表面清洗新技术

本书的重要内容集中到表面污染物的清洗方法和清洁度检验技术，依次介绍了离子液体清洁技术、微乳液清洁技术、双流体喷雾技术和微生物清洁技术，还介绍了清洁度检验方法。本书英文版的作者是相关领域的国际知名科学家。它们紧跟时代的发展，向读者展示了清洗领域新的发展成就。其中一些清洗技术因高新技术如航空航天、半导体和芯片技术、纳米技术的发展应运而生，另一些技术则基于当前蓬勃发展的新技术如离子液体和生物技术。可以说本书是一本创新成果的汇编，对从事清洗研究和应用的科技人员和相关工程技术人员有重要的参考价值。 离子液体和DES已被建议应用于清洗领域，应用范围包括刷洗去除微小污染物，清洗半导体晶片和集成电路，精密清洗航空航天部件，清除金属表面氧化垢，金属的电抛光，去除微生物，清洁艺术品，清洗油气开采过程中的井筒，土壤清污以及清洗各种消费品等。微乳液已在工业清洗和家用清洗中获得应用。一些应用包括家庭和工业洗衣，废水处理，清洗受到污染的土壤、纤维和纺织品、壁画、绘画、纪念碑和建筑物等，以及在石油和天然气工业中的各种应用。 

本书皆由不同国际知名学者撰写，分五个专题，详细阐述了一系列新的清洗技术，主要涉及特种行业的特种清洗技术，与传统的洗涤剂清洗完全不同，国内相关的出版物很少。涉及的内容包括离子液体、微乳液、针高压清洁、微生物清洁等进行阐述，每个专题都对表面污染物的影响、表征与移除进行了详细的论述。另外，随着科技的发展，对表面清洁度的要求越来越高，所以书中还介绍了大表面的清洁度检验方法。

Rajiv Kohli 是美国航空航天公司在污染物颗粒行为、表面清洁和污染物控制方面的首席专家。在美国国家航空航天局休斯顿约翰逊航天中心，他为地面、载人航天飞船及无人驾驶飞船的硬件设备提供有关污染物控制方面的技术支持。研究方向包括颗粒的行为、精密清洗、溶液和表面化学、先进材料和化学热力学等。参与开发了用于核工业的溶剂型清洗技术，以及广泛用于精密清洗和微处理过程的新型微摩擦系统。 Kashmiri Lal Mittal 在表面污染与清洗及粘附科学与技术领域从事教学和咨询工作。为了表彰他在胶体与界面化学领域的广泛工作和突出贡献，2002年设立了以他的名字命名的“Kash Mittal 奖”。译者崔正刚，江南大学化学与材料工程学院教授，博士生导师。研究方向为胶体和表面活性剂，感兴趣的研究领域包括表面活性剂相互作用，三次采油用表面活性剂，乳状液和微乳液，纳米颗粒表面活性剂等。

x第1章  用离子液体去除表面污染物 001

1.1  引言 002

1.2  表面清洁度等级 003

1.3  离子液体 004

1.3.1  背景 004

1.3.2  缩写和术语 006

1.3.3  基本特性 008

1.3.4  热力学性质 012

1.3.5  挥发性 015

1.3.6  影响溶解性的因素
015

1.3.7  热力学性质的建模和预测 016

1.3.8  黏度 017

1.3.9  电导率和高真空分析应用 020

1.3.10  毒性问题 021

1.3.11  数据汇编 023

1.3.12  深共熔溶剂 024

1.4  用离子液体进行清洗的原理
026

1.4.1  基本原理 026

1.4.2  成本因素 027

1.5  离子液体清洗的优缺点
028

1.5.1  优点 029

1.5.2  缺点 029

1.6  应用 030

1.6.1  半导体的清洗 030

1.6.2  刷洗 031

1.6.3  机器零件的清洗
032

1.6.4  电抛光 034

1.6.5  使用离子液体和超临界气体的清洗 034

1.6.6  含油沙粒和颗粒类物质的清洗 035

1.6.7  有害物质的净化
035

1.6.8  微生物污染 035

1.6.9  原位清洗 036

1.6.10  艺术品的清洗
036

1.6.11  工业应用 037

1.6.12  消费品方面的应用
039

1.7  小结 040

参考文献 040

第2章  微乳液清洁法 063

2.1  引言 064

2.2  微乳液的类型、配方和性质
064

2.2.1  配方 064

2.2.2  微乳液的性能 071

2.2.2.1  增溶 071

2.2.2.2  界面张力 072

2.2.2.3  接触角和润湿性
073

2.3  表面清洁的基本过程及原理
074

2.4  用微乳液清洁表面和去除污染物 077

2.5  微乳液清洁剂的设计和评价方法 078

2.6  微乳液清洁的应用 079

2.6.1  清洗油污染的钻屑
080

2.6.2  油基钻井液转换成水基钻井液时钻井孔的清洁 082

2.6.3  油气井井筒附近的清洗
084

2.6.3.1  裸眼完井中去除油基流体滤饼 085

2.6.3.2  套管井完井中消除地层损害 088

2.6.4  其它清洗方面的应用
089

2.6.4.1  废水的清洁和微乳液泡沫浮选 089

2.6.4.2  微乳液清洗受污染的土壤和地下水 090

2.6.4.3  微乳液清洁纺织用品 091

2.6.4.4  使用非水溶剂的微乳液清洗 092

2.6.4.5  微乳液清洗建筑物外部 092

2.6.4.6  微乳液清洗壁画和艺术品 092

2.6.4.7  微乳液清洗原油油藏 093

2.6.4.8  微乳液清洗页岩和其它岩层中的压裂凝胶 094

2.7  总结与展望 094

参考文献 095

第3章  双流体喷雾技术清除固体微粒 101

3.1  引言 102

3.2  颗粒与黏附力 103

3.3  清洗工艺窗口 103

3.3.1  理论预测 104

3.3.2  实验研究 107

3.4  颗粒去除技术概况 109

3.5  双流体喷雾清洗 110

3.5.1  系统描述 110

3.5.2  液滴冲击能量 111

3.5.2.1  冲击固体表面
111

3.5.2.2  皇冠的形成
112

3.5.2.3  冲击液体膜
113

3.6  双流体喷雾进展 115

3.7  先进喷雾技术开发 120

3.7.1  喷头的开发 120

3.7.2  液滴能量密度 121

3.7.3  致损阈值 122

3.8  总结和展望 126

参考文献 127

第4章  利用微生物清除表面污染物 133

4.1  引言 134

4.2  表面污染和清洁度等级
134

4.3  背景 134

4.4  微生物清洗原理 136

4.5  清洗系统 137

4.5.1  零件清洗机 137

4.5.2  清洗溶液和微生物成分
138

4.5.3  微生物的应用 139

4.5.4  污染物的种类 139

4.5.5  基质的种类 140

4.5.6  零件清洗 140

4.5.7  成本 142

4.6  微生物清洗的优点和缺点
143

4.6.1  优点 143

4.6.2  缺点 144

4.7  应用 144

4.7.1  零件清洗 145

4.7.2  去除油脂 145

4.7.3  油田硫酸盐还原菌
146

4.7.4  细菌的表征和表面清洁度的监测 146

4.7.5  汞的生物去除 147

4.7.6  伤口清创 147

4.7.7  消毒和清洗 147

4.7.8  历史艺术品与建筑物的清洗 148

4.7.9  家庭和机构应用
149

4.8  小结 150

参考文献 150

第5章  大型表面清洁度检验——确立对接触角技术的信心 157

5.1  背景 158

5.1.1  范围 158

5.1.2  表面清洁度和表面能
158

5.2  方法介绍 161

5.2.1  传统和新型数字化接触角技术 161

5.2.1.1  侧面方法（半角、液滴形状分析和蛇形法） 162

5.2.1.2  一种新型的数字化自上而下法 164

5.2.1.3  反射角法 165

5.2.2  文献或工业领域建议的标准参照物 166

5.2.3  标准参照物材料
167

5.3  优点和缺点 168

5.3.1  人员培训 168

5.3.2  方法比较 169

5.4  结果 169

5.4.1  成像选择举例 169

5.4.2  性能比较举例 170

5.4.3  人员培训举例 170

5.4.4  方法比较举例 170

5.5  应用 172

5.6  未来发展 172

参考文献 173

索引 177

 

 

《表面污染与清洗进展》“Developments in Surface Contamination and Cleaning”丛书设定了如下目标，即为人们了解膜状和颗粒状表面污染物的行为连续提供前沿的关键视角。前五卷分别在2008年、2010年、2011年、2012年和2013年出版，专门论述了污染物的基本性质、污染物的测试与表征方法以及去除污染物的技术等。本书是该丛书的第六卷。在本书的各个章节中，相关主题方面的专家提供了有关清洗和清洗表征方面的综述。离子液体（IL）和低共熔溶剂（DES）是一类新型的低熔点材料，因具有独特的性能使它们在清洗领域很有吸引力。Rajiv Kohli在其撰写的第1章中讨论了这些溶剂的特性，包括这些溶剂对很多污染物的高溶解度、热稳定性、化学稳定性、低熔点（甚至低于273 K）、非常低的挥发性以及高电导率等。离子液体溶剂确实也存在不少缺点，例如成本高、合成复杂、重复利用时需要纯化以及许多配方具有高毒性和难以生物降解等。目前已经开发出一些能够克服其中部分缺陷的DES配方。近，离子液体和DES已被建议应用于清洗领域，并且已经被证明有效，尽管许多结果仍属于实验室阶段。应用范围包括刷洗去除微小污染物，清洗半导体晶片和集成电路，精密清洗航空航天部件，清除金属表面氧化垢，金属的电抛光，去除微生物，清洁艺术品，清洗油气开采过程中的井筒，土壤清污以及清洗各种消费品等。Lirio Quintero和Norman F. Carnahan 概述了微乳液在清洗领域的应用。微乳液的独特性质（对油的高增溶性、低界面张力和自发形成）使它们在各种各样的清洗应用中表现出吸引力。微乳液已在工业清洗和家用清洗中获得应用。这些应用包括家庭和工业洗衣废水处理，受到污染的土壤、纤维和纺织品、壁画、绘画、纪念碑和建筑物等的清洗，以及在石油和天然气工业中的各种应用。随着设备结构的减小、新材料和具有三维结构特征设备的出现，清洗工艺正在受到不断的挑战。在清除“杀手”颗粒瑕疵时，必须保证不破坏脆弱的材料结构、清洗所致的材料损失基本为零以及不使表面粗糙化。由James T. Snow, Masanobu Sato 和Takayoshi Tanaka 共同撰写的第3章讨论了双流体喷雾清洗技术，这一技术在清除不同表面上的颗粒污染物方面极具应用价值。利用双流体喷雾中液滴的冲击力清除颗粒污染物，被证明是一种高效而无损害的半导体晶片清洗技术。喷嘴分别可以控制液滴的直径和速度，以提供的液滴能量。这一方式不仅提高了清洗效率，而且降低了由于液滴尺寸和速度的变化而导致被清洗部件损坏的可能性。由Rajiv Kohli撰写的另一章（第4章）是有关微生物清洗的综述，即利用自然生成的微生物从不同类型的表面去除各种各样的污染物。与传统的溶剂清洗法相比，微生物清洗已经被证明是一种有效的替代方法。这种方法是基于微生物对烃类化合物具有亲和性，能够消解这类化合物，并将其分解成无害的二氧化碳、水和可溶性脂肪酸。这些微生物是非致病性的，处理和处置时是安全的。这一工艺是环境友好的，比溶剂清洗更经济，但不适用于高精密度的清洗。典型的应用包括：零部件清洗，从混凝土和地板表面清除油和油脂，从生产设备、医院、餐厅、食品加工厂以及一些类似场所的排水沟和隔油池中清除油脂，文物和建筑物的清洗，卫生设施的清洗和杀菌，伤口清创，油田控制硫酸盐还原菌，汞的生物回收，以及家庭和公共机构的清洗等。清洁度检验在航空航天、生物医学和半导体制造等很多工业过程中正变得越来越重要。Darren L. Williams和Trisha M. O’Bryon考察了躺滴法测定接触角在表面能测定和清洁度检验方面的实用性。他们总结了能够选用的方法、商品化仪器、相关专利以及前沿的与接触角测量有关的文献。在此基础上他们又叙述了改进的接触角测量技术在大型表面测量中的应用，包括这些变化给测量准确度和测量精密度带来的影响，并提出了相应的校正方法，包括使用可以模拟躺滴大小和形状的标准参照物。这些验证工具与改进的接触角测量技术的结合满足了不断增长的能够自动化进行的清洁度检验方法的需求。关于表面污染物的影响、表征及去除技术领域的现状和进展，本书的内容提供了有价值的信息。本书对于在政府、学术和工业领域从事研究开发、制造、工艺及质量控制的行业人员有重要价值，对于制定微电子学、航空航天、光学、静电印刷、接缝(黏合)剂和其它工业领域的采购规范有借鉴作用。在此我们由衷地感谢本书的所有作者对本书的贡献以及他们的热情和合作精神。真诚地感谢出版商F. Hellwig 和M. Deans对这一系列特别是本卷一如既往的支持。感谢Elsevier的R. Corbani和相关编辑人员对本书的出版提供的巨大帮助。我们还要感谢约翰逊航天中心STI图书馆的工作人员，他们在快速查找和确定模糊参考资料方面作出了努力。Rajiv KohliHouston, Texas, USAKash MittalHopewell Junction, New York, USA