超聲波清洗機(jī)原理及工藝
文章來源:蘇州富怡達(dá)超聲波有限公司  未經(jīng)同意禁止轉(zhuǎn)載  2008年12月9日
超聲波清洗技術(shù)以其潔凈度高、清洗快速、并節(jié)省大量人力而得到廣泛應(yīng)用。本文簡單介紹超聲波的清洗原理、超聲波清洗工藝、清洗劑的配制等幾個(gè)方面 的問題。
一、超聲波清洗原理
超聲波清洗機(jī)理極為復(fù)雜，到目前為止，還有許多問題有待研究人員論證。目前，相關(guān)人員對以下提法形成了共識(shí)，利用超聲場所產(chǎn)生強(qiáng)大的作用力，以促使物質(zhì)發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化而達(dá)到清洗目的。具體來說：當(dāng)超聲波的高頻(20-100KHZ)聲能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并傳給清洗液介質(zhì)以后，液體介質(zhì)在這種高頻波振動(dòng)下將會(huì)產(chǎn)生近真空的“空腔泡”，“空腔泡”對清洗對象的強(qiáng)烈的作用稱為“空化作用”。
“空化作用”的有關(guān)理論如下：
1．主腔泡在液體介質(zhì)中不斷碰撞、消失、合并時(shí)，可使用周圍局部產(chǎn)生極大的壓力，這種極其強(qiáng)大的壓力足以能使物質(zhì)分子發(fā)生變化，引起各種化學(xué)變化(斷裂、裂解、氧化、還原、分解、化合)和物理變化(溶解、吸附、乳化、分散等)。
2．共振作用，當(dāng)空泡胞的本征變化頻率與超聲波的振動(dòng)頻率相等時(shí)，便可產(chǎn)生共振，共振的空腔泡內(nèi)因聚集了大量的熱能，這種熱能足以能使周圍物質(zhì)的化學(xué)鍵斷裂而引起一系列的化學(xué)、物理變化。
3．當(dāng)空腔泡形成時(shí)，兩泡壁間因產(chǎn)生較大的電位差而引起放電，致使腔內(nèi)的氣體活化，這種活化了的氣體進(jìn)而引發(fā)了周圍物質(zhì)活化，從而使物質(zhì)發(fā)生一系列化學(xué)、物理變化。可見，“空化作用”提供了物質(zhì)在發(fā)生物理、化學(xué)變化時(shí)所需的能量，但是理想的清洗速度和效果還要取決于清洗介質(zhì)，即清洗液的性質(zhì)。這種性質(zhì)體現(xiàn)在清洗液與污物間所發(fā)生的各種物理、化學(xué)變化，要能夠削弱和去除污物與玻璃零件表面間的附著力和結(jié)合力，并伎清洗保持原有的表面外觀。
二、清洗劑的配制
    在討論清洗劑的配制時(shí)，首先要想到清洗劑對污物的清洗原理及清洗過程。洗滌歷史雖然已久，但因洗滌過程及體系的高度復(fù)雜，至今理論界對之仍只具備理論上研究而對洗滌過程難以達(dá)到數(shù)據(jù)控制。這是因?yàn)槿芤后w系是多相分散體系。分散介質(zhì)又是含有各式各樣組分的復(fù)雜溶液：體系中涉及的表面和界面，以及污垢的性質(zhì)都極為復(fù)雜。具體到光學(xué)鏡片鍍膜前的清洗，簡言之：由于清洗液的存在，使水的表面張力得到極大程度的降低，并使固液面發(fā)生極大程度的潤濕、滲透、乳化等一系列的化學(xué)作用，從而使污物脫離固體表面而使鏡片表面干凈、無塵。特別要注意的是，由于光學(xué)鏡片的組成材料及比例差別很大，造成其表面硬度和化學(xué)活性也相徑庭。為保護(hù)鏡頭表面在消洗過程中不受清洗劑的腐蝕以及鏡片能得到快速徹底地清洗，所以要十分注意清洗劑原料的選擇及合理的比例。
    超聲波清洗機(jī)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，其它有機(jī)溶劑如三氯乙烯。 某物質(zhì)當(dāng)其溶于水即使?jié)舛群苄r(shí)，能顯著降低水同空氣的表面張力，或水同其他物質(zhì)的界面張力，則該物質(zhì)稱為表面活性劑。水溶性表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)都具有不對稱的、極性的特點(diǎn)。分子中同時(shí)具有親水基和親油基，由于這種不對稱的極性結(jié)構(gòu)，表面活性劑被定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(zhì)，特別是各相界面的界面張力。根據(jù)表面活性劑溶于水時(shí)親水基團(tuán)所表現(xiàn)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(wěn)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(shí)，又可和鏡片表面的某些含Ca2+、Mg2+的物質(zhì)螯合而達(dá)到清洗作用。
    某些助劑的加入，再起到以下作用：
1、緩沖作用：使洗滌劑的PH值能維持穩(wěn)定。
2、對金屬的抗腐蝕作用。
3、能增加洗滌劑的乳化能力和乳化穩(wěn)定性。
4、可使溶液具有很好的懸浮能力和穩(wěn)定懸浮系統(tǒng)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(qiáng)的清洗能力；(2)化學(xué)性質(zhì)柔和，不損傷被洗物；(3)組分之間不發(fā)生化學(xué)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(yīng)由具體實(shí)驗(yàn)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(dá)到清洗目的。
 三、超聲波清洗工藝
    以光學(xué)鏡片為例，光學(xué)鏡片加工中不同的工序應(yīng)有不同的清洗工藝，從整體流程看，可分為四道工序：洗滌、漂洗、脫水、干燥。洗滌主要利用有機(jī)溶劑如三氯乙烯對上盤膠、蠟、防霉劑等的高度溶解而達(dá)預(yù)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(jīng)漂洗后的鏡片表面含有大量水分，進(jìn)入脫水劑中進(jìn)行脫水，脫水劑多為有機(jī)溶劑，和水能充分混溶。干燥：干燥劑應(yīng)和脫水劑沸點(diǎn)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(tài)流經(jīng)鏡片表面對鏡片引沖洗作用。經(jīng)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(jī)溶劑，對環(huán)境及操作人員都有或多或少的影響，為了避免這些影響，現(xiàn)代的超聲波清洗技術(shù)已對干燥工藝進(jìn)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(tài)，再由過濾的熱風(fēng)干燥，既為快速、有效地干燥鏡片，又可避免有機(jī)溶劑對環(huán)境及工作人員的影響。 超聲波清洗工藝應(yīng)用剛剛起步，它還可推廣到光學(xué)冷加工的各個(gè)工序、主機(jī)裝配、金屬精密件、醫(yī)療器械的清洗等方面，所以在還有很大的發(fā)展空間。