CN1093173A - 光漫射涂层及其制备和应用 - Google Patents

Abstract

一种由光漫射粒子，例如散布在硅石基体中的氧 化铝构成的光漫射涂层，通过将其中散布有胶体硅石 和光漫射粒子的硅酮溶液涂复到滤光器上、适当的基 底上而形成，然后在高温下热分解此悬浮液以驱除有 机成分并形成硅石基体。这种涂层是硬的和耐磨的， 对反射器、灯和透镜都是有用的。

Description

本发明涉及一种光漫射涂层及其制备和应用。更具体地说本发明涉及一种由散布在含硅石的玻璃质粘合剂中的光漫射粒子构成的光漫射涂层、硅树脂涂覆材料的制备，以及在各种物品，例如灯上的应用。

通常用灯丝或电弧作为光源发光的电灯（这种光源发可见光）其所发射的光未被分散。通常用以分散光源映像的手段包括形成双凸透镜（用或不用反射器）、磨砂灯的外壳、蚀刻灯外壳或涂复灯外壳以便漫反射所发出的光并分散电弧或灯丝的光源映像，在常规的家用型白炽灯中。最常见的是酸蚀或涂覆灯外壳，使包围灯丝的玻璃外壳用酸腐蚀和/或用粒子状的散光粉末涂覆其内壁。粘土和硅石的混合物用作粒子状的散光粉末，因为它具备光漫反射性，化学惰性、成本低廉且在灯工作期间能耐受所达到的高温。

用作舞台和摄影棚照明的高亮度白炽灯采用熔凝石英丝或电弧室，并往往进行磨砂以分散光源映像，从而使灯所发射的光更分散，在被照明的物体上看不见光源映像。熔凝石英能耐受在灯工作期间经常达到的高于900℃的很高的温度。然而，喷砂会使石英强度降低，而且在用此工艺加工时，大部分厂区要被砂尘污染，并且还有噪声和灰尘。

本发明涉及一种由在玻璃质硅石粘结剂中的光漫射粒子构成光漫射涂层。此光漫射涂层是一种能散射大致在380-770nm，最理想是400～750nm范围之间的可见光辐射的涂层，当使用由能透射光的灯外壳在其中封闭一个电光源而形成的灯时，涂层布置在灯外壳的表面上，此涂层散射光源发射的可见光，因此漫射在此灯所发射光中的光源映像。此光源既可是弧光放电也可是灯丝。此涂层通过喷涂在液态粘合剂中的适当的光漫射材料的粒子而形成，所说的液态粘合剂由硅树脂中的胶状硅石的悬浮液构成。将此液态悬浮液喷涂，沉积或流散到物品上，形成已涂覆的产品，然后干燥，加热升高其温度以蒸发掉有机材料从而形成由在含硅石的玻璃状透明粘合剂中的光漫射粒子构成的涂层。

按照本发明的高亮度舞台和摄影棚所用的白炽灯包括一玻璃状的传输光的熔凝石英外壳，此外壳被气密封接，其内封装有钨灯丝，还充有卤素，本发明的光漫射涂层布置在灯外壳的外表面上。本发明这种光漫射涂层也用于涂覆玻璃透镜和用于涂复有多层光学干涉涂层作为光反射面的玻璃的光传输反射器都是有效的。应用位于外部非反射表面上的光漫射涂层消散内部的光源映象，从而提供一种柔和的装饰光的效果。本发明这种光漫射涂层将是很有用的，但所涂覆的光漫射材料必须是耐磨的、硬的、所提供的基底要能耐受形成涂层所需要的高温。

图1a和图1b示意性地展示出一种灯壳外表面上有光学干涉滤光器和光漫射涂层的白炽灯以及在灯外表面上的涂层和滤光器的细节。

图2a、2b、2c示意性地展示出安装在玻璃反射器中的白炽灯，此玻璃反射器有一多层的光学干涉滤光器作为光反射装置，本发明的涂层分别涂在反射器的外表面（图2a），反射器的内表面（图2b）和灯上（图2c）。

图3示出一种在玻璃透镜外表面上涂有本发明涂层的PAR灯。

图4是灯的透光率百分数作为涂布在光学干涉滤光器上的光漫射涂层厚度的函数的曲线图。

参看图1a，图中示出一直线型白炽灯，它包括能透过可见光的熔凝石英灯外壳12，外壳12内的气密性封接在其中的灯丝14，灯丝14用5个灯丝支架15支承在外壳12内。在灯的两端通过常规的压紧密封口16将灯气密性封闭。具有引线20的钼封接箔18全部压封在密封口16中，引线20延伸至压密封部外面，用以通过钼箔封接片18向灯丝14供电。将外壳外表面22上涂复本发明的光漫射涂层26。此涂层由内含光漫射粒子30的透明硅石粘结剂材料32构成。图1b示出图1a中标号28所代表的，熔凝石英基片12上涂复有本发明的光漫射涂层26的部分的细节。图1b所示的细节仅用以说明本发明的特征，而非涂层准确的细节结构。图1b中所示的细节也不意味着是按比例绘制的。本发明这种灯是由熔凝石英外壳构成，用气密封接在外壳内的灯丝作为光源，将本发明的光漫射涂层涂复在灯外壳的外表面，但本发明不限于这种灯的特殊实施例。本发明也适用于其他类型的和不同外形结构的各种灯。还可将多层光学干涉滤光器和光漫射涂层相结合应用于透光的或光传输反射器的一个或多个表面上，例在美国专利5，143，445及图2a和图2b所披露的涂复光学干涉膜的全玻璃反射器。在另一实施例中，灯可以用透光的或光传输的屏蔽外壳（例为玻璃或熔凝石英壳）包围，此屏蔽外壳表面上布置有散光涂层和滤光器，并与灯保持相同距离。

现在再参看图2a，图中示出灯和反射器的组合体40，它包括带玻璃外壳32的灯30，并在34部位通过常规的夹紧密封或紧缩密封形成气密封，并有两条外部引线36。灯30用胶合剂38粘接进玻璃反射器41的空腔14中。这种在玻璃反射器41的抛物面状反射部分48的内反射面46上有光学干涉滤光器44的灯和反射器的组合体对本领域熟练的技术人员来说是已知的，所说的技术领域是指用适当的粘合剂将灯固定在反射器中。本申请的参考文献中所包括的美国专利4，833，576披露了这样一种灯与反射器的组合体以及将灯粘合到反射器中的胶粘剂。灯30也包括在外壳32内的灯丝和引入线或者电弧装置（未示出）。按照本发明的由分散在硅石胶合剂中的光漫射材料的粒子构成的光漫射涂层26，由图可见配置在玻璃反射器41的外表面42上。光学干涉滤光器44，本领域的技术人员可知，它既作为冷反光镜也可作为热反光镜，用以反射灯30发射的光。在灯和反射器的组合体40工作期间，灯30发射的某些光可从反射器41的外表面42看见，而颜色由多层光学干涉滤光器44的特殊性质来确定。如果在反射器的外表面上没有光漫射涂层26，则由反射器外表面看见的光实质上是不均匀的，在灯内的灯丝或电弧光源位置附近具有一个亮点发射出来。由于本发明的光漫射涂层26设置在反射器的外表面上，不存在没有光漫射涂层时与光源伴生的热点或强光，所发射的光更均匀，漫射并更适合于眼睛。图2b除了本发明的光漫射涂层26是在位于内反射表面的光反射多层光学干涉滤光器上之外，都与图2a类似，用以产生一反射的并向反射器前方投影的柔和光像。图2c中光反射涂层26是在灯30的外表面上，用以向前射出一更柔和的光束。在图2b和图2c所示的实施例中，反射涂层44可以是金属，例如铝，而且并不限定于光学干涉滤光器。

再参看图3，图中示出一灯与反射器的组合体70，它包括一玻璃反射器72，此玻璃反射器72的一端有透镜86，另一端有金属灯座组件80。此金属灯座包括一金属筒部分82，它用适当的方式粘到反射器的底部78，并与标准的金属螺旋灯座连接。灯50是一双端白炽灯，未绘出其灯丝和钼箔封接片。灯50用焊接到灯的外部引线上的引线74和76固定在空间。引线74和76被粘结在反射器72的底部78中，并用导线（未绘出）连接到金属灯座部分。按照本发明的光漫射涂层26由图可见设置在玻璃透镜86的外表面上，本发明的光漫射涂层26能使灯发射的和反射器向前射出的光漫射。

如上所述，本发明的实践中应用的光漫射涂层包括内含光漫射粒子的玻璃质的或透明的硅石胶合剂。本发明的涂层中有效的光漫射粒子包括任何具有这样特性的材料：能透过可见光、具有与硅石胶合剂不同的折射系数、不导电、不与基底和胶合剂材料起化学反应、灯的工作温度、灯所发射的射线和灯的工作环境对其无有害的影响。本发明的涂层所用的并能满足这些要求的光漫射的特殊材料的实例包括：Al₂O₃、BN、Y₂O₃、ZrO₂、SiC、Ta₂O₅、Si₃N₄、TiO₂和Nb₂O₅，这些实例只是用来说明本发明，而非对本发明的限定。为了能使光在整个可见光谱范围漫射，光漫射粒子应有至少 1/4 红光波长（即180nm）的有效的或结块的物理截面（有效直径）。在这种分布范围中可以包括比其更少的一些粒子，但它们很少用作光学漫射体。优选粒子尺寸的下限按单独粒子漫射的能力来设置（约0.2μm）。上限在0.5～3μm之间，并且如下面所要说明的那样受过大粒子的数量和它们的有效直径的影响。其尺寸主要在0.2～0.4μm范围的氧化铝粒子已在本发明的实例中满意地工作。

如上所述，在本发明实例中光漫射涂层所用的胶合剂是一种透明硅石胶合剂，它是由硅树脂中胶体硅石的液态悬浮体构成的待涂复物。这里在这种情况下使用了硅树脂。完成涂层所用的硅树脂是一种R（SI（OH）₃）的部分冷凝的水-乙醇溶液，其中R是一种烷烃，例如甲基三乙氧基硅。这种类型的适当的硅树脂的实例，其中包括胶体硅烷，已在参考文献中的美国专利3，986，997、4，275，118、4，500，669和4，571，365中披露。在涂层前体（coating precursor）通过烧掉有机材料变成透明的含硅材料之后，由这些材料制成的涂层能耐受高亮度的灯丝或弧光放电灯的灯外壳表面所达到的，常常是超过900℃的高温。在将由散布在含胶体硅石的硅树脂溶液中的光漫射粒子构成的液态的涂层前体应用到产品上，例如光反射涂层、灯外壳或玻璃反射器，并在低温下干燥以蒸发溶剂之后，再将已被涂层前体涂复的产品在空气中缓慢加热使温度提高以便热分解有机材料，从而形成本发明的由散布在硅石基料或胶合剂中的光漫射粒子构成的透明涂层。已发现350℃是能满足热分解出涂层中的有机物并形成透明的硅石胶合剂的温度。通过加热已涂复的产品，如果产品是灯就通过给灯加电使如此形成的硅石致密和烧结提高其强度。直线型熔凝石英灯外壳的温度达到900℃，在灯工作的第一个小时之内涂层就完全致密化。这里通常是使用硅石，也可以存在某些硅酸盐。因此，本发明的光漫射涂层包括含光漫射粒子的透明的硅石胶合剂。通过下述的实施例将能更进一步地理解本发明。

多层光学干涉滤光器已知有由不同折射系数的二种或多种材料形成的交迭层构成的薄膜光学干涉滤光器，将它们应用于灯、反射器和透镜是熟悉本领域工艺的人所公知的。这些滤光器被用来有选择地反射和/或传输来自电磁频谱的不同区域的光线，例如紫外光、可见光和红外光线。这些滤光器如上所述在制灯工业中用在反射器、透镜和灯外壳上。已发现这些滤光器由于将灯丝（或电弧）所发射的红外线反射回灯丝（或电弧），当传输光源所发射的电磁频谱中的可见光部分时，可减少为维持灯丝工作温度所应加到灯丝上的电能，这对提高白炽灯的初始照明效力或效率是很有效的。在上述的本实施例中已加工成灯，其中多层光学干涉滤光器将灯丝所发射的红外线反射回灯丝，并同时传输电磁频谱中所有的可见光（例如400～750nm），制灯工业中使用的将承受超过500℃或其附近的高温的多层光学干涉滤光器由耐熔金属氧化物的交迭层组成，例如五氧化钽、二氧化钛、五氧化铌和二氧化硅，其中二氧化硅是低折射系数材料，五氧化二钽、二氧化钛或五氧化铌是高折射系数材料，在美国专利5，143，445、5，138，219、4，588，923和4，663，557中披露了应用它们的这种滤光器、灯和反射器，这只是用以说明的例子，并不限于这些实例。使用蒸散或溅射技术浸涂成这些多层滤光器的结构的前体，也可使用化学汽相淀积（CVD）和低压化学汽相淀积（LPCVD）工艺，在按照本发明所做的图1所示的这种实际灯中，用以将灯丝发射的红外线反射回灯丝并同时传输可见光线的多层光学干涉滤光器由许多交迭层构成，这些交迭层是用像美国专利4，849，005所披露的LPCVD法将五氧化二钽和二氧化硅在熔凝石英灯外壳的外表面上涂复26～30层，某些情况可超过40层构成的，如在美国专利5，143，445和5，138，219所披露的。然而应理解到本发明不限于应用仅传输可见光和反射红外线这样的滤光器。也可用于改变灯所发射的颜色这样的滤光器。

按照本发明加工成的如图1所示的直线型白炽灯，有直径10mm长105mm的管形外壳，工作电压是120V功率为650W。为了在管形石英灯外壳的外表面上完成本发明的光漫射涂层，用本发明的在按重量计15份热固硅酮溶液中包含按重量计2份Degussa C蒸发铝粉的待涂液（Precursor Coating）涂复这些灯。此硅酮溶液是通过将70毫升丁醇和70毫升异丙醇加到从Garden Grove，California和SDC Coatings，Inc.得到的60毫升Silvue 313 Abrasion Resistant Coating中而制成的。此Silvue 313是在R（Si（OH）₃）的部分冷凝溶液中的胶体硅石悬浮液，其中R是一甲基组，这种悬浮液按重量%计包括5%醋酸、30%n-丁醇、30%异丙醇、1%甲醇和水。在Silvue313中胶体硅石和甲基·三乙氧基硅的总的固体粒子含量按重量计在20～25%之间的范围。将Degussa C氧化铝搅入硅酮溶液，随后将含氧化铝的溶液注入超声镀槽，此Degussa C基本粒子尺寸为10nm，有效的或聚结的粒子有效直径大致在200～500nm或0.2～0.5μm范围。将灯沉浸在这种待涂混合液（precursor coating mixture）后至少风干5分钟。然后将此已干燥的涂复过的灯放置在实验炉中，在350℃下保持30分钟，以驱除或热分解有机材料并开始硅石的致密化。经过这种处理之后，灯可以用全额定电压激励或点亮，涂层不会发暗或变黑。由于灯外壳能达到超过900℃的温度，在使用的第一小时期间，涂层继续致密，本发明的由含光漫射粒子（在这种情况下是氧化铝）的透明硅石胶合剂构成的涂层是在经350℃热处理之后形成，在更高温度时硅石胶合剂仅仅继续致密直到硅石的理想的极限。

经过这种处理的灯在通电和点燃2000小时后，涂层不显著变坏或者灯的漫射所发射光的性质不显著降低。通常这种光漫射或分散涂层对灯的石英外表面，也对具有由五氧化二钽和二氧化硅的交迭层构成的滤光器的灯有良好的粘合作用，带滤光器的灯有用以反射红外线传输可见光的多层光学干涉滤光器，在美国专利5，143，445中所披露的是24层结构（五氧化二钽/二氧化硅），在美国专利5，138，219中也披露了46层结构，它们都应用在这些专利中所披露的LPCVD工艺制成，然而，光漫射或分散涂层的粘合作用能随滤光器的表面条件（即滤光器的表面裂化和粗糙度）而变化。因此已发现予涂层或底层涂料能使光散射涂层对滤光器提供足够的粘合力而对光学性质无不良影响，此予涂层或底层涂料是AlonC（ORE）氧化铝粉和硼酸以3∶1的重量比的混合物，甲醇和乙酸熔纤剂加到其中。此予涂层也通过沉浸来涂复，予涂层或底层涂料干燥时间要小于30分钟，然后将这些灯上涂复上面提到的硅酮溶液和Degussa    C的混合物构成的本发明的光漫射涂料。由于灯发射散射光和涂层有良好粘合力，使这些灯有优良的光学性质。用含Degussa    C氧化铝的光散射涂层制成的所有的灯都有小于15%的镜状透射率，总的透射率（镜状正散射或漫射光）大于50%。

直观检测和实验测量表明，如果散射涂层有小于15%的镜面透射率，砂磨石英的外貌和特性是可被模拟的。不希望可见光分散反射回灯，由于在引线或灯丝存在内吸收，使某些这种光损失。这意味着总透射率（镜状正散射前向的光）应尽可能地高，至少在50%，图4示出两种不同粒子尺寸分布情况下，本发明涂层的涂层厚度与透射率的关系曲线。在这些实例中，最终涂层中的粒子重量密度保持不变。Degussa氧化铝粉主要由有效粒子尺寸或直径在0.2～0.4μm的粒子组成，当维持总的透射率高于50%时，在整个宽的涂层厚度范围，很容易达到镜面透射率低于15%。厚度在4～10μm之间的涂层有令人满意的特性和外形。Baikowski    CR30氧化铝粉由比Degussa更大的粒子组成，约35%的粒子小于1μm，80%的粒子小于3μm，20%粒子在3～8μm之间。更大的粒子导致过分的漫射。所希望的镜面透射率＜15%，总透射率＞50%的特性仅在涂层厚度小于4μm时才能达到。在这种薄膜厚度下，在滤光器表面上CR30的粒子涂层是不完善的。虽然在窄的薄膜厚度范围满足了透射率的目标，但所制出的涂层不均匀或呈颗粒状，从美学观点来看在外观上是不能令人满意的。

Claims (21)

1、一种传输光的产品，它至少有一个表面，所说的表面的至少一部分上设置有由在玻璃质硅石胶合剂中的光漫射粒子构成的光漫射涂层。

2、按照权利要求1所说的产品，其特征在于所说的光漫射粒子的折射系数与所说的胶合剂的折射系数不同。

3、按照权利要求2所说的产品，其特征在于所说的光漫射粒子对可见光线是可透过的。

4、按照权利要求3所说的产品，其特征在于所说的光漫射粒子的有效粒子尺寸不超过3μm。

5、按照权利要求3所说的产品，其特征在于所说的光漫射粒子的折射系数大于所说的硅石胶合剂的折射系数。

6、权利要求5的一种产品是一种玻璃透镜。

7、权利要求5的一种产品是一种玻璃反射器。

8、一种包括包围一可见光源的透光外壳的灯，在所说外壳的表面上设置有由在玻璃质硅石胶合剂中的光漫射粒子构成的光漫射涂层，其中所说的光漫射粒子的折射系数与所说的硅石胶合剂的折射系数不同。

9、按照权利要求8所说的灯，其特征在于所说的光漫射粒子对可见光是可透过的。

10、按照权利要求9所说的灯，其特征在于所说的光漫射粒子的有效粒子直径不大于3μm。

11、按照权利要求10所说的灯，其特征在于所说的光漫射粒子包括氧化铝。

12、一种用以在基底上形成由在玻璃质硅石胶合剂中的光漫射粒子构成的光漫射涂层的工艺，所说的工艺包括：将一种在胶体硅石悬浮液中的光漫射材料粒子悬浮体涂复到所说的基底上，所说的胶体硅石悬浮液在液态硅酮溶液中;干燥所涂复的悬浮液以去除溶剂;然后提高温度加热所说的已干燥悬浮液以驱除所说硅酮的有机成分，并将所说的硅酮和所说的胶体硅石变成含所说的光漫射粒子的玻璃质硅石胶合剂。

13、按照权利要求12所说的工艺，其特征在于所说的硅酮溶液包括部分冷凝的R（Si（OH）₃），其中R是烷烃。

14、按照权利要求12所说的工艺，其特征在于R包括一甲基组。

15、按照权利要求13所说的工艺，其特征在于所说的提高了的温度至少是350℃。

16、一种组合体，其透光反射器有一外表面和一反射光的内表面，电灯光源装在其中，所说的外表面的至少一部分涂复有由在玻璃质硅石胶合剂中的光漫射粒子构成的光漫射涂层。

17、按照权利要求16所说的组合体，其特征在于所说的光反射表面包括多层的光学干涉滤光器。

18、一种组合体，其反射器有一反射光的内表面，电灯光源安装在其中，所说的反射光的内表面的至少一部分上涂复有由在玻璃质硅石胶合剂中的光漫射粒子构成的光漫射涂层。

19、按照权利要求18所说的组合体，其特征在于所说的光反射表面包括多层的光学干涉滤光器。

20、一种组合体，其光反射器有一反射光的内表面，电灯光源安装在其中，至少所说的光源部分涂复有由在玻璃质硅石胶合剂中的光漫射粒子构成的光漫射涂层。

21、按照权利要求20所说的组合体，其特征在于所说的涂复有多层光学干涉滤光器，所说的光漫射涂层设置在所说的灯上的所说的滤光器上。

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