粘接LED背光源透镜的UV胶研究

刘海涛（1.广州机械科学研究院有限公司，广东 广州 510700；2.国家橡塑密封工程技术研究中心，广东 广州 510530）



粘接LED背光源透镜的UV胶研究

刘海涛1，2
（1.广州机械科学研究院有限公司，广东 广州 510700；2.国家橡塑密封工程技术研究中心，广东 广州 510530）

LED电视由于具有节能、低电压工作、响应速度快、造价成本低等优点，成为目前市场的主流电视机。LED电视的关键核心器件之一是背光源灯条（lightBar），即LED灯条。它是将LED灯珠焊接在长条形的铝基板或PCB板上，然后将PC或PMMA透镜罩在LED灯珠上，透镜使灯珠发出的光均匀分布。透镜上的3个或4个引脚通过UV胶或单组分环氧胶固定在板上[1～3]。

用单组分环氧胶粘接透镜的主要缺点是环氧胶需要低温保存，贮存和运输不方便；固化时间需要3～5 min，生产效率低；而且需要在80～110 ℃左右固化，耗能严重。UV胶克服了以上缺点，并且使用成本更低，因此越来越多的生产厂家采用UV胶来粘接透镜[4～6]。

本文以端羟基聚丁二烯、3-异氰酸酯基亚甲基-3,5,5-三甲基环己基异氰酸酯、丙烯酸羟乙酯为原料合成聚氨酯二丙烯酸酯预聚物，以该预聚物为基础树脂配制UV胶，研究其力学性能、粘接强度、耐湿热和耐冷热冲击性能，并应用于LED电视背光源灯条的透镜粘接固定。

用于LED电视背光源灯条透镜粘接固定胶的主要性能指标如下：透镜在PCB板上的初始推力达到120 N以上；-40 ℃至80 ℃冷热冲击（-40 ℃保温30 min，然后升温至80 ℃保温30 min为1个循环），100个循环后，推力达到100 N以上；1.5 m自由落体3次不掉件；85 ℃、85%RH贮存1 000 h后，推力达到100 N以上。

1　实验部分

摘要：以端羟基聚丁二烯、3-异氰酸酯基亚甲基-3，5，5-三甲基环己基异氰酸酯、丙烯酸羟乙酯为原料合成聚氨酯二丙烯酸酯预聚物。以该预聚物和四氢呋喃丙烯酸酯、N，N-二甲基丙烯酰胺、γ-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷、1-羟基环己基苯基甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、纳米气相二氧化硅为原料配制UV胶，具有较佳的力学性能、粘接强度、耐湿热和耐冷热冲击性能，综合性能可满足LED背光源透镜粘接总体要求。

关键词：光固化胶粘剂；LED背光源；透镜；聚氨酯丙烯酸酯；粘接

1.1 原料

端羟基聚丁二烯（HTPB），Mn=2 000，日本曹达；3-异氰酸酯基亚甲基-3，5，5-三甲基环己基异氰酸酯（IPDI），德国拜耳；丙烯酸羟乙酯（HEA），日本三菱；二丁基锡二月桂酸酯（DBTDL），广州聚成兆业；对羟基苯甲醚，法国罗地亚；四氢呋喃丙烯酸酯、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸羟乙酯、已二醇二丙烯酸酯、二缩三丙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，美国沙多玛；N，N-二甲基丙烯酰胺，日本兴人；γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩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-巯丙基三甲氧基硅烷，佛山文泰化工；纳米二氧化硅，德国德固赛；1-羟基环己基苯基甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦，常州华钛化学。

1.2 预聚物合成

在装有温度计、搅拌器、抽真空装置的三口烧瓶中，加入计量的端羟基聚丁二烯，升温至100～115 ℃后真空脱水2～4 h。降温至40～50 ℃后停止抽真空，加入IPDI和DBTDL，快速搅拌，待温度稳定后，缓慢升温并控制温度为75～85 ℃反应2～3 h，取样测定游离异氰酸根（NCO）含量，当达到设计要求时，降温至40～50 ℃，加入丙烯酸羟乙酯和对羟基苯甲醚，缓慢升温至70～80 ℃反应2～3 h，降温出料，得到UV预聚物。

1.3 拉伸性能测试

光固化机为美国UVITRON公司Intelli-Ray 400全功能紫外固化机，将配制好的光固化胶倒入聚四氟乙烯模具（208 mm×94 mm×2 mm）中，在400 W金属卤素灯（主波长365 nm），光强60 mW/cm2下，正反面各固化30 s，然后用Ⅱ型试样裁刀截取试样。按照GB/T 1040—1992测试拉伸强度，拉伸速率100 mm/min。测试设备为SafQ-H10KL 10 kN台式万能材料试验机，测试样件状态调节参照GB 2918—1998，即温度保持在（23±2）℃，相对湿度保持在45%～55%。

1.4 推力测试和跌落测试

推力测试：透镜每个脚的点胶量为3 mg，每个透镜3个引脚，共施胶量9 mg。固化条件：400 W金属卤素灯固化10 s。推力计为日本力新宝FGJ-50测力计，最大量程500 N。推力方向与PCB板垂直，测试方法如图1所示。

图1　透镜推力测试方法Fig.1 Push force test method of lightbar lens

跌落测试：点胶量和固化条件同上。将一条有6个透镜的LED背光源灯条，水平放置在离地面1.5 m高处，自由落体跌落在大理石地面上，当有一个透镜从灯条上脱落时，则停止测试，计算未脱落前总共跌落的次数。

1.5 耐湿热性能测试

点胶量和固化条件同1.4。将固化好的LED背光源灯条，在高低温湿热试验箱中老化后，待灯条恢复室温后，按1.4方法测试推力。其中高温高湿的试验条件：85 ℃，RH85%，试验周期240、480、720、960、1 200 h。高低温湿热试验箱为广州五所环境仪器有限公司EL-04型。

1.6 冷热冲击测试

点胶量和固化条件同1.4。将固化好的LED背光源灯条，在高低温试验箱中老化后，待灯条恢复室温后，按1.4方法测试推力。其中冷热冲击试验条件：-40 ℃保温30 min，5 min内升温至80 ℃保温30 min，15 min内降温至-40 ℃，然后保温30 min。从-40 ℃至80 ℃为1个循环，试验周期20、40、60、80、100个循环。高低温试验箱为德国BINDER的BD240型。

图2　UV预聚物的化学结构示意图Fig.2 Chemical structure diagram of UV curable prepolymer

2　结果与讨论

2.1 预聚物的红外光谱分析

图2是用端羟基聚丁二烯、3-异氰酸酯基亚甲基-3,5,5-三甲基环己基异氰酸酯、丙烯酸羟乙酯为原料合成的UV预聚物化学结构示意图，图3是HTPB数均分子质量为2 000的聚氨酯二丙烯酸酯的红外光谱图。

图3　UV预聚物的红外光谱图Fig.3 Infrared spectrum of UV curable prepolymer

从图3可以看到，2 250 cm-1附近没有强的吸收峰，表明异氰酸酯基团反应完全。3 459 cm-1为N-H伸缩振动峰，1 506 cm-1为酰胺键中C-N的变形振动峰，表明反应过程中生成了氨基甲酸酯基团。1 651 cm-1、1 612 cm-1为C=C伸缩振动峰，796 cm-1为C=C-H的面外伸缩振动峰，表明双键接到预聚物中。2 947 cm-1、2 864 cm-1分别为—CH—和—CH中C-H的伸缩振动。1 731 cm-1为C=O的伸缩振动峰[7]。

2.2 稀释剂单体对固化胶拉伸性能的影响

UV胶固化后的拉伸性能直接影响胶粘剂内聚破坏时的粘接强度和韧性（抗跌落性能），其中拉伸强度对应粘接强度，伸长率对应韧性。不同稀释剂单体除影响UV胶的体积收缩率和粘接力以外，对UV胶固化后的拉伸性能也有很大的影响。表1是不同活性稀释剂单体对UV胶力学性能的影响。胶粘剂组成（以下均为质量份数）：UV预聚物55份，稀释剂单体45份，γ-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷1份，1-羟基环己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦1份，纳米二氧化硅3份。其中，单官能团单体网状结构少，拉伸强度低，伸长率高，如四氢呋喃丙烯酸酯、甲基丙烯酸羟乙酯；丙烯酸异冰片酯的玻璃化温度高一些，因此拉伸强度大一些；N,N-二甲基丙烯酰胺的刚性较大，同时有氢键作用，UV固化时容易形成规整结构，因此拉伸强度较大。二官、三官单体形成体型结构，拉伸强度高，伸长率低。聚醚结构的活性稀释剂（二缩三丙二醇二丙烯酸酯）柔韧性好，因此伸长率稍高[8]。

表1　不同稀释剂单体对UV胶固化后拉伸性能的影响Tab.1 Effect of diluent monomers on tensile properties of cured UV adhesive

2.3 气相二氧化硅用量对固化胶力学性能的影响

气相二氧化硅对力学性能的影响不大，少量增加拉伸强度，减少伸长率，主要是提高胶粘剂的触变性。表2是不同纳米二氧化硅用量对UV胶固化后力学性能的影响。胶粘剂组成：UV预聚物55份，四氢呋喃丙烯酸酯20份，N,N-二甲基丙烯酰胺25份，γ-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷1份，1-羟基环己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦1份，改变纳米二氧化硅用量。结果表明，二氧化硅含量高，则拉伸强度大，伸长率小。因为纳米二氧化硅少量补强，同时增加刚性。综合考虑，纳米二氧化硅选择3份的用量。

表2　纳米二氧化硅用量对UV胶固化后力学性能的影响Tab.2 Effect of fumed silica content on mechanical properties of cured UV adhesive

2.4 稀释剂单体对固化胶粘接强度的影响

不同稀释剂单体对固化胶粘接强度的影响见表3。胶粘剂组成：UV预聚物55份，稀释剂单体45份，γ-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷1份，1-羟基环己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦1份，纳米二氧化硅3份。N,N-二甲基丙烯酰胺、四氢呋喃丙烯酸酯和丙烯酸异冰片酯的粘接力较高，3种稀释单体都是单官能团单体，固化收缩率低，更有利于附着；其中N,N-二甲基丙烯酰胺、四氢呋喃丙烯酸酯对大部分塑料（包括PC、PMMA）具有较强的溶胀能力，可提高粘接力，适合于塑料和PCB表面白色油墨层的粘接[8]。四氢呋喃丙烯酸酯固化后偏软，抗跌落性能较好，但是推力较小；N,N-二甲基丙烯酰胺固化后偏硬，推力较大，但是抗跌落性能较差。综合考虑，选择四氢呋喃丙烯酸酯和N,N-二甲基丙烯酰胺搭配作为活性单体较好。

2.5 偶联剂对固化胶粘接强度的影响

表4是不同偶联剂对固化胶粘接强度的影响。胶粘剂组成：UV预聚物55份，四氢呋喃丙烯酸酯20份，N,N-二甲基丙烯酰胺25份，偶联剂1份，1-羟基环己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦1份，纳米二氧化硅3份。

γ-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷和γ-巯丙基三甲氧基硅烷对附着力的贡献比较大，其中γ-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷的环氧基与PCB表面白色油墨层的亲和力较好，因此可大幅提高粘接强度；而γ-巯丙基三甲氧基硅烷的巯基可以与油墨层反应，也较大程度地提高了粘接强度。选择γ-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷为UV胶的偶联剂较适宜。

表3　不同稀释剂单体对粘接强度的影响Tab.3 Effect of diluent monomers on bonding strength of UV curable adhesive

跌落次数（）偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷　KH550 γ-缩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-巯丙基三甲氧基硅烷（KH590）透镜推力/N 142.2 185.6 153.4 127.7 125.3 158.5 167.9 2 3 2 1 1 2 2

2.6 光固化胶的耐湿热性能分析

UV胶基础配方组成：UV预聚物55份，稀释剂单体45份，γ-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷1份，1-羟基环己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦1份，纳米二氧化硅3份。UV胶1#：四氢呋喃丙烯酸酯20份，N,N-二甲基丙烯酰胺25份；UV胶2#：四氢呋喃丙烯酸酯35份，N,N-二甲基丙烯酰胺10份；UV胶3#：四氢呋喃丙烯酸酯25份，N,N-二甲基丙烯酰胺20份。图4是UV胶1#、2#和3#经过85 ℃，RH85%湿热加速老化后，透镜推力值变化的对比。

从图4可以看出，2#的初始推力较小，经湿热老化后，透镜推力变化较小，耐湿热性能很好。1#和3#初始推力较大，但是经过湿热老化后，透镜的推力变化较大，N,N-二甲基丙烯酰胺含量越高，湿热老化推力衰减越严重。主要由于该单体上的氨基容易吸水，湿热老化后吸水时粘接力下降。但是经过长达1 200 h老化后，推力仍然大于100 N，性能达到使用要求，表明N,N-二甲基丙烯酰胺对推力的贡献值大于吸湿的影响。

图4　双85湿热老化后推力变化对比Fig.4 Comparison of lightbar lens' push force afterdouble 85 hygrothermal aging test

2.7 光固化胶的耐冷热冲击性能分析

图5是UV胶1#、2#和3#经过冷热冲击试验后，透镜推力值变化的对比。1～3#UV胶的配方同2.6。从图5可以看出，3个配方的UV胶推力值变化都是先变大，然后变小，最后逐渐稳定。主要原因：UV胶固化时的体积收缩产生的内应力，在冷热冲击的加热升温阶段中得到缓慢释放，推力值因此变大。随着冷热冲击的次数增加，其冷热冲击时膨胀收缩产生的应力显现出来，推力值缓慢变小，最后达到平衡，趋于稳定[9]。图5的结果表明1～3#UV胶耐冷热冲击性能优异，主要得益于UV预聚物中聚丁二烯二醇软段的缓冲作用。

图5　冷热冲击老化后推力变化对比Fig.5 Comparison of lightbar lens' push force after temperature shock test

3　结论

以端羟基聚丁二烯、3-异氰酸酯基亚甲基-3,5,5-三甲基环己基异氰酸酯、丙烯酸羟乙酯为原料合成聚氨酯二丙烯酸酯预聚物。实验结果表明，预聚物55份，四氢呋喃丙烯酸酯20份，N,N-二甲基丙烯酰胺25份，γ-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷1份，1-羟基环己基苯基甲酮3份，2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦1份，纳米二氧化硅3份配制的UV胶，具有较佳的力学性能、粘接强度、耐湿热和耐冷热冲击性能，可满足LED电视背光源灯条透镜的粘接要求。

参考文献

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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

作者简介：刘海涛（1978-），男，工学博士，高级工程师，学术带头人。主要研究方向：光固化树脂与光固化胶。E-mail：htliu1@163.com。

收稿日期：2015-11-29

中图分类号：TQ577.3+5

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2016）04-0031-05