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【中國環(huán)保在線 技術(shù)前沿】印刷行業(yè)尤其是凹印屬于高能耗高污染行業(yè)，干燥熱風(fēng)的重復(fù)利用可以降低能耗以及環(huán)保支出，但也帶來了溶劑蒸氣濃度對溶劑殘留的擔(dān)心，本文通過溶劑揮發(fā)基本原理以及溶劑特性對干燥熱風(fēng)中溶劑蒸氣濃度和溶劑殘留影響進(jìn)行探討，提出自己的觀點(diǎn)。
1 引言
凹版印刷具有墨層厚實(shí)，印刷質(zhì)量高，耐印力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，長期以來占據(jù)較高的市場份額，但也存在著環(huán)保節(jié)能方面隱患。由于凹版印刷墨層較厚，所含有的溶劑量較高，而溶劑的蒸發(fā)需要熱量支持，因此，凹版印刷有著高能耗、高污染的不足。高能耗主要表現(xiàn)在凹印機(jī)干燥溫度上，即為了滿足溶劑蒸發(fā)速度上的要求，凹印干燥裝置的干燥溫度較高；高污染則體現(xiàn)在溶劑蒸發(fā)量上，由于蒸發(fā)的溶劑屬于VOCs(揮發(fā)性有機(jī)化合物，volatile organic compounds,VOCs)，且VOCs是公認(rèn)的PM2.5前驅(qū)體，已被我國嚴(yán)格控排。以上不足，一直限制著凹版印刷業(yè)的發(fā)展。
2 凹印行業(yè)的節(jié)能環(huán)保途徑
2.1污染治理
為了減少VOCs的排放，水性油墨的納入勢在必行，但是由于水性油墨的凹印應(yīng)用尚在發(fā)展階段，且全國范圍計(jì)，中小型印刷企業(yè)偏多，行業(yè)內(nèi)多以溶劑型油墨使用為主，因此還需要時(shí)間進(jìn)行水性油墨的改進(jìn)和普及；另外，很多末端治理技術(shù)也在齊頭并進(jìn)，如熱力氧化技術(shù)以及配合使用的減少廢氣總量技術(shù)等，已經(jīng)實(shí)用化且效果顯著，是當(dāng)今治理VOCs公認(rèn)的有效途徑。
2.2節(jié)能手段
凹版印刷的節(jié)能可以從若干角度進(jìn)行，如生產(chǎn)車間的氣流組織優(yōu)化，生產(chǎn)設(shè)備機(jī)械傳動(dòng)效率的增強(qiáng)，干燥系統(tǒng)的節(jié)能等方面，其中凹印機(jī)在正常印刷過程中實(shí)際利用的能量僅占總能量消耗的22%，78%左右的能量以熱量的形式排放到外界，其中75%的熱量由干燥部分的VOCs尾氣帶走。由于干燥系統(tǒng)是主要能耗單元，且直接關(guān)系到印刷產(chǎn)品質(zhì)量，因此干燥系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化屬于重中之重。為了降低凹印機(jī)干燥系統(tǒng)的能耗，現(xiàn)行主要措施有以下三點(diǎn)[1]：
1、干燥系統(tǒng)中烘箱設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，包括烘箱壁板的焊接方式，保溫設(shè)計(jì)等；
2、烘箱內(nèi)部溫度場和速度場的優(yōu)化，包括風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)、進(jìn)排風(fēng)口布置等；
3、安裝回風(fēng)管，回收二次循環(huán)熱風(fēng)。
以上措施中第三點(diǎn)往往成為印刷行業(yè)較為關(guān)注的技術(shù)點(diǎn)，所謂回風(fēng)，就是將干燥使用過的熱風(fēng)進(jìn)行重復(fù)使用，以達(dá)到節(jié)省熱能的目的。從烘箱的角度出發(fā)，回風(fēng)管的回風(fēng)口設(shè)置在烘箱內(nèi)溶劑濃度較低的位置，以盡量降低二次回風(fēng)中溶劑蒸氣的濃度，但是相反也限制了回風(fēng)量，即不能利用回風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能作用。
3 溶劑蒸氣濃度對溶劑殘留影響的分析
重復(fù)使用干燥熱風(fēng)可以對熱量進(jìn)行循環(huán)利用，節(jié)省能耗，增加企業(yè)競爭力；另一方面，干燥熱風(fēng)對溶劑蒸氣攜帶效率的增加，也可以減少排氣量，大大節(jié)省末端治理設(shè)備的購置費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，減少環(huán)保支出，增加企業(yè)競爭力。重復(fù)使用干燥熱風(fēng)雖然能夠提高節(jié)能效益和降低環(huán)保支出，但也增加了干燥熱風(fēng)中溶劑蒸氣濃度，因此行業(yè)內(nèi)對熱風(fēng)重復(fù)的利用持謹(jǐn)慎態(tài)度，擔(dān)心熱風(fēng)中溶劑蒸氣濃度升高對印刷產(chǎn)品溶劑殘留產(chǎn)生影響，尤其是食品和醫(yī)藥包裝印刷產(chǎn)品，相關(guān)企業(yè)寧可維持高能耗，也不想冒險(xiǎn)。對于干燥熱風(fēng)中多大的溶劑蒸氣濃度會導(dǎo)致溶劑殘留，目前還缺少直接的數(shù)據(jù)支持，因此，本文從基本原理和溶劑特性上對其進(jìn)行解釋，探討干燥熱風(fēng)中溶劑蒸氣濃度對溶劑殘留的影響。
3.1爆炸下限的限制
干燥熱風(fēng)的重復(fù)使用勢必增加熱風(fēng)中的溶劑蒸氣濃度，但也并非不予控制。由于油墨溶劑的可燃特性，必須引入爆炸下限的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行約束。爆炸下限英文縮寫LEL(Lower Explosion Limited)，是相對于爆炸上限而言(UEL：Upper Explosion Limited)，當(dāng)可燃性氣體濃度在LEL和UEL范圍內(nèi)，遇到明火時(shí)就會爆炸，因此必須將氣體濃度控制在LEL以下或者UEL以上。由于回風(fēng)系統(tǒng)中溶劑蒸氣的濃度是逐漸增加的，因此一般將其濃度控制在LEL以下，同時(shí)為了確保安全性，一般將安全報(bào)警點(diǎn)控制在LEL的25%以下也就是安全控制上限，總之，即便回風(fēng)量大化引入到熱風(fēng)系統(tǒng)，溶劑蒸氣濃度也是有限制的，即不能超過安全控制上限。
3.2溶劑的傳熱與傳質(zhì)
溶劑的揮發(fā)過程與水的蒸發(fā)過程相同，都遵循著道爾頓蒸發(fā)定律。1802年，英國物理學(xué)、化學(xué)家道爾頓(John Dalton)根據(jù)水面蒸發(fā)形成原理和維持機(jī)制，提出了道爾頓蒸發(fā)定律：
其中，W是水面上水的蒸發(fā)速率，△e，(△e=e-es)，是表面水溫對應(yīng)的飽和水汽壓e與水面上空氣中實(shí)際的水汽壓es的差，C是風(fēng)速系數(shù)，與風(fēng)速大小相關(guān)，p是水面上的氣壓。水的蒸發(fā)速率與風(fēng)速系數(shù)和水汽氣壓差成正比，而與水面大氣壓成反比。
如圖1所示，在對承印品上油墨層的干燥過程中，傳熱與傳質(zhì)同時(shí)進(jìn)行，熱量由熱氣流以對流方式傳遞給油墨層表面，進(jìn)而傳遞到油墨層內(nèi)部，而溶劑由油墨層內(nèi)部擴(kuò)散到油墨層表面，氣化后被熱氣流帶走。圖1中Q是換熱速率，N是傳質(zhì)速率，也就是溶劑揮發(fā)速率，T和Ts分別是熱氣流和油墨層的溫度，而e和es分別是熱氣流中和油墨層表面溶劑蒸氣的分壓。熱氣流和油墨層表面的溫度差△T，(△T=T-Ts)，決定了換熱速率Q的大小，而熱氣流和油墨層表面溶劑蒸氣的分壓差△e，(△e=e-es)，決定了溶劑揮發(fā)速率N的大小，而氣膜是形成溫度差和濃度差的區(qū)域。
圖1.溶劑揮發(fā)的傳熱傳質(zhì)過程
如圖1所示，油墨層相當(dāng)于水層，油墨在其中呈液態(tài)形式，在溫度升高的過程中，溶劑分子不斷擴(kuò)散到油墨層表面，進(jìn)而從液態(tài)相變成氣態(tài)，即溶劑蒸氣，之后被熱氣流帶走。由于油墨層中溶劑是液態(tài)，因此油墨層表面溶劑氣體呈飽和狀態(tài)，即油墨層表面的溶劑蒸氣壓為飽和蒸氣壓，在熱氣流中溶劑蒸氣非飽和條件下，形成蒸氣壓差，并在此壓差的推動(dòng)力下不斷相變，從液態(tài)相變?yōu)闅鈶B(tài)，直至將油墨層中的溶劑揮發(fā)干凈，達(dá)到干燥效果，簡單的說，只要熱氣流中溶劑蒸氣壓沒有飽和，溶劑會一直從液態(tài)相變?yōu)闅鈶B(tài)，直至油墨層中的溶劑揮發(fā)殆盡。由于風(fēng)速與濃度差對溶劑揮發(fā)速率都產(chǎn)生正向影響，如道爾頓蒸發(fā)定律所示，因此凹印干燥裝置主要采用熱風(fēng)對流型而很少使用干燥輥筒型作為干燥方式，因?yàn)榍罢呒尤肓藷犸L(fēng)吹掃方式，不但增加了干燥速率，而且可以降低干燥溫度，防止承印品在干燥過程中會伸縮變形過大。
3.3干燥熱風(fēng)中溶劑濃度對揮發(fā)速度的影響
若干燥熱風(fēng)中溶劑蒸氣濃度達(dá)到安全控制上限，對溶劑揮發(fā)速度影響究竟有多大，本文選擇了幾種典型溶劑來進(jìn)行量化。從國家標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，2009年8月1日正式實(shí)施的復(fù)合膜、袋國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10004-2008《包裝用塑料復(fù)合膜、袋干式復(fù)合、擠出復(fù)合》規(guī)定不得檢出苯類溶劑殘留，溶劑總量不得高于5.0mg/m2，苯類溶劑殘留規(guī)定不得檢出。面對不斷嚴(yán)格的溶劑殘留要求，許多軟包裝企業(yè)紛紛采用了無苯無酮油墨。雖然企業(yè)在油墨溶劑的搭配比例上有差異，但是總量上主要以乙酸乙酯(EA，ethyl acetate)、乙酸丙酯(PA，propyl acetate)和異丙醇(IPA，iso propyl alcohol)三種溶劑為主。
鑒于凹印承印品材質(zhì)上的差別，干燥溫度有所差異，但主要集中在65℃左右，因此本文選擇65℃作為溶劑揮發(fā)的環(huán)境溫度。如表1所示，控制上限及安全控制上限，是溶劑蒸氣爆炸下限的25%；濃度占比是控制上限占溶劑蒸氣飽和濃度的比例。為了更加直觀，溶劑蒸氣濃度以體積占比進(jìn)行換算。
表1.三種油墨溶劑蒸氣的濃度對比[2]
如表1所示，三種溶劑在回風(fēng)中蒸氣濃度的安全控制上限均在0.5%左右，分別占飽和濃度的0.83%，1.78%和1.14%。其中，濃度占比高的是乙酸丙酯，其濃度占比僅為1.78%。結(jié)合道爾頓蒸發(fā)定律可知，作為揮發(fā)過程推動(dòng)力的濃度差，僅僅減少了1.78%，對溶劑蒸氣揮發(fā)速率上的影響很小。在實(shí)際情況下，油墨中三種溶劑是共同存在的，且乙酸乙酯的比例在50%左右，因此綜合的濃度占比會小于1.78%，對溶劑蒸氣揮發(fā)速率的影響也會進(jìn)一步降低。
總之，干燥熱風(fēng)中的溶劑蒸氣只要沒有飽和，油墨層中的溶劑會一直持續(xù)揮發(fā)，且在控制上限濃度水平以內(nèi)的溶劑蒸氣對溶劑揮發(fā)速度影響較低。另外，影響油墨中溶劑揮發(fā)速度的因素很多，除了達(dá)爾頓蒸發(fā)定律所示的風(fēng)速和濃度差之外，還包括溶劑的導(dǎo)熱系數(shù)以及墨層厚度等諸多條件，不能簡單的將溶劑殘留與安全控制上限條件下的溶劑蒸氣濃度進(jìn)行聯(lián)系。
結(jié)語
印刷行業(yè)已經(jīng)從幾年前的微利時(shí)代進(jìn)入紅海搏殺時(shí)代，加上環(huán)保政策的收緊，行業(yè)內(nèi)的洗牌已經(jīng)開始，迫使企業(yè)必須從環(huán)保和節(jié)能角度入手。干燥熱風(fēng)的重復(fù)應(yīng)用不但能夠減小干燥所需的熱能損耗，同時(shí)也能減少廢氣排放，提高溶劑蒸氣濃度，為末端治理設(shè)備的購置和運(yùn)行節(jié)約費(fèi)用，因此，理性分析干燥熱風(fēng)中溶劑蒸氣濃度對溶劑殘留的影響非常重要。
參考文獻(xiàn)
[1]賈海亮，趙軍，李鈺甫，胡壽根。凹版印刷工業(yè)的綠色節(jié)能技術(shù)。包裝學(xué)報(bào)，第7卷第2期，2015年4月
[2]程能林。溶劑手冊，第三版?；瘜W(xué)工業(yè)出版社
作者：廣東環(huán)葆嘉節(jié)能科技有限公司 葉楠博士
