光拡散マスターバッチの製造方法とポリカーボネート複合材料の特性への影響

光拡散剤はそのユニークな構造から特殊な光学特性を示し、それによって改質されたポリマーはいくつかの特殊な光学材料の要求を満たすことができる。良好な光学特性を達成するために、光拡散剤の充填量を変化させることにより、PCの光学特性、低照度モルフォロジー、機械特性および熱安定性に対する光拡散剤の効果を調べた。

従来の光拡散の準備方法は、PCにオーロラディフューザーを加えることで、光が微粒子の表面で何度も屈折し、光を均す効果を得る。しかし、光はこの無機粒子を通過できないため、光エネルギーの損失が大きく、増光効果を得ることが難しい。本発明の有機光拡散板自体は光を透過することができ、光エネルギーの損失が小さく、効果的に均一光と光透過の効果を達成することができる。光拡散複合材料を評価する主な技術パラメーターは、光透過率とヘイズである。一般的に、ヘイズの増加は光透過率の減少につながり、日常生活で使用されるランプシェードの透過管理は高くない、言い換えれば、光エネルギーの一部が失われているため、優れた光学特性を持つ光拡散複合材料の開発は、効果的に電気エネルギーを節約することができる。

2.1 実験材料
実験に使用した化学試薬を表2-1に示す。

表2.1 材料と試薬

2.2 実験に使用された主な機器と装置

a.電気式恒温ブラスト乾燥炉

b.二軸同方向押出機

c.プラスチック射出成形機

d.光線透過率/ヘイズ試験機

e.ノッチ付きプロトタイプ

f.電気光学分析天秤

2.3 エキスパートPC/KMP590コンポジットのイメンタル処方

2.4PC/PMMA共重合体の実験処方複合材料

2.5PC/KMP590-Ti複合材料の実験式

2.6 PC/PMMAの実験処方Ti複合材料

(1)粒子径と 粒度分布。
粒子径と粒子径分布のデータに従って、平均粒子径と粒子径分布を求める。
光拡散をエタノールに分散させ、一定濃度に希釈し、5minを超音波で分散させた。粒子径は英国Malvern社製Zetasize 3000HSA nano-particle size and potential analyzer（粒子径分析範囲は2～3000nm）で分析した。

(2）透過型電子顕微鏡（TEM）。
透過型電子顕微鏡（TME）は、加速・集束された電子ビームを非常に薄い試料に透過させ、電子が試料中の原子と衝突して方向を変え、三次元の角度散乱を生じさせる。散乱角度は試料の密度と厚さに関係するため、明暗の異なる画像を形成することができ、主に粒状物質の微細形態や実際の粒子径の観察に使用される。
適量の光拡散剤をエタノール溶液に分散させ、20min超分散させた。試料を懸濁法により膜付き銅ネット上で乾燥させ、タルク粉末を日本電子200CX透過型電子顕微鏡でTEM分析した。

(3) 走査型電子顕微鏡オペ（SEM）。
走査型電子顕微鏡(SEM)は、電子線を用いて試料表面の弾性・非弾性散乱を繰り返し、様々な信号を形成し、その信号を受信・処理することにより、粒状物質の分布や分散状態を観察する分析手法である。最終的に、試料の表面形態を写真管に映し出します。

光拡散剤のSEM分析は、高分解能走査型電子顕微鏡JSM-6700Fで行った。光拡散剤は電気を通さないため、電荷の蓄積を抑えるために、SEM分析の前にLDM150Dスパッタリング装置で試料表面に金を溶射した。

(4) 光線透過率のヘイズ試験。
光拡散板は粉体であるため、試験前に光拡散板を驚かせてプレスし、光透過率/ヘイズテスターでフォグ透過率を試験する。計算式は
光線透過率% = 試料を透過する全光線透過率 / 入射光束 * 100%.
haze% = (装置と試験の散乱光束/試料を通過した全透過光束-装置の散乱光束/入射光束)

(5) B回転 残留試験.
光拡散マスターバッチの一定量を正確に秤量し、箱型抵抗炉に入れ、600℃で4時間燃焼させた後、秤量し、燃焼残渣を測定する。計算式は
実際の含有量% = 燃焼後g / 燃焼前g * 100%

(6) 白さテスト。
光の拡散の白さは、白色度試験機を用いて試験される。

2.5 結果と考察

2.5.1 光拡散剤の性能分析と光拡散マスターバッチの燃焼残渣の実験分析.
(1) 粒径と粒度分布。
3種の光拡散剤の粒度分布を図2.1に示す。KMP590の平均粒径は2.2μm、Tioの平均粒径は3.0μm、Tioの平均粒径は190nmである。KMP590とPMMAの粒度分布範囲は小さく、Tioは複数の粒度分布範囲を持つ。

(2) 顕微鏡的形態.
光拡散剤のTEM分析を図2.2に示す。図からわかるように、KMP590の構造は規則正しく球状であり、PMMAの構造は規則正しく球状であり、TiO2の構造は不規則で粒子状である。

(2) 顕微鏡的形態。
光拡散剤のTEM分析を図2.2に示す。図からわかるように、KMP590の構造は規則的で球状、PMMAの構造は規則的で球状、Tioの構造は不規則で粒子状である。

光拡散剤のSEM画像解析を図2.3に示す。図からわかるように、図aから、Tio2の形状は不規則で、粒子タイプであり、粒子径は約190nmである。図bから、KMP590の形状は規則的で、粒度分布はより均一で、粒径は約2.2umであり、図Cから、PMMAの形状はより規則的で、粒度分布は均一で、粒径は約3umであることがわかる。

(3) 透過率/ヘイズ分析。
光拡散板をタブレットに押し込み、光線透過率/霧試験機で霧の光線透過率を試験した。本論文は、光拡散の光学特性の変化についてより良い説明を与えるものである。表2.7は、光拡散体の霧と光線透過率のデータを示しており、Tio2の光線透過率は比較的低く、霧は比較的高く、材料の光学特性に大きな影響を与えていることがわかる。

図2.8に光拡散板の白色度試験データを示す。Tio2の白色度は低く、Tio2を多く添加すると複合材が黄変するため、調製工程でTio2をごく少量添加する。

(4) マスターバッチ燃焼残渣試験。
表2.9はマスターバッチ燃焼残渣の実験データを示し、調製されたマスターバッチの実際の割合は理論的な割合に近い（誤差範囲は「0.6%」）。3種類のマスターバッチMKMP590とMPMMA、MTio2中の光拡散剤の含有量は、それぞれ9.74wt%、9.56wt%、9.46wt%であることが判明した。PC光拡散材料の光拡散剤の含有量はより正確である。

2.5.2 光拡散複合材料の特性分析。

(1) 光学性能分析。
純PCの光透過率は89%-92%、霧は14%-16%である。光拡散材料の光学特性の変化は主に材料の光拡散現象によるものであり、光拡散現象の根本原因は媒質の均一性の破壊である。媒質中の粒子径が可視光の波長のオーダーに達すると、分散相と連続相の屈折率に一定の差がある場合、分散相粒子は社会光の作用の下で、刺激波動の発生源として使用することができる。複合材料の光学特性のデータ偏差を反復実験によって研究した。

図2.4から、光拡散板のKMP590含有量が増加するにつれて、複合材料の光透過率が減少していることがわかる。KMP590の含有量が2.0%に達すると、光線透過率は54.5%となる。繰り返し実験の平均偏差は0.222-0.376%、標準偏差は0.304-0.75%である。図2.5からわかるように、光拡散板のKMP590含有量が増加すると、複合材料のヘイズが増加し、KMP590含有量が2.0%に達すると、複合材料のヘイズが増加する。ヘイズは92.8%、繰り返し実験の平均偏差は0.216-0.4%、標準偏差は0.305-0.519%である。これは、中国におけるPCマトリックス内の光拡散板による光生成率の散乱現象によるものである。繰り返し実験データは、マスターバッチプロセスが安定しており、平均偏差と標準偏差が小さいことを示している。

図2.6からわかるように、光拡散板のKMP590含有量が増加するにつれて（Tio2含有量は一定）、複合材料の光透過率は減少する。KMP590の含有量が2.0%に達すると、光線透過率は54.2%となる。繰り返し実験の平均偏差は0.353-1.860%、標準偏差は0.452-2.490%である。図2.7からわかるように、光拡散剤のKMP590含量が増加するにつれて（Tio2含量は同じまま）、複合材料の曇りは増加する。KMP590の含有量が2.0%に達すると、フォグは94.8%となる。繰り返された実験データは、マスターバッチプロセスが安定しており、平均偏差と標準偏差が小さいことを示している。

図2.8からわかるように、光拡散板のPMMA含量が増加するにつれて、複合体の光透過率は減少し、PMMA含量が2.0%に達すると、複合体の光透過率は59.5%となる。図2.9からわかるように、光拡散板のPMMA含有量が増加するにつれて、コンポジットの曇りが増加し、PMMA含有量が2.0%に達すると、ヘイズは92.5%となる。繰り返しの実験は、マスターバッチ工程が安定していることを示している。

図2.10からわかるように、光拡散剤のPMMA含有量が増加するにつれて（Tio2含有量は一定）、複合材料の曇りは増加し、PMMA含有量が2.0%に達すると、曇りは94.2%となる。繰り返しの実験は、マスターバッチ工程が安定していることを示している。
光学試験データによると、調製した光拡散複合材料の光学特性は複合化することができる。光透過率＞50%、霧＞90%。PMMAの散乱効果はKMP590よりも優れている。繰り返し実験データは、マスターバッチプロセスが安定しており、標準偏差が小さいことを示している。

図2.12と図2.13から、無機ナノマスターバッチTio2を添加した光拡散複合材料の光透過率は、無添加のものと同様であることがわかる。図2.14と図2.15から、無機光拡散剤ナノマスターバッチTio2の添加が材料のヘイズに明らかな影響を与えることがわかる。

(2) プルのパフォーマンス分析。
F図2.16は、0:2.0%(wt)の光拡散剤をPCに充填した光拡散剤複合材料の引張強度曲線を示す。
図からわかるように、光拡散粒子の含有量が増加しても、光拡散複合材料の引張強さにはほとんど影響せず、60MPa程度である。これは、光拡散粒子が応力集中効果を生じにくいためである。

(3) インパクト・パフォーマンス分析。

図2.17は、0：2.0%（wt）光拡散剤をPCに充填した後の光拡散複合材料の衝撃強度曲線を示す。光拡散剤KMP590の添加は、光拡散複合材料の衝撃にほとんど影響しない。光拡散剤PMMAの添加後、衝撃特性は低下し、純PCの約70kJ/m2から約18kJ/m2に低下した。これは、PMMAの粒子径が約3umであるため、欠陥が発生しやすく、衝撃強度が著しく低下するためである。

(4) 熱性能分析。
試料はTA DSC 822示差走査熱量計で測定した。試料量8～10mgを10K/minの昇温速度で600Kまで昇温し、一定温度5分を10K/minの熱履歴除去速度で室温まで降温し、降温過程における熱量の変化を記録した。

図2.18に光拡散複合材料の非等温結晶化曲線を示すが、ここから光拡散剤の添加によりプラスチックのTg（ガラス転移温度）が低下していることがわかる。光拡散剤粒子がPC粒子の分子鎖の短い移動に寄与するため、Tgが低下する。

(5) SEM画像解析。
光拡散体がPCマトリックス中に均一に分散しているかどうかは、PC複合材料の光学特性に影響を与える重要な要因の一つである。光拡散複合材料のSEM画像を解析した。図2.19は光拡散複合材料の液体窒素急冷破断部のSEM写真である。

図からわかるように、平均粒径2.2μmの光拡散剤はPC中に均一に分散しており、光拡散剤は依然として球状構造を示している。マスターバッチ法で調製した複合体は、光拡散剤を複合体中に良好に分散させることができ、光学特性の向上に有益である。

2.6 本章のまとめ
本章では、光拡散剤とポリカーボネートを原料としてLDAマスターバッチを調製し、光拡散剤コンポジットの調製と特性について述べる。光拡散剤の種類と光拡散剤の充填量を通して、光拡散剤が複合材料に及ぼす影響を調べた。

• 1).光拡散剤のヘイズ、透過率、白色度を試験することにより、光拡散剤の光学特性を調べた。SEM,TEMで観察された光拡散の微細構造分析と粒度試験から、光拡散剤KMP590の構造は球状で粒径は約2.2um、光拡散剤PMMAの構造は球状で粒径は約3.0um、光拡散剤Tio2の構造は不規則で粒径は約190nmであることがわかった。マスターバッチの燃焼残渣実験を通じて、3種類のマスターバッチMK590、PMMAとMTio2中の光拡散剤の含有量は9.74wt%、9.56wt%と9.46%であることを決定し、PC光拡散材料中の光拡散剤の含有量はより正確な含有量を持っている。

• 2).光拡散剤のKMP590含有量が増加すると、光拡散複合材料の光透過率が低下し、霧が増加する。ツインスクリューマスターバッチ法で調製したコンポジットのプロセスは安定しており、繰り返し実験も少なく、標準偏差は0.265%から2.490%の間である。光拡散PMMAの散乱効果は、KMP590;およびTio2を用いた複合材料よりもわずかに優れている。Tio2無添加の複合材料と比較すると、光線透過率はほとんど変わらないが、霧は明らかに増加した。

• 3).調製された光拡散複合材料のSEM画像解析により、二軸スクリューマスターバッチ法で調製された光拡散複合材料は均一に分散しており、形状はそのままであると結論づけられた。

• 4).光拡散剤の添加により、光拡散複合材料のプルアップ特性はほとんど変化せず、約60MPaである。光拡散剤KMP590の添加では、光拡散複合材料の衝撃特性にはほとんど影響しないが、光拡散剤PMMAの添加後は、衝撃特性が低下し、純粋なPCの約70kJ/m2から約18kJ/m2に低下する。

• 5).光拡散板の添加により、プラスチックのTg（ガラス転移温度）は低下し、熱的特性はわずかに低下した。