CN105171943B - 一种pbo纤维树脂金刚线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种PBO纤维树脂金刚线，包括PBO纤维母线和涂覆在所述PBO纤维母线表面的树脂涂层；所述PBO纤维母线的直径为65～80μm。本发明将PBO纤维用树脂金刚线的母线，实现了比传统的金属基材更进一步的细直径化，相比于现有的金属基材树脂金刚线，本发明提供的PBO纤维树脂金刚线母线的直径仅有65～80μm，在硅片切割的过程中具有更高的出片率和材料利用率，实验结果表明，采用本发明中的PBO纤维树脂金刚线切割硅棒，出片率为99.7％，成品率为96.34％，材料利用率为67.67％。本发明还提供了一种PBO纤维树脂金刚线的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于光伏材料加工技术领域，尤其涉及一种PBO纤维树脂金刚线及其制备方法。
背景技术
20世纪90年代，国际上为了解决大尺寸硅片的加工问题，采用了线锯加工技术将硅棒切割成片。早期的线锯加工技术是采用裸露的金属线和游离的磨料，在加工过程中，将磨料以第三者加入到金属线和加工件之间产生切削作用。这种技术被成功地用于对硅和碳化硅的加工。为了进一步缩短加工时间，以及对其它坚硬物质和难以加工的陶瓷进行加工，人们将金刚石磨料以一定的方式固定到金属线上，从而产生了固定金刚石线锯。
金刚石线锯也称为金刚线，是指利用电镀工艺或树脂结合的方法，将金刚石磨料固定在金属丝上。电镀型金刚线用电镀的方法在金属丝上沉积一层金属(一般为镍和镍钴合金)，并在金属内固结金刚石磨料制成的一种线性超硬材料工具。树脂型金刚线利用树脂作为结合剂将金刚石磨料固结在金属丝上。其中树脂金刚线因具有制造工艺简单，生产成本低，生产效率高、硅片表面质量好等优势，已逐渐成为晶体硅片切割加工的主要方式。
传统的树脂金刚线通常采用金属丝(一般为高碳钢)作为其基材，现有的树脂金刚线中金属丝直径一般在80μm以上，以基材直径100μm、金刚石规格8～16的树脂金刚线为例，切割过程中约有38％～41％的硅料变成硅粉进入下水道，现有的树脂金刚线切缝大，材料利用率低，致使成本居高不下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种PBO纤维树脂金刚线，本发明提供的PBO纤维树脂金刚线直径更小，能够提高材料利用率。
本发明提供一种PBO纤维树脂金刚线，包括PBO纤维母线和涂覆在所述PBO纤维母线表面的树脂涂层；
所述PBO纤维母线的直径为65～80μm。
优选的，所述PBO纤维母线的直径为70～75μm。
优选的，以质量分数计，所述树脂涂层包括15～35％的酚醛树脂、12～35％的无机填料和30～60％的金刚石。
优选的，所述金刚石的粒径为8～12μm。
优选的，所述无机填料包括氧化铝、二氧化硅、碳化硅、硅灰石粉、钛白粉、硅微粉和金刚石粉中的一种或几种。
优选的，所述树脂涂层的厚度为6～8μm。
本发明提供一种PBO纤维树脂金刚线的制备方法，包括以下步骤：
A)将PBO纤维母线进行等离子处理，得到等离子处理的母线，所述PBO纤维母线的直径为65～80μm；
B)将树脂浆料涂覆在所述等离子处理的母线上，进行固化，得到PBO纤维树脂金刚线。
优选的，所述等离子处理的功率为0.5～10kW；
所述PBO纤维母线的走线速度为10～100m/min。
优选的，所述树脂浆料包括10～25％的酚醛树脂、10～30％的无机填料、25～45％的金刚石和10～20％的溶剂。
优选的，所述步骤B)中固化的温度为150～300℃；
所述步骤B)中固化时间为8～12小时。
树脂金刚线用在光伏切片领域，对硅片制造商来说更细的线径意味着的更多的出片数、更高的效率和更低的成本，金刚线的细直径化有着很强市场驱动力。传统的树脂金刚线通常采用金属丝(一般为高碳钢)作为其基材，受其生产工艺的限制，80μm以下金属丝破断强度已经不能满足树脂金刚线基材的使用要求。另外，热固化树脂金刚线在生产过程中，涂满树脂的基材要快速经过200～500℃高温的烘炉，一般的非金属材料受制于热性能上的限制，不能作为热固化树脂金刚线的基材。本发明研究发现，PBO(Poly-p-phenylenebenzobisthoxazole，聚对苯撑苯并二噁唑)纤维具有高强度、高热稳定性和高模量，能够同时满足上述要求，实现金刚线的细直径化。但PBO纤维表面光滑，且呈化学惰性，与树脂基体间的界面粘接性能很差，这极大影响了纤维力学性能的充分发挥，严重制约了PBO纤维在高性能复合材料领域中的应用。
本发明提供了一种PBO纤维树脂金刚线，包括PBO纤维母线和涂覆在所述PBO纤维母线表面的树脂涂层；所述PBO纤维母线的直径为65～80μm。本发明将PBO纤维用树脂金刚线的母线，实现了比传统的金属基材更进一步的细直径化，相比于现有的金属基材树脂金刚线，本发明提供的PBO纤维树脂金刚线母线的直径仅有65～80μm，在硅片切割的过程中具有更高的出片率和材料利用率，实验结果表明，采用本发明中的PBO纤维树脂金刚线切割硅棒，出片率为99.7％，成品率为96.34％，材料利用率为67.67％。
本发明还提供了一种PBO纤维树脂金刚线的制备方法，本发明采用等离子处理对PBO纤维进行表面处理，增强了与树脂的结合力，进一步提高了PBO纤维树脂金刚线的切割效率，降低了用线量。
附图说明
图1为本发明中PBO纤维树脂金刚线的侧视图；
图2为本发明中PBO纤维树脂金刚线的截面图。
具体实施方式
本发明提供了一种PBO纤维树脂金刚线，包括PBO纤维母线和涂覆在所述PBO纤维母线表面的树脂涂层；
所述PBO纤维母线的直径为65～80μm。
本发明提供的PBO纤维树脂金刚线具有更小的直径，能够提高硅片的材料利用率。
参见图1和图2，图1为本发明中PBO纤维树脂金刚线的侧视图，图2为本发明中PBO纤维树脂金刚线的截面图，图1中，1为金刚石，2为树脂涂层，3为PBO纤维母线；图2中，1为金刚石，2为树脂涂层，3为PBO纤维母线。
在本发明中，所述PBO纤维树脂金刚线的直径优选为80～90μm，更优选为82～86μm；本发明对所述PBO纤维树脂金刚线的长度没有特殊的限制，根据需要切割的硅片的规格进行选择即可。
本发明提供的PBO纤维树脂金刚线包括PBO纤维母线，在本发明中，聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维是由PBO聚合物通过液晶纺丝技术制得的一种高性能纤维。PBO纤维具有高强度(抗拉强度5.8GPa)、破断力21.6N、高模量270GPa、高热稳定性(耐热温度为650℃)、相对强度是钢的12～14倍，模量为钢的1.4倍。在本发明中，所述PBO纤维母线的直径为65～80μm，优选为70～75μm，更优选为70～72μm。本发明对所述PBO纤维母线的长度没有特殊的限制，依需求而定，一般来说，PBO纤维母线的长度在50～100km左右。本发明对所述PBO纤维母线的来源没有特殊的限制，采用普通的市售商品即可。本发明对所述PBO纤维的聚合度及分子量没有特殊的限制。
本发明提供的PBO纤维树脂金刚线包括涂覆在所述PBO纤维母线表面的树脂涂层，所述树脂涂层的厚度优选为6～8μm，更优选为7μm；所述树脂涂层优选包括酚醛树脂、无机填料和金刚石，所述酚醛树脂的质量分数优选为15～35％，更优选为20～30％，最优选为22～28％；本发明对所述酚醛树脂的来源没有特殊的限制，采用普通市售商品即可。
在本发明中，所述无机填料优选包括氧化铝、二氧化硅、碳化硅、硅灰石粉、钛白粉、硅微粉和金刚石微粉中的一种或几种；所述无机填料的质量分数优选为12～35％，更优选为15～30％，最优选为20～25％；所述无机材料的粒径优选为1～3μm，更优选为1.5～2μm。本发明对所述无机材料的来源没有特殊的限制，采用普通市售商品即可。
在本发明中，所述金刚石优选为金刚石固体颗粒，所述金刚石的质量分数优选为30～60％，更优选为35～55％，最优选为40～50％；所述金刚石的粒径优选为8～12μm，更优选为9～10μm。本发明对所述金刚石的来源没有特殊的限制。
本发明提供了一种PBO纤维树脂金刚线的制备方法，包括以下步骤：
A)将PBO纤维母线进行等离子处理，得到等离子处理的母线，所述PBO纤维母线的直径为65～80μm；
B)将树脂浆料涂覆在所述等离子处理的母线上，进行固化，得到PBO纤维树脂金刚线。
本发明优选对所述PBO纤维母线表面进行清洗，吹干后再进行等离子处理，得到等离子处理的母线。本发明优选采用纯水和酒精的混合溶液对母线进行清洗，所述酒精的配比优选为10～20％，更优选为13～15％；本发明对所述清洗装置的种类没有特殊的限制，在本发明中，所述清洗装置为1～3米长，母线从进口处进入清洗装置，从出口出来后表面吹干，吹干温度优选为40～50℃。本发明对所述吹干装置的种类没有特殊限制。在本发明中，所述PBO纤维母线的种类、直径、长度和来源与上文中的PBO纤维母线的种类、直径、长度和来源一致，在此不再赘述。
本发明优选对所述吹干后的母线进行等离子处理，得到等离子处理的母线，将高能量作用于气体使气体电离，产生由高能电子、离子、自由基、激发态的气体原子和分子以及光量子组成的气态复合体，即等离子体。作用于气体的高能量可以是热能、电能、电磁辐射能、机械能等。生成等离子体的方法有多种，常用的方法主要有气体放电法、光电离和激光辐射电离法、射线辐照法和燃烧法等。在本发明中，所述生成等离子体的方法为低温冷离子体电离法，本发明的电离过程中产生的等离子体中含大量活性粒子如电子、离子、亚稳态分子和原子、光子(特别是紫外光子)、自由基等，这些活性粒子能对高分子物质表面产生复杂的物理和化学的作用，主要是在高分子物质表面微观上的刻蚀作用以及在表面引进大量极性基团，从而能显著提高PBO表面的粘接性、润湿性等，增强树脂与PBO母线之间的结合力；所述等离子处理的功率优选为0.5～10kW，更优选为1～8kW，最优选为3～6kW；在进行所述等离子处理时，所述母线的走线速度优选为10～100m/min，更优选为20～80m/min，最优选为30～60m/min。本发明对所述等离子处理所用的设备没有特殊的限制，本发明中的等离子设备中，2个等离子喷嘴以180°对称放置，等离子喷嘴的直径为10～50mm，两个喷嘴之间的距离优选为5～10mm，分别处理母线的两个面。
完成所述等离子处理后，本发明将树脂浆料涂覆在所述等离子处理过的母线表面，进行固化，得到PBO纤维树脂金刚线。在本发明中，所述树脂浆料包括酚醛树脂、无机填料、金刚石和溶剂，所述酚醛树脂的质量分数优选为10～25％，更优选为15～20％；所述无机填料的质量分数优选为10～30％，更优选为15～25％，最优选为20％；所述金刚石的质量分数优选为25～45％，更优选为30～40％，最优选为35～38％；所述溶剂优选为乙醇和/或丙酮；所述溶剂的质量分数优选为10～20％，更优选为15～18％。在本发明中，所述树脂浆料中酚醛树脂和无机填料的种类、来源以及金刚石的粒径与上述技术方案中树脂涂层中的酚醛树脂和无机填料的种类、来源以及金刚石的粒径一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述固化包括预固化和后固化，本发明优选将涂覆上树脂浆料的母线进行预固化，然后再进行后固化，得到PBO纤维树脂金刚线，在本发明中，所述预固化的温度优选为150～300℃，更优选为180～250℃，最优选为200～230℃；所述预固化的时间优选为3～5s，更优选为4s；所述后固化的温度优选为150～200℃，更优选为160～180℃；所述后固化的时间优选为8～12小时，更优选为9～11小时，最优选为10小时。树脂浆料经过固化后，部分成分挥发分解，形成树脂涂层，所述树脂涂层即为上述技术方案中的树脂涂层，在此不再赘述。
本发明提供了一种PBO纤维树脂金刚线，包括PBO纤维母线和涂覆在所述PBO纤维母线表面的树脂涂层；所述PBO纤维母线的直径为65～80μm。本发明将PBO纤维用树脂金刚线的母线，实现了比传统的金属基材更进一步的细直径化，相比于现有的金属基材树脂金刚线，本发明提供的PBO纤维树脂金刚线母线的直径仅有65～80μm，在硅片切割的过程中具有更高的出片率和材料利用率，实验结果表明，采用本发明中的PBO纤维树脂金刚线切割硅棒，出片率为99.7％，成品率为96.34％，材料利用率为67.67％。
本发明还提供了一种PBO纤维树脂金刚线的制备方法，本发明采用等离子处理对PBO纤维进行表面处理，增强了与树脂的结合力，进一步提高了PBO纤维树脂金刚线的切割效率，降低了用线量。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种PBO纤维树脂金刚线及其制备方法进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。
以下实施例中，PBO纤维母线采用日本东洋纺绩株式会社提供的Zylon AS，70型号PBO纤维线，直径70μm。
实施例1
使用洗液对PBO纤维母线进行清洗，洗液为纯水，加入配比10％的酒精，清洗后40℃吹干，吹干后的母线进入表面等离子体处理阶段，2个等离子喷嘴以180°对称放置，直径为10mm，分别处理母线的两个面。对应母线的走线速度为10m/min，等离子体功率为0.5kw。
将树脂浆料涂覆在等离子处理后的母线表面，在150℃下预固化3s，然后在200℃下再固化8小时，得到PBO纤维树脂金刚线。树脂浆料中含20％的酚醛树脂、20％的碳化硅、40％粒径为8μm的金刚石颗粒和20％的丙酮。最终得到的PBO纤维树脂金刚线表面的涂层厚度为6μm，成分含量为25％的酚醛树脂，25％的碳化硅和50％的金刚石。
本发明在型号为PV600硅片多线切割机上，使用本实施例得到的PBO纤维树脂金刚线切割规格为8寸单晶的硅棒。结果表1所示，表1为本发明实施例1～5中PBO纤维树脂金刚线的切割数据。
实施例2
使用洗液对PBO纤维母线进行清洗，洗液为纯水，加入配比10％的酒精，清洗后50℃吹干，吹干后的母线进入表面等离子体处理阶段，2个等离子喷嘴以180°对称放置，直径为40mm，分别处理母线的两个面。对应母线的走线速度为80m/min，等离子体功率为5kw。
将树脂浆料涂覆在等离子处理后的母线表面，在250℃下预固化3s，然后在200℃下再固化8小时，得到PBO纤维树脂金刚线。树脂浆料中含20％的酚醛树脂、25％的粒径1μm的氧化铝、40％粒径为8μm的金刚石颗粒和15％的丙酮。最终得到的PBO纤维树脂金刚线表面的涂层厚度为7μm，成分含量为25％的酚醛树脂，30％的氧化铝和45％的金刚石。
本发明在型号为PV600硅片多线切割机上，使用本实施例得到的PBO纤维树脂金刚线切割规格为8寸单晶的硅棒。结果表1所示，表1为本发明实施例1～5中PBO纤维树脂金刚线的切割数据。
实施例3
使用洗液对PBO纤维母线进行清洗，洗液为纯水，加入配比20％的酒精，清洗后40℃吹干，吹干后的母线进入表面等离子体处理阶段，2个等离子喷嘴以180°对称放置，直径为30mm，分别处理母线的两个面。对应母线的走线速度为50m/min，等离子体功率为8kw。
将树脂浆料涂覆在等离子处理后的母线表面，在200℃下预固化5s，然后在150℃下再固化12小时，得到PBO纤维树脂金刚线。树脂浆料中含15％的酚醛树脂、30％的硅微粉、35％粒径为9μm的金刚石颗粒和20％的乙醇。最终得到的PBO纤维树脂金刚线表面的涂层厚度为6μm，成分含量为20％的酚醛树脂，35％的硅微粉和45％的金刚石。
本发明在型号为PV600硅片多线切割机上，使用本实施例得到的PBO纤维树脂金刚线切割规格为8寸单晶的硅棒。结果表1所示，表1为本发明实施例1～5中PBO纤维树脂金刚线的切割数据。
实施例4
使用洗液对PBO纤维母线进行清洗，洗液为纯水，加入配比10％的酒精，清洗后40℃吹干，吹干后的母线进入表面等离子体处理阶段，2个等离子喷嘴以180°对称放置，直径为20mm，分别处理母线的两个面。对应母线的走线速度为30m/min，等离子体功率为3kw。
将树脂浆料涂覆在等离子处理后的母线表面，在150℃下预固化3s，然后在150℃下再固化10小时，得到PBO纤维树脂金刚线。树脂浆料中含20％的酚醛树脂、20％的碳化硅、40％粒径为8μm的金刚石颗粒和20％的乙醇。最终得到的PBO纤维树脂金刚线表面的涂层厚度为6μm，成分含量为25％的酚醛树脂，25％的碳化硅和50％的金刚石。
本发明在型号为PV600硅片多线切割机上，使用本实施例得到的PBO纤维树脂金刚线切割规格为8寸单晶的硅棒。结果表1所示，表1为本发明实施例1～5中PBO纤维树脂金刚线的切割数据。
实施例5
使用洗液对PBO纤维母线进行清洗，洗液为纯水，加入配比10％的酒精，清洗后40℃吹干，吹干后的母线进入表面等离子体处理阶段，2个等离子喷嘴以180°对称放置，直径为10mm，分别处理母线的两个面。对应母线的走线速度为10m/min，等离子体功率为0.5kw。
将树脂浆料涂覆在等离子处理后的母线表面，在150℃下预固化3s，然后在200℃下再固化8小时，得到PBO纤维树脂金刚线。树脂浆料中含20％的酚醛树脂、20％的粒径1.5μm的金刚石微粉、40％粒径为10μm的金刚石颗粒和20％的丙酮。最终得到的PBO纤维树脂金刚线表面的涂层厚度为8μm，成分含量为25％的酚醛树脂，25％的金刚石微粉和50％的金刚石。
本发明在型号为PV600硅片多线切割机上，使用本实施例得到的PBO纤维树脂金刚线切割规格为8寸单晶的硅棒。结果表1所示，表1为本发明实施例1～5中PBO纤维树脂金刚线的切割数据。
表1本发明实施例1～5中PBO纤维树脂金刚线的切割数据
| 切割次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 机台型号 | PV600 | PV600 | PV600 | PV600 | PV600 |
| 槽距(μm) | 266 | 266 | 266 | 266 | 266 |
| 片厚(μm) | 180 | 180 | 180 | 180 | 180 |
| 棒长(mm) | 550 | 560 | 580 | 545 | 600 |
| PBO树脂线长(km) | 72.36km | 67.36km | 65.41km | 57.37km | 63.16km |
| 硅棒规格 | 8寸单晶 | 8寸单晶 | 8寸单晶 | 8寸单晶 | 8寸单晶 |
| 单片用线量m/pcs | 3.5 | 3.2 | 3.0 | 2.8 | 2.8 |
| 切割张力N | 13/14 | 13/14 | 13/14 | 13/14 | 13/14 |
| 理论出片数 | 2067.67 | 2105.26 | 2180.45 | 2048.87 | 2255.64 |
| 实际出片数 | 2055 | 2088 | 2174 | 2038 | 2245 |
| 出片率 | 99.39％ | 99.18％ | 99.70％ | 99.47％ | 99.53％ |
| 成品率 | 94.45％ | 96.34％ | 92.71％ | 93.33％ | 96.03％ |
| 切损(μm) | 86 | 86 | 86 | 86 | 86 |
| 材料利用率 | 67.67％ | 67.67％ | 67.67％ | 67.67％ | 67.67％ |
表1中，切割张力是使用张力试验仪(Model GBT-2000张力测试仪)测试得出，单片用线量为PBO树脂线长*槽距/棒长，理论出片数的计算方式为(棒长/槽距)*1000，实际出片数为实验切片得出的数据，出片率为实际数据/理论数据，成品率为实际出片中合格品的数量/实际出片量，切损为槽距-片厚，材料利用率为片厚/槽距。由表1中的数据可知，本发明中的PBO纤维树脂金刚线切割硅片，材料利用率较高，并且出片率和成品率也较高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种PBO纤维树脂金刚线，由PBO纤维母线和涂覆在所述PBO纤维母线表面的树脂涂层组成；以质量分数计，所述树脂涂层包括15～35％的酚醛树脂、12～35％的无机填料和30～60％的金刚石；
所述PBO纤维母线的直径为65～80μm；
所述PBO纤维树脂金刚线按照以下步骤制得：
A)将PBO纤维母线进行等离子处理，得到等离子处理的母线；所述等离子处理的功率为0.5～10kW；
B)将树脂浆料涂覆在所述等离子处理的母线上，进行固化，得到PBO纤维树脂金刚线。
2.根据权利要求1所述的PBO纤维树脂金刚线，其特征在于，所述PBO纤维母线的直径为70～75μm。
3.根据权利要求1所述的PBO纤维树脂金刚线，其特征在于，所述金刚石的粒径为8～12μm。
4.根据权利要求1所述的PBO纤维树脂金刚线，其特征在于，所述无机填料包括氧化铝、二氧化硅、碳化硅、硅灰石粉、钛白粉、硅微粉和金刚石粉中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的PBO纤维树脂金刚线，其特征在于，所述树脂涂层的厚度为6～8μm。
6.根据权利要求1所述的PBO纤维树脂金刚线，其特征在于，
所述PBO纤维母线的走线速度为10～100m/min。
7.根据权利要求1所述的PBO纤维树脂金刚线，其特征在于，所述树脂浆料包括10～25％的酚醛树脂、10～30％的无机填料、25～45％的金刚石和10～20％的溶剂。
8.根据权利要求1所述的PBO纤维树脂金刚线，其特征在于，所述步骤B)中固化的温度为150～300℃；
所述步骤B)中固化时间为8～12小时。
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