通過分析各種水溶性成膜樹脂在試制過程中發(fā)現(xiàn)的性能差異，以及多種光擴散劑在涂料中的使用效果，對配制直管型玻璃LED燈光擴散涂料的成膜樹脂與光擴散劑的選型與應(yīng)用進行研究。
 

水溶性LED光擴散涂料主要配方原料的選型與應(yīng)用研究
 

    玻璃管LED燈對光擴散涂層的均勻性、透光率、霧度、安全性、附著力、穩(wěn)定性、無污染、價格等要求很高，滿足這些要求須從樹脂和光擴散劑的選擇及制造工藝等多方面進行研究。水性LED光擴散涂料的應(yīng)用避免了低有機揮發(fā)物（VOC）排放的環(huán)境污染，使用安全方便，在直管形玻璃LED燈的大規(guī)模開發(fā)推動下得以迅速發(fā)展。

    1·水溶性成膜樹脂的選用

    符合設(shè)備工藝要求的膜樹脂是無害化水性光擴散涂層技術(shù)的關(guān)鍵。目前，可用作LED燈光擴散涂層的成膜樹脂有水性醇酸樹脂、水性聚丙烯酸樹脂、水性聚氨酯樹脂等[1]。這3類樹脂可單獨成膜，或按一定比例聯(lián)合使用，以避免單獨使用某類樹脂時的性能缺陷。以下對這3類水溶性成膜樹脂的性能差異分別進行闡述。

    1.1水性醇酸樹脂——最先開發(fā)的成膜劑

    水性醇酸樹脂是較早開發(fā)的水性涂料，其成膜機理與傳統(tǒng)溶劑型醇酸樹脂類似，通過不飽和脂肪酸氧化交聯(lián)固化成膜，無須添加助溶劑（成膜助劑），不含揮發(fā)性有機物。此外，水性醇酸樹脂對光擴散劑的潤濕性好，承載力強，具有良好的滲透性、流平性及豐滿度，易于涂覆，涂層效果較好。但其聚合物鏈較易水解，涂膜耐久性差，燃點時間太長則會輕微變色。然而樹脂自乳化后通過丙烯酸或聚氨脂改性，耐久性獲得改善則可用于光擴散層。

    1.2水性聚丙烯酸樹脂——目前最理想的成膜劑

    水性丙烯酸樹脂包括丙烯酸樹脂乳液、丙烯酸樹脂水分散體及丙烯酸樹脂水溶液3大類。用作水?dāng)U散涂層的水性聚丙烯酸樹脂就是其中的乳液類，根據(jù)單體組成通常分為純丙乳液、苯丙乳液、醋丙乳液、硅丙乳液、叔醋（叔碳酸酯-醋酸乙烯酯）乳液、叔丙（叔碳酸酯-丙烯酸酯）乳液、氟碳乳液、氟丙乳液等。丙烯酸樹脂乳液干燥速度快、硬度高、成本低、耐候性（燃點不易變色）好，且用于LED燈光擴散涂層時避免了成膜性較差、光澤低、不耐溶劑和熱黏冷脆等缺點。綜合性能及性價比，水性聚丙烯酸樹脂是當(dāng)前最理想的光擴散涂層成膜劑。

    1.3水溶性聚氨酯樹脂——高端涂層的首選

    水性聚氨酯涂料利用水性聚氨酯樹脂，以水為介質(zhì)進行配置，具有毒性小，不易燃燒、不污染環(huán)境、節(jié)能、安全等優(yōu)點，其涂層硬度高，附著力強、柔韌性好。單組分的聚氨酯涂料聚合物相對分子量較大，成膜過程中不發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，使用方便。雙組分水性聚氨酯涂料在使用前須將兩者混合，成膜過程中發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，涂膜性能更好。但是，這種樹脂大部分產(chǎn)自國外，成本較高，性價比不理想，僅用于部分高端產(chǎn)品。

    2·光擴散劑的對比分析

    2.1光擴散涂層的技術(shù)參數(shù)

    （1）透光率——透過涂有光擴散層燈管的光通量與透過無光擴散涂層玻璃管的光通量之比，用百分數(shù)表示。但直管燈在工藝制造過程中存在上下厚薄差問題，現(xiàn)在很多廠家都采用積分球內(nèi)同等條件下測量的玻璃管涂光擴散層前后的光通量對比來表示。

    （2）霧度——透過玻璃管的散射光（偏離入射光方向）通量與透射光通量之比，用百分數(shù)表示（本方法將偏離入射光方向2.5°以上的散射光通量用于霧度計算），常用霧度計進行測定。

    （3）抗老化時間——工作溫度下，燈在特定燃點時間內(nèi)因涂層原因而導(dǎo)致的光衰退率。常用1000h或10000h的光衰退率來表示。

    透光率與霧度都是衡量LED燈透明性的重要指標(biāo)。光擴散劑的挑戰(zhàn)在于在獲得高霧度的同時確保高透光率，得到均勻、柔和的照明效果。而光擴散劑優(yōu)異的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)在于高效發(fā)揮光擴散作用的過程中，盡可能減小所導(dǎo)致的光衰退。

    2.2無機光擴散劑

    可用作無機光擴散劑的材料種類繁多，主要有：碳酸鈣、滑石粉、氧化鋅、二氧化鈦及二氧化硅等[2]。光擴散劑可增加涂層的霧度，調(diào)節(jié)流變性能，改善機械強度，提高膜的耐久性。

    2.2.1碳酸鈣（CaCO3）

    碳酸鈣包括重質(zhì)碳酸鈣和輕質(zhì)碳酸鈣兩類。輕質(zhì)碳酸鈣作為懸浮液原料時，應(yīng)注意用量，其中的游離氧化鈣在水中離解出Ca2+，影響了懸浮液的貯存穩(wěn)定性，故輕質(zhì)碳酸鈣中的游離氧化鈣含量是配制光擴散涂料的重要指標(biāo)。重質(zhì)碳酸鈣包括大白粉、方解石粉等，由純度較高的方解石粉磨而成。重質(zhì)碳酸鈣相對密度大，易沉淀，用于懸浮液時需注意防沉降。

    2.2.2滑石粉（3MgO·4SiO2·H2O）

    滑石粉的化學(xué)成分為水合硅酸鎂，它能提高膜的柔韌性，還可消除涂料固化時的內(nèi)應(yīng)力，具有很好的流平性。

    2.2.3氧化鋅（ZnO）

    氧化鋅又稱鋅白，具有防霉、增白效果，能改善涂膜的耐光性和粉化性。其中的Zn2+可導(dǎo)致某些涂料變稠、凝結(jié)，不會單獨使用，且需注意用量及與對應(yīng)涂料的相容性，對配方進行熱穩(wěn)定性試驗等。

    2.2.4二氧化鈦（TiO2）

    二氧化鈦（即鈦白粉）分3種不同的結(jié)晶形態(tài)：金紅石型、銳鈦型和板鈦型。金紅石型鈦白粉反射率高、遮蓋力強，有較高的折射率、耐光性、耐熱性與耐久性，不易發(fā)黃、粉化降解，在涂料中可增稠、觸變、防流掛。銳鈦型則由于在光照下易粉化，不適合用作光擴散劑，而板鈦型為不穩(wěn)定晶型，無應(yīng)用價值。

    2.2.5二氧化硅（SiO2）

    天然二氧化硅為中性白色粉末，化學(xué)屬性符合二氧化硅通性，穩(wěn)定性高，但物理狀態(tài)差異大，部分粉末顆粒粗大，顏色不純，具有一定的光吸收性，直接用作光擴散劑時光效較低。天然二氧化硅可分為天然無定形二氧化硅、天然結(jié)晶形二氧化硅及天然硅藻土3類。其中的天然無定形二氧化硅，顆粒度大部分在40μm以下，偏離了最佳使用范圍，不是理想的光擴散劑。天然硅藻土為含有結(jié)晶水的二氧化硅，粒徑為4～12μm，其吸光率因制造方法不同而存在差異，質(zhì)量波動較大，不易控制。天然結(jié)晶形二氧化硅的粒徑為1.5～9.0μm，粒度較為合適，產(chǎn)品經(jīng)純化后即可選用，能提高涂膜的力學(xué)性能。

    2.3有機光擴散劑的應(yīng)用

    有機物光擴散劑為透明或半透明的有機樹脂顆粒，最常用的主要包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯、有機硅樹脂和丙烯酸類樹脂等微米級顆粒。從LED發(fā)出的大部分光線都可通過這些顆粒，與無機型光擴散劑存在兩方面差異。

    （1）有機光擴散劑和基材的折射率存在差異，光線在其中經(jīng)多次折射獲得了極佳的霧度，而非利用多次反射產(chǎn)生的漫射作用。這種方式透光性好，光損失較少，避免了光因多次反射而產(chǎn)生的自吸收，從而提高了光效，且解決了勻光的問題，

    （2）有機樹脂顆粒具有很強的摩擦帶電特性，干混時能迅速地分散在其他光擴散劑中，均勻地附著在其他粉體粒子表面。這種有序的混合，改善了粉體的混合特性、流動性和成型性，與無機粉體相比，這些顆粒狀的樹脂與作為成膜劑的有機樹脂的相容性更好，更容易分散在水性樹脂中。

    就目前的使用效果來說，折射率為1.41～1.43的有機硅膠樹脂微粒子具有極好的透光性和較高的霧度。與無機材質(zhì)的微粒子相比，硅膠樹脂微粒子比重小、耐熱性能佳；透光性及穩(wěn)定性高于其他大部分有機材質(zhì)的微粒子，添加量也更少；相對于丙烯酸樹脂系光擴散劑，具有更好的耐熱耐高溫性能，添加量較低，性價比高；相對于PMMA更耐高溫，且不變色。有機硅膠樹脂微粒子在理想的質(zhì)量分數(shù)加入量試驗中有效光擴散系數(shù)可達到76.7%，在目前已知的有機光擴散劑中系數(shù)最高。

    3·納米粒子材料

    以上所討論的光擴散劑粒度都在微米級，對于光擴散劑來說，過細則霧度不好，過粗則透光率不佳。從透光率與霧度兩方面綜合考慮，光擴散劑最佳的粒度范圍為2～20μm。然而，納米級的粒子對涂層的影響同樣值得關(guān)注。

    3.1納米粒子材料在涂層中的理化分析

    微粒進入納米尺度，材料表面活性中心增多提高了其化學(xué)催化與光催化的反應(yīng)能力，在紫外線和氧氣的作用下給予涂層自清潔能力。表面活性中心與成膜物質(zhì)的官能團可發(fā)生次化學(xué)鍵結(jié)合，極大地增加了涂層的剛性和強度，使其不易劃傷。納米材料表面能很高，經(jīng)過改性可以同時憎水、憎油，用于光擴散涂料時可顯著提高涂層的抗污性和耐老化性。納米粒子材料用于光擴散涂層中，可以增加涂層與基材玻璃的附著力，提高機械強度，且納米粒子與涂層的強作用力及填充效果，有助于涂層與玻璃的界面結(jié)合。

    可見光的波長（400～750nm）遠大于納米粒子的粒徑，可直接穿過粒子，從而保證了納米復(fù)合涂料的高透明性。

    3.2納米二氧化硅

    人造沉淀二氧化硅為白色無定形粉末，平均粒徑為20～110nm，屬于納米級，在水性體系中會附在聚合物表面，而粒子表面帶有的少量負電荷使其相互排斥，不易絮凝，提高了體系穩(wěn)定性。加入納米二氧化硅后的涂料不易分層，可防流掛，具有抗老化性和熱穩(wěn)定性。然而當(dāng)體系的pH值低于8.5時，納米二氧化硅分散體的表面電荷降低，體系穩(wěn)定性也將下降，故使用時應(yīng)先將納米二氧化硅分散體與樹脂乳液混合，再添加其他組分。

    3.3納米二氧化鈦

    納米二氧化鈦是良好的納米涂層材料，同時可自潔抗菌，將納米二氧化鈦粉用于涂料中，可使其具備殺菌功能。光的照射可以引起二氧化鈦表面在納米區(qū)域形成奇妙的超雙親性（親水性及親油性兩相共存）。在波長小于400nm的光照下，顆粒能吸收高于其禁帶寬度的短波光輻射，產(chǎn)生電子躍遷，價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，并形成電子-空穴對，將能量傳遞到周圍介質(zhì)，誘導(dǎo)光化學(xué)反應(yīng)，從而具有光催化性能。在光擴散涂料中添加二氧化鈦等納米粒子不但能提高耐老化性，還可明顯增加涂層的硬度和附著力。

    4·結(jié)束語

    水性光擴散涂層技術(shù)是目前廣大直管LED制燈廠家的關(guān)注熱點，對其主要配方原料進行分析和研究，希望能促進環(huán)保型LED光擴散涂料領(lǐng)域的研發(fā)及應(yīng)用推廣。

    參考文獻

    [1]閆福安。水性樹脂與水性涂料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

    [2]呂仕銘，杜長森，周華。涂料用顏料與填料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

    [3]魏青，陳亮，喬更新，等。直管型玻璃LED燈的光學(xué)和光擴散涂層設(shè)計[J].中國照明電器，2014（6）：34-38.

責(zé)任編輯：班英飛

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