光学镜片的超声波清洗以及工艺流程

光学镜片的超声波清洗

　　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0.1μsm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。


　　1、研磨后的清洗

　　研磨是光学玻璃生产中决定其加工效率和表面质量(外观和精度)的重要工序。研磨工序中的主要污染物为研磨粉和沥青，少数企业的加工过程中会有漆片。其中研磨粉的型号各异，一般是以二氧化铈为主的碱金属氧化物。根据镜片的材质及研磨精度不同，选择不同型号的研磨粉。在研磨过程中使用的沥青是起保护作用的，以防止抛光完的镜面被划伤或腐蚀。研磨后的清洗设备大致分为两种：

　　一种主要使用有机溶剂清洗剂，另一种主要使用半水基清洗剂。

　　一、有机溶剂清洗采用的清洗流程如下：

　　有机溶剂清洗剂(超声波)-水基清洗剂(超声波)-市水漂洗-纯水漂洗-IPA(异丙醇)脱水-IPA慢拉干燥。

　　有机溶剂清洗剂的主要用途是清洗沥青及漆片。以前的溶剂清洗剂多采用三氯乙烷或三氯乙烯。由于三氯乙烷属ODS(消耗臭氧层物质)产品，目前处于强制淘汰阶段;而长期使用三氯乙烯易导致职业病，而且由于三氯乙烯很不稳定，容易水解呈酸性，因此会腐蚀镜片及设备。对此，国内的清洗剂厂家研制生产了非ODS溶剂型系列清洗剂，可用于清洗光学玻璃;并且该系列产品具备不同的物化指标，可有效满足不同设备及工艺条件的要求。比如在少数企业的生产过程中，镜片表面有一层很难处理的漆片，要求使用具备特殊溶解性的有机溶剂;部分企业的清洗设备的溶剂清洗槽冷凝管较少，自由程很短，要求使用挥发较慢的有机溶剂;另一部分企业则相反，要求使用挥发较快的有机溶剂等。

　　水基清洗剂的主要用途是清洗研磨粉。由于研磨粉是碱金属氧化物，溶剂对其清洗能力很弱，所以镜片加工过程中产生的研磨粉基本上是在水基清洗单元内除去的，故而对水基清洗剂提出了极高的要求。以前由于国内的光学玻璃专用水基清洗剂品种较少，很多外资企业都选用进口的清洗剂。而目前国内已有公司开发出光学玻璃清洗剂，并成功地应用在国内数家大型光学玻璃生产厂，清洗效果完全可以取代进口产品，在腐蚀性(防腐性能)等指标上更是优于进口产品。

　　对于IPA慢拉干燥，需要说明的一点是，某些种类的镜片干燥后容易产生水印，这种现象一方面与IPA的纯度及空气湿度有关，另一方面与清洗设备有较大的关系，尤其是双臂干燥的效果明显不如单臂干燥的好，需要设备厂家及用户注意此点。

　　二、半水基清洗采用的清洗流程如下：

　　半水基清洗剂(超声波)-市水漂洗-水基清洗剂-市水漂洗-纯水漂洗-IPA脱水-IPA慢拉干燥

　　此种清洗工艺同溶剂清洗相比最大的区别在于，其前两个清洗单元：有机溶剂清洗只对沥青或漆片具有良好的清洗效果，但却无法清洗研磨粉等无机物;半水基清洗剂则不同，不但可以清洗沥青等有机污染物，还对研磨粉等无机物有良好的清洗效果，从而大大减轻了后续清洗单元中水基清洗剂的清洗压力。半水基清洗剂的特点是挥发速度很慢，气味小。采用半水基清洗剂清洗的设备在第一个清洗单元中无需密封冷凝和蒸馏回收装置。但由于半水基清洗剂粘度较大，并且对后续工序使用的水基清洗剂有乳化作用，所以第二个单元须市水漂洗，并且最好将其设为流水漂洗。

　　国内应用此种工艺的企业不多，其中一个原因是半水基清洗剂多为进口，价格比较昂贵。

　　从水基清洗单元开始，半水基清洗工艺同溶剂清洗工艺基本相同。在此不再赘述。

　　三、两种清洗方式的比较

　　溶剂清洗是比较传统的方法，其优点是清洗速度快，效率比较高，溶剂本身可以不断蒸馏再生，循环使用;但缺点也比较明显，由于光学玻璃的生产环境要求恒温恒湿，均为封闭车间，溶剂的气味对于工作环境多少都会有些影响，尤其是使用不封闭的半自动清洗设备时。

　　半水基清洗是近年来逐渐发展成熟的一种新工艺，它是在传统溶剂清洗的基础上进行改进而得来的。它有效地避免了溶剂的一些弱点，可以做到无毒，气味轻微，废液可排入污水处理系统;设备上的配套装置更少;使用周期比溶剂要更长;在运行成本上比溶剂更低。半水基清洗剂最为突出的一个优点就是对于研磨粉等无机污染物具有良好的清洗效果，极大地缓解了后续单元水基清洗剂的清洗压力，延长了水基清洗剂的使用寿命，减少了水基清洗剂的用量，降低了运行成本。

　　它的缺点就是清洗的速度比溶剂稍慢，并且必须要进行漂洗。

　　2、镀膜前清洗

　　镀膜前清洗的主要污染物是求芯油(也称磨边油，求芯也称定芯、取芯，指为了得到规定的半径及芯精度而选用的工序)、手印、灰尘等。由于镀膜工序对镜片洁净度的要求极为严格，因此清洗剂的选择是很重要的。在考虑某种清洗剂的清洗能力的同时，还要考虑到他的腐蚀性等方面的问题。

　　镀膜前的清洗一般也采用与研磨后清洗相同的方式，分为溶剂清洗和半水基清洗等方式。工艺流程及所用化学药剂类型如前所述。

　　3、镀膜后清洗

　　一般包括涂墨前清洗、接合前清洗和组装前清洗，其中接合前清洗(接合是指将两片镜片用光敏胶粘接成规定的形状，以满足无法一次加工成型的需求，或制造出较为特殊的曲率、透光率的一道工序)要求最为严格。接合前要清洗的污染物主要是灰尘、手印等的混合物，清洗难度不大，但对于镜片表面洁净度有非常高的要求，其清洗方式与前面两个清洗工艺相同。