一种含有类“复眼”结构散射体的光散射材料的制作方法

本发明属于聚合物基复合材料制备工艺领域，具体涉及含有类“复眼”结构散射体的光散射材料的制备方法。该方法的特点是利用熔融共混的方法制备含有类“复眼”结构散射体的光散射材料。利用类“复眼”结构散射体的多重散射作用使该类光散射材料具有高雾度、高透过率和大散射角等优异的光学性能。

背景技术

光散射材料常用于led照明外壳材料，它既能让光线透过，又能将入射光均匀地散射到不同方向上，遮蔽光源，减少因光线折射造成的眩晕感，避免对人眼造成光损伤。制备光散射材料依据的是光的散射原理：当光通过不均匀介质时，光波的振动电场使微粒中的电子产生强迫振动，微粒变成二次波源，向各个方向发射电磁波，部分光线的传播方向偏离入射光方向，所以在入射光方向之外的其他方向也能观察到光强。根据这一原理，在材料表面赋予微结构或者在基体材料内加入光散射剂可以制得光散射材料。

根据散射体在基体中位置的不同，可将聚合物基光散射材料分为面散射材料和体散射材料。面散射材料依靠表面的微结构起到散射作用，比如半球形结构、微棱形结构、锥形结构或者其他粗糙表面。体散射材料是利用散射体粒子分散于透明聚合物基体中而制成的，具有导光性好，透光均匀，散射角大等优点。

制备面散射材料的方法主要有：全息记录法、电喷射法、复制模塑法、热模压法、光刻蚀法等。面散射材料可以较准确地对散射中心进行设计和制备，但制备成本高，不适用于大规模生产，且不易维护，容易在使用过程中因污染或刮擦等原因影响光散射性能。

体散射材料由基体材料和散射体材料组成，传统体散射材料指的是具有类海-岛结构的光散射材料，如jp03078701以碳酸钙和二氧化硅作为散射粒子制得聚碳酸酯光散射板。jp05257002记载了由二氧化硅构成散射颜料的散光聚碳酸酯板。cn102702713a记载了以常规聚合物为散射体的聚碳酸酯复合物光散射材料。但这类光散射材料具有以下缺点：1、仅能产生单一光散射作用，散射范围小；2、散射粒子单一，不方便调控材料的光学性能；3、制成各向异性光散射材料时，在提高一个方向散射范围的同时，另一个方向的散射范围会有所损失。

散射体的结构对光散射材料的散射效果有很大的影响，因此用简便的方法制备具有特殊结构的光散射粒子成为实现高性能光散射材料的重要手段。

技术实现要素：

本发明是基于上述想法而进行的，本发明的目的是：1、提供一种生产成本较低、制备方法简单、安全可靠的光散射材料；2、该类光散射材料具有高透过率、高雾度以及大散射角等特点，可以制成各向同性光散射材料和各向异性光散射材料；3、可以通过调节第一散射体或第二散射体的含量、粒径大小和加工参数等条件来调控光散射材料的光学性能。

为满足上述目的，本发明利用熔融共混的方法制备了类“复眼”结构散射体的光散射材料，其中以透明聚合物为基体，类“复眼”结构的散射粒子为散射体，类“复眼”结构的散射粒子的特征在于其以第一散射体为“大眼”，以第二散射体为“小眼”，且“小眼”选择性的分散在“大眼”之中或者“大眼”与基体的界面处。基体与第一散射体的相对折射率的差值在0.01~0.6之间（即0.01≤|na-nb|≤0.6，na为基体的相对折射率，nb为第一散射体的相对折射率），优选0.01~0.2（即0.01≤|na-nb|≤0.2）；第一散射体与第二散射体的相对折射率的差值在0.01~0.6之间（即0.01≤|nb-nc|≤0.6，nb为第一散射体的相对折射率，nc为第二散射体的相对折射率），优选0.01~0.2（即0.01≤|nb-nc|≤0.6）；在相同条件下，第二散射体的浸润系数ω＜1，优选ω＜－1,(ω＝(γc-b－γc-a)／γa-b,其中a，b，c分别代表基体、第一散射体和第二散射体；γc-b，γc-a，γa-b分别代表第二散射体和第一散射体的界面张力、第二散射体和基体的界面张力以及基体和第一散射体的界面张力），即第二散射体与第一散射体间的相容性优于其与基体之间的相容性。

基体材料指的是一种透明聚合物或者两种及两种以上透明聚合物复合得到的透明共混物，并且其对可见光（400nm-800nm）透过率在80%以上，如：pvc（聚氯乙烯）、pp（聚丙烯）、pe（聚乙烯）、pmma（聚甲基丙烯酸甲酯）、pc（聚碳酸酯）、ps（聚苯乙烯）、pet（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、pes（聚醚砜）、san（苯乙烯-丙烯腈共聚物）、bs（丁二烯-苯乙烯共聚物）、tpx（聚4-甲基戊烯-1）、ms（甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物）、透明聚烯烃材料等热塑性树脂材料，及cr-39（聚双烯丙基二甘醇二碳酸酯）、j.d（pes的衍生共聚物）等热固性树脂材料。

第一散射体材料指的是对可见光（400nm-800nm）透过率在80%以上的透明聚合物材料，如：pvc（聚氯乙烯）、pp（聚丙烯）、pe（聚乙烯）、pmma（聚甲基丙烯酸甲酯）、pc（聚碳酸酯）、ps（聚苯乙烯）、pet（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、pes（聚醚砜）、san（苯乙烯-丙烯腈共聚物）、bs（丁二烯-苯乙烯共聚物）、tpx（聚4-甲基戊烯-1）、ms（甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物）、透明聚烯烃材料等热塑性树脂材料，及cr-39（聚双烯丙基二甘醇二碳酸酯）、j.d（pes的衍生共聚物）等热固性树脂材料。

第二散射体指的是热变形温度t≥150℃,优选t≥250℃的无机粒子或有机粒子，如：二氧化硅（sio2）、二氧化钛（tio2）、碳酸钙（caco3）、硫酸钡（baso4）、氧化铝（al2o3）、氧化钙（cao）、玻璃微珠、白炭黑等无机粒子；或聚甲基硅氧烷微球、聚乙基硅氧烷微球、硅橡胶微球、有机硅粒子、丙烯酸酯类光散射粒子等有机粒子。第二散射体的粒径应小于10um，优选小于1um，更优选小于800nm。

本发明提供的类“复眼”结构散射体的光散射材料的基体和第一散射体的质量比为99/1~50/50，优选90/10~60/40；第二散射体的重量为第一散射体总重量的0.001%~35%，优选0.001%~15%，更优选0.001%~10%。采用熔融共混的方法对基体、第一散射体和第二散射体熔融共混后加工成型（如模压成型、注塑成型、挤出成型等）得到各向同性光散射材料或各向异性光散射材料。

本发明所涉及的基体、第一散射体和第二散射体在加工开始之前应经历干燥、表面改性等前处理过程。干燥过程应在60℃以上的真空环境中干燥8h以上，优选80℃以上的真空环境中干燥12h以上。表面处理过程是为了增加第一散射体与第二散射体的相容性，具体的处理方法如：化学改性、等离子体改性、光化学改性和辐射改性等。

化学改性是通过化学反应改变粒子表面性质的方法，如利用二氧化硅（sio2）、二氧化钛（tio2）、碳酸钙（caco3）、硫酸钡（baso4）、氧化铝（al2o3）、氧化钙（cao）、玻璃微珠、白炭黑等无机粒子或聚甲基硅氧烷微球、聚乙基硅氧烷微球、硅橡胶微球、有机硅粒子、丙烯酸酯类光散射粒子等有机粒子表面的羟基，通过引入偶联剂，使其表面的羟基与偶联剂发生相互反应，从而达到将粒子表面由亲水性变为亲油性的目的。

等离子体改性是利用等离子体改变粒子表面性质的方法，有机物蒸汽接受等离子体的能量，产生气相自由基，气相自由基吸附在二氧化硅（sio2）、二氧化钛（tio2）、碳酸钙（caco3）、硫酸钡（baso4）、氧化铝（al2o3）、氧化钙（cao）、玻璃微珠、白炭黑等无机粒子或聚甲基硅氧烷微球、聚乙基硅氧烷微球、硅橡胶微球、有机硅粒子、丙烯酸酯类光散射粒子等有机粒子表面形成表面自由基，表面自由基与单体发生聚合反应，生成聚合物薄膜，从而达到将粒子表面由亲水性变为亲油性的目的。

光化学改性是利用光化学法改变粒子表面性质的方法，紫外光的影响下，引发剂在二氧化硅（sio2）、二氧化钛（tio2）、碳酸钙（caco3）、硫酸钡（baso4）、氧化铝（al2o3）、氧化钙（cao）、玻璃微珠、白炭黑等无机粒子或聚甲基硅氧烷微球、聚乙基硅氧烷微球、硅橡胶微球、有机硅粒子、丙烯酸酯类光散射粒子等有机粒子的表面形成自由基，自由基与单体发生聚合反应，生成聚合物薄膜，从而达到将粒子表面由亲水性变为亲油性的目的。

辐射改性是利用高能射线(如x射线、γ射线等)改变粒子表面性质的方法，高能射线(如x射线、γ射线等)将二氧化硅（sio2）、二氧化钛（tio2）、碳酸钙（caco3）、硫酸钡（baso4）、氧化铝（al2o3）、氧化钙（cao）、玻璃微珠、白炭黑等无机粒子或聚甲基硅氧烷微球、聚乙基硅氧烷微球、硅橡胶微球、有机硅粒子、丙烯酸酯类光散射粒子等有机粒子的表面激活，活性点引发单体反应，生成聚合物薄膜，从而达到将粒子表面由亲水性变为亲油性的目的。

该含有类“复眼”结构散射体的光散射材料具有以下优点：

1、含有类“复眼”结构散射体的光散射材料具有多重散射作用，因此会比传统光散射材料具有更大的散射范围。

2、含有类“复眼”结构散射体的光散射材料的光学性能可以通过分别调节第一散射体或第二散射体的种类、含量、粒径大小和加工参数等条件来调控。

3、含有类“复眼”结构散射体的光散射材料可以通过对第一散射体粒子的长径比的调控来获得各向同性光散射材料和各向异性光散射材料。

4、本发明采用熔融共混的方法制备，所涉及设备简单，模具加工容易，易于组装，制造成本低，清理和维护都十分方便。

本发明还具有其他方面的一些优点。

附图说明

下面结合附图进一步说明本发明。

图1为第二散射体的多重散射作用示意图。

具体实施方法

以下通过实施例对本发明进行进一步的具体描述。在以下各实施例中，各组分的用量均为质量用量。有必要在此指出，下面实施例只是对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明进行一些非本质的改进和调整。

本发明中基体，第一散射体和第二散射体的干燥温度为60℃~140℃，优选80℃~130℃。基体和第一散射体的质量比范围为99/1~50/50，优选90/10~60/40。第二散射体的重量为第一散射体总重量的0.001%~35%，优选0.001%~15%，更优选0.001%~10%。具体加工方式为：

1、选择预处理后的基体、第一散射体和第二散射体以一定的配比经双螺杆挤出机熔融共混后直接通过挤出压延成型、注塑成型、吹塑成型等方式制得各向同性光散射材料或各向异性光散射材料。

2、选择预处理后的基体、第一散射体和第二散射体以一定的配比经双螺杆挤出机熔融共混、造粒（或转矩流变仪熔融共混，造粒）制得复合颗粒。再将复合颗粒经二次加工成型（如模压成型、挤出成型、注塑成型、吹塑成型等）制得各向同性光散射材料或各向异性光散射材料。

实施例1

70质量份的聚碳酸酯（pc）、30质量份的丙烯腈共聚物（san）和占san总重量3.3%的直径为2μm二氧化硅（sio2）经转矩流变仪熔融共混，造粒制得聚碳酸酯复合颗粒，将该复合颗粒在240℃模压成型制得厚度为0.6mm厚的各向同性光散射片。测得其透过率为73%，雾度为87.5%，散射角为30º。

实施例2

70质量份的聚碳酸酯（pc）、30质量份的丙烯腈共聚物（san）和占san总重量3.3%的直径为5μm聚甲基倍半硅氧烷珠粒（osb2）经转矩流变仪熔融共混，造粒制得聚碳酸酯复合颗粒，将该复合颗粒在240℃模压成型制得厚度为0.6mm厚的各向同性光散射片。测得其透过率为82.3%，雾度为93.6%，散射角为27º。

实施例3

70质量份的聚碳酸酯（pc）、30质量份的丙烯腈共聚物（san）和占san总重量6.7%的直径为10μm聚甲基倍半硅氧烷珠粒（osb3）经转矩流变仪熔融共混，造粒制得聚碳酸酯复合颗粒，将该复合颗粒在240℃下模压成100.0mm（长）×30.0mm（宽）×1mm（厚）的试样。然后将试样固定在高温万能拉伸试验机在190℃条件下热拉伸，拉伸倍数为2。测得其短轴散射方向散射角为22.0º，长轴散射方向散射角为32.3º。

实施例4

将30质量份的丙烯腈共聚物（san）和占san总重量6.7%的利用硅烷偶联剂表面处理后的纳米碳酸钙（nano-caco3）在200℃下用微型共混挤出流变仪挤出，造粒，造粒后的san/nano-caco3共混物和70质量份的聚碳酸酯（pc）在转矩流变仪中进行熔融共混，造粒，温度为240℃，制得聚碳酸酯复合颗粒，将该复合颗粒在240℃下模压成100.0mm（长）×30.0mm（宽）×1mm（厚）的试样。然后将试样固定在高温万能拉伸试验机在190℃条件下热拉伸，拉伸倍数为2。测得其短轴散射方向散射角为41.1º，长轴散射方向散射角为59.1º。

对比实施例1

100质量份的聚碳酸酯（pc）和占总重量1.0%的直径为5μm聚甲基倍半硅氧烷珠粒（osb2）经转矩流变仪熔融共混，造粒制得聚碳酸酯复合颗粒，将该复合颗粒在240℃模压成型制得厚度为0.6mm厚的各向同性光散射片。测得其透过率为74.0%，雾度为84.6%，散射角为15.0º。

对比实施例2

70质量份的聚碳酸酯（pc）和30质量份的丙烯腈共聚物（san）经转矩流变仪熔融共混，造粒制得聚碳酸酯复合颗粒，将该复合颗粒在240℃下模压成100.0mm（长）×30.0mm（宽）×1mm（厚）的试样。然后将试样固定在高温万能拉伸试验机在190℃条件下热拉伸，拉伸倍数为2。测得其短轴散射方向散射角为16.5º，长轴散射方向散射角为29.5º。