紧 凑 型 荧 光 灯 光 衰 机 理 和 改 善 上 海 时 代 之 光 照 明 电 器 检 测 有 限 公 司 陆 荣 树 1 前 言 我 国 现 在 已 是 节 能 型 自 镇 流 荧 光 灯 的 生 产 大 国, 产 品 在 国 际 市 场 上 占 有 不 小 的 份 额 我 国 加 入 WTO 以 后, 进 一 步 促 进 我 国 自 镇 流 荧 光 灯 的 出 口 欧 盟 的 EC244 指 令 的 实 施 形 成 出 口 到 欧 洲 的 技 术 壁 垒 虽 然 近 几 年 我 国 的 自 镇 流 荧 光 灯 生 产 技 术 和 产 品 质 量 有 长 足 的 提 高, 但 我 们 不 能 满 足 于 现 状, 而 是 要 技 术 创 新, 用 达 到 国 际 先 进 水 平 的 产 品 来 占 领 国 际 市 场 长 期 以 来, 紧 凑 型 节 能 荧 光 灯 管 的 光 衰 和 寿 命 问 题 一 直 得 到 国 内 大 多 数 生 产 厂 家 的 重 视, 随 着 自 镇 流 荧 光 灯 国 家 标 准 的 修 订, 以 及 就 紧 凑 型 节 能 荧 光 灯 管 (CFL) 管 径 的 不 断 缩 小, 荧 光 粉 承 受 的 负 荷 越 来 越 大, 解 决 光 衰 问 题 就 显 得 尤 为 重 要 了 就 紧 凑 型 节 能 荧 光 灯 来 说, 其 光 衰 主 要 来 自 以 下 几 方 面 : 一 荧 光 粉 在 放 电 环 境 中 劣 化 造 成 发 光 效 率 下 降 二 在 燃 点 过 程 中 荧 光 粉 层 内 表 面 形 成 不 透 明 的 黄 黑 吸 光 薄 膜, 使 荧 光 粉 接 受 紫 外 线 辐 射 的 几 率 下 降 三 长 期 燃 点 后 玻 璃 管 内 壁 的 黑 化, 造 成 光 透 过 率 下 降 以 上 几 个 因 素 有 灯 管 材 料 方 面 的 原 因, 也 有 生 产 工 艺 过 程 的 原 因, 以 及 灯 管 在 长 期 燃 点 造 成 的 原 因 2 紧 凑 型 荧 光 灯 的 光 衰 机 理 对 于 我 国 生 产 的 紧 凑 型 荧 光 灯 管, 采 用 传 统 的 有 机 涂 液 涂 粉 时, 光 衰 的 主 要 原 因 是 预 成 形 的 玻 管 涂 粉 后 粉 层 中 的 硝 化 纤 维 粘 结 剂 在 烤 管 阶 段 不 能 彻 底 烤 尽, 这 将 导 致 在 荧 光 粉 层 的 内 表 面 上 形 成 碳 和 氧 化 汞 的 黑 色 吸 光 薄 膜, 使 粉 层 着 色 ( 黑 化 ); 光 衰 的 第 二 个 原 因 是 我 国 生 产 的 玻 管 的 含 钠 量 较 高, 且 光 致 劣 化 厉 害, 在 灯 管 的 寿 命 期 内 汞 将 渗 透 进 玻 璃, 而 玻 璃 中 的 钠 扩 散 到 粉 层 处, 和 汞 化 合 后 形 成 黑 色 的 钠 汞 齐, 使 荧 光 粉 颗 粒 污 染 ; 第 三 个 原 因 是 荧 光 粉 本 身 的 质 量 不 高, 表 面 有 杂 质, 易 于 吸 附 氧 化 汞 和 汞 3 荧 光 粉 的 劣 化 荧 光 粉 的 劣 化 主 要 是 在 低 压 放 电 中 185nm 短 紫 外 线 辐 射 造 成 的, 而 理 想 的 低 压 汞 放 电 只 产 生 253.7nm 的 紫 外 线, 这 样 荧 光 粉 处 于 理 想 无 光 衰 情 况 但 实 际 上 伴 随 253.7 nm 紫 外 线 的 产 生 总 有 一 定 比 例 的 185nm 的 短 紫 外 线 产 生,185nm 短 紫 外 线 的 产 生 几 率 主 要 受 放 电 管 中 电 子 动 能 的 影 响, 如 果 电 子 的 动 能 过 高, 这 些 高 能 电 子 在 与 汞 原 子 发 生 碰 撞 产 生
能 量 转 移 时, 汞 原 子 获 得 的 能 量 高, 跃 迁 到 6 P 1 的 几 率 增 加, 即 激 发 出 185nm 短 紫 外 线 的 几 率 增 加, 而 电 子 动 能 又 主 要 受 阴 极 发 射 特 性 及 管 内 氩 气 压 力 影 响, 这 些 因 素 主 要 由 排 气 工 艺 决 定, 如 阴 极 分 解 不 合 适 造 成 阴 极 发 射 特 性 不 良, 只 有 提 高 着 火 电 压, 增 加 阴 极 位 降 即 提 高 电 极 温 度 才 能 产 生 放 电, 而 高 的 阴 极 位 降 必 然 导 致 大 量 的 高 能 的 电 子 产 生, 同 时 如 管 内 氩 气 压 力 低, 即 电 子 自 由 程 长, 电 子 可 获 得 高 的 能 量, 氩 气 压 力 过 高 又 导 致 着 火 电 压 升 高, 即 电 子 能 量 升 高 因 此, 好 的 排 气 工 艺 和 合 适 的 充 氩 气 的 压 力 是 减 少 185nm 短 紫 外 产 生 的 关 键, 即 减 少 荧 光 粉 劣 化 的 关 键 另 外, 如 何 使 制 成 灯 后 荧 光 粉 的 发 光 效 率 保 持 较 高 水 平, 涂 粉 及 烤 管 工 艺 是 关 键 实 际 上 好 的 荧 光 粉 在 配 成 粉 浆 时, 球 磨 过 程 只 应 该 起 分 散 荧 光 粉 作 用 而 无 须 再 将 荧 光 粉 磨 细, 否 则 会 降 低 荧 光 粉 的 发 光 效 率 这 要 求 在 球 磨 瓶 中 增 加 小 直 径 的 磨 球 ( 如 Φ5~10mm) 的 比 例, 尽 量 缩 短 球 磨 时 间 或 不 球 磨 同 时 烤 管 时 应 尽 量 地 降 低 烤 管 温 度, 缩 短 烤 管 时 间, 其 中 烤 管 温 度 则 更 为 重 要 众 所 周 知, 为 了 帮 助 粘 接 剂 ( 如 硝 化 棉 ) 分 解, 在 烤 管 时 往 往 要 通 入 氧 气 或 空 气, 而 通 入 纯 氧 会 使 硝 化 棉 的 燃 烧 反 应 剧 烈 发 生, 同 时 产 生 大 量 的 热 量, 导 致 荧 光 粉 微 粒 温 度 瞬 间 升 高, 这 个 温 度 是 通 入 空 气 帮 助 分 解 燃 烧 时 所 无 法 达 到 的, 因 为 空 气 中 较 大 比 例 的 N0 2,C0 2 使 硝 化 棉 燃 烧 反 应 速 度 大 大 降 低, 单 位 时 间 产 生 的 热 量 也 大 大 降 低, 虽 然 这 会 延 长 烤 管 时 间, 但 烤 管 中 荧 光 粉 微 粒 实 际 达 到 的 温 度 大 为 降 低, 较 好 地 保 持 了 发 光 效 率, 因 此 选 择 较 合 适 比 例 纯 氧 与 空 气 混 合 气 来 帮 助 烤 管 还 需 大 量 试 验 进 一 步 探 讨 4 荧 光 粉 表 面 吸 光 薄 膜 的 形 成 荧 光 粉 表 面 的 吸 光 薄 膜 主 要 是 不 透 光 的 汞 及 汞 氧 化 物, 这 势 必 阻 挡 紫 外 线 对 荧 光 粉 的 充 分 激 发, 减 小 光 的 输 出 吸 光 薄 膜 的 形 成 主 要 源 于 灯 管 内 的 杂 质 气 体, 如 水 蒸 气 C0 2 等, 我 们 知 道 水 蒸 气 CO 2 CO 及 碳 氢 化 合 物, 在 放 电 环 境 中 会 在 高 温 的 阴 极 附 近 发 生 分 解 或 裂 解, 产 生 0 2 及 碳, 黑 色 的 碳 直 接 沉 积 在 荧 光 粉 内 壁, 使 灯 管 发 黑, 而 产 生 的 氧 与 Hg 形 成 黄 黑 的 HgO 及 Hg 2O 附 着 在 荧 光 粉 内 壁 上, 使 灯 管 黄 黑, 另 外 灯 管 中 的 N 也 会 和 柔 在 高 温 下 化 合 成 Hg 3N 2 使 灯 管 呈 棕 黄 色, 这 些 杂 质 气 体 除 因 排 气 时 烘 烤 不 够 除 气 不 尽 分 解 不 透 充 气 不 纯 而 存 在, 还 会 因 烤 管 不 透 造 成 硝 化 棉 残 留 物 在 灯 管 内 在 其 后 的 燃 点 过 程 中 产 生 CO CO 2 及 N0 2 等 气 体 随 着 灯 管 燃 点 时 间 的 延 长, 阴 极 发 射 物 质 不 断 溅 射 和 蒸 发 而 覆 盖 到 阴 极 附 近 的 粉 层 上, 这 些 溅 射 物 质 还 和 汞 化 合 形 成 不 透 明 的 吸 光 膜 可 见 合 理 的 电 极 结 构, 合 适 的 工 作 温 度, 即 阴 极 发 射 物 保 持 低 的 功 函 数, 低 的 蒸 发 率 和 较 强 的 抗 离 子 轰 击 能 力 是 减 轻 端 带 附 近
吸 光 膜 的 关 键 我 们 知 道,HgO 和 汞 齐 在 高 温 下 不 稳 定, 沉 积 物 主 要 分 布 在 温 度 相 对 较 低 的 区 域, 如 弯 管 部 分 黄 黑 较 重, 对 这 些 黄 黑 部 分 进 行 高 温 加 热 可 使 吸 附 在 这 些 部 分 的 HgO 及 汞 齐 重 新 分 解 从 而 较 好 恢 复 这 部 分 的 白 度, 这 在 一 定 程 度 上 恢 复 光 通 维 持 率, 通 过 试 验 可 知 吸 光 薄 膜 对 光 衰 的 影 响 较 大 有 文 献 表 明 HgO 在 荧 光 粉 表 面 的 吸 附 较 大 程 度 地 决 定 于 荧 光 粉 的 带 电 倾 向, 当 荧 光 粉 所 带 电 荷 与 HgO 的 带 电 倾 向 相 反,HgO 一 经 接 触 荧 光 粉, 两 者 的 表 面 将 产 生 较 多 的 正 负 电 荷, 因 静 电 吸 附 很 强 而 不 易 脱 落, 这 样 HgO 吸 附 量 就 大, 即 黑 化 严 重 光 衰 也 大 因 此, 应 设 法 减 少 荧 光 粉 带 电 的 可 能 性, 如 清 洗 玻 管 应 用 去 离 子 水, 配 粉 浆 所 用 分 散 剂, 粘 接 剂 等 应 不 含 杂 质, 烤 管 助 燃 气 应 纯 净 干 燥 等 5 玻 管 的 黑 化 通 过 不 涂 粉 的 明 管 制 灯 试 验, 在 长 期 燃 点 后 玻 管 会 发 黑, 使 玻 管 的 光 透 过 率 下 降, 即 光 通 量 减 小 有 文 献 表 明, 玻 管 黑 化 的 真 正 原 因 是 玻 璃 网 络 中 生 成 的 金 属 态 汞 的 小 液 滴, 其 次 才 是 长 期 燃 点 中 钠 汞 齐 在 玻 管 表 面 的 形 成 使 玻 管 发 黑 首 先, 在 放 电 环 境 中 气 态 的 汞 原 子 和 带 电 汞 离 子 不 断 地 渗 入 到 玻 璃 表 面 lnm 深 的 网 络 空 隙, 当 有 限 的 网 络 空 隙 被 填 满 后 汞 在 玻 管 表 面 的 浓 度 达 到 饱 和 形 成 表 面 蓄 积 层, 表 面 蓄 积 层 中 汞 的 多 少 与 玻 璃 的 疏 松 程 度 即 网 络 空 隙 的 多 少 有 关, 与 玻 管 的 微 观 内 表 面 积 有 关 表 面 蓄 积 层 的 形 成 是 在 较 短 时 间 内 形 成 的, 然 后 蓄 积 层 中 的 汞 离 子 又 在 紫 外 线 照 射 形 成 的 光 电 场 作 用 下 不 断 从 蓄 积 层 迁 移 到 玻 璃 内 部 30~40nm 的 深 处, 这 些 汞 离 子 最 终 在 光 电 子 的 作 用 下 被 还 原 为 汞 原 子, 生 成 使 玻 管 发 黑 的 金 属 态 汞 滴, 实 际 上 1nm 深 的 表 面 蓄 积 层 不 足 以 使 玻 管 发 黑, 只 有 当 蓄 积 层 中 汞 的 浓 度 高 于 一 临 界 浓 度 时 玻 管 才 出 现 黑 化 我 们 在 通 常 的 玻 管 清 洗 工 艺 中 常 采 用 氢 氟 酸, 玻 管 内 表 面 被 腐 蚀 出 更 多 空 隙 并 使 内 表 面 积 大 大 增 加, 从 而 使 表 面 蓄 积 层 吸 收 的 汞 量 大 大 增 加, 黑 化 严 重, 增 大 了 光 衰 其 次, 长 期 燃 点 会 使 玻 管 不 断 析 出 的 钠 与 汞 化 合 成 黑 色 钠 汞 齐, 也 使 玻 管 发 黑 因 为 析 出 的 钠 离 子 不 断 被 电 子 还 原 为 钠 并 形 成 汞 齐, 造 成 玻 管 中 钠 离 子 浓 度 梯 度 的 形 成, 使 这 个 过 程 不 断 进 行, 玻 管 的 黑 化 越 来 越 严 重 我 们 知 道 钠 的 析 出 与 玻 管 的 温 度 有 关, 与 185nm 紫 外 线 照 射 有 关, 即 温 度 越 高 钠 的 析 出 越 多,185nm 紫 外 照 射 越 强 钠 的 析 出 也 越 多 实 际 上, 未 涂 粉 前 的 明 管 在 高 温 加 工 中 析 出 的 钠 离 子, 我 们 可 以 用 热 水, 去 离 子 水 清 洗 玻 管 去 除, 而 涂 粉 后 如 烤 管 时 产 生 的 大 量 钠 离 子 却 无 法 去 除, 但 我 们 却 可 以 通 过 在 玻 璃 内 表 面 涂 覆 一 层 保 护 膜 来 阻 断 钠 和 汞 的 化 合, 同 时 阻 挡 汞 掺 入 玻 管 形 成 表 面 蓄 积 层 以 下 我 们
就 保 护 膜 的 使 用 进 行 探 讨 我 们 试 验 采 用 的 保 护 膜 是 γ-al 2 O 3 保 护 膜, 半 透 明 薄 膜 γ-al 2 O 3 的 表 面 积 很 大, 颗 粒 度 可 非 常 细, 达 到 10-2 μm 级, 可 以 有 效 地 填 补 玻 管 表 面 的 空 隙, 能 在 玻 管 表 面 均 匀 地 涂 上 一 层 薄 薄 的 无 空 隙 的 膜 层, 并 保 持 较 高 的 光 透 过 率 γ-al 2O 3 的 涂 覆 工 艺 较 为 简 单, 与 普 通 荧 光 粉 的 涂 覆 工 艺 相 同, 只 是 其 涂 层 厚 度 均 匀 性 需 经 试 验 获 得, 既 要 保 证 高 的 光 透 过 率, 又 要 保 证 玻 管 发 黑 少, 我 们 在 配 制 时 将 γ -Al 2 O 3 的 重 量 百 分 比 浓 度 控 制 在 5%, 经 充 分 的 球 磨, 球 磨 时 间 一 般 不 少 于 80 小 时, 另 外 要 求 球 磨 球 为 直 径 较 小 的 玛 脑 球 或 玻 璃 球 涂 覆 液 球 磨 充 分 后 可 以 适 当 稀 释, 可 加 入 少 量 的 胶 液 保 证 涂 敷 均 匀, 并 在 二 次 涂 敷 荧 光 粉 时 保 证 Al 2O 3 涂 层 不 被 冲 掉 我 们 使 用 二 次 涂 覆 技 术 生 产 的 灯 管 经 长 期 试 验 燃 点 后 与 一 般 灯 管 比 较, 玻 管 黑 化 明 显 较 轻, 尤 其 灯 丝 附 近 ( 钠 的 析 出 最 多 ), 基 本 无 黑 化, 因 此 能 否 成 功 地 保 证 灯 丝 附 近 玻 管 无 黑 化 是 检 验 保 护 膜 效 能 的 一 种 简 便 方 法 实 际 上 玻 管 黑 化 是 一 个 较 长 期 的 过 程, 保 护 膜 的 作 用 需 经 较 长 期 的 燃 点 过 程 才 能 充 分 体 现 出 来, 而 很 多 厂 家 试 验 时 用 短 期 光 衰 来 衡 量 保 护 膜 的 作 用, 这 很 难 客 观 的 反 应 出 试 验 的 真 实 性 来, 保 护 膜 发 挥 最 大 功 效 是 在 燃 点 1000 小 时 至 3000 小 时 之 间, 当 然 在 一 定 程 度 上 阻 止 了 试 验 及 推 广 的 进 行, 我 们 的 涂 覆 工 艺 仍 在 不 断 地 试 验 完 善 之 中 6 克 服 灯 管 光 衰 的 关 键 工 艺 技 术 针 对 影 响 我 国 紧 凑 型 荧 光 灯 光 衰 的 几 个 主 要 原 因, 除 了 采 用 结 晶 完 善 晶 体 完 整 表 面 光 滑 干 净 无 杂 相 颗 粒 均 匀 的 免 球 磨 稀 土 荧 光 粉 外, 采 用 了 以 下 几 个 工 艺 技 术 可 以 使 灯 管 的 光 衰 下 降 : 6.l 采 用 新 配 方 的 水 浆 涂 粉 工 艺 对 于 稀 土 三 基 色 粉, 我 们 采 用 非 离 子 型 的 高 分 子 聚 合 物 --- 聚 氧 化 乙 烯 作 为 水 浆 涂 粉 工 艺 的 暂 时 性 粘 结 剂 该 粘 结 剂 分 解 温 度 较 低, 在 200 就 开 始 分 解, 达 到 了 分 解 温 度 后, 它 从 聚 合 体 分 解 成 单 体, 且 这 些 单 体 以 气 态 方 式 挥 发 因 此, 采 用 聚 氧 化 乙 烯 作 暂 时 性 粘 结 剂 可 以 保 证 已 成 形 玻 管 在 烤 管 阶 段 将 粘 结 剂 全 部 烤 尽, 且 玻 管 不 变 形, 这 就 防 止 了 荧 光 粉 层 上 黑 色 吸 光 膜 层 的 生 成 6.2 采 用 保 护 膜 技 术 为 了 防 止 玻 管 的 黑 化 和 玻 璃 中 钠 离 子 向 荧 光 粉 层 的 热 扩 散, 对 于 高 管 壁 负 载 的 紧 凑 型 荧 光 灯 ( 管 内 径 小 于 lomm, 电 流 大 于 0.2A), 应 采 用 保 护 膜 技 术, 即 在 涂 粉 之 前, 先 涂 一 层 保 护 膜 层 保 护 膜 层 有 二 种, 一 种 是 透 明 的 氧 化 物 保 护 膜 层 ; 另 一 种 是 透 光 的 氧 化 铝 保 护 膜 层 有 关 企 业 的 生 产 实 践 证 明, 两 种 保 护 膜 都 有 保 护 效 果 采 用 保 护 膜 技 术 后, 玻 管
不 再 因 汞 的 渗 入 而 黑 化, 荧 光 粉 不 再 因 钠 汞 齐 在 其 表 面 的 生 成 而 着 色 灯 管 的 2000 h 和 5000h 流 明 维 持 率 都 大 大 提 高 6.3 烤 管 阴 极 涂 层 和 排 气 工 艺 最 佳 化 采 用 聚 氧 化 乙 烯 作 粘 结 剂 后, 粉 管 的 烤 管 工 艺 规 范 应 根 据 聚 氧 化 乙 烯 的 热 分 解 特 性 来 制 订, 以 得 到 最 佳 的 不 含 粘 结 剂 的 粉 层 为 获 得 长 寿 命 的 阴 极, 除 电 子 发 射 材 料 本 身 的 质 量 外, 应 注 意 钨 丝 螺 旋 冷 电 阻 的 一 致 性, 储 电 子 粉 的 量 和 其 一 致 性 ; 排 气 时 的 阴 极 通 电 工 艺 应 合 理, 应 和 真 空 系 统 的 抽 气 速 率 相 配 合, 以 有 利 于 钨 酸 钡 中 间 层 的 生 成 排 气 时 烘 烤 温 度 要 高, 时 间 要 充 分, 充 氧 气 纯 度 要 高, 以 保 证 灯 管 内 杂 质 气 体 气 压 最 低, 获 得 好 的 阴 极 寿 命 和 光 衰 特 性 结 束 语 本 文 主 要 讨 论 了 这 样 一 个 观 点, 即 控 制 光 衰 并 非 只 是 某 一 种 材 料, 某 一 道 工 艺 或 某 一 种 新 技 术 所 能 完 全 解 决 的, 实 际 上 光 衰 的 产 生 贯 穿 了 几 乎 灯 管 制 造 过 程 的 所 有 环 节, 从 灯 管 的 结 构 设 计, 原 材 料 的 选 用, 工 艺 的 制 定 到 新 技 术 的 应 用 及 镇 流 器 的 匹 配, 缺 一 不 可, 称 得 上 是 一 个 系 统 工 程, 可 以 这 样 说, 一 个 好 灯 管 是 所 有 制 灯 环 节 都 完 善 的 结 晶