表面张力仪用于清洗工艺的质量控制

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1、表面张力仪用于清洗工艺的质量控制通过测量表面活性剂的浓度来确保清洁过程中的最佳效果一德国德累斯顿SITA测量技术有限公司丹尼尔舒曼在生产有特殊表面要求的金属零件过程中，预处理方法的可靠性是高品质产品的基础。 清洁过程在成品的成型、表面处理以及表面涂层中都是必不可少的步骤。零部件清洗不充分 造成产品的表面质量不良，从而导致成本高企。工业和金属部件的清洁由清洗和漂洗程序组成（如图 1）。首先，清洗池除去金属表面的污染物，接着，漂洗池去除剩余的污染物及清洁剂残留。清洗池的温度是40-80C。蒸发掉的水一般由下一个水池的循环系统补充。deoning borh In rising both 1bath

2、2cl saning bath 2馴 L皤Farulicm mnyovnr1A | A A.J t i 41 J t recirtuhlionA J(i A IriniiriQ rfcter | Cir 筋 n wecriari M $ m / $ 彳 rm 5 m 彳图1：清洁过程示例为确保清洗过程的高可靠性，水清洗过程要求影响清洗结果的参数达到最佳并保持定的状态。（如图 2）。这些参数包括:清洁剂成分（促净剂和表面活性剂）的浓度水池的污染物水池的温度浴槽的搅动流程化管理的主要目标是连续地监测清洁池 的条件以及在某种程度上控制这些条件，可以通过最少量的水，清洁剂及能源以确保充足的 清洁质量。

3、这里的重点是保持清洁剂成分的适当浓度（表面活性剂及促净剂）。清洁剂成分，表面活 性剂和促净剂的消耗程度是不一样的，每种成分都需要有适当的剂量。由于各种原因，清洁 剂成分的浓度不断改变。例如源自零件的残留物影响，清洁剂成分的减少（由于清洗池循环 过滤而损失的）或者每次工件的数量及污染程度的不同。只有在清洁过程中根据工件的污染程度、数量及清洁池的情况调整清洁池的清洁剂剂量 或更换清洁池内的液体，才能保证工件的清洗质量。负责清洗工作的人员及管理者应该与清 洁剂制造商及设备制造商相互合作。所需的清洁程序参数以及清洁剂的浓度和其可接受的界 限值，需根据个人经验，测试运行数据及实验室或生产设备最优化运行的

4、基础上设定，以到 所需的清洁质量。现实的情况时，有时候为了确保清洁能力，在清洁池会投入过量的清洁剂， 但过量的清洁剂反过来成为污染物使清洁效果下降。德累斯顿工业大学机电研究所和电子设计研究院分析了清洁金属零件的过程，来帮助大 家了解目前在行业中工序的应用及技术状况。因此，咨询了大量的清洁过程管理者关于零 件的具体清洁任务及相应的过程管理。分析表明，金属零件的清洁过程与其他生产过程如机械加工）相比，并没有完全被掌 握。尤其是清洗过程中有连续控制输入（清洁剂、工件）和输出参数（更换液体，过滤），以及 中间过程参数，没法确保零件济洁质量稳定。零件清洁的过程管理发展水平与过程可靠性要 求有冲突，因为

5、83%的人提到这个这个情况，详细地说是因为过程的不稳定性而带来的损 害赔偿。这个事实表明，83%的专业人士调查知道清洁过程不足的后果。 有一个关于经济与环保的优化潜力的观点。本质的清洗质量工艺参数（例如，清洁剂浓度及 以消耗为导向的定量）规定只发生在单一的情况下。为了实现清洗过程的高可靠性，找到了 显而易见的问题原因。在清洁过程中，大量不同但是又相关联的参数，以及缺少成体系的配 制剂及一些个人经验概括。这些问题可以通过简单的过程参数的帮助下用检测过程条件来得 到解决。因此，它需要一种可行的测量技术，可以用于分析以及连续或分离的过程检测。影响清洁能力的表面活性剂浓度可以通过测量动态表面张力得到。

6、另外可以通过测量导 电率及使用酸碱滴定的方法来控制促净剂的浓度。清洁剂浓度的连续检测可以根据消耗来确 定需要添加多少清洁剂。经济环保的优化清洁过程包括:减少使用清洁剂的成本避免漂洗池中清洁剂成分的积聚延长清洁池的寿命减少水及水污染处理成本由于可以测得表面张力的参数，使表面活性剂浓度的检测以及根据消耗来定量变为可能。因 此，气泡压力法表面张力仪可用来测量有效的表面活性剂的浓度，如图3.有效的表面活性剂 是没有被油和污染物束缚的，也没有附在金属表面。在清洁过程中，只有这些自由的 表面活性剂才是有效的，可以形成胶束来去除金属表面的污染和油。用测量清洁过程中液体的表面张力来检测有效表面活性剂的浓度，使

7、适当地使用表面活性剂 成为可能。需要添加额外的剂量时可使用测量结果来验证。为了将检测程序可视化，图4 显示出了在一个清洁池内连续测量的结果。在开始准备时，首先可以看到水的表面力值（72.8 mN/m,温度是20C）。当添加表面活性剂时，表面张力减低。coscs OUOU2deonina bothfreeT bound wrfoclants图 3：用气泡压力张力计测量表面活性剂浓度 图 4：在清洁池中连续测量表面张力SITA表面张力仪测量表面张力是以差压法为基础的。在测试过程中，气泡通过插入液 面下的毛细管中形成（如图 5），有一个特殊的传感器测量气泡毛细管顶端的压力。动态表面 张力是用最大和最

8、小气泡压力差来计算，并使用校准系数K来表示。二kAp,w it hAp二pmaxpmin图 5 ：测量表面张力不同的方法气泡压力用纯净水校准张力。标准系数 K 取决于自动测量器具，不依赖气泡的寿命。SITA差压法的设计原理大大简化了表面张力仪操作，因为测量不再依赖于毛细管浸入液体 中的深度。相对于静态方法测量表面张力，动态测量方法可以测量表面的表面活性剂的浓度高于临 界胶束浓度（CMC）,即工业清洗过程中经常使用的浓度范围，静态表面张力仪是无法测出超 出 CMC 值的表面活性剂浓度。测量的基础原理是表面活性浓度与表面张力过程值之间的量 化关系。动态表面张力取决于一个新形成的界面寿命。动态表面张

9、力的差异在于不同界面寿命 （气泡寿命，如图 5）时有不同数量的表面活性剂迁移到新的界面上。用哪个气泡寿命作为最 佳测量点只需以下程序测量一次就可以得知。在动态表面张力仪的Auto模式下测量某种特 定的已知表面活性剂浓度的液体。最佳的气泡寿命值就是在表面张力测量值差额最大的那点 （如图 6）。之后，测出一系列已知的表面活性剂浓度不同的参照样本作为参考曲线。这样， 根据测出的表面张力值就可以在参考曲线中查过表面活性剂的浓度了。对于需要确保高可靠性的清洁过程，表面活性剂的浓度要保持在特定的界限值内。 设定了清洁池的的特定表面张力范围后，用表面张力仪定期的测量或者连续监测，以用来分 析以及监测表面活性

10、剂在整个清洁过程的浓度。为了实现在过程或实验室中的高效测量，测 量仪器必须是可靠的，快速的且易于操作的。手持式张力仪SITA DynoTester可以实现这些 要求。清洗液的表面张力跟温度的测量只要按一个按钮，几十秒内即可得出结果。而气泡寿 命参数或平均测量数，都是预设的，并只能在管理模式下改变。这些特性最大限度地减少操 作错误的风险。Sorfsee Ta ns Ioh MeasiremnKof isi+lierenl Surfactanf ConcerrtrotlonisuzxlEd-图6a：测量气泡寿命参数Mp1r*nc*Curv*- -Trmlvn v* &urf acte rrf Cn

11、eerrfwftflftFfiIMI.Ecnls-7左老凰亏侶I MutSfidI SurltKf Tenirm I raN+ 嗣春 HnCjwwM =30aw3C 3S 46455055 frO 457073Svrtocfl ferK4&n |mrJ/ni图6b：表面活性剂浓度分析参考曲线测量结果可以被保存在25 个存储空间供后续评价。内置电源可以使用高达10 小时，确 保高灵活性。在不均匀的液体中，可选择多次读数自动取平均值的方法增加测量的可靠性 因此，SITA DynoTester是测量表面张力过程参数的一个新的经济的选择。图 7 显示定期测量一个工厂清洁池的结果。表面张力值的简图显示了

12、在稳定条件范围内 的清洁过程的寿命。在最后一个漂洗池，表面张力达到跟水一样的值。这说明表面活性剂浓度减少到 0。图 7 ：在清洁过程中使手持式表面张力仪进行检测连续的清洁池表面张力监测可以通过清洁池的支线管道来确保被测量的液体能代表清 洁池实际情况。在支线管道内被连续测量的样本必须是均质的，而且要保持一个同样的温度 水平。仪器内在毛细管附近有一个特殊的，可允许缓慢流动的容器能够将对气泡的消极影响 减少到最低而且可以避免颗粒堆积。流动的速度是2 升/分钟，这确保了样本达到足够的均 质而且不会反乳化，并且接近清洁池的温度水平。一个关键的问题是毛细管的寿命。在使用的时候，清洁池里成分的聚集可以改变毛

13、细管 的特点SITAg表面张力仪使用更坚固且不易被水沾湿的PEEK树脂材料的毛细管来代替普 通玻璃毛细管来测量气泡压力。PEEK材料以及毛细管末端逐渐增大的直径使毛细管效应减 小到最低。这意味着液体难以进入毛细管内部（减少液体润湿毛细管内部有残留而影响到下 一次测量）。在相同的条件下，一个传统的实验室毛细管有大约300 小时的寿命，而优化的 PEEK的毛细管寿命是其10倍以上。这种设计避免了颗粒累积，保证气泡长期的再现性。SITA DynoLine数显表面张力仪在线测量技术是用来对连续的清洁池进行监测。这种全 自动的设备可组合成工厂生产线的一部分，适应于加工及化工工厂的具体需要。它与其他传 感

14、器以及传统表面张力测试技术的不同点在于SITA DynoLine可以自动控制提供的样本，校 准水以及自动清洗的程序。其他本质特征包括自我监控功能，错误检测以及发送无故障运行 报警信号。由于自身定期的检测功能，毛细管特征发生的任何变化（如通过一个颗粒堆积的污染物），都可以被测量仪器本身所识别。O：DC 2:0D i 二 C-J lo:ZCf I8:D IGLOQ 22 J 0:00ifrmi为了控制液体，设备在样本跟水之间有一个活栓，而且，它有一个压力传感器监测输入 的压力。所有的测量值可以保存在设备里一年，以记录测量结果。设备的表面张力测量结果 可通过接口输出到其它设备或控制系统，从而使补充表面活性剂的设备自动工作，并使清洁 池能够保持一个最佳的表面活性剂浓度范围（如图 8）。在许多表面处理过程的应用中，从车身到泵、轴承这样的精密零件，清洁过程通过检测 和对清洁剂成分（表面活性剂和自动促净剂）的定量而成功地实现最优化。而且，可以用最少 的水，清洁剂和能源来达到稳定而高质的清洁质量。