CN103525531A - 一种用于蓝宝石晶体掏棒的冷却液 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于蓝宝石晶体掏棒的冷却液，可用于用作LED衬底的蓝宝石等材料的掏棒工序。冷却液主要由润滑剂、分散剂、防锈剂、杀菌剂、消泡剂和水组成。其组分及质量份数为：润滑剂5～30、分散剂1～10、防锈剂0.1～5、杀菌剂0.5～2、消泡剂0.1~0.5，去离子水余量。本发明具有优良的润滑性、冷却性、防锈性和排屑性。能满足蓝宝石晶体掏棒的同时，使晶棒表面性状良好，有效提高晶棒合格率。

Description

一种用于蓝宝石晶体掏棒的冷却液

技术领域

本发明涉及一种用于蓝宝石晶体掏棒的冷却液，属于蓝宝石切割用冷却液的合成技术领域。

技术背景

蓝宝石，是刚玉宝石中除红色的红宝石之外，其它颜色刚玉宝石的通称，主要成分是氧化铝。蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作，因而被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。

蓝宝石晶体因其具有独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能而用于半导体照明产业，如LED，LED能使发光效率提高近10倍，寿命是传统灯具的20倍以上，兼有绿色、环保等优点。目前蓝宝石衬底占全球80%市场份额。

蓝宝石的硬度达到莫氏9级，仅次于金刚石。因此其加工过程存在低效、高损伤等问题，在蓝宝石晶体掏棒工序中常常出现因冷却液润滑性能不好而降低刀具寿命的情况。CN102806609A公开了一种高效低成本蓝宝石晶体圆棒掏棒方法，解决了现有掏棒方法排屑效果差、冷却液不能大量到达掏棒部位的问题，但其忽略了冷却液在加工过程中的作用。

研究表明，在加工过程中粉屑容易具体，不易将粉屑排离出工作区；由于蓝宝石掏棒过程中冷却液用大量自来水稀释，设备和刀具极易生锈；冷却液工作过程中产生的的气泡会影响冷却液的冷却、排屑能力，给加工带来不利。

    发明内容

为了解决上述技术问题，经过深入研究发现：通过加入分散剂，可以有效改善冷却液的润湿分散性能，从而提高其排屑能力；通过加入润滑剂可以显著改善冷却液的润滑性能，尤其是在蓝宝石晶体掏棒过程中，可以大幅提高冷却性和刀具表面质量；加入防锈剂则可以在刀具和设备表面形成分子膜保护层，有效解决设备易生锈问题；加入消泡剂可减少或避免掏棒过程中冷却液产生气泡，使掏棒过程更加顺畅。

因此，一方面本发明的目的是提供一种适用于蓝宝石晶体掏棒的冷却液，该冷却液，主要由润滑剂、分散剂、防锈剂、杀菌剂、消泡剂和水组成，其组分及质量份数为：

润滑剂                     5～30

分散剂                     1～10

防锈剂                     0.1～5

杀菌剂                     0.5～2

消泡剂                     0.1~0.5

去离子水                    余量       ；

   其中所述的润滑剂是聚氧乙（丙）烯醚中的一种或多种，聚氧乙（丙）烯醚类润滑剂可以由下述简式表示：

R[（CH₂CH₂O）_k（CH₃CH₂CH₂O）_m]H（a）     ；

其中，k、m取0~30的实数，且k和m不同时为0，R为单（多）元烷氧基、单（多）元胺基、烷基酸酯基或者为烷基苯氧基。

所述k优选取1~15的实数，m取0~20的实数；R为C数小于20的单（多）元烷氧基、单（多）元胺基、烷基酸酯基或者为烷基苯氧基。

所述润滑剂其质量份数为10~20%。                     

所述的聚氧乙（丙）烯醚类润滑剂（a）中的乙氧基、丙氧基链段的排列方式为嵌段或无规杂嵌。

再一方面，所述的分散剂可以是烷基氢氧化铵、聚乙二醇、碱金属磷酸盐中的一种或多种。

再一方面，所述的防锈剂可以是、水杨酸三乙醇胺、磺化蓖麻油三乙醇胺、油酸三乙醇胺、硫脲、硼酸、苯并三氮唑中的一种或多种。

再一方面，所述的杀菌剂可以是苯甲酸钠、苯并异噻唑啉酮、均三嗪、三丹油中的一种或多种。

再一方面，所述的消泡剂可以聚丙二醇、二甲基硅油、聚醚改性有机硅中的一种或多种。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要在于：

1.本产品具有优秀的润滑、冷却、防锈和分散性能，适用于蓝宝石晶体掏棒加工，对提高排屑性和保护刀具均有良好效果。

2.本产品无毒无害，对环境友好。

具体实施方式

本发明为一种用于蓝宝石晶体掏棒的冷却液，主要由润滑剂、分散剂、防锈剂、杀菌剂、消泡剂和去离子水组成。

在本发明冷却液中添加润滑剂可以大幅降低刀具和蓝宝石晶体之间的摩擦，一方面可以减少摩擦热产生，提高冷却性能，另一方面可以有效地保护刀具，延长刀具寿命。

所述的润滑剂通式为： R[（CH₂CH₂O）_k（CH₃CH₂CH₂O）_m]H（a）其中，k、m取0~30的实数，且k和m不同时为0；R为单（多）元烷氧基、单（多）元胺基、烷基酸酯基或者为烷基苯氧基。优选k取1~15的实数，m取0~20的实数；R为C数小于20的单（多）元烷氧基、单（多）元胺基、烷基酸酯基或者为烷基苯氧基。其质量百分比范围为5~30%，优选范围10~20%。当润滑剂质量百分比小于5%时，润滑效果不佳；当润滑剂百分比大于30%时，将影响冷却液的冷却效果。

在本发明冷却液中添加分散剂可以提高冷却液对蓝宝石粉屑的润湿分散性能，从而将粉屑带离切割区，使加工过程更顺畅。

所述的分散剂优选四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、聚乙二醇200~1000，三聚磷酸钠、六偏磷酸钾中的一种或多种。添加质量百分比范围1-10%，当分散剂用量小于1%，很难起到排屑作用；而当分散剂用量超过10%，将影响冷却液的润滑性能。

通常冷却液使用过程中通常会加入自来水稀释，这样容易使设备生锈，在本发明冷却液中添加防锈剂，可以有效解决上述问题。

在本发明优选的实施方案中，防锈剂选自水杨酸三乙醇胺、磺化蓖麻油三乙醇胺、油酸三乙醇胺、硫脲、硼酸、苯并三氮唑中的一种或多种。其质量百分比范围为0.1~5%，优选范围1~5%，在优选该范围内，冷却液具有良好的防锈效果。

在本发明的冷却液中添加杀菌剂可以有效解决冷却液在存放或使用过程中因滋生细菌而变质的问题。

在本发明的优选实施方案中，杀菌剂为选自苯甲酸钠、苯并异噻唑啉酮、均三嗪、三丹油中的一种或多种。质量百分比范围为0.5~2%。当杀菌剂的添加量小于0.5%时，无法起到杀灭细菌的作用，而当杀菌剂添加量大于2%时，将影响冷却液的环境友好性。

在本发明的冷却液中添加消泡剂可以有效解决冷却液在使用过程中的发泡问题。

在本发明的优选实施方案中，消泡剂为选自聚丙二醇、二甲基硅油、聚醚改性有机硅中的一种或多种。优选聚丙二醇1000和二甲基硅油。其质量百分比范围为0.1~0.5%，优选范围为0.2~0.3%。在优选范围内，消泡剂具有良好的抑泡消泡效果。

在本发明加入去离子水可以有效提高冷却液的冷却性能。另外去离子水对于其他组分是良好溶剂。

需要指出的是，本说明书中提及的各个质量百分数均是以冷却液的总质量为基础的百分数。

下文中给出了本发明中所使用的各种原料和设备以及所采用的制备方法和测试方法的详细说明。

润滑剂可以按照以下制备方法制备得到：在高压反应器中加入适量引发剂和催化剂(根据反应器的大小比例及配比情况确定引发剂的最低加入量，催化剂量为成品量的0.05~0.2%)，密封设备，之后氮气置换，升温，当温度达到80~130℃时通入少量环氧烷烃原料，当温度升高压力下降说明引发反应，之后通入配比量(根据不同分子量的原料确定)的环氧烷烃原料，控制反应温度在60~180℃和釜内压力在0.2~0.6Mpa，待反应完毕，釜内压力逐渐下降至连续30分钟不再下降后，老化降温出料，既得所述润滑剂。引发剂可以是单（多）元烷基醇、单（多）元烷基胺、烷基酸或者为烷基苯酚；催化剂为KOH或NaOH；所述环氧烷烃为环氧乙烷、环氧丙烷中的一种或多种。

四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、三聚磷酸钠、六偏磷酸钾为市售产品。

聚乙二醇200~1000来源于奥克化学扬州有限公司，商品名PEG。

三乙醇胺、硫脲、硼酸、本病三氮唑为市售产品。

油酸三乙醇胺来源于海安县国力化工有限公司，商品名三乙醇胺油酸皂。

苯甲酸钠为市售产品。

苯并异噻唑啉酮来源于南京古田化工有限公司，商品名BIT。

均三嗪来源于上海恒生化工有限公司，商品名HSBK。

三丹油为市售产品。

聚丙二醇1000来源于辽宁奥克化学股份有限公司，商品名PPG-1000。

二甲基硅油来源于上海博易和化工有限公司，商品名BX－88A。

 

本发明所述冷却液可以按照以下常压复配方法制备：在10~40℃下，把所述润滑剂、分散剂、防锈剂、防腐剂、消泡剂、和去离子水按照所述质量百分比混合后，搅拌30~120分钟即得到所述冷却液。

冷却液的润滑性采用四球摩擦机测定，可以得到摩擦系数和平均磨痕直径，摩擦系数是指润滑剂存在下的滑动摩擦系数，数值越小，润滑性越好；平均磨痕直径是指有润滑剂存在，但不引起卡咬和烧结的试验负荷下，转动球对静止球所产生的平均磨痕直径，该值越小，润滑性能越好，具体测定方法可以参考中华人民共和国国家标准GB-T12583-1998。

冷却液的分散性通过测定冷却液对Al₂O₃粉末的悬浮稳定性来表征的。测定方法为：先将Al₂O₃粉末与冷却液以一定比例混合成均匀的悬浊液，装入100mL量筒内，自然沉降，记录不同时间上清液的体积。数值越小，代表分散性越好。

冷却液的防锈性测定采用单片和叠片防锈实验方法测定，将已配置好的冷却液稀释液滴加在试片上，放入已恒温到35±2℃的恒温箱中，连续试验到规定时间取出试片进行观察，同样分为A、B、C、D四个等级。A级防锈性能最好，D级最差。具体测试方法可以参考中华人民共和国国家标准GB6144-85。

 

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。

实施例一

配制1000g切割液，取合成的润滑剂CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂O[（CH₂CH₂O）₂（CH₃CH₂CH₂O）₂]H、250g、四甲基氢氧化铵30g、水杨酸三乙醇胺50g、三丹油10g、二甲基硅油3g、去离子水657g。

在25℃，连续搅拌下的水中缓慢依次加入上述量值的CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂O[（CH₂CH₂O）₂（CH₃CH₂CH₂O）₂]H、四甲基氢氧化铵、水杨酸三乙醇胺、三丹油、二甲基硅油，搅拌60min即得金刚线切割液A。其性能指标见附表。

实施例二

配制1000g切割液，取合成的C₂H₄N₂H₂[（CH₂CH₂O）₁₄（CH₃CH₂CH₂O）₆]H 100g，聚乙二醇（分子量600）100g，油酸三乙醇胺30g、硫脲20g、苯并异噻唑琳酮15g，聚丙二醇2g，去离子水733g。

在25℃，连续搅拌下的水中缓慢依次加入上述量值的C₂H₄N₂H₂[（CH₂CH₂O）₁₄（CH₃CH₂CH₂O）₆]H，聚乙二醇（分子量600），油酸三乙醇胺、硫脲、苯并异噻唑琳酮，聚丙二醇和去离子水。搅拌60min即得金刚线切割液B。其性能指标见附表。

实施例三

配制1000g切割液，取合成的C₁₈H₃₇COO（CH₂CH₂O）₈H 200g，六偏磷酸钾50g，聚乙二醇（分子量400）30g，硼酸20g，本并三氮唑10g，苯甲酸钠20g，聚丙二醇5g，去离子水665g。

在25℃，连续搅拌下的水中缓慢依次加入上述量值的C₁₈H₃₇COO（CH₂CH₂O）₈H，六偏磷酸钾，聚乙二醇（分子量400），硼酸，本并三氮唑，苯甲酸钠，聚丙二醇，去离子水，搅拌60min即得金刚线切割液C。其性能指标见附表。

实施例四

配制1000g切割液，取C₁₂H₂₅C₆H₆O[（CH₂CH₂O）₃（CH₃CH₂CH₂O）₁₈]H 150g，C₄H₉O[（CH₂CH₂O）₄（CH₃CH₂CH₂O）₄]H 150g，三聚磷酸钠10g，四丙基氢氧化铵50g，磺化蓖麻油三乙醇胺20g、本并三氮唑12g、苯甲酸钠10g、二甲基硅油1g，去离子水597g。

在25℃，连续搅拌下的水中缓慢依次加入上述量值的C₁₂H₂₅C₆H₆O[（CH₂CH₂O）₃（CH₃CH₂CH₂O）₁₈]H，C₄H₉O[（CH₂CH₂O）₄（CH₃CH₂CH₂O）₄]H，三聚磷酸钠，四丙基氢氧化铵，磺化蓖麻油三乙醇胺、本并三氮唑、苯甲酸钠、二甲基硅油，去离子水，搅拌60min即得金刚线切割液D。其性能指标见附表。

实施例五

配置1000g切割液，取合成的C₃H₅O₃[（CH₂CH₂O）₉（CH₃CH₂CH₂O）₆]200g，聚乙二醇（分子量200）50g，四甲基氢氧化铵30g，油酸三乙醇胺10g，硫脲30g，均三嗪15g，苯甲酸钠5g，二甲基硅油1.5g，去离子水658.5g。

在25℃，连续搅拌下的水中缓慢依次加入上述量值的C₃H₅O₃[（CH₂CH₂O）₉（CH₃CH₂CH₂O）₆]，聚乙二醇（分子量200），四甲基氢氧化铵，油酸三乙醇胺，硫脲，均三嗪，苯甲酸钠，二甲基硅油，去离子水，搅拌60min即得金刚线切割液E。其性能指标见附表。

 

实施例六

配置1000g切割液，取合成的C₃H₅O₃[（CH₂CH₂O）₉（CH₃CH₂CH₂O）₆]200g，聚乙二醇（分子量200）50g，四甲基氢氧化铵30g，三乙醇胺10g，硫脲30g，均三嗪15g，苯甲酸钠5g，二甲基硅油1.5g，去离子水658.5g。

在25℃，连续搅拌下的水中缓慢依次加入上述量值的C₃H₅O₃[（CH₂CH₂O）₉（CH₃CH₂CH₂O）₆]，聚乙二醇（分子量200），四甲基氢氧化铵，三乙醇胺，硫脲，均三嗪，苯甲酸钠，二甲基硅油，去离子水，搅拌60min即得金刚线切割液F。其性能指标见附表。

 

附表                 表1 金刚线冷却液的润滑性能

样品	摩擦系数	平均磨痕直径
			A	0.063	0.423
B	0.061	0.411
			C	0.059	0.389
D	0.053	0.297
			E	0.065	0.418
F	0.062	0.423
			市售国内某冷却液G	0.083	0.527
市售国外某冷却液H	0.071	0.483

从表1中可以看出，本发明的冷却性，其润滑性能明显优于市售的冷却液。

表2 金刚线冷却液的分散稳定性

从表2中可以看出，本发明的冷却液，具有良好的分散性。

表3冷却液的防锈性

样品	单片试验	叠片试验
			A	A级	合格
B	A级	合格
			C	A级	合格
D	A级	合格
			E	A级	合格
F	C级	合格
			市售国内某冷却液G	A级	合格
市售国外某冷却液H	A级	合格

从表三种可以看出，本发明的冷却液具有良好的防锈性能，而加入本发明之外的防锈剂，防锈效果并不理想；因此本发明的一个创新点在于将各原料有效的选取并且配比，其各物料的选取组合具有影响。

Claims (8)

1.一种用于蓝宝石晶体掏棒的冷却液，其特征在于，主要由润滑剂、分散剂、防锈剂、杀菌剂、消泡剂和水组成，其组分及质量份数为：

润滑剂                     5～30

分散剂                     1～10

防锈剂                     0.1～5

杀菌剂                     0.5～2

消泡剂                     0.1~0.5

去离子水                    余量       ；

   其中所述的润滑剂是聚氧乙（丙）烯醚中的一种或多种，聚氧乙（丙）烯醚类润滑剂可以由下述简式表示：

R[（CH₂CH₂O）_k（CH₃CH₂CH₂O）_m]H（a）     ；

其中，k、m取0~30的实数，且k和m不同时为0，R为单（多）元烷氧基、单（多）元胺基、烷基酸酯基或者为烷基苯氧基。

2.根据权利要求1所述的一种用于蓝宝石晶体掏棒的冷却液，其特征在于，k取1~15的实数，m取0~20的实数；R为C数小于20的单（多）元烷氧基、单（多）元胺基、烷基酸酯基或者为烷基苯氧基。

3.根据权利要求1所述的一种用于蓝宝石晶体掏棒的冷却液，其特征在于，所述润滑剂其质量份数为10~20%。

4.  根据权利要求1~3所述的蓝宝石掏棒冷却液，其特征在于，其中所述的聚氧乙（丙）烯醚类润滑剂（a）中的乙氧基、丙氧基链段的排列方式为嵌段或无规杂嵌。

5.根据权利要求1~4中任一项所述的蓝宝石晶体掏棒的冷却液，其特征在于，其中所述的分散剂可是烷基氢氧化铵、聚乙二醇、碱金属磷酸盐中的一种或多种。

6.根据权利要求1~5中任一项所述的蓝宝石晶体掏棒的冷却液，其特征在于，其中所述的防锈剂是、水杨酸三乙醇胺、磺化蓖麻油三乙醇胺、油酸三乙醇胺、硫脲、硼酸、苯并三氮唑中的一种或多种。

7.根据权利要求1~6中任一项所述的蓝宝石晶体掏棒的冷却液，其特征在于，其中所述的杀菌剂是苯甲酸钠、苯并异噻唑啉酮、均三嗪、三丹油中的一种或多种。

8.根据权利要求1~7中任一项所述的蓝宝石晶体掏棒的冷却液，其特征在于，其中所述的消泡剂是聚丙二醇、二甲基硅油、聚醚改性有机硅中的一种或多种。