Ультразвукове очищення: лікнеп для майстрів татуажу

Ультразвукове очищення - спосіб очищення поверхні твердих тіл у миючих рідинах, при якому рідина тим чи іншим способом вводяться ультразвукові коливання. Застосування ультразвуку зазвичай значно прискорює процес очищення та підвищує його якість. Крім того, у багатьох випадках вдається замінити вогненебезпечні та токсичні розчинники на безпечніші миючі речовини без втрати якості очищення. Ультразвукове очищення знаходить застосування у багатьох галузях промисловості, при ремонті машин та механізмів, в ювелірній та реставраційній справі, в медицині тощо.

Очищення відбувається рахунок спільної дії різних нелінійних ефектів, що у рідини під впливом потужних ультразвукових коливань. Ці ефекти: кавітація, акустичні течії, звуковий тиск, звукокапілярний ефект, у тому числі кавітація грає вирішальну роль. Кавітаційні бульбашки, пульсуючи і плескаючись поблизу забруднень, руйнують їх. Цей ефект відомий як кавітаційна ерозія. Для ультразвукового очищення важливий правильний підбір миючого розчину, щоб він ефективно розчиняв або емульгував забруднюючі речовини, при цьому по можливості не впливаючи на поверхню, що очищається. Остання обставина особливо важлива, оскільки ультразвук зазвичай значно прискорює фізико-хімічні процеси в рідинах, і агресивна миюча речовина може швидко пошкодити поверхню. Ультразвукове очищення не слід застосовувати, коли кавітаційна стійкість поверхні, що очищається менше, ніж стійкість забруднення. Наприклад, при видаленні пригарних плівок із алюмінієвих деталей велика ймовірність руйнування самих деталей. Слід пам'ятати з уроку хімії 7 клас, що алюміній взаємодіє з водою, виділенням водню, і гідроксиду алюмінію. Його захищає оксидна плівка, яка легко може бути зруйнована. Оптимальну концентрацію робочого розчину підбирають експериментально. При чищенні високолегованих сталей бажано промивання в дистильованій воді. Для нейтралізації лужних залишків рекомендується промивання слабким розчином лимонної кислоти. Концентрацію робочого розчину та промивного коригують іонометром (рН - метр) або лакмусовим папером.

Забруднення та впливу на них

З точки зору ультразвукового очищення забруднення розрізняються за трьома ознаками:

1. Кавітаційна стійкість, тобто здатність витримувати мікроударні навантаження.

2. Міцність зв'язку з поверхнею, що очищається, опірність до відшаровування.

3. Ступінь взаємодії з миючою рідиною, тобто чи здатна і наскільки здатна ця рідина розчиняти або емульгувати забруднення.

Кавітаційно-стійкі забруднення добре піддаються ультразвуковій очистці тільки якщо вони слабо пов'язані з поверхнею або взаємодіють з миючим розчином. Такими є жирові забруднення, які добре відмиваються в слаболужних розчинах. Покриття з лаку або фарби, окалина, окисні плівки зазвичай стійкі до кавітації і добре пов'язані з поверхнею. Для ультразвукового очищення від таких забруднень потрібні досить агресивні розчини, тому що тут можлива дія лише за третьою з перелічених ознак. Кавітаційно-нестійкі забруднення (пил, пориста органіка, продукти корозії) відносно легко видаляються навіть без застосування спеціальних розчинів.

При ультразвуковій очистці як мийну рідину застосовують як просту воду, так і водні розчини миючих засобів та органічні розчинники. Вибір засобу визначається видом забруднень і властивостями поверхні, що очищається (див. вище).

Пристрої для ультразвукового очищення

Для ультразвукового очищення потрібна ємність з миючим розчином і джерело механічних коливань ультразвукової частоти, що називається ультразвуковим випромінювачем. Як випромінювач може виступати поверхня ультразвукового перетворювача, корпус ємності і навіть сама деталь, що очищається. В останніх випадках ультразвуковий перетворювач прикріплюється відповідно до корпусу або до деталі. Ультразвуковий перетворювач перетворює електричні коливання, що подаються на нього, в механічні такої ж частоти. У більшості установок використовують частоти від 18 до 44 кГц з інтенсивністю коливань від 0,5 до 10 Вт/см. Верхня межа частотного діапазону обумовлена механізмом утворення та руйнування кавітаційних бульбашок: при дуже великій частоті бульбашки не встигають захлопуватися, що знижує мікроударну дію кавітації. Перетворювачі можуть бути магнітострикційні або п'єзокерамічні. Перші відрізняються великими розмірами та масою, значно нижчою ККД, проте дозволяють досягати великої потужності, близько кількох кіловат. П'єзокерамічні перетворювачі компактніші, легші, економічніші, але потужність їх, як правило, не така велика — до декількох сотень ват. Така потужність, втім, достатня для більшості застосувань, враховуючи, що у великих установках використовуються відразу кілька випромінювачів.

Найбільш відомі пристрої – це ультразвукові ванни, установки, спеціально призначені для ультразвукового очищення. Перетворювачі в таких ваннах, як правило, або вбудовуються в отвори в корпусі, або кріпляться до корпусу, роблячи його випромінювачем або поміщаються всередину у вигляді окремих модулів. Кожен спосіб має свої переваги та недоліки. Окремі модулі ультразвукових перетворювачів (випромінювачів) можуть вбудовуватися в технологічні лінії, де потрібне швидке та якісне очищення. Так, наприклад, надходять для безперервного очищення металевого прокату та дроту на різних стадіях їх виробництва та використання. Відомі перетворювачі, виконані у вигляді невеликих ручних інструментів для точного очищення складних поверхонь. Для очищення друкованих плат, які застосовуються в радіоелектроніці, найкращі показники (отримані експерементальним шляхом) має розчин із популярних миючих засобів та води. При очищенні в спеціальних ваннах бажано проводити підігрів розчину до температури +25-40 градусів Цельсія протягом усього процесу.

Ультразвукове очищення - спосіб очищення поверхні твердих тіл, заснований на збудженні в миючому розчині коливань ультразвукової частоти. Наукову основу для створення апаратури та розробки технології ультразвукового очищення заклали роботи в галузі акустичної кавітації, що проводилися в «Акустичному інституті імені академіка М.М.Андрєєва» під керівництвом професора Л.Д.Розенберга. Ультразвукове очищення дозволяє замінити ручну працю, прискоривши цим процес очищення, отримати високий рівень чистоти поверхні, практично виключити використання пожежонебезпечних і токсичних розчинників.

Процес ультразвукового очищення обумовлений низкою явищ, що виникають в ультразвуковому полі високої інтенсивності: акустичною кавітацією, акустичною течією, радіаційним тиском, звукокапілярним ефектом. Дослідження показали, що залежно від виду забруднення переважну роль очищенні грають різні процеси. Так, руйнування слабо взаємопов'язаних забруднень відбувається, в основному, під дією пульсуючих (незахлопывающихся) кавітаційних бульбашок. На краях плівки забруднень пульсуючі бульбашки, здійснюючи інтенсивні коливання, долають сили зчеплення плівки з поверхнею, проникають під плівку, розривають та відшаровують її. Радіаційний тиск і звукокапілярний ефект сприяють проникненню миючого розчину в мікропори, нерівності та глухі канали.

Акустичні течії здійснюють прискорене видалення забруднень із поверхні. Якщо ж забруднення міцно пов'язані з поверхнею, то для їх руйнування і видалення з поверхні необхідна наявність кавітаційних бульбашок, що захлопуються, створюють мікроударний вплив на поверхню. Для здійснення необхідного режиму ультразвукового очищення необхідний вибір оптимальних значень інтенсивності ультразвуку та частоти коливань. З підвищенням частоти кавітаційний пляшечку не досягає кінцевої стадії захлопування, що знижує мікроударну дію кавітації. Надмірне зниження частоти призводить до збільшення рівня повітряного шуму і вимагає збільшення габаритів випромінювача. Тому більшість промислових установок працює в діапазоні 18-44 кілогерці. Підвищення інтенсивності ультразвуку понад певну межу призводить до збільшення амплітудного значення тиску, і кавітаційний пляшечку вироджується в пульсуючий. При малих значеннях інтенсивності слабо виражена кавітація та всі вторинні ефекти, що виникають у рідині при введенні ультразвукових коливань та визначають ефективність очищення. Робочий інтервал інтенсивності становить 0,5-10 Вт/см2. Велику роль у процесі очищення грає правильно підібраний склад миючої рідини. При цьому необхідно враховувати властивості матеріалу деталі, що очищається, і вид забруднень. Миюча рідина повинна вступати в хімічну взаємодію тільки з поверхневими забрудненнями, але не з матеріалом виробу, що очищається. Істотний вплив на протікання та розвиток у миючих розчинах специфічних явищ, що збуджуються ультразвуком, мають фізико-хімічні властивості рідини. Підвищення пружності пари всередині бульбашки різко знижує інтенсивність кавітації, тому, наприклад, застосування ультразвукового очищення водних розчинів більш ефективно, ніж застосування органічних розчинників. В даний час як пристрої ультразвукового очищення знайшли застосування спеціальні ванни. Слід пам'ятати, що категорично забороняється використовувати як миючий розчин легкозаймисті та вибухонебезпечні речовини!