新型光散射材料的研制与开发状况
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脂供应商都积极拓展 PM MA 的各种专用市场。其 中, 光散射有机玻璃也是他们竞相争夺的热点之一。 1997 年, 位于巴黎的一家合资公司 A tohaas[ 13] 投产 了一种光 散射 异光 丙 烯酸 片材, 定 名为 Prism ex。 1998 年, 北美 Eif A tochem 公司 At oglas 分 部[ 14] 也 开发出了一种丙烯酸片材, 可用于灯具和展示橱窗 等。
( 如折射率) 有较大的差异, 在入射光的作用下, 它作 为次波源将辐射振幅大小不同的次波, 彼此的相位 也有差别。这样一来, 次波相干迭加的结果, 除了部
1 散射机理
传统的光散射材料均采用面散射机理, 即将透 明板材或其它形状制品的一个表面( 一般为内表面) 打磨, 涂层或将其成型模具的相应面喷砂处理或刻 痕。利用它们粗糙的表面来产生光散射。这种材料 的一个显著缺点是: 它不能较好地同时兼顾材料的 光散射性和透明性, 综合性能较差。因而, 大大限制 了它的应用范围。
此外, 人 们还开发了一 些特殊的光 散射材料。 Bridgest one 公司[ 11] 研制了一种以弹性体为 基体的 光散射材料, 他们采用聚合法, 基本过程与上述大致 相同。其关键是作为基体和散射体的两种聚合物单
体要有不同的反应活性, 这样才有可能形成具有一 定形态尺寸的多相体系, 以达到理想的散射效果。
透光率为 79% , 雾度仅为 82% 。
随着大量采用有机散射体的新型光散射材料的
开发成功, 人们还相继研制了采用无机散射体和复 合散 射 体 的 光 散 射 材 料。 T ochu 塑 料 公 司[ 8] 的
Shuichi F 等研制了一种用于照明和装饰灯罩的丙
烯酸片材。他们把 100 份的丙烯酸树脂与一定比例
3 国内外开发状况
目前, 大多数新型光散射材料是采用共混法生
产的。因为这种方法与一般聚合物掺混的工艺过程
非常类似, 特别是对于用量最大的光散射板材, 它能
够连续化生产, 生产率较高。
第4期
化工新
聚合得 到, 即 先用乳液 聚合制 得粒径 为 0 3 m 的
BA/ S 共聚物颗粒, 然后以 此为种子与 96 份的 BA
共混法的工艺流程如下:
基体树脂 散射体粒子
母料 基体树脂
共混
片材 其它制品
直接应用 二次成型
将两种树脂进行简单的熔融共混, 一般很难制 得理想的光散射材料。目前, 用得最多也最可行的 途径是先制备好满足一定粒径要求的规则形状的粒
Rohm& H aas 公司[ 6] 的 Wu, J C 等通过共混法 制得了一种光散射材料。他们使用具有芯 核结构 的粒子作为散射体。芯 核粒子由两步法乳液种子
新型光散射材料多为分散有光散射体的透明合
分光波仍沿着几何光学规定的方向传播外, 在其它 方向上不能抵消, 造成散射[ 2] 。对于不均匀形态较 大的媒质, 光散射也可看作是反射和折射的综合结 果。对光散射现象的理论定量研究已经经历了大半 个世纪, 但至今发展仍不十分完善。目前, 最常用的 是 M ie 理论, 用来计算规则 粒子的散射, 对于非规 则粒子的散射定量问题, 人们也已做了许多工作, 并 提出了一些解决方法[ 3, 4] , 但大多数还仅处于探索 阶段。
树脂均匀混合后就得到了这种性能优异的背光源材 料。另外, 日本的 N ippon Koyaku 有限公司[ 10] 也研 制出了一种用于 L CD 的新型光散射材 料, 雾度 70% , 它采用了多层结构, 其中包括光散射层。它们 被用于提高 LCD 的清晰度。
除了共混法之外, 聚合法也是制备光散射材料 的主要方法之一。特别是对于 液晶复合元件 的研
新型光散射材料的研制与开发状况
秦庆戊( 天津轻工业学院化工系, 天津 300222)
摘 要 介绍了光散射材料的散射机理、制备方法及当前国内外的发展状况。 关键词 光散射, 聚甲基丙烯酸甲酯, 共混, 共聚
NOVEL LIGHT SCATTERING MATERIALS PREPARATION AND PRESENT STATUS
MA/ MMA( 5/ 95) 共聚物作为透 明基体材料, 因为
这种共聚物透光率高达 92% 且 抗冲性能好。他们
把硅树脂粒子( 平均粒径 1~ 6 m ) 与基体树脂熔融
捏合、挤片、冷却成 1mm 的片材。经测试, 这种片材
的透光wenku.baidu.com达到了 86% , 雾度为 94% , 同时他们作为
对比还尝试了用 CaCO3 粒子( 平均粒径 5 m) 作为 散射体, 由同样工艺过程制得片材。结果性能较差,
散射体粒子的材料可分为: 有机、无机和复合材 料三大类。但不管是属于那一类, 都必须满足三个
条件: 一是散射体材料与基体材料的光学性质( 如折 射率) 之间应有一定的差异。二是散射体材料对于 透过的光线应无吸收或少吸收( 利用散射体表面涂 层反射机理的除外) 。三是散射体粒子的尺寸必须 满足一定的要求。通常, 粒子直径的尺寸至少应与 可见光的波长( 400~ 760nm) 相当。粒子太小, 散射 效果不明显, 粒子太大又将大大降低材料的透明性, 有报导[ 6~ 12] 为 1~ 8 m。当粒径很小时, 随粒径的 增大, 光散射增强, 但达到一定尺寸后, 这一线性关 系就不再适用了。
聚合法是采用相容性不好的两种透明聚合物的 单体进行共聚或采用分段聚合以制备光散射材料。 最常用的操作是: 先使散射体单体聚合, 并溶胀分散 于基体聚合物单体之中, 再使基体单体聚合, 即得到 光散射材料。这里, 散射体粒子的大小与其大分子 分子量有关, 分子量越大, 形成的颗粒越大, 所以, 可 以通过控制散射体单体的聚合程度来得到要求粒径 的粒子。有时, 还需要稍许改善两相之间的相容性 以防止散射体粒子凝聚, 从而改善光散射的均匀性。
Key words light scatt ering, P MMA, blending, copolymerizat ion
光散射材料具有一定的透明性和较强的光散射 光源材料, 逐渐在许多领域取代了传统光散射材料
性, 是一种很好的背光源材料, 它散射角大, 导光性 并进一步扩展了新的应用领域如液晶显示等。
的 ZnO/ CaCO3 混合物共混复合, 然后加工成 2m m 厚的片材。透光率为 53 1% , 雾度 89% 。片材经热
成型后可得最终制品, 其色相很好。
型材料
21
Bridgestone 公司[ 9] 研制了一种液晶显示( L CD) 用背光源材料, 它采用了复合散射粒子。这种粒子 由粒径大小为 5 m 的 PE 颗粒用直径为 0 3 m 的 SiO2 涂覆制 得, 将这种 复合粒子与透 明的 PMMA
和 4 份的 MA 接枝共聚, 最后得到粒径大约为 5 m
的散射 体粒 子。把它 们与 基体聚 合物 MA/ M MA
( 5/ 95) 熔融共混, 即制成了光散射材料。它可用于
制成片材或经模塑后, 作为灯罩, 投影机后屏及一些
装饰制品等。
日本的 K yow a 气体化学工业有限公司[ 7] 也采
用共混法开发出了一种光散射材料, 他们同样也以
4 结语
尽管目前已经有不少成熟的产品进入市场, 但 与实际的市场需求相比, 仍然是远远不够的。特别 是, 随着光散射材料性能的不断提高, 应用领域进一 步扩大。可以相信, 将来会有更多种类、性能更优异 的光散射材料新产品不断问世。
参考文献
1 杨银平, 化工新型材料, 1996, ( 8) : 23 2 吴强, 郭光灿 光学, 中国科技大学出版社, 1996 3 Singham S B, Bohren C F. A ppl O pt, 1989, 28: 517 4 Singham S B, Bohren C F. J O pt Soc A m A , 1988, 5: 1867 5 高峰, 曹贤武, 童真, 塑料工业, 1997, ( 4) : 69 6 Wu J C, W ork W J. S. A frican, ZA 8803519. 1988 7 Tsuchide, T okut aro. Jpn K okai T ok kyo Koho, Jp02 194058. 1990 8 Shuichi F, et al. Jpn Kokai Tokkyo K oho, Jp04 59854. 1992 9 Sugimachi M , et al. Jpn K okai T ok kyo Koho, Jp11 38231. 1999 10 Tanaka, K oichi, et al. J pn K okai Tokkyo K oho, Jp11 23813. 1999 11 M inora I, It suo T, K azuo N . G er of fen, D E4326521, 1994 12 Shcherbakova E A, V lasoc S V , et al. Plast M assy, 1993, ( 5) : 42 13 Acrylic( N ew s) . M odern Plast ic Int ernational. 1998, ( 1) : 68 14 Acrylic( N ew s) . M odern Plast ic Int ernational. 1998, ( 1) : 57
20
化工新型材料
第 28卷
容性不太好的两种聚合物单位共聚合。 2 1 共混法
共混法的基体材料一般选用聚甲基丙烯酸甲酯 ( PMMA) 或其共聚物。PMMA 是透光性最 好的塑 料之一, 透光率 可达 92% , 堪 与光学 玻璃 媲美, 并 且, 它的力学性能也可以满足一般的使用要求。许 多经过改性的 MMA 共聚物更是兼具了力学性能和 光学性能两方面的优点, 因此, 它们是理想的光散射 材料基体。
制, 聚合法更是具有独特的优势。华南理工大学材 料研究所[ 5] 分别采用原位聚合 和原位共聚合 法研 究了 PS 在 PM MA 和 PMMA/ PS 共聚物中 的光散 射性能。他们将 PS 溶解在 PMMA 单体与 P S 单体 的混合液中进行原位共聚合制得了具有均衡光散射 性和透明性的高散射有机玻璃导光材料。当 PS 质 量分 类为 0 2% ~ 0 3% 、M MA/ St = ( 3/ 2) ( 体 积 比) 时, 材料具有均衡的散射性能和透明性。
子, 因为形状规则( 通常为球形) , 对要求粒径的大小 有一定的理论依据。这些粒子包括无机粒子, 有机 粒子和复合粒子。然后用它们与透明的基体材料均 匀混合。由于粒子的大小已经确定, 混合一般不会 改变粒子的尺寸, 混合分散的均匀性便成了影响光 散射效果的关键因素。通常可采用母料预混法, 使 分散程度很高。另外, 还常使用增容剂或偶联剂来 改善粒子与基体之间的相容性, 以使散射体粒子更 易均匀分散。 2 2 聚合法
好, 透光均匀, 已广泛作为面光源应用于广告招牌、
一般说来, 如果媒质的均匀性遭到破坏, 即尺度
指示标牌、展示橱窗、投影壁墙, 壁挂式均匀光源及 达到波长数量级的邻近媒质小块之间的光学性质上
缩微阅读器等, 它还可以与液晶元件复合制备高分 子分散型散射元件[ 1] , 以及作为液晶显示器背光源 材料。光散射材料可分为透过型和散射型两种。
俄罗斯的 Shcherbakova E A 等[ 12] 以 PET 为基 体、球形 PP 粒子或抗冲 PS( 5~ 7 m) 为散射体通过 狭缝挤出制得一种厚度小至 25 m 的薄膜。由于光 散射, 材料呈半透明, 产生一种朦胧效果。通过显微 镜观察研究, 发现这种薄膜具有粗糙的表面, 因此印
刷性能非常好, 它被作为书写和绘画材料。 由于近年来 PMMA 国 际市场不 景气, 各大树
Qin Qingw u ( Department of Chem ical Engineering, T ianjin Institute of L ight Industry, T ianjin, 300222)
Abstract T he scat tering mechanism , the preparat ion and the current status of novel light scat ter ing materials are review ed.
成材料, 由于它应用了整体散射机理: 即材料的内部 2 新型光散射材料的制备方法
与表面均起散射作用, 能够很好地克服面散射所固 有的弱点, 使制品具有高的光散射性, 较好的透明性 及优异的综合性能。目前, 它已成为一种新型的背
新型 光 散射 材 料 的 制备 方 法 大 致 可 分为 两 种[ 5] : ( 一) 由透明的聚合物基体材料和分散于其中 的散射体粒子共混, ( 二) 利用折光率有一定差异、相
( 如折射率) 有较大的差异, 在入射光的作用下, 它作 为次波源将辐射振幅大小不同的次波, 彼此的相位 也有差别。这样一来, 次波相干迭加的结果, 除了部
1 散射机理
传统的光散射材料均采用面散射机理, 即将透 明板材或其它形状制品的一个表面( 一般为内表面) 打磨, 涂层或将其成型模具的相应面喷砂处理或刻 痕。利用它们粗糙的表面来产生光散射。这种材料 的一个显著缺点是: 它不能较好地同时兼顾材料的 光散射性和透明性, 综合性能较差。因而, 大大限制 了它的应用范围。
此外, 人 们还开发了一 些特殊的光 散射材料。 Bridgest one 公司[ 11] 研制了一种以弹性体为 基体的 光散射材料, 他们采用聚合法, 基本过程与上述大致 相同。其关键是作为基体和散射体的两种聚合物单
体要有不同的反应活性, 这样才有可能形成具有一 定形态尺寸的多相体系, 以达到理想的散射效果。
透光率为 79% , 雾度仅为 82% 。
随着大量采用有机散射体的新型光散射材料的
开发成功, 人们还相继研制了采用无机散射体和复 合散 射 体 的 光 散 射 材 料。 T ochu 塑 料 公 司[ 8] 的
Shuichi F 等研制了一种用于照明和装饰灯罩的丙
烯酸片材。他们把 100 份的丙烯酸树脂与一定比例
3 国内外开发状况
目前, 大多数新型光散射材料是采用共混法生
产的。因为这种方法与一般聚合物掺混的工艺过程
非常类似, 特别是对于用量最大的光散射板材, 它能
够连续化生产, 生产率较高。
第4期
化工新
聚合得 到, 即 先用乳液 聚合制 得粒径 为 0 3 m 的
BA/ S 共聚物颗粒, 然后以 此为种子与 96 份的 BA
共混法的工艺流程如下:
基体树脂 散射体粒子
母料 基体树脂
共混
片材 其它制品
直接应用 二次成型
将两种树脂进行简单的熔融共混, 一般很难制 得理想的光散射材料。目前, 用得最多也最可行的 途径是先制备好满足一定粒径要求的规则形状的粒
Rohm& H aas 公司[ 6] 的 Wu, J C 等通过共混法 制得了一种光散射材料。他们使用具有芯 核结构 的粒子作为散射体。芯 核粒子由两步法乳液种子
新型光散射材料多为分散有光散射体的透明合
分光波仍沿着几何光学规定的方向传播外, 在其它 方向上不能抵消, 造成散射[ 2] 。对于不均匀形态较 大的媒质, 光散射也可看作是反射和折射的综合结 果。对光散射现象的理论定量研究已经经历了大半 个世纪, 但至今发展仍不十分完善。目前, 最常用的 是 M ie 理论, 用来计算规则 粒子的散射, 对于非规 则粒子的散射定量问题, 人们也已做了许多工作, 并 提出了一些解决方法[ 3, 4] , 但大多数还仅处于探索 阶段。
树脂均匀混合后就得到了这种性能优异的背光源材 料。另外, 日本的 N ippon Koyaku 有限公司[ 10] 也研 制出了一种用于 L CD 的新型光散射材 料, 雾度 70% , 它采用了多层结构, 其中包括光散射层。它们 被用于提高 LCD 的清晰度。
除了共混法之外, 聚合法也是制备光散射材料 的主要方法之一。特别是对于 液晶复合元件 的研
新型光散射材料的研制与开发状况
秦庆戊( 天津轻工业学院化工系, 天津 300222)
摘 要 介绍了光散射材料的散射机理、制备方法及当前国内外的发展状况。 关键词 光散射, 聚甲基丙烯酸甲酯, 共混, 共聚
NOVEL LIGHT SCATTERING MATERIALS PREPARATION AND PRESENT STATUS
MA/ MMA( 5/ 95) 共聚物作为透 明基体材料, 因为
这种共聚物透光率高达 92% 且 抗冲性能好。他们
把硅树脂粒子( 平均粒径 1~ 6 m ) 与基体树脂熔融
捏合、挤片、冷却成 1mm 的片材。经测试, 这种片材
的透光wenku.baidu.com达到了 86% , 雾度为 94% , 同时他们作为
对比还尝试了用 CaCO3 粒子( 平均粒径 5 m) 作为 散射体, 由同样工艺过程制得片材。结果性能较差,
散射体粒子的材料可分为: 有机、无机和复合材 料三大类。但不管是属于那一类, 都必须满足三个
条件: 一是散射体材料与基体材料的光学性质( 如折 射率) 之间应有一定的差异。二是散射体材料对于 透过的光线应无吸收或少吸收( 利用散射体表面涂 层反射机理的除外) 。三是散射体粒子的尺寸必须 满足一定的要求。通常, 粒子直径的尺寸至少应与 可见光的波长( 400~ 760nm) 相当。粒子太小, 散射 效果不明显, 粒子太大又将大大降低材料的透明性, 有报导[ 6~ 12] 为 1~ 8 m。当粒径很小时, 随粒径的 增大, 光散射增强, 但达到一定尺寸后, 这一线性关 系就不再适用了。
聚合法是采用相容性不好的两种透明聚合物的 单体进行共聚或采用分段聚合以制备光散射材料。 最常用的操作是: 先使散射体单体聚合, 并溶胀分散 于基体聚合物单体之中, 再使基体单体聚合, 即得到 光散射材料。这里, 散射体粒子的大小与其大分子 分子量有关, 分子量越大, 形成的颗粒越大, 所以, 可 以通过控制散射体单体的聚合程度来得到要求粒径 的粒子。有时, 还需要稍许改善两相之间的相容性 以防止散射体粒子凝聚, 从而改善光散射的均匀性。
Key words light scatt ering, P MMA, blending, copolymerizat ion
光散射材料具有一定的透明性和较强的光散射 光源材料, 逐渐在许多领域取代了传统光散射材料
性, 是一种很好的背光源材料, 它散射角大, 导光性 并进一步扩展了新的应用领域如液晶显示等。
的 ZnO/ CaCO3 混合物共混复合, 然后加工成 2m m 厚的片材。透光率为 53 1% , 雾度 89% 。片材经热
成型后可得最终制品, 其色相很好。
型材料
21
Bridgestone 公司[ 9] 研制了一种液晶显示( L CD) 用背光源材料, 它采用了复合散射粒子。这种粒子 由粒径大小为 5 m 的 PE 颗粒用直径为 0 3 m 的 SiO2 涂覆制 得, 将这种 复合粒子与透 明的 PMMA
和 4 份的 MA 接枝共聚, 最后得到粒径大约为 5 m
的散射 体粒 子。把它 们与 基体聚 合物 MA/ M MA
( 5/ 95) 熔融共混, 即制成了光散射材料。它可用于
制成片材或经模塑后, 作为灯罩, 投影机后屏及一些
装饰制品等。
日本的 K yow a 气体化学工业有限公司[ 7] 也采
用共混法开发出了一种光散射材料, 他们同样也以
4 结语
尽管目前已经有不少成熟的产品进入市场, 但 与实际的市场需求相比, 仍然是远远不够的。特别 是, 随着光散射材料性能的不断提高, 应用领域进一 步扩大。可以相信, 将来会有更多种类、性能更优异 的光散射材料新产品不断问世。
参考文献
1 杨银平, 化工新型材料, 1996, ( 8) : 23 2 吴强, 郭光灿 光学, 中国科技大学出版社, 1996 3 Singham S B, Bohren C F. A ppl O pt, 1989, 28: 517 4 Singham S B, Bohren C F. J O pt Soc A m A , 1988, 5: 1867 5 高峰, 曹贤武, 童真, 塑料工业, 1997, ( 4) : 69 6 Wu J C, W ork W J. S. A frican, ZA 8803519. 1988 7 Tsuchide, T okut aro. Jpn K okai T ok kyo Koho, Jp02 194058. 1990 8 Shuichi F, et al. Jpn Kokai Tokkyo K oho, Jp04 59854. 1992 9 Sugimachi M , et al. Jpn K okai T ok kyo Koho, Jp11 38231. 1999 10 Tanaka, K oichi, et al. J pn K okai Tokkyo K oho, Jp11 23813. 1999 11 M inora I, It suo T, K azuo N . G er of fen, D E4326521, 1994 12 Shcherbakova E A, V lasoc S V , et al. Plast M assy, 1993, ( 5) : 42 13 Acrylic( N ew s) . M odern Plast ic Int ernational. 1998, ( 1) : 68 14 Acrylic( N ew s) . M odern Plast ic Int ernational. 1998, ( 1) : 57
20
化工新型材料
第 28卷
容性不太好的两种聚合物单位共聚合。 2 1 共混法
共混法的基体材料一般选用聚甲基丙烯酸甲酯 ( PMMA) 或其共聚物。PMMA 是透光性最 好的塑 料之一, 透光率 可达 92% , 堪 与光学 玻璃 媲美, 并 且, 它的力学性能也可以满足一般的使用要求。许 多经过改性的 MMA 共聚物更是兼具了力学性能和 光学性能两方面的优点, 因此, 它们是理想的光散射 材料基体。
制, 聚合法更是具有独特的优势。华南理工大学材 料研究所[ 5] 分别采用原位聚合 和原位共聚合 法研 究了 PS 在 PM MA 和 PMMA/ PS 共聚物中 的光散 射性能。他们将 PS 溶解在 PMMA 单体与 P S 单体 的混合液中进行原位共聚合制得了具有均衡光散射 性和透明性的高散射有机玻璃导光材料。当 PS 质 量分 类为 0 2% ~ 0 3% 、M MA/ St = ( 3/ 2) ( 体 积 比) 时, 材料具有均衡的散射性能和透明性。
子, 因为形状规则( 通常为球形) , 对要求粒径的大小 有一定的理论依据。这些粒子包括无机粒子, 有机 粒子和复合粒子。然后用它们与透明的基体材料均 匀混合。由于粒子的大小已经确定, 混合一般不会 改变粒子的尺寸, 混合分散的均匀性便成了影响光 散射效果的关键因素。通常可采用母料预混法, 使 分散程度很高。另外, 还常使用增容剂或偶联剂来 改善粒子与基体之间的相容性, 以使散射体粒子更 易均匀分散。 2 2 聚合法
好, 透光均匀, 已广泛作为面光源应用于广告招牌、
一般说来, 如果媒质的均匀性遭到破坏, 即尺度
指示标牌、展示橱窗、投影壁墙, 壁挂式均匀光源及 达到波长数量级的邻近媒质小块之间的光学性质上
缩微阅读器等, 它还可以与液晶元件复合制备高分 子分散型散射元件[ 1] , 以及作为液晶显示器背光源 材料。光散射材料可分为透过型和散射型两种。
俄罗斯的 Shcherbakova E A 等[ 12] 以 PET 为基 体、球形 PP 粒子或抗冲 PS( 5~ 7 m) 为散射体通过 狭缝挤出制得一种厚度小至 25 m 的薄膜。由于光 散射, 材料呈半透明, 产生一种朦胧效果。通过显微 镜观察研究, 发现这种薄膜具有粗糙的表面, 因此印
刷性能非常好, 它被作为书写和绘画材料。 由于近年来 PMMA 国 际市场不 景气, 各大树
Qin Qingw u ( Department of Chem ical Engineering, T ianjin Institute of L ight Industry, T ianjin, 300222)
Abstract T he scat tering mechanism , the preparat ion and the current status of novel light scat ter ing materials are review ed.
成材料, 由于它应用了整体散射机理: 即材料的内部 2 新型光散射材料的制备方法
与表面均起散射作用, 能够很好地克服面散射所固 有的弱点, 使制品具有高的光散射性, 较好的透明性 及优异的综合性能。目前, 它已成为一种新型的背
新型 光 散射 材 料 的 制备 方 法 大 致 可 分为 两 种[ 5] : ( 一) 由透明的聚合物基体材料和分散于其中 的散射体粒子共混, ( 二) 利用折光率有一定差异、相