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脱气膜在喷墨和涂料行业中的应用

来源:荣格 发布时间:2017-01-17 1337
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气泡的存在会在喷墨打印和涂层的表面产生缺陷,影响打印速度,传统静置排气的方法无法降低溶解气体浓度,更无法去除变化工况下产生的气泡,3M Liqui-Cel® 脱气膜凭借特殊的膜材料,稳定的脱气效果,紧凑的结构很好的解决了喷墨打印机和涂料行业由于气泡而出现的生产和质量问题。

气泡的存在会在喷墨打印和涂层的表面产生缺陷,影响打印速度,传统静置排气的方法无法降低溶解气体浓度,更无法去除变化工况下产生的气泡,3M Liqui-Cel® 脱气膜凭借特殊的膜材料,稳定的脱气效果,紧凑的结构很好的解决了喷墨打印机和涂料行业由于气泡而出现的生产和质量问题。

随着喷墨打印对打印质量要求越来越高,大型工业喷墨打印机除了对打印质量,对产量也提出了更高的要求, 然而喷墨中气泡的存在,会使得打印产品表面产生缺陷,会使得打印机不能正常工作,影响产量。涂料行业,特别是造纸涂层和膜涂层行业,由于工艺条件或环境变化,使得涂料中出现气泡,严重影响了喷涂质量。因此去除气泡,控制溶解气体就显得非常重要。

气泡的产生及其对喷墨打印和涂层的影响

气体在液体中都有一定溶解度,液体中溶解气体的浓度与液体和气体的属性,环境温度,气体压力有关。在某一条件下,液体中的溶解气体浓度是固定的,气体溶解到液体中的数量和液体释放气体的数量在接触面达到一个动态平衡,我们称之为饱和。当平衡条件被打破,气体溶解度就会发生变化。尤其当环境条件变化式,比如温度升高或者气压降低,气体溶解度就会下降,液体中就会出现气泡。

喷墨在生产过程中,如果在灌装前出现气泡,就会影响灌装速度,灌装体积不达标,更严重的会影响打印质量。喷墨打印机如果油墨中出现气泡,打印表面就会出现缺陷,打印喷头如果出现气泡,就会形成负压,造成打印机运行不稳定甚至停机,打印速度降低,打印质量出现问题。

涂层中如果出现气泡,会严重影响喷涂质量,尤其是造纸,膜行业中,出现一点气泡,便会导致产品缺陷。传统除泡的方法是静置放空,由于涂料粘度较大,靠静置的方法除气泡,时间会很长,严重影响产量,另外静置方法只能去除乳化或游离气泡,由于喷涂一般会要求在较高温度下进行,再次析出的溶解气体仍然会造成缺陷。在整个喷涂工艺中,环境压力和温度稍微有些变化也会造成气泡产生。

3M Liqui-Cel® 脱气膜材料及脱气原理

3M Liqui-Cel® 脱气膜是一种新型的膜接触器产品,典型应用是脱除液体中的气体。

如图1 所示,Liqui-Cel® 脱气膜采用中空纤维建造,膜材料为聚丙烯,聚烯烃等疏水性微滤膜材料,外径约300um,内径200 ~ 220um,膜孔采用Dry-Stretch工艺生产,精确控制孔径约0.03um,使得气体容易穿透膜孔,而液体和杂质则不容易穿透,这样就在液体和气体间形成一层惰性分离层。

图1 Liqui-Cel® 脱气膜材料

图1 Liqui-Cel® 脱气膜材料

通常中空纤维外侧为液体,内侧为气体,如图2 所示,膜孔处气体和液体接触并达到一个动态的平衡,即溶解到液体中的气体和从液体中逃逸的气体数量相等。依靠道尔顿分压原理,气体在液体中的溶解度与其分压成正比。通过降低气体侧的分压,可以降低气体在液体中的溶解度,多余的气体通过膜孔处扩散出来。分离出来的气体被真空或吹扫气体带走。

图2 Liqui-Cel® 脱气膜原理

图2 Liqui-Cel® 脱气膜原理

3M Liqui-Cel® 脱气膜组件

Liqui-Cel® 脱气膜组件是由脱气膜芯和壳体组成,如图3,图4所示,脱气膜芯是将多根中空纤维采用捆扎的方式固定到一块,形成线束,以增加其轴向和径向的强度,然后将线束缠绕于中心管上,端部用聚乙烯或环氧树脂封装而成。3M Liqui-Cel® 脱气膜聚丙烯材料主要用于O2,CO2,N2等气体的去除,聚烯烃材料主要用于低表面张力液体中气体的去除。

图3 Liqui-Cel® 脱气膜组件

图3 Liqui-Cel® 脱气膜组件

典型的脱气膜壳体如图3所示,液体在中空纤维外侧,气体在内侧。液体流向与气体流向相反。中心管中间有块挡板(小尺寸脱气膜组件是没有挡板的),将中心管分成前半部分扩散管和后半部分收集管两部分,使得液体与中孔纤维充分接触,减少旁路,提高脱气效率。

图4 Liqui-Cel® 脱气膜芯

图4 Liqui-Cel® 脱气膜芯

如图5所示,Liqui-Cel® 脱气膜有四种工作模式,第一种配置是将气体进口接通吹扫气体,另一侧接放空,吹扫气体的选择应当是不同于要分离气体,且不溶或很难溶于液体,比如氮气,通过气体吹扫可以在气体侧将要分离气体的分压降至零,有利于气体分离;第二种配置是将进出口连接真空泵,这样可以将气体侧压力降至真空,可以脱除液体中所有溶解气体;第三种是将上述两种配置综合使用,增加气体分离效率;第四种是用鼓风机将空气从另一端抽入;气体分离效率与液体的流速,脱气膜的长度,接触面积,液体在气体中的扩散系数有关。3M Liqui-Cel® 脱气膜特殊的膜生产工艺,膜组件构造,保证了其高的脱气效率。3M Liqui-Cel® 脱气膜广泛的用于O2,CO2,N2的脱除,通过正确的选型,可以将CO2浓度降至1ppm以下,O2浓度降至1ppb以下。

图5 Liqui-Cel® 脱气膜工作模式

图5 Liqui-Cel® 脱气膜工作模式

3M Liqui-Cel® 脱气膜解决方案

为了降低油墨或涂料中的总气体浓度,并且能够防止环境或工艺条件变化中溶解气体产生,必须要求脱除不仅仅是游离气体,还包括溶解气体,并且能够将气体浓度限定到要求数值以下。

案例1,涂料:

图6 某水性涂料溶剂溶解气体浓度-温度曲线

图6 某水性涂料溶剂溶解气体浓度-温度曲线

图6是一种涂料用水性溶剂中气体的浓度-温度曲线,20℃时N2溶解度约为15ppb,O2溶解度为9ppb,60℃时N2溶解度约为11ppb,O2溶解度为6ppb。

这种水性溶剂存放温度为20℃,但是在应用前要求加热到60℃。通过在20℃下长时静置放置,可以最多将N2 浓度降至15ppb,O2浓度降至9ppb。但是在60℃使用时由于气体溶解度下降,过饱和的气体便会以气泡的形式出现。而这些气泡是不可能通过20℃下长时放空来去除的。

然而3M 脱气膜则可以完全解决上述问题,脱气膜可以通过正确的选型,将气体溶解度降低到要求的数值。例如上述案例,可以通过脱气膜在20℃时,将N2气体浓度降低到11ppb以下,O2浓度降低到6ppb以下(对应60℃的溶解度)。这样即使溶剂加热到60℃,也不会有多余气泡产生,影响喷涂质量。

图7 除气泡典型流程图

图7 除气泡典型流程图

图7为一个典型的除泡的流程示意图,通过氮封,减少液体中其他气体组分,再通过脱气膜去除溶解氮气到要求水平,气体进出口串联至真空。

案例2,喷墨打印机:

图8 0.5x1 SuperPhobic MicroModule® 脱气膜安装于喷墨打印机

图8 0.5x1 SuperPhobic MicroModule® 脱气膜安装于喷墨打印机

图8是0.5x1 SuperPhobic MicroModule®(SuperPhobic® 为Liqui-Cel® 的一个产品型号) 脱气膜安装于一台宽格式喷墨打印机,脱气膜芯直径0.5英寸,1英寸长,气体与液体交叉流向,处理量5~30ml/min,一侧接口堵死,另一侧接口接通真空泵。多个组件分别用于不同颜色喷墨,组件尺寸很紧凑,满足喷墨打印机受限空间的要求,真空泵压力不能太高,防止油墨中挥发性溶剂从膜孔逃逸。

图9 1x3 SuperPhobic® 脱气膜安装于喷墨打印机

图9 1x3 SuperPhobic® 脱气膜安装于喷墨打印机

图9是1x3 SuperPhobic® 接触器用于一台宽格式喷墨打印机,单侧气体接口,连接真空,处理量10 ~ 60ml/min。

通过测试发现,对于喷墨打印机,通过安装3M Liqui-Cel® 脱气膜产品可以提高打印速度15%以上,并且明显减少喷涂缺陷。

使用3M Liqui-Cel® 脱气膜可以精确控制油墨和涂料中的溶解气体浓度,非常小的占地面积,模块化设计,多种模块可以选择,广泛的用于喷墨打印和涂料行业。

3M SuperPhobic® 产品介绍

SuperPhobic® 是Liqui-Cel® 脱气膜产品的一个系列,主要用于低表面张力液体中脱除气体,比如油墨,涂料,显影剂,乳化剂,油等。脱气膜材料为聚烯烃,如图10 所示,聚烯烃中空纤维外壁很致密,就能有效阻止低表面张力液体的湿出,而只允许气体通过。SuperPhobic® 脱气膜还可以用于一些高粘液体中脱除气体,比如一些UV 固化油墨或涂料,最高黏度可高达4000cps。

图10 Super Phobic® 脱气膜 电镜图片

图10 Super Phobic® 脱气膜电镜图片

根据要处理的流量的不同,SuperPhobic®脱气膜有多种型号可以选择,如图11所示,最高流量可达6.8立方米/小时。更高的流量可以通过并联多台脱气膜组件来实现。

图11 SuperPhobic® 脱气膜组件家族

图11 SuperPhobic® 脱气膜组件家族

图12为2x6 SuperPhobic® 脱气膜模型和脱气效率曲线,其中UltraPhobic 推荐用于水类黏度液体,UltraPhobic II 推荐用于高粘液体或其他挑战性液体,效率曲线的测试条件是从水中去除O2,50torr 真空工作模式。从效率曲线可以看出脱气膜在低流速下具有很高的去除效率,100ml/min流量下,脱气效率可高达90%以上,根据处理流量的增加,脱气效率有所下降,因此要提高去除效率,就需要降低液体流速,或者通过多级脱气膜串联来实现。

图12,2x6 SuperPhobic®脱气膜及其脱气效率曲线

图12,2x6 SuperPhobic®脱气膜及其脱气效率曲线

图13是两个典型Liqui-Cel® 脱气膜组件串联,采用真空模式的PID 图。除了必备的膜组件,真空泵以外,其他设备,比如气液分离器,仪表和阀门可以根据客户需求选配。

图13,Liqui-Cel®脱气膜典型PID图(组件串联,真空模式)

图13,Liqui-Cel®脱气膜典型PID图(组件串联,真空模式)

除了SuperPhobic® 脱气膜系列,Liqui-Cel® 还有其他脱气膜系列,采用聚丙烯膜材料,用于去除水中的CO2和O2等,广泛的用于电子,电力,化工等行业。

结论

3M Liqui-Cel® 脱气膜产品凭借专利的生产工艺,特殊的结构设计,稳定高效的脱气效果,用于喷墨打印和涂料行业,能够有效地去除油墨和涂料中的气泡或溶解气体,改进了喷涂质量,提高了产量和设备运行稳定性。

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