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    超聲波清洗技術發展與應用
    發布時間:2012/5/24 點擊次數: 4531

    超聲波清洗技術發展與應用

    作者:胡興軍,楊燕

    超聲波清洗發展回顧

    二十世紀六十年代,自超聲波技術問世以來,科學家們發現:一定頻率范圍內的超聲波,作用于液體介質里,可以達到清洗的作用?經過一段時間的研究和試驗,不僅得到了滿意的效果,而且發現其清洗效率極高,由此超聲波清洗機被逐漸運用于各行各業中去?在應用初期,由于電子工業的限制,超聲波清洗設備電源的體積比較龐大,穩定性及使用壽命不太理想,價格昂貴,一般的工礦企業難以承受,但其出色的清洗效率及效果,仍然讓部分實力雄厚的國有企業一見傾心?隨著電子工業的飛速發展,新一代的電子元器件層出不窮,應用新的電子線路以及新的電子元器件,超聲波電源的穩定性及使用壽命進一步的提高,體積減小,價格逐漸降低?二十世紀八十年代末,第三代超聲波電源問世,既逆變電源,應用最新IGBT元件?新的超聲波電源具有體積小,可靠性高,壽命長等特點,清洗效率得以進一步提高,而價格也降到了大部分企業可以接受的程度?

    超聲波清洗原理

    超聲波主要具有機械效應 (如傳聲媒質的質點振動位移?速度?加速度?聲壓等力學量)?熱效應(聲波在傳播過程中其部分能量被媒質吸收變成熱能)和空腔效應?其中空腔效應是聲化學的應用理論基礎,也最為重要?空腔效應由成核?微泡生長?空腔塌陷三步組成?在反應體系中,液體內存在張力弱區,即液體內溶有氣體或在塵埃的液固界面上存在氣體 — 作為氣核,在超聲波作用下,氣核膨脹長大,并為周圍的液體蒸氣或氣體充滿,由于內外壓力懸殊使空腔塌陷?破裂,把集中的聲場能量在極短的時間和極小的空間內釋放出來,使介質局部形成幾百到幾千K的高溫和超過數百個大氣壓的高壓環境,并產生出很大的沖擊力,起到激烈攪拌的作用,同時生成大量微泡?它們又作為新的氣核,使該循環繼續下去,這就是空腔效應?

    當然并不是液體中所有的氣核都能產生空腔效應,只有當外加的超聲波頻率與氣核的固有頻率相同時,空腔效應才能發生?同時也受到其它如聲波的強度?液體介質的溫度以及介質的蒸汽壓等的影響?誘導產生空腔效應的超聲波頻率以20kHz~80kHz最為適當?過高的頻率不易產生空腔效應,即使產生也需要大量的能量,而且其中大部分能量被轉化為熱能,使介質溫度明顯提高?低強度超聲波的應用不會引起介質的任何狀態變化,只有高強度超聲波的應用才可能對介質有強烈的影響,引發空腔效應?對大多數化學反應來說,反應速度均隨聲強的增加而增加?但是,超聲波強度的作用受介質溫度的影響極大?研究表明,隨著液體溫度的提高,聲強的影響明顯下降,在50℃水中發生的空腔效應最大?

    當超聲波電源將50Hz的日常供電頻率改變為28KHz后,通過輸出電纜線將其輸送給粘接在盛放清洗溶液的清洗槽底部的超聲波發生器(換能器),由換能器將高頻的電能轉換成機械振動并發射至清洗液中,當高頻的機械振動傳播到液體里后,清洗液內即產生上述空化現象,達到清洗的目的?由于超聲波的頻率很高,在液體中所產生的空化作用可以達到28000次/秒,幾乎可以說是不斷地在進行,在液體中由于空化現象所產生的氣泡數量眾多且無所不在,因此對于工件的清洗可以非常徹底,即使是形狀復雜的工件內部,只要能夠接觸到溶液,就可以得到徹底的清洗,又因為每個氣泡的體積非常微小,因此雖然它們的破裂能量很高,但對于工件和液體來說,不會產生機械破壞和明顯的溫升?

    超聲波設備

    超聲波清洗設備主要由以下組件構成:

    清洗槽:盛放待洗工件

    不銹鋼制成,可安裝加熱及控溫裝置?

    清洗槽底部粘接超聲波換能器?

    換能器(超聲波發生器):將電能轉換成機械能

    壓電陶瓷換能器,頻率?功率視具體機型?

    電源:為換能器提供所需電能

    逆變電源,進口IGBT元件,安裝過流保護線路?

    換能器將高頻電能轉換成機械能之后,會產生振幅極小的高頻震動并傳播到清洗槽內的溶液中,在換能器的作用下,清洗液的內部將不斷地產生大量微小的氣泡并瞬間破裂,每個氣泡的破裂都會產生數百度的高溫和近千個大氣壓的沖擊波,從而將工件沖刷干凈?

    清洗劑的配制

    超聲波清洗機所用的清洗劑多為液體洗滌劑,組成模式為:表面活性劑?贅合劑?其他助劑,還有其它有機溶劑如三氯乙烯?

    某物質當其溶于水即使濃度很小時,能顯著降低水同空氣的表面張力,或水同其他物質的界面張力,則該物質稱為表面活性劑?水溶性表面活性劑的分子結構都具有不對稱的?極性的特點?

    向吸附在水溶液同其他相的界面上,這樣大大改變了體系的物理性質,特別是各相界面的界面張力?

    根據表面活性劑溶于水時親水基團所表現出來的電性,可把表面活性劑分為陰離子?陽離子?中性及兩性表面活性劑?

    螯合劑和溶液中的某些金屬離子如Ca2+?Mg2+等形成穩定的螯合體,從而使洗滌劑具有抗硬水性的功能,具體到鏡片清洗時,又可和鏡片表面的某些含Ca2+?Mg2+的物質化合而達到清洗作用?

    某些助劑的加入,再起到以下作用:

    緩沖作用:使洗滌劑的PH值能維持穩定?

    對金屬的抗腐蝕作用?

    能增加洗滌劑的乳化能力和乳化穩定性?

    可使溶液具有很好的懸浮能力和穩定懸浮系統的能力,可防止污垢再次沉降?

    表面活性劑?螫合劑?助劑的選擇原則:(1)組成的洗滌劑具有較強的清洗能力;(2)化學性質柔和,不損傷被洗物;(3)組分之間不發生化學作用而使組分失效;(4)具有良好的漂清性?

    配制洗滌液的使用溫度及濃度應由具體實驗確定?三氯乙烯的作用是通過對它上盤膠?蠟?瀝青的溶解作用而達到清洗目的?

    超聲波清洗工藝

    光學鏡片加工中不同的工序應有不同的清洗工藝,從整體流程上看,可分為四道工序:洗滌?漂洗?脫水?干燥?

    洗滌主要利用有機溶劑如三氯乙烯對上盤膠?蠟?防霉劑等的高度溶解而達預洗目的,然后利用洗滌劑對鏡片表面的濕潤?滲透?乳化而綜合成的去污作用?

    漂洗,通過清水對鏡片表面的沖洗及超聲作用,使洗滌后松散于鏡片表面的洗滌劑脫離鏡片表面?

    脫水: 經漂洗后的鏡片表面含有大量水分,進入脫水劑中進行脫水,脫水劑多為有機溶劑,和水能充分混溶?

    干燥 :干燥劑應和脫水劑沸點相近,互溶性好,干燥過程大略為: (1)干燥劑蒸汽在鏡片表面冷凝為液體; (2)干燥劑液體和鏡片表面的脫水劑形成共沸物; (3)一部分共沸物形成蒸汽離開鏡片表面; (4)一部分共沸物以液體的狀態流經鏡片表面對鏡片引沖洗作用?經過這些過程后,使鏡片表面潔凈?干燥?

    由于使用的脫水劑及干燥劑均為有機溶劑,對環境及操作人員都有或多或少的影響,為了避免這些影響,現代的超聲波清洗技術已對干燥工藝進行了改良,使用純水漂洗,而省略脫水,漂洗后的鏡片表面為純水狀態,再由過濾的熱風干燥,既為快速?有效地干燥鏡片,又可避免有機溶劑對環境及工作人員的影響? 超聲波清洗的應用

    超聲波清洗被日益廣泛應用于各行各業,例如: 機械行業; 醫療行業; 儀器儀表行業;

    機電電子行業; 光學行業; 科教文化;鐘表首飾;石

    油化工行業 ;紡織印染行業等?下面例舉如下:

    電鍍前處理

    對工件表面清潔度要求較高,而超聲波清洗技術是能達到此要求的理想技術?利用超聲波清洗技術,可以替代溶劑清洗油污 ;可以替代電解除油;可以替代強酸浸蝕去除碳鋼及低合金鋼表面的鐵銹及氧化皮?近年來諸多商采用無錫美潔超聲波清洗技術設備,替代原有的酸堿處理工位獲得成功,使電鍍件質量及產量較原來有更大提高,并改善了生產環境?

    冷軋鋼板表面一般有油?污或少量鐵銹,要洗干凈比較容易,但經一般方法清洗后,工件表面仍殘留一層非常細薄的浮灰,影響后續加工質量,有時不得不再采用強酸浸泡的辦法去除這層浮灰?而采用超聲波清洗并適當的清洗液,可方便快捷地實現工件表面徹底清潔,并使工件表面具有較高的活性,有時甚至可以免去電鍍前酸浸活化工序?

    傳統的辦法是采用鹽酸或硫酸浸泡清洗?如采用超聲波綜合處理技術,可以快捷地在幾分鐘內同時去除工件表面的油?銹?并避免了因強酸清洗伴隨產生的氫脆問題?

    制藥工業

    超聲波清洗技術經過眾多制藥企業的應用而得到廣泛使用,特別是對西林瓶?口服液瓶?安瓶?大輸液瓶的清洗以及對丁基膠塞?天然膠塞的清洗方面,已經得到首肯?對于瓶類的清洗,是用超聲波清洗技術代替原有的毛刷機,它經過翻轉注水?超聲清洗?內外沖洗?空氣吹干?翻轉等流程而實現的?

    濾芯

    無論何種用途的過濾器,使用一段時間后,都會由于雜質而造成通透性降低而報廢,普通濾芯價格較低還可以,但對于化纖行業,一只進口濾芯,價格近萬元,棄之實在可惜?若用超聲波濾芯清洗機,采用聚能型超聲波清洗機,它可把1KW以上的能量集中在200×20mm2的輻射面上,超聲強度大,能夠快速將堵塞物去除??適用于PP綿濾芯?活性炭濾芯?中空纖維濾芯陶瓷膜濾芯?

    金屬

    眾所周知,金屬棒材經擠壓成絲后,金屬絲的外部往往有一層碳化膜和油,用酸清洗或其它清洗方法,很難讓污物去除(尤其整盤絲),超聲波洗絲機是根據實際生產需要而設計的一種連續走絲,高效清洗設備,粗洗部分由清洗液儲槽?換能器?循環泵?過濾器及配套管道系統組成,金屬絲經超聲波粗洗精洗后,再經過吹干,從而完成整個清洗過程?整套設備集成控制,簡潔?方便?效果好,廣泛用于鉭絲?鎢絲?鉬絲?鈮絲?銅絲(絕緣漆涂覆前)等其它金屬絲?

    日常生活清洗

    日常生產中,眼鏡?首飾都可以用超聲波進行清洗,速度快,無損傷,大型的賓館?飯店用它清洗餐具,不僅清洗效果好,還具有殺滅病毒的作用?

    超聲波清洗的優勢

    清洗效果好

    就清洗方式而言,運用于工業清洗的清洗方式一般為手工清洗,有機溶劑清洗,蒸汽氣相清洗,高壓水射流清洗和超聲波清洗?超聲波清洗被國際公認為當前效率最高,效果最好的清洗方式,其清洗效率達到了98%以上,清洗潔凈度也達到了最高級別,而傳統的手工清洗和有機溶劑清洗的清洗效率僅僅為60%-70%,即使是氣象清洗和高壓水射流清洗的清洗效率也低于90%?不論工件形狀多么復雜,將其放入清洗液內,只要是能接觸到液體的地方,超聲波的清洗作用都能達到?尤其是對于形狀和結構復雜?手工及其它清洗方式不能完全有效地進行清洗的工件,具有顯著的清洗效果?清洗時液體內產生的氣泡非常均勻,工件的清洗效果也非常均勻一致?超聲波清洗可根據不同的溶劑達到不同的效果,如:除油,除銹或磷化?配合清洗劑的使用,加速污染物的分離和溶解,可有效防止清洗液對工件的腐蝕?

    清洗成本低

    在所有清洗方式中,清洗成本大體可分為:設備成本和消耗成本?超聲波清洗設備使用壽命約為十年,除設備購置成本高于手工清洗和有機堿性溶劑刷洗外,低于氣相清洗和高壓水射流清洗,對于消耗成本,以有效尺寸為600×400×350mm,功率為1KW,價格約為1萬元的超聲波清洗機為例,工作一小時,耗電1度,費用約為0.5元,堿性金屬清洗劑1公斤,價格約為20元,可反復使用20-50個小時(根據污染程度而定),相當于0.4-1元/小時,而一般工件清洗時間僅為3-15分鐘即可,且一次清洗可對一定數量及體積的工件同時清洗,因此對于消耗成本而言,采用超聲波清洗,不僅清洗效果最好,而且清洗成本相當于不到0.04元/件,還不算節省的勞動力成本,遠遠低于其他各類清洗方法?

    避免勞動損傷

    以往在骯臟的環境中通過繁重的體力勞動,需要長時間地進行手工清洗的復雜機械零件,應用了超聲波清洗機以后,不僅改善了勞動環境,杜絕了手工清洗對工件產生的傷害,減輕了勞動強度,而且在大幅提高清洗精度的基礎上,清洗時間縮短為原來的四分之一?

    超聲波清洗還可有效地降低污染,減少有毒溶劑對人類的損害?

     
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