劉 言， 吳大鳴， 王海軍， 鄭秀婷

(1.北京化工大學(xué)，北京 100029；2.高分子材料加工裝備教育部工程研究中心，北京 100029)

引言

格柵燈廣泛應(yīng)用于商業(yè)照明領(lǐng)域，隨著“綠色照明”的興起[1]，基于二次配光的高效配光材料的研究十分必要。傳統(tǒng)光擴(kuò)散材料通常采取增加光擴(kuò)散劑的方法增加材料的光散射能力，由于光擴(kuò)散劑對光的吸收和遮蓋等原因會引起透光率下降[2-4]。本文研究了基于表面微結(jié)構(gòu)的新型光擴(kuò)散材料。通過在擴(kuò)散板表面設(shè)置微結(jié)構(gòu)，可以使光線按幾何光學(xué)進(jìn)行擴(kuò)散[5-6]。由于表面微結(jié)構(gòu)的存在，可以減少或避免添加光擴(kuò)散劑[7-8]。

目前格柵燈應(yīng)用的反射材料主要有金屬反射材料和表面磨砂型反射材料，金屬材料反射率高，但是容易鏡面反射，并且面臨金屬材料氧化失效的問題[9]。磨砂型漫反射材料漫反射效果良好，但是光線定向性不強(qiáng)。與金屬反射片相比，微結(jié)漫反射材料的反射率和漫反射率有大幅度提高。

微結(jié)構(gòu)配光材料主要包括微結(jié)構(gòu)光擴(kuò)散材料和微結(jié)構(gòu)漫反射材料。將微結(jié)構(gòu)配光材料應(yīng)用在格柵燈上，提高了光效，同時保障了光線出射均勻，減少眩光的出現(xiàn)[10]，增加商業(yè)照明尤其辦公室照明的舒適度[11]。

1 微結(jié)構(gòu)高效配光材料的制備

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

原料：聚苯乙烯(Polystyrene，PS)，PH-88，臺灣奇美；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)：CM211，折射率為1.49，臺灣奇美；鈦白粉TiO2，杜邦鈦白科技有限公司公司；光擴(kuò)散劑聚甲基硅氧烷微球類聚合物，折射率為1.44，韓國科隆。

設(shè)備：雙螺桿擠出機(jī)：科貝隆(上海)設(shè)備系統(tǒng)有限公司；排氣式單螺桿擠出機(jī)：GWS120/38，蘇州金韋爾機(jī)械有限公司；光度儀：中為光電ZWL-9107；積分球：中為光電；

1.2 模具設(shè)計(jì)和制備

為提高加工精度，采用電火花加工的方法在模具型芯表面成型微結(jié)構(gòu)[12-13]。圖1給出了半球形微結(jié)構(gòu)顯微鏡照片，圖2給出了微結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，微結(jié)構(gòu)呈正六邊形排布[14]。

圖1 模具的微結(jié)構(gòu)顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 Microstructure micrographs on the mold

圖2 微結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)Fig.2 Parameters of the microstructure

1.3 成型工藝

采用擠出輥壓法制備PMMA擴(kuò)散板、PS漫反射板。將擠出機(jī)和微結(jié)構(gòu)輥輪壓印設(shè)備相結(jié)合，將聚合物物料通過擠出機(jī)熔融擠出形成片材后，利用輥輪微壓印設(shè)備直接在擠出的片材表面上壓印出微結(jié)構(gòu)[15]，圖3、圖4為成型制品。PMMA擴(kuò)散板成型過程中添加一定量的光擴(kuò)散劑，PS漫反射板成型過程中添加一定量的鈦白粉[9-10]。

圖3 PMMA擴(kuò)散板及表面微結(jié)構(gòu)Fig.3 PMMA diffuser and the microstructure

圖4 PS漫反射板及表面微結(jié)構(gòu)Fig.4 PS diffuse reflective plate and the microstructure

1.4 PMMA擴(kuò)散板、PS漫反射板性能檢測

拉伸屈服強(qiáng)度按照GB/T 1040.2—2006測試，沖擊強(qiáng)度按照GB/T 1043.1—2008測試，洛氏硬度按照GB/T 3398.1—2008測試，熱變形溫度按照GB/T 1634.1—2008，透光率和霧度按照GB/T 2410—2008測試，反射率和漫反射率用光譜測色儀和標(biāo)準(zhǔn)白板測試(見表1、表2)。

表1 PMMA擴(kuò)散板性能測試Table 1 Performance test of PMMA diffuser

表2 PS漫反射板性能測試Table 2 Performance test of PS diffuse reflective plate

2 光學(xué)性能測試分析

2.1 格柵燈的選擇和制備

對照組：雷士格柵燈600mm×600mm，雷士擴(kuò)散板；實(shí)驗(yàn)組：加PS漫反射板自制燈600mm×600mm，自制PMMA擴(kuò)散板600mm×600mm。燈具功率均為54W，3根18W雷士T8節(jié)能燈，鎮(zhèn)流器等其他電子元器件一樣(見圖5～圖7)。

圖5 雷士格柵燈Fig.5 NVC grille lamp

圖6 自制格柵燈Fig.6 Self-made grille lamp

圖7 雷士格柵燈擴(kuò)散板Fig.6 NVC grille lamp with the NVC diffuser

2.2 光通量及光效測試分析

采用積分球?qū)资扛駯艧?、自制格柵燈、加自制擴(kuò)散板自制格柵燈和加雷士擴(kuò)散板自制燈進(jìn)行測量，測量結(jié)果如表3所示。

表3 不同類型格柵燈光通量和光效Table 3 Luminous flux and luminous efficacy of different grille lamps

通過表3前兩組數(shù)據(jù)可以看出：采用微結(jié)構(gòu)漫反射板相對金屬反射板來說，能夠顯著的提高光效，提升40%以上；具體原因主要是：(1)反射粒子TiO2能夠?qū)饩€起反射作用，提高了漫反射板的反射性能，光線在反射罩表面被多次反射；(2)反射粒子TiO2在可見光范圍內(nèi)幾乎不吸光，和金屬反射板相比，降低了光能的損失；(3)微結(jié)構(gòu)的存在減少了光線發(fā)生鏡面反射的幾率，提高了反射罩的漫反射率。

通過表3后兩組數(shù)據(jù)可以看出：微結(jié)構(gòu)PMMA擴(kuò)散板的使用，與不加擴(kuò)散板相比會損失一部分光效，但是相對于普通只摻加散射粒子的擴(kuò)散板透光率高20%以上。具體原因主要是由于表面微結(jié)構(gòu)的存在，可以減少或避免添加光擴(kuò)散劑，從而減小因?yàn)楣鈹U(kuò)散劑的添加導(dǎo)致的透光率減小。

2.3 不同類型格柵燈的子午面配光曲線

采用光度儀對雷士格柵燈、自制格柵燈、加自制擴(kuò)散板自制格柵燈和加雷士擴(kuò)散板自制燈進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖8—圖10所示。

圖8 雷士格柵燈Fig.1 NVC grille lamp

圖9 加雷士擴(kuò)散板自制格柵燈Fig.9 Self-made grille lamp with NVC diffuser

圖10 加自制擴(kuò)散板自制格柵燈Fig.10 Self-made grille lamp with self-made diffuser

類型縱向光束角/°橫向光束角/°雷士格柵燈94.9105.8加雷士擴(kuò)散板自制格柵燈108.3117.3加自制擴(kuò)散板自制格柵燈105.0113.4

從表4中可以看出，加擴(kuò)散板相對于不加擴(kuò)散板，光線更均勻；微結(jié)構(gòu)PMMA擴(kuò)散板與普通擴(kuò)散板相比均勻性相差不大，都能達(dá)到較好的均勻效果。具體原因是：微結(jié)構(gòu)的存在減少了光線發(fā)生鏡面反射的幾率，提高了反射罩的漫反射率，從而提高了光照均勻度；光線投射到微結(jié)構(gòu)PMMA擴(kuò)散板表面時，一部分光線被反射到反射板表面重復(fù)利用，提高了光能利用率；另外一部分光線從微結(jié)構(gòu)PMMA擴(kuò)散板內(nèi)部透射出去，經(jīng)表面微結(jié)構(gòu)的作用后向四周擴(kuò)散，從而降低了中心區(qū)域的亮度，使得整個出光面比較均勻。

3 結(jié)論

在PMMA基材內(nèi)部添加光擴(kuò)散劑以及在表面添加有序微透鏡陣列的微結(jié)構(gòu)，能夠顯著提高擴(kuò)散板的擴(kuò)散性能；在PS基材內(nèi)部內(nèi)部添加TiO2以及在表面添加有序微透鏡陣列的微結(jié)構(gòu)，能夠顯著提高反射板的反射性能。經(jīng)試驗(yàn)測試，得出如下結(jié)論：

(1)相對金屬反射板，采用微結(jié)構(gòu)漫反射板能夠顯著的提高光效；

(2)微結(jié)構(gòu)PMMA擴(kuò)散板的使用，與不加擴(kuò)散板相比會損失一部分光效，但是相對于普通只摻加散射粒子的擴(kuò)散板透光率有所提高；

(3)在格柵燈上應(yīng)用微結(jié)構(gòu)高效配光材料，提高了光效，同時保障光線出射均勻。

[1] 顧玲玲，袁樵. 低碳照明設(shè)計(jì)途徑 [J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2012， 23(2)： 74-78.

[2] He Xiaoxiang， Wu Daming， Zhang Yajun， et al. Investigation on transmittance and uniformity of light diffuser plate of scattering optical transmission polymer. Key Engineering Materials， Micro-Nano Technology XIII， 2012， 503： 232-235.

[3] 楊華軍，張愛菊，沈俊才，等.LED照明用聚碳酸酯基光散射材料的研究[J].工程塑料應(yīng)用，2011，39(1)：44-47.

[4] 馬文石，張東橋，段宇，等.單分散聚硅氧烷微球的制備特征及作為光散射劑的應(yīng)用[J]. 高分子材料科學(xué)與工程， 2012， 28(8)： 129-132.

[5] 田大壘， 關(guān)榮鋒， 王杏，等. 用于led的微透鏡陣列的光學(xué)性能研究 [J]. 半導(dǎo)體照明技術(shù)與應(yīng)用. 2008， 9(33)： 775-779.

[6] 于千，吳大鳴，孟慶云.PMMA導(dǎo)光板微結(jié)構(gòu)陣列非均勻排布的設(shè)計(jì)與模擬[J].塑料，2012，41(3)：87-89.

[7] 王海軍，吳大鳴，鄭秀婷，等. 聚丙烯光擴(kuò)散材料的制備及其表征[J]. 塑料，2013， 42(6)： 41-43.

[8] 劉言，吳大鳴，王海軍，等. 光擴(kuò)散劑及微結(jié)構(gòu)對光擴(kuò)散板光學(xué)性能的影響[J]. 塑料，2014， 43(1)： 49-51.

[9] 計(jì)紅艷，劉穎，鄭秀婷，等. 微結(jié)構(gòu)對聚合物漫反射性能的影響[J]. 高分子材料科學(xué)與工程，2013， 42(6)： 41-43.

[10] 解輝. 辦公照明的現(xiàn)狀與發(fā)展 [J]. 照明工程學(xué)報(bào). 2013， 24(2)： 105-114.

[11] 楊公俠，楊旭東.不舒適眩光與不舒適眩光評價(jià) [J]. 照明工程學(xué)報(bào). 2006， 17(2)： 11-15.

[12] 王偉， 周常河. 一種新型聚合物微透鏡陣列的制造技術(shù) [J]. 中國激光. 2009， 36(11)： 2869-2872

[13] 李榮彬， 杜雪， 張志輝，等.光學(xué)微結(jié)構(gòu)的超精密加工技術(shù) [J]. 納米技術(shù)與精密工程. 2003， 1(1)： 57-61

[14] He Xiaoxiang， Zheng Xiuting， WuDaming，et al. Effect of aspect ratio of micro sphere lens arrays on the optical property of diffuser. Advanced Materials Research， 335-336：147-152， 2011.

[15] Zhu J H， Shi J X， Wang Y， et al. Spherical micro-lens array of PMMA produced by micro-molding [J]. Chines Journal Of Chemical Physics， 19 (5)： 443-446.