二氧化碳雪清洗机理与发展概述

王文亚　李金龙

【摘 要】随着生活水平的提高，对产品有了更加重要的要求，所以产品的清洗也日渐显得更加重要，本文主要是提出了一种具有非常多优点的清洗方法，二氧化碳雪清洗，首先从二氧化碳在生活中 的应用来陈述二氧化碳清洗的范围与优势，其次具体描述了二氧化碳雪清洗的机理，最后陈述了二氧化碳清洗的设备布局与实验过程。

【关键词】二氧化碳雪;清洗;机理

中图分类号： TQ649 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）21-0009-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.003

1 CO2雪清洗技术的发展状况

生活中的产品绝大部分来自于工业环境，在加工，运输，或者长时间在空气中暴露都容易被污染，被污染的产品比如电路板，高精度工件都会大大降低产品的功能或者使用效率，因此对产品的表面清洁是非常迫切的一项工作，随着科技的不断发展，清洗技术也在不断更新， CO2雪清洗技术也正在进入大众的视觉，这种技术是一种非常绿色环保，高效率的清洗技术。

国内外的学者在CO2雪清洗技术的研究上做出了很多的贡献。尤其是国外的学者在很久之前就做了很多相关的研究，比如1989年，Whitlock[1-2]研究了高速二氧化碳喷射可以有效去除亚微米颗粒。并进一步证明了二氧化碳可以有效去除碳污渍的薄层（指纹和面部油脂）和来自硅晶片的硅脂。Robert Sherman[3]基于表面污染的一系列金属，硅片和绝缘体进行CO2雪清洗实验，已经表明CO2雪清洗在减少表面污染方面与溶剂清洗一样有效。 Xiaobing Feng[4]

研究通过实验探索使用CO2雪去除μCMM触针尖端表面碎片的适用性，研究表明二氧化碳雪清洗效率与洁净度更好，并且在触针尖端表面上没有观察到雪粒磨损的迹象。可以表明二氧化碳雪清洗几乎不对清洁产品产生磨损。国内的熊楚才[5]也对CO2雪清洗技术做相关原理与应用的介紹。

虽然国内关于CO2雪清洗的论文不是很多，但是实际使用已经相对较广，比如奥迪、宝马汽车的内饰塑料与外部塑料零件的清洗、宝马汽车的保险杠除油、微坐标测量仪针尖的清洗，电路板的清洗、光学镜片的清洗等。相对于市场上存在的清洗技术CO2雪清洗技术有很多不可替代的优点：

（1）制备与清洗过程绿色环保。

（2）不需要处理废液、废水，不会造成二次污染，在整个清洗过程只有二氧化碳在发生相变，并无其它的物质产生。

（3）可以清洗产品范围广：电学元件、光学元件、晶体、陶瓷、医用器材、国防器材等等。比如电学元件如果采用水清洗会影响电学元件的电路等，但是二氧化碳雪清洗机会是干燥清洗的过程，不会对电学元件电路产生影响。

（4）相对溶剂的清洗，不会留下可检测的残留物，属于干燥清洗。

（5）对硅和磷化铟晶片，图案化芯片，混合芯片，光学器件和聚合物等精密样品没有结构性损坏。

（6）易取得，便宜安全，高纯度的二氧化碳的制备工艺已经非常成熟，并且安全可靠[6]。

2 CO2雪清洗技术的清洗机理

2.1 CO2雪形成过程

CO2雪清洗技术的清洗机理主要是利用了CO2的相变原理，高压的CO2液体与气体，通过文丘里喷嘴的减压作用形成CO2小颗粒（雪），此过程实现的是液态与气态到固态的转变过程。

如图1所示，在高压高温的时候，CO2主要为液态或者气态，当经过文丘里嘴之后，压强降低，图上A点，T=-69O，P=75psla为气、固与液体共存点，AB曲线为气液共存区域，气液共存的二氧化碳从钢瓶口出来，压强降低到OA曲线范围，气液变为气固状态，气固两相可以相互转化而不经过液体的中间相，最后喷嘴喷出来的是雪状的二氧化碳和气体二氧化碳，所以在雪清洗的过程中对压强的控制非常重要。

2.2 CO2雪清洗机理

CO2雪清洗主要利用颗粒之间的流动能量和动量之间的转化。当产品表面的颗粒物在空气拖曳力超过颗粒与表面之间的粘附力时，移动的流体将实现颗粒去除。而通过移动的流体去除亚微米颗粒通常是无效的，因为粘附力通常超过阻力。随着二氧化碳雪清洁，小的CO2雪以高速撞击表面并且雪和表面颗粒之间的动量转移就可以克服附着力，从表面去除颗粒。一旦离开表面，颗粒就会被移动的CO2气体冲走。

固体CO2雪撞击工件表面，压强增加，固体会液化，液体的CO2具有溶剂性能可以溶解一部分表面污垢。

3 CO2雪清洗整体设备布置

如图2所示，二氧化碳雪清洗的整体设备布局分为四个模块：液态二氧化碳、气态二氧化碳，控制单元和喷嘴结构，CO2雪清洗主要是通过液态CO2与气态CO2混合，再通过控制设备，使气液二氧化碳变为气固CO2，有CO2雪的生成，最后从喷嘴出来。

在整个清洗设备中，清洗喷头的设计非常重要，喷头是二氧化碳雪形成的关键结构部分，一般都采用文丘里管加特殊的喷嘴，文丘里管主要有渐缩段、喉部和渐扩段三段组成，其作用就是把气流由粗变细，以加快气体流速，如图3所示，每个部分的尺寸对二氧化碳雪的制备都起到关键的作用，所以设计合理独特的文丘里管，可以提高雪形成的效率与质量。

所以在应用中，不同的产品会专门设计不同尺寸的文丘里喷嘴，独特的喷嘴结构设计可以使得运行稳定，不堵塞，清洗能力强，无间隔等特点。市场上现有很多形式的喷嘴，单喷嘴扁平出口：可以增加单喷嘴的清洗强度和面积;并列式的多喷嘴，可以实现喷嘴位置可调，每个喷嘴上的二氧化碳气量可调，提高清洗的清洁度与效率;机械手式的喷嘴：可以实现自动化的清洗过程等。

4 二氧化碳雪清洗实验过程

（1）二氧化碳制备。

纯度不高的二氧化碳可能带入有机物污染，但是现在高纯度的二氧化碳制备技术已经相对成熟，只要按照标准工艺进行制备就可以得到高纯度的二氧化碳。

（2）分析样品可能产生污染的情况，最后提出如何制备无污染的实验样品。

可能产生污染：样品本身与操作过程中。

样品本身需要做多种清洗，使不同样品具有相同的基础环境，在操作过程中要注意夹持工具，空气中可能会带入的污染物，所以需要清洁夹持工具，要采用二氧化碳雪进行清洗。

（3）雪清洗試验过程（注意每一部分的操作可能对清洗表面造成二次污染）。

首先需要调节压缩空气的压力与流量，液态二氧化碳的流量，再打开喷嘴开关，对准清洗产品进行清洗。

5 总结

二氧化碳雪清洗是一种绿色，对产品无损伤，清洁度高的干燥清洗法，可以适用于较大范围工业产品的清洗，更是一种经济可靠的清洗方法，在整个清洗过程，设备布局与安装都方便简单，最需要注意的就是其清洗过程的设计，尤其是对二次污染的控制。

【参考文献】

[1]W. Whitlock， Presented at the 20th Annual Meeting of the Fine Particle Society， Boston， MA， August 22， 1989.

[2]R.Sherman and W. Whitlock， J. Vac. Sci. Techno！.B 8，563（1990）.

[3]Robert Sherman， John Grob， and Walter Whitlock.Dry surface cleaning using CO2 snow. Journal of Vacuum Science & Technology B 9， 1970 （1991）;1970-1977.

[4]熊楚才.二氧化碳雪清洗技术，洗净技术[J].2004.10，2（10）：64-70.

[5]Xiaobing Feng1， Peter K. Kinnell2， Simon Lawe，Development of CO2 snow cleaning for in situ cleaning of μCMM stylus tips，2016.11：1-20.

[6]蒋广生.高纯液态二氧化碳的生产技术和设备，硫磷设计与粉体工程[J].2005（1）：38-40.