超聲波洗衣技術(shù)去污性能研究

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2017.03.021

引 言

超聲波應(yīng)用于質(zhì)地堅(jiān)硬物件的清洗已有很長(zhǎng)的歷史，其清洗效率可以達(dá)到 95% 以上，洗滌潔凈度非常高。目前，超聲波洗衣機(jī)產(chǎn)品非常少，大多數(shù)超聲波洗衣機(jī)被認(rèn)為是 雞肋 。這是因?yàn)?a href="/tags/超聲波清洗" target="_blank">超聲波清洗應(yīng)用于日常家用衣物的研究非常少，無(wú)法給家用衣物洗滌方法提供指導(dǎo)。本文分析了超聲清洗機(jī)理、換能器理論和各種因素對(duì)超聲清洗影響的研究進(jìn)展，定性研究了不同頻率、功率對(duì)常見(jiàn)污漬（質(zhì)地為棉）的去污效果，具有一定的參考意義。

1 超聲波清洗原理

相關(guān)研究人員認(rèn)為超聲波清洗的原理是超聲波在水中的空化作用造成的，空化氣泡直接或間接作用于污物，使污物被震散，溶解于水中，達(dá)到清洗的目的。超聲波的頻率一般需要達(dá)到 20 kHz以上，這樣才會(huì)在水中形成真空的 空腔泡 ， 空腔泡 對(duì)清洗物體的物理作用就是空化作用。

超聲波換能器是超聲波清洗中必不可少的換能元件，它能將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，但幅度很小，約為幾微米，且振動(dòng)速度及頻率很快。一般來(lái)說(shuō)，超聲波清洗機(jī)上有許多換能器，當(dāng)給它們添加一樣的頻率及相位的電能時(shí)，就會(huì)形成大功率機(jī)械振動(dòng)，即我們平時(shí)所說(shuō)的超聲波。換能器的數(shù)量越多， 輸出功率就越大。超聲波清洗機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

2 超聲波清洗的影響因素

超聲波清洗主要利用空化作用去污，而空化作用的強(qiáng)弱與超聲波參數(shù)、液體條件有關(guān)，所以想要得到較好的清洗效果， 需要考慮多方面因素。

2.1 超聲波頻率

能夠讓液體產(chǎn)生空化的最低聲強(qiáng)叫 空化閾 ，增大頻率會(huì)使空化閾增大，并導(dǎo)致空化效果變差，增大功耗 ；如果頻率太低，會(huì)使空化噪聲過(guò)大，效率很低，甚至無(wú)法產(chǎn)生空化效果。

2.2 液體條件

洗滌液體本身就具有去污功能，而且超聲波還可以加強(qiáng)洗滌液的去污作用。洗滌液的濃度、粘度等特性都跟空化效果有直接關(guān)系。

2.3 液體溫度

空化作用的強(qiáng)弱與液體溫度也有很大關(guān)系。當(dāng)液體溫度上升時(shí)，空化作用更容易產(chǎn)生，因此能加強(qiáng)超聲波的空化效果。

3 超聲波清洗去污效果

能夠產(chǎn)生超聲波空化現(xiàn)象的超聲波頻率以 20 ～50 kHz 最為合適，而頻率過(guò)高，反而不易產(chǎn)生空化作用，即使產(chǎn)生也需要消耗大量的能量，得不償失，并且很多能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能被消耗。在真正清洗衣物時(shí)，洗滌劑必不可少，使用洗滌劑可以大大縮短清洗時(shí)間，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不添加洗滌劑，以免洗滌劑對(duì)結(jié)果造成影響。

3.1 超聲波頻率

3.1.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為相同的純棉白色毛巾，分別將其在 100 mL 的咖啡中浸泡 10 分鐘。液體為不加洗滌劑的清水，以便直觀觀察清洗結(jié)果。

3.1.2 清洗方法

實(shí)驗(yàn)采用JK-TUC-360VDV 三頻超聲波清洗器，該清洗器有 28 kHz，40 kHz 及 80 kHz 三種頻率可供選擇。且輸出功率可調(diào)，最大為 1 080 W，自帶清洗液加熱功能，發(fā)熱設(shè)備功率為1 500 W，還可以設(shè)定清洗時(shí)間。

將三份白色毛巾編號(hào)①，②，③，在相同濃度的 100 mL 咖啡中浸泡 10 分鐘。JK-TUC-360VDV 三頻超聲波清洗器放入1 L 清水，將 100 mL 咖啡與浸染的白色毛巾一起放入超聲波清洗器的水槽中，設(shè)定好頻率、輸出功率、清洗時(shí)間。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表 1 所列。

3.1.3 檢測(cè)方法

檢測(cè)方法利用精密型色差儀CQ-620 進(jìn)行色差測(cè)量。測(cè)量前先用黑色、白色標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行校準(zhǔn)。色差越低，說(shuō)明污漬去除效果越好。在洗完的毛巾處，選取 3 次進(jìn)行測(cè)量，取平均值。

3.1.4 結(jié)論

原始白色毛巾的色差值為 0.86，圖 2所示為三種頻率下的毛巾色差值，色差越小，則表示清洗效果越好。由圖可見(jiàn)， 隨著處理頻率的增加，清洗后的毛巾色差值也隨之增加，即殘留的污漬更多，這說(shuō)明超聲波清洗的頻率并非越大越好。

從圖中可以看到，在28kHz，40kHz及80kHz三種頻率下，28 kHz 的清洗效果最好，但這不能說(shuō)明頻率越小，清洗效果就越好，因?yàn)轭l率太小，空化效果不明顯，甚至無(wú)法產(chǎn)生空化效果。本文的JK-TUC-360VDV 三頻超聲波清洗器只有三種頻率，如果要進(jìn)一步研究頻率對(duì)清洗效果的影響，應(yīng)該選擇更多的超聲波頻率做實(shí)驗(yàn)。

3.2 超聲波功率

3.2.1 清洗方法

從上面的結(jié)論可以得到在三種頻率中，28 kHz 的超聲波 頻率最好，因此在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，我們采用 28 kHz 的超聲波 頻率。

準(zhǔn)備三份白色毛巾，分別編號(hào)為①，②，③，④，⑤，⑥， 在相同濃度的 100 mL 咖啡中浸泡 10 分鐘。JK-TUC-360VDV 三頻超聲波清洗器放入 1 L 清水，將 100 mL 咖啡與浸染的白 色毛巾一起放入超聲波清洗器的水槽中，設(shè)定好頻率、輸出 功率、清洗時(shí)間，參數(shù)如表 2 所列。

3.2.2 檢測(cè)方法

檢測(cè)方法利用精密型色差儀 CQ-620 進(jìn)行色差測(cè)量，測(cè) 量前先用黑色、白色標(biāo)準(zhǔn)板校準(zhǔn)。色差越低，說(shuō)明污漬去除效 果越好。在洗完的毛巾處，選取 3 次進(jìn)行測(cè)量，并取平均值。

3.2.3 結(jié)論

圖 3 所示為不同功率下的毛巾色差值。

從圖中的數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)據(jù)起伏較大，且并非功率越大， 色差就越小。當(dāng)功率為 300 W、500 W、700 W 時(shí)都略有反常， 但大致可以看到隨著功率增大，色差就越小，清洗效果也越 好的曲線。在 100 ～ 400 W 區(qū)間，色差變化較大，且隨著功 率增大，效果較好，但在 400 ～700W 區(qū)間，功率增大，色差 并沒(méi)有明顯變化。因此，選擇合適的工作功率對(duì)實(shí)現(xiàn)理想的 清洗效果非常重要。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了超聲清洗原理及影響超聲波清洗的一些 重要因素，并重點(diǎn)研究、分析了超聲波頻率、功率對(duì)超聲波 清洗的影響，對(duì)今后的深入研究有一定的指導(dǎo)意義。同時(shí)為家 用衣物洗滌方法提供指導(dǎo)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。