粘接LED背光源透鏡的UV膠研究

劉海濤（1.廣州機械科學研究院有限公司，廣東 廣州 510700；2.國家橡塑密封工程技術研究中心，廣東 廣州 510530）

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粘接LED背光源透鏡的UV膠研究

劉海濤1，2
（1.廣州機械科學研究院有限公司，廣東 廣州 510700；2.國家橡塑密封工程技術研究中心，廣東 廣州 510530）

LED電視由于具有節能、低電壓工作、響應速度快、造價成本低等優點，成為目前市場的主流電視機。LED電視的關鍵核心器件之一是背光源燈條（lightBar），即LED燈條。它是將LED燈珠焊接在長條形的鋁基板或PCB板上，然后將PC或PMMA透鏡罩在LED燈珠上，透鏡使燈珠發出的光均勻分布。透鏡上的3個或4個引腳通過UV膠或單組分環氧膠固定在板上[1～3]。

用單組分環氧膠粘接透鏡的主要缺點是環氧膠需要低溫保存，貯存和運輸不方便；固化時間需要3～5 min，生產效率低；而且需要在80～110 ℃左右固化，耗能嚴重。UV膠克服了以上缺點，并且使用成本更低，因此越來越多的生產廠家采用UV膠來粘接透鏡[4～6]。

本文以端羥基聚丁二烯、3-異氰酸酯基亞甲基-3,5,5-三甲基環己基異氰酸酯、丙烯酸羥乙酯為原料合成聚氨酯二丙烯酸酯預聚物，以該預聚物為基礎樹脂配制UV膠，研究其力學性能、粘接強度、耐濕熱和耐冷熱沖擊性能，并應用于LED電視背光源燈條的透鏡粘接固定。

用于LED電視背光源燈條透鏡粘接固定膠的主要性能指標如下：透鏡在PCB板上的初始推力達到120 N以上；-40 ℃至80 ℃冷熱沖擊（-40 ℃保溫30 min，然后升溫至80 ℃保溫30 min為1個循環），100個循環后，推力達到100 N以上；1.5 m自由落體3次不掉件；85 ℃、85%RH貯存1 000 h后，推力達到100 N以上。

1　實驗部分

摘要：以端羥基聚丁二烯、3-異氰酸酯基亞甲基-3，5，5-三甲基環己基異氰酸酯、丙烯酸羥乙酯為原料合成聚氨酯二丙烯酸酯預聚物。以該預聚物和四氫呋喃丙烯酸酯、N，N-二甲基丙烯酰胺、γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷、1-羥基環己基苯基甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、納米氣相二氧化硅為原料配制UV膠，具有較佳的力學性能、粘接強度、耐濕熱和耐冷熱沖擊性能，綜合性能可滿足LED背光源透鏡粘接總體要求。

關鍵詞：光固化膠粘劑；LED背光源；透鏡；聚氨酯丙烯酸酯；粘接

1.1 原料

端羥基聚丁二烯（HTPB），Mn=2 000，日本曹達；3-異氰酸酯基亞甲基-3，5，5-三甲基環己基異氰酸酯（IPDI），德國拜耳；丙烯酸羥乙酯（HEA），日本三菱；二丁基錫二月桂酸酯（DBTDL），廣州聚成兆業；對羥基苯甲醚，法國羅地亞；四氫呋喃丙烯酸酯、丙烯酸異冰片酯、甲基丙烯酸羥乙酯、已二醇二丙烯酸酯、二縮三丙二醇二丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯，美國沙多瑪；N，N-二甲基丙烯酰胺，日本興人；γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、N-β-（氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-巰丙基三甲氧基硅烷，佛山文泰化工；納米二氧化硅，德國德固賽；1-羥基環己基苯基甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦，常州華鈦化學。

1.2 預聚物合成

在裝有溫度計、攪拌器、抽真空裝置的三口燒瓶中，加入計量的端羥基聚丁二烯，升溫至100～115 ℃后真空脫水2～4 h。降溫至40～50 ℃后停止抽真空，加入IPDI和DBTDL，快速攪拌，待溫度穩定后，緩慢升溫并控制溫度為75～85 ℃反應2～3 h，取樣測定游離異氰酸根（NCO）含量，當達到設計要求時，降溫至40～50 ℃，加入丙烯酸羥乙酯和對羥基苯甲醚，緩慢升溫至70～80 ℃反應2～3 h，降溫出料，得到UV預聚物。

1.3 拉伸性能測試

光固化機為美國UVITRON公司Intelli-Ray 400全功能紫外固化機，將配制好的光固化膠倒入聚四氟乙烯模具（208 mm×94 mm×2 mm）中，在400 W金屬鹵素燈（主波長365 nm），光強60 mW/cm2下，正反面各固化30 s，然后用Ⅱ型試樣裁刀截取試樣。按照GB/T 1040—1992測試拉伸強度，拉伸速率100 mm/min。測試設備為SafQ-H10KL 10 kN臺式萬能材料試驗機，測試樣件狀態調節參照GB 2918—1998，即溫度保持在（23±2）℃，相對濕度保持在45%～55%。

1.4 推力測試和跌落測試

推力測試：透鏡每個腳的點膠量為3 mg，每個透鏡3個引腳，共施膠量9 mg。固化條件：400 W金屬鹵素燈固化10 s。推力計為日本力新寶FGJ-50測力計，最大量程500 N。推力方向與PCB板垂直，測試方法如圖1所示。

圖1　透鏡推力測試方法Fig.1 Push force test method of lightbar lens

跌落測試：點膠量和固化條件同上。將一條有6個透鏡的LED背光源燈條，水平放置在離地面1.5 m高處，自由落體跌落在大理石地面上，當有一個透鏡從燈條上脫落時，則停止測試，計算未脫落前總共跌落的次數。

1.5 耐濕熱性能測試

點膠量和固化條件同1.4。將固化好的LED背光源燈條，在高低溫濕熱試驗箱中老化后，待燈條恢復室溫后，按1.4方法測試推力。其中高溫高濕的試驗條件：85 ℃，RH85%，試驗周期240、480、720、960、1 200 h。高低溫濕熱試驗箱為廣州五所環境儀器有限公司EL-04型。

1.6 冷熱沖擊測試

點膠量和固化條件同1.4。將固化好的LED背光源燈條，在高低溫試驗箱中老化后，待燈條恢復室溫后，按1.4方法測試推力。其中冷熱沖擊試驗條件：-40 ℃保溫30 min，5 min內升溫至80 ℃保溫30 min，15 min內降溫至-40 ℃，然后保溫30 min。從-40 ℃至80 ℃為1個循環，試驗周期20、40、60、80、100個循環。高低溫試驗箱為德國BINDER的BD240型。

圖2　UV預聚物的化學結構示意圖Fig.2 Chemical structure diagram of UV curable prepolymer

2　結果與討論

2.1 預聚物的紅外光譜分析

圖2是用端羥基聚丁二烯、3-異氰酸酯基亞甲基-3,5,5-三甲基環己基異氰酸酯、丙烯酸羥乙酯為原料合成的UV預聚物化學結構示意圖，圖3是HTPB數均分子質量為2 000的聚氨酯二丙烯酸酯的紅外光譜圖。

圖3　UV預聚物的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum of UV curable prepolymer

從圖3可以看到，2 250 cm-1附近沒有強的吸收峰，表明異氰酸酯基團反應完全。3 459 cm-1為N-H伸縮振動峰，1 506 cm-1為酰胺鍵中C-N的變形振動峰，表明反應過程中生成了氨基甲酸酯基團。1 651 cm-1、1 612 cm-1為C=C伸縮振動峰，796 cm-1為C=C-H的面外伸縮振動峰，表明雙鍵接到預聚物中。2 947 cm-1、2 864 cm-1分別為—CH—和—CH中C-H的伸縮振動。1 731 cm-1為C=O的伸縮振動峰[7]。

2.2 稀釋劑單體對固化膠拉伸性能的影響

UV膠固化后的拉伸性能直接影響膠粘劑內聚破壞時的粘接強度和韌性（抗跌落性能），其中拉伸強度對應粘接強度，伸長率對應韌性。不同稀釋劑單體除影響UV膠的體積收縮率和粘接力以外，對UV膠固化后的拉伸性能也有很大的影響。表1是不同活性稀釋劑單體對UV膠力學性能的影響。膠粘劑組成（以下均為質量份數）：UV預聚物55份，稀釋劑單體45份，γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷1份，1-羥基環己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦1份，納米二氧化硅3份。其中，單官能團單體網狀結構少，拉伸強度低，伸長率高，如四氫呋喃丙烯酸酯、甲基丙烯酸羥乙酯；丙烯酸異冰片酯的玻璃化溫度高一些，因此拉伸強度大一些；N,N-二甲基丙烯酰胺的剛性較大，同時有氫鍵作用，UV固化時容易形成規整結構，因此拉伸強度較大。二官、三官單體形成體型結構，拉伸強度高，伸長率低。聚醚結構的活性稀釋劑（二縮三丙二醇二丙烯酸酯）柔韌性好，因此伸長率稍高[8]。

表1　不同稀釋劑單體對UV膠固化后拉伸性能的影響Tab.1 Effect of diluent monomers on tensile properties of cured UV adhesive

2.3 氣相二氧化硅用量對固化膠力學性能的影響

氣相二氧化硅對力學性能的影響不大，少量增加拉伸強度，減少伸長率，主要是提高膠粘劑的觸變性。表2是不同納米二氧化硅用量對UV膠固化后力學性能的影響。膠粘劑組成：UV預聚物55份，四氫呋喃丙烯酸酯20份，N,N-二甲基丙烯酰胺25份，γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷1份，1-羥基環己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦1份，改變納米二氧化硅用量。結果表明，二氧化硅含量高，則拉伸強度大，伸長率小。因為納米二氧化硅少量補強，同時增加剛性。綜合考慮，納米二氧化硅選擇3份的用量。

表2　納米二氧化硅用量對UV膠固化后力學性能的影響Tab.2 Effect of fumed silica content on mechanical properties of cured UV adhesive

2.4 稀釋劑單體對固化膠粘接強度的影響

不同稀釋劑單體對固化膠粘接強度的影響見表3。膠粘劑組成：UV預聚物55份，稀釋劑單體45份，γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷1份，1-羥基環己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦1份，納米二氧化硅3份。N,N-二甲基丙烯酰胺、四氫呋喃丙烯酸酯和丙烯酸異冰片酯的粘接力較高，3種稀釋單體都是單官能團單體，固化收縮率低，更有利于附著；其中N,N-二甲基丙烯酰胺、四氫呋喃丙烯酸酯對大部分塑料（包括PC、PMMA）具有較強的溶脹能力，可提高粘接力，適合于塑料和PCB表面白色油墨層的粘接[8]。四氫呋喃丙烯酸酯固化后偏軟，抗跌落性能較好，但是推力較小；N,N-二甲基丙烯酰胺固化后偏硬，推力較大，但是抗跌落性能較差。綜合考慮，選擇四氫呋喃丙烯酸酯和N,N-二甲基丙烯酰胺搭配作為活性單體較好。

2.5 偶聯劑對固化膠粘接強度的影響

表4是不同偶聯劑對固化膠粘接強度的影響。膠粘劑組成：UV預聚物55份，四氫呋喃丙烯酸酯20份，N,N-二甲基丙烯酰胺25份，偶聯劑1份，1-羥基環己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦1份，納米二氧化硅3份。

γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷和γ-巰丙基三甲氧基硅烷對附著力的貢獻比較大，其中γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷的環氧基與PCB表面白色油墨層的親和力較好，因此可大幅提高粘接強度；而γ-巰丙基三甲氧基硅烷的巰基可以與油墨層反應，也較大程度地提高了粘接強度。選擇γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷為UV膠的偶聯劑較適宜。

表3　不同稀釋劑單體對粘接強度的影響Tab.3 Effect of diluent monomers on bonding strength of UV curable adhesive

跌落次數（）偶聯劑γ-氨丙基三乙氧基硅烷　KH550 γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷（KH560）γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）乙烯基三乙氧基硅烷（A151）乙烯基三甲氧基硅烷（A171）N-β-（氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷（KH792）γ-巰丙基三甲氧基硅烷（KH590）透鏡推力/N 142.2 185.6 153.4 127.7 125.3 158.5 167.9 2 3 2 1 1 2 2

2.6 光固化膠的耐濕熱性能分析

UV膠基礎配方組成：UV預聚物55份，稀釋劑單體45份，γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷1份，1-羥基環己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦1份，納米二氧化硅3份。UV膠1#：四氫呋喃丙烯酸酯20份，N,N-二甲基丙烯酰胺25份；UV膠2#：四氫呋喃丙烯酸酯35份，N,N-二甲基丙烯酰胺10份；UV膠3#：四氫呋喃丙烯酸酯25份，N,N-二甲基丙烯酰胺20份。圖4是UV膠1#、2#和3#經過85 ℃，RH85%濕熱加速老化后，透鏡推力值變化的對比。

從圖4可以看出，2#的初始推力較小，經濕熱老化后，透鏡推力變化較小，耐濕熱性能很好。1#和3#初始推力較大，但是經過濕熱老化后，透鏡的推力變化較大，N,N-二甲基丙烯酰胺含量越高，濕熱老化推力衰減越嚴重。主要由于該單體上的氨基容易吸水，濕熱老化后吸水時粘接力下降。但是經過長達1 200 h老化后，推力仍然大于100 N，性能達到使用要求，表明N,N-二甲基丙烯酰胺對推力的貢獻值大于吸濕的影響。

圖4　雙85濕熱老化后推力變化對比Fig.4 Comparison of lightbar lens' push force afterdouble 85 hygrothermal aging test

2.7 光固化膠的耐冷熱沖擊性能分析

圖5是UV膠1#、2#和3#經過冷熱沖擊試驗后，透鏡推力值變化的對比。1～3#UV膠的配方同2.6。從圖5可以看出，3個配方的UV膠推力值變化都是先變大，然后變小，最后逐漸穩定。主要原因：UV膠固化時的體積收縮產生的內應力，在冷熱沖擊的加熱升溫階段中得到緩慢釋放，推力值因此變大。隨著冷熱沖擊的次數增加，其冷熱沖擊時膨脹收縮產生的應力顯現出來，推力值緩慢變小，最后達到平衡，趨于穩定[9]。圖5的結果表明1～3#UV膠耐冷熱沖擊性能優異，主要得益于UV預聚物中聚丁二烯二醇軟段的緩沖作用。

圖5　冷熱沖擊老化后推力變化對比Fig.5 Comparison of lightbar lens' push force after temperature shock test

3　結論

以端羥基聚丁二烯、3-異氰酸酯基亞甲基-3,5,5-三甲基環己基異氰酸酯、丙烯酸羥乙酯為原料合成聚氨酯二丙烯酸酯預聚物。實驗結果表明，預聚物55份，四氫呋喃丙烯酸酯20份，N,N-二甲基丙烯酰胺25份，γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷1份，1-羥基環己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦1份，納米二氧化硅3份配制的UV膠，具有較佳的力學性能、粘接強度、耐濕熱和耐冷熱沖擊性能，可滿足LED電視背光源燈條透鏡的粘接要求。

參考文獻

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Study on UV adhesive for LED lightbar lens bonding

LIU Hai-tao1,2
(1.Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co.,L td.,G uangzhou,G uangdong 510700,C hina;2.National Engineering and Research Center of Rubber and Plastic Sealing,G uangzhou,G uangdong 510530,C hina)

Abstract：The polyurethane di-acrylate was synthesized using hydroxyl-terminated polybutadiene-diol,I PDI and hydroxyethyl acrylate. Then the UV curable adhesive was prepared from the polyurethane di-acrylate, THFA, N,N-DMA, 2,3-epoxypropoxy propyltrimethoxysilicone, 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, 2,4,6-trimethyl benzoyl diphenyl phosphine oxide and fumed silica as the raw materials. The experiment results indicated that the UV curable adhesive had better mechanical properties, bonding performance and resistances to heat-humidity and temperature shock, and its comprehensive properties was able to meet the LED lightbar lens' bonding requirements.

Key words：UV curable adhesive; LED lightbar; lens; polyurethane acrylate; bonding

作者簡介：劉海濤（1978-），男，工學博士，高級工程師，學術帶頭人。主要研究方向：光固化樹脂與光固化膠。E-mail：htliu1@163.com。

收稿日期：2015-11-29

中圖分類號：TQ577.3+5

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2016）04-0031-05