绿色非ODS超声波清洗技术

２００２年第　２　期 声学与电子工程 总第　６６　期　绿色非ＯＤＳ超声波清洗技术　
任金莲　牛勇　张明铎　
（陕西师范大学物理学与信息技术学院　西安　７１００６２）　
摘要本文介绍替代氟氯烃（ODS）清洗工艺的绿色非ODS超声波清洗技术，重点论述超声参量、清洗工艺、水基洗剂及清洗条件对清洗效果的影响。

关键词绿色非ODS 超声清洗工艺流程水基洗剂
１引言　
近半个世纪以来，氟氯烃（ODS-Ozone Depleting Substance臭氧层消耗物质）类清洗技术，它以化学性能稳定、去污力强、毒性低、与金属、非金属材料有极好相溶性及安全速干等独特的优点，在机械制造、电子、家电和军工等行业的清洗领域占据主导地位。

但它既是破坏地球表面臭氧层的元凶，又是造成环境污染的源头。

出于对保护臭氧层这一人类面临的全球性环境问题的急迫感，联合国决定在2005年全面禁止使用ODS类清洗技术[1]。

随着日期的临近，寻求各种替代ODS清洗工艺的研究和开发已成为世界各国关注的热点，而绿色非ODS 超声波清洗以其具有传统清洗技术所不具备的独特优势已广泛应用于不同的清洗领域，但清洗效果的好坏既与合理选用超声参量（频率、功率、声强及声场分布）有关，还与清洗工艺及其相应的辅助装置（定时加热系统、循环系统、过滤系统、分离、烘干等）密切相关，而且选择合适的非ODS水基清洗剂也是一个不容忽视的重要问题[2][3]。

本文介绍替代氟氯烃清洗工艺的绿色非ODS超声波清洗技术，重点论述超声参量、清洗工艺、水基洗剂及清洗条件对清洗效果的影响。

２超声波清洗参数的选取及工艺流程　
超声波清洗的主要机理是超声空化、声流、辐射压力和声学毛细效应。

存在于液体中的微气泡（空化核）在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速增长，然后突然闭合，在其周围产生上千个大气压的冲击波，破坏污垢薄膜与工件表面间的结合力，起到扯裂与剥离的作用。

声学辐射压力与声学毛细效应促使清洗介质渗入工件表面的微小凹陷和微孔，声流可促使污物加速从表面脱离，从而达到清洁工件表面的作用，这种过程纯属一种物理效应，对工件与环境无任何污染。

清洗效果的好坏，与选择合适的超声参量（频率、功率、声强及声场分布）有关。

在替代ODS清洗工艺的超声波清洗中，通常选用20kHz~40kHz的超声波频率，在精密清洗中则采用 100kHz~200kHz，而在去除细微污染物的半导体超精密清洗中则采用1MHz左右的高频超声。

使用20kHz~40kHz左右的超声频率，可得到相对小数量的空化泡，但有大的空化强度，清洗能力强，但清洗比较粗，适用于金属零件的清洗。

使用100kHz~200kHz左右的超声频率，在同样声压下，产生空化泡的数量相对比较多，但崩溃时产生的空化强度低，清洗能力弱，适应于电子部件的精密清洗。

当超声波在清洗液中传播时，声功率达到一定阈值时就会产生空化作用，不同液体其阈值也不同。

对于水来说，一般声功
－ 43 －
－ 44 －率密度超过0.3W ／cm 2时就能产生空化作用。

因此替代ODS 清洗工艺的超声波清洗设备常按0.3～0.5W ／cm 2来配置。

稳定的混响场对清洗有利，如果清洗槽中有驻波场，则因声压分布不均而使清洗工件得不到均匀的清洗，因此，在可能的条件下，清洗槽的几何形状要选择适合于建立混响场的形状。

除此以外，可以采用双频、多频和扫频工作方式以避免清洗“死区”［4］。

在选择合适超声波清洗参数的前提下，其清洗工序和工艺流程也十分重要。

清洗过程实质上是工件表面、污染物、清洗介质三者之间复杂的物理、化学和机械作用过程，清洗工艺不仅与污染物的性质、种类、形态以及粘附的程度有关，还与清洗介质的理化性质、性能及工件材质、表面状态有关。

替代ODS 清
洗的超声波清洗工艺一般常采用如图1所示的多槽式全自动、联合清洗程序，利用
可编程控制器（PLC ）对变频调速器进行控制以构成传输链条的平稳启动，快速位
移，平稳减速停机，利用光电定位装置使
工件能准确到位。

清洗时将工件装入用透
声材料做成的网篮中，进行自动、定时、
循环清洗。

对于有大量污垢的工件可采用
浸、喷、冲等方法进行预清洗，然后再进
行超声波清洗。

超声波清洗工艺多选用水基清洗剂，由于这类洗剂比ODS 洗剂对油脂及亲油污物的溶解性、渗透性和分散性能力差。

所以必须采用多槽式超声波加
温脱脂、超声波加温清洗，以加快污物的溶解和分散，使污物脱离工件（粗洗）。

超声波漂洗（精洗）是用纯水洗去工件表面所残留的清洗介质，因在清洗槽中工件表面污物虽然被清除，但工件仍处在不太干净的污染介质中。

高压冲淋是采用全方位从上至下的方式进行高压纯水喷射，以冲洗小盲孔及缝隙中的污染介质。

对冲淋后的洁净工件进行快速热风烘干或蒸汽烘干，以防工件表面氧化腐蚀。

油水分离和过滤系统的作用：一是采用油水分离器和表面溢流装置及时清除清洗液表面的油污；二是采用网式、袋式及磁性分离方法对清洗液进行逐级过滤，以保证清洗液的相对干净。

３选择合适的水基清洗剂　
水基清洗剂主要由表面活性剂及其它助洗剂
（缓冲剂、抑制剂、消泡剂等）复配而成，根据不
同的工件材质，选配不同的水基洗剂。

超声波清洗
的先决条件仍然是以清洗液能把污染物溶解为前
题，如果清洗介质不能润湿工件表面，即不能溶解
污染物，那么再强的超声波也无能为力。

清洗介质
能否溶解污染物，要看它对工件的润湿能力，润湿
图1非ODS 超声波清洗工艺流程 图2清洗液在工件表面的湿润状态
è
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能力代表了清洗介质穿透、渗透工作间隙和狭缝的能力。

润湿能力不仅与它自身的理化性质（密度、粘度、表面张力）有关，还与工件表面的性质形态有关，润湿能力用如图2所示的润湿角表示，润湿角è小于90 时，表明清洗介质可以润湿工件表面，润湿角è越小，表明润湿越好。

润湿角实际上就是水基洗剂与固体表面的接触角，它与水基洗剂的表面张力关系极大。

表面张力越小，越能润湿工件表面。

因此表面张力是选择水基洗剂的重要因素。

液体的表面张力，也是液体表面的自由能，是液体与空气之间的界面张力。

对于清洗过程来说，是工件表面、污染物、水基洗剂三相界面之间的相互作用。

下面分析清洗过程中，工件表面与清洗液间的界面张力ó工液、工件表面与油污间的界面张力ó工油、清洗液与油污间界面张力ó液油三者之间的关系。

如图3（a ）所示，油污落在工件表面，并处在平衡状态时，在工件表面与油污接触点0上，有油污的表面张力ó油，工件表面与油污间的界面张力ó工油，以及工件表面的张力ó工（即固体表面自由能），并形成一个润湿角è。

平衡时有如下关系
θσσσcos ×+=油工油工 （1）
即 油
工油工σσσθ−=cos （2） 当带油污工件放入清洗介质中时，发生如下变化：原工件表面的张力ó工变为工件与清洗液间的界面张力ó工液；原油污的表面张力ó油变为油污与清洗液间的界面张力ó液油；原油污在清洗液作用下，产生卷缩，润湿角è增大；当 è角增大至180 时，油污被卷离工件表面，如图3（b ）所示，即
液油
工油工液σσσθ−=cos （3） 当o 180=θ时，1cos −=θ，则1−=−液油
工油工液σσσ。

即 液油工液工油σσσ+= （4）
也就是说，当选用的清洗液与工件的界面张力加上清洗液与油污的界面张力等于工件与油污间的界面张力时，油污能被清洗掉，油污与工件的界面将被清洗液与工件的界面所置换，这样再加上超声波的独特作用，就能将工件表面的空穴、凹槽、狭缝和深孔的污物清洗干净。

（a ） (b)
图3 工件、液油、工油三表面张力之间的关系
油
工油 液油
工液
工液 工
－ 46 －４清洗条件对清洗效果的影响　
（1）温度对提高清洗效果和超声空化强度具有很大影响。

清洗过程要破坏污染物对工件表面的粘附，增加热能有利于克服粘附力。

提高温度可以增加清洗介质的活性，降低清洗介质的表面张力，降低污染物的粘度，提高清洗的效率和效果。

但是，并不是说温度越高越好，对不同性质的清洗介质来说，其最佳效果和最佳空化效应也有一定的温度范围，图4是水的空化强度与温度的关系[5]。

即水的最佳温度为50℃左右，所以水基清洗剂的最佳温度范围是35~65℃。

温度还影响清洗介质的蒸气压、
表面张力、粘度和密度四个物理因素，温度
升高到沸点时空化效应就会失去。

（2）延长清洗时间，固然会增加清洗
效果，但降低了生产效率，且达到一定时间
后，清洗效果也增加甚微。

由于超声波的空
化效应，时间过长会使工件表面产生空化腐
蚀，造成不良影响。

故清洗时间一般要在工
艺试验和生产实践中摸索掌握。

（3）装载工件的网篮，根据工件大小，
应选择最大限度的网孔，以保证最小的超声
波衰减。

（4）高压冲淋主要是对工件盲孔进行射流冲洗，其压力的大小应根据被洗工件的大小及材质的硬度而定，一般应选在1.5~2MPa 之间，太大有可能会损坏工件，太小则起不到冲淋的效果。

参考文献
1沈金宝，王锡光主编．淘汰氟氯烃清洗技术．北京:中国标准出版社,1999
2辛乐．超声波清洗设备的目前发展方向．应用声学．2000,19(2)
3王建明．功率超声技术的现状与展望．声学技术．1997,6(1)
4张镜澄，凌鸿烈．UC-40500调频超声清洗机．应用声学．1993,12(1)
5程存弟主编．超声技术-功率超声及应用．西安:陕西师大出版社,1993
6林书玉．功率超声技术的研究现状及其最新进展．陕师大学报．2001,29(3) 空化的破坏效果（相对值）
图4水空化强度与温度的关系。