超声波清洗技术发展研究

程 欣

(陕西学前师范学院 计算机与电子信息系,陕西 西安 710100)

超声波清洗技术发展研究

程 欣

(陕西学前师范学院 计算机与电子信息系,陕西 西安 710100)

文章论述了超声波清洗技术的原理特点,列举了现有技术存在的几个常见问题,指出了解决问题的关键因素。

超声波；清洗技术；空化

随着科技的快速发展,超声技术已经越来越多地被人们用于生产生活的各个方面。超声应用总体可以分为两类：一类是利用低功率超声进行信号的接收采集,比如超声诊断与检测；另一类是应用大功率的超声来改变材料的性能和状态,比如,超声清洗、超声焊接、超声治疗、超声研磨、超声雾化等,其中的超声清洗已经成为大功率超声应用最为广泛的技术手段,应用范围也从最初的机械、电子传统行业逐步扩展到医药、食品化工、航天、核工业等新领域。

1 超声清洗技术的优点

超声清洗技术就是利用超声换能器向清洗液中辐射超声波,利用超声波的能量对浸在液体中的零部件进行洁净的过程。与传统的人工清洗、高压水射流清洗、有机溶剂清洗相比优势明显:首先,超声清洗特别适合清洗表面形状不规则的工件,比如精密仪器上的暗洞、狭缝、微孔等处,传统的洗刷方法难以完成,利用超声清洗则可以取得理想效果,并不会对器件产生或者会产生轻微损伤,安全高效,易于实现自动化,这是超声清洗最为重要的优势；其次,适合超声清洗的工件品种以及对象也极为广泛,从原来传统电子行业的半导体器件、机械零件等发展到餐具器皿、集成电路、纤维织物等,特别是对于声反射强的材料,如金属、玻璃、塑料等,其清洗效果更好,超声清洗的污物对象最初只是针对尘埃、油污等普通污物进行处理,现在对一些特种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；在很多情况下,完全可以用水作为清洗剂进行作业,减少对环境的污染,实现节能环保。

2 超声清洗技术工作原理

如原理图所示,超声波清洗主要设备由超声发生器、超声换能器和超声清洗槽三部分组成。发生器产生电磁信号,是电源；换能器能够将发生器产生的电磁振荡信号转换成本身的超声振动,从而在清洗槽中产生空化现象；清洗槽相当于容器,用来放置待清洗工件以及清洗剂。超声清洗过程主要是由清洗工件附近或表面的空化现象来实现,空化现象是在声波的作用下,存在于液体中的空化核(微气泡)发生振动,当超声波的声强或声压达到一定阈值时,气泡迅速膨胀,然后瞬间闭合,产生冲击波,在气泡周围产生1012～ 1013Pa 的压力及局部高温,这种物理现象被称为超声空化。空化现象所产生的非常大的压力能破坏不溶性污物而使它们快速分散于溶液中,再加上蒸汽型空化对污垢层的直接反复冲击,不仅破除了污物与清洗件表面的吸附,同时也会引起污物层的破坏而分离。另外,由于空化现象多产生于固体与液体的交界面,所以超声清洗技术具有优势,又由于超声波具有良好的穿透性,可以清洗工件的另一侧表面,以及盲腔、内孔等隐蔽部位,使得其表面附着的污垢得以脱落,再加上超声波的乳化中和等作用,能够非常有效地防止被清洗油污再一次附着在被清洗工件上,所以,超声空化现象对于清洗物件的内外表面均有良好的清洗效果。当然,除了超声空化作用外,超声清洗技术还依靠包括超声空化二级效应产生的微声流的冲击作用,以及超声空化在固体和液体表面产生的高速微射流的洗刷作用。

超声波清洗技术示意

3 现存问题

3.1 专业人才缺失

笔者分析大量科研资料发现,从事超声清洗的专业技术人员非常缺乏,现有的从业人员很少有学习过专门的超声技术相关知识的,多数都是其他专业的工作人员兼职,因为缺乏专业知识背景,车间现有的超声清洗工艺不能够实现多角度深层次的研究,超声物理参数的影响研究少之又少,更谈不上实验研究的理论分析,实验室研究与工厂车间的实际操作间严重脱节,缺乏有效沟通,致使超声清洗设备的研发与改善发展缓慢。这也是造成该行业发展困难的最主要原因。

3.2 研究内容单一

分析当前科研文献资料发现,超声清洗研究课题非常单一,基本集中在传统清洗工艺与超声清洗技术对于被清洗工件清洗效果的简单对比上,在实际生产过程中,严重缺乏对于声学性能参数(如声功率、声强和声波频率)影响的考虑,比如在超声清洗中,声场强度较弱就可能不会有效地将污染物去除,相反如若太强,被清洗的零件就会损坏,甚至还会引起声能分布不均,形成清洗盲区,影响清洗效果。没有能够建立起被清洗工件与各声学参量之间最佳的匹配标准；同时,由于目前此类实验中,鲜有对于超声清洗槽的声学性能进行详细的分析测试,结果导致无法实现最佳条件设置,清洗效果也就很难实现严格保证。

3.3 超声清洗剂品种缺乏多样化

因为清洗剂的物理参数会对超声空化作用产生影响,而超声清洗技术的主要工作机制就是利用超声空化现象,所以在不同实验状态下(不同的工件或者物理环境),清洗剂的选择也是实验研究的一个不容忽视的影响因素。首先,针对不同污物的性质,选择去污效果佳的清洗剂,但是目前市面上基本都采用多酶清洗剂,品种过于单一；其次,还要考虑清洗剂本身的流速等物理参数对空化效果的影响,目前的研究基本没有涉及这一方面；最后,随着人们环保意识的增强,研发干净的清洗剂势在必行,从而减少对于环境的破坏。只有加强以上三个环节的研究开发,才能实现清洗剂与超声设备的有效融合,进一步优化超声清洗过程。

3.4 没有有效的超声清洗声场测量方法

超声清洗过程中,对于声场的测量是一个较为复杂的难题,尤其是在低频情况下,因为产生空化本身的过程,就容易使得测量传感器损坏,同时,超声作用产生的空化气泡会对原有的超声波进行散射,发生振荡的气泡也会产生声波信号,要想把两者的声波信号加以区分,必然是一个复杂的过程,主要问题是定量化困难或者是不能全面、准确地反映声场特征,因此,至今还没有完全成熟的声场测量方法。当务之急就是要能够找到更为有效的声场测量途径,以便提供可以重复的、相对参量可以控制的试验方法,进行更加深入的非线性清洗过程研究。

3.5 忽视了器械摆放位置对清洗效果的影响

超声清洗所产生的声场往往是不均匀的,因为声波会在各种物质界面来回反射形成驻波,导致有些地方声压较大,有些地方声压较小,为了使得工件清洗彻底,最佳的位置是将工件放在声压最大处,然而由于缺少声场的有效测量,人们往往忽视了工件在声场中的位置因素,基本都会将待清洗物件非常随意地放在清洗槽的底部,导致超声清洗工件效果不佳。所以,对被清洗工件在超声清洗机中的位置及摆放因素也要予以考虑。

4 结 论

为了解决目前存在于超声清洗行业的诸多问题,笔者认为,最为关键的解决途径,就是要全面培养从事超声清洗的专业人员,这些技术人员必须具备相关的超声技术应用知识,熟悉超声清洗的要领和规则,能够发现技术难点与问题瓶颈,依据具体的清洗环境变换不同的超声物理参量,以便寻求衡量各种因素的最佳结合点。另外,除了超声知识储备以外,清洗从业人员应该同时具备相关领域(比如材料学、化学等)的专业知识,也应该具备针对不同的清洗对象、选用不同的清洗剂,以便能够满足不同清洗对象的要求,以期达到超声清洗设备与化学清洗剂的完美融合,获得最佳清洗效果。

综上所述,全方位合作、多渠道培养专业人才是目前超声清洗技术发展的方向与趋势,只有这样才能满足实际超声清洗技术要求,提高清洗效果,确保了器械安全,促进我国超声清洗设备健康快速发展。

[1]冯若,李化茂.声化学及其应用[M].合肥：安徽科学技术出版社,1992:68-150.

[2]沈建中.超声清洗技术及其应用[J].洗净技术,2003(1):16-20.

[3]张爱勤.多酶洗液加超声清洗器清洗医疗器械效果[J].中国消毒学杂志,2008,25(5):556-557.

10.13939/j.cnki.zgsc.2016.49.079

陕西省科学技术计划项目(项目编号：15JK1180)；陕西学前师范学院科研基金项目(项目编号：2015YBKJ036)。

程欣(1979—),女,汉族,陕西西安人,理学硕士,讲师。研究方向：应用超声。