Der letzte Prozessschritt einer Bauteilreinigung mit einem flüssigen Reinigungsmittel (Nassverfahren) ist in der Regel die Trocknung. Die Trocknung sollte generell ohne Beschädigung der Bauteile, rückstandsfrei, möglichst schnell und mit geringst möglichem Energieaufwand erfolgen. Eine effektive Trocknung ist von besonderer Bedeutung, wenn die gereinigten Bauteile feuchtigkeitsempfindlich sind. Nicht rostfreie Stähle neigen z. B. bei Feuchtigkeit zur Bildung von Flugrost und bei elektronischen Bauteilen oder Leiterplatinen besteht die Gefahr der Bildung elektrischer Kurzschlüsse. Anhaftende Feuchtigkeit kann zudem bestimmte Folgeprozesse, wie z. B. eine Oberflächenbeschichtung, empfindlich stören.
Der letzte Prozessschritt einer Bauteilreinigung mit einem flüssigen Reinigungsmittel (Nassverfahren) ist in der Regel die Trocknung. Die Trocknung sollte generell ohne Beschädigung der Bauteile, rückstandsfrei, möglichst schnell und mit geringst möglichem Energieaufwand erfolgen. Eine effektive Trocknung ist von besonderer Bedeutung, wenn die gereinigten Bauteile feuchtigkeitsempfindlich sind. Nicht rostfreie Stähle neigen z. B. bei Feuchtigkeit zur Bildung von Flugrost und bei elektronischen Bauteilen oder Leiterplatinen besteht die Gefahr der Bildung elektrischer Kurzschlüsse. Anhaftende Feuchtigkeit kann zudem bestimmte Folgeprozesse, wie z. B. eine Oberflächenbeschichtung, empfindlich stören.
Die in früheren Jahren zumeist verwendeten halogenierten Kohlenwasserstoffe (FCKW, CKW) wiesen hervorragende Trocknungseigenschaften auf. Die in jüngeren Jahren verstärkt eingesetzten umweltfreundlicheren Lösemittel und wässrigen Reiniger sind hingegen weitaus schwieriger zu trocknen, so dass dem Einsatz effektiver Trocknungsverfahren eine zunehmende Bedeutung zukommt. Oftmals ist die Bauteiltrocknung der zeit- und energieaufwendigste Prozessschritt eines Reinigungssystems.
Hintergrund
In früheren Jahren wurde der Bauteiltrocknung keine große Bedeutung beigemessen, da die damals vornehmlich verwendeten Lösemittel, wie CKW und FCKW, ein hervorragendes Trocknungsverhalten aufgrund äußerst geringer Verdampfungsenthalpien aufwiesen und die Umweltgesetzgebung im Hinblick auf Lösemittelemissionen noch nicht so streng wie heute war. Die Bauteiltrocknung erfolgte zumeist durch die Eigenwärme der Bauteile als integraler Bestandteil des Reinigungsprozesses. Bei den heutzutage weit verbreiteten nichthalogenierten Lösemittel (Kohlenwasserstoffe, sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe, pflanzenölbasierte Reiniger) ist ein solches Vorgehen nicht mehr praktikabel. Aus Explosions- und Brandschutzüberlegungen muss die Temperatur bei Trocknung unter Atmosphärendruck ca. 15 °C unter dem Flammpunkt des Lösemittels gehalten werden und gerade diejenigen Lösemittel mit hohem Flammpunkt weisen auch eine relativ hohe Verdampfungsenthalpie auf. Bei der ebenfalls weit verbreiteten wässrigen Reinigung (Neutralreiniger, saure Reiniger, alkalische Reiniger) besteht zwar keinerlei Brandgefahr, allerdings weist Wasser aufgrund seines starken Dipolcharakters eine äußerst hohe Verdampfungsenthalpie auf und es besteht Korrosionsgefahr für die Bauteile. Aufgrund des Einsatzes umweltfreundlicherer Reinigungsmittel kommt der Trocknung daher eine zunehmende Bedeutung zu und sie ist oftmals derjenige Arbeitsschritt in der Prozesskette, der den größten Zeitbedarf aufweist.
Flüssigkeitsarten und Bindungsmechanismen
Bei der mit einem Bauteil aus dem letzten Bad ausgetragenen Flüssigkeit kann es sich handeln um:
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Stehende Flüssigkeit: Bauteile, die über teilweise umschlossene Hohlräume verfügen, können bei ungünstiger Orientierung große Flüssigkeitsmengen aus dem letzten Bad schöpfen. Sie werden daher auch als schöpfende Teile bezeichnet. Neben der die Bauteiloberfläche gleichmäßig bedeckenden Haftflüssigkeit entstehen so auch Pfützen mit stehender Flüssigkeit.
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Kapillar gebundene Flüssigkeit: Bauteile mit sehr engen Spalten, wie z. B. Sinterkörper oder Schüttung sehr kleiner Bauteile, nehmen Flüssigkeit in die inneren Hohlräume auf und halten sie dort aufgrund von Kapillarkräften fest.
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Quellflüssigkeit: Quellflüssigkeit ist Flüssigkeit, die Bauteile zur Volumenvermehrung bringt. Sie kann nur bei quellbaren Werkstoffen, z. B. einigen Kunststoffen, entstehen. Das Trocknen von Quellflüssigkeit stellt ein besonderes Problem dar, da sie die Phasengrenze überschritten hat.
Trocknungsgeschwindigkeit
Komplexe Bauteilgeometrien können die Trocknung stark erschweren. Bauteile mit teilweise umschlossenen Hohlräumen bieten dem bei der Trocknung entstehenden Dampf nur wenig Fläche zum Entweichen und es kommt zur Rückkondensation der Flüssigkeit. Pfützen, in denen Flüssigkeit steht, trocknen nur sehr langsam, da die Verdampfung lediglich an der Flüssigkeitsoberfläche erfolgt und die darunter liegende Flüssigkeit eine Isolierschicht darstellt, die den Wärmeübergang vom Bauteil zur Flüssigkeitsoberfläche behindert. Kapillarporöse Bauteile sind aufgrund der zusätzlich zu überwindenden Kapillarkräfte ebenfalls schwer zu trocknen. Und Bauteile aus quellbaren Stoffen stellen besonders hohe Anforderungen an die Trocknung. Ideal im Hinblick auf die Trocknung sind flächige Bauteile, bei denen die Restfeuchte als dünner Flüssigkeitsfilm gleichmäßig verteilt vorliegt (nur Haftflüssigkeit). Eine schnelle Trocknung kann durch die folgenden Maßnahmen unterstützt werden:
Trocknungsflecken
Bei der gängigsten Trocknungsmethode, der Trocknung durch Verdunstung oder Verdampfung, wird die Reinigungsflüssigkeit verdampft, während gelöste Stoffe auf der Bauteiloberfläche zurückbleiben. Besonders nach wässrigen Reinigungsprozessen kann es so zu Trocknungsflecken durch gelöste Stoffe kommen, denn wässrige Reiniger enthalten zusätzlich zu den bei der Reinigung entfernten Verschmutzungen zumeist Salze, gelöste Mineralstoffe (CaCO3, MgCO3), Metalle (Eisen, Blei oder Kupfer aus Wasserleitungen) sowie aktive Badbestandteile, wie Tenside oder Emulgatoren. Liegen relativ wenig dieser Stoffe vor, bilden sich ringförmige Trocknungsflecken, da die Ionen zu den Außenflächen der jeweiligen Tröpfchen wandern. Liegen viele gelöste Stoffe vor, bilden sich großflächigere Flecken. Trocknungsflecken wirken sich ungünstig auf viele Folgeprozesse aus und sollten daher durch gründliches Spülen vor der Trocknung vermieden werden.
Korrosiongefahr
Ein weiteres Problem bei der Trocknung nach einer wässrigen Reinigung ist die Gefahr der Korrosion. Während des Verdampfens reichern sich in dem verbleibenden Wasser die Ionen der gelösten Stoffe mehr und mehr an. Es bildet sich kurzzeitig ein starker Elektrolyt, der Korrosion begünstigt. Da die Bauteilflächen nach der Reinigung oftmals aktiviert sind, bildet sich auf Flächen in sekundenschnelle Flugrost, in engen Spalten oder Bohrungen kann es zur Spaltkorrosion kommen. Abhilfe kann hier ein Spülen mit vollständig entionisiertem (z. B. destilliertem) Wasser schaffen.
Trocknungsverfahren
Trocknen durch Krafteinwirkung
Hierzu werden alle Verfahren gezählt, bei denen die auf dem Bauteil befindliche Flüssigkeit durch die Einwirkung äußerer Kräfte entfernt wird. Bei den einwirkenden Kräften kann es sich um Fliehkräfte (Schleudern), Trägheitskräfte (Abschütteln, Vibration), Oberflächenspannung (Slow-Pull-Trocknung) oder Strömungswiderstandskräfte (Abblasen) handeln. Eine Phasenumwandlung der zu entfernenden Flüssigkeit findet nicht statt. Die Trocknung durch äußere Kräfte kann in den meisten Fällen nicht vollständig erfolgen und erfordert eine Nachtrocknung durch Verdampfen/Verdunsten.
Trocknen durch Verdampfen/Verdunsten
Die Trocknung durch Verdampfen bzw. Verdunsten des Reinigungsmittels stellt die am häufigsten verwendete Trocknungsart dar. Die auf dem Bauteil befindliche Flüssigkeit wird entfernt, indem durch die Phasenumwandlung in den dampfförmigen Zustand die Adhäsionskräfte zwischen der Flüssigkeit und der Bauteiloberfläche aufgehoben werden. Mit dieser Trocknungsart kann eine vollständige Trocknung erfolgen. Eine Verdunstung findet im Gegensatz zur Verdampfung bei Temperaturen unterhalb der Siedetemperatur statt.
Trocknen durch Zwischenstoffe
Bei der Trocknung durch Zwischenstoffe wird die auf dem Bauteil befindliche Flüssigkeit entfernt, indem ein anderer Stoff diese aufnimmt. Als Zwischenstoffe werden hygroskopische, weiche Materialien, wie z. B. verschiedene Textilien, Holzspäne oder Granulate, eingesetzt.
Trocknen durch Verdrängung
Bei der Trocknung durch Verdrängung wird lediglich eine Flüssigkeit durch eine andere ersetzt, die günstigere Trocknungseigenschaften aufweist oder sich auf nachfolgende Prozessschritte nicht negativ auswirkt, so dass eine Trocknung komplett entfallen kann. Eine derartige Verdrängungstrocknung setzt voraus, dass das Fluid mit dem die Reinigungsflüssigkeit verdrängt werden soll, eine höhere Affinität zur Bauteiloberfläche hat.
Berechnung von Trocknungsprozessen
Zur Trocknung von Bauteilen nach einer Reinigung mit flüssigen Reinigern können unterschiedliche Trocknungsverfahren eingesetzt werden. Sämtliche Verfahren können entsprechend ihrem physikalischen Wirkprinzip in eine der vier folgenden Kategorien eingeordnet werden:
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Trocknung durch Krafteinwirkung
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Trocknung durch Verdrängung
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Trocknung durch Zwischenstoffe
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Trocknung durch Verdampfen/Verdunsten
Trocknung durch Krafteinwirkung
Unter dieser Trocknungsart können alle Verfahren zusammengefasst werden, bei denen Flüssigkeit durch die Einwirkung von äußeren Kräften von der Oberfläche entfernt wird. Dabei findet keine Phasenumwandlung statt. Bei den einwirkenden Kräften kann es sich um Fliehkräfte (Schleudern), Trägheitskräfte (Abschütteln, Vibration), Druckkräfte (Ausdrücken), Strömungswiderstandskräfte (Abblasen) oder Kapillarkräfte (Abwischen) handeln. Die Trocknung durch äußere Kräfte kann in vielen Fällen nicht vollständig erfolgen. Es verbleibt zumeist eine Adhäsionsschicht der Flüssigkeit auf den Bauteiloberflächen, die durch eine anschließende Verdunstungs- oder Verdampfungstrocknung entfernt werden muss. Die Grundlage der Berechnung derartiger Trocknungsverfahren ist die Bedingung, dass die Haftkräfte der Reinigungsflüssigkeit von den äußeren Kräften überwunden werden müssen. Die Berechnung kann analog zu den entsprechenden mechanischen Reinigungsverfahren (Ausdrücken, Schleudern, Abblasen, Abwischen, Vibrationsreinigung) erfolgen.
Trocknung durch Verdrängung
Bei der Trocknung durch Verdrängung wird lediglich eine Flüssigkeit durch eine andere ersetzt, die günstigere Trocknungseigenschaften aufweist oder sich auf nachfolgende Prozessschritte nicht negativ auswirkt, so dass eine Trocknung komplett entfallen kann. Eine derartige Verdrängungstrocknung setzt voraus, dass das Fluid mit dem die Reinigungsflüssigkeit verdrängt werden soll, eine höhere Affinität zur Bauteiloberfläche hat. Ein Kennwert hierfür ist z. B. die Oberflächenspannung. Ansonsten besteht bei der Verdrängungstrocknung in der Regel kein Bedarf an einer tiefergehenden Berechnung.
Trocknen durch Zwischenstoffe
Bei der Trocknung durch Zwischenstoffe wird die auf dem Bauteil befindliche Flüssigkeit entfernt, indem ein anderer Stoff diese aufnimmt. Als Zwischenstoffe werden hygroskopische, weiche Materialien, wie z. B. Textilien, Holzspäne oder Granulate, eingesetzt. Der Flüssigkeitsübergang auf den Zwischenstoff ist einer Berechnung in der Regel nicht zugänglich.
Trocknung durch Verdampfen/Verdunsten
Die Trocknung durch Verdampfen bzw. Verdunsten des Reinigungsmittels stellt die am häufigsten verwendete Trocknungsart dar. Durch die Phasenumwandlung werden die Adhäsionskräfte zwischen der Flüssigkeit und der Bauteiloberfläche aufgehoben und es kann eine vollständige Trocknung erfolgen.
Bei einer
Trocknung durch Verdampfen muss die Flüssigkeit zunächst von der Ausgangstemperatur bis zur vom Umgebungsdruck abhängigen Siedetemperatur erhitzt und anschließend unter Zufuhr der Verdampfungsenthalpie in die gasförmige Phase überführt werden. Die Bauteile selbst werden dabei zumeist ebenfalls auf die Siedetemperatur der Flüssigkeit erhitzt (Berechnung).
Unter verringertem Druck kann Flüssigkeit bereits bei niedrigeren Temperaturen zum Sieden gebracht werden. Die Verdampfungsenthalpie muss den Bauteilen bei einer derartigen
Vakuumtrocknung dennoch durch eine Heizeinrichtung zugeführt werden, damit ein Vereisen der Bauteile verhindert wird. Die aufgrund der niedrigeren Siedetemperatur eingesparte Energiemenge wird zumeist durch die erforderliche Pumpleistung mehr als wettgemacht. Die Auslegung einer Vakuumtrocknungsanlage erfolgt analog der Auslegung einer Vakuumentölungsanlage.
Bei einer
Verdunstungstrocknung strömt ein Gas (zumeist Luft) über die zu trocknende Flüssigkeit. Unmittelbar über der Flüssigkeitsoberfläche erreicht der Dampf die von der Temperatur abhängige Sättigungskonzentration. Infolge des in der Grenzschicht vorherrschenden Konzentrationsgefälles diffundiert der Dampf in das Gas hinein. Die Sättigungskonzentration an der Flüssigkeitsoberfläche wird dabei durch Nachverdampfen dauernd aufrecht erhalten. Die Verdunstung findet im Gegensatz zur Verdampfung bei Temperaturen unterhalb der Siedetemperatur statt. Die Ermittlung der Trocknungsgeschwindigkeit bei einer Verdunstung von Wasser an der Luft kann grob nach dem folgenden Schaubild erfolgen.
Referenzen
F. Kneule
"Das Trocknen"
Verlag Sauerländer Aarau und Frankfurt am Main, 1975
D. Peterson
"Practical Guide to Industrial Metal Cleaning"
Hanser Gardner Publications, 1997
Online-Artikel des US-Amerikanischen PrecisionCleaningWeb
http://www.precisioncleaningweb.com
Online-Artikel der Zeitschrift "JOT - Journal für Oberflächentechnik"
www.jot-oberflaeche.de
