光散射材料的研制與開發狀況探討
2008-12-31 00:00:00邢華蘇芳
現代商貿工業 2008年9期
摘 要：介紹了光散射材料的散射機理、分類、制備方法及國內外的進展。
關鍵詞：光散射；面散射；體散射；共混；共聚
中圖分類號：TU文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）09-0365-02
光散射材料是指能夠使光通過而又能有效的散射光的材料。透光率和霧度是評定光散射材料的兩項主要指標。透光率是指透過試樣的光通量和射到試樣上的光通量之比。它是表征透明高分子材料透明程度的一個重要性能指標。霧度，又稱濁度，是透過試樣而偏離入射光方向的散射光與透射光通量之比，是材料內部或表面上的不連續性或不規則性所造成。通常用霧度的大小來表征材料的光散射強弱。
光散射材料能將點、線光源轉化成線、面光源，可以作為面光源材料應用指示標牌、廣告招牌、展示櫥窗、投影背墻以及壁掛式均勻照明光源等，也可以作為背光源材料應用于液晶顯示，還可以與液晶元件復合制備高分子分散型散射元件。
1 光散射產生的機理
如果媒質的均勻性遭到破壞，即尺度達到波長數量級的鄰近媒質小塊之間在光學性質上（如折射率）有較大差異，在光波作用下，它們將成為強度差別較大的次波源，而且從它們到空間各點已有不可忽略的光程差，這些次波相干疊加的結果，光場中的強度分布將與上述均勻媒質情形有所不同，這時，除了按幾何光學規律傳播的光線外，其他方向或多或少也有光線存在，這就是散射光，即產生了散射。對于不均勻形態較大的媒質，光散射也可看作是反射和折射的綜合結果。
散射光強除了與入射光的波長、散射角有關外，還與散射體材料的折射率（N）和機體材料的折射率有關。目前，關于散射光強的計算理論，發展還不十分完善。
計算散射光強，最簡單的近似理論為Rayleigh-Gans-Debye(RGD)理論。對于半徑較大或折射率較大的粒子，要用Mie理論來計算光強。如果粒子達到Mie理論不適用時，就要用傳統的射線光學來處理。下面的公式可以用于聚合物光散射材料散射光強的近似計算：
Iv=KI0R3π3λ0-4(n2B-n2)［1+（8/3）2R2υ2sin2(θ/2)］-2
式中，K為常數，υ=2π/λ，λ為光在介質中的波長，λ0為光在真空中的波長，θ為光散射角，n是介質的平均折射率：n=nAVA+nBVB。
2 光散射材料的分類
根據散射機理的不同可以將光散射材料分為：面散射材料和體散射材料。
傳統的光散射材料大多為面散射材料，采用面散射機理，即將透明板材或其它形狀制品的一個表面(一般為內表面)打磨，涂層或將其成型模具的相應面做噴砂或刻痕處理，利用它們粗糙的表面來產生光散射。這種材料的一個顯著缺點是：它不能較好地兼顧材料的光散射性和透明性，綜合性能較差。因而大大限制了它的應用范圍。
體散射材料多為分散有光散射體的透明合成材料，起散射作用的散射體的尺寸等于或大于可見光波長。這種材料應用了整體散射機理：即材料的內部與表面均起散射作用，能夠很好地克服面散射所固有的弱點，制品具有高的光散射性，較好的透明性及優異的綜合性能。目前，它已成為一種新型的背光源材料，逐漸在許多領域取代了傳統光散射材料，并進一步擴展了新的應用領域如液晶顯示等。
另外，還有一種體-面散射材料，由產生體散射的基板和涂覆在基板上的能夠產生面散射的表面組成，即將消光顆粒與涂料共混，涂覆在基板表面，利用涂層的收縮形成表面微結構，同時消光顆粒導致了涂層的光學非均一性，產生光散射。
3 光散射材料的制備
3.1 面散射材料的制備方法
通過對透明的基體材料表面進行磨砂處理，或利用特殊的成型模具或浮雕輥得到浮雕或噴砂效果的表面，利用材料表面的粗糙度得到散射效果；也有以表面凸凹起伏的高分子材料制備，巧妙設計表面的波紋實現材料的散射效應。面散射材料的制備方法存在著顯著的缺點：一方面，散射光的量取決于刻痕和劃痕等的數量及分布，使散射發生的不均勻，另一方面折射率和透光率不易控制。
3.2 體散射材料的制備方法
體散射材料的制備方法大致分為兩種：聚合法和共混法。
3.2.1 聚合法
利用折光率有一定差異、相容性不太好的聚合物單體共聚合或采用分段聚合來制備光散射材料。具體又可分為以下幾種情況：
①將一種單體混合分散于透明的基體中，使單體聚合，生成的聚合物作為散射體，其折射率不同于透明基體的折射率，因而入射光產生光散射。
②將一種單體混合分散于一種透明材料中，使單體聚合，生成的聚合物作為基體，其折射率不同于透明材料，進而材料產生光散射。
③散射體材料是無機粒子或有機粒子，將散射體粒子分散于基體單體中，使單體聚合生成聚合物基體。
ISHIHARADA M等人以玻璃轉化溫度低于室溫的彈性體橡膠為基體材料，以折射率不同于基體的透明材料（可以是無機粒子或有機物）為散射體，通過聚合法制備了一種光散射材料，廣泛應用于照明裝置，也可以作為燈箱廣告牌的面光源，還可以與透光管和光波導管聯用。由于基體的玻璃轉化溫度低于室溫，所以材料在室溫下即可操作加工。華南理工大學高峰等人，以不同分子量的聚苯乙烯作為散射材料，將其溶解在甲基丙烯酸甲酯中，通過原位聚合法制備了光散射材料，研究發現PS作為散射體分布在基體PMMA中能夠產生散射，PS的分子量要高于臨界分子量43900。當聚苯乙烯分子量大于43900，且其質量分數為0.20%-0.3%時散射板性能最優，透光率為73.0%，霧度為74.7%。
近年來，納米粒子摻雜有機玻璃制備新型復合材料廣受關注。張啟衛等人通過原位聚合和同步溶膠-凝膠過程制備了PMMA/SiO2雜化材料，研究表明該材料有機/無機兩相間的相容性好，材料的透明性好，透光率可達80%左右。清華大學錢志勇等人以納米Al2O3、SiO2 和CaO顆粒， 采用三種不同粒度的納米顆粒利用在位分散法制備了以PMMA為基體的復合光散射材料，成功用于平板顯示。其研究指出：由于微粒的散射和納米粒子的結構特點，隨著納米粒子粒度的減小， 復合材料樣品板亮度增加， 視角變大， 整體光學性能變得優異。中國專利03127636.9提供了一種納米硅改性有機玻璃光散射材料及制備方法。該方法先將納米SiO2粉末通過高頻超聲波震蕩混入MMA單體中，使其呈乳白色半透明狀，加入引發劑及其他組分真空脫氣后在90℃預聚合，冷卻灌漿入模后在25-100℃處理24-72小時即可得到光散射材料。材料的光譜透過曲線與本體材料相近，光散射分布均勻，可用作照明顯示器件。
3.2.2 共混法
共混法是通過透明的聚合物基體材料和散射體粒子的共混制備光散射材料的方法。
在共混法中，散射體粒子的制備至關重要。歐洲專利EP0634445報道了一種核殼結構的復合散射粒子，這種光散射復合物以類橡膠的乙烯基聚合物為核，具有一層或多層殼，散射體粒子中含有至少15%的烷基丙烯酸或烷基甲基丙烯酸。日本專利JP04161448中介紹的光散射材料，使用一種粉末狀的TiO2，外層涂有交聯球形環己順丁烯-二酰亞胺-苯乙烯共聚物作為散射體粒子，但是成本很高。美國專利Pat. Nos. 5237004和5346954中使用了一種具有橡膠核熱塑殼的散射體粒子，能夠很好的分散于基體中，而基體的抗沖性能和物理性質不受影響，而且核內聚合物的折射率可以調節，也保證了基體良好的透光率。
目前，大多數新型光散射材料是采用共混法生產的。因為這種方法與一般聚合物摻混的工藝過程非常類似，特別是對于用量最大的光散射板材，它能夠連續化生產，生產率較高。但是共混法制備光散射材料經常會遇到一些問題，例如：粒子與基體材料的相容性差，不易分散于基體材料中；分散相粒子在基體中的分散性能差導致基體材料的透光率下降以及物理性能老化；材料的折光率不易調節，導致光學性質不易調節；分散相粒子堅硬導致材料的抗沖擊性能變差等。如何行之有效地克服這些問題，將是今后共混法研究的方向。
4 光散射材料的發展方向
目前，光散射材料在照明領域和顯示領域得到了廣泛的應用，隨著光散射材料性能的不斷提高和完備，其應用領域將進一步擴大。一些具備特殊功能的光散射材料將會不斷被開發出來，例如熱可逆記錄材料和表面具有自清潔功能的光散射材料等。由于納米技術的飛速發展，無機摻雜聚合物制備復合光散射材料也將成為研究的一個熱點。
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