水溶性LED光拡散コーティングの主原料をどう選ぶか？

ガラス管LEDランプは、光拡散コーティングの均一性、透過率、ヘイズ、安全性、密着性、安定性、無公害性、価格グリッドに高い要求がある。これらの要求を満たすために、樹脂と光拡散剤の選択と製造工程を研究する必要がある。水性LED光拡散コーティングの応用は、低有機揮発性物質（VOC）の放出による環境汚染を回避し、安全で便利に使用でき、直管ガラスLEDランプの大規模な開発の推進下で急速に発展している。

水溶性フィルム形成樹脂 1種

無害な水性光拡散コーティング技術の鍵は、装置の技術的要求を満たすフィルム樹脂である。現在、LED光拡散コーティングとして使用できる皮膜形成樹脂は、水性アルキド樹脂、水性アクリル樹脂、水性ポリウレタン樹脂などである。これら3種類の樹脂は、ある種の樹脂を単独で使用した場合の性能の不具合を避けるため、一定の割合に従って単独または組み合わせて使用することができる。これら3種類の水溶性皮膜形成樹脂の性能の違いを以下に示す。

1.1 水性アルキド 樹脂-最初に開発されたフィルム形成剤

水性アルキド樹脂は早くから開発された水性塗料で、その皮膜形成機構は従来の溶剤型アルキド樹脂と似ており、共溶剤（皮膜形成剤）を添加することなく、不飽和脂肪酸の酸化架橋によって硬化し、揮発性有機化合物を含まない。また、水性アルキド樹脂は、濡れ性がよく、耐力が強く、浸透性、レベリング性、膨潤性がよく、塗工が容易で、塗工効果がよい。しかし、ポリマー鎖が加水分解されやすく、塗膜の耐久性に劣る。点火時間が長すぎると、わずかに変色する。しかし、樹脂を自己乳化した後、アクリル酸やポリウレタンで変性すると、耐久性が向上し、光拡散層に使用できる。

1.2 現在最も理想的なフィルム形成剤である水性ポリアクリル樹脂

水性アクリル樹脂には、アクリル樹脂エマルジョン、アクリル樹脂水分散液、アクリル樹脂水溶液がある。水拡散塗料として使用される水性ポリアクリル樹脂はエマルジョンの一つであり、モノマー組成により、通常、純粋アクリルエマルジョン、スチレン-アクリルエマルジョン、アセテート-アクリルエマルジョン、シリコーン-アクリルエマルジョン、第三酢酸（tert-炭酸ビニル-酢酸ビニル）エマルジョン、tert-アクリル（tert-炭酸ビニル-アクリル酸）エマルジョン、フルオロカーボンエマルジョン、フルオロアクリルエマルジョンなどに分けられる。アクリル樹脂エマルジョンは、乾燥速度が速い、硬度が高い、コストが安い、耐候性が良い（発火点で変色しにくい）という長所があり、LED光拡散コーティングに使用する場合、造膜性が悪い、光沢が低い、耐溶剤性が低い、熱接着性が高い、低温脆いという短所を避けることができる。水性ポリアクリル樹脂は、総合的な性能と性能対価格比の点で、光拡散コーティングに最も理想的な皮膜形成剤である。

1.3 水溶性ポリウレタン樹脂-高級コーティングの第一選択

水性ポリウレタン塗料は、水性ポリウレタン樹脂と水を媒体としており、低毒性、燃えにくい、環境を汚染しない、省エネ、安全などの利点がある。コーティングは硬度が高く、接着力が強く、柔軟性に優れている。一液型ポリウレタンコーティングポリマーは相対する成分が多く、皮膜形成過程で架橋反応がないため、使い勝手がよい。二液型水性ポリウレタン塗料は使用前に混合する必要があり、皮膜形成過程で架橋反応が起こり、皮膜性能は良くなる。しかし、この樹脂のほとんどは外国産で、コストが高く、性能対価格比は理想的ではなく、一部の高級製品にしか使われていない。

2.光拡散剤の比較分析

2.1 光拡散コーティングの技術的パラメーター

(1) 光線透過率-光拡散層ランプを通過する光束と光拡散コートガラス管を通過する光束の比を百分率で表す。しかし、製造過程で直管ランプの上下の厚さに差が生じるという問題がある。現在、多くのメーカーは、ガラス管に光拡散層をコーティングする前後の光束を、積分球で同じ条件で測定して比較しています。

2) 煙霧-ガラス管を通過する散乱光束（入射光方向からずれる）の透過光束に対する割合を百分率で表す（この方法では、2.5°以上入射光方向からずれる散乱光束を用いてヘイズを計算する）。

(3)抗老化時間-使用温度における特定の燃焼点でのコーティングによる光減衰率。一般的には1,000時間や10,000時間の光減衰率で表される。
光透過率とヘイズは、LEDランプの透明度を測る重要な指標です。光拡散器の課題は、高い光透過率と均一でソフトな照明効果を確保しながら、高いヘイズを得ることである。光拡散の効果を効率的に発揮させる過程で、光拡散による光の減衰をできるだけ少なくすることが、光拡散器の優秀さの重要な基準である。

2.2 無機光拡散板。

無機光拡散剤として使用できる材料は、炭酸カルシウム、タルカムパウダー、酸化亜鉛、二酸化チタン、酸化ケイ素など多くの種類があります。光拡散剤は、塗膜のヘイズを高め、レオロジーエネルギーを調整し、機械的強度を向上させ、塗膜の耐久性を向上させることができる。

2.2.1 炭酸カルシウム（CaCO3）。

炭酸カルシウムには重質炭酸カルシウムと軽質炭酸カルシウムがある。軽質炭酸カルシウムを懸濁液の原料として使用する場合は、その量に注意する必要がある。水中での遊離酸化カルシウムからのCa2+の解離は、懸濁液の貯蔵安定性に影響するため、軽質炭酸カルシウム中の遊離酸化カルシウムの含有量は、光拡散コーティング剤を調製するための重要な指標である。白色粉末と方解石粉末を含む重質炭酸カルシウムは、高純度の方解石粉末から作られる。重質炭酸カルシウムは比較的緻密で沈殿しやすいため、懸濁液として使用する場合は沈殿防止に注意する必要がある。

2.2.2 タルク（3MgO -4SiO2 -H2O）。

タルクパウダーの化学組成はケイ酸マグネシウム水和物であり、フィルムの柔軟性を向上させるだけでなく、硬化時の内部応力を除去し、良好なレベリング性を有する。

2.2.3 酸化亜鉛（ZnO）。

酸化亜鉛は亜鉛白とも呼ばれ、防カビ、美白効果があり、フィルムの耐光性と粉砕性を向上させることができる。その中でも、Zn2+は一部の塗膜を増粘、凝固させることがあり、単独では使用せず、対応する塗膜との配合量や相性に注意し、配合の熱安定性試験を行う必要がある。

2.2.4 酸化チタン（TiO2）。

二酸化チタン（二酸化チタン）は、ルチル型、アナターゼ型、板状チタン型の3つの異なる結晶状態に分けられます。ルチル型酸化チタンは、反射率が高く、隠蔽力が強く、屈折率が高く、耐光性、耐熱性、耐久性に優れ、黄変、粉砕、劣化しにくい。アナターゼ型は光で粉砕されやすいので光拡散板には適さず、板状チタン型は不安定で応用価値がない。

2.2.5 二酸化ケイ素（SiO2）。

天然シリカは中性白色粉末で、化学的性質は二酸化ケイ素と一致し、安定性が高いが、物理的状態に大きな違いがある。粉末の中には粒子が大きく、色が不純で、光の吸収があるため、直接光拡散板として使用する場合、光効率が低いものがあります。天然シリカは天然非晶質シリカ、天然結晶質シリカ、天然珪藻土の3種類に分けられます。その中で、天然非晶質シリカの粒径は40μm以下のものが多く、最適な適用範囲を逸脱しており、理想的な光拡散材とは言えません。天然珪藻土は結晶水を含むシリカで、粒径は4～12μmである。製造方法の違いによって吸光度が異なり、品質の変動が大きく、管理が難しい。天然結晶シリカの粒子径は1.5~9.0μmが適当です。精製後の製品を選択することができ、フィルムの機械的エネルギーを向上させることができる。

2.3 有機光拡散板の応用。

有機光拡散板は透明または半透明の有機樹脂粒子で、最も一般的に使用されているものには、ポリメチルメタクリレート（PMMA）、ポリスチレン、シリコーン樹脂、アクリル樹脂などのミクロン粒子がある。LEDから放射される光のほとんどはこの粒子を通過することができ、無機光拡散板とは2つの点で異なる。

主な結果は以下の通りである：(1)有機光拡散板と基板との間に屈折率の差があり、多重反射による拡散効果ではなく、光が何度も屈折して優れたヘイズが得られる。このようにして、光透過率が良好で、光損失が少なく、多重反射による光の自己吸収が回避されるため、光効率が向上し、光の平準化の問題が解決される。

(2)有機樹脂粒子は強い摩擦電析性を有し、乾式混合時に他の光拡散剤中に速やかに分散し、他の粉体粒子表面に均一に付着することができる。この整然とした混合は、粉体の混合特性、流動性、成形性を向上させる。この粒状樹脂は、無機粉体と比較して、皮膜形成剤としての有機樹脂との相溶性に優れ、水系樹脂への分散が容易である。

現在の応用効果としては、屈折率1.41〜1.43のシリコーン樹脂微粒子は光透過性に優れ、ヘイズが高い。シリコーン樹脂微粒子は、無機微粒子に比べて比重が小さく、耐熱性に優れ、光線透過率や安定性が他の有機材料に比べて高く、添加量も少ない。アクリル樹脂光拡散板に比べ、耐熱性、耐高温性に優れ、添加量が少なく、性能対価格比が高い。PMMAに比べ、高温に強く、変色しない。理想的な質量分率試験において、シリコーン樹脂粒子の有効光拡散係数は76.7%に達することができ、これは既知の有機光拡散剤の中で最高である。

3 ナノ粒子材料。

光拡散板は、細かすぎるとヘイズが悪くなり、粗すぎると光透過率が悪くなる。光線透過率とヘイズを総合的に考えると、光拡散板の最適な粒径範囲は2～20μmである。

3.1 コーティングにおけるナノ粒子材料の物理化学的分析。

粒子がナノメートルスケールになると、表面活性中心が増加し、化学触媒と光触媒の反応能力を高め、紫外線と酸素の作用下でコーティングにセルフクリーニング能力を与える。また、表面活性中心と皮膜形成材料の官能基との間に二次化学結合が生じ、皮膜の剛性と強度が大幅に向上し、傷がつきにくくなる。ナノ材料の表面エネルギーは非常に高く、改質後は疎水性と撥油性を同時に得ることができる。光拡散コーティングに使用すると、コーティングの耐汚染性と耐老化性を大幅に向上させることができる。ナノ粒子材料を光拡散コーティングに使用すると、コーティングと基材ガラスとの間の接着性を高め、機械的強度を向上させることができ、ナノ粒子とコーティングとの間の強い力と充填効果により、コーティングとガラスとの界面結合に役立つ。
可視光の波長（400～750nm）はナノ粒子の粒径よりもはるかに大きく、粒子を直接透過することができるため、ナノコンポジット・コーティングの高い透明性が保証される。

3.2ナノメートルのシリカ。

人工沈殿シリカは白色のアモルファス粉末で、平均粒径は20～110nmで、ナノメートルスケールに属する。水系ではポリマー表面に付着し、粒子表面には少量の負電荷があるため、相互に排他的で凝集しにくく、系の安定性が向上する。ナノメータシリカを添加した後のコーティングは、剥離しにくく、流れ垂れ防止が可能で、老化防止や熱安定性がある。ただし、系のpH値が8.5より低い場合、ナノシリカ分散液の表面電荷が低下し、系の安定性も低下するため、ナノシリカ分散液は他の成分を添加する前に樹脂エマルションと混合する必要がある。

3.3ナノメートルの二酸化チタン。

ナノ酸化チタンは優れたナノコーティング材料であり、自己洗浄と抗菌を同時に行うことができる。ナノ酸化チタン粉末をコーティングに使用することで、殺菌機能を持たせることができる。光の照射により、二酸化チタンの表面は素晴らしいスーパー両親媒性（親水性と親油性の二相共存）を形成することができる。波長が400nm以下の光の下では、粒子はその禁制帯幅以上の短波長光を吸収し、電子遷移を生じ、価電子帯電子は伝導帯に励起され、電子-正孔対を形成し、周囲の媒体にエネルギーを伝達し、光化学反応を誘発するため、光触媒性能を有する。
二酸化チタンやその他のナノ粒子を光拡散コーティングに添加することで、耐老化性を向上させるだけでなく、コーティングの硬度と密着性を大幅に向上させることができる。

4 結語

現在、水系光拡散コーティング技術は直管型LEDランプメーカーの焦点となっている。主な配合原料を分析研究し、環境にやさしいLED光拡散コーティングの研究開発と応用を促進することを望んでいる。