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(hù)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(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(fèi)時(shí)費(fèi)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(jī)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(rèn)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(dá)到清洗目的的方法。

當(dāng)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(qiáng)，如此大的壓強(qiáng)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(dāng)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(nèi)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(dāng)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(nèi)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(jī)溶劑，主要是根據(jù)相似相溶的化學(xué)原理，對(duì)有機(jī)物如：黏結(jié)劑（瀝青、松香等）、保護(hù)性材料（瀝青、樹(shù)脂等）、磨邊潤(rùn)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(qiáng)，但有的易揮發(fā)，毒性大，有的對(duì)大氣臭氧層有破壞作用，被逐步禁用?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)多采用一些上述物質(zhì)的改進(jìn)產(chǎn)品或某些碳?xì)浠衔镒鋈軇?。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(jié)構(gòu)中同時(shí)含有親油基的親水基，具有極性和結(jié)構(gòu)不對(duì)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(rùn)濕，表面污物易于被溶解，分散在清洗液中而達(dá)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(dá)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(xiàn)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(dāng)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?yàn)橄礈爝^(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(duì)設(shè)備要求也簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)洗滌后的鏡片表面不會(huì)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(wú)機(jī)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(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(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(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(shí)間對(duì)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(dǎo)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(yīng)和漂洗水潔凈度一致。當(dāng)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(jié)構(gòu)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(qū)，冷凝管內(nèi)是由冷水機(jī)提供的循環(huán)冷水，鏡片由鏈條驅(qū)動(dòng)的托架帶動(dòng)在干燥槽內(nèi)運(yùn)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(qū)，在冷凝區(qū)形成濃度、溫度相對(duì)穩(wěn)定的蒸汽區(qū)，脫水后表面附有液體IPA的鏡片進(jìn)入蒸汽區(qū)時(shí)，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(shí)，已不再附有液態(tài)IPA，而全轉(zhuǎn)化為IPA。此時(shí)，鏡片在托架的帶動(dòng)下上升回到冷凝區(qū)，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(jī)的水溫、冷凝行程的長(zhǎng)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(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(dá)到最大，漂洗后的鏡片浸入其中，表面不被潤(rùn)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(dá)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(duì)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(jī)中，在工件取得平衡時(shí)，啟動(dòng)甩干機(jī)，利用離心分離的原理將鏡片表面的純水分離達(dá)到干燥，對(duì)要求不高的鏡片能取得滿(mǎn)意效果，且能節(jié)省IPA和場(chǎng)地。但對(duì)甩干機(jī)的平衡性能要求很高。