劉海濤（1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510700；2.國家橡塑密封工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510530）

?

粘接LED背光源透鏡的UV膠研究

劉海濤1，2
（1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510700；2.國家橡塑密封工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510530）

LED電視由于具有節(jié)能、低電壓工作、響應(yīng)速度快、造價(jià)成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為目前市場(chǎng)的主流電視機(jī)。LED電視的關(guān)鍵核心器件之一是背光源燈條（lightBar），即LED燈條。它是將LED燈珠焊接在長條形的鋁基板或PCB板上，然后將PC或PMMA透鏡罩在LED燈珠上，透鏡使燈珠發(fā)出的光均勻分布。透鏡上的3個(gè)或4個(gè)引腳通過UV膠或單組分環(huán)氧膠固定在板上[1～3]。

用單組分環(huán)氧膠粘接透鏡的主要缺點(diǎn)是環(huán)氧膠需要低溫保存，貯存和運(yùn)輸不方便；固化時(shí)間需要3～5 min，生產(chǎn)效率低；而且需要在80～110 ℃左右固化，耗能嚴(yán)重。UV膠克服了以上缺點(diǎn)，并且使用成本更低，因此越來越多的生產(chǎn)廠家采用UV膠來粘接透鏡[4～6]。

本文以端羥基聚丁二烯、3-異氰酸酯基亞甲基-3,5,5-三甲基環(huán)己基異氰酸酯、丙烯酸羥乙酯為原料合成聚氨酯二丙烯酸酯預(yù)聚物，以該預(yù)聚物為基礎(chǔ)樹脂配制UV膠，研究其力學(xué)性能、粘接強(qiáng)度、耐濕熱和耐冷熱沖擊性能，并應(yīng)用于LED電視背光源燈條的透鏡粘接固定。

用于LED電視背光源燈條透鏡粘接固定膠的主要性能指標(biāo)如下：透鏡在PCB板上的初始推力達(dá)到120 N以上；-40 ℃至80 ℃冷熱沖擊（-40 ℃保溫30 min，然后升溫至80 ℃保溫30 min為1個(gè)循環(huán)），100個(gè)循環(huán)后，推力達(dá)到100 N以上；1.5 m自由落體3次不掉件；85 ℃、85%RH貯存1 000 h后，推力達(dá)到100 N以上。

1　實(shí)驗(yàn)部分

摘要：以端羥基聚丁二烯、3-異氰酸酯基亞甲基-3，5，5-三甲基環(huán)己基異氰酸酯、丙烯酸羥乙酯為原料合成聚氨酯二丙烯酸酯預(yù)聚物。以該預(yù)聚物和四氫呋喃丙烯酸酯、N，N-二甲基丙烯酰胺、γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷、1-羥基環(huán)己基苯基甲酮、2,4,6-三甲基苯甲?；?二苯基氧化膦、納米氣相二氧化硅為原料配制UV膠，具有較佳的力學(xué)性能、粘接強(qiáng)度、耐濕熱和耐冷熱沖擊性能，綜合性能可滿足LED背光源透鏡粘接總體要求。

關(guān)鍵詞：光固化膠粘劑；LED背光源；透鏡；聚氨酯丙烯酸酯；粘接

1.1 原料

端羥基聚丁二烯（HTPB），Mn=2 000，日本曹達(dá)；3-異氰酸酯基亞甲基-3，5，5-三甲基環(huán)己基異氰酸酯（IPDI），德國拜耳；丙烯酸羥乙酯（HEA），日本三菱；二丁基錫二月桂酸酯（DBTDL），廣州聚成兆業(yè)；對(duì)羥基苯甲醚，法國羅地亞；四氫呋喃丙烯酸酯、丙烯酸異冰片酯、甲基丙烯酸羥乙酯、已二醇二丙烯酸酯、二縮三丙二醇二丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯，美國沙多瑪；N，N-二甲基丙烯酰胺，日本興人；γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、N-β-（氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-巰丙基三甲氧基硅烷，佛山文泰化工；納米二氧化硅，德國德固賽；1-羥基環(huán)己基苯基甲酮、2,4,6-三甲基苯甲?；?二苯基氧化膦，常州華鈦化學(xué)。

1.2 預(yù)聚物合成

在裝有溫度計(jì)、攪拌器、抽真空裝置的三口燒瓶中，加入計(jì)量的端羥基聚丁二烯，升溫至100～115 ℃后真空脫水2～4 h。降溫至40～50 ℃后停止抽真空，加入IPDI和DBTDL，快速攪拌，待溫度穩(wěn)定后，緩慢升溫并控制溫度為75～85 ℃反應(yīng)2～3 h，取樣測(cè)定游離異氰酸根（NCO）含量，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，降溫至40～50 ℃，加入丙烯酸羥乙酯和對(duì)羥基苯甲醚，緩慢升溫至70～80 ℃反應(yīng)2～3 h，降溫出料，得到UV預(yù)聚物。

1.3 拉伸性能測(cè)試

光固化機(jī)為美國UVITRON公司Intelli-Ray 400全功能紫外固化機(jī)，將配制好的光固化膠倒入聚四氟乙烯模具（208 mm×94 mm×2 mm）中，在400 W金屬鹵素?zé)簦ㄖ鞑ㄩL365 nm），光強(qiáng)60 mW/cm2下，正反面各固化30 s，然后用Ⅱ型試樣裁刀截取試樣。按照GB/T 1040—1992測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度，拉伸速率100 mm/min。測(cè)試設(shè)備為SafQ-H10KL 10 kN臺(tái)式萬能材料試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試樣件狀態(tài)調(diào)節(jié)參照GB 2918—1998，即溫度保持在（23±2）℃，相對(duì)濕度保持在45%～55%。

1.4 推力測(cè)試和跌落測(cè)試

推力測(cè)試：透鏡每個(gè)腳的點(diǎn)膠量為3 mg，每個(gè)透鏡3個(gè)引腳，共施膠量9 mg。固化條件：400 W金屬鹵素?zé)艄袒?0 s。推力計(jì)為日本力新寶FGJ-50測(cè)力計(jì)，最大量程500 N。推力方向與PCB板垂直，測(cè)試方法如圖1所示。

圖1　透鏡推力測(cè)試方法Fig.1 Push force test method of lightbar lens

跌落測(cè)試：點(diǎn)膠量和固化條件同上。將一條有6個(gè)透鏡的LED背光源燈條，水平放置在離地面1.5 m高處，自由落體跌落在大理石地面上，當(dāng)有一個(gè)透鏡從燈條上脫落時(shí)，則停止測(cè)試，計(jì)算未脫落前總共跌落的次數(shù)。

1.5 耐濕熱性能測(cè)試

點(diǎn)膠量和固化條件同1.4。將固化好的LED背光源燈條，在高低溫濕熱試驗(yàn)箱中老化后，待燈條恢復(fù)室溫后，按1.4方法測(cè)試推力。其中高溫高濕的試驗(yàn)條件：85 ℃，RH85%，試驗(yàn)周期240、480、720、960、1 200 h。高低溫濕熱試驗(yàn)箱為廣州五所環(huán)境儀器有限公司EL-04型。

1.6 冷熱沖擊測(cè)試

點(diǎn)膠量和固化條件同1.4。將固化好的LED背光源燈條，在高低溫試驗(yàn)箱中老化后，待燈條恢復(fù)室溫后，按1.4方法測(cè)試推力。其中冷熱沖擊試驗(yàn)條件：-40 ℃保溫30 min，5 min內(nèi)升溫至80 ℃保溫30 min，15 min內(nèi)降溫至-40 ℃，然后保溫30 min。從-40 ℃至80 ℃為1個(gè)循環(huán)，試驗(yàn)周期20、40、60、80、100個(gè)循環(huán)。高低溫試驗(yàn)箱為德國BINDER的BD240型。

圖2　UV預(yù)聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Chemical structure diagram of UV curable prepolymer

2　結(jié)果與討論

2.1 預(yù)聚物的紅外光譜分析

圖2是用端羥基聚丁二烯、3-異氰酸酯基亞甲基-3,5,5-三甲基環(huán)己基異氰酸酯、丙烯酸羥乙酯為原料合成的UV預(yù)聚物化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是HTPB數(shù)均分子質(zhì)量為2 000的聚氨酯二丙烯酸酯的紅外光譜圖。

圖3　UV預(yù)聚物的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum of UV curable prepolymer

從圖3可以看到，2 250 cm-1附近沒有強(qiáng)的吸收峰，表明異氰酸酯基團(tuán)反應(yīng)完全。3 459 cm-1為N-H伸縮振動(dòng)峰，1 506 cm-1為酰胺鍵中C-N的變形振動(dòng)峰，表明反應(yīng)過程中生成了氨基甲酸酯基團(tuán)。1 651 cm-1、1 612 cm-1為C=C伸縮振動(dòng)峰，796 cm-1為C=C-H的面外伸縮振動(dòng)峰，表明雙鍵接到預(yù)聚物中。2 947 cm-1、2 864 cm-1分別為—CH—和—CH中C-H的伸縮振動(dòng)。1 731 cm-1為C=O的伸縮振動(dòng)峰[7]。

2.2 稀釋劑單體對(duì)固化膠拉伸性能的影響

UV膠固化后的拉伸性能直接影響膠粘劑內(nèi)聚破壞時(shí)的粘接強(qiáng)度和韌性（抗跌落性能），其中拉伸強(qiáng)度對(duì)應(yīng)粘接強(qiáng)度，伸長率對(duì)應(yīng)韌性。不同稀釋劑單體除影響UV膠的體積收縮率和粘接力以外，對(duì)UV膠固化后的拉伸性能也有很大的影響。表1是不同活性稀釋劑單體對(duì)UV膠力學(xué)性能的影響。膠粘劑組成（以下均為質(zhì)量份數(shù)）：UV預(yù)聚物55份，稀釋劑單體45份，γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷1份，1-羥基環(huán)己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲?；交趸?份，納米二氧化硅3份。其中，單官能團(tuán)單體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)少，拉伸強(qiáng)度低，伸長率高，如四氫呋喃丙烯酸酯、甲基丙烯酸羥乙酯；丙烯酸異冰片酯的玻璃化溫度高一些，因此拉伸強(qiáng)度大一些；N,N-二甲基丙烯酰胺的剛性較大，同時(shí)有氫鍵作用，UV固化時(shí)容易形成規(guī)整結(jié)構(gòu)，因此拉伸強(qiáng)度較大。二官、三官單體形成體型結(jié)構(gòu)，拉伸強(qiáng)度高，伸長率低。聚醚結(jié)構(gòu)的活性稀釋劑（二縮三丙二醇二丙烯酸酯）柔韌性好，因此伸長率稍高[8]。

表1　不同稀釋劑單體對(duì)UV膠固化后拉伸性能的影響Tab.1 Effect of diluent monomers on tensile properties of cured UV adhesive

2.3 氣相二氧化硅用量對(duì)固化膠力學(xué)性能的影響

氣相二氧化硅對(duì)力學(xué)性能的影響不大，少量增加拉伸強(qiáng)度，減少伸長率，主要是提高膠粘劑的觸變性。表2是不同納米二氧化硅用量對(duì)UV膠固化后力學(xué)性能的影響。膠粘劑組成：UV預(yù)聚物55份，四氫呋喃丙烯酸酯20份，N,N-二甲基丙烯酰胺25份，γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷1份，1-羥基環(huán)己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲?；交趸?份，改變納米二氧化硅用量。結(jié)果表明，二氧化硅含量高，則拉伸強(qiáng)度大，伸長率小。因?yàn)榧{米二氧化硅少量補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)增加剛性。綜合考慮，納米二氧化硅選擇3份的用量。

表2　納米二氧化硅用量對(duì)UV膠固化后力學(xué)性能的影響Tab.2 Effect of fumed silica content on mechanical properties of cured UV adhesive

2.4 稀釋劑單體對(duì)固化膠粘接強(qiáng)度的影響

不同稀釋劑單體對(duì)固化膠粘接強(qiáng)度的影響見表3。膠粘劑組成：UV預(yù)聚物55份，稀釋劑單體45份，γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷1份，1-羥基環(huán)己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲?；?二苯基氧化膦1份，納米二氧化硅3份。N,N-二甲基丙烯酰胺、四氫呋喃丙烯酸酯和丙烯酸異冰片酯的粘接力較高，3種稀釋單體都是單官能團(tuán)單體，固化收縮率低，更有利于附著；其中N,N-二甲基丙烯酰胺、四氫呋喃丙烯酸酯對(duì)大部分塑料（包括PC、PMMA）具有較強(qiáng)的溶脹能力，可提高粘接力，適合于塑料和PCB表面白色油墨層的粘接[8]。四氫呋喃丙烯酸酯固化后偏軟，抗跌落性能較好，但是推力較?。籒,N-二甲基丙烯酰胺固化后偏硬，推力較大，但是抗跌落性能較差。綜合考慮，選擇四氫呋喃丙烯酸酯和N,N-二甲基丙烯酰胺搭配作為活性單體較好。

2.5 偶聯(lián)劑對(duì)固化膠粘接強(qiáng)度的影響

表4是不同偶聯(lián)劑對(duì)固化膠粘接強(qiáng)度的影響。膠粘劑組成：UV預(yù)聚物55份，四氫呋喃丙烯酸酯20份，N,N-二甲基丙烯酰胺25份，偶聯(lián)劑1份，1-羥基環(huán)己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲?；交趸?份，納米二氧化硅3份。

γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷和γ-巰丙基三甲氧基硅烷對(duì)附著力的貢獻(xiàn)比較大，其中γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷的環(huán)氧基與PCB表面白色油墨層的親和力較好，因此可大幅提高粘接強(qiáng)度；而γ-巰丙基三甲氧基硅烷的巰基可以與油墨層反應(yīng)，也較大程度地提高了粘接強(qiáng)度。選擇γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷為UV膠的偶聯(lián)劑較適宜。

表3　不同稀釋劑單體對(duì)粘接強(qiáng)度的影響Tab.3 Effect of diluent monomers on bonding strength of UV curable adhesive

跌落次數(shù)（）偶聯(lián)劑γ-氨丙基三乙氧基硅烷　KH550 γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷（KH560）γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）乙烯基三乙氧基硅烷（A151）乙烯基三甲氧基硅烷（A171）N-β-（氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷（KH792）γ-巰丙基三甲氧基硅烷（KH590）透鏡推力/N 142.2 185.6 153.4 127.7 125.3 158.5 167.9 2 3 2 1 1 2 2

2.6 光固化膠的耐濕熱性能分析

UV膠基礎(chǔ)配方組成：UV預(yù)聚物55份，稀釋劑單體45份，γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷1份，1-羥基環(huán)己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲?；交趸?份，納米二氧化硅3份。UV膠1#：四氫呋喃丙烯酸酯20份，N,N-二甲基丙烯酰胺25份；UV膠2#：四氫呋喃丙烯酸酯35份，N,N-二甲基丙烯酰胺10份；UV膠3#：四氫呋喃丙烯酸酯25份，N,N-二甲基丙烯酰胺20份。圖4是UV膠1#、2#和3#經(jīng)過85 ℃，RH85%濕熱加速老化后，透鏡推力值變化的對(duì)比。

從圖4可以看出，2#的初始推力較小，經(jīng)濕熱老化后，透鏡推力變化較小，耐濕熱性能很好。1#和3#初始推力較大，但是經(jīng)過濕熱老化后，透鏡的推力變化較大，N,N-二甲基丙烯酰胺含量越高，濕熱老化推力衰減越嚴(yán)重。主要由于該單體上的氨基容易吸水，濕熱老化后吸水時(shí)粘接力下降。但是經(jīng)過長達(dá)1 200 h老化后，推力仍然大于100 N，性能達(dá)到使用要求，表明N,N-二甲基丙烯酰胺對(duì)推力的貢獻(xiàn)值大于吸濕的影響。

圖4　雙85濕熱老化后推力變化對(duì)比Fig.4 Comparison of lightbar lens' push force afterdouble 85 hygrothermal aging test

2.7 光固化膠的耐冷熱沖擊性能分析

圖5是UV膠1#、2#和3#經(jīng)過冷熱沖擊試驗(yàn)后，透鏡推力值變化的對(duì)比。1～3#UV膠的配方同2.6。從圖5可以看出，3個(gè)配方的UV膠推力值變化都是先變大，然后變小，最后逐漸穩(wěn)定。主要原因：UV膠固化時(shí)的體積收縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，在冷熱沖擊的加熱升溫階段中得到緩慢釋放，推力值因此變大。隨著冷熱沖擊的次數(shù)增加，其冷熱沖擊時(shí)膨脹收縮產(chǎn)生的應(yīng)力顯現(xiàn)出來，推力值緩慢變小，最后達(dá)到平衡，趨于穩(wěn)定[9]。圖5的結(jié)果表明1～3#UV膠耐冷熱沖擊性能優(yōu)異，主要得益于UV預(yù)聚物中聚丁二烯二醇軟段的緩沖作用。

圖5　冷熱沖擊老化后推力變化對(duì)比Fig.5 Comparison of lightbar lens' push force after temperature shock test

3　結(jié)論

以端羥基聚丁二烯、3-異氰酸酯基亞甲基-3,5,5-三甲基環(huán)己基異氰酸酯、丙烯酸羥乙酯為原料合成聚氨酯二丙烯酸酯預(yù)聚物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)聚物55份，四氫呋喃丙烯酸酯20份，N,N-二甲基丙烯酰胺25份，γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷1份，1-羥基環(huán)己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦1份，納米二氧化硅3份配制的UV膠，具有較佳的力學(xué)性能、粘接強(qiáng)度、耐濕熱和耐冷熱沖擊性能，可滿足LED電視背光源燈條透鏡的粘接要求。

參考文獻(xiàn)

[1]李秀真.超薄液晶電視用LED背光模組的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代顯示,2010,119(12):40-42,49.

[2]李秀真,郭金龍,楊東升.一種高亮背光組件的設(shè)計(jì)開發(fā)[J].現(xiàn)代顯示,2012,133(2):17-19,29.

[3]鐘運(yùn)平.大功率LED背光源液晶電視驅(qū)動(dòng)電源的研究[D].廣州:華中理工大學(xué),2013.

[4]陳用烈,曾兆華,楊建文.輻射固化材料及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[5]劉海濤,陳建生,薛紀(jì)東.UV固化膠輻射能量與固化深度的關(guān)系[J].粘接,2012,33(2):58-60.

[6]虞靜遠(yuǎn),虞鑫海,劉萬章,等.單組分環(huán)氧膠粘劑的研究現(xiàn)狀[J].粘接,2013,34(9):57-59,63.

[7]荊煦瑛,陳式棣,么恩云.紅外光譜實(shí)用指南[M].天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,1992.

[8]Sinka,Joseph V,Higbie,et al.Radiationhardenable diluents[P].US:4382135,1983.

[9]劉海濤.光固化三維打印快速成形材料的研究與應(yīng)用[D].武漢:華中科技大學(xué),2009.

Study on UV adhesive for LED lightbar lens bonding

LIU Hai-tao1,2
(1.Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co.,L td.,G uangzhou,G uangdong 510700,C hina;2.National Engineering and Research Center of Rubber and Plastic Sealing,G uangzhou,G uangdong 510530,C hina)

Abstract：The polyurethane di-acrylate was synthesized using hydroxyl-terminated polybutadiene-diol,I PDI and hydroxyethyl acrylate. Then the UV curable adhesive was prepared from the polyurethane di-acrylate, THFA, N,N-DMA, 2,3-epoxypropoxy propyltrimethoxysilicone, 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, 2,4,6-trimethyl benzoyl diphenyl phosphine oxide and fumed silica as the raw materials. The experiment results indicated that the UV curable adhesive had better mechanical properties, bonding performance and resistances to heat-humidity and temperature shock, and its comprehensive properties was able to meet the LED lightbar lens' bonding requirements.

Key words：UV curable adhesive; LED lightbar; lens; polyurethane acrylate; bonding

作者簡介：劉海濤（1978-），男，工學(xué)博士，高級(jí)工程師，學(xué)術(shù)帶頭人。主要研究方向：光固化樹脂與光固化膠。E-mail：htliu1@163.com。

收稿日期：2015-11-29

中圖分類號(hào)：TQ577.3+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2016）04-0031-05