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1、 20 涂料技术与文摘 Coatings Technology & Abstracts 涂料技术 Coatings Technology 水性光扩散涂层的制备及 在光电领域的应用 Preparation of Waterborne Light-Scattering Coating and Its Application in Photoelectricity Field 宋时森，游波(复旦大学材料科学系，教育部先进涂料工程研究中心，上海 200433)摘 要：摘 要： 光扩散涂层是一类具有特殊光学特性的材料。由于其具有优异的光扩散效果以及透光性，在光电领域有广泛的应用。 综述了光扩散涂层的制备
2、以及在光电领域的应用。 并尝试通过水性树脂替代溶剂型树脂，制备了一种环保型的光扩散涂层。得到的光扩散涂层兼具粒子掺杂效果以及表面微结构，有较高的透光率以及光扩散效果。 关键词：关键词：光扩散；水性涂层材料；光电应用 0 引言 光扩散膜材料是具有很好的光透过性和光散射性的一类材料。为了避免光污染的危害，使用扩散膜材料可以将点光源转换成面光源，使光线形成漫反射来达到匀光的效果，这样整体光源更均匀、柔和、饱满。扩散原理是利用光在不同折射率的介质中穿过，光线产生许多折射、反射、散射的现象，造成光学扩散的效果。光扩散膜材料在照明领域和显示领域具有广泛应用，如应用于液晶显示的背光、透射型屏幕、照明器具、灯
3、饰看板等1-2。 1 光扩散涂层的类型 光扩散膜材料按结构及光扩散原理的差别，主要分为两大类：(1) 掺杂粒子型，(2) 表面微结构型。 1.1 掺杂型光扩散涂层及其制备 传统的掺杂粒子型光扩散膜材料，是将基体树脂和光扩散剂以一定方式均匀混合，再涂布于透明支撑体的一侧或两侧或直接成型得到光扩散材料。其中含有光扩散剂的基体树脂称为光扩散层，光扩散层与支撑体结合得到光扩散膜、光扩散片材或光扩散板等光扩散材料3-5。 将光扩散剂分散在基体树脂中常用的方法是共混法。光扩散剂上一些特定的取代基团及与聚合物体系的良好相容性使其可以直接通过物理共混法将光扩散剂掺杂到基体树脂中，再通过直接涂膜工艺等制备掺杂型
4、光扩散涂层。这种方法成本低、加工方便，便于大规模工业生产。Wang等3采用含有氯化钠水溶液的有机硅乳液为扩散剂，用于光学扩散膜。Kuo等4采用不同窄分布的苯乙烯-丙烯酸酯树脂粒子与热固性丙烯酸酯树脂混合涂覆在透明PET基材上，用于光扩散膜材料。Liu等5采用紫外光固化技术将光扩散涂层涂覆在玻璃基材上，当溶剂挥发时，改性后的光散射颗粒容易聚集在涂层上以消除眩光现象。孟庆华等6通过调节光扩散剂的添加量，制备了聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料， 其透光率与光雾度可达到70%80%。陆馨7等制备了微米级聚苯乙烯/聚硅氧烷核壳结构微球，在PMMA树脂中有良好的光扩散效果。 这类光扩散膜材料掺杂的均匀性
5、对出射光场的均匀性有很大的影响，可回收利用的光线极少，若减少扩散粉体的用量，则无法消除眩光和光纹。 1.2 表面微结构型光扩散涂层及其制备 表面微结构型光扩散膜材料，是基于对透明基材的一侧或两侧表面进行处理，使其表面产生一定的微结构，使之产生光扩散。表面微结构的形成方法很多，可以通过直涂料技术 Coatings Technology 21涂料技术与文摘 Coatings Technology & Abstracts 接对基材表面进行磨砂处理，也可以利用特殊成型模具或浮雕等得到浮雕或喷砂效果表面。表面微结构型可以通过各种方式获得，如模具成型技术、热压印技术、光刻技术、静电喷涂技术、化学刻蚀、全息
6、照相技术等8-11。 如Chang等8采用三维光刻胶和紫外固化技术的方式制备了一种表面具有椭球形微排列结构的光扩散膜。Kim等9采用三维光刻胶技术、金属成型、纳米压印技术相结合，实现了采用微米级技术制备纳米级表面的跨越。No等10报道了一种采用光刻胶制备三维微光结构的方法。通过紫外光光强的控制，可制备所需的微观结构。Wang等11采用酸处理聚二甲基硅氧烷薄膜，具有良好的光扩散效果，可用作光扩散膜。 1.3 上述制备方法的优缺点 掺杂粒子型光扩散涂层一般可采用直接共混、涂膜的方式制备，方法简单，其中掺杂的均匀性对出射光场的均匀性有很大的影响。由于这类材料通过光扩散粒子和基体树脂界面的散射来达到光
7、扩散效果，光在散射过程中难免有能量的损失，因此，在保证光扩散效果时，往往会影响到整体的透光性。对于表面微结构型光扩散材料，光的扩散发生在材料的表面，光线在透过材料过程中能量损失小，因此具有较高的透光率。但表面微结构的均匀性程度决定了扩散光的均匀性，且大多数方法涉及复杂的制造工艺和需要昂贵的仪器。 2 光扩散涂层在光电领域的应用 光扩散涂层由于其独特的光学性质高透光率、高光扩散效果，在照明领域和显示领域具有广泛应用，如应用于液晶显示的背光、透射型屏幕、照明器具、灯饰看板等。 2.1 光扩散涂层在照明领域的应用 由于LED单位面积的发光强度过高，在直视LED光源时会十分刺眼、产生眩光，给人带来非常
8、不适的感觉。鉴于此，一般来说，LED照明电器都需要添加一个扩散材料，强光通过之后产生散射，使光线更柔和、更均匀地向空间发散，这样既保护人的眼睛，也使LED灯更能满足其使用功能。光扩散涂层在LED照明方面有很大的应用前景。 Huang等12采用将表面为微条纹的透镜结构的光学膜与磷光粉膜以及蓝光LED光源整合，具有良好的光扩散效果。LED灯经过光学膜后转化为均匀的面光源。Liu等2将扩散膜和有机发光二极管(OLEDs)整合成一体，得到的产品具有更好的量子效应增强效果，使OLED具有更广泛的应用前景。 2.2 光扩散涂层在显示领域的应用 在液晶显示(LCD)领域，由于LCD本身不发光，需要借助额外的
9、光源，如冷阴极萤光灯管(CCFL)的线性光源或发光二极管(LED)的点状光源。 因此， 需要扩散材料如扩散膜，使其转化为面光源， 达到匀光的效果。 Lin等13将具有光扩散效果的光学膜置于背光源系统，可获得强度均匀分布的背光源。 光扩散膜要求有较好的光学性能，但由于使用环境温度、湿度等影响，光扩散材料容易发生蜷曲变形。Hsu等14采用微拉伸试验、膨胀试验等来表征光扩散膜的机械性能，如杨氏模量、泊松比、残余应力等，研究表明，热处理对扩散膜材料的机械性能有重大影响，主要影响到膜的杨氏模量。Kim等15采用PET/PC/PBT共聚物制作光扩散膜，用于LCD屏幕。研究表明，体系具有良好的耐热性，同时能
10、满足光扩散的要求。 3 水性光扩散涂层的制备 传统的光扩散涂层采用溶剂型涂料体系，在制备与使用过程中，大量的有机溶剂的挥发给环境造成了极大的污染。本课题组采用水性树脂代替溶剂型树脂，用于光扩散涂层的制备，能有效减少对环境的污染。 不同粒径的光扩散球与树脂混合成膜后，光扩散膜表面结构如图 1 所示。薄膜表面为半球形的结构，这样的结构可以提高光扩散膜的光扩散效果。 图 1 光扩散涂层表面结构图 A 在可见波段的透光率仅为 56.9%，透光性较差，无法同时兼顾光透过性及光扩散性的要求。对 B、C 两种光扩散微球制备得到的光扩散膜的光雾度(HAZE)以及可见光总透光率(T.T)测试结果如表 1 所示。
11、从图 1 可以看出，B、C 两种光扩散微球都具有较好的光扩散效果，所得的光扩散膜能同时保证透光率以及光雾度在 80%以上。相对于 C，B 具有更高的光雾度以及更好的透光率。 表 1 光扩散膜雾度以及总透光率测试结果 项目 B C 膜厚/m 80 120 80 120 HAZE/% 84.86 86.48 82.50 83.18 T.T/% 88.69 86.03 84.98 82.87 用 LED 灯以及仪器分析测试了光扩散膜的扩散效果，22 涂料技术与文摘 Coatings Technology & Abstracts 涂料技术 Coatings Technology 分析了不同膜厚对光扩散
12、效果的影响，如图 2 所示。光线透过不含光扩散涂层的 PET 薄膜后呈现两个小亮斑，说明PET 薄膜本身无光扩散效果。而在 LED 灯前放置了光扩散凃膜后， 具有光扩散作用， 两个光斑扩散并重叠成大光圈。通过光强分布分析，研究光扩散效果与膜厚的关系。可以看出，随着膜厚增加，两个光斑逐渐向外扩张、相互重叠，最终合并成一个峰。这表明随着膜厚的增加，光扩散效果提高，同时扩散的均匀性得到改善。 图 2 扩散光分布图 4 结语 近年来，对光扩散涂层的研究不断深入，应用也不断延伸。光扩散涂层独特的光学特性，使其在光电领域有广阔的应用前景。采用水性涂料制备光扩散涂层，同样能得到优异的光学性质，同时，由于水性
13、涂料节能环保、环境友好等优点，将是发展的一个趋势。 参考文献 1 B T LIUA，Y T TENG，R H LEE，et al. Strength of the interactions between light-scattering particles and resins affects the haze of anti-glare filmsJ. Colloids and Surfaces A： Physicochem Eng Aspects， 2011， 389(1-3)，138-143. 2 C C LIU，S H LIU，K C TIEN，et al. Microcavity
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16、 modification of light-scattering particlesJ. Journal of Colloid and Interface Science，2010，350(2)，421-426. 6 孟庆华，郭安儒，张勇杰，等. PS/PMMA 复合材料的光散射J. 光学精密工程，2009，17(11)：2646-2650. 7 陆馨，辛忠. 微米级聚苯乙烯/聚硅氧烷核壳微球的制备、表征及其作为光散射剂的应用J. 化工学报，2006，57(4)：959-963. 8 S I CHANG，J B YOON，H KIM，et al. Microlens array diffuser for a light-emitting diode backlight systemJ. Optics Letters，2011，31(20)，3016-3018. 9 D H KIM，J H LEE，H S LEE，et al. A tran
