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    LSR(液態硅橡膠)在光學應用中具有巨大的潛力,VUV表面改性處理可解決灰塵污染難題

    責任編輯:盈泰高精  發布日期:2021-07-28
    文章導讀

    眾多優勢說明LSR(液態硅橡膠)在光學應用中具有巨大的潛力,但是,被污染后難以清潔的敏感的粘性表面是LSR部件的一大缺點。VUV表面改性處理可解決灰塵污染難題

    眾多優勢說明lsr液態硅橡膠)在光學應用中具有巨大的潛力。除了光學質量外,還必須提及其高靈活性和可調節規格。此外,該材料化學穩定性高,對光照和自然紫外線輻射不敏感, 并且可在–60°C至+250°C的溫度范圍內使用。通過對LED電路板進行包覆成型,還可一步完成電子元件的密封和光學透鏡的安裝。但是,被污染后難以清潔的敏感的粘性表面是LSR部件的一大缺點。因此,LSR在生產過程中需要經過特殊處理才能確保穩定的工藝并避免產生殘次品。這也為LSR部件和組件帶來了非密封環境中的新應用。

    圖 測試板一半經過真空紫外(VUV)處理,一半被覆蓋。之后,將標準的灰塵均勻地灑在板上,然后在直立狀態進行敲擊(一次)?;覊m附著在未處理的區域,處理過的區域的灰塵則掉落在地上 ?Wilhelm Weber

    為了打破這些限制,Wilhelm Weber GmbH & Co. KG公司與弗勞恩霍夫生產技術和應用材料研究所(IFAM)共同啟動了一項國家資助的ZIM項目(中小企業核心創新計劃)。目標是開發并實施不含化學成分的表面改性(注冊商標:OpSiLight)。Wilhelm Weber在近15年的時間里一直走在LSR光學應用領域的前沿。其最新的產品是近期用于Matrix矩陣式LED大燈的LSR Optics。

    預計持續到2021年9月30日的研究項目對該工藝的總體原理以及折射角、反射系數潛在變化的最新結果和微裂紋的影響進行了研究,此外還對紫外處理的幾何效應(例如翹曲)、已處理組件的長期行為以及回火工藝對該工藝的影響進行了后續研究,同時還對有關部件形狀和工藝參數的潛力和局限性進行了討論并提出了代表性樣本。

    表面改性帶來了新的LSR應用

    對于標準LSR部件而言,這種表面改性可以通過高能紫外光子來實現。但是,對于LSR光學部件而言,該處理方式對光學和幾何特性的影響尚不明確。紫外光照射的效果是什么?為了達到預期效果,表面用最大200nm、通常185nm(圖1)或172nm的光進行照射。光子具有足夠的能量使表層硅分子中的鍵斷裂。改性樣本選用了直徑為32mm的小型LSR透鏡。為了驗證改性對表面質量的影響,用一個具有腐蝕表面(VDI 24,1.60μm Ra)的模具和一個具有高拋光表面的模具生產了兩個部件并進行了評估。由于成型效果較好,拋光后的模具制造出了完全透明的部件,而第一種模具則制造出了略微不透明的部件。通過對改性部件表面進行XPS分析(X射線光電子能譜),證明了分子結構中的氧濃度增加了一倍以上,而碳濃度則降低了10倍。結果表明,表層的大多數分子被改性。

    圖1 表面改性用185nm的低壓汞燈進行照射 ?Fraunhofer IFAM

    通過將周圍大氣中的氧自由基綁定到硅分子碎片上,玻璃狀表面被生成。微米范圍內的層厚均可通過所施加的輻射的劑量和波長來改變。整個過程可以在標準大氣環境或減氧環境中進行而無需其他化學品的輔助,但是必須確保整個改性表面在輻射的可達范圍內,因為該工藝通過輻射誘導。由于工藝窗口相當大,因此復雜的形狀甚至是略有陰影的區域都可適用。光學質量不受影響最初的實驗表明,標準測試中的聚酰胺纖維粉塵樣本可以通過壓縮空氣輕松地從已處理樣品上吹走,而未處理樣品則可以清潔干凈。此外,對透射和反射的詳細測量并未發現已處理和未處理材料之間的任何差異。但是,表面可能出現的細小微裂紋可能是性能改變的原因。通過工藝參數的合理選擇可以盡量減少甚至避免產生這些微裂紋。為了評估該工藝,對3mm厚的LSR透鏡(型號:Silastic MS-1002;制造商:陶氏化學公司)進行了處理,輻射時間和表面都發生了改變。光譜透射圖(圖2)表明,波長大于450nm時,透射率完全不受影響,波長小于450nm時,透射率略有降低,但幾乎不會影響任何應用。

    圖2 通過3mm厚的LSR透鏡測量上述處理對光譜透射的影響。波長大于 450nm時,未產生任何影響;波長小于450 nm時,透射率略有降低,但大多數應用都不會受到影響(來源:Wilhelm Weber,圖:?Hanser)

    在LED電路板上的首次成功應用

    用高能VUV輻射(真空紫外)進行表面處理的優勢在一些測試序列中得到了展示。作為實例之一,設有98個LED的LED電路板(標題圖)由含有組合密封件的光學元件包覆成型(圖3),一半被覆蓋并用紫外光照射。經過處理之后,將標準灰塵(此處由0.3mm長的聚酰胺纖維組成)灑在表面。然后,晃動部件并用壓縮空氣將纖維吹走。結果,灰塵粘附在未處理的表面并且無法清除,而處理過的表面沒有灰塵(圖4)。從板上掉落的灰塵數量也表明了實際有多少灰塵粘附在表面。此外,表面觸感也得到了改善。

    圖3 用于生產改性測試板的模具 ? Wilhelm Weber

    圖4 樣品板已處理(左)和未處理(右)區域去除灰塵后的細節比較 ?Fraunhofer IFAM

    除此之外,平均強度、標準偏差以及可能的色偏等光學參數都經過了評估。從中可以看出,已處理區域(32.8x2.9 AE)和未處理區域(31.9x2.0 AE)的強度相同。而且,記錄的強度圖形和測試板的直接圖像在光線分布、輻射角度和光譜分布方面并未表現出任何差異。

    VUV處理的其他優勢

    最新生成的LSR玻璃狀表面對灰塵的敏感性降低。此外,在后續工藝步驟中也可進行包覆成型或粘合。VUV處理的其他優勢包括:

    ◆長期測試周期(>18個月)表明,改性長期穩定;

    ◆改性能夠抵抗氣候變化、耐高溫、浸泡在水中、耐化學品等;

    ◆可通過傳統方法粘合到基材上(例如:環氧樹脂、聚氨酯樹脂和膠帶),整體表面能顯著增強;

    ◆可通過剛處理的LSR與玻璃自由粘接;

    ◆玻璃狀表面具有絲綢般的舒適觸感;

    ◆處理過的表面具有很高的生物相容性。

    表面改性還提升了表面硬度。納米硬度和彈性模量用納米壓痕儀進行測量。硬度根據測量端的穿透度進行測量。結果表明,靠近表面的層的硬度和剛度得到了顯著提升。在接觸深度>20mm時,該值將增加100倍以上,這也是目前已公布的最高值。

    展望:尋求合作伙伴

    近期, 該工藝窗口經過了精確評估。同時,還通過計算機仿真模擬了特定部件的完美工藝參數和輻射分布。該工藝已為正式運行做好了充分準備,而Weber也正在尋找可從這些優勢中受益的實踐項目和應用合作伙伴。

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