改进的LED材料:加工商的新选择

作者:本刊记者Lilli Manolis Sherman 文章来源:PT《现代塑料》 发布时间:2017-04-26
LED技术的快速发展,促进了针对各种照明元件的新配方开发。本文介绍了在这个突飞猛进的领域中的若干开发实例。

照明制造商和设计人员正在抛弃传统照明,支持发光二极管(LED)技术,因为发光二极管更节能,拥有更长的使用寿命,并且对环境无害。这促使材料供应商针对照明应用大力发展新配方,比如内部和外部照明,汽车和交通照明,电视、电脑和智能手机的背光,以及标牌和广告牌等。所有这些都意味着这个新兴市场中的加工商,主要是注塑商和片材挤出商,有了更多的选择和新的机遇。

加工商可以选择的新树脂包括透明、光漫射、阻燃和反射牌号,用于镜片、光学器件、漫散器、反射器和灯具外壳。丙烯酸和聚碳酸酯大体上取代了LED灯和灯具中的玻璃(“灯泡”在LED世界中被认为是过时的)。最近,液体硅橡胶(LSR)加入到它们的行列中;用于镜片和外壳的特种刚性PVC也应运而生;新型TP聚酯和尼龙用于外壳和插口,不透明PC用于反射器;还有新的导热复合物,用以取代压铸铝制造散热器。

材料供应商们都意识到了挑战,并努力适应LED的飞速发展,来满足性能和成本的目标。科思创(Covestro)公司聚碳酸酯电气工业经理Kevin Dunay说道:“LED照明市场持续快速增长,因为消费者都认识到这种技术的好处要超过白炽灯和荧光灯。LED灯具的价格也一直在下降,但消费者对它的广泛认可仍然存在障碍。成本中很大的一部分是由于灯具材料的选择,比如用于散热器的铝,这会导致更困难的装配过程。绝大多数的LED照明产品可能受益于塑料材料的使用,通过部件整合增加了设计自由度并降低了装配成本。”

镜片和光学器件

科思创公司已经开发出若干新型PC牌号,用于透明或漫射镜片和光学应用。Dunay指出,虽然丙烯酸酯具有较高的透光性能,但PC得益于较高的冲击强度和耐热性(一般为125℃)以及较高的阻燃性能,这些性能对于LED照明都是很重要的。科思创公司的PC新产品如下:

1.高透光牌号

Makrolon LED2045、LED 2245和LED2643 PC新牌号具有大于90%的透光量并在LED发射光谱中吸收非常少。这些配方加强了稳定性,在强烈LED曝光下的长期耐久性试验中表现良好。LED2245可用于高透光的家庭和商业应用中,如筒灯和PAR30(抛物面镀铝反射)灯的光学器件及镜片。在汽车中,它在前照灯中用于光导和光管,并作为日间行车灯使用。它也适用于汽车内饰的光导。

科思创公司的高透射Makrolon LED 2245 PC作为光导、光管及日间行车灯应用于汽车前灯中

LED2643具有内在紫外线稳定性,当结合UV涂层或科思创的Aura浸渍技术,它被认为是街道和停车场照明的一个明确选择。

2.阻燃牌号

科思创公司制备了阻燃牌号,这些牌号具有更好的阻燃性(1.5mm的UL94 V-0级,和3mm的5VA级),如透光量超过88%的Makrolon FR7087。这些新牌号能实现更薄镜片的设计;并且因为它们可以被用来制作防火或电器部件,UL等级可以不需要全装配的测试。

3.LED光漫射牌号

为了使刺眼的LED照明光线柔和,或者为了提供更宽广的视角,制造商通常会选择发散光线。通过在PC主体中增加漫射颜色,或在镜片后面嵌入一层薄的漫射膜,或通过在成型模具上增加纹理来形成一个表面漫射,都可以实现光线发散。后两种方法会增加成本,无论是额外的组装还是模具改动。为此,科思创公司开发了新的漫射颜色,半值角测量(DIN 58161)表明,它提供范围较广的光管理,同时保持高透光量。这样,利用材料中的漫射特性,就不需要薄膜组件或模具处理。

对于较大的热成型显示应用,Makrolon Lumen XT片材据报道可提供均匀的光漫射和高透光量,以及较高的使用温度和丙烯酸片材中没有的耐冲击性。它擅长于提供温暖或凉爽的色调,增加了灯具的设计灵活性。

4.紫外保护过程

PC随着在户外暴露时间的延长而变黄;虽然紫外线吸收剂提供足够的短期至中期保护,但长期保护需要二次应用紫外线吸收涂层,这增加了成型部件的成本。据称,使用科思创的Aura UV浸渍技术可提供与涂层相媲美的紫外保护,同时它不会随着时间的延长而脱落或起泡。

Aura UV浸渍技术被独家授权给美国Radco浸渍技术公司。该技术可在很短的时间内把成型部件浸渍于一种水性溶液中,然后此溶液会把紫外线稳定剂分子集中在所指定的部件表面上。

5.耐高热牌号

科思创公司新的耐高温Apec 2097 PC具有202℃的维卡软化温度,长期耐温达150℃。它用来满足更高的耐热要求,如在回流焊光学元件中,作为表面安装设备部件的相机镜片或LED光学器件,通过回流焊工艺安装在印刷电路板上。

同时,一款新的丙烯酸漫射牌号最近被Evonik Cyro公司推出。这款增强型WD85X系列是Evonik公司背光用Acrylite Satinice光散射聚丙烯酸酯产品组合中的新增产品。“增强型Satinice版本用更大的漫射来进一步扩大增加的光透射范围,这是基于客户的不断需求来开发的产品。” Evonik Cyro公司光管理市场开发经理Christopher Walby说。

该系列由4个新牌号组成,可以采用挤出和注塑成型,提供了各种漫射性能。它们可以混合,针对特定的应用形成更适合的漫射度。Walby指出,在当今的LED市场中,漫射对于隐藏“过热点”是个关键。据报道,最终的漫射产品将具有客户喜爱的纹理。

Evonik Cyro公司已成为光学元件供应商Jungbecker在北美的独家材料提供商。据Walby称,客户现在可以获得精密光学器件和订制解决方案,用于漫射、去强光(deglaring)和光导应用,并允许更大的灵活性来适应不断变化的LED技术和设计规范。Jungbecker公司的产品可用于背光和边缘照明应用。

片材挤出商现在可以利用精密光学和订制解决方案,来实现漫射、去强光和光导应用,例如这种光学显微结构(图片来自Evonik)

为了符合灯具设计整合侧光式技术的发展趋势,Evonik公司为侧光式灯具开发了一款即用型光导板(LGP),它带有一层光学级丙烯酸酯光导层、一种已经获得应用的白色反射器(98%的反射率)和订制印刷的梯度模式。这种新型LGP(Acrylite WH003),允许灯具制造商能够从Evonik公司购买到完整的高质量LGP,并把这个完整的光学元件“放”进其设计之中。该产品尺寸可以在一定的参数范围内切割并进行热成型。

普立万公司(PolyOne)将提供一种优质的光漫射片材,它可以透射80%~90%的光,同时有效漫射穿过镜片的LED光。UltraTuf LED片材是以伊士曼化工公司的Spectar Stratus共聚酯为基体,该产品已获得室内空气质量UL Greenguard认证。据报道,除了深度撑压的能力外,该片材抗冲击性能要比大多数的光漫射材料高15倍。

普立万公司还提供硬质PVC配方Resilience LS(Luminaire系列),用于镜片和外壳。

高功率LED光学器件中的LSR

由于设计人员增加LED中的驱动电流水平,同时降低照明灯具的整体尺寸,因此新兴LED的工作温度接近150℃甚至更高。“这样的温度会导致传统的环氧树脂和热塑性塑料如聚碳酸酯或丙烯酸酯随着时间的推移变黄和物理降解。”迈图公司(Momentive)高级全球项目经理Hee-Seok Hwang说,LSR与之相反,比如该公司的Silopren LSR 7000系列,展示了在温度达到200℃或更高情况下的色泽稳定性和良好的物理性能,这有助于确保新一代LED光源满足所期望的长期光效率要求。

LSR供应商称,他们的材料将实现长寿命的LED照明,这在以前对于户外、技术照明和汽车等应用而言是不可能的。他们还强调LSR的透明度和颜色已被证明受到老化的影响是最小的。这对于汽车前照灯的应用特别重要。

LSR供应商另称,他们的材料也赋予设计师更多的自由度。Hwang表示:“有机硅材料的独特力学性能正推动着次级光学器件、光导和其他光学器件新的设计可能性,这些部件使用热塑性塑料或玻璃很难或不可能制作。”

迈图公司最近在其超透明Silopren LSR 7000系列中新增加了Silopren LSR 7180产品,以提供户外照明和特种照明所要求的高阻燃性能,同时又不损失透明性和长期的色泽稳定性。据报道,SiloprenLSR 7180也是LED照明光学器件、镜片和光导的优秀候选材料,它们要求高的流明效率、优良的光透射和热稳定性。该材料可提供UL94V-和5VA阻燃级别,并根据UL 746C被评为户外使用的f1级别。

迈图公司的Silopren LSR 7189具有户外照明和特种照明所要求的高阻燃性,同时不会损失透明度和长期的色泽稳定性

信越有机硅美国公司的北美市场营销经理Eric Bishop称,该公司的LSR在镜片和光学器件、LED驱动器、光引擎及大功率COB(板上芯片)电子元件中正发挥越来越多的作用。其光学透明LIMS(液体注射成型系统)的KE-2062系列,硬度为邵氏A 30~70,提供热塑性同类产品的透明度以及达200℃的更高耐热性。

信越最新的LIMS产品是X-34-1972-3,专门满足尖端LED技术对耐热/亮度性能越来越高的要求。这种硬度为邵氏A 70的LIMS具有95%的透明度,被认为很适合于路灯照明、汽车和室外照明的LED。其优异的耐高温性可使成型的有机硅光学器件被定位在靠近LED光源的位置。Bishop说道:“新一代高亮度LED系统正在变得越来越热,因为光输出量持续增加。而我们的X-34-1972-3材料的先进技术性能提供了在这些更高的工作温度下无与伦比的耐热性和透明度。”

信越公司最新的LSR具有95%的透明度,可满足尖端LED技术对耐热/亮度性能越来越高的要求

道康宁公司全球行业总监Hugo da Silva称,该公司3年前推出可模塑有机硅LSR,现在已扩大了其光学级解决方案组合,从而增加了LED照明设计的灵活性。道康宁的高透明MS-1002可模塑有机硅最近被一家为执法和琥珀市场提供照明和电子预警解决方案的全球领导者SoundOffSignal公司使用,以形成其新的ClearDuty光学技术——先使用LSR制作出一种复杂的镜片阵列,然后通过两次注射工艺用半透明、易着色可模塑有机硅MS-002重叠注塑。

散热器

树脂供应商一直在努力替换传统压铸铝散热器中的铝材料。科思创公司的Dunay指出,使用塑料散热器可以方便为想要通过电脑或移动设备来控制LED灯的厂家添加蓝牙或Wi-Fi芯片,因为塑料能提供比铝更低的信号衰减。

由于较高的温度减少了光输出,因此LED的热管理仍然是一个关键的挑战。朗盛公司(Lanxess)高性能材料业务单位技术总监Jose Chirino说道,该公司推出了一种新的尼龙6复合物Durethan TP723-620,它含有高含量的矿物增强材料,用于LED和电子设备的热管理。

据称,这种复合物提供了以前在这种材料类别中没有实现的性能组合:优异的导热性结合高光反射性和优良的阻燃性能。基于填料的颗粒形状,这种新复合物的导热性具有方向性,沿流动轨迹可达到2.5W/mK。这比标准的30%玻璃纤维填充尼龙6要高10倍左右。

科思创公司推出了两款具成本效益的PC:Makrolon TC 8010和TC8030,导热率可达22W/mK。在热模拟和物理测试中,具有22W/mK导热率的PC散热器和导热率为100W/mK的铝散热器性能相似。该公司声称,通过降低劳动成本、简化物流和延长模具寿命,用导热PC制成的散热器可以比铝降低成本达30%。Makrolon TC8010和TC8030可被用于越野灯、高悬灯具及工作灯中的散热器。

普立万公司提供其ThermaTech导热配方,该配方采用专有的添加剂并选择几种工程热塑性塑料,包括尼龙66、PPS和PPA。有关测试已证明它们的导热率得到了极大改善(是常规塑料的50~100倍),并且具有较低的热膨胀系数、固有的耐腐蚀/抗氧化性,成本也比机加工部件更低。

普立万公司的导热配方适合于散热器

反射器、外壳和插口

朗盛公司最近推出了4款用于LED芯片外壳和插口的新型复合物,它们以该公司产品线中的一种新聚酯PCT为基体。这些矿物和/或玻璃纤维增强的新型复合物,包括Pocan TP 555-911、991、912和992,在450 nm波长下可达到93%的高反射水平,甚至接近96%。它们被用于LED外壳,几乎完全反射LED的光,亮度损失很小。据称,在标准LED工作条件下,其良好的反射率随时间的延长减少得很小。这是耐高温尼龙的主要优势,在光和热的暴露下不易变黄而造成光反射下降。

据称,这些PCT复合物还提供非常高的热变形温度的优势,能够轻松承受240~280℃,这个温度是LED芯片采用无铅气相焊的温度。该复合物还可以在一个宽的加工窗口中注塑成型;良好的流动性则使芯片外壳和插口可设计成薄壁和微小尺寸。

朗盛公司的高反射PCT复合物用于LED芯片外壳,它几乎完全反射LED的光,使亮度损失降到最低

为了满足LED灯具和固定装置以外部分(如反射器)的要求,科思创公司已经开发出新型不透明PC牌号系列。Makrolon白色反光牌号拥有高达96%的漫反射率,可在凹形反光槽的注射成型或挤出成型中使用,用于荧光灯替代旧部件。

家庭和办公室中的筒灯通常使用经过涂漆或具有粉末涂层的金属制成的反射器。Makrolon反射牌号通过消除二次工艺并提供一个现成组装的部件,可提供一个成本更低的替代品。

在汽车中,尾灯的反射白色外壳已不需要采用金属反射镜,这样通过减少生产步骤和废料,能显著降低成本。

科思创公司现在还提供一种不透明的(通常是灰色或黑色)耐高温PC( Apec1895),用于有时需要金属化的仪表盖和反射镜。该材料经常出现在汽车雾灯中,可同时满足高的流明与紧凑的安装空间要求。

Pathway筒等的抛物装混合室采用道康宁的白色反射有机硅MS-2002注塑而成

道康宁公司的高反射白色有机硅MS-2002,被先进照明灯具的主要生产商Pathway照明公司在其新的可调节筒灯中使用,反射率高达99%。这种筒灯的抛物状混合室采用MS-2002注塑而成,可帮助确保灯具即使在暗淡时也保持一致的颜色温度。

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