二氧化碳雪清洗機(jī)理與發(fā)展概述

王文亞　李金龍

【摘 要】隨著生活水平的提高，對(duì)產(chǎn)品有了更加重要的要求，所以產(chǎn)品的清洗也日漸顯得更加重要，本文主要是提出了一種具有非常多優(yōu)點(diǎn)的清洗方法，二氧化碳雪清洗，首先從二氧化碳在生活中 的應(yīng)用來(lái)陳述二氧化碳清洗的范圍與優(yōu)勢(shì)，其次具體描述了二氧化碳雪清洗的機(jī)理，最后陳述了二氧化碳清洗的設(shè)備布局與實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】二氧化碳雪;清洗;機(jī)理

中圖分類號(hào)： TQ649 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）21-0009-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.003

1 CO2雪清洗技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

生活中的產(chǎn)品絕大部分來(lái)自于工業(yè)環(huán)境，在加工，運(yùn)輸，或者長(zhǎng)時(shí)間在空氣中暴露都容易被污染，被污染的產(chǎn)品比如電路板，高精度工件都會(huì)大大降低產(chǎn)品的功能或者使用效率，因此對(duì)產(chǎn)品的表面清潔是非常迫切的一項(xiàng)工作，隨著科技的不斷發(fā)展，清洗技術(shù)也在不斷更新， CO2雪清洗技術(shù)也正在進(jìn)入大眾的視覺(jué)，這種技術(shù)是一種非常綠色環(huán)保，高效率的清洗技術(shù)。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在CO2雪清洗技術(shù)的研究上做出了很多的貢獻(xiàn)。尤其是國(guó)外的學(xué)者在很久之前就做了很多相關(guān)的研究，比如1989年，Whitlock[1-2]研究了高速二氧化碳噴射可以有效去除亞微米顆粒。并進(jìn)一步證明了二氧化碳可以有效去除碳污漬的薄層（指紋和面部油脂）和來(lái)自硅晶片的硅脂。Robert Sherman[3]基于表面污染的一系列金屬，硅片和絕緣體進(jìn)行CO2雪清洗實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)表明CO2雪清洗在減少表面污染方面與溶劑清洗一樣有效。 Xiaobing Feng[4]

研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索使用CO2雪去除μCMM觸針尖端表面碎片的適用性，研究表明二氧化碳雪清洗效率與潔凈度更好，并且在觸針尖端表面上沒(méi)有觀察到雪粒磨損的跡象。可以表明二氧化碳雪清洗幾乎不對(duì)清潔產(chǎn)品產(chǎn)生磨損。國(guó)內(nèi)的熊楚才[5]也對(duì)CO2雪清洗技術(shù)做相關(guān)原理與應(yīng)用的介紹。

雖然國(guó)內(nèi)關(guān)于CO2雪清洗的論文不是很多，但是實(shí)際使用已經(jīng)相對(duì)較廣，比如奧迪、寶馬汽車的內(nèi)飾塑料與外部塑料零件的清洗、寶馬汽車的保險(xiǎn)杠除油、微坐標(biāo)測(cè)量?jī)x針尖的清洗，電路板的清洗、光學(xué)鏡片的清洗等。相對(duì)于市場(chǎng)上存在的清洗技術(shù)CO2雪清洗技術(shù)有很多不可替代的優(yōu)點(diǎn)：

（1）制備與清洗過(guò)程綠色環(huán)保。

（2）不需要處理廢液、廢水，不會(huì)造成二次污染，在整個(gè)清洗過(guò)程只有二氧化碳在發(fā)生相變，并無(wú)其它的物質(zhì)產(chǎn)生。

（3）可以清洗產(chǎn)品范圍廣：電學(xué)元件、光學(xué)元件、晶體、陶瓷、醫(yī)用器材、國(guó)防器材等等。比如電學(xué)元件如果采用水清洗會(huì)影響電學(xué)元件的電路等，但是二氧化碳雪清洗機(jī)會(huì)是干燥清洗的過(guò)程，不會(huì)對(duì)電學(xué)元件電路產(chǎn)生影響。

（4）相對(duì)溶劑的清洗，不會(huì)留下可檢測(cè)的殘留物，屬于干燥清洗。

（5）對(duì)硅和磷化銦晶片，圖案化芯片，混合芯片，光學(xué)器件和聚合物等精密樣品沒(méi)有結(jié)構(gòu)性損壞。

（6）易取得，便宜安全，高純度的二氧化碳的制備工藝已經(jīng)非常成熟，并且安全可靠[6]。

2 CO2雪清洗技術(shù)的清洗機(jī)理

2.1 CO2雪形成過(guò)程

CO2雪清洗技術(shù)的清洗機(jī)理主要是利用了CO2的相變?cè)?，高壓的CO2液體與氣體，通過(guò)文丘里噴嘴的減壓作用形成CO2小顆粒（雪），此過(guò)程實(shí)現(xiàn)的是液態(tài)與氣態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。

如圖1所示，在高壓高溫的時(shí)候，CO2主要為液態(tài)或者氣態(tài)，當(dāng)經(jīng)過(guò)文丘里嘴之后，壓強(qiáng)降低，圖上A點(diǎn)，T=-69O，P=75psla為氣、固與液體共存點(diǎn)，AB曲線為氣液共存區(qū)域，氣液共存的二氧化碳從鋼瓶口出來(lái)，壓強(qiáng)降低到OA曲線范圍，氣液變?yōu)闅夤虪顟B(tài)，氣固兩相可以相互轉(zhuǎn)化而不經(jīng)過(guò)液體的中間相，最后噴嘴噴出來(lái)的是雪狀的二氧化碳和氣體二氧化碳，所以在雪清洗的過(guò)程中對(duì)壓強(qiáng)的控制非常重要。

2.2 CO2雪清洗機(jī)理

CO2雪清洗主要利用顆粒之間的流動(dòng)能量和動(dòng)量之間的轉(zhuǎn)化。當(dāng)產(chǎn)品表面的顆粒物在空氣拖曳力超過(guò)顆粒與表面之間的粘附力時(shí)，移動(dòng)的流體將實(shí)現(xiàn)顆粒去除。而通過(guò)移動(dòng)的流體去除亞微米顆粒通常是無(wú)效的，因?yàn)檎掣搅νǔ３^(guò)阻力。隨著二氧化碳雪清潔，小的CO2雪以高速撞擊表面并且雪和表面顆粒之間的動(dòng)量轉(zhuǎn)移就可以克服附著力，從表面去除顆粒。一旦離開(kāi)表面，顆粒就會(huì)被移動(dòng)的CO2氣體沖走。

固體CO2雪撞擊工件表面，壓強(qiáng)增加，固體會(huì)液化，液體的CO2具有溶劑性能可以溶解一部分表面污垢。

3 CO2雪清洗整體設(shè)備布置

如圖2所示，二氧化碳雪清洗的整體設(shè)備布局分為四個(gè)模塊：液態(tài)二氧化碳、氣態(tài)二氧化碳，控制單元和噴嘴結(jié)構(gòu)，CO2雪清洗主要是通過(guò)液態(tài)CO2與氣態(tài)CO2混合，再通過(guò)控制設(shè)備，使氣液二氧化碳變?yōu)闅夤藽O2，有CO2雪的生成，最后從噴嘴出來(lái)。

在整個(gè)清洗設(shè)備中，清洗噴頭的設(shè)計(jì)非常重要，噴頭是二氧化碳雪形成的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部分，一般都采用文丘里管加特殊的噴嘴，文丘里管主要有漸縮段、喉部和漸擴(kuò)段三段組成，其作用就是把氣流由粗變細(xì)，以加快氣體流速，如圖3所示，每個(gè)部分的尺寸對(duì)二氧化碳雪的制備都起到關(guān)鍵的作用，所以設(shè)計(jì)合理獨(dú)特的文丘里管，可以提高雪形成的效率與質(zhì)量。

所以在應(yīng)用中，不同的產(chǎn)品會(huì)專門設(shè)計(jì)不同尺寸的文丘里噴嘴，獨(dú)特的噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使得運(yùn)行穩(wěn)定，不堵塞，清洗能力強(qiáng)，無(wú)間隔等特點(diǎn)。市場(chǎng)上現(xiàn)有很多形式的噴嘴，單噴嘴扁平出口：可以增加單噴嘴的清洗強(qiáng)度和面積;并列式的多噴嘴，可以實(shí)現(xiàn)噴嘴位置可調(diào)，每個(gè)噴嘴上的二氧化碳?xì)饬靠烧{(diào)，提高清洗的清潔度與效率;機(jī)械手式的噴嘴：可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的清洗過(guò)程等。

4 二氧化碳雪清洗實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）二氧化碳制備。

純度不高的二氧化碳可能帶入有機(jī)物污染，但是現(xiàn)在高純度的二氧化碳制備技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，只要按照標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行制備就可以得到高純度的二氧化碳。

（2）分析樣品可能產(chǎn)生污染的情況，最后提出如何制備無(wú)污染的實(shí)驗(yàn)樣品。

可能產(chǎn)生污染：樣品本身與操作過(guò)程中。

樣品本身需要做多種清洗，使不同樣品具有相同的基礎(chǔ)環(huán)境，在操作過(guò)程中要注意夾持工具，空氣中可能會(huì)帶入的污染物，所以需要清潔夾持工具，要采用二氧化碳雪進(jìn)行清洗。

（3）雪清洗試驗(yàn)過(guò)程（注意每一部分的操作可能對(duì)清洗表面造成二次污染）。

首先需要調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力與流量，液態(tài)二氧化碳的流量，再打開(kāi)噴嘴開(kāi)關(guān)，對(duì)準(zhǔn)清洗產(chǎn)品進(jìn)行清洗。

5 總結(jié)

二氧化碳雪清洗是一種綠色，對(duì)產(chǎn)品無(wú)損傷，清潔度高的干燥清洗法，可以適用于較大范圍工業(yè)產(chǎn)品的清洗，更是一種經(jīng)濟(jì)可靠的清洗方法，在整個(gè)清洗過(guò)程，設(shè)備布局與安裝都方便簡(jiǎn)單，最需要注意的就是其清洗過(guò)程的設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)二次污染的控制。

【參考文獻(xiàn)】

[1]W. Whitlock， Presented at the 20th Annual Meeting of the Fine Particle Society， Boston， MA， August 22， 1989.

[2]R.Sherman and W. Whitlock， J. Vac. Sci. Techno！.B 8，563（1990）.

[3]Robert Sherman， John Grob， and Walter Whitlock.Dry surface cleaning using CO2 snow. Journal of Vacuum Science & Technology B 9， 1970 （1991）;1970-1977.

[4]熊楚才.二氧化碳雪清洗技術(shù)，洗凈技術(shù)[J].2004.10，2（10）：64-70.

[5]Xiaobing Feng1， Peter K. Kinnell2， Simon Lawe，Development of CO2 snow cleaning for in situ cleaning of μCMM stylus tips，2016.11：1-20.

[6]蔣廣生.高純液態(tài)二氧化碳的生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備，硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程[J].2005（1）：38-40.