超臨界CO2預處理復合清洗方法及其應用

摘 要：再制造清洗的零部件表面污垢的成分復雜，傳統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）預處理加濕噴丸清洗的復合清洗方法，介紹了SCCO2預處理的機理及影響因素，并指出里該復合清洗方法在再制造清洗中的應用。

關鍵詞：超臨界CO2 濕噴丸 復合清洗 再制造

中圖分類號：X701 文獻標識碼：A 文章編號：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缺點。其中，化學清洗技術對環境污染很嚴重；高壓水射流清洗和濕噴丸清洗后產生大量廢液，對環境污染嚴重；噴砂清洗則存在嚴重的粉塵污染，并且在清洗油污時會發生固體顆粒粘連在污垢上，不利于清洗的進行；高溫清洗技術能耗高，污染嚴重，而且對零件的物理性能有一定影響；超聲清洗也會產生大量的廢液，而且清洗過程噪聲污染嚴重[1]。針對目前使用的清洗方法的不足，本文介紹一種SCCO2預處理加濕噴丸清洗的復合清洗方法，實現清洗過程的高效和清潔要求。

1 SCCO2預處理復合清洗方法

1.1 SCCO2預處理復合清洗方法介紹

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轉變為超臨界狀態[2]。氣體在進入超臨界狀態會出現特殊的物件特征，如低粘度、低表曲張力、高擴散性和近液體密度等性質。利用SCCO2這些特性對污垢進行預處理，可以實現去除油污，以及讓污垢產生一系列物理變化，對預處理后的污垢件進行濕噴丸清洗就可以達到去除污垢的目的。

SCCO2預處理復合清洗方法清洗過程見圖1所示，首先將再制造零部件放置SCCO2清洗設備中進行SCCO2預處理，預處理的過程分為加壓、保壓和快速泄壓三個階段，然后對預處理后的零部件進行濕噴丸清洗，清洗過后進行干燥處理，處理后即可檢測再制造零部件的清潔度。

1.2 SCCO2預處理機理

根據現有的研究，SCCO2預處理對于不同的污垢類型產生的作用不同，因此對于不同種類的污垢，預處理作用的機理也不同。對于油污等分子量較小的有機物污垢，預處理過程中污垢會溶解在SCCO2中；對于漆層等分子量較大的污垢，預處理作用的機理主要是氣泡成核和溫度效應綜合作用的結果。

1.2.1 溶解度理論

根據相似相溶原理，SCCO2作為溶劑，其清洗主要是依賴于其對溶質的溶解特性[3]。SCCO2流體為非極性溶劑，對非極性有機化合物有極強的溶解能力，因此可以很好地清除有機污垢。

由溶解度理論可以看出利用SCCO2溶解清洗時必須考慮其對清洗的污垢是否有溶解特性。污垢物質的分子極性、分子結構和分子量都會影響SCCO2對其的溶解力。同時，超臨界流體本身的密度值大小在溶解程中起著至關重要的作用，因此在預處理過程中對壓力和溫度的控制都會影響預處理的效果。

1.2.2 氣泡成核機理

氣泡成核機理是在超臨界狀態下，CO2擴散到聚合物中形成聚合物/CO2均相體系，在快速泄壓的過程中，氣體分子聚集成核，在聚合物內部形成大量微小的氣泡核，氣泡核成長變成氣泡，氣泡繼續生長達到氣泡膨脹力與阻力達到平成為止，從而形成多孔結構[4]。在氣泡長大的過程中會產生拉應力，這些拉應力作用在鄰兩個氣泡的氣泡壁上，隨著氣泡的不斷增長，氣泡壁會變薄，當氣泡壁強度無法承受膨脹產生的應力時，氣泡壁破裂，相鄰量氣泡合并。

根據氣泡成核理論，在SCCO2預處理中氣泡在污垢層與基體界面位置、污垢層內部和污垢層表面在這三個位置形成，在泄壓后氣泡長大對應形成污垢層三種狀態的變化：界面裂紋、污垢層內部裂紋和污垢層表面隆起，如圖2所示[5]。

1.2.3 溫度效應

在SCCO2預處理過程中，污垢層和基體受熱脹作用體積都會發生膨脹，且污垢層體積膨脹比基體大，在預處理的溫度條件下污垢層接近粘流態，污垢層與基體之間應力會重新分布。當快速泄壓時，溫度會急劇降低，污垢層體積縮小比基體大，在污垢層內部和污垢層與基體之間都會形成內部拉應力。在一定的處理條件下，污垢層內部形成的拉應力大于污垢層抗拉強度時，污垢層發生斷裂形成通道裂紋和側向裂紋。當材料內部存在剪切力的時候，會產生氣泡壁的斷裂，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預處理影響因素

根據上述對SCCO2預處理機理的研究可以看出，壓力和溫度會影響SCCO2密度，進而影響預處理效果。同時，保壓時間和泄壓時間也會影響預處理的效果。

1.3.1 壓力的影響

對于油污污垢，隨著SCCO2壓力的升高，CO2流體密度的增大，其溶解能力增強，所以油污的去除率增加。對于漆層等高分子聚合物污垢，在壓力較低時，預處理后污垢層沒有產生裂紋，在壓力增大到一定時預處理后污垢層會產生裂紋，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

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

1.3.3 保壓時間的影響

SCCO2預處理油污時，污垢去除率在30min時基本趨于穩定。由于隨著時間的推移，油垢的濃度逐漸降低，單位時間SCCO2所清除的污垢量減少，所以污垢去除率增加放緩。因此，對于油污，SCCO2預處理時間選擇為30min較為合適。而對于漆層等高分子聚合物污垢，增加預處理保壓時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處理方式。endprint

1.3.4 泄壓速度的影響

SCCO2預處理油污的主要機理是溶解度理論，因此泄壓速度對清洗油污沒有影響。對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，預處理的溫度效應增強，有利于污垢層裂紋的形成，從而提高污垢清洗效率。

2 應用

SCCO2預處理復合清洗方法預處理溫度低，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為了去除污垢及提高清洗效率，會增加射流壓力，這樣不可避免地會對基體造成損傷，而SCCO2預處理后污垢更容易去除，可以降低濕噴丸清洗射流的壓力，避免對基體的損傷。因此該復合清洗方法在再制造清洗中可以得到廣泛應用。

再制造工藝流程中涉及到清洗的環節主要有拆解前清洗、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檢測、加工和裝配等環節的質量，拆解和檢測前的清洗尤為重要。

由于長期在惡劣的條件下服役，再制造產品的污垢形成的情況很復雜，污垢的種類復雜多樣，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預處理先除去污垢中的油污，使污垢層結構變得松散，然后用濕噴丸清洗，就可以很好地去除所有污垢。目前大連理工大學可持續設計與制造實驗室已經通過實驗實現發汽車動機氣門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

現有的研究只是對單一污垢進行SCCO2預處理復合清洗方法的影響因素進行研究，而不同污垢的預處理機理不同，預處理條件對不同污垢預處理效果影響不同，再制造零部件表面的污垢成分復雜，現有研究沒有對不同污垢的混合物的預處理條件進行研究，在這方面下一步可以展開相應的理論和實驗研究。

目前SCCO2預處理復合清洗方法主要停留在實驗室研究階段，因為預處理設備的反應釜體積和設備成本的問題，在再制造工業中沒有得到廣泛應用，因此研究SCCO2預處理設備，降低生產成本，也是下一步的研究方向。

參考文獻

[1] 張彬.基于亞/超臨界CO2的再制造清洗技術研究[D].大連理工大學，2013.

[2] Kohli R，Mittal K.L. Developments in Surface Contamination and Cleaning[M].Elsevier，2012.

[3] 李先碧.一種小型超臨界CO2萃取裝置的開發與實驗研究[D].重慶大學，2007.

[4] 晏夢雪.超臨界CO2制備聚乳酸發泡材料成型技術研究[D].廣州：華南理工大學，2011.

[5] 董亞洲.基于濕噴丸技術的漆層清洗機理及實驗研究[D].大連理工大學，2015.

[6] Frayssinet P，Rouquet N，Mathon D. Histological integration of allogeneic cancellous bone tissue treated by supercritical CO2 implanted in sheep bones[J].Biomaterials，1998，19（24）：2247-2253.

[7] 賀巖明.超臨界CO2在再制造清洗中的應用基礎研究[D].大連理工大學，2015.endprint