金鹵燈電弧管噴粉工藝研究

1、金鹵燈電弧管噴粉工藝研究俞明忠，陳暉，樊開強(qiáng)（寧波亞茂照明電器有限公司）；魏青（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院）一 、緒論我們知道一般管壁負(fù)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汽壓，從而提高光效和顯色指數(shù)。目前應(yīng)用的保溫涂層材料有：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）和浸涂這幾種。這幾種工藝目前普遍采用的是火噴和水噴，浸涂工藝一般只應(yīng)用于一些特殊規(guī)格的金鹵燈。二、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，表2。表1：紅外材料折射指數(shù)，單、雙面反射系

2、數(shù)及理論透過率材料折射指數(shù)n單面反射率雙面反射率理論透過率石英1.54274.58.691.3Al2O31.7126.912.987.1ZrO22.077912.32080Y2O31.952710.318.881.2表2：紅外材料能隙及透射波段材料能隙/eV短波截止限/um透射波段/um石英8.40.140.144.5Al2O390.140.146ZrO25.00.250.46Y2O36.080.200.258從上述數(shù)據(jù)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(dāng)然，上述數(shù)據(jù)僅是理論值，在金鹵燈電弧管保溫層噴涂中，保溫性能還會與粉層厚度，均勻性及孔隙度有關(guān)，如下述例子：

3、雖然ZrO2在金鹵燈電弧管的應(yīng)用有明顯優(yōu)勢，但由于成本因素（純度等級相近的材料單價，ZrO2要20倍以上與Al2O3），一般國內(nèi)普通照明金鹵燈很少采用ZrO2作為 保溫涂層使用。ZrO2在GE和OSRAM Sylvania的金鹵燈電弧管中廣泛應(yīng)用，涂敷方法：采用ZrO2和有機(jī)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(jī)溶劑蒸發(fā)后粉層即形成需要的保溫涂層，然后進(jìn)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(jìn)行生產(chǎn)，因?yàn)樵撏繉映B(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

4、操作方法根本無法保證有效的涂層質(zhì)量。因此，國內(nèi)普遍采用Al2O3粉涂層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2.2.1Al2O3涂層主要采用火噴粉和水噴粉進(jìn)行涂覆：火噴粉工藝介紹:將石英管加熱到高溫（約900以上），將相Al2O3粉末在高溫火焰下熔化后，噴射在表面軟化的石英管上，氧化鋁粉末就附著在石英管上，完成噴粉工作。水噴粉工藝介紹：將石英管加熱到100200，將Al2O3粉、粘結(jié)劑、去離子水配置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 工藝對比分析：火噴粉主要缺點(diǎn)：1） 石英玻璃需要進(jìn)行高溫加熱，對

5、石英玻璃有損傷，會增加羥基 含量。國外一般采用氫-氧焰進(jìn)行噴粉。如果采用煤-氧火焰，則需要加熱時間較長，雖然羥基增加可能會少一些，但對石英玻璃強(qiáng)度破壞會更大一些，而國內(nèi)一方面是氫氣的安全管制問 題，二是出于成本考慮，大多采用煤-氧火焰進(jìn)行噴粉。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0.5元/只，而水噴粉在0.30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，就容易有較多粉末飛散造成環(huán)境污染。4） 火碰粉工藝的涂層容易在燈燃點(diǎn)到2000小時后有脫粉現(xiàn)象，一方面是由于Al2O3涂層和石英玻璃間膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致，如果加

6、熱溫度和噴粉溫度及粉槍霧化不良都會造成粉層附著強(qiáng)度下降，容易造成脫粉，另一方面是前面提到的石英管強(qiáng)度的損傷，容易使電弧管兩端噴粉部位在燈燃點(diǎn)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。水噴粉主要缺點(diǎn)：1） 水噴粉形成的保溫涂層在燈泡燃點(diǎn)過程容易粉層發(fā)黑，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，會造成石英玻璃的析晶等等危害。三、水噴粉漿研究：金鹵燈電弧管的水噴粉漿在工效，成本等各方面優(yōu)勢明顯，但也存在相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量風(fēng)險，主要是粘結(jié)劑容易含

7、有各種有害雜質(zhì)，對電弧管各方面性能造成危害。 可用于粘合氧化鋁粉和石英玻璃間的粘結(jié)劑主要有：玻璃類：低熔點(diǎn)玻璃（如Ca2P2O7CaB4O7），偏硅酸鈉（Na2SiO3·nH2O）；水溶膠類：硅溶膠（SiO2.nH2O），水合氧化鋁Al2O3·nH2O等有機(jī)粘結(jié)劑：聚甲基丙烯酸銨（APMAA）聚氧化乙烯（PEO），聚乙烯醇等。我們針對粘結(jié)劑進(jìn)行了系列試驗(yàn)，下述是各種試驗(yàn)的結(jié)果及分析：試驗(yàn)一 將粉漿加入密封石英玻璃內(nèi)，在空氣氣氛中600下烘干，然后進(jìn)行排氣，充入適量氮?dú)猓M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

8、用超聲波洗去粉層，檢查石英玻璃析晶情況和透過率變化：粘結(jié)劑Na2SiO3·nH2OSiO2.nH2O國產(chǎn)SiO2.nH2O進(jìn)口PEO析晶情況嚴(yán)重析晶輕微析晶無析晶無析晶透過率變化80%93%99%100%結(jié)論不可用不可用可用可用由于條件限制，APMAA和低熔點(diǎn)玻璃未進(jìn)行試驗(yàn)，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(yàn)。試驗(yàn)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(jìn)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。粉層均勻性檢驗(yàn)：將電弧管斜對光源，用目視檢驗(yàn)粉層各

9、部位的厚薄均勻是否合格；牢固度檢驗(yàn):1) 振動試驗(yàn)檢驗(yàn)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(yàn)。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。粘結(jié)劑SiO2.nH2O國產(chǎn)SiO2.nH2O進(jìn)口PEO均勻性均勻均勻輕微不均勻牢固度振動合格振動合格振動合格附著牢固附著牢固附著不牢固結(jié)論可用可用不可用試驗(yàn)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(diǎn)100小時后檢查粉層發(fā)黑情況：粘結(jié)劑SiO2.nH2O國產(chǎn)SiO2.nH2O進(jìn)口PEO發(fā)黑程度5

10、0%發(fā)黑不發(fā)黑不發(fā)黑結(jié)論不可用可用可用試驗(yàn)四，重復(fù)試驗(yàn)：1周后，對試驗(yàn)三中“可用”的兩種粘結(jié)劑進(jìn)行各重復(fù)50個的試驗(yàn)，結(jié)果如下：粘結(jié)劑SiO2.nH2O進(jìn)口PEO發(fā)黑程度30%發(fā)黑不發(fā)黑結(jié)論不可用可用四、試驗(yàn)結(jié)果分析：1）Na等堿金屬離子的存在，由于會造成石英玻璃析晶，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2個來源，一是化合物中含有的，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，造成堿金屬離子殘留較大。2）無機(jī)的粘結(jié)劑都含有相當(dāng)數(shù)量的結(jié)晶水和羥基，如何有效的在制燈過程去除干凈需要研究。3）無機(jī)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

11、層發(fā)黑的主要原因。為了驗(yàn)證堿金屬對粉層發(fā)黑的影響，我們將SiO2.nH2O為粘結(jié)劑的粉漿進(jìn)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(jìn)行脫水，做對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：20只燈燃點(diǎn)100小時后無發(fā)黑現(xiàn)象。五、結(jié)論：無機(jī)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，由于目前沒有專門針對光源行業(yè)需要純度的無機(jī)粘結(jié)劑的開發(fā)和生產(chǎn)，因此在應(yīng)用時需要特別小心。由于金鹵燈在排氣前或封口前需要進(jìn)行點(diǎn)燈，因此采用有機(jī)粘結(jié)劑配置成水噴粉漿是一個可行的方案，該方案主要優(yōu)點(diǎn)：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(jìn)行了試驗(yàn)，主要問題是粉層牢固度上有欠缺，在電弧管流轉(zhuǎn)過程容易擦粉造成粉缺，其他性能都能滿足金鹵燈的各項(xiàng)要求。 其他的有機(jī)粘結(jié)劑我們目前還在做進(jìn)一步的研究中。六、結(jié)束語： 金鹵燈電弧管涂層質(zhì)量