PTFE是否为UVLED反射材料的答案?

UVLED风向标 · 2020-05-13

已上头条

自新型冠状病毒肺炎疫情发生以来,深紫外产品由于具备杀菌消毒的功能而备受关注,UV LED产业也得到了进一步的推动和发展。如何有效地聚焦UV LED芯片发出的紫外光并且保证封装体不被紫外光所降解,成为封装材料选择的痛点之一。

近期,Porex推出的膜片和模塑成型件采用100%的纯聚四氟乙烯(PTFE)——很特别的微孔结构的PTFE——号称具有高反射率、高耐温性、高UV耐受性等优势,备受UV LED封装界关注。到底这种材料是否真是UV LED反射材料的优秀答案?在产业没有真正大规模应用前,不好妄下定论。但可以借助对该材料的测试分析,窥见一二。

先划个重点:

1)Porex的PTFE具有97%的反射率,这一指标是当前常用封装材料中反射率最高的。如此高的反射率理论上意味着极低的光透射率,避免了当前多数LED灯珠20-30%的光泄露问题。而且属于漫反射,理论上非常适合于光混合。

2)Porex的PTFE的耐温范围横跨-40 °C至260 °C,与PET(85°C)和PC(~130°C)相比,PTFE更耐高温。

3)Porex的PTFE高UV耐受特性,意味其相比其它材料更适用于UV LED。大多数普通塑料例如缩醛、PC、ABS、聚酰胺、聚烯烃、聚酯等,其化学键与紫外线辐射中量子能量相似,长时间暴露在UV的照射下会导致碳氢键断裂,材料的物理和机械特性发生改变,故不适用于作为UV LED的封装材料。而PTFE由碳氟键构成,强度相比碳氢键强约30%,PTFE的氟键环绕着聚合物的螺旋碳骨干,为PTFE提供耐化学性和光稳定性。

具备上述优势的PTFE理论上是应用于UV反射材料的理想选择。那么哪些因素是提高PTFE的反射率的关键点呢?

通过实验发现,材料的厚度对PTFE的反射性能影响十分显着。如图1和图2所示,相同实验条件下,厚度与反射率呈正相关,与透射率呈负相关。厚度为0.5mm的PTFE薄片反射率约为92%,厚度为1mm的PTFE薄片反射率超过了95%,而3mm的微孔PTFE薄片在UV或可见光的总反射率超过99%,以及拥有接近100%的漫反射率。可见,随着厚度的增加,PTFE薄片反射率提升。

图1:相同孔隙度的样品的厚度与反射率的关系

图2:相同孔隙度的样品的厚度与透过率的关系

这是由于漫反射机制中,厚度是一个关键参数。较厚的材料会导致UV或可见光在PTFE结构内有更多的反射,然后光线才能完全穿过材料。因此,较薄的材料相比较厚的材料,光的透过率更高,反射率更低。

此外,因为多孔结构将在PTFE内部重复反射UV和可见光,故增加多孔PTFE的厚度会增加反射率。经测算,多孔PTFE的反射率大于固体无孔PTFE的85-95%的反射率.

对于聚合物的紫外线固化,多孔PTFE反射器可以解决紫外线强度均匀性的问题,因为不均匀的紫外线照射会导致粘合剂出现一部分固化而另一部分粘结强度较弱的情况。UV LED应用(如建筑照明、水消毒或医疗消毒)还可受益于多孔PTFE的高度漫反射特性,它能将狭窄定向光源转换为更宽的照度。

此外,通过实验数据可以发现反射率和孔隙大小之间的关系。下图呈现了孔径和反射率之间的线性关系。孔径大小对反射率的影响并不明显,而随着材料变厚,孔隙大小对材料反射率的影响都会被厚度的影响所遮盖。

综上所述,Porex的PTFE由于具有强大的碳氟键,不易被降解,理论上是应用于UV LED的优良材料。提升PTFE的反射性能的关键因素在于增加PTFE的厚度,或者增加孔数,而孔径大小对PTFE的反射性能影响不大。

为推动UV LED技术造福人类,UV LED产业联盟、行家说研究中心 & SNOW Intelligence于2019年12月启动了《UV LED产业发展白皮书》。参与白皮书请联系:UVLED产业链助手,微信:cenxitalk。