二氧化碳雪清洗機理與發展概述

王文亞　李金龍

【摘 要】隨著生活水平的提高，對產品有了更加重要的要求，所以產品的清洗也日漸顯得更加重要，本文主要是提出了一種具有非常多優點的清洗方法，二氧化碳雪清洗，首先從二氧化碳在生活中 的應用來陳述二氧化碳清洗的范圍與優勢，其次具體描述了二氧化碳雪清洗的機理，最后陳述了二氧化碳清洗的設備布局與實驗過程。

【關鍵詞】二氧化碳雪;清洗;機理

中圖分類號： TQ649 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）21-0009-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.003

1 CO2雪清洗技術的發展狀況

生活中的產品絕大部分來自于工業環境，在加工，運輸，或者長時間在空氣中暴露都容易被污染，被污染的產品比如電路板，高精度工件都會大大降低產品的功能或者使用效率，因此對產品的表面清潔是非常迫切的一項工作，隨著科技的不斷發展，清洗技術也在不斷更新， CO2雪清洗技術也正在進入大眾的視覺，這種技術是一種非常綠色環保，高效率的清洗技術。

國內外的學者在CO2雪清洗技術的研究上做出了很多的貢獻。尤其是國外的學者在很久之前就做了很多相關的研究，比如1989年，Whitlock[1-2]研究了高速二氧化碳噴射可以有效去除亞微米顆粒。并進一步證明了二氧化碳可以有效去除碳污漬的薄層（指紋和面部油脂）和來自硅晶片的硅脂。Robert Sherman[3]基于表面污染的一系列金屬，硅片和絕緣體進行CO2雪清洗實驗，已經表明CO2雪清洗在減少表面污染方面與溶劑清洗一樣有效。 Xiaobing Feng[4]

研究通過實驗探索使用CO2雪去除μCMM觸針尖端表面碎片的適用性，研究表明二氧化碳雪清洗效率與潔凈度更好，并且在觸針尖端表面上沒有觀察到雪粒磨損的跡象?？梢员砻鞫趸佳┣逑磶缀醪粚η鍧嵁a品產生磨損。國內的熊楚才[5]也對CO2雪清洗技術做相關原理與應用的介紹。

雖然國內關于CO2雪清洗的論文不是很多，但是實際使用已經相對較廣，比如奧迪、寶馬汽車的內飾塑料與外部塑料零件的清洗、寶馬汽車的保險杠除油、微坐標測量儀針尖的清洗，電路板的清洗、光學鏡片的清洗等。相對于市場上存在的清洗技術CO2雪清洗技術有很多不可替代的優點：

（1）制備與清洗過程綠色環保。

（2）不需要處理廢液、廢水，不會造成二次污染，在整個清洗過程只有二氧化碳在發生相變，并無其它的物質產生。

（3）可以清洗產品范圍廣：電學元件、光學元件、晶體、陶瓷、醫用器材、國防器材等等。比如電學元件如果采用水清洗會影響電學元件的電路等，但是二氧化碳雪清洗機會是干燥清洗的過程，不會對電學元件電路產生影響。

（4）相對溶劑的清洗，不會留下可檢測的殘留物，屬于干燥清洗。

（5）對硅和磷化銦晶片，圖案化芯片，混合芯片，光學器件和聚合物等精密樣品沒有結構性損壞。

（6）易取得，便宜安全，高純度的二氧化碳的制備工藝已經非常成熟，并且安全可靠[6]。

2 CO2雪清洗技術的清洗機理

2.1 CO2雪形成過程

CO2雪清洗技術的清洗機理主要是利用了CO2的相變原理，高壓的CO2液體與氣體，通過文丘里噴嘴的減壓作用形成CO2小顆粒（雪），此過程實現的是液態與氣態到固態的轉變過程。

如圖1所示，在高壓高溫的時候，CO2主要為液態或者氣態，當經過文丘里嘴之后，壓強降低，圖上A點，T=-69O，P=75psla為氣、固與液體共存點，AB曲線為氣液共存區域，氣液共存的二氧化碳從鋼瓶口出來，壓強降低到OA曲線范圍，氣液變為氣固狀態，氣固兩相可以相互轉化而不經過液體的中間相，最后噴嘴噴出來的是雪狀的二氧化碳和氣體二氧化碳，所以在雪清洗的過程中對壓強的控制非常重要。

2.2 CO2雪清洗機理

CO2雪清洗主要利用顆粒之間的流動能量和動量之間的轉化。當產品表面的顆粒物在空氣拖曳力超過顆粒與表面之間的粘附力時，移動的流體將實現顆粒去除。而通過移動的流體去除亞微米顆粒通常是無效的，因為粘附力通常超過阻力。隨著二氧化碳雪清潔，小的CO2雪以高速撞擊表面并且雪和表面顆粒之間的動量轉移就可以克服附著力，從表面去除顆粒。一旦離開表面，顆粒就會被移動的CO2氣體沖走。

固體CO2雪撞擊工件表面，壓強增加，固體會液化，液體的CO2具有溶劑性能可以溶解一部分表面污垢。

3 CO2雪清洗整體設備布置

如圖2所示，二氧化碳雪清洗的整體設備布局分為四個模塊：液態二氧化碳、氣態二氧化碳，控制單元和噴嘴結構，CO2雪清洗主要是通過液態CO2與氣態CO2混合，再通過控制設備，使氣液二氧化碳變為氣固CO2，有CO2雪的生成，最后從噴嘴出來。

在整個清洗設備中，清洗噴頭的設計非常重要，噴頭是二氧化碳雪形成的關鍵結構部分，一般都采用文丘里管加特殊的噴嘴，文丘里管主要有漸縮段、喉部和漸擴段三段組成，其作用就是把氣流由粗變細，以加快氣體流速，如圖3所示，每個部分的尺寸對二氧化碳雪的制備都起到關鍵的作用，所以設計合理獨特的文丘里管，可以提高雪形成的效率與質量。

所以在應用中，不同的產品會專門設計不同尺寸的文丘里噴嘴，獨特的噴嘴結構設計可以使得運行穩定，不堵塞，清洗能力強，無間隔等特點。市場上現有很多形式的噴嘴，單噴嘴扁平出口：可以增加單噴嘴的清洗強度和面積;并列式的多噴嘴，可以實現噴嘴位置可調，每個噴嘴上的二氧化碳氣量可調，提高清洗的清潔度與效率;機械手式的噴嘴：可以實現自動化的清洗過程等。

4 二氧化碳雪清洗實驗過程

（1）二氧化碳制備。

純度不高的二氧化碳可能帶入有機物污染，但是現在高純度的二氧化碳制備技術已經相對成熟，只要按照標準工藝進行制備就可以得到高純度的二氧化碳。

（2）分析樣品可能產生污染的情況，最后提出如何制備無污染的實驗樣品。

可能產生污染：樣品本身與操作過程中。

樣品本身需要做多種清洗，使不同樣品具有相同的基礎環境，在操作過程中要注意夾持工具，空氣中可能會帶入的污染物，所以需要清潔夾持工具，要采用二氧化碳雪進行清洗。

（3）雪清洗試驗過程（注意每一部分的操作可能對清洗表面造成二次污染）。

首先需要調節壓縮空氣的壓力與流量，液態二氧化碳的流量，再打開噴嘴開關，對準清洗產品進行清洗。

5 總結

二氧化碳雪清洗是一種綠色，對產品無損傷，清潔度高的干燥清洗法，可以適用于較大范圍工業產品的清洗，更是一種經濟可靠的清洗方法，在整個清洗過程，設備布局與安裝都方便簡單，最需要注意的就是其清洗過程的設計，尤其是對二次污染的控制。

【參考文獻】

[1]W. Whitlock， Presented at the 20th Annual Meeting of the Fine Particle Society， Boston， MA， August 22， 1989.

[2]R.Sherman and W. Whitlock， J. Vac. Sci. Techno！.B 8，563（1990）.

[3]Robert Sherman， John Grob， and Walter Whitlock.Dry surface cleaning using CO2 snow. Journal of Vacuum Science & Technology B 9， 1970 （1991）;1970-1977.

[4]熊楚才.二氧化碳雪清洗技術，洗凈技術[J].2004.10，2（10）：64-70.

[5]Xiaobing Feng1， Peter K. Kinnell2， Simon Lawe，Development of CO2 snow cleaning for in situ cleaning of μCMM stylus tips，2016.11：1-20.

[6]蔣廣生.高純液態二氧化碳的生產技術和設備，硫磷設計與粉體工程[J].2005（1）：38-40.