CN106867413A - 一种高浓度氧化铈抛光液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高浓度氧化铈抛光液及其制备方法，其中抛光液为水悬浮液，包括如下质量百分比的组分：氧化铈40％～60％，分散剂0.02％～0.5％，稳定剂0.5％～5％，增稠剂0.06％～1％，螯合剂0.1％～2％，润滑剂0.25％～5％，杀菌剂0.05％～0.5％，有机碱调节剂，余量为去离子水。本发明采用有黄原胶与CMC复配作为增稠剂，可以使得氧化铈颗粒长时间悬浮于抛光液中，并使用硅溶胶做为稳定剂，通过其与氧化铈之间相互作用，可以减少氧化铈颗粒团聚，使其不板结于抛光液底部，增强其再分散性。本发明的抛光组合物，适用于液晶玻璃基板、手机盖板玻璃、光学玻璃元件等的抛光，其优势在于切削力大、表面质量好，抛光后易清洗。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体地说，涉及一种高浓度氧化铈抛光液及其制备方法。
背景技术
我国具有丰富的稀土资源，工业铈资源的储量高达1800万吨左右，而氧化铈抛光材料因具备切削能力强、抛光时间短、抛光精度高、操作环境清洁等优点，被应用于许多方面，如对镜头、光纤、光学元件、硅片、ITO玻璃、手机玻璃、航空玻璃、集成电路基板等的抛光，已成为化学机械抛光的重要材料之一。
目前，我国集成电路生产所采用的抛光液几乎全部为进口，国产较少，然而进口抛光液售价高昂，从而增加了芯片的生产成本，特别是外企从我国进口铈盐原材料，再将其加工制备成抛光液再转卖给我们。国内主要以生产抛光粉为主，能生产悬浮稳定性较好抛光液的企业极少。而国内生产抛光液存在分散稳定性不佳，氧化铈颗粒板结团聚，从而导致抛光效率低，表面质量差等问题。制备高浓度氧化铈抛光液时，要求抛光液具有优良的悬浮性与再分散性(抛光液底部的无明显板结情况)。本发明具有良好的悬浮性及再分散性，与传统稀土抛光粉相比，具有更好抛光效率，可获得更佳表面质量。本发明有利于改善抛光粉企业产品结构，提升我们稀土产品的附加值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高浓度氧化铈抛光液，以解决现有技术中存在的不足，如悬浮及再分散性差、去除速率低、表面质量差、环境污染严重等缺点。
本发明解决上述技术问题的技术方案为：提供一种高浓度氧化铈抛光液，所述抛光液为水悬浮液，包括如下质量百分比的组分：
本发明中所述氧化铈粉颗粒大小为0.6-0.8um。
本发明所述分散剂为聚丙烯酸钠、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钾其中一种。聚丙烯酸盐是一种阴离子高分子电解质，具有一定长度的高分子链，可起到立体稳定作用，而本身带的电荷又可以起到静电稳定作用，因而具有优异的分散性能，一般采用低分子量的聚丙烯酸盐作为分散剂。在有些报道中是采用六偏磷酸钠作为氧化铈的分散剂，而从结构上看六篇磷酸钠的亲水基团为—POO-，而聚丙烯酸盐的亲水基团为—COO-，亲水性后者大于前者，亲水性越大，吸附性就越强；再者六偏磷酸钠是刚性结构，而聚丙烯酸盐是C链，C链柔顺，可以自由旋转，比刚性的易被吸附，另外，六偏磷酸钠在水中长时间放置易水解成磷酸盐，随着水解程度的增大，分散作用会逐步减弱，而聚丙烯酸盐不会出现这类情况。所以使用聚丙烯酸盐作为分散剂，可以提高磨料的固含量和分散体系的稳定性。
本发明所述稳定剂为纳米硅溶胶，硅溶胶通过胶粒对悬浮液中的自由粒子产生负吸附，在氧化铈颗粒表面形成一层空缺层，因产生空缺稳定效应而实现悬浮液的稳定分散。并且由于硅溶胶本身是一种胶体，带有负电，负电越大在氧化铈颗粒表面形成的空缺就越多，氧化铈颗粒之前接触的机会就越少，悬浮液的稳定性就越好，从而有效的防止了氧化铈在悬浮液底部板结。本发明采用小粒径硅溶胶，价格便宜，分散性好。
本发明所述增稠剂为黄原胶与羧甲基纤维素钠复配，黄原胶分子是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸构成的“五糖重复单元”，是一种水溶性生物高分子聚合物，其微观结构中侧链与主链间通过氢键结合形成双螺旋结构，并以多重螺旋聚合体状态存在，侧链葡萄糖醛酸基带负电荷。CMC侧链上也带有负电荷，当黄原胶达到一定量时，黄原胶分子与CMC分子之间可能由于静电排斥力的增强，使得氧化铈颗粒的悬浮性增强。
本发明中所述螯合剂为乙二胺四亚甲基膦酸钠、羟基乙叉二膦酸羟基乙叉二膦酸四钠、氨基三亚甲基膦酸四钠其中一种。采用有机磷盐类作为螯合剂有以下优点：1)它能与多种金属离子形成稳定的络合物，减少金属离子对抛光液体系的污染；2)它具有一定的清洗功能，有助于工件抛光后清洗；3)它同时也是一种缓蚀剂，可以保护机床表面；4)在高pH值、高温下依然稳定，不易水解，易生物降解。
本发明中所述有机碱调节剂为乙醇胺、三乙醇胺、乙二胺、羟乙基乙二胺、四甲基氢氧化铵其中一种，研磨液pH值为7-9。采用有机碱调节pH值，可以防止由无机碱调节带来的金属离子污染，而且有报道称在碱性条件下，氧化铈颗粒的抛光效率更佳。
本发明中所述润滑剂为乙二醇、甘油其中一种或多种。采用乙二醇或者甘油作为润滑剂，可以更好的溶解黄原胶，使黄原胶发挥最佳的增稠效果，而乙二醇或者甘油作为润滑剂也可以防止在抛光过程中继续机械作用过大，工件出现损伤。
本发明中所述杀菌剂为1,2-苯并异噻唑啉-3-酮(BIT)，为广谱杀菌(抑菌)剂，具有水溶性好、低毒、不含甲醛或甲醛释放物、易降解等优点。
附图说明
图1是实施例1抛光后ITO玻璃的二维AFM图；
图2是对比例1抛光后ITO玻璃的二维AFM图；
图3是对比例2抛光后ITO玻璃的二维AFM图；
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明提供的较佳实施例中，高浓度氧化铈抛光液为水悬浮液，包括如下质量百分比的组分：
在本发明提供的另一较佳实施例中，所述抛光液具有上述质量百分比的组分，特别的是所述氧化铈颗粒的尺寸为0.6～0.8um。另外，所述氧化铈优选的质量百分比为45％～55％。
在本发明提供的另一较佳实施例中，所述分散剂为聚丙烯酸钠、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钾其中一种。所述分散剂优选的质量百分比为0.05％～0.2％。
在本发明提供的另一较佳实施例中，所述稳定剂为纳米硅溶胶。所述稳定剂优选的质量百分比为1％～3％。
在本发明提供的另一较佳实施例中，所述增稠剂为为黄原胶与羧甲基纤维素钠复配。所述增稠剂，黄原胶优选的质量百分比为0.1％～0.5％；羧甲基纤维素钠优选的质量百分百为0.05％～0.2％。
在本发明提供的另一较佳实施例中，所述螯合剂为乙二胺四亚甲基膦酸钠、羟基乙叉二膦酸羟基乙叉二膦酸四钠、氨基三亚甲基膦酸四钠其中一种。所述螯合剂优选的质量百分比为0.2％～1％。
在本发明提供的另一较佳实施例中，所述润滑剂为乙二醇、甘油其中一种或多种。所述润滑剂优选的质量百分比为0.5％～2％。
在本发明提供的另一较佳实施例中，所述有机碱调节剂为乙醇胺、三乙醇胺、乙二胺、羟乙基乙二胺、四甲基氢氧化铵其中一种，优选pH值为7-8。
在本发明提供的另一较佳实施例中，所述杀菌剂为1,2-苯并异噻唑啉-3-酮(BIT)。所述杀菌剂优选的质量百分比为0.5％～0.1％。
实施例1-6、对比例1(市售氧化铈粉)、对比例2(市售氧化铈抛光液)
1、抛光组合物的配制
1)用润滑剂(乙二醇、甘油)将黄原胶充分溶解备用；2)用适量去离子水将CMC溶解备用；3)用剩余去离子水分散氧化铈颗粒，得到悬浮液；4)在机械搅拌下，依次将分散剂、稳定剂、螯合剂、杀菌剂、有机碱pH调节剂以及1)2)所得增稠剂加入至氧化铈悬浮液中，搅拌均匀后即可得到氧化铈抛光液，其中具体配比见表1。
2、抛光对比试验：
使用本发明实施例1-6的氧化铈悬浮液、对比例1(市售氧化铈粉)、对比例2(市售氧化铈抛光液)，对4寸ITO玻璃进行化学机械抛光。抛光设备为Retc instruments RBPo-6型抛光机，抛光工艺：抛光液比重1.08，压力0.02MPa，上盘转速20rpm，下盘转速60rpm，流量120mL/min，时间25min。
表1.实施例1-6中各组分配比
3、研磨评价标准：
1)去除速率
抛光完成后，用清洗剂对ITO玻璃进行超声清洗和干燥，然后检测ITO玻璃的表面质量与抛光速率。用精密天平测量抛光前后的质量差，评价去除速率；
2)抛光后表面质量
采用原子力显微镜检测，抛光后的ITO玻璃上的表面粗糙度。
试验结果如表2所示：
表2.实施例及对比例的实验结果
4、悬浮率测定：
抛光过程中，抛光液比重的下降(稀释液)：将上述1-6实施例及对比例1-2，称取适量试样，将比重配制至1.08的悬浮液，用于ITO玻璃抛光，不间断循环抛光(共计8h)，每2h取样测试悬浮液比重，实验结果见表3。
放置观察，抛光液比重的下降(稀释液)：将上述1-6实施例及对比例1-2，称取适量试样，置于盛有250mL(30±2℃)的量筒中，加入去离子水，将比重配置至1.08，放置观察比重计的下降，实验结果见表3.
放置观察，浓缩液悬浮性及再分散性：上述1-6实施例及实施例2置于250mL具塞量筒中，将实施例1配置为固含量为45％的悬浮液，置于250mL具塞量筒中。上述8个样品，每个样品配制两份：一份放置一定时间，观察上层清液、沉降分层液面，实验结果见表4；一份观察底部板结情况(将量筒上下颠倒，看量筒底部是否有板结)，实验结果见表5。
显然，上面描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
表3.实施例及对比例的抛光悬浮性测试结果
表4.实施例及对比例的悬浮性能测试结果
表5.实施例及对比例再分散性测试结果
Claims (9)
1.一种高浓度氧化铈抛光液，其特征在于，所述抛光液为水悬浮液，包括如下质量百分比的组分：
。
2.根据权利要求1所述的高浓度氧化铈抛光液，其特征在于，所述氧化铈颗粒大小为0.6-0.8um。
3.根据权利要求1所述的高浓度氧化铈抛光液，其特征在于，所述分散剂为聚丙烯酸钠(PAAS)、聚丙烯酸铵(PAA-NH4)、聚丙烯酸钾(K-PAM)其中一种。
4.根据权利要求1所述的高浓度氧化铈抛光液，其特征在于，所述稳定剂为纳米硅溶胶。
5.根据权利要求1所述的高浓度氧化铈抛光液，其特征在于，所述增稠剂为黄原胶与羧甲基纤维素钠(CMC)复配。
6.根据权利要求1所述的高浓度氧化铈抛光液，其特征在于，所述螯合剂为氨基三亚甲基膦酸四钠(ATMP.4Na)、羟基乙叉二膦酸四钠(HEDP.4Na)、乙二胺四亚甲基膦酸钠(EDTMPS)其中一种。
7.根据权利要求1所述的高浓度氧化铈抛光液，其特征在于，所述润滑剂为甘油、乙二醇其中一种或多种。
8.根据权利要求1所述的高浓度氧化铈抛光液，其特征在于，所述有机碱调节剂为乙醇胺、三乙醇胺、乙二胺、羟乙基乙二胺(AEEA)、四甲基氢氧化铵其中一种。
9.一种高浓度氧化铈抛光液的制备方法，其特征在于：1)用润滑剂(乙二醇、甘油) 将黄原胶充分溶解备用；2)用适量去离子水将CMC溶解备用；3)用剩余去离子水分散氧化铈颗粒，得到悬浮液；4)在机械搅拌下，依次将分散剂、稳定剂、螯合剂、杀菌剂、有机碱pH调节剂以及1)2)所得增稠剂加入至氧化铈悬浮液中，搅拌均匀后即可得到氧化铈抛光液。
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