一种切割过程中使用的冷却液及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于机械加工冷却液技术领域，具有涉及一种切割过程中使用的冷却液及其制备方法和用途。
背景技术
金刚线切割晶体硅是近年发展起来的新型硅片加工工艺。相比砂线切割具有显著的成本优势，主要表现在切割产能高、环境污染小、锯缝硅料损失少等方面。过程中利用固结在母线上的金刚石进行切割，使用纯水作为冷却介质，纯水中添加1-3％冷却液，用于冷却锯缝，清洁、分散切割下来的硅粉。
金刚线切割用冷却液为达成较好的分散效果，一般泡沫大，需搭配硅油类或者硅油改性类的泡沫抑制剂来使用，但硅油类成分具有显著的缺点：易团聚沾染在硅片表面造成污片；切割后废水中易聚集成粘稠状的胶体物；堵塞废水回收系统和污水处理系统，压滤机滤膜或者陶瓷膜滤孔以及相关管道等等。
CN102851109A公开了一种用于金刚线切割太阳能硅片的冷却液，该用于金刚线切割太阳能硅片的冷却液组成质量百分比为：水10-90％、聚乙二醇2-86％、分散剂1-25％、螯合物0.1-20％、金属腐蚀抑制剂0.5-15％、消泡剂0.1％-2％。本发明的金刚线切割太阳能硅片的冷却液能很好配合金刚线的切割，润滑冷却效果好，有效降低断线率；对于切割过程中产生的硅粉和铁杂质具有很好的分散作用，保证了硅片的表面性能；但是冷却液中含有消泡剂，具有由硅油类成分带来的一系列不利影响。
CN107129858A公开了一种用于金刚石线切割的水基冷却液及其制备方法。所述用于金刚石线切割的水基冷却液包含99.8-99.95重量份的水、0.01-0.07重量份的润湿剂、0.01-0.07重量份的乳化分散剂、0.01-0.05重量份的消泡剂和0.001-0.015重量份的金属抑制剂。本发明所述的用于金刚石线切割的水基冷却液改变了传统的用油基冷却液进行金刚线切割单多晶硅片技术，在提升良率的同时，使切割液水含量达到99％以上，从而大大降低了切割成本。但是冷却液中含有消泡剂，不能避免由硅油类成分带来的一系列不利影响。
CN103740452A公开了一种环保型金刚线切割用冷却液及其配制方法，旨在解决制备一种具有更好的冷却和防锈性能且环保的金刚线切割用冷却液的技术问题。该冷却液中各组分所占的重量百分比为：稳定剂4-10％，水溶性润滑剂0.5-2％，极压剂1-4％，防锈剂12-16％，防腐剂3-8％，润湿剂1-4％，消泡剂0.01-0.04％，余量为去离子水。本发明环保型金刚线切割用冷却液具有优良的冷却、润滑、防锈和清洗性能，不易腐败变质，使用寿命长，便于回收再利用，但不能够避免由消泡剂的添加带来的不良影响。
CN103740452B公开了一种环保型金刚线切割用冷却液及其配制方法，旨在解决制备一种具有更好的冷却和防锈性能且环保的金刚线切割用冷却液的技术问题。该冷却液中含有以下组分：稳定剂，水溶性润滑剂，极压剂，防锈剂，防腐剂，润湿剂，消泡剂，余量为去离子水。该冷却液具有优良的冷却、润滑、防锈和清洗性能，不易腐败变质，使用寿命长，便于回收再利用，且对环境无污染或者低污染，但依然不能够避免由消泡剂的添加带来的不良影响。
因此，开发出一种无需添加消泡剂并能保证分散性，且润滑性优良，使硅片干净、崩边少、减少硅片表面损伤的冷却液是非常有意义的。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种切割过程中使用的冷却液及其制备方法和用途。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种切割过程中使用的冷却液，所述冷却液按质量百分含量包括如下组分：
所述分散剂包括端位为炔醇的聚氧乙烯醚。
所述分散剂的质量百分含量为70-80％，例如70％、71％、72％、73％、74％、75％、77％、79％、80％等。
所述稳定剂的质量百分含量为0.1-3％，例如0.1％、0.2％、0.5％、0.8％、1％、2％、3％等。
所述抗氧化酸的质量百分含量为0.1-0.5％，例如0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％等。
所述冷却液通过对分散剂、稳定剂、抗氧化酸剂、去离子水的合理配伍，使其具有优良的冷却、润滑、防锈和清洗性能，使用寿命长，便于回收再利用，对环境无污染或者低污染。通过泡沫高度和消泡时间两个参数表征其泡沫性，结果显示泡沫高度显著降低至15-18mm，消泡时间显著减少至3-5s，说明该冷却液在无需加入消泡剂的情况下就能同时保证优良的分散性和低泡性，消除了消泡剂中硅油类成分给冷却液带来的不利影响，例如易团聚沾染在硅片表面造成污片；使切割后废水中易聚集成粘稠状的胶体物；堵塞废水回收系统、污水处理系统，压滤机滤膜或者陶瓷膜滤孔以及相关管道等等。
优选地，所述端位为炔醇的聚氧乙烯醚中炔醇的碳原子数为8-15，优选8-10。
优选地，所述分散剂中端位为炔醇的聚氧乙烯醚的质量百分含量为10-30％，所述分散剂还包括聚氧丙烯聚氧乙烯丙二醇醚、聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚、油醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯聚氧丙烯单丁基醚或油酸酰胺基非离子表面活性剂中的任意一种或至少两种的组合，所述至少两种的组合，例如聚氧丙烯聚氧乙烯丙二醇醚和聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚、油醇聚氧乙烯醚和聚氧乙烯聚氧丙烯单丁基醚、聚氧乙烯聚氧丙烯单丁基醚和油酸酰胺基非离子表面活性剂等。
在本发明中，所述稳定剂包括聚乙烯吡咯烷酮。
优选地，所述聚乙烯吡咯烷酮的K值为25或30。
聚乙烯吡咯烷酮按其平均分子量大小分为四级，以K值表示，不同的K值分别代表不同的平均分子量范围。
所述稳定剂能增强冷却液的稳定性，当K值选择25或30时其稳定效果更佳。
在本发明中，所述抗氧化酸剂包括水杨酸、乙二酸、苯甲酸或柠檬酸中的任意一种或至少两种的组合，所述至少两种的组合，例如水杨酸和乙二酸、苯甲酸和柠檬酸、乙二酸和苯甲酸等。
在冷却液中添加水杨酸、乙二酸、苯甲酸或柠檬酸等小分子酸剂不仅起到了防锈防腐的功能，而且能够调节冷却液的pH值，防止硅在碱性条件下反应生成硅酸根离子和危险性气体氢气，使冷却液废水中不易产生粘稠状的胶状物堵塞废水回收系统。
优选地，所述冷却液还包括助剂，所述助剂中不含有消泡剂。
优选地，所述助剂包括润滑渗透剂、防腐剂或防锈剂中的任意一种或至少两种的组合，所述至少两种的组合，例如润滑渗透剂和防腐剂、防腐剂和防锈剂、润滑渗透剂和防锈剂等。
此处所述的助剂包括在制备用于切割过程中的冷却液时常用到的助剂，例如润滑渗透剂、防腐剂、防锈剂等，但在本发明涉及到的冷却液中不含有消泡剂成分，消除了消泡剂中硅油类成分给冷却液带来的不利影响。
优选地，所述润滑渗透剂包括聚丙二醇、C10-18脂肪醇聚氧乙烯醚或脂肪酸二乙醇酰胺类表面活性剂中的任意一种或至少两种的组合；所述至少两种的组合，例如聚丙二醇和C10-18脂肪醇聚氧乙烯醚，聚丙二醇和脂肪酸二乙醇酰胺类表面活性剂等；所述C10-18脂肪醇聚氧乙烯醚，例如十碳脂肪醇聚氧乙烯醚、十二碳脂肪醇聚氧乙烯醚、十五碳脂肪醇聚氧乙烯醚、十八碳脂肪醇聚氧乙烯醚等。
优选地，所述C10-18脂肪醇聚氧乙烯醚中聚氧乙烯的聚合度为20、25或35。
优选地，所述助剂占所述冷却液的质量百分含量为0-20％，例如0％、5％、10％、12％、15％、18％、19％、20％等。
另一方面，本发明提供一种如上所述冷却液的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将配方量的分散剂、稳定剂、助剂和去离子水混合，得到第一混合液；
(2)将抗氧化酸剂溶解于去离子水中，搅拌，得到第二混合液；
(3)将第一混合液和第二混合液混合，调节pH值，得到所述冷却液。
所述冷却液的制备方法易于操作，安全可靠，综合成本低，适用于规模化生产。
优选地，所述pH调节至5.5-8.0，例如5.5、5.6、5.8、6.0、6.2、6.5、7.0、7.5、8.0等。
优选地，所述调节pH所用的试剂为氢氧化钠水溶液。
再一方面，本发明提供一种如上所述冷却液的用途，所述冷却液应用于晶体硅切割领域，优选应用于金刚线对晶体硅的切割领域。
优选地，所述冷却液用作晶体硅切割过程的冷却液，优选用作金刚线切割晶体硅过程的冷却液。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
所述冷却液通过对分散剂、稳定剂、抗氧化酸剂、去离子水的合理配伍，使其具有优良的冷却、润滑、防锈和清洗性能，使用寿命长，便于回收再利用，对环境无污染或者低污染。通过泡沫高度和消泡时间两个参数表征其泡沫性，结果显示泡沫高度显著降低至15-18mm，消泡时间显著减少至3-5s，说明该冷却液在无需加入消泡剂的情况下就能同时保证优良的分散性和低泡性，消除了消泡剂中硅油类成分给冷却液带来的不利影响。且该冷却液的制备方法易于操作，安全可靠，综合成本低，适用于规模化生产。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例来进一步说明本发明的技术方案，但本发明并非局限在实施例范围内。
实施例1
本发明提供一种切割过程中使用的冷却液，所述冷却液按质量百分含量包括如下组分：
其制备方法如下：
将配方量的1-癸炔-3,7-二醇聚氧乙烯醚、聚乙烯吡咯烷酮K25和去离子水混合，得到第一混合液；将乙二酸溶解于去离子水中，搅拌，得到第二混合液；将第一混合液和第二混合液混合，调节pH值至6.5，得到所述冷却液。
实施例2
本发明提供一种切割过程中使用的冷却液，所述冷却液的配方与实施例1配方的区别仅在于将1-癸炔-3,7-二醇聚氧乙烯醚替换为1-辛炔-3,7-二醇聚氧乙烯醚，其余保持不变。
其制备方法与实施例1相同。
实施例3
本发明提供一种切割过程中使用的冷却液，所述冷却液的配方与实施例1配方的区别仅在于将1-癸炔-3,7-二醇聚氧乙烯醚替换为1-壬炔-3,7-二醇聚氧乙烯醚，其余保持不变。
其制备方法与实施例1相同。
实施例4
本发明提供一种切割过程中使用的冷却液，所述冷却液的配方与实施例1配方的区别仅在于将1-癸炔-3,7-二醇聚氧乙烯醚替换为4-乙基1-辛炔-3,7-二醇聚氧乙烯醚，其余保持不变。
其制备方法与实施例1相同。
实施例5
本发明提供一种切割过程中使用的冷却液，所述冷却液的配方与实施例1配方的区别仅在于将1-癸炔-3,7-二醇聚氧乙烯醚替换为1-己炔-3,7-二醇聚氧乙烯醚，其余保持不变。
其制备方法与实施例1相同。
实施例6
本发明提供一种切割过程中使用的冷却液，所述冷却液的配方与实施例1配方的区别仅在于将1-癸炔-3,7-二醇聚氧乙烯醚替换为1-十五碳炔-3,7-二醇聚氧乙烯醚，其余保持不变。
其制备方法与实施例1相同。
实施例7
本发明提供一种切割过程中使用的冷却液，所述冷却液的配方与实施例1配方的区别仅在于将聚乙烯吡咯烷酮K25替换为聚乙烯吡咯烷酮K30，将乙二酸替换为水杨酸，其余保持不变。
其制备方法与实施例1相同。
实施例8
本发明提供一种切割过程中使用的冷却液，所述冷却液按质量百分含量包括如下组分：
其制备方法如下：
将配方量的1-癸炔-3,7-二醇聚氧乙烯醚、聚乙烯吡咯烷酮K25、聚丙二醇和去离子水混合，得到第一混合液；将乙二酸溶解于去离子水中，搅拌，得到第二混合液；将第一混合液和第二混合液混合，调节pH值至6.5，得到所述冷却液。
实施例9
本发明提供一种切割过程中使用的冷却液，所述冷却液按质量百分含量包括如下组分：
其制备方法如下：
将配方量的1-癸炔-3,7-二醇聚氧乙烯醚、聚乙烯吡咯烷酮K25和去离子水混合，得到第一混合液；将乙二酸溶解于去离子水中，搅拌，得到第二混合液；将第一混合液和第二混合液混合，调节pH值至8.0，得到所述冷却液。
实施例10
本发明提供一种切割过程中使用的冷却液，所述冷却液按质量百分含量包括如下组分：
其制备方法如下：
将配方量的1-癸炔-3,7-二醇聚氧乙烯醚、聚乙烯吡咯烷酮K25和去离子水混合，得到第一混合液；将乙二酸溶解于去离子水中，搅拌，得到第二混合液；将第一混合液和第二混合液混合，调节pH值至5.5，得到所述冷却液。
对比例1
本发明提供一种切割过程中使用的冷却液，所述冷却液的配方与实施例1配方的区别仅在于将1-癸炔-3,7-二醇聚氧乙烯醚替换为辛基酚聚氧乙烯醚，其余保持不变。
其制备方法与实施例1相同。
实施例11
性能测试
本实施例对实施例1-10和对比例1制得的冷却液分别进行分散性、泡沫性、切割良品率和污片率的评价试验，具体方法如下：
(1)分别使用实施例1-10和对比例1制得的冷却液溶解质量分数为5％的硅粉，沉降7天后，再重新振摇1min，评价冷却液对硅粉的分散性和再分散性；评价指标中“好”是指溶液可在10s内重新通过震荡分散成为均相状态，“较好”是指溶液可在10-30s内重新通过震荡分散成为均相状态，“不好”是指超过30s震荡仍无法有效分散溶液为均相；
(2)用去离子水分别将实施例1-10和对比例1制得的冷却液稀释至质量分数为0.3％的水溶液，取50mL，使用泡沫分析仪以40转/min搅拌30s，测试泡沫的高度和消泡时间，表征泡沫性；
(3)分别使用实施例1-10和对比例1制得的冷却液上机切割晶体硅，检测切割量良品率和污片率。
以上测试结果如表1所示。
表1
由表1中数据结果可知：
实施例1-10制得的冷却液与对比例1相比均具有优良的分散性和低泡性，消泡时间缩减至3-5s，且能降低对硅片的损伤和污染，污片率均低于0.05％，良品率均高于95.21％，推测其原理为：端位为炔醇的聚氧乙烯醚作为分散剂能够在无需加入消泡剂的情况下就能同时保证优良的分散性和低泡性，消除了消泡剂中硅油类成分给冷却液带来的不利影响；由实施例1-6的测试数据可知，选择炔醇碳数为8-15的端位为炔醇的聚氧乙烯醚作为分散剂能够进一步提高此有益效果，选择炔醇碳数为8-10的端位为炔醇的聚氧乙烯醚作为分散剂能够再进一步提高此有益效果，而选择癸端位为炔醇的聚氧乙烯醚作为分散剂能使此有益效果达到最佳。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的切割过程中使用的冷却液及其制备方法和用途，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
