超聲波清洗技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用　恒科超聲波清洗機(jī)

超聲波清洗發(fā)展回顧
　　
　　二十世紀(jì)六十年代，自超聲波技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)：一定頻率范圍內(nèi)的超聲波，作用于液體介質(zhì)里，可以達(dá)到清洗的作用。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研究和試驗(yàn)，不僅得到了滿意的效果，而且發(fā)現(xiàn)其清洗效率極高，由此超聲波清洗機(jī)被逐漸運(yùn)用于各行各業(yè)中去。在應(yīng)用初期，由于電子工業(yè)的限制，超聲波清洗設(shè)備電源的體積比較龐大，穩(wěn)定性及使用壽命不太理想，價(jià)格昂貴，一般的工礦企業(yè)難以承受，但其出色的清洗效率及效果，仍然讓部分實(shí)力雄厚的國(guó)有企業(yè)一見(jiàn)傾心。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，新一代的電子元器件層出不窮，應(yīng)用新的電子線路以及新的電子元器件，超聲波電源的穩(wěn)定性及使用壽命進(jìn)一步的提高，體積減小，價(jià)格逐漸降低。二十世紀(jì)八十年代末，第三代超聲波電源問(wèn)世，既逆變電源，應(yīng)用最新IGBT元件。新的超聲波電源具有體積小，可靠性高，壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，清洗效率得以進(jìn)一步提高，而價(jià)格也降到了大部分企業(yè)可以接受的程度。
　　
　　超聲波清洗原理
　　
　　超聲波主要具有機(jī)械效應(yīng) (如傳聲媒質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移、速度、加速度、聲壓等力學(xué)量）、熱效應(yīng)(聲波在傳播過(guò)程中其部分能量被媒質(zhì)吸收變成熱能）和空腔效應(yīng)。其中空腔效應(yīng)是聲化學(xué)的應(yīng)用理論基礎(chǔ)，也最為重要?？涨恍?yīng)由成核、微泡生長(zhǎng)、空腔塌陷三步組成。在反應(yīng)體系中，液體內(nèi)存在張力弱區(qū)，即液體內(nèi)溶有氣體或在塵埃的液固界面上存在氣體 
　　— 作為氣核，在超聲波作用下，氣核膨脹長(zhǎng)大，并為周圍的液體蒸氣或氣體充滿，由于內(nèi)外壓力懸殊使空腔塌陷、破裂，把集中的聲場(chǎng)能量在極短的時(shí)間和極小的空間內(nèi)釋放出來(lái)，使介質(zhì)局部形成幾百到幾千K的高溫和超過(guò)數(shù)百個(gè)大氣壓的高壓環(huán)境，并產(chǎn)生出很大的沖擊力，起到激烈攪拌的作用，同時(shí)生成大量微泡。它們又作為新的氣核，使該循環(huán)繼續(xù)下去，這就是空腔效應(yīng)。 
　　
　　當(dāng)然并不是液體中所有的氣核都能產(chǎn)生空腔效應(yīng)，只有當(dāng)外加的超聲波頻率與氣核的固有頻率相同時(shí)，空腔效應(yīng)才能發(fā)生。同時(shí)也受到其它如聲波的強(qiáng)度、液體介質(zhì)的溫度以及介質(zhì)的蒸汽壓等的影響。誘導(dǎo)產(chǎn)生空腔效應(yīng)的超聲波頻率以20kHz～80kHz最為適當(dāng)。過(guò)高的頻率不易產(chǎn)生空腔效應(yīng)，即使產(chǎn)生也需要大量的能量，而且其中大部分能量被轉(zhuǎn)化為熱能，使介質(zhì)溫度明顯提高。低強(qiáng)度超聲波的應(yīng)用不會(huì)引起介質(zhì)的任何狀態(tài)變化，只有高強(qiáng)度超聲波的應(yīng)用才可能對(duì)介質(zhì)有強(qiáng)烈的影響，引發(fā)空腔效應(yīng)。對(duì)大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)來(lái)說(shuō)，反應(yīng)速度均隨聲強(qiáng)的增加而增加。但是，超聲波強(qiáng)度的作用受介質(zhì)溫度的影響極大。研究表明，隨著液體溫度的提高，聲強(qiáng)的影響明顯下降，在50℃水中發(fā)生的空腔效應(yīng)最大。 
當(dāng)超聲波電源將50Hz的日常供電頻率改變?yōu)?8KHz后，通過(guò)輸出電纜線將其輸送給粘接在盛放清洗溶液的清洗槽底部的超聲波發(fā)生器（換能器），由換能器將高頻的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)并發(fā)射至清洗液中，當(dāng)高頻的機(jī)械振動(dòng)傳播到液體里后，清洗液內(nèi)即產(chǎn)生上述空化現(xiàn)象，達(dá)到清洗的目的。由于超聲波的頻率很高，在液體中所產(chǎn)生的空化作用可以達(dá)到28000次/秒，幾乎可以說(shuō)是不斷地在進(jìn)行，在液體中由于空化現(xiàn)象所產(chǎn)生的氣泡數(shù)量眾多且無(wú)所不在，因此對(duì)于工件的清洗可以非常徹底，即使是形狀復(fù)雜的工件內(nèi)部，只要能夠接觸到溶液，就可以得到徹底的清洗，又因?yàn)槊總€(gè)氣泡的體積非常微小，因此雖然它們的破裂能量很高，但對(duì)于工件和液體來(lái)說(shuō)，不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械破壞和明顯的溫升。
　　
　　超聲波設(shè)備
　　
　　超聲波清洗設(shè)備主要由以下組件構(gòu)成：
　　
　　清洗槽：盛放待洗工件
　　
　　不銹鋼制成，可安裝加熱及控溫裝置。
　　
　　清洗槽底部粘接超聲波換能器。
　　
　　換能器（超聲波發(fā)生器）：將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能
　　
　　壓電陶瓷換能器，頻率、功率視具體機(jī)型。
　　
　　電源：為換能器提供所需電能
　　
　　逆變電源，進(jìn)口IGBT元件，安裝過(guò)流保護(hù)線路。
　　
　　換能器將高頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能之后，會(huì)產(chǎn)生振幅極小的高頻震動(dòng)并傳播到清洗槽內(nèi)的溶液中，在換能器的作用下，清洗液的內(nèi)部將不斷地產(chǎn)生大量微小的氣泡并瞬間破裂，每個(gè)氣泡的破裂都會(huì)產(chǎn)生數(shù)百度的高溫和近千個(gè)大氣壓的沖擊波，從而將工件沖刷干凈。
　　
　　清洗劑的配制
　　
　　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，還有其它有機(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(duì)稱的、極性的特點(diǎn)。
　　
　　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(lái)的電性，可把表面活性劑分為陰離子、陽(yáng)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)化合而達(dá)到清洗作用。
　　　　
　　某些助劑的加入，再起到以下作用：
　　
　　緩沖作用：使洗滌劑的PH值能維持穩(wěn)定。
對(duì)金屬的抗腐蝕作用。
　　
　　能增加洗滌劑的乳化能力和乳化穩(wěn)定性。
　　
　　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(guò)對(duì)它上盤膠、蠟、瀝青的溶解作用而達(dá)到清洗目的。
　　　　
　　超聲波清洗工藝
　　
　　光學(xué)鏡片加工中不同的工序應(yīng)有不同的清洗工藝，從整體流程上看，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(duì)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(duì)鏡片表面的濕潤(rùn)、滲透、乳化而綜合成的去污作用。
　　
　　漂洗，通過(guò)清水對(duì)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(guò)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(kāi)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(duì)鏡片引沖洗作用。經(jīng)過(guò)這些過(guò)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)環(huán)境及工作人員的影響。
　　
　　超聲波清洗的應(yīng)用
　　
　　超聲波清洗被日益廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，例如: 機(jī)械行業(yè); 表面處理行業(yè); 醫(yī)療行業(yè); 儀器儀表行業(yè); 
　　
　　機(jī)電電子行業(yè); 光學(xué)行業(yè); 科教文化；鐘表首飾；石
　　
　　油化工行業(yè) ；紡織印染行業(yè)等。下面例舉如下：
　　
　　電鍍前處理
　　
　　電鍍工藝，對(duì)工件表面清潔度要求較高，而超聲波清洗技術(shù)是能達(dá)到此要求的理想技術(shù)。利用超聲波清洗技術(shù)，可以替代溶劑清洗油污 ；可以替代電解除油；可以替代強(qiáng)酸浸蝕去除碳鋼及低合金鋼表面的鐵銹及氧化皮。近年來(lái)諸多電鍍廠商采用寧波博爾超聲波清洗技術(shù)設(shè)備，替代電鍍線原有的酸堿處理工位獲得成功，使電鍍件質(zhì)量及產(chǎn)量較原來(lái)有更大提高，并改善了生產(chǎn)環(huán)境。
冷軋鋼板表面一般有油、污或少量鐵銹，要洗干凈比較容易，但經(jīng)一般方法清洗后，工件表面仍殘留一層非常細(xì)薄的浮灰，影響后續(xù)加工質(zhì)量，有時(shí)不得不再采用強(qiáng)酸浸泡的辦法去除這層浮灰。而采用超聲波清洗并適當(dāng)?shù)那逑匆?，可方便快捷地?shí)現(xiàn)工件表面徹底清潔，并使工件表面具有較高的活性，有時(shí)甚至可以免去電鍍前酸浸活化工序。
　　
　　傳統(tǒng)的辦法是采用鹽酸或硫酸浸泡清洗。如采用超聲波綜合處理技術(shù)，可以快捷地在幾分鐘內(nèi)同時(shí)去除工件表面的油、銹、并避免了因強(qiáng)酸清洗伴隨產(chǎn)生的氫脆問(wèn)題。
　　
　　制藥工業(yè)
　　
　　超聲波清洗技術(shù)經(jīng)過(guò)眾多制藥企業(yè)的應(yīng)用而得到廣泛使用，特別是對(duì)西林瓶、口服液瓶、安瓶、大輸液瓶的清洗以及對(duì)丁基膠塞、天然膠塞的清洗方面，已經(jīng)得到首肯。對(duì)于瓶類的清洗，是用超聲波清洗技術(shù)代替原有的毛刷機(jī)，它經(jīng)過(guò)翻轉(zhuǎn)注水、超聲清洗、內(nèi)外沖洗、空氣吹干、翻轉(zhuǎn)等流程而實(shí)現(xiàn)的。 
　　
　　濾芯
　　
　　無(wú)論何種用途的過(guò)濾器，使用一段時(shí)間后，都會(huì)由于雜質(zhì)而造成通透性降低而報(bào)廢，普通濾芯價(jià)格較低還可以，但對(duì)于化纖行業(yè)，一只進(jìn)口濾芯，價(jià)格近萬(wàn)元，棄之實(shí)在可惜。若用超聲波濾芯清洗機(jī)，采用聚能型超聲波清洗機(jī)，它可把1KW以上的能量集中在200×20mm2的輻射面上，超聲強(qiáng)度大，能夠快速將堵塞物去除。。適用于PP綿濾芯、活性炭濾芯、中空纖維濾芯陶瓷膜濾芯。
　　
　　金屬
　　
　　眾所周知，金屬棒材經(jīng)擠壓成絲后，金屬絲的外部往往有一層碳化膜和油，用酸清洗或其它清洗方法，很難讓污物去除（尤其整盤絲），超聲波洗絲機(jī)是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要而設(shè)計(jì)的一種連續(xù)走絲，高效清洗設(shè)備，粗洗部分由清洗液儲(chǔ)槽、換能器、循環(huán)泵、過(guò)濾器及配套管道系統(tǒng)組成，金屬絲經(jīng)超聲波粗洗精洗后，再經(jīng)過(guò)吹干，從而完成整個(gè)清洗過(guò)程。整套設(shè)備集成控制，簡(jiǎn)潔、方便、效果好，廣泛用于鉭絲、鎢絲、鉬絲、鈮絲、銅絲（絕緣漆涂覆前）等其它金屬絲。 
　　
　　日常生活清洗
　　
　　日常生產(chǎn)中，眼鏡、首飾都可以用超聲波進(jìn)行清洗，速度快，無(wú)損傷，大型的賓館、飯店用它清洗餐具，不僅清洗效果好，還具有殺滅病毒的作用。 
　　
　　超聲波清洗的優(yōu)勢(shì)
　　
　　清洗效果好
　　
　　就清洗方式而言，運(yùn)用于工業(yè)清洗的清洗方式一般為手工清洗，有機(jī)溶劑清洗，蒸汽氣相清洗，高壓水射流清洗和超聲波清洗。超聲波清洗被國(guó)際公認(rèn)為當(dāng)前效率最高，效果最好的清洗方式，其清洗效率達(dá)到了98%以上，清洗潔凈度也達(dá)到了最高級(jí)別，而傳統(tǒng)的手工清洗和有機(jī)溶劑清洗的清洗效率僅僅為60%-70%，即使是氣象清洗和高壓水射流清洗的清洗效率也低于90%。不論工件形狀多么復(fù)雜，將其放入清洗液內(nèi)，只要是能接觸到液體的地方，超聲波的清洗作用都能達(dá)到。尤其是對(duì)于形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、手工及其它清洗方式不能完全有效地進(jìn)行清洗的工件，具有顯著的清洗效果。清洗時(shí)液體內(nèi)產(chǎn)生的氣泡非常均勻，工件的清洗效果也非常均勻一致。超聲波清洗可根據(jù)不同的溶劑達(dá)到不同的效果，如：除油，除銹或磷化。配合清洗劑的使用，加速污染物的分離和溶解，可有效防止清洗液對(duì)工件的腐蝕。
　　
　　清洗成本低
　　
　　在所有清洗方式中，清洗成本大體可分為：設(shè)備成本和消耗成本。超聲波清洗設(shè)備使用壽命約為十年，除設(shè)備購(gòu)置成本高于手工清洗和有機(jī)堿性溶劑刷洗外，低于氣相清洗和高壓水射流清洗，對(duì)于消耗成本，以有效尺寸為600×400×350mm，功率為1KW，價(jià)格約為1萬(wàn)元的超聲波清洗機(jī)為例，工作一小時(shí)，耗電1度，費(fèi)用約為0.5元，堿性金屬清洗劑1公斤，價(jià)格約為20元，可反復(fù)使用20-50個(gè)小時(shí)（根據(jù)污染程度而定），相當(dāng)于0.4-1元/小時(shí)，而一般工件清洗時(shí)間僅為3-15分鐘即可，且一次清洗可對(duì)一定數(shù)量及體積的工件同時(shí)清洗，因此對(duì)于消耗成本而言，采用超聲波清洗，不僅清洗效果最好，而且清洗成本相當(dāng)于不到0.04元/件，還不算節(jié)省的勞動(dòng)力成本，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他各類清洗方法。
　　
　　避免勞動(dòng)損傷
　　
　　以往在骯臟的環(huán)境中通過(guò)繁重的體力勞動(dòng)，需要長(zhǎng)時(shí)間地進(jìn)行手工清洗的復(fù)雜機(jī)械零件，應(yīng)用了超聲波清洗機(jī)以后，不僅改善了勞動(dòng)環(huán)境，杜絕了手工清洗對(duì)工件產(chǎn)生的傷害，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，而且在大幅提高清洗精度的基礎(chǔ)上，清洗時(shí)間縮短為原來(lái)的四分之一。
　　
　　超聲波清洗還可有效地降低污染，減少有毒溶劑對(duì)人類的損害