氮气对车灯光导配光影响的研究

杨银萍，夏玮伟，庄丽娟

(常州星宇车灯股份有限公司, 江苏常州 213000)

0 引言

随着汽车行业发展迅速，对汽车照明系统的要求日益提高。近几年中高档车越来越多使用LED灯，光导技术在此基础上发展。光导使用高分子材料制成，光导质量轻、节省LED使用数量、辨识度高，在车灯行业运用广泛。同时，光导在注塑过程中发生降解、碳化，影响透明度及配光结果[1]。本文作者针对某一光导，在其注塑过程中通入氮气，通过测试不同时间段内的样件的配光结果，验证氮气对车灯厚壁件光导配光影响。

1 原理

1.1 导光原理

光线传播时遵循反射定律、折射定律和全反射原理，光导的实现建立在此基础上。利用类似三棱镜状的V-cut结构，即业内所说的光齿，对光线进行设计与模拟，使光线的路径满足光导的出光要求[2]。光线在均匀介质中沿直线传播，但是通过不同折射率的介质的时候，会发生折射及反射现象。当光线从光密介质(光在该介质中折射率较大)射入光疏介质(光在该介质中折射率较小)，且入射角大于临界角时，光线会全部被反射回原介质内，即发生了全反射现象。针对该光导而言，当LED光源提供的光线从某一端进入时，在光导介质中，光线进行反射。当光线以一定的入射角接触到空气与光导界面时，入射角大于临界角时，光线会在光导内进行全反射；入射角小于临界角时，光线发生折射和反射。光线在光导一侧的光齿上，根据光齿的造型进行原入射角度调整，破坏全反射，将一部分光线按一定的角度折射至空气中，达到配光要求[3]，如图1所示。

图1 根据光齿的造型，进行原入射角度调整

1.2 聚碳酸酯

聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)是五大工程塑料之一。聚碳酸酯因为其特有的分子链结构，具有高折射率、高透光率[4]。且由于其优异的光学性能与机械性能，成为汽车车灯光导的首选材料。材料光学性能的常用指标为透光率与雾度。透光率是材料的固有属性，有研究表明随着浇口形式不同，材料的透光率随着熔体温度的升高呈现不规则的变化，扇形浇口的熔体温度在275 ℃和300 ℃时透光率最高[5]。此次实验通过工艺上改变熔体温度参数，测试的样件配光值在270 ℃与300 ℃时光强最高。

文献[6]中提到，可以用黄色指数(Yellowness Index，YI)的测试定量评价高分子材料老化的变化进程。针对该光导使用材料，厂家测定黄色指数与工艺参数的关系见表1。根据表1中2、3、4，6、7、8与10、11、12号，停留时间大于10 min后，随着料的停留时间越长，材料的黄色指数越高，即产品的老化程度越高。根据4、8、12号，料停留30 min后，料温240 ℃的黄色指数最高，280 ℃的黄色指数次之，260 ℃的黄色指数最低。可以看出，停留时间越长，降解程度越大，对配光的影响越大。

表1 黄色指数测定

聚碳酸酯在氧气与氮气的环境下均会降解，氧气与聚合物反应生成水，会加剧PC的分解。在N2作用下， 300 ℃下PC发生端基断裂，裂解产物为少量CO、CO2及易挥发组分苯酚[7]。根据B N JANG等[8]的研究，针对叔丁基苯酚为端基的PC，在空气与氮气保护条件下，氧气环境下的PC在降解初期生成了过氧化物，过氧化物解离与其他自由基反应生成醛、酮及支链产物，氧气也促进了支链和交联结构的生成。而PC在氮气下降解，未发现有醛、酮类产物生成，整个降解过程中均有二氧化碳和水生成。但在降解的主要阶段，PC在空气中的降解速率低于在氮气中的降解速率。

2 实验方法

在注塑过程中以2.5 L/min的流量向螺杆内通氮气，温度为300 ℃下通氮气，前后各取3个样件，标记为1～6号。

3 实验结果

表2为第2节中的条件下得出的配光结果。

表2 配光结果 cd

续表2 cd

配光合格评价标准为各测试坐标光强值在国标范围内，光衰稳定后固定点光强与产品光强最大点光强值需满足国标要求。因为评价结果的多样性和复杂性，从3个方面评估氮气对配光的影响。

(1)光衰稳定后总体光强最大值(以下简称为最大配光值)

根据表2中不同水平下的配光结果，选取其中一部分数据(即光导测试点坐标光强允许值域I≤110 cd)，分析不同含量下3种样件的最大光强值，其中xi1为方差分析法所用样件光强值的和(见表3—表4)。

表3 光强最大处(-10，10)的配光值 cd

表4 光强最大处(-10，10)最大配光值的方差分析表

由于F1

(2)光衰稳定后固定点(-10，10)光强值

根据表2中不同水平下的配光结果，选取其中一部分数据(即光导测试点坐标光强允许值域I≥0.3 cd)，分析不同含量下3种样件的最大光强值，其中xi2为方差分析法所用样件光强值的和(见表5—表6)。

表5 光强最小处(-10，10)的光强值 cd

表6 光强最小处(-10，10)最大配光值的方差分析表

由于F2

(3)样件不合格点总数

表7为不同氮气含量下的不合格点数统计表，不合格点数值已用加粗字体标出(见表2)。

表7 不同氮气含量下的不合格点数统计表

由表7可知，通氮气后不合格点数增加。从整体结果看，通氮气对配光值改善没有显著的影响，同时降低了产品各测试点配光的合格率。

4 原因分析

机台选用FCS-450T，螺杆储料量为1 234 cm3，每次射出80 g左右，材料密度为1.19 g/cm3，每模周期150 s左右。可以算出，停留时间约为49 min。根据现场实际试模情况，料温升至300 ℃时，材料出现碳化的情况。根据B N JANG等的研究，在降解的主要阶段，PC在空气中的降解速率低于在氮气中的降解速率。认为在此次试验中，在烘料过程(120 ℃，12 h)中已经初步降解，由于炮筒储量大的原因，PC在炮筒内停留时间过长，且已出现碳化，N2的存在加剧了降解，导致材料的透明度下降，配光的点合格率降低。

5 总结

由于材料的降解影响材料的透明度，进而影响配光值。光齿的复制程度极大地影响配光值，材料的流动性越好，光齿的复制程度越高。针对聚碳酸酯而言，在其他条件相同情况下，加工温度越高，料流黏度越低，流动性越好，而较高的温度同样带来易降解的弊端。材料在炮筒内停留的时间以及干燥的条件需要重新验证。氮气隔离只能作为辅助措施，配光值的改善重点在于预防降解，温度与时间对降解的影响有待验证。