光學(xué)PC在LED照明中的主要應(yīng)用

　　PC又稱聚碳酸酯，是Polycarbonate的縮寫(xiě)。PC是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根據(jù)酯基的結(jié)構(gòu)可分為脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多種類(lèi)型。目前在應(yīng)用和工業(yè)化生產(chǎn)的主要為芳香族聚碳酸酯。聚碳酸酯是一種性能優(yōu)良的工程塑料，密度接近1.20g/cm3。由PC制成的無(wú)色透明塑料件，可見(jiàn)光的透光率可以達(dá)到90%左右。PC的主要用途包括光學(xué)照明，電子電器，汽車(chē)航空和醫(yī)療等。一般的，我們將應(yīng)用于光學(xué)照明領(lǐng)域，具有較好光學(xué)特性的透明，擴(kuò)散或白色高反射率PC材料稱為光學(xué)PC。

　　隨著 LED 照明產(chǎn)品采用率的不斷增高，照明生產(chǎn)商正在尋找性能超越傳統(tǒng)照明應(yīng)用中使用的材料，來(lái)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和外形，提高照明效率，并解決持續(xù)的采用成本問(wèn)題。 雖然照明生產(chǎn)商一貫使用有機(jī)玻璃 (PMMA) - 其次是玻璃 - 來(lái)開(kāi)展固態(tài)照明 (SSL) 應(yīng)用, 但PC正日益成為透鏡、透光罩、燈管、導(dǎo)光柱、擴(kuò)散罩和反射器的首選材料。 現(xiàn)在，大約 90% 取代白熾燈泡的 LED 替換燈泡都由 PC 材料制成。

　　LED 設(shè)計(jì)者通過(guò)選擇 PC(而不是玻璃和 PMMA)可實(shí)現(xiàn)諸多好處，包括更大的抗沖擊性和耐熱性，改進(jìn)的阻燃等級(jí)，以及增強(qiáng)的設(shè)計(jì)靈活性。 不過(guò)，由于玻璃和 PMMA 具有高透光性和強(qiáng)耐候性，它們?nèi)允?PC 的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，不過(guò)最新等級(jí)的特種 PC 快速?gòu)浐狭诉@一差距。 作為 LED 器件的候選材料，聚碳酸酯不僅對(duì)玻璃和 PMMA 提出了直接的挑戰(zhàn)，還將推動(dòng)住宅、商用和室外 LED 設(shè)計(jì)不斷進(jìn)步。

　　PC與PMMA主要性能比較

　　耐久性和抗沖擊性是用于住宅環(huán)境的必要條件，因?yàn)榫用裨诎惭b燈時(shí)掉落或?qū)Ω鼡Q件處置不當(dāng)?shù)那闆r常有發(fā)生。 PC 在抗彎沖擊下打碎樣品所需的抗沖擊力在實(shí)驗(yàn)室用 kJ/m2(每平方米千焦耳)測(cè)量單位表示，這比玻璃和 PMMA 的抗沖擊力要高得多。 在實(shí)際沖擊測(cè)試中，PC 的性能是 PMMA 的 10 倍，也是玻璃的 30 倍。

　　用 PC 制造的 LED 器件也比用 PMMA 制造的燈具更安全，因?yàn)槠渥枞夹院湍蜔嵝杂忻黠@優(yōu)勢(shì)。 按照 UL 94 標(biāo)準(zhǔn)，某些 PC 被評(píng)為“5VA”等級(jí) - 最高阻燃性評(píng)級(jí) - UL 94 標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)不同方向和厚度的燃燒方式對(duì)塑料進(jìn)行分類(lèi)。 PMMA 被評(píng)為 UL 94“HB”等級(jí)，這也是最低等級(jí)。 另外，PC 還可以連續(xù)在最高 130℃ 的溫度下使用，而 PMMA 只能在最高 90℃ 的溫度下使用。 表 1 總結(jié)對(duì)LED照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員比較重要的 PC 和 PMMA 特性。

　　表 1 PC 和 PMMA 規(guī)格比較

　　為了增加住宅環(huán)境中的 LED 需求，照明設(shè)計(jì)師還必須解決 LED 照明設(shè)備的質(zhì)量問(wèn)題，使燈光變得更加柔和，更接近白熾燈。 乳白色或磨砂效果的擴(kuò)散材料可以屏蔽 LED 光源，有助于均勻地分布光線，盡量減少眩光。 如果沒(méi)有擴(kuò)散，LED 光源會(huì)產(chǎn)生刺眼的白色亮點(diǎn)。

　　同時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須在柔和白光的審美需求與透光性之間保持平衡。 過(guò)多的擴(kuò)散可能意味著亮度損失過(guò)度，從而降低燈泡效能。

　　PC 擅長(zhǎng)在擴(kuò)散與透光之間保持微妙的平衡。 新一代聚碳酸酯可以屏蔽亮點(diǎn)，而不影響透光性。 當(dāng)在 LED 球罩或透光罩中使用時(shí)，PC 提供有效的擴(kuò)散，而不需要二次透鏡或其他光學(xué)元件，從而減少成本、復(fù)雜性和重量。 用 PMMA 制成的擴(kuò)散板通常需要多層結(jié)構(gòu)，從而增加 LED 設(shè)計(jì)的重量和復(fù)雜性。

　　表 2 顯示當(dāng)今 LED 設(shè)計(jì)人員可用的 PC 等級(jí)提供的透光性和光散射。 透明等級(jí)的 1 毫米 SABIC 的 LEXANTM LUX C 樹(shù)脂組合的透光率可達(dá) 91.5%，較透光率為約 89% 的傳統(tǒng) PC 有了顯著的改進(jìn)，僅次于透光率為 92% 的 PMMA。 對(duì)于需要更大擴(kuò)散的照明應(yīng)用，LEXANTM LUX C 樹(shù)脂擴(kuò)散等級(jí)可將光線擴(kuò)散(如表 2 中所示)為光擴(kuò)散度 (DLD)，即可看到入射光亮度一半的角度，而無(wú)需顯著降低透光率。

　　表 2 透明和擴(kuò)散 PC 等級(jí)的透光性和光擴(kuò)散度

　　商用和工業(yè)用 LED 燈制造商同樣也面臨著住宅市場(chǎng)的諸多挑戰(zhàn)。 照明設(shè)計(jì)必須功能實(shí)用、外觀時(shí)尚、輕便靈巧，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高光效和光均勻度。

　　為了達(dá)到這些復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)，制造商正在努力尋找各種材料來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性，在這方面PC遠(yuǎn)勝玻璃和 PMMA 。 例如，PC 可用于形成尖角和凹口 - 這些設(shè)計(jì)功能進(jìn)一步突顯了 PMMA 在抗沖擊強(qiáng)度方面的弱勢(shì)。此外，PMMA 也不能像 PC 那樣在吸頂式 LED 應(yīng)用中保持較高的耐久性和硬度，如圖 1 中所示。

　　圖 1 玻璃和 PMMA 既不能像 PC 那樣形成尖角和凹口，也不能像 PC 那樣在吸頂式 LED 應(yīng)用(如此處顯示的固定裝置)中保持較高的耐久性和硬度。

　　相比玻璃等其他材料需要使用相對(duì)低效率的粘膠組裝方式，PC 可以開(kāi)展卡扣配合應(yīng)用。 根據(jù)歐盟相關(guān)報(bào)道，與粘合劑組件不同的是，用卡扣配合連接制成的 LED 燈和燈具可以輕松拆卸，而不會(huì)破壞零部件，從而降低了報(bào)廢成本等生命周期成本和環(huán)境影響。

　　使用聚碳酸酯

　　雖然必須考慮折射率 (RI) 差異，但是設(shè)計(jì)師和原始設(shè)備制造商仍可以采用與用 PMMA 和玻璃開(kāi)發(fā)產(chǎn)品大致相同的方法來(lái)用 PC 開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。 雖然可以使用相同的預(yù)測(cè)建模工具，但是 SABIC 還提供雙向散射分布函數(shù) (BSDF) 文件，使產(chǎn)品工程師能夠同時(shí)預(yù)測(cè)透明材料和擴(kuò)散材料的設(shè)計(jì)結(jié)果。 此外，PC 還可以使用與 PMMA 相同類(lèi)型的模塑機(jī) - 注塑機(jī)、擠出機(jī)和吹塑機(jī)進(jìn)行處理。 使用符合 UL 94 阻燃等級(jí)要求的 PC 還可以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，并有可能消除進(jìn)行設(shè)備燃燒測(cè)試的必要性。

　　雖然前景一片光明，但是 LED 技術(shù)仍處于相對(duì)初期的發(fā)展階段，仍需大規(guī)模進(jìn)軍大眾市場(chǎng)，從而成為住宅、商用和戶外環(huán)境的主要照明方式。 廠家和設(shè)計(jì)人員正在直面這些挑戰(zhàn)，而且令人興奮的是，新設(shè)計(jì)每天都在涌現(xiàn)。 為了解決 LED 產(chǎn)業(yè)不斷改變的復(fù)雜規(guī)范問(wèn)題，需要持續(xù)投資新的和改進(jìn)的 PC 材料。 SABIC 將一直致力于與整個(gè)LED照明行業(yè)合作來(lái)推動(dòng)下一代 LED 的發(fā)展。