CN104004228B - 一种塑料光扩散添加剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种塑料光扩散添加剂。该塑料光扩散添加剂是由片状单晶结构材料与储光粉插层组合而成，通过层结构单晶的反射使光路在层间的储光粉进行储光和缓冲光源，然后向外层、内层发生均匀散射，不但减少了光的损失，而且使光路均匀分散。进一步提供该塑料光扩散添加剂的制备方法，制备方法是将低分子聚合物与储光粉研磨为一种储光聚合粉，通过不同压力条件下辊碾机的碾压使储光聚合粉与片状单晶的层结构材料插层组合，形成由储光聚合物插层的层结构材料，然后通过润滑分散、喷雾均化得到一种可用于光扩散塑料的添加剂。该塑料光扩散添加剂加入高透光率的树脂，既保证了高透光性，又具有良好的雾度。
Description
技术领域
本发明涉及光扩散材料领域，具体涉及一种用于LED点光源光扩散塑料的添加剂以及其制备方法。
背景技术
LED照明是以发光二极管为发光光源的一种新型高效固体光源，其耗电量仅为白炽灯的1/10，使用寿命是白炽灯寿命的100倍，具有节能、长寿命、环保、免维护和易控制等特点，在普通照明、交通信号、指示灯、液晶电视等领域得到充分的应用，被公认为是21世纪最具发展前景的照明节能技术之一。
由于LED照明是一种强点光源，在单位面积的发光强度过高，直视十分刺眼，容易产生眩光。因此，LED光源通常需要借助扩散材料将点光源变为柔和的面光源，光扩散材料是近年来随着LED技术的发展而开辟的一个新应用材料领域。光扩散材料将点光源转化成面光源的原理是在透明基材中加入光扩散介质，使光发生折射、反射与散射，将点光源扩散均化，最终使点光源变为面光源。光扩散材料应用于LED照明的光路扩散，一方面使光发生折射、反射与散射起到柔和灯光的作用，另一方面，要求透光性好，尽量减少光的损失。因此，一般光扩散材料的性能可用透光率和雾度来衡量，要求在达到高雾度的同时具有更好的透光率。由于高雾度和高透光是一对矛盾体，如何解决好这一矛盾成为光扩散材料在LED光源中应用的关键。
中国发明专利CN103435990A公开了一种光扩散材料，是由纳米二氧化钛、二氧化锆、氧化锌与聚合物聚对苯二甲基乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯之混合制备而成。
中国发明专利CN103709713A公开了一种光扩散材料，光扩散剂选自交联聚甲基丙烯酸甲酯树脂颗粒、有机硅树脂颗粒、交联丙烯酸树脂颗粒、甲基丙烯酸甲酯及丙烯酸酯共聚物的一种或其中几种的复合体系。
中国发明专利CN101824238A公开了一种用于光扩散塑料的粉状组合物的表面处理方法，其特征在于采用原位聚合的方法实现与无机粒子的复合制得具有核壳结构的化合物。
中国发明专利CN201110031898.5公开了一种LED照明用光散射型聚碳酸酯组合物及其应用，它包括聚碳酸酯和光散射剂，其中光散射剂为核壳型光散射剂粉体，核壳型光散射剂粉体是以玻璃微珠、二氧化硅、聚硅氧烷微球或聚苯乙烯为核，以丙烯酸酯类聚合物或甲基丙烯酸酯类聚合物为壳。
中国发明专利CN103073867A公开了一种透明塑料用光扩散母粒及其制备方法，该发明将光扩散剂、润滑分散剂、抗氧剂、紫外线吸收剂和基体树脂进行熔融挤出得到光扩散母粒，其中光扩散剂采用了球形的有机微珠和无机微珠。
LED的光扩散介质材料要求既要具有良好的透光性，又要具有一定的高雾度。目前为了解决LED光源的透光性和雾度，通常采用在透明性良好的树脂中加入具有一定光扩散性的添加剂使透明塑料具有透光性和雾度。上述加入无机助剂如二氧化硅、二氧化钛无机纳米颗粒，光通过纳米微小颗粒的表面进行无数次光折射达到光扩散匀化的作用，但由于无机物中光线是无法进入穿透，只能改变光的柔和性，光能损耗很大；利用有机纳米微珠做光扩散剂，如聚苯乙烯颗粒、聚甲基丙烯酸颗粒、有机硅树脂等，这些光扩散剂材质本身光线是可以透过的，很好的解决了匀光和透光的问题，但这类光扩散剂与基材加工时，其微球颗粒形态难以保持，容易损失。即使用壳核结构的复合光扩散剂也无法避免无机纳米颗粒造成的光损失。
根据上述，目前光扩散材料技术通常采用无机纳米粒子如二氧化硅、二氧化钛、硫酸钡等微细粒子，由于光线是无法穿透无机分子的，只能改变光的柔和性，光线的变换是以损失一定的光能量为代价；有机颗粒包括苯乙烯类聚合物、丙烯酸类聚合物、硅氧烷类聚合物等，有机光扩散剂粒子具有球形规则形状，具有一定的透明性，以反射和折射的方式实现光的扩散，但成本高，而且在加工使用时由于热成型温度影响，球形的有机颗粒极易变形与基体材料形成一体，从而丧失对光的折射和反射。即便通过无机与有机的壳核复合，这一缺陷也是难以克服的。
发明内容
针对现有无机纳米粒子做光扩散剂存在光能损失的缺陷，以及有机颗粒的颗粒形态在加工时难以保持的缺陷。本发明提出一种塑料光扩散添加剂，该塑料光扩散添加剂是由片状单晶结构材料与储光粉插层组成，其优异的特性是选用具有储光和缓冲光源的储光粉与低分子聚合物分散插层在片状单晶结构材料间，通过层结构单晶的反射使光路在层间的储光粉和低分子聚合物储存缓冲并向外层、内层发生均匀散射，不但减少了光的损失，而且使光路均匀分散。该塑料光扩散添加剂加入PS（聚苯乙烯）、PMMA（聚甲基丙稀酸甲酯）、PC（聚碳酸酯）、PP（聚丙烯）等高透光率的树脂，既保证了高透光性，又具有良好的雾度。
本发明进一步的目的是提供该塑料光扩散添加剂的制备方法。该制备方法是将低分子聚合物与储光粉研磨为一种储光聚合粉，通过不同压力条件下辊碾机的碾压使储光聚合粉与片状单晶的层结构材料插层组合，形成由储光聚合物插层的层结构材料，该材料通过润滑分散、喷雾均化得到一种可用于光扩散塑料的添加剂。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明一种塑料光扩散添加剂，其特征是：由片状单晶结构材料与储光粉插层组成，组成的各组分按重量份计为：
片状单晶结构材料65-80份，
储光粉5-8份，
低分子聚合物5-10份，
润滑助剂3-5份，
其余助剂1-3份，
其中所述的片状单晶结构材料是具有单片晶结构的镁菱土、云母、蛭石、水滑石中的至少一种；所述的储光粉是一种具有储光性和缓冲光源功效的敏化铝酸盐；所述的低分子聚合物是乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物中的至少一种，其突出的特点是与层结构中的氢键易于结合，插层后携带的储光粉可稳定存在；所述的润滑助剂选用具有润滑和分散功效的非离子表面活性剂月桂酸单甘油酯、柠檬酸单甘酯、单硬脂酸甘油酯、乳酸单甘脂中至少一种；其余助剂包含抗氧剂、阻燃剂、热稳定剂。
上述一种塑料光扩散添加剂的组成中，所述的片状单晶结构材料是通过剥片而得到的径厚20-50纳米，径向粒径400-500纳米的微细单片，具有良好的的透光性和光反射性。
上述一种塑料光扩散添加剂的组成中，所述的储光粉是由吸光材料经过激活敏化的铝酸盐，该类铝酸盐可以吸收并存储光，其优异的性能是对强点光源能够快速吸收然后缓慢释放，从而分散光源，有效缓冲强的点光源对光扩散材料的冲击，优选染料激活敏化的铝酸镁。其中吸光材料选用酞菁、菁类、卟啉类、叶绿素系列的染料敏化剂。
上述一种塑料光扩散添加剂的组成中，所述的低分子聚合物选用数均分子量在1000-3000之间的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物中的至少一种。
本发明一种塑料光扩散添加剂，其特征是制备方法按照如下方式进行：
1）将5-10重量份的低分子聚合物与5-8重量份的储光粉在振动磨中粉磨20-30min，振动磨粉磨转速100-200r/min，形成储光聚合粉；
2）将步骤1)得到的储光聚合粉与65-80重量份的片状单晶结构材料送入辊碾机，通过辊碾机的碾压使片状单晶结构材料片状舒展，碾辊设置压力，随着碾压，片状单晶结构材料片状逐渐舒展，碾压压力逐步增加然后缓慢降低，储光聚合物在热熔条件下与片状单晶结构材料进行插层组合，碾压时间控制在15-30min，最终形成由储光聚合物插层的层结构材料；
3）将步骤2）得到的储光聚合物插层的层结构材料与3-5重量份的润滑助剂、1-3重量份的其余助剂在熔化罐中加热至80-120℃，并以800-1200r/min的速度高速搅拌10-15min，然后送入喷雾造粒机，在高压下喷雾均化得到一种塑料光扩散添加剂。
上述一种塑料光扩散添加剂的制备方法中，其中步骤1）所述的振动磨为超微粉碎振动磨，超微粉碎振动磨由上磨筒、下磨筒构成，在上磨筒和下磨筒之间均设有振荡器，在振动过程中，通过机械力强烈冲击和研磨使储光粉与低分子聚合物形成储光聚合粉。
上述一种塑料光扩散添加剂的制备方法中，其中步骤2）所述的辊碾机由碾轮和筒体组成，碾轮设于筒体的内部且和筒体的底部之间设有空隙，该间隙间的碾压压力可调，起初压力控制在2-3MPa,随着片状单晶结构材料片状逐渐舒展，碾压压力逐步增加至5-7MPa，然后缓慢降低，最后压力归零。
所述的机架包括底座、斜立柱和传动机座，其中：斜立柱固定设于底座之
上述一种塑料光扩散添加剂的制备方法中，其中步骤3）所述的喷雾造粒机是一种压力造粒机，将润滑分散的储光聚合物插层材料通过压力使其呈流体状，通过多流体喷嘴，在压力下将其以雾状形式喷出从而达到均化目的。
本发明提出一种塑料光扩散添加剂，通过振动磨将储光材料与低分子聚合物形成储光聚合粉，利用辊碾机将储光聚合粉与片状单晶结构材料插层组合，其优异的特性是储光聚合粉对强点光源可以吸收和缓慢释放，从而分散光源，无论是强光平行经过层间还是垂直层间，其储光和和缓冲光源的特性在片状单晶结构材料间，通过层结构单晶的反射使光路在层间的储光粉储存缓冲并向外层、内层发生均匀散射，不但减少了光的损失，而且使光路均匀分散。不同于现有技术，要求使用时为了达到均匀分散光源的目的，对无机或者有机光扩散材料需要球形化处理。本发明由于特殊的插层结构光分散结构，近似于无数可透光和反光的镜面，即使使用时简单分散，也不会影响对光的均匀分散。该塑料光扩散添加剂加入PS（聚苯乙烯）、PMMA（聚甲基丙稀酸甲酯）、PC（聚碳酸酯）、PP（聚丙烯）等高透光率的树脂，既保证了高透光性，又具有良好的雾度。
为验证本发明塑料光扩散添加剂的光扩散性能，将实施例1样品3%与PC（聚碳酸酯）97%直接混合挤出成型，通过测试，透光率达到90%，雾度为96%。根据测试结果，本发明塑料光扩散添加剂的光扩散能力使在高雾度时保持了高透光率，可有效减少了LED光源的损耗，进一步提高了LED点光源向面光源转化的能力。
本发明一种塑料光扩散添加剂及其制备方法与现有技术相比，其突出的特点和有益的效果在于：
1、本发明利用染料激活敏化储光粉对强光的储存和缓冲的特性，以及片状单晶结构材料对光源的透光、反射作用，通过层结构单晶的反射使光路在层间的储光粉储存缓冲并向外层、内层发生均匀散射，不但减少了光的损失，而且使光路均匀分散。克服了现有无机纳米粒子做光扩散剂存在光能损失的缺陷，以及有机颗粒的颗粒形态在加工时难以保持的缺陷。
2、本发明提出一种塑料光扩散添加剂的制备方法，利用辊碾机在不同压力下对片状单晶舒展和碾压将储光聚合粉与片状单晶结构材料完全插层组合，形成稳定的光扩散结构组合，在用于塑料的反复加工过程中，其插层结构结合紧密，保证了插层结构光扩散的效率。
3、本发明生产效率高、可连续化操作、易于实施与控制、利于工业化生产。可广泛应用对光扩散需求的制品中，尤其是作为添加剂可直接添加在PS（聚苯乙烯）、PMMA（聚甲基丙稀酸甲酯）、PC（聚碳酸酯）、PP（聚丙烯）等高透光率的树脂，既保证了高透光性，又具有良好的雾度。
附图说明
图1是本发明一种塑料光扩散添加剂对点光源时的光扩散示意简图。
具体实施方式
以下具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
实施例1
1）将5重量份数均分子量在1000-3000之间的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物与5重量份由染料激活敏化的铝酸镁在振动磨中粉磨20-30min，振动磨粉磨转速100-200r/min，形成储光聚合粉；
2）将步骤1)得到的储光聚合粉与70重量份通过剥片而得到的片状单晶菱镁土材料送入辊碾机，通过辊碾机的碾压使片状单晶结构材料片状舒展，碾辊设置压力，随着碾压，片状单晶结构材料片状逐渐舒展，起初压力控制碾压压力在2-3MPa,随着片状单晶结构材料片状逐渐舒展，碾压压力逐步增加至5-7MPa，然后缓慢降低，最后压力归零，碾压20min，储光聚合粉与片状单晶结构材料层层组合，最终形成由储光聚合物插层的层结构材料；
3）将步骤2）得到的储光聚合物插层的层结构材料与4重量份的月桂酸单甘油酯、1重量份抗氧剂、0.5重量份阻燃剂、1重量份热稳定剂在熔化罐中加热至120℃，并以800-1200r/min的速度高速搅拌10min，然后送入喷雾造粒机，通过压力使其呈流体状，通过多流体喷嘴，在压力下将其以雾状形式喷出从而均化得到一种塑料光扩散添加剂。
将样品3%与97%的PC（聚碳酸酯）在290-320℃温度条件下直接混合挤出成型，通过测试，能产生良好的光扩散磨砂面或雾面效果,透光率达到90%，雾度为96%；其耐剪切和耐高温加工性较好，在超过300℃、强剪切双螺杆机中可以稳定的使用。
实施例2
1）将6重量份数均分子量在1000-3000之间的乙烯-丙烯酸共聚物与7重量份由染料激活敏化的铝酸盐在振动磨中粉磨20-30min，振动磨粉磨转速100-200r/min，形成储光聚合粉；
2）将步骤1)得到的储光聚合粉与65重量份通过剥片而得到的片状单晶水滑石材料送入辊碾机，通过辊碾机的碾压使片状单晶结构材料片状舒展，碾辊设置压力，随着碾压，片状单晶结构材料片状逐渐舒展，起初压力控制碾压压力在2-3MPa,随着片状单晶结构材料片状逐渐舒展，碾压压力逐步增加至5-7MPa，然后缓慢降低，最后压力归零，碾压15min，储光聚合粉与片状单晶结构材料层层组合，最终形成由储光聚合物插层的层结构材料；
3）将步骤2）得到的储光聚合物插层的层结构材料与3重量份的柠檬酸单甘酯、1重量份抗氧剂、1重量份阻燃剂、1重量份热稳定剂在熔化罐中加热至120℃，并以800-1200r/min的速度高速搅拌15min，然后送入喷雾造粒机，通过压力使其呈流体状，通过多流体喷嘴，在压力下将其以雾状形式喷出从而均化得到一种塑料光扩散添加剂。
通过检测，实施例2得到的光扩散添加剂样品基本性能为：外观为白色粉末；平均粒径3微米；折射率为1.44RI，取样品2%与98%的PMMA（聚甲基丙稀酸甲酯）在180-220℃温度条件下直接混合挤出成型，加工分散性良好，透光率达到89%，雾度为98%，雾度和透光率达到最佳平衡。因此本发明的光扩散添加具有良好的加工性和分散性。
实施例3
1）将10重量份数均分子量在1000-3000之间的乙烯-丙烯酸共聚物与8重量份由酞菁激活敏化的铝酸盐在振动磨中粉磨30min，振动磨粉磨转速100-200r/min，形成储光聚合粉；
2）将步骤1)得到的储光聚合粉与75重量份通过剥片而得到的片状单晶蛭石材料送入辊碾机，通过辊碾机的碾压使片状单晶结构材料片状舒展，碾辊设置压力，随着碾压，片状单晶结构材料片状逐渐舒展，起初压力控制碾压压力在2-3MPa,随着片状单晶结构材料片状逐渐舒展，碾压压力逐步增加至5-7MPa，然后缓慢降低，最后压力归零，碾压20min，储光聚合粉与片状单晶结构材料层层组合，最终形成由储光聚合物插层的层结构材料；
3）将步骤2）得到的储光聚合物插层的层结构材料与5重量份的单硬脂酸甘油酯、1重量份抗氧剂、1重量份磷酸酯阻燃剂、1重量份热稳定剂在熔化罐中加热至80℃，并以800-1200r/min的速度高速搅拌15min，然后送入喷雾造粒机，通过压力使其呈流体状，通过多流体喷嘴，在压力下将其以雾状形式喷出从而均化得到一种塑料光扩散添加剂。
实施例3得到的光扩散添加剂进行检测：折射率为1.42RI，1%与99%PP在260-280℃温度条件下直接混合挤出成型，透光率达到88%，雾度为97%。强光无论正对层间还是垂直层间照射，光线在插层结构中都经过透射、折射、反射从而均匀的分散，点光源变成面光源，扩大了发光面，而且使光线变得光亮而柔和。
实施例4
1）将数均分子量在1000-3000之间的乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯各5重量份与5重量份由卟啉激活敏化的铝酸钠在振动磨中粉磨25min，振动磨粉磨转速100-200r/min，形成储光聚合粉；
2）将步骤1)得到的储光聚合粉与80重量份通过剥片而得到的片状单晶云母送入辊碾机，通过辊碾机的碾压使片状单晶结构材料片状舒展，碾辊设置压力，随着碾压，片状单晶结构材料片状逐渐舒展，起初压力控制碾压压力在2-3MPa,随着片状单晶结构材料片状逐渐舒展，碾压压力逐步增加至5-7MPa，然后缓慢降低，最后压力归零，碾压18min，储光聚合粉与片状单晶结构材料层层组合，最终形成由储光聚合物插层的层结构材料；
3）将步骤2）得到的储光聚合物插层的层结构材料与4重量份的乳酸单甘脂、1重量份1010抗氧剂、1重量份聚磷酸铵阻燃剂、0.5重量份热稳定剂在熔化罐中加热至100℃，并以800-1200r/min的速度高速搅拌16min，然后送入喷雾造粒机，通过压力使其呈流体状，通过多流体喷嘴，在压力下将其以雾状形式喷出从而均化得到一种塑料光扩散添加剂。
实施例4得到的光扩散添加剂在不同透明树脂中应用的测试数据如下表：
通过测试数据分析，本发明塑料光扩散添加剂在与不同种类透明塑料加工时具有良好的高透光、高雾度，适合的温度范围较宽，耐温性能优异。
Claims (8)
1.一种塑料光扩散添加剂，其特征是：片状单晶结构材料与储光粉插层组成，组成的各组分按重量份计为：
片状单晶结构材料65-80份，
储光粉5-8份，
低分子聚合物5-10份，
润滑助剂3-5份，
其余助剂1-3份，
其中所述的片状单晶结构材料是具有单片晶结构的镁菱土、云母、蛭石、水滑石中的至少一种；所述的储光粉是一种由酞菁、菁类、卟啉类、叶绿素系列的染料激活敏化的铝酸盐，具有储光性和缓冲光源的特性；所述的低分子聚合物是数均分子量在1000-3000之间的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物中的至少一种；所述的润滑助剂选用具有润滑和分散功效的非离子表面活性剂月桂酸单甘油酯、柠檬酸单甘酯、单硬脂酸甘油酯、乳酸单甘脂中至少一种；其余助剂为抗氧化剂、阻燃剂和热稳定剂。
2.如权利要求1所述的一种塑料光扩散添加剂，其特征是所述的片状单晶结构材料是通过剥片而得到的径厚20-50纳米，径向粒径400-500纳米的微细单片，具有良好的透光性和光反射性。
3.如权利要求1所述的一种塑料光扩散添加剂，其特征是所述的储光粉优选染料激活敏化的铝酸镁，其优异的性能是对强点光源能够快速吸收然后缓慢释放，从而分散光源。
4.如权利要求1所述的一种塑料光扩散添加剂，其特征是所述的低分子聚合物选用数均分子量在1000-3000之间的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物中的至少一种。
5.上述权利要求1-4所述的一种塑料光扩散添加剂的制备方法，包括以下具体步骤：
1）将5-10重量份的低分子聚合物与5-8重量份的储光粉在振动磨中粉磨20-30min，振动磨粉磨转速100-200r/min，形成储光聚合粉；
2）将步骤1)得到的储光聚合粉与65-80重量份的片状单晶结构材料送入辊碾机，通过辊碾机的碾压使片状单晶结构材料片状舒展，碾辊设置压力，随着碾压，片状单晶结构材料片状逐渐舒展，碾压压力逐步增加然后缓慢降低，储光聚合物在热熔条件下与片状单晶结构材料进行插层组合，碾压时间控制在15-30min，最终形成由储光聚合物插层的层结构材料；
3）将步骤2）得到的储光聚合物插层的层结构材料与3-5重量份的润滑助剂、1-3重量份的其余助剂在熔化罐中加热至80-120℃，并以800-1200r/min的速度高速搅拌10-15min，然后送入喷雾造粒机，在高压下喷雾均化得到一种塑料光扩散添加剂。
6.如权利要求5所述的塑料光扩散添加剂的制备方法，其特征在于步骤1）所述的振动磨为超微粉碎振动磨，超微粉碎振动磨由上磨筒、下磨筒构成，在上磨筒和下磨筒之间均设有振荡器，在振动过程中，通过机械力强烈冲击和研磨使储光粉与低分子聚合物形成储光聚合粉。
7.如权利要求5所述的塑料光扩散添加剂的制备方法，其特征在于步骤2）所述的辊碾机由碾轮和筒体组成，碾轮设于筒体的内部且和筒体的底部之间设有空隙，该间隙间的碾压压力可调，起初压力控制在2-3MPa,随着片状单晶结构材料片状逐渐舒展，碾压压力逐步增加至5-7MPa，然后缓慢降低，最后压力归零。
8.如权利要求5所述的塑料光扩散添加剂的制备方法，其特征在于步骤3）所述的喷雾造粒机是一种压力造粒机，将润滑分散的储光聚合物插层材料通过压力使其呈流体状，通过多流体喷嘴，在压力下将其以雾状形式喷出从而达到均化目的。
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