氮氣對車燈光導配光影響的研究

楊銀萍，夏瑋偉，莊麗娟

(常州星宇車燈股份有限公司, 江蘇常州 213000)

0 引言

隨著汽車行業發展迅速，對汽車照明系統的要求日益提高。近幾年中高檔車越來越多使用LED燈，光導技術在此基礎上發展。光導使用高分子材料制成，光導質量輕、節省LED使用數量、辨識度高，在車燈行業運用廣泛。同時，光導在注塑過程中發生降解、碳化，影響透明度及配光結果[1]。本文作者針對某一光導，在其注塑過程中通入氮氣，通過測試不同時間段內的樣件的配光結果，驗證氮氣對車燈厚壁件光導配光影響。

1 原理

1.1 導光原理

光線傳播時遵循反射定律、折射定律和全反射原理，光導的實現建立在此基礎上。利用類似三棱鏡狀的V-cut結構，即業內所說的光齒，對光線進行設計與模擬，使光線的路徑滿足光導的出光要求[2]。光線在均勻介質中沿直線傳播，但是通過不同折射率的介質的時候，會發生折射及反射現象。當光線從光密介質(光在該介質中折射率較大)射入光疏介質(光在該介質中折射率較小)，且入射角大于臨界角時，光線會全部被反射回原介質內，即發生了全反射現象。針對該光導而言，當LED光源提供的光線從某一端進入時，在光導介質中，光線進行反射。當光線以一定的入射角接觸到空氣與光導界面時，入射角大于臨界角時，光線會在光導內進行全反射；入射角小于臨界角時，光線發生折射和反射。光線在光導一側的光齒上，根據光齒的造型進行原入射角度調整，破壞全反射，將一部分光線按一定的角度折射至空氣中，達到配光要求[3]，如圖1所示。

圖1 根據光齒的造型，進行原入射角度調整

1.2 聚碳酸酯

聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)是五大工程塑料之一。聚碳酸酯因為其特有的分子鏈結構，具有高折射率、高透光率[4]。且由于其優異的光學性能與機械性能，成為汽車車燈光導的首選材料。材料光學性能的常用指標為透光率與霧度。透光率是材料的固有屬性，有研究表明隨著澆口形式不同，材料的透光率隨著熔體溫度的升高呈現不規則的變化，扇形澆口的熔體溫度在275 ℃和300 ℃時透光率最高[5]。此次實驗通過工藝上改變熔體溫度參數，測試的樣件配光值在270 ℃與300 ℃時光強最高。

文獻[6]中提到，可以用黃色指數(Yellowness Index，YI)的測試定量評價高分子材料老化的變化進程。針對該光導使用材料，廠家測定黃色指數與工藝參數的關系見表1。根據表1中2、3、4，6、7、8與10、11、12號，停留時間大于10 min后，隨著料的停留時間越長，材料的黃色指數越高，即產品的老化程度越高。根據4、8、12號，料停留30 min后，料溫240 ℃的黃色指數最高，280 ℃的黃色指數次之，260 ℃的黃色指數最低。可以看出，停留時間越長，降解程度越大，對配光的影響越大。

表1 黃色指數測定

聚碳酸酯在氧氣與氮氣的環境下均會降解，氧氣與聚合物反應生成水，會加劇PC的分解。在N2作用下， 300 ℃下PC發生端基斷裂，裂解產物為少量CO、CO2及易揮發組分苯酚[7]。根據B N JANG等[8]的研究，針對叔丁基苯酚為端基的PC，在空氣與氮氣保護條件下，氧氣環境下的PC在降解初期生成了過氧化物，過氧化物解離與其他自由基反應生成醛、酮及支鏈產物，氧氣也促進了支鏈和交聯結構的生成。而PC在氮氣下降解，未發現有醛、酮類產物生成，整個降解過程中均有二氧化碳和水生成。但在降解的主要階段，PC在空氣中的降解速率低于在氮氣中的降解速率。

2 實驗方法

在注塑過程中以2.5 L/min的流量向螺桿內通氮氣，溫度為300 ℃下通氮氣，前后各取3個樣件，標記為1～6號。

3 實驗結果

表2為第2節中的條件下得出的配光結果。

表2 配光結果 cd

續表2 cd

配光合格評價標準為各測試坐標光強值在國標范圍內，光衰穩定后固定點光強與產品光強最大點光強值需滿足國標要求。因為評價結果的多樣性和復雜性，從3個方面評估氮氣對配光的影響。

(1)光衰穩定后總體光強最大值(以下簡稱為最大配光值)

根據表2中不同水平下的配光結果，選取其中一部分數據(即光導測試點坐標光強允許值域I≤110 cd)，分析不同含量下3種樣件的最大光強值，其中xi1為方差分析法所用樣件光強值的和(見表3—表4)。

表3 光強最大處(-10，10)的配光值 cd

表4 光強最大處(-10，10)最大配光值的方差分析表

由于F1

(2)光衰穩定后固定點(-10，10)光強值

根據表2中不同水平下的配光結果，選取其中一部分數據(即光導測試點坐標光強允許值域I≥0.3 cd)，分析不同含量下3種樣件的最大光強值，其中xi2為方差分析法所用樣件光強值的和(見表5—表6)。

表5 光強最小處(-10，10)的光強值 cd

表6 光強最小處(-10，10)最大配光值的方差分析表

由于F2

(3)樣件不合格點總數

表7為不同氮氣含量下的不合格點數統計表，不合格點數值已用加粗字體標出(見表2)。

表7 不同氮氣含量下的不合格點數統計表

由表7可知，通氮氣后不合格點數增加。從整體結果看，通氮氣對配光值改善沒有顯著的影響，同時降低了產品各測試點配光的合格率。

4 原因分析

機臺選用FCS-450T，螺桿儲料量為1 234 cm3，每次射出80 g左右，材料密度為1.19 g/cm3，每模周期150 s左右。可以算出，停留時間約為49 min。根據現場實際試模情況，料溫升至300 ℃時，材料出現碳化的情況。根據B N JANG等的研究，在降解的主要階段，PC在空氣中的降解速率低于在氮氣中的降解速率。認為在此次試驗中，在烘料過程(120 ℃，12 h)中已經初步降解，由于炮筒儲量大的原因，PC在炮筒內停留時間過長，且已出現碳化，N2的存在加劇了降解，導致材料的透明度下降，配光的點合格率降低。

5 總結

由于材料的降解影響材料的透明度，進而影響配光值。光齒的復制程度極大地影響配光值，材料的流動性越好，光齒的復制程度越高。針對聚碳酸酯而言，在其他條件相同情況下，加工溫度越高，料流黏度越低，流動性越好，而較高的溫度同樣帶來易降解的弊端。材料在炮筒內停留的時間以及干燥的條件需要重新驗證。氮氣隔離只能作為輔助措施，配光值的改善重點在于預防降解，溫度與時間對降解的影響有待驗證。