TWI413659B - 生質材料組合物及光學元件 - Google Patents
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Description
本發明關於一種光擴散組合物及光學元件，特別關於一種生質材料光擴散組合物及光學元件。
熱可塑性樹脂因具有優良耐熱性、機械特性、耐衝擊性及尺寸安定性，故可廣泛使用於顯示裝置、汽車領域、或電子零件領域等用途。然而，由於熱可塑性樹脂之原料幾乎依存於石油資源。因此，為了降低對石油所提練出各種樹脂的依賴及達到節能減碳的目的，需尋求一種具生質環保性樹脂。
生質塑料之代表例為聚乳酸，其於生質塑料中具有較高之耐熱性及機械特性，因此廣泛使用於食器、包裝材料及雜質等用途。然而，以聚乳酸製得的成形體通常為非晶性，耐熱性不佳而容易軟化，並不適合在50℃以上的環境中使用，且其機械性質及耐熱性仍舊不足，無法取代熱可塑性樹脂來作為工業材料使用。此外，由於聚乳酸具有生物分解性，因此於濕熱條件下會有明顯降低耐水解性之缺點。
因此，業界急需一種具光擴散、高機械性質與高耐熱特性之聚乳酸材料，以解決習知技術之問題。
基於上述，本發明係提供一種生質材料組合物，該組合物可進一步加工製作成各種不同形式的光擴散單元，可配置於一光學元件中(背光模組、顯示裝置或其他照明燈具)，用以增加光源的均勻性。本發明所述之具光擴散性質的生質材料組合物係使用生質樹脂材料(即聚乳酸樹脂(polylactic Acid、PLA)，相較於一般僅使用來自石化原料的樹脂材料，具有較佳的環境親和性，可避免增加地球的碳排放量，且其本身亦具有高熱變形溫度，可以提昇加工成型性。
根據本發明一實施例，本發明係提供一種不具有石油基樹脂生質材料組合物，包含90-99.9重量份之聚乳酸樹脂；0.1-10重量份之結晶充填劑；以及，0.1-10重量份之光擴散劑。該聚乳酸樹脂之分子量(Mw)範圍可介於70000-120000之間，而該結晶充填劑可為矽石。
此外，該不具有石油基樹脂生質材料組合物可更包含0.1-10重量份之晶核劑(crystal nucleus agent)。該晶核劑可包含：芳香磷酸酯(aromatic phosphoric acid esters)、芳香醯胺酯(aromatic amide esters)、脂肪醯胺(aliphatic amide)、馬來酸酐接枝聚合物(maleic anhydride grafted(MAH) polymer)、酸酐改質聚乙烯(anhydride modified polyethylene)、聚烯烴彈性體(thermoplastic polyolefin elastomer)或其組合，具體的例子可為CH-50、GR205、GM613-05、MB226DY、POE、Ciba-287、NA-11、NA-32、或C-223A等晶核劑。
該光擴散劑可為具有一折射率介於1.4-2.7間之有機或無機粉體，其平均粒徑可介於0.1-30μm，可例如為聚苯乙烯(polystyrene)、甲基丙烯酸甲酯與苯乙烯共聚合物(co-poly(methyl methacrylate-styrene))、聚甲基矽倍半氧烷(polymethylsilsesquioxane,silicone)、硫酸鋇粉末(BaSO4
)、三氧化二鋁粉末(Al2
O3
)、二氧化鈦粉末(TiO2
)、或其組合。
此外，根據本發明另一實施例，本發明係亦提供一種將聚乳酸樹脂與石油基樹脂混摻的生質材料組合物，包含1-50重量份之聚乳酸樹脂；50-99重量份之石油基樹脂；0.1-3重量份之抗氧化劑；以及，0.1-5重量份之光擴散劑。該抗氧化劑係為酚類抗氧化劑、含磷抗氧化劑、含硫抗氧化劑、胺類抗氧化劑、或其組合。而該石油基樹脂之分子量(Mw)範圍可介於90000-170000之間，可例如為：聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate、PMMA)、聚乙烯對苯二甲酸酯(poly(ethylene terephthalate)、PET)、或聚丙烯腈(polyacrylonitrile、PAN)，較佳係為甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate、PMMA)。根據本發明，該聚乳酸樹脂與該石油基樹脂之比例係介於1:4至4:1的範圍間。
再者，根據本發明其他實施例，本發明係亦提供一種光學元件，包含一光擴散單元。其中，該光擴散單元由申上述生質材料組合物所構成。
以下藉由數個實施例並配合所附圖式，以更進一步說明本發明之方法、特徵及優點，但並非用來限制本發明之範圍，本發明之範圍應以所附之申請專利範圍為準。
不具有石油基樹脂之生質材料之製備
首先，提供一不具有石油基樹脂生質材料組合物，其包含90重量份至99.9重量份之聚乳酸樹脂；0.1重量份至10重量份之矽石；0.1重量份至10重量份之晶核劑；及0.1重量份至10重量份光擴散劑，其中該聚乳酸樹脂其分子量範圍為Mw=70000~Mw=120000，而該矽石的粒徑大小為0.03nm~20μm，；所使用的晶核劑可為CH-50、GR205、GM613-05、MB226DY、POE、Ciba-287、NA-11、NA-32、或C-223A與聚乳酸組成物進行摻合。
接著，將該生質材料組合物以單或雙螺桿押板機於150℃至230℃擠壓成形，押出成片材、膜材、或板材。最後，將押出材加熱使其軟化，並在真空/壓空製程中使其在高溫金屬模具中結晶化製成樣品並於模具內受熱進行結晶化，其受熱後溫度係介於80℃-160℃之間，模具表面溫度係設定在70℃-140℃之溫度區間，結晶化時間則設定在4秒至50秒之區間。成型後試片厚度為2mm，並取適當大小之尺寸，量測其光學特性(穿透率、霧度、光擴散率等)。在光學特性量測乃利用日本NIPPON DENSHOKU公司之NDH2000分析設備以ASTM D1003方法測量該光擴散片之透光率(TT)和霧度(Haze)。並利用日本電色工業之GC-5000L分析器，掃描角度為0-180度，量測間隔1度，測量穿透分佈之光擴散率(Diffusion Rate)。
為了更加具體且詳實地分析本發明，以下列出本發明實施例所使用的化學品及相關設備儀器：聚乳酸樹脂PLA：商品標號NCP001，由nature work製備。
Polystyrene光擴散劑：粒徑為2-8μm，由SEKISUI PLASTICS製備。
Silica：由溶膠-凝膠法製備，粒徑為20nm-10μm。
雙螺桿押出機：具同軸雙螺桿(直徑：26mm)，編號為ZSK26。
片材射出機：桌上型小型射出機，編號為MINI-1000。
示差掃描熱量分析儀(Differential Scanning Calorimeter：DSC)：編號為TA-Q100。
實施例1
取聚乳酸樹脂9.2克與Silica 1.8克(粒徑為40nm)及光擴散劑(聚苯乙烯(Polystyrene))0.1克進行混合，之後於180℃進行以雙螺桿押出機押出並進行混鍊。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表1所示。
實施例2
取聚乳酸樹脂9.9克與Silica 0.1克(粒徑為40nm)及光擴散劑(聚苯乙烯(Polystyrene))0.3克進行混合，之後於180℃進行以雙螺桿押出機押出並進行混鍊。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表1所示。
實施例3
取聚乳酸樹脂9.7克、Silica 0.3克(粒徑為10μm)、晶核劑(Ciba-287)0.3克及光擴散劑(聚苯乙烯(Polystyrene))0.1克進行混合，之後於180℃進行以雙螺桿押出機押出並進行混鍊。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表1所示。
實施例4
取聚乳酸樹脂9.7克、Silica 0.3克(粒徑為10μm)、晶核劑(CH-50)0.3克及光擴散劑(聚苯乙烯(Polystyrene))0.1克進行混合，之後於180℃進行以雙螺桿押出機押出並進行混鍊。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表1所示。
比較實施例1：
取聚乳酸樹脂9.9克及Silica 0.1克(粒徑為10μm)進行混合(完全不添加晶核劑及光擴散劑)，之後於180℃進行以雙螺桿押出機押出並進行混鍊。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表1所示。
如表1所示，由本發明所述包含晶核劑及光擴散劑之生質材料組合物所製備出來的生質光擴散材料，與不具有晶核劑及光擴散劑之生質材料組合物所製備出來的生質材料相比，光擴散率%明顯增加了近1倍，因此非常適合加工製作成各種不同形式的光擴散單元，用以增加光源的均勻性。
具有石油基樹脂之生質材料之製備
將聚乳酸樹脂與石油基樹脂混合的目的係為了為了降低製程中樹脂的裂解黃化，製備方法如下：將聚乳酸樹脂(A)、石油基樹脂(B)、抗氧化劑與光擴散劑在一次的摻合混鍊形成生質光擴散樹脂，其中聚乳酸樹脂佔與石油基樹脂比例組成之重量比率(A/B)可為25/75~75/25；抗氧化劑(例如：Antioxidant 1010,Antioxidant 168)佔主材料總重量之0.1~10 wt%；光擴散劑用可為有機或無機類粉體，佔該組成物總重量的0.1 wt%至10 wt%。
接著，同時將該聚乳酸組成物以雙螺桿押出於200℃至260℃擠壓成形，並經由混煉造粒設備製成顆粒狀。最後，將押出材加熱使其軟化，成型後試片厚度為2mm，並取適當大小之尺寸，量測其光學特性(穿透率、霧度、光擴散率等)。在光學特性量測乃利用日本NIPPON DENSHOKU公司之NDH2000分析設備以ASTM D1003方法測量該光擴散片之透光率(TT)和霧度(Haze)。並利用日本電色工業之GC-5000L分析器，掃描角度為0-180度，量測間隔1度，測量穿透分佈之光擴散率(Diffusion Rate)。
為了更加具體且詳實地分析本發明，以下列出本發明實施例所使用的化學品及相關設備儀器：聚乳酸樹脂PLA：商品標號NCP001，由nature work製備。
PMMA：商品標號CM205，由奇美製備。
抗氧化劑：Antioxidant 1010及Antioxidant 168，由Ciba公司製備。
Polystyrene光擴散劑：商品標號SBX-6，粒徑為2-8μm，由積水化學製備。
Silicone光擴散劑：商品標號SI-020，粒徑為1-5μm，由GANZ製備。
TiO2
光擴散劑：商品標號R706，粒徑為0.3-2μm，由Dupont製備。
雙螺桿押出機：具同軸雙螺桿(直徑：26mm)，編號為ZSK-26。
片材射出機：桌上型小型射出機，編號為MINI-1000。
示差掃描熱量分析儀(Differential Scanning Calorimeter：DSC)：編號為TA-Q100。
比較實施例2
取重量比3:7之聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)於230℃進行雙螺桿混鍊造粒，後續再以小型射出機，成型出厚度2mm之光學性能測試試片。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表2所示。
比較實施例3
取重量比5:5之聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)於230℃進行雙螺桿混鍊造粒，後續再以小型射出機，成型出厚度2mm之光學性能測試試片。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表2所示。
比較實施例4
取重量比7:3之聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)於230℃進行雙螺桿混鍊造粒，後續再以小型射出機，成型出厚度2mm之光學性能測試試片。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表2所示。
比較實施例5
取重量比1:3之聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)於230℃進行雙螺桿混鍊造粒，後續再以小型射出機，成型出厚度2mm之光學性能測試試片。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表2所示。
比較實施例6
取重量比1:3之聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)，與0.2wt%(以該聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)之總重為基準)之抗氧化劑混合，於230℃進行雙螺桿混鍊造粒，後續再以小型射出機，成型出厚度2mm之光學性能測試試片。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表2所示。
比較實施例7
取重量比1:3之聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)，與0.6wt%(以該聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)之總重為基準)之抗氧化劑混合，於230℃進行雙螺桿混鍊造粒，後續再以小型射出機，成型出厚度2mm之光學性能測試試片。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表2所示。
比較實施例8
取重量比1:3之聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)，與1wt%(以該聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)之總重為基準)之抗氧化劑混合，於230℃進行雙螺桿混鍊造粒，後續再以小型射出機，成型出厚度2mm之光學性能測試試片。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表2所示。
比較實施例9
取聚乳酸樹脂(A)(500g)，與1wt%(以該聚乳酸樹脂(A)總重為基準)之抗氧化劑混合(完全不添加PMMA樹脂)，於230℃進行雙螺桿混鍊造粒，後續再以小型射出機，成型出厚度2mm之光學性能測試試片。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表2所示。
實施例5
取重量比1:3之聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)，與1wt%(以該聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)之總重為基準)之抗氧化劑混合，並添加1wt%(以該聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)之總重為基準)PS光擴散劑，於230℃進行雙螺桿混鍊造粒，後續再以小型射出機，成型出厚度2mm之光學性能測試試片。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表2所示。
實施例6
取重量比1:3之聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)，與1wt%(以該聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)之總重為基準)之抗氧化劑混合，並添加2wt%(以該聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)之總重為基準)PS光擴散劑，於230℃進行雙螺桿混鍊造粒，後續再以小型射出機，成型出厚度2mm之光學性能測試試片。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表2所示。
實施例7
取重量比1:3之聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)，與1wt%(以該聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)之總重為基準)之抗氧化劑混合，並添加3wt%(以該聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)之總重為基準)PS光擴散劑，於230℃進行雙螺桿混鍊造粒，後續再以小型射出機，成型出厚度2mm之光學性能測試試片。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表2所示。
實施例8
取重量比1:3之聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)，與1wt%(以該聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)之總重為基準)之抗氧化劑混合，並添加4wt%(以該聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)之總重為基準)Silicone光擴散劑，於230℃進行雙螺桿混鍊造粒，後續再以小型射出機，成型出厚度2mm之光學性能測試試片。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表2所示。
實施例9
取重量比1:3之聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)，與1wt%(以該聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)之總重為基準)之抗氧化劑混合，並添加0.5wt%(以該聚乳酸樹脂(A)與PMMA樹脂(B)之總重為基準)TiO2
光擴散劑，於230℃進行雙螺桿混鍊造粒，後續再以小型射出機，成型出厚度2mm之光學性能測試試片。接著，對所得到的生質擴散材料進行穿透率、霧度、及光擴散率的量測，結果如表2所示。
表2
如表2所示，由本發明所述包含抗氧化劑及光擴散劑之生質材料組合物所製備出來的生質光擴散材料，與不具有抗氧化劑及/或光擴散劑之生質材料組合物所製備出來的生質材料相比，霧度及光擴散率明顯呈倍數成長，因此非常適合加工製作成各種不同形式的光擴散單元，用以增加光源的均勻性。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為基準。
Claims (17)
- 一種生質材料組合物，包含：90-99.9重量份之聚乳酸樹脂；0.1-10重量份之結晶充填劑；以及0.1-10重量份之光擴散劑，其中該光擴散劑係聚甲基矽倍半氧烷、三氧化二鋁粉末、二氧化鈦粉末、或其組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之生質材料組合物，其中該結晶充填劑係為矽石。
- 如申請專利範圍第1項所述之生質材料組合物，更包含：0.1-10重量份之晶核劑(crystal nucleus agent)。
- 如申請專利範圍第3項所述之生質材料組合物，其中該晶核劑係為芳香磷酸酯(aromatic phosphoric acid esters)、芳香醯胺酯(aromatic amide esters)、脂肪醯胺(aliphatic amide)、馬來酸酐接枝聚合物(maleic anhydride grafted(MAH)polymer)、酸酐改質聚乙烯(anhydride modified polyethylene)、聚烯烴彈性體(thermoplastic polyolefin elastomer)、或其組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之生質材料組合物，其中該光擴散劑具有一折射率介於1.4-2.7間。
- 如申請專利範圍第1項所述之生質材料組合物，其中該光擴散劑具有一平均粒徑係介於0.1-30μm。
- 如申請專利範圍第1項所述之生質材料組合物，其中該聚乳酸樹脂之分子量(Mw)範圍係介於70000-120000 之間。
- 一種光學元件，包含：一光擴散單元，其中該光擴散單元由申請專利範圍第1項所述生質材料組合物所構成。
- 一種生質材料組合物，包含：1-50重量份之聚乳酸樹脂；50-99重量份之石油基樹脂；0.1-3重量份之抗氧化劑；以及0.1-5重量份之光擴散劑，其中該光擴散劑係聚甲基矽倍半氧烷、三氧化二鋁粉末、二氧化鈦粉末、或其組合。
- 如申請專利範圍第9項所述之生質材料組合物，其中該光擴散劑具有一折射率介於1.4-2.7間。
- 如申請專利範圍第9項所述之生質材料組合物，其中該光擴散劑具有一平均粒徑係介於0.1-30μm。
- 如申請專利範圍第9項所述之生質材料組合物，其中該聚乳酸樹脂之分子量(Mw)範圍係介於70000-120000之間。
- 如申請專利範圍第9項所述之生質材料組合物，其中該抗氧化劑係為酚類抗氧化劑、含磷抗氧化劑、含硫抗氧化劑、胺類抗氧化劑、或其組合。
- 如申請專利範圍第9項所述之生質材料組合物，其中該石油基樹脂係為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate、PMMA)、聚乙烯對苯二甲酸酯(poly(ethylene terephthalate)、PET)、或聚丙烯腈(polyacrylonitrile、PAN)。
- 如申請專利範圍第9項所述之生質材料組合物，其中該石油基樹脂之分子量(Mw)範圍係介於90000-170000之間。
- 如申請專利範圍第9項所述之生質材料組合物，其中該聚乳酸樹脂與該石油基樹脂之比例係介於1：4至4：1的範圍間。
- 一種光學元件，包含：一光擴散單元，其中該光擴散單元由申請專利範圍第9項所述生質材料組合物所構成。
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