超声波清洗技术以其洁净度高、清洗快速、并节省大量人力而得到广泛应用。本文简单介绍超声波的清洗原理、超声波清洗工艺、清洗剂的配制等几个方面 的问题。 一、超声波清洗原理 超声波清洗机理极为复杂，到目前为止，还有许多问题有待研究人员论证，目前，相关人员对以下提法形成了共识，利用超声场所产生强大的作用力，以促使物质发生一系列物理、化学变化而达到清洗目的。具体来说：当超声波的高频(20-50KHZ)机械振动传给清洗液介质以后，液体介质在这种高频波振动下将会产生近真空的“空腔泡”，“空腔泡”对清洗对象的强烈的作用称为“空化作用”。“空化作用”的有关理论如下： 1．主腔泡在液体介质中不断碰撞、消失、合并时，可使用周围局部产生极大的压力，这种极其强大的压力足以能使物质分子发生变化，引起各种化学变化(断裂、裂解、氧化、还原、分解、化合)和物理变化(溶解、吸附、乳化、分散等)。 2．共振作用，当空泡胞的本征变化频率与超声波的振动频率相等时，便可产生共振，共振的空腔泡内因聚集了大量的热能，这种热能足以能使周围物质的化学键断裂而引起一系列的化学、物理变化。 3．当空腔泡形成时，两泡壁间因产生较大的电位差而引起放电，致使腔内的气体活化，这种活化了的气体进而引发了周围物质活化，从而使物质发生一系列化学、物理变化。可见，“空化作用”提供了物质在发生物理、化学变化时所需的能量，但是理想的清洗速度和效果还要取决于清洗介质，即清洗液的性质。这种性质体现在清洗液与污物间所发生的各种物理、化学变化，要能够削弱和去除污物与玻璃零件表面间的附着力和结合力，并伎清洗保持原有的表面外观。   二、清洗剂的配制   在讨论清洗剂的配制时，首先要想到清洗剂对污物的清洗原理及清洗过程。洗涤历史虽然已久，但因洗涤过程及体系的高度复杂，至今理论界对之仍只具备理论上研究而对洗涤过程难以达到数据控制。这是因为溶液体系是多相分散体系。分散介质又是含有各式各样组分的复杂溶液：体系中涉及的表面和界面，以及污垢的性质都极为复杂。具体到光学镜片镀膜前的清洗，简言之：由于清洗液的存在，使水的表面张力得到极大程度的降低，并使固液面发生极大程度的润湿、渗透、乳化等一系列的化学作用，从而使污物脱离固体表面而使镜片表面干净、无尘。特别要注意的是，由于光学镜片的组成材料及比例差别很大，造成其表面硬度和化学活性也相径庭。为保护镜头表面在消洗过程中不受清洗剂的腐蚀以及镜片能得到快速彻底地清洗，所以要十分注意清洗剂原料的选择及合理的比例。 超声波清洗机所用的清洗剂多为液体洗涤剂，组成模式为：表面活性剂、赘合剂、其他助剂，其它有机溶剂如三氯乙烯。 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。分子中同时具有亲水基和亲油基，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。螯合剂和溶液中的某些金属离子如Ca2+、Mg2+等形成稳定的螯合体，从而使洗涤剂具有抗硬水性的功能，具体到镜片清洗时，又可和镜片表面的某些含Ca2+、Mg2+的物质螯合而达到清洗作用。   某些助剂的加入，再起到以下作用： 1、缓冲作用：使洗涤剂的PH值能维持稳定。 2、对金属的抗腐蚀作用。 3、能增加洗涤剂的乳化能力和乳化稳定性。 4、可使溶液具有很好的悬浮能力和稳定悬浮系统的能力，可防止污垢再次沉降。表面活性剂、螫合剂、助剂的选择原则：(1)组成的洗涤剂具有较强的清洗能力；(2)化学性质柔和，不损伤被洗物；(3)组分之间不发生化学作用而使组分失效；(4)具有良好的漂清性。配制洗涤液的使用温度及浓度应由具体实验确定。三氯乙烯的作用是通过对它上盘胶、蜡、沥青的溶解作用而达到清洗目的。   三、超声波清洗工艺   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。洗涤主要利用有机溶剂如三氯乙烯对上盘胶、蜡、防霉剂等的高度溶解而达预洗目的，然后利用洗涤剂对镜片表面的湿润、渗透、乳化而综合成的去污作用。漂洗，通过清水对镜片表面的冲洗及超声作用，使洗涤后松散于镜片表面的洗涤剂脱离镜片表面。 脱水：经漂洗后的镜片表面含有大量水分，进入脱水剂中进行脱水，脱水剂多为有机溶剂，和水能充分混溶。 干燥：干燥剂应和脱水剂沸点相近，互溶性好，干燥过程大略为：(1)干燥剂蒸汽在镜片表面冷凝为液体；(2)干燥剂液体和镜片表面的脱水剂形成共沸物；(3)一部分共沸物形成蒸汽离开镜片表面；(4)一部分共沸物以液体的状态流经镜片表面对镜片引冲洗作用。经过这些过程后，使镜片表面洁净、干燥。由于使用的脱水剂及干燥剂均为有机溶剂，对环境及操作人员都有或多或少的影响，为了避免这些影响，现代的超声波清洗技术已对干燥工艺进行了改良，使用纯水漂洗，而省略脱水，漂洗后的镜片表面为纯水状态，再由过滤的热风干燥，既为快速、有效地干燥镜片，又可避免有机溶剂对环境及工作人员的影响。     超声波清洗工艺应用刚刚起步，它还可推广到光学冷加工的各个工序、主机装配、金属精密件、医疗器械的清洗等方面，所以在还有很大的发展空间。

四、超声波清洗行业中的几个重要问题

　

1、ODS清洗剂

ODS是消耗臭氧层物质(ozone depleting substance)的缩写．ODS在清洗行业中是指CFC—113、TCA，CTC三种清洗剂． ODS在中国清洗行业中具有特殊的重要意义：由于淘汰ODS．才引出了“中国清洗行业”的概念；淘汰ODS活动的不断开展．也加速和带动了清洗行业的快速发展．

在精密工业清洗以及衣服干洗等民用清洗领域，ODS清洗剂和清洗设备的使用非常普遍．几乎涉及所有工业领域。据调查，全国有近万家业

其中大部分是小消费企业，总用量超过1万吨．

众所周知，臭氧层的破坏，是当今人类社会面临的最为严重的环境问题之一．为了保护臭氧层。国际社会于1985制定了关于保护臭氧层的维也纳公约，1987年制定了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书．中国政府于1989年12月加入了维也纳公约，1 991年6月加入了蒙特利尔议定书．按照2000年3月得到联合国多边基金执委会批准的中国清洗行业整体淘汰ODS计划，多边基金资助中国政府5200万美元，帮助中国清洗行业全面淘汰ODS清洗剂。中国将于2003年12月终止CTC作为清洗剂的使用；于2005年1 2月停止CFC-113清洗剂的使用；于2009年1 2月终止TCA清洗剂的使用．

2、精密清洗设备

中国精密清洗设备的制造起步于20世纪90年代．在中国超声波清洗设备领域，波达公司占有非常重要的地位．由于采用了国外比较新的技

术和材料，生产的超声波清洗机满足了大量生产企业需求． 精密清洗设备是一种典型的非标准专用设备．要依据不同用户的要求进行设计生产．清洗同样的产品，因为企业不同，投资不同，甚至使用场地不同，生产的清洗设备就可能有很大的差别。

3．清洗剂

溶剂是一个很大的范畴，种类繁多，包括无机和有机两大类．无机溶剂包括无机酸．钠盐，磷酸盐、硅酸盐等有机溶剂包括有机酸，

烃类(石油类)、氯化物、氟化物，溴化物．醇类、聚硅氧烷。萜烯等．

清洗剂的分类方法也很多，各国都不尽相同，我们通常分成水系，半水系、非水系清洗剂三大类．

(1)水系

水是最重要的清洗剂，有着其它任何清洗剂无法替代的作用和地位．普通的水很容易从自然界中得到，水有很强的溶解力和分散力．但是水的表面张力大．在使用中需要添加表面活性剂，以减小表面张力，增加表面湿润性．在一般工业清洗中，酸，碱和水的配合比较常见，有些金属用水洗要加入防锈剂；在精密和超精密工业清洗中．大部分要求将水制成纯净水。通常以电阻率来衡量水纯度．半导体工业要求在 18M Ω?cm以上．而TN型液晶生产 10M Ω?cm就可以了，还有一些行业对细菌含量要求很严．

近几年，我国部分地区严重缺水，对清洗用水提出了挑战。有的城市已经严禁用普通水洗车，而只能使用回收的中水，或者雾化水的节水设备。在精密工业清洗中，制备纯水费用昂贵．水洗必然要加热和烘干．增加很多漂洗工艺．耗能大，运行成本通常比溶剂洗要高；另外，以往大量的含有化学活性剂和污垢的废水未经处理就直接排放．有些还挟带了毒性很大的重金属，严重地污染了环境，必须增加污水处理设施．

(2)半水系

半水系清洗剂也叫准水系清洗剂，是由高沸点溶剂及活性剂等组成．如醇类．乙二醇酯，有机烃类，N—甲基吡咯烷酮等．通常含有5％一20％的水分，一般不易燃烧．但加温清洗时．水含量控制不当．可能产生燃烧现象．半水系清洗与溶剂洗有一些不同．它的清洗原理是剥离去除．而不是溶解．为了防止已经剥落的油污再附到被清洗物上，清洗液要连续地循环，并增加油水分离器．半水洗通常清洗效果很好， 但运行成本较高．废液不能再生回收，重复使用，含COD(化学耗氧量) 较高，需要进行废水处理．

(3)非水系

非水系清洗剂是指不溶于水的有机溶剂．精密工业清洗使用的非水系清洗剂主要是烃类(石油类)、 氯代烃，氟代烃．溴代烃。醇类。有 机硅油、萜烯等有机溶剂．衡量溶剂的主要指标有KB值 (贝壳松脂丁醇值)，AP(苯胺点)、 SP溶解参数)。表面张力。密度、粘度，沸点．闪点、暴露浓度等参数． KB值很高，也就是溶解力很强的溶剂，不一定是好的清洗剂．一个好的精密工业清洗剂必须具备以下 条件：

①化学性能稳定、不易与被清洗物发生反应；

②表面张力和粘度小、渗透力强；

③沸点低，可以自行干燥；

④没有闪点、不易燃；

⑤KB值不应太高，避免与被清洗物相溶；

⑥低毒性、使用安全：

⑦非ODS和低GWP值(全球变暖潜能值)．环保．

如果不考虑上述第7条．最佳的清洗剂就是CFC-113和TCA．它们的化学稳定性好，可以长期保存不变质；对绝大多数金属、塑料、漆均无作用，不会发生溶解现象没有闪点，低毒、使用安全、表面张力小、渗透力强，清洗能力强、沸点低、蒸发速度快，清洗过的工件可以自行干燥，一般不需要烘干，因而被广泛应用在各种工业清洗中．但惟一的缺点就是破坏臭氧层，因而正在被逐步禁用，我国生产CFC-113清洗剂的企业现在只有常熟 3F 一家，产量从2000年的4800吨逐年递减，到2005年1 2月将减为零，完全停止生产和使用．

4、替代清洗剂产品

虽然世界各国都开发了各式各样的替代晶，但目前世界上还没有找到一种能够和CFC-113相媲美的替代清洗剂，它们都存在这样那样的问题，现在正在使用的主要替代

产品有；

(1)烃类

只含有碳和氢两种元素的烃类溶剂，在日本也叫作碳化水素或碳氢溶剂。根据其分子结构的不同，现在已经开发了多种性能的产品，日本使用比较广泛．该类清洗剂的优点是：非ODS，对油污的洗净力强．渗透性好．无味或微臭，毒性小．废液处理容易．可再生利用，价廉；缺点是有一定的易燃易爆性，干燥慢，对清洗设备要求高，一次性投入大。目前比较理想的是采用真空清洗方式，降低其表面张力，提高清洗能力，最后再使用真空干燥．设备造价很高，操作比较复杂，效率相对较低．

(2)氯代烃溶剂

现在使用的氯代烃清洗剂主要是三氯乙烯，二氯甲烷以及四氯乙烯．该类溶剂被广泛应用于清洗领域，主要是有以下优点和特征：

很低的ODP值(臭氧耗减潜能值)．O.005-0.007．几乎不会破坏臭氧层；在一般条件下使用具有不燃性。没有火灾或爆炸的危险(二氯甲烷在长时间强烈光照下可能爆炸)；对金属加工油．油脂等油污的溶解力大．对塑料和橡胶也可产生膨润或溶解：其粘度及表面张力小，渗透力强，可渗透狭小缝隙，彻底溶解清除附着污物；沸点低，蒸发热小，适合蒸汽清洗，清洗后可以自行干燥；废液可通过蒸馏分离，循环使用；可使用与CFC-11 3和TCA相同或相近的清洗工艺和设备，操作简单，效率高，运行费用低；缺点是毒性较高，一般在空气中的含量限制在为50PPM以下；有些劳动保护条例对使用它有明文限制；现在一些欧洲国家限制进口和使用这类含氯清洗剂的产品．

(3)溴代烃溶剂

最近几年．在美国，日本有溴系清洗剂面世．并在电子工业，航空工业。汽车工业，家电领域大量使用．据报道．波音飞机部件就是选用该类清洗剂清洗．溴系清洗剂的主要成分是高纯度的正溴丙烷(NPB)．其性能可以与CFC-113和TCA相媲美．主要技术参数与TCA几乎完全一样，湿润系数更好，对于金属零件的清洗能力更强．没有闪点，可以重复回收使用，运行成本很低。替代CFC-11 3和TCA，工艺完全一致，几乎不需要更换设备．只需要调整一下蒸洗温度就可以了，也被称为是“第三世界的替代清洗剂”．溴系清洗剂的ODP为0.006，在大气中寿命为11天，几乎没有GWP值．关于毒性还有争论，联合国环境规划署(UNEP)已经组织进行了5年多的实验．实验结果与理论分析有很大差异．美国环保局在 2002年3月27日 发布的政策中明确接受NPB作为溶剂用于清洗、气雾和胶粘剂．但是目前由于对其毒性尚无确切的数据，在使用中应当控制在空气中的暴露浓度．

由中国液晶协会和清华大学液晶工程技术中心承担的，液晶行业替代清洗剂的实验与研究项目．根据工作计划，液晶中心对各种潜在的替代清洗剂进行了清洗效果试验和分析．依据实验结果，发现 HEP-2清洗剂(主要成分是NPB)比较理想，并于2001年4月提交了第一阶段报告，并提出初步的设备改造方案。在此基础上，液晶中心按照 HEP-2的工艺特点。设计定制了一台专用的清洗设备．进行HEP-2对液晶屏的批量清洗试验．并对清洗后的液晶屏进行可靠性等多重测试，再次验证HEP-2对液晶屏的清洗效果以及可靠性影响．并确定最终的批量清洗替代工艺方案以及最终报告．

最终结果证明．所选用的HEP-2清洗剂，配合自行设计的全自动清洗设备，完全可以达到原来使用CFC-113的清洗效果．而且采用HEP-2清洗剂比CFC-11 3清洗效率提高．单个工序从15分钟缩短到5分钟；采用重新设计的双冷凝区。全密封全自动清洗机，除上料和下 料外．设备自动完成每个工序的清 洗．设备工艺参数与原有设备接近，替代方便；而生产效率．产品一致性大幅度提高；工人的工作环境完 全改善，不需要直接接触化学溶剂， 避免了可能发生的化学中毒．劳动强度下降；同时，清洗剂基本上被冷凝回收，消耗量大幅度下降，可以大幅度降低使用成本．同时，在压缩机和电真空领域，替代实验也已经完成，特别是通过了压缩机冷媒和润滑油的相溶性实验，开始在压缩机行业批量使用．电 真空行业协会组织的实验也已经完 成，结果完全可以满足要求．最终报告正在完成之中．

在我国生产HEP-2项目已经正式得到联合国多边基金的批准，国家环保总局正在组织有关单位在国 际履约环保产业园内实施该项目，届时，HEP-2将成为我国ODS清洗剂的主要替代品．

(4)有机氟化物(HCFC、HFO，HFE、PFC)

替代CFC-11 3的氟系清洗剂主要有HCFC(含氢氟氯化碳)、HFC(含氢碳氟化物)．HFE(氢氟醚)，PFC(全氟化碳)等。其中HFC，HFE，PFC本身不具有清洗力，需要和其它化合物组合后才能使用。该类清洗剂具有与CFC-113接近的清洗性能，稳定。低毒。不燃．安全可靠，但是通常价格昂贵．HCFC对臭氧层有一定的影响，现在大量使用的有HCFC-141B．HCFC-225．属于过渡性替代品，最终还要被禁用；HFC和HFE类清洗剂过于稳定．在大气中的寿命高达数千年甚至几万年．是非常厉害的温室气体．在<京都议定书)正式生效以后，可能也要被限制使用．

(5)天然有机物(植物系)

从植物中提取的烃类有机物品种很多，目前使用较多的主要有松节油和柠檬油．松节油是一种比较有代表性的植物系烃类溶剂．存在于天然的松脂中．将松脂蒸馏，馏出物就是松节油，固体剩余物就是松香．主要成分是和蒎烯，其溶解能力介于石油醚和苯之间．沸点和燃点较高，使用安全性较好．柠檬油是由柑橘。柚子．柠檬类水果皮中蒸馏提炼得到的一种烃类溶剂．主要化学成分是叫苎烯(甲基丙烯基环己烯)的单环萜烯，组分很复杂．沸点为1 75．5—1 76℃ ，物理性能与松节油相似，具有柑橘(柠檬)水果香味．柠檬油本身不溶于水．添加活性剂后与水任意比例混配。它的去油脱污能力很强。在美国应用很广泛．包括机械加工。车辆维修去油污清洗，保龄球道的清洗，油罐清洗．电子部件清洗等．特别是它来自纯天然水果，被美国FDA认定可以作为食品添加剂．不用担心残留，并被证明具有杀菌作用，被应用到食品加工机械．餐具的清洗。啤酒罐的清洗等直接与饮食相关的领域，在民用和家庭清洗领域也具备良好的应用前景．

柑橘油对油脂的相溶性很强，通过棉纱过滤，可以将油污分离．重复使用．废液可以生物降解，不会造成污染，环保费用低．缺点是去油和溶解能力太强．直接接触皮肤会造成皮肤脱油干燥；不能直接清洗有漆的物件和很多种塑料、橡胶，容易造成油漆脱落和溶解．

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