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| 初始温度对干冰喷射法去除铁板表面漆涂层的影响…… |
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摘要：主要研究了采用干冰喷射法去除铁板表面防锈漆涂层中温度的影响，考察了不同初始温度与去除的铁板表面防锈漆涂层的质量之间的关系。利用扫描电镜(SEM)对不同温度中防锈漆涂层的铁板样表面进行分析，结果表明涂层表面形态受温度影响较大，温度越低，防锈漆涂层破坏越严重，干冰喷射法去除的防锈漆涂层越多，去污效果越好。目前，在核设施退役过程中，一些通仪器设备、风管、铅罐等都需要对其去污以降低污染等级，以便于回收处理。一般采用诸如化学泡沫和凝胶、氧化还原试剂、有机酸等、离心喷丸系统、喷砂系统、高压水冲洗方法进行处理，但这些方法将产生大量的二次放射性废物和有毒有机废液，需进行再次处理，并且一些去污条件要求较高，同时也对操作人员产生不必要的危害，所以，这些方法不适宜用于核设施退役。近年来，许多国家都将干冰喷射法直接应用于核设施清洗中，特别是法国，大多数的核设施的清理都采用干冰清洗。干冰清洗时利用 干冰清洗机（干冰喷射器、洗模机）喷射干冰颗粒经高压气流加速，通过喷嘴喷出，冲击到需要清洗的界面，有效地去除目标污物。这是因为干冰颗粒温度极低(-78．5℃)，用于去污清理时，使得清洗表面污染层与粘附的基底层之间形成温度差，由于不同材料具有不同热膨胀系数，表面污染层与粘附的基底层之间的温度差会破坏两种材料间的物理结合，利用其收缩性不同使其粘附层产生裂纹并脆化。同时，在冲击瞬间，干冰破裂，进入裂缝同时在千分之几秒内体积膨胀近800倍，造成“微型爆炸”，将污垢层吹扫剥离，清除污物。干冰清洗机的工作机理如图1所示。
干冰喷射清洗法在核设施的退役中的应用研究较多，但是很少研究温度变化对去污效果的影响，国内外对干冰清洗过程中温度的影响方面有许多的报道，例如Alice Ying和Mohamed Abdou 在运用干冰清洗NIF (美国的国家点火设施)时，提出温度突然降低，可能产生热冲突，必然导致污染层产生裂纹。P.H.Shipway和D.P.Weston在研究热能影响聚合物的蚀刻中，提出温度变化与材料的硬度相关。P.H.Shipway，D.PWeston和S.J.Harris研究小组在研究低温去除聚丙烯混合表面层的实验中，提到聚合物在喷射过程中所表现出来的温度变化与聚合物最初的温度相关。史金海等在研究干冰冷喷射清洗技术及其应用中，得到冷喷过程中金属及橡胶的温度变化情况，证明金属内部没有出现热应力，并且橡胶在60℃时喷射十几冰，不会出现爆裂。为了进一步探究喷射过程中金属表面的温度变化情况及其变化带来的对去污效果的影响，本论文将通过一系列相关实验对其进行深人研究。
1 实验及结果分析
1.1 仪器设备与样品准备
干冰清洗机（干冰喷射器、洗模机），干冰制造机（干冰造粒机、干冰制粒机）突驰干冰技术（烟台）公司生产;螺杆式空气压缩机(EASSOJ/H),储气罐。
干冰清洗系统装置图，如图2所示。在实验前，进行制样首先制备了长宽高为200 nnn x 80 rnm x 0. 75 mm与长宽高为10 mm x 10 mm x 0. 75 mm的未生锈铁板，铁板表面无划痕.模数相同、在未生锈铁板表面刷涂上S. T. L灰钢构防锈漆(附着力强)，将防锈漆搅拌均匀，共刷两次，当防锈漆涂层干以后，测量得防锈漆涂层的厚度为0.15mm，表面未起泡。通过干冰造粒机（干冰制造机）制造干冰，干冰颗粒的直径为3 mm ,长度在2-5mm之间，放于保温箱中，可以保存24 h。
1. 2不同初始温度对防锈漆铁板去污影响
1.2.1不同情况下防锈漆铁板表面温度变化
实验过程中，首先在防锈漆铁板样品底部安装T型热电偶，并连接温度数据采集器，将50g干冰直接放于带有防锈漆涂层铁板的表面(室温为25℃)，用秒表计时60 s ,测量得出60s内防锈漆铁板温度的变化，如图3所示。将另一块防锈漆铁板固定在样品台上，干冰颗粒加人干冰清洗机中，然后用长度为214 mm,直径为15 mm的圆喷嘴，对防锈漆铁板热电偶区域进行喷射60s,靶距为25 mm,测得防锈漆铁板表面的温度变化如图3所示
图3表明，随着时间的增加，两种情况下防锈漆铁板表面温度都逐渐降低，最后趋于稳定。直接将干冰放干防锈漆铁板表面时，在40s时温度趋于稳定，降低到-58℃。而在对防锈漆铁板表面进行干冰喷射条件下，防锈漆铁板温度在42s时趋于稳定，降低到-54℃。但在喷射过程中温度存在一定波动，原因可能在于空气压缩机压力控制在0. 3-0. 4 MPa范围内变化时，干冰的出冰量受到一定影响，少个非恒定值。干冰喷射过程中，干冰撞击防锈漆铁板过程中，部分动能转化热能，使防锈漆铁板温度升高，因而在喷射过程中铁板的最低温度相比于干冰直接作用于防锈漆铁板时有所上升。
1.2.2初始温度对防锈漆铁板表面防锈漆涂层去除质量影响
本实验中采用精度为万分之一电子天平称量喷射前长宽为200 mm x 80 mm涂有防锈漆铁板的质量，然后在涂有防锈漆铁板的底部安装热电偶，并在长宽为10 mm x 10 mm的小防锈漆铁板底部安装热电偶，将两个样品放人制作简易泡沫箱中，密封并在泡沫箱顶部挖一个小洞，向泡沫箱中缓慢加人液氮(-196℃)，使防锈漆铁板的温度从25℃分别降到0℃、
-20℃、-54℃(从图3中可以知道，在喷射过程中，铁板温度最终稳定于-54℃、-80℃、-100℃，在-100℃时铁板表面防锈漆出现明显裂纹)。为了对比去除效果，在不同温度情况下对铁板进行喷射。首先将空气压缩机的压力调节到0. 3 -0. 4 MPa,用相同的喷嘴，在靶距为25 mm处对不同初始温度的防锈漆铁板清洗，时间持续10s，称量喷射后铁板的质量，得到在不同初始温度作用后的防锈漆铁板在干冰清洗后去除的质量，得到了初始温度与防锈漆铁板表面油漆涂层去除质量之间的关系，如图4所示。
从图4我们可以看出，防锈漆铁板初始温度越低，干冰清洗作用后铁板表面防锈漆涂层去除质量越多，可能是由于铁板与防锈漆涂层的热收缩系数不同，并且防锈漆涂层的热收缩系数远大于铁板热收缩系数，并且随着温度的降低，防锈漆涂层发生脆化。在初始温度为-100℃时去除效果最好，但在-100℃时，肉眼都能观测到去除干净的铁板表面出现裂纹，说明对基底铁板产生了破坏，影响了工件的使用效果及使用年限。而在-20~25℃之间，去除质量无明显变化，去污效果较差，说明铁板和涂层结合紧密，该初始温度对去污效果的提高不产生作用。综上，在考虑不破坏基底材料结构条件下时，选择-80℃作为初始温度达到较好的去污效果，如果单纯考虑去污效果，则选择更低的初始温度，可以达到更好的去污效果。
1.2.3观察不同初始温度下铁板表面防锈漆层形貌
用SEM(扫描电镜)观察在不同温度下涂有灰色钢构防锈漆的表面情况
25℃与0℃(可以看出防锈漆涂层结构较紧密，井未出现明显裂纹，当温度降低到-20℃时，可以观察到涂层裂纹开始变大，到-54℃时，涂层表面已经出现脆化现象，到-80℃时，裂纹变大，有开始脱落的迹象，到-100℃时，涂层表面已经破坏，出现破裂不平整结构，以上结果表明铁板表面防锈漆涂层随着铁板初始温度的变化，涂层的裂纹越来越大。原因在于，铁板和防锈漆涂层两种材料的收缩系数不同，随着温度的降低，材料收缩加剧，两种材料间结合力降低，结合变得松动，裂纹产生，甚至一些油漆涂层并产生脆化脱落.当温度降低到-100℃时，防锈漆涂层脆化现象明显，出现大片脱落现象。
2结论
通过实验得知，防锈漆铁板的初始温度越低，去除防锈漆涂层的质量越多，去污效果越好，但超低温度下对基地层铁板表面产生一定破坏。所以，在实际应用干冰清洗过程中，首先要考虑超低温度是否对基地材质产生破坏，但是，在工程运用中，一般对去污表面清洗时间少于30 s，通过实验得知不会使材料降低到很低的温度，因而干冰对其材料的性能影响较小，所以在干冰喷射去污过程中，控制较低的初始温度更加有利于去污效果的提高，提高其应用效果和范围。 |
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