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》配套材料 顧問
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》配套材料 顧問
3.2 納米增強PC材料
3.2.1 背景介紹：
LED由于具有獨特的優(yōu)勢，自從誕生以來，得到了快速發(fā)展。但是在LED超薄輕量化領域，產(chǎn)品厚度降到0.7mm以下，PC存在強度和線膨脹系數(shù)偏低的缺點，產(chǎn)品容易出現(xiàn)偏軟變形易彎曲等問題。為了解決PC這方面的問題，目前行業(yè)內(nèi)開發(fā)了納米增強管PC材料。
納米增強PC材料是指以無機或有機納米材料(三維空間中至少有一維處于納米尺寸)對PC增強的材料。常規(guī)增強材料往往存在填料尺寸過大、分散不均等問題，導致增強材料在強度和模量提高的同時，韌性大幅度下降，表現(xiàn)為沖擊強度、斷裂伸長率下降明顯。與一般增強材料相比，納米增強材料采用獨特的粒子細微化技術和表面處理技術對填料進行處理，提高填料與聚合物的相容性，在提高聚合物強度、模量的同時又能提高聚合物的沖擊強度、斷裂伸長率、耐紫外線等性能。不僅使材料的綜合性能得到全面提升，同時降低材料成型收縮率、降低成本，擴大材料的應用領域[5]。
公開號為CN 104725816 A的發(fā)明專利公開了使用普通玻纖增強改性PC，但是由于普通玻纖屬于圓柱形，增強效果比較有限，導致對于彎曲度、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，點燈效果比普通光擴散PC要差，光線的均勻性較差;因此，單一使用玻纖，添加量大，增強效果不明顯，表觀效果差 [6]。納米增強管材料針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種LED燈管用低膨脹阻燃光擴散PC復合材料，具有低膨脹和阻燃特性，同時兼具良好的透光率、霧度、力學性能等特點，滿足在大尺寸、超薄燈管領域使用。
3.2.2 納米增強PC材料特性
納米增強管材料是一種LED燈管用低膨脹阻燃光擴散PC復合材料，具有低膨脹和阻燃特性，同時兼具良好的透光率、霧度、力學性能等特點，滿足在大尺寸、超薄燈管領域使用。
納米增強管材料具有以下創(chuàng)新特點：
(1)、在提高材料強度和模量的同時，使材料的斷裂伸長率和沖擊強度提高5-10%;
(2)、由于PC分子含有剛性的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，導致成型時取向的分子鏈難以解取向，最終導致制品在使用過程中容易出現(xiàn)應力開裂和翹曲變形等問題。而本技術可以降低制品的殘余應力，使制品成型后的開裂、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雜的形狀設計;
(4)、在一定程度上提高材料流動性，可解決復雜流道熔接痕問題。
圖7 納米增強管材料與普通PC材料對比能夠使產(chǎn)品厚度減薄、損耗降低，大大減少產(chǎn)品成本：
圖5 納米增強管材料與普通PC材料對比
3.2.3 納米增強管PC材料行業(yè)進展
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，同時還具有更加優(yōu)異的機械性能[7]。
3.2.4 市場應用
納米增強管材料因強度高，韌性好，透光率高，輕薄耐用，柔和護眼等優(yōu)點，廣泛應用于超薄LED燈管、球泡燈罩、異型管等產(chǎn)品領域。
圖6 納米增強管材料應用
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，在該LED領域內(nèi)占有日趨重要的位置。采用光學級PC制作的各種光學材料，無論是抗沖擊性能還是成型加工性能，都是傳統(tǒng)的無機玻璃所無法比擬的。盡管如此，由于結(jié)構(gòu)特性本身的原因 ,PC作為LED材料在性能上仍有欠缺之處，因而對其光學性能進行研究并通過各種手段加以改善，已成為目前PC領域的重要課題。高性能光擴散PC是通過在PC樹脂中添加光擴散劑、阻燃劑等助劑，評定光散射材料的兩項主要指標是透光率和霧度 [8]。因此開發(fā)一些高性能光擴散PC顯得尤為重要。為突破目前高透光率、高霧度關鍵共性技術問題，銀禧光電已解決關鍵技術如下：
高透光率高霧度：目前透光率高達90%， 霧度96%，目前與出光、帝人等國際大公司產(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，改善光擴散劑在PC基體中的分散性，考察不同光擴散劑用量對最終PC樹脂中的透光率、霧度的影響特性，建立單因素變量(光擴散劑用量)對最終特性(透光率、霧度)的影響參數(shù)，進而找到與PC高透光率、高霧度特性相匹配的光擴散劑添加量 [10]。
3.3.3 高透高霧PC行業(yè)進展
行業(yè)內(nèi)采用將PC樹脂、有機硅樹脂微球以及交聯(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，有機硅樹脂微球以及交聯(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，因此可以與PC分子鏈上的羰基發(fā)生酯交換反應，進一步有助于其在PC中的分散，當光線通過組合物的時候，在分散相兩種微球的共同作用下可以將入射光線分散，將點光源變成面光源，使PC樹脂組合物的霧度大幅度地提高，同時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 市場應用
目前高透光率高霧度產(chǎn)品已經(jīng)通過化學工業(yè)合成材料老化質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心認證，正在進入軌道交通領域和家用照明領域。
圖7 高透高霧PC在LED上的應用
高性能光擴散PC材料，大力推動塑料材料在LED燈具上的推廣應用，如圖7所示，LED 燈具相對普通燈具節(jié)電效率高70%，壽命為普通燈具的10倍以上，幾乎是免維護，不存在要經(jīng)常更換燈管、鎮(zhèn)流器、啟輝器的問題，綠色環(huán)保型的半導體電光源，光線柔和，色彩純正，有利于人們的視力保護及身體健康。本項目的實施不但可以大幅降低使用成本，還可以節(jié)約二次能源，對環(huán)境和能源有重大積極意義，有利于我國建設環(huán)境友好型和諧社會目標的實現(xiàn)。
3.4 3D打印PC在照明領域的開發(fā)和應用
3.4.1 背景介紹
3D打印又稱增材制造，是快速成型技術的一種，它以計算機三維設計模型為基礎，將打印材料通過逐層堆積的方式來構(gòu)造三維物體，在航空航天、汽車、醫(yī)療、建筑、消費品等領域有著很好的潛在應用價值。隨著對3D打印技術的深入研究，3D打印在照明領域的應用也得到了快速發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)照明產(chǎn)品零部件、組件的定制和創(chuàng)新的燈具設計是照明和3D打印能夠結(jié)合在一起的主要原因。布魯克林設計師羅伯特 ? 迪班 (robert debbane) 用3D打印機創(chuàng)作了一組雕琢精致的紋飾燈具，并在2015紐約設計周期間的“wanted 設計博覽會”上亮相(圖8)。在2018米蘭設計周上，由清華學子創(chuàng)立的紫晶立方攜帶3D打印月球燈亮相了本次展會，讓3D打印月球燈成為了展會上亮眼的“一顆”(圖9)。這些都說明了3D打印材料在照明領域具有重要的應用價值。
3.4.2. 3D打印PC材料特性
應用于照明領域的3D打印技術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、成型設備簡單、操作簡單、成本低廉等優(yōu)點，缺點是精度低、表面質(zhì)量差、懸臂件需加支撐、復雜構(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120℃)的特點，在照明領域適合作為燈管、燈罩等用途，不過PC的打印溫度較高，打印制品易翹曲。SLS技術的優(yōu)點在于材料利用率高，生產(chǎn)周期短，開發(fā)成本低，成型件無需支撐結(jié)構(gòu)，能夠打印復雜制品，但需預熱和冷卻，成型過程中產(chǎn)生有毒氣體和粉塵，表面粗糙。SLA技術的工作系統(tǒng)穩(wěn)定，工件尺寸精度高，表面質(zhì)量較好，能夠構(gòu)建復雜結(jié)構(gòu)的工件，但可選擇的材料種類有限，必須是光敏樹脂，樹脂會吸水，導致軟薄部分彎曲，同時也需要設計工件的支撐結(jié)構(gòu)，制作成本相對較高。
3.4.3 3D打印PC材料行業(yè)進展
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，通過在PC細絲表面裹覆一層復合熱熔膠，通過熱熔膠中的碳粉和鋁粉實現(xiàn)了PC細絲的快速均勻熔融，加入的增強劑能夠增強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具有優(yōu)異的熔融流動性，其在3D打印中有著非常廣泛的應用[12]。
3.4.4 照明應用案例
3D打印材料已經(jīng)在照明領域得到了一定的應用。FDM方法在照明領域主要用于打印燈具的燈罩、底座等。
圖8 “wanted 設計博覽會”上的翡茲燈(左)與西頓燈(右)
圖9 2018米蘭設計周上的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，通過直接注塑，成型的同時，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，降低相關從業(yè)人員患病風險，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。
3.5.2 國內(nèi)外免噴涂材料發(fā)展趨勢
隨著國家和公眾環(huán)保意識的增強，免噴涂技術日益得到業(yè)界的重視。上海汽車集團股份有限公司的李征、劉永強 [13] 針對鋼琴黑高光注塑件在汽車內(nèi)飾件上的開發(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。泛亞汽車技術研究中心的趙穎等人 [14-15]，針對不同的鋼琴黑免噴涂材料，在汽車格柵的應用做了大量對比試驗，為汽車選材提供了技術依據(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材料機械性能，外觀影響研究。
3.5.3 免噴涂的優(yōu)點，缺點，解決方案：
噴涂可以實現(xiàn)多彩絢麗的色彩、高光、光滑的質(zhì)感，降低表面摩擦，但是同時也帶來對環(huán)境、健康的不良影響，如果能夠達到同樣的功能和效果，免噴涂塑料將會取代噴漆塑料。
免噴涂聚合物材料是在PC中通過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對多樣化、差別化的市場需求。
隨著各行業(yè)的快速發(fā)展，極大的推動了我國涂料行業(yè)的發(fā)展，從上世紀70年代的年產(chǎn)1000噸，到2014年的年產(chǎn)1600萬噸，產(chǎn)值約為 2000億人民幣，其增長速度驚人，每年以10%速度在增長。但是涂料行業(yè)在快速發(fā)展的同時，有機溶劑和重金屬對環(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、卷材及工業(yè)防護涂料生產(chǎn)企業(yè)帶來很大的沖擊，免噴涂聚合物材料若替換20%的涂料市場，將會新增加400億人民幣的市場容量。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、模具設計到注塑工藝，產(chǎn)業(yè)鏈上下游積極開展免噴涂相關的技術和工藝研究，且市場需求每年以20%的速度增長，在汽車，家電和電子電氣等領域擁有廣闊的市場前景。
從環(huán)境保護和健康管理的角度來看，毫無疑問免噴涂聚合物材料是有壓倒性優(yōu)勢的。免去噴漆的過程，可以有效控制VOC的產(chǎn)生，對環(huán)境、人體健康都是有利的。
從成本的角度來看，雖說免噴涂產(chǎn)品價格較高，但是成型過程中，免去油漆噴涂過程，加之可100%回收利用，綜合來講，相較于噴漆產(chǎn)品，成本下降了20-30%。
從原材料、配方、模具設計到注塑工藝，產(chǎn)業(yè)鏈上下游積極開展免噴涂相關的技術和工藝研究，大大地促進了免噴涂技術在各個領域的應用和普及。
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)模的應用，主要有以下技術難點尚未得到很好解決：
(1) 金屬顏料在擠出過程中被剪碎、壓彎、光澤度下降，導致產(chǎn)品顏色發(fā)暗，金屬質(zhì)感差，無法媲美涂裝的顏色外觀效果。
(2) 注塑過程中，由于金屬顏料與樹脂相容性、分散性不好、流場對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個主要技術難點，是促進免噴涂材料大規(guī)模應用的前提條件。行業(yè)內(nèi)主要研究攻克上述技術難點，并已取得部分成效，通過對顏料表面進行多層包裹處理、采用功能化改性技術和先進擠出工藝等方法解決上述技術難題。
3.5.5 應用實例
目前免噴涂塑料有免噴涂PC、免噴涂PC/ABS等，應用領域涵蓋家電、電子電器、汽車、3C、照明領域。電飯煲、洗衣機、空調(diào)面板、手機外殼、汽車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域的應用。
圖10 免噴涂材料在照明領域的應用
四、結(jié)語
由于光電子技術迅速發(fā)展，各種光學用透明材料正在逐步向高分子材料替代無機玻璃的方向發(fā)展，其中PC以其獨特、優(yōu)異的綜合性能使其在該領域的應用范圍不斷拓寬。隨著人們對其光學性能、結(jié)構(gòu)及成型過程之間關系的研究不斷深化，目前在我國研發(fā)、應用尚屬起步階段的光學級PC，必將進一步顯示出其更加廣闊的應用領域和更加巨大的經(jīng)濟前景。
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