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光學(xué)鏡片的超聲波清洗

光學(xué)鏡片的超聲波清洗
在光學(xué)冷加工中,鏡片的清洗主要是指鏡片拋光后殘余拋光液、黏結劑、保護性材料的清洗;鏡片磨邊后磨邊油、玻璃粉的清洗;鏡片鍍膜前手指印、口水圈以及各種附著(zhù)物的清洗。傳統的清洗方法是利用擦拭材料(紗布、無(wú)塵紙)配合化學(xué)試劑(汽油、乙醇、丙酮、乙醚)采取浸泡、擦拭等手段進(jìn)行手工清擦。這種方法費時(shí)費力,清潔度差,顯然不適應現代規?;墓鈱W(xué)冷加工行業(yè)。這迫使人們尋找一種機械化的清洗手段來(lái)代替。于是超聲波清洗技術(shù)逐步進(jìn)入光學(xué)冷加工行業(yè)并大顯身手,進(jìn)一步推動(dòng)了光學(xué)冷加工業(yè)的發(fā)展。
超聲波清洗技術(shù)的基本原理,大致可以認為是利用超聲場(chǎng)產(chǎn)生的巨大作用力,在洗滌介質(zhì)的配合下,促使物質(zhì)發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化以達到清洗目的的方法。
當高于音波(28~40KHz)的高頻振動(dòng)傳給清洗介質(zhì)后,液體介質(zhì)在高頻振動(dòng)下產(chǎn)生近乎真空的空腔泡,空腔泡在相互間的碰撞、合并、消亡的過(guò)程中,可使液體局部瞬間產(chǎn)生幾千大氣壓的壓強,如此大的壓強使得周?chē)奈镔|(zhì)發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化。這種作用稱(chēng)為"空化作用":
1.空化作用可使物質(zhì)分子的化池鍵斷裂,引起各種物理變化(溶解、吸附、乳化、分散)和化學(xué)變化(氧化、還原、分解、化合)等;
2.當空腔泡的固有頻率和超聲頻率相等時(shí),可產(chǎn)生共振,共振的空腔泡內聚集了大量的熱能,這種熱能足以使周?chē)镔|(zhì)化學(xué)鍵斷裂而引起物理、化學(xué)變化。 
3.當空腔泡形成時(shí),兩泡壁間因產(chǎn)生極大的電位差而引起放電,致使腔內氣泡活化進(jìn)而引起周?chē)镔|(zhì)的活化,從而使物質(zhì)發(fā)生物理、化學(xué)變化。
超聲場(chǎng)為清洗提供了巨大的能量,但還需化學(xué)洗劑作為介質(zhì)。一般將化學(xué)洗劑分為兩類(lèi),一類(lèi)是有機溶劑,主要是根據相似相溶的化學(xué)原理,對有機物如:黏結劑(瀝青、松香等)、保護性材料(瀝青、樹(shù)脂等)、磨邊潤滑油進(jìn)行溶解。在光學(xué)洗凈中,最初用三氯乙烯、芳香烴、氟里昂等作為清洗劑,這類(lèi)物質(zhì)雖然溶解性強,但有的易揮發(fā),毒性大,有的對大氣臭氧層有破壞作用,被逐步禁用?,F國內多采用一些上述物質(zhì)的改進(jìn)產(chǎn)品或某些碳氫化合物做溶劑。目前使用較多的另一類(lèi)清洗劑是以表面活性劑為主要成分的水基清洗劑,其清洗原理簡(jiǎn)單地說(shuō)是由于表面活性劑的分子結構中同時(shí)含有親油基的親水基,具有極性和結構不對稱(chēng)的特點(diǎn)。正是這種特點(diǎn)使得它能極大降低水溶液的表面張力,使物體表面易于潤濕,表面污物易于被溶解,分散在清洗液中而達到洗滌的目的。 
超聲波清洗就是在液體清洗介質(zhì)中,利用超聲場(chǎng)產(chǎn)生的巨大能量,通過(guò)物理、化學(xué)的綜合作用而達到洗凈目的的一種洗凈手段。 
那么,在光學(xué)冷加工中,超聲波清洗是如何實(shí)現洗凈目的的呢?一般來(lái)說(shuō),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。當然,還有其他的命名方式。經(jīng)過(guò)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(gè)流程:洗滌、漂洗、脫水、干燥。
因為洗滌過(guò)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,對設備要求也簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)洗滌后的鏡片表面不會(huì )有結合牢固的污垢,僅可能有一些清洗劑和松散污垢的混合物。 
我們知道,無(wú)機光學(xué)玻璃是一種過(guò)冷的熔融態(tài)物質(zhì),沒(méi)有固定的分子結構,它的結構式可描述為二氧化硅和某些金屬氧化物形成的網(wǎng)狀結構。其骨架結構為鍵能很大的硅氧共價(jià)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(shí),由于超聲場(chǎng)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(guò)程中發(fā)生變化而導致洗滌效果不良。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(shí)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(guò)程稱(chēng)為漂洗。影響漂洗效果的因素有以下幾個(gè):洗劑的漂清性能,漂洗水的純度、溫度以及流動(dòng)性、超聲波頻率等。一般在40KHz時(shí),在常溫下,電導率為0.1μs/m的純水可以保證漂洗的要求。
經(jīng)過(guò)漂洗后的鏡片表面的潔凈度應和漂洗水潔凈度一致。當它進(jìn)入IPA后,雖然IPA能和純水進(jìn)行無(wú)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(guò)程稱(chēng)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(shí)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。蒸汽槽的結構大體如下:槽體下部為IPA液體,四周是高沸點(diǎn)油加熱腔,上部是由若干圈冷凝管?chē)@成的冷凝區,冷凝管內是由冷水機提供的循環(huán)冷水,鏡片由鏈條驅動(dòng)的托架帶動(dòng)在干燥槽內運行。干燥的原理及過(guò)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,在冷凝區形成濃度、溫度相對穩定的蒸汽區,脫水后表面附有液體IPA的鏡片進(jìn)入蒸汽區時(shí),蒸汽區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",當鏡片表面溫度和蒸汽溫度相同時(shí),已不再附有液態(tài)IPA,而全轉化為IPA。此時(shí),鏡片在托架的帶動(dòng)下上升回到冷凝區,在這一過(guò)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(kāi)鏡片,一部分在夾具散熱時(shí)揮發(fā)離開(kāi)鏡片表面,經(jīng)以上過(guò)程后,鏡片表面得到干燥。由此可見(jiàn),影響干燥的因素很多:IPA的純度、干燥位置、鏈條的提升速度、冷水機的水溫、冷凝行程的長(cháng)短、干燥時(shí)間、夾具材料、形狀的選用等等。
以上是IPA工藝的四個(gè)流程簡(jiǎn)介,純水工藝由三個(gè)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。區別在于干燥。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(kāi)時(shí),由于極大的表面張力。純水迅速在表面收縮成球形離開(kāi)鏡片,脫水后的鏡片在過(guò)濾的熱風(fēng)下而達到干燥。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(jiǎn)單:經(jīng)過(guò)純水漂洗后的鏡片放入離心甩干機中,在工件取得平衡時(shí),啟動(dòng)甩干機,利用離心分離的原理將鏡片表面的純水分離達到干燥,對要求不高的鏡片能取得滿(mǎn)意效果,且能節省IPA和場(chǎng)地。但對甩干機的平衡性能要求很高。

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