綠色再制造清洗技術的現狀及發展趨勢研究

任工昌，于峰海，陳紅柳

(1.陜西科技大學，陜西西安710021;2.三一重工股份有限公司，湖南長沙410100)

再制造清洗是產品再制造過程中的重要工序(見圖1)，是對廢舊機電產品及其零部件進行檢測和再制造加工的前提和基礎［1］。零件表面清洗的質量直接影響零件性能分析、表面檢測、再制造加工及裝配，對再制造產品的質量具有全面影響。

圖1 再制造工藝流程圖

再制造清洗是指借助于清洗設備或清洗液，采用機械、物理、化學或電化學方法，去除廢舊零部件表面附著的油脂、銹蝕、泥垢、積炭和其他污染物，使零部件表面達到分析檢測、再制造加工及裝配要求的工藝過程，對再制造產品的質量、成本和性能具有重要影響［2］。

1 再制造毛坯表面污染物的組成及去除

產品設備經長期服役后，零部件表面會附著各樣的污染物。再制造毛坯表面的主要污染物包括油污、銹層、水垢、積炭以及有機涂層等，見圖2。

1.1 油污

工件在制造、運輸、保存、使用過程中，往往都會沾上各種各樣的油脂。油可分為兩大類:可皂化的油和不可皂化的油。這兩類油都不溶于水，但都溶于有機溶劑，所以可以使用化學方法和電化學方法去除這些油類。

1.2 銹層

工件與空氣中的氧、水分子以及酸類介質接觸，被腐蝕和氧化后表面會產生浮銹、黃銹、黑銹等各種銹層，銹層與工件表面結合牢固。常用的除銹方法有機械法、化學法和電解法三類。

1.3 水垢

許多工件在使用過程中會與水接觸，當水中所富含的礦物鹽達到飽和狀態時便會結晶析出，在受熱條件下，礦物鹽會受熱分解，形成難溶性的沉淀物——水垢，其主要成分是碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽等。目前去除水垢常采用的方法有:手工去除、機械去除和化學去除。其中手工去除效率低下，機械去除則易損傷工件表面，而化學去除法效果則比較理想。

1.4 積炭

燃料和潤滑油不充分燃燒時，在高溫環境的作用下會形成一種由膠質、瀝青質、潤滑油和炭質組成的復雜混合物——積炭。積炭會影響零件的散熱效果，惡化傳熱條件，嚴重時會導致零件過熱，形成裂紋。因此，在再制造過程中必須予以清除。常用的清除積炭的方法有:機械法、化學法和電解法。

1.5 有機涂層

拆解后工件表面原來的清漆、油漆、膠漆以及密封膠等需要全部清除，并經沖洗干凈后重新噴漆。對以上有機涂層的去除，可以先將已配制好的有機溶劑、堿性溶液等刷在零件涂層上，溶解后再使用手工工具去除。

2 面向再制造的綠色清洗技術

2.1 熱能清洗技術

熱能對清洗有較好的促進作用。溫度的變化會使污垢的物理狀態、物理性質都發生變化，使它們更容易去除。同時，由于水和有機溶劑對污垢的溶解速度和溶解量隨溫度升高而提高，所以提高溫度有利于溶劑發揮其溶解作用，而且還可以節約水和有機溶劑的用量。例如，油脂和石蠟等固體油污很難被表面活化劑水溶液乳化，但當它們被加熱(60 ～70 ℃)液化后就比較容易被分散了。

2.2 浸泡清洗技術

浸泡清洗是指將清洗對象放在洗液中浸泡、濕潤并洗凈的濕式清洗方式，工件經多次清洗和沖洗后可以得到潔凈度很高的表面，故具有清洗效果好的特點，尤其適用于大批量的小型工件。

浸泡清洗由清洗、沖洗、干燥3 個階段組成，清洗階段把污垢從清洗對象表面解離下來并分散到媒液中，沖洗階段用干凈的媒液將清洗對象表面的含垢媒液清洗下來，最后通過干燥階段使對象表面附著的媒液汽化，最終完成濕式清洗。

2.3 振動清洗技術

振動清洗是指通過振動磨料對零件表面的沖擊和刮磨以及潤滑介質的沖刷，去除零件表面的污染物，振動清洗能夠很好地清除零件表面的銹層、氧化物以及較厚的結塊物［3］。如圖3所示，振動清洗系統主要由磨料、馬達、彈簧和偏心砝碼組成［4］。通過混合不同粒徑的固體磨料，能夠提高清洗效率，實現對零件表面的拋光，提高零件表面的硬度和耐磨性。振動清洗的缺點是工作噪聲大，清洗周期長，零件表面易被介質劃傷，且不適于清洗小尺寸零件。

圖3 振動清洗設備示意圖

2.4 超聲波清洗技術

超聲波對附著的污垢具有很強的解離分散能力，常用于工件的最后清洗。超聲清洗的機制(圖4)是通過在清洗液中引入超聲振動，向清洗液輻射聲波，產生超聲空化效應，利用這種空化效應清洗零件表面上的各種污物。

超聲清洗工藝操作簡單，清洗效果好，對復雜的容器和器件也能進行清洗。但是該工藝也有缺點，如噪聲大、換能器易壞等。此外，超聲波清洗工藝對清洗劑的要求也比較高:(1)必須對各種類型的污染物都具有良好的去除能力;(2)最好是在水溶液中清洗，水的表面張力比有機溶劑大，空穴崩潰時釋放的能量大，有利于超聲清洗;(3)清洗液的黏度不能太大，因為黏度大的液體空化閾值大，不易產生空穴，導致清洗效果差［5］。

圖4 超聲清洗裝置示意圖［6］

2.5 化學清洗技術

利用化學藥劑與污垢發生化學反應，使污垢從清洗物體表面解離并溶解分散到水中的清洗方法稱為化學清洗。化學清洗過程一般包括水沖洗、堿煮、酸洗、水沖洗、鈍化幾個步驟，根據污垢的不同可以適當調整，其中酸洗是化學清洗的核心過程。化學清洗的關鍵是化學清洗液，包括溶劑、表面活性劑、化學清潔劑。水是清洗過程中使用最廣泛、用量最大的溶劑或介質;表面活性劑是具有在兩種物質的界面上聚集且能顯著改變(通常是降低)液體表面張力和兩相間的界面性質的一類物質;化學清洗劑是指化學清洗中所使用的化學藥劑，常用的有酸、堿、氧化劑、金屬離子螯合劑、殺生劑等［7］。

2.5.1 酸清洗方法

酸是處理金屬表面污垢最常用的化學試劑。清洗中常用的酸包括無機酸、有機酸兩類。前者包括硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸等，后者常用的有氨基磺酸、羥基乙酸、檸檬酸、乙二胺四乙酸等。與無機酸酸洗相比，有機酸酸洗對金屬腐蝕性小、無毒、污染小、無三廢排放，清洗時較安全，清洗效果好，但成本較高，需要在較高溫度下操作，清洗耗費時間長［8］。

2.5.2 堿清洗方法

堿性清洗法是一種以堿性物質為主劑的化學清洗方法，主要用于清洗油脂垢，也可清除無機鹽、金屬氧化物、有機涂層和蛋白質垢等。

用堿性清洗劑除銹、除垢等，成本高于酸洗，且除銹除垢速度慢。但是，不會造成金屬設備的嚴重腐蝕(兩性金屬除外)，不會引起工件尺寸的明顯改變，不存在因清洗過程中析氫而造成對金屬的損傷，金屬表面在清洗后與鈍化前，也不會快速返銹。

2.5.3 其他化學清洗方法

氧化劑清洗方法。對于某些難溶于水的污垢，可以在一定條件下，用氧化劑(如硝酸、鉻酸、濃硫酸等)或還原性物質與之作用發生氧化，使其分子組成、溶解特性、生物活性等發生轉化，變成易于溶解和清除的物質。

金屬離子螯合劑清洗方法。螯合劑是清洗過程中用到的一種穩定的、重要的化合物，對于金屬表面的水垢和銹垢的去除及預防有重要的作用。

3 先進再制造清洗技術及發展趨勢

3.1 先進的再制造清洗技術

3.1.1 干冰清洗技術

干冰清洗技術是將液態CO2制成一定規格的干冰球狀顆粒，以壓縮空氣為動力源，將干冰顆粒高速噴射到待清洗物體表面。其主要用途有:(1)清洗一些易碎的污垢，諸如油漆，這個過程是在設備表面及涂層之間產生收縮的張力，這種張力能夠充分地破壞污垢的結垢力，將污垢從設備涂層上剝離。(2)表面粘有易變形、黏性的污垢，諸如油、油污、蠟，清洗的過程就如同高壓水清洗一樣。當干冰顆粒高速度撞擊設備表面時，迅速利用張力將污垢頂開。

3.1.2 紫外線清洗技術

紫外光清洗技術是利用有機化合物的光敏氧化作用達到去除黏附在材料表面上的有機物質，經過光清洗后的材料表面可以達到“原子清潔度”。紫外線清洗技術也稱紫外線－臭氧并用清洗法(UV－O3法)。UV 光源發射波長為185 和254 nm 的光波，具有很高的能量，當這些光子作用到被清洗物體表面時，由于大多數碳氫化合物對185 nm 波長的紫外光具有較強的吸收能力，并在吸收185 nm 波長的紫外光的能量后分解成離子、游離態原子、受激分子和中子，這就是所謂光敏作用。空氣中的氧氣分子在吸收了185 nm 波長的紫外光后也會產生臭氧和原子氧。臭氧對254 nm 波長的紫外光同樣具有強烈的吸收作用，臭氧又分解為原子氧和氧氣。其中原子氧是極活潑的，在它的作用下，物體表面上的碳和碳氫化合物的分解物可化合成可揮發的氣體:二氧化碳和水蒸氣等逸出表面，從而徹底清除了黏附在物體表面上的碳和有機污染物。

3.1.3 等離子體清洗技術

等離子清洗的機制是依靠處于“等離子態”的物質的“活化作用”達到去除物體表面污漬的目的。等離子清洗與濕法清洗的主要區別如表1所示。

表1 等離子清洗與濕法清洗的主要區別［9］

3.1.4 激光清洗

激光清洗機制是基于物體表面污染物吸收激光能量后，或汽化揮發，或瞬間受熱膨脹而克服表面對粒子的吸附力，使其脫離物體表面，進而達到清洗的目的。激光清洗具有無研磨、非接觸、無熱效應和適用于各種材質的物體等清洗特點，被認為是最可靠、最有效的解決辦法。同時，激光清洗可以解決采用傳統清洗方式無法解決的問題，目前已在考古、軍事、電子工業等多個行業里得到應用。

3.2 再制造清洗技術發展趨勢

3.2.1 生物工程清洗

再制造清洗所帶來的污染嚴重制約了它的發展，而以生物降解技術、生物酶清洗技術為代表的生物工程作為一項環保的清洗技術，它的應用正成為一種趨勢。

3.2.2 自動化清洗

再制造清洗過程需要大量的人力資源，加上部分清洗劑具有較強的腐蝕性，容易對人的健康和安全造成威脅。同時隨著制造規模的擴大和對生產效率要求的提高，促進了半自動和自動化技術在清洗行業的發展，這種技術集中表現在自動化清洗生產線、機器人的出現和應用。因此，清洗的自動化已經成為清洗技術發展的趨勢之一。

3.2.3 環保型清洗

氟氯羥類物質在清洗行業用量巨大，由于其對臭氧層的消耗，已被列為淘汰項目，而研究無毒無公害、不影響人安全和健康、溶解與清洗能力優良且性價比高的替代品已成為當今發展的一種趨勢。

4 結束語

研究快速高效、綠色環保的清洗技術，對保證再制造產品質量、提高再制造產品壽命、降低再制造成本具有重要意義。大多數再制造企業現有的清洗技術還比較粗放，清洗效率低，且能源浪費大、環境污染嚴重，對操作人員身體有傷害。研究綠色清洗技術和設備的目的在于開發環保清洗材料、高效的清洗設備以及合理的清洗工藝，以提高清洗效率，降低清洗成本，減少對人員、環境和待清洗零件表面的負面影響，實現再制造清洗過程的綠色、高效和自動化［10］。

【1】徐濱士，張偉，馬世寧，等.面向21世紀的綠色再制造［J］.中國表面工程，1999，12(4):1－4.

【2】姚巨坤，崔培枝.再制造清洗技術研究［J］.工程機械與維修，2007(2):180.

【3】吉小超，張偉，于鶴龍，等.面向機電產品再制造的綠色清洗技術研究進展［J］.材料導報，2012，26(Z1):114－117.

【4】WANG S，TIMSIT R S，SPELT J K.Experimental Investigation of Vibratory Finishing of Aluminum［J］.Wear，2000，243(1/2):147－156.

【5】DONG C，WEAVERS L K，WALKER W.Ultrasonic Control of Ceramic Membrane Fouling by Particles:Effect of Ultrasonic Factors［J］.Ultrasonics Sonochemistry，2006，13(5):379－387.

【6】KOHLI R，MITTAL K L.Developments in Surface Contamination and Cleaning［M］.Oxford:William Andrew，2011:31.

【7】崔培枝，姚巨坤.再制造清洗工藝與技術［J］.新技術新工藝，2009(3):25－28.

【8】朱勝，姚巨坤.再制造技術與工藝［M］.北京:機械工業出版社，2010.

【9】張國柱，杜海文，劉麗琴.等離子清洗技術［J］.機電元件，2001，21(4):31－34.

【10】中國機械工程學會.中國機械工程技術路線圖［M］.北京:中國科學技術出版社，2011:138.