LED灯具材料为何是PC取胜？

随着LED照明的采用率不断攀升，照明制造商正在追求照明应用传统材料之外的材料，以推动创新设计和外形、提高效率、克服持续的成本障碍。虽然传统上制造商在固态照明(SSL)应用中使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)- 接着是玻璃。现在，聚碳酸酯树脂(PC)越来越多地成为透镜、灯罩、灯管、导管柱、扩散器和反射器。今天，大约90%的替代白炽灯的改装LED灯由PC材料制成。

LED设计人员通过选择PC(而非玻璃和PMMA)实现了多项优势，包括更强的抗冲击性和耐热性、可燃性等级提高和增加设计灵活性。虽然玻璃和PMMA由于其高透光率和强耐候性而与PC保持竞争，但是**新的专业PC正在迅速缩小差距。作为LED设备的候选材料，聚碳酸酯对玻璃和PMMA构成了巨大的挑战，并且正在推动住宅、商业和户外LED设计的进步。

PC打开住宅市场

许多国家已经开始过渡，远离传统照明源，这要归功于消费者对节能减排的高度关注，以及政府法规推动逐步淘汰低效率的灯泡。但是，要想全面替代白炽灯和紧凑型荧光灯(CFL) ，LED必须解决成本问题，成本仍然是其进入大众住宅市场的主要障碍之一。由于需求增长，消费者需要看到并了解投资有更长使用寿命的技术带来的好处。

耐用性和耐冲击性是住宅环境中的重要标准，因为居民安装灯时掉落或对更换灯处理不当的情况很常见。PC提供的耐冲击性，在实验室中抗弯冲击打破样品时用kJ/m2(千焦耳/平方米)进行测量，明显高于玻璃和PMMA。在实际冲击测量中，PC的性能超过PMMA的10倍，玻璃的30倍。

使用PC生产的LED装置也比使用PMMA生产的更安全，后者在阻燃性和耐热性方面表现不佳。根据UL 94标准，某些PC获得了“5VA”等级，这是阻燃性的**高等级。另一方面，PMMA获得UL 94评级的“HB”，这是排名中**低的。此外，PC可以在高达130°C的温度下连续使用，而PMMA只能达到90°C。表1总结了PC和PMMA的重要特性，供固态照明产品开发人员参考。

表1. PC和PMMA的规格比较

产生更柔和的固态照明

为了在住宅环境中增加对LED的需求，照明设计师还必须解决LED照明设备的质量问题，使灯光更柔和，更接近于白炽灯泡。具有乳白色或磨砂效果的扩散材料可以屏蔽LED光源，有助于均匀分布光线并减少眩光。假如没有扩散，LED光源会产生刺眼的白色亮点。

同时，设计人员必须平衡柔和白光的美学需求与光传播之间的关系。太多的扩散可能意味着过度的光照度损失，使灯泡效率降低。

PC擅长在扩散与光传播之间取得微妙的平衡。新一代聚碳酸酯可以屏蔽热点而不影响光透射。当用于LED球罩或透镜盖时，PC提供有效的扩散，无需二次镜片或组件，从而消除成本、复杂性和重量。使用PMMA制造的扩散器通常需要多个组件，增加了LED设计的重量和复杂性。

表2显示了当今LED设计人员可用的PC级别提供的透射和光散射。透明级别的SABIC的LEXAN LUX C树脂产品提供了1 mm 91.5%的光传输，比传统PC的89%有显著的改善，仅次于92%的PMMA。对于需要更大扩散的照明应用，LEXAN LUX C树脂扩散级可将光线扩散(表2所示)为光散射度(DLD)，或观察到入射光亮度的一半的角度，而不显著减少光传输。

表2.透明和扩散PC等级的透光率和光散射度

创造照明均匀性和一致性也给工业和商业用LED带来困难，但PC已经证明在这些环境中是有效的。Intematix公司是一家LED照明荧光材料和光学器件的制造商，该公司选择了SABIC的透明、扩散和反射级别的LEXAN LUX树脂，来制作ChromaLit线性照明系统(图1)。

ChromaLit采用远程荧光粉技术，该技术使用与蓝色LED能源分离的荧光粉组件，以产生更好的光扩散。荧光粉与能量源的分离产生了更好的照明均匀性。ChromaLit线性系统提供自然均匀的高品质光，与**有效率的蓝色LED一起使用时，系统的转换功效可高达215 lm/w或高达163 lm/W。

商业照明的设计灵活性

商业和工业用LED灯具制造商也面临许多与住宅市场相同的挑战。照明设计必须实用、有吸引力而且轻便，同时还提供高光效和光均匀性。

为了达到这些复杂的标准，制造商在寻找可以提供设计灵活性的材料，在这个领域玻璃和PMMA落后于PC。特别是，PC可以用于生产尖角和凹口 - 这种设计特点进一步强化了PMMA在冲击强度方面的弱点。此外，PMMA不能像PC那样在天花板LED应用中保持高度的耐久性和硬度，如图2所示。

与其他材料(如玻璃)相比，PC也可用于卡扣配合应用。与粘合剂组件不同，使用卡扣连接制成的LED灯和灯具可以轻松地拆卸而不会破坏零件，从而降低生命周期成本和环境影响。有关生命周期影响的更多信息，请参见表3。

表3. LEXAN树脂与PMMA的环境影响和生命周期的比较

商业LED设计师面临的另一个根本障碍是释放光学系统内部的光，这种设计缺陷可减少光输出，同时产生不必要的热量，从而降低设备的可靠性和使用寿命。由PC制成的透镜具有高折射率，可以帮助优化光提取，并且还可以将反射器集成到LED模块中，从而实现更薄的透镜和更轻的设计。使用PC透镜，PC反射器也可以有效地集成到光学系统中。通过使用透镜和反射镜，将LED模块的照度**大化，PC明显优于PMMA。

PC还为制造商提供了加工方法的选择，从注塑和吹塑成型到挤出，支持模内注色，形成动态的和弯曲的形状。虽然PMMA也可以通过各种方法进行处理，但是考虑到全球变暖和总能源需求，PC材料在可持续发展和生命周期影响方面优势更明显(见表3中的碳条目)。

提高户外LED性能

LED越来越多地用于建筑照明、外部和街道照明以及汽车应用。在面临与住宅和工业环境相同的许多挑战的同时，室外LED设计必须解决长期暴露于太阳、雨、风、热、湿和寒冷的影响。

虽然PMMA对于天气和紫外线(UV)辐射抗性方面表现优于PC，但PC仍然在这些领域取得了进展。例如，SABIC的LEXAN SLX树脂专门设计用于缩小PC和PMMA之间在户外应用中的差距。LEXAN SLX树脂可以抵抗由于紫外线曝光而出现的变黄，并且保持其光泽度、颜色稳定性和机械性能的时间比标准PC长五倍以上。标准PC由于紫外线照射而降级，降低元件的延展性并使其变脆。图3中的室外照明透镜显示了用LEXAN SLX树脂和标准PC制成的组件在用紫外线(UV)曝光2900小时后的变黄比较。为了捕捉差异，将透镜放置在装有175W金属卤化(MH)灯的热室中，在折射器上在120℃下放置2900小时。

聚碳酸酯的演变

PC技术的进步显著提高了PC对于LED的适用性。材料制造商如SABIC已经投资开发PC材料，通过更轻的重量、更好的机械性能、更高的美观性和更少的次要操作来扩大设计自由度。

图4将SABIC的LEXAN LUX树脂等级与采用UV添加剂的标准PC的热老化进行比较。当在130℃下测试达5000小时时，与测试的两个等级的LEXAN LUX树脂(2180T和2110T)相比，标准PC显示出更大的色移 - 通过增量Yi的增加或黄色指数来表示。

由于LED器件寿命特别长(长达10-15年)，寿命也是LED元件和材料的一个关键因素。如图5所示，SABIC的LEXAN LUX树脂等级在热老化2000小时后，其传输百分比优于标准PC。

使用聚碳酸酯

虽然折射率(RI)的差异必须考虑在内，但是设计人员和OEM厂商可以用与PMMA和玻璃开发产品的方式开发产品。尽管可以使用相同的预测建模工具，SABIC还可以提供双向散射分布函数(BSDF)文件，使产品工程师可以预测其设计的透明材料和扩散材料的结果。此外，PC还可以使用与PMMA相同类型的模塑机 - 注射成型机、挤出机和吹塑机 - 进行处理。使用符合UL 94阻燃等级的PC也可以缩短产品开发时间，并可能消除对设备燃烧测试的需求。

虽然LED技术的未来很光明，但仍处于相对较早的发展阶段，尚未实现大规模市场突破，进而成为住宅、商业和户外环境中的主要照明形式。但是，制造商和工程师们正在正面这些挑战，每天都会出现令人兴奋的新设计。解决LED行业复杂且不断变化的规格，需要不断投入新的和改进的PC材料。