金属卤化物灯电弧管喷粉工艺研究

魏 青 俞明忠 陈 晖 樊开强

(1.武汉职业技术学院，湖北武汉 430070;2.宁波亚茂照明电器有限公司，浙江宁波 315502)

1 引言

我们知道一般管壁负载的石英金卤灯电弧管都需要在放电腔两端喷上保温涂层，以提高冷端温度，提高金属卤化物的蒸气压，从而提高灯的光效和显色指数。目前应用的保温涂层材料主要有ZrO2和Al2O3，将涂层材料涂到电弧管表面的工艺方法主要有火焰喷涂 (简称火喷)、水粉浆喷涂 (简称水喷)和浸涂。普遍采用的工艺是火喷和水喷，浸涂工艺一般只应用于一些特殊规格的金卤灯。水粉浆喷涂后期可能发黑，火焰喷涂生产成本相对较高，容易出现脱粉及对石英玻璃强度的破坏等［1～5］。所以探索一种性能优越、价格合理的喷涂方法势在必行。本文所探讨内容对喷涂环节的改进有一定的指导意义。

2 工艺分析

2.1 材料性能分析

ZrO2相对Al2O3在保温性能上有优势，见表1和表2。

表1 红外材料折射指数，单、双面反射系数及理论透过率Table 1 Refractive index of infrared materials，single，double reflection coefficient and theoretical transmittance

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

可以看出，ZrO2能够截取并反射更多的红外能量，所以保温性能更佳。

当然，上述数据仅是理论值，在实际的金卤灯电弧管保温涂层当中，保温性能还与粉层厚度、均匀性及孔隙度有关，见表3和图1。

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

图1 不同孔隙度的氧化铝多孔膜的红外反射光谱Fig.1 IR reflection spectra of porousAlumina film of the different porosities

虽然ZrO2在金卤灯电弧管的应用当中有明显的优势，但由于成本因素 (纯度等级相近的材料，ZrO2是Al2O3价格的20倍以上)，一般国内普通照明金卤灯很少采用ZrO2作为保温涂层材料使用。

ZrO2在GE和OSRAM Sylvania的金卤灯电弧管中广泛应用，涂敷方法是采用ZrO2和有机溶剂配成粉浆，喷涂或刷涂到电弧管需要保温的区域，有机溶剂蒸发后粉层即形成需要的保温涂层，然后进行制灯。该方法涂覆的粉层仅适用于高度自动化的生产线进行生产，因为该涂层常态附着性能非常差，轻轻一碰就能造成粉层脱落，只有在完全自动化的生产线才能保证保温涂层不会被触碰到，才能保证制成灯后保温涂层的完整性，以目前国内的生产工艺流程和操作方法来看无法保证有效的涂层质量。

因此，国内普遍采用Al2O3粉材料作为金卤灯电弧管的保温涂层。

2.2 Al2O3粉保温涂层的工艺分析

目前国内Al2O3涂层主要采用火喷粉和水喷粉进行涂覆。

2.2.1 火喷粉和水喷粉工艺介绍

(1)火喷粉工艺介绍

将石英管加热到高温 (约900℃以上)，再将γ相Al2O3粉末在高温火焰下熔化后，喷射在表面已经软化了的石英管上，氧化铝粉末就附着在石英管上，完成喷粉工作。

(2)水喷粉工艺介绍

将石英管加热到100～200℃，再将用Al2O3粉、粘结剂、去离子水配制而成的溶液用喷枪喷涂在石英管表面，水蒸发后，Al2O3粉末依靠粘结剂附着在石英管上，完成喷粉工作。

2.2.2 火喷粉和水喷粉工艺对比分析

(1)火喷粉主要缺点

①石英玻璃需要进行高温加热，这样对石英玻璃有损伤，会增加羟基含量。国外一般采用氢—氧焰进行喷粉，而国内一方面由于氢气有所管制，另一方面出于成本考虑，大多采用煤—氧火焰进行喷粉。采用煤—氧火焰，加热时间较长，虽然羟基增加可能会少一些，但对石英玻璃强度破坏则更大。

②火喷粉由于粉末利用率较低，因此生产成本相对较高，以普通400W金卤灯电弧管为例，材料成本高于0.5元/只，而水喷粉在0.3元/只以内，约有30%以上的材料成本差距。

③由于粉末利用率较低，有较多粉末飞散造成环境污染。

④火喷粉工艺的涂层容易在灯燃点到2000小时后产生脱粉现象，一方面是由于Al2O3涂层和石英玻璃间膨胀系数的差异所致，加热温度和喷粉温度及粉枪雾化不良都会造成粉层附着强度下降，造成脱粉;另一方面是前面提到的石英管强度的损伤，容易使电弧管两端喷粉部位在灯燃点一段时间后产生鼓泡等变形现象，造成粉层从石英管表面脱落。

⑤火喷粉需要加热石英管的温度高，因此加工时间较长，相对水喷粉的工效要低20%以上，能源消耗相对较大。

(2)水喷粉主要缺点

①水喷粉形成的保温涂层在灯泡燃点过程中容易产生粉层发黑现象，造成灯泡光通量下降，灯泡的能效不合格。

②水喷粉浆中有可能存在各种有害杂质，如粘结剂中可能存在的碱金属等等，造成石英玻璃的电解和析晶等危害。

比较火喷粉和水喷粉特点，我们倾向于选择水喷粉。

3 水喷粉粉浆研究

金卤灯电弧管的水喷粉浆在工效、成本等方面有明显优势，但也存在一定的质量风险，主要是粘结剂容易含有各种有害杂质，对电弧管各方面性能造成危害。

目前可用于粘合氧化铝粉和石英玻璃的粘结剂主要有:

(1)玻璃类:低熔点玻璃(如Ca2P2O7·CaB4O7)、偏硅酸钠(Na2SiO3·nH2O)等;

原理。把去掉磁性金属物的面粉与已知量的磁性金属物混合均匀后，再经磁性金属物检测器分离，计算收集的磁性金属物回收率。若回收率在95%以上，该仪器性能即满足工作要求。

(2)水溶胶类:硅溶胶(SiO2.nH2O)、水合氧化铝(Al2O3·nH2O)等;

(3)有机粘结剂类:聚甲基丙烯酸铵(APMAA)、聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯醇(PVA)等。

我们针对粘结剂进行了一系列试验，以下是各种试验的结果及分析:

试验一:石英玻璃析晶情况和透过率变化

将粉浆加入密封石英玻璃内，在空气气氛中600℃烘干，然后进行排气，充入适量氮气 (模拟粉层的工艺处理过程及工作环境)，放入马弗炉中，在1000℃ 及空气气氛中烘烤200小时，然后在去离子水中用超声波洗去粉层，检查石英玻璃析晶情况和透过率变化，详见表4。

表4 石英玻璃析晶情况和透过率变化Table 4 Quartz glass crystallization conditions and changes in the transmittance

由于条件限制，APMAA和低熔点玻璃粘结剂未进行试验，铝溶胶由于未能采购到杂质含量合适的，所以也未安排试验。

试验二:粉层均匀性与牢固度

将粘结剂与去离子水和氧化铝粉配置成粉浆，粉浆密度在1.8g/cm3左右，粘度依据浸涂的粉层状况进行调整，用火头将电弧管喷粉区域加热到120℃左右，然后用喷枪将粉浆喷涂到电弧管规定区域。

将电弧管斜对光源，用目视法检验粉层各部位的厚薄均匀情况。

(2)粉层牢固度检验方法

①振动试验检验成品灯泡内电弧管是否有脱粉来判定粉层牢固度是否能满足交收试验。

②用胶纸粘到涂层，然后撕去胶纸，依据残留面积来判定附着牢固度能否满足电弧管流转过程的控制要求。试验结果详见表5。

表5 保温涂层均匀性与牢固度Table 5 Thermal insulation coating uniformity and firmness

试验三:粉层发黑状况

将各种粘结剂配好的粉浆，各自喷好20个电弧管的粉层，然后在空气中放置72小时以上，按照常规工艺制成透明的成灯，燃点100小时后检查粉层发黑情况，得到表6的结果。

表6 不同粘结剂保温涂层的发黑情况Table 6 Black different binder insulation coating

试验四:重复验证试验

一周后，对试验三中“可用”的两种粘结剂进行各重复50个的试验，结果见表7。

表7 不同粘结剂的验证情况Table 7 Verification of different binders

4 试验结果分析

(1)Na+等碱金属离子的存在，会造成石英玻璃电解和析晶，因此不能应用于金卤灯电弧管的生产上。碱金属离子主要有两个来源，一是材料本身含有的，另一个是粘结剂生产过程中碱金属离子清除工艺不合理，造成碱金属离子的残留。

(2)无机的粘结剂都含有相当数量的结晶水和羟基，如何有效地在制灯过程中清除干净还有待于进一步研究。

(3)无机粘结剂开启后如果不能密封保存，时间长了性能会变差。

(4)粘结剂中碱金属等杂质是造成粉层发黑的主要原因。

为了验证碱金属对粉层发黑的影响，我们将SiO2·nH2O作为粘结剂的粉浆进行喷粉作业后，将电弧管浸泡在去离子水中清洗1小时，然后用无水乙醇进行脱水，做对比试验，结果显示20只灯燃点100小时后无发黑现象。

5 结论

无机粘结剂应用在金卤灯电弧管的保温涂层中，必须解决碱金属离子等杂质的含量问题，由于目前尚没有专门针对电光源行业需要的高纯度无机粘结剂的开发和生产，因此在应用时需要特别注意。

由于金卤灯在排气前或封口前需要进行点灯，因此采用有机粘结剂配制成水喷粉浆是一个可行的方案，该方案主要优点:

(1)工艺可执行度高;

(2)分解后残留少，基本无有害杂质;

(3)成本合理。

我们对常用的PEO粘结剂进行了试验，主要问题是粉层牢固度不太好，在电弧管流转过程中容易擦粉造成粉缺，其他性能基本能够满足金卤灯的要求。

其他的有机粘结剂我们目前还在做进一步的研究。

6 结束语

金卤灯电弧管涂层质量直接关系到灯泡的光效，色温，寿命等关键性参数，所以是非常重要的。国内对此研究不多，我们谨以此文做抛砖引玉之用，欢迎大家指正。

［1］方道腴，蔡祖泉.电光源工艺［M］.上海:复旦大学出版社，1988.

［2］方道腴.常用水浆粘结剂特性的比较［J］.中国照明电器，2002，(12).

［3］巩运兰，王为.氧化铝多孔膜红外吸收性能的研究［J］.材料工程，1999，(9).

［4］余怀之.红外光学材料［M］.北京:国防工业出版社，2007.

［5］魏青，乔更新.PEO胶与涂粉工艺对荧光灯品质影响的研究［J］.照明工程学报，2012，23(2).