КОМПОЗИЦИИ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ АБРАЗИВНЫХ ШЛАМОВ, СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
WATER-BASED COMPOSITION FOR ABRASIVE SLURRY, PREPARATION METHODS AND USE THEREOF

Область изобретения
Настоящее изобретение, в целом, относится к жидким композициям на водной основе, которые используются для образования абразивных шламов. Жидкие композиции на водной основе используются для образования шламов для механической обработки свободным абразивом и, в частности, шламов для проволочной пилы.
Предпосылки создания изобретения
Проволочные пилы широко применяются для резки на пластины кремния для солнечных элементов и электронных приборов. Также они используются для резки различных материалов на основе полупроводникового соединения, включая сапфир, GaAs, InP, SiC, оптических материалов, таких как кварцевое стекло и кристалл, а также твердых и хрупких материалов, таких как керамика.
Проволочная пила, как правило, включает набор проволок, находящихся под растягивающим напряжением. Проволоки двигаются одновременно по мере поступления абразивного шлама между проволоками и деталью. Деталь проходит через проволоки по мере того, как под воздействием шлама происходит истирание детали на множество частей. Этот метод позволяет производить большое число пластин определенной толщины, ровности, и гладкости поверхности.
Во время резки проволочной пилой проволока не производит резку, в большей степени она служит для доставки абразивного шлама, который осуществляет резку. Этот процесс называется «механическая обработка свободным абразивом». Другие примеры механической обработки свободным абразивом включают ультразвуковую обработку, гидромеханическую резку и пескоструйную обработку
4
Шлам представляет собой суспензию абразивных частиц в жидкой композиции, также иногда называемой «смазка», «проводник» или «носитель». В качестве абразивов использовались такие материалы, как карбид кремния (SiC), алмаз и карбид бора (ВС). Использовались безводные шламы, отличающиеся тем, что жидкая композиция главным образом содержала минеральное масло, в котором абразивные частицы были диспергированы в соотношении 1:1 по весу. Также использовались растворимые в воде шламы, отличающиеся тем, что жидкая композиция главным образом содержала растворимые в воде гликоли (например, полиэтиленгликоль (PEG), этиленгликоль и полиоксиэтиленгликоль), в которых были диспергированы абразивные частицы.
Несмотря на то, что минеральное масло обеспечивает хорошие смазывающие и режущие характеристики, оно обладает недостаточной охлаждающей способностью. Кроме того, для очистки отрезанных деталей от минерального масла требуются органические растворители и специальные моющие вещества, так как минеральное масло не растворяется в воде. По причине низкой охлаждающей способности, ограничений по отводу отходов и трудностей, связанных с очисткой, необходимы заменители минерального масла.
Несмотря на то, что гликоли, такие как PEG, обладают некоторыми преимуществами перед минеральным маслом, эти материалы являются дорогостоящими и создают трудности с объемами и способами существующего отвода отходов. Кроме того, гликоли обладают высокой вязкостью, которая приводит к увеличению силы сопротивления на пластину. Такие высокие силы сопротивления могут привести к разрушению отрезанных заготовок во время тонкой резки.
Таким образом, крайне желательно разработать усовершенствованные жидкие композиции для использования в формировании абразивных шламов, в частности шламов для проволочной пилы.
Сущность изобретения
Данное изобретение обеспечивает жидкую композицию для использования в образовании шламов для механической обработки свободным абразивом. Абразивные частицы могут быть диспергированы в жидких композициях таким образом, чтобы обеспечить возможность их использования в рабочей композиции шлама в процессах механической обработки свободным абразивом. Под используемыми здесь терминами «рабочая композиция шлама» или «рабочий абразивный шлам» следует понимать любую композицию шлама, которая содержит абразивные частицы, диспергированные внутри жидкой композиции, отличающейся тем, что абразивные частицы присутствуют в таких концентрациях, которые подходят для заданного процесса механической обработки свободным абразивом. Жидкие композиции настоящего изобретения обеспечивают отличные смазывающие и механические/режущие свойства. Концентрация компонентов может регулироваться в зависимости от желаемого применения для того, чтобы свести к минимуму разрушение продукта во время механической обработки. Жидкие композиции, кроме того, являются более рентабельными, обладают повышенной теплоотдачей и обеспечивают более простые и менее ограниченные условия удаления отходов после резки.
В одном аспекте, изобретение в основном относится к жидкой композиции для образования шлама для механической обработки свободным абразивом, включающей полиэтиленгликоль и воду, и отличающейся тем, что композиция включает, по меньшей мере, 10 об.% воды.
Варианты согласно этому аспекту изобретения могут включать следующие характеристики. Композиция может включать примерно от 15 об.% до 80 об.% полиэтиленгликоля (PEG) и примерно от 20 об.% до 85 об.% воды. В некоторых вариантах композиция включает примерно от 20 об.% до 75 об.% PEG, примерно от 25 об.% до 70 об.% PEG, примерно от 30 об.% до 65 об.% PEG, примерно от 35 об.% до 60 об.% PEG, или примерно от 40 об.% до 55 об.% PEG. В некоторых вариантах композиция включает примерно от 25 об.% до 80 об.% воды, примерно от 30 об.% до 75 об.% воды, примерно от 40 об.% до 70 об.% воды, или примерно от 50 об.% до 60 об.% воды. Вода может быть деионизированной. Композиция, кроме того, может включать один или более модификатор вязкости. Модификаторы вязкости могут быть выбраны из обычно используемых модификаторов вязкости, таких как синтетическая глина, натуральная глина, Carbopols, карбоксиметилцеллюлоза, этилцеллюлоза, желатин, гидроксиэтилцеллюлоза, гидроксипропилцеллюлоза, метилцеллюлоза, поливинилалкоголь и ксантановая камедь. Модификаторы вязкости могут вводиться таким образом, чтобы обеспечить композицию, имеющую вязкость в пределах примерно от 5 сантипуаз до 100 сантипуаз. В некоторых вариантах, композиция содержит примерно до 10 об.% одного или более модификаторов вязкости, и в некоторых вариантах примерно от 0.1 об.% до 10 об.% одного или более модификаторов вязкости. Композиция, кроме того, может включать один или более активаторов. В некоторых вариантах, композиция содержит примерно до 5 об.% одного или более активаторов, и в некоторых вариантах примерно от 0.2 об.% до 5 об.% одного или более активаторов. Активатор может быть выбран из обычно используемых активаторов, таких как триэтаноламин и аминобораты. Композиция, кроме того, может включать один или более ингибиторов коррозии. Ингибиторы коррозии могут быть выбраны из обычно используемых ингибиторов коррозии, таких как триэтаноламин и соли карбоновой кислоты. В некоторых вариантах, композиция содержит примерно от 0.1 об.% до 5 об.% одного или более ингибиторов коррозии.
В другом аспекте, изобретение относится к способу получения жидкой композиции, пригодной для образования шлама для механической обработки свободным абразивом, при этом способ включает смешивание полиэтиленгликоля и воды таким образом, чтобы композиция содержала, по меньшей мере, 10 об.% воды.
В другом аспекте, изобретение относится к способу использования жидкой композиции, включающей полиэтиленгликоль и по меньшей мере 10 об.% воды, в процессе обработки проволочной пилой. Способ включает обеспечение жидкой композиции, равномерное диспергирование абразивных частиц внутри жидкой композиции для образования рабочего шлама, и подачу рабочего шлама в процесс обработки проволочной пилой.
В другом аспекте, изобретение относится к жидкой композиции, пригодной для использования в возвратно-поступательной резке проволочной пилой, и включающей полиэтиленгликоль и по меньшей мере 10 об.% воды.
В другом аспекте, изобретение относится к способу обеспечения жидкой композиции, пригодной для использования в возвратно-поступательной резке проволочной пилой, и включает получение жидкой композиции, содержащей полиэтиленгликоль и по меньшей мере 10% воды, равномерное диспергирование абразивных частиц внутри жидкой композиции для образования рабочего шлама, и введение воды для изменения вязкости рабочего шлама до требуемой для возвратно-поступательной резки.
В другом аспекте, изобретение относится к способу рассеивания тепла во время процесса механической обработки, который состоит в подаче рабочего шлама в процесс механической обработки, при этом рабочий шлам включает полиэтиленгликоль, по меньшей мере, 10 об.% воды, и абразивные частицы, равномерно диспергированные в полиэтиленгликоле и воде, и отличается тем, что происходит рассеивание тепла путем испарения, по меньшей мере, части воды, и пополнение рабочей жидкости водой во время процесса механической обработки для дальнейшего рассеивания тепла.
В другом аспекте, изобретение относится к жидкой композиции, которая используется для образования шлама для механической обработки свободным абразивом, и включает полиэтиленгликоль и воду, и отличается тем, что вода присутствует в жидкой композиции в таком количестве, при котором вязкость рабочего шлама, образованного диспергированными абразивными частицами внутри жидкой композиции, уменьшается по меньшей мере в 1.5 раза.
Варианты согласно этому аспекту изобретения могут включать следующие характеристики. Вода может присутствовать в жидкой композиции в таком количестве, при котором вязкость рабочего шлама, образованного диспергированными абразивными частицами внутри жидкой композиции, уменьшается по меньшей мере в 2 раза, по меньшей мере в 2.5 раза, по меньшей мере в 3 раза, по меньшей мере в 4 раза, по меньшей мере в 4.5 раза, по меньшей мере в 5 раз, по меньшей мере в 5.5 раз, по меньшей мере в 6 раз, по меньшей мере в 6.5 раз, по меньшей мере в 7 раз, по меньшей мере в 7.5 раз, по меньшей мере в 8 раз, по меньшей мере в 8.5 раз, по меньшей мере в 9 раз, по меньшей мере в 9.5 раз, и даже в 10 раз.
В другом аспекте, изобретение относится к жидкой композиции, которая используется для образования шлама для механической обработки свободным абразивом, при этом композиция включает полиэтиленгликоль и воду, и отличается тем, что вязкость рабочего шлама, образованного диспергированными абразивными частицами внутри жидкой композиции при содержании твердой фазы С%, снижается путем введения воды в таком количестве, при котором вязкость рабочего шлама становится в 1.5 раза меньше, чем вязкость композиции шлама, включающей PEG и абразивные частицы при содержании твердой фазы С%.
Варианты согласно этому аспекту изобретения могут включать следующие характеристики. Абразивные частицы в рабочем шламе могут иметь такой же размер зерна, как и абразивные частицы в композиции шлама, включающего PEG и абразивные частицы. Абразивные частицы в рабочем шламе могут иметь размер зерна меньше, чем абразивные частицы в композиции шлама, включающего PEG и абразивные частицы. Абразивные частицы в рабочем шламе могут иметь размер зерна больше, чем абразивные частицы в композиции шлама, включающей PEG и абразивные частицы. Вязкость рабочего шлама может быть по меньшей мере в 2 раза меньше, по меньшей мере в 2.5 раза меньше, по меньшей мере в 3 раза меньше, по меньшей мере в 3.5 раза меньше, по меньшей мере в 4 раза меньше, по меньшей мере в 4.5 раза меньше, по меньшей мере в 5 раз меньше, по меньшей мере в 5.5 раз меньше, по меньшей мере в 6 раз меньше, по меньшей мере в 6.5 раз меньше, по меньшей мере в 7 раз меньше, по меньшей мере в 7.5 раз меньше, по меньшей мере в 8 раз меньше, по меньшей мере в 9 раз меньше, по меньшей мере в 9.5 раз меньше, и даже в 10 раз меньше, чем композиция шлама, включающего, по меньшей мере, 60 объемных процентов полиэтиленгликоля и абразивных частиц при содержании твердой фазы 20 объемных процентов.
В другом аспекте, изобретение относится к жидкой композиции, которая используется для образования шлама для механической обработки свободным абразивом, и включает полиэтиленгликоль и воду, и отличается тем, что вода содержится в жидкой композиции в таком количестве, при котором во время механической обработки температура рабочего шлама, образованного диспергированными частицами внутри жидкой композиции, снижается, по меньшей мере, на 2°С.
Варианты согласно этому аспекту изобретения могут включать следующие характеристики. Температура рабочего шлама, образованного диспергированными абразивными частицами внутри жидкой композиции, может быть понижена по меньшей мере на 3°С, по меньшей мере на 4°С, по меньшей мере на 5°С, по меньшей мере на 6°С, по меньшей мере на 7°С, по меньшей мере на 8°С, по меньшей мере на 9°С, по меньшей мере на 10°С, по меньшей мере на 11°С, по меньшей мере на 12°С, по меньшей мере на 13°С, и даже на 14°С.
В другом аспекте, изобретение в целом относится к жидкой композиции, которая используется для образования шлама для механической обработки свободным абразивом, и включает полиэтиленгликоль и воду, и отличается тем, что во время процесса механической обработки температура рабочего шлама, образованного диспергированными абразивными частицами, при содержании твердой фазы С%, внутри жидкой композиции снижается путем добавления воды таким образом, что температура рабочего шлама составляет по меньшей мере на 2°С меньше, чем композиция шлама, включающая PEG и абразивные частицы при содержании твердой фазы С%.
Варианты согласно данному аспекту изобретения могут включать следующие характеристики. Абразивные частицы в рабочем шламе могут иметь такой же размер зерна, что и абразивные частицы в композиции шлама, включающей PEG и абразивные частицы. Абразивные частицы в рабочем шламе могут иметь размер зерна меньше, чем абразивные частицы в композиции шлама, которая включает PEG и абразивные частицы. Абразивные частицы в рабочем шламе могут иметь размер зерна больше, чем абразивные частицы в композиции шлама, которая включает PEG и абразивные частицы. Во время механической обработки температура рабочего шлама меньше по меньшей на мере 3°С, по меньшей мере на 4°С, по меньшей мере на 5°С, по меньшей мере на 6°С, по меньшей мере на 7°С, по меньшей мере на 8°С, по меньшей мере на 9°С, по меньшей мере на 10°С, по меньшей мере на 11°С, по меньшей мере на 12°С, по меньшей мере на 13°С и даже на 14°С, чем температура композиции шлама, которая включает, по меньшей мере, 60 объемных процентов полиэтиленгликоля и абразивные частицы при содержании твердой фазы 20 объемных процентов.
При этом следует понимать, что объемные проценты, которые упоминаются здесь относительно конкретной композиции, основаны на общем объеме этой композиции. Также, значения вязкости, которые упоминаются здесь, являются определенными при 25°С. Измерение вязкости проводилось при помощи вискозиметра Brookfield spindle (например, #2 или #4) при 60 об/мин.
Другие аспекты и преимущества изобретения станут очевидными из следующего описания, которое вместе с прилагаемыми чертежами иллюстрирует принципы изобретения в качестве примера только.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 иллюстрирует профили вязкости пробных образцов Примера 2, которые следуют далее.
Фиг.2 иллюстрирует профили температур пробных образцов Примера 3, которые следуют далее.
Подробное описание осуществления изобретения
Жидкие композиции настоящего изобретения являются пригодными для использования в различных процессах механической обработки свободным абразивом, включая обработку проволочной пилой, ультразвуковую обработку, гидромеханическую резку, и пескоструйную обработку. Такие способы могут применяться для резки и механической обработки различных материалов, таких как сапфир, GaAs, InP и SiC, оптических материалов, таких как кварцевое стекло и кристалл, твердых и хрупких материалов, таких как керамика. Последующее раскрытие изобретения следует толковать в большей степени в качестве иллюстрации, нежели как ограничение. Например, несмотря на то, что могут быть обеспечены определенные комбинации материалов и концентраций, такие комбинации материалов и концентраций предназначаются для резки проволочной пилой и могут быть модифицированы для других видов механической обработки свободным абразивом, а также для резки и механической обработки различных материалов.
В отношении процентов различных компонентов настоящего изобретения, если не указано иное, все проценты относятся к объемным процентам и основываются на общем объеме концентрированной композиции шлама.
Жидкие композиции настоящего изобретения включают один или более растворимых в воде гликолей. Любые обычно применяемые растворимые в воде гликоли, пригодные для использования в шламах для механической обработки свободным абразивом, могут быть пригодны для реализации данного изобретения на практике. Эти гликоли включают, но не ограничиваются этим, полиэтиленгликоль (PEG), этиленгликоль и полиоксиэтиленгликоль. В одном варианте, гликолем является PEG.
Растворимый в воде гликоль в основном содержится в жидких композициях в количествах примерно от 15 об.% до 80 об.% по отношению к общему объему жидкой композиции. В некоторых вариантах, жидкие композиции содержат примерно от 20 об.% до 75 об.% гликоля, в некоторых вариантах от 25 об.% до 70 об.%, в некоторых вариантах от 30 об.% до 65 об.%, в некоторых вариантах от 35 об.% до 60 об.%, и в некоторых вариантах примерно от 40 об.% до 55 об.%.
Жидкие композиции, кроме того, включают воду. В некоторых вариантах используется деионизированная вода, которая обладает очень низкой электропроводностью. Полагают, что использование деионизированной воды будет способствовать сохранению электропроводности шлама низкой, такой, что она не будет мешать системам контроля разрыва проволоки, которые применяются в большинстве проволочных пил.
Введение воды в жидкие композиции изменяет вязкость жидких композиций и, следовательно, количество воды, содержащееся в жидких композициях, выбирается таким образом, чтобы обеспечить желаемую вязкость. В некоторых вариантах вода добавляется в жидкие композиции в количестве, которое обеспечивает жидкой композиции вязкость, необходимую для резки тонких пластин с помощью проволочной пилы. В некоторых вариантах вода содержится в жидких композициях в количестве, которое эффективно снижает или сводит к минимуму возможное разрушение пластины во время резки тонких пластин, таких как менее 250 микрон.
В частности, обычно используемые растворимые в воде композиции шлама, которые главным образом содержат растворимый в воде гликоль (например, PEG), имеют высокие вязкости, которые приводят к увеличению силы сопротивления на пластину. Жидкие композиции изобретения обеспечивают более низкие вязкости по сравнению с обычно используемыми растворимыми в воде гликолями. Шламы, образованные жидкими композициями изобретения, обладают более низкой вязкостью по сравнению с обычно используемым PEG шламом при условии содержания одинаковых абразивных частиц и одинаковой концентрации твердой фазы в обычно используемом PEG шламе и жидких композициях изобретения. Кроме того, шламы, образованные с использованием жидких композиций изобретения, обладают более низкой вязкостью даже в том случае, когда шламы, образованные с использованием жидких композиций изобретения, содержат абразивные частицы с более тонким размером зерна, чем абразивные частицы, которые содержатся в обычно используемых шламах.
В некоторых вариантах, шламы, образованные с использованием жидких композиций изобретения, обладают вязкостью, которая по меньшей мере в 1.5 раза меньше, и в некоторых вариантах примерно до 10 раз меньше вязкости обычно используемых шламов при условии использования одинакового типа абразивных частиц при одинаковом содержании твердой фазы, и при условии, что размер зерна абразивных частиц, диспергированных внутри жидких композиций изобретения, больше, равен, или меньше размера зерна абразивных частиц, диспергированных внутри обычно используемых шламов. Например, обычно используемые шламы имеют вязкости, в основном, в пределах примерно от 200-300 сантипуаз. Шламы изобретения могут иметь такие низкие вязкости, как 30 сантипуаз или менее, 40 сантипуаз или менее, 50 сантипуаз или менее, 60 сантипуаз или менее, 70 сантипуаз или менее, 80 сантипуаз или менее, 90 сантипуаз или менее, 120 сантипуаз или менее, или 150 сантипуаз или менее. Шламы изобретения могут иметь вязкость от 30 сантипуаз до 150 сантипуаз, или от 30 сантипуаз до 100 сантипуаз.
Кроме того, при выполнении механической обработки свободным абразивом шламы, образованные жидкими композициями изобретения, могут лучше обеспечить более низкие вязкости, чем обычно используемые шламы. Эта низкая вязкость обеспечивается, не вызывая осаждение твердой фазы.
Введение воды в жидкую композицию может, кроме того, способствовать рассеиванию тепла во время механической обработки. В некоторых вариантах вода вводится в жидкие композиции в количестве, которое эффективно способствует рассеиванию тепла во время резки проволочной пилой. По мере того как проволочная пила разрезает деталь, происходит испарение воды из зоны резки, что приводит к рассеиванию тепла и снижению теплового напряжения на деталь. Так как происходит испарение воды, она может заново пополняться по мере необходимости. Путем снижения теплового напряжения на рабочую деталь и отрезанные части, деформация отрезанных частей и разрушение во время резки будет снижаться.
Например, несмотря на то, что обычно используемые шламы обеспечивают слабое, в лучшем случае достаточное рассеивание тепла во время механической обработки, жидкие композиции изобретения, в случае их использования в образовании рабочих шламов, обеспечивают повышенное рассеивание тепла. В некоторых вариантах, когда в процессе механической обработки обычно используемые шламы и шламы, приготовленные с использованием жидких композиций изобретения, применяются в одинаковых условиях, шламы, приготовленные с использованием жидких композиций изобретения, обеспечивают температуры во время обработки, которые по меньшей мере на 2°С ниже, и до 14°С ниже, чем обычно используемые шламы, образованные с PEG. Например, при применении в процессе механической обработки обычно используемых шламов шламы, как правило, подаются в процесс обработки при комнатной температуре (22°С). В процессе обработки температура обычно используемых шламов может достигать 36°С. В некоторых процессах обработки применяется охладитель для поглощения тепла из системы, и во время такого процесса температура обычно используемых шламов может в некоторых случаях сохраняться в диапазоне примерно от 28°С до 30°С. Однако температура обычно применяемых шламов, даже в случае использования охладителя, во время процесса обработки иногда может достигать 36°С. Таким образом, в процессе обработки температура обычно применяемых шламов может увеличиваться на 14°С. В процессе механической обработки, в котором шламы образованы с использованием жидких композиций изобретения, при подаче шламов в процесс при комнатной температуре (22°С) температура шламов может сохраняться в пределах примерно 5°С от комнатной температуры, в некоторых вариантах в пределах 4°С, и в некоторых вариантах в пределах 3°С, в некоторых вариантах в пределах 2°С, и в некоторых вариантах в пределах около 1°С. В определенных случаях, температура шламов, образованных с использованием жидкой композиции изобретения, сохраняется при комнатной температуре (22°С) в течение всего процесса обработки.
Согласно настоящему изобретению, жидкие композиции содержат примерно от 20 об.% до 85 об.% воды. В некоторых вариантах, жидкие композиции содержат примерно от 25 об.% до 80 об.% воды, в некоторых вариантах примерно от 30 об.% до 75 об.% воды, в некоторых вариантах примерно от 40 об.% до 70 об.% воды, и в некоторых вариантах примерно от 50 об.% до 60 об.% воды.
3
4
2
Жидкие композиции, кроме того, могут включать один или более модификаторов вязкости. Могут использоваться любые обычно используемые модификаторы вязкости, которые применяются в абразивных шламах, например, такие как синтетическая глина, натуральная глина, кремнезем, Carbopols (также называемый как карбомер, и имеющий химическую формулу CHO), карбоксиметилцеллюлоза, этилцеллюлоза, желатин, гидроксиэтилцеллюлоза, гидроксипропилцеллюлоза, метилцеллюлозу, поливиниловый спирт и ксантановая камедь. Одним из примеров синтетической глины, удобным для практического использования настоящим изобретением, является Laponite, синтетический многослойный силикат (гидратированный силикат натрия лития магния). Модификаторы вязкости могут вводиться в таких количествах, которые по желанию изменяют вязкость жидких композиций.
После введения один или более модификаторов вязкости содержится в жидких композициях в количествах примерно до 10 об.%. В некоторых вариантах жидкие композиции содержат примерно до 5 об.% одного или более модификаторов вязкости, и в некоторых вариантах примерно до 1 об.%. В некоторых вариантах, жидкие композиции содержат примерно от 0.1 об.% до 10 об.% одного или более модификаторов вязкости, в некоторых вариантах примерно от 0.2 об.% до 5 об.%, в некоторых вариантах примерно от 0.3 об.% до 4 об.%, и в некоторых вариантах примерно от 0.3 об.% до 2 об.%.
Жидкие композиции, кроме того, могут включать один или более активаторов. Могут применяться любые обычно используемые активаторы, которые используются в абразивных шламах, например, такие аминоборат и триэтаноламин. Активаторы обычно используются в сочетании с модификаторами вязкости, но могут вводиться с добавлением или без добавления модификаторов вязкости. Активатор обычно вводится в количестве, которое способствует модификатору вязкости установить матричную сетку в жидкости. Эта матричная сетка будет увеличивать предел текучести или общую динамическую вязкость жидкости. Многие активаторы, такие как триэтаноламин, обеспечивают дополнительные преимущества, такие как замедление процесса коррозии, и могут использоваться в количествах, превышающих необходимое количество для активации модификатора вязкости. Например, в некоторых вариантах добавляется примерно до 5 об.% одного или более активаторов. Эти мультифункциональные активаторы могут использоваться без модификатора вязкости в случае, если необходимы их дополнительные преимущества.
Жидкие композиции, кроме того, могут включать один или более фунгицидов. Могут применяться любые обычно используемые фунгициды, которые применяются в шламах для механической обработки свободным абразивом. Фунгициды обычно вводятся в количестве, эффективном для минимизации или контроля роста грибков. Например, в некоторых вариантах вводится примерно до 2 об.% одного или более фунгицидов.
9
21
3
3
11
19
Для контроля роста бактерий жидкие композиции, кроме того, могут содержать один или более биоцидов. Некоторые биоциды, кроме того, могут контролировать рост грибков. Эти биоциды могут быть выбраны из любых обычно используемых биоцидов, применяемых в шламах для механической обработки свободным абразивом, такие как Bioban™ P-148, Grotan, Kathon, омадины металла или глутаральдегид. Bioban™ Р-148 поставляется Dow Chemical Company и содержит два активных инградиента 4-(2-нитробутил)-морфолин и 4,4'-(2-этил-2-нитротриметилен)диморфолин. Grotan является 2-[3,5-бис(2-гидроксиэтил)-1,3,5-триазинан-1-ил]этанол, и имеет химическую формулу CHNO. Kathon является 2-октил тиазол-3-один, и имеет химическую формулу CH NOS. Биоциды могут вводиться в композиции изобретения в количестве, которое будет эффективным для минимизации или для контроля роста бактерий и, в некоторых случаях, биоциды, кроме того, могут минимизировать или контролировать рост грибков. В некоторых вариантах для контроля роста бактерий и роста грибков используется смесь биоцидов.
После введения, один или более биоцидов содержится в жидкой композиции в количествах примерно до 2 об.%. В некоторых вариантах жидкие композиции содержат примерно от 0.05 об.% до 2 об.% одного или более биоцидов, в некоторых вариантах примерно от 0.06 об.% до 1.5 об.%, в некоторых вариантах примерно от 0.07 об.% до 1 об.%, и в некоторых вариантах примерно от 0.08 об.% до 0.5 об.%.
Для замедления коррозии обрабатывающих деталей оборудования для механической обработки свободным абразивом (например, проволок и проволочной пилы), жидкие композиции, кроме того, могут содержать один или более ингибиторов коррозии. Ингибиторы коррозии могут включать любые обычно используемые ингибиторы коррозии, которые применяются в шламах для механической обработки свободным абразивом, такие как триэтаноламин, аминобораты, триазолы, силикаты или соли карбоновой кислоты. Ингибиторы коррозии могут быть включены в концентрированные композиции шлама в количествах, которые эффективно замедляют коррозию.
После введения один или более ингибиторов коррозии содержится в жидких композициях в количествах примерно до 5 об.%. В некоторых вариантах жидкие композиции содержат примерно от 0.1 об.% до 5 об.% одного или более ингибиторов коррозии, в некоторых вариантах примерно от 0.2 об.% до 4 об.%, в некоторых вариантах примерно от 0.3 об.% до 3 об.%, в некоторых вариантах примерно от 0.4 об.% до 2 об.% и в некоторых вариантах примерно от 0.5 об.% до 1 об.%.
В одном варианте, жидкая композиция включает примерно от 20 об.% до 85 об.% воды, примерно от 15 об.% до 80 об.% PEG и, дополнительно, один или более следующих компонентов: модификаторы вязкости, активаторы, фунгициды, биоциды и ингибиторы коррозии. Например, в одном варианте, жидкая композиция содержит примерно от 20 об.% до 85 об.% воды, примерно от 15 об.% до 80 об.% PEG, примерно от 0.1 об.% до 10 об.% модификатора вязкости, примерно от 0.2 об.% до 5 об.% активатора, примерно от 0.1 об.% до 2 об.% фунгицида, примерно от 0.05 об.% до 2 об.% биоцида, и до 5 об.% ингибитора коррозии. В примере осуществления жидкая композиция включает примерно 53 об.% воды, примерно 44.5 об.% PEG, примерно 0.4 об.% синтетической глины, примерно 1.1 об.% активатора, примерно 0.4 об.% фунгицида, примерно 0.1 об.% биоцида и примерно 0.5 об.% ингибитора коррозии.
Настоящее изобретение, кроме того, включает способ приготовления жидких композиций, пригодных для использования в формировании абразивных шламов. Способы включают смешивание одного или более растворимых в воде гликолей с водой для получения жидкой композиции. В соответствии с настоящими способами примерно от 15 об.% до 80 об.% одного или более растворимых в воде гликолей смешивается с примерно от 20 об.% до 85 об.% воды для формирования жидкой композиции. В определенных вариантах растворимым в воде гликолем является PEG.
В некоторых вариантах, способы, кроме того, включают введение одного или более модификаторов вязкости в гликоль или воду. В соответствии со способами изобретения вводится примерно до 5 об.% одного или более модификаторов вязкости.
В некоторых вариантах, способы, кроме того, включают введение одного или более активаторов в гликоль или воду. Активаторы могут вводиться с добавлением или без добавления модификаторов вязкости. В некоторых вариантах вводится примерно до 3 об.% одного или более активаторов. В некоторых вариантах активаторы вводятся в количестве, которое позволяет модификаторам вязкости установить желаемую вязкость, и способы изобретения включают введение одного или более активаторов в сочетании с одним или более модификатором вязкости. Один или более активаторов может вводиться в количестве, которое позволяет модификатору вязкости образовать матричную сетку в жидкости, которая увеличивает предел текучести или общую динамическую вязкость жидкости.
В некоторых вариантах, способы, кроме того, включают введение одного или более фунгицидов в гликоль или воду. Фунгициды могут вводиться с добавлением или без добавления модификаторов вязкости, и/или активаторов. Фунгициды обычно вводятся в количестве, которое является эффективным для минимизации или контроля роста грибков. Например, в некоторых вариантах вводится примерно до 2 об.% одного или более фунгицидов.
В некоторых вариантах, способы, кроме того, включают введение одного или более биоцидов в гликоль или воду. Биоциды могут вводиться с добавлением или без добавления модификаторов вязкости, активаторов и/или фунгицидов. Биоциды в основном вводятся в количестве, которое является эффективным для минимизации и для контроля роста бактерий. Некоторые биоциды, кроме того, являются эффективными в минимизации и контроле роста грибков и, следовательно, в таких условиях, один или более биоцидов может вводиться для того, чтобы эффективно минимизировать и контролировать как рост грибков, так и рост бактерий без необходимости введения одного или более фунгицидов для минимизации и контроля роста грибков. В некоторых вариантах вводится примерно до 2 об.% одного или более биоцидов.
В некоторых вариантах, способы, кроме того, включают введение одного или более ингибиторов коррозии в гликоль и воду. Ингибиторы коррозии могут вводиться с добавлением или без добавления модификаторов вязкости, активаторов, фунгицидов и/или биоцидов. Ингибиторы коррозии в основном вводятся в количестве, эффективном для замедления коррозии. Например, в некоторых вариантах вводится примерно до 5 об.% одного или более ингибиторов коррозии.
4
Образованные таким образом жидкие композиции могут затем отгружаться покупателю. Когда потребитель желает использовать жидкую композицию для процесса механической обработки свободным абразивом, потребитель просто вводит и диспергирует абразивные частицы внутри жидких композиций для получения рабочего абразивного шлама. Потребитель с помощью простого расчета может определить, какое количество абразивных частиц следует ввести в жидкую композицию, исходя из требуемого содержания твердой фазы в готовом шламе. В основном, требуемая концентрация твердой фазы в рабочих композициях для проволочной пилы находятся в пределах примерно 20-28 об.%, исходя из общего объема рабочей композиции для проволочной пилы. Таким образом, можно легко определить, какое количество абразивных частиц должно быть введено в жидкие композиции для того, чтобы получить желаемый рабочий шлам. Любые обычно используемые абразивные частицы могут быть введены и диспергированы внутри жидких композиций изобретения, включая, но не ограничиваясь этим, карбид кремния (SiC), алмаз и карбид бора (ВС). Таким образом, жидкие композиции изобретения могут использоваться для формирования абразивных композиций шлама, обладающих любым необходимым содержанием твердой фазы и конкретными свойствами, путем введения надлежащего количества и типа абразивных частиц.
Жидкие композиции настоящего изобретения обладают более высоким содержанием воды, чем обычно используемые жидкие композиции. Такое высокое содержание воды обеспечивает ряд преимуществ. Уменьшается количество гликолей, которое требуется для обеспечения композиции с желаемой вязкостью, потому что вместо некоторых гликолей для этих целей может использоваться дополнительное количество воды. Гликоли являются дорогим материалом и, таким образом, снижение количества гликолей, присутствующих в жидких композициях, уменьшает затраты. Сокращение количества гликолей в жидких композициях, кроме того, уменьшает проблемы, связанных с отходами гликоля. Например, часто требуется удалять, по меньшей мере, часть гликолей в использованных композициях шлама до удаления отходов использованного шлама согласно ограничениям по сбросу отходов. Так как композиции изобретения содержат меньшее количество гликолей, это удаление или этап очистки сокращается и иногда может быть исключен полностью. Кроме того, вода великолепно рассеивает тепло и, таким образом, использование высокого содержания воды в жидких композициях изобретения обеспечивает повышенное рассеивание тепла. Повышенное рассеивание тепла улучшает режущие характеристики шлама путем обеспечения более качественной геометрии детали и геометрии обрабатываемой поверхности, а также уменьшения деформации. И, кроме того, гликоли проявляют тенденцию к увеличению сил сопротивления на деталь во время механической обработки, которая может привести к разрушению обрабатываемых и отрезаемых частей. Путем обеспечения жидких композиций большим количеством воды и меньшим количеством гликолей понижается вязкость жидких композиций и силы сопротивления на пластины, что способствует уменьшению разрушения обрабатываемых и разрезаемых частей.
Кроме того, было обнаружено, что пониженная вязкость, обеспеченная введением воды в соответствии с настоящим изобретением, может содействовать возвратно-поступательному движению проволоки. В настоящее время, например, в гелиоиндустрии, требуется однонаправленное движение проволоки по причине высокой вязкости существующих в настоящее время жидких композиций. С помощью снижения вязкости жидких композиций в соответствии с настоящим изобретением, становится возможной возвратно-поступательная резка, которая уменьшает износ проволоки.
Далее представлена иллюстрация настоящего изобретения следующими примерами, которые не должны истолковываться как какое-либо ограничение. Содержание всех противопоставленных материалов (включая ссылки на литературу, патенты, опубликованные патентные заявки), представленные в данной заявке, приведены в виде ссылки. На практике настоящее изобретение будет использовать, если не указано иное, традиционные технологии, которые находятся в пределах компетентности специалиста данной области техники. Такие технологии в полной мере раскрыты в литературе.
Пример 1
Жидкая композиция готовилась путем смешивания 51.67 об.% воды, 47.11 об.% PEG, 0.26 об.% Laponite, 1.1 об.% аминоборатов, 0.1 об.% Bioban P-1487 и 0.54 об.% триэтаноламина. Полученный раствор был смешан с JIS1200 карбидом кремния для получения шлама, имеющего концентрацию твердой фазы 24 об.%. Шлам имел следующие характеристики:
Плотность: 1.569 г/мл
Вязкость: 48.1 сантипуаз, измеренная с помощью вискозиметра Brookfield spindle #2 при 60 об/мин.
Электропроводность: 50.2 µs
рН 9.05
Шлам использовался для резки 125 мм × 125 мм поликристаллического слитка на пластины толщиной 250 мкм проволочной пилой.
Пример 2
Три обычно используемых шлама из карбида кремния (в дальнейшем «обычно используемые шламы») были образованы, как указано в Таблице 1. Шламы были образованы с полиэтиленгликолем (PEG200) при концентрации твердой фазы 22 об.%. Каждый из шламов содержал зерна карбида кремния разного размера (JIS 800, JIS 1200, JIS 1500).
Четвертая композиция шлама из карбида кремния была образована путем введения карбида кремния в композицию шлама на водной основе, как указано в Примере 1 (в дальнейшем «шлам изобретения»). Карбид кремния, который имеет размер зерна JIS 1200, был добавлен в композицию шлама на водной основе для образования композиции рабочего шлама, которая содержит 22 об.% твердой фазы.
Вязкость шламов была измерена с помощью вискозиметра, #2 spindle при 60 об/мин. Полученные значения вязкости указаны в Таблице.
Сравнительная характеристика вязкости обычно применяемых шламов и шламов, образованных с использованием шлама на водной основе
Вязкость обычно применяемых шламов с PEG200 при 22 об.% твердой фазы
Размер зерна карбида кремния
Вязкость, сантипуаз
JIS 800
284
JIS 1200
307
JIS 1500
336
Вязкость рабочего шлама, образованного с использованием композиции шлама на водной основе при 22 об.% твердой фазы:
Размер зерна карбида кремния
Вязкость, сантипуаз
JIS 1200
71
Убедительно продемонстрировано, что вязкость шлама изобретения была гораздо ниже, чем вязкости обычно применяемых шламов. В частности, вязкость шлама изобретения была, по меньшей мере, в четыре раза меньше, чем вязкости обычно применяемых шламов, которые использовали PEG200 при таком же содержании твердой фазы. Даже при наличии таких низких уровней вязкости, шлам изобретения был способен предотвратить осаждение твердой фазы.
Композиция шлама, указанная в Таблице 1, имеющая размер зерна карбида кремния JIS 800, затем использовалась в операции резки проволочной пилой для резки слитков кремния, и измерялся профиль вязкости во время операции. Рабочий шлам, образованный с использованием композиции шлама на водной основе в соответствии с настоящим изобретением (Таблица, размер зерна карбида кремния JIS 1200), также использовался в операции резки проволочной пилой, и профиль вязкости измерялся во время операции. Профили вязкости для двух шламов указаны на Фигуре 1.
Шлам изобретения и обычно применяемый шлам имели одинаковое содержание твердой фазы. Шлам изобретения убедительно продемонстрировал гораздо более низкую вязкость по сравнению с обычно применяемым шламом. Низкие вязкости, которыми обладают шламы изобретения, не приводили к осаждению твердой фазы. Предполагается, что более низкая вязкость уменьшает разрушение тонких пластин путем снижения силы сопротивления на проволоку.
Пример 3: Расчеты рабочих температур
Два шлама, указанные в Примере 2 (т.е. «шлам изобретения» с содержанием воды и «обычно используемый шлам» с высоким содержанием PEG), и о которых идет речь на Фигуре 1, были затем использованы для резки квадратных силиконовых слитков 125 мм для пластин солнечных элементов с использованием ETCH CT Wiresaw.
Было показано, что шламы изобретения рассеивают больше тепла, чем обычно используемые шламы. Результаты показаны на Фигуре 2. Оба шлама были получены при комнатной температуре до резки и испытывались при одинаковых рабочих режимах резки. На протяжении всего процесса при одинаковых режимах резки (например, скорость подачи проволоки и скорость резки) шлам изобретения работал при температуре на 3-4°С ниже, чем обычно используемый шлам. Кроме того, в то время как обычно используемый шлам во время процесса резки достигал температурного пика, по меньшей мере, 5°С, шлам изобретения оставался в пределах 2°С на протяжении процесса резки. Этот пониженный температурный профиль, обеспеченный шламом изобретения, может уменьшать тепловую нагрузку на пластины, что приводит к более низкой деформации пластин, и снижению скорости разрушения или растрескивания для тонких пластин.
Несмотря на то, что было представлено описание некоторых вариантов настоящего изобретения, для специалиста в данной области будет очевидно, что возможны другие варианты и/или модификации, комбинации, и замены настоящего изобретения, все, которые попадают в объем раскрытого изобретения.