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LSR(液态硅橡胶)在光学应用中具有巨大的潜力,VUV表面改性处理可解决灰尘污染难题

责任编辑:盈泰高精  发布日期:2021-07-28
文章导读

众多优势说明LSR(液态硅橡胶)在光学应用中具有巨大的潜力,但是,被污染后难以清洁的敏感的粘性表面是LSR部件的一大缺点。VUV表面改性处理可解决灰尘污染难题

众多优势说明lsr液态硅橡胶)在光学应用中具有巨大的潜力。除了光学质量外,还必须提及其高灵活性和可调节规格。此外,该材料化学稳定性高,对光照和自然紫外线辐射不敏感, 并且可在–60°C至+250°C的温度范围内使用。通过对LED电路板进行包覆成型,还可一步完成电子元件的密封和光学透镜的安装。但是,被污染后难以清洁的敏感的粘性表面是LSR部件的一大缺点。因此,LSR在生产过程中需要经过特殊处理才能确保稳定的工艺并避免产生残次品。这也为LSR部件和组件带来了非密封环境中的新应用。

图 测试板一半经过真空紫外(VUV)处理,一半被覆盖。之后,将标准的灰尘均匀地洒在板上,然后在直立状态进行敲击(一次)。灰尘附着在未处理的区域,处理过的区域的灰尘则掉落在地上 ?Wilhelm Weber

为了打破这些限制,Wilhelm Weber GmbH & Co. KG企业与弗劳恩霍夫生产技术和应用材料研究所(IFAM)共同启动了一项国家资助的ZIM项目(中小企业核心创新计划)。目标是开发并实施不含化学成分的表面改性(注册商标:OpSiLight)。Wilhelm Weber在近15年的时间里一直走在LSR光学应用领域的前沿。其最新的产品是近期用于Matrix矩阵式LED大灯的LSR Optics。

预计持续到2021年9月30日的研究项目对该工艺的总体原理以及折射角、反射系数潜在变化的最新结果和微裂纹的影响进行了研究,此外还对紫外处理的几何效应(例如翘曲)、已处理组件的长期行为以及回火工艺对该工艺的影响进行了后续研究,同时还对有关部件形状和工艺参数的潜力和局限性进行了讨论并提出了代表性样本。

表面改性带来了新的LSR应用

对于标准LSR部件而言,这种表面改性可以通过高能紫外光子来实现。但是,对于LSR光学部件而言,该处理方式对光学和几何特性的影响尚不明确。紫外光照射的效果是什么?为了达到预期效果,表面用最大200nm、通常185nm(图1)或172nm的光进行照射。光子具有足够的能量使表层硅分子中的键断裂。改性样本选用了直径为32mm的小型LSR透镜。为了验证改性对表面质量的影响,用一个具有腐蚀表面(VDI 24,1.60?m Ra)的模具和一个具有高抛光表面的模具生产了两个部件并进行了评估。由于成型效果较好,抛光后的模具制造出了完全透明的部件,而第一种模具则制造出了略微不透明的部件。通过对改性部件表面进行XPS分析(X射线光电子能谱),证明了分子结构中的氧浓度增加了一倍以上,而碳浓度则降低了10倍。结果表明,表层的大多数分子被改性。

图1 表面改性用185nm的低压汞灯进行照射 ?Fraunhofer IFAM

通过将周围大气中的氧自由基绑定到硅分子碎片上,玻璃状表面被生成。微米范围内的层厚均可通过所施加的辐射的剂量和波长来改变。整个过程可以在标准大气环境或减氧环境中进行而无需其他化学品的辅助,但是必须确保整个改性表面在辐射的可达范围内,因为该工艺通过辐射诱导。由于工艺窗口相当大,因此复杂的形状甚至是略有阴影的区域都可适用。光学质量不受影响最初的实验表明,标准测试中的聚酰胺纤维粉尘样本可以通过压缩空气轻松地从已处理样品上吹走,而未处理样品则可以清洁干净。此外,对透射和反射的详细测量并未发现已处理和未处理材料之间的任何差异。但是,表面可能出现的细小微裂纹可能是性能改变的原因。通过工艺参数的合理选择可以尽量减少甚至避免产生这些微裂纹。为了评估该工艺,对3mm厚的LSR透镜(型号:Silastic MS-1002;制造商:陶氏化学企业)进行了处理,辐射时间和表面都发生了改变。光谱透射图(图2)表明,波长大于450nm时,透射率完全不受影响,波长小于450nm时,透射率略有降低,但几乎不会影响任何应用。

图2 通过3mm厚的LSR透镜测量上述处理对光谱透射的影响。波长大于 450nm时,未产生任何影响;波长小于450 nm时,透射率略有降低,但大多数应用都不会受到影响(来源:Wilhelm Weber,图:?Hanser)

在LED电路板上的首次成功应用

用高能VUV辐射(真空紫外)进行表面处理的优势在一些测试序列中得到了展示。作为实例之一,设有98个LED的LED电路板(标题图)由含有组合密封件的光学元件包覆成型(图3),一半被覆盖并用紫外光照射。经过处理之后,将标准灰尘(此处由0.3mm长的聚酰胺纤维组成)洒在表面。然后,晃动部件并用压缩空气将纤维吹走。结果,灰尘粘附在未处理的表面并且无法清除,而处理过的表面没有灰尘(图4)。从板上掉落的灰尘数量也表明了实际有多少灰尘粘附在表面。此外,表面触感也得到了改善。

图3 用于生产改性测试板的模具 ? Wilhelm Weber

图4 样品板已处理(左)和未处理(右)区域去除灰尘后的细节比较 ?Fraunhofer IFAM

除此之外,平均强度、标准偏差以及可能的色偏等光学参数都经过了评估。从中可以看出,已处理区域(32.8x2.9 AE)和未处理区域(31.9x2.0 AE)的强度相同。而且,记录的强度图形和测试板的直接图像在光线分布、辐射角度和光谱分布方面并未表现出任何差异。

VUV处理的其他优势

最新生成的LSR玻璃状表面对灰尘的敏感性降低。此外,在后续工艺步骤中也可进行包覆成型或粘合。VUV处理的其他优势包括:

◆长期测试周期(>18个月)表明,改性长期稳定;

◆改性能够抵抗气候变化、耐高温、浸泡在水中、耐化学品等;

◆可通过传统方法粘合到基材上(例如:环氧树脂、聚氨酯树脂和胶带),整体表面能显著增强;

◆可通过刚处理的LSR与玻璃自由粘接;

◆玻璃状表面具有丝绸般的舒适触感;

◆处理过的表面具有很高的生物相容性。

表面改性还提升了表面硬度。纳米硬度和弹性模量用纳米压痕仪进行测量。硬度根据测量端的穿透度进行测量。结果表明,靠近表面的层的硬度和刚度得到了显著提升。在接触深度>20mm时,该值将增加100倍以上,这也是目前已公布的最高值。

展望:寻求合作伙伴

近期, 该工艺窗口经过了精确评估。同时,还通过计算机仿真模拟了特定部件的完美工艺参数和辐射分布。该工艺已为正式运行做好了充分准备,而Weber也正在寻找可从这些优势中受益的实践项目和应用合作伙伴。

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