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    熒光聚丙烯的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及其性能

    2022-09-27 07:02:44禹春來(lái)李文方付瑞玲
    合成樹(shù)脂及塑料 2022年5期
    關(guān)鍵詞:黃光光通量色溫

    禹春來(lái),李文方,付瑞玲

    (1. 黃河科技學(xué)院,河南 鄭州 450063;2. 鄭州市智能檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450063)

    熒光塑料是一種由有機(jī)樹(shù)脂和發(fā)光粒子構(gòu)成的新型發(fā)光材料體系,制備方法包括物理法和化學(xué)法[1-3](如濺射、旋涂、熔融共混、接枝共聚等)。熒光塑料應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,作為顯示器的光子轉(zhuǎn)換核心元器件,用于高色純度顯示器的制備[4-5];作為照明的光-光轉(zhuǎn)換核心,可以實(shí)現(xiàn)短波向長(zhǎng)波、長(zhǎng)波向短波的相互轉(zhuǎn)換發(fā)射,應(yīng)用于紫外線殺菌、景觀照明、文物照明和植物照明等[6-9]。

    計(jì)算機(jī)在工程技術(shù)研究領(lǐng)域(如機(jī)械領(lǐng)域的工程制圖,熱學(xué)領(lǐng)域的熱流輔助仿真等)起到關(guān)鍵性的輔助作用[10-12]。計(jì)算機(jī)輔助研究設(shè)計(jì)具有速度快、可描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象微觀圖像、節(jié)省成本優(yōu)勢(shì),近年來(lái)獲得了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。孫天拓等[13]利用菲克第一和第二定律、歐姆定律等對(duì)Er3+/Yb3+共摻碲酸鹽薄膜制備的電場(chǎng)輔助熱擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明,電壓越高,進(jìn)入玻璃基片的銀離子的總量越多,熒光增強(qiáng)效果越好。Luo Guofeng等[14]基于蒙特卡洛數(shù)值計(jì)算方法將SiO2無(wú)機(jī)粒子和CaMgSi2O6:Eu,Mn,釔鋁石榴石熒光粒子混合,研究了三種粒子用量對(duì)顯色指數(shù)(CRI)、顏色質(zhì)量等級(jí)(CQS)、流明效率的影響趨勢(shì)。結(jié)果表明,隨著粒子用量的增加,CRI和CQS均升高,流明效率先升高后降低。Phan等[15]建立了7 000 K色溫?zé)晒廪D(zhuǎn)換發(fā)光二極管(LED)模型,基于計(jì)算機(jī)模擬研究了Sr[Mg3SiN4]Eu2+熒光粉粒徑對(duì)色溫偏差、照明性能指數(shù)、色彩質(zhì)量等級(jí)及光通量的影響規(guī)律。結(jié)果表明,隨著熒光粉粒徑增加,色溫偏差、照明性能指數(shù)、色彩質(zhì)量等級(jí)均升高,輸出的光通量則表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。本工作以聚丙烯(PP)和熒光粒子為原料制備了熒光PP,基于光學(xué)理論和數(shù)值計(jì)算方法研究了熒光粒子含量和粒徑對(duì)熒光PP光學(xué)性能影響。

    1 計(jì)算機(jī)輔助研究原理

    計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)用于熒光塑料的研究原理是基于蒙特卡洛數(shù)值計(jì)算方法,蒙特卡洛在研究工程問(wèn)題時(shí)一般分為三個(gè)步驟:(1)分析要研究的問(wèn)題后對(duì)隨機(jī)過(guò)程建立概率統(tǒng)計(jì)模型;(2)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù),并通過(guò)此數(shù)進(jìn)行上一步驟的模擬數(shù)值計(jì)算;(3)對(duì)需要求解的目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,給出近似值,即完成了整個(gè)求解過(guò)程。

    本研究所用熒光塑料為PP與熒光粒子混合物,兩種原料均保持各自物理性質(zhì)。其中,PP的密度為0.9 g/cm3,折射率為1.367;熒光粒子的密度為4.5 g/cm3,折射率為1.830,研究的主要變量為熒光粒子含量和粒子粒徑。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 熒光粒子含量

    從圖1可以看出:隨著熒光粒子含量的增加,光通量先升高后降低,粒子含量9%(w)時(shí)最大,為149.42 lm。產(chǎn)生這種現(xiàn)象原因是在光通量達(dá)到最大值之前,隨著熒光粒子含量增加,可進(jìn)行光子轉(zhuǎn)換的粒子數(shù)目增加,更多的藍(lán)光光子被粒子吸收后,發(fā)生能級(jí)躍遷,轉(zhuǎn)換成黃光光子,并被傳輸至外界。光通量按式(1)計(jì)算。黃光光子數(shù)量越多,對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度越大。

    圖1 熒光粒子含量對(duì)熒光PP光通量的影響Fig.1 Mass fraction of fluorescent particles as a function of luminous flux of fluorescent PP

    式中:φ為光通量,lm;V(λ)為人眼睛明視覺(jué)效率值曲線,在發(fā)光波長(zhǎng)為555 nm(黃光區(qū))時(shí)具有最大值;S(λ)為可見(jiàn)光區(qū)光譜分布曲線。

    從圖1還可以看出:繼續(xù)增加熒光粒子含量,光通量表現(xiàn)出下降趨勢(shì),這是因?yàn)檫^(guò)多的粒子存在于熒光PP中,對(duì)于固定數(shù)量的藍(lán)光光子激發(fā)源,會(huì)在其中產(chǎn)生過(guò)飽和吸收的現(xiàn)象,同時(shí)根據(jù)散射理論,粒子數(shù)目的增加會(huì)提高粒子對(duì)于光子的散射系數(shù),從而引起光子在PP內(nèi)部多次散射和能量衰減,降低了光子傳輸至空氣的概率,進(jìn)而光通量隨著粒子數(shù)目的增加表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。

    從圖2看出:隨著熒光粒子含量的增加,色溫逐漸降低,這是因?yàn)殡S著熒光粒子數(shù)目的增加,藍(lán)光光子激發(fā)數(shù)量逐漸降低,而對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換的黃光光子數(shù)目升高,在國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)色度坐標(biāo)系統(tǒng)中,藍(lán)光屬于高色溫區(qū)域,黃光屬于中低色溫區(qū)域,因此,在藍(lán)光和黃光光子共同構(gòu)成的光譜中,所表現(xiàn)的色溫隨著熒光粒子含量的增加而逐漸降低。

    圖2 熒光粒子含量對(duì)熒光PP的色溫和光子傳輸平均自由程(MFP)的影響Fig.2 Mass fraction of fluorescent particles as a function of MFP & CT of fluorescent PP

    從圖2還可以看出:MFP與熒光粒子含量也表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)趨勢(shì),這是因?yàn)闊晒饬W雍吭黾?,表示熒光粒子?shù)目增多,在一定體積的熒光PP內(nèi)部,光子連續(xù)傳播過(guò)程中連續(xù)擊中兩個(gè)熒光粒子的概率是升高的。MFP按式(2)計(jì)算,其大小與熒光粒子數(shù)目成反比關(guān)系。

    式中:Cext為熒光粒子消光截面面積,mm2;N為熒光粒子數(shù)目,個(gè)/mm3;μext為熒光粒子消光系數(shù),mm-1。

    對(duì)于散射系數(shù)而言,隨著熒光粒子含量的增加,散射系數(shù)表現(xiàn)出類(lèi)似于線性上升的趨勢(shì),在相同的粒徑條件下,熒光粒子的散射截面面積為定值,因此,散射系數(shù)與熒光粒子含量成正相關(guān)關(guān)系,表現(xiàn)出隨著熒光粒子含量的上升,熒光PP的散射系數(shù)逐漸增加。這種散射系數(shù)的增加,一方面可以提高藍(lán)光LED發(fā)射光被熒光粒子吸收和轉(zhuǎn)換的數(shù)量,另一方面,對(duì)于藍(lán)光和熒光粒子轉(zhuǎn)換光的傳播都有相近的散射效應(yīng),即可以提高發(fā)出光線的均勻性。

    從圖3可以看出:隨著熒光粒子數(shù)目增加,色坐標(biāo)從起始的高色溫區(qū)域逐漸向右上角中低色溫區(qū)域漂移,其原因與色溫的變化規(guī)律一致,即藍(lán)光光子激發(fā)源的降低和黃光光子轉(zhuǎn)換的提高。從圖3還可以看出:色坐標(biāo)的移動(dòng)滿足線性關(guān)系,基于線性擬合可獲得對(duì)應(yīng)方程為y=1.552 3x-0.228 9(x,y為色坐標(biāo)),相關(guān)系數(shù)為0.964 6。根據(jù)色坐標(biāo)與黑體輻射曲線的相對(duì)位置,選擇熒光粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%為最優(yōu)值,此時(shí)色坐標(biāo)處于黑體輻射曲線上,且光通量為145.78 lm,與9%(w)時(shí)的最大值149.42 lm僅降低了2.43%。

    圖3 不同熒光粒子含量時(shí)熒光PP的色坐標(biāo)Fig.3 Color coordinates of fluorescent PP in different mass fractions of fluorescent particles

    2.2 熒光粒子粒徑

    從圖4可以看出:隨著熒光粒子粒徑的增加,光通量先升高后降低,在粒徑為10 μm時(shí)最大,為145.78 lm。這是因?yàn)樾×綄?duì)于光子的散射近似于各向同性,即轉(zhuǎn)換的黃光光子有近50%概率會(huì)向著外界相反的方向傳播,從而導(dǎo)致光子一直在熒光PP內(nèi)部來(lái)回傳輸,直至能量耗盡;而隨著粒徑的升高,光子的前向散射概率逐漸升高,會(huì)有更多的轉(zhuǎn)換光子傳播至空氣,進(jìn)而提高光通量,但是在相同熒光粒子含量的條件下,粒徑的增加,說(shuō)明粒子數(shù)目降低,即轉(zhuǎn)換的黃光光子數(shù)目降低,因此,當(dāng)熒光粒子粒徑為10 μm時(shí),對(duì)應(yīng)的光通量具有最大值。

    圖4 不同熒光粒子粒徑時(shí)熒光PP的光通量Fig.4 Luminous flux of fluorescent PP in different sizes of fluorescent particles

    從圖5可以看出:隨著熒光粒子粒徑的增加,對(duì)應(yīng)色坐標(biāo)從低色溫區(qū)域向左下角的高色溫區(qū)域移動(dòng),這是因?yàn)樵谛×綍r(shí),對(duì)應(yīng)的粒子數(shù)目多,因此,轉(zhuǎn)換的黃光光子數(shù)目較多,在形成的光譜中黃光區(qū)域的比重高于藍(lán)光區(qū)域,對(duì)應(yīng)的色溫較低,而隨著粒徑增大,粒子數(shù)目降低,有較多數(shù)量的藍(lán)光光子在不通過(guò)粒子吸收和轉(zhuǎn)換的過(guò)程即傳輸至空氣中,導(dǎo)致光譜中藍(lán)光區(qū)域的比重高于黃光區(qū)域,對(duì)應(yīng)的色溫升高。

    圖5 不同熒光粒子粒徑時(shí)熒光PP的色坐標(biāo)Fig.5 Color coordinates of fluorescent PP in different sizes of fluorescent particles

    從圖5還可以看出:在熒光粒子粒徑為10 μm時(shí),獲得的色坐標(biāo)點(diǎn)處于黑體輻射曲線上,因此,確定此值為最優(yōu)值,對(duì)應(yīng)的色溫為4 557 K,光通量為145.78 lm,色坐標(biāo)為(0.374 7,0.375 8),同時(shí)色坐標(biāo)也滿足線性方程y=1.378 0x-0.144 8,相關(guān)系數(shù)為0.998 1。

    3 結(jié)論

    a)基于計(jì)算機(jī)輔助的數(shù)值計(jì)算方法,運(yùn)用光學(xué)理論研究了LED用熒光PP中熒光粒子含量和粒徑對(duì)其光學(xué)性能的影響規(guī)律。

    b)光通量隨著熒光粒子含量的增加表現(xiàn)為先升后降趨勢(shì),在9%(w)時(shí)最大,為149.42 lm;色溫則由于轉(zhuǎn)換黃光光子數(shù)目增加,與熒光粒子含量保持負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。

    c)光通量隨著熒光粒子粒徑的升高,也表現(xiàn)為先升后降趨勢(shì),在粒徑為10 μm時(shí)最大,為145.78 lm,變化趨勢(shì)與光子散射密切相關(guān)。

    d)綜合色坐標(biāo)、光通量和色溫的相互制約關(guān)系,最優(yōu)參數(shù)為熒光粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%,粒徑10 μm,此時(shí)光通量145.78 lm,色溫4 557 K,色坐標(biāo)為(0.374 7,0.375 8)。

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