户外LED灯具材料防水技术分析论文

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1热胀冷缩

灯具外壳热胀冷缩：气温的变化导致灯具的热胀冷缩，不同材质（如玻璃和铝型材）的线胀系数不同，两种材质在结合处会出现位移。热胀冷缩过程不断重复，相对位移也不断重复，对灯具气密性破坏很大。内部空气热胀冷缩：广场地面上经常能观察到地埋灯玻璃上的水滴凝露，而水滴是如何渗入充满灌封胶的灯具内呢？这就是热胀冷缩时呼吸作用的结果。例如，当温度从60℃降到10℃时，灯具内部气压变化量约为：1－(273＋60)K／(273＋10)K=－0.18atm=－1.86m水柱温度升高，在巨大的负压作用下，潮湿空气通过灯体材料上的微小缝隙，渗透到灯体内部后，遇到温度较低的灯具外壳，冷凝成水珠并聚集。温度降低后，在正压的作用下，空气从灯体内排出，但水滴仍附着在灯内。每天重复温度变化的呼吸过程，灯具内部积水越来越多。热胀冷缩的物理变化，使户外led灯具防水气密性的设计成为复杂的系统工程。下面就两种灯具防水体系的技术特点进行分析，以便了解其优缺点。

2关于结构防水

基于结构防水设计的灯具，需紧密配合硅胶密封圈防水，外壳结构比较精密和复杂，通常适用于尺寸较大的灯具，譬如条形泛光灯、方形和圆形投光灯等中、大功率灯具。结构防水灯具仅做纯机械结构组装，使用工具简单，装配工序和流程少，总装周期短，生产线上返修方便快捷。灯具通过电性能及防水测试，即可包装发货，适用于供货周期短的工程项目。但结构防水设计的灯具机加工要求较高，各部件尺寸须精密配合。只有合适的材料和构造，才能保证其防水性能，下述几个设计要点。（1）设计硅胶防水圈，选择硬度合适的材料，设计合适的压强，其截面形状也非常关键。电缆引入线是渗水的通道，需选择防水电线，而使用强力的电缆防水固定头（PG头），可阻止水汽从电缆线芯缝隙中渗透，但前提是电线绝缘层在PG头长期的强力挤压下不老化不开裂。（2）常温下，玻璃的线胀系数约7.2×10-6m/(m•K)，铝合金约23.2×10-6m/(m•K)，两者差异较大。灯具外尺寸较大时须认真考虑。假设灯具长度为1000mm，白天外壳温度为60℃，下雨或夜晚气温降至10℃，温度下降50℃，玻璃和铝型材会分别收缩0.36mm和1.16mm，相对位移为0.8mm，密封元件在重复性的位移过程中反复拉扯，影响气密性。（3）很多中、大功率的户外LED灯具可安装防水透气阀（呼吸器）[2]，利用呼吸器中分子筛的防水透气功能，平衡灯具内外气压，消除负压，防止吸入水汽，保证灯具内部干燥。这种经济有效的防水器件，能提高原结构设计的防水能力。但呼吸器不适合地埋灯、水底灯等经常泡水里的灯具。灯具结构防水的长期稳定性，与其设计、所选材料的性能、加工精确度、装配技术等密切相关。若薄弱环节出现变形并渗水，对LED及电子器件将造成不可逆的损害，且这种情况在出厂检验过程中很难预测，具有突发性。因此，提高结构防水型灯具的可靠性，需要继续改良防水技术。

3关于材料防水

3.1灌封胶水

随着防水材料技术的发展，各种类型和品牌的灯具专用灌封胶不断出现，例如，改性环氧树脂[3]、改性聚氨酯树脂、改性有机硅胶[4]等。化学配方不同，灌封胶的弹性、分子结构稳定性、附着力、抗UV、耐热性、耐低温、憎水性、绝缘性能等物理化学性能指标表现各异。弹性：胶体柔软，弹性模量较小，则适应性更好。其中改性有机硅胶弹性模量最小。分子结构稳定性：在UV、空气和高低温长期作用下，材料化学结构稳定，不老化不开裂。其中以改性有机硅胶最稳定。附着力：附着力强则不易剥离，其中改性环氧树脂的附着力最强，但化学结构稳定性较差，容易老化开裂。憎水性：表示胶体抗渗水的能力。其中改性有机硅胶憎水性较好。绝缘性：绝缘关系到产品安全指标，以上几种材质的专用灌封胶都不错。从以上各理化性能综合来看，以改性有机硅材料表现最佳。

3.2密封粘胶

密封胶通常是管状包装，适合打胶施工，一般用于电线端头、外壳结构件间接缝的粘结和密封。常用单组分配方，常温下与空气水汽产生反应，自然凝固。特别注意：部分灯具生产厂使用建筑用的中性幕墙胶，而非专业电子密封胶，容易分解出有害物质，损害灯具。某些类型的灌封胶和密封胶在凝固过程中，会分解出少量化学液体或气体，如灯珠旁的胶体分解物对灯珠荧光粉的损害，导致色温漂移，或侵害LED芯片，或分解出与透明PC塑料发生化学反应、破坏PC结构的物质，等等。这是胶体应用中潜在的危害，设计时必须向胶体制造商充分了解其化学和物理性能，并测试验证。密封胶在灯具外壳结构的粘结密封中，受热胀冷缩影响最大，特别是大型灯具，不同材料的线胀系数差异较大，热胀冷缩不断拉扯，极易出现裂缝。因此，材料防水设计的防水能力主要靠电路板灌封。材料防水的生产工艺流程较长，1个灌胶凝固周期需要24h，有些产品设计较复杂，甚至需要2~3个灌胶周期，导致出货周期较长，大量占用生产场地，而且生产环境较脏。胶体凝固后产品返修很麻烦。材料防水灯具的结构设计无需太精密，只要设计预留出胶体灌封区域，液体不外漏即可，其防水性能很直观。因此，材料防水工艺较适合小型户外灯具，室内防潮灯具。通常在低端和廉价的公模产品中大量应用。如软灯带、小型条形灯、地埋灯等小型灯具。

4结语

无论结构防水还是材料防水，对于户外灯具长期工作稳定、低故障率的需求，单一的防水设计很难达到极高的可靠性，渗水的潜在隐患仍然存在。因此，高端户外LED灯具的设计，建议灵活运用防水技术，把结构防水与材料防水技术的优点结合起来，扬长避短，以保证LED电路长期稳定工作。如材料防水设计，可加入呼吸器消除负压。而结构防水设计，也可考虑增加灌封，双重防水保护，提高户外灯具长期使用的稳定性，降低受潮故障率。

作者：黄彤光 单位：广州中大中鸣科技有限公司