CN106826597A - 连续长距离树脂金刚石线锯的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续长距离树脂金刚石线锯的生产方法，包括原料选择、配制树脂混合液、芯线处理、制线和预固化、二次固化等步骤。本发明通过选择使用分子量在合适范围内的热塑性树脂、热固性树脂；选择合适的填料、偶联剂、阻聚剂、分散剂，加上控制树脂混合液合适的初始粘度，有效控制了制线末期的混合液粘度增幅，能够有效防止金刚石线锯在制线后期线径变大，避免了混合液凝胶颗粒堵塞拉模导致局部光线的问题，控制了金刚石微粉数量增多幅度，保证了产品质量的一致性。最终解决大于70km连续长距离制作中的关键技术难题。

Description

连续长距离树脂金刚石线锯的生产方法
技术领域
本发明涉及太阳能晶硅片切割用树脂金刚石线生产技术领域，具体涉及一种连续长距离树脂金刚石线锯的生产方法。
背景技术
目前太阳能光伏行业，主要以钢线带动碳化硅砂浆料切割晶硅片为主，然而这种游离砂浆切割速度较慢、生产效率偏低、切割后产生的废渣还会造成环境污染及安全隐患等诸多限制，国内外开始研究新的切割方法，其中，树脂金刚线与电镀金刚线为主流研究方向。树脂金刚线比游离砂浆切割具有以下优点：切缝窄、切割效率高、切片成本低，锯丝磨损小，避免了游离磨料中浆液的污染等优点。比电镀线制作工艺简单，制造周期短，制造成本比较低，柔韧性好，其锯丝切割的晶硅片表面质量好于电镀金刚线。目前国内关于树脂金刚线锯的制作专利文献不少，但都是几百米、几千米短距离的制作技术，尚未被真正工业化广泛使用。而要实现树脂金刚线锯的工业化应用，必须解决几十千米连续长距离制作中的许多关键技术难题。
树脂金刚线制作的主要工艺过程是母线径过预清洗、配制树脂混合液并充分搅拌、用制线机在母线表面涂覆上树脂混合液，并快速预固化成型制线、用烘箱进行长时间后固化处理等工序。在切割晶硅片的过程中，直接利用母线上固结的金刚石颗粒对硅锭进行切割。
实际生产中，每卷树脂金刚线预固化成型大于70km时，从制线开始到完成需要18～24个小时，在这个过程中，树脂混合液是在40～50℃温度下，暴露在空气中搅拌并流动着。为了保持制线初期（卷前）到后期（卷后）树脂金刚线质量一致性，就需要制线前后树脂混合液的粘度变化幅度不能太大。因为粘度过高了，金刚线的线径就变大了，携带的金刚石微粉数量也增多了（参见附图1）。在以后切割晶硅片时，一卷线的线径如果变化过大，会导致晶硅片厚薄差别过大，还容易导致切割过程中断线。在长距离制线的近20个小时期间，树脂混合液的分子量会缓慢增大，导致粘度后期很高，而无法继续制线，这一问题成为长距离制线急待解决的问题。
另外，为控制线径，母线直径为100微米时，拉模最大直径140微米左右，母线和拉模之间的间隙很小，就需要制线前后树脂混合液的中不能有大于20微米的颗粒物堵塞拉模，否则，会导致树脂混合液涂覆在母线上厚薄相差很大，甚至局部导致光线（参见附图2）。而在长距离制线中，树脂会随着时间延长，发生局部化学交联聚合产生微小凝胶颗粒，导致拉模堵塞。这样制出的金刚线如果在今后切割晶硅片时，树脂层会在光线出被剥离掉，导致树脂金刚线过早失效报废，正在切割晶硅片的价格昂贵的硅锭也报废，这也是阻碍长距离制线技术发展的一个重要问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现连续长距离制线、制线周期短、成品性能良好的树脂金刚石线锯的生产方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种连续长距离树脂金刚石线锯的生产方法，包括下列步骤：
（1）原料选择：选取热塑性树脂、热固性树脂、填料、有机溶剂、偶联剂、阻聚剂、分散剂和金刚石磨料为原料；
所述热塑性树脂的分子量为6000～13000；所述热固性树脂的分子量为4000～10000，所述热塑性树脂和热固性树脂的重量比为7:3～6:4；
所述填料和金刚石磨料的总重量与所述热塑性树脂和热固性树脂的总重量的比例为3:7～5:5；
（2）配制树脂混合液：先将所述热塑性树脂和有机溶剂加入到填料中，搅拌后超声处理至溶解充分；再加入所述热固性树脂、偶联剂、阻聚剂和分散剂，最后加入金刚石磨料，将配制好的树脂混合液用高速混料机充分混合，得到均匀的树脂混合液，并调节该树脂混合液的初始粘度至1～4Pa.S/36℃；
（3）芯线处理：选用直径为 90～100微米、表面覆铜的金属芯线，将芯线表面经过清洗机三阶段清洗并风干；
（4）制线和预固化：将步骤（2）所得的树脂混合液通过制线设备均匀涂覆在所述芯线表面，涂覆后的芯线以0.8～1.2米/秒的速度经三级红外加热炉在400～700℃的条件下进行预固化，得到经过预固化的树脂金刚线；
（5）二次固化：将步骤（4）所得的经过预固化的树脂金刚线直接卷在线轮上，将线轮整体投入鼓风恒温炉内，从室温开始经过不同温度段恒温控制，最高的固化温度为200℃～280℃，然后随炉自然冷却到50℃以下；最终得到成品树脂金刚线锯。
在上述技术方案中，所述热塑性树脂和热固性树脂为酚醛树脂，在其合成制备的过程中，需要额外要求控制其分子量在合适的偏低范围内：所述热塑性树脂的分子量为6000～13000；所述热固性树脂的分子量为4000～10000，这样可以降低树脂混合液的初始粘度、避免分子量过大导致后期凝胶颗粒堵塞拉模孔，使用这两种树脂，在长距离连续制作树脂金刚线过程中，有利于控制树脂混合液从制线初期到制线末期的粘度变化，能够有效减轻树脂自聚合产生凝胶颗粒堵塞拉模，因此更适合用于长距离连续制线。这两种树脂在后期预固化、二次固化后，均发生交联反应成为高分子立体结构，在连续长距离树脂金刚石线锯的生产过程中，能够起到更好的固化作用。
优选的，所述填料为纳米纤维、氧化铬、碳化硅、氧化硅、氧化钛中的两种或两种以上的混合物。
优选的，所述填料为碳纳米管、纳米铜纤维、碳化硅微粉和氧化硅微粉的混合物。
优选的，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。可通过有机溶剂的添加量来调节树脂混合液的粘度至所需的范围。使用N,N-二甲基甲酰胺作为溶剂可以充分溶解热塑性树脂，同时，在连续长距离制线期间，可以显著减轻因溶剂挥发导致的树脂混合液粘度增大的问题。
优选的，所述偶联剂为氨基类偶联剂中的一种，其添加量为所述热塑性树脂和热固性树脂的总重量的0.5～3％。所述偶联剂的添加可以提高树脂与母芯线、填料、磨料等的界面结合强度，提高树脂金刚线的切割能力和使用寿命。
优选的，所述阻聚剂是酚类、醌类、芳烃硝基中的一种，其添加量为所述热塑性树脂和热固性树脂的总重量的0.01～0.5％。阻聚剂的添加能够降低树脂在60℃以下的自聚合速度，从而减少树脂混合液从制线初期到制线末期的粘度增加幅度，避免树脂因自聚合产生凝胶颗粒堵塞拉模，当树脂混合液中产生凝胶颗粒堵塞拉模时，会导致芯线偏离拉模中心，使芯线表面一遍涂覆较厚的树脂混合液，而另一边涂覆很薄的树脂混合液甚至涂覆不上树脂混合液，这种情况下制备的树脂金刚石线锯的电镜分析图参见附图2。
优选的，所述分散剂为六偏磷酸钠，其添加量为所述固体填料和金刚石磨料总重量的0.01～1 w t％。所述分散剂能够有效避免填料、磨料颗粒粘连堵塞拉模。
优选的，所述的金刚石磨料为镀镍人造金刚石微粉，其平均粒径为8～11微米，其表面镀镍量为所述金刚石磨料重量份的10～30％。
优选的，制成的树脂金刚石线锯的外径范围为107～130微米。
优选的，在所述步骤（4）制线的过程中，调节该树脂混合液的初始粘度，使其控制初始粘度在1～4 Pa.S/36℃，且制线终期树脂混合液的粘度控制在4～8Pa.S/36℃。在制线过程中，使用粘度仪测量树脂混合液在36℃下的粘度，当粘度增大时，加入适量有机溶剂调节树脂混合液粘度，再重新高速混合树脂混合液，然后重复测量粘度至控制范围内为止。
本发明的有益效果在于：
1.本发明通过选择使用分子量在合适范围内的热塑性树脂、热固性树脂；选择合适的填料种类和加入比例，使用相应的偶联剂及加入比例；还加入了适量的阻聚剂、分散剂；加上控制树脂混合液合适的初始粘度，料罐搅拌装置等措施，有效控制了制线末期的混合液粘度增幅，能够有效防止金刚石线锯在制线后期线径变大，避免了混合液凝胶颗粒堵塞拉模导致局部光线的问题，控制了金刚石微粉数量增多幅度，保证了产品质量的一致性。最终解决大于70km连续长距离制作中的关键技术难题。创新出满足工业化大批量生产的树脂金刚线连续长距离生产技术。
2.本发明解决了树脂金刚线连续长距离制作中的关键技术难题，利于树脂金刚线的大面积推广应用。更好的发挥其比游离砂浆切割具有的切缝窄、切割效率高、切片成本低、锯丝磨损小、避免了游离磨料中浆液的污染等优势。同时，也发挥了其比电镀线金刚线制作工艺简单、制造周期短、制造成本比较低、柔韧性好、切割的晶硅片表面质量好于电镀的优点，突显出树脂金刚线的独特切割优势。
附图说明
图1为现有技术中树脂混合液粘度过高时，制备的树脂金刚石线锯的300倍扫描电镜图。
图2为现有技术中树脂混合液中出现凝胶颗粒物堵塞拉模孔时，制备的树脂金刚石线锯的300倍扫描电镜图。
图3为本发明实施例1中制备的树脂金刚石线锯的300倍扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料。
实施例1：一种连续长距离树脂金刚石线锯的生产方法，包括下列步骤：
（1）原料选择：选取热塑性树脂、热固性树脂、填料、有机溶剂、偶联剂、阻聚剂、分散剂和金刚石磨料为原料；
其中，所述热塑性树脂的分子量为6000～13000；所述热固性树脂的分子量为4000～10000，所述热塑性树脂和热固性树脂的重量比为7:3。本实施例中所用的热塑性树脂和热固性树脂为酚醛树脂，是申请人委托生产厂家在其市售的酚醛树脂的基础上，成分不变，在其合成制备的过程中，额外要求控制其分子量在合适的偏低范围。这样可以降低树脂混合液的初始粘度、避免分子量过大导致后期凝胶颗粒堵塞拉模孔，使用这两种树脂，在长距离连续制作树脂金刚线过程中，有利于控制树脂混合液从制线初期到制线末期的粘度变化，能够有效减轻树脂自聚合产生凝胶颗粒堵塞拉模，因此更适合用于长距离连续制线。
所用的填料为碳纳米管、纳米铜纤维、碳化硅微粉、氧化硅微粉的混合物；填料和金刚石磨料的总重量与热塑性树脂和热固性树脂的总重量的比例为5.2:4.8。金刚石磨料是为镀镍人造金刚石微粉，其平均粒径为8～11微米，其表面镀镍量为所述金刚石磨料重量份的30％。有机溶剂是N,N-二甲基甲酰胺，加入量为热塑性树脂重量的1.1倍。偶联剂为氨基偶联剂，加入量为热塑性树脂和热固性树脂总重量的1.5％。阻聚剂是酚类，加入量为热塑性树脂和热固性树脂总重量的0.1wt％。分散剂使用的是六偏磷酸钠，加入量为固体填料和金刚石磨料总重量的0.3 ％。
（2）配制树脂混合液：先将填料配比完成并搅拌均匀，再将热塑性树脂和有机溶剂加入到填料中，搅拌后超声处理至溶解充分；再加入热固性树脂、偶联剂、阻聚剂和分散剂，最后加入金刚石磨料，将配制好的树脂混合液用360о全方位高速混料机充分混合，得到均匀的树脂混合液，并调节该树脂混合液的初始粘度至1～4Pa.S/36℃之间，本实施例中实测初始粘度为2.2Pa.S/36℃，在制线的过程中，间隔一段时间检测树脂混合液的粘度，并通过添加适量溶剂重新搅拌的方式调节该树脂混合液的粘度，使其控制在1～4 Pa.S/36℃之间，且制线终期树脂混合液的粘度控制在4～8Pa.S/36℃。
（3）芯线处理：选用直径为 100微米、表面覆铜的金属芯线，将芯线表面经过清洗机三阶段清洗并风干。
（4）制线和预固化：将步骤（2）所得的树脂混合液通过TKX-MM制线设备均匀涂覆在所述芯线表面，具体步骤是：将配混好的树脂混合液一次倒入料罐中，料罐自带螺旋搅拌器始终搅拌，防止磨料、填料沉积，通过蠕动泵把料输送到制线拉模中，再缓慢回流到料罐中。金属芯线从拉模小孔中穿过，表面涂覆上10微米左右厚的树脂混合液，涂覆后的芯线以1.2米/秒的速度经三级红外加热炉在500～600℃的条件下进行预固化，经过预固化的树脂金刚线被直接紧密排列卷在专用线轮上，混合液中的磨料被固结在芯线周围，得到经过预固化的树脂金刚线，每卷树脂金刚线长度72km。
（5）二次固化：将步骤（4）所得的经过预固化的树脂金刚线线轮整体投入鼓风恒温炉内，从室温开始经过不同温度段恒温控制，最高的固化温度为210℃，然后随炉自然冷却到50℃以下；最终得到成品树脂金刚线锯。
实施例1中的树脂金刚石线锯制备完毕后，对成品进行检测，检验是否符合企业技术标准，检验项目和检验结果如下：
1）线径：树脂金刚石线锯表观横截面外径长度，单位：微米。用线径测定仪测线径，标准规定线径均值117～127um/10处，实测制线初期（卷前）均值122.2um/10处，后期（卷后）均值125.1um/10处，线径符合技术标准，前后波动较小。
2）用×300倍电子扫描显微镜观测树脂金刚石线锯的表面质量，标准规定：随机拍照5张，气泡数量每张照片不得超过1个；实测均无气泡，符合技术标准，参见图3。
3）金刚石微粉在树脂金刚石线锯表面的颗粒密度。标准规定：2cm样品线300倍电子显微镜下等距检测粒数均值70～131个；实测卷前均值84个，卷后均值105个，符合技术标准，前后波动较小，参见图3。
4）破断张力：树脂金刚石线锯在外力作用下断裂时所受到的外力大小，单位：牛顿。用小型拉伸试验机进行测试。标准规定：抗拉强度均值≥29.5N/5根；实测卷前均值31.2N，卷后均值30.5N，符合技术标准。
5）摩擦量：树脂金刚石线锯在专用切割机上做切割铜条测试时，直至磨断的实际切割铜条的深度，单位：微米。每次取样5个进行测试，以此来判断树脂金刚石线锯的切割性能。标准规定：最小值≥2500um；实测卷前均值4080um，卷后均值5100um，符合技术标准。
（7）包装入库：在经过（6）检验合格的树脂金刚石线锯线轮指定位置，标识上线的长度及线径的规格型号、生产批号、生产日期等，附上检验合格证，用塑料收缩膜整体包覆，入库后放入专用的线轮木托架上。
本发明能够有效控制长距离制线末期的混合液粘度增幅，能够有效防止金刚石线锯在制线后期线径变大、制线前期和后期线径差别大的问题。现有技术中长距离制线后期树脂混合液粘度增大，树脂混合液携带的金刚石微粉增多，会造成芯线表面的涂层变厚、粘附的金刚石微粉变多，金刚石线锯的线径增大，参见图1所示。本发明还能够避免混合液凝胶颗粒堵塞拉模导致局部光线的问题（参见图2），控制了金刚石微粉数量的增加幅度，保证了产品质量的一致性。最终解决大于70km连续长距离制作中的关键技术难题。创新出满足工业化大批量生产的树脂金刚线连续长距离生产技术。
上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (10)

1.一种连续长距离树脂金刚石线锯的生产方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）原料选择：选取热塑性树脂、热固性树脂、填料、有机溶剂、偶联剂、阻聚剂、分散剂和金刚石磨料为原料；
所述热塑性树脂的分子量为6000～13000；所述热固性树脂的分子量为4000～10000，所述热塑性树脂和热固性树脂的重量比为7:3～6:4；
所述填料和金刚石磨料的总重量与所述热塑性树脂和热固性树脂的总重量的比例为3:7～5:5；
（2）配制树脂混合液：先将所述热塑性树脂和有机溶剂加入到填料中，搅拌后超声处理至溶解充分；再加入所述热固性树脂、偶联剂、阻聚剂和分散剂，最后加入金刚石磨料，将配制好的树脂混合液用高速混料机充分混合，得到均匀的树脂混合液，并调节该树脂混合液的初始粘度至1～4Pa.S/36℃；
（3）芯线处理：选用直径为 90～100微米、表面覆铜的金属芯线，将芯线表面经过清洗机三阶段清洗并风干；
（4）制线和预固化：将步骤（2）所得的树脂混合液通过制线设备均匀涂覆在所述芯线表面，涂覆后的芯线以0.8～1.2米/秒的速度经三级红外加热炉在400～700℃的条件下进行预固化，得到经过预固化的树脂金刚线；
（5）二次固化：将步骤（4）所得的经过预固化的树脂金刚线直接卷在线轮上，将线轮整体投入鼓风恒温炉内，从室温开始经过不同温度段恒温控制，最高的固化温度为200℃～280℃，然后随炉自然冷却到50℃以下；最终得到成品树脂金刚线锯。
2.根据权利要求1所述的连续长距离树脂金刚石线锯的生产方法，其特征在于，所述填料为纳米纤维、氧化铬、碳化硅、氧化硅、氧化钛中的两种或两种以上的混合物。
3.根据权利要求1所述的连续长距离树脂金刚石线锯的生产方法，其特征在于，所述填料为碳纳米管、纳米铜纤维、碳化硅微粉和氧化硅微粉的混合物。
4.根据权利要求1所述的连续长距离树脂金刚石线锯的生产方法，其特征在于，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
5.根据权利要求1所述的连续长距离树脂金刚石线锯的生产方法，其特征在于，所述偶联剂为氨基类偶联剂中的一种，其添加量为所述热塑性树脂和热固性树脂的总重量的0.5～3％。
6.根据权利要求1所述的连续长距离树脂金刚石线锯的生产方法，其特征在于，所述阻聚剂是酚类、醌类、芳烃硝基中的一种，其添加量为所述热塑性树脂和热固性树脂的总重量的0.01～0.5％。
7.根据权利要求1所述的连续长距离树脂金刚石线锯的生产方法，其特征在于，所述分散剂为六偏磷酸钠，其添加量为所述固体填料和金刚石磨料总重量的0.01～1 w t％。
8.根据权利要求1所述的连续长距离树脂金刚石线锯的生产方法，其特征在于，所述的金刚石磨料为镀镍人造金刚石微粉，其平均粒径为8～11微米，其表面镀镍量为所述金刚石磨料重量份的10～30％。
9.根据权利要求1所述的连续长距离树脂金刚石线锯的生产方法，其特征在于，制成的树脂金刚石线锯的外径范围为107～130微米。
10.根据权利要求1所述的连续长距离树脂金刚石线锯的生产方法，其特征在于，在所述步骤（4）制线的过程中，调节该树脂混合液的初始粘度，使其控制初始粘度在1～4 Pa.S/36℃，且制线终期树脂混合液的粘度控制在4～8Pa.S/36℃。
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