一、干冰清洗技術(shù)
1、干冰的定義
干冰的外形如圖1所示。
圖1 干冰的外形
干冰是固態(tài)的二氧化碳，在常溫和壓強(qiáng)為6079.8千帕壓力下，把二氧化碳冷凝成無(wú)色的液體，再在低壓下迅速蒸發(fā)，便凝結(jié)成一塊塊壓緊的冰雪狀固體物質(zhì)，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?xì)怏w，無(wú)任何殘留、無(wú)毒性、無(wú)異味，有滅菌作用。它受熱后不經(jīng)液化，而直接氣化。干冰是二氧化碳的固態(tài)，由于干冰的溫度非常低，溫度為﹣78.5℃，因此經(jīng)常用于讓物體維持冷凍或低溫狀態(tài)。
在室溫下，將二氧化碳?xì)怏w加壓到約101325Pa時(shí)，當(dāng)一部分二氧化碳?xì)怏w被冷卻到﹣56℃左右時(shí)，就會(huì)凍結(jié)成雪花伏的固態(tài)二氧化碳。固態(tài)二氧化碳的氣化熱很大，在﹣60℃時(shí)為364.5J/g，在常壓下氣化時(shí)可使周圍溫度降到-78℃左右，并且不會(huì)產(chǎn)生液體，所以叫“干冰”。
干冰的物理特性：分子量 44.01;密度(固態(tài)) 1560kg/m3(-78℃);熔點(diǎn) ﹣57℃;沸點(diǎn) ﹣78.5℃;液體轉(zhuǎn)化為氣體比率 8.726SCF(氣體)/LB (液體﹣17.8℃，壓力21kg/cm2);液體轉(zhuǎn)化為固體比率 0.46(﹣17.8℃)0.57(﹣48℃)。
2、干冰清洗的原理及特點(diǎn)
通過(guò)壓縮空氣的流動(dòng)，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(dǎo)致表面脆化，同時(shí)造成這些溫度極低的干冰氣體進(jìn)入出現(xiàn)裂縫的附著物內(nèi);當(dāng)表面的附著物遭到撞擊時(shí)，干冰顆粒迅速升華為氣體，氣體所產(chǎn)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。
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(gè)步驟：
步驟1：能量轉(zhuǎn)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(dòng)量在沖擊瞬間消失，干冰顆粒與清洗表面間迅速發(fā)生熱傳遞，致使固體CO2迅速升華變?yōu)闅怏w。
步驟2：低溫龜裂
通過(guò)溫差能破壞不同熱膨脹系數(shù)的材料的結(jié)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(chǎn)生“龜裂”，影響了被清洗表面附著物的機(jī)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(nèi)體積膨脹近800倍，形成無(wú)數(shù)“微型爆炸”，將附著物剝離表面。同時(shí)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(tài)形式剝離，從而達(dá)到清除的目的。由于CO2揮發(fā)，干冰清洗過(guò)程不產(chǎn)生任何二次廢物，接下來(lái)需要清理的只是被清除下來(lái)的附著物。
3、干冰清洗與傳統(tǒng)清洗的比較
4、 干冰清洗系統(tǒng)的組成
完整的干冰清洗系統(tǒng)包括液體二氧化碳貯存系統(tǒng)、干冰制造系統(tǒng)、干冰保存運(yùn)輸系統(tǒng)、壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)、噴射清洗系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間的聯(lián)系如圖3所示：
圖3、 干冰清洗系統(tǒng)的組成
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(jī)造出干冰如圖5所示。
圖5 從干冰造粒機(jī)造出干冰
干冰清洗系統(tǒng)一般分為兩個(gè)部分：
第一部分是干冰制備系統(tǒng)，其作用是將液態(tài)CO2制作成一定規(guī)格的干冰顆粒或干冰塊;
第二部分是干冰噴射清洗系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用由專門配制的空壓機(jī)或利用工廠本身配制的壓縮空氣系統(tǒng)產(chǎn)生的壓縮空氣，在清洗設(shè)備內(nèi)裝入已制作好的干冰顆粒或干冰塊，在壓縮空氣的驅(qū)動(dòng)下，高密度干冰顆粒或細(xì)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(tǒng)可以根據(jù)用戶的需要，將干冰制備系統(tǒng)與干冰噴射系統(tǒng)配套組裝在一起作為一套系統(tǒng)使用，也可以將干冰制備系統(tǒng)與干冰噴射系統(tǒng)分開(kāi)，干冰制備系統(tǒng)只是作為提供原料的生產(chǎn)設(shè)備(甚至可以外購(gòu)干冰)，使用干冰噴射系統(tǒng)即干冰清洗機(jī)進(jìn)行清洗工程。
5、干冰噴射清洗的兩種基本系統(tǒng)
圖6 直接加速(單管道)噴射系統(tǒng)示意圖
第一個(gè)是直接加速(單管道)系統(tǒng)(圖6)：這種系統(tǒng)是在漏斗處而不是在噴嘴口將干冰顆粒導(dǎo)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(tǒng)，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(diào)低壓縮空氣的壓力，便可降低干冰粒子的噴射度。
第二個(gè)是Venturi系統(tǒng)(雙管道系統(tǒng))(圖7)：這種系統(tǒng)是在噴嘴口，通過(guò)真空把細(xì)小的干冰粒子吸入氣流中，且噴嘴口正對(duì)著模具表面。這種系統(tǒng)比單管道系統(tǒng)的成本低，但是由于不能夠達(dá)到單管系統(tǒng)所能產(chǎn)生的高速，因此很難清除掉模具上的重度殘留物和污垢。
圖7 雙管道噴射系統(tǒng)示意圖
干冰清洗機(jī)的外形如圖8所示。
圖8 兩種干冰清洗機(jī)的外形
6、干冰清洗技術(shù)的適用范圍
干冰清洗技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：
(1)干冰清洗技術(shù)已經(jīng)被美國(guó)環(huán)境保護(hù)局、美國(guó)食品及藥物管理局和美國(guó)農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)為可使用的清洗方法。
(2)干冰清洗技術(shù)不會(huì)向大氣中釋放有害氣體，不會(huì)產(chǎn)生二次廢物。
(3)干冰清洗技術(shù)安全無(wú)毒，因?yàn)楦杀w粒打在被清潔表面后就會(huì)在空氣中升華消失。
(4)干冰清洗技術(shù)減少或徹底消除了工人受到化學(xué)清洗劑傷害的可能。
近年來(lái)干冰噴射清洗技術(shù)由大型化轉(zhuǎn)向小型化，這使得各個(gè)獨(dú)立的公司能夠?qū)⒃摷夹g(shù)應(yīng)用于無(wú)數(shù)的工業(yè)和民用清洗服務(wù)。使用干冰清洗不再是大型公司的特權(quán)。
干冰清洗技術(shù)屬于“物理清洗方法”。所以從理論上說(shuō)，干冰清洗技術(shù)可以取代傳統(tǒng)的物理清洗工藝，如噴砂、噴水、擦拭等技術(shù)。
從工業(yè)實(shí)用性來(lái)說(shuō)，干冰清洗技術(shù)的應(yīng)用與國(guó)家環(huán)保意識(shí)、法制要求有關(guān)聯(lián)，即在傳統(tǒng)工藝不能滿足環(huán)保條件的情況下，可以采用干冰清洗技術(shù)取代傳統(tǒng)清洗工藝。從工藝角度來(lái)說(shuō)，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(fēng)壓，如果工件表面不能承受一定的風(fēng)壓，則不能采用干冰清洗工藝。
干冰清洗可以廣泛應(yīng)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(yī)藥、機(jī)械、電力、電子等各個(gè)領(lǐng)域。干冰清洗應(yīng)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(chǎn)線上除污，快速省時(shí)。
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?yàn)楦杀逑词菍儆谖锢砬逑矗瑥脑砩险f(shuō)，被清洗物只剝離物體，而不會(huì)消失。因此，它是“存在”的。那么被清除物去了什么地方呢?事實(shí)上，干冰使被清洗物急凍，形成了龜裂，干冰在裂縫中膨脹時(shí)，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(kuò)散在空氣之中。當(dāng)然，在清洗完畢之后，如果沒(méi)有其他措施，這些擴(kuò)散在空氣之中的微粒將像粉塵一樣沉降到清洗過(guò)的現(xiàn)場(chǎng)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(huì)出現(xiàn)一些油跡或水跡散落在現(xiàn)場(chǎng)，這是因?yàn)楸磺逑吹墓ぜ?nèi)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(tài)的，所以當(dāng)壓縮空氣吹入工件時(shí)，這些殘油或殘水立刻以滴霧狀噴離工件而散落到周圍。實(shí)際操作時(shí)，應(yīng)該先將工件內(nèi)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(shù)能否取代傳統(tǒng)清洗工藝的關(guān)鍵問(wèn)題是工藝成本，這就必然要聯(lián)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(wèn)題。但任何清洗工藝的工藝成本都與被清洗物的原始狀態(tài)和清洗精度直接相關(guān)。不同的清洗精度要求、不同的清洗條件，會(huì)導(dǎo)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(lái)源取之不盡，不需要運(yùn)輸，因此不存在原材料的采購(gòu)和運(yùn)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(jì)算的。
干冰的消耗量是使用者十分關(guān)心的問(wèn)題，事實(shí)上干冰的消耗量與清洗條件和精度密切相關(guān)。對(duì)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(guò)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(yīng)的對(duì)空氣壓力的要求也越高，成本也相應(yīng)增大。但是對(duì)于附著力不大的油污不需要強(qiáng)大的壓縮空氣，可以采用低壓清洗，相應(yīng)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(tài)二氧化碳，無(wú)毒、不易燃。因此，從整體上說(shuō)，是安全的清洗方法，對(duì)人體和工件均無(wú)害。但干冰清洗過(guò)程中干冰氣化之后會(huì)形成二氧化碳的氛圍。在通風(fēng)情況下，二氧化碳擴(kuò)散到大氣之中不會(huì)形成不利環(huán)境。但在通風(fēng)條件差的不利環(huán)境中，由于空氣不流通，會(huì)產(chǎn)生二氧化碳下沉現(xiàn)象。在此環(huán)境中，人會(huì)因缺氧而感到不適，因此應(yīng)確保空氣流通而不使二氧化碳積聚。
在干燥環(huán)境中，氣流高速噴射也會(huì)產(chǎn)生靜電效應(yīng)，因此干冰清洗機(jī)(干冰噴射器、干冰噴射機(jī)、干冰噴射清洗機(jī)、洗模機(jī)、模具清洗機(jī))應(yīng)該設(shè)有保護(hù)裝置，避免因靜電而產(chǎn)生的不良反應(yīng)。
10、干冰清洗需注意的三點(diǎn)相關(guān)事項(xiàng)
盡管干冰清洗方法在各方面都具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際操作中仍有一些需要注意的問(wèn)題：
(1)干冰清洗銹跡及殘余物的清除：盡管干冰清洗不會(huì)帶來(lái)物體表面的磨損，但也同時(shí)限制了其清除頑垢和厚層鐵銹的能力。例如，對(duì)于殘留在天然橡膠模塑操作系統(tǒng)中的那些柔軟且?guī)в袕椥缘臍堄辔锒裕捎酶杀逑床惶行В驗(yàn)楫?dāng)這些干冰顆粒被噴射到這類殘余物上時(shí)會(huì)被彈回(當(dāng)然，用干冰噴射來(lái)清除液態(tài)硅橡膠(LSR)效果絕佳，尤其是對(duì)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(tǒng)一樣，使用干冰噴射方法進(jìn)行模具清洗時(shí)，一般噪聲會(huì)達(dá)到102dbA，為此需要使用較好的護(hù)耳設(shè)施。然而，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間使用干冰噴射清洗設(shè)備時(shí)，即使是插了耳塞，噪音還是很大，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)人體會(huì)帶來(lái)越來(lái)越大的刺激，此時(shí)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(shí)，人體是根本無(wú)法抵抗的。因此為了安全，在操作前必須穿戴好所有的防護(hù)設(shè)施，其中包括：耐用手套、全面罩以及長(zhǎng)袖子。一般生產(chǎn)車間都有很多工作臺(tái)和設(shè)備，它們之間的距離通常是3～5ft，所以在清洗操作中還要時(shí)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(shù)在印刷包裝領(lǐng)域的應(yīng)用
印刷設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，表面一旦受損，印刷任務(wù)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(shè)備的每個(gè)微小角落，還能縮短因清潔而造成的停機(jī)時(shí)間。印刷機(jī)械清除油墨很困難，齒輪和導(dǎo)軌上的積墨會(huì)導(dǎo)致低劣的印刷質(zhì)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(dá)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(fā)生氣化，所以不會(huì)沾濕設(shè)備、不對(duì)設(shè)備產(chǎn)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(dǎo)軌及噴嘴上的油污、積墨和染料，避免危險(xiǎn)廢物和溶液的排放，以及危險(xiǎn)溶劑造成的人員傷害。具有簡(jiǎn)潔快速、洗舊如新、永不磨損等優(yōu)勢(shì)。
干冰清洗在清洗過(guò)程中無(wú)需拆卸設(shè)備，無(wú)需使用化學(xué)清潔劑，就能有效清洗工業(yè)設(shè)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(wù)。
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(shù)。Cincinnati Enquirer，Eastern Color Printing等國(guó)外印刷企業(yè)都普遍采用干冰清洗技術(shù)清洗印刷機(jī)的軸承、噴嘴、磁鼓等核心部位，既解決了彩墨清洗難的問(wèn)題又保證了印刷質(zhì)量，且對(duì)被清洗設(shè)備無(wú)任何磨損。
圖9 印包設(shè)備采用干冰清洗的一個(gè)實(shí)例
圖10 印包設(shè)備采用干冰清洗的又一個(gè)實(shí)例
鍍鋁膜是復(fù)合軟包裝制品中經(jīng)常采用的的一種材料。鍍鋁膜一般都是用卷繞真空鍍膜設(shè)備加工出來(lái)。在卷繞真空鍍膜設(shè)備進(jìn)行真空鍍鋁時(shí)，無(wú)可避免地會(huì)在鍍膜區(qū)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(huì)對(duì)鍍鋁膜的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)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(fèi)工又費(fèi)時(shí)的事情。目前我們正在嘗試采用干冰清洗方法來(lái)清除鍍膜區(qū)域周圍部件上的鋁層。
四、結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)干冰清洗技術(shù)做了全面的介紹，旨在引起大家對(duì)干冰清洗技術(shù)的興趣。也許，目前在我國(guó)把干冰清洗技術(shù)應(yīng)用于印刷包裝領(lǐng)域還是一件新鮮事。但是，實(shí)際上，大家肯定都看到過(guò)在各類劇場(chǎng)、劇團(tuán)、婚宴的演出時(shí)的煙霧，其實(shí)這種煙霧就是用干冰煙霧機(jī)產(chǎn)生的。現(xiàn)在在各個(gè)城市都可以很方便地買到干冰，所以我相信在印刷包裝領(lǐng)域采用干冰清洗技術(shù)清潔設(shè)備已不是一件難事。
