LED灯管光扩散涂层技术与检测方法

覃贤

广东华农温氏畜牧股份有限公司 广东云浮 527400

LED灯可以在室内照明中代替传统荧光灯，这个在灯管在短短几年中就取得了长足进步的原因就是在很大程度上是实施，研究和开发了来自灯管的光扩散涂层。光扩散材料的选择，制造技术和测试技术都取得了长足的进步。当前，涂层材料的新组合的不断发展，涂层生产技术的不断改进和涂层检测技术的逐步改进，再加上涂层生产成本的降低，这就在一定程度上刺激了其应用领域的扩大。本文分析了LED管光扩散涂层的材料和技术的发展，并为工艺研究和开发更具成本效益的涂层提供基础。

1 光扩散涂层材料

1.1 粘结剂材料

在2012年，当玻璃管进入LED照明市场时，当时最大的挑战就是光扩散涂料的选择，其中最难选择的就是粘合剂材料。其中粘结剂材料基本包括油性油漆；水性环氧树脂；水溶丙烯酸乳液；PEO胶液[1]。

1.1.1 油性油漆

建议使用油性涂料作为粘合剂，其中有机醋酸丁酯用作溶剂，油漆涂料具有不同的机械强度和耐水性。但是，由于挥发性有机化合物（VOC）的释放，这种类型的油漆已严重损害了环境和员工的身心健康。因此它逐渐被替换为水溶性有机粘合剂或可溶性乳液。

1.1.2 水性环氧树脂

控制低VOC的研究为开发环保型散射LED涂料做出了贡献。此类树脂乳液通常使用硬化剂和乳化剂制成。水性环氧树脂通常在存储过程中不会作为最终原料预先乳化，而是在使用前与水性多胺硬化剂混合并乳化。使用多胺基水基环氧固化剂对低分子环氧树脂液体具有良好的乳化效果。而且涂层有很强的耐热性，耐水性，透明性和柔韧性。

1.1.3 水溶性丙烯酸乳液

该乳液的干燥速度快，成本低，硬度高，无污染，而且它还有很高的经济性，它是丙烯酸树脂，甲基丙烯酸酯和苯乙烯等共聚物。相同树脂的性能也会因平均分子量的不同而有很大差异，而且从目前工艺条件来看，平均分子量在1000-5000的树脂有很好的涂层性能。使用聚胺树脂已经成为交联粘合剂的趋势。

1.1.4 PEO胶液

当引入LED玻璃管的光扩散涂层时，人们使用PEO制成普通的荧光灯-纳米氧化铝和磷光体粉末直接在光扩散涂层上制成糊状，但不再继续进行烘烤过程。对使用的涂层进行特殊测试后，发现该涂层可以承受-20℃/168h的低温冷冻测试，而且还不会破裂或掉落。但是由于水性丙烯酸乳液的不断发展和客户日益严格的要求，该涂料最终将会被淘汰。

1.2 光扩散剂材料

能够散射光的颗粒统称为光扩散剂材料。在早期阶段，就使用了轻质碳酸钙，二氧化硅，氧化铝，氧化锌，二氧化钛，甚至卤化磷酸钙。当前，最常用的有3个体系。分别是碳酸钙-氧化锌-氧化铝体系；卤磷酸钙-硅胶体系；碳酸钙-二氧化硅体系。

1.2.1 碳酸钙-氧化锌-氧化铝体系

首先使用碳酸钙是因为其具有更好的光散射效果和低成本。在该系统中，不添加氧化锌作为光散射剂，而是作为辅助剂。是因为氧化锌具有一定的碱度，抗霉性和增白性能，通常不用于油漆中。一方面，氧化锌添加剂可以用作光散射剂的填充剂，从而减少了材料颗粒之间的空间并提高了抗降解能力。另一方面，它会增加涂层的稠度，但是氧化锌的活性更高，这时过量的Zn2+就会引起一些涂层的凝结。因此，应重新检查氧化锌与涂料配方的相容性和用量。

1.2.2 卤磷酸钙-硅胶体系

含磷的卤化磷酸钙具有良好的漫反射效果，非常适用于光散射涂料。硅胶的添加可以增加透光率。但是，当用作LED的漫反射涂层时，不需要添加卤化磷酸钙作为发光增强剂。所以在烧结过程中无需添加锑，锰和其他活化剂，就可以获得具有优异性能的光散射材料。

1.2.3 碳酸钙-二氧化硅体系

为了提高透光率和光输出，现在大多数人都转向更经济的纳米二氧化硅。纳米二氧化硅的添加可以代替更昂贵的纳米氧化铝，同时，还可以去除氧化锌。将纳米二氧化硅添加到水基涂料中来增加涂层的硬度，并且改善其耐磨性以及涂层对玻璃表面的粘附性。由于纳米二氧化硅颗粒的表面通常具有小的负电荷。所以在涂料中添加纳米二氧化硅分散体后，无定形的二氧化硅颗粒就会在聚合物颗粒的表面上附聚。颗粒表面的负电荷就会防止它们絮凝并改善系统的稳定性。另外，纳米二氧化硅涂层的干燥时间显著减少，并且长期的储存也不会引起沉淀和凝结。在制备光散射涂料悬浮液的过程中，必须先将纳米二氧化硅分散体与树脂乳液混合，其次再进行其他工作。而且不仅只有这些无机光散射材料，它还可以添加有机硅胶以进一步提高透光率。

2 涂层制造技术

2.1 涂料的pH值控制

从一些的应用角度来看，不管是氧化铝体系还是二氧化硅体系，都要保持纳米级溶液的稳定性，且体系中的pH值必须为碱性，即pH＞7。粘合剂通常具有更好的碱性稳定性。pH值对其稳定性，抗微生物，抗沉淀能力和涂膜特性有很大影响。8-9的pH值范围是最好的。在碳酸钙，氧化锌和氧化铝的情况下，加上涂层本身就包含碱金属氧化物，氧化锌，并且一定量的锌离子解离，此外，所用的粘合剂是碱性的，因此没有pH值。当使用碳酸钙-二氧化硅体系时，对于非碱性粘合剂的涂料，当它的pH值小于8.5时，由于纳米二氧化硅分散体的低电荷从而就降低了这个体系的稳定性。而且在高温环境中，涂层中的氨会慢慢的蒸发，这会导致PH降低的同时发生絮凝，所以这就必须不断的补充pH调节剂。

2.2 涂层的干燥条件

2.2.1 干燥和交联反应

在传统的荧光灯镀膜中“干燥”和光扩散涂层的“干燥”是两个不同的概念。荧光灯涂层过程中的“干燥”是在热空气的作用下从涂层中失水的过程，而光散射涂层的“干燥”是将两种成分的聚合物在粘合剂溶液中交联的过程。当光散射涂层的干燥温度高于聚合物的玻璃化转变温度时，其干燥原理是促进粘合剂溶液中的交联反应。当温度低于该玻璃化转变温度时，即使胶脱水并形成，也不能说是完全干燥的。干燥光散射涂层的主要条件是温度，该温度与空气量几乎没有关系。较高的温度意味着更有利的交联反应速率。干燥涂层的第一步是让溶剂离开涂层，涂层的外观最终取决于溶剂的蒸发速度。如果温度太高，溶剂的蒸发速率过高，则粘合剂的表面会很快变干，形成封闭的表面[2]。

2.2.2 下部积粉的处理

灯管底部的粉末堆积一般都比较大，这就增加了在恶劣环境下使用的潜在危险。如果粉末的堆积太大，由于不完全的交联反应，从而导致了局部应力产生断裂。而且裂纹会随着时间的推移而增加。如果此时水也进入裂缝，它将不可避免地进一步加速粘结的破裂，最终导致涂层破裂甚至剥落。所以在形成粉末层之后且在其硬化之前，可以浸入水中除去积聚的粉末进行清洁。还可以添加超声波清洗工艺以提高去除效果。

3 涂层性能的检测

3.1 水煮试验

水可能会对涂层和玻璃之间的连接表面产生破坏性影响。粘合表面上水的物理破坏有两个作用：第一，它使树脂溶胀，从而导致界面细化的破坏。其次，水使待胶粘的表面脱附，并替换吸附的胶水使其脱附。水对涂料树脂的化学作用有两种：可逆的和不可逆的。如果水分子仅仅用来破坏聚合物中的氢键和其他二价键，以造成聚合物的增塑并降低机械能，则这种作用是可逆的；反之亦然。无论是物理的还是化学的，如果发生不可逆的反应，涂层都会被破坏，从而导致其严重掉落。

3.2 低温冻结测试

低温测试旨在检查涂层与玻璃管之间的附着程度以及与之相应的膨胀系数。如果涂层的膨胀系数大于玻璃的膨胀系数，则涂层就会开裂或掉落；但是如果涂层的膨胀系数低于玻璃的膨胀系数，涂层反而会起皱和脱落。即使这样，涂层仍然具有一定程度的韧性，而薄涂层具有更高的韧性。低温测试也是确定涂料中粘合剂的交联度的方法。

3.3 交替湿热试验

由于正在开发的所有直管型LED灯头都是开孔的，所以带有开孔的灯头就会很容易导致灯管进入大气。其中如果包含水蒸气的空气与涂层的接触会损坏涂层，特别是在热带地区，雨后会形成高温和高湿的极端条件，这是对灯管涂层附着力的严格测试。我们要求涂料中的交联反应完成必须通过12个小时的6个交替循环测试，分别为55/RH95%和25℃/RH95%。在使用过程中，这是白天和夜晚在极高湿度的条件下进行的12小时模拟测试。

3.4 双85湿热试验

该测试不仅涉及涂层，还涉及由于温度变化而导致的导体组件热降解的确定。它可以测量在高湿度环境中由灯引起的热应力及其承受长时间湿气渗透的能力。涂层暴露于高温和高湿条件下，这可能导致水蒸气的吸附，吸收和扩散。在高温下，这会加速水对涂层的破坏。当涂层的粘合特性差时，它在吸收水分后会膨胀并降低其性能，从而导致涂层的机械强度降低。对于光伏产品，双重测试85的持续时间为1000小时，而在LED灯管上移植的大部分时间为168小时。在双85条件下进行老化测试时，经常在老化测试后检查燃点特性的变化并于老化测试前相比较。实际上，双重测试85就是对灯的耐热和耐湿性的测试。

4 结语

近年来，对用于LED灯管的光扩散涂层的材料，技术和测试方法的研究已将涂层的制造成本降低了70%以上。它对材料的发展做出了贡献，生产技术和试验的不断进步也对此做出了贡献，也同时奠定了LED灯管在照明灯中的地位。