CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.3 Công nghệ làm sạch
2.3.2 Làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm
Làm sạch bằng phƣơng pháp sóng siêu âm là sử dụng tần số sóng âm thanh cao (từ 20khz trở lên) để loại bỏ các chất bẩn, vết bám dính vào các chi tiết, linh kiện và thiết bị. Sóng siêu âm tạo ra một áp lực đủ mạnh để loại bỏ các chất bẩn, vết bám có độ dính bám cao mà vẫn tác động nhẹ không làm tổn hại đến các chi tiết cần làm sạch. Các chất bẩn có thể là dầu mỡ, bụi bẩn, máu, hóa chất bám bề mặt …. Vật liệu làm sạch gồm: kim loại, thủy tinh, gốm sứ, nhựa ….
19 Việc sử dụng sóng siêu âm để tẩy rửa ngày càng đƣợc ứng dụng nhiều trong cuộc sống vì nó đem lại hiệu quả kinh tế cao và đảm bảo hơn nhiều so với phƣơng pháp tẩy rửa truyền thống. Sử dụng sóng siêu âm để tẩy rửa có thể rứa đƣợc các chi tiết có độ phức tạp cao, nhƣng chi tiết nhỏ mà phƣơng pháp tẩy rửa truyền thống không làm đƣợc. Vì vậy sóng siêu âm ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp tẩy rửa, công nghiệp mạ, cộng nghiệp ô tô, thiết bị y tế ….
2.3.2.1 Nguyên lý tẩy rửa, làm sạch bằng sóng siêu âm
Do dƣới tác dụng của sóng siêu âm, dung dịch rửa lúc bị nén lại đặc hơn, lúc bị dãn ra loãng hơn. Do dung dịch rửa không chịu nổi lực kéo nên khi bị kéo ra loãng hơn đã tạo thành những chỗ trống, sinh ra rất nhiều bọt rỗng nhỏ . Trong quá trình chuyển động hỗn loạn các bọt khí kết hợp tạo nên những bọt rỗng có kích thƣớc lớn hơn. Khi đạt đến một giới hạn nào đó sự chênh lệch áp suất đủ lớn bọt khí sẽ bị vỡ tung ra thành nhiều hạt nhỏ tạo nên sức va đập mạnh và áp suất lớn gần 1000 bar, kèm theo nhiệt độ trong chất lỏng tăng dần.
Hình 2.6 Quá trình hình thành bong bóng và tan rã
Những bọt rỗng nhỏ này trong nhanh chóng sẽ vỡ tan ra. Quá trình vỡ bọt sinh ra những luồng sóng xung kích nhỏ rất mạnh, Trong vật lý hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiện tƣợng hốc chân không.
Do tần số của sóng siêu âm rất cao, những bọt không khí nhỏ luân phiên xuất hiện, mất đi vô cùng nhanh chóng. Sóng xung kích mà chúng tạo ra giống nhƣ muôn nghìn chiếc “chổi nhỏ” vô hình rất nhanh và rất mạnh lan tới, chải quét mọi xó xỉnh của chi tiết. Nếu chi tiết cần tẩy rửa đƣợc đặt trong dung dịch
20 tẩy rửa thích hợp cùng với sự kích thích sóng siêu âm dƣới sự tác dụng của hiện tƣợng xâm thực sóng nhƣ đã nêu trên thì các chất bẩn bám trên bề mặt chi tiết sẽ đƣợc tách ra và kết tủa lại.
2.3.2.2 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá tình tẩy rửa
Tần số sóng siêu âm : Tùy theo đối tƣợng rửa mà sóng siêu âm đƣợc chọn cho phù hợp. VD : Tẩy rửa các dụng cụ y tế chọn tần số từ 20khz đến 50khz. Tần số cao tạo ra kích thích bong bóng nhỏ hơn tần số thấp. Những bong bóng nhỏ có kích thƣớc nhỏ có thể tạo ra một giãn cách nhỏ hơn bong bong lớn.
Hình 2.7 Biểu đồ ảnh hƣởng ửa tần số đến kích thƣớc bong bóng[9]
Cƣờng độ sóng xung kích đƣợc tạo ra từ sự kích nổ các bong bóng trong nƣớc có quan hệ trực tiếp đến kích thƣớc của các bong bóng. Kích thƣớc của bong bóng tỉ lệ nghịch với tần số sóng siêu âm, do đó những kích thƣớc bong bóng lớn thƣờng đƣợc tạo ra bởi tần số thấp. Những sóng có tần số thấp thì thời gian giữa 2 búp sóng dài cho phép hình thành các bong bóng có thời gian lớn hơn. Số lƣợng các bong bóng tạo ra tỉ lệ thuận với sự tăng tần số sóng. Nếu công suất đầu vào không đổi thì trong cùng một điều kiện những bong bóng ở tần số thấp có khả năng kích nổ mạnh hơn những bong bóng ở tần số cao.
Nhiệt độ: Cƣờng độ tẩy rửa cũng phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch. Khi nhiệt độ dung dịch quá cao thì áp suất trong bọt khí tăng làm giảm lực va đập trong quá trình xâm thực. Nếu nhiệt độ dung dịch quá thấp thì trên bề mặt sẽ xuất hiện ngƣng tụ chất lỏng có khả năng ăn mòn chi tiết. Thƣờng nhiệt độ trong dung dịch đƣợc ấn định phù hợp trong khoảng 30-50ºC . Nói chung tùy theo loại chi
21 tiết mà nhiệt độ đƣợc điều chỉnh cho phù hợp. Sự thay đổi nhiệt độ cũng ảnh hƣởng đến độ nhớt của dung dịch, khả năng hòa tan khí của chất lỏng và áp suất hơi. Ở nƣớc tinh khiết mức độ tạo bong bóng đạt cực đại ở nhiệt độ gần 160ºF.
Độ nhớt của chất lỏng làm giảm rất nhiều hiệu suất tạo bong bóng, đa số các loại chất lỏng có độ nhớt giảm khi tăng nhiệt độ
Hóa chât : Đóng vai trò quan trong trong quá trình tẩy rửa, liên quan đến chất lƣợng thời gian làm việc với chi tiết. Vì vậy lựa chọn hóa chất thích hợp có vai trò quan trọng giúp hoàn thành việc tẩy rửa một cách hiệu quả và nhanh chóng.
Hình 2.8 Sự ảnh hƣởng của nhiệt độ và hóa chất đến quá trình tẩy rửa[10]
Bảng 2-1 Một số dung dịch tẩy rửa cho một số vật liệu[14]
Dung dich rửa Thành phần
(gam/lit)(%) Nhiệt độ Kim loại cần làm sạch Ứng dụng Na3PO4 30g/l 5 – 25 g/l 50ºC Thép Rửa các chi tiết rất bẩn Thủy tinh lỏng 20g/l 50ºC Thép Rửa các chi tiết rất bẩn Na3PO4 Na2CO3 5g/l 5g/l 50ºC Đồng, Nhôm, Kẽm Rửa các chi tiết rất bẩn
22 HNO3 H2SO4 H2O 40% 10% 50% 50ºC Thép rỉ Rửa các chi tiết rất bẩn H2SO4 HNO3 HCl H2O 4% 9% 13% 74% 50ºC Hợp kim thép, Crom, Nikel, Modiplen Làm bóng bề mặt của Nhôm NaOH NaF 100g/l 50g/l 40-60 ºC Nhôm Làm bóng bề mặt của nhôm
Công suất siêu âm phân phối : Công suất siêu âm đƣợc cung cấp cho bể làm sạch phải đủ để làm sạch toàn bộ chất bẩn trên bề mặt với một thể tích dung dịch tối ƣu nhất. Watts/gallons là một đơn vị đo thƣờng đƣợc sử dụng để đo mức công suất siêu âm trong một bể làm sạch. Khi tăng thể tích bể thì sẽ cần tƣơng ứng số lƣợng watt/gallon cần thiết để đạt đƣợc hiệu suất yêu cầu. Các bộ phận làm sạch rất lớn hoặc có tỷ lệ diện tích bề mặt lớn dẫn đến khối lƣợng có thể cần thêm nguồn siêu âm. Công suất quá mức có thể gây xói mòn bề mặt hoặc "đốt cháy" trên các bộ phận kim loại mềm. Dƣới đây là biểu đồ tỉ lệ công suất trên thể tích bể để đạt hiệu quả tốt nhất [10].
Hình 2.9 Sự ảnh hƣởng của công suất phân phối lên thể tích dung dịch[10] Thời gian: Mỗi loại chất bẩn, vết bám tùy theo mức độ nhiều hay ít mà có thời gian rửa phù hợp. Hiệu quả của hóa chất làm sạch cũng liên quan đến nhiệt độ. Mặc dù hiệu ứng sủi bong bóng đƣợc tối đa trong nƣớc tinh khiết ở nhiệt độ khoảng 160°F, làm sạch tối ƣu thƣờng thấy ở nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn do
23 ảnh hƣởng của nhiệt độ lên hóa chất làm sạch. Theo nguyên tắc chung, mỗi hóa chất sẽ hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ quy định đƣợc khuyến cáo bất kể tác động của sóng siêu âm. Ví dụ, mặc dù hiệu ứng siêu âm tối đa đạt đƣợc ở 160°F, chất tẩy rửa ăn mòn cao nhất đƣợc sử dụng ở nhiệt độ 180°F đến 190°F vì hiệu ứng hóa học đƣợc tăng cƣờng đáng kể bởi gia tăng. nhiệt độ Chất tẩy rửa khác có thể đƣợc tìm thấy bị phá vỡ và mất hiệu quả của chúng nếu đƣợc sử dụng ở nhiệt độ vƣợt quá thấp đến 140°F. Cách tốt nhất là sử dụng hóa chất ở nhiệt độ tối đa đƣợc đề nghị không quá 190°F.
2.3.2.3 Quá trình làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm [10]
Khi cấp nguồn cho cảm biến siêu âm, nó sẽ tạo ra nhƣng sóng cơ trên bề mặt dao động với tần suất lớn hơn 20000 dao động/giây. Sóng cơ tạo ra đƣợc truyền vào bể rửa siêu âm tạo ra những xung kích cao trong lòng chất lỏng của bể rửa siêu âm. Dƣới tác động của nhƣng xung kích cơ học này vô số bong bóng kích thƣớc nhỏ đƣợc tạo ra trong thời gian ngắn và đƣợc lan truyền theo mọi hƣớng trong bể rửa siêu âm. Những bong bóng này dịch chuyển đến bề mặt chi tiết cần rửa, va đập vào bề mặt và tạo ra sự bắn phá vào các vết bám trên bề mặt chi tiết rửa. Dƣới tác động của lực bắn phá này vết bẩn, vết bám sẽ bị tách ra khỏi bề mặt và dễ dang tan vào dung dịch dƣới tác động của hóa chất trong dung dịch. Các bọt khí càng nhỏ càng có khả năng di chuyển sâu vào nhƣng khu vực che khuất tầm nhìn, các lỗ ngách nhỏ có độ phức tạp cao của chi tiết. [10]
Trong việc loại bỏ một chất bẩn, vết bám bằng cách hòa tan, cần thiết cho các dung môi tiếp xúc với và hòa tan chất bẩn, vết bám. Hoạt động làm sạch chỉ diễn ra tại bề mặt giữa chi tiết cần làm sạch và hóa chất làm sạch. (Hình 2.10
Hình 2.10 Cắt lớp bể chứa hóa chất làm sạch và chi tiết cần làm sạch[9]
Khi hóa chất làm sạch hòa tan chất bẩn, một lớp bão hòa phát triển tại bề mặt giữa hóa chất vừa mới làm sạch và chất bẩn. Một khi điều này đã xảy ra, quá
24 trình làm sạch sẽ bị dừng lại khi hóa chất không thể xâm thực vào chất bẩn, vết bám bên trong.. (Hình 2.11)
Hình 2.11 Cắt lớp sự hình thành lớp bão hòa tại bề mặt hóa chất và chất bẩn
Việc tạo ra các bong bóng và bắn phá bề mặt chi tiết cần làm sạch đã làm tăng hiệu quả của quá trình rửa bằng sóng siêu âm bằng cách làm giảm sự hình thành một lớp hóa chất bão hòa trên bề mặt lớp chất bẩn,vết bám tạo điều kiện cho hóa chất có thể len lỏi sâu vào trong và làm hòa tan hết các chất bẩn, vết bám. Điều này đặc biệt có lợi khi các bề mặt không đều hoặc các khe bên trong phải đƣợc làm sạch. (Hình 2.12)
Hình 2.12 Cắt lớp quá trình hòa tan chất bẩn của hóa chất làm sạch
Một số các hạt bao gồm các hạt không hòa tan đƣợc gắn lỏng lẻo và đƣợc giữ tại chỗ bởi lực ion hoặc lực kết dính. Những hạt này dễ dàng bị loại bỏ bằng một lực lớn hơn. (Hinh 2.13)
25 Quá trình làm sạch muốn đạt hiệu quả tốt nhất, yêu cầu dung dịch hóa chất cần làm ƣớt đƣợc các hạt chất bẩn giúp chúng tăng khả năng lỏng lẻo trong liên kết. (Hình 2.14)
Hình 2.14 Cắt lớp quá trình làm sạch, loại bỏ các hạt chất bẩn
Trong các hình minh họa ở trên, bề mặt của phần đƣợc làm sạch đã đƣợc biểu diễn bằng phẳng. Trên thực tế, các bề mặt ít khi phẳng, thay vào đó bao gồm các vùng lồi, lõm . Hình 2.15 cho ta thấy lý do tại sao năng lƣợng siêu âm đã đƣợc chứng minh là hiệu quả hơn trong việc tăng cƣờng làm sạch hơn so với các lựa chọn thay thế khác, và thậm chí làm sạch trong nhiều ứng dụng. Khả năng hoạt động siêu âm thâm nhập và hỗ trợ làm sạch bề mặt bên trong của các bộ phận phức tạp cũng đặc biệt đáng chú ý tới.
Hình 2.15 Cắt lớp hình ảnh thực tế của chi tiết làm sạch 2.4 Kết luận 2.4 Kết luận
Nhƣ vậy trong chƣơng này chúng ta đã tìm hiểu về các đại lƣơng cơ bản của sóng siêu âm nhƣ cƣờng độ âm, tần số, vận tốc âm … và các tính chất của nó nhƣ: phản xạ, khúc xạ, hấp thụ … Và trong chƣơng này chúng ta cũng tìm hiểu về công nghệ làm sạch bằng sóng siêu âm, nguyên lý làm việc các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình làm sạch. Ở chƣơng tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu và nghiên cứu về biến tử siêu âm.
26