Очистка углекислым газом ( очистка CO2 ) включает в себя семейство методов очистки и стерилизации деталей , использующих углекислый газ в различных фазах . [1] Поскольку этот метод неразрушающий, неабразивный и не оставляет остатков, его часто предпочитают использовать на деликатных поверхностях. [2] [3] [4] : 275 Очистка CO2 нашла применение в аэрокосмической , автомобильной , электронной , медицинской и других отраслях промышленности. [5] [6] Очистка снега углекислым газом использовалась для удаления частиц и органических остатков с металлов, полимеров , керамики , стекол и других материалов, а также с поверхностей, включая жесткие диски и оптические поверхности . [4] : 270
Очистка CO 2 нашла применение во многих отраслях промышленности и технических областях, включая аэрокосмическую, автомобильную, электронную, медицинскую, производственную, фундаментальные и прикладные исследования и оптику . [5] [6] Различные методы очистки углекислым газом могут удалять крупные загрязнения, краску , слои , жир , отпечатки пальцев , частицы размером до нанометров, углеводородные и органические остатки , а также радиоактивные остатки. Очищаемые материалы включают металлы, полимеры, керамику и стекла. [4] : 270 Ключевым ограничением является то, что загрязнение должно быть на поверхности, а не зарыто внутри материала. Пористые материалы не являются хорошими кандидатами для гранул или снега, но их можно очищать с помощью жидкого или сверхкритического CO 2 .
Очистка углекислым газом относится к нескольким различным методам очистки деталей, использующим все фазы CO 2 : [7] основные методы включают твердые гранулы сухого льда , жидкий CO 2 , снег CO 2 (гибридный метод) и сверхкритический CO 2 . Различные формы очистки CO 2 могут очищать многие типы объектов, от больших генераторов до небольших и деликатных деталей, включая жесткие диски и оптику. [4] : 270
При очистке гранулами (« струйная очистка сухим льдом ») относительно большие гранулы твердого CO2 выстреливаются в очищаемую поверхность. Эти гранулы ударяются о поверхность, механически выбивая частицы загрязняющих веществ. Очистка гранулами подходит только для поверхностей, достаточно прочных, чтобы выдерживать значительные удары. [1] [4] : 276
При очистке снега с помощью CO2 сжатый жидкий или газообразный диоксид углерода выбрасывается из сопла, конденсируясь в смесь твердых частиц и газа, которая воздействует на очищаемую поверхность. [1] [4] : 276 Скорости струи часто сверхзвуковые. [8] Очистка снега осуществляется за счет сочетания передачи импульса (механического удаления частиц загрязняющих веществ) и действия растворителя . [1] [4] : 273 CO2 сублимируется при контакте, увеличиваясь в объеме до 800 раз, тем самым создавая давление для выметания частиц. [8] CO2 также растворяет углеводородные загрязняющие вещества, а его низкая температура охрупчивает остатки, такие как отпечатки пальцев, что облегчает их сдувание. [2] [9]
Очистка снега нашла применение в авиационной , автомобильной , медицинской , оптической , полупроводниковой и космической промышленности. Она может обеспечить мягкую очистку, подходящую для деликатных поверхностей. [2] [4] : 270 [9] Эффективность очистки снега углекислым газом была продемонстрирована с помощью световой микроскопии , подсчета частиц, сканирующей электронной микроскопии , микрозондирования , рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии , атомно-силовой микроскопии , [10] [11] и масс-спектроскопии . [4] : 279
Стоимость оборудования для системы очистки снега с использованием углекислого газа может варьироваться от 1500 долларов США за базовую систему до 50 000 долларов США за автоматизированную установку высокого класса. [4] : 292 Стоимость материалов сравнительно низкая, хотя часто приходится использовать сверхчистый CO 2 , чтобы избежать попадания новых загрязняющих веществ.
При температурах и давлениях выше критической точки CO 2 может поддерживаться в виде сверхкритической жидкости , демонстрируя чрезвычайно низкую вязкость и высокую растворяющую способность . Для применения этого метода очищаемые детали заключаются в сосуд под давлением, который затем заполняется сверхкритическим CO 2 . Этот метод подходит для небольших и деликатных деталей, таких как микроэлектроника, и не идеален для удаления частиц. [12] [1] Помимо очистки, применение сверхкритического диоксида углерода включает целевую химическую сверхкритическую флюидную экстракцию и обработку материалов.
Промывка жидким CO2 , как и промывка сверхкритической жидкостью CO2 , основана на высокой растворяющей способности CO2 , [ 4] : 275, но при более низких температурах и давлениях, что упрощает ее реализацию. Поскольку жидкий CO2 не обладает растворяющей способностью сверхкритической жидкости, для повышения эффективности метода можно добавлять перемешивание и поверхностно-активные вещества . [1] Жидкий CO2 использовался при сухой чистке и обезжиривании обработанных деталей .
Очистка углекислым газом рассматривалась в 1930-х годах, а «гранулированный» подход был разработан в 1970-х годах Э. Э. Райсом, К. Х. Франклином и К. К. Вонгом. [4] : 276
Внедрение очистки снега с помощью CO2 , с его способностью удалять частицы субмикронного масштаба, приписывают Стюарту Хёнигу из Университета Аризоны , который впервые опубликовал эту тему в 1985–1986 годах. [4] : 277 [13] Хёниг путешествовал по США, чтобы продемонстрировать технологию, в конечном итоге привлекая интерес The BOC Group , которая разработала сопла Вентури для этого процесса, и Hughes Aircraft , которая разработала прямые сопла. [14] Очистка снега с помощью CO2 была дополнительно разработана Институтом Фраунгофера по машиностроению и автоматизации IPA с целью удаления краски с фюзеляжей самолетов . [9]
Конструкция сопла является наиболее значимым фактором в эффективности очистки снега от углекислого газа, влияя на размер и скорость частиц сухого льда. [4] : 277–278 Различные варианты конструкции сопла были разработаны WH Whitlock, LL Layden, Applied Surface Technologies и Sierra Systems Group. [4] : 277
Очистка CO2 может представлять определенные риски для безопасности. Если процесс используется для удаления опасных материалов, необходимо принять меры предосторожности, чтобы избежать воздействия этих материалов в вентиляционном потоке. Поскольку поток CO2 является криогенным , он может вызвать травмы при прямом контакте с кожей. Кроме того, необходимо соблюдать осторожность, чтобы не допустить превышения безопасных уровней концентрации углекислого газа в рабочей зоне . [4] : 272 [15]
Некоторые коммерческие сорта углекислого газа могут содержать следы тяжелых углеводородов , которые могут остаться на очищаемой поверхности. Абразивные частицы, возникающие в самом очистном оборудовании, также могут нуждаться в фильтрации. Низкая температура потока углекислого газа также может вызывать конденсацию влаги на детали, которую можно смягчить с помощью горячих плит , тепловых пушек , тепловых ламп или сухих боксов . [4] : 292–294
Ионизация, вызванная текущим газом, может привести к потенциально разрушительному накоплению статического заряда на непроводящих частях. Это можно смягчить с помощью заземления или источников положительной ионизации. [4] : 294