超臨界CO2預(yù)處理復(fù)合清洗方法及其應(yīng)用

摘 要：再制造清洗的零部件表面污垢的成分復(fù)雜，傳統(tǒng)的單一清洗方法很難將這些污垢清洗干凈，本文提出一種超臨界CO2（SCCO2）預(yù)處理加濕噴丸清洗的復(fù)合清洗方法，介紹了SCCO2預(yù)處理的機(jī)理及影響因素，并指出里該復(fù)合清洗方法在再制造清洗中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超臨界CO2 濕噴丸 復(fù)合清洗 再制造

中圖分類(lèi)號(hào)：X701 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（a）-0024-02

目前在再制造清洗中采用的清洗方法很多，但是每一種清洗方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。其中，化學(xué)清洗技術(shù)對(duì)環(huán)境污染很?chē)?yán)重；高壓水射流清洗和濕噴丸清洗后產(chǎn)生大量廢液，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重；噴砂清洗則存在嚴(yán)重的粉塵污染，并且在清洗油污時(shí)會(huì)發(fā)生固體顆粒粘連在污垢上，不利于清洗的進(jìn)行；高溫清洗技術(shù)能耗高，污染嚴(yán)重，而且對(duì)零件的物理性能有一定影響；超聲清洗也會(huì)產(chǎn)生大量的廢液，而且清洗過(guò)程噪聲污染嚴(yán)重[1]。針對(duì)目前使用的清洗方法的不足，本文介紹一種SCCO2預(yù)處理加濕噴丸清洗的復(fù)合清洗方法，實(shí)現(xiàn)清洗過(guò)程的高效和清潔要求。

1 SCCO2預(yù)處理復(fù)合清洗方法

1.1 SCCO2預(yù)處理復(fù)合清洗方法介紹

SCCO2是指處于臨界壓力和臨界溫度以上的CO2流體，在特定的壓力和溫度條件下，CO2轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)[2]。氣體在進(jìn)入超臨界狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)特殊的物件特征，如低粘度、低表曲張力、高擴(kuò)散性和近液體密度等性質(zhì)。利用SCCO2這些特性對(duì)污垢進(jìn)行預(yù)處理，可以實(shí)現(xiàn)去除油污，以及讓污垢產(chǎn)生一系列物理變化，對(duì)預(yù)處理后的污垢件進(jìn)行濕噴丸清洗就可以達(dá)到去除污垢的目的。

SCCO2預(yù)處理復(fù)合清洗方法清洗過(guò)程見(jiàn)圖1所示，首先將再制造零部件放置SCCO2清洗設(shè)備中進(jìn)行SCCO2預(yù)處理，預(yù)處理的過(guò)程分為加壓、保壓和快速泄壓三個(gè)階段，然后對(duì)預(yù)處理后的零部件進(jìn)行濕噴丸清洗，清洗過(guò)后進(jìn)行干燥處理，處理后即可檢測(cè)再制造零部件的清潔度。

1.2 SCCO2預(yù)處理機(jī)理

根據(jù)現(xiàn)有的研究，SCCO2預(yù)處理對(duì)于不同的污垢類(lèi)型產(chǎn)生的作用不同，因此對(duì)于不同種類(lèi)的污垢，預(yù)處理作用的機(jī)理也不同。對(duì)于油污等分子量較小的有機(jī)物污垢，預(yù)處理過(guò)程中污垢會(huì)溶解在SCCO2中；對(duì)于漆層等分子量較大的污垢，預(yù)處理作用的機(jī)理主要是氣泡成核和溫度效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。

1.2.1 溶解度理論

根據(jù)相似相溶原理，SCCO2作為溶劑，其清洗主要是依賴(lài)于其對(duì)溶質(zhì)的溶解特性[3]。SCCO2流體為非極性溶劑，對(duì)非極性有機(jī)化合物有極強(qiáng)的溶解能力，因此可以很好地清除有機(jī)污垢。

由溶解度理論可以看出利用SCCO2溶解清洗時(shí)必須考慮其對(duì)清洗的污垢是否有溶解特性。污垢物質(zhì)的分子極性、分子結(jié)構(gòu)和分子量都會(huì)影響SCCO2對(duì)其的溶解力。同時(shí)，超臨界流體本身的密度值大小在溶解程中起著至關(guān)重要的作用，因此在預(yù)處理過(guò)程中對(duì)壓力和溫度的控制都會(huì)影響預(yù)處理的效果。

1.2.2 氣泡成核機(jī)理

氣泡成核機(jī)理是在超臨界狀態(tài)下，CO2擴(kuò)散到聚合物中形成聚合物/CO2均相體系，在快速泄壓的過(guò)程中，氣體分子聚集成核，在聚合物內(nèi)部形成大量微小的氣泡核，氣泡核成長(zhǎng)變成氣泡，氣泡繼續(xù)生長(zhǎng)達(dá)到氣泡膨脹力與阻力達(dá)到平成為止，從而形成多孔結(jié)構(gòu)[4]。在氣泡長(zhǎng)大的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，這些拉應(yīng)力作用在鄰兩個(gè)氣泡的氣泡壁上，隨著氣泡的不斷增長(zhǎng)，氣泡壁會(huì)變薄，當(dāng)氣泡壁強(qiáng)度無(wú)法承受膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力時(shí)，氣泡壁破裂，相鄰量氣泡合并。

根據(jù)氣泡成核理論，在SCCO2預(yù)處理中氣泡在污垢層與基體界面位置、污垢層內(nèi)部和污垢層表面在這三個(gè)位置形成，在泄壓后氣泡長(zhǎng)大對(duì)應(yīng)形成污垢層三種狀態(tài)的變化：界面裂紋、污垢層內(nèi)部裂紋和污垢層表面隆起，如圖2所示[5]。

1.2.3 溫度效應(yīng)

在SCCO2預(yù)處理過(guò)程中，污垢層和基體受熱脹作用體積都會(huì)發(fā)生膨脹，且污垢層體積膨脹比基體大，在預(yù)處理的溫度條件下污垢層接近粘流態(tài)，污垢層與基體之間應(yīng)力會(huì)重新分布。當(dāng)快速泄壓時(shí)，溫度會(huì)急劇降低，污垢層體積縮小比基體大，在污垢層內(nèi)部和污垢層與基體之間都會(huì)形成內(nèi)部拉應(yīng)力。在一定的處理?xiàng)l件下，污垢層內(nèi)部形成的拉應(yīng)力大于污垢層抗拉強(qiáng)度時(shí)，污垢層發(fā)生斷裂形成通道裂紋和側(cè)向裂紋。當(dāng)材料內(nèi)部存在剪切力的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生氣泡壁的斷裂，氣泡合并[6]，因此在污垢層與基體之間的氣泡壁上產(chǎn)生剪切力，氣泡壁斷裂，在污垢層與基體之間形成界面裂紋。

1.3 SCCO2預(yù)處理影響因素

根據(jù)上述對(duì)SCCO2預(yù)處理機(jī)理的研究可以看出，壓力和溫度會(huì)影響SCCO2密度，進(jìn)而影響預(yù)處理效果。同時(shí)，保壓時(shí)間和泄壓時(shí)間也會(huì)影響預(yù)處理的效果。

1.3.1 壓力的影響

對(duì)于油污污垢，隨著SCCO2壓力的升高，CO2流體密度的增大，其溶解能力增強(qiáng)，所以油污的去除率增加。對(duì)于漆層等高分子聚合物污垢，在壓力較低時(shí)，預(yù)處理后污垢層沒(méi)有產(chǎn)生裂紋，在壓力增大到一定時(shí)預(yù)處理后污垢層會(huì)產(chǎn)生裂紋，且隨著壓力的升高，裂紋尺寸增大，更有利于污垢的去除。

1.3.2 溫度的影響

溫度的升高會(huì)造成SCCO2流體密度減小，使其溶解能力減弱，因此對(duì)油污的去除效率減弱。對(duì)于漆層等高分子聚合物污垢，提高預(yù)處理溫度，在預(yù)處理過(guò)程中污垢層的流動(dòng)性增加，泄壓后由于溫度效應(yīng)，污垢層被形成的裂紋分割為更大的區(qū)域，更有利于污垢層的去除。

1.3.3 保壓時(shí)間的影響

SCCO2預(yù)處理油污時(shí)，污垢去除率在30min時(shí)基本趨于穩(wěn)定。由于隨著時(shí)間的推移，油垢的濃度逐漸降低，單位時(shí)間SCCO2所清除的污垢量減少，所以污垢去除率增加放緩。因此，對(duì)于油污，SCCO2預(yù)處理時(shí)間選擇為30min較為合適。而對(duì)于漆層等高分子聚合物污垢，增加預(yù)處理保壓時(shí)間不利于污垢層裂紋的形成，因此采用加壓之后直接泄壓的預(yù)處理方式。endprint

1.3.4 泄壓速度的影響

SCCO2預(yù)處理油污的主要機(jī)理是溶解度理論，因此泄壓速度對(duì)清洗油污沒(méi)有影響。對(duì)于高分子聚合物污垢，快速泄壓可以使更多的氣體分子保留在聚合物的內(nèi)部，有利于氣泡的形成；快速泄壓可以降低快速降低再制造零部件表面的溫度，預(yù)處理的溫度效應(yīng)增強(qiáng)，有利于污垢層裂紋的形成，從而提高污垢清洗效率。

2 應(yīng)用

SCCO2預(yù)處理復(fù)合清洗方法預(yù)處理溫度低，可以處理所有的金屬再制造零部件。單一的濕噴丸清洗方法清洗污垢時(shí)為了去除污垢及提高清洗效率，會(huì)增加射流壓力，這樣不可避免地會(huì)對(duì)基體造成損傷，而SCCO2預(yù)處理后污垢更容易去除，可以降低濕噴丸清洗射流的壓力，避免對(duì)基體的損傷。因此該復(fù)合清洗方法在再制造清洗中可以得到廣泛應(yīng)用。

再制造工藝流程中涉及到清洗的環(huán)節(jié)主要有拆解前清洗、檢查前清洗、再制造加工前清洗、裝配前清洗和涂裝前清洗[1]。零部件表面的清潔度直接影響著后續(xù)檢測(cè)、加工和裝配等環(huán)節(jié)的質(zhì)量，拆解和檢測(cè)前的清洗尤為重要。

由于長(zhǎng)期在惡劣的條件下服役，再制造產(chǎn)品的污垢形成的情況很復(fù)雜，污垢的種類(lèi)復(fù)雜多樣，零部件表面的污垢往往是油污、積碳、灰塵等多種污垢的混合物。利用SCCO2預(yù)處理先除去污垢中的油污，使污垢層結(jié)構(gòu)變得松散，然后用濕噴丸清洗，就可以很好地去除所有污垢。目前大連理工大學(xué)可持續(xù)設(shè)計(jì)與制造實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)發(fā)汽車(chē)動(dòng)機(jī)氣門(mén)積碳污垢和漆層的清洗，清洗效果理想，清洗效率也有很大的提高[5，7]。

3 展望

現(xiàn)有的研究只是對(duì)單一污垢進(jìn)行SCCO2預(yù)處理復(fù)合清洗方法的影響因素進(jìn)行研究，而不同污垢的預(yù)處理機(jī)理不同，預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)不同污垢預(yù)處理效果影響不同，再制造零部件表面的污垢成分復(fù)雜，現(xiàn)有研究沒(méi)有對(duì)不同污垢的混合物的預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行研究，在這方面下一步可以展開(kāi)相應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

目前SCCO2預(yù)處理復(fù)合清洗方法主要停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，因?yàn)轭A(yù)處理設(shè)備的反應(yīng)釜體積和設(shè)備成本的問(wèn)題，在再制造工業(yè)中沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，因此研究SCCO2預(yù)處理設(shè)備，降低生產(chǎn)成本，也是下一步的研究方向。

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