龔云輝,王元康,王光偉,吳紹華,周旭環(huán),黃婭芳,胡 忠,張步華
(北方夜視科技研究院集團(tuán)有限公司 光學(xué)公司,云南 昆明 650217)
光學(xué)元件是光電儀器最重要的組成部分,作為光學(xué)系統(tǒng)中用于改變光路的器件,在可見、紅外成像裝置、激光探測裝置和電子裝置等光學(xué)系統(tǒng)中具有相當(dāng)于“眼睛”的重要作用,廣泛應(yīng)用于航空、航天、制造、醫(yī)療等領(lǐng)域,在各種國防武器裝備中也有著廣泛的應(yīng)用[1]。光學(xué)冷加工是將光學(xué)材料制作成光學(xué)元件的傳統(tǒng)而經(jīng)典的加工工藝技術(shù),一直被光學(xué)元件制造商所青睞,普遍應(yīng)用于紅外光學(xué)材料,無色、有色和特種光學(xué)玻璃、微晶玻璃、光學(xué)晶體、光學(xué)塑料等光學(xué)材料的生產(chǎn)加工,為光學(xué)儀器、光電產(chǎn)品等的下游行業(yè)提供光學(xué)透鏡、光學(xué)窗口和光學(xué)棱鏡等光學(xué)元件產(chǎn)品。光學(xué)冷加工在整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成中處于半成品生產(chǎn)的中間環(huán)節(jié),在可見、紅外等精密光學(xué)元件的生產(chǎn)加工過程中具有舉足輕重的作用[2-3]。
光學(xué)冷加工過程中,拋光后需要對(duì)光學(xué)元件的表面粘接劑進(jìn)行除膠、除蠟及表面清潔處理,以獲得理想的表面光潔度,通常采用汽油作為清洗劑,但汽油的儲(chǔ)存和使用存在很大安全隱患。本文以消除火災(zāi)安全隱患、確保生產(chǎn)安全和安全生產(chǎn)為目的,尋求無燃溶劑作為光學(xué)元件清洗劑,通過全面對(duì)比分析和選取清洗劑,結(jié)合實(shí)際應(yīng)用和工藝試驗(yàn)驗(yàn)證,研究了不同光學(xué)材料、不同光學(xué)元件類型、不同工序和不同去除物種類的清洗工藝,得到了理想的光學(xué)元件表面光潔度,獲得了可見、紅外等各種光學(xué)元件的無燃清洗新工藝,實(shí)現(xiàn)了在光學(xué)冷加工中的生產(chǎn)應(yīng)用,全面實(shí)現(xiàn)了汽油清洗劑的完全替代,推動(dòng)了光學(xué)制造企業(yè)綠色健康創(chuàng)新發(fā)展。
可見光、紅外光學(xué)元件通常采用光學(xué)冷加工進(jìn)行制造,材料涉及可見光材料和紅外材料,光學(xué)元件類型包括平面鏡、球面鏡、非球面鏡、光楔鏡、棱鏡和柱面鏡等,加工工序復(fù)雜,光學(xué)元件形狀各異,尺寸大小不一,具有品種多、批量大的特點(diǎn)。而且光學(xué)元件表面清洗去除物種類繁多,具有一定的復(fù)雜性,清潔處理稍有不慎,則會(huì)引起元件表面疵病[4-8]。表1歸納了影響光學(xué)元件表面清潔處理的相關(guān)因素。
表1 影響光學(xué)元件表面清潔處理的相關(guān)因素
表面疵病是高精度光學(xué)元件質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo),疵病的存在會(huì)帶來光束的散射,造成衍射條紋、熱像差、膜系破壞、能量聚集等現(xiàn)象,并最終影響高精度光學(xué)元件的成像質(zhì)量和使用壽命。
目前,光學(xué)元件生產(chǎn)制造企業(yè)通常使用溶劑汽油作為光學(xué)元件表面除膠、除蠟的清洗劑,去除表面疵病,獲得理想的表面光潔度。一個(gè)中小型光學(xué)元件生產(chǎn)企業(yè)每個(gè)月的汽油用量可達(dá)400~500 kg,年消耗量超過5 000 kg,在作為清洗劑領(lǐng)域的用途方面,溶劑汽油清洗劑的清洗效果十分明顯,使用量巨大。然而,汽油具有易燃、易爆、易揮發(fā)特點(diǎn),閃點(diǎn)低(-50~-20 ℃),在空氣中遇火爆炸的濃度含量為74~123 g/m3。汽油的自燃溫度范圍為250~530 ℃,爆炸極限范圍是0.76%~6.9%。汽油屬于極易燃物品,可以被微小的火星甚至靜電瞬間引燃,在寬的溫度范圍內(nèi)汽油都能迅速燃燒。使用和儲(chǔ)存都存在重大的爆炸或火災(zāi)安全隱患,一旦引起爆炸或火災(zāi)事故,都會(huì)給企業(yè)和人民的生命安全造成巨大損失。近年來,已有非易燃易爆清洗劑應(yīng)用于不同領(lǐng)域產(chǎn)品的清洗[9-12],但尚未發(fā)現(xiàn)在光學(xué)冷加工及其光學(xué)精密元件生產(chǎn)中的應(yīng)用。然而,在光學(xué)加工行業(yè)內(nèi),由于使用溶劑汽油清洗劑,已多次發(fā)生火災(zāi)安全事故。汽油清洗劑的使用存在的安全隱患,成為光學(xué)冷加工企業(yè)的痛點(diǎn)和短板。
隨著科技發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步,環(huán)境安全健康體系建立,對(duì)清洗溶劑的要求已不僅停留在操作簡單、價(jià)格便宜等方面,而是在滿足清洗能力及要求的前提下,追求清洗溶劑的使用安全性以及對(duì)人體的健康危害更少、更環(huán)保安全和綠色。
光學(xué)元件清洗工藝主要分為2個(gè)步驟:1)對(duì)光學(xué)元件的表面粘接劑進(jìn)行除膠、除蠟的表面清潔處理;2)對(duì)鍍膜前的光學(xué)元件進(jìn)行最終去污處理。光學(xué)元件清洗包括濕法(溶劑)清洗和干法清洗,濕法清洗需要使用溶劑,通常有溶劑浸漬溶解、噴淋蒸發(fā)去油、超聲蒸汽濕法清洗等;干洗清洗不需要溶劑,通常采用的方法有等離子干洗法、激光清洗、蒸汽去油法、吹入干燥氮?dú)夥?、燃燒清洗法等。不管采用什么清洗方法,不僅要滿足光學(xué)元件清洗后的高表面光潔度要求,還應(yīng)該滿足環(huán)保、安全、健康和低成本要求。對(duì)于可見、紅外光學(xué)元件的表面粘接劑的除膠、除蠟表面清潔處理,目前較為先進(jìn)的超聲波清洗、噴淋法和激光清洗法無法達(dá)到去除效果,只能采用溶劑浸漬溶解技術(shù)。
對(duì)于不同牌號(hào)的光學(xué)材料,不同類型光學(xué)元件,所屬的加工工序和所需清洗去除的元件表面附著物也各有不同。面對(duì)諸多復(fù)雜的影響因素,不僅需要清洗劑具有良好的去污能力,能達(dá)到光學(xué)元件表面的高清潔度的技術(shù)要求,避免對(duì)光學(xué)設(shè)備和元件表面的腐蝕,或?qū)υ砻鏄?gòu)成新的污染,清洗劑的清洗能力、化學(xué)穩(wěn)定性、濁點(diǎn)、溫度等固有性質(zhì)應(yīng)保持較長時(shí)間的相對(duì)穩(wěn)定性,而且有效性應(yīng)保持在因素變化的范圍內(nèi),以保證清洗效果和清洗效率不低于溶劑汽油,還要考慮其無(難)燃性和對(duì)環(huán)境的綠色友好性,同時(shí),還要充分分析和確保對(duì)操作人員的職業(yè)衛(wèi)生安全性和無毒無害性。因此,對(duì)清洗劑的選擇顯得尤為重要。經(jīng)過對(duì)清洗去除物和清洗劑性能及數(shù)據(jù)的全面比對(duì)分析,經(jīng)過無數(shù)輪上百次的實(shí)際工藝試驗(yàn)、驗(yàn)證和工藝優(yōu)化,確定了適用于光學(xué)冷加工光學(xué)元件清洗的無(難)燃清洗劑。分別選用清洗劑與溶劑汽油對(duì)比的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表2,溶解性能及溶解時(shí)間對(duì)比數(shù)據(jù)見表3。
表2 溶劑汽油與替代清洗劑的基本數(shù)據(jù)對(duì)比
表3 各清洗劑溶解性能及溶解時(shí)間
自光學(xué)冷加工的古典法誕生以來,通常都是采用柏油、火漆、石蠟等以柏油和松香為主要成分的混合物作為輔助粘接劑粘接光學(xué)元件,然后對(duì)光學(xué)元件加工表面進(jìn)行精磨、拋光、磨邊等工序加工,完成單面拋光加工后,采用硝基漆、蟲膠漆等保護(hù)漆對(duì)拋光完工的工作表面進(jìn)行保護(hù),防止光學(xué)元件的表面損傷或腐蝕。按上述方式對(duì)光學(xué)元件另一表面進(jìn)行精磨、拋光、磨邊等工序加工。其中拋光、磨邊等多道工序涉及光學(xué)表面的附著物去除和清洗。由于汽油溶劑對(duì)柏油和松香的溶解性較好,而對(duì)保護(hù)漆不溶解,所以傳統(tǒng)工藝中通常使用溶劑汽油作為光學(xué)元件的清洗劑,去除下盤后的光學(xué)元件表面附著的柏油、火漆、石蠟等粘接殘留物,從而獲得清潔的光學(xué)表面,滿足產(chǎn)品加工對(duì)光學(xué)元件的表面光潔度的加工要求。
在選定替代汽油溶劑,適用于光學(xué)冷加工光學(xué)元件清洗的無(難)燃清洗劑和光學(xué)元件清洗工藝的基礎(chǔ)上,針對(duì)存在的問題,進(jìn)行了局部的除膠(蠟或漆)工藝適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化,針對(duì)不同材料的光學(xué)元件,不同的表面附著物和不同加工工序,分別采用不同溶劑清洗劑進(jìn)行清洗,對(duì)一些特殊工序進(jìn)行了改進(jìn)。經(jīng)過多次使用替代清洗劑以及改進(jìn)清洗工藝對(duì)可靠性、一致性和穩(wěn)定性驗(yàn)證,獲得了良好的清洗效果,實(shí)現(xiàn)了汽油替代清洗劑在光學(xué)冷加工清洗工藝中的應(yīng)用,無燃溶劑對(duì)不同光學(xué)材料類型冷加工光學(xué)元件的清洗效果如圖1~圖3所示,光學(xué)冷加工的工藝流程歸納如圖4和圖5所示。
圖1 無燃清洗劑清洗光學(xué)元件的效果
a)硫系元件清洗前
b)硫系元件清洗后
c)鍺光學(xué)元件清洗前
d)鍺光學(xué)元件清洗后
a)汽油清洗劑清洗ZK11光學(xué)元件
b)無燃溶劑清洗ZK11光學(xué)元件
c)汽油清洗劑清洗ZF13光學(xué)元件
d)無燃溶劑清洗ZF13光學(xué)元件
圖4 球面或非球面光學(xué)元件加工工藝流程
圖5 平面或棱鏡光學(xué)元件加工工藝流程
從安全、高效、無污染、低成本除膠、除蠟的角度出發(fā),利用無燃溶劑去除可見、紅外光學(xué)元件的表面粘接劑,開展光學(xué)元件表面清潔處理,獲得了理想的表面光潔度。在光學(xué)冷加工過程中,采用新型綠色環(huán)保安全的光學(xué)元件無燃清洗劑,替代傳統(tǒng)古典工藝使用的汽油清洗劑,經(jīng)無數(shù)次的工藝評(píng)價(jià)、論證和工藝試驗(yàn)實(shí)際驗(yàn)證,是一種安全、高效、健康、節(jié)能、環(huán)保的溶劑型清洗劑,不僅可以大幅度降低或消除使用汽油清洗劑帶來的安全隱患和環(huán)境健康危害,還可以保護(hù)員工的身體健康和人身安全。光學(xué)元件的清洗效果和清洗效率超過采用傳統(tǒng)汽油清洗的效果,使用更安全,更環(huán)保,更高效。