張林 東莞市銀禧光電材料科技股份有限公司 總經(jīng)理
《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書(shū)》配套材料 顧問(wèn)
傅軼 東莞市銀禧光電材料科技股份有限公司 總工程師
《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書(shū)》配套材料 顧問(wèn)
3.2 納米增強(qiáng)PC材料
3.2.1 背景介紹：
LED由于具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，自從誕生以來(lái)，得到了快速發(fā)展。但是在LED超薄輕量化領(lǐng)域，產(chǎn)品厚度降到0.7mm以下，PC存在強(qiáng)度和線膨脹系數(shù)偏低的缺點(diǎn)，產(chǎn)品容易出現(xiàn)偏軟變形易彎曲等問(wèn)題。為了解決PC這方面的問(wèn)題，目前行業(yè)內(nèi)開(kāi)發(fā)了納米增強(qiáng)管PC材料。
納米增強(qiáng)PC材料是指以無(wú)機(jī)或有機(jī)納米材料(三維空間中至少有一維處于納米尺寸)對(duì)PC增強(qiáng)的材料。常規(guī)增強(qiáng)材料往往存在填料尺寸過(guò)大、分散不均等問(wèn)題，導(dǎo)致增強(qiáng)材料在強(qiáng)度和模量提高的同時(shí)，韌性大幅度下降，表現(xiàn)為沖擊強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率下降明顯。與一般增強(qiáng)材料相比，納米增強(qiáng)材料采用獨(dú)特的粒子細(xì)微化技術(shù)和表面處理技術(shù)對(duì)填料進(jìn)行處理，提高填料與聚合物的相容性，在提高聚合物強(qiáng)度、模量的同時(shí)又能提高聚合物的沖擊強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、耐紫外線等性能。不僅使材料的綜合性能得到全面提升，同時(shí)降低材料成型收縮率、降低成本，擴(kuò)大材料的應(yīng)用領(lǐng)域[5]。
公開(kāi)號(hào)為CN 104725816 A的發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了使用普通玻纖增強(qiáng)改性PC，但是由于普通玻纖屬于圓柱形，增強(qiáng)效果比較有限，導(dǎo)致對(duì)于彎曲度、膨脹等改善效果并非明顯，此外，材料的折射率在1.45 左右，透光率大幅度下降，點(diǎn)燈效果比普通光擴(kuò)散PC要差，光線的均勻性較差;因此，單一使用玻纖，添加量大，增強(qiáng)效果不明顯，表觀效果差 [6]。納米增強(qiáng)管材料針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種LED燈管用低膨脹阻燃光擴(kuò)散PC復(fù)合材料，具有低膨脹和阻燃特性，同時(shí)兼具良好的透光率、霧度、力學(xué)性能等特點(diǎn)，滿足在大尺寸、超薄燈管領(lǐng)域使用。
3.2.2 納米增強(qiáng)PC材料特性
納米增強(qiáng)管材料是一種LED燈管用低膨脹阻燃光擴(kuò)散PC復(fù)合材料，具有低膨脹和阻燃特性，同時(shí)兼具良好的透光率、霧度、力學(xué)性能等特點(diǎn)，滿足在大尺寸、超薄燈管領(lǐng)域使用。
納米增強(qiáng)管材料具有以下創(chuàng)新特點(diǎn)：
(1)、在提高材料強(qiáng)度和模量的同時(shí)，使材料的斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度提高5-10%;
(2)、由于PC分子含有剛性的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致成型時(shí)取向的分子鏈難以解取向，最終導(dǎo)致制品在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)應(yīng)力開(kāi)裂和翹曲變形等問(wèn)題。而本技術(shù)可以降低制品的殘余應(yīng)力，使制品成型后的開(kāi)裂、翹曲和變形可以得到很好的抑制;
(3)、降低材料成型收縮率，可拓寬加工窗口，使材料適用于更加復(fù)雜的形狀設(shè)計(jì);
(4)、在一定程度上提高材料流動(dòng)性，可解決復(fù)雜流道熔接痕問(wèn)題。
圖7 納米增強(qiáng)管材料與普通PC材料對(duì)比能夠使產(chǎn)品厚度減薄、損耗降低，大大減少產(chǎn)品成本：
圖5 納米增強(qiáng)管材料與普通PC材料對(duì)比
3.2.3 納米增強(qiáng)管PC材料行業(yè)進(jìn)展
行業(yè)內(nèi)使用納米氧化鋁晶?；蚓ы氈械闹辽僖环N，采用增強(qiáng)型LED 燈管的PC材料組合物，材料本身具有更加優(yōu)良的透光率和光擴(kuò)散的性能，并且可以消除分散性產(chǎn)生的光暈或者暗斑等現(xiàn)象，同時(shí)還具有更加優(yōu)異的機(jī)械性能[7]。
3.2.4 市場(chǎng)應(yīng)用
納米增強(qiáng)管材料因強(qiáng)度高，韌性好，透光率高，輕薄耐用，柔和護(hù)眼等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于超薄LED燈管、球泡燈罩、異型管等產(chǎn)品領(lǐng)域。
圖6 納米增強(qiáng)管材料應(yīng)用
3.3 高透高霧PC材料
3.3.1 背景介紹：
PC以其在工程塑料中獨(dú)特的高透光率、高折射率、高抗沖性、優(yōu)良尺寸穩(wěn)定性及易加工成型等特點(diǎn)，在該LED領(lǐng)域內(nèi)占有日趨重要的位置。采用光學(xué)級(jí)PC制作的各種光學(xué)材料，無(wú)論是抗沖擊性能還是成型加工性能，都是傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)玻璃所無(wú)法比擬的。盡管如此，由于結(jié)構(gòu)特性本身的原因 ,PC作為L(zhǎng)ED材料在性能上仍有欠缺之處，因而對(duì)其光學(xué)性能進(jìn)行研究并通過(guò)各種手段加以改善，已成為目前PC領(lǐng)域的重要課題。高性能光擴(kuò)散PC是通過(guò)在PC樹(shù)脂中添加光擴(kuò)散劑、阻燃劑等助劑，評(píng)定光散射材料的兩項(xiàng)主要指標(biāo)是透光率和霧度 [8]。因此開(kāi)發(fā)一些高性能光擴(kuò)散PC顯得尤為重要。為突破目前高透光率、高霧度關(guān)鍵共性技術(shù)問(wèn)題，銀禧光電已解決關(guān)鍵技術(shù)如下：
高透光率高霧度：目前透光率高達(dá)90%， 霧度96%，目前與出光、帝人等國(guó)際大公司產(chǎn)品性能接近，已經(jīng)試用于部分產(chǎn)品中[9]。
3.3.2 高透高霧PC材料特性
采用特殊的處理手段，改善光擴(kuò)散劑在PC基體中的分散性，考察不同光擴(kuò)散劑用量對(duì)最終PC樹(shù)脂中的透光率、霧度的影響特性，建立單因素變量(光擴(kuò)散劑用量)對(duì)最終特性(透光率、霧度)的影響參數(shù)，進(jìn)而找到與PC高透光率、高霧度特性相匹配的光擴(kuò)散劑添加量 [10]。
3.3.3 高透高霧PC行業(yè)進(jìn)展
行業(yè)內(nèi)采用將PC樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂微球以及交聯(lián)共聚物微球等在內(nèi)的組分一次熔融共混的方法制得，這樣得到的該組合物中，有機(jī)硅樹(shù)脂微球以及交聯(lián)共聚物微球兩種微球均勻分布在連續(xù)相PC中，兩種微球都呈單分散狀態(tài)，其中交聯(lián)共聚物微球在交聯(lián)的表面存在酸酐基團(tuán)，因此可以與PC分子鏈上的羰基發(fā)生酯交換反應(yīng)，進(jìn)一步有助于其在PC中的分散，當(dāng)光線通過(guò)組合物的時(shí)候，在分散相兩種微球的共同作用下可以將入射光線分散，將點(diǎn)光源變成面光源，使PC樹(shù)脂組合物的霧度大幅度地提高，同時(shí)還可以使其具有較高的透光率，可以節(jié)約大量的能源，同時(shí)節(jié)約了材料的使用量，大幅降低材料的成本 [11]。
3.3.4 市場(chǎng)應(yīng)用
目前高透光率高霧度產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)化學(xué)工業(yè)合成材料老化質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心認(rèn)證，正在進(jìn)入軌道交通領(lǐng)域和家用照明領(lǐng)域。
圖7 高透高霧PC在LED上的應(yīng)用
高性能光擴(kuò)散PC材料，大力推動(dòng)塑料材料在LED燈具上的推廣應(yīng)用，如圖7所示，LED 燈具相對(duì)普通燈具節(jié)電效率高70%，壽命為普通燈具的10倍以上，幾乎是免維護(hù)，不存在要經(jīng)常更換燈管、鎮(zhèn)流器、啟輝器的問(wèn)題，綠色環(huán)保型的半導(dǎo)體電光源，光線柔和，色彩純正，有利于人們的視力保護(hù)及身體健康。本項(xiàng)目的實(shí)施不但可以大幅降低使用成本，還可以節(jié)約二次能源，對(duì)環(huán)境和能源有重大積極意義，有利于我國(guó)建設(shè)環(huán)境友好型和諧社會(huì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
3.4 3D打印PC在照明領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用
3.4.1 背景介紹
3D打印又稱(chēng)增材制造，是快速成型技術(shù)的一種，它以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，將打印材料通過(guò)逐層堆積的方式來(lái)構(gòu)造三維物體，在航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療、建筑、消費(fèi)品等領(lǐng)域有著很好的潛在應(yīng)用價(jià)值。隨著對(duì)3D打印技術(shù)的深入研究，3D打印在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了快速發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)照明產(chǎn)品零部件、組件的定制和創(chuàng)新的燈具設(shè)計(jì)是照明和3D打印能夠結(jié)合在一起的主要原因。布魯克林設(shè)計(jì)師羅伯特 ? 迪班 (robert debbane) 用3D打印機(jī)創(chuàng)作了一組雕琢精致的紋飾燈具，并在2015紐約設(shè)計(jì)周期間的“wanted 設(shè)計(jì)博覽會(huì)”上亮相(圖8)。在2018米蘭設(shè)計(jì)周上，由清華學(xué)子創(chuàng)立的紫晶立方攜帶3D打印月球燈亮相了本次展會(huì)，讓3D打印月球燈成為了展會(huì)上亮眼的“一顆”(圖9)。這些都說(shuō)明了3D打印材料在照明領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
3.4.2. 3D打印PC材料特性
應(yīng)用于照明領(lǐng)域的3D打印技術(shù)主要有熔融沉積成型(FDM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)和立體光固化成型法(SLA)。FDM 具有成型材料廣泛、成型設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是精度低、表面質(zhì)量差、懸臂件需加支撐、復(fù)雜構(gòu)件不易制造。采用FDM方法打印的材料為PC，本色的PC具有透明性、高光澤、高耐熱(超過(guò)120℃)的特點(diǎn)，在照明領(lǐng)域適合作為燈管、燈罩等用途，不過(guò)PC的打印溫度較高，打印制品易翹曲。SLS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于材料利用率高，生產(chǎn)周期短，開(kāi)發(fā)成本低，成型件無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，能夠打印復(fù)雜制品，但需預(yù)熱和冷卻，成型過(guò)程中產(chǎn)生有毒氣體和粉塵，表面粗糙。SLA技術(shù)的工作系統(tǒng)穩(wěn)定，工件尺寸精度高，表面質(zhì)量較好，能夠構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件，但可選擇的材料種類(lèi)有限，必須是光敏樹(shù)脂，樹(shù)脂會(huì)吸水，導(dǎo)致軟薄部分彎曲，同時(shí)也需要設(shè)計(jì)工件的支撐結(jié)構(gòu)，制作成本相對(duì)較高。
3.4.3 3D打印PC材料行業(yè)進(jìn)展
成都新柯力化工科技有限公司的三維打印的浸膠PC絲料，其特征在于PC絲料外層包裹快熔性熱熔膠，由以下原料按重量份制備而成，通過(guò)在PC細(xì)絲表面裹覆一層復(fù)合熱熔膠，通過(guò)熱熔膠中的碳粉和鋁粉實(shí)現(xiàn)了PC細(xì)絲的快速均勻熔融，加入的增強(qiáng)劑能夠增強(qiáng)PC材料的韌性和熱穩(wěn)定性，使PC材料在用于三維打印快速熔融時(shí)具有優(yōu)異的熔融流動(dòng)性，其在3D打印中有著非常廣泛的應(yīng)用[12]。
3.4.4 照明應(yīng)用案例
3D打印材料已經(jīng)在照明領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用。FDM方法在照明領(lǐng)域主要用于打印燈具的燈罩、底座等。
圖8 “wanted 設(shè)計(jì)博覽會(huì)”上的翡茲燈(左)與西頓燈(右)
圖9 2018米蘭設(shè)計(jì)周上的3D打印月球燈
3.5 綠色環(huán)保免噴涂材料
3.5.1 免噴涂材料定義與介紹：
免噴涂材料是在塑膠原料通過(guò)熔融共混的方式加入具有不同顯示效果的：金屬粉、珠光粉、陶瓷粉、高光色粉等，使其自帶特殊色彩效果，通過(guò)直接注塑，成型的同時(shí)，獲得接近涂裝的表面效果，去除高污染、高成本的噴涂環(huán)節(jié)，可減少溶劑、重金屬的使用，減少環(huán)境污染，降低相關(guān)從業(yè)人員患病風(fēng)險(xiǎn)，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。
3.5.2 國(guó)內(nèi)外免噴涂材料發(fā)展趨勢(shì)
隨著國(guó)家和公眾環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，免噴涂技術(shù)日益得到業(yè)界的重視。上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司的李征、劉永強(qiáng) [13] 針對(duì)鋼琴黑高光注塑件在汽車(chē)內(nèi)飾件上的開(kāi)發(fā)，從注塑工藝，模具結(jié)構(gòu)，材料選擇做了深入分析，采用蒸汽加熱設(shè)備，模溫瞬間加熱到180℃和瞬間冷卻至40℃，制備得到鋼琴黑制件，可以媲美噴涂件外觀效果。泛亞汽車(chē)技術(shù)研究中心的趙穎等人 [14-15]，針對(duì)不同的鋼琴黑免噴涂材料，在汽車(chē)格柵的應(yīng)用做了大量對(duì)比試驗(yàn)，為汽車(chē)選材提供了技術(shù)依據(jù)。胡綱 [16-17] 考察了常規(guī)免噴涂材料中珠光粉和金屬粉添加量對(duì)材料機(jī)械性能，外觀影響研究。
3.5.3 免噴涂的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)，解決方案：
噴涂可以實(shí)現(xiàn)多彩絢麗的色彩、高光、光滑的質(zhì)感，降低表面摩擦，但是同時(shí)也帶來(lái)對(duì)環(huán)境、健康的不良影響，如果能夠達(dá)到同樣的功能和效果，免噴涂塑料將會(huì)取代噴漆塑料。
免噴涂聚合物材料是在PC中通過(guò)熔融共混的方式加入具有不同顯示效果的金屬粉、珠光粉、陶瓷粉、高光粉等，使其自帶特殊色彩效果。相比噴涂產(chǎn)品，免噴涂產(chǎn)品易成型，且成品率高，制件可100%回收再利用，不產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有毒有害的氣體、粉塵等污染物質(zhì) [18-19]。此外，其靚麗的色彩可以幫助客戶應(yīng)對(duì)多樣化、差別化的市場(chǎng)需求。
隨著各行業(yè)的快速發(fā)展，極大的推動(dòng)了我國(guó)涂料行業(yè)的發(fā)展，從上世紀(jì)70年代的年產(chǎn)1000噸，到2014年的年產(chǎn)1600萬(wàn)噸，產(chǎn)值約為 2000億人民幣，其增長(zhǎng)速度驚人，每年以10%速度在增長(zhǎng)。但是涂料行業(yè)在快速發(fā)展的同時(shí)，有機(jī)溶劑和重金屬對(duì)環(huán)境、人員健康的殺傷力也不容小覷。免噴涂塑料產(chǎn)品的面世，將主要給汽車(chē)、卷材及工業(yè)防護(hù)涂料生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)很大的沖擊，免噴涂聚合物材料若替換20%的涂料市場(chǎng)，將會(huì)新增加400億人民幣的市場(chǎng)容量。免噴涂聚合物材料作為新型的環(huán)保材料，銀禧光電從原材料、配方、模具設(shè)計(jì)到注塑工藝，產(chǎn)業(yè)鏈上下游積極開(kāi)展免噴涂相關(guān)的技術(shù)和工藝研究，且市場(chǎng)需求每年以20%的速度增長(zhǎng)，在汽車(chē)，家電和電子電氣等領(lǐng)域擁有廣闊的市場(chǎng)前景。
從環(huán)境保護(hù)和健康管理的角度來(lái)看，毫無(wú)疑問(wèn)免噴涂聚合物材料是有壓倒性?xún)?yōu)勢(shì)的。免去噴漆的過(guò)程，可以有效控制VOC的產(chǎn)生，對(duì)環(huán)境、人體健康都是有利的。
從成本的角度來(lái)看，雖說(shuō)免噴涂產(chǎn)品價(jià)格較高，但是成型過(guò)程中，免去油漆噴涂過(guò)程，加之可100%回收利用，綜合來(lái)講，相較于噴漆產(chǎn)品，成本下降了20-30%。
從原材料、配方、模具設(shè)計(jì)到注塑工藝，產(chǎn)業(yè)鏈上下游積極開(kāi)展免噴涂相關(guān)的技術(shù)和工藝研究，大大地促進(jìn)了免噴涂技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和普及。
但是在替代使用特殊效果顏料的涂裝中，尚未能取得大規(guī)模的應(yīng)用，主要有以下技術(shù)難點(diǎn)尚未得到很好解決：
(1) 金屬顏料在擠出過(guò)程中被剪碎、壓彎、光澤度下降，導(dǎo)致產(chǎn)品顏色發(fā)暗，金屬質(zhì)感差，無(wú)法媲美涂裝的顏色外觀效果。
(2) 注塑過(guò)程中，由于金屬顏料與樹(shù)脂相容性、分散性不好、流場(chǎng)對(duì)金屬顏料排列的影響，從而使產(chǎn)品表面偏暗或出現(xiàn)流痕。
(3) 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和模具澆口排列不合理引起的結(jié)合線發(fā)暗。
解決上述3個(gè)主要技術(shù)難點(diǎn)，是促進(jìn)免噴涂材料大規(guī)模應(yīng)用的前提條件。行業(yè)內(nèi)主要研究攻克上述技術(shù)難點(diǎn)，并已取得部分成效，通過(guò)對(duì)顏料表面進(jìn)行多層包裹處理、采用功能化改性技術(shù)和先進(jìn)擠出工藝等方法解決上述技術(shù)難題。
3.5.5 應(yīng)用實(shí)例
目前免噴涂塑料有免噴涂PC、免噴涂PC/ABS等，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋家電、電子電器、汽車(chē)、3C、照明領(lǐng)域。電飯煲、洗衣機(jī)、空調(diào)面板、手機(jī)外殼、汽車(chē)配件等都可使用免噴涂聚合物材料。如圖10 所示，不同材質(zhì)免噴涂材料在照明領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖10 免噴涂材料在照明領(lǐng)域的應(yīng)用
四、結(jié)語(yǔ)
由于光電子技術(shù)迅速發(fā)展，各種光學(xué)用透明材料正在逐步向高分子材料替代無(wú)機(jī)玻璃的方向發(fā)展，其中PC以其獨(dú)特、優(yōu)異的綜合性能使其在該領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷拓寬。隨著人們對(duì)其光學(xué)性能、結(jié)構(gòu)及成型過(guò)程之間關(guān)系的研究不斷深化，目前在我國(guó)研發(fā)、應(yīng)用尚屬起步階段的光學(xué)級(jí)PC，必將進(jìn)一步顯示出其更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和更加巨大的經(jīng)濟(jì)前景。
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