超声波洗衣技术去污性能研究

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2017.03.021

引 言

超声波应用于质地坚硬物件的清洗已有很长的历史，其清洗效率可以达到 95% 以上，洗涤洁净度非常高。目前，超声波洗衣机产品非常少，大多数超声波洗衣机被认为是 鸡肋 。这是因为超声波清洗应用于日常家用衣物的研究非常少，无法给家用衣物洗涤方法提供指导。本文分析了超声清洗机理、换能器理论和各种因素对超声清洗影响的研究进展，定性研究了不同频率、功率对常见污渍（质地为棉）的去污效果，具有一定的参考意义。

1 超声波清洗原理

相关研究人员认为超声波清洗的原理是超声波在水中的空化作用造成的，空化气泡直接或间接作用于污物，使污物被震散，溶解于水中，达到清洗的目的。超声波的频率一般需要达到 20 kHz以上，这样才会在水中形成真空的 空腔泡 ， 空腔泡 对清洗物体的物理作用就是空化作用。

超声波换能器是超声波清洗中必不可少的换能元件，它能将电能转换成机械振动，但幅度很小，约为几微米，且振动速度及频率很快。一般来说，超声波清洗机上有许多换能器，当给它们添加一样的频率及相位的电能时，就会形成大功率机械振动，即我们平时所说的超声波。换能器的数量越多， 输出功率就越大。超声波清洗机整体结构如图 1 所示。

2 超声波清洗的影响因素

超声波清洗主要利用空化作用去污，而空化作用的强弱与超声波参数、液体条件有关，所以想要得到较好的清洗效果， 需要考虑多方面因素。

2.1 超声波频率

能够让液体产生空化的最低声强叫 空化阈 ，增大频率会使空化阈增大，并导致空化效果变差，增大功耗 ；如果频率太低，会使空化噪声过大，效率很低，甚至无法产生空化效果。

2.2 液体条件

洗涤液体本身就具有去污功能，而且超声波还可以加强洗涤液的去污作用。洗涤液的浓度、粘度等特性都跟空化效果有直接关系。

2.3 液体温度

空化作用的强弱与液体温度也有很大关系。当液体温度上升时，空化作用更容易产生，因此能加强超声波的空化效果。

3 超声波清洗去污效果

能够产生超声波空化现象的超声波频率以 20 ～50 kHz 最为合适，而频率过高，反而不易产生空化作用，即使产生也需要消耗大量的能量，得不偿失，并且很多能量会转化为热能被消耗。在真正清洗衣物时，洗涤剂必不可少，使用洗涤剂可以大大缩短清洗时间，但在实验过程中，不添加洗涤剂，以免洗涤剂对结果造成影响。

3.1 超声波频率

3.1.1 实验方法

实验材料为相同的纯棉白色毛巾，分别将其在 100 mL 的咖啡中浸泡 10 分钟。液体为不加洗涤剂的清水，以便直观观察清洗结果。

3.1.2 清洗方法

实验采用JK-TUC-360VDV 三频超声波清洗器，该清洗器有 28 kHz，40 kHz 及 80 kHz 三种频率可供选择。且输出功率可调，最大为 1 080 W，自带清洗液加热功能，发热设备功率为1 500 W，还可以设定清洗时间。

将三份白色毛巾编号①，②，③，在相同浓度的 100 mL 咖啡中浸泡 10 分钟。JK-TUC-360VDV 三频超声波清洗器放入1 L 清水，将 100 mL 咖啡与浸染的白色毛巾一起放入超声波清洗器的水槽中，设定好频率、输出功率、清洗时间。实验参数如表 1 所列。

3.1.3 检测方法

检测方法利用精密型色差仪CQ-620 进行色差测量。测量前先用黑色、白色标准板进行校准。色差越低，说明污渍去除效果越好。在洗完的毛巾处，选取 3 次进行测量，取平均值。

3.1.4 结论

原始白色毛巾的色差值为 0.86，图 2所示为三种频率下的毛巾色差值，色差越小，则表示清洗效果越好。由图可见， 随着处理频率的增加，清洗后的毛巾色差值也随之增加，即残留的污渍更多，这说明超声波清洗的频率并非越大越好。

从图中可以看到，在28kHz，40kHz及80kHz三种频率下，28 kHz 的清洗效果最好，但这不能说明频率越小，清洗效果就越好，因为频率太小，空化效果不明显，甚至无法产生空化效果。本文的JK-TUC-360VDV 三频超声波清洗器只有三种频率，如果要进一步研究频率对清洗效果的影响，应该选择更多的超声波频率做实验。

3.2 超声波功率

3.2.1 清洗方法

从上面的结论可以得到在三种频率中，28 kHz 的超声波 频率最好，因此在这个实验室中，我们采用 28 kHz 的超声波 频率。

准备三份白色毛巾，分别编号为①，②，③，④，⑤，⑥， 在相同浓度的 100 mL 咖啡中浸泡 10 分钟。JK-TUC-360VDV 三频超声波清洗器放入 1 L 清水，将 100 mL 咖啡与浸染的白 色毛巾一起放入超声波清洗器的水槽中，设定好频率、输出 功率、清洗时间，参数如表 2 所列。

3.2.2 检测方法

检测方法利用精密型色差仪 CQ-620 进行色差测量，测 量前先用黑色、白色标准板校准。色差越低，说明污渍去除效 果越好。在洗完的毛巾处，选取 3 次进行测量，并取平均值。

3.2.3 结论

图 3 所示为不同功率下的毛巾色差值。

从图中的数据可以看出，数据起伏较大，且并非功率越大， 色差就越小。当功率为 300 W、500 W、700 W 时都略有反常， 但大致可以看到随着功率增大，色差就越小，清洗效果也越 好的曲线。在 100 ～ 400 W 区间，色差变化较大，且随着功 率增大，效果较好，但在 400 ～700W 区间，功率增大，色差 并没有明显变化。因此，选择合适的工作功率对实现理想的 清洗效果非常重要。

4 结 语

本文简单介绍了超声清洗原理及影响超声波清洗的一些 重要因素，并重点研究、分析了超声波频率、功率对超声波 清洗的影响，对今后的深入研究有一定的指导意义。同时为家 用衣物洗涤方法提供指导，具有一定的现实意义。