提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液及其制备方法
文献发布时间：2023-06-19 19:30:30
技术领域
本发明属于金刚线硅片切割液及其制备的技术领域，具体涉及一种提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液及其制备方法。
背景技术
目前硅片切割工艺主要有游离磨料砂浆切割和金刚线切割两种方式，而金刚线切割相比传统的游离磨料砂浆切割，金刚线切割具有切割速度快(4-5倍切割速度)、出片率高(硅片出片量超过15-20％)、节能(消耗的水电减少三分之二)及污染小等全方面优势，从而能够大幅度降低硅片生产企业的生产成本，提高光伏装机收益率，因此金刚线切割工艺已逐渐被行业广泛而应用。随着光伏产业的高速发展，作为其基础材料的硅晶片的需求量也随之增加，硅晶片加工的重要工序是切片，切片时产生的硅片应力、表层及亚表层损伤及崩边等缺陷会严重影响光伏电池的转换效率，而切割液的性能是影响硅片切割效率及质量关键因素之一。
金刚线切割液应具有以下作用：(1)润滑作用：切割液应及时渗入线网与硅片，线网与碎屑之间，形成一层润滑保护膜，减小切割阻力，以降低金刚线导致的损伤、线痕和隐裂；(2)冷却作用：切割产生的高热量除部分被切割液带走外，余下的热量大部分被晶体硅吸收，高温会导致局部硅片变形，因此，切割液需具备良好的传热冷却性能；(3)分散作用：切割形成的硅粉切屑需要及时分散，避免聚集成团，造成硅片划伤甚至线网断线；(4)清洗作用：切割过程产生的大量碎屑和硅粉，容易形成粘附团聚，因此要求切割液可以包裹碎屑，使其易于脱落清洗；(5)切割液还应具有防锈、抑菌的能力，避免设备在长期使用过程中因腐蚀造成生产中断。
正如上所述由于金刚线速度成倍的提高，被切割下来的硅粉量也会成倍的增加，如果没有及时润湿分散，就会聚集成团在硅片表面，造成硅片划伤，甚至线网断线，因此对切割液的分散性要求更高。另外重要的是在切割和清洗硅片时，往往会产生大量的泡沫，严重影响了切割效率，导致切割液消耗过多，成本上升，随着时间推移，也会损坏机械设备，降低了机械寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种金刚线硅片切割液，属于一种低泡型切割液，具有分散性高的特性；本发明还提供其制备方法。
本发明所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液，是由以下质量分数的原料组成：
余量为去离子水；
所述的分散剂为含有季铵盐的聚乙二醇衍生物，其数均分子量为500-700，优选数均分子量为500、600、700。
润滑剂为反式嵌段聚醚多元醇1740和反式嵌段聚醚多元醇1720按重量比为1/2～2/1混合的复配物。
反式嵌段聚醚多元醇1740的1％水溶液浊点为50±2℃，反式嵌段聚醚多元醇1720的1％水溶液浊点为35±2℃。
分散剂是以N,N’-二甲基乙醇胺为起始剂在催化剂氢氧化钾的作用下与环氧乙烷开环聚合生成的中间体，经硅酸镁吸附剂除盐，最后与醋酸中和生成的含有季铵盐的聚乙二醇衍生物。季铵盐通式是R
渗透剂为异构辛醇聚氧乙烯醚、异构十醇聚氧乙烯醚、异构十三醇聚氧乙烯醚中的一种或几种。
消泡剂为聚氧丙烯醚、GPES型硬脂酸酯聚氧乙烯聚氧丙烯甘油醚、十二碳炔二醇聚醚中的一种或几种。
螯合剂为EDTA二钠、EDTA四钠、柠檬酸二钠中的一种或几种。
抗氧剂为水溶性抗氧剂，包括维生素C、茶多酚、柠檬酸亚锡二钠中的一种或几种。
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方比例将去离子水加入到反应釜中，边搅拌边升温至35～40℃；
(2)按顺序依次向反应釜中加入润滑剂、分散剂、渗透剂、消泡剂、螯合剂和抗氧剂，搅拌1～2h，过滤得到提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液。
本发明的配方中添加润滑剂为反式嵌段聚醚多元醇1740和1720按重量比1/2～2/1混合的复配物，此复配物具有优良的低泡性和润滑性，并且与其他配方产品复配性良好。反式嵌段聚醚多元醇1740优选为上海东大化学有限公司公司生产的。反式嵌段聚醚多元醇1720优选为上海东大化学有限公司公司生产的。
本发明的配方中分散剂采用含有季铵盐的聚乙二醇衍生物，吸附在切割的硅粉表面，由于静电排斥作用力和空间位阻效应，使硅粉在切割液中的的分散性得到很大程度上的提高，并且聚乙二醇衍生物中含有的季铵盐不仅具有高效的杀菌性能，而且低毒，对人体器官、皮肤无刺激性。
本发明的配方中渗透剂优选为异构醇聚氧乙烯醚，不仅具有优异的渗透性和乳化性，而且相比传统的脂肪醇聚乙烯醚渗透剂，泡沫高度低，泡沫稳定差。
本发明的配方中的消泡剂优选为聚氧丙烯醚，在切割液的配方中能起到长期的消泡和抑泡作用，切割液中不采用现有的改性硅聚醚消泡剂，是因为容易在硅片表面产生硅斑。
本发明的配方中的螯合剂为EDTA二钠、EDTA四钠、柠檬酸二钠中的一种或几种，在切割液使用过程中去除金刚线切割过程中产生的铁离子，进一步减少对硅片表面的污染。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
(1)本发明的切割液以反式嵌段聚醚1740/1720复配物作为润滑剂，在金刚线切割的过程中，切割液渗入切割缝隙中，由于高速摩擦产生的高温使得1740/1720析出附着在线网和硅片、线网和硅粉之间，表面生成可逆的润滑膜，减少切割阻力，极大地降低切割线和硅片受损程度，并且该复配型润滑剂具有优异的低泡性和消泡性，能够减少泡沫的产生。
(2)本发明的切割液配方中以含有季铵盐的聚乙二醇衍生物作为分散剂，切割过程中切割液快速渗入切割缝隙中，利用氢键和其它作用力使得聚乙二醇衍生物快速吸附在硅粉表面，由于静电排斥作用力和空间位阻效应的双重作用使得硅粉被及时分散，阻止硅粉间聚集成团，并且聚乙二醇衍生物中含有的季铵盐不仅具有高效的杀菌性能，而且低毒，对人体器官、皮肤无刺激性。
(3)本发明的切割液配方中以异构醇聚氧乙烯醚作为渗透剂，不仅本身具有优异的渗透性和乳化性，而且相比于传统的脂肪醇聚氧乙烯醚渗透剂，其泡沫高度低，泡沫稳定性差，消泡速度相比要快。
(4)本发明切割液配方中的润滑剂、渗透剂、分散剂和消泡剂均为聚醚类，相容性好，配成的切割液稳定性强。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。以下原料试剂均为市售产品。
实施例1
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液，是由以下质量分数的原料组成：
润滑剂：反式嵌段聚醚多元醇1740和1720按重量比1/1混合的复配物，35％；
分散剂：含有季铵盐的聚乙二醇衍生物，数均分子量为500，2.5％；
渗透剂：异构十醇聚氧乙烯醚，20％；
消泡剂：聚氧丙烯醚，2％；
螯合剂：EDTA二钠，2.5％；
抗氧剂：茶多酚，1.0％；
去离子水：37％；各组分总量之和为100％。
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方比例将去离子水加入到反应釜中，边搅拌边升温至35℃；
(2)按顺序依次向反应釜中加入上述的润滑剂、分散剂、渗透剂、消泡剂、螯合剂和抗氧剂，搅拌1h，过滤得到提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液。
实施例2
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液，是由以下质量分数的原料组成：
润滑剂：反式嵌段聚醚多元醇1740和1720按重量比1/1混合的复配物，40％；
分散剂：含有季铵盐的聚乙二醇衍生物，数均分子量为500，2.5％；
渗透剂：异构十醇聚氧乙烯醚，16％；
消泡剂：聚氧丙烯醚1％，十二碳炔二醇聚醚1％；
螯合剂：EDTA四钠，1％；
抗氧剂：柠檬酸亚锡二钠，2.0％；
去离子水：36.5％；各组分总量之和为100％。
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方比例将去离子水加入到反应釜中，边搅拌边升温至40℃；
(2)按顺序依次向反应釜中加入上述的润滑剂、分散剂、渗透剂、消泡剂、螯合剂和抗氧剂，搅拌2h，过滤得到提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液。
实施例3
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液，是由以下质量分数的原料组成：
润滑剂：反式嵌段聚醚多元醇1740和1720按重量比1/1混合的复配物，45％；
分散剂：含有季铵盐的聚乙二醇衍生物，数均分子量为500，3％；
渗透剂：异构十醇聚氧乙烯醚，15％；
消泡剂：GPES型硬脂酸酯聚氧乙烯聚氧丙烯甘油醚，2％；
螯合剂：EDTA二钠，2％；
抗氧剂：维生素C0.5％、茶多酚0.5％，柠檬酸亚锡二钠0.5％；
去离子水：31.5％；各组分总量之和为100％。
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方比例将去离子水加入到反应釜中，边搅拌边升温至35℃；
(2)按顺序依次向反应釜中加入上述的润滑剂、分散剂、渗透剂、消泡剂、螯合剂和抗氧剂，搅拌1.5h，过滤得到提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液。
实施例4
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液，是由以下质量分数的原料组成：
润滑剂：反式嵌段聚醚多元醇1740和1720按重量比1/1混合的复配物，50％；
分散剂：含有季铵盐的聚乙二醇衍生物，数均分子量为500，1％；
渗透剂：异构十三醇聚氧乙烯醚6％，异构十醇聚氧乙烯醚6％；
消泡剂：聚氧丙烯醚，2％；
螯合剂：EDTA二钠，2.5％；
抗氧剂：茶多酚，1.5％；
去离子水：31％；各组分总量之和为100％。
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方比例将去离子水加入到反应釜中，边搅拌边升温至35℃；
(2)按顺序依次向反应釜中加入上述的润滑剂、分散剂、渗透剂、消泡剂、螯合剂和抗氧剂，搅拌1h，过滤得到提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液。
实施例5
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液，是由以下质量分数的原料组成：
润滑剂：反式嵌段聚醚多元醇1740和1720按重量比1/1混合的复配物，45％；
分散剂：含有季铵盐的聚乙二醇衍生物，数均分子量为500，5％；
渗透剂：异构辛醇聚氧乙烯醚，15％；
消泡剂：聚氧丙烯醚，2％；
螯合剂：EDTA二钠，5％；
抗氧剂：茶多酚，1.0％；
去离子水：27％；各组分总量之和为100％。
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方比例将去离子水加入到反应釜中，边搅拌边升温至35℃；
(2)按顺序依次向反应釜中加入上述的润滑剂、分散剂、渗透剂、消泡剂、螯合剂和抗氧剂，搅拌1h，过滤得到提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液。
实施例6
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液，是由以下质量分数的原料组成：
润滑剂：反式嵌段聚醚多元醇1740和1720按重量比1/1混合的复配物，30％；
分散剂：含有季铵盐的聚乙二醇衍生物，数均分子量为700，3％；
渗透剂：异构十醇聚氧乙烯醚，10％；
消泡剂：聚氧丙烯醚，5％；
螯合剂：EDTA二钠1％，柠檬酸二钠1％；
抗氧剂：茶多酚，0.5％；
去离子水：49.5％；各组分总量之和为100％。
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方比例将去离子水加入到反应釜中，边搅拌边升温至35℃；
(2)按顺序依次向反应釜中加入上述的润滑剂、分散剂、渗透剂、消泡剂、螯合剂和抗氧剂，搅拌1h，过滤得到提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液。
实施例7
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液，是由以下质量分数的原料组成：
润滑剂：反式嵌段聚醚多元醇1740和1720按重量比1/2混合的复配物，45％；
分散剂：含有季铵盐的聚乙二醇衍生物，数均分子量为600，3％；
渗透剂：异构十醇聚氧乙烯醚，15％；
消泡剂：聚氧丙烯醚，0.5％；
螯合剂：柠檬酸二钠，3.5％；
抗氧剂：茶多酚，1.5％；
去离子水：31.5％；各组分总量之和为100％。
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方比例将去离子水加入到反应釜中，边搅拌边升温至35℃；
(2)按顺序依次向反应釜中加入上述的润滑剂、分散剂、渗透剂、消泡剂、螯合剂和抗氧剂，搅拌1h，过滤得到提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液。
实施例8
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液，是由以下质量分数的原料组成：
润滑剂：反式嵌段聚醚多元醇1740和1720按重量比2/1混合的复配物，35％；
分散剂：含有季铵盐的聚乙二醇衍生物，数均分子量为500，2.5％；
渗透剂：异构十醇聚氧乙烯醚，18％；
消泡剂：聚氧丙烯醚，2％；
螯合剂：EDTA二钠，2.5％；
抗氧剂：茶多酚，1.0％；
去离子水：39％；各组分总量之和为100％。
所述的提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方比例将去离子水加入到反应釜中，边搅拌边升温至35℃；
(2)按顺序依次向反应釜中加入上述的润滑剂、分散剂、渗透剂、消泡剂、螯合剂和抗氧剂，搅拌1h，过滤得到提高分散性、降低泡沫型金刚线硅片切割液。
对比例1
一种金刚线硅片切割液，原料组成为：润滑剂(1740和1720质量比为1/1)45％，分散剂(聚乙二醇500)3％，渗透剂(异构十醇聚氧乙烯醚)15％，消泡剂(聚氧丙烯醚)2％，螯合剂(EDTA二钠)2％，抗氧剂(茶多酚)1.5％，去离子水31.5％。各组分总量之和为100％。
制备方法如下：
(1)按比例将去离子水加入到反应釜中，一边搅拌一边升温至35℃；
(2)按顺序依次向反应釜中加入润滑剂、分散剂、渗透剂、消泡剂、螯合剂和抗氧剂，搅拌1小时，过滤得到硅片切割液。
对比例2
一种金刚线硅片切割液，原料组成为：润滑剂(1740和1720质量比为1/1)45％，分散剂(含有季铵盐的聚乙二醇衍生物，数均分子量为500)3％，渗透剂(异构十醇聚氧乙烯醚)15％，螯合剂(EDTA二钠)2％，抗氧剂(茶多酚)1.5％，去离子水33.5％。各组分总量之和为100％。
制备方法如下：
(1)按比例将去离子水加入到反应釜中，一边搅拌一边升温至35℃；
(2)按顺序依次向反应釜中加入润滑剂、分散剂、渗透剂、螯合剂和抗氧剂，搅拌1小时，过滤得到硅片切割液。
对比例3
一种金刚线硅片切割液，原料组成为：润滑剂(1720)45％，分散剂(含有季铵盐的聚乙二醇衍生物，数均分子量为500)3％，渗透剂(异构十醇聚氧乙烯醚)15％，消泡剂(聚氧丙烯醚)2％，螯合剂(EDTA二钠)2％，抗氧剂(茶多酚)1.5％，去离子水31.5％。各组分总量之和为100％。
制备方法如下：
(1)按比例将去离子水加入到反应釜中，一边搅拌一边升温至35℃；
(2)按顺序依次向反应釜中加入润滑剂、分散剂、渗透剂、消泡剂、螯合剂和抗氧剂，搅拌1小时，过滤得到硅片切割液。
(一)对以上实施例1-8和对比例1-4制备的金刚线硅片切割液，对其性能参数检测，其检测条件为：
将切割液按照1％的稀释液，在25±1℃下，对其进行电导率检测；仪器和型号为S230SevenCompact电导率仪。
将切割液按照1：1000稀释液，对其进行COD检测；仪器型号为6B-300型水质速测仪
将切割液按照0.1％的稀释液，在25±1℃下，对其润湿时间的检测；依据方法为帆布沉降渗透性测试法。
将切割液按照0.5％的稀释液，在23℃下，15min时，初始体积1000mL，测其循环泡沫高度和消泡时间；仪器和型号为HCR-700型金属切削液抗泡测定仪。
将切割液与硅粉质量比为1:1，在25±1℃，24h后，测其悬浮率；分散性的大小是通过测定切割液对硅粉的悬浮能力来表征的，将切割液与硅粉按1：1质量比均匀混合后，于100mL具塞量筒内静置，记录硅粉在切割液中的沉降高度h，悬浮率＝(100-h)*100％/100。
以上的检测结果如表1所示。
表1检测结果
(二)将以上实施例和对比例制备的金刚线硅片切割液，用去离子水稀释300倍后，对同样材质的硅晶体进行切割，检测结果如表2所示。
表2切割数据结果
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从表1可以看出，切割液使用含有季铵盐的聚乙二醇衍生物作为分散剂的分散效果要优于聚乙二醇分散剂，阻止硅粉在硅片上聚集的效果要佳，且不加消泡剂的切割液也具有的较好的抑泡性和消泡性。
从表2可以看出，本发明的切割液具有优异的渗透性能和润滑性能，表面缺陷发生率均很低，并且具有低的断线率和加切率；使用含有季铵盐的聚乙二醇衍生物的分散性相比聚乙二醇能好，提高清洗效率，降低脏污占比。用1720作为润滑剂，由于本身亲水性较1740弱，所以沾污率相比1740/1720混合润滑剂的要微偏高。
当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。