PEO膠與涂粉工藝對熒光燈品質(zhì)影響的研究

魏 青 喬更新

(1.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院輕工學(xué)院，湖北武漢 430000;2.浙江金陵光源電器有限公司，浙江縉云 321403)

1 引言

以聚氧化乙烯 (簡稱PEO膠)為粘結(jié)劑的熒光燈水涂粉工藝于上世紀(jì)九十年代初開始在我國推廣以來，得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，全國有超過一半的公司都采用了以PEO—Al2O3材料配比的水涂粉工藝。以前，根據(jù)有關(guān)資料的報道，PEO膠有很多的優(yōu)越性，比如分解溫度低、分解后殘留物少，以及配制工藝簡單等，而對于PEO膠合理的粘度與比重的工藝參數(shù)設(shè)定卻未見報道，以致在使用過程中出現(xiàn)了許多問題，如色差、脫粉、陰極黃黑色斑、異常螺旋狀放電等，嚴(yán)重地影響了我國水涂粉工藝的推廣應(yīng)用，從而制約了高品質(zhì)熒光燈的發(fā)展，因此，有人開始懷疑:到底PEO膠的優(yōu)越性在哪里?再之，我們傳統(tǒng)的水涂粉工藝中關(guān)于高粘度、低比重的工藝配合模式是否真的合理?本文就PEO膠配制工藝中的粘度與比重配合參數(shù)以及二者對燈管品質(zhì)的影響問題將作進(jìn)一步的分析研究。

2 粘度和比重對粉層質(zhì)量的影響

2.1 粘度的說明

根據(jù)國際單位SI制，我國的粘度單位采用的是牛頓·秒/米2(N·s/m2)，但這個單位使用起來很復(fù)雜，本行業(yè)一般使用涂料4號粘度計 (簡稱涂4杯或福特杯)來測量條件粘度，單位為秒。本文在涉及粘度時不再進(jìn)行換算，而是直接利用該粘度值進(jìn)行近似線性計算。

2.2 傳統(tǒng)粘度與比重設(shè)計的評述

到目前為止，在有關(guān)電光源工藝的教科書上和實際工藝過程中為了減少水涂粉工藝過程中的上下厚薄差都希望把粘度調(diào)得很高，經(jīng)過很多機械師和工藝師的不懈努力，人們可以把上下厚薄差減少到零，甚至負(fù)數(shù)。正如我們所希望的一樣，增加粘度使厚薄差的減少帶來了很多技術(shù)和經(jīng)濟上效益。首先，是色差的減少，在用三基色粉涂粉時，由于顆粒配級不合理而帶來的色差可以利用增加粘度的方法得以部分彌補，但要說明一點，厚薄差的減小對減少色差有利，但效果卻是很有限的，這一點，我們下一步要專門詳細(xì)論述;其次，是用粉量的減少，工藝實踐表明，當(dāng)上下厚薄差減少10%，則在保證同樣光效情況下用粉量可以節(jié)約5%左右，現(xiàn)在大多數(shù)制燈企業(yè)的厚薄差一般在20% ～40%，有效、合理地控制厚薄差有益于降低成本，尤其是在三基色熒光粉價格居高不下且持續(xù)上漲的今天更具有經(jīng)濟意義。

關(guān)于粉漿配制過程中的比重，它是與粘度配合的參數(shù)。在其它工藝不變的情況下，上下厚薄差由粘度決定。對于直管燈，粉漿粘度的選擇可以在12～30s很寬的范圍內(nèi)，粘度增加對粉層重量的提升極其緩慢，在對制燈工藝作長時間實驗總結(jié)后發(fā)現(xiàn)粘度增加10%，則粉層重量增加不到1%，粉層重量其實主要由比重來決定，而比重增加10%，則粉重增加5%左右。如果說粘度的高低都能做出滿意的粉層的話，那么，使用高粘度的粉漿無疑是一個不錯的選擇，高的粘度為涂粉工藝中風(fēng)溫和風(fēng)量的調(diào)整提供了極大的自由度，因此，使用高粘度、低比重粉漿便成為水涂粉工藝的經(jīng)典理論。然而，正是這一經(jīng)典理論，在PEO—Al2O3水涂粉中應(yīng)用時卻陷入了誤區(qū)。

3 使用PEO膠涂粉帶來的新問題

3.1 PEO膠分解溫度的誤區(qū)

復(fù)旦大學(xué)的方道腴教授最先把PEO材料及制膠技術(shù)引入我國，無疑對我國高品質(zhì)熒光燈的制造提供了極大的推動作用。與傳統(tǒng)的羧甲基纖維素鈉(CMC)制膠工藝相比，PEO的制膠工藝周期短、占用場地面積和空間小、操作簡單、光效與流明維持率高、上下厚薄差小、易控制等顯示了諸多優(yōu)點;與聚甲基丙烯酸銨 (APMAA)相比，PEO不會因與帶正電的氧化鋁產(chǎn)生附聚而使粉漿流動性變差，另外，也不會與氧化釔∶銪紅粉產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)使粉漿附聚。

PEO雖有諸多優(yōu)點，然而，在使用過程中卻出現(xiàn)了諸多問題。第一，PEO在分解時是高分子鏈被打斷，變成氣體小分子單體，沒有碳原子被還原現(xiàn)象［1］，因而，即使沒有分解徹底的PEO膠涂層也照樣是白色的，不像別的膠一樣，在分解不良的情況下管體發(fā)黃，這樣，分解的徹底與否不能用眼睛來判別，加之在人們的印象中PEO分解溫度低，一定是易分解徹底，非常容易造成誤判。其實，雖然PEO的分解溫度低，在180℃時就有一個放氣峰，但分解的速度很慢，理論上在此溫度下只要保持足夠的時間也是能夠分解徹底的，但在實際的工藝中是不可能的，自動線上烤管機的長度設(shè)計也是有限的，長的分解時間可能并不比短時間的高溫節(jié)省能源。這樣，PEO也必須有很高的溫度來加速分解，在工藝控制中也需要用593℃示溫劑來檢查溫度是否達(dá)到要求，因此，用PEO作粘結(jié)劑時的分解溫度與別的膠分解時所用的溫度沒有不同的地方。正是我們過去錯誤地理解了PEO的分解溫度問題而導(dǎo)致了工藝控制過程中出現(xiàn)了誤區(qū)。

3.2 制膠工藝的誤區(qū)

與大多數(shù)水溶性高分子膠一樣，長鏈的PEO分子在溶解過程中會結(jié)團，為了打開結(jié)團并盡快地把膠團溶解，很多公司都使用了轉(zhuǎn)速達(dá)1400r/min的高速攪拌機，這個轉(zhuǎn)速可以在葉漿的邊緣產(chǎn)生將近15m/s的線速度，長鏈的PEO高分子在這個速度下會因葉漿的切割、拉扯而將分子鏈切斷，分子鏈的被打斷又直接導(dǎo)致了粘度的降低。我們知道，高分子膠體的粘度除了與分子間的范德華力有關(guān)之外主要與長鏈分子間的摩擦力有關(guān)，影響熒光粉在管壁上涂敷厚度的關(guān)鍵參數(shù)之一就是粘度。粘度的降低又使得同樣重量的PEO膠不能達(dá)到同樣厚度的粉層，為此，就應(yīng)該多加膠液。熒光粉漿中含膠量的增加就意味著分解同樣一支粉管中的膠就要用更長的時間、就要用更多的熱量、吹入更多的氧氣，這樣就為烤管工藝帶來了很大的負(fù)擔(dān)，為一系列品質(zhì)問題的產(chǎn)生埋下了隱患。

3.3 高粘度帶來的危害

粘度的提高與2.2中我們討論的結(jié)果一樣，就意味著熒光粉涂層中含膠量的增加，含膠量的增加可能會引起以下三方面的后果:

第一，前面我們已經(jīng)知道PEO膠分解的溫度可以低，但分解所用的時間卻需在很長，過多的膠需要較長的時間和較高的溫度。在不能達(dá)到長時間和高溫度的情況下，膠的殘留量也會隨之而增加。這樣，由于分解不徹底，燈在燃點過程中利用放電產(chǎn)生的紫外線將使殘留的PEO膠繼續(xù)分解，使放電腔中的真空環(huán)境變得惡劣，其中的碳?xì)浠衔锛把醯拇嬖跁谌键c過程中產(chǎn)生螺旋狀的氣旋現(xiàn)象，我們稱之為螺旋放電。這種異常放電可引起陰極濺射的加劇，以及由于異常放電時的管壓過高而造成某些電子鎮(zhèn)流器的損壞。

第二，烤管后的粉與粉之間這所以能附著在管壁上主要靠分子間的結(jié)合力 (范德華力)和粉與粉之間的嚙合力，嚙合力與粉的形狀和接觸面有關(guān)，而范德華力卻與顆粒之間的距離、顆粒之間的接觸面以及顆粒度的大小等有關(guān)。當(dāng)大量的膠被分解完以后就會在粉的周圍留下很多空隙，從而導(dǎo)致粉與粉、粉與玻管間的結(jié)合力變差，這種涂層的燈管很容易產(chǎn)生掉粉，并且對于采用內(nèi)置固汞的燈也極易在運輸過程中產(chǎn)生粉層被劃傷現(xiàn)象。為了克服掉粉，就一定要在粉漿加入牢固劑，加入牢固劑的涂層很不容易分解，會有更多的未分解的膠留在涂層中，更進(jìn)一步增加了產(chǎn)生黃黑色斑與螺旋放電的危險。

關(guān)于殘留膠量引起的螺旋放電現(xiàn)象，作者曾研究了多年［2］，把熒光粉涂層變薄或者把粉管烤兩遍，螺旋放電現(xiàn)象都會消失，這都足以證明粉層中的含膠量對于螺旋放電的影響。

3.4 消除上下色差的誤區(qū)

增加粘度可以減少上下厚薄差，同時，也可以在一定程度上減少色差。在此之前，還有很多公司把產(chǎn)生色差的原因歸結(jié)于上下厚薄差引起的。作者曾遇到一次色差問題，并作了一個試驗，用高粘度的粉漿將粉層的上下厚薄差調(diào)到零，但用肉眼依然可以看出明顯的色差。分析研究后認(rèn)為:這種色差是由熒光粉的顆粒配級原因造成的，與上下厚薄差幾乎無關(guān)。相反，當(dāng)顆粒配級合理時，即使上下端產(chǎn)生40%的厚薄差，用肉眼也不能明顯地分辨出較大的色差。

4 制膠與涂粉工藝的進(jìn)一步研究

4.1 制膠工藝的合理設(shè)計

PEO膠是作為臨時粘結(jié)劑使用的，合理的用膠原則應(yīng)該是使用較少高分子材料產(chǎn)生膠高的粘度，要產(chǎn)生高粘度的膠液就要在溶解工藝中盡量保持分子鏈的完整性，盡可能地使鏈狀高分子不被破壞，要保持鏈狀高分子不被破壞就不能使用高速攪拌機。實驗證明:使用150～200r/min的低速攪拌機在不損壞分子鏈的情況下也同樣可以保持較高的溶解速度，只是要控制加入膠粉時的速度，避免產(chǎn)生較大的結(jié)團現(xiàn)象。

4.2 合理的顆粒配級

水涂粉懸浮液實際上由三種液體組成:由納米氧化鋁 (粒徑為1～100nm)在分散介質(zhì)中所形成的溶膠、由熒光粉顆粒 (粒徑在1～20μm之間)分散在水中形成的懸浮液和PEO膠溶解在水中形成的高分子膠液三部分所組成，所以，分散體系非常復(fù)雜，然而，在不同的工藝過程中，我們可以用不同的近似體系來對待，在配粉工藝作業(yè)中，我們把它作為具有一定粘度的標(biāo)準(zhǔn)的懸浮液來對待。

在具有一定粘度的懸浮液和溶膠液中，粒子在重力作用下會漸漸向下部降落的現(xiàn)象叫沉降，不同直徑粒子的沉降速度不一樣，按斯托克斯沉降公式［3］:

式中 V——沉降速度;

R——粒子半徑 (以球形處理);

d、d0——分散相及介質(zhì)的密度;

g——重力加速度;

μ——介質(zhì)的粘度。

從式中可以看出，沉降時間的長短與分散相的粒徑的平方成正比，與分散相的密度和分散液的密度差成正比，與分散液的粘度成反比。在同一分散介質(zhì)中沉降速度僅僅與各自分散相的密度有關(guān)。

在三基色粉的混合體中，三種不同的粉的顆粒有不同的粒徑和密度，紅粉為5.1、綠粉4.2、藍(lán)粉3.7，紅粉的密度最大，而藍(lán)粉的密度最小。在特定的粘度下使紅粉與藍(lán)粉不產(chǎn)生沉降差的條件是紅粉沉降速度Vr與藍(lán)粉的沉降速度Vb相等，而使其沉降速度相等的條件是:

式中 Rr、Rb——紅粉和藍(lán)粉的半徑 (以球形處理);

dr、db、d0——紅粉、藍(lán)粉和 PEO—Al2O3溶膠液的密度 (在1～1.05，可按1計算)。

計算得到:

由以上計算結(jié)果可知，紅粉的顆粒直徑約為藍(lán)粉的81%時不會產(chǎn)生沉降差，同樣計算得到綠粉的顆粒度應(yīng)為藍(lán)粉的92%。

5 低粘度粉漿的與高品質(zhì)層質(zhì)量的實現(xiàn)

在直管燈的水涂粉工藝中，粘度大于20秒的粉漿被稱為高粘度粉漿，最高可以達(dá)到30秒。由于粘度高，粉漿在沿著玻管內(nèi)壁向下的流速會比較慢，如果涂粉后進(jìn)入干燥區(qū)時再輔以合適的高溫與合適的風(fēng)量，就能在上端留住較多的熒光粉。對于有自轉(zhuǎn)功能的涂粉機還可以采取中部加熱的方法讓中間粉層更薄。由于中部的加熱，膠液粘度變小，粉漿落下速度加快，不但中部變薄，下部也相應(yīng)地變薄，這就是厚薄差為負(fù)數(shù)的由來。但通過前邊的討論可知高粘度的粉漿可能會帶來極大的工藝風(fēng)險，因此，一般情況下是不可取的。

國際上有技術(shù)實力的公司都已經(jīng)開始采用大比重、低粘度粉漿涂敷工藝。由于粘度低、比重小，粉漿順玻管流下的速度較快，給工藝的控制帶來相當(dāng)大的難度，極易產(chǎn)生嚴(yán)重的厚薄差，由于厚薄差的產(chǎn)生使汞在可見光中的435.8nm主要特征譜線的透過率產(chǎn)生差異，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的色差。為了克服此類現(xiàn)象，我們就應(yīng)該對涂粉后進(jìn)入最初干燥區(qū)的溫度和風(fēng)量作最佳的調(diào)整，最大限度地提高溫度并選擇最佳的風(fēng)量。圖1和圖2分別是在試驗中測得的干燥溫度、干燥風(fēng)速與干燥時間的關(guān)系曲線圖。在這種工藝參數(shù)下，我們可以獲得13″～18″的低粘度涂層。

圖1 相對干燥溫度與干燥時間的關(guān)系曲線

圖2 相對干燥風(fēng)速與干燥時間的關(guān)系曲線

低粘度三基色粉漿涂層的最大問題是上下厚薄差，在最適合的工藝條件下的厚薄差用光電測厚儀測量能達(dá)到20%以下，上下色容差能控制在1.5SDCM以下。實際上，一般地采用低粘度法涂敷的熒光粉層達(dá)到完全均勻的厚度非常困難，并且低于20%的厚薄差在技術(shù)上也是沒有必要的，如能達(dá)到本討論中涂層厚度10∶8以上的話與達(dá)到最高的厚度比為10∶10相比僅差0.2%的全光通［3］，因此，作為燈的粉層厚度比以10∶8為目標(biāo)就相當(dāng)好了。

［1］方道腴．熒光燈水涂粉——材料和工藝．第三屆全國電光源科技研討會邀請報告，2003年11月．

［2］喬更新等．熒光燈陰極中毒過程中的螺旋放電研究．中國照明電器，2008(8)．

［3］李葵英．界面與膠體的物理化學(xué)．哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998年4月第一版．