CN102395830A - 用于聚合物封装的耐湿性涂层 - Google Patents

Abstract

提供了一种耐湿性外壳组合件，该外壳限定了一个内部空间以及包围所述内部空间的环境空间，该外壳至少部分地由聚合物材料以及覆盖一部分该聚合物材料的湿气阻挡层构成，该湿气阻挡层的透湿系数低于所述聚合物材料的透湿系数。

Description

用于聚合物封装的耐湿性涂层

发明背景

过多的湿气会在许多电子封装如发光组合件或电子控制单元之内造成损坏。例如，电气和电子装置会因为封装之内过多的湿气而损坏。受到不利的湿气影响的发光组合件的例子包括，例如，机动车前灯单元和其他户外发光组合件，其中，封装之内的灯的开/关循环导致湿气累积。如本文所用，术语“湿气”意在表示从环境气氛扩散或凝结的水，不论是液体形式或蒸汽形式。

封装之内湿气累积的问题在具有聚合物组件的封装中特别严重。例如，现代汽车前灯、刹车灯、运转灯、转向信号灯、雾灯、倒车灯和停车灯(统称为“灯”或“汽车灯”)通常具有一个或多个位于密封的聚合物外壳中的灯泡。对于灯的有效操作而言，防止水、污物、油等到达灯泡、反射表面、透镜或外壳是很关键的。但是，由于灯泡操作、环境变化、和汽车操作产生的热循环会导致湿气凝结在外壳或透镜的内部，并抑制来自灯的光输出。灯内的组件会因为这种凝结而损坏。在其他电子封装如电子控制单元中会出现类似的问题。湿气累积或凝结会促进腐蚀、短路等。

灯外壳以外的空气可能低于水蒸气饱和点，因此，定向流过外壳的环境空气能通过从外壳中除去水蒸气而消除灯外壳中的凝结现象。因此，一种已知的减轻机动车灯中的湿气相关问题的方式是使用通风孔，以通过提供越过或通过封装的较大的空气流而驱散湿气。这些通风孔系统试图通过采用一些增大通过灯外壳的空气流的方式，从而减轻凝结现象。但是，要提供足够的空气流来减轻湿气凝结现象是非常困难的，因为增大通风孔的开口尺寸会加剧污染之类的问题。许多通风孔系统试图通过在超过一个位置设置通风孔开口来增大空气流。通常这些开口必须设置在通过通风孔开口的空气流使得通过外壳的空气流增大的特定位置。这些通风孔系统的位置会对灯性能的其他方面产生负面影响。

另一种减少封装中的湿气的方式是在封装之内放置干燥剂或去湿剂。去湿剂可通过几种基本机理包括吸收、吸附、和反应来发挥作用。当物质(如水蒸气)渗透另一物质(吸收剂)的内部结构时发生吸收。当物质(如水蒸气)被吸引并保持在另一物质(吸附剂)的表面之上时发生吸附。当物质(如水蒸气)与去湿剂反应从而与水形成化学键时发生反应。如本文所用术语“去湿剂”或“干燥剂”，意在表示吸收、吸附来自空气的水蒸气或与来自空气的水蒸气反应从而能减少发光封装之内的空气中的湿气的任何材料。

许多去湿剂在被称为再生的过程中进行加热时，会脱附或释放出所吸附或吸收的湿气。这种去湿剂通常被称为再生性去湿剂。相反，非再生性去湿剂在进行加热时能保持所吸附、吸收或反应的湿气。

湿气透过电子封装的聚合物组件会明显促进这种封装中的凝结问题。例如，许多发光封装由两种聚合物组件构成。不透明部分可以是聚丙烯，占据总封装面积的较大比例。透镜组件可以由透明或基本透明的聚碳酸酯构成，具有较大的透湿系数。

发明概述

提供了一种耐湿性外壳组合件，所述外壳限定出内部空间以及包围所述内部空间的环境空间，所述外壳具有聚合物材料壳以及覆盖部分所述聚合物材料的湿气阻挡层，所述湿气阻挡层的透湿系数低于所述聚合物材料的透湿系数。

附图简要描述

图1是一种灯封装的截面图，该封装包含去湿剂以及安装在外壳外侧的粘合剂扩散管。

图2示出一种用于验证和评价湿气阻挡层的测试设备。

图3是示出使用几种不同的湿气阻挡层的去湿剂寿命的图。

发明详述

本发明涉及用于减少具有聚合物组件的电子封装中的湿气渗透的设备和方法。具体来说，提供了一种能减小聚合物组件如透镜或壳(case)的透湿性的层。可以将该层施加在聚合物灯组件的内侧或外侧。本发明可应用于，例如，户外照明，装饰性照明，机动车、卡车、摩托车和舟船灯，以及其他有凝结问题的汽车灯、照明用途、电子封装和其他封装中。

图1所示的发光组合件包括封装在外壳10中的光源5。该外壳可以由至少两个组件构成。第一组件可以是透镜部分，第二组件可以是壳。该外壳限定了内部空间11以及包围该内部空间的环境空间15。可以在外壳之内放置去湿剂22，以从内部空间吸收湿气。任选在外壳中设置扩散管65，从而为内部空间和环境空间之间的压力平衡提供途径。所示扩散管能最大程度地减少传输进入发光组合件中的湿气，但是可以通过通风孔或其他方式实现压力平衡。外壳包括透明透镜16。所述透镜包括覆盖该透镜的至少一个表面的湿气阻挡层19。湿气阻挡层可以是设置在透镜上的涂层或膜的形式。可以在壳20的表面施加湿气阻挡层(未显示)。

所述壳可包括反射性部分以及发光组合件的其他组件，如灯泡、金属丝等。所述壳可以按照本领域已知的方式模塑。用于壳的合适材料包括聚丙烯、ABS、以及滑石填充的或玻璃填充的尼龙或聚丙烯或ABS。

所述透镜可以由聚合物材料构成。通常透镜是基本透明或透明的，但是透镜材料可包含提供一定程度染色或颜色的添加剂。已知聚合物透镜由聚碳酸酯或PMMA构成。优选透镜由聚碳酸酯材料构成。其他透镜材料可以根据硬度、耐久性以及与预期使用的湿气阻挡材料的相容性进行选择。透镜可以是一种复合材料。在电子封装的情况中，透镜可以由PBT、PBT-GF30、PBT-MF30、铸铝、ABS、PP、EPDM、PPS、PEEK、LDPE、HDPE、PA、ASA、PEEK及其复合物构成。

在透镜上并任选地在壳上施加湿气阻挡层。本文中，湿气阻挡层是一种透湿系数低于其所施加的基材的透湿系数的层。因此，可以通过各种方法和材料构成湿气阻挡层，湿气阻挡层可采取多种不同形式。湿气阻挡层可以是涂层或膜的形式，可以是连续的或不连续的。为了提供充分的耐透湿性，连续涂层或基本连续的涂层可能是优选的。

材料的透湿性由Fick定律决定：

$\frac{Q}{A}=P\·\frac{(\mathrm{\Δ}\∂p)}{L}$

其中：

P＝透湿系数

Q/A＝透湿通量速率，单位是质量/面积/时间

L＝材料厚度

使用湿气通量(Q/A)的公布或实验的数据，可以计算透湿系数。优选湿气阻挡层的透湿系数低于基材的透湿系数。更优选湿气阻挡层的透湿系数至多是基材的透湿系数的1.5分之一。最优选湿气阻挡层的透湿系数至多是基材的透湿系数的二分之一。

用于湿气阻挡层的材料应当根据其透湿速率、应用方便性、与基材材料的相容性、以及可应用的光学透明性进行选择。湿气阻挡层可以由无机氧化物例如氧化铝或二氧化硅构成。可使用聚偏二氯乙烯、乙烯乙烯醇、和聚对苯二甲酸乙二酯的膜。还可使用包含FEP、PFA或PTFE的含氟聚合物层。本文中具体描述了包含Aclar

(霍尼韦尔(Honeywell))、Serfene^TM、帕利灵(Parylene)和氧化铝的湿气阻挡层。

湿气阻挡层可包括施加在基材外部或内部的膜。可使用各种方法包括粘合剂和熔接方法来粘合所述膜。还可以采用已知的沉积方法如等离子体沉积或蒸汽沉积方法来沉积湿气阻挡层。在其他应用中，或者与某些材料一起使用时，以液体形式(例如通过涂布或浸涂方法)向基材施加湿气阻挡材料，可能是有利的。然后使涂层固化或干燥，以形成湿气阻挡层。

在照明应用中，湿气阻挡层能有利地与发挥耐透湿性以外的作用的透镜涂层相容。例如，可以在透镜的外侧使用已知作为硬涂层的涂层，以增强耐刮擦性。硬涂层膜可由任何比聚碳酸酯透镜更硬的材料组成。还可以使用为透镜提供染色或颜色的其他涂层。湿气阻挡层涂层可以是多功能的；例如它们可以提供耐刮擦性或染色性质，以及降低基材的湿蒸汽的渗透速率。

湿气阻挡层可应用于其他封装中，例如电子封装。这种封装可以由PBT、PBT-GF30、PBT-MF30、铸铝、ABS、PP、EPDM、PPS、PEEK、LDPE、HDPE、PA、ASA、PEEK及其复合物构成。用于这种封装的湿气阻挡层可选自Aclar

Serfene^TM、帕利灵(Parylene)、无机氧化物如Al₂O₃或SiO₂、PVDC制成的膜、乙烯乙烯基醇或聚对苯二甲酸乙二酯以及金属化的膜或涂层。

电子封装可有利地结合去湿剂。去湿剂可以是非再生性的或再生性的。如本文所用，“非再生性”的去湿剂表示去湿剂在50℃和约11％相对湿度条件下干燥48小时之后的减量不会大于其7天湿气吸收增重的40％。如上文所讨论的，再生性的去湿剂在加热时会向封装中释放湿气，这种湿气释放作用会加剧凝结问题。因此，随着温度升高和相对湿度减小，不会释放湿气的非再生性去湿剂是优选的。

在一些应用中，高容量去湿剂可能是优选的。优选所选的去湿剂在暴露于22℃和约50％相对湿度的大气7天时，每10克去湿剂能吸收至少4克水。更优选所选的去湿剂在暴露于22℃和约50％相对湿度的大气7天时，每10克去湿剂能吸收至少5克水。最优选所选的去湿剂在暴露于22℃和约50％相对湿度的大气7天时，每10克去湿剂能吸收至少7克水。

去湿剂可包含吸收剂盐，可选自例如氯化钙(CaCl₂)、氯化锂(LiCl)、溴化锂(LiBr)、氯化镁(MgCl₂)、硝酸钙(CaNO₃)、和氟化钾(KF)。也可使用其他盐，例如五氧化磷(P₂O₅)、高氯酸镁(Mg(ClO₄)₂)、氧化钡(BaO)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、硫酸钙(CaSO₄)、氧化铝(Al₂O₃)、溴化钙(CaBr₂)、高氯酸钡(Ba(ClO₄)₂)、和硫酸铜(CuSO₄)。较佳地，还可以使用两种或更多种这些盐的组合。还可向混合物中加入其他化合物以促进与水的化学反应。优选去湿剂包含MgCl₂和MgO的混合物。更优选去湿剂包含一种混合物，该混合物包含至少约20重量％的MgCl₂和至少约50重量％的MgO。更优选去湿剂包含一种混合物，该混合物包含至少约30重量％的MgCl₂和至少约40重量％的MgO。最优选去湿剂包含一种混合物，该混合物包含约44重量％的MgCl₂和约56重量％的MgO。

本领域技术人员将会理解，封装中使用的去湿剂的量将根据封装体积、灯封装所暴露的环境、去湿剂的组成、和其他因素而变化。可以容易地使用经验方法确定去湿剂的合适的量。

去湿剂可以以任意的透湿性容器或具有透湿性部分的容器的方式包含在外壳之内。优选所述容器是水蒸气可渗透且液体不可渗透的。更优选该容器包含一种聚合物材料，该聚合物材料能耐受因为暴露于盐和其他化学品而引起的腐蚀和降解。

电子封装可包括扩散管。扩散管允许封装之内的空气压力取得平衡，同时抑制湿气传输通过该管。这种抑制湿气传输的作用将扩散管与通风孔区分开来。虽然通风孔和扩散管都用于提供流进和流出发光封装的空气，但是通风孔允许的湿气传输明显比扩散管更多。

如本文所用，“扩散管”表示一种用于在封装之内的内部空间和包围该封装的环境空间之间提供流体流通的装置，该装置具有足够的长度、尽可能小的横截面、曲折性或其他物理形态，从而减小通过该扩散管的总湿气传输。

扩散管可采取各种形式。可以根据封装体积、封装设计、运行条件、构成材料、材料厚度、封装表面积等的考虑因素，确定扩散管的合适的构型、长度和横截面面积。扩散管通常根据以下设计公式设计：

其中：

A＝管的横截面面积(平方毫米)

L＝管长度(毫米)

P_环境＝环境中的湿气的分压(千帕)

P_封装＝封装内的湿气的分压(千帕)

并且温度是恒定的。

图1反映了本发明的一种实施方式，其具有外部安装的粘合剂扩散管，该管由一系列材料层形成。图中显示外壳壁20具有通风孔56。还显示了外部安装的粘合剂扩散管65，其中有通道63或路径切割通过多个层，从而为环境大气提供通过孔58的扩散路径，该孔58连接环境大气和封装内部。在需要的时候，可使用任选的ePTFE通风孔盖(未显示)来覆盖孔58。

在一些灯封装中，尤其是大的灯封装中，本发明可结合一种用于减少灯封装内的湿气的装置，例如DeGuiseppi等的美国专利第6,709,493号中描述的装置。这种装置包括用于容纳去湿剂的容器，所述容器结合有不透气但能透过水蒸气的层，优选在邻近热源(如灯)的侧面取向，还包括在容器内取向的扩散管或通道，以提供从去湿剂到灯封装外的环境大气的路径。将这种装置与灯泡邻近设置时，灯泡产生的热量会使去湿剂再生。如本文所用，术语“邻近”表示来自灯泡的热量很近，足以到达再生性去湿剂。优选该装置在灯封装中一般为灯泡上方的区域中取向，这样来自灯泡的加热的空气能与该装置接触。

测试方法

去湿剂寿命测试

图2中所示的测试固定装置(fixture)包括发光封装10。该封装的尺寸为10英寸×10英寸×3英寸。框架11由铝构成，在其两端围绕周长配备有凸缘12。封装的一侧由聚碳酸酯测试板14(麦克马斯特卡尔(McMaster Carr)备件号：8574K25)构成，用于代表透镜。相对侧由聚丙烯板16(麦克马斯特卡尔(McMaster Carr)备件号：8742K132)构成，用于代表机动车前灯封装的后壳。两个板都通过垫片18(麦克马斯特卡尔(McMaster Carr)备件号：8691K31)和夹板20的方式装配在铝结构上并与之连接。使用灯泡托架19将灯泡20连接于封装。该封装配备有入口(access port)22以供设置去湿剂。提供塞子24以密封该入口。提供感应器探针口26以连接用于温度、相对湿度和露点测量的探针。在封装的后部装配扩散管28。该扩散管的面积长度比为0.034毫米。

将环境室设定为温度22℃且相对湿度(RH)75％。将发光封装10放置在环境室中，使入口打开。在该条件下预调节48小时之后，在发光封装中放入5克去湿剂(其为44重量％的MgCl₂和56重量％的MgO的混合物)，并密封入口。这标志测试开始。在测试的整个持续过程中，使灯泡进行循环(开1小时并关3小时)。每7天使用天平(型号：AG204，麦特勒托莱多国际公司(Mettler Toledo InternationalInc.))测量去湿剂的湿气增重。当去湿剂达到其容量的60％时，终止测试。测试的持续时间约为70天。

如以下实施例中所述，向聚碳酸酯测试板的内侧表面或两侧表面施加包含几种阻挡材料的不同的湿气阻挡层。图3反映该寿命测试的结果，说明阻挡材料对去湿剂寿命的影响。去湿剂寿命与聚合物组件的透湿速率成正比。在各实施例中，去湿剂寿命提高至少1.5倍，证明了湿气阻挡层的效果。

实施例1

对聚碳酸酯测试板的内侧表面进行粗糙化，并在两侧浸涂PVDC共聚物乳液(Serfene^TM 2022，罗门哈斯公司(Rohm & Haas Company))。PUDC共聚物的计算的透湿系数约为7.80E^-12(平方厘米/秒-帕)。聚碳酸酯基材的透湿系数为1.05E^-10(平方厘米/秒-帕)。使所述板在室温下干燥以形成湿气阻挡层。该层的厚度为5-30密耳。然后将测试板与发光封装相连，进行去湿剂寿命测试。图3显示这种湿气阻挡层使去湿剂寿命提高2.1倍。

实施例2

通过蒸汽沉积法用阻挡材料帕利灵C(Parylene C)(特种涂层体系公司(Specialty Coating Systems Inc))对聚碳酸酯测试板的内侧表面进行涂布。帕利灵C的透湿系数为5.2080E^-12(平方厘米/秒-帕)。阻挡层的厚度约为25微米。将测试板与发光封装相连，进行去湿剂寿命测试。图3显示这种湿气阻挡层使去湿剂寿命提高1.6倍。

实施例3

使用双面硅酮粘合剂，将4密耳厚的由Aclar

(霍尼韦尔国际公司(HoneywellInternational Inc))制成的膜粘合在聚碳酸酯测试板的内侧表面上。Aclar

的透湿系数韦1.6E^-13(平方厘米/秒-帕)。将测试板与发光封装相连，进行去湿剂寿命测试。图3显示这种湿气阻挡层使去湿剂寿命提高2.2倍。

实施例4

使用双面硅酮粘合剂，将由Al₂O₃气相沉积的聚酯膜形成的复合物(备件号：TPF-0599B，托拉斯健康护理包装公司(Tolas Health Care Packaging))粘合在聚碳酸酯测试板的内侧表面上。Al₂O₃膜的透湿系数为1.62E^-13(平方厘米/秒-帕)。将测试板与发光封装相连，进行去湿剂寿命测试。图3显示这种湿气阻挡层使去湿剂寿命提高1.8倍。

比较例

将没有任何阻挡材料的聚碳酸酯测试板与测试封装相连，进行寿命测试。该测试的结果如图3中的对照样所示。

各种湿气阻挡层使去湿剂寿命提高至少1.5倍。由于去湿剂寿命与透湿速率成比例，湿气阻挡层均使基材的渗透速率减小至至多1.5分之一，在多数情况中，减少至2分之一。

Claims (28)

1.一种发光组合件，其包括：

a.灯外壳，所述灯外壳限定出内部空间以及包围所述内部空间的环境空间；所述灯外壳包括至少一个聚合物透镜和聚合物壳，

b.光源，所述光源位于所述内部空间中，

c.去湿剂，所述去湿剂设置在所述内部空间中，

d.扩散管，所述扩散管具有靠近内部空间的第一开口以及靠近环境空间的第二开口，所述扩散管提供内部空间和环境空间之间的流体流通；和

e.湿气阻挡层，所述湿气阻挡层设置在所述透镜上。

2.如权利要求1所述的发光系统，其特征在于，所述湿气阻挡层是涂层。

3.如权利要求1所述的发光系统，其特征在于，所述湿气阻挡层是膜。

4.如权利要求1所述的发光系统，其特征在于，所述湿气阻挡层是光学透明的。

5.如权利要求1所述的发光系统，其特征在于，所述去湿剂是设置在所述内部空间中的高容量去湿剂，所述去湿剂在温度高达约50℃和约11％RH条件下是非再生性的。

6.一种发光组合件，其包括：

a)灯外壳，所述灯外壳限定出内部空间以及包围所述内部空间的环境空间，所述灯外壳包括至少一个聚合物透镜和聚合物壳；

b)光源，所述光源位于所述内部空间中；和

c)湿气阻挡层，所述湿气阻挡层设置在所述灯外壳的至少一个聚合物透镜和聚合物壳上。

7.如权利要求6所述的发光组合件，其特征在于，所述聚合物透镜包含聚碳酸酯。

8.如权利要求6所述的发光组合件，其特征在于，所述透镜的透湿系数大于所述湿气阻挡层的透湿系数。

9.如权利要求6所述的发光组合件，其特征在于，所述湿气阻挡层邻近所述聚合物透镜。

10.如权利要求6所述的发光组合件，其特征在于，所述湿气阻挡层包含二氧化铝。

11.如权利要求6所述的发光组合件，其特征在于，所述湿气阻挡层包含PVDC。

12.如权利要求6所述的发光组合件，其特征在于，所述湿气阻挡层包含帕利灵。

13.一种发光组合件，其包括：

a)灯外壳，所述灯外壳限定出内部空间以及包围所述内部空间的环境空间，所述灯外壳包括至少一个聚合物透镜和聚合物壳；

b)光源，所述光源位于所述内部空间中；和

c)用于减小聚合物透镜的透湿速率的装置。

14.一种透镜，其包括聚合物透镜材料和覆盖所述透镜的湿气阻挡层，所述透镜材料的透湿系数大于所述湿气阻挡层的透湿系数。

15.如权利要求14所述的透镜，其特征在于，所述湿气阻挡层包含氧化铝。

16.如权利要求14所述的透镜，其特征在于，所述湿气阻挡层包含PVDC。

17.如权利要求14所述的透镜，其特征在于，所述湿气阻挡层包含帕利灵。

18.一种耐湿性外壳组合件，其包括：

a)外壳，所述外壳限定出内部空间以及包围所述内部空间的环境空间，所述外壳包含具有第一透湿系数的聚合物材料；

b)去湿剂，所述去湿剂设置在内部空间中；

c)扩散管，所述扩散管具有靠近内部空间的第一开口以及靠近环境空间的第二开口，所述扩散管提供内部空间和环境空间之间的流体流通；和

d)湿气阻挡层，所述湿气阻挡层由具有第二透湿系数的材料构成，所述第二透湿系数小于所述第一透湿系数，所述湿气阻挡层设置在所述外壳上。

19.如权利要求18所述的耐湿性外壳，其特征在于，所述第一透湿系数是所述第二透湿系数的至少1.5倍。

20.如权利要求18所述的耐湿性外壳，其特征在于，所述第一透湿系数是所述第二透湿系数的至少2倍。

21.如权利要求18所述的发光系统，其特征在于，所述湿气阻挡层是涂层。

22.如权利要求18所述的发光系统，其特征在于，所述湿气阻挡层是膜。

23.如权利要求18所述的发光系统，其特征在于，所述湿气阻挡层是光学透明的。

24.一种减轻发光封装中的凝结现象的方法，该方法包括：

a)提供外壳，用于限定内部空间以及包围所述内部空间的环境空间，所述外壳包含至少一种具有第一透湿系数的聚合物材料；

b)在内部空间中设置去湿剂；和

c)用具有第二透湿系数的湿气阻挡层覆盖至少部分聚合物材料，所述第二透湿系数小于所述第一透湿系数。

25.如权利要求24所述的减轻发光封装中的凝结现象的方法，其特征在于，所述覆盖步骤包括通过浸涂施加湿气阻挡层。

26.如权利要求24所述的减轻发光封装中的凝结现象的方法，其特征在于，所述覆盖步骤包括通过气相沉积施加湿气阻挡层。

27.如权利要求24所述的减轻发光封装中的凝结现象的方法，其特征在于，所述覆盖步骤包括通过粘合膜施加湿气阻挡层。

28.一种电子封装，其包括：

聚合物外壳，所述聚合物外壳限定出内部空间以及包围所述内部空间的环境空间；和用于减小所述聚合物外壳的透湿速率的装置，所述装置覆盖至少部分聚合物外壳。

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