洗净用的海绵辊 发明的领域
本发明涉及一种清洁用的海绵辊，它能在不损害待清洁物体表面的情况下，极有效地擦洗掉细小的颗粒，如磨料颗粒，切削粉尘，在加工过程如在制造磁性记录用的铝盘、半导体硅片的基片及诸如此类过程中的抛光之后粘附到待清洁物体的表面上的抛光粉尘等。
背景技术
在生产硬盘，玻璃盘(glass disks)，硅晶片，CMP工艺中的半导体器件，光掩模，液态玻璃基片等的过程中，高精度的打磨，即所谓的抛光是用各种不同的磨料颗粒，如氧化硅，氧化铝或氧化铈进行，以便极准确地抛光其表面。
在下道工序之前，必须充分清洁它们，因为抛过光地物体，如硬盘，抛光后的硅晶片的表面都可能被磨料颗粒，或抛光粉尘沾污。
已知RCA清洁处理用于硅片的清洁工艺，此处按这个顺序使用氨水和过氧化氢的混合物，稀释氟酸，盐酸和过氧化氢的混合物。另外，清洁用的海绵辊在其外表面上有许多用一种聚乙烯醇缩乙醛(以后简称为PVAt)多孔材料制的凸出部分，该海绵辊已知用于在各种硬盘，硅晶片等诸如此类抛光之后将它们洗净。更具体地说，海绵辊的凸出部分顶部在与待清洁物体的表面旋转接触，因而待清洁的表面被凸出部分擦洗，并将待清洁的物体充分洗净。
在清洁时，海绵辊的凸出部分刷洗待清洁的表面，同时在一变形状态和一变形回复状态之间很频繁地转换，在上述变形状态处，它们通过被待清洁的物体在侧向上变形，而在变形回复处，它们与待清洁的物体分开。那时作用在凸出部分上的张力局限于在凸出部分的基部上，以致邻近凸出部分基部的那部分显著地变形。因此，邻近凸出部分基部的那部分具有容易断裂的倾向。当其中许多凸出部分断裂时，海绵辊应当更换，因为海绵辊是整体式制造的。
通过整个凸出部分的形状制得更大，以便增加强度，有可能克服这个问题。然而，如果将整个凸出部分制得更大，则不能达到所希望的刷洗效果，并且大多数试验证明洗净效率降低。
因此，本发明的目的是提供一种PVAt清洁用的海绵辊，这种辊在不损害清洁性能的情况下，增加了耐久性。
发明概述
为了达到上述目的，本发明提供一种清洁用的海绵辊，它由一种多孔的聚乙烯醇缩乙醛材料组成，这种材料在湿润状态下是有弹性的，上述海绵辊包括一个一般是圆柱形的辊体和许多凸出部分，这些凸出部分在上述辊体的外圆周表面上整体式形成，用于通过现有的凸出部分顶部在与物体的表面接触时旋转，来洗净待清洁的物体，其特征在于：
每个上述凸出部分都包括一个逐渐变细的凸出部分基部和一个凸出部分端部，上述凸出部分基部从辊体的外圆周表面伸出，而凸出部分端部从凸出部分基部的顶端到凸出部分顶部具有基本上相同的横截面形状。
凸出部分基部可以制成一般是截锥体形状，而凸出部分端部可以制成一般是圆柱形形状。
在上述构造中，凸出部分的凸出部分基部具有一朝辊体外圆周表面方向发散的外表面，并且凸出部分基部的横截面的底端(辊体的外圆周表面和凸出部分基部之间的界面)处最大，并且朝凸出部分端部方向逐渐缩小。因此，当凸出部分在侧向上被压缩时，在张力局限于该处的凸出部分基部的底端附近，使应力集中减弱，并且变形分布到整个凸出部分基部上，因此可以增加凸出部分的耐久性。
另外，与待清洁物体接触凸出部分端部可以制成任何最适合用于刷洗的形状和尺寸，因为可以在不影响凸出部分端部形状的情况下，增加凸出部分的耐久性。
顺便说说，由一种聚乙烯醇缩乙醛多孔海绵制造的清洁用的海绵辊，可以通过一种含有原料的粘性液体混合物在模具中反应来制备。对应于上述海绵辊形状的模具，具有一个用于形成辊体的第一模腔和许多用于形成凸出部分的第二模腔。每个第二模腔都具有一个形成基部的模腔和一个形成端部的模腔，该形成基部的模腔与第一模腔连通用于形成凸出部分基部，而形成端部的模腔与形成基部的模腔连通用于形成凸出部分端部，形成基部的模腔具有一个从形成端部的模腔朝第一模腔发散的斜边。当制造海绵辊时，将液体混合物注入第一模腔，而然后从第一模腔流入每个第二模腔。因为第二模腔的形成基部的模腔具有朝第一模腔发散的斜边，所以液体混合物被形成基部的模腔的斜边导向，以便平滑地流入形成端部的模腔。同时，第二模腔中的空气平滑地从形成端部的模腔流入第一模腔，并从该第一模腔排放到大气中，以便因而保证让液体混合物装满第二模腔的最末端，因此可以在改善生产量的同时降低制造成本。
凸出部分基部的顶部距辊体外圆周面的高度，最好是等于或小于凸出部分高度的一半，并最好是大于或等于凸出部分高度的五分之一。
如果凸出部分基部高于整个凸出部分高度的一半，则凸出部分端部的变形可以保持很小，并因此而使清洁时的刷洗效率可能会不足。同时，如果它小于高度的五分之一，则可能达不到足够的强度。
此外，一条直线与辊体外圆周表面之的交叉角最好是不少于30°和不多于60°，上述直线在任何横截面内连接凸出部分基部的外表面的顶端和底端。
如果交叉角少于30°，则凸出部分基部朝外圆周表面方向大很多，并且凸出部分基部的底面面积增加，因此在辊体的外圆周面上待形成的凸出部分总数会受到限制。同时，如果交叉角超过60°，则可能达不封足够的强度。
顺便说说，凸出部分基部外表面的形状，可以是直线斜边或弯曲的斜边。
附图的简要说明
图1(a)示出按照本发明所述的洗净用的海绵辊局部剖视图，图1(b)示出海绵辊凸出部分的放大透视图，和图1(c)示出图1(b)中海绵辊凸出部分的剖视图。
图2是部分切去的用于模制图1中海绵辊的模具的透视图。
图3是示出制造图1中海绵辊过程的剖视图。
图4是示出图1中海绵辊使用的侧视示意图。
图5是图4中主要部分的放大图。
图6是使用对照用的凸出部分使用的主要部分的放大图。
图7是按照本发明第二实施例所述的海绵辊凸出部分的剖视图。
图8是示出对照试验结果的曲线图。
本发明的优先实施例
参看附图，下面将说明本发明的第一实施例。
图1(a)示出按照本发明第一实施例所述的整个的局部剖开的清洁用海绵辊，图1(b)示出海绵辊凸出部分的放大透视图，和图1(c)示出图1(b)的剖视图。
清洁用的海绵辊1由一种多孔的聚乙烯醇缩乙醛材料(多孔PVAt材料)组成，该材料在湿润状态下是有弹性的。多孔PVAt材料在干燥状态下是硬的，而在湿润状态下是软的。另外，它具有极好的吸水和贮水性能，在湿润状态下显示所希望的挠性和中等排斥力的弹性，并具有很高的耐磨性。
如图1(a)所示，海绵辊1包括一个一般是圆筒形的辊体3和许多凸出部分5，这些凸出部分5在辊体3的外圆周表面3a上整体式形成。
如图1(b)和1(c)所示，凸出部分5包括一个凸出部分基部11和一个凸出部分端部13，上述凸出部分基部11从辊体3的外圆周表面3a中整体式突出，而凸出部分端部13整体式从凸出部分基部11的顶部表面11b伸出。凸出部分基部11的底端表面11a包含在辊体3的外圆周表面3a中。凸出部分基部11的顶部表面11b和凸出部分端部13的底端表面13a基本上相互吻合。凸出部分基部11包括一个斜边(外表面)15，该侧边15以朝向辊体3的外圆周表面3a的方向呈线性发散的形状形成。
凸出部分基部11成形为一般是从底端表面11a朝顶部表面11b会聚的截锥体。从凸出部分基部11的底端表面11a到顶表面11b的高度h选定在凸出部分5的高度H(从凸出部分基部11的底端表面11a到凸出部分端部13的顶表面13b的高度)的五分之一到一半的范围内。如图1(c)所示，连接斜边15的底部边缘15a和顶部边缘15b的连线17在任何横截面平面中都基本上与斜边15吻合，并且将连结17和辊体3的外圆周表面3a之间的交叉角θ1选定在30°-60°范围内。
凸出部分端部13一般垂直于辊体3的外圆周表面3a伸出，并成形为一般是圆筒形状，该圆筒形从底端表面13a到顶部表面13b具有基本上相同的横截面。凸出部分端部13的顶表面13b一般与凸出部分端部13的外圆周侧表面垂直相交。
清洁用的海绵辊3以这种方法制备，即将一份或多份聚乙烯醇(原料)与水混合，以制备一种水溶液，上述聚乙烯醇具有平均聚合度为300-2000，和皂化度为至少80％，向聚乙烯醇中加醛作为交联剂，加无机酸作为催化剂，和加淀粉作为造孔材料，并将混合物注入如图2示的模具21中和在50-80℃温度下反应。在它从模具中取出之后，用水冲洗以便除去造孔材料等。
模具21包括一个外模具23，一个内模具25，一个底板27，一个中心杆件29，和一个盖31。外模具23和内模具25二者都形成呈圆筒形状。内模具25具有一外径，该外径等于或略微小于外模具23的内径并插入外模具23中。中心杆件29一般插在内模具25的中心。底板27闭合外模具23和内模具25的底边23a和25a，并且还支承中心杆件29的端部29a。盖31装配到外模具23的上端23b的内圆周面中。中心杆件29用底板27和盖31定位。
如图3所示，用于形成辊体3的一般是圆筒形的第一模腔33，限定在内模是25的内圆周表面和中心杆件29的外圆周表面之间。
内模具25具有许多个通孔35(第二模腔)用于成形凸出部分5。每个通孔35都包括一个形成基部的模腔37和一个形成端部的模腔39，上述形成基部的模腔37用于形成与第一模腔33连通的凸出部分基部11，而形成端部的模腔用于形成与形成基部的模腔37连通的凸出部分端部13。形成基部的模腔37具有一斜边41，该斜边41从形成端部的模腔39朝第一模腔33发散。
液体混合物通过铸塑口43注入第一模腔33，并从第一模腔33流入每个通孔35，上述铸塑口43插在外模具23和盖31之间。然后，液体混合物被朝第一模腔33发散的斜边41导向，以便平滑地流入形成端部的模腔39中。同时，通孔35内的空气从形成端部的模腔39平滑地移入第一模腔33，并从第一模腔33的上端排入大气，因此保证液体混合物装入通孔35的最末端(形成端部的模腔39)。生产率因此得到改善，并且制造成本可以降低。
顺便说说，多孔PVAt材料最好在适当含水量条件下，具有-30％的不少于15g/cm2和不多于150g/cm2的压应力。适当含水量条件意指多孔PVAt材料能在其中显示适当弹性的含水量条件，它可以在100％-1000％含水量范围内得到(以于体重量为基础的水百分重量)。该30％的压应力以这种方式得到，即将在适当含水量条件下的多孔PVAt材料切割成在相对的两端之间有30mm的长度(纵向上高度)，然后以施加到整个端部表面上的截荷的方式将其放进一数字式载荷计中，当将材料的长度在纵向方向上向下压缩30％(9mm)时，记录载荷并被端部表面的面积除，以便提供30％的压应力。
为什么把适当含水量条件下30％压应力的更优选的上限定到150g/cm2的原因是：如果该值大于150g/cm2，则多孔PVAt材料太硬，以致不能显示用于刷洗所需要的弹性。另一方面，为什么把适当含水量条件下30％压应力的更优选的下限定到15g/cm2的原因是：具有小于15g/cm2的多孔PVAt材料太软，以致当辊体3旋转时，发生变形。
多孔PVAt材料的孔隙度最好是少于85％和不多于95％，同时平均孔径为10μm至200μm。
如果孔隙度少于85％，则在湿润状态下挠性不足，而如果孔隙度多于95％，则实际强度差。这两种情况都不适合在清洁中使用。此外，如果平均孔径小于10μm，则在湿润状态下的弹性不足以得到充分洗净的效果，而如果它超过200μm，则对精细清洁来说，网孔太粗。
这里，孔隙度是用多孔PVAt材料矩形体的表观体积和绝对体积，由下列方程(1)计算得到的数值，该多孔PVAt材料已经在干燥机中完全干燥，用干式自动密度计测定：
孔隙度(％)＝(表观体积-绝对体积)×100/表现体积(1)
平均孔径是按照ASTM(标号：D4404-84)测量的值，更具体地说，用PORUS MATERIALS，INC.制造的水银测孔计通过加压式水银测孔法测定。
现在，将说明使用海绵辊1的清洁过程。
如图4所示，在海绵辊1的空心中，插入的是一个旋转轴7，辊体3固定在该旋转轴7上。待清洁物体9的清洁是通过使凸出部分5的顶部5a与待清洁物体9的表面9a接触，而同时凸出部分通过旋转轴7的旋转而旋转式运动来进行。凸出部分5的顶5a包括一个顶部分，该顶部分包括凸出部分端部13的顶面13a。凸出部分5的顶5a在变形状态和变形回复状态之间频繁地转换状态，因而同时刷洗待洗净的表面9a，在上述变形状态处，凸出部分5的顶部5a被待清洁的物体9在侧向上压紧(见图5)，而在变形回复状态处，它与待洗净的物体9分开，从而洗刷待清洁表面9a，待清洁的物体9利用凸出部分5的刷洗功能令人满意地被清洁干净。
顺便说说，如图6所示，在海绵辊51具有许多一般是圆柱形凸出部分53，每个凸出部分53在从辊体3外圆周表面3a上的底部端面53a到顶部表面53b都呈基本上相同横截面的情况下，将施加在与待清洁表面9a接触的凸出部分53上的张力局限在底部端面53a上，以便它在底部端面53a附近显著变形。此外，外圆周表面3a不是完美的平面，而是在朝与凸出部分53凸出方向相反的方向上呈弧形倾斜，这样，与从一完美平面凸出的外圆周表面相比，它很容易变形。因此，在底部端面53a运动方向的前面部分55具有容易断裂的倾向。
另一方面，即使是在按照本实施例所述的海绵辊1情况下，施加在与待清洁的表面9a接触的凸出部分5上的张力也与图6所示的相同，局限于凸出部分5的底端(凸出部分基部11的底端表面11a)。然而，如图5所示，凸出部分基部11具有外表面15，它的形状是朝辊体3的外圆周表面3a方向发散，并且凸出部分基部11具有一从底端表面11a最大朝凸出部分端部13方向逐渐缩小的横截面，因此，当凸出部分5在侧向上被压缩时，张力局限于该处的底端表面11a附近的应力集中被减轻。因而，变形分布到整个凸出部分基部11，并保证防止在底部端面11a的运动方向上前端45的断裂，因而改善了凸出部分5的耐久性。
而且，因为可以在不影响凸出部分端部13形状的情况下改善凸出部分5的耐久性，所以与待清洁物体9接触的凸出部分端部13可以不受限制地成形为任何合适的形状。
如上所述，按照本实施例，当凸出部分5的顶部5a与待清洁的物体接触并且在侧向上被压缩时，在凸出部分基部11的底端表面11a附近的应力集中被减轻，以便使变形分布到整个凸出部分基部11上，并且改善了凸出部分5的耐久性。
此外，因为可以在不影响凸出部分端部13形状的情况下改善凸出部分的耐久性，所以可以不受限制地将与待清洁物体9接触的凸出部分端部13设计成任何适合于刷洗的形状，并且可以在不损害清洁性能的情况下改善凸出部分5的耐久性。
此外，在制造海绵辊1时将液体混合物注入其中的铸模21，具有一个用于形成海绵辊体3的第一模腔33和许多个用于形成凸出部分5的通孔35，通孔35包括用于形成凸出部分基部11的基部形成模腔37和用于形成凸出部分端部13的端部形成模腔39，并且每个基部形成模腔37都具有一个朝第一模腔33方向发散的斜边41。注入第一模腔33的液体混合物被斜边41导向，以便平滑地移入端部形成模腔39中，而通孔35中的空气平滑地从端部形成模腔39移入第一模腔33并排放到大气中。这样，液体混合物可靠地装满通孔35的闭合式末端，因而降低了在改善生产量方面的生产成本。
下面是有关张力强度试验的说明，试验在如图1(b)所示的海绵辊1(本发明的目标样品)上和在如图6所示的海绵辊51(对照样品)的凸出部分53上进行的。
目标样品和对照样品二者都由一种多孔的PVAt材料组成，在60g/cm2的适当含水量条件下，该PVAt材料具有90％孔隙度，130μm的平均孔径，和30％的压缩应力。
目标样品的凸出部分5具有：总高度为4.5mm，凸出部分端部13的外径为7.5mm，凸出部分基部11的高度h为1.5mm，及斜边14与外圆周表面3a的交叉角θ约为45°(凸出部分基部11底端表面的外径为10.5mm)。对照样品的凸出部分53具有总高度为4.5mm和7.5mm的外径。
在试验中，通过用夹具(未示出)夹紧凸出部分5，53，同时用卡盘(未示出)将每个样品的辊体3固定，并牵拉夹具直到在凸出部分5，53中发生断裂的临界点时为止，来测量张力强度。
如图8所示，试验结果证明，对照样品具有1.59kg的张力强度，而目标样品具有1.85kg的张力强度，因此目标样品的张力强度比对照样品增加16.4％。
现在将说明本发明的第二实施例。
图7是示出本实施例PVAt清洁用海绵辊61的凸出部分63主要部分的放大剖视图。此处对与第一实施例中相同的那些部件用相同的标号表示，并略去详细说明。
按照本实施例所述的凸出部分63与第一实施例中凸出部分不同之处在于：凸出部分基部65具有一弯曲的外表面67和一弯曲部分59，该弯曲部分59在凸出部分端部13的外圆周表面和顶部表面13b之间的边界处形成。
在图7所示的剖视图中，选定直线75与辊体3外圆周表面3a之间的交叉角θ2为不少于30°和不多于60°，上述直线段75连接凸出部分底部65外表面67的底端71和顶部73。
按照本实施例，如第一实施例中一样，在不损害清洁性能情况下改善了凸出部分63的耐久性，并且在改善生产量时可以降低成本。
尽管在第一和第二实施例中，凸出部分基部11，65和凸出部分端部13是上述的具有横截面一般是圆柱形形状，但本发明应不限于那种形状，并且横截面可以是任何形状，如矩形，椭圆形，和卵形。
工业应用
如上所述，按照本发明，当凸出部分的项部与待清洁的物体接触，并且凸出部分在侧向上被压缩时，在凸出部分基部的底端附近的应力集中被减轻，以便变形分布到整个凸出部分底部上，并改善了凸出部分的耐久性。
此外，因为可以在不改变凸出部分端部形状的情况下改善凸出部分的耐久性，所以与待清洁物体接触的凸出部分端部可以不受限制地成形为任何适合于刷洗的形状，并且可以在不损害清洁性能的情况下改善凸出部分的耐久性。
此外，在制造海绵辊时液体混合物注入其中的铸模包括一个第一模腔和一个第二模腔，该第一模腔用于形成辊体，而第二模腔用于形成凸出部分，第二模腔包括用于形成凸出部分基部的基部形成模腔和用于形成凸出部分端部的端部形成模腔，每个基部形成模腔都具有一个朝第一模腔方向发散的斜边。注入第一模腔的液体混合物被斜边导向，以便平滑地流入端部形成模腔，而各模腔内的空气平滑地从端部形成模腔流入第一模腔并排放到大气中。这样，液体混合物可靠地充满第二模腔的末端，因而在改善生产量时降低了成本。