光扩散剂的基本参数与性能关系

光扩散剂的基本参数与性能关系1）光扩散剂的折射率须大于基体树脂材料吗？目前在网上搜索一下，发现了相互矛盾的不同讲法及观点。有些人认为“要满足透光不透明即透光又匀光的效果，光扩散剂的光折射率要比树脂的折射率高。我们常用的不饱和树脂的光线折射率为1.544，亚克力树脂的光线折射率为1.4910。过分的高于或者低于树脂的光线折射率会造成大量的反射，影响了透光率，接近树脂折射率，会减少光散射的路径，透明度下降少，无法有效的遮蔽光源。”但日本信越有机硅的对外公开正式产品宣传中，强调“（因为）有机硅树脂球形微粉的光折射率比较低，所以光扩散效率高”。孰对孰错，我们先从一些基本概念和原理开始分析：i）折射率的基本定义：光在真空中的相速度与光在介质中的相速度之比值。材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。常见几种透明树脂的折射率如下：树脂及材料种类光折射率KMP-590(有机硅）1.43PMMA1.49PP1.49~1.50LDPE1.51MDPE1.52~1.53PA（尼龙）1.53PET1.58PC(聚碳酸酯）1.59PS1.59折射率决定着材料看上去的光亮程度，较大的折射率表明在材料与空气的交界面上有更多的光线被反射。一般来说，折射率愈高，透光率愈低。ii）光散射的基本概念：物质中存在的不均匀团块使进入物质的光偏离入射方向而向四面八方散开，这种现象称为光的散射，向四面八方散开的光，就是散射光。与光的吸收一样，光的散射也会使通过物质的光的强度减弱。当光在物质中传播时，物质中存在的不均匀性（如悬浮微粒、密度起伏）也能导致光的散射（简单地说，即光向四面八方散开）。蓝天、白云、晓霞、彩虹、雾中光，曙光的传播等等常见的自然现象中都包含着光的散射现象。其实，添加光扩散剂制得的光扩散材料及制件，正是基于上述光的散射原理。透光与散射必须基于实际需要达到一个平衡，因此光的散射必须控制在一个合理范围内，因此对于连续介质中的不均匀成分即球形微粉的折射率(差)、球度、颗粒表面规整度、粒径大小、浓度等参数有着一定的要求与限制。因此作为光扩散剂，折射率不但要小，而且与连续相介质（即基体透明树脂）不能相差太大。因为折射率差愈大，散射作用愈强。连续相基材与非均相颗粒折射率差异过大将导致全反射发生，將光线反射回內部而无法有效导出。2)光扩散剂与“消光剂”各自强调的性能有显著区别两者的共同点是都产生光的扩散。但消光剂在产生光扩散的同時也造成了程度很高的光衰。消光剂所造成的光扩散結果是牺牲了絕大多数的光透过率，造成严重光衰。而光扩散剂所需兼具的要点在於保证一定的透光率，並非只是柔光或光衰严重的消光。目前LED普遍使用的光扩散剂是传统的消光粉，具有相當高的光衰。由于消光粉目前绝大多数为基于无机材质的，且微观颗粒形态结构属于多角不規則狀，造成光线无法大量穿透消光粉，或消光粉將光线不断地反向反射而严重衰減，造成产品应用受限。消光剂可能造成光线反射而造成光扩散的現象，但同時也造成光线大量被不规则折射而產生光线被吸收的現象。在形成光扩散結果的同時，也付出了更大的光衰作为代价。消光剂的重点是消光,但光扩散剂的重点是散光,同时不能“消光”，理论上最理想的情况是散而不消”、扩而不衰。当然就目前的技术水平来讲，即使像日本信越这些有机硅光扩散剂的领先企业也很难做到，只能是尽可能去控制、最小化光衰的程度，从而达到既透光又雾白柔和的效果。而这，恰恰是目前更高效光扩散剂研制开发中的难点和热点之一！3）所谓的“纳米光扩散剂光的散射与连续相介质中不均匀相(颗粒）的尺度有着密切关系。就目前照明用可见光如LED光源（波长范围约400~800nm）来讲，我个人不认为光扩散剂的粒径有做到真正纳米尺度的必要。而且，纳米尺度的颗粒能否实现对可见光高效的光扩散效果之同时保证足够高的透光率及透光质量，我个人也表示怀疑。更不用提及纳米技术目前在分散及微观形态精确控制方面的局限性。事实上，目前国际上几家大的有机光扩散剂厂家均未见有纳米级的介绍及宣传。一般较主流的颗粒尺度在“1.0um-4um,即小微米及亚微米的尺度范围，与目前的LED（照明）光源波长还是较合适的。4）颗粒微粉的微观形态控制特别是球度很重要，这是不言而喻的。这将显著影响光的折射、散射、衍射及反射，从而不但影响光的扩散效率，而且影响光的损耗，从而影响透光率。总之，球度及表面规整度愈高愈好，理想境界是镜面光滑程度。因此，评价一个光扩散剂的优劣，颗粒微观形态形貌的修饰与控制工艺及技术水平也是很重要的一个方面。譬如，日本信越新推出的有机硅光扩散剂X-52-7056A、国内贵阳恒微HW-200，其球度控制更精细、球度更佳，亮度更好、同时扩散效率更高。5）光扩散剂颗粒微粉的粒径分布基于上述同样的基本原理，粒径分布肯定是愈窄愈好。日本信越等有机硅公司可以控制的很窄、很均匀，当然国内也有个别机构（如贵阳恒微材料）技术水平达到甚至超过国外水平的了，这样可以使光线的传导控制更精细。透光率及扩散性均达到更理想的程度。6）有机光扩散剂的耐热性不但影响熔融加工过程中球形颗粒本身的球度及微观形态形貌的良好保持，而且，防止在高温强剪切作用下，不致降解、黄变，从而对透光性及扩散效果产生负面影响。在耐热性方面，有机硅树脂球形微粉光扩散剂具有突出的优势，因而在一些要求高的应用领域，尤其是在保证雾白匀光的基础上要求高透光率的LED照明灯管、灯罩及液晶光扩散板应用领域，无机及PMMA微粉的使用受到限制，而日本信越、贵阳恒微等推出的高效有机硅树脂球形微粉的应用愈来愈多。7）光扩散剂的纯度作为光学用途的材料及助剂，其本身的纯度、清洁度显然是一个重要的性能参数。光扩散剂的纯度不但影响到光的散射作用及透光率，而且还会影响到透光的质量、甚至还可能影响到透明树脂基体在高温强剪切熔融加工过程中的热稳定性。在纯度、清洁度控制中，挥发份的含量、水含量等是其中的两个基本控制参数。国际上一些主要光扩散剂厂家正在或已经推出更高纯度、更低挥发份、更低含水量的高纯高效(有机）光扩散剂，透光率及透光质量进一步提高。8）影响光扩散剂透光率（Tt)、光扩散效率(I70/I0)、遮盖率(I5/I0)及黄度指数(YI)的主要因素（小结）据研究报道，光扩散剂微粉粒径大小、粒径分布、微观形态特别是球度及表面规整性、纯度、折射率、与连续相基材折射率差及添加量等均会对透光率及透光质量产生显著影响。一般来讲，光扩散剂的添加量越大、总表面积越大和跟基材折射率差越大會使光扩散效率越高（大），但也伴随全光穿透率越低(小)。