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1、荧光灯的发黑及其对策 河南安彩照明有限公司 邮编：455000李振华摘 要 本文对荧光灯生产及燃点过程中在灯管阴极附近内管壁上出现的发黄发黑现象的机理进行了一些分析和探讨。尤其针 对紧凑型荧光灯管的生产中发黄发黑的控制进行了详细论述。 关 键 词 荧光灯 阴极 紧凑型 发黄发黑 一. 概述荧光灯发黄发黑是荧光灯生产及燃点过程中经常出现的一种现象，只要生产疑难阴极式的荧光灯，无论直管型或紧凑型，都可能产生黄黑现象。它在荧光灯阴极附近内管壁上产生，不仅影响荧光灯的外观质量，而且也有害于灯的内在质量，降低光通维持率和灯的寿命。随着我厂紧凑型荧光灯生产线的逐步正常生产，灯管阴极附近的黄黑现象，也成为提
2、升产品品质的一个很大的困扰。分析其产生的原因及解决方法，成为确保荧光灯的外观及内在质量的关键。自从荧光灯问世有许多研究人员论述这类现象的机理。但这类现象仍然不能得到完美的解决和控制。如何使灯在全寿命中减少发黄发黑是灯管制造的一项关键技术。一般认为发黄发黑是灯内化学反应的结果。二. 发黄发黑的分类针对我厂紧凑型荧光灯生产的灯管在点燃的不同阶段会出现不同的发黄发黑。本文重点讨论四种情况。 出现在靠近阴极热点附近的管壁上的黑点； 出现在法拉第暗区正柱边缘的环形暗区附近的管壁上的黑头； 管壁大面积发黄； 管壁局部发黄。下面重点对以上几种情况的形成原因进行分析。三. 灯管设计与镇流器的匹配尽管发黑发黄是
3、灯内化学反应结果，而它的起因却是物理现象即汞蒸气低气压放电。所以，和放电特性有关的灯管参数是很重要的。例如灯管电流密度，阴极及阳极位降，汞原子紫外线自吸收和管壁的复合都影响化学反应的程度。与这些有关的灯管参数必须仔细选灯管直径，阴极结构，所充气体种类及压力都是重要的参数。对我厂紧凑型荧光灯灯管而言，其高光效、长寿命的设计，更是凸现了与镇流器的匹配的重要意义。即灯管的发黑发黄现象受到外部的工作条件的影响。 四. 黑点与黑头无论黑点与黑头它们都发生在阴极附近。这两种发黑都是阴极的发射（或释放）材料与汞所产生的化学反应。这两种发黑出现的先后因灯而异。有些灯先后出现黑点经长时间点燃后出现黑头，而有的灯
4、先是端部发黑随后是黑点。有一种发黑的机理认为，形成发黑的材料是从发射材料沉积出来的Ba及汞的化合物。所以发黑的程度决定于因蒸发或溅射钡游离出来的程度。发射材料通常是Ba、Sr、Ca的碳酸盐与少量金属锆或氧化锆的混合物。在三种碱土材料中的钡蒸发的重要原因是阴极的热点温度。而热点温度是由灯电流，钨灯丝设计，阴极和阳极位降决定。灯管内充气压力也直接影响钡的蒸发速率。气体压力越高，钡的蒸发速率越低。生产过程的试验表明，对我厂现在生产的紧凑型荧光灯灯管而言，3.24.5mbar的氩气压力是一个经过长期摸索和实践的合适参数。1. 自由Ba生产的机理荧光灯灯管启动和维持放电都要求有自由钡存在。自由钡产生的过
5、程如下： 氧化钡与钨反应。钡的主要来源是氧化钡在钨表面有如下的还原反应： 6Ba0+W Ba3W06+3Ba (1) 汞离子轰击阴极表面从氧化钡中分解出来。在高频下阴极温度低故不存在阳极位降，但导致阴极位降（峰值电压）升高以补偿得到较高的轰击能量。所以为防止或减少黑点，控制公式（1）钡的产生及减少汞离子轰击影响是至关重要的。就灯管设计而言，钨灯丝粗细，气体种类是很重要的。在钨与发射材料（钨酸介面）之间有阻挡层存在是产生黑点的另一个重要因素。下面还要仔细讨论介面的问题。2. 黑头的成分 形成黑头的主要材料是Hg0及汞的复合物。氧的来源是氧化钨，导丝上金属氧化物及发射材料。黑头的产生与钨酸 介面的
6、存在有极大关系。当阴极分解时加热电流过大，分解开始时气压过高都容易产生黑头。3. 发射材料分解 荧光灯要分解的发射材料是钡锶钙的三无碳酸盐，少量金属锆或氧化锆的混合物，这些粉末通常用有机溶剂及硝棉作成悬浮液。排气时发射材料分解为碱土金属氧化物的混合物，钨酸盐。同时发生的化学反应形成锆酸盐。化学反应如下：（为简化起见用钡的碳酸盐及氧化物作代表，对于锶及钙情况是相同的）3BaCO3 3BaO+3CO2 （2）3CO2+W WO3+3CO （3）3BaO+WO3 Ba3WO6 （4）BaO+ZrO2 BaZrO3 （5）在正确的分解电流加热条件下，按公式（2）到（5）进行碳酸盐的分解和生成钨酸盐和锆
7、酸盐。按照上述反应顺序 并没有氧气产生。如果分解电流较小，发射材料中还会有一些碳酸盐存在（公式2）。由于灯丝温度低，只生成了少量钨酸盐。 在灯管点燃期间，残余的碳酸盐会逐渐分解，析出的二氧化碳按公式（3）还原成一氧化碳。BaO按下式可能还原成钡。BaO+CO Ba+CO2 （6）按公式（1）产生钡及少量的钨酸盐。如果分解时温度过高，就会有大量的钨酸盐产生。过量的钨酸盐会抑制公式（1）中的钡的形成。4. 钨酸盐介面从上述可见钨酸介面的存在是十分重要的。如果没有介面或介面太薄，按公式（1）就会有过量的钡产生而形成黑点。介面太厚灯管在启动及点燃时就钡不足，为此阴极位降增加，离子轰击能量加大。在发射材
8、料表面的BaO就分解为钡离子和氧。分离出来的氧就和汞形成HgO，这是黑头形成的一种解释。所以在制灯全过程要得到最佳钨酸盐介面厚度以控制钡及钡离子的量。公式（3）和（4）说明了钨酸盐介面形成的过程，如果钨丝表面用其它方法已经氧化了，不经过公式（3）的过程仍能发生公式（4）的反应。根据经验如在较高的气压下（大于0.1torr）开始加热灯丝，灯管点燃短时间后就形成黑头。然而，如气压太低（小于0.001torr）灯管很快出现黑点。这是因为气压过高时钨丝表面的氧化与碳酸盐分解同时发生，分离出来的氧化层很容易与钨的氧化物结合而形成很厚的钨酸盐介面，它的厚度取决于钨氧化物的厚度。如气压太低，钨表面仅轻微氧化
9、，在阴极分解完成时仅形成了很薄的钨酸盐介面，此时若按公式（1）增加厚度，就会同时形成大量的钡，灯管就会很快出现黑点。所以，在排气过程中必须形成最佳钨酸盐厚度。为此要最佳加热电流，加热时间及开始加热时的气压。最佳钨酸盐厚度与灯管的形式有关，通常的厚度为1微米。实际生产中，我们根据灯丝激活前后冷电阻的变化可以估计和控制它的厚度。五. 灯管大面积发黄和局部发黄1. 大面积管壁发黄有两种机理会导致整个管壁或大面积管壁出现发黄。一种是由于汞渗透进玻管（特别是钠玻璃和铅玻璃）而形成大面积发黄。紧凑型荧光灯由于直径小，电流刻度大，185mm辐射强度，这种现象更为突出。为消除这种发黄，在玻璃与荧光粉之间使用阻
10、挡层是传统的有效和成熟的技术。这个阻挡层称为保护膜。我厂紧凑型荧光灯生产采用的是国际知名企业普遍应用的环保型的无铅低钠玻管，故不存在此现象。沉积在荧光粉表面的汞的化合物也会造成大面积的发黄。汞的化合物会吸附汞形成汞的复合物，它大面积地复盖了荧光粉层，使光通维持率降低和汞同时存在的是残留杂质气体。即使工艺很完善，灯中总有少量的杂质气体，例如氧、一氧化碳、二氧化碳、水气及其它碳化物。这些物质（气体或蒸气）通常为荧光粉层所吸附，在点燃时从粉层中释放出来。紧凑型荧光灯直径小管壁温度高，所吸附的气体绝大部分都会释放出来的。这些气体或蒸气与汞按下列方式起反应：O2+2Hg2HgO （7）CO2+2Hg2H
11、gO+C （8）CO+HgHgO+C （9）XC+yHgCxHgy （10）HgO吸收Hg分子并形成HgO-Hg复合物。含有这种复合物的发黄如加热，由于Hg与HgO结合的缘故，发黑部分比较淡。但灰黄发黄仍然存在，因HgO的分解温度高达500。所吸收的杂质水气占主要成份，它在放电区很容易分解为氧和氢。为解决此问题，生产过程中，我们不仅要求注入灯管内的氩气的纯度必须达到99.995%，而且其中的CH成分严格控制在2PPM以下，即使国内气体厂需二次提纯，成本增加20%，我们也坚持该要求。其实因为每个灯管内的氩气量很小，所以因此每个灯管增加的成本在0.001元以下。但对灯管的质量控制起到了很重要的作用
12、。同时，我们的排气机的排气能力在国际上也是一流水平，特别是二级涡轮分子泵的使用，在制灯行业是个突破，以往只在实验室应用的涡轮分子泵产生的无油超高真空，对灯管的生产而言，有些近乎奢侈。但同时也保证了灯管排气后内部杂质气体的量极其少。2. 管壁局部发黄有时出现一些斑斑点点的发黄。这种局部的发黄是由于污染引起的。不完善的工艺及不清洁的环境造成灯管的污染。碳及硫是两种主要的污染元素。造成碳污染的原因很多，荧光粉层中残留的碳是原因之一。烤管是为了去除粘结剂（如硝棉），如烤管温度不够高或氧气供应控制不好，碳就会残留下来。如残留的碳分布均匀，在面积的发黄就会出现（公式10）。另一个碳污染来源是环境是悬浮的有
13、机物和油，它们造成了点状的发黄。硫的污染主要来源于玻管。玻管在储存时，特别在环境湿度高时，硫就会沉积到内表面上。硫很容易与汞形成Na-Hg齐，所以必须用热水和去离子水把沉积的硫彻底清除。玻管在弯管成形时处于高温软化状态下，此时硫也容易沉积。如采用预先成型的玻管，建议成型后涂粉前要清洗玻管。如碳与硫同时存在，下列反应就形成斑点。2Na+xC+O+yHgCxHgy+Na2O （11）右边两种物质紧密结合成整体而形成黑斑。这就是紧凑型荧光灯中常见到的发黄。六 结束语紧凑型荧光灯工作条件苛刻，发黑发黄更容易出现。因为灯管内表面小，少量的钡蒸发在局部就可能造成严重的黑点。管壁的高温又加速了各种化学反应，所以，工艺带就很窄。实际生产过程中，我们不仅仅要求导入的原材料质量要高，性能要稳定，而且生产工艺必须严格控制在最佳状态。最终我们生产的灯管的性能达到了国内最优水平。
