無燃溶劑替代汽油在光學(xué)元件冷加工工藝中的應(yīng)用

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，拋光后需要對光學(xué)元件的表面粘接劑進行除膠、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，通過全面對比分析和選取清洗劑，結(jié)合實際應(yīng)用和工藝試驗驗證，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，實現(xiàn)了在光學(xué)冷加工中的生產(chǎn)應(yīng)用，全面實現(xiàn)了汽油清洗劑的完全替代，推動了光學(xué)制造企業(yè)綠色健康創(chuàng)新發(fā)展。

1 問題分析

可見光、紅外光學(xué)元件通常采用光學(xué)冷加工進行制造，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。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)量評價的重要指標，疵病的存在會帶來光束的散射，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。一個中小型光學(xué)元件生產(chǎn)企業(yè)每個月的汽油用量可達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，閃點低(-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)的痛點和短板。

隨著科技發(fā)展、社會進步，環(huán)境安全健康體系建立，對清洗溶劑的要求已不僅停留在操作簡單、價格便宜等方面，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人體的健康危害更少、更環(huán)保安全和綠色。

2 清洗技術(shù)和清洗劑的選擇

光學(xué)元件清洗工藝主要分為2個步驟：1)對光學(xué)元件的表面粘接劑進行除膠、除蠟的表面清潔處理；2)對鍍膜前的光學(xué)元件進行最終去污處理。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、吹入干燥氮氣法、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，目前較為先進的超聲波清洗、噴淋法和激光清洗法無法達到去除效果，只能采用溶劑浸漬溶解技術(shù)。

對于不同牌號的光學(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，能達到光學(xué)元件表面的高清潔度的技術(shù)要求，避免對光學(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、溫度等固有性質(zhì)應(yīng)保持較長時間的相對穩(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)燃性和對環(huán)境的綠色友好性，同時，還要充分分析和確保對操作人員的職業(yè)衛(wèi)生安全性和無毒無害性。因此，對清洗劑的選擇顯得尤為重要。經(jīng)過對清洗去除物和清洗劑性能及數(shù)據(jù)的全面比對分析，經(jīng)過無數(shù)輪上百次的實際工藝試驗、驗證和工藝優(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比的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表2，溶解性能及溶解時間對比數(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)對比

表3 各清洗劑溶解性能及溶解時間

3 效果及推廣應(yīng)用

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，然后對光學(xué)元件加工表面進行精磨、拋光、磨邊等工序加工，完成單面拋光加工后，采用硝基漆、蟲膠漆等保護漆對拋光完工的工作表面進行保護，防止光學(xué)元件的表面損傷或腐蝕。按上述方式對光學(xué)元件另一表面進行精磨、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。由于汽油溶劑對柏油和松香的溶解性較好，而對保護漆不溶解，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，針對存在的問題，進行了局部的除膠(蠟或漆)工藝適當調(diào)整和優(yōu)化，針對不同材料的光學(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行清洗，對一些特殊工序進行了改進。經(jīng)過多次使用替代清洗劑以及改進清洗工藝對可靠性、一致性和穩(wěn)定性驗證，獲得了良好的清洗效果，實現(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

4 結(jié)語

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)次的工藝評價、論證和工藝試驗實際驗證，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。