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LED 材料哪家强?是找 PC 还是玻璃或 PMMA?

着LED照明的采用率不断攀升,照明制造商正在追求照明应用传统材料之外的材料,以推动创新设计和外形、提高效率、克服持续的成本障碍。虽然传统上制造商在固态照明(SSL)应用中使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),接着是玻璃。现在,聚碳酸酯树脂(PC)越来越多地成为透镜、灯罩、灯管、导管柱、扩散器和反射器。今天,大约90%的替代白炽灯的改装LED灯由PC材料制成。


LED设计人员通过选择PC(而非玻璃和PMMA)实现了多项优势,包括更强的抗冲击性和耐热性、可燃性等级提高和增加设计灵活性。虽然玻璃和PMMA由于其高透光率和强耐候性而与PC保持竞争,但是最新的专业PC正在迅速缩小差距。作为LED设备的候选材料,聚碳酸酯对玻璃和PMMA构成了巨大的挑战,并且正在推动住宅、商业和户外LED设计的进步。

    PC打开住宅市场


许多国家已经开始过渡,远离传统照明源,这要归功于消费者对节能减排的高度关注,以及政府法规推动逐步淘汰低效率的灯泡。但是,要想全面替代白炽灯和紧凑型荧光灯(CFL) ,LED必须解决成本问题,成本仍然是其进入大众住宅市场的主要障碍之一。由于需求增长,消费者需要看到并了解投资有更长使用寿命的技术带来的好处。


耐用性和耐冲击性是住宅环境中的重要标准,因为居民安装灯时掉落或对更换灯处理不当的情况很常见。PC提供的耐冲击性,在实验室中抗弯冲击打破样品时用kJ/m2(千焦耳/平方米)进行测量,明显高于玻璃和PMMA。在实际冲击测量中,PC的性能超过PMMA的10倍,玻璃的30倍。


使用PC生产的LED装置也比使用PMMA生产的更安全,后者在阻燃性和耐热性方面表现不佳。根据UL 94标准,某些PC获得了“5VA”等级,这是阻燃性的最高等级。另一方面,PMMA获得UL 94评级的“HB”,这是排名中最低的。此外,PC可以在高达130°C的温度下连续使用,而PMMA只能达到90°C。表1总结了PC和PMMA的重要特性,供固态照明产品开发人员参考。



聚碳酸酯

PMMA

易燃性(UL94等级)

5VA---V2

HB 1.6 mm

热变形温度 (0.45MPa)(℃)

131

103

应力断裂(MPa)

70

77

抗冲击性(23℃时的Charpy冲击强度)

不断裂

20 kJ/m2

折射率

1.58

1.49

表1

PC和PMMA的规格比较。


    产生更柔和的固态照明


为了在住宅环境中增加对LED的需求,照明设计师还必须解决LED照明设备的质量问题,使灯光更柔和,更接近于白炽灯泡。具有乳白色或磨砂效果的扩散材料可以屏蔽LED光源,有助于均匀分布光线并减少眩光。假如没有扩散,LED光源会产生刺眼的白色亮点。


同时,设计人员必须平衡柔和白光的美学需求与光传播之间的关系。太多的扩散可能意味着过度的光照度损失,使灯泡效率降低。


PC擅长在扩散与光传播之间取得微妙的平衡。新一代聚碳酸酯可以屏蔽热点而不影响光透射。当用于LED球罩或透镜盖时,PC提供有效的扩散,无需二次镜片或组件,从而消除成本、复杂性和重量。使用PMMA制造的扩散器通常需要多个组件,增加了LED设计的重量和复杂性。


表2显示了当今LED设计人员可用的PC级别提供的透射和光散射。透明级别的SABIC的LEXAN LUX C树脂产品提供了1 mm 91.5%的光传输,比传统PC的89%有显著的改善,仅次于92%的PMMA。对于需要更大扩散的照明应用,LEXAN LUX C树脂扩散级可将光线扩散(表2所示)为光散射度(DLD),或观察到入射光亮度的一半的角度,而不显著减少光传输。



透明LUX C 1 mm

扩散LUX C 1 mm

光传输(%)

91.5

89.4

DLD (度)

N/A

7/1

表2

透明和扩散PC等级的透光率和光散射度。


创造照明均匀性和一致性也给工业和商业用LED带来困难,但PC已经证明在这些环境中是有效的。Intematix公司是一家LED照明荧光材料和光学器件的制造商,该公司选择了SABIC的透明、扩散和反射级别的LEXAN LUX树脂,来制作ChromaLit线性照明系统(图1)。


图1

Intematix公司的ChromaLit照明系统使用远程荧光粉技术和基于聚碳酸酯的光学元件。


ChromaLit采用远程荧光粉技术,该技术使用与蓝色LED能源分离的荧光粉组件,以产生更好的光扩散。荧光粉与能量源的分离产生了更好的照明均匀性。ChromaLit线性系统提供自然均匀的高品质光,与最有效率的蓝色LED一起使用时,系统的转换功效可高达215 lm/w或高达163 lm/W。


    商业照明的设计灵活性


商业和工业用LED灯具制造商也面临许多与住宅市场相同的挑战。照明设计必须实用、有吸引力而且轻便,同时还提供高光效和光均匀性。


为了达到这些复杂的标准,制造商在寻找可以提供设计灵活性的材料,在这个领域玻璃和PMMA落后于PC。特别是,PC可以用于生产尖角和凹口,这种设计特点进一步强化了PMMA在冲击强度方面的弱点。此外,PMMA不能像PC那样在天花板LED应用中保持高度的耐久性和硬度,如图2所示。


图2

玻璃和PMMA无法实现PC那样的尖角和凹口,也不能像PC那样在天花板LED应用中保持高度的耐久性和硬度。


与其他材料(如玻璃)相比,PC也可用于卡扣配合应用。与粘合剂组件不同,使用卡扣连接制成的LED灯和灯具可以轻松地拆卸而不会破坏零件,从而降低生命周期成本和环境影响。有关生命周期影响的更多信息,请参见表3。


影响类别(单位)

LEXAN

PMMA

IPCC GWP 100a(kg CO2当量)

4.1

7.0

总能源需求量(MJ)

104

128

表3

LEXAN树脂与PMMA的环境影响和生命周期的比较。


商业LED设计师面临的另一个根本障碍是释放光学系统内部的光,这种设计缺陷可减少光输出,同时产生不必要的热量,从而降低设备的可靠性和使用寿命。由PC制成的透镜具有高折射率,可以帮助优化光提取,并且还可以将反射器集成到LED模块中,从而实现更薄的透镜和更轻的设计。使用PC透镜,PC反射器也可以有效地集成到光学系统中。通过使用透镜和反射镜,将LED模块的照度最大化,PC明显优于PMMA。


PC还为制造商提供了加工方法的选择,从注塑和吹塑成型到挤出,支持模内注色,形成动态的和弯曲的形状。虽然PMMA也可以通过各种方法进行处理,但是考虑到全球变暖和总能源需求,PC材料在可持续发展和生命周期影响方面优势更明显(见表3中的碳条目)。


    提高户外LED性能

LED越来越多地用于建筑照明、外部和街道照明以及汽车应用。在面临与住宅和工业环境相同的许多挑战的同时,室外LED设计必须解决长期暴露于太阳、雨、风、热、湿和寒冷的影响。


虽然PMMA对于天气和紫外线(UV)辐射抗性方面表现优于PC,但PC仍然在这些领域取得了进展。例如,SABIC的LEXAN SLX树脂专门设计用于缩小PC和PMMA之间在户外应用中的差距。LEXAN SLX树脂可以抵抗由于紫外线曝光而出现的变黄,并且保持其光泽度、颜色稳定性和机械性能的时间比标准PC长五倍以上。


标准PC由于紫外线照射而降级,降低元件的延展性并使其变脆。图3中的室外照明透镜显示了用LEXAN SLX树脂和标准PC制成的组件在用紫外线(UV)曝光2900小时后的变黄比较。为了捕捉差异,将透镜放置在装有175W金属卤化(MH)灯的热室中,在折射器上在120℃下放置2900小时。


图3

LEXAN SLX树脂(左)与使用UV添加剂的标准PC(右)。


    聚碳酸酯的演变


PC技术的进步显著提高了PC对于LED的适用性。材料制造商如SABIC已经投资开发PC材料,通过更轻的重量、更好的机械性能、更高的美观性和更少的次要操作来扩大设计自由度。


图4将SABIC的LEXAN LUX树脂等级与采用UV添加剂的标准PC的热老化进行比较。当在130℃下测试达5000小时时,与测试的两个等级的LEXAN LUX树脂(2180T和2110T)相比,标准PC显示出更大的色移,通过增量Yi的增加或黄色指数来表示。


图4

2.5 mm材料在130°C热老化后的色移动。


由于LED器件寿命特别长(长达10-15年),寿命也是LED元件和材料的一个关键因素。如图5所示,SABIC的LEXAN LUX树脂等级在热老化2000小时后,其传输百分比优于标准PC。


图5

2.5 mm材料在130°C热老化后的透光率偏差。


    使用聚碳酸酯


虽然折射率(RI)的差异必须考虑在内,但是设计人员和OEM厂商可以用与PMMA和玻璃开发产品的方式开发产品。尽管可以使用相同的预测建模工具,SABIC还可以提供双向散射分布函数(BSDF)文件,使产品工程师可以预测其设计的透明材料和扩散材料的结果。此外,PC还可以使用与PMMA相同类型的模塑机 - 注射成型机、挤出机和吹塑机 - 进行处理。使用符合UL 94阻燃等级的PC也可以缩短产品开发时间,并可能消除对设备燃烧测试的需求。


虽然LED技术的未来很光明,但仍处于相对较早的发展阶段,尚未实现大规模市场突破,进而成为住宅、商业和户外环境中的主要照明形式。但是,制造商和工程师们正在正面这些挑战,每天都会出现令人兴奋的新设计。解决LED行业复杂且不断变化的规格,需要不断投入新的和改进的PC材料。


本文来源:James  CNLED网

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