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光学PC在LED照明中的主要应用

编辑:山东照明学会关键字: 光学 照明 发布日期:2016-12-05 浏览: 次
 PC又称聚碳酸酯,是Polycarbonate的缩写。PC是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物,根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多种类型。目前在应用和工业化生产的主要为芳香族聚碳酸酯。聚碳酸酯是一种性能优良的工程塑料,密度接近1.20g/cm3。由PC制成的无色透明塑料件,可见光的透光率可以达到90%左右。PC的主要用途包括光学照明,电子电器,汽车航空和医疗等。一般的,我们将应用于光学照明领域,具有较好光学特性的透明,扩散或白色高反射率PC材料称为光学PC。

  随着 LED 照明产品采用率的不断增高,照明生产商正在寻找性能超越传统照明应用中使用的材料,来推动实现创新的设计和外形,提高照明效率,并解决持续的采用成本问题。 虽然照明生产商一贯使用有机玻璃 (PMMA) - 其次是玻璃 -来开展固态照明 (SSL) 应用, 但PC正日益成为透镜、透光罩、灯管、导光柱、扩散罩和反射器的首选材料。 现在,大约90% 取代白炽灯泡的 LED 替换灯泡都由 PC 材料制成。

  LED 设计者通过选择 PC(而不是玻璃和 PMMA)可实现诸多好处,包括更大的抗冲击性和耐热性,改进的阻燃等级,以及增强的设计灵活性。 不过,由于玻璃和 PMMA 具有高透光性和强耐候性,它们仍是 PC 的竞争对手,不过最新等级的特种 PC 快速弥合了这一差距。 作为 LED 器件的候选材料,聚碳酸酯不仅对玻璃和 PMMA 提出了直接的挑战,还将推动住宅、商用和室外 LED 设计不断进步。

  PC与PMMA主要性能比较

  耐久性和抗冲击性是用于住宅环境的必要条件,因为居民在安装灯时掉落或对更换件处置不当的情况常有发生。 PC在抗弯冲击下打碎样品所需的抗冲击力在实验室用 kJ/m2(每平方米千焦耳)测量单位表示,这比玻璃和 PMMA 的抗冲击力要高得多。 在实际冲击测试中,PC 的性能是 PMMA 的 10 倍,也是玻璃的 30 倍。

  用 PC 制造的 LED 器件也比用 PMMA 制造的灯具更安全,因为其阻燃性和耐热性有明显优势。 按照 UL 94 标准,某些 PC 被评为“5VA”等级 - 最高阻燃性评级 - UL 94 标准根据不同方向和厚度的燃烧方式对塑料进行分类。 PMMA 被评为 UL 94“HB”等级,这也是最低等级。 另外,PC 还可以连续在最高 130℃ 的温度下使用,而 PMMA 只能在最高 90℃的温度下使用。 表 1 总结对LED照明产品设计人员比较重要的 PC 和 PMMA 特性。

  表 1 PC 和 PMMA 规格比较

为了增加住宅环境中的 LED 需求,照明设计师还必须解决 LED 照明设备的质量问题,使灯光变得更加柔和,更接近白炽灯。 乳白色或磨砂效果的扩散材料可以屏蔽 LED 光源,有助于均匀地分布光线,尽量减少眩光。 如果没有扩散,LED 光源会产生刺眼的白色亮点。

  同时,设计人员必须在柔和白光的审美需求与透光性之间保持平衡。 过多的扩散可能意味着亮度损失过度,从而降低灯泡效能。

  PC 擅长在扩散与透光之间保持微妙的平衡。 新一代聚碳酸酯可以屏蔽亮点,而不影响透光性。 当在 LED 球罩或透光罩中使用时,PC 提供有效的扩散,而不需要二次透镜或其他光学元件,从而减少成本、复杂性和重量。 用 PMMA 制成的扩散板通常需要多层结构,从而增加 LED 设计的重量和复杂性。

  表 2 显示当今 LED 设计人员可用的 PC 等级提供的透光性和光散射。 透明等级的 1 毫米 SABIC 的 LEXANTM LUX C 树脂组合的透光率可达 91.5%,较透光率为约 89% 的传统 PC 有了显著的改进,仅次于透光率为 92% 的 PMMA。 对于需要更大扩散的照明应用,LEXANTM LUX C 树脂扩散等级可将光线扩散(如表 2 中所示)为光扩散度 (DLD),即可看到入射光亮度一半的角度,而无需显著降低透光率。

  表 2 透明和扩散 PC 等级的透光性和光扩散度

商用和工业用 LED 灯制造商同样也面临着住宅市场的诸多挑战。 照明设计必须功能实用、外观时尚、轻便灵巧,同时实现高光效和光均匀度。

  为了达到这些复杂的标准,制造商正在努力寻找各种材料来实现设计灵活性,在这方面PC远胜玻璃和 PMMA 。 例如,PC 可用于形成尖角和凹口 - 这些设计功能进一步突显了 PMMA 在抗冲击强度方面的弱势。此外,PMMA 也不能像PC 那样在吸顶式 LED 应用中保持较高的耐久性和硬度,如图 1 中所示。

 

图 1 玻璃和 PMMA 既不能像 PC 那样形成尖角和凹口,也不能像 PC 那样在吸顶式 LED 应用(如此处显示的固定装置)中保持较高的耐久性和硬度。

  相比玻璃等其他材料需要使用相对低效率的粘胶组装方式,PC 可以开展卡扣配合应用。 根据欧盟相关报道,与粘合剂组件不同的是,用卡扣配合连接制成的 LED 灯和灯具可以轻松拆卸,而不会破坏零部件,从而降低了报废成本等生命周期成本和环境影响。

  使用聚碳酸酯

  虽然必须考虑折射率 (RI) 差异,但是设计师和原始设备制造商仍可以采用与用 PMMA 和玻璃开发产品大致相同的方法来用 PC 开发产品。 虽然可以使用相同的预测建模工具,但是 SABIC 还提供双向散射分布函数 (BSDF) 文件,使产品工程师能够同时预测透明材料和扩散材料的设计结果。 此外,PC 还可以使用与 PMMA 相同类型的模塑机 - 注塑机、挤出机和吹塑机进行处理。 使用符合 UL 94 阻燃等级要求的 PC 还可以缩短产品开发时间,并有可能消除进行设备燃烧测试的必要性。

  虽然前景一片光明,但是 LED 技术仍处于相对初期的发展阶段,仍需大规模进军大众市场,从而成为住宅、商用和户外环境的主要照明方式。 厂家和设计人员正在直面这些挑战,而且令人兴奋的是,新设计每天都在涌现。 为了解决LED 产业不断改变的复杂规范问题,需要持续投资新的和改进的 PC 材料。 SABIC 将一直致力于与整个LED照明行业合作来推动下一代 LED 的发展。

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