LED燈管光擴散涂層技術(shù)與檢測方法

覃賢

廣東華農(nóng)溫氏畜牧股份有限公司 廣東云浮 527400

LED燈可以在室內(nèi)照明中代替?zhèn)鹘y(tǒng)熒光燈，這個在燈管在短短幾年中就取得了長足進步的原因就是在很大程度上是實施，研究和開發(fā)了來自燈管的光擴散涂層。光擴散材料的選擇，制造技術(shù)和測試技術(shù)都取得了長足的進步。當前，涂層材料的新組合的不斷發(fā)展，涂層生產(chǎn)技術(shù)的不斷改進和涂層檢測技術(shù)的逐步改進，再加上涂層生產(chǎn)成本的降低，這就在一定程度上刺激了其應(yīng)用領(lǐng)域的擴大。本文分析了LED管光擴散涂層的材料和技術(shù)的發(fā)展，并為工藝研究和開發(fā)更具成本效益的涂層提供基礎(chǔ)。

1 光擴散涂層材料

1.1 粘結(jié)劑材料

在2012年，當玻璃管進入LED照明市場時，當時最大的挑戰(zhàn)就是光擴散涂料的選擇，其中最難選擇的就是粘合劑材料。其中粘結(jié)劑材料基本包括油性油漆；水性環(huán)氧樹脂；水溶丙烯酸乳液；PEO膠液[1]。

1.1.1 油性油漆

建議使用油性涂料作為粘合劑，其中有機醋酸丁酯用作溶劑，油漆涂料具有不同的機械強度和耐水性。但是，由于揮發(fā)性有機化合物（VOC）的釋放，這種類型的油漆已嚴重損害了環(huán)境和員工的身心健康。因此它逐漸被替換為水溶性有機粘合劑或可溶性乳液。

1.1.2 水性環(huán)氧樹脂

控制低VOC的研究為開發(fā)環(huán)保型散射LED涂料做出了貢獻。此類樹脂乳液通常使用硬化劑和乳化劑制成。水性環(huán)氧樹脂通常在存儲過程中不會作為最終原料預(yù)先乳化，而是在使用前與水性多胺硬化劑混合并乳化。使用多胺基水基環(huán)氧固化劑對低分子環(huán)氧樹脂液體具有良好的乳化效果。而且涂層有很強的耐熱性，耐水性，透明性和柔韌性。

1.1.3 水溶性丙烯酸乳液

該乳液的干燥速度快，成本低，硬度高，無污染，而且它還有很高的經(jīng)濟性，它是丙烯酸樹脂，甲基丙烯酸酯和苯乙烯等共聚物。相同樹脂的性能也會因平均分子量的不同而有很大差異，而且從目前工藝條件來看，平均分子量在1000-5000的樹脂有很好的涂層性能。使用聚胺樹脂已經(jīng)成為交聯(lián)粘合劑的趨勢。

1.1.4 PEO膠液

當引入LED玻璃管的光擴散涂層時，人們使用PEO制成普通的熒光燈-納米氧化鋁和磷光體粉末直接在光擴散涂層上制成糊狀，但不再繼續(xù)進行烘烤過程。對使用的涂層進行特殊測試后，發(fā)現(xiàn)該涂層可以承受-20℃/168h的低溫冷凍測試，而且還不會破裂或掉落。但是由于水性丙烯酸乳液的不斷發(fā)展和客戶日益嚴格的要求，該涂料最終將會被淘汰。

1.2 光擴散劑材料

能夠散射光的顆粒統(tǒng)稱為光擴散劑材料。在早期階段，就使用了輕質(zhì)碳酸鈣，二氧化硅，氧化鋁，氧化鋅，二氧化鈦，甚至鹵化磷酸鈣。當前，最常用的有3個體系。分別是碳酸鈣-氧化鋅-氧化鋁體系；鹵磷酸鈣-硅膠體系；碳酸鈣-二氧化硅體系。

1.2.1 碳酸鈣-氧化鋅-氧化鋁體系

首先使用碳酸鈣是因為其具有更好的光散射效果和低成本。在該系統(tǒng)中，不添加氧化鋅作為光散射劑，而是作為輔助劑。是因為氧化鋅具有一定的堿度，抗霉性和增白性能，通常不用于油漆中。一方面，氧化鋅添加劑可以用作光散射劑的填充劑，從而減少了材料顆粒之間的空間并提高了抗降解能力。另一方面，它會增加涂層的稠度，但是氧化鋅的活性更高，這時過量的Zn2+就會引起一些涂層的凝結(jié)。因此，應(yīng)重新檢查氧化鋅與涂料配方的相容性和用量。

1.2.2 鹵磷酸鈣-硅膠體系

含磷的鹵化磷酸鈣具有良好的漫反射效果，非常適用于光散射涂料。硅膠的添加可以增加透光率。但是，當用作LED的漫反射涂層時，不需要添加鹵化磷酸鈣作為發(fā)光增強劑。所以在燒結(jié)過程中無需添加銻，錳和其他活化劑，就可以獲得具有優(yōu)異性能的光散射材料。

1.2.3 碳酸鈣-二氧化硅體系

為了提高透光率和光輸出，現(xiàn)在大多數(shù)人都轉(zhuǎn)向更經(jīng)濟的納米二氧化硅。納米二氧化硅的添加可以代替更昂貴的納米氧化鋁，同時，還可以去除氧化鋅。將納米二氧化硅添加到水基涂料中來增加涂層的硬度，并且改善其耐磨性以及涂層對玻璃表面的粘附性。由于納米二氧化硅顆粒的表面通常具有小的負電荷。所以在涂料中添加納米二氧化硅分散體后，無定形的二氧化硅顆粒就會在聚合物顆粒的表面上附聚。顆粒表面的負電荷就會防止它們絮凝并改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，納米二氧化硅涂層的干燥時間顯著減少，并且長期的儲存也不會引起沉淀和凝結(jié)。在制備光散射涂料懸浮液的過程中，必須先將納米二氧化硅分散體與樹脂乳液混合，其次再進行其他工作。而且不僅只有這些無機光散射材料，它還可以添加有機硅膠以進一步提高透光率。

2 涂層制造技術(shù)

2.1 涂料的pH值控制

從一些的應(yīng)用角度來看，不管是氧化鋁體系還是二氧化硅體系，都要保持納米級溶液的穩(wěn)定性，且體系中的pH值必須為堿性，即pH＞7。粘合劑通常具有更好的堿性穩(wěn)定性。pH值對其穩(wěn)定性，抗微生物，抗沉淀能力和涂膜特性有很大影響。8-9的pH值范圍是最好的。在碳酸鈣，氧化鋅和氧化鋁的情況下，加上涂層本身就包含堿金屬氧化物，氧化鋅，并且一定量的鋅離子解離，此外，所用的粘合劑是堿性的，因此沒有pH值。當使用碳酸鈣-二氧化硅體系時，對于非堿性粘合劑的涂料，當它的pH值小于8.5時，由于納米二氧化硅分散體的低電荷從而就降低了這個體系的穩(wěn)定性。而且在高溫環(huán)境中，涂層中的氨會慢慢的蒸發(fā)，這會導(dǎo)致PH降低的同時發(fā)生絮凝，所以這就必須不斷的補充pH調(diào)節(jié)劑。

2.2 涂層的干燥條件

2.2.1 干燥和交聯(lián)反應(yīng)

在傳統(tǒng)的熒光燈鍍膜中“干燥”和光擴散涂層的“干燥”是兩個不同的概念。熒光燈涂層過程中的“干燥”是在熱空氣的作用下從涂層中失水的過程，而光散射涂層的“干燥”是將兩種成分的聚合物在粘合劑溶液中交聯(lián)的過程。當光散射涂層的干燥溫度高于聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，其干燥原理是促進粘合劑溶液中的交聯(lián)反應(yīng)。當溫度低于該玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，即使膠脫水并形成，也不能說是完全干燥的。干燥光散射涂層的主要條件是溫度，該溫度與空氣量幾乎沒有關(guān)系。較高的溫度意味著更有利的交聯(lián)反應(yīng)速率。干燥涂層的第一步是讓溶劑離開涂層，涂層的外觀最終取決于溶劑的蒸發(fā)速度。如果溫度太高，溶劑的蒸發(fā)速率過高，則粘合劑的表面會很快變干，形成封閉的表面[2]。

2.2.2 下部積粉的處理

燈管底部的粉末堆積一般都比較大，這就增加了在惡劣環(huán)境下使用的潛在危險。如果粉末的堆積太大，由于不完全的交聯(lián)反應(yīng)，從而導(dǎo)致了局部應(yīng)力產(chǎn)生斷裂。而且裂紋會隨著時間的推移而增加。如果此時水也進入裂縫，它將不可避免地進一步加速粘結(jié)的破裂，最終導(dǎo)致涂層破裂甚至剝落。所以在形成粉末層之后且在其硬化之前，可以浸入水中除去積聚的粉末進行清潔。還可以添加超聲波清洗工藝以提高去除效果。

3 涂層性能的檢測

3.1 水煮試驗

水可能會對涂層和玻璃之間的連接表面產(chǎn)生破壞性影響。粘合表面上水的物理破壞有兩個作用：第一，它使樹脂溶脹，從而導(dǎo)致界面細化的破壞。其次，水使待膠粘的表面脫附，并替換吸附的膠水使其脫附。水對涂料樹脂的化學(xué)作用有兩種：可逆的和不可逆的。如果水分子僅僅用來破壞聚合物中的氫鍵和其他二價鍵，以造成聚合物的增塑并降低機械能，則這種作用是可逆的；反之亦然。無論是物理的還是化學(xué)的，如果發(fā)生不可逆的反應(yīng)，涂層都會被破壞，從而導(dǎo)致其嚴重掉落。

3.2 低溫凍結(jié)測試

低溫測試旨在檢查涂層與玻璃管之間的附著程度以及與之相應(yīng)的膨脹系數(shù)。如果涂層的膨脹系數(shù)大于玻璃的膨脹系數(shù)，則涂層就會開裂或掉落；但是如果涂層的膨脹系數(shù)低于玻璃的膨脹系數(shù)，涂層反而會起皺和脫落。即使這樣，涂層仍然具有一定程度的韌性，而薄涂層具有更高的韌性。低溫測試也是確定涂料中粘合劑的交聯(lián)度的方法。

3.3 交替濕熱試驗

由于正在開發(fā)的所有直管型LED燈頭都是開孔的，所以帶有開孔的燈頭就會很容易導(dǎo)致燈管進入大氣。其中如果包含水蒸氣的空氣與涂層的接觸會損壞涂層，特別是在熱帶地區(qū)，雨后會形成高溫和高濕的極端條件，這是對燈管涂層附著力的嚴格測試。我們要求涂料中的交聯(lián)反應(yīng)完成必須通過12個小時的6個交替循環(huán)測試，分別為55/RH95%和25℃/RH95%。在使用過程中，這是白天和夜晚在極高濕度的條件下進行的12小時模擬測試。

3.4 雙85濕熱試驗

該測試不僅涉及涂層，還涉及由于溫度變化而導(dǎo)致的導(dǎo)體組件熱降解的確定。它可以測量在高濕度環(huán)境中由燈引起的熱應(yīng)力及其承受長時間濕氣滲透的能力。涂層暴露于高溫和高濕條件下，這可能導(dǎo)致水蒸氣的吸附，吸收和擴散。在高溫下，這會加速水對涂層的破壞。當涂層的粘合特性差時，它在吸收水分后會膨脹并降低其性能，從而導(dǎo)致涂層的機械強度降低。對于光伏產(chǎn)品，雙重測試85的持續(xù)時間為1000小時，而在LED燈管上移植的大部分時間為168小時。在雙85條件下進行老化測試時，經(jīng)常在老化測試后檢查燃點特性的變化并于老化測試前相比較。實際上，雙重測試85就是對燈的耐熱和耐濕性的測試。

4 結(jié)語

近年來，對用于LED燈管的光擴散涂層的材料，技術(shù)和測試方法的研究已將涂層的制造成本降低了70%以上。它對材料的發(fā)展做出了貢獻，生產(chǎn)技術(shù)和試驗的不斷進步也對此做出了貢獻，也同時奠定了LED燈管在照明燈中的地位。