超声波清洗剂配方技术
清洗剂

发布于 2023-10-06 10:06:14

超声波清洗技术已广泛应用于机械零部件的清洗(特别是精密零部件)、工件表面处理(如除锈、除油、磷化、钝化等)、镀前处理等领域,是清洗轴承、油泵、油嘴、液压元件、钟表零件、五金工具、汽车部件等的良好方法。随着技术的进步,超声波清洗应用正日益扩大,除机械及相关行业外,目前,已应用于电子、医疗卫生、工艺美术、医药及家庭等领域。超声波清洗的发展趋势是清洗装置的大型化,主要因为清洗物件在增大,超声电源功率在提高,一方面从原先的数百瓦到目前的数十千瓦,甚至更高;另一方面,由多台中小功率的超声电源组合使用代替大功率超声电源。此外,超声波清洗的另一发展趋势是超声清洗装置的自动化,超声波清洗多为多步清洗,从清洗到烘干,采用现代控制技术,实现超声波清洗生产线的自动化。

金属清洗是一种金属表面处理工艺 ,其目的是去除金属表面残留的加工润滑油、防锈油、微颗粒物质如无机盐和锈垢等 ,以利于下一步加工、磷化等表面处理或直接装配 .清洗剂一般分水基清洗剂型、溶剂型主要是氯氟烃型、半溶剂型 .清洗方式主要有超声波清洗、喷淋清洗、电解清洗、喷雾清洗、摇动清洗等 ,其中超声波清洗、喷淋清洗最为普遍；超声波清洗被国际公认为当前效率最高、效果最好的清洗方式，其清洗效率达到了98%以上，清洗洁净度也达到了最高级别，而传统的手工清洗和有机溶剂清洗的清洗效率仅为60%~70%，即使是气相清洗和高压水射流清洗的清洗效率也低于90%。不论工件形状多么复杂，将其放入清洗液内，只要是能接触到液体的地方，超声波的清洗作用都能达到。尤其是对于形状和结构复杂、手工及其它清洗方式不能完全有效地进行清洗的工件，具有显著的清洗效果。清洗时液体内产生的气泡非常均匀，工件的清洗效果也非常均匀一致。超声波清洗可根据不同的溶剂达到不同的效果，如：除油，除锈或磷化。配合清洗剂的使用，加速污染物的分离和溶解，可有效防止清洗液对工件的腐蚀。

超声波清洗主要用于清洗要求较高的工件，尤其是经过精密加工几何形状复杂的工件，如工件上的小孔深孔盲孔和凹槽等，能获得很好的清洗效果超声波清洗往往用于工件的最后清洗，超声波在介质中传播时产生穿透性和空化冲击波，很容易将带有复杂外形内腔和细空的零部件清洗干净，对一般的除油,防锈.磷化等工艺过程，只需2~3min即可完成，其速度比传统方法可提高几倍到几十倍，清洁度也能达到高标准，适合许多对产品表面质量和生产率要求较高的场合.

二、超声波清洗

2.1超声波清洗机理

超声波清洗污物主要是通过空穴作用来实现的 .当强力的超声波振荡在清洗液体中传播时,溶液中的空气会形成无数个微小气泡 ,进而产生近似真空的微小空穴 ,在超声波的作用下,这些密集的气泡破裂产生强烈的冲击波,使污物从物体表面剥离；超声清洗也被称作’无刷擦洗’其主要作用机理是超声空化作用。存在于液体中的微气泡(空化核)在声场的作用下,当声压达到一定值时,气泡将迅速增长,然后突然闭合,在气泡闭合时产生冲击波,在其周围产生上千个大气压,破坏不溶性污物而使它们分散在清洗液中。超声空化产生的局部高温形成蒸汽型空化,对污层直接反复冲击,一方面破坏污物与清洗件表面的吸附,另一方面也会引起污物的疲劳破坏而与工件表面脱离。气体型气泡的振动对固体表面进行擦洗,污层一旦有缝可钻,气泡还能’钻入’裂缝中作振动,使污层脱落。由于超声空化作用,两种液体在界面迅速分散而乳化,固体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时,油被乳化,固体粒子即自行脱落。空化导致液体本身的环流---声流也可对工件表面污物造成破坏而使其脱落。

声化协同除油过程,是将待洗试样及适用的清洗液一起置于超声场内,在化学作用的基础上,再施加一个强有力的超声波振荡作用。在超声空化的作用下,皂化和乳化作用得到了加强,超声震动又加速了油污的脱落。这时清洗液能及时与内层油污接触而进行反应。另外,超声波还产生高速搅拌清洗液的作用,使已与试样表面油污反应而微区贫化或失效的清洗液能及时离开试样表面,并得到周围还未参加反应的有效清洗液的及时补充,促使反应向除油方向进行。可见,超声波不仅本身有强有力的清洗作用,还能进一步促进化学清洗的进行,因而声化协同作用可明显提高除油除锈效率。

2.2超声波清洗的特点

由于超声波清洗采用非ODS水基清洗剂,所以超声波清洗是绿色清洗。超声波清洗法是一种先进的清洗方法,它具有独特的清洗效果。适用于清洗几何形状复杂的工件(如带有盲孔、深孔、弯孔、狭缝的工件)和不同材料的组合件。尤其适用于精度高、光洁度高、清洗质量要求高的中小型工件的清洗。只要工件浸到声场存在的地方,都可以被清洗。

超声波清洗技术的优点归纳如下:

1)清洗速度快,效率高;可降低清洗作业的劳动强度，不需人手接触清洗液,避免繁重肮脏的体力劳动,安全可靠;可延长被清洗部件的使用寿命;节省能耗(与其它清洗设备相比)、工作场地和人工等;

2)可大幅提高被清洗工件表面的洁净度，对带有深孔、细缝等形状和结构复杂的工件尤为适用;

3.超声波清洗采用非ODS水基溶剂,可有效地降低污染,减少有毒溶剂对人类的损害,是绿色环保的清洗技术。

2.3超声波清洗影响因素

1)清洗效果与清洗温度的统一

一般清洗剂剂的清洗剂效果好坏与溶解力、表面活性剂乳化能力、化学反应速度、吸附力等因数相关；化学反应速度一般是温度每升高10℃ ,反应速度提高一倍,表面活性力在一定温度范围内也因温度升高而加强.此外,加温可能改变污垢的物性,如脂肪类、矿物油类,温度升高,粘度降低,更容易被表面活性剂乳化所以温度高对清洗效果有利,但对于超声波清洗机而言,温度过高会削弱清洗的机械作用,从而对清洗效果产生不利影响.为了解决这一矛盾,我们选择采用以非离子表面活性剂为主的几种表面活性剂复配.非离子表面活性剂具有在低温、低浓度下取得高洗涤力的性能 .通常非离子表面活性剂在温度升到某个点时 ,会变为乳浊液 ,这个点就称为“浊点” .当清洗温度接近浊点时,可得到最佳清洗效果 .我们选则了一种浊点低于60℃ ,临界胶束浓度小于0.05g.L-1的非离子表面活性剂 ,以此为主要表面活性剂,再复配其它表面活性剂,使清洗剂在50~55℃下取得了优良的清洗效果.

2)低泡易漂洗

清洗剂产生的大量泡沫会影响超声波的作用 ,这就要求清洗剂低泡或消泡性好 .此外 ,对于被清洗的精密零件,其残留物有严格的要求,因此清洗剂要易于漂洗

3)腐蚀性防锈性

对于金属零件而言 ,采用水基清洗剂清洗,很重要的一部分工作就是防锈.因为如果零件不加防锈处理,在很短时间甚至离开洗液几分钟内就会腐蚀生锈,如铸铁件和铝件一种清洗剂要求同时对铸铁、钢、铝、铜都能防锈,这就需要几种缓蚀剂协同作用

三、超声波清洗应用：

超声波清洗被日益广泛应用于各行各业，例如：机械行业；表面处理行业；医疗行业、仪器仪表行业、机电电子行业、光学行业、半导体行业、科教文化、钟表首饰、石油化工行业和纺织印染行业等

3.1光学行业应用

3.1.1光学零件超声波清洗

光学零件超声波清洗 ,在光学工业生产中,特别是照相机、望远镜行业及其它专业化生产厂家已普遍采用。它代替了传统的手工清洗及精擦操作,使清洗及精擦的效率成倍或十多倍的增加,清洗及精擦质量也明显提高,为光学工业生产辅助工序实现机械化、自动化提供了条件。

光学镜片加工中不同的工序应有不同的清洗工艺，从整体流程看，可分为四道工序：洗涤、漂洗、脱水、干燥。光学零件超声波清洗,从最初的工序间零件清洗到抛光后零件清洗, 并发展到镀膜、胶合及装配前零件清洗.随着对超声波清洗光学零件质量越来越高的要求 ,对超声波清洗设备及清洗剂、脱水剂、干化剂等清洗辅料也相应的提出新的要求 ,并得到相应的发展 ,把光学零件超声波清洗推向一个新的阶段.

I抛光后光学零件清洗

光学零件在冷加工过程中 ,经过粗磨、精磨、抛光、磨边等工序 ,零件表面和边缘上 ,以物理吸附或化学结合有多种脏污物质 ,如火漆、柏油、抛光粉、玻璃粉、保护漆等都要清洗干净.

这里以国产CX-1六槽清洗机为例,其清洗辅料、工艺条件及工艺流程为:

第一槽0.5%氢氧化钠水溶液,加热、超声,清洗零件表面树脂类及油污物质。

第二槽1%硅-钠混合液,加热、超声,利用化学活性,除去零件表面少量的剩余污物。

第三槽自来水冲洗、超声、清洗零件表面的碱性物质。

第四槽酒精清洗及脱水、加冷却回流管 ,除去零件表面的水份及溶解于酒精的油污类物质。

第五槽酒精脱水、加冷却回流管 ,进一步脱水 ,防止水份带人下槽。

第六槽三氯乙烯、加热汽化、冷却回流 ,使附着零件表面的挥发物挥发 ,达到洗净、干燥之目的。也有将三氯乙烯改为三氟三氯乙烷(F113)加热汽化干燥。

为了适应化学稳定性差的光学零件的清洗 ,则将第一槽的碱性溶液改为溶剂汽油。为降低生产成本或供应困难 ,将F113汽化干燥改为酒精脱水 ,再用擦布手工擦干。这种方法虽然简单些 ,也可满足抛光后光学零件的清洗要求

II镀膜、胶合、装配前光学零件清洗

光学零件经冷加工抛光、磨边后,有的需要镀膜、胶合或直接运往装配 ,但进人这些工序前 ,都必须将零件表面擦试干净 ,直到用 6x放大镜检查无任何脏点及各种印迹为止,即达到精擦的要求.

这里以引进瑞士巴尔蔡司公司的USB-109九槽直链式全自动超声波清洗机,用于光学零件镀膜前清洗为例。其清洗辅料、工艺条件及流程为

第一槽碱性或酸性洗净剂、加热、超声。

第二槽去离子水、喷淋。

第三槽碱性或酸性洗净剂、加热、超声。

第四槽去离子水、喷淋。

第五槽去离子水、冲洗、超声。

第六槽脱水, Freon Tp-35或 Frig en TR-P等 ,加冷却回流管。

第七槽脱水、溶剂同前、超声、加冷却回流管。

第八槽干燥预处理, Freon TP-35溶液用循环处理机处理。

第九槽干燥、用Freon TF蒸汽浴、加热汽化、冷却回流.

根据清洗光学零件的材质是光学玻璃或化学稳定性差的光学玻璃或塑料等的不同、调换清洗辅料。一般采用多种洗净剂、异丙醇脱水及三氟三氯乙烷(Fll3)干化。

其中第六、七、八槽使用的脱水剂组份基本相同,为Fll3+异丙醇+抑制剂等组成,第九槽干化剂为超纯级Fll3。

从瑞士巴尔蔡司公司引进的还有十槽、十五槽清洗机;日本引进的 IM 1322A八槽及十一槽清洗机 ,根据光学零件精擦的洁净程度要求不同、用于镀膜、胶合或装配前的超声波清洗。

例如十五槽清洗机与九槽清洗机相比,则增加酸性洗净剂清洗及去离子水冲洗各两次、脱水两次,其中从脱水槽开始即在超净箱中进行,并有冷却回流装置,这样被清洗的光学零件可以获得更高的洁净表面。

清洗过的光学零件,用6x放大镜检查表面无脏点、印迹、放人玻璃罩内,即可转人镀膜、胶合或装配工序,根据现场观察 ,超声波清洗的光学零件表面的洁净程度比手工精擦好

3.光学零件清洗相关原料

洗净剂：主要由非离子型表面活性剂和助剂(硅酸盐、碳酸盐、聚合磷酸盐)鳌合剂等组成的多组份物质

脱水剂：主要是 Freo n Tp -35 ,即以Fll3与载体加人异丙醇和抑制剂组成的多组份溶剂

干化剂：主要是Freon TF ,即超级纯Fll3

硅-钠混合液：硅钠混合物组成%（十二烷基硫酸钠23%乙二胺四乙酸二钠盐40%磷酸钠31%硅酸钠6%）

3.2超声波清洗在机械行业应用

超声波清洗工艺多选用水基清洗剂，由于这类清洗剂比ODS清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, 超声波清洗作为一种先进、高效、绿色非ODS的现代清洗技术,在机械行业正越来越得到广泛的应用。

1)除油脂：包括乳化油、润滑油、防锈油等各种油脂。工件在防锈封存前、电镀前和涂装前都必须进行除油清洗,超声波清洗的关键是选用含针对性的表面活性剂和乳化剂的清洗液。

2)除锈及氧化皮：钢铁零件在轧制或热处理后,表面会生成一层 5~ 10Lm的氧化铁,超声波清洗可以用弱酸代替强酸、强碱,减少了公害,避免了氢脆。作为镀膜前处理工艺,提高了镀膜质量。

3)除污垢;除污垢清洗主要有:

1)除积碳:积碳是燃油和机油在高温缺氧条件下燃烧生成的硬质碳化物,与金属表面吸附,分子间结合强度极大,用一般方法很难去除,还可能损坏了活塞表面的光洁度。改用超声波清洗,清除彻底,不损坏工件表面质量,而且效率高。

2)油腻和油泥:工件被机油污染,再落入尘土,形成油腻附着力很强;油泥是机油、焦油、含氧酸、碳化物、灰及水的混合物,结合强度可达 10~15 kPa,用超声波清洗非常彻底。

3)涂镀前的清洗:电镀和喷漆前的清洗效果直接影响涂镀质量的好坏。除蜡和抛光膏清洗一直是困扰电镀业的难题,用超声波清洗则会解决这一难题。作为镀膜前处理工艺,提高了镀膜质量。

3.3超声波清洗剂常见组分

超声波清洗机所用的清洗剂多为液体洗涤剂，由表面活性剂、螯合剂、其他助剂，及有机溶剂如三氯乙烯等组成。

3.3.1表面活性剂

某物质当其溶于水即使浓度很小时，能显著降低水同空气的表面张力，或水同其他物质的界面张力，则该物质称为表面活性剂。水溶性表面活性剂的分子结构都具有不对称的、极性的特点。由于这种不对称的极性结构，表面活性剂被定向吸附在水溶液同其他相的界面上，这样大大改变了体系的物理性质，特别是各相界面的界面张力。

根据表面活性剂溶于水时亲水基团所表现出来的电性，可把表面活性剂分为阴离子、阳离子、中性及两性表面活性剂。

3.3.2螯合剂