二氧化碳雪洗技术

1、二氧化碳雪清洗技术二氧化碳雪清洗剂与其它二氧化碳清洗剂的区别：目前使用二氧化碳作为清洗剂的清洗方法有四种。第一种是使用坚硬而致密的固体二氧化碳干冰，作为清洗剂。第二种是使用固体二氧化碳与二氧化碳气体的混合物作为清洗剂。第三种是以液体二氧化碳溶剂作为清洗剂。第四种是以超临界流体状态的二氧化碳作为清洗剂的清洗。上述四种清洗的区别首先在于清洗的作用机理各不相同。第一种干冰清洗技术是利用干冰小球体的高速冲击速度对污垢进行机械冲击的应力作用和低温冷冻作用进而将污垢清除的，该技术是一种物体间的能量和动量的转移过程。第三种液体二氧化碳清洗技术，是利用液体二氧化碳溶剂的溶解作用将污垢清除的。第四种超临界二氧化

2、碳清洗技术，是利用超临界流体的特殊性质将污垢清除的。而第二种二氧化碳雪清洗则是利用处于高压状态下的液体或者气态二氧化碳在减压喷雾过程中形成的二氧化碳气流，该气流含有固体二氧化碳小颗粒，二氧化碳气流的高速运动同时与污垢间的能量和动量的转移作用和高速气流的清洗作用来清除污垢的。其他的区别还表现在，二氧化碳雪清洗是一个连续的过程，不像超临界二氧化碳或液体二氧化碳清洗那样需要以间断的方式进行。另外二氧化碳“雪”清洗对与污垢结合得很好的底基材料的剥离力的破坏作用也是相对比较小的。另一个显著区别表现在价格方面，二氧化碳雪清洗设备的价格要比其他二氧化碳清洗设备的价格低十倍以上。二氧化碳雪清洗系统是怎样形成的

3、？无论使用液体二氧化碳还是气体二氧化碳都可以作为二氧化碳雪清洗剂的来源当它们从常温高压的钢瓶出口迅速膨涨喷射出来时，形成的高速流体常形成一个固体和气体二氧化碳的混合物，并集中射向被清洗的表面，这种流体在国外被称为二氧化碳“雪”。所以我们不要误解为存在一种二氧化碳的雪花，名称只是对国外用语的直译。要获得二氧化碳雪的流体，通常必须使用一种称为文丘里喷嘴的特殊喷嘴。其特殊设计的孔口和喷嘴使得喷射过程中能在焓值恒定的情况下发生膨涨并获得一个高速的二氧化碳“雪”流体。文丘里管的构造如图一所示。文丘里管简称文氏管又称喉形管，既可用作测量流体流速的仪表，也可做高效率的气体冷却、净化、吸收设备。结构主要包括一

4、段截面不同的管子，由两端向中间缩小其最小处称为喉颈，气体流过时，由于管的截面缩小，流速加大而压力降低，喉颈处流速最大，将装有高压二氧化碳的钢瓶接上文丘里喷嘴，在喷射时就可以产生出含有固体二氧化碳的高速二氧化碳气流。实际上二氧化碳雪的清洗作用是靠两种清洗作用共同完成的一方面它利用的是固体二氧化碳与物体表面污染物之间的能量和动量的转移作用，这种作用使得二氧化碳雪可以去除各种尺寸的颗粒污垢，即使是微米大小的颗粒，目前可被去除的最小颗粒为0.03微米。而另一方面利用二氧化碳雪的特殊溶解作用，可将物体表面上的有机沉积物和薄膜去除。所以它对颗粒状污垢和薄膜状油污都有很好的清洗效果。二氧化碳雪清洗的机理？二

5、氧化碳雪形成过程的相变由液体或气体二氧化碳作为来源在喷射过程中形成较小的二氧化碳固体颗粒时，发生的是二氧化碳由气相或液相转变成固、气两相共存体系的相变过程。根据热力学在一定温度和压力下二氧化碳的相态和相变过程可用下面的相图表示。mJ*IG置二二純优按囲松置相阳屮的纵坐标是口內疋磅/平方英寸）表于的F力轴*横坐标是以华氏湿度）表不的温度轴，閤屮固、液、气氧优碳存在一个V相共存的湘白co点）它的温度专-70.MF讯压畑为7nPsi（.%1个大气汗X存在一个临界血C它的温度沟航98P©I1UO-1+.力为107（1fipsiC72&大气压人在此临界点以上的氧化碳被称九超愉体相或超临

6、界祁.在超临界相屮没有单汕存在的液相与气相，協临界相的流休既具肓液休高畫度的特亡乂具脊气休流动性好扩做隹畑的持点.在此临界点以上的二氧化碳被称为超流体相或超临界相，在超临界相中没有单独存在的液相与气相，超临界相的流体既具有液体高密度的特点又具有气体流动性好扩散性强的特点。相图中的线是固、气共存线，在此线上的压力、温度条件下，固体二氧化碳可不经过液相而直接转变成气态二氧化碳即二氧化碳发生升华。同时也表示在此线上的温度、压力下，固相和气相可以共存并且两相可以相互转化而不经过液体的中间相。同样在线上的温度、压力下固体二氧化碳可以与液体二氧化碳共存，并且两相可以相互转变。在线上的温度、压力下液体二氧化

7、碳可以与气体二氧化碳共存而且两相可以相互转化。而在域内的温度和压力下二氧化碳只能以固体相存在，在区域的温度、压力范围内二氧化碳只能以液相存在。在区域内的温度、压力下，二氧化碳只能以气相存在。在常温3O°C、常压1标准大气压，条件下稳定存在的二氧化碳是气态。所以在用二氧化碳雪清洗污垢后最终排出的二氧化碳是气态的，而固体颗粒和有机污垢能从排出的二氧化碳气流束中分离，气体二化碳可被排放到外面并被进一步回收利用。虽然通过上述相图可以帮助我们了解二氧碳雪形成过程就是常温高压下的液体或气体二氧化碳向气、固两相共存体系转变的相变过程，但是二氧化碳的相图并不能告诉我们二氧化碳雪清洗剂是如何具体由液体

8、或气体状态的二氧化碳转变成含固体二氧化碳的气流束的。而二氧化碳的压力焓图却可以帮助我们加深对二氧化碳雪形成过程中相变的理解。如斤以气休二李优嗾作为原料却以九点卄曲y其圧力衽卄口处下降时，岀廿气休氧优碳就会液化，妙成却液怵的I分舍星将逐渐增応斤丸液休小滴会肚一步成核剛匕十碰入气调区域2间的空界处片力絢加SOpsDRf,休一氧化碳屮所右的轅休.一氣化嗾都变成周休开釣占一氧牝碳总虽的期汞是以液休二si化碳作为原料:即以瞄.卄赠严其尺力在卄口赴卜一降时液休聊化酿屮就衾发主駅井气化齐有气泡卢生，并且气体二氧化碳的百分含呈会遜渐增加直到达到气一固共存线的数倉二同时剩'卜的1氧化碳液休就转变成周怵产

9、生固体釣占二氧化?S总呈的4产上的二宰化碳固休抽仃分济决疋F所选的原料状态，卄受惊料的比右刑温度的議响"这牛斥力F罔给了我们变化过凰始态、终态，以及在樂化磁郵段啟时所笈主的相态变化的有畫常息，市此川卸，凯化碳巧既对气休筑化礦产主也川P液林1氧化碳产土.网种氐料各有其优点刑缺穴n便HI气林氧.化磔为原料时产生的氧化碳再粳少但市丁气体比获容易被过滤，所以在麵化嗾气体屮希有的有勾L洱架物戦少,血且单位时问内平均幫耗的氧化碳数呈也较少*便用液体氧化碳为氐料-则川产土史哆的氧碳消耗率也较高n所以如杲清洗是非经常性的，或是只对一小块丙积上的沁垢皿行淸洗的1;二椎荐便用气怵氧化磺作为原料nliL对

10、连续的店速洁洗或时大而枳污垢讪行淸洗.建议采R1液休强化碳来制备粗化碳有硕在1轨化碳宵清泪1设备屮，一般都选择具有不对称结构的文丘里喷嘴设计*因为这种喷嘛雒便休系在较长时冋内保持等惭条杵,从IM能产生更名射一-羣化碳門=找得的弓流恿度呈大汗匚保持气流电加集屮n如果便/II直管喷喘则小艇保持專粘却条件幷且一般不曲产生斯需数呈的固林农化碳n3企一趙化碳雪清洗的机理-氧化碳宵既】J以J除颗粒丰垢,乂能除i矿物汕洱、丁-指卬、而脂、羽滑池等溥）ffi状污坏，共屮的机理通常是m卜面的理市解释的a久氧化碳巧山餘周休颗粒帖染物的机魁化碳弃措洗剂从物焯表而上去粽固休瓶粒漪染物的肌理比较梵单.高遠迄动的氧化碳耳

11、在冲击固休颗粒物讨，发生动呈的转務这神动虽转移作用能.虎服周体颖粒与物休表而z问的黏結力，輕固休颗粒脱离物休表而.一汕共离升/物休表面就很客易被商遽抽气擁世疋但这与单纯的高睡气流对表而颗粒摊加的冲击作用是不同的。空气动力的冲击作用.大小是与颗较面积（或粒子盲轻的平方）成正比的，血固休颗粒对物休表面的黏附力（包括范徳华力、毛细管作川力、偶极吸屮力奔）也是馬周坏颗粽的直悴变动的了周休颗粒较大时，气流的冲击作m对以蹈过颗粒与物休表而口射黏附力，斯以利川1以j际柳休表面较大的同休颗純，IIL巧物体表面上的周怵颖粒较小时，市片气流的冲击作川下降得比叛粒与表面的黏附力吏名是污垃純子直悴粳小讨（在微忒级范兩

12、），仅別用空气动力的作用就不能醤匹类河垢粒子去除-而在二氧化碳雪的髙速r流中含有固坏車优碳颗粒，同休一氧化碳颗粒与浙垢颗粒间碰搔时.境生动呈的转移.固休二粗优碳颗粒将冲击动呈檢给r和垢颗戦幷便其远离物休表而而后很客易被r流带走。所以在用二氧化碳雪捎十是对就Li11x鎳出的叛化理论的补缶Hi1畛rhwhitlGck观点外，述提出冷拣就裂的新观点，川來解释为什么-氧化碳雪，利川液体一氧化碳的溶僻作川水啓能有效丿；除羟类等池性脊机污垢，而且还能有数去除液体一一氧优碳村其溶解力不强的硅汕、脊机氟化物、合成润滑汕等甞有炷辜_z外的莫它官能厨的有机物冷探砥裂捕理世的上要观点川以简单理解为：这类有桝沁垢牛是

13、被液休塑化碇溶解血除去的，血是在被-氧化碳雪低泊作用的冷拣过程屮破裂成小砰片I帀被高速弓流陆丿汁l沈周体颗粒时.表蜕出去除黴杲与表面/垢的瓶倾大小尤关的待点，川以去除各种尺寸的叛粒沁垢（最小的可被去除的颗栽污垢的粒径在a蹄米，即丸納托）所以Jr-轨化碳宵电适合HIj在精密丁业清沈屮兀除微小的間休旳垢粒子见圏四-$久轨化碳弄清除有机汚垢的机理U罰兀两种理论解释轨化碳宣清除脊机污圻的机理，一种是whitlk提出的理论，它解秤r固休.堑化碳在碰撞过陛屮为什么能境土部分液化，血市下菠态-氧化噪对脊机再垢有很軒的溶解作HL所氏-氧化碳再能很好清除育机污垢=rtf-M化碳舌冲击被污染的表面时.碰撞过棍屮周

14、休一戦化碳粒子受到的床力增加门山口这个F力川以大到超过固怵氧化碳純子的皿服戒力和2匚相点压力（78PS1）,结杲使得固体二氧化碳粒子在与沁垢相接触的部位开始发生液化，M发土连续性的皿服和塑性变形皿血增液相-轻化碳与有机河垢问的接触面和*此时氧化碳诂变成了气休、液体、周体二氧化碳J相共存的林募.而液相氧化碳就是育机污垢的晟好萍剂，因此有机污坏就溶眸在液相的-农化碳屮'1氧化碳同休颗粒升妬跳离物体表面时，随着界面上的尺力卜一降氧化碳固怵瓢粒上的液和部分就会重新发土固化.这样有机沁坏就被氧优碳固邹颗粒带离物休表面.见图五。另一种理论是MHill在1仞叫提屮:的。实际对文物、乞术品还f丁修复滴

15、淤对火灾后残割物品址行修复清洗.JU以卜两例说叭麵化碳巧诗沈的高救性：笑国人呱it1x1當做过一个研究羣优碳宵措沉去除平导休晶片上微米缴和亦微*级颗純污垢育效性的实验.具休作法是将微忒级和亚微米级酋:酸锌周坏颗粒悬浮分散在乙醇屮MJT喷枪将二喷射到一个网英寸.大小的蛀晶片匕喷射一直进厅到沉积物能被肉眼可见为止,然后川一个装备有能呈分散光谱仪（ED©的|'|动微探什來测虽锌盐颗粒的数U和尺寸大小。在测srloo幅后（每幅的而;枳衣小是27.dx:?嗽米总共检测出孙斤锌盐颗粒.（述过推论在佛晶片总其的1600幅而祝上应有们2仆盐颗粒，）然后川1氧化碳再対徒片皿行清沉.M在淸洗后再

16、次用微探计皿竹份析.发觇整个砖片上盘剩下卅惮此叛粒匚计算表明用二氧化碳雪清洗对颗粒苦垢的去除率超过T9a眺盖国人Shciinaii和WiitlockiE®'/个JU4 氧化碳雪淸洗的实际应用-轨化碳門措沉包括以卜的实际屉斤领域:夙金屈、陶瓷.犁料-和玻璃表而获除务种河垢；夙单晶祐、磷化锢（InB肺化镣（SAs）等平导休晶片表面除去各种微小的污垢.淸沅齐种光学镜片：包括涂敷各种膜层的兀学観片.在漱泄器、红外光谱、紫外光谱仪上使小射兀学掘片及望远橈储头：对各料表而分析的样品啟分析前的淸洗处理，包括对Wm（Auger）电子.X射线电子分析缸餉的杆品对包括真空管在内的各种电克空兀器件

17、进行措沉：对咚求高洁疔度抽农验宝、土产乍问、洁净室对各种耍求高洁疔度的底甚材料的淸诜：对要龙高洁疗度的金屈利陶瓷部件进竹皓涉对电子TM屮的荐种微电子和混合电曄上的污垢进疔清沈：丄要有以卜：一点5 1防止淸沅后清沉表而破重新沁染造成猜洗表丙被重新和染的冈素上要有四个l1）颗粒汚垢的重新沉积2）被含在一率优碳再屮的洵垢所河梁（筍被清決设备和夹具上的沁垢污染仍H请洗方法不步引起的污染=卜面分别对这四种情出址f丁分析5L血止叛純和垢的叵新沉积为防止己被措除的颗粒污垢抽直新沉和，在设计清沉设备和休集时，必硕垮虑到使用迅!凶及捕获黑于段，以穽tH.夙表面被清除后就不对能甘沉积冋来口一般是便HJ高流动性的紊

18、流或圧流的氮气流o步淸沉匚除必颗粒污垢的表丙，山作力循环便用的氮2必须经过高压霜密过滤系统（HF卩闭対过滤处理以煤UE氮气的宵度純广、经过过濾系统处理的氯气的流动方向也必须按严格规芯乩必须是从洁疗艺吹向沁沁区清洗的方向也是从己清洁的表而吹向尚未诗沉的表而=5L滕丈-氧化碳原料中的杂庾研究表明在一趙优碳原料中迢常是粹有禳氢化合物等有机杂质的，冈此如呆使川这类未绘过滤亦化处理的殂化碳再yn丁清洗时.必然会导率优濮rr洁沅巩晶片表而有机沁垢的实验"他们在砖晶片表而涂敷沉而脂刑皓纹卬等肯机污垢，开采m5线光电子能谱（xi?s）分刑对新制备抽住晶片、被脊机洱垢污染的蛀晶片以及m氧化碳雪満洗后的

19、硅晶片的污染情况进行分析-分忻共屮含有的碳原子数在q厂也qY-q篙段落的有机劎所占剧iT分含呈农分柝结果表叭新制希的昨晶片的有机物上要是碾匪子數在y.段落的脊机物，在時晶片表面涂敷洗面脂和指纹一卬等有肌污垢之后.碳原子数在cls-的有肌物所占的百分含呈比新制备的粧晶片増则ra粘,而在用二氧化碳雪清抚后基木上检测不出有机蒔垢，小仅碳原子数在q厂氐的有肌物的含虽大大降低：，血且碳氐子數在q7-怎段落的有机物含量也比新制备的硅晶片上的曲很多说明用一一氧化碳雪淸洗不仅川山除呼晶片姑架的沟集物，I加且可以除去硅晶片上原有的佶机污染靭，对蓿除各种肓机旳垢都有很好的效果-5使用-氧化碳雪淸洗应注意的问题为了

20、正确便川氧化碳有措沉用注意的问题化处理-氐1物止措沉设希和夹具造成的海染氧化碳再清诜便口的设备.部件以圾钢瓶、橡胶管等也都可能伟有沁垢颗忆由这些污垢颗械会随着流动的气体或镀休二氧化碳原料经喷临到达被措沉物体匕所以在安裝涓沈设需之罰,所有的部件都应m麵化磧門认其清決过.五1伪防止发土円污染清沉过程述注意以卜儿个问题a清洗过棍必須遵循严格的！顷序活沈的咂序是从已苗沈的区域向着待晴沈的区域进押.水远小能讣淸沉锻射沛对准一个周同是L2清济表丙的未消机区域，铝果便涓忧卜來的漪垢再欲将清洁表面沟梁n清沉过程必须遵神严格的顺序血不能随怠的进行UB注意防止蚪气屮的湿气冷凝rtT1请洗过桎屮冷的1执化碳宵沛束会

21、大大陋低措沉表而的温度，结果会造成周兩空气屮的朮煎气在清忧表百冷凝.在一般诗沈屮湿气拎凝汗不村消洗造虏重大的影响，因为在导热性良好的措洗表而上往狂不芸造成湿气冷凝1历在m範化碳舌清洗玻埸汎学憶片等导热性不好的物体滤行化处理的率化礁禹进f丁淸洗时.必然会导敘碳氢化合物等有机刘垢在诗沈表而的沉和.九了了解便用不同纯度级别的二氧优碳原料对暗洗效杲的題帆Shenmn别便HI了熔焊保护气级、食品级、T具皴、医H1级和超临界流休勺谱缴isFO的氧化碳原料，jiTHE射镰光电子能谱（辭对使川上述各种原料班一一殂化碳竹淸沈的苏晶片I的碳氢化合厠污埼近f丁检测分析*为门匕较讨的方便，他是选尢同怦大小的清沉面积，

22、齐m清机前石表而上的碳氢化合柳浓股的比值作为判断再污染的大小,（比值步于丄才说阴有淸決效呆，比值大J1说明杯芳染严重）实验结果表明陆r便口超临界流体色谱级【sro的氧化碳雪清洗的硅晶片STO的比值小于1外.其他的原料比值都大丁b所以在便用-粗化碳需川行苏晶片等精密工业清沉时.必须使口超纯的超临界涼休也谱级氧化碳，4；他级别的轨化碳不适合m霜密清洗屮。如便川菇他级别的-氧化碳进行箱畫T业湾沈，在便川前必须辺行过濾茹氧化懈百清洗玻璃汎学総片等导热性邛好的物休时，为防止湿气冷凝M在清洗表而附近架设执空气喷枪或红外灯便湿气冷凝减少到晟少。但对P耍求請除微米或亚微米级河垃粒子抽精密丁恥清洸,就姿*在使用1凯优碳巧进行清洗的过程屮绝对不能发土湿气冷凝.闪为这将即碍微小颗较洱垢的犬除nC注意防止蒂电的产生罔1£一钦化起M列滾相士应枷冒示亚罔清洗时有时由于流动的气态-«化碳发±电离丽使被苗沈表而齿有静电。带育静电的物坏客扇吸附沁坏m被*和梁.所以要注當防止帝电的产土.妇被淸決的样品是金居则问题小大，貝要将样品接上地缓蒂电问题即1川解决:如果清