3D玻璃抛光液的制备及其性能研究

2020-05-15任鹏

化工设计通讯 2020年4期

任鹏

（比亚迪精密制造有限公司，广东深圳 518116）

随着5G 通讯与无线充电技术的迅猛发展，以及手机外观美学设计的不断进化，玻璃将逐渐取代金属，成为高端智能手机盖板的主流材料。相较于2D、2.5D 玻璃，3D 玻璃在外观和手感上有更好的表现，受到市场欢迎。为了实现炫彩的光学效果及良好的触感，玻璃抛光是必不可少的处理工序之一。

化学机械抛光（CMP）借助超微粒子的研磨作用及化学腐蚀作用，使被研磨的介质表面形成光洁平坦的表面。CeO2是一种性能优良的稀土抛光材料，具有以下优点：一是其莫氏硬度约为6.0，抛光过程中对玻璃表面的划痕较小；二是其具有较强的化学活性，可与玻璃中的硅酸盐发生反应形成Ce-OSi 键，进而水解形成Ce-O-Si（OH）3键，而CeO2与玻璃表面相对运动产生的机械力使Si-O-Si 键断裂，SiO2以Si（OH）4的形式随CeO2抛去，Si（OH）4随后脱离CeO2颗粒；三是CeO2对环境污染小，可循环使用。铈系稀土抛光粉因具有切削能力强、抛光精度高、抛光质量好、使用寿命长等特点，在光学精密抛光领域已占有极其重要的地位。

目前3D 玻璃抛光液的制备有3 种技术方案：第1 种是CeO2抛光粉直接加水稀释至所需使用浓度；第2种是将抛光粉与分散剂、悬浮剂、表面活性剂、抛光助剂、pH 调节剂等配制成所需使用浓度的抛光液；第3种是将抛光粉与分散剂、悬浮剂、表面活性剂、抛光助剂、pH 调节剂等配制成浓缩液，再稀释成所需浓度。

1 原理

影响CeO2抛光效果的因素有：CeO2颗粒的粒径，形貌、硬度、晶型及颗粒在浆液中的悬浮性、分散性。带有棱角的片状CeO2颗粒对玻璃表面的磨削作用强，抛光效果好，颗粒粒径过小，切削力差，粒径过大，容易造成玻璃表面划伤。CeO2颗粒在抛光液中的悬浮、分散效果越好，越不容易沉降、团聚，抛光效果越好。

2 抛光液制备工艺及研发成果

2.1 制备试剂

氧化铈基抛光粉（分子式CeO2；粒径：D50为0.5～1.2μm；D90为0.9～2.5μm），包括高铈抛光粉（氧化铈含量＞95%，浅黄色，比重7.3 左右，其余为氧化镧La2O3、氧化钕Nd2O3、氧化镨Pr6O11等稀土氧化物）；中铈抛光粉（氧化铈含量70%～85%，黄色或褐色，比重6.5左右，其余为氧化镧La2O3、氧化钕Nd2O3、氧化镨Pr6O11等稀土氧化物或氟氧化镧LaOF、氟氧化钕NdOF、氟氧化镨PrOF 等稀土氟氧化物）：40%～ 60%

（1）聚丙烯酸（分子式（CH2CH）nCOOH）或聚丙烯酸钠（分子式（CH2CH）nCOONa）：0.2%～0.5%；该成分为有机分散剂，对抛光粉颗粒起到分散悬浮作用。

（2）聚乙二醇PEG-4000（或PEG-2000、PEG-1000）（分子式HO（CH2CH2O）nH）：0.2%～0.5%；该成分为有机分散剂，对抛光粉颗粒起到分散悬浮作用。

（3）氟化钠（分子式NaF）或氟化钾（分子式KF）或氟化铵（分子式NH4F）：0.1%～0.5%；该成分为研磨增效剂，通过化学腐蚀作用，可增加抛光液的磨削速率，提高抛光效率。

（4）氯化钠（分子式NaCl）或硝酸钠（分子式NaNO3）或氯化钾（KCl）或硝酸钾（KNO3）或氯化铵（NH4Cl）或硝酸铵（NH4NO3）：0.1%～0.5%；该成分为分散稳定剂，可增强抛光粉颗粒的表面电性，改善分散效果，进而改善抛光效果。余量为水（水可以是常规用水，也可以是去离子水或超纯水等）。

（5）偏硼酸钡（分子式Ba（BO2）2）：0.1%～0.5%；该成分为无机抗菌剂，可以防止抛光液发生霉变。

2.2 制备工艺及使用方法

2.2.1 开槽液制作工艺为

（1）在带有搅拌与鼓气装置的1#槽中，将所需量的水加热至40～70℃；

（2）打开搅拌与底部鼓气，缓慢加入所需量的六偏磷酸钠，待其全部溶解，槽底无粘结的六偏磷酸钠后，将溶液转移至2#槽；

（3）在带有搅拌装置的2#槽中，搅拌状态下加入所需量的十二烷基磺酸钠；

（4）在2#槽中，搅拌状态下缓慢加入所需量的CeO2抛光粉，并充分搅拌1h 以上，以保证均匀分散。

2.2.2 补充液制作工艺为

（1）在2#槽中加入所需量的水，搅拌状态下加入所需量的聚丙烯酸与聚乙二醇PEG-4000，并充分搅拌至完全溶解；

（2）搅拌状态下缓慢加入所需量的CeO2抛光粉，并充分搅拌1h 以上，以保证均匀分散。

2.2.3 抛光液使用方法

（1）将开槽液按照质量比（1 ∶2）～（1 ∶5）加水稀释，作为抛光机台开槽液，开槽液稀释后的浓度即为抛光液的工作浓度，通过测量比重来表征；

（2）按照抛光液的工作浓度，每隔5～8h，测量工作机台抛光液浓度，浓度不足的用补充液进行补加；

（3）根据机台使用情况，每隔7～15d，补加一次开槽液；

（4）每隔30～60d，清理抛光机台，按照步骤①，以开槽液开槽，然后继续重复步骤②、③。

2.3 实验对比

（1）实验1。按以上工艺分两组制备开槽液和补充液，开槽液配比如下：

中铈抛光粉（CeO2含量80%：氧化镧La2O3含量20%；D50为0.55μm；D90为1.46μm，比重6.5）：50%；

六偏磷酸钠（（NaPO3）6，总磷酸盐（以P2O5计）含量：68.1%，非活性磷酸盐（以P2O5计）含量：6.5%，水不溶物含量：0.03%）：3%；

十二烷基磺酸钠（C12H25SO3Na）：0.002%；余量为水（常规用水）。

补充液配比如下：

中铈抛光粉（CeO2含量80%：氧化镧La2O3含量：20%；粒径：D50为0.55μm；D90为1.46μm，比重6.5）：50%；

聚丙烯酸（（CH2CH）nCOOH）：0.3%；聚乙二醇PEG-4000（HO（CH2CH2O）nH）：0.3%；氯化钠（NaCl）：0.2%；偏硼酸钡（Ba（BO2）2）：0.2%；余量为水（常规用水）。

（2）实验2：将实验1中开槽液配比不变，补充液中氯化钠替换为多氟化钠，补充液配比如下

中铈抛光粉（CeO2含量80%：氧化镧La2O3含量：20%；粒径：D50为0.55μm；D90为1.46μm，比重6.5）：50%；

聚丙烯酸（（CH2CH）nCOOH）：0.3%；聚乙二醇PEG-4000（HO（CH2CH2O）nH）：0.3%；氟化钠（NaF）：0.2%；氯化钠（NaCl）：0.2%；偏硼酸钡（Ba（BO2）2）：0.2%；余量为水（常规用水）。

（3）对照实验：按照现有技术不区分开槽液和补充液，抛光液配方为：

中铈抛光粉（CeO2含量80%：氧化镧La2O3含量：20%；粒径：D50为0.55μm；D90为1.46μm，比重6.5）：50%；六偏磷酸钠：3%；十二烷基磺酸钠（C12H25SO3Na）：0.002%；余量为水（常规用水）。

使用方法为：按照质量比1 ∶3.5加水稀释至比重为1.10，每隔5h，测量抛光液比重，浓度不足1.10的用上述浓缩液补加至浓度1.10。

2.4 性能测试

2.4.1 磨削速率测试

实验1、实验2、对照实验每天各选取30pcs 3D 玻璃样品，通过高精度数显厚度规（精度0.001mm）测定抛光前后30pcs样品平均厚度（每片样品厚度的平均值）之差，将其换算为单位时间内的磨削厚度，即得到磨削速率。取样时间为30d。其中，每片样品厚度测定方法为：选取上、中、下3个固定位置测定厚度，取平均值。抛光前，保证每个机台抛光液比重为1.10，且抛光垫的使用时间相同。实验1、实验2与对照实验的测试结果如图1所示。由图1可知，抛光液使用初期，对照实验的磨削速率与实验1相近，在使用10d 后，六偏磷酸钠的积累效应开始显现，抛光液磨削速率开始下降，使用20d 左右时，磨削速率开始出现了急剧下滑，使用30d 时，磨削速率下降到初始的一半。相比之下，改善后抛光液磨削速率高，大于30μm/h，且磨削稳定性好，实验2优选地添加氟离子，进一步提高了磨削速率，达到35μm/h。

图1 抛光液的磨削速率随使用时间变化的趋势图

2.4.2 粗糙度测试

实验1、实验2、对照试验每天各选取30pcs 3D 玻璃样品，通过粗糙度测试仪测定抛光前后30pcs 样品的平均粗糙度，取样时间为30d。其中，每片样品厚度测定方法为：选取上、中、下3个固定位置测定粗糙度，取平均值。抛光前，保证每个机台抛光液比重为1.10，且抛光垫的使用时间相同。

实验1、实验2与对照实验的测试结果如图2所示。由图2可知，抛光液使用初期，对照实验的粗糙度与实验1相近，在使用10d 后，粗糙度开始增大，使用20d 左右，粗糙度急剧增大，抛光效果急剧下降。相比之下，实验1抛光液抛光后试样的表面粗糙度低，在15nm 以下，且稳定性好，实验2添加氟离子，表面粗糙度达到10nm 以下，进一步降低了粗糙度，提高了抛光效果及质量。