PK玻璃與PMMA,LED燈具材料為何是PC取勝?

來源:LEDinside

隨著LED照明的采用率不斷攀升,照明制造商正在追求照明應用傳統材料之外的材料,以推動創新設計和外形、提高效率、克服持續的成本障礙。雖然傳統上制造商在固態照明(SSL)應用中使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)- 接著是玻璃?,F在,聚碳酸酯樹脂(PC)越來越多地成為透鏡、燈罩、燈管、導管柱、擴散器和反射器。今天,大約90%的替代白熾燈的改裝LED燈由PC材料制成。

LED設計人員通過選擇PC(而非玻璃和PMMA)實現了多項優勢,包括更強的抗沖擊性和耐熱性、可燃性等級提高和增加設計靈活性。雖然玻璃和PMMA由于其高透光率和強耐候性而與PC保持競爭,但是最新的專業PC正在迅速縮小差距。作為LED設備的候選材料,聚碳酸酯對玻璃和PMMA構成了巨大的挑戰,并且正在推動住宅、商業和戶外LED設計的進步。

PC打開住宅市場

許多國家已經開始過渡,遠離傳統照明源,這要歸功于消費者對節能減排的高度關注,以及政府法規推動逐步淘汰低效率的燈泡。但是,要想全面替代白熾燈和緊湊型熒光燈(CFL) ,LED必須解決成本問題,成本仍然是其進入大眾住宅市場的主要障礙之一。由于需求增長,消費者需要看到并了解投資有更長使用壽命的技術帶來的好處。

耐用性和耐沖擊性是住宅環境中的重要標準,因為居民安裝燈時掉落或對更換燈處理不當的情況很常見。PC提供的耐沖擊性,在實驗室中抗彎沖擊打破樣品時用kJ/m2(千焦耳/平方米)進行測量,明顯高于玻璃和PMMA。在實際沖擊測量中,PC的性能超過PMMA的10倍,玻璃的30倍。

使用PC生產的LED裝置也比使用PMMA生產的更安全,后者在阻燃性和耐熱性方面表現不佳。根據UL 94標準,某些PC獲得了“5VA”等級,這是阻燃性的最高等級。另一方面,PMMA獲得UL 94評級的“HB”,這是排名中最低的。此外,PC可以在高達130°C的溫度下連續使用,而PMMA只能達到90°C。表1總結了PC和PMMA的重要特性,供固態照明產品開發人員參考。

表1. PC和PMMA的規格比較。

產生更柔和的固態照明

為了在住宅環境中增加對LED的需求,照明設計師還必須解決LED照明設備的質量問題,使燈光更柔和,更接近于白熾燈泡。具有乳白色或磨砂效果的擴散材料可以屏蔽LED光源,有助于均勻分布光線并減少眩光。假如沒有擴散,LED光源會產生刺眼的白色亮點。

同時,設計人員必須平衡柔和白光的美學需求與光傳播之間的關系。太多的擴散可能意味著過度的光照度損失,使燈泡效率降低。

PC擅長在擴散與光傳播之間取得微妙的平衡。新一代聚碳酸酯可以屏蔽熱點而不影響光透射。當用于LED球罩或透鏡蓋時,PC提供有效的擴散,無需二次鏡片或組件,從而消除成本、復雜性和重量。使用PMMA制造的擴散器通常需要多個組件,增加了LED設計的重量和復雜性。

表2顯示了當今LED設計人員可用的PC級別提供的透射和光散射。透明級別的SABIC的LEXAN LUX C樹脂產品提供了1 mm 91.5%的光傳輸,比傳統PC的89%有顯著的改善,僅次于92%的PMMA。對于需要更大擴散的照明應用,LEXAN LUX C樹脂擴散級可將光線擴散(表2所示)為光散射度(DLD),或觀察到入射光亮度的一半的角度,而不顯著減少光傳輸。

表2.透明和擴散PC等級的透光率和光散射度。

創造照明均勻性和一致性也給工業和商業用LED帶來困難,但PC已經證明在這些環境中是有效的。Intematix公司是一家LED照明熒光材料和光學器件的制造商,該公司選擇了SABIC的透明、擴散和反射級別的LEXAN LUX樹脂,來制作ChromaLit線性照明系統(圖1)。

圖1. Intematix公司的ChromaLit照明系統使用遠程熒光粉技術和基于聚碳酸酯的光學元件。

ChromaLit采用遠程熒光粉技術,該技術使用與藍色LED能源分離的熒光粉組件,以產生更好的光擴散。熒光粉與能量源的分離產生了更好的照明均勻性。ChromaLit線性系統提供自然均勻的高品質光,與最有效率的藍色LED一起使用時,系統的轉換功效可高達215 lm/w或高達163 lm/W。

商業照明的設計靈活性

商業和工業用LED燈具制造商也面臨許多與住宅市場相同的挑戰。照明設計必須實用、有吸引力而且輕便,同時還提供高光效和光均勻性。

為了達到這些復雜的標準,制造商在尋找可以提供設計靈活性的材料,在這個領域玻璃和PMMA落后于PC。特別是,PC可以用于生產尖角和凹口 – 這種設計特點進一步強化了PMMA在沖擊強度方面的弱點。此外,PMMA不能像PC那樣在天花板LED應用中保持高度的耐久性和硬度,如圖2所示。

圖2. 玻璃和PMMA無法實現PC那樣的尖角和凹口,也不能像PC那樣在天花板LED應用中保持高度的耐久性和硬度。

與其他材料(如玻璃)相比,PC也可用于卡扣配合應用。與粘合劑組件不同,使用卡扣連接制成的LED燈和燈具可以輕松地拆卸而不會破壞零件,從而降低生命周期成本和環境影響。有關生命周期影響的更多信息,請參見表3。

表3. LEXAN樹脂與PMMA的環境影響和生命周期的比較。

商業LED設計師面臨的另一個根本障礙是釋放光學系統內部的光,這種設計缺陷可減少光輸出,同時產生不必要的熱量,從而降低設備的可靠性和使用壽命。由PC制成的透鏡具有高折射率,可以幫助優化光提取,并且還可以將反射器集成到LED模塊中,從而實現更薄的透鏡和更輕的設計。使用PC透鏡,PC反射器也可以有效地集成到光學系統中。通過使用透鏡和反射鏡,將LED模塊的照度最大化,PC明顯優于PMMA。

PC還為制造商提供了加工方法的選擇,從注塑和吹塑成型到擠出,支持模內注色,形成動態的和彎曲的形狀。雖然PMMA也可以通過各種方法進行處理,但是考慮到全球變暖和總能源需求,PC材料在可持續發展和生命周期影響方面優勢更明顯(見表3中的碳條目)。

提高戶外LED性能

LED越來越多地用于建筑照明、外部和街道照明以及汽車應用。在面臨與住宅和工業環境相同的許多挑戰的同時,室外LED設計必須解決長期暴露于太陽、雨、風、熱、濕和寒冷的影響。

雖然PMMA對于天氣和紫外線(UV)輻射抗性方面表現優于PC,但PC仍然在這些領域取得了進展。例如,SABIC的LEXAN SLX樹脂專門設計用于縮小PC和PMMA之間在戶外應用中的差距。LEXAN SLX樹脂可以抵抗由于紫外線曝光而出現的變黃,并且保持其光澤度、顏色穩定性和機械性能的時間比標準PC長五倍以上。標準PC由于紫外線照射而降級,降低元件的延展性并使其變脆。圖3中的室外照明透鏡顯示了用LEXAN SLX樹脂和標準PC制成的組件在用紫外線(UV)曝光2900小時后的變黃比較。為了捕捉差異,將透鏡放置在裝有175W金屬鹵化(MH)燈的熱室中,在折射器上在120℃下放置2900小時。

圖3.? LEXAN SLX樹脂(左)與使用UV添加劑的標準PC(右)。

聚碳酸酯的演變

PC技術的進步顯著提高了PC對于LED的適用性。材料制造商如SABIC已經投資開發PC材料,通過更輕的重量、更好的機械性能、更高的美觀性和更少的次要操作來擴大設計自由度。

圖4將SABIC的LEXAN LUX樹脂等級與采用UV添加劑的標準PC的熱老化進行比較。當在130℃下測試達5000小時時,與測試的兩個等級的LEXAN LUX樹脂(2180T和2110T)相比,標準PC顯示出更大的色移 – 通過增量Yi的增加或黃色指數來表示。

圖4. 2.5 mm材料在130°C熱老化后的色移動。

由于LED器件壽命特別長(長達10-15年),壽命也是LED元件和材料的一個關鍵因素。如圖5所示,SABIC的LEXAN LUX樹脂等級在熱老化2000小時后,其傳輸百分比優于標準PC。

圖5. 2.5 mm材料在130°C熱老化后的透光率偏差。

使用聚碳酸酯

雖然折射率(RI)的差異必須考慮在內,但是設計人員和OEM廠商可以用與PMMA和玻璃開發產品的方式開發產品。盡管可以使用相同的預測建模工具,SABIC還可以提供雙向散射分布函數(BSDF)文件,使產品工程師可以預測其設計的透明材料和擴散材料的結果。此外,PC還可以使用與PMMA相同類型的模塑機 – 注射成型機、擠出機和吹塑機 – 進行處理。使用符合UL 94阻燃等級的PC也可以縮短產品開發時間,并可能消除對設備燃燒測試的需求。

雖然LED技術的未來很光明,但仍處于相對較早的發展階段,尚未實現大規模市場突破,進而成為住宅、商業和戶外環境中的主要照明形式。但是,制造商和工程師們正在正面這些挑戰,每天都會出現令人興奮的新設計。解決LED行業復雜且不斷變化的規格,需要不斷投入新的和改進的PC材料。

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