二氧化碳雪洗技術(shù)

1、二氧化碳雪清洗技術(shù)二氧化碳雪清洗劑與其它二氧化碳清洗劑的區(qū)別：目前使用二氧化碳作為清洗劑的清洗方法有四種。第一種是使用堅硬而致密的固體二氧化碳干冰，作為清洗劑。第二種是使用固體二氧化碳與二氧化碳氣體的混合物作為清洗劑。第三種是以液體二氧化碳溶劑作為清洗劑。第四種是以超臨界流體狀態(tài)的二氧化碳作為清洗劑的清洗。上述四種清洗的區(qū)別首先在于清洗的作用機理各不相同。第一種干冰清洗技術(shù)是利用干冰小球體的高速沖擊速度對污垢進行機械沖擊的應(yīng)力作用和低溫冷凍作用進而將污垢清除的，該技術(shù)是一種物體間的能量和動量的轉(zhuǎn)移過程。第三種液體二氧化碳清洗技術(shù)，是利用液體二氧化碳溶劑的溶解作用將污垢清除的。第四種超臨界二氧化

2、碳清洗技術(shù)，是利用超臨界流體的特殊性質(zhì)將污垢清除的。而第二種二氧化碳雪清洗則是利用處于高壓狀態(tài)下的液體或者氣態(tài)二氧化碳在減壓噴霧過程中形成的二氧化碳氣流，該氣流含有固體二氧化碳小顆粒，二氧化碳氣流的高速運動同時與污垢間的能量和動量的轉(zhuǎn)移作用和高速氣流的清洗作用來清除污垢的。其他的區(qū)別還表現(xiàn)在，二氧化碳雪清洗是一個連續(xù)的過程，不像超臨界二氧化碳或液體二氧化碳清洗那樣需要以間斷的方式進行。另外二氧化碳“雪”清洗對與污垢結(jié)合得很好的底基材料的剝離力的破壞作用也是相對比較小的。另一個顯著區(qū)別表現(xiàn)在價格方面，二氧化碳雪清洗設(shè)備的價格要比其他二氧化碳清洗設(shè)備的價格低十倍以上。二氧化碳雪清洗系統(tǒng)是怎樣形成的

3、？無論使用液體二氧化碳還是氣體二氧化碳都可以作為二氧化碳雪清洗劑的來源當它們從常溫高壓的鋼瓶出口迅速膨漲噴射出來時，形成的高速流體常形成一個固體和氣體二氧化碳的混合物，并集中射向被清洗的表面，這種流體在國外被稱為二氧化碳“雪”。所以我們不要誤解為存在一種二氧化碳的雪花，名稱只是對國外用語的直譯。要獲得二氧化碳雪的流體，通常必須使用一種稱為文丘里噴嘴的特殊噴嘴。其特殊設(shè)計的孔口和噴嘴使得噴射過程中能在始值恒定的情況下發(fā)生膨漲并獲得一個高速的二氧化碳“雪”流體。文丘里管的構(gòu)造如圖一所示。文丘里管簡稱文氏管又稱喉形管，既可用作測量流體流速的儀表，也可做高效率的氣體冷卻、凈化、吸收設(shè)備。結(jié)構(gòu)主要包括一

4、段截面不同的管子，由兩端向中間縮小其最小處稱為喉頸，氣體流過時，由于管的截面縮小，流速加大而壓力降低，喉頸處流速最大，將裝有高壓二氧化碳的鋼瓶接上文丘里噴嘴，在噴射時就可以產(chǎn)生出含有固體二氧化碳的高速二氧化碳氣流。實際上二氧化碳雪的清洗作用是靠兩種清洗作用共同完成的一方面它利用的是固體二氧化碳與物體表面污染物之間的能量和動量的轉(zhuǎn)移作用，這種作用使得二氧化碳雪可以去除各種尺寸的顆粒污垢，即使是微米大小的顆粒，目前可被去除的最小顆粒為0.03微米。而另一方面利用二氧化碳雪的特殊溶解作用，可將物體表面上的有機沉積物和薄膜去除。所以它對顆粒狀污垢和薄膜狀油污都有很好的清洗效果。二氧化碳雪清洗的機理？二

5、氧化碳雪形成過程的相變由液體或氣體二氧化碳作為來源在噴射過程中形成較小的二氧化碳固體顆粒時，發(fā)生的是二氧化碳由氣相或液相轉(zhuǎn)變成固、氣兩相共存體系的相變過程。根據(jù)熱力學在一定溫度和壓力下二氧化碳的相態(tài)和相變過程可用下面的相圖表不。圖二二機化米的出國相圖中的縱坐標是mpsk磅/平方英寸）表示的余力軸橫坐標是以華氏溫度F）表示的溫度軸.圖中固、液、氣二弱化碳存在一個三相共存的二相點C。點）它的溫度為-70.OfiPH>a產(chǎn)6壓翎為75psiC氐1個大氣壓，存在一個臨界點G它的溫度為8798P（3L1嶗,壓力為107Q6PsiC72拿大氣東）.在此臨界點以上的一氧化碳被稱為超流體相或超臨界相，在

6、超臨界相中沒有單獨存在的液相與氣相，施臨界相的流體既具有液體高密度的特點乂具有氣體流動性好獷散性強的特點,在此臨界點以上的二氧化碳被稱為超流體相或超臨界相，在超臨界相中沒有單獨存在的液相與氣相，超臨界相的流體既具有液體高密度的特點又具有氣體流動性好擴散性強的特點。相圖中的線是固、氣共存線，在此線上的壓力、溫度條件下，固體二氧化碳可不經(jīng)過液相而直接轉(zhuǎn)變成氣態(tài)二氧化碳即二氧化碳發(fā)生升華。同時也表示在此線上的溫度、壓力下，固相和氣相可以共存并且兩相可以相互轉(zhuǎn)化而不經(jīng)過液體的中間相。同樣在線上的溫度、壓力下固體二氧化碳可以與液體二氧化碳共存，并且兩相可以相互轉(zhuǎn)變。在線上的溫度、壓力下液體二氧化碳可以與

7、氣體二氧化碳共存而且兩相可以相互轉(zhuǎn)化。而在域內(nèi)的溫度和壓力下二氧化碳只能以固體相存在，在區(qū)域的溫度、壓力范圍內(nèi)二氧化碳只能以液相存在。在區(qū)域內(nèi)的溫度、壓力下，二氧化碳只能以氣相存在。在常溫30C、常壓1標準大氣壓，條件下穩(wěn)定存在的二氧化碳是氣態(tài)。所以在用二氧化碳雪清洗污垢后最終排出的二氧化碳是氣態(tài)的，而固體顆粒和有機污垢能從排出的二氧化碳氣流束中分離，氣體二化碳可被排放到外面并被進一步回收利用。雖然通過上述相圖可以幫助我們了解二氧碳雪形成過程就是常溫高壓下的液體或氣體二氧化碳向氣、固兩相共存體系轉(zhuǎn)變的相變過程，但是二氧化碳的相圖并不能告訴我們二氧化碳雪清洗劑是如何具體由液體或氣體狀態(tài)的二氧化碳

8、轉(zhuǎn)變成含固體二氧化碳的氣流束的。而二氧化碳的壓力始圖卻可以幫助我們加深對二氧化碳雪形成過程中相變的理解如果以氣體一球化碳作為原料（即以A點升始工巧其壓力在開口處下降時，部分氣體二氧化碳就會液化，形成的液體的百分含量將逐漸增加，并且液體小滴會進一步成柱固化當進入氣得區(qū)域之間的交界處（用力均為時，氣體一氧化磷中所有的液體二氧化碳都變成冏體井駒占一輒化碳總量的陰如果是以液體二承化碳作為原料即以B點開始）當其用力在開口處卜降時液體二細化碳中就奈發(fā)生部分氣化井有氣泡產(chǎn)生,并且氣體二氧化碳的百分含量會逐漸增加直到達到氣一周共存線的數(shù)值°同時利卜的一氧化碳液體就轉(zhuǎn)變成固體，產(chǎn)生冏體的占一氧化SK總

9、量的4部產(chǎn)生的一氧化碳周體的仃分率洪定于所選的原料狀態(tài).井受原料的出力和溫度的影響.這個壓力中圖給了我們變化過程始志、終態(tài)，以及在一置化暖石拶成時所發(fā)生的相態(tài)變化的有關(guān)也息.由此可知，1輒化碳可既可由氣體二策化碳產(chǎn)生也可由液體二輒化碳產(chǎn)生,兩種原料各有其優(yōu)點和缺點,使用氣體一氧化碳為原料時產(chǎn)生的二輒化碳韋校少P但由廣氣體比較容易被過濾，所以在二氧化碳氣體中含有的有機污染物較少，而且單位時間內(nèi)平均消耗的一氧化碳數(shù)量也較少.使用液體二氧化碳為原料則可產(chǎn)生更多的一氧碳消耗率也較高所以如果清洗是非經(jīng)常性的，或是只對一小映面枳上的污垢進行清洗的話，推薦使用氣體一氧化碳作為原料.而對連續(xù)的荷速清洗或?qū)Υ蠖?/p>

10、枳污垢進行清洗,建議梟用液體一氧化碳來制備一氧化碳方較好，在一軾化碳汽清洗設(shè)備中，一般都選擇具有不對稱緒構(gòu)的文丘里噴嘴設(shè)計,因為這種噴嘴能使體系在較長時間內(nèi)保持等的條件，從而能產(chǎn)生更多的一氧化碳方,獲得的氣流速度最大并且保持氣就更加集中,如果使用直管噴嘴則不能保持等份的條件并且一般不能產(chǎn)生所需數(shù)量的固體二氧化碳.a2二氧化碳再清洗的機理二氧化碳片既可以去除顆粒污垢，乂能除去礦物油污、手指印、面脂、潤滑油等薄膜狀污垢,其中的機理通常是用卜面的理由解號的。a2l一氧化碳%去除固體顆粒污染物的機理二氧化碳丐清洗劑從物體表面上去除固體顆前污染物的機理比較簡單，高速運動的一氧化碳雪在沖擊固體顆粒物時，發(fā)

11、生了動量的轉(zhuǎn)移,這種動量轉(zhuǎn)移作用能克服固體顆粒與物體表面之間的黏結(jié)力，使固體顆粒脫離物體表面,一旦其離開了物體表面就很容易被高速的氣流帶走，但這與單純的高速氣流對表而顆粒施加的沖擊作用是不同的?？諝鈩恿Φ臎_擊作用大小是與顆粒面積（或粒子直徑的平方）成正比的，而固體顆粒對物體表面的黏附力（包括范德華力、毛細管作用力、偶極吸引力等）也是隨固體顆粒的直徑變動的.當固體顆粒較大時，氣流的沖擊作用可以超過顆粒與物體表而問的耙附力，所以利用可以去除物體表面較大的固體顆粒，而當物體表面上的固體顆粒較小時，由于氣流的沖擊作用卜降得比顆粒與表面的黏附力更多，于是當污垢粒子直徑較小時（在微米級范圍），僅利用空氣動

12、力的作用就不能將這類污垢粒子去除。血在二氧化碳汽的高速氣流中含有固體一氧化碳顆粒，固體一氧化碳顆粒與污垢顆粒間碰撞時，發(fā)生動量的特移，固體一氧化碳顆粒將沖擊動量傳給了污垢顆粒并使其遠離物體表面而后很容易被氣流帶走。所以在用一氧化碳雪清洗固體顆粒時，表現(xiàn)出去除效果與表面污垢的顆粒大小無關(guān)的特點，可以去除各種尺寸的顆粒污垢（最小的可被去除的顆粒污垢的粒徑在ao瑜米，即30納米）所以用一氧化碳雪更適合用于在精密工業(yè)清洗中去除微小的固體污垢粒子.見圖四。32廣氧化碳看清除有機污垢的機理目前用兩種理論解粒一氧化碳可清除有機污垢的機理，一種是whitlock提出的理論，它解科了固體一氧化碳在碰撞過程中為什

13、么能發(fā)生部分液化，而由于液態(tài)二氧化碳對有機污垢有很好的溶解作用，所以一氧化碳方能很好清除有機污垢。由于一氧化碳重沖擊被污染的表面時，碰撞過程中固體一氧化碳粒子受到的壓力增加了，而且這個壓力可以大到超過固體一氧化碳粒子的屈服應(yīng)力和三相點壓力（78psi）,結(jié)果使得固體二氧化碳粒子在與污垢相接觸的部位開始發(fā)生液化，并發(fā)生連續(xù)性的屈服和溺性變形進血增加了液相一氧化碳與有機污垢問的接觸而枳。此時一氧化碳方變成了氣體、液體、固體一氧化碳三相共存的體系。而液相一氧化碳就是有機污垢的最好溶劑，因此有機河垢就溶解在液相的一氧化碳中，當一氧化碳固體顆粒開始跳離物體表面時，隨著界而h的壓力卜降一氧化碳固體顆粒上的

14、液相部分就會重新發(fā)生固化，這樣有機污垢就被一氧化碳固體顆粒帶離物體表而，見圖五。另一種理論是MHi11在199昨提出的。實際上是對whitloc屣出的液化理論的補充，Hil賒了支持Miitlock的觀點外，還提出冷凍破裂的新觀點，用來解料為什么一氧化碳舌,利用液體一氧化碳的溶解作用不僅能有效去除媒類等汕性有機污垢，而且還能有效去除液體二氧化碳對其溶解力不領(lǐng)的硅油、有機氟化物、合成潤滑油等含有燃基之外的其它官能團的有機物.“冷凍破裂”理論的主要觀點可以簡單理解為：這類有機污垢不是被液體一氧化碳溶解而除去的，而是在被一氧化碳雪低溫作用的冷凍過程中破裂成小砰片而被高速氣流除去的。對文物、藝術(shù)品進行修

15、狂清洗對火災(zāi)后殘留物品進行修更清洸。用以卜兩例說明一氧化碳雪清洗的高效性：美國人Mitloc噌做過一個研究二氧化碳再清洗去除半:導體晶片上微米級和花微米級顆粒污垢有效性的實驗。具體作法是將微米級和亞微米級硅酸鋅固體顆粒懸浮分散在乙醇中并用噴槍將其噴射到一個兩英寸大小的硅晶片匕噴射一直進行到沉枳物能被肉眼可見為止，然后用一個裝備有能量分散光諧儀（EDS）的力動微探針來測量鋅鹽顆粒的數(shù)LI和尺寸大小.在測量了100幅后（每幅的面積大小是27.4X20微米）總共檢測出29mb鋅鹽顆粒，（通過推論在硅晶片總共的1600幅面積上應(yīng)有472外管鹽顆粒，）然后用一氧化碳氣對硅片進行清洗，并在清洗后再次川微探

16、針進行分析，發(fā)現(xiàn)整個硅片上僅剩卜3個鋅鹽顆粒了，計算表明用一氧化碳再清洗對顆粒污垢的去除率超過了999%,美國人Sheiman和Wiitlockit做了一個用4:氧化碳雪清洗的實際應(yīng)用一氧化碳雪清洗包括以卜的實際用領(lǐng)域：從金屬、陶瓷、型料和玻璃表面去除各種污垢：從單晶硅、磷化鈿（InD的化保（GaAs）等半導體晶片表而除去各種微小的污垢。清洗各種光學鏡片：包括涂敷各種膜層的光學鏡片，在激光器、紅外光譜、紫外光譜儀上使用的光學鏡片及望遠鏡鏡頭：對各種表面分析的樣品做分析前的清洗處理，包括對做俄歇（Auger）電子、X-射線電子分析Ocps）的樣品對包括真空管在內(nèi)的各種電真空元器件進行清洗：對要求

17、高潔凈度的實驗室、生產(chǎn)車間、潔凈空進行清洗：對各種要求高潔凈度的底基材料的清洗：對要求育潔杼度的金屬和陶麥部件進行清洗對電子T業(yè)中的各種微電子和混合電路上的污垢進行清洗：主要有以卜三點51防止清洗后清洗表面被重新污染造成清洗表面被重新污染的因素主要有四個（D顆粒污垢的重新沉枳（2）被含在一氧化碳雪中的污垢所污染（3）被清洗設(shè)備和夾具上的污垢污染（4）由于清洗方法不當引起的污染.卜而分別對這四種情況進行分析。5L呦止顆粒污垢的重新沉積為防止已被清除的顆粒河垢的重新沉積，在設(shè)計清洗設(shè)備和體系時，必須考慮到使用通風及捕獲等手段，以保證一日.從表面被清除后就不可能再沉枳回來,一般是使用高流動性的紊流或

18、層流的氮氣流來進一步清洗已除去顆粒污垢的表面,而作為循環(huán)使用的氮氣必須經(jīng)過用用精密過濾系統(tǒng)（HEPA）的過濾處理以保證氮氣的高度純凈a經(jīng)過過濾系統(tǒng)處理的氮氣的流動方向也必須按嚴格規(guī)定，即必須是從潔凈區(qū)吹向污濁區(qū)。清洗的方向也是從已清潔的表面吹向尚未清洗的表面。51滁去二氧化碳原料中的雜質(zhì)研究表明在一氧化碳原料中通常是含有碳氫化合物等有機雜質(zhì)的，因此如果使用這類未經(jīng)過濾淳化處理的一氧化碳串進行清洗時，必然會導一氧化碳雪清洗硅晶片表面有機污垢的實益.他們在硅晶片表面涂敷洗面脂和指紋卬等有機污垢，并采用長射線光電子能譜（XPS）分別對新制備的硅晶片、被有機污垢污染的硅晶片以及用一氧化碳可清洗后的硅晶

19、片的污染情況進行分析。（分析其中含有的碳原子數(shù)在q°Q、7C第段落的有機物所占的百分含量工分析結(jié)果表明：新制備的硅晶片的有機物主要是碳原子數(shù)在C2T-c2d段落的有機物，在硅晶片表面涂敷洗面脂和指紋印等有機污垢之后，碳原子數(shù)在qC23的有機物所占的自分含量比新制備的硅晶片增加了2-黯，而在用一氧化碳百清洗后基本上檢測不出有機污垢，不僅碳原子數(shù)在7的有機物的含量大大降低，血且碳原子數(shù)在qq段落的有機物含量也比新制備的硅晶片上的少很多。說明用一氧化碳雪清洗不僅可去除硅晶片粘染的污染物，而且可以除去硅晶片上原有的有機污染物，對清除各種有機污垢都有很好的效果.5使用二氧化碳雪清洗應(yīng)注意的問題

20、為正確使用一氧化碳雪清洗應(yīng)注意的問題化處理.SL勒止清洗設(shè)備和夾具造成的污染一氧化碳半清洗使用的設(shè)備、部件以及鋼瓶、橡膠管等也都可能含有污垢顆粒，而這些污垢顆粒會隨著流動的氣體或液體一氧化碳原料經(jīng)噴嘴到達被清洗物體匕所以在安裝清洗設(shè)備之前,所有的部件都應(yīng)用一氧化碳方認具清洗過。51媯防止發(fā)生出污染清洗過程還注意以h兒個問題A清洗過程必須遵循嚴格的順序清洗的順序是從已清洗的區(qū)域向著待清洗的區(qū)域進行，水遠不能讓清洗噴射流對準一個周圍是已清洗表面的未清洗區(qū)域，結(jié)果使清洗卜來的污垢再次將清潔表面污染。清洗過程必須遵循嚴格的順序而不能隨意的進行。B注意防止空氣中的濕氣冷凝由于清洗過程中冷的一氧化碳可流束

21、會大大降低清洗表面的溫度，結(jié)果會造成周圍空氣中的水蒸氣在清洗表而冷凝。在一般清洗中濕氣冷凝并不對清洗造成重大的能響，因為在導熱性良好的清洗表面上往往不會造成濕氣冷凝，而在用一氧化碳寸清洗玻璃光學饒片等導熱性小好的物體國立二帆化傲士的液用生成機理示意忸污垢是對環(huán)境有吉的物質(zhì)的話，也必須遵守處理有害物廳的有關(guān)法規(guī)對二甄化碌咒清洗后排出的氣流進行處理,如用一氧化碳可清洗半導體珅化像或腳粉的丁作是在潔摩室中裝有HEPA的通風廚中進行的，清洗卜來的麗化德或珅粉是被收集到過濾耦中，然后進行處理的#如果用二氧化碳當清洗時不產(chǎn)生對環(huán)境有害的污垢，則可以將一氧化碳氣流直接排放到大氣環(huán)境中.aa2一氧化碳舌清洗時

22、造成對操作者的傷害問題操作者的肌膚直接暴露在一氧化碳力中是很危險的，因為二氧化碳力氣流的溫度可低到TKR能將皮肽凍傷因此操作時必須注意防止肌狀直接暴露在二氧化碳看中，并應(yīng)該帶好防護眼鏡.另外裝一氧化碳的鋼瓶屬吊出氣體容器，使用時必須遵守壓縮氣體的使用規(guī)則區(qū)a3向室內(nèi)排放二氧化碳咒造成空氣質(zhì)量下降的問題-78c的低溫下二氧化碳凝結(jié)成的固態(tài)顆粒，這濾凈化處理的二簿化碳丐進行清洗時.必然會導致碳氫化合物等有機河垢在清洗表面的沉枳上為解使用不同純度級別的二氧化碳原料對清洗效果的影響，She段別使用了熔岸保護氣級、食品級、T具級、醫(yī)用級和超臨界流體色譜級（SFO的一氧化碳原料，月用卜射線光電子能譜（xra對使用上述各種原料進行一細化碳于清洗的讓晶片上的碳包化合物儲垢進行檢測分析,為比較時的方便.他是選定同樣大小的清洗而枳，井川清洗前后表面上的碳氫化合物濃度的比信作為判斷再污染的大小，（比值小于1才說明有清洗效果，比值大于1說明再污染嚴重）實驗結(jié)果表明除了使用超臨界流體色譜級（STO的一氧化碳雪清洗