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(jié)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物的清洗。傳統(tǒng)的清洗方法是利用擦拭材料（紗布、無塵紙）配合化學(xué)試劑（汽油、乙醇、丙酮、乙醚）采取浸泡、擦拭等手段進行手工清擦。這種方法費時費力，清潔度差，顯然不適應(yīng)現(xiàn)代規(guī)模化的光學(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代替。于是超聲波清洗技術(shù)逐步進入光學(xué)冷加工行業(yè)并大顯身手，進一步推動了光學(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(dāng)高于音波（28～40KHz）的高頻振動傳給清洗介質(zhì)后，液體介質(zhì)在高頻振動下產(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圍的物質(zhì)發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化。這種作用稱為"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(dāng)空腔泡的固有頻率和超聲頻率相等時，可產(chǎn)生共振，共振的空腔泡內(nèi)聚集了大量的熱能，這種熱能足以使周圍物質(zhì)化學(xué)鍵斷裂而引起物理、化學(xué)變化。
3.當(dāng)空腔泡形成時，兩泡壁間因產(chǎn)生極大的電位差而引起放電，致使腔內(nèi)氣泡活化進而引起周圍物質(zhì)的活化，從而使物質(zhì)發(fā)生物理、化學(xué)變化。
超聲場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，一類是有機溶劑，主要是根據(jù)相似相溶的化學(xué)原理，對有機物如：黏結(jié)劑（瀝青、松香等）、保護性材料（瀝青、樹脂等）、磨邊潤滑油進行溶解。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。現(xiàn)國內(nèi)多采用一些上述物質(zhì)的改進產(chǎn)品或某些碳氫化合物做溶劑。目前使用較多的另一類清洗劑是以表面活性劑為主要成分的水基清洗劑，其清洗原理簡單地說是由于表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)中同時含有親油基的親水基，具有極性和結(jié)構(gòu)不對稱的特點。正是這種特點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，利用超聲場產(chǎn)生的巨大能量，通過物理、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：有先進行溶劑清洗、溶劑蒸汽干燥再進行水基清洗；也有先進行溶劑清洗，再用乳化劑溶解溶劑，再進行水基清洗的。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0.1μs/m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)它進入IPA后，雖然IPA能和純水進行無限度的相混溶，但在超聲波的作用下，這種混溶能進行得更快速、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中，在工件取得平衡時，啟動甩干機，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意效果，且能節(jié)省IPA和場地。但對甩干機的平衡性能要求很高。
