LED用高折射率光学树脂的制备与性能研究

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高折射率光学树脂用于发光二极管(LED)封装时,可以使LED芯片免受应力冲击和水汽侵蚀,能改善光取出效率、减少发热和延长使用寿命。研究表明,分子结构中以硫醇或硫醚基团引入硫原子是提高聚合物折射率最有效的方法之一。然而,现已报道的高折射率光学树脂存在价格高、稳定性差、或难以加工的问题,有必要研究成本适中和综合性能良好的高折射率光学树脂。采用4,4’-二巯基二苯硫醚和4,4’-二羟基二苯硫醚,通过二步法,分别合成了高折射率的二巯基二苯硫醚环氧预聚物(DGETDBT)和二羟基二苯硫醚环氧预聚物(DGETP)。通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和核磁共振仪的氢谱(1H NMR)表征合成产物的分子结构,用差示扫描量热仪(DSC)、热重分析仪(TGA)、热机械分析仪(TMA)、紫外可见光谱仪和阿贝折射仪分析环氧预聚物、环氧混合物及其固化物的光学性能、热性能和热稳定性,并与普通的双酚A环氧预聚物(DGEBA)的相应性能进行对比。分析表明,DGETDBT和DGETP的折射率分别为1.665和1.612,与间苯二甲胺(MXDA)固化反应得到的固化物折射率分别为1.698和1.645,与甲基六氢苯酐(MHHPA)固化反应得到的固化物折射率分别为1.628和1.595,高于DGEBA相应的1.570、1.604和1.568,表明硫原子对提高折射率有很大帮助。DGETDBT、DGETP和DGEBA与MXDA反应的固化物可见光透光率均超过85%,与MHHPA反应的固化物相应值超过88%。DGETDBT/MXDA和DGETDBT/MHHPA固化物透光率为零的区域为200370nm和200390nm。透光率为零的区域覆盖紫外线谱带有利于防止LED发出的紫外线泄露,保护人眼免受紫外线伤害。DGETDBT、DGETP和DGEBA固化时表现出同样的放热行为,与MXDA及MHHPA反应得到的固化物T1均超过250℃,明显高于LED的正常使用温度。DGETP价格适中,折射率为1.612,其他性能不低于DGEBA,有望成为LED的高效封装树脂。硫醇类固化剂折射率高,固化速率快,且能提高固化产物的韧性。脂肪硫醇可通过硫脲法合成,合成过程比苯硫酚的合成过程简单。采用硫脲法合成邻苯二甲硫醇(OBDMT),FTIR和1H NMR表征合成产物的分子结构。OBDMT为无色晶体,折射率为1.628。DGETP/OBDMT固化物的折射率为1.654,透光性超过85%,玻璃化转变温度为28.7℃。DGETP/MHHPA固化物的折射率为1.595,透光性超过88%,玻璃化转变温度为64.9℃。对于同一种环氧树脂,OBDMT固化物比MHHPA固化物具有更高的折射率。采用点击化学法,季戊四醇四丙烯酸酯(PETTA)分别与季戊四醇四巯基乙酸酯(PETTG)和OBDMT反应,通过热固化和紫外光固化两种工艺,制备PETTA/PETTG固化物和PETTA/OBDMT固化物。PETTA/OBDMT固化物的折射率为1.597,透光率基本超过85%,1%的热失重温度达237.8℃。PETTA/PETTG固化物的透光率最高达93%,1%的热失重温度达324.2℃,可以媲美有机硅封装树脂,其折射率为1.556,高于大部分有机硅封装树脂的1.4101.530。原位分析及拟合结果表明,折射率随着固化时间或者固化度呈明显的指数关系。在固化初始阶段,分子数目变化较快,体积收缩较大,因此折射率变化较快;在中后期阶段,分子数目变化不是特别明显,固化体系的体积收缩也较小,折射率增加不明显。这一结果与经典电磁学理论得到的Lorentz-Lorenz关系式相一致,即折射率受摩尔体积和摩尔折射率两者影响。由FTIR法、Kissinger法和Ozawa法得到的DGETP/三乙烯四胺(TETA)混合物的固化表观活化能分别为52.6kJ·mol-1、56.3kJ·mol-1和59.3kJ·mol-1,三个结果相近,可以相互验证。非等温DSC固化动力学研究表明,OBDMT固化DGETP的活化能最低,TETA的次之,MHHPA的最大。OBDMT固化DGETP的反应级数与TETA的相等,而MHHPA的反应级数则不相同,固化曲线上也表明这一点。DGEBA和DGETBBA的固化活化能、固化起点温度和峰值温度均较高,DGETP和DGETDBT的固化活化能、固化起点温度以及固化峰值温度均较低。针对LED的发热问题,采用乙烯-辛烯共聚物(POE)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、三元乙丙橡胶(EPDM)等热塑性弹性体分别与石蜡一起制备定形相变材料。用耐热实验、耐热水实验和温度循环实验测试它们的稳定性,用DSC求取它们的热焓。结果表明,POE、EVA、EPDM等三种热塑性弹性体基定形相变材料的储热及稳定性能明显优于目前报道的HDPE基定形相变材料的相应性能。
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