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光學(xué)鏡片的超聲波清洗以及工藝流程

來源：原創(chuàng) 更新時間：2018-11-24 21:51:36 編輯：管理員瀏覽：1096

光學(xué)鏡片的超聲波清洗

　　在光學(xué)冷加工中，超聲波清洗是如何實現(xiàn)洗凈目的的呢?一般來說，清洗工藝主要以干燥的方式命名，如IPA工藝，是指利用IPA(異丙醇)蒸汽進(jìn)行脫水干燥的清洗工藝，純水工藝是指利用熱純水慢提拉或冷純水甩干的方式進(jìn)行干燥的清洗工藝。當(dāng)然，還有其他的命名方式。經(jīng)過不斷的變化、發(fā)展，光學(xué)冷加工中的清洗工藝主要以IPA工藝和純水工藝為主。

　　IPA工藝包括四個流程：洗滌、漂洗、脫水、干燥。

　　因為洗滌過程分溶劑清洗和水基清洗，所以有不同的工藝：有先進(jìn)行溶劑清洗、溶劑蒸汽干燥再進(jìn)行水基清洗;也有先進(jìn)行溶劑清洗，再用乳化劑溶解溶劑，再進(jìn)行水基清洗的。顯然，后者在流程上更流暢、緊湊，對設(shè)備要求也簡單。經(jīng)過洗滌后的鏡片表面不會有結(jié)合牢固的污垢，僅可能有一些清洗劑和松散污垢的混合物。

　　我們知道，無機(jī)光學(xué)玻璃是一種過冷的熔融態(tài)物質(zhì)，沒有固定的分子結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)式可描述為二氧化硅和某些金屬氧化物形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其骨架結(jié)構(gòu)為鍵能很大的硅氧共價鍵，外圍是鍵能小、易斷裂的氧與金屬離子形成的離子鍵。在洗滌時，由于超聲場和化學(xué)洗劑的共同作用，某些硅氧鍵含量少或者外圍鍵能特別小的的材料易于在清洗過程中發(fā)生變化而導(dǎo)致洗滌效果不良。所以，選擇性能溫和的洗劑、合適的洗劑濃度、溫度、超聲功率、洗滌時間對保證鏡片的清洗質(zhì)量十分重要。

　　利用流水將洗滌后鏡片表面的洗劑和污物溶解、排除的過程稱為漂洗。影響漂洗效果的因素有以下幾個：洗劑的漂清性能，漂洗水的純度、溫度以及流動性、超聲波頻率等。一般在40KHz時，在常溫下，電導(dǎo)率為0.1μsm的純水可以保證漂洗的要求。

　　經(jīng)過漂洗后的鏡片表面的潔凈度應(yīng)和漂洗水潔凈度一致。當(dāng)它進(jìn)入IPA后，雖然IPA能和純水進(jìn)行無限度的相混溶，但在超聲波的作用下，這種混溶能進(jìn)行得更快速、徹底，從而使得鏡片表面的狀態(tài)和混溶后IPA相同。這一過程稱為脫水。所以影響脫水的主要因素是IPA的純度、超聲波頻率、脫水時間。一般IPA的最低濃度要高于97%。

　　脫水后的鏡片進(jìn)入IPA蒸汽槽干燥。蒸汽槽的結(jié)構(gòu)大體如下：槽體下部為IPA液體，四周是高沸點油加熱腔，上部是由若干圈冷凝管圍繞成的冷凝區(qū)，冷凝管內(nèi)是由冷水機(jī)提供的循環(huán)冷水，鏡片由鏈條驅(qū)動的托架帶動在干燥槽內(nèi)運行。干燥的原理及過程如下：蒸汽槽IPA在高溫油的加熱下沸騰，蒸汽向上進(jìn)入冷凝區(qū)，在冷凝區(qū)形成濃度、溫度相對穩(wěn)定的蒸汽區(qū)，脫水后表面附有液體IPA的鏡片進(jìn)入蒸汽區(qū)時，蒸汽區(qū)的蒸汽在低溫的鏡片表面冷凝液化，沖刷鏡片表面，如同淋浴，當(dāng)鏡片表面溫度和蒸汽溫度相同時，已不再附有液態(tài)IPA，而全轉(zhuǎn)化為IPA。此時，鏡片在托架的帶動下上升回到冷凝區(qū)，在這一過程中，由于溫度的漸低，鏡片表面IPA蒸汽冷凝液化，液化的IPA一部分在表面張力和重力的作用下離開鏡片，一部分在夾具散熱時揮發(fā)離開鏡片表面，經(jīng)以上過程后，鏡片表面得到干燥。由此可見，影響干燥的因素很多：IPA的純度、干燥位置、鏈條的提升速度、冷水機(jī)的水溫、冷凝行程的長短、干燥時間、夾具材料、形狀的選用等等。

　　以上是IPA工藝的四個流程簡介，純水工藝由三個流程組成：洗滌、漂洗、干燥。洗滌和漂洗與IPA工藝相同，不再重復(fù)。區(qū)別在于干燥。干燥分兩種情況，熱純水慢提拉和冷純水甩干。

　　電阻率大于15MΩ?M純水在某一高溫下，表面張力能達(dá)到最大，漂洗后的鏡片浸入其中，表面不被潤濕，在傾斜慢提拉離開時，由于極大的表面張力。純水迅速在表面收縮成球形離開鏡片，脫水后的鏡片在過濾的熱風(fēng)下而達(dá)到干燥。所以，水的純度、溫度、慢提拉速度、工件的傾斜度、熱風(fēng)的潔凈度對干燥的影響非常大。

　　冷純水甩干的工藝很簡單：經(jīng)過純水漂洗后的鏡片放入離心甩干機(jī)中，在工件取得平衡時，啟動甩干機(jī)，利用離心分離的原理將鏡片表面的純水分離達(dá)到干燥，對要求不高的鏡片能取得滿意效果，且能節(jié)省IPA和場地。但對甩干機(jī)的平衡性能要求很高。

　　以上是對光學(xué)冷加工中超聲波清洗工藝的一些簡介，實現(xiàn)工藝的載體是設(shè)備，一臺設(shè)計合理、性能穩(wěn)定的超聲波清洗機(jī)能充分發(fā)揮超聲波清洗工藝的特長。

　　1、研磨后的清洗

　　研磨是光學(xué)玻璃生產(chǎn)中決定其加工效率和表面質(zhì)量(外觀和精度)的重要工序。研磨工序中的主要污染物為研磨粉和瀝青，少數(shù)企業(yè)的加工過程中會有漆片。其中研磨粉的型號各異，一般是以二氧化鈰為主的堿金屬氧化物。根據(jù)鏡片的材質(zhì)及研磨精度不同，選擇不同型號的研磨粉。在研磨過程中使用的瀝青是起保護(hù)作用的，以防止拋光完的鏡面被劃傷或腐蝕。研磨后的清洗設(shè)備大致分為兩種：

　　一種主要使用有機(jī)溶劑清洗劑，另一種主要使用半水基清洗劑。

　　一、有機(jī)溶劑清洗采用的清洗流程如下：

　　有機(jī)溶劑清洗劑(超聲波)-水基清洗劑(超聲波)-市水漂洗-純水漂洗-IPA(異丙醇)脫水-IPA慢拉干燥。

　　有機(jī)溶劑清洗劑的主要用途是清洗瀝青及漆片。以前的溶劑清洗劑多采用三氯乙烷或三氯乙烯。由于三氯乙烷屬ODS(消耗臭氧層物質(zhì))產(chǎn)品，目前處于強制淘汰階段;而長期使用三氯乙烯易導(dǎo)致職業(yè)病，而且由于三氯乙烯很不穩(wěn)定，容易水解呈酸性，因此會腐蝕鏡片及設(shè)備。對此，國內(nèi)的清洗劑廠家研制生產(chǎn)了非ODS溶劑型系列清洗劑，可用于清洗光學(xué)玻璃;并且該系列產(chǎn)品具備不同的物化指標(biāo)，可有效滿足不同設(shè)備及工藝條件的要求。比如在少數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)過程中，鏡片表面有一層很難處理的漆片，要求使用具備特殊溶解性的有機(jī)溶劑;部分企業(yè)的清洗設(shè)備的溶劑清洗槽冷凝管較少，自由程很短，要求使用揮發(fā)較慢的有機(jī)溶劑;另一部分企業(yè)則相反，要求使用揮發(fā)較快的有機(jī)溶劑等。

　　水基清洗劑的主要用途是清洗研磨粉。由于研磨粉是堿金屬氧化物，溶劑對其清洗能力很弱，所以鏡片加工過程中產(chǎn)生的研磨粉基本上是在水基清洗單元內(nèi)除去的，故而對水基清洗劑提出了極高的要求。以前由于國內(nèi)的光學(xué)玻璃專用水基清洗劑品種較少，很多外資企業(yè)都選用進(jìn)口的清洗劑。而目前國內(nèi)已有公司開發(fā)出光學(xué)玻璃清洗劑，并成功地應(yīng)用在國內(nèi)數(shù)家大型光學(xué)玻璃生產(chǎn)廠，清洗效果完全可以取代進(jìn)口產(chǎn)品，在腐蝕性(防腐性能)等指標(biāo)上更是優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品。

　　對于IPA慢拉干燥，需要說明的一點是，某些種類的鏡片干燥后容易產(chǎn)生水印，這種現(xiàn)象一方面與IPA的純度及空氣濕度有關(guān)，另一方面與清洗設(shè)備有較大的關(guān)系，尤其是雙臂干燥的效果明顯不如單臂干燥的好，需要設(shè)備廠家及用戶注意此點。

　　二、半水基清洗采用的清洗流程如下：

　　半水基清洗劑(超聲波)-市水漂洗-水基清洗劑-市水漂洗-純水漂洗-IPA脫水-IPA慢拉干燥

　　此種清洗工藝同溶劑清洗相比最大的區(qū)別在于，其前兩個清洗單元：有機(jī)溶劑清洗只對瀝青或漆片具有良好的清洗效果，但卻無法清洗研磨粉等無機(jī)物;半水基清洗劑則不同，不但可以清洗瀝青等有機(jī)污染物，還對研磨粉等無機(jī)物有良好的清洗效果，從而大大減輕了后續(xù)清洗單元中水基清洗劑的清洗壓力。半水基清洗劑的特點是揮發(fā)速度很慢，氣味小。采用半水基清洗劑清洗的設(shè)備在第一個清洗單元中無需密封冷凝和蒸餾回收裝置。但由于半水基清洗劑粘度較大，并且對后續(xù)工序使用的水基清洗劑有乳化作用，所以第二個單元須市水漂洗，并且最好將其設(shè)為流水漂洗。

　　國內(nèi)應(yīng)用此種工藝的企業(yè)不多，其中一個原因是半水基清洗劑多為進(jìn)口，價格比較昂貴。

　　從水基清洗單元開始，半水基清洗工藝同溶劑清洗工藝基本相同。在此不再贅述。

　　三、兩種清洗方式的比較

　　溶劑清洗是比較傳統(tǒng)的方法，其優(yōu)點是清洗速度快，效率比較高，溶劑本身可以不斷蒸餾再生，循環(huán)使用;但缺點也比較明顯，由于光學(xué)玻璃的生產(chǎn)環(huán)境要求恒溫恒濕，均為封閉車間，溶劑的氣味對于工作環(huán)境多少都會有些影響，尤其是使用不封閉的半自動清洗設(shè)備時。

　　半水基清洗是近年來逐漸發(fā)展成熟的一種新工藝，它是在傳統(tǒng)溶劑清洗的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而得來的。它有效地避免了溶劑的一些弱點，可以做到無毒，氣味輕微，廢液可排入污水處理系統(tǒng);設(shè)備上的配套裝置更少;使用周期比溶劑要更長;在運行成本上比溶劑更低。半水基清洗劑最為突出的一個優(yōu)點就是對于研磨粉等無機(jī)污染物具有良好的清洗效果，極大地緩解了后續(xù)單元水基清洗劑的清洗壓力，延長了水基清洗劑的使用壽命，減少了水基清洗劑的用量，降低了運行成本。

　　它的缺點就是清洗的速度比溶劑稍慢，并且必須要進(jìn)行漂洗。

　　2、鍍膜前清洗

　　鍍膜前清洗的主要污染物是求芯油(也稱磨邊油，求芯也稱定芯、取芯，指為了得到規(guī)定的半徑及芯精度而選用的工序)、手印、灰塵等。由于鍍膜工序?qū)︾R片潔凈度的要求極為嚴(yán)格，因此清洗劑的選擇是很重要的。在考慮某種清洗劑的清洗能力的同時，還要考慮到他的腐蝕性等方面的問題。

　　鍍膜前的清洗一般也采用與研磨后清洗相同的方式，分為溶劑清洗和半水基清洗等方式。工藝流程及所用化學(xué)藥劑類型如前所述。

　　3、鍍膜后清洗

　　一般包括涂墨前清洗、接合前清洗和組裝前清洗，其中接合前清洗(接合是指將兩片鏡片用光敏膠粘接成規(guī)定的形狀，以滿足無法一次加工成型的需求，或制造出較為特殊的曲率、透光率的一道工序)要求最為嚴(yán)格。接合前要清洗的污染物主要是灰塵、手印等的混合物，清洗難度不大，但對于鏡片表面潔凈度有非常高的要求，其清洗方式與前面兩個清洗工藝相同。

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光學(xué)鏡片的超聲波清洗以及工藝流程