PK玻璃與PMMA，LED燈具材料為何是PC取勝?

　　隨著LED照明的采用率不斷攀升，照明制造商正在追求照明應(yīng)用傳統(tǒng)材料之外的材料，以推動創(chuàng)新設(shè)計和外形、提高效率、克服持續(xù)的成本障礙。雖然傳統(tǒng)上制造商在固態(tài)照明(SSL)應(yīng)用中使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)- 接著是玻璃?，F(xiàn)在，聚碳酸酯樹脂(PC)越來越多地成為透鏡、燈罩、燈管、導(dǎo)管柱、擴散器和反射器。今天，大約90%的替代白熾燈的改裝LED燈由PC材料制成。

　　LED設(shè)計人員通過選擇PC(而非玻璃和PMMA)實現(xiàn)了多項優(yōu)勢，包括更強的抗沖擊性和耐熱性、可燃性等級提高和增加設(shè)計靈活性。雖然玻璃和PMMA由于其高透光率和強耐候性而與PC保持競爭，但是最新的專業(yè)PC正在迅速縮小差距。作為LED設(shè)備的候選材料，聚碳酸酯對玻璃和PMMA構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)，并且正在推動住宅、商業(yè)和戶外LED設(shè)計的進步。

　　PC打開住宅市場

　　許多國家已經(jīng)開始過渡，遠離傳統(tǒng)照明源，這要歸功于消費者對節(jié)能減排的高度關(guān)注，以及政府法規(guī)推動逐步淘汰低效率的燈泡。但是，要想全面替代白熾燈和緊湊型熒光燈(CFL) ，LED必須解決成本問題，成本仍然是其進入大眾住宅市場的主要障礙之一。由于需求增長，消費者需要看到并了解投資有更長使用壽命的技術(shù)帶來的好處。

　　耐用性和耐沖擊性是住宅環(huán)境中的重要標準，因為居民安裝燈時掉落或?qū)Ω鼡Q燈處理不當(dāng)?shù)那闆r很常見。PC提供的耐沖擊性，在實驗室中抗彎沖擊打破樣品時用kJ/m2(千焦耳/平方米)進行測量，明顯高于玻璃和PMMA。在實際沖擊測量中，PC的性能超過PMMA的10倍，玻璃的30倍。

　　使用PC生產(chǎn)的LED裝置也比使用PMMA生產(chǎn)的更安全，后者在阻燃性和耐熱性方面表現(xiàn)不佳。根據(jù)UL 94標準，某些PC獲得了“5VA”等級，這是阻燃性的最高等級。另一方面，PMMA獲得UL 94評級的“HB”，這是排名中最低的。此外，PC可以在高達130°C的溫度下連續(xù)使用，而PMMA只能達到90°C。表1總結(jié)了PC和PMMA的重要特性，供固態(tài)照明產(chǎn)品開發(fā)人員參考。

　　表1. PC和PMMA的規(guī)格比較。

　　產(chǎn)生更柔和的固態(tài)照明

　　為了在住宅環(huán)境中增加對LED的需求，照明設(shè)計師還必須解決LED照明設(shè)備的質(zhì)量問題，使燈光更柔和，更接近于白熾燈泡。具有乳白色或磨砂效果的擴散材料可以屏蔽LED光源，有助于均勻分布光線并減少眩光。假如沒有擴散，LED光源會產(chǎn)生刺眼的白色亮點。

　　同時，設(shè)計人員必須平衡柔和白光的美學(xué)需求與光傳播之間的關(guān)系。太多的擴散可能意味著過度的光照度損失，使燈泡效率降低。

　　PC擅長在擴散與光傳播之間取得微妙的平衡。新一代聚碳酸酯可以屏蔽熱點而不影響光透射。當(dāng)用于LED球罩或透鏡蓋時，PC提供有效的擴散，無需二次鏡片或組件，從而消除成本、復(fù)雜性和重量。使用PMMA制造的擴散器通常需要多個組件，增加了LED設(shè)計的重量和復(fù)雜性。

　　表2顯示了當(dāng)今LED設(shè)計人員可用的PC級別提供的透射和光散射。透明級別的SABIC的LEXAN LUX C樹脂產(chǎn)品提供了1 mm 91.5%的光傳輸，比傳統(tǒng)PC的89%有顯著的改善，僅次于92%的PMMA。對于需要更大擴散的照明應(yīng)用，LEXAN LUX C樹脂擴散級可將光線擴散(表2所示)為光散射度(DLD)，或觀察到入射光亮度的一半的角度，而不顯著減少光傳輸。

　　表2.透明和擴散PC等級的透光率和光散射度。

　　創(chuàng)造照明均勻性和一致性也給工業(yè)和商業(yè)用LED帶來困難，但PC已經(jīng)證明在這些環(huán)境中是有效的。Intematix公司是一家LED照明熒光材料和光學(xué)器件的制造商，該公司選擇了SABIC的透明、擴散和反射級別的LEXAN LUX樹脂，來制作ChromaLit線性照明系統(tǒng)(圖1)。

　　圖1. Intematix公司的ChromaLit照明系統(tǒng)使用遠程熒光粉技術(shù)和基于聚碳酸酯的光學(xué)元件。

　　ChromaLit采用遠程熒光粉技術(shù)，該技術(shù)使用與藍色LED能源分離的熒光粉組件，以產(chǎn)生更好的光擴散。熒光粉與能量源的分離產(chǎn)生了更好的照明均勻性。ChromaLit線性系統(tǒng)提供自然均勻的高品質(zhì)光，與最有效率的藍色LED一起使用時，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換功效可高達215 lm/w或高達163 lm/W。

　　商業(yè)照明的設(shè)計靈活性

　　商業(yè)和工業(yè)用LED燈具制造商也面臨許多與住宅市場相同的挑戰(zhàn)。照明設(shè)計必須實用、有吸引力而且輕便，同時還提供高光效和光均勻性。

　　為了達到這些復(fù)雜的標準，制造商在尋找可以提供設(shè)計靈活性的材料，在這個領(lǐng)域玻璃和PMMA落后于PC。特別是，PC可以用于生產(chǎn)尖角和凹口 - 這種設(shè)計特點進一步強化了PMMA在沖擊強度方面的弱點。此外，PMMA不能像PC那樣在天花板LED應(yīng)用中保持高度的耐久性和硬度，如圖2所示。

　　圖2. 玻璃和PMMA無法實現(xiàn)PC那樣的尖角和凹口，也不能像PC那樣在天花板LED應(yīng)用中保持高度的耐久性和硬度。

　　與其他材料(如玻璃)相比，PC也可用于卡扣配合應(yīng)用。與粘合劑組件不同，使用卡扣連接制成的LED燈和燈具可以輕松地拆卸而不會破壞零件，從而降低生命周期成本和環(huán)境影響。有關(guān)生命周期影響的更多信息，請參見表3。

　　表3. LEXAN樹脂與PMMA的環(huán)境影響和生命周期的比較。

　　商業(yè)LED設(shè)計師面臨的另一個根本障礙是釋放光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的光，這種設(shè)計缺陷可減少光輸出，同時產(chǎn)生不必要的熱量，從而降低設(shè)備的可靠性和使用壽命。由PC制成的透鏡具有高折射率，可以幫助優(yōu)化光提取，并且還可以將反射器集成到LED模塊中，從而實現(xiàn)更薄的透鏡和更輕的設(shè)計。使用PC透鏡，PC反射器也可以有效地集成到光學(xué)系統(tǒng)中。通過使用透鏡和反射鏡，將LED模塊的照度最大化，PC明顯優(yōu)于PMMA。

　　PC還為制造商提供了加工方法的選擇，從注塑和吹塑成型到擠出，支持模內(nèi)注色，形成動態(tài)的和彎曲的形狀。雖然PMMA也可以通過各種方法進行處理，但是考慮到全球變暖和總能源需求，PC材料在可持續(xù)發(fā)展和生命周期影響方面優(yōu)勢更明顯(見表3中的碳條目)。

　　提高戶外LED性能

　　LED越來越多地用于建筑照明、外部和街道照明以及汽車應(yīng)用。在面臨與住宅和工業(yè)環(huán)境相同的許多挑戰(zhàn)的同時，室外LED設(shè)計必須解決長期暴露于太陽、雨、風(fēng)、熱、濕和寒冷的影響。

　　雖然PMMA對于天氣和紫外線(UV)輻射抗性方面表現(xiàn)優(yōu)于PC，但PC仍然在這些領(lǐng)域取得了進展。例如，SABIC的LEXAN SLX樹脂專門設(shè)計用于縮小PC和PMMA之間在戶外應(yīng)用中的差距。LEXAN SLX樹脂可以抵抗由于紫外線曝光而出現(xiàn)的變黃，并且保持其光澤度、顏色穩(wěn)定性和機械性能的時間比標準PC長五倍以上。標準PC由于紫外線照射而降級，降低元件的延展性并使其變脆。圖3中的室外照明透鏡顯示了用LEXAN SLX樹脂和標準PC制成的組件在用紫外線(UV)曝光2900小時后的變黃比較。為了捕捉差異，將透鏡放置在裝有175W金屬鹵化(MH)燈的熱室中，在折射器上在120℃下放置2900小時。

　　圖3. LEXAN SLX樹脂(左)與使用UV添加劑的標準PC(右)。

　　聚碳酸酯的演變

　　PC技術(shù)的進步顯著提高了PC對于LED的適用性。材料制造商如SABIC已經(jīng)投資開發(fā)PC材料，通過更輕的重量、更好的機械性能、更高的美觀性和更少的次要操作來擴大設(shè)計自由度。

　　圖4將SABIC的LEXAN LUX樹脂等級與采用UV添加劑的標準PC的熱老化進行比較。當(dāng)在130℃下測試達5000小時時，與測試的兩個等級的LEXAN LUX樹脂(2180T和2110T)相比，標準PC顯示出更大的色移 - 通過增量Yi的增加或黃色指數(shù)來表示。

　　圖4. 2.5 mm材料在130°C熱老化后的色移動。

　　由于LED器件壽命特別長(長達10-15年)，壽命也是LED元件和材料的一個關(guān)鍵因素。如圖5所示，SABIC的LEXAN LUX樹脂等級在熱老化2000小時后，其傳輸百分比優(yōu)于標準PC。

　　圖5. 2.5 mm材料在130°C熱老化后的透光率偏差。

　　使用聚碳酸酯

　　雖然折射率(RI)的差異必須考慮在內(nèi)，但是設(shè)計人員和OEM廠商可以用與PMMA和玻璃開發(fā)產(chǎn)品的方式開發(fā)產(chǎn)品。盡管可以使用相同的預(yù)測建模工具，SABIC還可以提供雙向散射分布函數(shù)(BSDF)文件，使產(chǎn)品工程師可以預(yù)測其設(shè)計的透明材料和擴散材料的結(jié)果。此外，PC還可以使用與PMMA相同類型的模塑機 - 注射成型機、擠出機和吹塑機 - 進行處理。使用符合UL 94阻燃等級的PC也可以縮短產(chǎn)品開發(fā)時間，并可能消除對設(shè)備燃燒測試的需求。

　　雖然LED技術(shù)的未來很光明，但仍處于相對較早的發(fā)展階段，尚未實現(xiàn)大規(guī)模市場突破，進而成為住宅、商業(yè)和戶外環(huán)境中的主要照明形式。但是，制造商和工程師們正在正面這些挑戰(zhàn)，每天都會出現(xiàn)令人興奮的新設(shè)計。解決LED行業(yè)復(fù)雜且不斷變化的規(guī)格，需要不斷投入新的和改進的PC材料。