Warum Polycarbonat das bevorzugte Material für LED-Beleuchtung ist

William Marshall, Styron, Midland, MI

Glas und transparente Kunststoffe, insbesondere Acrylharze, werden in der Beleuchtungsindustrie seit langem für verschiedene ästhetische und funktionale Zwecke eingesetzt. Im Zuge der Weiterentwicklung der Branche hat sich die Beleuchtung mit Leuchtdioden (LED) von Nischenanwendungen hin zu einer allgemeineren kommerziellen und privaten Nutzung verlagert, und es besteht ein wachsendes Interesse an Kunststoffen – insbesondere Polycarbonat – aufgrund der Eigenschaften des Materials und der Vielseitigkeit, die es bietet. Polycarbonat wird heute in einer Vielzahl von Bereichen der LED-Beleuchtung verwendet, darunter Linsen, Optiken, Abdeckungen, Kanalbuchstaben, Schilderverkleidungen, Kugeln und Lichtdiffusoren.

Das beleuchtete Schild und die Taschenlampe zeichnen sich durch zwei Eigenschaften aus, die Hersteller und Formenbauer von LED-Beleuchtungen bei der Materialauswahl benötigen:Klarheit für eine hohe Lichtdurchlässigkeit und Material, das eine gleichmäßige Streuung der Lichtquelle ermöglicht, sodass keine Anzeichen von „Hot Spots“ auf der Oberfläche entstehen.

Die mechanische Integrität und Haltbarkeit des Produkts sind die Eigenschaften, die dazu geführt haben, dass sich die Industrie auf Polycarbonat konzentriert. Bestimmte Eigenschaften von Polycarbonat, wie Hitzebeständigkeit und Transparenz, sind in der LED-Beleuchtungsindustrie wichtig. Da die Herstellung der LED-Lichtquelle jedoch relativ teuer ist und eine Lebensdauer von bis zu zehn Jahren haben kann, sind Hersteller und Designer in erster Linie darauf bedacht, dass das für die Lichtlinse oder Abdeckung verwendete Material genauso lange hält wie die LED-Lichtquelle – um die teure Lichtquelle zu schützen.

Basierend auf Styron-Tests nach ISO 180/A (2 mm dicke Testproben). Vollständige Protokolle und Ergebnisse sind auf Anfrage erhältlich.

In diesem Artikel werden wichtige Überlegungen bei der Auswahl eines Materials für die Verwendung mit LED-Beleuchtungslösungen erörtert. Der Schwerpunkt liegt auf den Vorteilen von Polycarbonat und darauf, warum Hersteller und Formenbauer Polycarbonat gleichermaßen für eine ideale Wahl für die Verwendung mit LED-Beleuchtung halten.

Bei der Auswahl von Polycarbonat muss in erster Linie die Anwendung berücksichtigt werden. Wie wird das Polycarbonat verwendet? Wie wird die Quelle untergebracht? Heutzutage sind die Einsatzmöglichkeiten von LED-Lichtquellen nahezu unbegrenzt. LED-Leuchten sind in Ladenschildern und Kanalbuchstaben, Verkehrssignalen, Einbauleuchten, Arbeitsplatzleuchten, Einzelhandels- und Kühldisplays, Straßen- und Flächenbeleuchtungen, LCD-TV-Displays und -Monitoren, mobilen Geräten und vielen anderen Anwendungen zu sehen. Beim Entwerfen von Abdeckungen, Linsen oder Optiken für diese vielfältigen Anwendungen müssen die Fähigkeiten der Materialien berücksichtigt werden – Haltbarkeit, optische Eigenschaften, thermische Stabilität, Zündbeständigkeit, Designflexibilität und UV-Stabilität. Wie ist die Umgebung der LED-Quelle? Welchen Elementen muss es standhalten? Dies sind einige andere Überlegungen.

Haltbarkeit

Haltbarkeit ist der Ausgangspunkt für den Schutz von Lichtquellen, insbesondere im Außenbereich. Gefragt ist ein Material, das robust ist. Da die LED-Lichtquelle selbst, ein Festkörperhalbleiter, ein viel robusteres Produkt ist als herkömmliche Glühlichtquellen, sollten die zur Abdeckung der Quelle verwendeten Materialien mindestens genauso widerstandsfähig sein.

Polycarbonat ist wesentlich schlagfester und weniger bruchanfällig als andere verfügbare Materialien. Es verfügt über eine hervorragende Zähigkeit, selbst über einen weiten Temperaturbereich. Polycarbonat, das für Gegenstände wie kugelsichere Schilde und Schutzschilde, Flugzeugdächer und Hurrikanpaneele verwendet wird, kann enormen Stößen standhalten. Im Allgemeinen sind Polycarbonatharze zehnmal schlagfester als Acrylharze und bis zu 30-mal schlagfester als Glas.

Aufgrund dieser herausragenden Zähigkeit ist Polycarbonat einfacher zu verarbeiten und weniger anfällig für Brüche oder Absplitterungen beim Schneiden des Materials in Formen. In vielen Anwendungen ist es möglich, die Dicke eines gefertigten Teils zu verringern oder zu verringern, wenn Polycarbonat im Vergleich zu einem anderen Material verwendet wird. Dies führt zu einer Reduzierung des Teilegewichts und der Materialkosten, was eine umweltfreundlichere Lösung darstellt, da weniger Produkt verwendet wird und weniger Energie benötigt wird.

Optische Eigenschaften

Basierend auf Stryon-Tests nach ASTM D 1003. Vollständige Protokolle und Ergebnisse sind auf Anfrage erhältlich.

Eine LED kann eine sehr helle, unidirektionale Quelle sein, und Hersteller benötigen Materialien, die es entweder ermöglichen, dass das Licht direkt durch eine Oberfläche scheint, um maximale Helligkeit zu erzielen, oder die eine gleichmäßige Lichtverteilung ohne Anzeichen der Lichtquelle bieten, um einen diffuseren Effekt zu erzielen. Bei der Anpassung der Eigenschaften ist oft eine sorgfältige Abwägung erforderlich, da Materialzusätze zur Lichtstreuung die Lichtdurchlässigkeit beeinflussen können und umgekehrt.

Basierend auf Stryon-Tests mit den folgenden Methoden:Vicat-Erweichungspunkt, ISO 306B (B/50); Wärmeformbeständigkeit (HDT), ISO 75 (1,82 MPa, ungeglüht); Schmelzmassenflussrate (MFR), ISO 1133 (300 °C/1,2 kg). Vollständige Protokolle und Ergebnisse sind auf Anfrage erhältlich.

Die Abdeckung einer LED-Quelle reguliert die Lichtmenge, die durchgelassen oder gestreut wird. Kunden suchen nach einem Material, das eine hohe Klarheit und sehr hohe Reinheit bietet, um eine optimale Lichtdurchlässigkeit zu gewährleisten. Je nach Anwendung geht es den Herstellern auch um die Gleichmäßigkeit der Lichtverteilung.

Durch den Compoundierungsprozess kann Polycarbonat auf die spezifischen Anforderungen einer Anwendung zugeschnitten werden. Für transparente Polycarbonatharze kann eine Lichtdurchlässigkeit von mehr als 90 Prozent erreicht werden. Mit Polycarbonatharzen, die einen Lichtdiffusionszusatz enthalten, kann eine hervorragende Lichtgleichmäßigkeit über die gesamte Oberfläche des Teils erreicht werden, während gleichzeitig die helle LED-Lichtquelle ausgeblendet wird, wodurch „Hot Spots“ vermieden werden.

Thermische Stabilität

Beleuchtungsanwendungen erzeugen Wärme und die Nähe des Materials zur Lichtquelle bestimmt die erforderlichen thermischen Eigenschaften. Obwohl LED-Leuchten sehr energieeffizient sind, erzeugen sie dennoch Wärme, insbesondere bei LED-Lichtquellen mit höherer Leistung, bei denen die Betriebstemperatur 80–110 °C erreichen kann. Für Optik- und Linsenanwendungen, die einen engen Kontakt zur LED-Quelle erfordern, ist ein Material mit ausgezeichneter thermischer Stabilität erforderlich.

Polycarbonatharze bieten im Vergleich zu Acrylharzen eine überlegene thermische Stabilität und können für Dauergebrauchstemperaturen bis zu 120 °C verwendet werden.

Zündwiderstand

Die Anforderungen an die Zündfestigkeit bzw. Flammhemmung hängen von der Betriebstemperatur des Geräts und dem Abstand des Streumediums bzw. der Abdeckung von der Lichtquelle ab. Polycarbonatharze bieten eine hervorragende Zündbeständigkeit für leistungsstarke LED-Lichtquellen. Für Niederspannungsanwendungen wie Leuchten der Klasse 2, die UL 94 HB- und V-2-Entflammbarkeitsanforderungen erfordern, können Polycarbonat, Acryl und Harze auf Styrolbasis wie Styrol-Acrylnitril-Harz (SAN) als Materialien für Linsen, Abdeckungen und Optiken in Betracht gezogen werden. Für anspruchsvollere LED-Beleuchtungsanwendungen, beispielsweise in Leuchten der Klasse 1, beträgt die Materialanforderung für Optiken und Linsen UL V-0 bei einer Dicke von 1,5 bis 2,0 mm.

Polycarbonat gehört zu den einzigen transparenten Kunststoffharzen, die die für diese anspruchsvollen Anwendungen erforderliche Lichtdurchlässigkeit, thermische Stabilität und Zündbeständigkeit zu angemessenen Kosten bieten.

Designflexibilität

Einer der Vorteile der LED-Beleuchtung ist die Freiheit, die sie den Herstellern bietet, bei der Gestaltung ihrer Produkte kreativ zu sein. Im Gegensatz zur herkömmlichen Glühlampenbeleuchtung unterliegt die Beleuchtungsindustrie keinen Einschränkungen mehr hinsichtlich der ästhetischen Gestaltung. Kunststoffmaterialien, die für die Unterbringung oder Abdeckung der LED-Quelle verwendet werden, können durch Formen von Harzen/Materialien durch Spritzguss- und Folienextrusions-/Thermoformverfahren in unzählige Formen und Größen gebracht werden.

Polycarbonat bietet diese Verarbeitbarkeitsoption mit einer breiten Produktpalette für spezifische Verarbeitungsanforderungen. Darüber hinaus können Teile aufgrund der relativen Festigkeit von Polycarbonat verkleinert werden, um Gewicht, Energie und Kosten zu sparen.

UV-Stabilität

Die Einwirkung einer Lichtquelle kann die Eigenschaften eines Materials beeinträchtigen. In einer LED-Umgebung kann diese Belichtung aus zwei Richtungen erfolgen – von der LED-Quelle selbst und auch vom natürlichen Licht der Sonne. Diese ständige Belastung kann im Laufe der Zeit zu einer Verschlechterung der Eigenschaften führen. Daher ist es besonders wichtig, das richtige Material für LED-Anwendungen auszuwählen und bei der Formulierung der Materialien auf eine ordnungsgemäße UV-Stabilisierung des Produkts zu achten, um die Auswirkungen dieses Phänomens zu minimieren.

Polycarbonat bietet hierfür eine Reihe von Methoden, einschließlich Additiven und Schichtfolien in extrudierten Produkten.

Die Auswahl eines Materials ist komplex und es müssen eine Reihe von Faktoren berücksichtigt werden, um die richtige Lösung für LED-Beleuchtungsanwendungen sicherzustellen. Polycarbonat ist eine führende Materialwahl, da es einige der schwierigsten Herausforderungen der LED-Beleuchtungsindustrie effektiv gemeistert hat. Die Vielseitigkeit des Materials und die Möglichkeit, Eigenschaften individuell anzupassen, ergeben eine hervorragende Übereinstimmung mit den Anforderungen von Herstellern und Formern.

Über das Unternehmen

Styron ist ein globales Materialunternehmen mit einem Produktportfolio, das Kunststoff-, Gummi- und Latexunternehmen vereint, die gleiche Rohstoffe, Betriebe, Kunden und Endverbraucher haben. Das Unternehmen bietet nachhaltige Lösungen in Branchen wie Haushaltsgeräte, Automobil, Bauwesen, Teppich, gewerblicher Transport, Unterhaltungselektronik, Konsumgüter, Elektrik und Beleuchtung, Medizin, Verpackung, Papier und Pappe, Gummiwaren und Reifen. Das Unternehmen hat Pläne angekündigt, seinen Firmennamen mit Wirkung Ende 2011 in Trinseo zu ändern.