金屬鹵化物燈電弧管噴粉工藝研究

魏 青 俞明忠 陳 暉 樊開強

(1.武漢職業(yè)技術(shù)學院，湖北武漢 430070;2.寧波亞茂照明電器有限公司，浙江寧波 315502)

1 引言

我們知道一般管壁負載的石英金鹵燈電弧管都需要在放電腔兩端噴上保溫涂層，以提高冷端溫度，提高金屬鹵化物的蒸氣壓，從而提高燈的光效和顯色指數(shù)。目前應(yīng)用的保溫涂層材料主要有ZrO2和Al2O3，將涂層材料涂到電弧管表面的工藝方法主要有火焰噴涂 (簡稱火噴)、水粉漿噴涂 (簡稱水噴)和浸涂。普遍采用的工藝是火噴和水噴，浸涂工藝一般只應(yīng)用于一些特殊規(guī)格的金鹵燈。水粉漿噴涂后期可能發(fā)黑，火焰噴涂生產(chǎn)成本相對較高，容易出現(xiàn)脫粉及對石英玻璃強度的破壞等［1～5］。所以探索一種性能優(yōu)越、價格合理的噴涂方法勢在必行。本文所探討內(nèi)容對噴涂環(huán)節(jié)的改進有一定的指導意義。

2 工藝分析

2.1 材料性能分析

ZrO2相對Al2O3在保溫性能上有優(yōu)勢，見表1和表2。

表1 紅外材料折射指數(shù)，單、雙面反射系數(shù)及理論透過率Table 1 Refractive index of infrared materials，single，double reflection coefficient and theoretical transmittance

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

可以看出，ZrO2能夠截取并反射更多的紅外能量，所以保溫性能更佳。

當然，上述數(shù)據(jù)僅是理論值，在實際的金鹵燈電弧管保溫涂層當中，保溫性能還與粉層厚度、均勻性及孔隙度有關(guān)，見表3和圖1。

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

圖1 不同孔隙度的氧化鋁多孔膜的紅外反射光譜Fig.1 IR reflection spectra of porousAlumina film of the different porosities

雖然ZrO2在金鹵燈電弧管的應(yīng)用當中有明顯的優(yōu)勢，但由于成本因素 (純度等級相近的材料，ZrO2是Al2O3價格的20倍以上)，一般國內(nèi)普通照明金鹵燈很少采用ZrO2作為保溫涂層材料使用。

ZrO2在GE和OSRAM Sylvania的金鹵燈電弧管中廣泛應(yīng)用，涂敷方法是采用ZrO2和有機溶劑配成粉漿，噴涂或刷涂到電弧管需要保溫的區(qū)域，有機溶劑蒸發(fā)后粉層即形成需要的保溫涂層，然后進行制燈。該方法涂覆的粉層僅適用于高度自動化的生產(chǎn)線進行生產(chǎn)，因為該涂層常態(tài)附著性能非常差，輕輕一碰就能造成粉層脫落，只有在完全自動化的生產(chǎn)線才能保證保溫涂層不會被觸碰到，才能保證制成燈后保溫涂層的完整性，以目前國內(nèi)的生產(chǎn)工藝流程和操作方法來看無法保證有效的涂層質(zhì)量。

因此，國內(nèi)普遍采用Al2O3粉材料作為金鹵燈電弧管的保溫涂層。

2.2 Al2O3粉保溫涂層的工藝分析

目前國內(nèi)Al2O3涂層主要采用火噴粉和水噴粉進行涂覆。

2.2.1 火噴粉和水噴粉工藝介紹

(1)火噴粉工藝介紹

將石英管加熱到高溫 (約900℃以上)，再將γ相Al2O3粉末在高溫火焰下熔化后，噴射在表面已經(jīng)軟化了的石英管上，氧化鋁粉末就附著在石英管上，完成噴粉工作。

(2)水噴粉工藝介紹

將石英管加熱到100～200℃，再將用Al2O3粉、粘結(jié)劑、去離子水配制而成的溶液用噴槍噴涂在石英管表面，水蒸發(fā)后，Al2O3粉末依靠粘結(jié)劑附著在石英管上，完成噴粉工作。

2.2.2 火噴粉和水噴粉工藝對比分析

(1)火噴粉主要缺點

①石英玻璃需要進行高溫加熱，這樣對石英玻璃有損傷，會增加羥基含量。國外一般采用氫—氧焰進行噴粉，而國內(nèi)一方面由于氫氣有所管制，另一方面出于成本考慮，大多采用煤—氧火焰進行噴粉。采用煤—氧火焰，加熱時間較長，雖然羥基增加可能會少一些，但對石英玻璃強度破壞則更大。

②火噴粉由于粉末利用率較低，因此生產(chǎn)成本相對較高，以普通400W金鹵燈電弧管為例，材料成本高于0.5元/只，而水噴粉在0.3元/只以內(nèi)，約有30%以上的材料成本差距。

③由于粉末利用率較低，有較多粉末飛散造成環(huán)境污染。

④火噴粉工藝的涂層容易在燈燃點到2000小時后產(chǎn)生脫粉現(xiàn)象，一方面是由于Al2O3涂層和石英玻璃間膨脹系數(shù)的差異所致，加熱溫度和噴粉溫度及粉槍霧化不良都會造成粉層附著強度下降，造成脫粉;另一方面是前面提到的石英管強度的損傷，容易使電弧管兩端噴粉部位在燈燃點一段時間后產(chǎn)生鼓泡等變形現(xiàn)象，造成粉層從石英管表面脫落。

⑤火噴粉需要加熱石英管的溫度高，因此加工時間較長，相對水噴粉的工效要低20%以上，能源消耗相對較大。

(2)水噴粉主要缺點

①水噴粉形成的保溫涂層在燈泡燃點過程中容易產(chǎn)生粉層發(fā)黑現(xiàn)象，造成燈泡光通量下降，燈泡的能效不合格。

②水噴粉漿中有可能存在各種有害雜質(zhì)，如粘結(jié)劑中可能存在的堿金屬等等，造成石英玻璃的電解和析晶等危害。

比較火噴粉和水噴粉特點，我們傾向于選擇水噴粉。

3 水噴粉粉漿研究

金鹵燈電弧管的水噴粉漿在工效、成本等方面有明顯優(yōu)勢，但也存在一定的質(zhì)量風險，主要是粘結(jié)劑容易含有各種有害雜質(zhì)，對電弧管各方面性能造成危害。

目前可用于粘合氧化鋁粉和石英玻璃的粘結(jié)劑主要有:

(1)玻璃類:低熔點玻璃(如Ca2P2O7·CaB4O7)、偏硅酸鈉(Na2SiO3·nH2O)等;

原理。把去掉磁性金屬物的面粉與已知量的磁性金屬物混合均勻后，再經(jīng)磁性金屬物檢測器分離，計算收集的磁性金屬物回收率。若回收率在95%以上，該儀器性能即滿足工作要求。

(2)水溶膠類:硅溶膠(SiO2.nH2O)、水合氧化鋁(Al2O3·nH2O)等;

(3)有機粘結(jié)劑類:聚甲基丙烯酸銨(APMAA)、聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯醇(PVA)等。

我們針對粘結(jié)劑進行了一系列試驗，以下是各種試驗的結(jié)果及分析:

試驗一:石英玻璃析晶情況和透過率變化

將粉漿加入密封石英玻璃內(nèi)，在空氣氣氛中600℃烘干，然后進行排氣，充入適量氮氣 (模擬粉層的工藝處理過程及工作環(huán)境)，放入馬弗爐中，在1000℃ 及空氣氣氛中烘烤200小時，然后在去離子水中用超聲波洗去粉層，檢查石英玻璃析晶情況和透過率變化，詳見表4。

表4 石英玻璃析晶情況和透過率變化Table 4 Quartz glass crystallization conditions and changes in the transmittance

由于條件限制，APMAA和低熔點玻璃粘結(jié)劑未進行試驗，鋁溶膠由于未能采購到雜質(zhì)含量合適的，所以也未安排試驗。

試驗二:粉層均勻性與牢固度

將粘結(jié)劑與去離子水和氧化鋁粉配置成粉漿，粉漿密度在1.8g/cm3左右，粘度依據(jù)浸涂的粉層狀況進行調(diào)整，用火頭將電弧管噴粉區(qū)域加熱到120℃左右，然后用噴槍將粉漿噴涂到電弧管規(guī)定區(qū)域。

將電弧管斜對光源，用目視法檢驗粉層各部位的厚薄均勻情況。

(2)粉層牢固度檢驗方法

①振動試驗檢驗成品燈泡內(nèi)電弧管是否有脫粉來判定粉層牢固度是否能滿足交收試驗。

②用膠紙粘到涂層，然后撕去膠紙，依據(jù)殘留面積來判定附著牢固度能否滿足電弧管流轉(zhuǎn)過程的控制要求。試驗結(jié)果詳見表5。

表5 保溫涂層均勻性與牢固度Table 5 Thermal insulation coating uniformity and firmness

試驗三:粉層發(fā)黑狀況

將各種粘結(jié)劑配好的粉漿，各自噴好20個電弧管的粉層，然后在空氣中放置72小時以上，按照常規(guī)工藝制成透明的成燈，燃點100小時后檢查粉層發(fā)黑情況，得到表6的結(jié)果。

表6 不同粘結(jié)劑保溫涂層的發(fā)黑情況Table 6 Black different binder insulation coating

試驗四:重復驗證試驗

一周后，對試驗三中“可用”的兩種粘結(jié)劑進行各重復50個的試驗，結(jié)果見表7。

表7 不同粘結(jié)劑的驗證情況Table 7 Verification of different binders

4 試驗結(jié)果分析

(1)Na+等堿金屬離子的存在，會造成石英玻璃電解和析晶，因此不能應(yīng)用于金鹵燈電弧管的生產(chǎn)上。堿金屬離子主要有兩個來源，一是材料本身含有的，另一個是粘結(jié)劑生產(chǎn)過程中堿金屬離子清除工藝不合理，造成堿金屬離子的殘留。

(2)無機的粘結(jié)劑都含有相當數(shù)量的結(jié)晶水和羥基，如何有效地在制燈過程中清除干凈還有待于進一步研究。

(3)無機粘結(jié)劑開啟后如果不能密封保存，時間長了性能會變差。

(4)粘結(jié)劑中堿金屬等雜質(zhì)是造成粉層發(fā)黑的主要原因。

為了驗證堿金屬對粉層發(fā)黑的影響，我們將SiO2·nH2O作為粘結(jié)劑的粉漿進行噴粉作業(yè)后，將電弧管浸泡在去離子水中清洗1小時，然后用無水乙醇進行脫水，做對比試驗，結(jié)果顯示20只燈燃點100小時后無發(fā)黑現(xiàn)象。

5 結(jié)論

無機粘結(jié)劑應(yīng)用在金鹵燈電弧管的保溫涂層中，必須解決堿金屬離子等雜質(zhì)的含量問題，由于目前尚沒有專門針對電光源行業(yè)需要的高純度無機粘結(jié)劑的開發(fā)和生產(chǎn)，因此在應(yīng)用時需要特別注意。

由于金鹵燈在排氣前或封口前需要進行點燈，因此采用有機粘結(jié)劑配制成水噴粉漿是一個可行的方案，該方案主要優(yōu)點:

(1)工藝可執(zhí)行度高;

(2)分解后殘留少，基本無有害雜質(zhì);

(3)成本合理。

我們對常用的PEO粘結(jié)劑進行了試驗，主要問題是粉層牢固度不太好，在電弧管流轉(zhuǎn)過程中容易擦粉造成粉缺，其他性能基本能夠滿足金鹵燈的要求。

其他的有機粘結(jié)劑我們目前還在做進一步的研究。

6 結(jié)束語

金鹵燈電弧管涂層質(zhì)量直接關(guān)系到燈泡的光效，色溫，壽命等關(guān)鍵性參數(shù)，所以是非常重要的。國內(nèi)對此研究不多，我們謹以此文做拋磚引玉之用，歡迎大家指正。

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