干冰清洗技术分析

由于干冰颗粒与被处理表面之间的温差，在清洗过程中会发生热冲击。这破坏了基底和要从其去除的污染物之间的结合。干冰在撞击时蒸发，因此不会产生二次废物流。 

全球许多行业已经发现了这种精密清洗工艺的优势。应用范围包括从PCB去除到铅涂料减少和砖石划痕。

对于干冰清洗机常见的提问

什么是干冰喷射清洗？

干冰（二氧化碳）清洗类似于清洗，喷珠或汽水清洗，其中介质在加压气流（或其他惰性气体）中加速以冲击要清洗的表面。

 为什么我要用干冰代替传统的清洗介质？

大多数其他清洗性介质都会留下二次废物。干冰在撞击表面时会升华（蒸发）。剩下的就是您要去除的污染物。而且，由于干冰在撞击时会蒸发，因此该过程可用于清理复杂的空腔，在这些空腔中典型的清洗介质会被困住。一些典型的传统方法包括：溶剂清洗，  （超）高压水喷射清洗和磨料喷射清洗。

 精密干冰清洗技术

如今，从重渣去除到精密的半导体和电路板清洗，干冰喷射清洗已广泛用于各种应用中。想象一个可以在线使用的过程，而不会损坏设备或不需要机器“拆卸”。与常规的有毒化学药品，高压喷水和清洗处理不同，干冰喷吹使用高速气流中的干冰颗粒去除表面上的污染物，而不会增加成本，并且不会增加二次废物处理和处置的麻烦。

在1930年代初期，制造固相二氧化碳（干冰）成为可能。在这段时间里，“干冰”的创作不过是实验室实验而已。随着制造干冰的程序变得容易获得，这种创新物质的应用也在增长。显然，第一个用途是用于制冷。如今，干冰已在食品工业中广泛用于包装和保护易腐食品。

1945年，有报道说美国海军正在尝试将干冰作为清洗介质用于各种除油应用。1963年5月，雷金纳德·林德尔（Reginald Lindall）获得了一项使用“喷射清洗”二氧化碳颗粒的“从骨骼中去除肉的方法”的专利。1972年11月，埃德温·赖斯（Edwin Rice）获得了一项“通过喷涂高速干冰颗粒去除物品多余部分的方法”的专利。同样，在1977年8月，Calvin Fong获得了“用能升华的材料制成的喷丸进行清洗处理”的专利。

这些早期开拓者的工作和成功促成在1980年代初期组建了多家公司，这些公司致力于发展干冰喷射清洗技术

干冰制粒机和鼓风机于1980年代后期进入工业市场。此时，清洗机的体积很大，价格昂贵，并且需要高气压才能进行操作（压力大于200 psi）。随着干冰鼓风技术的发展，鼓风机的尺寸和成本都在下降。最新的喷嘴技术使清洗在车间空气压力（80 psi）下有效。

什么是干冰？

干冰是二氧化碳（干冰）的固体形式，它是一种自然存在于我们大气中的无色，无味，无味的气体。尽管它的存在量相对较小（约占体积的0.03％），但它是我们所知道的最重要的气体之一。

干冰是一种天然介质，可用于许多维持生命的目的。它是参与碳循环的关键要素。它是农业生产的碳水化合物的唯一碳源；它刺激植物生长；它有助于缓和整个地球的温度。据信，动物呼吸每天向大气中增加2800万吨二氧化碳。相比之下，美国的干冰工业每天只能供应25,000吨，其中95％来自副产品来源，或不到其他来源总和的0.04％。

在-109°F的低温下，干冰固体具有固有的热能随时可以利用。在大气压下，固体干冰直接升华成蒸气，而没有液相。这种独特的性能意味着清洗介质会简单消失，仅留下原始污染物进行处理。另外，现在在水敏感区域进行清洗是可行的。

爆破中使用的二氧化碳等级与食品和饮料行业中使用的等级相同，并已获得FDA，EPA和USDA的特别批准。二氧化碳是一种无毒的液化气，既便宜又易于储存在工作场所。同样重要的是，它是不导电且不易燃的。

干冰是几种工业生产过程的天然副产品，例如发酵和石油化学精制。通过上述生产过程释放出的干冰被捕获并存储而没有损失，直到需要为止。在清洗过程中将干冰返回大气时，不会产生新的干冰。相反，仅释放原始的干冰副产物。

表1列出了各种形式的干冰的物理性质和转换因子：表1.二氧化碳（干冰）性质。

干冰喷射清洗如何工作

基本过程

干冰颗粒清洗类似于清洗，塑料珠清洗或苏打清洗，其中介质在加压气流（或其他惰性气体）中加速以冲击要清洗或准备的表面。通过干冰喷射清洗，影响表面的介质是固态二氧化碳（干冰）颗粒。使用干冰颗粒作为清洗介质的一个独特方面是，颗粒在与表面碰撞时会升华（蒸发）。冲击能量的耗散和颗粒与表面之间极快的热传递相结合，使固体干冰瞬间升华。变成气体。气体在几毫秒内膨胀到药丸体积的近八百倍，这在撞击点实际上是“微清洗”。由于干冰蒸发，干冰喷射清洗过程不会产生任何二次废物。剩下要收集的就是清除污染物。

与其他清洗介质一样，与干冰喷射清洗相关的动能是颗粒质量密度和撞击速度的函数。由于干冰颗粒具有相对较低的硬度，因此该过程依赖于较高的颗粒速度来获得所需的冲击能。高粒子速度是超音速推进剂或气流速度的结果。

与其他喷射清洗介质不同，干冰颗粒具有-109°F的极低温度。这种固有的低温使干冰喷射清洗过程具有独特的由热力学引起的表面机制，该机制在一定程度上影响涂层或污染，具体取决于涂层类型。由于干冰颗粒与被处理表面之间存在温差，因此可能会发生称为“破裂”或热冲击的现象。随着材料温度的降低，它会变脆，从而使颗粒受到撞击而破坏涂层。请参阅图2和3。 

而且，具有不同热膨胀系数的两种不同材料之间的热梯度或差异可以用来破坏两种材料之间的结合。当清洗非金属涂层或结合到金属基材的污染物时，这种热冲击最为明显。

经常检查此过程的公司都担心热冲击会对母金属产生影响。研究表明，温度下降仅发生在表面上，在基板金属中不会发生热应力。为了说明这一原理，进行了一个实验，将热电偶以不同的深度嵌入到钢基底中（表面齐平至2 mm深）。参见图4。 

持续不断地在试样上横穿干冰喷射清洗流30秒（此过程的停留时间相对较长），热电偶记录了不同深度处的温度变化。如图5所示，每次清洗冲击波直接冲击热电偶时，表面安装的热电偶都会显示出温度下降的情况（大约5秒内达到50°C）。相反，嵌入衬底中不同深度的热电偶记录的温度缓慢下降，这与整个测试板的温度下降相对应。2mm深的热电偶在30秒后仅下降了10°C。该曲线说明“热冲击”仅在涂层或污染物粘结到基材的表面上发生（参考文献1），并且对基材没有有害影响。 

解决热应力的另一种方法是研究模制橡胶行业中干冰喷射清洗的使用。在这里，使用-109°F干冰颗粒对在300+°F下运行的热钢模具进行清洗处理。热模具和冷干冰之间的温差不会导致破裂。此现象有两个原因。首先，如上所述，温度梯度出现在表面。其次，所涉及的热应力要比正常热处理过程中遇到的热应力小得多。

甚至在高冲击速度和直接“正面”冲击角的情况下，与其他介质（砂砾，沙土，PMB等）相比，固体干冰 颗粒的动力学效应也很小。这是由于颗粒的硬度相对不足，并且在冲击时几乎立即转变为气体，这有效地在冲击方程式中提供了几乎不存在的恢复系数。因为认为干冰 喷射清洗是非磨料的并且依赖于上面讨论的热效应，所以该工艺可以应用于多种材料而不会造成损坏。可以对诸如黄铜和铝覆盖层之类的软金属进行干冰 清洗处理，以去除涂层或污染，而不会产生表面应力（震荡），点蚀或粗糙度。

干冰鼓风技术的好处

降低成本

干冰颗粒的自然升华消除了收集清洗介质进行处置的成本。另外，还消除了与喷水/清洗程序相关的围堵和收集成本。

因为干冰鼓风系统为生产设备提供在线维护功能（“在线清洗”），所以将及时且昂贵的拆卸工具的过程减到最少。不再需要专门的清洗周期，因为可以采用预防性维护计划，以便在生产期间进行设备清洗。结果，在不增加人工或生产设备的情况下增加了吞吐量。 

干法

与蒸汽喷射清洗或水喷射清洗不同，干冰喷射清洗系统不会损坏电线，控件或开关。此外，与蒸汽或水喷射清洗相比，干冰喷射清洗后清洗后可能形成的生锈现象要少得多。当在食品工业中使用时，干冰喷射清洗减少了常规喷水固有的细菌生长的可能性。

环境安全

二氧化碳是符合EPA，FDA和USDA行业准则的无毒元素。通过用干冰鼓风系统代替有毒的化学工艺，可以从实质上减少或完全消除因使用危险的化学清洗剂而引起的员工风险和企业责任。由于干冰气体比空气重（干冰气体替代氧气），因此，如果在封闭区域内或地下坑内进行爆破，则必须小心。

杂项工具

生产固定装置的名称和类型很多，但是实际上，任何属于生产过程且难以在线或在生产时间内通过传统方式进行清洗的物品，都是出色的干冰应用。

干冰清洗机应用程序例如：

1. 输送机组件

2. 料斗

3. 物料搬运

4. 汽车运输车

5. 从机器人，夹具，载体上去除焊渣

6. 去除链条，机械等上的油脂

7. 清洗包装设备

8. 去除胶粘剂

未来

我们无法预测未来，但是我们知道干冰清洗清理不是一项成熟的技术。自从首次引入该流程以来，仅过去了八年，该技术仍在继续经历快速的增长，变化和进步。

今天的环境问题仅仅是个开始。空气和水质立法将继续对一般工业施加更严格的法规，干冰喷射清洗技术将不断向前发展以满足这些新需求。