CN1020024C - 光散射涂层，形成该涂层的方法以及有该涂层的灯 - Google Patents

Abstract

光散射效果极好的光散射涂层、构成该涂层的方法及带有该涂层的卤灯。该涂层包含气泡于基面上的金属氧化物涂层内。构成方法是：将有机金属化合物与高沸点有机溶剂的组合物涂敷于基面，然后在烘烤中使有机金属化合物分解形成金属氧化物涂层，而溶剂蒸发形成的气泡包入此涂层。卤灯的多孔光散射涂层形成在使可见光通过但反射红外光的另一涂层上，在高温下，因外壳和光散射层的材料间热膨胀系数差别而引起的应力可因多孔结构被吸收，防止了涂层剥落。

Description

本发明介绍一种光散射涂层，这种涂层在灯（例如卤灯、高压放电灯）、滤光器、窗玻璃等的基面上形成，具有散射特性。本发明还介绍形成这种涂层的方法，这种方法有可能制造出效率更高，照明均匀的灯。

为了使光照均匀地分布在整个受照表面上，卤灯（例如用于复印机的卤灯）有几根通过导体串联连接的灯丝，其整个组件封入由硅玻璃制成的直管型外壳中，使其沿该管子的轴平放。然而，由于在这种卤灯发射的光线中，包含大量的红外射线，所以，对于正在复制的物品存在着被热损坏的危险。因此，灯的表面一般要经过打毛处理，以提供一个散射表面。但是该方法有耗费劳力的缺点。此外，采用静电涂敷和腐蚀法将细颗粒的散射粉（例如二氧化硅）涂在灯的外部而形成光散射涂层的方法也是值得考虑的。这些类型的涂层一般不耐机械应力，容易损坏，在某些情况下，长期使用后，光散射的效果会下降。根据所用的细颗粒光散射粉的不同，会发生涂层对石英玻璃亲和力差，并且容易剥落的情况。

针对这些问题，申请者以前就发展了一项技术，即在透明外壳的外表面形成可使可见光通过，但反射红外光的涂层。并在此反射红外线涂层的顶部构成光散射涂层，通过反射红外线涂层的可见光被光散射涂层所分散而使光照在受照表面均匀地分布。该技术已在日本专利申请号昭58-95001（95001/1983）中提出。，然而，此技术用于灯（例如卤灯）时，由于灯的外壳温度非常高，对于某些光散射涂层来说，因长期反复开关会使光散射层有剥落的危险。这意味着有必要选择一种无论在温度升高或降低的情况下都稳定，而且机械强度高的光散射涂层。

本发明的一个目的是提供一种光散射涂层和制造该涂层的方法，该涂层易于大规模生产，机械强度高而且耐用，可以涂敷于各种灯的基面的外侧或内侧等，而与所用的材料无关。而且，该涂层能起极好的散射作用。

本发明的另一个目的是通过对申请号昭58-95001中提出的光散射涂层所作的限定不破坏该申请的生效，而目标在于生产一种甚至在长期反复开关后也不会有光散射涂层剥落危险的灯。

本发明还有一个目的是提供一种有光散射涂层的灯。

本发明的其它目的、优点和特点对于精通该技术的人来说，通过分析下面的介绍及附图将会一清二楚，附图中：

图1示出了本发明的一个实施方案的卤灯的截面图。

图2示出了图1中标为Ⅱ的部分的放大图解截面图;

图3示出了图2中光散射涂层部分3的外表面的电子显微图;

图4示出了在形成光散射涂层的方法中，该涂层在烘烤前的图解截面图;

图5示出了多层光散射涂层的图解截面图;以及

图6为表示在该实施例中光散射涂层效果的图。

本发明的第一部分是光散射涂层，该涂层通过将气泡包入在基面上形成的连续涂层内而产生光的散射。

本发明的第二部分是形成该光散射涂层的方法：将有机金属化合物和高沸点有机溶剂的混合物涂于基面，然后在烘烤过程中分解该有机金属化合物而形成该金属氧化物的涂层，与此同时，将由于高沸点溶剂蒸发而形成的气泡包入该金属氧化物内，即形成光散射涂层。

本发明的第三部分是有多孔光散射涂层的卤灯，该多孔涂层是在外壳表面的涂层上形成的，此涂层可使可见光通过，但反射红外光，这样，当外壳处于高温时，由于外壳结构材料与光散射结构材料之间的热膨胀系数的差别而产生的应力可因该多孔结构而得到吸收，并防止了涂层的剥落。

以下，参考图（即图1-图6）中的实施例详细说明本发明。为便于解释起见，全部图中采用相同的参考数字和符号来表示类似的或相同的元件。

参看图1，图1示出一种用于复印机的卤灯，它是根据本发明第三部分的方法制造的灯的实例。这种卤灯有允许可见光通过，但反射红外线的涂层2，该涂层在由透明、耐热玻璃（如石英玻璃）制成的直管型外壳1上形成。多孔光散射涂层3在反射涂层2的顶部形成。加压密封的封口部分4、4在外壳1的两端构成，钼箔导体5、5嵌入每个封口部分4、4内。每片钼箔5、5的一端与在外壳1内被拉紧的内导线6、6连接，在内导线6、6之间，几条灯丝7、7…在沿着中心线的适当位置上通过由低电阻导体8、8…构成的不发光部分而串联连接。连联连接的灯丝7、7…和低电阻导体8、8…靠簧片9、9…固定在外壳1中心线的适当位置上。钼箔导体5、5的另一端与灯帽10、10连接，灯帽10、10通过外部导体（图中未示）附于外壳1的两端。所需要的卤与惰性气体，例如氩，一起封入外壳1的内部。

参看图2，图2为图1中Ⅱ部分的放大图，图中详细地示出了上述红外反射涂层典型地具有多层涂层，该涂层由交替的氧化钛TiO₂等制成的高折射率层2a（向左倾斜的影线），以及硅石，SiO₂等制成的低折射率层2b（向右倾斜的影线）所组成。由于光的干涉效应，此涂层允许可见光容易地通过，但完全反射红外光。图中的2a层和2b层是放大了的，其适当的厚度为0.2-0.3μM（微米）。

各种类型的上述光散射涂层3都值得考虑，但图中所表示的是典型的实例。如图2以及图3电子显微图清楚地示出，在光散射涂层3的连续涂层31内，有许多气泡32、32…，以及许多圆形小坑33、33…，这些坑是气泡的变形，是在涂层31的表面形成的。透过的光被这些气泡32和坑33所分散，并用肉眼可看到光散射涂层3上出现暗影，所构成的光散射涂层3的厚度为3000-8000

，或0.3-0.8μm。适用的金属氧化物的例子有氧化钛TiO₂，硅石SiO₂，氧化铝Al₂O₃，氧化锆ZrO₂，氧化锌ZnO，氧化钽Ta₂O₅，氧化锡SnO₂和氧化铟In₂O₃。

虽然卤灯的灯丝7、7是隔开地排列的，但由于其光线是被光散射涂层3分散后才发射的，所以在受照表面上没有不规则照射的现象。此外，即使制成光散射层3和反射涂层2的氧化钛与构成外壳1的石英玻璃之间的热膨胀系数有很大差别，但由于反射涂层2和光散射涂层3合在一起非常薄，而且在上部的光散射涂层3的材料31内有气泡32和小坑33，因此，由热膨胀系数的差别而引起的机械变形可以减轻。同时，即使经过长期的反复开关，光散射涂层3也不会剥落。而且，因为光散射涂层3非常薄，其光损失的程度不超过3-4%，这是很优良的性能。此外，因为光散射涂层3的材料是连续的，机械强度高，所以没有损坏的危险，而且经过长期使用后，光散射特性也没有改变。

以下概述制造上述卤灯的方法。首先，用常规方法制成内部封入灯丝7、7…的直管型卤灯，接 着，把以四异丙基钛酸酯为主要成分的有机钛氧化物溶于以乙酸酯为主要成分的有机溶剂中，以制备钛溶液。该溶液含有2-10%的钛（按重量计），并将其粘度调节到大约1.0厘泊，然后将上述封闭好的卤灯浸入该钛溶液中，以大约30厘米/分的速度取出，干燥并烘烤，在外壳1的外表面上即形成了含有氧化钛的第一层高折射率层2a-1。

同时，还将以硅酸乙酯为主要组分的有机硅氧化物溶于以乙酸酯为主要组成的有机溶剂中，以制备氧化硅溶液。该溶液含有2-10%的硅（按重量计），并调节其粘度到大约1.0厘泊，再将上述含有第一层高折射率层2a-1的卤灯浸入此硅溶液中，以大约35厘米/分的速度取出，干燥并烘烤，即形成第一层低折射率层2b-1。再进一步按此同样的方法交替地形成高折射率层2a-2…和低折射率层2b-2…，一直至总层数约为10层为止，即构成了反射红外线的涂层。

然后将5-10%的高沸点有机溶剂，如酞酸＝-2-乙基乙酯或酞酸二辛酯（以下缩写为DOP）加入上述例子中的有机钛化合物溶于低沸点有机溶剂的溶液中，并再将低沸点溶剂加入上述溶液中，使其浓度降低到合适的程度。接着将上述带有反射红外线涂层2的卤灯浸入该溶液中，以30-50厘米/分的速度取出。上述的DOP是无色油状液体，在231℃和5毫米汞柱下沸腾，并与低沸点有机溶剂在一定范围内互溶。在干燥过程中，只有低沸点的溶剂蒸发。如由图4可看到的，干燥后，凝胶状涂层34由于布满了分散的DOP微滴而使它变暗。

将带有凝胶状涂层的卤灯在大约600℃下在空气中烘烤约5分钟，烘烤时，分散在整个凝胶状涂层34中的DOP微滴的蒸发与有机钛化合物的分解几乎同时发生，因此，DOP微滴几乎在同一位置蒸发、膨胀并变成气泡32，这些气泡32中的DOP蒸汽逐渐被空气所取代。靠近凝胶状涂层表面的DOP微滴由于膨胀而破裂，与外界空气连通而变成小坑33。最后形成在连续的氧化钛涂层内含有气泡32和小坑33的光散射涂层3，如图3所示。由此形成过程来看，很清楚，本发明中的气泡32和小坑33基本上是同样的东西。用该方法除了看来改进了有机钛化合物涂层的形成过程外，DOP在凝胶状的涂层34内形成微滴并生长成气泡32。因此，虽然凝胶状涂层34非常薄，还是能够形成气泡。同时，DOP的沸点很高，接近于有机钛化合物2的分解温度，因此，甚至在有机钛化合物开始热分解时，气泡32内仍保持足够的蒸汽压。这样就防止了在有机钛化合物分解和固化之前气泡32被压破，或使小坑33变平坦，从而使涂层34硬化时仍包含形状保持完好的气泡32和小坑33。如果DOP加入量太少，气泡32和小坑33就太少，光散射的效果会降低。相反，如果加入的DOP太多，会形成大量大小不规则的气泡32和小坑33，出现散射的局部不规则性，以及大量肉眼可见的小坑。

如果调节涂层材料的粘度，将涂层34做得更厚，则可产生大量的气泡和小坑，但在另一方面，小坑33变得更浅，而且光分散程度变差。与此相反，如果涂层34做得太薄，那么，由于气泡32和小坑仍然很小，就有可能做成一种含有几层这种薄的光散射涂层的涂层。根据实验，当用电子显微镜观察由几层薄的光散射涂层31构成的厚度为0.5-1微米的光散射涂层时，可看到每平方毫米有20，000-60，000个气泡32和小坑33，尽管该涂层很薄，但光散射效果极好，而且反射红外线的涂层2没有机械或光学上的困难。

上述高沸点有机溶剂不限于DOP，而可以是任何具有类似物理性质，在烘烤时不产生分解残渣的有机溶剂。

采用上述同样的方法，将不同比例的各种高沸点有机溶剂加入有机钛化合物中来制备光散射涂层，并研究了该涂层的光散射效果。其结果如表1所示。

表1

溶剂    沸点    浓度5%    浓度10%    浓度20%

DBP    339℃    散射好    散射好    散射好

231℃

DOP    散射好    散射好    散射好

（5毫米汞柱）

DAP    175℃    透光    散射差    散射差

表中DBP，DOP和DAP分别为酞酸二丁酯，酞酸二辛酯和酞酸二烯丙酯的缩写。

由表1可以看出，用有机钛化合物构成光散射涂层3时，应加入5-20%的DBP或DOP。此外，如果对低的光散射作用已感到满意，则可采用10-20%的DAP。

采用上述同样的方法，将各种比例的不同高沸点有机溶剂加入有机硅化物中来制备光散射涂层，并研究了该涂层的光散射效果。其结果如表2所示。

表2

溶剂    浓度5%    浓度10%    浓度20%

DBP    散射好    散射好    散射好

DOP    散射好    散射好    散射好

DAP    透光    散射差    散射差

由表2可看出，用有机硅化物形成光散射涂层时，应加入5-20%的DBP或DOP。如果在同样的条件下形成涂层，那么氧化钛光散射涂层产生的光散射效果比硅化物散射涂层好。这可认为归因于它们的折射率的差别。

此外，在同一基面上涂敷几层约为0.1微米的薄的光散射涂层可增加光散射涂层分散光的效果。如果按此方法做，则第一层薄的光散射涂层是采用上述方法在基面上形成，第二层以及以后的几层薄的光散射涂层是在顶部形成。这样，如图5所示，在较下面的涂层31A，31B形成时所产生的小坑33A，33B被较上面的涂层盖住，但气泡32A，32B却保持原状。这种结果使得该涂层好象是有大量气泡的厚光散射涂层，并产生极好的散射效果。

当光散射涂层由几层构成时，可采用反复一层层地涂敷和烘烤的方法或采用涂敷几层后一起烘烤的方法。

在上述实施例中的烘烤和硬化过程后，将连续涂层31在空气中，1000℃下烘烤10分钟，使其生成0.001-10微米的微晶，可进一步改进光散射的效果。如果这样处理光散射涂层，则先形成的反射红外线涂层中的钛层也会结晶，但这是可容许的。

此外，用其他金属的有机化合物，按上述同样的方法，可形成不同金属氧化物的光散射涂层。结合先有的将其金属化合物颗粒分散在该光散射涂层材料31中的技术，也可增强该光散射涂层3的光散射效果。

将具有特殊性能的金属化合物加入这些光散射涂层材料中也可使该层产生特殊的性能。例如，加入具有良好导热性能的粉末，如金属粉和氧化铝粉，则涂层的热幅射增加。同样，如果加入有色的粉末，如钴兰，则形成使发射的光带有颜色的有色光散射涂层。在上述这些情况下，所加入的添加剂可以有或没有光散射作用，但如果需要有光散射作用时，添加剂的颗粒大小可能应为0.001微米或更大些。

以下将解释图1和图2所示的实施例中卤灯的操作过程。当电通过灯帽10、10时，灯丝7、7…发光，在灯丝7、7…发出的光中，红外线被反射红外线的涂层2所反射，大部分回到灯丝7、7…而使灯丝加热，并有助于改进其发光效率。透过反射红外线涂层2的可见光被光散射涂层3分散并以散射光的形式发出。结果，采用这种灯时，光在受照表面分布得更均匀，而且，即使与反射器共用，也不会出现灯丝7的光学影象。

因为在卤灯的光散射涂层3中有许多气泡32和小坑（即变形的气泡）33存在，如果灯的外壳加热至高温，那么，由于外管和光散射涂层的氧化钛之间的热膨胀系数的差别而引起的应力可被这些气泡32和小坑33所吸收。所以光散射涂层耐剥落，甚至经长期反复开关也不会剥落。此外，本实施例中的光散射涂层非常薄，为0.5-1微米，这有助于减少变形，也是不发生剥落现象的另一原因。

在150伏、250瓦下测定上述实施例中光散射涂层3形成之前和之后沿复印机灯轴的光分布，并作了比较。其结果如图6所示。图6中，取灯的中心为X轴上的O点，并以毫米来测量沿X方向的距离。Y轴为照度的相对值，以直管形卤灯中心的照明度为100。曲线A（实线）表示涂层3形成后灯的光分布，曲线B（虚线）表示涂层3形成之前的灯的光分布。由此图可看出，由于涂层3的形成，光的分布更均匀了。

同样也比较了涂层形成前后的灯的亮度（总的光强度）。形成涂层后，亮度的降低不超过2-3%，这种低的光损失是这种光散射涂层3的特性。

本发明也可用于采用T形管类型外壳或G形管类型外壳的卤灯。在T形类型外壳中，灯丝应几乎是同轴地排列，而在G形类型外壳中，灯丝应排列在接近圆形部分的中心。此外，本发明也可用于按上述方法在闭合和不闭合的两种透明外壳的外表面，形成允许可见光通过但反射红外线的分层涂层以及多孔光散射涂层。并且，也可能生产中心部分既没有反射红外线的涂层也没有光散射涂层的 普通管型卤灯。

本发明也可用于汽车上的卤灯，其方法是在T形管类型外玻璃壳的外表面形成几层反射红外线涂层和光散射涂层，并在该外壳的中心放置一灯丝。

因为即使与反射器结合使用也没有在受照表面上形成灯丝的光学影象，所以该灯不会产生不规则照明的现象。

本发明也可用于普通的灯，其外壳可以是球形的或梨形的，而灯丝应安装在球形或半球形部分的中心。此外，本发明也可用于以下情况：在不闭合的内管外表面上形成几层反射红外线的涂层和光散射涂层，接着将灯丝装入内管的中心，然后将此组合件封入圆柱形外管。在这种情况下，内管与外管是相互接触的。

在上述实施例中，光散射涂层3是在外管的外表面形成的，但本发明并不限于这种应用方式。该涂层可在任何表面上形成，如卤灯的内表面，在采用软玻璃（如钠钙玻璃）或硬玻璃（如硼硅玻璃）的普通灯和红外灯等的内表面或外表面上形成，在高压放电灯的外壳的内表面或外表面上或在平板玻璃（如滤光器或窗玻璃）上形成。这里，对涂层在其上面形成的表面赋以属名“基面”。

因为本发明中的光散射涂层是靠包含在连续涂层内的气泡而产生光散射作用的，该连续涂层由在基面上形成的金属氧化物组成，所以，尽管此光散射层非常薄，但光散射效果非常好，并减少了因基面的热膨胀系数差别而产生的机械变形，而且能耐受长期的反复加热和冷却的冲击，因而机械性能好，经长期使用后光散射效果不降低，而且光损失非常小。

本发明中形成光散射涂层的方法是将有机金属化合物与高沸点溶剂混合一起涂于基面上，然后烘烤，使有机金属化合物分解而形成金属氧化物涂层。因此，涂敷后，高沸点有机溶剂形成遍布整个涂层的小微滴，这些微滴在原位置蒸发而形成气泡。该方法可很简单地形成非常薄但又具有优良光散射性能的光散射涂层。

此外，因为本发明包括在卤灯透明外壳的外表面上形成允许可见光通过，但反射红外光的涂层，以及在此反射涂层的顶部形成多孔光散射涂层，所以红外幅射很小，效率高，光在受照表面上的分布均匀，而且即使在与反射器共用的情况下也不会有出现灯丝光学影象的危险。而且，本发明还有一个优点是，即使外壳在高温加热的情况下经长期反复开关也没有不可忽视的剥落危险。

Claims (7)

1、一种光散射涂层，包括：由在基面上形成的金属氧化物所组成的连续涂层，

且在该涂层内包含有气泡，其特征在于：气泡是由涂层中的酯溶剂蒸发而形成的。

2、一种根据权利要求1的光散射涂层，其中所说的气泡中的一部分是在该涂层的表面上开口的。

3、一种形成光散射涂层的方法，其特征在于包括：

将有机金属化合物和包含酯的有机溶剂涂在基面上;以及

在一定的温度下加热和烘烤上述有机金属化合物形成金属氧化物涂层，借此使由于上述包含酯的有机溶剂的蒸发而形成的气泡留在该金属氧化物涂层内。

4、一种灯，包括透明玻壳和密封在所述玻壳内的灯丝，

其特征在于：在所说的玻壳的表面上形成的可透气光散射涂层，其中，上述可透气光散射涂层含有许多不连续的、由涂层中的酯蒸发而形成的含空气空隙。

5、一种卤灯，

包括透明的玻壳和安装在所述玻壳中心部分的灯丝，其特征在于：

在所说的玻壳的表面上形成的允许可见光通过但反射红外光的涂层;

在玻壳表面上形成的可透气光散射涂层，其中，上述可透气光散射涂层含有许多不连续的、由涂层中的酯蒸发而形成的含空气空隙。

6、一种根据权利要求4的灯，其特征在于：所述光散射作用依靠所述光散射涂层内的气泡而产生的。

7、一种根据权利要求5的卤灯，其特征在于：所述光散射作用是依靠所述光散涂层内的气泡而产生的。

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