耐高温粘结剂的制作方法

耐高温粘结剂


背景技术：

1.本公开涉及无机粘结剂，其具有某些特性，使其适合用于此类系统中使用的光学光转换装置，例如荧光轮。本公开的无机粘结剂在高达250℃的温度下保持增强的粘结强度。
2.有机粘合剂(例如，环氧树脂、聚氨酯、有机硅)广泛用于粘结。例如，在有机硅包覆荧光体(phosphor-in-silicone)产品中，将荧光粉混合到有机硅粘结剂或粘合剂中，然后以所需的图案分配或印刷。有机硅因其高透明度、高粘结强度、低折射率和适当的粘度而常用于金属、玻璃和其他材料的粘结。然而，有机硅粘结剂/粘合剂的热稳定性较差。在超过200℃的温度下，有机硅粘合剂会降解，开始变黄，并逐渐开始燃烧。在高亮度(例如，激光功率为200w)的应用中，荧光轮的工作温度预计一般超过200℃，因此不希望使用有机硅粘合剂。
3.因此，除了更高的耐温性(例如，高达250℃)之外，还希望提供一种无机粘结剂，该粘结剂表现出与有机粘结剂相同的理想特性
4.(即高透明度、高粘结强度、低折射率和适当的粘度)。这种无机粘结剂可以有利地用于各种应用，例如光隧道、投影显示系统和光学光转换装置，例如用于此类系统的荧光轮。


技术实现要素：

5.提供此概述是为了以简化的形式介绍一系列概念，这些概念将在下面的详细说明中进一步描述。本概述并非意欲确定要求保护的主题的关键因素或基本特征，也不意欲用于限制要求保护的主题的范围。
6.公开了无机粘结剂，其可用于光学光转换装置(例如荧光轮)的高反射率涂料中，或用作连接两个元件的粘合剂。所述无机粘结剂具有某些特性，使其特别适用于大功率照明系统。例如：在特定的实施方案中，无机粘结剂能够承受高温(例如，高达250℃)、具有高透光率(例如至少92％)、具有高拉伸剪切强度(例如在250℃时至少100psi)、可以通过柔性涂覆工艺(例如点胶、丝网印刷、喷涂)施加，并且具有低固化温度(例如小于200℃)。
7.在一个示例性实施方案中，提供了一种无机粘结剂，该无机粘结剂包括二氧化硅溶胶-凝胶溶液，该二氧化硅溶胶-溶胶溶液包括二氧化硅溶胶-凝胶和水、硅烷偶联剂、醇溶性溶剂和填料。
8.在另一个示例性实施方案中，提供了一种制造无机粘结剂的方法，该方法包括向容器中加入醇溶性溶剂和硅烷偶联剂，并将醇溶性溶剂和硅烷偶联剂混合，形成第一溶液(例如其可以是均匀的或不均匀的)，向第一溶液中加入二氧化硅溶胶-凝胶，并将二氧化硅溶胶-凝胶与第一溶液混合，形成第二溶液，向第二溶液中加入填料，并将填料和第二溶液混合，直到填料与第二溶液之间的任何化学反应完成，形成第三溶液，并从第三溶液中除去水。
9.为了实现上述和相关目的，以下描述和附图阐述了某些说明性方面和实施方案。
这些只是表明其中可以采用一个或多个方面的若干种不同方式。当结合所附附图考虑时，基于以下详细描述，本公开的其他方面、优点和新颖特征将是显而易见的。
附图说明
10.本发明所要求保护的物质可以在某些部件和部件的布置中采取物理形式，其优选实施方案将在说明书中详细描述并在构成本文一部分的附图中加以说明，并且其中：
11.图1是无机粘结剂的示例性实施方案的制造方法的流程图。
12.图2是可利用本文描述的粘结剂之一的光学光转换装置的示例性实施方案的示意图。
13.图3是图2的光学光转换装置的侧面剖视图，其可以使用本文描述的粘结剂之一。
具体实施方式
14.现在参照附图描述本发明所要求保护的主题，其中通常使用类似的附图标记来指代通篇中相同的元件。在下面的描述中，为了解释的目的，提及了许多具体细节，以提供对要求保护的主题的透彻理解。然而，显而易见的是，要求保护的主题可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他实例中，结构和装置以框图形式示出，以便于描述所要求保护的主题。
15.参考附图，类似的附图标记一样表示贯穿整个若干视图的相同或相应的部分。然而，在不同视图中包含类似元件并不意味着给定实施方案必然包括此类元件或要求保护的主题的所有实施方案都包括此类元件。这些示例和数字仅供说明，并不意味着限制要求保护的主题，通过权利要求的范围和主旨来判定所述要求保护的主题。
16.光转换应用中使用的粘结剂/粘合剂材料直接影响光转换的效率和质量。这些材料可能暴露在高温下，使得光转换装置的寿命直接受到粘结剂热稳定性的影响。因此，一种具有高热稳定性，同时表现出其他有利特性(例如具有高粘结强度和高透明度)的材料是光转换应用的理想选择。
17.有机粘结剂(如有机硅、环氧树脂和聚氨酯)通常用于光转换设备，因为它们具有高透明度和粘结强度。然而，这些材料也表现出低热稳定性，导致在引入超过200℃的温度的情况下材料降解，开始变黄并逐渐燃烧。在高亮度的应用中(例如，激光功率约为200w)，光转换装置的工作温度可能达到大于200℃的温度，使得有机粘结剂不适合长期方案。
18.在本公开的示例性实施方案中，提供了一种无机粘结剂，其能够承受高温(例如大于250℃)、具有高透光率特性(例如，至少92％)、并且具有高拉伸剪切强度(例如在250℃时至少100psi)。在这方面，在一些实施方案中，粘结剂可以通过柔性涂覆工艺(例如点胶、丝网印刷、喷涂、溅射)施加，并且具有低固化温度(例如小于200℃)。
19.在一些实施方案中，示例性无机粘结剂可包含酸性纳米胶体二氧化硅(例如具有4至5的ph值的纳米二氧化硅溶胶-凝胶)。二氧化硅溶胶-凝胶是一种无味、无毒的胶体，使用分散在水中的sio2纳米颗粒形成，其分子式为msio2.nh2o，并且，在该实施方案中，包含4至5的微酸性ph值。
20.例如，二氧化硅溶胶-凝胶是解决耐高温问题的良好选择，因为二氧化硅溶胶-凝胶是一种无机材料，可以在低于200℃的温度下固化。然而，二氧化硅溶胶-凝胶可能不适合
直接用作粘结剂，因为它与铝、荧光物质、玻璃、陶瓷和其他目标材料的粘结强度低。此外，由于溶剂蒸发，二氧化硅溶胶-凝胶很容易开裂、变形或以其他方式显示出不希望的物理性质。此外，与有机硅胶相比，二氧化硅溶胶-凝胶的弹性较差。
21.在一个方面，如本文所述，可以通过添加硅烷偶联剂和/或其他填料来对二氧化硅溶胶-凝胶进行改性，以改善粘结稳定性和物理性能。然而，当将硅烷偶联剂和/或其他填料添加到二氧化硅溶胶-凝胶中时，所得产物可能具有不稳定的粘度，这可能是由硅烷偶联剂的连续化学反应引起的。因此，这种溶胶-凝胶粘结剂的粘度会随着时间的推移而增加，并且/或溶胶-凝胶粘结剂在室温下可能会迅速固化并在短时间内变成二氧化硅。例如，硅烷偶联剂可包括三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷、硅酸四甲酯、硅酸四乙酯或其组合。
22.在这方面，可以通过调节和控制ph值以及通过适当的材料选择来开发理想的二氧化硅溶胶-凝胶基粘结剂。例如，可以将硅烷偶联剂如mtms[三甲氧基甲基硅烷(mtms)]作为合成用于毛细管液相色谱(例如离子凝胶，其中离子液体被限定在二氧化硅衍生的网络中)的、具有不同骨架尺寸的硅胶整体柱的理想前体而添加到二氧化硅溶胶-凝胶中以提高粘结强度。在本实施例中，添加mtms后，得到的溶胶-凝胶基粘结剂还展示了良好的透光率和成膜性能。在生产过程中，ph值可以调节到4至5，以减轻msts和填料引起的不稳定粘度，通过调节ph值，得到了在4℃下形成保质期为3至6个月的溶胶-凝胶胶，这意味着化学反应在室温下是缓慢的。
[0023]
然而，在这一方面，含有硅烷偶联剂的二氧化硅溶胶-凝胶粘结剂可以是脆性的并且容易开裂。在一些实施方案中，可以将一种或多种填料添加到溶胶-凝胶基粘结剂中，以提高所得薄膜的韧性。例如，填料可以包括一种或多种类型，包括但不限于微米/纳米氟化钙、微米/纳米氟化镁、微米/纳米石英、微米/纳米低熔点玻璃粉、气相二氧化硅、硅酸钠、羟基改性聚合物树脂、羟基改性硅树脂、硅烷扩链剂、羟基改性硅油、teos和水溶性聚合物树脂。此外，可以通过使用旋转蒸发器和/或添加高沸点溶剂来缓解低粘度或溶剂挥发性的潜在问题。
[0024]
在这方面，例如溶胶-凝胶基粘结剂的所得产品可以在约250℃的温度下具有改进的性能。此外，溶胶-凝胶基粘结剂的粘度可以更稳定，具有高透光率、改进的成膜性能和更长的储存寿命。
[0025]
在一个方面，如本文所述，可以将溶剂添加到溶胶-凝胶基粘结剂中，以促进偶联剂在溶胶-凝胶基粘结剂内的均匀覆盖。所得的溶胶-凝胶基粘结剂可能具有更高的粘附强度。溶剂可以是任何合适的溶剂，例如醇溶性溶剂。在一些实施方案中，醇溶性溶剂是乙醇、异丙醇、乙二醇、丙二醇或其组合。
[0026]
参见图1，无机粘结剂可以按附图标记10所示的一系列步骤制造。在一个实施方案中，如20所示，可将0克至1000克份的溶剂和0.5克至1000克份的偶联剂混合在容器中。混合可以在约4℃至约20℃的温度下进行，优选在10℃至约20℃的温度下进行约2分钟至30分钟。在一些实施方案中，可以混合溶液至少直到溶液是溶剂和偶联剂的均匀混合物。然而，在其他实施方案中，无论溶液是否均匀，溶液可能仅混合所需时间以得到所需的溶液。应当理解，时间和温度可以根据溶剂和偶联剂的量和类型进行调整。例如，溶剂可包含一种或多种低沸点(例如，《150℃)溶剂，例如水、乙醇、异丙醇；以及高沸点溶剂(例如，》150℃)，例如乙二醇和丙二醇。此外，作为示例，偶联剂可包含硅酸四甲酯、硅酸四乙酯、三甲氧基硅烷
组、三乙氧基硅烷组中的一种或多种。
[0027]
另外，在该实施例的粘结剂生产方法中，如标记22处所示，可以将约100克份ph值为4至5的酸性纳米二氧化硅溶胶-凝胶(如yuda chemical的hs-25或ludox’has胶体二氧化硅)添加到溶剂和偶联剂的溶液中。在约4℃至约20℃的温度下，优选在10℃至约20℃下，所述二氧化硅溶胶-凝胶可与溶剂和偶联剂的溶液混合约1小时至约3小时。应该理解的是，可以根据溶剂、偶联剂和二氧化硅溶胶-凝胶的量和类型调整时间和温度。
[0028]
此外，如标记24处所示，可以将填料添加到混合溶剂、偶联剂和二氧化硅溶胶-凝胶溶液中。作为实例，填料可以包括一种或多种微米/纳米氟化钙、微米/纳米氟化镁、微米/纳米石英、微米/纳米低熔点玻璃粉、气相二氧化硅(如在火焰中产生的、熔融成树枝状的无定形二氧化硅的微滴聚集成更大的颗粒)、硅酸钠、羟基改性聚合物树脂、羟基改性硅树脂、硅烷扩链剂、羟基改性硅油、teos[原硅酸四乙酯，正式名称为四乙氧基硅烷，化学式si(oc2h5)4，是一种在水中降解的无色液体]和水溶性聚合物树脂。在添加0克至500克份填料后，溶剂、偶联剂、二氧化硅溶胶-凝胶和填料的溶液可以在约4℃至约20℃的温度下混合、优选在10℃至约20℃的温度下混合约2小时至约48小时，至少直到填料与溶液基本完全反应以形成无机粘结剂的前体。应当理解，可以根据溶剂、偶联剂、二氧化硅溶胶-凝胶和填料的量和类型以及所得前体的所需条件和/或稠度调整时间和温度。
[0029]
在如标记28处所示的实施方案中，可以通过任何合适的方式测试前驱体溶液的ph值，并且可以根据需要进行调整以满足ph值为4至5，例如通过向溶液中添加酸或碱。酸是ph小于7的溶液，而碱是ph大于7的溶液。在一个实施例中，如果ph值大于约4.5，则可以加入碱，例如氢氧化钠(naoh)，直到溶液的ph值达到约4.5。如果溶液的ph值小于约4.5，可以加入酸，如盐酸(hcl)，直到溶液的ph值达到约4.5。
[0030]
在一些实施方案中，旋转蒸发器设备可用于促进除去至少一些在无机粘结剂222中的添加溶剂。例如，旋转蒸发器通过蒸发从溶液中去除溶剂。在一些实施方案中，旋转蒸发器设备可用于从无机粘结剂中除去具有低沸点(例如，小于150℃)的溶剂。例如，溶剂的去除可产生具有所需粘度的无机粘结剂，例如允许适当地应用探测器(finder)，减轻粘结剂目标材料的沉降，并提供所施加粘结剂的稳定性。
[0031]
参见图2和图3，提供了一种光转换装置200，该装置利用无机粘结剂将激发光123转换为发射光124。激发光123是输入光、或由基于激光的照明源或其他光源产生的光。激发光123从光源传输并指向光转换装置200，该光转换装置通过将激发光123的波长转换为发射光124的波长，将激发光123转换为发射光124，然后将发射光124反射回激发光123的光源。因为发射光124具有与激发光123不同的波长，所以发射光123具有与激发光124不同的颜色。
[0032]
例如，波长约为440nm至约460nm的蓝光激光器可用作光源。当蓝光作为激发光123暴露于光转换装置200时，产生的发射光可以是红色(波长为约780nm至约622nm的光)、绿色(波长为约577nm至492nm的光)或黄色(波长为约597nm至约577nm的光)。
[0033]
当激发光123撞击光转换装置200时，光转换装置200的温度升高。在正常工作条件下，约50％至60％的激发光123转化为热量，而其余部分则转化为发射光124。在激发光123具有高水平亮度(例如，激光功率为200w)的应用中，光转换装置200可以达到超过200℃的温度。在这些温度下，热稳定性差的光转换器件开始降解、变黄，并逐渐开始燃烧。这会影响
发射光124的强度、颜色质量以及光转换装置200的寿命。
[0034]
在本公开的一些实施方案中，提供了具有高热稳定性的光转换装置200。光转换装置200包含三层：基板210、反射层220和荧光层230。反射层220位于基板210和荧光层230之间。当暴露在激发光123下时，荧光层230中的荧光物质被激发并产生发射光124。发射光124然后被反射层220反射掉。
[0035]
在一些实施方案中，光转换装置200的基板210是具有高导热性的金属，例如铝或铝合金、铜或铜合金、或具有高导热性的另一种金属。基板210也可以由玻璃、蓝宝石或金刚石制成。基板210具有相对的表面，其中至少一个这样的表面具有可与反射层220结合的表面。
[0036]
通过点胶、喷涂、丝网印刷将反射层220直接施加到基板210的表面上。在一些实施方案中，反射层220由折射颗粒221、溶剂和无机粘结剂222制成。折射颗粒221可以具有约0.1μm至约150μm的尺寸，并且可以由任何合适的物质制成，例如氧化钛(tio2)。溶剂可以由任何合适的物质制成，例如丙二醇。在一些实施方案中，折射颗粒221、溶剂和无机粘结剂222的比率为5:1:2。反射层220具有相对的表面，一个结合到基板210，而另一个可以结合到荧光层230。
[0037]
在其他实施方案中，在一系列步骤中将反射层220直接喷涂到基板210上。首先将所需量的折射颗粒221、溶剂和无机粘结剂222混合以形成混合物。然后将混合物喷涂到基板上作为第一层，并在60℃的温度下静置约30分钟。接下来，在约150℃下固化第一层约20分钟。然后通过将混合物喷涂到第一层上来施加混合物的第二层。第二层是分步固化的(step cured)，首先在约60℃的温度下固化约30分钟，然后在约150℃的温度下固化约20分钟，最后在约180℃的温度下固化约1小时。
[0038]
通过点胶或丝网印刷将荧光层230直接施加在反射层220的表面上。在一些实施方案中，荧光层由荧光粉、溶剂、分散剂和无机粘结剂制成。荧光粉可以由粒径为约10μm至约30μm的荧光粉制成，并且可以由任何合适的物质制成，例如钇铝石榴石(yag)、硅酸盐和氮化物。溶剂可以由任何合适的物质制成，例如丙二醇。分散剂可以由任何合适的物质制成，例如气相二氧化硅等。在一些实施方案中，荧光粉、溶剂、分散剂和无机粘结剂的比率为10:1:0.3:3。
[0039]
在其他实施方案中，在一系列步骤中通过丝网印刷将荧光层230直接施加反射层220上。首先将所需量的荧光粉、分散剂、增稠剂和无机粘结剂混合以形成混合物。然后将混合物丝网印刷在反射层220上。将混合物进行分步固化，首先在约150℃的温度下固化约20分钟，最后在约180℃的温度下固化约1小时。
[0040]
本文引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利，均通过引用的方式整体并入本文，如同每个参考文献单独且具体地表明其被通过引用的形式并入本文、且在本文中(在法律允许的最大范围内)作为整体进行说明相同的程度，无论本文其他地方是否提供了特定文件的单独并入。
[0041]
除非另有说明，否则本文提供的所有精确数值均代表相应的近似值(例如，关于特定因数或测量值而提供的所有精确示例性值可被认为也提供相应的近似测量值，在适当的情况下由“约”修饰)。所有提供的值范围都旨在包括所述范围的端点以及端点之间的值。
[0042]
此处引用和并入的专利文件仅为方便起见，并不反映对此类专利文件的有效性、
可专利性和/或可实施性的任何观点。
[0043]
本文所描述的发明概念包括在适用法律允许的情况下，在所附权利要求和/或方面中所述主题的所有修改和等同方式。

技术特征：
1.一种无机粘结剂，包括：二氧化硅溶胶-凝胶溶液，所述二氧化硅溶胶-凝胶溶液包括二氧化硅溶胶-凝胶和水；硅烷偶联剂；醇溶性溶剂；和填料。2.根据权利要求1所述的无机粘结剂，其中所述二氧化硅溶胶-凝胶是纳米酸性的并且具有约4至5的ph值。3.根据前述权利要求中任一项所述的无机粘结剂，其中所述硅烷偶联剂包括三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷、硅酸四甲酯和硅酸四乙酯中的一种或多种。4.根据前述权利要求中任一项所述的无机粘结剂，其中所述醇溶性溶剂包括水、乙醇、异丙醇、乙二醇和丙二醇中的一种或多种。5.根据前述权利要求中任一项所述的无机粘结剂，其中所述填料包括羟基改性硅树脂、羟基改性聚合物树脂、微米/纳米氟化钙、微米/纳米氟化镁、微米/纳米石英、微米/纳米低熔点玻璃粉、气相二氧化硅、硅酸钠、硅烷扩链剂、羟基改性硅油、原硅酸四乙酯和水溶性聚合物树脂中的一种或多种。6.根据前述权利要求中任一项所述的无机粘结剂，其中所述二氧化硅溶胶-凝胶溶液、硅烷偶联剂、醇溶性溶剂和填料的ph值约为4.5。7.一种制造无机粘结剂的方法，包括：将醇溶性溶剂和硅烷偶联剂加入容器中，并将所述醇溶性溶剂和所述硅烷偶联剂混合，形成第一溶液；向所述第一溶液中加入二氧化硅溶胶-凝胶，并将所述二氧化硅溶胶-凝胶与所述第一溶液混合，形成第二溶液；向所述第二溶液中加入填料，并将所述填料和所述第二溶液混合，直到所述填料与所述第二溶液之间的任何化学反应完成，形成第三溶液；并从所述第三溶液中去除多余的水。8.根据权利要求7所述的方法，其中在4℃至约20℃、优选在10℃至20℃下混合所述醇溶性溶剂和所述硅烷偶联剂约2分钟至30分钟。9.根据权利要求7或8所述的方法，其中在4℃至约20℃、优选在10℃至约20℃下混合所述二氧化硅溶胶-凝胶和所述第一溶液约1小时至约3小时。10.根据权利要求7至9所述的方法，其中在4℃至约20℃、优选在10℃至20℃下混合所述填料和所述第二溶液约2小时至约48小时。11.根据权利要求7至10所述的方法，其中所述二氧化硅溶胶-凝胶是纳米酸性的并且具有约4至5的ph值。12.根据权利要求7至11所述的方法，其中所述硅烷偶联剂包括三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷、硅酸四甲酯和硅酸四乙酯中的一种或多种。13.根据权利要求7至13所述的方法，其中所述醇溶性溶剂包括水、乙醇、异丙醇、乙二醇和丙二醇中的一种或多种。14.根据权利要求7至14所述的方法，其中所述填料包括羟基改性硅树脂、羟基改性聚合物树脂、微米/纳米氟化钙、微米/纳米氟化镁、微米/纳米石英、微米/纳米低熔点玻璃粉、
气相二氧化硅、硅酸钠、硅烷扩链剂、羟基改性硅油、原硅酸四乙酯和水溶性聚合物树脂中的一种或多种。15.根据权利要求7至11所述的方法，其中在从所述第三溶液中去除水之前，测试所述第三溶液的ph并将其调节至4.5的值。

技术总结
本文公开了用二氧化硅溶胶-凝胶制成的无机粘结剂，以及制造该无机粘结剂的方法。公开了在光转换系统(包括荧光轮)中使用无机粘结剂的技术和系统。具有无机粘结剂的荧光轮能够承受高温、具有高透光率、具有高拉伸剪切强度，可以通过柔性涂覆工艺进行应用，并且固化温度低。低。低。


技术研发人员：张文博 梁安生
受保护的技术使用者：美题隆精密光学（上海）有限公司
技术研发日：2020.09.30
技术公布日：2023/7/13