超聲波清洗技術發展研究

程 欣

(陜西學前師范學院 計算機與電子信息系,陜西 西安 710100)

超聲波清洗技術發展研究

程 欣

(陜西學前師范學院 計算機與電子信息系,陜西 西安 710100)

文章論述了超聲波清洗技術的原理特點,列舉了現有技術存在的幾個常見問題,指出了解決問題的關鍵因素。

超聲波；清洗技術；空化

隨著科技的快速發展,超聲技術已經越來越多地被人們用于生產生活的各個方面。超聲應用總體可以分為兩類：一類是利用低功率超聲進行信號的接收采集,比如超聲診斷與檢測；另一類是應用大功率的超聲來改變材料的性能和狀態,比如,超聲清洗、超聲焊接、超聲治療、超聲研磨、超聲霧化等,其中的超聲清洗已經成為大功率超聲應用最為廣泛的技術手段,應用范圍也從最初的機械、電子傳統行業逐步擴展到醫藥、食品化工、航天、核工業等新領域。

1 超聲清洗技術的優點

超聲清洗技術就是利用超聲換能器向清洗液中輻射超聲波,利用超聲波的能量對浸在液體中的零部件進行潔凈的過程。與傳統的人工清洗、高壓水射流清洗、有機溶劑清洗相比優勢明顯:首先,超聲清洗特別適合清洗表面形狀不規則的工件,比如精密儀器上的暗洞、狹縫、微孔等處,傳統的洗刷方法難以完成,利用超聲清洗則可以取得理想效果,并不會對器件產生或者會產生輕微損傷,安全高效,易于實現自動化,這是超聲清洗最為重要的優勢；其次,適合超聲清洗的工件品種以及對象也極為廣泛,從原來傳統電子行業的半導體器件、機械零件等發展到餐具器皿、集成電路、纖維織物等,特別是對于聲反射強的材料,如金屬、玻璃、塑料等,其清洗效果更好,超聲清洗的污物對象最初只是針對塵埃、油污等普通污物進行處理,現在對一些特種污染物也有很好的清洗效果,比如,聚合物、氧化物、放射性污染物等；在很多情況下,完全可以用水作為清洗劑進行作業,減少對環境的污染,實現節能環保。

2 超聲清洗技術工作原理

如原理圖所示,超聲波清洗主要設備由超聲發生器、超聲換能器和超聲清洗槽三部分組成。發生器產生電磁信號,是電源；換能器能夠將發生器產生的電磁振蕩信號轉換成本身的超聲振動,從而在清洗槽中產生空化現象；清洗槽相當于容器,用來放置待清洗工件以及清洗劑。超聲清洗過程主要是由清洗工件附近或表面的空化現象來實現,空化現象是在聲波的作用下,存在于液體中的空化核(微氣泡)發生振動,當超聲波的聲強或聲壓達到一定閾值時,氣泡迅速膨脹,然后瞬間閉合,產生沖擊波,在氣泡周圍產生1012～ 1013Pa 的壓力及局部高溫,這種物理現象被稱為超聲空化。空化現象所產生的非常大的壓力能破壞不溶性污物而使它們快速分散于溶液中,再加上蒸汽型空化對污垢層的直接反復沖擊,不僅破除了污物與清洗件表面的吸附,同時也會引起污物層的破壞而分離。另外,由于空化現象多產生于固體與液體的交界面,所以超聲清洗技術具有優勢,又由于超聲波具有良好的穿透性,可以清洗工件的另一側表面,以及盲腔、內孔等隱蔽部位,使得其表面附著的污垢得以脫落,再加上超聲波的乳化中和等作用,能夠非常有效地防止被清洗油污再一次附著在被清洗工件上,所以,超聲空化現象對于清洗物件的內外表面均有良好的清洗效果。當然,除了超聲空化作用外,超聲清洗技術還依靠包括超聲空化二級效應產生的微聲流的沖擊作用,以及超聲空化在固體和液體表面產生的高速微射流的洗刷作用。

超聲波清洗技術示意

3 現存問題

3.1 專業人才缺失

筆者分析大量科研資料發現,從事超聲清洗的專業技術人員非常缺乏,現有的從業人員很少有學習過專門的超聲技術相關知識的,多數都是其他專業的工作人員兼職,因為缺乏專業知識背景,車間現有的超聲清洗工藝不能夠實現多角度深層次的研究,超聲物理參數的影響研究少之又少,更談不上實驗研究的理論分析,實驗室研究與工廠車間的實際操作間嚴重脫節,缺乏有效溝通,致使超聲清洗設備的研發與改善發展緩慢。這也是造成該行業發展困難的最主要原因。

3.2 研究內容單一

分析當前科研文獻資料發現,超聲清洗研究課題非常單一,基本集中在傳統清洗工藝與超聲清洗技術對于被清洗工件清洗效果的簡單對比上,在實際生產過程中,嚴重缺乏對于聲學性能參數(如聲功率、聲強和聲波頻率)影響的考慮,比如在超聲清洗中,聲場強度較弱就可能不會有效地將污染物去除,相反如若太強,被清洗的零件就會損壞,甚至還會引起聲能分布不均,形成清洗盲區,影響清洗效果。沒有能夠建立起被清洗工件與各聲學參量之間最佳的匹配標準；同時,由于目前此類實驗中,鮮有對于超聲清洗槽的聲學性能進行詳細的分析測試,結果導致無法實現最佳條件設置,清洗效果也就很難實現嚴格保證。

3.3 超聲清洗劑品種缺乏多樣化

因為清洗劑的物理參數會對超聲空化作用產生影響,而超聲清洗技術的主要工作機制就是利用超聲空化現象,所以在不同實驗狀態下(不同的工件或者物理環境),清洗劑的選擇也是實驗研究的一個不容忽視的影響因素。首先,針對不同污物的性質,選擇去污效果佳的清洗劑,但是目前市面上基本都采用多酶清洗劑,品種過于單一；其次,還要考慮清洗劑本身的流速等物理參數對空化效果的影響,目前的研究基本沒有涉及這一方面；最后,隨著人們環保意識的增強,研發干凈的清洗劑勢在必行,從而減少對于環境的破壞。只有加強以上三個環節的研究開發,才能實現清洗劑與超聲設備的有效融合,進一步優化超聲清洗過程。

3.4 沒有有效的超聲清洗聲場測量方法

超聲清洗過程中,對于聲場的測量是一個較為復雜的難題,尤其是在低頻情況下,因為產生空化本身的過程,就容易使得測量傳感器損壞,同時,超聲作用產生的空化氣泡會對原有的超聲波進行散射,發生振蕩的氣泡也會產生聲波信號,要想把兩者的聲波信號加以區分,必然是一個復雜的過程,主要問題是定量化困難或者是不能全面、準確地反映聲場特征,因此,至今還沒有完全成熟的聲場測量方法。當務之急就是要能夠找到更為有效的聲場測量途徑,以便提供可以重復的、相對參量可以控制的試驗方法,進行更加深入的非線性清洗過程研究。

3.5 忽視了器械擺放位置對清洗效果的影響

超聲清洗所產生的聲場往往是不均勻的,因為聲波會在各種物質界面來回反射形成駐波,導致有些地方聲壓較大,有些地方聲壓較小,為了使得工件清洗徹底,最佳的位置是將工件放在聲壓最大處,然而由于缺少聲場的有效測量,人們往往忽視了工件在聲場中的位置因素,基本都會將待清洗物件非常隨意地放在清洗槽的底部,導致超聲清洗工件效果不佳。所以,對被清洗工件在超聲清洗機中的位置及擺放因素也要予以考慮。

4 結 論

為了解決目前存在于超聲清洗行業的諸多問題,筆者認為,最為關鍵的解決途徑,就是要全面培養從事超聲清洗的專業人員,這些技術人員必須具備相關的超聲技術應用知識,熟悉超聲清洗的要領和規則,能夠發現技術難點與問題瓶頸,依據具體的清洗環境變換不同的超聲物理參量,以便尋求衡量各種因素的最佳結合點。另外,除了超聲知識儲備以外,清洗從業人員應該同時具備相關領域(比如材料學、化學等)的專業知識,也應該具備針對不同的清洗對象、選用不同的清洗劑,以便能夠滿足不同清洗對象的要求,以期達到超聲清洗設備與化學清洗劑的完美融合,獲得最佳清洗效果。

綜上所述,全方位合作、多渠道培養專業人才是目前超聲清洗技術發展的方向與趨勢,只有這樣才能滿足實際超聲清洗技術要求,提高清洗效果,確保了器械安全,促進我國超聲清洗設備健康快速發展。

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10.13939/j.cnki.zgsc.2016.49.079

陜西省科學技術計劃項目(項目編號：15JK1180)；陜西學前師范學院科研基金項目(項目編號：2015YBKJ036)。

程欣(1979—),女,漢族,陜西西安人,理學碩士,講師。研究方向：應用超聲。