CN102952620A - 硬脆性材料的水基切割液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硬脆性材料的水基切割液及其制备方法，特别是应用于太阳能晶体硅切割用的水基切割液。它由以下重量百分比的组分组成：10~40%的去离子水、55~85%的二元醇、0.001~5%的保水剂和0.001~5%的触变增稠剂、0~5%的洗涤泡沫控制剂。本发明的切割液在切割过程中水分不流失，比热容高，冷却性能好，对环境友好，是一种性能稳定的新型水基切割液。

Description

硬脆性材料的水基切割液及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种工业切割液，具体涉及一种用于晶体硅等硬脆性材料切割的水基切割液。 

背景技术

近年来，随着硬脆性材料尤其是太阳能用晶体硅切割技术的发展，对应用于硬脆材料切割的切割液的要求也越来越高。切割液在具有原有的冷却、悬浮、润滑、分散等性能要求的基础上，还要不断满足切割工艺的变化需求；如切割后使晶体表面更加的光滑、易于清洗，同时要求成本低廉，切割后的废浆料易于再生处理，可以循环使用等等。 

切割液近30年来逐渐从使用有机溶剂清洗的油性切割液到水溶性切割液逐渐向高含水的水基切割液方向发展。而无论是水溶性切割液（不含水）还是水基切割液，其主体成分仍然以聚烷氧基化物为主，这类切割液润滑性好，排屑能力强且对碳化硅类磨料具有优良的分散特性。针对水基切割液，由于水的引入大大提高了切割液自身的比热容，其良好的导热性能和低廉的成本，引起业界人士的关注。 

早前我们发明的专利“一种硬脆性材料水基切割液及其制备方法和应用”（申请号201010500957.4）和“一种硬脆性材料水基切割液” （申请号201010500973.3）均提供了一种以聚醚（或者聚乙二醇）为主要成分，含水量在20%以下的切割液配方，很好的解决了切割液保水、悬浮及再分散的功能，但其主成分原材料较难得到，成本仍然较高。 

发明专利“ 一种混合添加剂及由其制得的线锯切割液” （申请号201010246708.7）切割液主体成分仍然是聚乙二醇，添加剂以有机酸聚合物及有机碱为主体成分且水含量达到45~84%，折合切割液中水含量最高为42%，配方产品具有较好的分散和再分散磨料的能力，成本相对较低，但添加剂加入后，切割液本身稳定性有待进一步提升，同时增加了使用者的操作难度。 

发明专利“一种用于硅片切割的水基切割液”（申请号201110174484.8）采用聚乙烯醇为主要增稠、润滑成分，同时水含量高达89.95~98%，做到了低成本，但配方的触变性及稳定性有待进一步提升，随着切割过程接触点的高温，很难做到水分的稳定保持。 

针对现有的水基切割液配方，普遍存在原材料不易得到、配方成本较高、且切割液使用过程中，水含量逐渐缺失，引起砂浆的粘度不断增加，导致切割工艺不稳定，产品质量不容易控制等问题，同时其废浆料回收过程中，添加剂交易缺失，回收也相对困难。所以研究一种低成本、高稳定且易回收环保的切割液是我们急待解决的问题。 

发明内容

本发明的目的在于：提供一种原材料易得、成本低廉、性能稳定且环境友好的硬脆性材料水基切割液及其制备方法。 

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的： 

一种硬脆性材料的水基切割液，由以下重量百分比的组分组成：

去离子水                10~40%

二元醇                    55~85%

保水剂                    0.001~5% 

触变增稠剂            0.001~5%  

洗涤泡沫控制剂    0~5%

一种硬脆性材料的水基切割液，优选以下重量百分比的组分组成： 

去离子水                15~35%

二元醇                    60~80%

保水剂                    0.05~2% 

触变增稠剂            0.05~2% 

洗涤泡沫控制剂    0~2%

所述二元醇的优选可分别为丙二醇、二乙二醇、三乙二醇或者他们一种以上的的混合物。

所述的保水剂的优选为聚醚型高分子丙烯酸聚合物 ，如通式（a）所示： 

通式（a）中，a、b、 c、d和e链段无前后顺序，可以随意调整；a、b、 c和d数值均为0~100的整数，且不同时为0；m、n、x、y均为0~100的实数；M₁ 、M₂、M₃为氢、甲基、乙基或磺酸基单元；R₁、R₂、R₃、R₄、R₅为氢、甲基单元。

通式（a）中，a优选1~50的整数，b 、c、d和e优选0~80的整数；m、x优选0~60的实数，且不同时为0；n、y优选0~10的实数； EO、PO链段的排列方式为嵌段或无规杂嵌。 

所述的触变增稠剂优选为气相白炭黑或黄原胶。 

所述的洗涤泡沫控制剂优选为EL-10、EL-15、EL-20 、T-80中一种或者一种以上的混合物。 

二元醇中的双羟基结构可以给切割液提供了良好的润滑、清洗性能，同时也增加了水基切割液自身粘度及悬浮功能。 

本发明的独特的配方，在于在切割液中添加一种保水剂，特别是本发明优选的保水剂聚醚型高分子丙烯酸聚合物，其不但有较长的主链段，分子中存在众多醚键、羟基、羧基、磺酸基等支链，其中的亲水基团伸向水相，亲油基团聚集在水表面或者分子链段包裹住水分来防止水份的流失。同时分子主链上接有的一定长度和刚度的侧链，一旦主链吸附在固体颗粒表面后，支链与其它颗粒表面的支链形成立体交叉，阻碍了颗粒相互接近，从而达到分散作用，同时这种空间位阻作用不以时间延长而弱化，因此保水剂的分散作用更为持久，即不但长时间分散还可以长时间保持砂浆水分的平衡稳定，保证了切割过程切割液中水分的稳定。 

本发明的独特的配方，在于在切割液中添加一种触变增稠剂，所述的触变增稠剂优选气相白炭黑或黄原胶。气相白炭黑，其为无毒、无味、无嗅，无污染的非金属氧化物，具有较高的比表面积和严格的粒度分布，其粒径一般介于7～80nm之间，比表面积一般大于100m²／g，由于使用量极少，粒径又远远小于切割使用的碳化硅刃料，故可以很好的在碳化硅、切割液之间形成架桥，均匀分散、悬浮碳化硅，同时高比表面积、松散、无定形状态又很好的对切割液进行了增稠，有利于切割液自身及在切割过程的稳定。黄原胶同样具有优良的增稠性、悬浮性、乳化性和水溶性，并具有良好的热、酸碱稳定性。由于白炭黑及黄原胶的纳米效应，晶硅切割过程中表现出卓越的增稠、触变、防流挂等性质，故其在水相切割液体系中的存在可以使碳化硅颗粒自由流动，具有很好的动态触变作用，提高体系抗剪切作用（砂浆触变性能），确保切割过程砂浆体系粘度的均一稳定。 

本发明提供的洗涤泡沫控制剂，其主要为EL-10、EL-15、EL-20 、T-80中一种或者一种以上混合物的表面活性剂。由于气相白炭黑或黄原胶的存在，切割液本身非均一相，表面活性剂的加入一方面可以起到乳化剂的作用来保证切割液体系的均匀稳定，同时也可以改善切割后后续晶片的清洗性能，而本发明其他组分会或多或少的使体系产生泡沫，泡沫对切割危害很大，如造成硅片产生线痕等等，故表面活性剂的选择还可以很好的控制泡沫的产生。 

去离子水的加入有效提高切割液的冷却效果，增加比热容，提高清洗性能，大幅度降低生产成本。 

本发明的优化配制方法如下。 

将保水剂在20~40℃下均匀分散在去离子水中，调pH至5~7，组成第一份溶液；将触变增稠剂分散在二元醇中，然后把二者混合搅拌10-60分钟，由此组成第二份溶液；最后将第一份溶液与第二份溶液及洗涤泡沫控制剂均匀混合，再补齐余量的去离子水，继续搅拌1~3小时，得到所述的硬脆性材料的水基切割液。 

由于保水剂本身为水溶性高分子产品，其在水中的先行溶解有利于其效能的充分发挥；而触变增稠剂自身粒度较小、松散且在水中较易沉降，故将其直接分散在二元醇中有利于配方的稳定。 

所述硬脆性材料的水基切割液可应用的领域为以晶体硅等为主的硬脆性材料线切割，特别适用于单晶硅、多晶硅的加工。所用设备为多线切割机或金刚线切割机。 

与现有技术相比，本发明硬脆性材料的水基切割液有以下有益效果： 

1.     由于高含量去离子水的加入，使得本发明的切割液产品比热容高，具有优越的冷却性能，同时成本低； 

2.     本发明产品选择二元醇为主要原材料，原材料价格低廉、易得；

3.     本发明产品选用聚醚型聚羧酸聚合物为保水剂，产品性能稳定，切割过程水分不流失，不影响砂浆粘度变化，切割后晶片易清洗；

4.     本发明产品选用气相白炭黑为触变增稠剂，不但可以保证在高含水前提下切割液的粘度，而且可以使砂浆自由流动，并且防沉及触变效果良好。

5.     本发明产品回收及再生处理简单，为环境友好产品。 

具体实施方式

下面结合实施例和实验数据对本发明作进一步的说明，但本发明并不限于下列实施例。 

以下实施例中使用的所有化学试剂和磨料（碳化硅微粉1200#）均为市售产品，所述水均为去离子水（电导率小于5μS/cm）。 

实施例1.

配置1000g水基切割液

取8g气相白炭黑，分散于790g二乙二醇中，30~40℃搅拌10分钟至分散均匀得A₁项；取2g保水剂（分子式如b）溶解于200g去离子水中，20℃搅拌15~30分钟得B₁项；将A₁与B₁项混合后加剩余的去离子水继续搅拌1小时得水基切割液1。

  

        

实施例2.

配置1000g水基切割液

取1g气相白炭黑，分散于800g三乙二醇中，30~40℃搅拌60分钟至分散均匀得A₂项；取0.8g保水剂（分子式如c）溶解于198g去离子水中，40℃搅拌15~30分钟得B₂项；将A₂与B₂项及0.2g的EL-10混合后加剩余的去离子水继续搅拌3小时得水基切割液2。

实施例3.

配置1000g水基切割液

取9g气相白炭黑，分散于660g丙二醇中，30~40℃搅拌30分钟至分散均匀得A₃项；取0.6g保水剂（分子式如d）溶解于330g去离子水中，30℃搅拌15~30分钟得B₃项；将A₃与B₃项及0.4g的EL-15混合后加剩余的去离子水继续搅拌2小时得水基切割液3。

  

        

实施例4.

配置1000g水基切割液

取18g气相白炭黑，分散于820g丙二醇中，30~40℃搅拌40分钟至分散均匀得A₄项；取2g保水剂（分子式如e）溶解于160g去离子水中，35℃搅拌15~30分钟得B₄项；将A₄与B₄项混合后加剩余的去离子水继续搅拌2小时得水基切割液4。

实施例5.

配置1000g水基切割液

取5g黄原胶，分散于850g丙二醇中，30~40℃搅拌50分钟至分散均匀得A₅项；取1.5g保水剂（分子式如f）溶解于143.5g去离子水中，30℃搅拌15~30分钟得B₅项；将A₅与B₅项混合后加剩余的去离子水继续搅拌2小时得水基切割液5。

分别将上述所配置的四份切割液及市售水基切割液Z（水含量20%）与市售1200#碳化硅微粉配成砂浆（液与砂质量比为1:1），并搅拌均匀。对切割液的水分、粘度及切割砂浆的粘度、悬浮性等按以下方法进行分析比对，结果见表1和表2。 

性能及指标检测

1.       水分和粘度的测量

将上述新配制的砂浆在恒温恒湿的房间中（25℃，空气湿度50%）采用相同的设备（BFH-03D恒温水浴），以转速1000rpm进行长时间25℃恒温搅拌，测量不同时间砂浆粘度及水分。计算砂浆经时水分及粘度变化率，用以衡量保水稳定性和粘度稳定性。结果见表1。

1)       经时水分变化率=【搅拌不同时间后砂浆水分／搅拌10分钟后砂浆水分】×100% 

2)       经时粘度变化率=【搅拌不同时间后砂浆粘度／搅拌10分钟后砂浆粘度】×100%

2.       悬浮性能的测量

       取100ml上述新配制的砂浆放入100ml量筒中，在恒温恒湿的条件下静置，测量不同时间下层碳化硅微粉的沉降高度，下层碳化硅沉降层高度较高者为悬浮性好。结果见表1。     

表1. 砂浆性能比较

从表1可知，实施例1~5的水分变化率和粘度变化率均好于市售某品牌水基切割液Z，说明保水剂及触变增稠剂的加入，起到了保持砂浆水分、稳定砂浆粘度的作用。

实施例1~5的悬浮性能也优于市售某品牌水基切割液Z，说明含有保水剂及触变增稠剂的水基切割液对碳化硅微粉的悬浮性能较强。 

Claims (8)

1.一种硬脆性材料水基切割液及其制备方法，其特征在于：由以下重量百分比的组分组成：

去离子水                10~40%

二元醇                    55~85%

保水剂                    0.001~5% 

触变增稠剂            0.001~5%  

洗涤泡沫控制剂     0~5%    。

2.根据权利要求1所述的硬脆性材料水基切割液及其制备方法，其特征在于：优选以下重量百分比的组分组成： 

去离子水                15~35%

二元醇                    60~80%

保水剂                   0.05~2% 

触变增稠剂            0.05~2% 

洗涤泡沫控制剂     0~2%   。

3.根据权利要求1所述的硬脆性材料水基切割液及其制备方法，其特征在于：所述的二元醇可分别为丙二醇、二乙二醇、三乙二醇或者他们的混合物。

4.根据权利要求1所述的硬脆性材料的水基切割液及其制备方法，其特征在于：所述的保水剂为聚醚型高分子丙烯酸聚合物，其通式如（a）所示：

（a）                                                   

通式（a）中，a、b、 c、d和e链段无前后顺序，可以随意调整；a、b、 c和d数值均为0~100的整数，且不同时为0；m、n、x、y均为0~100的实数；M₁ 、M₂、M₃为氢、甲基、乙基或磺酸基单元；R₁、R₂、R₃、R₄、R₅为氢、甲基单元。

5.根据权利要求4所述的硬脆性材料水基切割液及其制备方法，其特征在于：所述的通式（a）中，a是1~50的整数，b 、c、d和e是0~80的整数；m、x是0~60的实数，且不同时为0；n、y是0~10的实数； EO、PO链段的排列方式为嵌段或无规杂嵌。

6.根据权利要求1所述的硬脆性材料水基切割液及其制备方法，其特征在于：所述的触变增稠剂为气相白炭黑或黄原胶。

7.根据权利要求1所述的硬脆性材料水基切割液及其制备方法，其特征在于：所述的洗涤泡沫控制剂为EL-10、EL-15、EL-20 、T-80中一种或者一种以上混合物。

8.一种硬脆性材料水基切割液的制备方法，其特征在于：将保水剂在20~40℃下均匀分散在去离子水中，调pH至5~7，组成第一份溶液；将触变增稠剂分散在二元醇中，然后把二者混合搅拌10-60分钟，由此组成第二份溶液；最后将第一份溶液与第二份溶液及洗涤泡沫控制剂均匀混合，再补齐余量的去离子水，继续搅拌1~3小时，得到所述的硬脆性材料的水基切割液。