微纳米气泡清洗飞机外表面油污研究

摘 要：飞机外表面残留的油污会受环境影响形成复合污染物，对飞机的外观以及综合性能影响较大。本文针对这类以油污为主的复合污染物设计了一套微纳米气泡清洗系统，将典型油污和制备的复合油污均匀附着于模拟飞机外表面的试片上进行清洗试验。试验结果表明3种典型油污的清洗难度不同，复合油污的清洗难度比单一油污高，微纳米气泡清洗这类油污的效果优于纯水。

关键词：材料表面与界面；微纳米气泡；清洗；飞机外表面油污；航空维护

中图分类号：TG 17 " " " " 文献标志码：A

当飞机停靠在机场时，其外表面会附着较多颗粒、盐类和油污等污染物，如果这些污染物长期存在，就会影响飞机的外观及其综合性能，因此，在航空工业中，清洗飞机外表面的污染物是保持飞机性能和延长使用寿命的重要措施。传统清洗方法使用大量有机溶剂，不仅会严重污染环境，还会危害操作人员的身体健康，溶剂型清洗剂也不能满足最新战机外表面功能性涂层的清洗要求，因此，需要采用一种环境友好、成本低以及安全的清洗方法。微纳米气泡清洗技术是一种新型物理清洗技术，已经得到广泛应用。该技术利用大量微米和纳米尺度的气泡清洗工件，研究表明，其对颗粒、盐类和油污等污染物的清洗效果均十分良好[1]。该技术不需要添加化学清洗剂，保护环境，满足当前清洗领域的需求。

1 试验与方法

1.1 微纳米气泡发生装置设计

装置采用水力剪切式，其清洗流程如图1所示。气泡发生原理为在文丘里管中通入一定量的空气，空气在水流的作用下分散为大气泡，当含有大气泡的液体通过管径突然缩小再扩大的文丘里管的喉部时，压力快速降低，气泡膨胀，在压力快速恢复和冲击波的作用下，大气泡在短距离内发生了急剧减速[2]，破碎为小气泡，管内湍流使小气泡剧烈变形，破碎为微纳米气泡。微纳米气泡发生装置结构简单，可靠性高并且造价低，适合大规模推广使用。装置采用射流冲洗，可利用射流的高流速产生更多微纳米气泡[3]，适用性较强。

1.2 微纳米气泡清洗试验设计

1.2.1 微纳米气泡清洗系统设计

系统根据《微细气泡技术 清洗应用第2部分：机械加工金属零件表面机械油污清洗的试验方法》设计，按照实际应用场景进行调整，其清洗流程如图1所示。使用调压水泵将水注入微纳米气泡发生装置中，以射流形式将微纳米气泡水喷射在涂抹污染物的试片上，利用金属网和铁夹固定污染试片，清洗后清洗水箱收集废水排入排水池中。

1.2.2 污染物试片制作

1.2.2.1 污染物的选择

选择3种航空领域常见的油污作为污染物的主要成分，分别为4050航空润滑油、15号航空液压油和航空燃油。分别对其进行清洗试验，根据试验结果将最难清洗的一种油污作为主要研究对象，在其中加入增稠剂和颗粒污染物。在实际应用场景中，由于飞机外表面的油污长时间受到外部环境影响，其稠度更高，更难去除，因此须加入增稠剂，增加油污稠度，以模拟在实际场景中的污染物性质。选择碳黑和高岭土作为颗粒污染物，模拟有机物不完全燃烧或热解而成的黑色粉末状物质以及空气中的泥土和灰尘。

1.2.2.2 确认清洗试片

在经过阳极氧化后的铝合金材料上喷涂TS96-71氟聚氨酯无光磁漆，制成清洗试片（宽度∶高度∶厚度=

110 mm∶150 mm∶1 mm）。将所需的污染物按一定质量比置于烧杯中，搅拌至充分混合，使用油刷或金属勺将污染物均匀涂抹在试片上，将试片悬挂静置至不再有污染物滴落。

1.2.2.3 试验方法

将原始试片放置在天平上进行称量，记录该质量为m0，将已经制备好的污染试片从悬挂处取下，称量后记录该质量为m1，使用铁夹与金属网固定试片于水箱内部，调节清洗系统的各项参数至特定工况。打开水泵开关，生成含有微纳米气泡的水射流至污染试片表面，清洗一定时间后关闭水泵开关，取下试片，放入烘箱中悬挂，在烘箱60 ℃的条件下干燥30 min。取出试片后拭去底部油滴并称重，记录该质量为m2，清洗效率为R，试验重复6次以上来提高结果的可靠性，如公式（1）所示。

（1）

2 结果与分析

在不改变工况参数的情况下，保持入口压力为0.15 MPa，出口压力为大气压，气体流量为40 mL/min，水温为室温，射流出口与试片垂直距离为10 cm。当生成微纳米气泡时，射流出口喷射的流体呈现乳白色；当使用纯水清洗时，射流出口喷射的流体无色透明。

2.1 单一油污清洗

对3种油污来说，清洗时间越长，清洗效率越好。航空燃油的清洗难度最低，水和微纳米气泡清洗15 s和30 s，

清洗效率都达到98％以上，水和微纳米气泡的清洗效率没有差异，如图2（a）所示。15号航空液压油的清洗难度较低，水和微纳米气泡清洗15 s后，清洗效率分别为82.25％和92.59％；清洗30 s后，清洗效率分别为90.14％和98.28％，微纳米气泡清洗15号航空液压油的效果较好，如图2（b）所示。3种典型油污中清洗难度最高的是4050航空润滑油，水和微纳米气泡清洗15 s后，清洗效率分别为46.12％和62.55％，清洗30 s后，清洗效率分别为68.23％和85.87％，如图2（c）所示。对较难清洗的15号航空液压油和4050航空润滑油来说，微纳米气泡的清洗效果比纯水清洗更好，在清洗过程中，两者均不会损伤试片表

面的涂层。

选择清洗难度最高的润滑油作为研究的典型油污，在4050航空润滑油中按一定质量配比加入油品增稠剂，试验结果如图3所示。使用水和微纳米气泡清洗单一润滑油的清洗效率随时间变化的情况如图3（a）所示，随着清洗时间延长，纯水与微纳米气泡的清洗效率均显著提高，微纳米气泡的清洗效率比纯水更好。当润滑油与增稠剂的质量比为8∶2时，使用纯水和微纳米气泡清洗300 s，清洗效率分别为65.55％和77.68％，如图 3（b）所示。随着增稠剂质量占比提升，在同样的时间内，微纳米气泡和纯水的清洗效率显著降低。当润滑油与增稠剂的质量比为7∶3时，清洗300 s后，纯水和微纳米气泡的清洗效率分别为62.27％和77.29％，如图 3（c）所示。当润滑油与增稠剂的质量比为6∶4时，清洗300 s后，纯水和微纳米气泡的清洗效率分别为56.22％和64.38％，如图 3（d）所示。加入增稠剂，质量增加，混合油污的稠度变高，混合油污与物体表面的结合力显著增加，水流和微纳米气泡难以将污染物从试片表面分离，导致清洗效果变差。当混合污染物的稠度提高到一定程度时，微纳米气泡和纯水不能将混合污染物从试片表面分离，即使清洗时间较长，两者也不能达到较好的清洗效果。

2.2 油污与颗粒的混合污染物清洗

在4050航空润滑油中加入不同种类的颗粒污染物，润滑油与颗粒污染物的质量比均为9∶1。加入高岭土后，与单一润滑油相比，混合油污的清洗难度没有明显提升，如图4（a）、图4（c）所示。当清洗时间为30 s时，对单一4050航空润滑油来说，纯水和微纳米气泡的清洗效率分别为68.23％和85.87％，微纳米气泡的清洗效果优于纯水；加入碳黑后，纯水和微纳米气泡的清洗效率分别为44.20％和61.52％，清洗难度显著提高，如图4（a）、图4（b）所示。对单一4050润滑油和加入高岭土的混合油污来说，纯水和微纳米气泡在清洗150 s后均能达到较好的清洗效果，加入碳黑的混合油污需要清洗300 s 才能达到效果。加入碳黑后清洗难度提高主要有2个原因。1）碳黑颗粒不容易被水润湿，导致其很难从试片表面分离。2）碳黑的粒度极小，非常容易与润滑油相结合，也容易在试片表面再次聚集，更难去除。加入碳黑后，即使清洗效率达到较高水平，试片表面仍然有可视的黑色污染物，虽然其体积非常小，但是极难去除。

2.3 微纳米气泡清洗油污的原理

清洗试验结束后，取下试片进行观察，结果如图5所示，使用2种不同材料清洗后的试片表面的污染物形态存在显著差异。经过纯水清洗的试片表面污染物整体呈现更为明显的散射状分布，污染物颜色更深，这说明表面仍然有较多污染物残留；经过微纳米气泡清洗的试片表面整体污染物分布更均匀，散射状的纹路更细密。在喷口直接冲击范围内，经过纯水清洗的试片污染物残留更多，经过微纳米气泡清洗，黑色油污脱离试片表面，涂层重新显露。在水流的直接冲击作用下，复合污染物由射流冲击区域的中心向四周扩散，难以将复合污染物从试片表面分离，但是其只在试片表面位置进行转移，没有随着流体脱离试片表面。微纳米气泡和水的共同作用使污染物彻底脱离试片表面，试片恢复涂层原色。

有研究表明，微纳米气泡对污染物的清洗原理主要有以2种。1）利用较多微小气泡破裂产生的冲击波和液体射流对物体表面施加大量且频繁的小冲击，削弱污染物与固体表面之间的结合力，从而将污染物从物体表面剥离[4]。2）微纳米气泡比表面积较大，界面传质速率高，大量微纳米气泡的巨大总表面积提高了气泡和污染物的吸附概率，当吸附于油污以及物体表面时，微纳米气泡会在试片表面发生移动并相互结合，形成更大的气泡，更大的气泡会破裂或因为水流的作用离开试片表面，从而将油污从试片表面分离[5]，该过程如图6所示。这两者共同作用，可以有效地去除试片表面存在的油污和微小颗粒，这种清洗方法的清洗效力比较温和，不会损伤试片表面[6]。

3 结论

在3种油污中，航空燃油的清洗难度最低，4050航空润滑油的清洗难度最高，微纳米气泡的清洗效果比纯水更好。在4050航空润滑油中加入高岭土后，复合污染的清洗效率几乎不变；加入碳黑后，复合污染的清洗效率下降，说明碳黑与4050航空润滑油的复合油污更难清洗，微纳米气泡对油污的清洗效果更好。综上所述，微纳米气泡对飞机涂层表面的复合油污具有较好的清洗效力，不会损伤涂层表面。

参考文献

[1]王永磊，刘威，田立平，等.气浮工艺中微纳米气泡应用特性与检测技术研究[J].工业水处理，2020，40（4）：18-23.

[2]ZHAO L，SUN L C，MO Z Y，et al. An investigation on bubble

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[3]SAKAMATAPAN K， MESGARPOUR M， MAHIAN O， et al.

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[5]LI P， WANG J， LIAO Z， et al.Microbubbles for effective cleaning

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[6]黄河，张力程，杨庆峰.上海青龙镇遗址出土瓷片的微纳米气泡清洗研究[J].文物保护与考古科学，2020，32（5）：59-69.

作者简介：陆晨曦（1981-），男，江苏苏州人，本科，高级工程师，研究方向为飞机维修。

电子邮箱：179635718@qq.com。

通信作者：邓阳俊（1991-），男，本科，江西宁都人，工程师，研究方向为涂层技术。

电子邮箱：22413992@qq.com。