Полиуретановые герметики: усиленная защита светодиодов в сложной окружающей среде

24 September 2019

Ирина Буданова, руководитель отдела маркетинга ООО «ПРОТЕХ», pr@protehnology.ru

За минувшие 10 лет распространение светодиодов в домашнем и коммерческом освещении увеличилось в геометрической прогрессии благодаря широкому спектру применений и специальных функций, которые просто не могут иметь системы накаливания и люминесцентные лампы. А повышение эффективности светодиодов привело к значительному увеличению их срока службы, который теперь намного больше, чем у традиционных технологий систем накаливания и люминесцентного освещения.

Полиуретановые герметики: усиленная защита светодиодов в сложной окружающей среде

Потенциальная экономия энергии, которая может быть достижима с помощью светодиодов, бесспорно повлияла на получение мирового признания этой сравнительно новой технологии. Однако низкое энергопотребление является лишь одним из преимуществ, доступных при использовании светодиодов. Благодаря своим физическим характеристикам, то есть небольшим размерам и относительно малому весу, они расширили границы возможностей как для систем освещения, так и для световых эффектов. Это принципиально изменило нашу концепцию применения светодиодов как простой замены лампы в помещении на разноцветные, эстетически привлекательные осветительные приборы с опциями для некоторых действительно сложных условий окружающей среды.

Растущее разнообразие и сложность приложений создает новые проблемы с точки зрения защитных материалов, и пользователям требуется самый высокий уровень производительности. Защитные материалы должны обеспечивать работу светодиодов во всех средах, будь то внутреннее применение в Европе, уличное освещение в Индии или подводное освещение в Австралии. Светодиоды представляют собой чувствительные электронные компоненты, им часто требуется дополнительная защита от механических повреждений, влаги и других воздействий окружающей среды.

В последние несколько лет использование герметизирующей смолы для защиты светодиодов становится все более распространенным явлением. Выбор смолы зависит от ряда различных факторов; вязкость смешанной системы, полезный срок службы и время гелеобразования для жидкости, а также твердость, плотность, цвет и рабочая температура отвержденной смолы. При непосредственной защите светодиода имеется ряд существенных факторов; ключевым из них является прочность материала, применяемого для обеспечения максимального использования светового потока от светодиода. Кроме того, следует учитывать любые потенциальные изменения в течение срока службы светодиода.

Компания Electrolube разработала ряд полиуретановых герметизирующих смол, удовлетворяющих ряду требований к свойствам, которые были оптимизированы для рынка светодиодной герметизации. Двухкомпонентные (2К) системы смол предназначены для обеспечения простоты обращения и потока (рис. 1), позволяя жидкой смоле течь в корпус и вокруг светодиодов, но при этом они будут реагировать с образованием сшитого прочного полимера, защищающего от воздействия агрессивной окружающей среды.

Рис. 1. Двухкомпонентная система смол Electrolube 2К300
Рис. 1. Двухкомпонентная система смол Electrolube 2К300

Полиуретановые смолы доступны в различных упаковках разного размера и предназначены как для ручного, так и для машинного смешивания и дозирования. Для работы с небольшим объемом или прототипом часто ручное смешивание становится лучшим вариантом. Для серийного производства машинное применение сегодня считается предпочтительным методом, поскольку позволяет производить постоянно смешанную смолу, независимо от оператора машины и установки, куда наносится смола. Конечно, машинный метод наиболее экономичный способ нанесения смолы, и есть ряд производителей, способных предложить подходящее оборудование в соответствии потребностями клиента.

Существует несколько важных моментов, о которых следует помнить при заливке светодиодов (рис.2). Например, важно учитывать геометрию корпуса и любые другие элементы, в частности, линзы.

Рис. 2. Геометрия светодиодного корпуса
Рис. 2. Геометрия светодиодного корпуса

Смешанная смола обтекает любые препятствия на своем пути, однако если имеются подрезы или выступы, они потенциально способны задерживать воздух, что во время отверждения может привести к плохой адгезии или к образованию пузырьков. Если большой объем смолы должен быть помещен в одну емкость, то желаемое количество целесообразно заливать в два или три заряда, или выстрела – это учитывает любую усадку смолы и помогает минимизировать объем захваченного воздуха. Кроме того, поэтапный подход позволяет использовать вторую смолу, которая может быть непрозрачным или окрашенным слоем, чтобы придать устройству желаемые оптические эффекты.

Оптические свойства отвержденной смолы были тщательно проверены, таким образом можно гарантировать, что смолы максимально сохраняют цветовые характеристики светодиода. После измерения цветовой температуры светодиода было обнаружено наличие температурного сдвига, пропорционального глубине слоя смолы, нанесенного поверх светодиода. Однако смещение цвета можно контролировать тщательным выбором типа смолы и глубины, на которую она наносится.

Итак, здесь мы в основном обсуждали сам светодиод как наиболее «видимый» для покупателя элемент осветительного устройства, но есть и другие компоненты, которые также полезно заключать в полимерную оболочку, чтобы расширить их срок службы. К ним относятся трансформаторы, датчики, конденсаторы и резисторы. Для этих компонентов существует широкий ассортимент продуктов для герметизации и терморегулирования, специально разработанных для увеличения срока службы всего блока. Для определенных применений, таких как аварийное освещение, освещение в туннелях и взрывоопасных средах, можно использовать огнезащитные смолы для герметизации агрегатов в соответствии с требованиями ATEX.

Рис. 3. Примеры использования смол Electrolube в светодиодных светильниках
Рис. 3. Примеры использования смол Electrolube в светодиодных светильниках

Ассортимент оптически прозрачных смол для светодиодов создан на основе полиуретана (рис. 3). Полиуретановые смолы не только хорошо защищают светодиоды в различных средах, но и адаптируются для предоставления дополнительных преимуществ, таких как пигментированные системы, используемые для покрытия печатной платы. Они используются для предоставления печатной платы, предлагая эстетически приятную отделку и улучшая характеристики светильника, отражая свет от печатной платы и увеличивая светоотдачу. Количество световой энергии, которую может генерировать один светодиод, относительно низкое, следовательно, необходимо сгруппировать несколько устройств, чтобы получить желаемый свет. Существует несколько способов достижения нужного цвета либо с помощью белых светодиодов, излучающих свет в широком диапазоне длин волн, либо с использованием светодиодов, которые излучают свет в более дискретном диапазоне длин волн. Комбинируя несколько светодиодов разного цвета, удается сформировать широкую цветовую палитру.

Помимо продуктов с высокой прозрачностью, полужесткие полиуретановые смолы UR5635 и UR5634 разработаны компанией Electrolube специально для производителей светодиодного освещения, чтобы обеспечить дополнительный высокий уровень защиты их изделий. Например, UR5635 обладает эффектом рассеивания мутного/облачного света, потенциально устраняя потребность в крышках диффузоров (рис. 4). «Облачный» внешний вид обеспечивает эффект рассеивания теплого света, благодаря которому данный материал успешно применяется для светодиодов как декоративных, так и в защитных целях. Материал UR5634 обеспечивает прозрачность воды и светодиода при их заливке и чрезвычайно устойчив к ультрафиолетовому излучению, что делает его особенно полезным в качестве герметика для наружных светодиодов и для приложений, подверженных воздействию прямых солнечных лучей.

Рис. 4. Полужесткая полиуретановая смола Electrolube UR5635
Рис. 4. Полужесткая полиуретановая смола Electrolube UR5635

Для того чтобы свести к минимуму вероятность пожелтения под воздействием ультрафиолета, все полиуретановые смолы содержат алифатический изоцианат, который был тщательно выбран для обеспечения оптимальной долгосрочной стабильности и по классификации имеет одну из самых низких степеней опасности. Поскольку максимальная рабочая температура смолы на основе полиуретана составляет +130°C, для более высоких температур предназначена оптически прозрачная силиконовая смола, выдерживающая нагрев до +200°C.

Устойчивость к ультрафиолетовому излучению имеет ключевое значение при рассмотрении полиуретановых защитных систем для светодиодов, и чтобы проверить это компания Electrolube испытала на устойчивость к атмосферным воздействиям ряд герметизирующих смол. Тестирования проводились в соответствии с ISO 4892, часть 3, цикл 1 «Методы воздействия пластика на лабораторные источники света» и выполнялись в тестере ускоренного атмосферного воздействия QUV SE. После 1000 ч выдержки результаты показали, что оптически прозрачные полиуретановые и силиконовые смолы UR5634 и SC3001 обладают превосходной устойчивостью к ультрафиолетовому излучению, сохраняя свою прозрачность на протяжении всего периода испытания. Интенсивность воздействия может варьироваться в зависимости от географического положения, поэтому важно установить правильное ускоренное время воздействия для конкретного региона. Например, этот тест примерно эквивалентен 4-летней устойчивости к атмосферным воздействиям в типичном климате Северной Европы.

Рис. 5. Герметизирующая смесь UR5097
Рис. 5. Герметизирующая смесь UR5097

Для того чтобы определить степень защиты, которую обеспечивают герметизирующие смолы Electrolube, компания проводит жесткие испытания на погружение в воду. В этом режиме полиуретановые смолы продемонстрировали отличную стойкость к погружению, в частности в соленую воду. Высокие уровни сопротивления позволяют применять самые разнообразные подводные устройства, включая подводное соединение кабелей, защиту подводного светодиодного освещения в бассейнах с пресной и соленой водой, освещение на палубах судов и защиту различных сенсорных устройств. В таких случаях прозрачные или цветные смолы могут быть необходимы и должны иметь высокую адгезию и низкую диэлектрическую проницаемость в течение всего срока службы устройства, работающего в агрессивной среде. Следующее тематическое исследование ясно демонстрирует эффективность полиуретановых герметизирующих смол в сложных, и даже суровых условиях.

Австралийский клиент обратился к Electrolube с вопросами, связанными с полимерной герметизацией светодиодного осветительного устройства, разработанного для освещения бассейна. Осветительный прибор должен был быть защищен от пресной и соленой воды. Поэтому устойчивость к кристаллам соли стала обязательным условием при выборе подходящей смолы для этого применения. Кроме того, раствор смолы должен был выдерживать диапазон рабочих температур +5..+40°C, быть огнестойким и иметь определенный цвет; светло-голубой оттенок оказался предпочтительным по эстетическим соображениям. Ранее для этого применения заказчик использовал эпоксидную смолу от другого поставщика, но из-за экзотермической реакции, связанной с эпоксидными смолами, наблюдалась некоторая деформация основного блока в результате высоких температур, возникающих во время отверждения смолы, что было абсолютно неприемлемо. В конечном счете выбор был сделан в пользу полиуретана – но какой именно продукт будет оптимален?

Компания Electrolube провела оценку многочисленных вариантов водостойкого полиуретана и решила предложить заказчику герметизирующую смесь UR5097 (рис. 5). Отвержденный полиуретан обладает высокой теплопроводностью – важным свойством для светодиодных осветительных приборов, а также имеет широкий температурный диапазон. Важно отметить, что он не распространяет горение по UL94, что было еще одним ключевым требованием. Как и в случае со всеми другими рассмотренными полиуретановыми смолами, крайне низкая скорость впитывания воды полиуретаном считалась наиболее важным свойством для этого применения.

Материал UR5097 отвечал всем требованиям этого проекта, за исключением цвета, поэтому, выполняя пожелание заказчика, цвет изменили цвет до нужного светло-голубого оттенка. Полимер, используемый в UR5097, тоже обладает высокой устойчивостью к пропусканию воды даже при различных перепадах давления, возникающих на глубине. В лаборатории также была слегка изменена тиксотропная природа смолы, чтобы избежать ее вытекания через у светодиодного блока и замедлить скорость осаждения до приемлемого уровня. Кроме того, теперь смолу можно было бы легко смешивать и заливать в блок. Полиуретановое решение было полностью одобрено клиентом, который выразил уверенность, что выбранная смола сможет защищать его осветительную продукцию в течение многих лет (рис. 6).

Рис. 6. Светильник в бассейне, выполненный с использованием UR5097
Рис. 6. Светильник в бассейне, выполненный с использованием UR5097

В отвержденном состоянии полиуретановые смолы обычно являются эластомерными или каучуковыми, что особенно важно, если схема для заливки содержит деликатные компоненты. Они обеспечивают химическую, пыле- и влагостойкость, а также превосходную электроизоляцию и хорошую адгезию к большинству подложек, как металлических, так и пластиковых. В отличие от своих эпоксидных аналогов полиуретаны имеют меньшую экзотерму во время отверждения, даже для систем с быстрым отверждением. Однако при постоянной эксплуатации отвержденных полиуретановых смол температура не должна подниматься выше +130°C. Полиуретановые смолы выпускаются в белых, черных, голубых, прозрачных, соломенных, мутных/непрозрачных и оптически прозрачных составах и обладают множеством свойств, что удовлетворяет потребностям в высокотемпературных средах, подверженных химическому загрязнению, механическим воздействиям или ударам и проникновению влаги.

Действительно, сегодня светодиоды являются движущей силой для общего освещения. Благодаря улучшенной светоотдаче и яркости, а также эффективности и долгому сроку службы, они произвели революцию на рынке. Они отвечают потребностям в энергосберегающих световых решениях в отличие от любого другого источника света и находят применение во всех сферах жизни. Будь то в помещении или на улице, для декоративного или функционального использования, светодиод предоставляет самые широкие возможности, отвечающие задачам не только сегодняшнего, но и завтрашнего дня. Приложения включают архитектурное уличное освещение, торговое, развлекательное и офисное освещение, бытовое и промышленное, медицинское, аэрокосмическое, автомобильное и морское освещение. Список бесконечен, и как рынок светодиодов постоянно растет и расширяется в новых областях и приложениях, так и инкапсулирующие смолы постоянно совершенствуются.

Для того чтобы преодолеть практические и технически сложные проблемы, с которыми часто сталкиваются производители светодиодов, они все чаще обращаются к таким компаниям, как Electrolube, за помощью и рекомендациями относительно того, какая смола для заливки и герметизации или терморегулирующий продукт оптимальны для их проекта. Независимо от того, в каких условиях будет работать тот или иной прибор — при высокой влажности, химической среде , солевом тумане или коррозийном газе, — Electrolube может предложить конформные покрытия, а также силиконовые, акриловые и полиуретановые герметизирующие смолы для повышения производительности и обеспечения надежности в течение всего срока службы устройства. Ожидается, что к 2020 году рост рынка светодиодного освещения превратится в индустрию стоимостью $70 млрд и всего за пять лет доля рынка увеличится с 18 до 70% (по данным журнала «Форбс»). В связи с тем, что диапазон применения светодиодных систем постоянно расширяется, компания Electrolube постоянно оказывает поддержку этой стремительно развивающейся отрасли, совершенствуя свою продукцию, признавая важность огнестойких оптически прозрачных смол, предназначенных для рынка светодиодов.