فراصوت تجهیز ایرانیان

هر آنچه از التراسونیک می خواهید…

مکانیزم شستشو با التراسونیک

در اکثر موارد فرآیند شستشو نیازمند انحلال آلودگی یا جدا شدن آن از سطح و یا هر دو مکانیزم است. اثرات مکانیکی انرژی التراسونیک در افزایش سرعت انحلال و جدا شدن ذرات آلودگی است. همچنین ترکیبات شیمیایی پاک کننده باقی مانده را می­توان بصورت سریع و کامل با فرآیند آب کشی التراسونیک زدود.

 

انحلال

هنگام زدودن آلودگی­ها با محلول­های پاک­کننده، حلال باید با آن در تماس باشد و آن را تجزیه کند. به عبارت دیگر تغییر ماهیت آلودگی از طریق شکستن پیوند آن با سطح صورت می­گیرد. در این حالت فرآیند شستشو فقط در سطح تماس حلال و آلودگی صورت می­گیرد. همچنین با تجزیه آلودگی، یک لایه اشباع شده در سطح تماس ایجاد شده که سبب توقف فرآیند شستشو می­گردد زیرا حلال دیگر با آلودگی در تماس نیست. کاویتاسیون و اثرات انفجار موجب جابجایی لایه اشباع شده گشته و بدین ترتیب حلال با آلودگی­های باقیمانده واکنش داده که این مزیت در مورد سطوح نامنظم یا مجاری داخلی چشمگیر است (شکل 1).

 

 

شکل 1 شماتیک تاثیر التراسونیک در انحلال آلودگی­ها

جابجایی ذرات

برخی آلودگی­ها به صورت ذرات غیرقابل حل هستند که توسط نیروهای یونی یا چسبندگی به سطح قطعه­کار چسبیده­اند. در این صورت مکانیزم جابجایی بصورت مرطوب کردن محل تماس آلودگی با سطح، کاهش کشش سطحی و انرژی آزاد سطح و سپس احاطه شدن مولکول با مولکول­های بزرگتر، امولسیون، پراکندگی یا انحلال آن عمل می­کند. کاویتاسیون و انفجار در نتیجه فعالیت التراسونیکی، انرژی لازم برای غلبه بر نیروی جاذبه ذرات را فراهم می­آورد و آنها را می­زداید. به عبارت دیگر پدیده کاویتاسیون سبب ایجاد نیروی برشی می­شود که موجب گسیختن نیروهای نگهدارنده ذرات آلودگی به قطعه تمیز شونده می­گردد و سپس ذرات جدا شده بوسیله جریان آکوستیکی جابجا می­شوند (شکل 2).

شکل 2- شماتیک تاثیر التراسونیک در جابجایی آلودگی­های غیرقابل حل

برخی آلودگی­های به صورت ترکیبی از اجزای قابل حل و غیر قابل حل می­باشند. در این حالت میکرو تحریک­های ایجاد شده توسط التراسونیک موجب افزایش سرعت تجزیه ذرات قابل حل و جابجایی ذرات غیر قابل حل می­گردد.

همچنین اثبات شده است که فعالیت التراسونیکی موجب افزایش یا تسریع اثر بسیاری از واکنش­های شیمیایی می­گردد که ناشی از سطح انرژی بالای تولید شده در اثر فشار و دما بالای محل­های انفجار است به گونه­ای که بخشی از نتایج موفقیت آمیز عملیات شستشوی التراسونیک به اثر سونوشیمیایی نسبت داده می­شود.

دو عامل اصلی در شستشوی التراسونیک وجود دارد:

  • کاویتاسیون التراسونیک
  • جریان سریع مایع در اثر فشار ارتعاشات التراسونیک

جریان آکوستیکی به صورت جریان مایع تحت میدان صوتی تعریف می­شود. این جریان­ها هم در اثر میدان صوتی غیر یکنواخت آزاد و هم در اطراف موانع موجود در میدان صوتی و یا اجسام نوسانی تشکیل می­شوند. جریان مرزی در نزدیکی سطح تحت میدان صوتی برای شستشو مناسب است. این جریان­ها موجب تسریع فرآیندهای انتقال در اثر میدان صوتی نظیر انتقال حرارت و شستشوی آلودگی­های سطوح می­شوند. جدول 1-3 مقایسه­ای بین نیروی کشش هیدرودینامیکی و نیروی جدایش در اثر جریان آکوستیکی را برای ذرات PSL (Polystyrene latex) چسبیده به قطعه نازک سیلیکونی را نشان می­دهد.

 

جدول 1 مقایسه بین نیروی جدایش، کشش هیدرودینامیکی و نیروی جداکننده

نیروی چسبندگی

نیروی جدایش در 40KHz

قطر ذره

1.080 × 10-8 N

1.616 × 10-8 N

1.0 µm

3.249 × 10-9 N

3.703 × 10-9 N

0.3 µm

1.083 × 10-9 N

1.178 × 10-9 N

0.1 µm

 

 

قطر ذره
1.0 µm
0.3 µm
0.1 µm
نیروی جدایش در 40KHz
1.616 × 10-8 N
3.703 × 10-9 N
1.178 × 10-9 N
نیروی چسبندگی
1.080 × 10-8 N
3.249 × 10-9 N
1.083 × 10-9 N

در فرکانس­های گیگاهرتز که حباب­های کاویتاسیون از بین می­روند، اختلاف فشار در ذره چسبیده به قطعه­ کار عامل دیگری برای زدودن آلودگی­ ها می­باشد.

انواع جریان های شستشو

مطالعات تصاویر میکروسکوپ الکترونی فرآیند شستشو بیان می­کند که مکانیزم­های کاویتاسیونی میکروجریان در جدا کردن ذرات از سطح و توربولانس ناشی از التراسونیک ( جریان آکوستیکی) در جابجایی ذرات پس از جدا شدن از سطح موثر است. میکروجت­ نیز در زدودن آلودگی نقش دارد.

 

شکل 3 شماتیک جریان آکوستیکی ناشی از آکوستیک

تشکیل میکروجت :

یکی از مهمترین مکانیزم­هاي فرسایش، تشکیل میکروجت و برخورد آن با سطح تشخیص داده شده است. این جریان در صورت وجود عدم تقارن به علت حباب­های سطحی یا سایر حباب­ها تشکیل می­شود. وقتی حباب در مجاورت یک سطح جامد قرار می­گیرد، هنگام فروریختن، قسمتی از حباب که به سطح نزدیکتر است، جابجایی کمتري خواهد داشت. اما قسمتی که از سطح جامد دورتر است، جابجایی بیشتري خواهد داشت. در نتیجه، هنگام فرو ریختن، شکل حباب از حالت کروي خارج می­شود و قسمتی از مایع اطراف حباب به داخل حباب نفوذ می­کند و از میان حباب به سمت سطح جامد مقابل حرکت می­کند و موجب تشکیل جت با سرعت تخمینی ms-1 200-100 می­گردد. هنگام برخورد میکروجت با سطح امکان کنده شدن قسمتی از سطح و تشکیل چاله­اي در آن وجود دارد. محدوده تاثیر این میکرو جت در حدود قطر حباب است.

شکل 4 مکانیزم میکروجت

جریان آکوستیکی (Acoustic Streaming)

جریان آکوستیکی به صورت حرکت مایع تحت میدان آکوستیکی تعریف می­شود. جذب انرژی آکوستیکی در اثر جریان مایع که به کاویتاسیون نیاز ندارد و حوزه تاثیر آن از چند دهم تا چندین ده سانتیمتر با سرعت cms-1 10 است که سرعت با افزایش شدت میدان صوتی افزایش می­یابد. این مکانیزم در نواحی نزدیک سطح با ذرات آلودگی شل یا با قابلیت انحلال آسان، یا در نزدیکی ذرات آلودگی غوطه­ور یا اجسام نوسانی تحت میدان صوتی فعال است. فرکانس­های بالاتر دارای جذب انرژی بیشتر و در نتیجه سرعت جریان بیشتری نسبت به فرکانس­های پایین با شدت انرژی یکسان می­باشند. همچنین، شدت انرژی بالاتر منجر به نرخ جریان بیشتر ناشی از گرادیان­های انرژی بالاتر در محلول بین نواحی آکوستیکی و غیر آکوستیکی است. این جریان به تنهایی نقش چشمگیری در شستشو ندارد و به جابجایی ذرات کمک می­کند.

شکل 5 مکانیزم جریان آکوستیکی

میکرو جریان (Microstreaming)

این حرکتِ دورانیِ مستقل از زمان سیال در اطراف حباب­ها ناشی از حرکت نوسانی موج فشاری صوت اتفاق می­افتد. نوسان در اندازه حباب­ها منجر به نوسانات سریع در بزرگی و جهت حرکت مایع و در نتیجه تشکیل نیروهای برشی چشمگیری می­گردد. محدوده موثر این مکانیزم به اندازه قطر حباب است.

شکل6 مکانیزم میکرو جریان

میکروجریان (Microstreamers)

حباب­های کاویتاسیون که در محل­های جوانه­زنی در مایع شکل می­گیرند و سپس به نقاط گره منتقل می­گردند، میکرو جریان گفته می­شوند. حباب­های ایجاد شده در مسیرهای پیچیده با سرعتی بیشتر از سرعت مایع حرکت می­کنند و هنگامی که به حباب­های دیگر برخورد می­کنند به آنها متصل می­شوند که ناشی از نیروی Bjerkness است. محدود این جریان­ها چند میلیمتر است.

 

پارامترهای فرآیند

کاربرد بهینه سیستم شستشوی التراسونیک نیازمند شناخت پارامترهای این فرآیند است. پارامترهایی نظیر دما، زمان، ترکیب شیمیایی و مقدار غلظت آن، فرکانس و سرعت جاروب، اندازه مخزن و میزان توان به منظور افزایش راندمان کاری باید شناخته شوند. برخی پارامترها نظیر شکل مخزن از نظر نسبت عمق به سطح باز، از نظر ممانعت در برابر برگشت موج به قطعه، موقعیت ترانسدیوسرها، موقعیت قطعات در مخزن، میزان گاز حل نشده، کیفیت آب، یکنواختی سطح قطعات، نحوه چرخش مایع در مخزن نیز می­تواند مورد توجه قرار گیرد.

در هر فرآیند شستشو سه انرژی حرارتی، شیمیایی و مکانیکی شرکت دارند. موفقیت فرآیند شستشو به ایجاد تعادل و رابطه بین این انرژی­ها بستگی دارد. پارامتر چهارم زمان است که تاثیر این انرژی­ها را افزایش می­دهد. نقش هر یک از انواع انرژی در فرآیند شستشو به صورت زیر است:

انرژی حرارتی:

  • عمل کردن به عنوان کاتالیست به منظور افزایش انرژی شیمیایی
  • قرار دادن آلودگی برای عمل کردن با انرژی شیمیایی و مکانیکی
  • افزایش سطح انرژی در فرآیند

انرژی شیمیایی:

  • شکستن پیوندهای مولکولی
  • واکنش با آلودگی­های آلی

انرژی مکانیکی:

  • ایجاد نیرو محرکه فیزیکی برای جداسازی آلودگی­ها
  • افزایش دهنده انرژی شیمیایی و حرارتی

از فرم­های انرژی مکانیکی استفاده شده در شستشو می­توان به اسپری، غوطه­ور کردن، توربولانس، جابجایی و چرخاندن قطعات اشاره کرد. التراسونیک نیز فرم دیگری از اعمال انرژی مکانیکی است.

مکانیزم­های اصلی شستشو در اثر انرژی التراسونیکی همچنان که قبلاً بیان گردید، عبارتند از: کاویتاسیون، جریان آکوستیکی و اختلاف فشار در قطعه­کار. پارامترهایی که روی شدت کاویتاسیون در مایع تاثیر می­گذارند، نقش مهمتری دارند. ایجاد کاویتاسیون و مقدار انرژی که در اثر آن آزاد می­شود به پارامترهایی نظیر قدرت التراسونیک، چگالی، فشار بخار، دما و شرایط مایع بستگی دارد.