清洗对象

清洗对象是指待洗的物体(为区别于污垢，又称其为基质)。组成衣物、家庭日用品、机器零件、电子元件及各种设备的材料主要有纺织纤维、金属材料、木材、玻璃、陶瓷(含硅化合物)、塑料等。因此，了解组成清洗对象的这些原材料的物理性质，特别是表面的物理性质以及它们的化学特性，就显得十分重要。以下介绍各种有代表性的组成清洗对象的原材料的表面物理性质及有关化学性质。

一、金属材料
　　通常使用的金属材料主要有钢铁、不锈钢等铁合金以及铝、铜等有色金属，这些金属材料有着不同的表面物理性质和化学性质。下面分别加以介绍。
　　1.钢铁
　　把含碳量在2% 以下的铁碳合金叫做钢。钢铁表面是富有活性的。当钢铁暴露在空气中时，会与空气中的二氧化碳和水反应生成碳酸铁，或与水、氧气反应生成氢氧化铁、三氧化二铁组成的表面覆盖膜。当这种膜的厚度达到1μm以上时，就可以用肉眼观察到这种红褐色的铁锈，铁锈的生成与空气中水蒸气含量有很大关系，在高湿度气氛中铁锈生成很快，在水中含有的氢离子对铁锈生成有促进作用。在钢铁表面形成的这种氧化物覆盖膜呈疏松结构，所以它不能阻止氧气继续渗入钢铁内部发生氧化反应，而且随着氧化反应的不断进行导致钢铁表面破坏。
　　钢铁耐化学腐蚀能力较弱，在pH小于4的硫酸、盐酸等强酸水溶液中，铁与氢离子反应生成氢气，使铁变成二价铁离子很快溶解；而在pH大于4的弱酸性溶液中，酸会促进水中溶解的氧气对铁的氧化作用，使二价铁离子氧化成三价铁离子，因此在这种情况下，铁溶解后生成水溶性的三价铁盐。
　　在浓度为45%～98%的硫酸中，钢铁表面会形成一层致密的氧化膜。这种氧化膜有抑制钢铁内部被腐蚀的保护作用。而在铬酸的强酸性水溶液中，钢铁表面会生成一层铬酸铁的薄膜，也有很强的耐腐蚀作用。
　　在氢氧化钠等碱性水溶液中，钢铁相对比较稳定，特别是在常温下，钢铁耐碱的腐蚀性很好，只有在高温浓碱水溶液中，钢铁才会被逐渐腐蚀。
　　在含有食盐等强电解质的水溶液中，由于在钢铁表面形成许多微电池，所以会发生电化学腐蚀而加速钢铁腐蚀。
　　钢铁是一种价格较便宜，机械强度高，加工性能优良的金属材料，它的最大的缺点是化学性质活泼，容易生锈。生锈不仅使钢铁的外观受到影响，也使钢铁制品的精度和强度下降，一般需通过电镀和涂漆等技术对钢铁表面加以保护。
　　2.不锈钢
　　把能抵抗酸、碱、盐及其它化学药品腐蚀作用的合金钢统称为不锈钢。
　　不锈钢的主要化学成分是铁铬合金，铬使钢的耐腐蚀能力大为提高。在铬钢中加入镍、钼、钛、锰等其它金属时，可进一步改善其耐腐蚀性和工艺加工性能。不锈钢中铬的含量一般在12%以上。常见的不锈钢品种有两大类:一类是含铬在12%的铬不锈钢；另一类是含铬为16%～20%，含镍为8%～14%的铬镍不锈钢。后一类不锈钢耐腐蚀性能更好，机械加工性能也较优良，在化工设备制造领域用途很广。
　　铬镍不锈钢的典型代表是含铬18%，含镍8%的不锈钢，俗称18—8铬镍钢。但即使这种有优良耐腐蚀性的不锈钢也不是对所有化学药品都有抵抗能力。
　　由表1—11可知，18—8铬镍钢有良好的耐腐蚀性能，这是因为它的表面有一层致密的氧化铬薄膜保护内部使其在通常的条件下不被腐蚀，但在高温条件下仍会受腐蚀，如在80℃以上的高温下，18—8铬镍钢会被60%的硫酸、醋酸和草酸所腐蚀。另外水溶液中含有氯离子等卤素离子时会对不锈钢的腐蚀起促进作用，如盐酸对不锈钢有强烈的腐蚀作用，次氯酸盐水溶液中的活性氯含量在200mgkg-1以上时会对不锈钢有显著的腐蚀作用，水溶液中活性氯含量在10mgkg-1时经过长时间接触也会使不锈钢表面稍变粗糙。食盐、氯化铵等含氯离子的水溶液也会对不锈钢造成腐蚀。另外，氯、溴等单质对不锈钢有强烈的腐蚀作用。
　　3.铜
　　铜是一种不太活泼的金属，它不能把酸性水溶液中的氢离子置换出来而产生氢气，因此在低温情况下，铜在盐酸、磷酸、醋酸和稀硫酸等非氧化性酸性水溶液中是稳定的，不会被腐蚀。而只有在这些酸与空气中氧气共同作用的条件下才会被腐蚀。例如盛放稀硫酸的铜容器的液面与空气接触部位容易被腐蚀.
　　研究结果表明，向酸液中通入氢气时不会促进铜的腐蚀，而向酸液中通人氧气时才会加速铜的腐蚀，
　　表中所列酸中以盐酸对铜腐蚀最强烈，盐酸和醋酸都是随酸的浓度增加对铜的腐蚀增强，只有硫酸相反，在低浓度时反而腐蚀严重。
　　硝酸等氧化性强酸对铜有剧烈的腐蚀作用，铜会很快被硝酸溶解。但铬酸虽然也属氧化性酸，却由于其与铜反应在表面生成难溶性铬酸铜会保护铜内部而阻止腐蚀的进行。
　　在铵盐和氰化物水溶液中，由于铜会生成可溶性络盐而被腐蚀溶解，同样的原因使铜在水和氧气存在的条件下会被氨所腐蚀。
　　铜在碱性水溶液中比较稳定，只在高温下与浓氢氧化钠溶液发生反应。
　　铜在纯水中是不会被腐蚀的，只有在溶有氧气和二氧化碳的水中，才会慢慢地生成绿色的可溶性铜盐。
　　研究结果表明，金属表面的亲油性顺序为:铜>铁>锌>铝>镍>铬。铜是常用金属中表面亲油性最强的，所以易被油性污垢沾染。

4.铝
　　铝是很活泼的金属，在其表面上容易发生化学反应。但是铝的表面能与空气中氧结合生成致密的α-Al2O3氧化膜。如磨光的铝表面在干燥的空气中可生成厚达10-8m的氧化膜，而在潮湿的空气中自然生长的氧化膜厚度可达数微米(10-6m)。这种致密的氧化膜对铝内部有良好的保护作用，使其在空气中不再被腐蚀。经过冷浓硝酸处理或在草酸溶液中进行阳极电解氧化，可使铝表面生成耐腐蚀性很好的氧化膜，这种方法称作铝的钝化处理。
　　铝经过与硝酸、铬酸等氧化性酸生成致密氧化膜钝化之后，仍可与许多酸发生反应，如可被w(H2SO4)=10%的硫酸，w(H3PO4)=20%的磷酸以及各种质量分数的盐酸所腐蚀，此时铝表面的氧化膜被酸溶解。氧化膜也可被稀硝酸与热浓硝酸所溶解。
　　铝的耐腐蚀性与铝的纯度有很大关系，如纯度在99%以下的铝可在常温下被稀硝酸腐蚀。盐酸对纯度为99.5%以上和以下的铝的溶解量可相差千倍之多。
　　氯气和其它卤素单质以及各种卤素离子对铝的氧化膜都有剧烈的破坏作用，如食盐等溶液对铝都有腐蚀作用。
　　在碱性条件下，一般在pH>10以上时，铝才易被腐蚀。但偏硅酸钠这种水解呈碱性的盐，其水溶液的pH虽然在10以上，但由于它能生成胶体，并吸附在铝表面形成耐腐蚀的覆盖膜，所以能保护铝不被腐蚀。所以偏硅酸钠在铝这种有色金属的清洗过程中起着重要的保护作用。
　　铝在加工过程中由于存在应力而造成表面氧化膜的不均匀，这是造成铝制品发生腐蚀的原因。这种现象在别的金属加工中也存在，只是程度不同而已。在精密工业清洗过程中应注意此问题。
二、硅和硅酸盐材料
　　1.硅
　　硅是一种非金属元素。硅单质有无定形和结晶型两种状态。
　　无定形硅呈粉末状态，化学活泼性强，容易与氧气结合，反应剧烈时会引起燃烧。硅容易与氢氟酸反应并溶解，因此工业清洗去除含硅杂质常用氢氟酸。
　　单晶硅是重要的半导体材料，化学性质较稳定，但可溶于强酸和氢氟酸。高温条件下在它表面可与空气中的氧气和氯气反应。在电弧条件下可与氢气直接化合。
　　结晶型硅分单晶硅和多晶硅两种。单晶硅中只存在一个晶核，是制造半导体元件的重要材料。在制造半导体材料时，需要把通常得到的多晶硅转变成单晶硅，即把多晶硅加热熔融，并向其中引入单晶硅晶核，再由这个单晶硅核长成一整块晶体即是单晶硅。把得到的棒状单晶硅沿横断面截开可得到单晶硅的晶片。
　　单晶硅是黑色不透明固体。纯度为99.93%的单晶硅，熔点为(1415±2)℃，硬度很高。晶格与金刚石相同，导电性与石墨相近。结晶型硅的表面原来是疏水性的，氧化后表面变成亲水性的。由单晶硅制造的晶片在机械加工过程中表面会出现变形层，由于大量的污垢会附着在此变形层上而对半导体材料的性能产生恶劣影响，必须通过腐蚀的方法加以去除。
　　半导体材料的清洗是一比较复杂的过程，这是半导体加工的一个特点。
　　2.玻璃
　　玻璃是由熔融状态物体过冷而成的固体状态无定形物质，一般性脆而透明。玻璃的化学成分较复杂，二氧化硅是玻璃的主要成分。普通窗玻璃(钙钠玻璃)是由石英砂、长石、纯碱、石灰石经熔融加工制成。高纯度最稳定状态的二氧化硅叫水晶，是完全结晶的二氧化硅，它的物理化学性质稳定，而且不像一般玻璃那样具有可塑性。如果把水晶等纯二氧化硅的熔融物质骤冷就得到石英玻璃，它的熔点比水晶低，有低的热膨胀率，而且具有可塑性，是一种性能独特的特种玻璃。
　　在普通窗玻璃结构中，二氧化硅的晶格受到破坏，CaO、Na2O等碱性氧化物嵌入其晶格之中，结果使其熔点降低，且富有可塑性，因此在日常生活和工业生产中有广泛用途。改变玻璃成分可以得到多种不同性能的玻璃。如光学玻璃、特种玻璃等。表1—13列有各种玻璃的组成和特性。
　　玻璃表面的物理性质与其内部有明显区别，了解这点对于掌握玻璃清洗工艺有很大意义。在玻璃形成的过程中，玻璃熔体在空气中逐渐冷却，同时玻璃内部的气体和杂质也被挤压到表层，在表层附近形成很不纯的胶状组织，其中含有氧气、二氧化碳、水蒸气以及钾、钠等一价离子，它们都在玻璃的不完整晶格中移动。有实验研究结果表明，在这种玻璃表面的胶状组织中，平均每10g玻璃中含有约1.8cm3的水蒸气、二氧化碳、一氧化碳、氢气、氮气等气体，这种含有气体的胶状组织使玻璃表面易受腐蚀，随着时间的延长而使腐蚀深入到玻璃内部，同时也使外部的污垢容易沾污玻璃。
　　同时，由于玻璃是由连续三维网络组成(见图1—4)，结构中每个阳离子被一定数目的氧离子包围，因为多数阳离子体积小具有较大的场强，对其附近氧离子施以强作用力。玻璃内部离子间作用力处于平衡状态，而表面离子间存在不饱和的剩余键力，这种表面作用力导致玻璃表面与周围介质易发生作用，使表面组成与内部结构有较大差异。玻璃表面的剩余键力不仅可与外界的各种分子如水、氧气、二氧化碳发生吸附作用，甚至对某些生物也表现出很大活性。研究表明，由于玻璃表面的剩余的自由键能与生物体中通常存在的羟基、氨基相吸附，因此玻璃对血液有凝结作用。玻璃表面还容易吸附霉菌，不仅霉菌会对玻璃侵蚀，而且在霉菌周围易凝结水滴，进而吸收空气中的二氧化碳使玻璃受到侵蚀。由此可见，玻璃表面是有一定反应活性，易于被腐蚀的。

下面具体说明几种物质对玻璃表面的影响:
　　(1)水的影响:玻璃本体是十分耐水的，水对玻璃的影响主要表现在对其表面性质的影响。上已述及，玻璃是一个连续三维的网络结构，其中主体由硅氧链组成它的骨架，而Na+、Ca2+等金属阳离子位于网络骨架的中间。当玻璃表面长期与水接触时，网络内部的金属阳离子就会被水中氢离子置换而溶出，而进入玻璃网络结构的氢离子，会引起玻璃表面结构的破裂生成含有硅羟基(-SiOH)的较小分子。随着氢离子与金属阳离子交换作用的逐步进行，玻璃表面硅氧骨架会断裂生成Si(OH)4、Na2SiO3等小分子，并且水溶性加大。当金属离子被氢离子置换之后，在玻璃表面形成一个低折射率的侵蚀膜，由于它的折射率与玻璃本体不同，因此光会在侵蚀膜产生干涉，由于这种干涉色是蓝色的，所以把这种水与玻璃表面的反应称为蓝色侵蚀(或称“蓝斑”)。而在侵蚀膜中的水分干燥后，又会有白色固体状的Na2CO3、SiO2析出，这种情况称为白色侵蚀(或称“白斑”)。当看到蓝斑、白斑出现时即可知道水与玻璃表面发生了反应。尤其是制造光学透镜用的硼砂玻璃，其表面较易与水反应，因此要特别注意避免其与水过多地接触。
　　(2)碱类的影响:玻璃骨架成分中的二氧化硅是易与碱类发生反应的，特别是能被氢氧化钠等强碱所溶解:
　　碱对玻璃的腐蚀作用随溶液的pH值增大，反应时间的延长，温度的升高而加大。有实验结果表明，用w(NaOH)=5%的氢氧化钠溶液在95℃对玻璃处理50h后，普通玻璃每平方厘米表面上的重量减少10mg左右。
　　在用玻璃制镜子或光学透镜时都必须把玻璃表面的变质层去掉，通常的方法是先研磨抛光，再用洗涤液清洗。在这个过程中会发生一种叫“潜伤”的现象，即在抛光后的玻璃表面有不易被发觉的极小划痕，在洗涤剂清洗后变得明显。潜伤的出现与磨料硬度，玻璃硬度及其化学稳定性有关，同时也与使用的洗涤剂对玻璃的腐蚀有关。
　　因为用碱性洗涤剂清洗光学透镜以去除其表面污染层时，会使原来抛光研磨所造成的破损扩大，造成“潜伤”和使玻璃发脆。因此在这种情况下应改用中性洗涤剂，以避免“潜伤”发生。
　　(3)酸的影响:由于玻璃的骨架成分是酸性氧化物二氧化硅，所以玻璃是不易被酸腐蚀的，但玻璃中也含有一定量的Al2O3、Na2O、CaO、MgO等碱性氧化物成分，所以玻璃在强酸溶液中长时间浸泡也会造成这些碱性氧化物与酸反应而使玻璃表面上的Na+、Ca2+等阳离子的流失，造成玻璃表面粗糙呈现蓝绿色斑纹(类似前面介绍的“蓝斑”)。
　　另外氢氟酸对二氧化硅有特殊的溶解能力，这种特性被利用到玻璃表面的蚀刻工艺中:
　(4)其它物质的影响:家庭中常用的合成洗涤剂对玻璃也有一定的腐蚀作用，因为在洗涤剂中除了含有表面活性剂之外还含有其它助剂，比如磷酸盐和金属离子螯合剂等，它们会使玻璃表面含有的钙离子和其它金属离子选择性地被去除而使玻璃表面变粗糙。有研究结果表明，如果在合成洗涤剂中使用硅酸钠作助剂能避免这种情况发生。
　　有报导指出，有机溶剂在某些情况下对玻璃也会造成损伤。例如在用有机溶剂作媒液的超声波洗涤过程中，会使玻璃成分中的碱性氧化物发生移动进入溶液，玻璃表面上的碱性氧化物含量会比其内部少10倍之多。
　　以上这些物质都会造成玻璃表面的物理、化学性质不稳定，在精密工业清洗过程中会造成一定问题应加以注意。

三、塑料
　　塑料是在加工过程中能发生塑性形变的高分子材料，它们既可在加工中塑制成型，而加工后的产品形状又可保持不变。目前应用的塑料，根据它们受热后的性能变化分为热塑性塑料和热固性塑料两类。
　　塑料的表面，大都缺乏亲水性，特别是聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等塑料，由于它们表面缺少极性基团，因此亲水性污垢难以附着在其表面。相反，油性污垢却易于附着在其表面。由于塑料一般绝缘性好，导电性能差，表面易带电荷，而污垢粒子如果带有与之相反的电荷，彼此则可借静电引力而吸附。
　　塑料通常都是物理、化学性质稳定的物质，但在使用过程中由于环境中各种因素(如光、热、氧、微生物和机械作用以及酸、碱等化学药品)的影响，会使塑料的物理性质发生变化，如变硬变脆，强度降低，颜色变深等，这种现象称之为老化。
　　各种因素对塑料的影响概述如下。
　　1.热的影响
　　热塑性塑料加热到一定温度就会软化以至熔化。在高温条件下，塑料不仅软化而且会导致结构损伤。塑料长期受热的影响会发生热裂解，断裂成较小分子或单体，使强度降低，性能变坏。热固性塑料受热时不会软化熔融，但在强热作用下会破坏分解。因此塑料都有一定的耐热限度。
　　2.机械外力的影响
　　在机械外力的反复作用下，塑料也会受到损伤，特别是像有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)、聚苯乙烯、聚丙烯树脂这类以透明性为特色的塑料，受到机械力作用造成损伤时，透明度会降低，这点在机械加工时要引起注意。但有时又需要利用机械外力对塑料表面进行加工处理来改变其表面性能，如经过等离子体处理的塑料，印刷性能得到改善。
　　3.酸碱的影响
　　塑料清洗时一般不用强酸性和强碱性的洗涤剂。一般塑料的耐弱酸和弱碱的性能良好，但通常酯键结合的塑料如醋酸纤维素酯，在弱酸和弱碱中也会受到损伤，在使用时应引起注意。
　　4.有机溶剂的影响
　　由于塑料的化学成分差别很大，它们的耐溶剂性能也不同，有的能在某些有机溶剂中溶解，有的不能溶解而只能溶胀和变形。