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光学镜片的超声波清洗






时间:2009-03-14 23:24来源: 作者: 点击:

核心提示: 在光学冷加工中,镜片的清洗主要是指镜片抛光后残余抛光液、黏结剂、保护性材料的清洗;镜片磨边后磨边油、玻璃粉的清洗;镜片镀膜前手指


在光学冷加工中,镜片的清洗主要是指镜片抛光后残余抛光液、黏结剂、保护性材料的清洗;镜片磨边后磨边油、玻璃粉的清洗;镜片镀膜前手指印、口水圈以及各种附着物的清洗。传统的清洗方法是利用擦拭材料(纱布、无尘纸)配合化学试剂(汽油、乙醇、丙酮、乙醚)采取浸泡、擦拭等手段进行手工清擦。这种方法费时费力,清洁度差,显然不适应现代规模化的光学冷加工行业。这迫使人们寻找一种机械化的清洗手段来代替。于是超声波清洗技术逐步进入光学冷加工行业并大显身手,进一步推动了光学冷加工业的发展。
超声波清洗技术的基本原理,大致可以认为是利用超声场产生的巨大作用力,在洗涤介质的配合下,促使物质发生一系列物理、化学变化以达到清洗目的的方法。
当高于音波(28~40KHz)的高频振动传给清洗介质后,液体介质在高频振动下产生近乎真空的空腔泡,空腔泡在相互间的碰撞、合并、消亡的过程中,可使液体局部瞬间产生几千大气压的压强,如此大的压强使得周围的物质发生一系列物理、化学变化。这种作用称为"空化作用":
1.空化作用可使物质分子的化池键断裂,引起各种物理变化(溶解、吸附、乳化、分散)和化学变化(氧化、还原、分解、化合)等;
2.当空腔泡的固有频率和超声频率相等时,可产生共振,共振的空腔泡内聚集了大量的热能,这种热能足以使周围物质化学键断裂而引起物理、化学变化。
3.当空腔泡形成时,两泡壁间因产生极大的电位差而引起放电,致使腔内气泡活化进而引起周围物质的活化,从而使物质发生物理、化学变化。
超声场为清洗提供了巨大的能量,但还需化学洗剂作为介质。一般将化学洗剂分为两类,一类是有机溶剂,主要是根据相似相溶的化学原理,对有机物如:黏结剂(沥青、松香等)、保护性材料(沥青、树脂等)、磨边润滑油进行溶解。在光学洗净中,最初用三氯乙烯、芳香烃、氟里昂等作为清洗剂,这类物质虽然溶解性强,但有的易挥发,毒性大,有的对大气臭氧层有破坏作用,被逐步禁用。现国内多采用一些上述物质的改进产品或某些碳氢化合物做溶剂。目前使用较多的另一类清洗剂是以表面活性剂为主要成分的水基清洗剂,其清洗原理简单地说是由于表面活性剂的分子结构中同时含有亲油基的亲水基,具有极性和结构不对称的特点。正是这种特点使得它能极大降低水溶液的表面张力,使物体表面易于润湿,表面污物易于被溶解,分散在清洗液中而达到洗涤的目的。
超声波清洗就是在液体清洗介质中,利用超声场产生的巨大能量,通过物理、化学的综合作用而达到洗净目的的一种洗净手段。
那么,在光学冷加工中,超声波清洗是如何实现洗净目的的呢?一般来说,清洗工艺主要以干燥的方式命名,如IPA工艺,是指利用IPA(异丙醇)蒸汽进行脱水干燥的清洗工艺,纯水工艺是指利用热纯水慢提拉或冷纯水甩干的方式进行干燥的清洗工艺。当然,还有其他的命名方式。经过不断的变化、发展,光学冷加工中的清洗工艺主要以IPA工艺和纯水工艺为主。
IPA工艺包括四个流程:洗涤、漂洗、脱水、干燥。
因为洗涤过程分溶剂清洗和水基清洗,所以有不同的工艺:有先进行溶剂清洗、溶剂蒸汽干燥再进行水基清洗;也有先进行溶剂清洗,再用乳化剂溶解溶剂,再进行水基清洗的。显然,后者在流程上更流畅、紧凑,对设备要求也简单。经过洗涤后的镜片表面不会有结合牢固的污垢,仅可能有一些清洗剂和松散污垢的混合物。
我们知道,无机光学玻璃是一种过冷的熔融态物质,没有固定的分子结构,它的结构式可描述为二氧化硅和某些金属氧化物形成的网状结构。其骨架结构为键能很大的硅氧共价键,外围是键能小、易断裂的氧与金属离子形成的离子键。在洗涤时,由于超声场和化学洗剂的共同作用,某些硅氧键含量少或者外围键能特别小的的材料易于在清洗过程中发生变化而导致洗涤效果不良。所以,选择性能温和的洗剂、合适的洗剂浓度、温度、超声功率、洗涤时间对保证镜片的清洗质量十分重要。
利用流水将洗涤后镜片表面的洗剂和污物溶解、排除的过程称为漂洗。影响漂洗效果的因素有以下几个:洗剂的漂清性能,漂洗水的纯度、温度以及流动性、超声波频率等。一般在40KHz时,在常温下,电导率为0.1μs/m的纯水可以保证漂洗的要求。
经过漂洗后的镜片表面的洁净度应和漂洗水洁净度一致。当它进入IPA后,虽然IPA能和纯水进行无限度的相混溶,但在超声波的作用下,这种混溶能进行得更快速、彻底,从而使得镜片表面的状态和混溶后IPA相同。这一过程称为脱水。所以影响脱水的主要因素是IPA的纯度、超声波频率、脱水时间。一般IPA的最低浓度要高于97%。
脱水后的镜片进入IPA蒸汽槽干燥。蒸汽槽的结构大体如下:槽体下部为IPA液体,四周是高沸点油加热腔,上部是由若干圈冷凝管围绕成的冷凝区,冷凝管内是由冷水机提供的循环冷水,镜片由链条驱动的托架带动在干燥槽内运行。干燥的原理及过程如下:蒸汽槽IPA在高温油的加热下沸腾,蒸汽向上进入冷凝区,在冷凝区形成浓度、温度相对稳定的蒸汽区,脱水后表面附有液体IPA的镜片进入蒸汽区时,蒸汽区的蒸汽在低温的镜片表面冷凝液化,冲刷镜片表面,如同"淋浴",当镜片表面温度和蒸汽温度相同时,已不再附有液态IPA,而全转化为IPA。此时,镜片在托架的带动下上升回到冷凝区,在这一过程中,由于温度的渐低,镜片表面IPA蒸汽冷凝液化,液化的IPA一部分在表面张力和重力的作用下离开镜片,一部分在夹具散热时挥发离开镜片表面,经以上过程后,镜片表面得到干燥。由此可见,影响干燥的因素很多:IPA的纯度、干燥位置、链条的提升速度、冷水机的水温、冷凝行程的长短、干燥时间、夹具材料、形状的选用等等。
以上是IPA工艺的四个流程简介,纯水工艺由三个流程组成:洗涤、漂洗、干燥。洗涤和漂洗与IPA工艺相同,不再重复。区别在于干燥。干燥分两种情况,热纯水慢提拉和冷纯水甩干。
电阻率大于15MΩ·M纯水在某一高温下,表面张力能达到最大,漂洗后的镜片浸入其中,表面不被润湿,在倾斜慢提拉离开时,由于极大的表面张力。纯水迅速在表面收缩成球形离开镜片,脱水后的镜片在过滤的热风下而达到干燥。所以,水的纯度、温度、慢提拉速度、工件的倾斜度、热风的洁净度对干燥的影响非常大。
冷纯水甩干的工艺很简单:经过纯水漂洗后的镜片放入离心甩干机中,在工件取得平衡时,启动甩干机,利用离心分离的原理将镜片表面的纯水分离达到干燥,对要求不高的镜片能取得满意效果,且能节省IPA和场地。但对甩干机的平衡性能要求很高。
以上是对光学冷加工中超声波清洗工艺的一些简介,实现工艺的载体是设备,一台设计合理、性能稳定的超声波清洗机能充分发挥超声波清洗工艺的特长。
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