Ультразвуковая очистка

Ультразвуковая очистка - способ очистки поверхности твердых тел, основанный на возбуждении в моющем растворе колебаний ультразвуковой частоты.

Ультразвуковая очистка - сложный процесс, сочетающий кавитацию с действием акустических течений, акустокапиллярным эффектом, радиационным давлением, что приводит к разрушению загрязнений и отделению их от поверхности очищаемого тела.

Важнейшим физическим эффектом, вызывающим интенсивную очистку очищаемых тел, является кавитация.

Вначале под кавитацией подразумевали разрыв жидкости при создании в ней отрицательных давлений. Однако прочность жидкости к разрыву весьма велика: для образования полости радиуса r ~ 3.10-10 м теоретически необходимо создать отрицательное давление ~ 10000 атм. По теории Зельдовича спонтанный разрыв однородной жидкости возможен при отрицательных давлениях не менее ~ 1000 атм. В то же время, кавитационная прочность жидкостей, не подвергнутых специальной обработке, составляет ~ 0,02-10 атм, и лишь для специально приготовленных образцов воды достигнута кавитационная прочность 275 атм. Столь низкую прочность жидкости связывают с наличием в ней различных микронеоднородностей (главным образом - микропузырьков, а также твердых микрочастиц, содержащих адсорбированные газы).

Таким образом, под кавитацией в настоящее время подразумевают не истинный разрыв жидкости, а пульсацию, рост, расщепление и другие типы движения уже присутствующих в жидкости пузырьков, а также их взаимодействие, когда в жидкостях создается пониженное, а затем повышенное давление. В отличие от движения обычных, равновесных пузырьков (они могут вводиться извне или образовываться спонтанно при кипении, дегазации, протекании химической реакции и т.д.), для движения кавитационных пузырьков должна существовать фаза их расширения и последующего сжатия.

Диапазон частот ультразвуковых аппаратов для очистки лежит в пределах 20-40 кГц; интенсивность ультразвуковых колебаний обычно составляет 0,5 - 5 Вт/см2. Выбор оптимальной интенсивности имеет существенное значение для ультразвуковой очистки.

Важным фактором, способствующим ультразвуковой очистке, является значительная интенсификация физико-химических процессов в жидкости под действием ультразвуковых колебаний, в частности, процесса растворения, что напрямую связано с выбором состава моющей жидкости.

Моющая жидкость должна обладать как можно большей химической активностью по отношению к загрязнениям, но в то же время быть нейтральной по отношению к материалу очищаемого изделия. Обычно чистую воду применять для ультразвуковой очистки нецелесообразно. Более эффективны водные растворы щелочей, кислот, солей с добавлением поверхностно-активных веществ.

Наиболее высокая растворяющая способность наблюдается у органических растворителей. Органические растворители хорошо проникают в зазоры, щели, отверстия, растворяя в них загрязнения. Недостатком этих растворителей является необходимость их частой регенерации, так как загрязненность их маслами, в значительной степени отражается на качестве очистки.

Интенсивность очистки зависит от температуры жидкости.

С одной стороны, повышение температуры приводит к увеличению давления насыщенных паров в пузырьках, препятствующего сжатию пузырьков, а, следовательно, и возникновению ударных волн и кумулятивных струй, что снижает эффективность воздействия отдельного кавитационного пузырька.

С другой стороны, при повышении температуры жидкости уменьшается растворимость газов, что приводит к увеличению количества кавитационных пузырьков.

Эти противоположно действующие факторы и обусловливают оптимальный температурный интервал воздействия кавитации на очистку. Экспериментально установлено, что наиболее благоприятной для эффективного растворяющего действия и воздействия ультразвуковой кавитации является температура моющей жидкости 20-25 ºС. Отмечено, что понижение температуры ниже 18-20 ºС нецелесообразно ввиду того, что на поверхности может конденсироваться влага, способная вызвать коррозию. В некоторых случаях, например, при очистке шлифованных деталей от жидких масел оптимальной является температура 40-50 ºС, а при очистке деталей от полировочной пасты температуру растворителя целесообразно выбирать в районе 60 ºС.

В настоящее время ультразвуковая очистка получила широкое распространение. С помощью ультразвука можно чистить как крупногабаритные детали, так и мелкие детали, например, элементы часовых механизмов.

Важнейшим достоинством ультразвуковой очистки является возможность очистки деталей сложной формы, в том числе, с полостями и отверстиями различной формы и размеров, например, для очистки труб (установки ТУЗ) , для очистки металлических сетчатых фильтроэлементов (установки "УЗОР") и др. При этом, качество очистки внутренних полостей такое же, как и открытой поверхности.

Ультразвуковая очистка легко встраивается практически в любой технологический процесс, в частности, при конвейерном изготовлении изделий. Поскольку в процессе ультразвуковой очистки не используется ручной труд, его несложно автоматизировать.

Неудивительно, что технология ультразвуковой очистки нашла применение в самых различных областях техники: от тяжелого машиностроения до медицинской и фармацевтической промышленности.

Технология ультразвуковой очистки реализуется с помощью ультразвуковых диспергаторов и ультразвуковых ванн.