粉末靜電噴塗技術在LED照明產品中的應用研究

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摘要：粉末靜電噴塗技術因具有用粉量少、效率高、環保、可回收利用等優點，被廣泛應用於玻璃泡的塗覆。

靜電噴塗主要作用是使LED產品的光線更柔和、更均勻地向空間發散，而不會產生刺眼的狀況，可以有效保護眼睛，也使LED產品更符合其使用功能。

本文重點闡述了靜電噴塗工藝引數控制、噴塗材料的選擇等對塗層質量和均勻度的影響。

藉助掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、反射率測定儀、空間光譜輻射計（Gonio）等對塗層質量和效能進行分析，為尋找合適的材料和噴塗工藝引數提供有益的參考。

研究結果表明，採用顆粒度大小為20 nm左右的二氧化矽（SiO2），可製備出透光率＞97%，擴散效果佳且光線柔和的玻璃擴散罩。

近年來，我國LED照明技術發展迅速，LED球泡燈作為最常見的照明產品之一，市場需求量正在迅猛發展。

隨著LED發光效率不斷提升，LED球泡燈成為替換白熾燈、鹵素燈、電子節能燈的新型綠色照明產品。

但是，LED球泡燈的燈珠為點光源，這就要求LED球泡燈的擴散罩必須具備透光率高、照度均勻、出光角度大、對眼睛無刺激性等特性。

目前球泡燈的擴散罩主流產品為乳白PC擴散罩、內塗白玻璃擴散罩等，而內塗白玻璃擴散罩主要為水塗粉擴散罩、靜電塗粉擴散罩。

粉末靜電噴塗技術因具有用粉量少、效率高、相對環保、可回收利用等優點，被廣泛應用於玻璃泡殼的塗覆。

二氧化矽是極其重要的材料之一，由於其粒徑很小，因此比表面積大，表面吸附力強，表面能大，化學純度高，分散效能好，熱阻、電阻等方面具有特異的效能。

二氧化矽以其優越的穩定性、補強性、增稠性和觸變性在眾多科學及領域內獨具特性，有著不可取代的作用，因此，把它作為玻璃罩殼的光擴散材料是首選。

本文著重從靜電噴塗的工藝引數控制、環境因素、粉末材料的選擇等方面詳細闡述，並藉助掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線能譜儀（EDX）、反射率測定儀、空間光譜輻射計（Gonio）等對塗層質量和效能進行分析，採用靜電噴塗工藝，製得透光率≥97%且出光均勻擴散效果佳的LED球泡燈用擴散罩。

同時，透過對噴塗工藝引數和技術經驗總結，希望能為從事該領域工作的研究人員或技術人員提供有價值的參考。

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粉末靜電噴塗工藝控制簡述

1。1 粉末靜電噴塗的基本原理

靜電發生器透過噴槍槍口的電極針向玻璃泡殼方向的空間釋放高壓靜電（負極）。當粉末粒子由噴針口噴出經過放電區時，便捕集了大量的電子，成為帶負電的微粒，在靜電吸引的作用下，被吸附到帶正電荷的泡殼上去。

當粉末附著到一定厚度時，則會發生“同性相斥”的作用，不能再吸附粉末，從而使其在泡殼表面形成1層均勻的塗層。利用泡殼表面殘留的溫度進一步固化粉層，冷卻後即為均勻牢固的塗層。

1。2 影響塗層質量的主要因素

粉末靜電噴塗中，泡殼的潔淨度，噴塗時間，放電針孔徑大小，噴塗電壓，噴粉量，粉末導電率，材料的電阻率，粉末顆粒度，輔助材料壓縮空氣的溫度、溼度、潔淨度等，是影響塗層質量的主要因素。

1。3 噴塗作業的常見問題及解決方法

1。3。1 塗層雜質

常見雜質主要來源於噴粉環境中的顆粒，以及其他各種因素引起的雜質，現概括如下。

1）泡殼內雜質：解決方法是清洗泡殼。

2）噴粉室內雜質：主要是灰塵、衣物纖維、裝置磨粒和噴粉系統積垢。解決方法是每天開工前使用壓縮空氣吹掃噴粉系統，用溼布和吸塵器徹底清潔噴粉裝置和噴粉室。

3）工位上雜質：解決方法是開機前使用壓縮空氣吹掃工位上的粉末或灰塵。

4）粉末雜質：主要是粉末分散不均、粉末受擠壓造成的粉點、粉末吸水受潮等。解決方法是提高粉末質量，改進粉末儲存方式。

5）壓縮空氣雜質：主要是壓縮空氣管道內粉塵雜質。解決方法是增加過濾器，開機前壓縮空氣管道先排氣。

1。3。2 塗層縮孔

1）壓縮空氣含水量過大而引起的。解決方法是及時排放壓縮空氣冷凝水。

2）粉末受潮而引起的。解決方法是改善粉末在40℃烘箱中恆溫儲存，增加除溼機以保證回收粉末及時使用。

1。3。3 塗層不均

1）粉末分散不均勻引起的。解決方法是提高粉末質量，保證粉末的顆粒度相差不大而且帶電正負統一。

2）泡殼受熱溫度不同引起的。解決方法是調整煤氣火頭大小及機臺速度，以保持泡殼固化溫度和時間的一致性和穩定性。

3）噴粉不均引起的。主要是供粉桶內粉末流化不均勻所致。應更換微孔板或調節微孔板下的供氣系統，使粉層恢復正常沸騰狀態，即可消除。

如果供粉桶不是流化床型的，則需改善攪拌器或加裝振盪器，防止粉層出現空洞，供不上塗料。有的是氣壓偏低，則加大氣壓即可消除。另一可能是管道堵塞，則需清理管路。

4）玻璃壁厚薄不均引起的。解決方法是控制泡殼的壁厚偏差值，做好入庫檢驗。

1。3。4 塗層附著力差

1）泡殼內表面汙染而引起的。解決方法是加強泡殼清洗。

2）泡殼表面溫度低引起的。解決方法是調大火頭，提高爐膛內的溫度。

3）靜電噴塗粉顆粒大引起的。解決方法是更換細粒度的材料。

1。3。5 粉末上粉率低

1）電壓低或無高壓是主要原因之一。需調高輸出電壓或維修高壓靜電發生器。

2）工件接地不良引起。應更換接地線。

3）粉末荷電量過大或小也影響上粉率。一般是荷電量影響上粉率，荷電量小的原因，除了不同粉末塗料的自身反電離效應有差別外，主要原因是由於高壓靜電發生器故障引起，需進行維修，使其恢復高壓。

4）氣壓過大，會抵消靜電引力，使附在泡殼內的粉末被吹掉，降低上粉率。

1。4 粉末材料的選擇

粉末靜電噴塗過程中，粉末材料對塗層的質量起到決定性作用。本文著重從粉末材料的選擇、塗層質量、材料顆粒大小、形貌等方面進行系統地比對分析，並對球泡燈的出光角度、空間光譜分佈均勻性等特性進行分析，為生產高質量的產品提供有用的參考。

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試驗部分

2。1 原材料

3種不同粒徑的奈米SiO2粉（分別記為A、B、C）。

2。2 儀器與裝置

靜電塗粉機、透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線能譜儀、空間光譜輻射計、反射率測定儀。

2。3 試驗內容

2。3。1 樣品製作

將A、B、C 3種粉末材料，按照靜電噴塗工藝引數要求製成擴散罩並裝配成整燈樣品，測試其相應的效能。

2。3。2 樣品測試

1）粉末樣品的形貌採用TEM分析儀測試，成分在特定的區域內採用X射線能譜儀（EDX）附件測試。

2）塗層樣品的形貌採用SEM分析儀測試。

3）反射率採用反射率測定儀，在最大半徑處固定取6個點，求平均值。

4）透光率採用PMS-80光譜分析系統測試（瞬態法）。透光率定義為LED光源帶罩時光通量與不帶罩時光通量的比值，用百分數（%）表示。

5）空間光分佈採用Gonio型空間光譜輻射計測試，樣燈預熱3h後，進行穩態測試。

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結果與討論

3。1 反射率與透光率

不同材料具有不同的反射率，即使相同的材料，因顆粒大小、晶型結構、形狀等不同，反射率也略有差異。LED球泡燈光擴散效果是利用材料的漫反射特性實現的。

為此，我們對比了3種不同粒徑的氧化矽材料反射率與透光率的關係，如圖1所示。

從圖1中可以得出，反射率與透光率呈線性關係，且透光率隨著反射率的增加呈線性下降趨勢。在相同反射率的條件下，透光率順序為B＞A＞C。

3。2 透射電鏡（TEM-EDX）分析

漫反射定義為當1束平行的入射光線射到粗糙的表面時，表面會把光線向著四面八方反射。材料的晶型結構、顆粒大小、形狀等對漫反射率有影響。

我們採用高分辨透射電鏡，結合X射線能譜分析，分析3種材料的晶型結構、粒徑、形貌和成分，結果如圖2和表1所示。

從圖2中可以看出，3種材料的顆粒大小、晶型結構存在明顯的差異性。A樣品晶型呈類球形，原生粒徑為20 nm左右，且粉體顆粒由多個單元的SiO2晶粒團聚成（圖2中的A1）。

將A樣品進一步放大倍數，我們發現在SiO2單晶表面上2~3nm的晶粒材料，且結晶度高，可能為奈米材料對SiO2表面修飾。

B樣品由橢圓形、球形、棒狀結構組成，晶體原生粒徑30~150 nm。C樣品由類球形和類六方形組成，晶體原生粒徑20~30 nm左右。

從EDX分析結果（表1）看，A樣品Si：O比例＜1：2，說明表面修飾材料富含氧原子，B樣品Si：O=1：2，說明商品粉為純SiO2。

C樣品存在兩種不同晶型結構，類六方型結構晶體和類球形結構晶體Si：O比例接近1：2，說明該物質為SiO2。

3。3 球泡燈空間光強分佈

我們將3種不同材料噴塗的A19規格擴散罩製成整燈樣品，並用Gonio型空間光譜輻射計分析，從空間光光強分佈統計結果（如表2、表3）可以看出，B樣品的塗層光均勻度差，均勻度的順序為A＞C＞B。

3。4 塗層SEM分析

為了尋找3種樣品的光擴散效果的差異性，我們採用SEM對塗層的質量進行分析，結果如圖3所示。從結果可以看出，B樣品塗層有缺陷，存在孔洞，是導致出光均勻性差的原因。

其主要原因可能是因材料粒度範圍相對較廣，塗層不致密。A、C樣品塗層相對緻密，出光效果好。

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結論

1）粉末靜電噴塗材料粒度級配合理、原生粒徑小，塗層緻密，出光均勻性好。

2）透光率隨著反射率的增加而降低。

3）不同的擴散材料，對透光率影響不同。

4）在相同的出光效果下，塗層越緻密，出光均勻度效果越好。