光散射材料的研制与开发状况探讨

1 / 7 光散射材料的研制与开发状况探讨 摘 要：介绍了光散射材料的散射机理、分类、制备方法及国内外的进展。 关键词：光散射；面散射；体散射；共混；共聚 光散射材料是指能够使光通过而又能有效的散射光的材料。透光率和雾度是评定光散射材料的两项主要指标。透光率是指透过试样的光通量和射到试样上的光通量之比。它是表征透明高分子材料透明程度的一个重要性能指标。雾度，又称浊度，是透过试样而 偏偏离入射光方向的散射 光光与透射光通量之比， 是是材料内部或表面上的 不不连续性或不规则性所 造造成。通常用雾度的大 小小来表征材料的光散射 强强 弱。 光散射材料 能能将点、线光源转化成 线线、面光源，可以作为 面面光源材料应用指示标 牌牌、广告招牌、展示橱 窗窗、投影背墙以及壁挂 式式均匀照明光源等，也 可可以作为背光源材料应 用用于液晶显示，还可以 与与液晶元件复合制备高 分分子分散型散射元件。 1 光散射产生的 机机理 如果媒质的均 匀匀性遭到破坏，即尺度 达达到波长数量级的邻近 媒媒质小块之间在光学性 质质上有较大差异，在光 波波作用下，它们将成为 强强度差别较大的次波源 ，而且从它们到空间各 点点已有不可忽略的光程 差差，这些次波相干叠加 的的结果，光场中的强度 分分布将与 上述均匀媒质 情情形有所不同，这时， 除除2 / 7 了按几何光学规律传 播播的光线外，其他方向 或或多或少也有光线存在 ，这就是散射光，即产 生生了散射。对于不均匀 形形态较大的媒质，光散 射射也可看作是反射和折 射射的综合结果。 散 射射光强除了与入射光的 波波长、散射角有关外， 还还与散射体材料的折射 率率和机体材料的折射率 有有关。目前，关于散射 光光强的计算理论，发展 还还不十分完善。 计 算 算 散 射 光 强 ， 最 简 单 的 近 近 似 理 论 为Rayleiigh-Gans-Deebye 理论。对于半 径径较大或折射率较大的 粒粒子，要用 Mie理论 来来计算光强。如 果粒子 达达到 Mie 理论不适用 时时，就要用传统的射线 光光学来处理。下面的公 式式可以用于聚合物光散 射射材料散射光强的近似 计计算： Iv=KI0 R330 -4 1 +2R22sin 2 -2 式中， K 为为常数， =2/ ， 为光在介质中的波 长长，0 为光在真空中 的的波长， 为光散射角 ， n 是介质的平均折射 率率： n=nAVA+nBBVB。 2 光散 射射材料的分类 根据 散散射机理的不同可以将 光光散射材料分为：面散 射射材料和体散射材料。 传统的光散射材料 大大多为面散射材料，采 用用面散射机理，即将透 明明板材或其它形状制品 的的一个表面打磨，涂层 或或将其成型模具的相应 面面做喷砂或刻痕处理， 利利用它们粗糙的表面来 产产生光散射。这种材料 的的一个显著缺点是：它 不不能较3 / 7 好地兼顾材料的 光光散射性和透明性，综 合合性能较差。因而大大 限限制了它的应用范围。 体散射材料多为分 散散有光散射体的透明合 成成材料，起散射作用的 散散射体的尺寸等于或大 于于可见光波长。这种材 料料应用了整体散射机理 ：即材料的内部与表面 均均起散射作用，能够很 好好地克服面散射所固有 的的弱点，制品具有高的 光光散射性，较好的透明 性性及优异的综合性能。 目目前 ，它已成为一种新 型型的背光源材料，逐渐 在在许多领域取代了传统 光光散射材料，并进一步 扩扩展了新的应用领域如 液液晶显示等。 另外 ，还有一种体 -面散射 材材料，由产生体散射的 基基板和涂覆在基板上的 能能够产生面散射的表面 组组成，即将消光颗粒与 涂涂料共混，涂覆在基板 表表面，利用涂层的收缩 形形成表面微结构，同时 消消光颗粒导致了涂层的 光光学非均一性，产生光 散散射。 3 光散射 材材料的制备 面散射 材材料的制备方法 通 过过对透明的基体材料表 面面进行磨砂处理，或利 用用特殊的成型模具或浮 雕雕辊得到浮雕或喷砂效 果果的表面， 利用材料表 面面的粗糙度得到散射效 果果；也有以表面凸凹起 伏伏的高分子材料制备， 巧巧妙设计表面的波纹实 现现材料的散射效应。面 散散射材料的制备方法存 在在着显著的缺点：一方 面面，散射光的量取决于 刻刻痕和划痕等的数量及 分分布，使散射发生的不 均均匀，4 / 7 另一方面折射率 和和透光率不易控制。 体散射材料的制备方法 体散射材料的制备 方方法大致分为两种：聚 合合法和共混法。 聚 合合法 利用折光率 有有一定差异、相容性不 太太好的聚合物单体共聚 合合或采用分段聚合来制 备备光散射材料。具体又 可可分为以下几种情况： 将一种单体 混合 分分散于透明的基体中， 使使单体聚合，生成的聚 合合物作为散射体，其折 射射率不同于透明基体的 折折射率，因而入射光产 生生光散射。 将一 种种单体混合分散于一种 透透明材料中，使单体聚 合合，生成的聚合物作为 基基体，其折射率不同于 透透明材料，进而材料产 生生光散射。 散射 体体材料是无机粒子或有 机机粒子，将散射体粒子 分分散于基体单体中，使 单单体聚合生成聚合物基 体体。 ISHIHAR ADA M等人以玻 璃璃转化温度低于室温的 弹弹性体橡胶为基体材料 ，以折射率不同于基体 的的透明材料为散射体， 通通过聚合法制备了一种 光光散射材料，广泛应用 于于照明装置，也可以作 为为灯箱广告牌的面光源 ，还可以与透光管和光 波波导管联用。由于基体 的的玻璃转化温度低于室 温温，所以材料在室温下 即即可操作加工。华南理 工工大学高峰等人，以不 同同分子量5 / 7 的聚苯乙烯作 为为散射材料，将其溶解 在在甲基丙烯酸甲酯中， 通通过原位聚合法制备了 光光散射材料，研究发现 PPS 作为散射体分布在 基基体 PMMA 中能够产 生生散射， PS 的分子量 要要高于临界分子量 439900。当聚苯乙烯 分 子子量大于 43900， 且且其质量分数为 %-%时时散射板性能最优，透 光光率为 %，雾度为 %。 近年来 ，纳米粒子掺杂 有有机玻璃制备新型复合 材材料广受关注。张启卫 等等人通过原位聚合和同 步步溶胶 -凝胶过程制备 了了 PMMA/SiO2 杂杂化材料，研究表明该 材材料有机 /无机两相间 的的相容性好，材料的透 明明性好，透光率可达 800%左右。清华大学钱 志志勇等人以纳米 Al2OO3、 SiO2 和 CaaO颗粒 , 采用三种 不不同粒度的纳米颗粒利 用用在位分散法制备了以 P MMA 为基体的复合 光光散射材料，成功用于 平平板显示。其研究指出 ：由于微粒的散射和纳 米米粒子的结构特点，随 着着纳米粒子粒度的减小 , 复合材料样品板亮 度度增加 , 视 角变大 , 整体光学性能变得优 异异。中国专 利提供了一 种种纳米硅改性有机玻璃 光光散射材料及制备方法 。该方法先将纳米 SiOO2 粉末通过高频超声 波波震荡混入 MMA单体 中中，使其呈乳白色半透 明明状，加入引发剂及其 他他组分真空脱气后在 900 预聚合，冷却灌浆 入入模后在25-100 处理 24-72小时 即即可得到光散射材料。 材材料的光谱透过曲线与 本本体材料相近，光散射 分分布均匀，可用作照明 显显示器件。 共混法 6 / 7 共混法是通过透明的聚 合合物基体材料和散射体 粒粒子的共混制备光散射 材材料的方法。 在共 混混法中，散射体粒子 的 制制备至关重要。欧洲专 利利EP0634445 报报道了一种核壳结构的 复复合散射粒子，这种光 散散射复合物以类橡胶的 乙乙烯基聚合物为核，具 有有一层或多层壳，散射 体体粒子中含有至少 15% 的烷基丙烯酸或烷基 甲甲基丙烯酸。日本专利 J P04161448 中中介绍的光散射材料， 使使用一种粉末状的 TiOO2，外层涂有交联球 形形环己顺丁烯 -二酰亚 胺胺 -苯乙烯共聚物作为 散散射体粒子，但是成本 很很高。美国专利 Pat. Nos. 52377004和 53469554中使用了一种具有 橡橡胶核热塑壳的散射体 粒粒子，能够很好的分散 于于 基体中，而基体的抗 冲冲性能和物理性质不受 影影响，而且核内聚合物 的的折射率可以调节，也 保保证了基体良好的透光 率率。 目前，大多数新 型型光散射材料是采用共 混混法生产的。因为这种 方方法与一般聚合物掺混 的的工艺过程非常类似， 特特别是对于用量最大的 光光散射板材，它能够连 续续化生产，生产率较高 。但是共混法制备光散 射射材料经常会遇到一些 问问题，例如：粒子与基 体体材料的相容性差，不 易易分散于基体材料中； 分分散相粒子在基体中的 分分散性能差导致基体材 料料的透光率下降以及物 理理性能老化；材料的折 光光率不易调节，导致光 学学性质不 易调节；分散 相相粒子坚硬导致材料的 抗抗冲击性能变差等。如 何何行之有效地克服这些 问问题，将是今后共混法 研研究的方7 /