金屬鹵化物燈電弧管噴粉工藝研究

魏 青 俞明忠 陳 暉 樊開強(qiáng)

(1.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430070;2.寧波亞茂照明電器有限公司，浙江寧波 315502)

1 引言

我們知道一般管壁負(fù)載的石英金鹵燈電弧管都需要在放電腔兩端噴上保溫涂層，以提高冷端溫度，提高金屬鹵化物的蒸氣壓，從而提高燈的光效和顯色指數(shù)。目前應(yīng)用的保溫涂層材料主要有ZrO2和Al2O3，將涂層材料涂到電弧管表面的工藝方法主要有火焰噴涂 (簡稱火噴)、水粉漿噴涂 (簡稱水噴)和浸涂。普遍采用的工藝是火噴和水噴，浸涂工藝一般只應(yīng)用于一些特殊規(guī)格的金鹵燈。水粉漿噴涂后期可能發(fā)黑，火焰噴涂生產(chǎn)成本相對較高，容易出現(xiàn)脫粉及對石英玻璃強(qiáng)度的破壞等［1～5］。所以探索一種性能優(yōu)越、價格合理的噴涂方法勢在必行。本文所探討內(nèi)容對噴涂環(huán)節(jié)的改進(jìn)有一定的指導(dǎo)意義。

2 工藝分析

2.1 材料性能分析

ZrO2相對Al2O3在保溫性能上有優(yōu)勢，見表1和表2。

表1 紅外材料折射指數(shù)，單、雙面反射系數(shù)及理論透過率Table 1 Refractive index of infrared materials，single，double reflection coefficient and theoretical transmittance

表2 紅外材料能隙及透射波段Table 2 Infrared material band gap and transmission band

可以看出，ZrO2能夠截取并反射更多的紅外能量，所以保溫性能更佳。

當(dāng)然，上述數(shù)據(jù)僅是理論值，在實際的金鹵燈電弧管保溫涂層當(dāng)中，保溫性能還與粉層厚度、均勻性及孔隙度有關(guān)，見表3和圖1。

表3 氧化鋁多孔膜的孔隙度Table 3 The porosity of porous alumina film

圖1 不同孔隙度的氧化鋁多孔膜的紅外反射光譜Fig.1 IR reflection spectra of porousAlumina film of the different porosities

雖然ZrO2在金鹵燈電弧管的應(yīng)用當(dāng)中有明顯的優(yōu)勢，但由于成本因素 (純度等級相近的材料，ZrO2是Al2O3價格的20倍以上)，一般國內(nèi)普通照明金鹵燈很少采用ZrO2作為保溫涂層材料使用。

ZrO2在GE和OSRAM Sylvania的金鹵燈電弧管中廣泛應(yīng)用，涂敷方法是采用ZrO2和有機(jī)溶劑配成粉漿，噴涂或刷涂到電弧管需要保溫的區(qū)域，有機(jī)溶劑蒸發(fā)后粉層即形成需要的保溫涂層，然后進(jìn)行制燈。該方法涂覆的粉層僅適用于高度自動化的生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)，因為該涂層常態(tài)附著性能非常差，輕輕一碰就能造成粉層脫落，只有在完全自動化的生產(chǎn)線才能保證保溫涂層不會被觸碰到，才能保證制成燈后保溫涂層的完整性，以目前國內(nèi)的生產(chǎn)工藝流程和操作方法來看無法保證有效的涂層質(zhì)量。

因此，國內(nèi)普遍采用Al2O3粉材料作為金鹵燈電弧管的保溫涂層。

2.2 Al2O3粉保溫涂層的工藝分析

目前國內(nèi)Al2O3涂層主要采用火噴粉和水噴粉進(jìn)行涂覆。

2.2.1 火噴粉和水噴粉工藝介紹

(1)火噴粉工藝介紹

將石英管加熱到高溫 (約900℃以上)，再將γ相Al2O3粉末在高溫火焰下熔化后，噴射在表面已經(jīng)軟化了的石英管上，氧化鋁粉末就附著在石英管上，完成噴粉工作。

(2)水噴粉工藝介紹

將石英管加熱到100～200℃，再將用Al2O3粉、粘結(jié)劑、去離子水配制而成的溶液用噴槍噴涂在石英管表面，水蒸發(fā)后，Al2O3粉末依靠粘結(jié)劑附著在石英管上，完成噴粉工作。

2.2.2 火噴粉和水噴粉工藝對比分析

(1)火噴粉主要缺點

①石英玻璃需要進(jìn)行高溫加熱，這樣對石英玻璃有損傷，會增加羥基含量。國外一般采用氫—氧焰進(jìn)行噴粉，而國內(nèi)一方面由于氫氣有所管制，另一方面出于成本考慮，大多采用煤—氧火焰進(jìn)行噴粉。采用煤—氧火焰，加熱時間較長，雖然羥基增加可能會少一些，但對石英玻璃強(qiáng)度破壞則更大。

②火噴粉由于粉末利用率較低，因此生產(chǎn)成本相對較高，以普通400W金鹵燈電弧管為例，材料成本高于0.5元/只，而水噴粉在0.3元/只以內(nèi)，約有30%以上的材料成本差距。

③由于粉末利用率較低，有較多粉末飛散造成環(huán)境污染。

④火噴粉工藝的涂層容易在燈燃點到2000小時后產(chǎn)生脫粉現(xiàn)象，一方面是由于Al2O3涂層和石英玻璃間膨脹系數(shù)的差異所致，加熱溫度和噴粉溫度及粉槍霧化不良都會造成粉層附著強(qiáng)度下降，造成脫粉;另一方面是前面提到的石英管強(qiáng)度的損傷，容易使電弧管兩端噴粉部位在燈燃點一段時間后產(chǎn)生鼓泡等變形現(xiàn)象，造成粉層從石英管表面脫落。

⑤火噴粉需要加熱石英管的溫度高，因此加工時間較長，相對水噴粉的工效要低20%以上，能源消耗相對較大。

(2)水噴粉主要缺點

①水噴粉形成的保溫涂層在燈泡燃點過程中容易產(chǎn)生粉層發(fā)黑現(xiàn)象，造成燈泡光通量下降，燈泡的能效不合格。

②水噴粉漿中有可能存在各種有害雜質(zhì)，如粘結(jié)劑中可能存在的堿金屬等等，造成石英玻璃的電解和析晶等危害。

比較火噴粉和水噴粉特點，我們傾向于選擇水噴粉。

3 水噴粉粉漿研究

金鹵燈電弧管的水噴粉漿在工效、成本等方面有明顯優(yōu)勢，但也存在一定的質(zhì)量風(fēng)險，主要是粘結(jié)劑容易含有各種有害雜質(zhì)，對電弧管各方面性能造成危害。

目前可用于粘合氧化鋁粉和石英玻璃的粘結(jié)劑主要有:

(1)玻璃類:低熔點玻璃(如Ca2P2O7·CaB4O7)、偏硅酸鈉(Na2SiO3·nH2O)等;

原理。把去掉磁性金屬物的面粉與已知量的磁性金屬物混合均勻后，再經(jīng)磁性金屬物檢測器分離，計算收集的磁性金屬物回收率。若回收率在95%以上，該儀器性能即滿足工作要求。

(2)水溶膠類:硅溶膠(SiO2.nH2O)、水合氧化鋁(Al2O3·nH2O)等;

(3)有機(jī)粘結(jié)劑類:聚甲基丙烯酸銨(APMAA)、聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯醇(PVA)等。

我們針對粘結(jié)劑進(jìn)行了一系列試驗，以下是各種試驗的結(jié)果及分析:

試驗一:石英玻璃析晶情況和透過率變化

將粉漿加入密封石英玻璃內(nèi)，在空氣氣氛中600℃烘干，然后進(jìn)行排氣，充入適量氮氣 (模擬粉層的工藝處理過程及工作環(huán)境)，放入馬弗爐中，在1000℃ 及空氣氣氛中烘烤200小時，然后在去離子水中用超聲波洗去粉層，檢查石英玻璃析晶情況和透過率變化，詳見表4。

表4 石英玻璃析晶情況和透過率變化Table 4 Quartz glass crystallization conditions and changes in the transmittance

由于條件限制，APMAA和低熔點玻璃粘結(jié)劑未進(jìn)行試驗，鋁溶膠由于未能采購到雜質(zhì)含量合適的，所以也未安排試驗。

試驗二:粉層均勻性與牢固度

將粘結(jié)劑與去離子水和氧化鋁粉配置成粉漿，粉漿密度在1.8g/cm3左右，粘度依據(jù)浸涂的粉層狀況進(jìn)行調(diào)整，用火頭將電弧管噴粉區(qū)域加熱到120℃左右，然后用噴槍將粉漿噴涂到電弧管規(guī)定區(qū)域。

將電弧管斜對光源，用目視法檢驗粉層各部位的厚薄均勻情況。

(2)粉層牢固度檢驗方法

①振動試驗檢驗成品燈泡內(nèi)電弧管是否有脫粉來判定粉層牢固度是否能滿足交收試驗。

②用膠紙粘到涂層，然后撕去膠紙，依據(jù)殘留面積來判定附著牢固度能否滿足電弧管流轉(zhuǎn)過程的控制要求。試驗結(jié)果詳見表5。

表5 保溫涂層均勻性與牢固度Table 5 Thermal insulation coating uniformity and firmness

試驗三:粉層發(fā)黑狀況

將各種粘結(jié)劑配好的粉漿，各自噴好20個電弧管的粉層，然后在空氣中放置72小時以上，按照常規(guī)工藝制成透明的成燈，燃點100小時后檢查粉層發(fā)黑情況，得到表6的結(jié)果。

表6 不同粘結(jié)劑保溫涂層的發(fā)黑情況Table 6 Black different binder insulation coating

試驗四:重復(fù)驗證試驗

一周后，對試驗三中“可用”的兩種粘結(jié)劑進(jìn)行各重復(fù)50個的試驗，結(jié)果見表7。

表7 不同粘結(jié)劑的驗證情況Table 7 Verification of different binders

4 試驗結(jié)果分析

(1)Na+等堿金屬離子的存在，會造成石英玻璃電解和析晶，因此不能應(yīng)用于金鹵燈電弧管的生產(chǎn)上。堿金屬離子主要有兩個來源，一是材料本身含有的，另一個是粘結(jié)劑生產(chǎn)過程中堿金屬離子清除工藝不合理，造成堿金屬離子的殘留。

(2)無機(jī)的粘結(jié)劑都含有相當(dāng)數(shù)量的結(jié)晶水和羥基，如何有效地在制燈過程中清除干凈還有待于進(jìn)一步研究。

(3)無機(jī)粘結(jié)劑開啟后如果不能密封保存，時間長了性能會變差。

(4)粘結(jié)劑中堿金屬等雜質(zhì)是造成粉層發(fā)黑的主要原因。

為了驗證堿金屬對粉層發(fā)黑的影響，我們將SiO2·nH2O作為粘結(jié)劑的粉漿進(jìn)行噴粉作業(yè)后，將電弧管浸泡在去離子水中清洗1小時，然后用無水乙醇進(jìn)行脫水，做對比試驗，結(jié)果顯示20只燈燃點100小時后無發(fā)黑現(xiàn)象。

5 結(jié)論

無機(jī)粘結(jié)劑應(yīng)用在金鹵燈電弧管的保溫涂層中，必須解決堿金屬離子等雜質(zhì)的含量問題，由于目前尚沒有專門針對電光源行業(yè)需要的高純度無機(jī)粘結(jié)劑的開發(fā)和生產(chǎn)，因此在應(yīng)用時需要特別注意。

由于金鹵燈在排氣前或封口前需要進(jìn)行點燈，因此采用有機(jī)粘結(jié)劑配制成水噴粉漿是一個可行的方案，該方案主要優(yōu)點:

(1)工藝可執(zhí)行度高;

(2)分解后殘留少，基本無有害雜質(zhì);

(3)成本合理。

我們對常用的PEO粘結(jié)劑進(jìn)行了試驗，主要問題是粉層牢固度不太好，在電弧管流轉(zhuǎn)過程中容易擦粉造成粉缺，其他性能基本能夠滿足金鹵燈的要求。

其他的有機(jī)粘結(jié)劑我們目前還在做進(jìn)一步的研究。

6 結(jié)束語

金鹵燈電弧管涂層質(zhì)量直接關(guān)系到燈泡的光效，色溫，壽命等關(guān)鍵性參數(shù)，所以是非常重要的。國內(nèi)對此研究不多，我們謹(jǐn)以此文做拋磚引玉之用，歡迎大家指正。

［1］方道腴，蔡祖泉.電光源工藝［M］.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，1988.

［2］方道腴.常用水漿粘結(jié)劑特性的比較［J］.中國照明電器，2002，(12).

［3］鞏運(yùn)蘭，王為.氧化鋁多孔膜紅外吸收性能的研究［J］.材料工程，1999，(9).

［4］余懷之.紅外光學(xué)材料［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007.

［5］魏青，喬更新.PEO膠與涂粉工藝對熒光燈品質(zhì)影響的研究［J］.照明工程學(xué)報，2012，23(2).