专利名称：塑料光转换荧光粒料及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电子显示和照明技术领域，涉及包括LED背光源及照明在内的发 光装置用的塑料光转换发光器件，具体涉及用于制造塑料光转换发光器件的塑料光转换 荧光粒料，即由荧光材料、助剂和聚合物树脂制成的塑料光转换荧光粒料。
背景技术：
传统的照明光源大多数采用白炽灯作为发光元件，发光二极管(LED)由于具有 省电节能、工作寿命长和工作电压低等优点，正逐步取代白炽灯成为新型光源。现有的发光二极管一般采用发光芯片+发光荧光材料的结构，即在发射蓝光的 发光芯片发光面上涂覆一层黄色发光荧光材料，当发光芯片点亮后，其发射的蓝光将激 发发光荧光材料产生黄光，而蓝光与黄光混合后即形成白光。其制造工艺主要采用点胶 封装工艺，这种结构及其制造工艺主要有以下几种缺点1生产效率低，人工成本高；2 发光荧光材料在发光芯片上的涂覆质量难以控制，容易造成发光不均勻，出现蓝圈、暗 斑等缺陷；3容易产生气泡及制品缺陷，产品废品率偏高；4发光荧光材料在高分子树 脂中容易产生沉淀，导致分散不均，光转换效果不佳。中国发明专利CN1858920A《一种白光LED灯的封装方法》介绍并公开了一种 白光LED灯的封装方法，该专利将发光荧光材料与塑料树脂混合，用铸塑的方法一次成 型塑料透镜外壳，同传统的点胶封装工艺相比，该法可提高生产效率，降低人工成本， 因发光荧光材料粒径较小，与塑料树脂实现均勻混合较难，况且混合过程操作繁琐，容 易产生粉尘，操作环境欠佳，影响LED制品的洁净度，在直接采用将发光荧光材料与塑 料树脂混合的注射成型加工过程中，发光荧光材料与塑料树脂及设备之间相互摩擦，加 工出的制件特别容易变黑，影响发光亮度及光转换效果，同时该专利只介绍了一种白光 LED灯的制造方法，并未提及使用的荧光材料的种类及用量，同时并未论及荧光材料与 亮度的关系。中国发明专利CN1160730《一种发光塑料及其制造方法》介绍并公开了 一种发光塑料材料的制造方法，该专利所述的发光材料为长余辉夜光材料，其主要用途 是用于制造各种夜光开关及消防标志，这种长余辉材料不适合做光转换材料，不适合制 造LED灯具及光转换器件，并且该专利没有采用有效的方法来解决发光材料与聚合物树 脂混合时的分散不均及制品变色的问题。中国发明专利CN1120207C发光塑料母料及其 制法》介绍并公开了一种发光塑料母料的制造方法，可以解决发光材料与树脂混合时的 分散不均的问题，但其采用的高分子树脂为软质的高分子载体树脂，主要是选用EVA或 PE类软质高分子树脂来制造发光塑料母料，而不是PMMA或PC类适合做LED透镜的高 分子树脂，同时该专利中提及的发光材料为长余辉夜光材料，而不是指应用于LED照明 的发光荧光材料，两种材料的结构及用途都有着本质的区别，发光塑料母料主要用于制 造各种夜光塑料制品，具有暗处发光的功能，包括夜光开关及工艺品，该母料无论是载 体树脂还是选用的发光材料都完全不适合制作LED灯具。基于以上现有的技术存在的缺陷，没有一种行之有效的办法来取代传统的LED点胶封装工艺，因此开发了塑料光转换荧光粒料，取代传统的LED封装工艺，选用适合 做LED灯具的聚合物树脂，选用特殊的办法对荧光材料进行处理，成功地将聚合物树 脂、助剂及荧光材料结合到一起制成塑料光转换荧光粒料，避免了加工中的分散不均及 制品变黑，塑料光转换荧光粒料可直接用于制造LED灯具及指示器件，取代传统的光源 及技术，节能环保，该产品可促进半导体照明技术进一步发展及大规模的产业化。发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的就是将受蓝光激发的发光荧光材料与 聚合物树脂及助剂进行结合，制成塑料光转换荧光粒料，用塑料光转换荧光粒料可直接 加工各种LED灯具中的塑料透镜、透镜部件或灯具的外壳，还可以加工各种电子设备、 仪器仪表等产品中的发光指示器件的塑料配件。
塑料光转换荧光粒料由荧光材料、聚合物树脂和助剂组成，各组分和质量百分 比组成如下
荧光材料0.5 75.0%
聚合物树脂15.0 99.0%
助剂0.5 10.0%
其中荧光材料被做为激发光源的发射光谱在440 475nm范围内的蓝光LED 激发，吸收激发出至少一个以上峰值波长在525 650nm范围内的发射光谱；
荧光材料所发的光与蓝光LED所发的光复合成白色的光或其它色彩的光，荧光 材料可以是铝酸盐荧光材料、硅酸盐荧光材料、硅氮化物荧光材料及硫氧化物荧光材料 中的一种或几种的组合。
所述的铝酸盐荧光材料的主要化学组成表示式为
aR203 · R' 203:xCe, yLi, zF ；
R为Y、Tb、Gd中的一种或多种元素的组合；
R'为Al、Ga中的一种或两种元素的组合；
a、χ、y、ζ 为摩尔系数，0.45<a<0.65 ； 0.0<x<0.04 ； 0.0<y<0.04 ； 0.0<z<0.2 ； 该材料的发射主峰波长随组成在525 560nm范围内变化；
所述的硅酸盐荧光材料的主要化学组成表示式为
bMO · Si02:xEu, yLi, zF ；
M*&、Ca、Ba、Mg中的一种或多种元素的组合；
b、χ、y、ζ 为摩尔系数，1.4<b<3.1 ； 0.015<x<0.1 ； 0.0<y<0.05 ； 0.0<z<0.25 ； 该材料的发射主峰波长随组成在525 580nm范围内变化。
所述的硅氮化物荧光材料的主要化学组成表示式为
(SreCa1J 2_xSi5N8:Eux, Liy, Fz;
e、χ、y、ζ 为摩尔系数，0.1<e<l ； 0.01<x<0.1 ； 0.0<y<0.1 ； 0.0<z<0.5 ；该材料 的发射主峰波长随组成在580 650nm范围内变化；
所述的硫氧化物荧光材料的主要化学组成表示式为
Y2_x02S:Eux，Mgy, Tiz, Li0, Fy ；
χ、y、ζ、β、Y 为摩尔系数，0.01《χ《0.1 ； 0.005<y<0.02 ； 0.05<z<0.25 ；0.0<β<0.1 ； 0.0<y<0.5 ；该材料的发射主峰波长随组成在610 630nm范围内变化；
以上所述的各种发光荧光材料其体色及发光颜色具有不同的特征，在制造塑料 光转换荧光粒料时可依据各自不同的情况加以选用，例如选用铝酸盐发光荧光材料制成 的塑料光转换荧光粒料，其中的黄色铝酸盐发光荧光材料所发的光与蓝光LED所发的光 复合成白色的光，进一步实现LED白光照明；选用硅酸盐发光荧光材料制成的塑料光转 换荧光粒料，其中的硅酸盐发光荧光材料适应芯片的波段范围宽，可根据芯片的特点对 发光荧光材料进行调配，制造各种不同的塑料光转换荧光粒料，进一步生产不同LED产 品及不同色彩的发光指示器件。
选择硅酸盐、铝酸盐发光荧光材料作为橙色、黄色发光荧光材料，选择硅氮化 物、硫氧化物发光荧光材料作为红色发光荧光材料，可将黄色发光荧光材料、橙色发光 荧光材料和红色发光荧光材料复合使用，复合使用可调整色坐标、色温和显色指数，达 到适用于多种用途的目的，采用发出黄色光的荧光材料与发出红色光的荧光材料复合使 用，提高显色指数，得到高显色指数的白光，使其适用于需要高显色指数的发光器件 中。
聚合物树脂可以丙烯酸树脂、聚碳酸酯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，这些树脂 的选择与常用的色母料选用的载体树脂有很大的不同，尤其是选用了丙烯酸树脂及聚碳 酸酯，这两种树脂特别适合做LED灯具中的塑料透镜，光学性能好，但这两种树脂在和 荧光材料混合制造粒料的时候，其制造难度大，采用普通的方法进行造粒的时，荧光材 料在混合及挤出加工的过程中容易变色，挤出的制品色彩不稳定，为解决加工中存在的 这些问题，选用了合适的润滑分散剂并对荧光材料进行了表面处理。
选用润滑分散剂包括芥酸酰胺、N，N-乙撑双硬脂酰胺、液体石蜡、聚乙烯 蜡。这些润滑分散剂的加入，使发光荧光材料在制品中分散更加均勻，进一步避免了粒 料在加工时颜色变深，用其加工的灯具或显示器件的亮度也得到了提高。
塑料光转换粒料的制备方法是挤出造粒法在挤出造粒之前，要对荧光材料进 行表面处理，处理时选用的是硅烷偶联剂，硅烷偶联剂的用量占荧光材料的质量百分比 是0.5%，将硅烷偶联剂溶于二甲苯中，用喷雾装置将偶联剂均勻的喷在荧光材料中，制 成处理好的荧光材料，待下一步使用，因此下面的实施例中所提的荧光材料都是采用这 样的办法经预先处理的荧光材料。挤出造粒是将处理好的荧光材料、聚合物树脂和助剂 按照配比经分散混合均勻，加入到挤出机中，通过挤出机的加热系统进行加热，同时通 过旋转的双螺杆对物料进行混合塑化之后将物料输送到前方，到达挤出机的机头处，从 机头处挤出条状物，最后由切粒机切成粒状物料。挤出机加热系统的加工温度都和选用 的树脂有关，每种塑料光转换荧光粒料的加工温度取决于聚合物树脂的加工温度，加工 温度范围会控制在80 300°C范围内，挤出造粒法的优点是工艺成熟、生产效率高。
本发明的有益效果是成功地将将荧光材料、聚合物树脂及助剂结合制成塑料 光转换荧光粒料，避免加工过程中变色，用塑料光转换荧光粒料加工的各种制件由于具 有光转换功能，受蓝光激发后转变成白光，还可以依据应用场合的要求调节塑料光转换 荧光粒料的组成，在蓝光激发后转变成其它色彩的光，实现颜色多样性，达到适用多种 用途的目的，因此可通过改变配方制成适合不同用途的多种类的塑料光转换荧光粒料， 进一步制成各种塑料光转换发光制件，最终制成白光LED灯具、发光指示器件或其它色彩的灯具及指示器件。采用这样的方法将荧光粉和制作塑料透镜的聚合物树脂结合，免 去了荧光粉的点胶封装工艺，大大减化工艺步骤，其生产效率高、易实现生产自动化、 改善操作环境，更重要的是发光荧光材料在高分子树脂中分散均勻，有效地避免了传统 工艺中易产生气泡及易产生沉淀的问题，用它制成的发光器件发光的一致性大大改良、 光转换效果好、产品灵活多变。
具体实施方式
实施例1 塑料光转换荧光粒料的原料配方如下
聚合物树脂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMMA)93.0%
处理过的荧光材料黄色铝酸盐荧光材料
0.58Y203 · Al2O3 · O1IGa2O3 0.008Ce, 0.004Li, 0.02F 5.0%
助剂N，N-乙撑双硬脂酰胺1.0%
聚乙烯蜡0.5%
液体石蜡0.5%
将处理过的荧光材料、聚合物树脂和助剂按照配比经分散混合均勻，加入到挤 出机中，通过挤出机的加热系统进行加热，加工温度为150 M0°C，同时通过旋转的双 螺杆对物料进行混合塑化之后将物料输送到前方，到达挤出机的机头处，从机头处挤出 条状物，最后由切粒机切成粒状物料，其中处理荧光材料的方法见发明内容。该产品经 注射成型可制成具有光转换功能的塑料制件，该制件用于制造白光LED灯具。
实施例2 用挤出造粒法制造塑料光转换荧光粒料，配方如下
聚合物树脂聚合聚碳酸酯(PC)93.0%
处理过的荧光材料黄色铝酸盐荧光材料
0.56Y203 · Al2O3 · (XlGd2O3 0.04Ce, 0.02F 5.0%
助剂N，N-乙撑双硬脂酰胺1.0%
芥酸酰胺0.5%
液体石蜡0.5%
将处理过的荧光材料、聚合物树脂和助剂按照配比经分散混合均勻，加入到挤 出机中，通过挤出机的加热系统进行加热，加工温度为150 250°C，同时通过旋转的双 螺杆对物料进行混合塑化之后将物料输送到前方，到达挤出机的机头处，从机头处挤出 条状物，最后由切粒机切成粒状物料，其中处理荧光材料的方法见发明内容。该产品经 注射成型可制成具有光转换功能的塑料制件，该制件用于制造白光LED灯具。
实施例3 用挤出造粒法制造塑料光转换荧光粒料，配方如下
聚合物树脂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMMA)47.5%
处理过的荧光材料
黄色铝酸盐荧光材料
0.58Y203 · Al2O3 · O1IGa2O3 0.008Ce，0.004Li，0.02F 25.0%
橙红色硅酸盐荧光材料
1.4SrO · 0.2BaC> · SiO2 0.05Eu，0.005Li25.0%
助剂
N，N-乙撑双硬脂酰胺1.0%
芥酸酰胺0.5%
聚乙烯蜡0.5%
液体石蜡0.5%
将处理过的荧光材料、聚合物树脂和助剂按照配比经分散混合均勻，加入到挤 出机中，通过挤出机的加热系统进行加热，加工温度为150 M0°C，同时通过旋转的双 螺杆对物料进行混合塑化之后将物料输送到前方，到达挤出机的机头处，从机头处挤出 条状物，最后由切粒机切成粒状物料，其中处理荧光材料的方法见发明内容。该粒料中 荧光材料的含量高，可作为塑料光转换发光母料使用，使用时将该粒料与PMMA树脂混 合之后再加工，经注射成型可制成具有光转换功能的塑料制件，该制件用于制造暖白的 LED灯具或指示器件。
实施例4 用挤出造粒法制造塑料光转换荧光粒料，配方如下
聚合物树脂聚甲基丙烯画■甲酯(PMMMA) 47.5%
处理过的荧光材料
橙红色硅酸盐荧光材料
1.4SrO · 0.2BaO · SiO2 0.05Eu, 0.005Li 50.0%
助剂
N，N-乙撑双硬脂酰胺1.0%
芥酸酰胺0.5%
聚乙烯蜡0.5%
液体石蜡0.5%
将处理过的荧光材料、聚合物树脂和助剂按照配比经分散混合均勻，加入到挤出机中，通过挤出机的加热系统进行加热，加工温度为150 M0°C，同时通过旋转的双螺杆对物料进行混合塑化之后将物料输送到前方，到达挤出机的机头处，从机头处挤出 条状物，最后由切粒机切成粒状物料，其中处理荧光材料的方法见发明内容。该粒料中 荧光材料的含量高，可作为塑料光转换发光母料使用，客户可将该粒料与纯PMMA树脂 混合，生产橙色的LED制品或指示器件。实施例5 用挤出造粒法制造塑料光转换荧光 粒料，配方如下
实施例6 用挤出造粒法制造塑料光转换荧光粒料，配方如下
聚合物树脂聚碳酸酯(PC)88.0%
处理过的荧光材料
黄色铝酸盐荧光材料
0.58Y203 · Al2O3 · O1IGa2O3 0.008Ce, 0.004Li, 0.02F 9.99%
红色硅氮化物荧光材料
(Sr0.5Ca0.5) 2-ySi5N8 0.05Eu，0.003Li，0.001F 0.01%
助剂
N，N-乙撑双硬脂酰胺1.0%
聚乙烯蜡0.5%
液体石蜡0.5%
将处理过的荧光材料、聚合物树脂和助剂按照配比经分散混合均勻，加入到挤 出机中，通过挤出机的加热系统进行加热，加工温度为150 250°C，同时通过旋转的双 螺杆对物料进行混合塑化之后将物料输送到前方，到达挤出机的机头处，从机头处挤出 条状物，最后由切粒机切成粒状物料，其中处理荧光材料的方法见发明内容。该粒料中 将黄色铝酸盐荧光材料和红色硅氮化物荧光材料混合使用，用于生产高显色指数的白光 LED制品。实施例7:用挤出造粒法制造塑料光转换荧光粒料，配方如下
聚合物树脂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMMA)68.0%
处理过的荧光材料黄色硅酸盐荧光材料
O.lCaO · 1.5SrO · Q.4BaO · O.lMgO · SiO2 O.lEu，0.2Li，0.05F 30.0%
助剂
N，N-乙撑双硬脂酰胺1.0%
聚乙烯蜡0.5%
液体石蜡0.5%
将处理过的荧光材料、聚合物树脂和助剂按照配比经分散混合均勻，加入到挤 出机中，通过挤出机的加热系统进行加热，加工温度为150 M0°C，同时通过旋转的双 螺杆对物料进行混合塑化之后将物料输送到前方，到达挤出机的机头处，从机头处挤出 条状物，最后由切粒机切成粒状物料，其中处理荧光材料的方法见发明内容。该粒料中 荧光材料的含量高，可作为塑料光转换发光母料使用，可将该粒料与纯PMMA树脂混 合，生产黄光或白光的LED制品。
实施例8 用挤出造粒法制造塑料光转换荧光粒料，配方如下
聚合物树脂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMMA)88.5%
处理过的荧光材料
硅酸盐绿色荧光材料
0.9SrQ · l.lBaO · O.lMgO · SiO2 0.2Eu，O.OOlLi，0.05F ； 4.0%
硫氧化物红色荧光材料
YO2S 0.3Eu, 0.02Mg, 0.15Ti ；6.0%
助剂
N，N-乙撑双硬脂酰胺1.0%
液体石蜡0.5%
将处理过的荧光材料、聚合物树脂和助剂按照配比经分散混合均勻，加入到挤 出机中，通过挤出机的加热系统进行加热，加工温度为150 M0°C，同时通过旋转的双 螺杆对物料进行混合塑化之后将物料输送到前方，到达挤出机的机头处，从机头处挤出 条状物，最后由切粒机切成粒状物料，其中处理荧光材料的方法见发明内容。该粒料中 将硅酸盐绿色荧光材料和硫氧化物红色荧光材料混合使用，用于生产白色LED制品或指 示器件。
实施例9 用挤出造粒法制造塑料光转换荧光粒料，配方如下
聚合物树脂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMMA)99.0%
处理过的荧光材料
铝酸盐黄色荧光材料
0.56Y203 · Al2O3 · 0.IGd2O3 0.04Ce，0.02F0.5%
助剂
液体石蜡0.5%
将处理过的荧光材料、聚合物树脂按照配比经分散混合均勻，加入到挤出机 中，通过挤出机的加热系统进行加热，同时通过旋转的双螺杆对物料进行混合塑化之后 将物料输送到前方，到达挤出机的机头处，从机头处挤出条状物，最后由切粒机切成粒 状物料，其中处理荧光材料的方法见发明内容，加工温度取决于PMMA树脂的加工温 度，加工温度范为150 240°C范围内。该粒料用于加工LED灯具或指示器件。
实施例10:用挤出造粒法制造塑料光转换荧光粒料，配方如下
聚合物树脂乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)15.0%
处理过的荧光材料
硅酸盐黄色荧光材料
O.lCaO · 1.5SrO · Q.4BaO · O.lMgO · SiO2 O.lEu，0.2Li，0.05F 75.0%
助剂
N，N-乙撑双硬脂酰胺2.0%
聚乙烯蜡7.5%
液体石蜡0.5%
将处理过的荧光材料、聚合物树脂和助剂按照配比经分散混合均勻，加入到挤 出机中，通过挤出机的加热系统进行加热，加工温度范围控制在80 210°C范围内， 同时通过旋转的双螺杆对物料进行混合塑化之后将物料输送到前方，到达挤出机的机头 处，从机头处挤出条状物，最后由切粒机切成粒状物料，其中处理荧光材料的方法见发 明内容。该粒料中荧光材料的含量高，可作为塑料光转换发光母料使用，使用时将母料 与PMMA或PC树脂混合，生产白光LED制品或指示器件。
权利要求
1.塑料光转换荧光粒料，其特征在于所述塑料光转换荧光粒料由荧光材料、聚合物 树脂和助剂组成，各组分和质量百分比组成如下荧光材料0.5% 75.0%聚合物树脂15.0% 99.0%助剂0.5% 10.0%其中所述荧光材料为铝酸盐荧光材料、硅酸盐荧光材料、硅氮化物荧光材料及硫 氧化物荧光材料中的一种或两种的组合；其被做为激发光源的发射光谱在440 475nm 范围内的蓝光LED激发，吸收激发出至少一个以上峰值波长在525 650nm范围内的发 射光谱；荧光材料所发的光与蓝光LED所发的光复合成白色的光或其它色彩的光；所述聚合物树脂为聚甲基丙烯酸树脂、聚碳酸酯或乙烯-醋酸乙烯酯共聚物；所述助剂为芥酸酰胺、N，N-乙撑双硬脂酰胺、液体石蜡、聚乙烯蜡。
2.根据权利要求1所述的塑料光转换发光粒料，其特征是所述聚合物树脂为聚甲基丙 烯酸甲酯或聚碳酸酯。
3.根据权利要求1所述的塑料光转换荧光粒料的制法，采用挤出机挤出造粒法，其特 征在是在挤出造粒之前选用硅烷偶联剂对荧光材料进行表面处理将硅烷偶联剂溶于二 甲苯中，用喷雾装置将偶联剂均勻的喷在荧光材料中，制成处理好的荧光材料备用，硅 烷偶联剂用量为荧光材料质量的0.5%。
4.根据权利要求1所述的塑料光转换荧光粒料的应用，其特征是，用所述塑料光转 换荧光粒料可直接加工各种LED灯具中的塑料透镜、透镜部件或灯具的外壳，还可以加 工发光指示器件的塑料配件，用塑料光转换荧光粒料加工的上述制件由于具有光转换功 能，受蓝光激发后转变成白光或其它色彩的光，最终制成白光LED灯具及发光指示器 件，或其它色彩的灯具及指示器件。
全文摘要
塑料光转换荧光粒料，取代传统的LED封装工艺，选用适合做LED灯具的聚合物树脂，选用特殊的办法对荧光材料进行处理，成功地将聚合物树脂、助剂及荧光材料结合到一起制成塑料光转换荧光粒料，避免了加工中的分散不均及制品变黑，可直接加工各种LED灯具中的塑料透镜、透镜部件或灯具的外壳，还可以加工发光指示器件的塑料配件，用塑料光转换荧光粒料加工的上述制件由于具有光转换功能，受蓝光激发后转变成白光或其它色彩的光，最终制成白光LED灯具及发光指示器件，或其它色彩的灯具及指示器件。
文档编号F21V5/04GK102020819SQ20091018742
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月16日 优先权日2009年9月16日
发明者吴粤宁, 张锦虹, 李茂龙, 肖志国, 陈涛 申请人:大连路明发光科技股份有限公司