超聲波洗衣技術去污性能研究

陳志棟+葉香美

摘 要：文中介紹了超聲波清洗的原理與應用現狀，簡要分析了超聲清洗機理、換能器理論和各種因素對超聲清洗的影響的研究進展。超聲波可以有效去除棉布上的污漬，大大加快清洗速度。文中研究了不同頻率、功率對常見污漬（質地為棉）的去污效果，給家用衣物洗滌方法提供了指導，具有一定的參考意義。

關鍵詞：超聲波清洗；頻率；功率；去污

中圖分類號：TB559；TP20 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）03-00-02

0 引 言

超聲波應用于質地堅硬物件的清洗已有很長的歷史，其清洗效率可以達到95%以上，洗滌潔凈度非常高。目前，超聲波洗衣機產品非常少，大多數超聲波洗衣機被認為是“雞肋”。這是因為超聲波清洗應用于日常家用衣物的研究非常少，無法給家用衣物洗滌方法提供指導。本文分析了超聲清洗機理、換能器理論和各種因素對超聲清洗影響的研究進展，定性研究了不同頻率、功率對常見污漬（質地為棉）的去污效果，具有一定的參考意義。

1 超聲波清洗原理

相關研究人員認為超聲波清洗的原理是超聲波在水中的空化作用造成的，空化氣泡直接或間接作用于污物，使污物被震散，溶解于水中，達到清洗的目的。超聲波的頻率一般需要達到20 kHz以上，這樣才會在水中形成真空的“空腔泡”，“空腔泡”對清洗物體的物理作用就是空化作用。

超聲波換能器是超聲波清洗中必不可少的換能元件，它能將電能轉換成機械振動，但幅度很小，約為幾微米，且振動速度及頻率很快。一般來說，超聲波清洗機上有許多換能器，當給它們添加一樣的頻率及相位的電能時，就會形成大功率機械振動，即我們平時所說的超聲波。換能器的數量越多，輸出功率就越大。超聲波清洗機整體結構如圖1所示。

2 超聲波清洗的影響因素

超聲波清洗主要利用空化作用去污，而空化作用的強弱與超聲波參數、液體條件有關，所以想要得到較好的清洗效果，需要考慮多方面因素。

2.1 超聲波頻率

能夠讓液體產生空化的最低聲強叫“空化閾”，增大頻率會使空化閾增大，并導致空化效果變差，增大功耗；如果頻率太低，會使空化噪聲過大，效率很低，甚至無法產生空化效果。

2.2 液體條件

洗滌液體本身就具有去污功能，而且超聲波還可以加強洗滌液的去污作用。洗滌液的濃度、粘度等特性都跟空化效果有直接關系。

2.3 液體溫度

空化作用的強弱與液體溫度也有很大關系。當液體溫度上升時，空化作用更容易產生，因此能加強超聲波的空化效果。

3 超聲波清洗去污效果

能夠產生超聲波空化現象的超聲波頻率以20～50 kHz最為合適，而頻率過高，反而不易產生空化作用，即使產生也需要消耗大量的能量，得不償失，并且很多能量會轉化為熱能被消耗。在真正清洗衣物時，洗滌劑必不可少，使用洗滌劑可以大大縮短清洗時間，但在實驗過程中，不添加洗滌劑，以免洗滌劑對結果造成影響。

3.1 超聲波頻率

3.1.1 實驗方法

實驗材料為相同的純棉白色毛巾，分別將其在100 mL的咖啡中浸泡10分鐘。液體為不加洗滌劑的清水，以便直觀觀察清洗結果。

3.1.2 清洗方法

實驗采用JK-TUC-360VDV三頻超聲波清洗器，該清洗器有28 kHz，40 kHz及80 kHz三種頻率可供選擇。且輸出功率可調，最大為1 080 W，自帶清洗液加熱功能，發熱設備功率為1 500 W，還可以設定清洗時間。

將三份白色毛巾編號①，②，③，在相同濃度的100 mL咖啡中浸泡10分鐘。JK-TUC-360VDV三頻超聲波清洗器放入1 L清水，將100 mL咖啡與浸染的白色毛巾一起放入超聲波清洗器的水槽中，設定好頻率、輸出功率、清洗時間。實驗參數如表1所列。

3.1.3 檢測方法

檢測方法利用精密型色差儀CQ-620進行色差測量。測量前先用黑色、白色標準板進行校準。色差越低，說明污漬去除效果越好。在洗完的毛巾處，選取3次進行測量，取平均值。

3.1.4 結論

原始白色毛巾的色差值為0.86，圖2所示為三種頻率下的毛巾色差值，色差越小，則表示清洗效果越好。由圖可見，隨著處理頻率的增加，清洗后的毛巾色差值也隨之增加，即殘留的污漬更多，這說明超聲波清洗的頻率并非越大越好。

從圖中可以看到，在28 kHz，40 kHz及80 kHz三種頻率下，28 kHz的清洗效果最好，但這不能說明頻率越小，清洗效果就越好，因為頻率太小，空化效果不明顯，甚至無法產生空化效果。本文的JK-TUC-360VDV三頻超聲波清洗器只有三種頻率，如果要進一步研究頻率對清洗效果的影響，應該選擇更多的超聲波頻率做實驗。

3.2 超聲波功率

3.2.1 清洗方法

從上面的結論可以得到在三種頻率中，28 kHz的超聲波頻率最好，因此在這個實驗室中，我們采用28 kHz的超聲波頻率。

準備三份白色毛巾，分別編號為①，②，③，④，⑤，⑥，在相同濃度的100 mL咖啡中浸泡10分鐘。JK-TUC-360VDV三頻超聲波清洗器放入1 L清水，將100 mL咖啡與浸染的白色毛巾一起放入超聲波清洗器的水槽中，設定好頻率、輸出功率、清洗時間，參數如表2所列。

3.2.2 檢測方法

檢測方法利用精密型色差儀CQ-620進行色差測量，測量前先用黑色、白色標準板校準。色差越低，說明污漬去除效果越好。在洗完的毛巾處，選取3次進行測量，并取平均值。

3.2.3 結論

圖3所示為不同功率下的毛巾色差值。

從圖中的數據可以看出，數據起伏較大，且并非功率越大，色差就越小。當功率為300 W、500 W、700 W時都略有反常，但大致可以看到隨著功率增大，色差就越小，清洗效果也越好的曲線。在100～400 W區間，色差變化較大，且隨著功率增大，效果較好，但在400～700W區間，功率增大，色差并沒有明顯變化。因此，選擇合適的工作功率對實現理想的清洗效果非常重要。

4 結 語

本文簡單介紹了超聲清洗原理及影響超聲波清洗的一些重要因素，并重點研究、分析了超聲波頻率、功率對超聲波清洗的影響，對今后的深入研究有一定的指導意義。同時為家用衣物洗滌方法提供指導，具有一定的現實意義。

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