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摘 要：再制造清洗的零部件表面污垢的成分复杂，传统的单一清洗方法很难将这些污垢清洗干净，本文提出一种超临界CO2（SCCO2）预处理加湿喷丸清洗的复合清洗方法，介绍了SCCO2预处理的机理及影响因素，并指出里该复合清洗方法在再制造清洗中的应用。
关键词：超临界CO2 湿喷丸 复合清洗 再制造
中图分类号：X701 文献标识码：A 文章编号：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，但是每一种清洗方法都有自己的优缺点。其中，化学清洗技术对环境污染很严重；高压水射流清洗和湿喷丸清洗后产生大量废液，对环境污染严重；喷砂清洗则存在严重的粉尘污染，并且在清洗油污时会发生固体颗粒粘连在污垢上，不利于清洗的进行；高温清洗技术能耗高，污染严重，而且对零件的物理性能有一定影响；超声清洗也会产生大量的废液，而且清洗过程噪声污染严重[1]。针对目前使用的清洗方法的不足，本文介绍一种SCCO2预处理加湿喷丸清洗的复合清洗方法，实现清洗过程的高效和清洁要求。
1 SCCO2预处理复合清洗方法
1.1 SCCO2预处理复合清洗方法介绍
SCCO2是指处于临界压力和临界温度以上的CO2流体，在特定的压力和温度条件下，CO2转变为超临界状态[2]。气体在进入超临界状态会出现特殊的物件特征，如低粘度、低表曲张力、高扩散性和近液体密度等性质。利用SCCO2这些特性对污垢进行预处理，可以实现去除油污，以及让污垢产生一系列物理变化，对预处理后的污垢件进行湿喷丸清洗就可以达到去除污垢的目的。
SCCO2预处理复合清洗方法清洗过程见图1所示，首先将再制造零部件放置SCCO2清洗设备中进行SCCO2预处理，预处理的过程分为加压、保压和快速泄压三个阶段，然后对预处理后的零部件进行湿喷丸清洗，清洗过后进行干燥处理，处理后即可检测再制造零部件的清洁度。
1.2 SCCO2预处理机理
根据现有的研究，SCCO2预处理对于不同的污垢类型产生的作用不同，因此对于不同种类的污垢，预处理作用的机理也不同。对于油污等分子量较小的有机物污垢，预处理过程中污垢会溶解在SCCO2中；对于漆层等分子量较大的污垢，预处理作用的机理主要是气泡成核和温度效应综合作用的结果。
1.2.1 溶解度理论
根据相似相溶原理，SCCO2作为溶剂，其清洗主要是依赖于其对溶质的溶解特性[3]。SCCO2流体为非极性溶剂，对非极性有机化合物有极强的溶解能力，因此可以很好地清除有机污垢。
由溶解度理论可以看出利用SCCO2溶解清洗时必须考虑其对清洗的污垢是否有溶解特性。污垢物质的分子极性、分子结构和分子量都会影响SCCO2对其的溶解力。同时，超临界流体本身的密度值大小在溶解程中起着至关重要的作用，因此在预处理过程中对压力和温度的控制都会影响预处理的效果。
1.2.2 气泡成核机理
气泡成核机理是在超临界状态下，CO2扩散到聚合物中形成聚合物/CO2均相体系，在快速泄压的过程中，气体分子聚集成核，在聚合物内部形成大量微小的气泡核，气泡核成长变成气泡，气泡继续生长达到气泡膨胀力与阻力达到平成为止，从而形成多孔结构[4]。在气泡长大的过程中会产生拉应力，这些拉应力作用在邻两个气泡的气泡壁上，随着气泡的不断增长，气泡壁会变薄，当气泡壁强度无法承受膨胀产生的应力时，气泡壁破裂，相邻量气泡合并。
根据气泡成核理论，在SCCO2预处理中气泡在污垢层与基体界面位置、污垢层内部和污垢层表面在这三个位置形成，在泄壓后气泡长大对应形成污垢层三种状态的变化：界面裂纹、污垢层内部裂纹和污垢层表面隆起，如图2所示[5]。
1.2.3 温度效应
在SCCO2预处理过程中，污垢层和基体受热胀作用体积都会发生膨胀，且污垢层体积膨胀比基体大，在预处理的温度条件下污垢层接近粘流态，污垢层与基体之间应力会重新分布。当快速泄压时，温度会急剧降低，污垢层体积缩小比基体大，在污垢层内部和污垢层与基体之间都会形成内部拉应力。在一定的处理条件下，污垢层内部形成的拉应力大于污垢层抗拉强度时，污垢层发生断裂形成通道裂纹和侧向裂纹。当材料内部存在剪切力的时候，会产生气泡壁的断裂，气泡合并[6]，因此在污垢层与基体之间的气泡壁上产生剪切力，气泡壁断裂，在污垢层与基体之间形成界面裂纹。
1.3 SCCO2预处理影响因素
根据上述对SCCO2预处理机理的研究可以看出，压力和温度会影响SCCO2密度，进而影响预处理效果。同时，保压时间和泄压时间也会影响预处理的效果。
1.3.1 压力的影响
对于油污污垢，随着SCCO2压力的升高，CO2流体密度的增大，其溶解能力增强，所以油污的去除率增加。对于漆层等高分子聚合物污垢，在压力较低时，预处理后污垢层没有产生裂纹，在压力增大到一定时预处理后污垢层会产生裂纹，且随着压力的升高，裂纹尺寸增大，更有利于污垢的去除。
1.3.2 温度的影响
温度的升高会造成SCCO2流体密度减小，使其溶解能力减弱，因此对油污的去除效率减弱。对于漆层等高分子聚合物污垢，提高预处理温度，在预处理过程中污垢层的流动性增加，泄压后由于温度效应，污垢层被形成的裂纹分割为更大的区域，更有利于污垢层的去除。
1.3.3 保压时间的影响
SCCO2预处理油污时，污垢去除率在30min时基本趋于稳定。由于随着时间的推移，油垢的浓度逐渐降低，单位时间SCCO2所清除的污垢量减少，所以污垢去除率增加放缓。因此，对于油污，SCCO2预处理时间选择为30min较为合适。而对于漆层等高分子聚合物污垢，增加预处理保压时间不利于污垢层裂纹的形成，因此采用加压之后直接泄压的预处理方式。 1.3.4 泄压速度的影响
SCCO2预处理油污的主要机理是溶解度理论，因此泄压速度对清洗油污没有影响。对于高分子聚合物污垢，快速泄压可以使更多的气体分子保留在聚合物的内部，有利于氣泡的形成；快速泄压可以降低快速降低再制造零部件表面的温度，预处理的温度效应增强，有利于污垢层裂纹的形成，从而提高污垢清洗效率。
2 应用
SCCO2预处理复合清洗方法预处理温度低，可以处理所有的金属再制造零部件。单一的湿喷丸清洗方法清洗污垢时为了去除污垢及提高清洗效率，会增加射流压力，这样不可避免地会对基体造成损伤，而SCCO2预处理后污垢更容易去除，可以降低湿喷丸清洗射流的压力，避免对基体的损伤。因此该复合清洗方法在再制造清洗中可以得到广泛应用。
再制造工艺流程中涉及到清洗的环节主要有拆解前清洗、检查前清洗、再制造加工前清洗、装配前清洗和涂装前清洗[1]。零部件表面的清洁度直接影响着后续检测、加工和装配等环节的质量，拆解和检测前的清洗尤为重要。
由于长期在恶劣的条件下服役，再制造产品的污垢形成的情况很复杂，污垢的种类复杂多样，零部件表面的污垢往往是油污、积碳、灰尘等多种污垢的混合物。利用SCCO2预处理先除去污垢中的油污，使污垢层结构变得松散，然后用湿喷丸清洗，就可以很好地去除所有污垢。目前大连理工大学可持续设计与制造实验室已经通过实验实现发汽车动机气门积碳污垢和漆层的清洗，清洗效果理想，清洗效率也有很大的提高[5，7]。
3 展望
现有的研究只是对单一污垢进行SCCO2预处理复合清洗方法的影响因素进行研究，而不同污垢的预处理机理不同，预处理条件对不同污垢预处理效果影响不同，再制造零部件表面的污垢成分复杂，现有研究没有对不同污垢的混合物的预处理条件进行研究，在这方面下一步可以展开相应的理论和实验研究。
目前SCCO2预处理复合清洗方法主要停留在实验室研究阶段，因为预处理设备的反应釜体积和设备成本的问题，在再制造工业中没有得到广泛应用，因此研究SCCO2预处理设备，降低生产成本，也是下一步的研究方向。
参考文献
[1] 张彬.基于亚/超临界CO2的再制造清洗技术研究[D].大连理工大学，2013.
[2] Kohli R，Mittal K.L. Developments in Surface Contamination and Cleaning[M].Elsevier，2012.
[3] 李先碧.一种小型超临界CO2萃取装置的开发与实验研究[D].重庆大学，2007.
[4] 晏梦雪.超临界CO2制备聚乳酸发泡材料成型技术研究[D].广州：华南理工大学，2011.
[5] 董亚洲.基于湿喷丸技术的漆层清洗机理及实验研究[D].大连理工大学，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] 贺岩明.超临界CO2在再制造清洗中的应用基础研究[D].大连理工大学，2015.
关键词：超临界CO2 湿喷丸 复合清洗 再制造
中图分类号：X701 文献标识码：A 文章编号：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，但是每一种清洗方法都有自己的优缺点。其中，化学清洗技术对环境污染很严重；高压水射流清洗和湿喷丸清洗后产生大量废液，对环境污染严重；喷砂清洗则存在严重的粉尘污染，并且在清洗油污时会发生固体颗粒粘连在污垢上，不利于清洗的进行；高温清洗技术能耗高，污染严重，而且对零件的物理性能有一定影响；超声清洗也会产生大量的废液，而且清洗过程噪声污染严重[1]。针对目前使用的清洗方法的不足，本文介绍一种SCCO2预处理加湿喷丸清洗的复合清洗方法，实现清洗过程的高效和清洁要求。
1 SCCO2预处理复合清洗方法
1.1 SCCO2预处理复合清洗方法介绍
SCCO2是指处于临界压力和临界温度以上的CO2流体，在特定的压力和温度条件下，CO2转变为超临界状态[2]。气体在进入超临界状态会出现特殊的物件特征，如低粘度、低表曲张力、高扩散性和近液体密度等性质。利用SCCO2这些特性对污垢进行预处理，可以实现去除油污，以及让污垢产生一系列物理变化，对预处理后的污垢件进行湿喷丸清洗就可以达到去除污垢的目的。
SCCO2预处理复合清洗方法清洗过程见图1所示，首先将再制造零部件放置SCCO2清洗设备中进行SCCO2预处理，预处理的过程分为加压、保压和快速泄压三个阶段，然后对预处理后的零部件进行湿喷丸清洗，清洗过后进行干燥处理，处理后即可检测再制造零部件的清洁度。
1.2 SCCO2预处理机理
根据现有的研究，SCCO2预处理对于不同的污垢类型产生的作用不同，因此对于不同种类的污垢，预处理作用的机理也不同。对于油污等分子量较小的有机物污垢，预处理过程中污垢会溶解在SCCO2中；对于漆层等分子量较大的污垢，预处理作用的机理主要是气泡成核和温度效应综合作用的结果。
1.2.1 溶解度理论
根据相似相溶原理，SCCO2作为溶剂，其清洗主要是依赖于其对溶质的溶解特性[3]。SCCO2流体为非极性溶剂，对非极性有机化合物有极强的溶解能力，因此可以很好地清除有机污垢。
由溶解度理论可以看出利用SCCO2溶解清洗时必须考虑其对清洗的污垢是否有溶解特性。污垢物质的分子极性、分子结构和分子量都会影响SCCO2对其的溶解力。同时，超临界流体本身的密度值大小在溶解程中起着至关重要的作用，因此在预处理过程中对压力和温度的控制都会影响预处理的效果。
1.2.2 气泡成核机理
气泡成核机理是在超临界状态下，CO2扩散到聚合物中形成聚合物/CO2均相体系，在快速泄压的过程中，气体分子聚集成核，在聚合物内部形成大量微小的气泡核，气泡核成长变成气泡，气泡继续生长达到气泡膨胀力与阻力达到平成为止，从而形成多孔结构[4]。在气泡长大的过程中会产生拉应力，这些拉应力作用在邻两个气泡的气泡壁上，随着气泡的不断增长，气泡壁会变薄，当气泡壁强度无法承受膨胀产生的应力时，气泡壁破裂，相邻量气泡合并。
根据气泡成核理论，在SCCO2预处理中气泡在污垢层与基体界面位置、污垢层内部和污垢层表面在这三个位置形成，在泄壓后气泡长大对应形成污垢层三种状态的变化：界面裂纹、污垢层内部裂纹和污垢层表面隆起，如图2所示[5]。
1.2.3 温度效应
在SCCO2预处理过程中，污垢层和基体受热胀作用体积都会发生膨胀，且污垢层体积膨胀比基体大，在预处理的温度条件下污垢层接近粘流态，污垢层与基体之间应力会重新分布。当快速泄压时，温度会急剧降低，污垢层体积缩小比基体大，在污垢层内部和污垢层与基体之间都会形成内部拉应力。在一定的处理条件下，污垢层内部形成的拉应力大于污垢层抗拉强度时，污垢层发生断裂形成通道裂纹和侧向裂纹。当材料内部存在剪切力的时候，会产生气泡壁的断裂，气泡合并[6]，因此在污垢层与基体之间的气泡壁上产生剪切力，气泡壁断裂，在污垢层与基体之间形成界面裂纹。
1.3 SCCO2预处理影响因素
根据上述对SCCO2预处理机理的研究可以看出，压力和温度会影响SCCO2密度，进而影响预处理效果。同时，保压时间和泄压时间也会影响预处理的效果。
1.3.1 压力的影响
对于油污污垢，随着SCCO2压力的升高，CO2流体密度的增大，其溶解能力增强，所以油污的去除率增加。对于漆层等高分子聚合物污垢，在压力较低时，预处理后污垢层没有产生裂纹，在压力增大到一定时预处理后污垢层会产生裂纹，且随着压力的升高，裂纹尺寸增大，更有利于污垢的去除。
1.3.2 温度的影响
温度的升高会造成SCCO2流体密度减小，使其溶解能力减弱，因此对油污的去除效率减弱。对于漆层等高分子聚合物污垢，提高预处理温度，在预处理过程中污垢层的流动性增加，泄压后由于温度效应，污垢层被形成的裂纹分割为更大的区域，更有利于污垢层的去除。
1.3.3 保压时间的影响
SCCO2预处理油污时，污垢去除率在30min时基本趋于稳定。由于随着时间的推移，油垢的浓度逐渐降低，单位时间SCCO2所清除的污垢量减少，所以污垢去除率增加放缓。因此，对于油污，SCCO2预处理时间选择为30min较为合适。而对于漆层等高分子聚合物污垢，增加预处理保压时间不利于污垢层裂纹的形成，因此采用加压之后直接泄压的预处理方式。 1.3.4 泄压速度的影响
SCCO2预处理油污的主要机理是溶解度理论，因此泄压速度对清洗油污没有影响。对于高分子聚合物污垢，快速泄压可以使更多的气体分子保留在聚合物的内部，有利于氣泡的形成；快速泄压可以降低快速降低再制造零部件表面的温度，预处理的温度效应增强，有利于污垢层裂纹的形成，从而提高污垢清洗效率。
2 应用
SCCO2预处理复合清洗方法预处理温度低，可以处理所有的金属再制造零部件。单一的湿喷丸清洗方法清洗污垢时为了去除污垢及提高清洗效率，会增加射流压力，这样不可避免地会对基体造成损伤，而SCCO2预处理后污垢更容易去除，可以降低湿喷丸清洗射流的压力，避免对基体的损伤。因此该复合清洗方法在再制造清洗中可以得到广泛应用。
再制造工艺流程中涉及到清洗的环节主要有拆解前清洗、检查前清洗、再制造加工前清洗、装配前清洗和涂装前清洗[1]。零部件表面的清洁度直接影响着后续检测、加工和装配等环节的质量，拆解和检测前的清洗尤为重要。
由于长期在恶劣的条件下服役，再制造产品的污垢形成的情况很复杂，污垢的种类复杂多样，零部件表面的污垢往往是油污、积碳、灰尘等多种污垢的混合物。利用SCCO2预处理先除去污垢中的油污，使污垢层结构变得松散，然后用湿喷丸清洗，就可以很好地去除所有污垢。目前大连理工大学可持续设计与制造实验室已经通过实验实现发汽车动机气门积碳污垢和漆层的清洗，清洗效果理想，清洗效率也有很大的提高[5，7]。
3 展望
现有的研究只是对单一污垢进行SCCO2预处理复合清洗方法的影响因素进行研究，而不同污垢的预处理机理不同，预处理条件对不同污垢预处理效果影响不同，再制造零部件表面的污垢成分复杂，现有研究没有对不同污垢的混合物的预处理条件进行研究，在这方面下一步可以展开相应的理论和实验研究。
目前SCCO2预处理复合清洗方法主要停留在实验室研究阶段，因为预处理设备的反应釜体积和设备成本的问题，在再制造工业中没有得到广泛应用，因此研究SCCO2预处理设备，降低生产成本，也是下一步的研究方向。
参考文献
[1] 张彬.基于亚/超临界CO2的再制造清洗技术研究[D].大连理工大学，2013.
[2] Kohli R，Mittal K.L. Developments in Surface Contamination and Cleaning[M].Elsevier，2012.
[3] 李先碧.一种小型超临界CO2萃取装置的开发与实验研究[D].重庆大学，2007.
[4] 晏梦雪.超临界CO2制备聚乳酸发泡材料成型技术研究[D].广州：华南理工大学，2011.
[5] 董亚洲.基于湿喷丸技术的漆层清洗机理及实验研究[D].大连理工大学，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] 贺岩明.超临界CO2在再制造清洗中的应用基础研究[D].大连理工大学，2015.