CN114350079B - 一种高透光高雾度的光扩散板及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高透光高雾度的光扩散板及其制备方法和应用。本发明光扩散板包括以下重量份的各组分：聚苯乙烯树脂100份、聚苯乙烯接枝改性无机光扩散剂母粒0.1～5份、发泡剂母粒0.1～3份、抗氧剂0.1～1份、润滑剂0.1～2份。该光扩散板通过加入特定的PS接枝改性无机光扩散剂，提高了光扩散板的雾度，在LED光照明领域能有效解决眩晕的问题，且在增加扩散板雾度的同时还能保持较高的透光率，不影响LED灯效，克服了传统光扩散板雾度和透光率不能同时提高的问题。此外，本发明光扩散板采用的是无机光扩散剂，极大的降低了制备成本。
Description
技术领域
本发明属于光电材料技术领域。更具体地，涉及一种高透光高雾度的光扩散板及其制备方法和应用。
背景技术
在灯源应用的历史上，照明光源经历了四代：第一代为白炽灯，第二代为荧光灯，第三代为HID灯，第四代为LED灯.其中LED灯为一种新光源与其它照明光源有很大的区别。由于全球变暖和能源的短缺，LED灯的研究和发展的速度很快，是最具有发展前景的照明光源。LED灯源主要应用在室内照明、室外照明、汽车照明、视频屏幕等领域。LED灯为点光源灯，与传统的白炽灯、节能灯相比，LED灯发出的光比较集中、强烈，与周围的环境会形成强烈的反差，造成亮度不均匀的现象，从而造成眩光的现象，眩光是由于眼的视野中光的亮度分布不均匀或光的强度较强与周围的环境形成强烈的对比，从而造成眼部的不舒适感，严重者会造成视力下降的现象。眩光对人体的危害很大，会引发头痛、流泪、眼睛疲劳和灼烧感，严重时会造成视力的下降，甚至会引发一系列的眼部疾病例如白内障、近视、眼角膜并发症等。因此，解决LED灯应用过程中的眩光问题是很重要的。
目前针对LED灯眩光问题的解决，大多是将光扩散剂通过螺杆挤出的方式添加到透明树脂中，利用光扩散剂在树脂中的分散，提高扩散板的雾度，以达到减缓眩光的目的，但是光扩散剂在提高光扩散板的雾度的同时也会极大地降低光透过率，这对光扩散板是不利的。对此，专利CN202110087653.8提供了一种发泡型多功能复合板，通过改变扩散板的光学性能，让其内部具有不同折射率的化学聚合物分散均匀，增强扩散效果，提高显示光源的辉度。但是该复合板中采用的光扩散剂为有机硅光扩散剂，成本较高，且采用有机硅光扩散剂因其粒经较小，导致其在PS树脂基体中容易团聚而造成整体的光扩散效果较差。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，旨在提供一种高透光高雾度的光扩散板，本发明的光扩散板通过加入特定的PS接枝改性无机光扩散剂，一方面提高了光扩散板的雾度，在LED光照明领域能有效解决眩晕的问题；另一方面，在增加扩散板雾度的同时保持较高的透光率，不影响LED灯效，克服了传统光扩散板雾度和透光率不能兼具的问题。此外，采用的是无机光扩散剂，极大的降低了制备成本。
本发明的另一目的是提供所述光扩散板的制备方法。
本发明的再一目的是提供所述光扩散板在发光、照明领域方面的应用。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
本发明首先提供了一种高透光高雾度的光扩散板，包括以下重量份的各组分：
聚苯乙烯树脂100份、聚苯乙烯接枝改性无机光扩散剂母粒0.1～5份、发泡剂母粒0.1～3份、抗氧剂0.1～1份、润滑剂0.1～2份；
所述聚苯乙烯接枝改性无机光扩散剂母粒的平均粒径为1～10μm。
本发明提供的光扩散板，以聚苯乙烯树脂为基体材料，光扩散母粒为PS接枝改性无机光扩散剂，采用该特定的光扩散剂不仅保留了无机光扩散剂的光扩散能力，还改善了无机光扩散剂和PS基体之间的相容性；发泡剂母粒的引入可以破坏体系物料的均匀性，增加材料对光线的散射程度，在光扩散板的制备过程中，发泡剂母粒均匀发泡形成空洞，使得光线在基料-气泡界面处发生折射、漫反射、散射等作用，从而实现入射光线的均匀分散的作用；抗氧剂加入到基体内可延缓或抑制聚合物氧化过程的进行，从而阻止聚合物的老化并延长其使用寿命；润滑剂的加入可减少聚合物和设备之间的摩擦，以及聚合物分子链之间的摩擦，提高加工流动性的作用。
优选地，所述光扩散板包括以下重量份的各组分：
聚苯乙烯树脂100份、聚苯乙烯接枝改性无机光扩散剂母粒1.25～3.75份、发泡剂母粒0.75～2.5份、抗氧剂0.5～0.75份、润滑剂1～1.5份。
最优选地，所述光扩散板包括以下重量份的各组分：
聚苯乙烯树脂100份、聚苯乙烯接枝改性无机光扩散剂母粒1.8份、发泡剂母粒1.2份、抗氧剂0.5份、润滑剂1.25份。
优选地，所述聚苯乙烯接枝改性无机光扩散剂母粒的平均粒径为2～3μm。
优选地，所述聚苯乙烯树脂的熔体流动速率为2～5g/10min(200℃，5kg)。该熔指测试参照标准ISO 1133。
优选地，所述无机光扩散剂为SiO2、TiO2、碳酸钙、硫酸钡、氧化铝中的任一种。
所述聚苯乙烯接枝改性无机光扩散剂母粒可以市购也可自行制备。
作为一种优选地可实施方式，聚苯乙烯接枝改性SiO2母粒(SiO2-g-PS)或聚苯乙烯接枝改性TiO2母粒(TiO2-g-PS)的制备方法为：
S1.将无机光扩散剂粉末SiO2或TiO2溶于无水乙醇中，于60～70℃条件下搅拌加热，随后向溶液中逐滴加入4％～8％的硅烷偶联剂，反应12～14h后，洗涤、干燥，得到氨基化光扩散剂；
S2.在无水乙醇中加入聚乙烯吡咯烷酮，然后向溶液中加入AIBN和苯乙烯单体，然后在65～75℃条件下恒温反应2～8h，然后再加入丙烯酸，充分反应后，使用无水乙醇洗涤、干燥得到PS微球，溶于去离子水中得到PS乳液；所述聚乙烯吡咯烷酮、AIBN、苯乙烯、丙烯酸的质量比为2～4：0.3～0.5：18～22：0.6～0.8；
S3.将步骤S1制备的氨基化光扩散剂与步骤S2得到的PS乳液按照1：1～5的质量比进行混合，得到聚苯乙烯接枝改性无机光扩散剂母粒SiO2-g-PS或TiO2-g-PS。
作为一种优选地可实施方式，聚苯乙烯接枝改性碳酸钙母粒(CaCO3-g-PS)、聚苯乙烯接枝改性硫酸钡母粒(BaSO4-g-PS)、聚苯乙烯接枝改性氧化铝母粒(Al2O3-g-PS)的制备方法为：
将无机光扩散剂粉末(CaCO3或BaSO4或Al2O3)和PS、SMA按照0.8～1.2：0.8～1.2：1.8～2.2的质量比，加入到双螺杆挤出机，熔融挤出造粒得到聚苯乙烯接枝改性无机光扩散剂母粒(CaCO3-g-PS或BaSO4-g-PS或Al2O3-g-PS)；加工工艺为：混料段温度110～130℃，均化段温度为180～210℃，计量段温度为180～200℃，模头温度为180～210℃，喂料量为45～55kg/h，螺杆转速为350～450rpm。
优选地，所述发泡剂母粒包括质量比为70～90：8～10：8～15：0.8～1.2的聚乙烯、发泡剂、发泡调节剂和润滑剂。
更优选地，所述发泡剂母粒包括质量比为80：10：8：1的聚乙烯、发泡剂、发泡调节剂和润滑剂。
进一步地，所述发泡剂母粒还包括聚乙烯和润滑剂。
作为一种优选地可实施方式，所述发泡剂母粒的制备方法是：首先，将聚乙烯粉体投入高速搅拌机中，待温度达到100～110℃，边搅拌边投入发泡剂、发泡调节剂、润滑剂，搅拌均匀后冷却至室温，然后经过单螺杆挤出机熔融挤出造粒，制成发泡母粒。其中熔融挤出工艺条件为：混料段温度为100～130℃，均化段温度为150～180℃，计量段温度为150～160℃，模头温度为150～170℃，喂料量为40～50kg/h，螺杆转速为350～450rpm。
发泡剂母粒中的润滑剂为聚硅氧烷、硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸锌、PE蜡中的一种或几种。
所述发泡剂为碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺、苯磺酰肼中的一种或几种；所述发泡调节剂为丙烯酸酯中的一种或几种，可以提高熔体强度，防止泡孔合并，促使发泡均匀。
优选地，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯抗氧剂、硫代二丙酸双酯中的一种或几种。
优选地，所述润滑剂为聚硅氧烷、硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸锌、PE蜡中的一种或几种。
本发明还提供了上述光扩散板的制备方法，包括如下步骤：
S1.将聚苯乙烯树脂、发泡剂、抗氧剂、润滑剂混合均匀形成预混物，添加至单螺杆挤出机中，在80～190℃、200rpm～280rpm转速下熔融混合，挤出造粒形成微发泡母粒；
S2.向步骤S1得到的微发泡母粒中加入发泡剂母粒和光扩散母粒，添加至单螺杆挤出机中，在80～200℃、300rpm～350rpm转速下熔融共混、挤出发泡、冷却成型、切割即得到所述光扩散板。
此外，上述光扩散板在发光、照明领域方面的应用也应在本发明的保护范围内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的光扩散板通过加入特定的PS接枝改性无机光扩散剂，一方面可提高光扩散板的雾度，在LED光照明领域能有效解决眩晕的问题；另一方面，在增加光扩散板雾度的同时保持较高的透光率，不影响LED灯效，克服了传统光扩散板雾度和透光率不能兼具的问题。此外，本发明采用的是无机光扩散剂，极大的降低了制备成本。
附图说明
图1为实施例1制备的光扩散板SEM图；
图2为对比例8制备的光扩散板的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
一、实施例和对比例中使用的原料：
3-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂KH-550：市售；
聚乙烯吡咯烷酮：市售；
AIBN：市售；
苯乙烯单体：市售；
丙烯酸：市售；
聚乙烯：市售；
SMA：SMA-700,嘉兴华雯化工有限公司；
聚苯乙烯树脂：熔体流动速率为4g/10min(200℃，5kg)，GPPS-500NT,中国石油天然气股份有限公司；
聚苯乙烯树脂：熔体流动速率为8g/10min(200℃，5kg)，GPPS 123P,上海赛科石油化工有限责任公司；
SiO2：High Surface area Silica nanoparticles,Aladdin IndustrialCorporation；；
TiO2：R103,DuPont；
CaCO3：Carbital S,Imerys Pigments(Wuhu)Co.,Ltd.；
BaSO4：沉淀硫酸钡，青岛东风化工有限公司；
Al2O3：Aluminum oxide,Aladdin Industrial Corporation；
碳酸氢钠：F-70,EIWA FINE CHEMICAL IND.(CHANGSHU)CO.,LTD.；
偶氮二甲酰胺：F-54，EIWA FINE CHEMICAL INDUSTRY(CHANGSHU)CO.,LTD；
丙烯酸酯类共聚物：MB180,NANOSPHERE(SHANGHAI)CO.,LTD.；
受阻酚类抗氧剂：市售；
PE蜡：市售；
聚硅氧烷：市售；
有机硅光扩散剂：DF 10A0长兴化学工业股份有限公司；
需要说明的是，针对市售产品，以下实施例和对比例所用同种原料为同一来源原料。
二、实施例和对比例中透光率和雾度测试方法：
透光率的定义为透射光与入射光之比；雾度为当透射光通过试样时，由于散射而偏离入射方向的透光百分率；透光率和雾度均是通过雾度计按照ASTM D1003标准测试得到。
实施例1-14和对比例1-9不同原料配比光扩散板的制备
1、原料
(1-1)聚苯乙烯接枝改性无机光扩散剂母粒的制备
1)聚苯乙烯接枝改性SiO2(SiO2-g-PS平均粒径为3μm)的制备方法为：
S1.将平均粒径为2μm的SiO2微球粉末溶于无水乙醇中，于60℃条件下搅拌加热，随后向溶液中逐滴加入5％的KH-550，反应12h后，洗涤、干燥，得到氨基化SiO2；
S2.在无水乙醇中加入3g聚乙烯吡咯烷酮，然后向溶液中加入0.4g AIBN和20g苯乙烯单体，在70℃条件下恒温反应5h，然后再加入0.7g的丙烯酸，充分反应后，使用无水乙醇洗涤、干燥得到PS微球，溶于去离子水中得到PS乳液；
S3.将步骤S1制备的氨基化SiO2与步骤S2得到的PS乳液按照1：3的质量比进行混合，得到SiO2-g-PS，平均粒径为3μm。
2)SiO2-g-PS(平均粒径10μm)的制备方法为：同1)中SiO2-g-PS的制备，区别在于，所选SiO2微球粉末的平均粒径为10μm。
3)SiO2-g-PS(平均粒径700nm)的制备方法为：同1)中SiO2-g-PS的制备，区别在于，所选SiO2微球粉末的平均粒径为500nm。
4)SiO2-g-PS(平均粒径20μm)的制备方法为：同1)中SiO2-g-PS的制备，区别在于，所选SiO2微球粉末的平均粒径为15μm。
5)聚苯乙烯接枝改性TiO2(TiO2-g-PS平均粒径为3μm)的制备方法为：
S1.将平均粒径为2μm的TiO2粉末溶于无水乙醇中，于60℃条件下搅拌加热，随后向溶液中逐滴加入5％的KH-550，反应12h后，洗涤、干燥，得到氨基化TiO2；
S2.在无水乙醇中加入3g聚乙烯吡咯烷酮，然后向溶液中加入0.4g AIBN和20g苯乙烯单体，在70℃条件下恒温反应8h，然后再加入0.7g的丙烯酸，充分反应后，使用无水乙醇洗涤、干燥得到PS微球，溶于去离子水中得到PS乳液；
S3.将步骤S1制备的氨基化TiO2与步骤S2得到的PS乳液按照1：5的质量比进行混合，得到TiO2-g-PS，平均粒径为3μm。
6)CaCO3-g-PS(平均粒径3μm)的制备方法为：将平均粒径为2.5μm的CaCO3和PS、SMA按照1:1:2的比例，加入到双螺杆挤出机熔融共混得到CaCO3-g-PS的预混母粒；加工工艺为：混料段温度120℃，均化段温度为200℃，计量段温度为190℃，模头为200℃，喂料量为50kg/h，螺杆转速为400rpm。
7)BaSO4-g-PS(平均粒径3μm)的制备方法为：同6)中CaCO3-g-PS的制备，区别在于，将CaCO3替换为BaSO4。
8)Al2O3-g-PS(平均粒径3μm)的制备方法为：同1)中SiO2-g-PS的制备，区别在于将SiO2替换为Al2O3。
(1-2)发泡剂母粒1-6的组分及用量如表1所示。
表1
发泡剂母粒的具体制备方法为：
将PE粉体投入高速搅拌机中，待温度达到110℃时，边搅拌边投入发泡剂、发泡调节剂、润滑剂，搅拌均匀后冷却至室温，然后经过单螺杆挤出机熔融挤出造粒，制成发泡剂母粒待用。其中熔融挤出工艺条件为：混料段温度为120℃，均化段温度为170℃，计量段温度为160℃，模头温度为170℃，喂料量为45kg/h，螺杆转速为400rpm。
(1-3)实施例1-14和对比例1-9光扩散板
表2实施例1-7光扩散板的组分和含量
表3实施例8-11光扩散板的组分和含量
表4实施例12-14光扩散板的组分和含量
表5对比例1-4光扩散板的组分和含量
2、实施例1-14和对比例1-4光扩散板的制备方法
S1.将聚苯乙烯树脂、发泡剂、抗氧剂、润滑剂混合均匀形成预混物，添加至单螺杆挤出机中，单螺杆挤出机从喂料段到机头的七个区的温度依次为80℃、120℃、180℃、180℃、180℃、180℃、190℃，250rpm转速下熔融混合，挤出造粒形成微发泡母粒；
S2.向步骤S1得到的微发泡母粒中加入发泡剂母粒和光扩散母粒，添加至单螺杆挤出机中，单螺杆挤出机从喂料段到机头的十个区的温度依次为80℃、120℃、180℃、180℃、190℃、190℃、190℃、190℃、200℃、200℃，300rpm转速下熔融共混、挤出发泡、冷却成型、切割即得到所述光扩散板。
实施例1制备得到的光扩散板其SEM图见图1所示，可看到，得到的光扩散板中光扩散剂均匀分布，使得入射光发生大量的折射和反射作用，使光扩散板具有较高的雾度，同时均匀分散的光扩散母粒成为发泡母粒的生长点，均匀发泡，泡孔的形成造成更多的光的散射面，促进光扩散的更加均匀。
对比例5
光扩散板的原料配方及制备方法同实施例1，区别在于，将实施例1中光扩散母粒SiO2-g-PS替换为SiO2。
对比例6
光扩散板的原料配方及制备方法同实施例3，区别在于，将实施例3中光扩散母粒TiO2-g-PS替换为TiO2。
对比例7
光扩散板的原料配方及制备方法同实施例1，区别在于，光扩散母粒SiO2-g-PS的平均粒径为700nm。
对比例8
光扩散板的原料配方及制备方法同实施例1，区别在于，光扩散母粒SiO2-g-PS的平均粒径为20μm。
按照本对比例的方法制备得到的光扩散板其SEM图如图2所示，从图中可以看到光扩散母粒与PS基体相容性不是特别好，导致光扩散剂容易出现团聚，发泡量也会出现局部较大，局部较小的情况，极不均匀，因此造成整体的光扩散效果较差，且其皮层厚度较大。
对比例9
光扩散板的原料配方及制备方法同实施例3，区别在于，将光扩散母粒SiO2-g-PS替换为DF 10A0有机硅光扩散剂。
实验例
对实施例1-14和对比例1-9制备得到的光扩散板分别进行透光率、雾度的测试，测试结果见表6。
表6
从表6的结果可以看到，本发明实施例1-14制备得到的光扩散板都表现优异的透光率(＞30％)、雾度(＞96％)；其中实施例1制备的光扩散效果最佳，在此特定的配方下，光扩散剂均匀分布使得入射光发生大量的折射和反射作用，使其具有较高的雾度，同时均匀分散的光扩散母粒成为发泡母粒的生长点，均匀发泡，泡孔的形成造成更多的光的散射面，促进光扩散的更加均匀。
从对比例1-4看，当改变PS树脂、发泡剂母粒或光扩散母粒的配比之后，会造成光扩散母粒或发泡母粒分布不均匀，最终导致光扩散效果较差，且发泡剂含量太低，造成光散射能力不够，体系雾度较低，同时发泡不均匀导致透光率受到极大的影响。
对比例5和6分别采用无机光扩散剂，因为无机填料和PS基体的相容性较差，分散不均匀且极易团聚，便造成其对入射光的散射作用不均匀，导致雾度较低。
对比例7采用的光扩散母粒SiO2-g-PS的平均粒径为较小，将其应用到本发明光扩散板体系中，会使得光扩散母粒不能很好的和发泡母粒协同作用，进一步使得光扩散的更加均匀使得体系的雾度较低。
对比例8采用的光扩散母粒SiO2-g-PS的平均粒径为较大，将其应用到本发明光扩散板体系中，会使得整个的发泡比较集中，且使得光线透过率较小。
对比例9中使用有机硅光扩散剂制备光扩散板时，因其粒经较小，导致其在PS树脂基体中容易团聚造成整体的光扩散效果较差。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高透光高雾度的光扩散板，其特征在于，包括以下重量份的各组分：
聚苯乙烯树脂100份、聚苯乙烯接枝改性无机光扩散剂母粒0.1～5份、发泡剂母粒0.1～3份、抗氧剂0.1～1份、润滑剂0.1～2份；
所述聚苯乙烯接枝改性无机光扩散剂母粒的平均粒径为1～10μm；所述发泡剂母粒包括质量比为70～90：8～10：8～15：0.8～1.2的聚乙烯、发泡剂、发泡调节剂和润滑剂。
2.根据权利要求1所述光扩散板，其特征在于，包括以下重量份的各组分：
聚苯乙烯树脂100份、聚苯乙烯接枝改性无机光扩散剂母粒1.25～3.75份、发泡剂母粒0.75～2.5份、抗氧剂0.5～0.75份、润滑剂1～1.5份。
3.根据权利要求1所述光扩散板，其特征在于，所述无机光扩散剂为SiO2、TiO2、碳酸钙、硫酸钡、氧化铝中的任一种。
4.根据权利要求1所述光扩散板，其特征在于，所述聚苯乙烯接枝改性无机光扩散剂母粒的平均粒径为2～3μm。
5.根据权利要求1所述光扩散板，其特征在于，所述发泡剂和发泡调节剂的质量比为10：8～15。
6.根据权利要求5所述光扩散板，其特征在于，所述发泡剂为碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺、苯磺酰肼中的一种或几种；所述发泡调节剂为丙烯酸酯中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述光扩散板，其特征在于，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯抗氧剂、硫代二丙酸双酯中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述光扩散板，其特征在于，所述润滑剂为聚硅氧烷、硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸锌、PE蜡中的一种或几种。
9.权利要求1～8任一所述光扩散板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将聚苯乙烯树脂、抗氧剂、润滑剂混合均匀形成预混物，通过双螺杆挤出机熔融混合，挤出造粒形成微发泡母粒；
S2.向步骤S1得到的微发泡母粒中加入发泡剂母粒和光扩散母粒，通过螺杆挤出机熔融共混、挤出发泡、冷却成型、切割即得到所述光扩散板。
10.权利要求1～8任一所述光扩散板在发光、照明领域方面的应用。
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