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超细纤维洁净擦拭布关键工艺的设计
（苏州天华超净科技股份有限公司,江苏苏州215121）
摘 要 随着电子产业、光电显示产业的技术进步,微污染引起的产品失效损失日益明显,超细纤维洁净擦拭布产品应用越来越广泛.本文分析了对洁净擦拭布性能影响的主要原因,介绍了笔者实际工作中对超细纤维洁净擦拭布产品研发和关键工艺的设计改进.为了适应技术的进步和客户需求,擦拭布的性能和工艺研究也是一个持续改进不断进步的过程.
关键词 超细纤维；擦拭布；开纤；标准化；洁净性能
中图分类号：TQ616.9
文献标识码：A
Clean wipers performance improvements and process technology researches
ZANG Xi-yan
(Suzhou TA&A Ultra Clean Technology Co.,Ltd, Jiangsu Suzhou 215121,China)
Abstract In the electronic and photoelectric display industry,micro-scale technology accelebrates in a high speech.The electronic products suffer from failure damage caused by the micro-pollutions.The superfine fiber clean wipers arebeen used more and more widely.This paper analyzes the main influences on the performances of the clean wipers.Thispaper also introduces the clean wiper products studise and the key technology improvement designs in practice work.Inorder to adapt to the technology progress and customer’s demand, clean wipers performance improvements and processtechnology researches are also continuous progresses.We hope this article will provide practical references for the researchers,the users and the manufacturers.
Key words superfine fiber,clean wipers,splitting,Standardization,clean performance
随着电子行业向精密化、微型化的发展,微污染引起的元器件的损失日渐明显,微电子工业是对于环境要求相当的苛刻,污染控制变得尤为重要,而肉眼看不见的微污染控制更是变得十分棘手.从1964年美国Edward Paley 发明的擦拭污染颗粒的擦拭布料开始, 经过不断的发展,擦拭布的性能不断提升,目前已经成为洁净生产不可缺少的重要生产材料.超细纤维洁净擦拭布是一种广泛应用于硬盘磁头、半导体、光电显示、生物制药、精密机械等产业领域的擦拭材料.随着中国经济的高速增长,电子信息产品需求和更新速度在不断加快,在众多行业中,电子行业对于防静电超净技术产品的需求最大.信息产业的高速发展同时对擦拭布产品性能提出新的要求,因此,高性能擦拭产品的关键工艺的研究和性能提升成为一项非常必要和迫切的工作.
1 洁净擦拭布性能影响分析
洁净擦拭布具有很强的吸附固体表面脏污和残液的能力[1],洁净擦拭布较大的比表面积起着关键的作用,关于比表面积,有下面的一个公式：
式中：Fw 纤维的比表面积,cm2/g ；Nm 单位纤维长度,cm/g；d 纤维的直径,μm；Ndtex 纤维纤度,dtex ；ρ 纤维的密度,g/cm3 .
从上式不难看出,纤维的比表面积与纤维的线密度的平方成反比,纤维越细,越蓬松,比表面积越大,吸附能力越强,清洁效果越好.擦拭布行业中通常采用将纤维充分开纤的方式,获得较大的比表面积,使得布面更加柔软,擦拭时对被清洁表面脏污有效吸附,同时避免对表面的划伤.
除了洁净擦拭布吸附性能,擦拭布的颗粒物含量、盐离子含量、有机物、不挥发物组分含量等对于擦拭布的洁净性能是影响产品的最重要的性能[2-3],简单来讲,擦拭布本身的洁净性能要高,不能在使用的过程中带给产品污染.这就要求在产品织造、开纤、染整、切割、烘干、包装整个过程中对污染物进行有效地管控本产品,进行关键工艺的标准化设计,减少人员参与的机会,减少污染源,清洁生产.
2 纤维开纤工艺的改进
工业用的无尘擦拭布使用的纤维布料分为涤纶纤维和超细纤维[4],此两种纤维面料均使用完全连续的长纤维,其中涤纶纤维一般使用有75D 和50D 的纤维,一般使用在要求不高的场合（如等级较低的洁净室）和要求不高的产品.涤纶纤维切面图在扫描电镜下观察,结构如图1 所示.
超细纤维一般是将75D 和95D 的涤锦复合纤维进行充分开纤[5-6],涤锦复合纤维结构中含有DT 纤维（高弹丝）和DTY 纤维（低弹丝）.开纤前涤锦复合纤维切面结构如图2 所示,涤纶纤维染整前后单丝结构无明显变化,超细纤维开纤后在染整后会打开,每根单丝裂变形成更细小的纤维,织物表会形成无数微孔,比表面积增大很多倍,可充分吸收产品表面的微量颗粒.
涤锦复合纤维是一种通过复合纺丝技术生产出来的纤维[3],涤锦复合纤维经过开纤处理后,开纤率达到60% 以上可认为充分开纤成为超细纤维.但是同时要求擦拭布有足够的强力及厚度以及织物的卷绕回弹性,作为卷轴式洁净擦拭布可以在自动擦拭线上长时间稳定运转.通常纤维的开纤采用化学开纤的方法实现,化学开纤方法又分为酸、碱及有机溶剂处理法,涤锦复合超细纤维一般都采用碱处理法,即将涤锦复合超细纤维布置于开纤液中,使涤锦复合长丝在开纤液、温度、时间以及促进剂的综合作用下水解,涤纶和锦纶裂解成单根超细纤维.
但是,经过笔者长期的研究发现,随着烧碱的浓度、温度、时间的不断增加,开纤越来越充分,超细纤维的纤度变细,单丝数量增多,手感柔软,吸附脏污能力提高,但是开纤越大,碱减量也越大,超细纤维不断发生水解而不断变细,因此单丝强力变小,纤维刚度（纤维断裂强度）下降,导致织物结构松散,织物的卷绕回弹性下降,经过后道工艺也更易产生毛丝断裂,这种毛丝断裂对于擦拭产品就会带来污染.
为了解决上面的问题,笔者研究出一种化学工艺和机械工艺结合的方式来保证开纤充分且织物有足够的强度及厚度的涤锦复合超细纤维的开纤方法,具体的步骤为：涤锦复合超细纤维布套装在液流染机的两个大摩擦面导轮上,在第一开纤液（氢氧化钠的质量浓度为6~8g/L）及助剂中,以90~115℃；冲击水压为0.15~0.25 mPa,导轮转速为10HZ,开纤时间确定为50~60min,进入第二开纤步骤,第二开纤液中氢氧化钠的质量为0.1~0.9g,水流冲击速度为35HZ,水温为 90~115℃,温度设为100~115 摄氏度.在第一步碱减量开纤步骤中主要通过氢氧化钠和超细纤维的水解反应来实现开纤,而机械开纤步骤中则主要依靠机械动能进行开纤,第二开纤液及助剂主要起辅助的作用.图2 和图3 显示的是开纤前后的纤维结构对比.
采用设计的两步开纤工艺,第二步骤的机械开纤步骤,能够在第一次开纤40% 左右的基础上再开纤30%~40%,从而使最终产品的开纤率即所述第二预定值达到70%~80%,满足最终织物的开纤要求.同时采用以机械开纤为主第二步骤能够有效的防止单根超细纤维的进一步水解,从而避免单根超细纤维的直径缩减到纤维断裂强度明显不符合要求的状况,最终织物的碱减量维持在14%~15%,要远远小于单独使用碱减量工艺生产符合开纤率要求的织物所对应的碱减量（约20%）,因此,最终织物的厚度也相对单独使用碱减量工艺的织物要厚,从而实现了上述多种效果的有效平衡.
3 染整用水的改进及标准化
在整个超细纤维擦拭布生产工艺过程中,颗粒物含量、盐离子含量、有机物、不挥发物组分等微污染成分需要每个工艺步骤都要管控,使得纤维织物内部及表面含有上述组份尽可能减少,一般传统染整工艺不要求做到.通过研究,我们首先在添加的助剂选择上进行规定和严格分析测试不含有上述组分,但是染整精炼用水用水量大,水内组分含量变化较大,导致染整后织物对上述组分的含量波动幅度大.因此.控制用水的标准是关键工艺设计的要点之一.
我们公司通过对染整用水进行设计改进,采用充分过滤和交换的超纯水,图4- 图6 表示的是通过工艺提升后水处理颗粒物、盐离子、有机物含量的测试结果.由图4~ 图6 可见,一般染整用水中颗粒物、离子、有机物的波动范围在是非常大的,而且外部环境如汛期、干旱、风沙等天气直接会引起水质的更大范围波动.因此,无尘擦拭布在染整过程中很难控制微污染的含量,导致品质大范围波动,无法满足微电子行业产线的要求,笔者通过水质控制研究并进行改善,使水中颗粒物、盐离子、有机物含量达到了极低的水平.从图4- 图6 测试结果可以看出,超纯水的颗粒物、盐离子、有机物含量很低,而且波动范围小,近乎洁净直线,因而,染整过程中布面原有的颗粒物、离子、非挥发物通过交换含量大大减少.超纯水的使用,促进公司产品品质标准化,目前,我司无尘布离子(IC) 含量可控制在10×10-6 内,颗粒物（LPC）控制在600ea/cm2 内,非挥发残留物指标达到30×10-6,满足10 级无尘室产品擦拭的使用需要.
4 切割清洗包装的标准化设计
我们公司设计的无尘擦拭布整个生产流程为：织造- 染整开纤- 切割（激光或超声波）-10 级洁净室清洗- 测试-10 级洁净室包装- 检验- 入库,整个制程中必须进行严格的脏污控制.对水洗方式、切割方式、包装方式进行自动化、标准化工艺技术研发,精确控制织物含油量,对织造坯布组织结构及织物受力研究分析,设计符合无尘要求的高效平幅除油水洗一体化全自动生产线,对面料定型过程中静电电压及热能气流压差系统控制,保证高清洁面料APC 及各项性能数据的稳定性,自主研发无尘切割、自动折叠包装一体化设备使产品质量更加稳定,实现生产工艺的标准化.通过技术的改进,水、电、气各项能耗指标均较传统工艺下降40%,降低对环境的影响,环保效益十分明显.解决了产品性能不稳定及依靠传统人工方式带来的引入污染问题,减少人员的参与,降低颗粒物（LPC、APC）及其他微污染物（硅油、氨基化合物、DOP、离子、NVR、FIBER）的含量水平.公司建有国内先进的检测中心以及class10 高科技无尘清洗中心,包装前需经过严格的测试：尺寸、克重、吸液性、APC( 空气粒子数)、LPC（液态粒子数）、阴阳离子、FTIR、NVR( 不可挥发残留物)、Fiber、纤维组织结构及封边状况、纤维密度及单纤强度.采用国际环境科学与技术学会标准IEST-RP-CC004.3 Evaluating Wiping Materials UsedIn Cleanrooms and other Controlled Environments（评估使用在洁净室与其它受控环境内的擦拭产品）,根据此标准建立自己的标准控制体系、并结合不同产品来要求实施改标准.经过以上标准化测试合格的无尘擦拭布在微电子、LED、光伏、通讯等领域得到了广泛使用.
5 结论
随着微电子技术的进步,对于擦拭布颗粒物含量、盐离子含量、有机物、不挥发物组分等微污染成分要求越来越高,对产品研发和关键工艺的设计的要求也越来越高.超细纤维洁净擦拭布要达到较高的清洁能力和洁净性能,首先对生产环境进行管控,比如采用洁净室、洁净控制的环境进行产品生产,同时,关键工艺的设计研究非常重要.为了提高产品的竞争能力,我们在纤维开纤工艺、染整用水、切割清洗包装的设计方面进行了持续的改进,希望能对超细纤维擦拭布的研发人员和生产人员有所帮助,同时也希望使客户对产品和生产工艺有一定了解. 参考文献：
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1、热加工工艺期刊
2、工艺论文
3、新技术新工艺杂志