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激光清洗技术在橡胶制品模具领域发展历程与应用

2020/10/14

一、激光清洗技术的发展历程

激光是二十世纪自然科学的重大发明之一。1960年世界上产生了**台激光器。随后,其相干性好、发敌角小、能量高度集中等特点的激光在各个领域都得到了广泛的应用,比如激光测距、激光加工、激光通讯等。

到了20世纪80年代早期,人们开始利用高能激光束照射在工件表面,使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离,高速有效地清除对象表面的附着物或者涂层,从而实现了清洁材料表面的工艺这就是激光清洗.此后十几年来,激光清洗已经从实验室内走向了实际应用,用于各种橡胶制品模具、硅胶制品模具去除油污、锈蚀,文物、微电子线路板等各种材料的清洗,并取得了很好的经济和社会效益。

20世纪80年代中期,为了满足工业生产上清除存储器模板上的微小颗粒的需要,激光清洗得到了广泛的注意和研究,并被正式地确认为一种行之有效的清洗方法,研究人员试图使用传统的清洗方法如机械清洗法、化学清洗法、超声波清洗法来除去模板上附着的亚微米量级的颗粒结果都不甚理想。由于在模板上颗粒的吸附力(范德华力、静电力等)是相当惊人的,比如lμm大小的颗粒,它在模板表面的吸附力大约是其重力的106倍,而机械清洗法无法完成对如此微小颗粒的清除,化学清洗又会导致模板的腐蚀及再污染,超声波清洗法需要将模板置于声波振动中心,这将导致模板的破裂。激光清洗正是在这种情况下产生的,在这种情从此人们才开始对它进行系统的研究:它的出现极好地解决了模板表面的污染问题,而且随着激光清洗技术的发展,它在许多其它领域也取得了广泛的应用。

20世纪80年代末,科学家发现,在基体表面覆盖一液体辅助层更有利于污染颗粒的 清除.其中,水便是这样一种有效的辅助层.这种在待清洗物品的表面覆盖一厚度为毫米量级的液膜,再以激光进行照射来清除污染颗粒的方法,这也就是后来我们所说的蒸汽(湿式)激光清洗,较之干式激光清洗,蒸汽激光清洗具有更高的清洗效率。

直到90年代初期激光清洗才真正步入工业生产中,事实上,几乎同时在1987年,有三个研究小组分别独立地发现了激光清洗的效果.其中,Zapka所领导的研究小组获得了**个关于激光清洗方面的专利,并认识到了它在工业上的应用前景,另一个研究小组是德田的马普生物化学及物理研究所,科学家在硅模板上覆盖以尺寸为35nm的金颗粒,然后将氮分子激光器直接照射固体表而,结果成功地除去了表面的金颗粒,而同时硅模板毫无损伤,这表明了使用激光来清洗固体表面污染颗粒是可行的。

2001年,Fourrier及其合作者对不同形状、不同大小、不同材料的颗粒进行蒸汽激光清洗实验发现,对于不同的颗粒,当其尺寸属于几十到几百纳米范围内时,所需要的激光强度阈值是一样的.这种广泛一致的阈值为工业上使用蒸汽激光清洗来清除亚微米量级颗粒提供了更为有利的支持。虽然激光清洗的发展是以清洗表面固体小颗粒为主线索的,但在其他方面应用的研究也相应地开展了,比如20世纪70年代经过研究和实验人们发现激光在清洗历史建筑和艺术品也存在着可行性。1992年联合国教科文组织成功的利用激光清洗对英国亚斯敏大教堂实施了维修.欧洲一些国家也已经用激光清洗了Amiens大教堂(法国)、圣Stephan’s大教堂(奥地利维也那)、无名烈士墓(波兰华沙)等。激光在脱漆方面的应用也得到了研究人员的关注,美国Woodroffe等人在这方面开展了大量的工作。

20世纪90年代德国、日本的研究人员分别为激光脱漆而研制了高功率TEA-CO2激光器,并且使用它们做了一系列的实验。而国内直到2005年才有研究人员发表采用大功率TEA-CO2激光对飞机脱漆的论文。各国科学家们还对轮胎模具、表面处理、空间垃圾等其他方面的应用进行了大量探索性的研究心取得了卓越的成果。

二、激光清洗技术的发展现状 

跟其它一些清洗方法相比较,激光清洗是一个年轻的高新技术,在绝缘材料、磁头、半导体元件、银质文物、硅片、牙齿等方面的应用还处于实验室阶段,有关污垢和锈斑的去除机理还在不断探索与完善之中。从国外的研究现状可知:激光清洗的去污范围非常广泛,从厚锈层到抛光表面微细颗粒都可以去除,涉及到机械工业、徽电子工业与艺术品的保护。激光清洗实验所使用的设备种类多,所用激光器钧波长范围广.但激光清洗技术的发展不平衡,有些已实现工业化,有的还处于实验室阶段:而且实验先于理论,有关污垢和锈斑的去除机理还在不断探索与完善之中,目前世界范围内,利用激光技术应用于硅橡胶制品模具清洗的公司国外的公司有德国公司。他们采用的是经验验证法(JET)。该公司在1998年宣布应用激光技术进行模具清洗,他们采用了一系列装置和辅助设施,试制出了JET激光模具清洗机。该设备清洗效果虽然很好,但是体积大、造价高,一台设备在德国的售价在5560万美元之间,不适合中国这一发展中国家的国情。
在我国,激光清洗技术近年来发展得也很快,不论是对激光清洗的工艺参数和清洗机理、清洗对象的研究还是应用方面的研究我国都取得了一定程度的进展.上海润洽是较早从事激光清洗研发和生产的国内公司,上海润洽公司吸收国外先进的激光清洗技术并加以改进和创新,目前已经开发出了不同系列不同功率的激光清洗设备,同时上海润洽公司与国内外高等院校和激光表面处理领域专家通力合作,开发更为先进的激光清洗技术。


三、激光清洗技术的展望

借助于国内产业转型和更严格的环保要求,激光清洗在橡胶轮胎行业有更为广阔的发展前景,尤其在汽车橡胶轮胎行业能够为客户带来更到的效益。