無燃溶劑替代汽油在光學元件冷加工工藝中的應用

龔云輝，王元康，王光偉，吳紹華，周旭環，黃婭芳，胡 忠，張步華

(北方夜視科技研究院集團有限公司 光學公司，云南 昆明 650217)

光學元件是光電儀器最重要的組成部分，作為光學系統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系統中具有相當于“眼睛”的重要作用，廣泛應用于航空、航天、制造、醫療等領域，在各種國防武器裝備中也有著廣泛的應用[1]。光學冷加工是將光學材料制作成光學元件的傳統而經典的加工工藝技術，一直被光學元件制造商所青睞，普遍應用于紅外光學材料，無色、有色和特種光學玻璃、微晶玻璃、光學晶體、光學塑料等光學材料的生產加工，為光學儀器、光電產品等的下游行業提供光學透鏡、光學窗口和光學棱鏡等光學元件產品。光學冷加工在整個光學系統產業鏈構成中處于半成品生產的中間環節，在可見、紅外等精密光學元件的生產加工過程中具有舉足輕重的作用[2-3]。

光學冷加工過程中，拋光后需要對光學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。本文以消除火災安全隱患、確保生產安全和安全生產為目的，尋求無燃溶劑作為光學元件清洗劑，通過全面對比分析和選取清洗劑，結合實際應用和工藝試驗驗證，研究了不同光學材料、不同光學元件類型、不同工序和不同去除物種類的清洗工藝，得到了理想的光學元件表面光潔度，獲得了可見、紅外等各種光學元件的無燃清洗新工藝，實現了在光學冷加工中的生產應用，全面實現了汽油清洗劑的完全替代，推動了光學制造企業綠色健康創新發展。

1 問題分析

可見光、紅外光學元件通常采用光學冷加工進行制造，材料涉及可見光材料和紅外材料，光學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，加工工序復雜，光學元件形狀各異，尺寸大小不一，具有品種多、批量大的特點。而且光學元件表面清洗去除物種類繁多，具有一定的復雜性，清潔處理稍有不慎，則會引起元件表面疵病[4-8]。表1歸納了影響光學元件表面清潔處理的相關因素。

表1 影響光學元件表面清潔處理的相關因素

表面疵病是高精度光學元件質量評價的重要指標，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、能量聚集等現象，并最終影響高精度光學元件的成像質量和使用壽命。

目前，光學元件生產制造企業通常使用溶劑汽油作為光學元件表面除膠、除蠟的清洗劑，去除表面疵病，獲得理想的表面光潔度。一個中小型光學元件生產企業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，在寬的溫度范圍內汽油都能迅速燃燒。使用和儲存都存在重大的爆炸或火災安全隱患，一旦引起爆炸或火災事故，都會給企業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用于不同領域產品的清洗[9-12]，但尚未發現在光學冷加工及其光學精密元件生產中的應用。然而，在光學加工行業內，由于使用溶劑汽油清洗劑，已多次發生火災安全事故。汽油清洗劑的使用存在的安全隱患，成為光學冷加工企業的痛點和短板。

隨著科技發展、社會進步，環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、更環保安全和綠色。

2 清洗技術和清洗劑的選擇

光學元件清洗工藝主要分為2個步驟：1)對光學元件的表面粘接劑進行除膠、除蠟的表面清潔處理；2)對鍍膜前的光學元件進行最終去污處理。光學元件清洗包括濕法(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，不僅要滿足光學元件清洗后的高表面光潔度要求，還應該滿足環保、安全、健康和低成本要求。對于可見、紅外光學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。

對于不同牌號的光學材料，不同類型光學元件，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，能達到光學元件表面的高清潔度的技術要求，避免對光學設備和元件表面的腐蝕，或對元件表面構成新的污染，清洗劑的清洗能力、化學穩定性、濁點、溫度等固有性質應保持較長時間的相對穩定性，而且有效性應保持在因素變化的范圍內，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衛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。經過對清洗去除物和清洗劑性能及數據的全面比對分析，經過無數輪上百次的實際工藝試驗、驗證和工藝優化，確定了適用于光學冷加工光學元件清洗的無(難)燃清洗劑。分別選用清洗劑與溶劑汽油對比的相關基礎數據見表2，溶解性能及溶解時間對比數據見表3。

表2 溶劑汽油與替代清洗劑的基本數據對比

表3 各清洗劑溶解性能及溶解時間

3 效果及推廣應用

自光學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元件，然后對光學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，防止光學元件的表面損傷或腐蝕。按上述方式對光學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，所以傳統工藝中通常使用溶劑汽油作為光學元件的清洗劑，去除下盤后的光學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表面，滿足產品加工對光學元件的表面光潔度的加工要求。

在選定替代汽油溶劑，適用于光學冷加工光學元件清洗的無(難)燃清洗劑和光學元件清洗工藝的基礎上，針對存在的問題，進行了局部的除膠(蠟或漆)工藝適當調整和優化，針對不同材料的光學元件，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、一致性和穩定性驗證，獲得了良好的清洗效果，實現了汽油替代清洗劑在光學冷加工清洗工藝中的應用，無燃溶劑對不同光學材料類型冷加工光學元件的清洗效果如圖1～圖3所示，光學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)鍺光學元件清洗前

d)鍺光學元件清洗后

a)汽油清洗劑清洗ZK11光學元件

b)無燃溶劑清洗ZK11光學元件

c)汽油清洗劑清洗ZF13光學元件

d)無燃溶劑清洗ZF13光學元件

圖4 球面或非球面光學元件加工工藝流程

圖5 平面或棱鏡光學元件加工工藝流程

4 結語

從安全、高效、無污染、低成本除膠、除蠟的角度出發，利用無燃溶劑去除可見、紅外光學元件的表面粘接劑，開展光學元件表面清潔處理，獲得了理想的表面光潔度。在光學冷加工過程中，采用新型綠色環保安全的光學元件無燃清洗劑，替代傳統古典工藝使用的汽油清洗劑，經無數次的工藝評價、論證和工藝試驗實際驗證，是一種安全、高效、健康、節能、環保的溶劑型清洗劑，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境健康危害，還可以保護員工的身體健康和人身安全。光學元件的清洗效果和清洗效率超過采用傳統汽油清洗的效果，使用更安全，更環保，更高效。