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超声波清洗在光学玻璃等光学零件镀膜加工中的...

对于光学镀膜零件, 玻璃基底的清洁程度是影响镀膜产品表面质量的关键因素之一, 保障光学零件表面镀膜前的洁净度, 可以降低薄膜内的杂质污染物, 因此镀膜前光学零件的超声波清洗至关重要。

超声波用于清洗始于20世纪30年代, 随着技术的日渐成熟, 超声波清洗被广泛应用于航空航天工业清洗发动机、液压及过滤系统、电子行业清洗硅片、电路板和电器元件的制作中等。90年代初, 超声波清洗开始逐渐运用到光学零件清洗, 最初光学零件超声波清洗技术不成熟, 只是应用于工序间的清洗和光学零件抛光完工件的清洗, 后来才逐渐发展到光学零件镀前的超净清洗。超声波清洗工艺作为光学零件加工过程中的重要一环, 它逐渐代替了传统的手工清洗及精擦操作, 使清洗及精擦的效率成倍或十多倍的提高, 为光学工业生产辅助工序实现机械化、自动化提供了条件。对于光学镀膜元件来说, 玻璃基底的清洁程度是影响镀膜产品质量好坏的关键因素之一, 保障光学零件表面镀膜前的洁净度, 可以降低薄膜内的杂质污染物, 镀膜前光学零件的超声波清洗至关重要。光学零件进入镀膜室前, 不管镀膜外观要求如何, 均应进行认真的镀前处理 (即超声清洗处理) , 超声波清洗时要根据玻璃材质、尺寸大小和厚薄等因素采取不同的工艺, 从而达到去油、去污和脱水的目的, 这是提高膜层牢固度的重要措施之一。

超声波清洗技术原理

超声波清洗机理是利用超声场所产生强大的作用力, 促使物质发生一系列物理、化学变化而达到清洗目的。超声波清洗技术中的声波分为纵波和横波, 它的传播需要弹性介质, 在固体介质中, 两者均可以传播, 而在气体和液体介质中只有纵波可以传播。人耳能听到声音的频率范围很窄, 只有 (16~20 000) Hz。频率<16 Hz的声音通常叫做次声波, 而频率>20 k Hz的声音叫做超声波。具体来说当超声波的高频 (20~50) kHz机械振动传给清洗液介质以后, 液体介质在这种高频波振动下将会产生近真空的“空腔泡”。闭合时会产生压强高达几百乃至几千帕德微激波, 因剧烈碰撞致突然爆破使气泡周围产生上千个大气压, “空腔泡”对清洗对象的强烈的作用称为“空化作用”。超声空化是指液体中的微小泡核在超声波的作用下被激活, 表现为气泡的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列的动力学过程。空化现象和它的各种效应的基本特点都和液体中空穴和空化泡的形成、猛烈闭合有关。空化作用的有关理论如下。

(1) 主腔泡在液体介质中不断碰撞、消失、合并时, 可使用周围局部产生极大的压力。这种极其强大的压力足以能使物质分子发生变化, 引起各种化学变化 (断裂、裂解、氧化、还原、分解、化合) 和物理变化 (溶解、吸附、乳化、分散等) 。

(2) 当空腔泡的本征变化频率与超声波的振动频率相等时, 便可产生共振。共振的空腔泡内聚集了大量的热能。这些热能足以使周围物质的化学键断裂, 而引起一系列的化学、物理变化。

(3) 当空腔泡形成时, 两泡壁间因产生较大的电位差而引起放电, 致使腔内的气体活化。这种活化了的气体进而引发了周围物质活化, 从而使物质发生一系列物理、化学作用。可见, “空化作用”只不过提供了物质在发生物理、化学变化时所需的能量。但是能与污物作用的液体, 除有空化泡的机械作用外还有化学作用。理想的清洗速度和效果还要取决于清洗介质, 即清洗液的性质。所以, 超声波清洗往往是机械作用和化学作用同时发生。光学零件超声波清洗就是借助这种力量, 使附着在光学零件表面上的油污、火漆、柏油、抛光粉、玻璃粉、保护漆等污物去除干净。因此, 超声波清洗是光学零件清洗的一种有效的清洗[3]。这种性质体现在清洗液与污物间所发生的各种物理、化学变化, 要能够削弱和去除污物与玻璃零件表面间的附着力和结合力, 并使清洗保持原有的表面外观。

超声波清洗剂的要求

物质在溶液中相互溶解的性质十分复杂, 有许多制约因素, 如温度、压强等。从分子结构的角度, 存在“相似相溶” (like dissolves like) 的规律。相似相溶原理是指由于极性分子间的电性作用, 使得极性分子组成的溶质易溶于极性分子组成的溶剂, 难溶于非极性分子组成的溶剂;非极性分子组成的溶质易溶于非极性分子组成的溶剂, 难溶于极性分子组成的溶剂。具体到光学零件镀膜前的清洗, 清洗溶液的存在可以使水的表面张力得到极大程度的降低, 并使固液面发生极大程度的润湿、渗透、乳化等一系列的化学作用, 从而使光学零件表面的污物脱离零件表面。需要注意的是, 由于光学零件组成材料成分差别很大, 造成其表面硬度和化学活性也大相径庭。

为保护光学零件表面在清洗过程中不受清洗剂的腐蚀, 以及零件能得到快速彻底地清洗, 所以要十分注意清洗剂的选择及溶液的浓度要求。清洗溶液应该具备以下四点: (1) 从污物的性质来选择化学作用效果好的清洗剂, 如惠州科灵的KL-603产品为低泡沫非离子型碱性清洗剂除油能力强, 具有高效的界面活性剂, 可快速去除指纹印及研磨剂, 并对各类油脂有良好的脂化效果; (2) 对设备和玻璃表面无腐蚀或污染; (3) 清洗剂稳定性好 (如清洗能力、化学稳定性、浊点、温度等) , 选择表面张力、蒸汽压及黏度合适的清洗剂。这些特性与超声空化强弱有关, 液体的表面张力大则不容易产生空化, 但是当声强超过空化阈值时, 空化泡崩溃释放的能量也大, 有利于清洗。高蒸汽压的液体会降低空化强度, 而液体的黏滞度大也不容易产生空化, 因此蒸汽压高和黏度大的清洗剂都不利于超声清洗[6]; (4) 清洗溶液对环境无污染, 对操作者无毒害。

超声波清洗工艺

超声波清洗具有效果好, 清洁度高且全部光学零件清洁度一致;清洗速度快, 提高生产效率, 不须人手接触清洗液, 安全可靠。对光学零件表面无损伤, 节省溶剂、工作场地和人工。对光学零件表面比较复杂, 像一些表面凹凸不平、特别小的视窗玻璃, 清洁度有较高要求的产品, 使用超声波清洗能达到很理想的效果。

光学零件加工中不同的工序应有不同的清洗工艺, 从整体流程看, 通常可分为四道工序:洗涤、漂洗、脱水、烘干。具体流程如下: (1) 洗涤:主要是利用有机溶剂 (如HA-04、P-90或B-13等) 对光学零件表面进行湿润、渗透和乳化而达到综合的作用, 从而达到对各类污垢进行溶解、去除的效果。 (2) 漂洗:通过纯水对光学零件表面的冲洗及超声作用, 使洗涤后残留在光学零件表面的洗涤剂溶解、稀释和去除。 (3) 脱水:经漂洗后的光学零件表面含有大量水分, 进入有机溶剂的脱水剂中进行脱水, 和水能充分混溶; (4) 烘干:脱水后的光学零件进入蒸汽槽干燥, 干燥剂蒸汽在光学零件表面冷凝为液体, 干燥剂液体和光学零件表面的脱水剂形成共沸物, 一部分共沸物形成蒸汽离开光学零件表面, 一部分共沸物以液体的状态流经光学零件表面对光学零件起冲洗作用。经过上述过程后, 光学零件表面洁净、干燥。

超声波清洗的关键: (1) 在超声波清洗中, 超声波频率是起决定性作用的工艺参数; (2) 超声波清洗在 (40~60) ℃时空化最好, 温度越高, 越有利于污物分解; (3) 超声功率密度越高, 空化效果越强, 清洗效果越好, 清洗速度越快; (4) 超声波清洗时, 应将被清洗件置于空化强烈区内, 以便获得较好的清洗效果, 被清洗件的放置位置越接近超声源, 空化强度越高; (5) 超声波清洗的效果和质量与超声波清洗的时间有关。清洗时间太短达不到清洗的质量要求, 而清洗时间过长不仅会降低工效, 且由于超声波对被清洗件表面的空化腐蚀作用影响了零件的表面质量; (6) 清洗过程中液体静止不流动, 这时泡的生长和闭合运动能够充分完成; (7) 橡胶以及非刚化塑料会吸收超声波能量, 故将此类材料用于工装提篮时应谨慎; (8) 在清洗过程中, 还应注意必须使用纯水或去离子水, 若使用自来水等硬水则很难除去玻璃上的油污。纯水电阻率大, 纯水在某一高温下, 表面张力能达到最大, 漂洗后的光学零件浸入其中, 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光学零件, 脱水后的光学零件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; (9) 通常清洗液的p H一般在 (8.5~12) 之间, 在实际使用中发现当溶液浓度过大, 超过15%, 清洗效果不好, 不易漂洗, 而浓度约为4%~7%时, 则清洗效果较佳; (10) 清洗后的干燥工艺应尽量保证玻璃垂直, 可在玻璃下垫陶瓷柱, 避免烘干后玻璃下沿有水印。

为了减少或避免脱水剂等有机溶剂对环境及操作人员身体的影响, 目前的超声波清洗技术已对干燥工艺进行了改良, 通过使用纯水漂洗, 而省略脱水, 漂洗后的光学零件表面为纯水状态, 再由异丙醇烘干, 既可快速、有效地干燥光学零件, 又可避免有机溶剂对环境及工作人员的影响。为了进一步减少烘干溶剂的影响, 目前滤光片镀膜前的超声波清洗技术已经改为甩干工艺。甩干机可以将清洗后的产品进行快速甩干, 采用PLC电路和变频器程序控制, 通过空气过滤装置将净化的空气送入设备内部以提高干燥的效率, 防止二次污染。与传统工艺相比, 可以节约无水乙醇和异丙醇等溶剂的使用, 节省成本, 保护环境。

综上所述, 对于光学镀膜零件来说, 玻璃基底的清洁程度是影响镀膜产品表面质量好坏的关键因素之一, 保障光学零件表面镀膜前的洁净度, 可以降低薄膜内的杂质污染物, 为了满足光学零件基底镀膜前的清洁要求, 超声波清洗技术是一种趋势, 也是整个清洗行业的一个趋势, 它具有广泛的应用价值。

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