一、干冰清洗技术

　　1、干冰的定义

　　干冰的外形如图1所示。

　　图1 干冰的外形

　　干冰是固态的二氧化碳，在常温和压强为6079.8千帕压力下，把二氧化碳冷凝成无色的液体，再在低压下迅速蒸发，便凝结成一块块压紧的冰雪状固体物质，其温度是-78.5℃，这便是干冰。干冰蓄冷是水冰的1.5倍以上，吸收热量后升华成二氧化碳气体，无任何残留、无毒性、无异味，有灭菌作用。它受热后不经液化，而直接气化。干冰是二氧化碳的固态，由于干冰的温度非常低，温度为﹣78.5℃，因此经常用于让物体维持冷冻或低温状态。

　　在室温下，将二氧化碳气体加压到约101325Pa时，当一部分二氧化碳气体被冷却到﹣56℃左右时，就会冻结成雪花伏的固态二氧化碳。固态二氧化碳的气化热很大，在﹣60℃时为364.5J/g，在常压下气化时可使周围温度降到-78℃左右，并且不会产生液体，所以叫“干冰”。

　　干冰的物理特性：分子量 44.01;密度(固态) 1560kg/m3(-78℃);熔点 ﹣57℃;沸点 ﹣78.5℃;液体转化为气体比率 8.726SCF(气体)/LB (液体﹣17.8℃，压力21kg/cm2);液体转化为固体比率 0.46(﹣17.8℃)0.57(﹣48℃)。

　　2、干冰清洗的原理及特点

　　通过压缩空气的流动，干冰颗粒被加速到接近音速的速度撞击被清洗的表面附着物，表面附着物突然降温导致表面脆化，同时造成这些温度极低的干冰气体进入出现裂缝的附着物内;当表面的附着物遭到撞击时，干冰颗粒迅速升华为气体，气体所产生的能量大约是原能量的700倍，这些碎裂的附着物从被清洗的表面剥离移走。

　　图2 干冰清洗的原理

　　干冰清洗的原理如图2所示，分成三个步骤：

　　步骤1：能量转移

　　干冰颗粒在高压气流中加速，以接近音速的速度冲击待清洗表面，并在冲击表面的瞬间气化。干冰的动量在冲击瞬间消失，干冰颗粒与清洗表面间迅速发生热传递，致使固体CO2迅速升华变为气体。

　　步骤2：低温龟裂

　　通过温差能破坏不同热膨胀系数的材料的结合。干冰颗粒(﹣78.5℃)冲击被清洗表面，使表面附着物冷冻脆化和爆裂，产生“龟裂”，影响了被清洗表面附着物的机械性能。

　　步骤3：微爆炸

　　干冰颗粒冲击被清洗表面附着物间的裂缝，在千分之几秒内体积膨胀近800倍，形成无数“微型爆炸”，将附着物剥离表面。同时加上干冰颗粒的磨削和冲击、压缩空气吹扫剪切，使附着物从被清洗表面以固态形式剥离，从而达到清除的目的。由于CO2挥发，干冰清洗过程不产生任何二次废物，接下来需要清理的只是被清除下来的附着物。

　　3、干冰清洗与传统清洗的比较

　　4、 干冰清洗系统的组成

　　完整的干冰清洗系统包括液体二氧化碳贮存系统、干冰制造系统、干冰保存运输系统、压缩空气供应系统、喷射清洗系统，各系统之间的联系如图3所示：

　　图3、 干冰清洗系统的组成

　　图4 干冰制备流程

　　干冰制备流程如图4所示。从干冰造粒机造出干冰如图5所示。

　　图5 从干冰造粒机造出干冰

　　干冰清洗系统一般分为两个部分：

　　第一部分是干冰制备系统，其作用是将液态CO2制作成一定规格的干冰颗粒或干冰块;

　　第二部分是干冰喷射清洗系统，该系统利用由专门配制的空压机或利用工厂本身配制的压缩空气系统产生的压缩空气，在清洗设备内装入已制作好的干冰颗粒或干冰块，在压缩空气的驱动下，高密度干冰颗粒或细粉随着压缩空气冲击到被清洗物体表面，从而起到清洗作用。

　　干冰清洗系统可以根据用户的需要，将干冰制备系统与干冰喷射系统配套组装在一起作为一套系统使用，也可以将干冰制备系统与干冰喷射系统分开，干冰制备系统只是作为提供原料的生产设备(甚至可以外购干冰)，使用干冰喷射系统即干冰清洗机进行清洗工程。

　　5、干冰喷射清洗的两种基本系统

　　图6 直接加速(单管道)喷射系统示意图

　　第一个是直接加速(单管道)系统(图6)：这种系统是在漏斗处而不是在喷嘴口将干冰颗粒导入空气流中，它可使干冰以900ft/s(1ft=30.48cm)的更快速度脱离喷嘴口(如果使用双管道系统，其速度则为300ft/s)，从而获得更好的清洗效果。如果不需要这么大的清洗能量，只需调低压缩空气的压力，便可降低干冰粒子的喷射度。

　　第二个是Venturi系统(双管道系统)(图7)：这种系统是在喷嘴口，通过真空把细小的干冰粒子吸入气流中，且喷嘴口正对着模具表面。这种系统比单管道系统的成本低，但是由于不能够达到单管系统所能产生的高速，因此很难清除掉模具上的重度残留物和污垢。

　　图7 双管道喷射系统示意图

　　干冰清洗机的外形如图8所示。

　　图8 两种干冰清洗机的外形

　　6、干冰清洗技术的适用范围

　　干冰清洗技术的优点：

　　(1)干冰清洗技术已经被美国环境保护局、美国食品及药物管理局和美国农业部批准为可使用的清洗方法。

　　(2)干冰清洗技术不会向大气中释放有害气体，不会产生二次废物。

　　(3)干冰清洗技术安全无毒，因为干冰颗粒打在被清洁表面后就会在空气中升华消失。

　　(4)干冰清洗技术减少或彻底消除了工人受到化学清洗剂伤害的可能。

　　近年来干冰喷射清洗技术由大型化转向小型化，这使得各个独立的公司能够将该技术应用于无数的工业和民用清洗服务。使用干冰清洗不再是大型公司的特权。

　　干冰清洗技术属于“物理清洗方法”。所以从理论上说，干冰清洗技术可以取代传统的物理清洗工艺，如喷砂、喷水、擦拭等技术。

　　从工业实用性来说，干冰清洗技术的应用与国家环保意识、法制要求有关联，即在传统工艺不能满足环保条件的情况下，可以采用干冰清洗技术取代传统清洗工艺。从工艺角度来说，任何清洗工艺的原则是保证被清洗的工件不被破坏，要确保工件的完好性。干冰清洗工艺也必须遵守此原则。而干冰清洗是将干冰颗粒雾状喷射到工件的表面，工件表面要承受一定的风压，如果工件表面不能承受一定的风压，则不能采用干冰清洗工艺。

　　干冰清洗可以广泛应用于军工、核能、冶金、铸造、石油、化工、橡胶、塑料、船舶、汽车、食品、医药、机械、电力、电子等各个领域。干冰清洗应用于各种模具如：轮胎模具、聚氨酯模具、橡胶模具、合金压铸模具等，在生产线上除污，快速省时。

　　7、 干冰清洗所去除的被清除物的去向

　　至于被清除物的最终去向，因为干冰清洗是属于物理清洗，从原理上说，被清洗物只剥离物体，而不会消失。因此，它是“存在”的。那么被清除物去了什么地方呢?事实上，干冰使被清洗物急冻，形成了龟裂，干冰在裂缝中膨胀时，瞬间爆破使被清洗物形成微粒状物，随压缩空气吹散而剥离附着物件并扩散在空气之中。当然，在清洗完毕之后，如果没有其他措施，这些扩散在空气之中的微粒将像粉尘一样沉降到清洗过的现场地面之上，这些粉尘可用吸尘的方式移走。在某种特定的条件下，可能会出现一些油迹或水迹散落在现场，这是因为被清洗的工件内存在一些浮游的残油或残水，这些残油或残水不是附着在工件表面而是游离态的，所以当压缩空气吹入工件时，这些残油或残水立刻以滴雾状喷离工件而散落到周围。实际操作时，应该先将工件内的残油用布吸离之后再用干冰清洗工件。

　　8、干冰清洗的成本

　　干冰清洗技术能否取代传统清洗工艺的关键问题是工艺成本，这就必然要联系到干冰消耗、气压大小、排量的消耗以及由此形成的成本问题。但任何清洗工艺的工艺成本都与被清洗物的原始状态和清洗精度直接相关。不同的清洗精度要求、不同的清洗条件，会导致成本差异很大。

　　干冰清洗的工艺原料主要是干冰和压缩空气，压缩空气的来源取之不尽，不需要运输，因此不存在原材料的采购和运输成本。而干冰的成本基本是3吨液体二氧化碳可以制造1吨合格干冰，所以干冰的成本是可以计算的。

　　干冰的消耗量是使用者十分关心的问题，事实上干冰的消耗量与清洗条件和精度密切相关。对于油污很厚，附着力较大的，如油漆、水垢、积碳、焊渣等被清除物必须通过深层冷冻和有效的冲击使被清除物逐层龟裂，逐层脱离，因此耗冰量必然增加，相应的对空气压力的要求也越高，成本也相应增大。但是对于附着力不大的油污不需要强大的压缩空气，可以采用低压清洗，相应的干冰耗量也少得多，成本也降低许多。

　　9、干冰清洗的安全性

　　干冰是固态二氧化碳，无毒、不易燃。因此，从整体上说，是安全的清洗方法，对人体和工件均无害。但干冰清洗过程中干冰气化之后会形成二氧化碳的氛围。在通风情况下，二氧化碳扩散到大气之中不会形成不利环境。但在通风条件差的不利环境中，由于空气不流通，会产生二氧化碳下沉现象。在此环境中，人会因缺氧而感到不适，因此应确保空气流通而不使二氧化碳积聚。

　　在干燥环境中，气流高速喷射也会产生静电效应，因此干冰清洗机(干冰喷射器、干冰喷射机、干冰喷射清洗机、洗模机、模具清洗机)应该设有保护装置，避免因静电而产生的不良反应。

　　10、干冰清洗需注意的三点相关事项

　　尽管干冰清洗方法在各方面都具有很多优点，但是在实际操作中仍有一些需要注意的问题：

　　(1)干冰清洗锈迹及残余物的清除：尽管干冰清洗不会带来物体表面的磨损，但也同时限制了其清除顽垢和厚层铁锈的能力。例如，对于残留在天然橡胶模塑操作系统中的那些柔软且带有弹性的残余物而言，采用干冰清洗不太有效，因为当这些干冰颗粒被喷射到这类残余物上时会被弹回(当然，用干冰喷射来清除液态硅橡胶(LSR)效果绝佳，尤其是对于那些具有饰纹的模腔表面)。另外，干冰喷射清洗只能清除掉眼睛能看到的那些残余物。

　　(2)干冰清洗噪声水平：就像使用其它压缩空气系统一样，使用干冰喷射方法进行模具清洗时，一般噪声会达到102dbA，为此需要使用较好的护耳设施。然而，当长时间使用干冰喷射清洗设备时，即使是插了耳塞，噪音还是很大，且随着时间的延长对人体会带来越来越大的刺激，此时使用带耳塞的御寒耳罩可以起到一定的作用。

　　(3)干冰清洗员工安全：如果以每秒900ft/s的速度喷出的干冰颗粒喷射到人身上时，人体是根本无法抵抗的。因此为了安全，在操作前必须穿戴好所有的防护设施，其中包括：耐用手套、全面罩以及长袖子。一般生产车间都有很多工作台和设备，它们之间的距离通常是3～5ft，所以在清洗操作中还要时刻注意附近是否有人，以免不慎掉落的污物伤害到他人。

　　二、干冰清洗技术在印刷包装领域的应用

　　印刷设备结构复杂、价格昂贵，表面一旦受损，印刷任务将不得不停滞。选择快速、高效的清洁方式，不但能在免拆解的前提下清洗印刷设备的每个微小角落，还能缩短因清洁而造成的停机时间。印刷机械清除油墨很困难，齿轮和导轨上的积墨会导致低劣的印刷质量。

　　干冰清洗的工作原理是让干冰颗粒在高压气流中加速达到超声波速后喷射在受污染的材料上，干冰颗粒在冲击瞬间发生气化，所以不会沾湿设备、不对设备产生任何磨损与腐蚀。干冰清洗可去除各种油基、水基墨水和清漆，清理齿轮、导轨及喷嘴上的油污、积墨和染料，避免危险废物和溶液的排放，以及危险溶剂造成的人员伤害。具有简洁快速、洗旧如新、永不磨损等优势。

　　干冰清洗在清洗过程中无需拆卸设备，无需使用化学清洁剂，就能有效清洗工业设备表面上的橡胶残留物，如油、油脂、炭粉、油漆等，适合完成大型清洗任务。

　　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术。Cincinnati Enquirer，Eastern Color Printing等国外印刷企业都普遍采用干冰清洗技术清洗印刷机的轴承、喷嘴、磁鼓等核心部位，既解决了彩墨清洗难的问题又保证了印刷质量，且对被清洗设备无任何磨损。

　　图9 印包设备采用干冰清洗的一个实例

　　图10 印包设备采用干冰清洗的又一个实例

　　镀铝膜是复合软包装制品中经常采用的的一种材料。镀铝膜一般都是用卷绕真空镀膜设备加工出来。在卷绕真空镀膜设备进行真空镀铝时，无可避免地会在镀膜区域的周围部件上积聚很厚的铝层，必须定期把这些铝层清除掉，否则会对镀铝膜的质量产生严重影响。从事真空镀铝的都知道，想要把这些部位积聚的铝层清除掉是一件非常费工又费时的事情。目前我们正在尝试采用干冰清洗方法来清除镀膜区域周围部件上的铝层。

　　四、结束语

　　本文对干冰清洗技术做了全面的介绍，旨在引起大家对干冰清洗技术的兴趣。也许，目前在我国把干冰清洗技术应用于印刷包装领域还是一件新鲜事。但是，实际上，大家肯定都看到过在各类剧场、剧团、婚宴的演出时的烟雾，其实这种烟雾就是用干冰烟雾机产生的。现在在各个城市都可以很方便地买到干冰，所以我相信在印刷包装领域采用干冰清洗技术清洁设备已不是一件难事。