加入完毕后保持体系温度和搅拌转速不变，4小时后停止加热，保持搅拌直至体系温度降至室温。停止搅拌，将混合物过滤、干燥得到白色高分子粉末。

将上述高分子粉末浸泡于0.5N的盐酸与无水甲醇的混合溶液中常温下浸泡100小时，无水甲醇在溶液中所占的质量比为75％。然后，将高分子粉末过滤干燥即得到PMMA和粒径分布在1.5μm～2μm的二氧化硅晶体的复合材料，作为光散射复合材料。

步骤2，光散射导光板的制造

将步骤1合成得到的光散射材料和200公斤光学级PMMA商用树脂在高速搅拌机中混合，搅拌速度为每分钟1500转，搅拌时间为1小时。

停止搅拌后，将上述混合材料采用脱气式双螺杆挤出机挤出成型，螺杆机螺筒温度为200摄氏度，模头温度为220摄氏度，挤出成型，去边后得到幅宽1300mm，厚度8mm的光散射导光板原板，进一步裁切成实际需求尺寸即可使用。

实施例3

步骤1，光散射复合材料的合成

将10克四甲氧基硅烷、0.2克甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷作为偶联剂，10克PMMA、40克MMA加入到100毫升的圆底烧瓶内，加入0.05克过氧化苯甲酰作为引发剂，加入0.02克十二烷基硫醇作为链转移剂，充分搅拌溶解后得到透明反应液，并将此反应液注入到100毫升的分液漏斗内。

向500毫升的三口烧瓶内加入300毫升蒸馏水，采用油浴将蒸馏水的温度加热到75摄氏度，向蒸馏水中缓慢加入反应液，并保持对整个体系的搅拌，搅拌转速保持在每分钟650转，保持整个体系的温度为75摄氏度，反应液加入完毕后保持体系温度和搅拌转速不变，3小时后停止加热，保持搅拌直至体系温度降至室温。停止搅拌，将混合物过滤、干燥得到白色高分子粉末。

将上述高分子粉末浸泡于0.1N的盐酸与无水甲醇的混合溶液中常温下浸泡60小时，无水甲醇在溶液中所占的质量比为60％。然后，将高分子粉末过滤干燥即得到PMMA和粒径分布在500nm～2μm的二氧化硅晶体的复合材料，作为光散射复合材料。

步骤2，光散射导光板的制造

将步骤1合成得到的光散射材料和400克光学级PMMA商用树脂在高速搅拌机中混合，搅拌速度为每分钟2500转，搅拌时间为30分钟。将搅拌后的混合材料通过注射机注射成型，冷却、脱模、去边后即得到尺寸为300mm×400mm×3mm的光散射导光板。

虽然，本发明已通过以上实施例及其附图而清楚说明，然而在不背离本发明精神及其实质的情况下，所属技术领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的变化和修正，但这些相应的变化和修正都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种光散射导光板的制造方法，其特征在于，首先将含SiO₂微晶的PMMA光散射复合材料与MMA预聚液混合成反应液，然后通过浇注法浇注形成光散射导光板。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述含SiO₂微晶的PMMA光散射复合材料是在PMMA聚合过程中，将SiO₂前驱体溶解到PMMA基材中，然后将含SiO₂前驱体的PMMA基材在溶液中溶胀，使溶液中的水分子通过高分子链间的空隙扩散到PMMA基材内部，与SiO₂前驱体发生水解反应，原位生成SiO₂微晶，SiO₂与PMMA基材通过化学键相连。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述MMA预聚液是将MMA单体、引发剂和链转移剂混合，经搅拌、加热而得到的转化率为10％～30％的预聚液。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述反应液中含SiO₂微晶的PMMA光散射复合材料与MMA预聚液的重量百分比为0.1％～10％。

5.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，其特征在于，上述浇注法包括下列步骤：

步骤A.将反应液浇注到预定尺寸的模具中；

步骤B.将模具在50～80℃的恒温环境中加热3～8小时，使反应液固化；

步骤C.在90～130℃的烘房中加热1～5小时，使单体聚合；

步骤D.冷却、脱模，得到光散射导光板。

6.一种光散射导光板，其特征在于，其是将含有SiO₂微晶通过化学键与PMMA基材相连的光散射复合材料与MMA预聚液混合后，经浇注法浇注成形的。

7.一种光散射导光板的制造方法，其特征在于，其是将含SiO₂微晶的PMMA光散射复合材料与光学级商用PMMA树脂混合后，通过挤出法或注射法成形的。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，上述含SiO₂微晶的PMMA光散射复合材料是在PMMA聚合过程中，将SiO₂前驱体溶解到PMMA基材中，然后将含SiO₂前驱体的PMMA基材在溶液中溶胀，使溶液中的水分子通过高分子链间的空隙扩散到PMMA基材内部，与SiO₂前驱体发生水解反应，原位生成SiO₂微晶，SiO₂与PMMA基材通过化学键相连。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，混合时，上述含SiO₂微晶的PMMA光散射复合材料与上述光学级商用PMMA树脂的重量百分比为0.1％～10％。

10.根据权利要求7、8或9所述的方法，其特征在于，上述挤出法使用脱气式双螺杆挤出机，挤出时螺筒温度为180～240℃。

11.一种光散射导光板，其特征在于，其是将含有SiO₂微晶通过化学键与PMMA基材相连的光散射复合材料与光学级商用PMMA树脂混合后通过挤出法或注射法加工成形的。