干货：水溶性LED光扩散涂料主要配方原料的选型与应用研究

　　通过分析各种水溶性成膜树脂在试制过程中发现的性能差异，以及多种光扩散剂在涂料中的使用效果，对配制直管型玻璃LED灯光扩散涂料的成膜树脂与光扩散剂的选型与应用进行研究。
　　玻璃管LED灯对光扩散涂层的均匀性、透光率、雾度、安全性、附着力、稳定性、无污染、价格等要求很高，满足这些要求须从树脂和光扩散剂的选择及制造工艺等多方面进行研究。水性LED光扩散涂料的应用避免了低有机挥发物（VOC）排放的环境污染，使用安全方便，在直管形玻璃LED灯的大规模开发推动下得以迅速发展。

　　1•水溶性成膜树脂的选用
　　符合设备工艺要求的膜树脂是无害化水性光扩散涂层技术的关键。目前，可用作LED灯光扩散涂层的成膜树脂有水性醇酸树脂、水性聚丙烯酸树脂、水性聚氨酯树脂等[1]。这3类树脂可单独成膜，或按一定比例联合使用，以避免单独使用某类树脂时的性能缺陷。以下对这3类水溶性成膜树脂的性能差异分别进行阐述。
　　1.1水性醇酸树脂——最先开发的成膜剂
　　水性醇酸树脂是较早开发的水性涂料，其成膜机理与传统溶剂型醇酸树脂类似，通过不饱和脂肪酸氧化交联固化成膜，无须添加助溶剂（成膜助剂），不含挥发性有机物。此外，水性醇酸树脂对光扩散剂的润湿性好，承载力强，具有良好的渗透性、流平性及丰满度，易于涂覆，涂层效果较好。但其聚合物链较易水解，涂膜耐久性差，燃点时间太长则会轻微变色。然而树脂自乳化后通过丙烯酸或聚氨脂改性，耐久性获得改善则可用于光扩散层。
　　1.2水性聚丙烯酸树脂——目前最理想的成膜剂
　　水性丙烯酸树脂包括丙烯酸树脂乳液、丙烯酸树脂水分散体及丙烯酸树脂水溶液3大类。用作水扩散涂层的水性聚丙烯酸树脂就是其中的乳液类，根据单体组成通常分为纯丙乳液、苯丙乳液、醋丙乳液、硅丙乳液、叔醋（叔碳酸酯-醋酸乙烯酯）乳液、叔丙（叔碳酸酯-丙烯酸酯）乳液、氟碳乳液、氟丙乳液等。丙烯酸树脂乳液干燥速度快、硬度高、成本低、耐候性（燃点不易变色）好，且用于LED灯光扩散涂层时避免了成膜性较差、光泽低、不耐溶剂和热黏冷脆等缺点。综合性能及性价比，水性聚丙烯酸树脂是当前最理想的光扩散涂层成膜剂。
　　1.3水溶性聚氨酯树脂——高端涂层的首选
　　水性聚氨酯涂料利用水性聚氨酯树脂，以水为介质进行配置，具有毒性小，不易燃烧、不污染环境、节能、安全等优点，其涂层硬度高，附着力强、柔韧性好。单组分的聚氨酯涂料聚合物相对分子量较大，成膜过程中不发生交联反应，使用方便。双组分水性聚氨酯涂料在使用前须将两者混合，成膜过程中发生交联反应，涂膜性能更好。但是，这种树脂大部分产自国外，成本较高，性价比不理想，仅用于部分高端产品。
　　2•光扩散剂的对比分析
　　2.1光扩散涂层的技术参数
　　（1）透光率——透过涂有光扩散层灯管的光通量与透过无光扩散涂层玻璃管的光通量之比，用百分数表示。但直管灯在工艺制造过程中存在上下厚薄差问题，现在很多厂家都采用积分球内同等条件下测量的玻璃管涂光扩散层前后的光通量对比来表示。
　　（2）雾度——透过玻璃管的散射光（偏离入射光方向）通量与透射光通量之比，用百分数表示（本方法将偏离入射光方向2.5°以上的散射光通量用于雾度计算），常用雾度计进行测定。
　　（3）抗老化时间——工作温度下，灯在特定燃点时间内因涂层原因而导致的光衰退率。常用1000h或10000h的光衰退率来表示。
　　透光率与雾度都是衡量LED灯透明性的重要指标。光扩散剂的挑战在于在获得高雾度的同时确保高透光率，得到均匀、柔和的照明效果。而光扩散剂优异的关键标准在于高效发挥光扩散作用的过程中，尽可能减小所导致的光衰退。
2.2无机光扩散剂
　　可用作无机光扩散剂的材料种类繁多，主要有：碳酸钙、滑石粉、氧化锌、二氧化钛及二氧化硅等[2]。光扩散剂可增加涂层的雾度，调节流变性能，改善机械强度，提高膜的耐久性。
　　2.2.1碳酸钙（CaCO3）
　　碳酸钙包括重质碳酸钙和轻质碳酸钙两类。轻质碳酸钙作为悬浮液原料时，应注意用量，其中的游离氧化钙在水中离解出Ca2+，影响了悬浮液的贮存稳定性，故轻质碳酸钙中的游离氧化钙含量是配制光扩散涂料的重要指标。重质碳酸钙包括大白粉、方解石粉等，由纯度较高的方解石粉磨而成。重质碳酸钙相对密度大，易沉淀，用于悬浮液时需注意防沉降。
　　2.2.2滑石粉（3MgO•4SiO2•H2O）
　　滑石粉的化学成分为水合硅酸镁，它能提高膜的柔韧性，还可消除涂料固化时的内应力，具有很好的流平性。
　　2.2.3氧化锌（ZnO）
　　氧化锌又称锌白，具有防霉、增白效果，能改善涂膜的耐光性和粉化性。其中的Zn2+可导致某些涂料变稠、凝结，不会单独使用，且需注意用量及与对应涂料的相容性，对配方进行热稳定性试验等。
　　2.2.4二氧化钛（TiO2）
　　二氧化钛（即钛白粉）分3种不同的结晶形态：金红石型、锐钛型和板钛型。金红石型钛白粉反射率高、遮盖力强，有较高的折射率、耐光性、耐热性与耐久性，不易发黄、粉化降解，在涂料中可增稠、触变、防流挂。锐钛型则由于在光照下易粉化，不适合用作光扩散剂，而板钛型为不稳定晶型，无应用价值。
　　2.2.5二氧化硅（SiO2）
　　天然二氧化硅为中性白色粉末，化学属性符合二氧化硅通性，稳定性高，但物理状态差异大，部分粉末颗粒粗大，颜色不纯，具有一定的光吸收性，直接用作光扩散剂时光效较低。天然二氧化硅可分为天然无定形二氧化硅、天然结晶形二氧化硅及天然硅藻土3类。其中的天然无定形二氧化硅，颗粒度大部分在40μm以下，偏离了最佳使用范围，不是理想的光扩散剂。天然硅藻土为含有结晶水的二氧化硅，粒径为4～12μm，其吸光率因制造方法不同而存在差异，质量波动较大，不易控制。天然结晶形二氧化硅的粒径为1.5～9.0μm，粒度较为合适，产品经纯化后即可选用，能提高涂膜的力学性能。
　　2.3有机光扩散剂的应用
　　有机物光扩散剂为透明或半透明的有机树脂颗粒，最常用的主要包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯、有机硅树脂和丙烯酸类树脂等微米级颗粒。从LED发出的大部分光线都可通过这些颗粒，与无机型光扩散剂存在两方面差异。
　　（1）有机光扩散剂和基材的折射率存在差异，光线在其中经多次折射获得了极佳的雾度，而非利用多次反射产生的漫射作用。这种方式透光性好，光损失较少，避免了光因多次反射而产生的自吸收，从而提高了光效，且解决了匀光的问题，
　　（2）有机树脂颗粒具有很强的摩擦带电特性，干混时能迅速地分散在其他光扩散剂中，均匀地附着在其他粉体粒子表面。这种有序的混合，改善了粉体的混合特性、流动性和成型性，与无机粉体相比，这些颗粒状的树脂与作为成膜剂的有机树脂的相容性更好，更容易分散在水性树脂中。
　　就目前的使用效果来说，折射率为1.41～1.43的有机硅胶树脂微粒子具有极好的透光性和较高的雾度。与无机材质的微粒子相比，硅胶树脂微粒子比重小、耐热性能佳；透光性及稳定性高于其他大部分有机材质的微粒子，添加量也更少；相对于丙烯酸树脂系光扩散剂，具有更好的耐热耐高温性能，添加量较低，性价比高；相对于PMMA更耐高温，且不变色。有机硅胶树脂微粒子在理想的质量分数加入量试验中有效光扩散系数可达到76.7%，在目前已知的有机光扩散剂中系数最高[3]。
3•纳米粒子材料
　　以上所讨论的光扩散剂粒度都在微米级，对于光扩散剂来说，过细则雾度不好，过粗则透光率不佳。从透光率与雾度两方面综合考虑，光扩散剂最佳的粒度范围为2～20μm。然而，纳米级的粒子对涂层的影响同样值得关注。
　　3.1纳米粒子材料在涂层中的理化分析
　　微粒进入纳米尺度，材料表面活性中心增多提高了其化学催化与光催化的反应能力，在紫外线和氧气的作用下给予涂层自清洁能力。表面活性中心与成膜物质的官能团可发生次化学键结合，极大地增加了涂层的刚性和强度，使其不易划伤。纳米材料表面能很高，经过改性可以同时憎水、憎油，用于光扩散涂料时可显著提高涂层的抗污性和耐老化性。纳米粒子材料用于光扩散涂层中，可以增加涂层与基材玻璃的附着力，提高机械强度，且纳米粒子与涂层的强作用力及填充效果，有助于涂层与玻璃的界面结合。
　　可见光的波长（400～750nm）远大于纳米粒子的粒径，可直接穿过粒子，从而保证了纳米复合涂料的高透明性。
　　3.2纳米二氧化硅
　　人造沉淀二氧化硅为白色无定形粉末，平均粒径为20～110nm，属于纳米级，在水性体系中会附在聚合物表面，而粒子表面带有的少量负电荷使其相互排斥，不易絮凝，提高了体系稳定性。加入纳米二氧化硅后的涂料不易分层，可防流挂，具有抗老化性和热稳定性。然而当体系的pH值低于8.5时，纳米二氧化硅分散体的表面电荷降低，体系稳定性也将下降，故使用时应先将纳米二氧化硅分散体与树脂乳液混合，再添加其他组分。
　　3.3纳米二氧化钛
　　纳米二氧化钛是良好的纳米涂层材料，同时可自洁抗菌，将纳米二氧化钛粉用于涂料中，可使其具备杀菌功能。光的照射可以引起二氧化钛表面在纳米区域形成奇妙的超双亲性（亲水性及亲油性两相共存）。在波长小于400nm的光照下，颗粒能吸收高于其禁带宽度的短波光辐射，产生电子跃迁，价带电子被激发到导带，并形成电子-空穴对，将能量传递到周围介质，诱导光化学反应，从而具有光催化性能。在光扩散涂料中添加二氧化钛等纳米粒子不但能提高耐老化性，还可明显增加涂层的硬度和附着力。
　　4•结束语
　　水性光扩散涂层技术是目前广大直管LED制灯厂家的关注热点，对其主要配方原料进行分析和研究，希望能促进环保型LED光扩散涂料领域的研发及应用推广。