超声波清洗技术发展与应用

超声波清洗发展回顾

二十世纪六十年代,自超声波技术问世以来,科学家们发现:一定频率范围内的超声波,作用于液体介质里,可以达到清洗的作用｡经过一段时间的研究和试验,不仅得到了满意的效果,而且发现其清洗效率极高,由此超声波清洗机被逐渐运用于各行各业中去｡在应用初期,由于电子工业的限制,超声波清洗设备电源的体积比较庞大,稳定性及使用寿命不太理想,价格昂贵,一般的工矿企业难以承受,但其出色的清洗效率及效果,仍然让部分实力雄厚的国有企业一见倾心｡随着电子工业的飞速发展,新一代的电子元器件层出不穷,应用新的电子线路以及新的电子元器件,超声波电源的稳定性及使用寿命进一步的提高,体积减小,价格逐渐降低｡二十世纪八十年代末,第三代超声波电源问世,既逆变电源,应用最新IGBT元件｡新的超声波电源具有体积小,可靠性高,寿命长等特点,清洗效率得以进一步提高,而价格也降到了大部分企业可以接受的程度｡

超声波清洗原理

超声波主要具有机械效应(如传声媒质的质点振动位移､速度､加速度､声压等力学量)､热效应(声波在传播过程中其部分能量被媒质吸收变成热能)和空腔效应｡其中空腔效应是声化学的应用理论基础,也最为重要｡空腔效应由成核､微泡生长､空腔塌陷三步组成｡在反应体系中,液体内存在张力弱区,即液体内溶有气体或在尘埃的液固界面上存在气体—作为气核,在超声波作用下,气核膨胀长大,并为周围的液体蒸气或气体充满,由于内外压力悬殊使空腔塌陷､破裂,把集中的声场能量在极短的时间和极小的空间内释放出来,使介质局部形成几百到几千K的高温和超过数百个大气压的高压环境,并产生出很大的冲击力,起到激烈搅拌的作用,同时生成大量微泡｡它们又作为新的气核,使该循环继续下去,这就是空腔效应｡

当然并不是液体中所有的气核都能产生空腔效应,只有当外加的超声波频率与气核的固有频率相同时,空腔效应才能发生｡同时也受到其它如声波的强度､液体介质的温度以及介质的蒸汽压等的影响｡诱导产生空腔效应的超声波频率以20kHz~80kHz最为适当｡过高的频率不易产生空腔效应,即使产生也需要大量的能量,而且其中大部分能量被转化为热能,使介质温度明显提高｡低强度超声波的应用不会引起介质的任何状态变化,只有高强度超声波的应用才可能对介质有强烈的影响,引发空腔效应｡对大多数化学反应来说,反应速度均随声强的增加而增加｡但是,超声波强度的作用受介质温度的影响极大｡研究表明,随着液体温度的提高,声强的影响明显下降,在50℃水中发生的空腔效应最大｡

当超声波电源将50Hz的日常供电频率改变为28KHz后,通过输出电缆线将其输送给粘接在盛放清洗溶液的清洗槽底部的超声波发生器(换能器),由换能器将高频的电能转换成机械振动并发射至清洗液中,当高频的机械振动传播到液体里后,清洗液内即产生上述空化现象,达到清洗的目的｡由于超声波的频率很高,在液体中所产生的空化作用可以达到28000次/秒,几乎可以说是不断地在进行,在液体中由于空化现象所产生的气泡数量众多且无所不在,因此对于工件的清洗可以非常彻底,即使是形状复杂的工件内部,只要能够接触到溶液,就可以得到彻底的清洗,又因为每个气泡的体积非常微小,因此虽然它们的破裂能量很高,但对于工件和液体来说,不会产生机械破坏和明显的温升｡

超声波设备

超声波清洗设备主要由以下组件构成:

清洗槽:盛放待洗工件

不锈钢制成,可安装加热及控温装置｡

清洗槽底部粘接超声波换能器｡

换能器(超声波发生器):将电能转换成机械能

压电陶瓷换能器,频率､功率视具体机型｡

电源:为换能器提供所需电能

逆变电源,进口IGBT元件,安装过流保护线路｡

换能器将高频电能转换成机械能之后,会产生振幅极小的高频震动并传播到清洗槽内的溶液中,在换能器的作用下,清洗液的内部将不断地产生大量微小的气泡并瞬间破裂,每个气泡的破裂都会产生数百度的高温和近千个大气压的冲击波,从而将工件冲刷干净｡

清洗剂的配制

超声波清洗机所用的清洗剂多为液体洗涤剂,组成模式为:表面活性剂､赘合剂､其他助剂,还有其它有机溶剂如三氯乙烯｡

某物质当其溶于水即使浓度很小时,能显著降低水同空气的表面张力,或水同其他物质的界面张力,则该物质称为表面活性剂｡水溶性表面活性剂的分子结构都具有不对称的､极性的特点｡

向吸附在水溶液同其他相的界面上,这样大大改变了体系的物理性质,特别是各相界面的界面张力｡

根据表面活性剂溶于水时亲水基团所表现出来的电性,可把表面活性剂分为阴离子､阳离子､中性及两性表面活性剂｡

螯合剂和溶液中的某些金属离子如Ca2+､Mg2+等形成稳定的螯合体,从而使洗涤剂具有抗硬水性的功能,具体到镜片清洗时,又可和镜片表面的某些含Ca2+､Mg2+的物质化合而达到清洗作用｡

某些助剂的加入,再起到以下作用:

缓冲作用:使洗涤剂的PH值能维持稳定｡

对金属的抗腐蚀作用｡

能增加洗涤剂的乳化能力和乳化稳定性｡

可使溶液具有很好的悬浮能力和稳定悬浮系统的能力,可防止污垢再次沉降｡

表面活性剂､螫合剂､助剂的选择原则:(1)组成的洗涤剂具有较强的清洗能力;(2)化学性质柔和,不损伤被洗物;(3)组分之间不发生化学作用而使组分失效;(4)具有良好的漂清性｡

配制洗涤液的使用温度及浓度应由具体实验确定｡三氯乙烯的作用是通过对它上盘胶､蜡､沥青的溶解作用而达到清洗目的｡

超声波清洗工艺

光学镜片加工中不同的工序应有不同的清洗工艺,从整体流程上看,可分为四道工序:洗涤､漂洗､脱水､干燥｡

洗涤主要利用有机溶剂如三氯乙烯对上盘胶､蜡､防霉剂等的高度溶解而达预洗目的,然后利用洗涤剂对镜片表面的湿润､渗透､乳化而综合成的去污作用｡

漂洗,通过清水对镜片表面的冲洗及超声作用,使洗涤后松散于镜片表面的洗涤剂脱离镜片表面｡

脱水:经漂洗后的镜片表面含有大量水分,进入脱水剂中进行脱水,脱水剂多为有机溶剂,和水能充分混溶｡

干燥:干燥剂应和脱水剂沸点相近,互溶性好,干燥过程大略为: (1)干燥剂蒸汽在镜片表面冷凝为液体; (2)干燥剂液体和镜片表面的脱水剂形成共沸物; (3)一部分共沸物形成蒸汽离开镜片表面; (4)一部分共沸物以液体的状态流经镜片表面对镜片引冲洗作用｡经过这些过程后,使镜片表面洁净､干燥｡

由于使用的脱水剂及干燥剂均为有机溶剂,对环境及操作人员都有或多或少的影响,为了避免这些影响,现代的超声波清洗技术已对干燥工艺进行了改良,使用纯水漂洗,而省略脱水,漂洗后的镜片表面为纯水状态,再由过滤的热风干燥,既为快速､有效地干燥镜片,又可避免有机溶剂对环境及工作人员的影响｡超声波清洗的应用

超声波清洗被日益广泛应用于各行各业,例如:机械行业;表面处理行业;医疗行业;仪器仪表行业;

机电电子行业;光学行业;科教文化;钟表首饰;石

油化工行业;纺织印染行业等｡下面例举如下:

电镀前处理

电镀工艺,对工件表面清洁度要求较高,而超声波清洗技术是能达到此要求的理想技术｡利用超声波清洗技术,可以替代溶剂清洗油污;可以替代电解除油;可以替代强酸浸蚀去除碳钢及低合金钢表面的铁锈及氧化皮｡近年来诸多电镀厂商采用无锡美洁超声波清洗技术设备,替代电镀线原有的酸碱处理工位获得成功,使电镀件质量及产量较原来有更大提高,并改善了生产环境｡

冷轧钢板表面一般有油､污或少量铁锈,要洗干净比较容易,但经一般方法清洗后,工件表面仍残留一层非常细薄的浮灰,影响后续加工质量,有时不得不再采用强酸浸泡的办法去除这层浮灰｡而采用超声波清洗并适当的清洗液,可方便快捷地实现工件表面彻底清洁,并使工件表面具有较高的活性,有时甚至可以免去电镀前酸浸活化工序｡

传统的办法是采用盐酸或硫酸浸泡清洗｡如采用超声波综合处理技术,可以快捷地在几分钟内同时去除工件表面的油､锈､并避免了因强酸清洗伴随产生的氢脆问题｡

制药工业

超声波清洗技术经过众多制药企业的应用而得到广泛使用,特别是对西林瓶､口服液瓶､安瓶､大输液瓶的清洗以及对丁基胶塞､天然胶塞的清洗方面,已经得到首肯｡对于瓶类的清洗,是用超声波清洗技术代替原有的毛刷机,它经过翻转注水､超声清洗､内外冲洗､空气吹干､翻转等流程而实现的｡

滤芯

无论何种用途的过滤器,使用一段时间后,都会由于杂质而造成通透性降低而报废,普通滤芯价格较低还可以,但对于化纤行业,一只进口滤芯,价格近万元,弃之实在可惜｡若用超声波滤芯清洗机,采用聚能型超声波清洗机,它可把1KW以上的能量集中在200×20mm2的辐射面上,超声强度大,能够快速将堵塞物去除｡｡适用于PP绵滤芯､活性炭滤芯､中空纤维滤芯陶瓷膜滤芯｡

金属

众所周知,金属棒材经挤压成丝后,金属丝的外部往往有一层碳化膜和油,用酸清洗或其它清洗方法,很难让污物去除(尤其整盘丝),超声波洗丝机是根据实际生产需要而设计的一种连续走丝,高效清洗设备,粗洗部分由清洗液储槽､换能器､循环泵､过滤器及配套管道系统组成,金属丝经超声波粗洗精洗后,再经过吹干,从而完成整个清洗过程｡整套设备集成控制,简洁､方便､效果好,广泛用于钽丝､钨丝､钼丝､铌丝､铜丝(绝缘漆涂覆前)等其它金属丝｡

日常生活清洗

日常生产中,眼镜､首饰都可以用超声波进行清洗,速度快,无损伤,大型的宾馆､饭店用它清洗餐具,不仅清洗效果好,还具有杀灭病毒的作用｡

超声波清洗的优势

清洗效果好

就清洗方式而言,运用于工业清洗的清洗方式一般为手工清洗,有机溶剂清洗,蒸汽气相清洗,高压水射流清洗和超声波清洗｡超声波清洗被国际公认为当前效率最高,效果最好的清洗方式,其清洗效率达到了98%以上,清洗洁净度也达到了最高级别,而传统的手工清洗和有机溶剂清洗的清洗效率仅仅为60%-70%,即使是气象清洗和高压水射流清洗的清洗效率也低于90%｡不论工件形状多么复杂,将其放入清洗液内,只要是能接触到液体的地方,超声波的清洗作用都能达到｡尤其是对于形状和结构复杂､手工及其它清洗方式不能完全有效地进行清洗的工件,具有显著的清洗效果｡清洗时液体内产生的气泡非常均匀,工件的清洗效果也非常均匀一致｡超声波清洗可根据不同的溶剂达到不同的效果,如:除油,除锈或磷化｡配合清洗剂的使用,加速污染物的分离和溶解,可有效防止清洗液对工件的腐蚀｡

清洗成本低

在所有清洗方式中,清洗成本大体可分为:设备成本和消耗成本｡超声波清洗设备使用寿命约为十年,除设备购置成本高于手工清洗和有机碱性溶剂刷洗外,低于气相清洗和高压水射流清洗,对于消耗成本,以有效尺寸为600×400×350mm,功率为1KW,价格约为1万元的超声波清洗机为例,工作一小时,耗电1度,费用约为0.5元,碱性金属清洗剂1公斤,价格约为20元,可反复使用20-50个小时(根据污染程度而定),相当于0.4-1元/小时,而一般工件清洗时间仅为3-15分钟即可,且一次清洗可对一定数量及体积的工件同时清洗,因此对于消耗成本而言,采用超声波清洗,不仅清洗效果最好,而且清洗成本相当于不到0.04元/件,还不算节省的劳动力成本,远远低于其他各类清洗方法｡

避免劳动损伤

以往在肮脏的环境中通过繁重的体力劳动,需要长时间地进行手工清洗的复杂机械零件,应用了超声波清洗机以后,不仅改善了劳动环境,杜绝了手工清洗对工件产生的伤害,减轻了劳动强度,而且在大幅提高清洗精度的基础上,清洗时间缩短为原来的四分之一｡

超声波清洗还可有效地降低污染,减少有毒溶剂对人类的损害｡

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