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探討干冰清洗技術在印刷包裝領域應用的可能性
時間:2016-03-30   來源: 包裝前沿   閱讀:11402次

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  一、干冰清洗技術

  1、干冰的定義

  干冰的外形如圖1所示。

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  圖1 干冰的外形

  干冰是固態的二氧化碳,在常溫和壓強為6079.8千帕壓力下,把二氧化碳冷凝成無色的液體,再在低壓下迅速蒸發,便凝結成一塊塊壓緊的冰雪狀固體物質,其溫度是-78.5℃,這便是干冰。干冰蓄冷是水冰的1.5倍以上,吸收熱量后升華成二氧化碳氣體,無任何殘留、無毒性、無異味,有滅菌作用。它受熱后不經液化,而直接氣化。干冰是二氧化碳的固態,由于干冰的溫度非常低,溫度為﹣78.5℃,因此經常用于讓物體維持冷凍或低溫狀態。

  在室溫下,將二氧化碳氣體加壓到約101325Pa時,當一部分二氧化碳氣體被冷卻到﹣56℃左右時,就會凍結成雪花伏的固態二氧化碳。固態二氧化碳的氣化熱很大,在﹣60℃時為364.5J/g,在常壓下氣化時可使周圍溫度降到-78℃左右,并且不會產生液體,所以叫“干冰”。

  干冰的物理特性:分子量 44.01;密度(固態) 1560kg/m3(-78℃);熔點 ﹣57℃;沸點 ﹣78.5℃;液體轉化為氣體比率 8.726SCF(氣體)/LB (液體﹣17.8℃,壓力21kg/cm2);液體轉化為固體比率 0.46(﹣17.8℃)0.57(﹣48℃)。

  2、干冰清洗的原理及特點

  通過壓縮空氣的流動,干冰顆粒被加速到接近音速的速度撞擊被清洗的表面附著物,表面附著物突然降溫導致表面脆化,同時造成這些溫度極低的干冰氣體進入出現裂縫的附著物內;當表面的附著物遭到撞擊時,干冰顆粒迅速升華為氣體,氣體所產生的能量大約是原能量的700倍,這些碎裂的附著物從被清洗的表面剝離移走。

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  圖2 干冰清洗的原理

  干冰清洗的原理如圖2所示,分成三個步驟:

  步驟1:能量轉移

  干冰顆粒在高壓氣流中加速,以接近音速的速度沖擊待清洗表面,并在沖擊表面的瞬間氣化。干冰的動量在沖擊瞬間消失,干冰顆粒與清洗表面間迅速發生熱傳遞,致使固體CO2迅速升華變為氣體。

  步驟2:低溫龜裂

  通過溫差能破壞不同熱膨脹系數的材料的結合。干冰顆粒(﹣78.5℃)沖擊被清洗表面,使表面附著物冷凍脆化和爆裂,產生“龜裂”,影響了被清洗表面附著物的機械性能。

  步驟3:微爆炸

  干冰顆粒沖擊被清洗表面附著物間的裂縫,在千分之幾秒內體積膨脹近800倍,形成無數“微型爆炸”,將附著物剝離表面。同時加上干冰顆粒的磨削和沖擊、壓縮空氣吹掃剪切,使附著物從被清洗表面以固態形式剝離,從而達到清除的目的。由于CO2揮發,干冰清洗過程不產生任何二次廢物,接下來需要清理的只是被清除下來的附著物。

  3、干冰清洗與傳統清洗的比較

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  4、 干冰清洗系統的組成

  完整的干冰清洗系統包括液體二氧化碳貯存系統、干冰制造系統、干冰保存運輸系統、壓縮空氣供應系統、噴射清洗系統,各系統之間的聯系如圖3所示:

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  圖3、 干冰清洗系統的組成

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  圖4 干冰制備流程

  干冰制備流程如圖4所示。從干冰造粒機造出干冰如圖5所示。

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  圖5 從干冰造粒機造出干冰

  干冰清洗系統一般分為兩個部分:

  第一部分是干冰制備系統,其作用是將液態CO2制作成一定規格的干冰顆粒或干冰塊;

  第二部分是干冰噴射清洗系統,該系統利用由專門配制的空壓機或利用工廠本身配制的壓縮空氣系統產生的壓縮空氣,在清洗設備內裝入已制作好的干冰顆粒或干冰塊,在壓縮空氣的驅動下,高密度干冰顆粒或細粉隨著壓縮空氣沖擊到被清洗物體表面,從而起到清洗作用。

  干冰清洗系統可以根據用戶的需要,將干冰制備系統與干冰噴射系統配套組裝在一起作為一套系統使用,也可以將干冰制備系統與干冰噴射系統分開,干冰制備系統只是作為提供原料的生產設備(甚至可以外購干冰),使用干冰噴射系統即干冰清洗機進行清洗工程。

  5、干冰噴射清洗的兩種基本系統

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  圖6 直接加速(單管道)噴射系統示意圖

  第一個是直接加速(單管道)系統(圖6):這種系統是在漏斗處而不是在噴嘴口將干冰顆粒導入空氣流中,它可使干冰以900ft/s(1ft=30.48cm)的更快速度脫離噴嘴口(如果使用雙管道系統,其速度則為300ft/s),從而獲得更好的清洗效果。如果不需要這么大的清洗能量,只需調低壓縮空氣的壓力,便可降低干冰粒子的噴射度。

  第二個是Venturi系統(雙管道系統)(圖7):這種系統是在噴嘴口,通過真空把細小的干冰粒子吸入氣流中,且噴嘴口正對著模具表面。這種系統比單管道系統的成本低,但是由于不能夠達到單管系統所能產生的高速,因此很難清除掉模具上的重度殘留物和污垢。

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  圖7 雙管道噴射系統示意圖

  干冰清洗機的外形如圖8所示。

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  圖8 兩種干冰清洗機的外形

  6、干冰清洗技術的適用范圍

  干冰清洗技術的優點:

  (1)干冰清洗技術已經被美國環境保護局、美國食品及藥物管理局和美國農業部批準為可使用的清洗方法。

  (2)干冰清洗技術不會向大氣中釋放有害氣體,不會產生二次廢物。

  (3)干冰清洗技術安全無毒,因為干冰顆粒打在被清潔表面后就會在空氣中升華消失。

  (4)干冰清洗技術減少或徹底消除了工人受到化學清洗劑傷害的可能。

  近年來干冰噴射清洗技術由大型化轉向小型化,這使得各個獨立的公司能夠將該技術應用于無數的工業和民用清洗服務。使用干冰清洗不再是大型公司的特權。

  干冰清洗技術屬于“物理清洗方法”。所以從理論上說,干冰清洗技術可以取代傳統的物理清洗工藝,如噴砂、噴水、擦拭等技術。

  從工業實用性來說,干冰清洗技術的應用與國家環保意識、法制要求有關聯,即在傳統工藝不能滿足環保條件的情況下,可以采用干冰清洗技術取代傳統清洗工藝。從工藝角度來說,任何清洗工藝的原則是保證被清洗的工件不被破壞,要確保工件的完好性。干冰清洗工藝也必須遵守此原則。而干冰清洗是將干冰顆粒霧狀噴射到工件的表面,工件表面要承受一定的風壓,如果工件表面不能承受一定的風壓,則不能采用干冰清洗工藝。

  干冰清洗可以廣泛應用于軍工、核能、冶金、鑄造、石油、化工、橡膠、塑料、船舶、汽車、食品、醫藥、機械、電力、電子等各個領域。干冰清洗應用于各種模具如:輪胎模具、聚氨酯模具、橡膠模具、合金壓鑄模具等,在生產線上除污,快速省時。

  7、 干冰清洗所去除的被清除物的去向

  至于被清除物的最終去向,因為干冰清洗是屬于物理清洗,從原理上說,被清洗物只剝離物體,而不會消失。因此,它是“存在”的。那么被清除物去了什么地方呢?事實上,干冰使被清洗物急凍,形成了龜裂,干冰在裂縫中膨脹時,瞬間爆破使被清洗物形成微粒狀物,隨壓縮空氣吹散而剝離附著物件并擴散在空氣之中。當然,在清洗完畢之后,如果沒有其他措施,這些擴散在空氣之中的微粒將像粉塵一樣沉降到清洗過的現場地面之上,這些粉塵可用吸塵的方式移走。在某種特定的條件下,可能會出現一些油跡或水跡散落在現場,這是因為被清洗的工件內存在一些浮游的殘油或殘水,這些殘油或殘水不是附著在工件表面而是游離態的,所以當壓縮空氣吹入工件時,這些殘油或殘水立刻以滴霧狀噴離工件而散落到周圍。實際操作時,應該先將工件內的殘油用布吸離之后再用干冰清洗工件。

  8、干冰清洗的成本

  干冰清洗技術能否取代傳統清洗工藝的關鍵問題是工藝成本,這就必然要聯系到干冰消耗、氣壓大小、排量的消耗以及由此形成的成本問題。但任何清洗工藝的工藝成本都與被清洗物的原始狀態和清洗精度直接相關。不同的清洗精度要求、不同的清洗條件,會導致成本差異很大。

  干冰清洗的工藝原料主要是干冰和壓縮空氣,壓縮空氣的來源取之不盡,不需要運輸,因此不存在原材料的采購和運輸成本。而干冰的成本基本是3噸液體二氧化碳可以制造1噸合格干冰,所以干冰的成本是可以計算的。

  干冰的消耗量是使用者十分關心的問題,事實上干冰的消耗量與清洗條件和精度密切相關。對于油污很厚,附著力較大的,如油漆、水垢、積碳、焊渣等被清除物必須通過深層冷凍和有效的沖擊使被清除物逐層龜裂,逐層脫離,因此耗冰量必然增加,相應的對空氣壓力的要求也越高,成本也相應增大。但是對于附著力不大的油污不需要強大的壓縮空氣,可以采用低壓清洗,相應的干冰耗量也少得多,成本也降低許多。

  9、干冰清洗的安全性

  干冰是固態二氧化碳,無毒、不易燃。因此,從整體上說,是安全的清洗方法,對人體和工件均無害。但干冰清洗過程中干冰氣化之后會形成二氧化碳的氛圍。在通風情況下,二氧化碳擴散到大氣之中不會形成不利環境。但在通風條件差的不利環境中,由于空氣不流通,會產生二氧化碳下沉現象。在此環境中,人會因缺氧而感到不適,因此應確保空氣流通而不使二氧化碳積聚。

  在干燥環境中,氣流高速噴射也會產生靜電效應,因此干冰清洗機(干冰噴射器、干冰噴射機、干冰噴射清洗機、洗模機、模具清洗機)應該設有保護裝置,避免因靜電而產生的不良反應。

  10、干冰清洗需注意的三點相關事項

  盡管干冰清洗方法在各方面都具有很多優點,但是在實際操作中仍有一些需要注意的問題:

  (1)干冰清洗銹跡及殘余物的清除:盡管干冰清洗不會帶來物體表面的磨損,但也同時限制了其清除頑垢和厚層鐵銹的能力。例如,對于殘留在天然橡膠模塑操作系統中的那些柔軟且帶有彈性的殘余物而言,采用干冰清洗不太有效,因為當這些干冰顆粒被噴射到這類殘余物上時會被彈回(當然,用干冰噴射來清除液態硅橡膠(LSR)效果絕佳,尤其是對于那些具有飾紋的模腔表面)。另外,干冰噴射清洗只能清除掉眼睛能看到的那些殘余物。

  (2)干冰清洗噪聲水平:就像使用其它壓縮空氣系統一樣,使用干冰噴射方法進行模具清洗時,一般噪聲會達到102dbA,為此需要使用較好的護耳設施。然而,當長時間使用干冰噴射清洗設備時,即使是插了耳塞,噪音還是很大,且隨著時間的延長對人體會帶來越來越大的刺激,此時使用帶耳塞的御寒耳罩可以起到一定的作用。

  (3)干冰清洗員工安全:如果以每秒900ft/s的速度噴出的干冰顆粒噴射到人身上時,人體是根本無法抵抗的。因此為了安全,在操作前必須穿戴好所有的防護設施,其中包括:耐用手套、全面罩以及長袖子。一般生產車間都有很多工作臺和設備,它們之間的距離通常是3~5ft,所以在清洗操作中還要時刻注意附近是否有人,以免不慎掉落的污物傷害到他人。

  二、干冰清洗技術在印刷包裝領域的應用

  印刷設備結構復雜、價格昂貴,表面一旦受損,印刷任務將不得不停滯。選擇快速、高效的清潔方式,不但能在免拆解的前提下清洗印刷設備的每個微小角落,還能縮短因清潔而造成的停機時間。印刷機械清除油墨很困難,齒輪和導軌上的積墨會導致低劣的印刷質量。

  干冰清洗的工作原理是讓干冰顆粒在高壓氣流中加速達到超聲波速后噴射在受污染的材料上,干冰顆粒在沖擊瞬間發生氣化,所以不會沾濕設備、不對設備產生任何磨損與腐蝕。干冰清洗可去除各種油基、水基墨水和清漆,清理齒輪、導軌及噴嘴上的油污、積墨和染料,避免危險廢物和溶液的排放,以及危險溶劑造成的人員傷害。具有簡潔快速、洗舊如新、永不磨損等優勢。

  干冰清洗在清洗過程中無需拆卸設備,無需使用化學清潔劑,就能有效清洗工業設備表面上的橡膠殘留物,如油、油脂、炭粉、油漆等,適合完成大型清洗任務。

  在Advanced Paper Box Company, Bell Paper Box, Inc., Cincinnati Enquirer等印刷公司都在采用干冰清洗技術。Cincinnati Enquirer,Eastern Color Printing等國外印刷企業都普遍采用干冰清洗技術清洗印刷機的軸承、噴嘴、磁鼓等核心部位,既解決了彩墨清洗難的問題又保證了印刷質量,且對被清洗設備無任何磨損。

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  圖9 印包設備采用干冰清洗的一個實例

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  圖10 印包設備采用干冰清洗的又一個實例

  鍍鋁膜是復合軟包裝制品中經常采用的的一種材料。鍍鋁膜一般都是用卷繞真空鍍膜設備加工出來。在卷繞真空鍍膜設備進行真空鍍鋁時,無可避免地會在鍍膜區域的周圍部件上積聚很厚的鋁層,必須定期把這些鋁層清除掉,否則會對鍍鋁膜的質量產生嚴重影響。從事真空鍍鋁的都知道,想要把這些部位積聚的鋁層清除掉是一件非常費工又費時的事情。目前我們正在嘗試采用干冰清洗方法來清除鍍膜區域周圍部件上的鋁層。

  四、結束語

  本文對干冰清洗技術做了全面的介紹,旨在引起大家對干冰清洗技術的興趣。也許,目前在我國把干冰清洗技術應用于印刷包裝領域還是一件新鮮事。但是,實際上,大家肯定都看到過在各類劇場、劇團、婚宴的演出時的煙霧,其實這種煙霧就是用干冰煙霧機產生的。現在在各個城市都可以很方便地買到干冰,所以我相信在印刷包裝領域采用干冰清洗技術清潔設備已不是一件難事。


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