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LCD背光模组用新型抗老化光扩散膜的设计、制备及性能研究

胡金刚  
【摘要】:在背光模组所用光学膜中,相比于棱镜片等光学膜,光扩散膜所占成本比重虽然不高,但LCD所显示画面的均匀度、清晰度与明暗度都受光扩散膜品质的影响,因而光扩散膜的品质将直接决定LCD显示的质量。在我国,目前仍不具备自主生产优质光扩散膜的技术,高品质扩散膜核心制造技术仍然被日本、韩国、美国等国家所垄断。鉴于此,本论文开展了对制备新型多功能光扩散膜的研究与探索,通过设计一系列多功能核壳光扩散微球的结构与组分,以期能制备耐老化性能好、膜的力学性能佳、抗辐射效果良好、以及优异的特定功能等于一体的新型光扩散膜。研究的主要内容及结果如下:1. polysiloxane@CeO2-PMMA光扩散杂化微球的制备及其应用论文首先尝试以铈配合物、甲基丙烯酸甲酯、乙烯基三甲氧基硅烷为原料,采用纳米粒原位生成法、共聚法和溶胶凝胶法相结合,在一锅工艺体系中成功制备了polysiloxane@CeO2-PMMA杂化微球,其结构已通过FT-IR、XRD、TEM、SEM等表征所论证。该杂化微球呈核壳结构,其中内核为CeO2/PMMA杂化共聚物,外壳为聚硅氧烷缩聚物,壳层厚度约为60nm,并且制备的该白色杂化微球大小在450-500nm。以其作为光扩散剂通过溶液法制备的光扩散膜有较佳的光透过率和雾度,该膜的扩散效果随着polysiloxane@CeO2-PMMA光扩散剂添加量的增加而不断提高,当其添加量达到8 wt%时,其光扩散效果比传统光扩散膜的效果要好;当其添加量达到4 wt%时,其光扩散效果与传统光扩散膜的效果相当,而可见光透过率则略高。然而,制备的该扩散膜对入射角的依赖性仍较大,有待提高。由于膜中含有二氧化铈成分,因而具有较好的紫外屏蔽效果。相较于有机扩散微球,由该杂化微球制备的光扩散膜的拉伸强度、断裂伸长率有更利于膜的成型稳定,并且在耐湿热老化能力及耐UV老化能力都得到了显著提高。2. polysiloxane@CeO2@PMMA光扩散杂化微球的可控合成及其应用鉴于上章中铈配合物的水解、氧化以及在聚合物中纳米粒子生成对原料的添加量都有一定的限制,因此本章的思路是实现polysiloxane@CeO2@PMMA光扩散杂化微球的可控合成。其制备分三步,分别是无皂乳液聚合制备PMMA微球、原位沉淀生成反应制备出CeO2@PMMA、以及硅氧烷水解缩合形成polysiloxane@CeO2@PMMA。该终产物形貌与结构已分别通过FT-IR、XRD、TEM、SEM、荧光光谱等表征所论证。其微观结构为核壳杂化微球,其中纳米Ce02粒径约为15nm,其厚度可通过铈源添加量来调控,而壳层聚硅氧烷的厚度可通过所用乙烯基三甲氧基硅烷的量来调控,且该终产物粒径在550nm左右。由其作为光扩散剂通过UV固化制备的光扩散膜有较佳的可见光光透过率、雾度、光扩散效果、力学性能、紫外屏蔽效果及耐老化能力。通过比较由不同含量的polysiloxane@Ce02@PMMA所制备的新型扩散膜与传统扩散膜在透光率和雾度的差异可知,当其含量在15 wt%时,所制备的光扩散膜透光率为88%,雾度达到89%,略优于传统光扩散膜。3. (ZnO-CeO2)@polysiloxane大尺寸光扩散杂化微球的制备及其应用本章以当前市场高品质光扩散膜所用光扩散剂为思路,采用一锅法制备了具有大尺寸粒径的核壳型(ZnO-CeO2)@polysiloxane杂化微球,其结构通过FT-IR、XRD、TEM、 SEM等表征所论证。该微球在有机溶剂及树脂中具有很好的分散性能,其粒径集中在6~8μm。由其作为光扩散剂再通过UV固化过程制备的扩散膜有着较佳的光透过率和雾度,该模的扩散效果随着其添加量的增加而不断提高。当所加(ZnO-CeO2)@polysiloxane的量为10 wt%时,所制备的光扩散膜透光率为88%,雾度达到87%,和所选市售光扩散膜相当。当该添加量达到15wt%时,其光扩散效果比市售光扩散膜的效果要好,但可见光透过率略低。此外,通过考察光扩散膜对入射角的依赖性,发现随着(ZnO-CeO2)@polysiloxane添加量的增加,制备的光扩散膜对入射角的依赖性逐渐下降,且当(ZnO-CeO2)@polysiloxane的添加量为15 wt%时,即使入射光的角度在偏离法线程度很大时都是有较好的光扩散效果,较前面章节制备的扩散膜在入射角依赖性能上得到了明显改善。此外,制备的该光扩散膜具有较好的紫外屏蔽效果,对近红外吸收也有较不错的效果。随着该杂化微球添加量的增加,对紫外和红外的吸收程度都逐渐提高。制备的扩散膜在耐老化性能上随着该杂化微球添加量的增加而显著提升。4.简易水热自组装法合成大尺寸光扩散微球及其应用水热合成法因简便而广泛应用于各种化合物的制备上,本章首次探寻简易水热法合成大尺寸光扩散杂化微球的途径。首先合成了空心羟基铝微球,并在此启发下通过以溶胶凝胶法制备的硅氧烷聚合微球为模板,通过水热自组装过程合成了γ-AlOOH@polysiloxane核壳杂化微球。此外,在这基础上,又尝试合成了ZnO@polysiloxane核壳杂化微球。采用XRD、TEM和SEM等对它们的结构和形貌进行了确证,且水热合成的该系列微球粒径主要分布在5~8μm。光扩散效果测试结果表明γ-AlOOH空心微球尽管有着非常不错的光扩散效果,但透光率偏低,因而不适宜用其制备高品质光扩散膜。由y-AlOOH@polysiloxane核壳杂化微球所制备的光扩散膜具有较好的透光率和雾度,其光扩散区域光强分布较均匀且光强较大,在制备高品质光扩散膜上具有较大的应用潜力。由ZnO@polysiloxane核壳杂化微球所制备的光扩散膜具有较好的透光率和雾度,其光扩散区域光强分布较均匀且光强较大,在制备发光光扩散膜上具有较大的应用潜力。此外,由水热法合成的大尺寸微球在有机溶剂中具有很好的分散性,无需高速搅拌便可以加工成膜。5.微米级ZnO-Qds@polysixoxane核壳型光扩散杂化微球的制备及应用量子点杂化微球是一类具有特殊性质的材料,因而把其引入到光扩散膜的制备上将使光扩散膜更具多功能化。本章通过原位沉淀法在由溶胶凝胶法制备的聚硅氧烷微球表面上沉淀一层被有机聚硅氧烷包裹的氧化锌量子点壳层,从而制得ZnO-Qds@polysixoxane.其结构已通过XRD、TEM、SEM、EDX等表征所确证。该杂化微球呈核壳结构,内核聚硅氧烷微球粒径约为5μm,而含有氧化锌量子点的壳层厚度在300nm左右。再将该核壳微球加入到树脂中进行UV固化后便制得新型光扩散膜,其兼具较佳的光透过率和雾度。当ZnO-Qds@polysixoxane的添加量为10 wt%时,所制备的光扩散膜透光率为91%,雾度达到88%。品质上与所选市售光扩散膜相比,具有一定的多功能化优势且光扩散明暗效果略好。当该添加量为15wt%时,制备的该光扩散膜其光扩散效果较市售光扩散膜的效果提高很多,光扩散范围更大更均匀,并且光扩散效果对入射角的依赖性比较低。此外,该光扩散膜有较好的荧光效果,并且制备的光扩散膜因ZnO-Qds@polysixoxane的不断加入能使得所成膜的色差值及黄度指数明显下降,较前面章节下降得更明显,也即所成膜的耐湿热老化能力和耐UV老化能力已得到显著提高。6.光扩散膜性能比较及其决定因素研究设计出一种成本低廉的光扩散性质测定便利装置,以便考察光扩散性质的变化规律及影响因素。由前述所制备的多种光扩散膜置于该装置进行同一水平上测试,可达到最大化消除误差带来的影响,从而获得更为可靠的结论与规律。从制备的光扩散膜进行紫外屏蔽效果和红外屏蔽性质的结果对比可知,含有二氧化铈组分的光扩散膜紫外屏蔽效果较好,特别是同时含氧化锌和二氧化铈的光扩散膜,其紫外屏蔽效果最好;其次含氧化锌量子点的光扩散膜也展示了接近的紫外屏蔽性质;而含γ-AlOOH组分的光扩散膜具有明显优异的近红外屏蔽效果。由光扩散微球分散性能对比可知,由水热法制备的光扩散杂化微球具有最优的分散性能。通过把制备的光扩散膜进行透过率、雾度及光扩散性质进行对比可以发现,由(ZnO-CeO2)@polysiloxane微球所制备的光扩散膜与由ZnO-Qds@polysixoxane微球所制备的光扩散膜具有较佳的透过率和雾度,其光扩散效果都较好,能达到或超过市售光扩散膜的光扩散效果。由水热法制备的核壳微球的光扩散效果则比较接近市售光扩散膜的光扩散性能。此外,ZnO-Qds@polysixoxane所制备的光扩散膜具有很低的光扩散区域对入射光角度的依赖性,且也是耐湿热老化及耐紫外老化能力最强的。


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