溶剂蒸气浓度对溶剂残留影响的探讨-第2页-北极星大气网

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3.2 溶剂的传热与传质

溶剂的挥发过程与水的蒸发过程相同，都遵循着道尔顿蒸发定律。1802年，英国著名物理学、化学家道尔顿(John Dalton)根据水面蒸发形成原理和维持机制，提出了道尔顿蒸发定律：

其中，W是水面上水的蒸发速率，∆e，(∆e=e-es)，是表面水温对应的饱和水汽压e与水面上空气中实际的水汽压es的差，C是风速系数，与风速大小相关，p是水面上的气压。水的蒸发速率与风速系数和水汽气压差成正比，而与水面大气压成反比。

如图1所示，在对承印品上油墨层的干燥过程中，传热与传质同时进行，热量由热气流以对流方式传递给油墨层表面，进而传递到油墨层内部，而溶剂由油墨层内部扩散到油墨层表面，气化后被热气流带走。图1中Q是换热速率，N是传质速率，也就是溶剂挥发速率，T和Ts分别是热气流和油墨层的温度，而e和es分别是热气流中和油墨层表面溶剂蒸气的分压。热气流和油墨层表面的温度差∆T，(∆T=T-Ts)，决定了换热速率Q的大小，而热气流和油墨层表面溶剂蒸气的分压差∆e，(∆e=e-es)，决定了溶剂挥发速率N的大小，而气膜是形成温度差和浓度差的区域。

如图1所示，油墨层相当于水层，油墨在其中呈液态形式，在温度升高的过程中，溶剂分子不断扩散到油墨层表面，进而从液态相变成气态，即溶剂蒸气，之后被热气流带走。由于油墨层中溶剂是液态，因此油墨层表面溶剂气体呈饱和状态，即油墨层表面的溶剂蒸气压为饱和蒸气压，在热气流中溶剂蒸气非饱和条件下，形成蒸气压差，并在此压差的推动力下不断相变，从液态相变为气态，直至将油墨层中的溶剂挥发干净，达到干燥效果，简单的说，只要热气流中溶剂蒸气压没有饱和，溶剂会一直从液态相变为气态，直至油墨层中的溶剂挥发殆尽。由于风速与浓度差对溶剂挥发速率都产生正向影响，如道尔顿蒸发定律所示，因此凹印干燥装置主要采用热风对流型而很少使用干燥辊筒型作为干燥方式，因为前者加入了热风吹扫方式，不但增加了干燥速率，而且可以降低干燥温度，防止承印品在干燥过程中会伸缩变形过大。

3.3 干燥热风中溶剂浓度对挥发速度的影响

若干燥热风中溶剂蒸气浓度达到安全控制上限，对溶剂挥发速度影响究竟有多大，本文选择了几种典型溶剂来进行量化。从国家标准出发，2009年8月1日正式实施的复合膜、袋国家标准GB/T10004-2008《包装用塑料复合膜、袋干式复合、挤出复合》规定不得检出苯类溶剂残留，溶剂总量不得高于5.0 mg/m2，苯类溶剂残留规定不得检出。面对不断严格的溶剂残留要求，许多软包装企业纷纷采用了无苯无酮油墨。虽然企业在油墨溶剂的搭配比例上有差异，但是总量上主要以乙酸乙酯(EA，ethyl acetate)、乙酸丙酯(PA，propyl acetate)和异丙醇(IPA，isopropyl alcohol)三种溶剂为主。

鉴于凹印承印品材质上的差别，干燥温度有所差异，但主要集中在65℃左右，因此本文选择65℃作为溶剂挥发的环境温度。如表1所示，控制上限及安全控制上限，是溶剂蒸气爆炸下限的25%;浓度占比是控制上限占溶剂蒸气饱和浓度的比例。为了更加直观，溶剂蒸气浓度以体积占比进行换算。

表1. 三种油墨溶剂蒸气的浓度对比^[2]

如表1所示，三种溶剂在回风中蒸气浓度的安全控制上限均在0.5%左右，分别占饱和浓度的0.83%，1.78%和1.14%。其中，浓度占比最高的是乙酸丙酯，其浓度占比仅为1.78%。结合道尔顿蒸发定律可知，作为挥发过程推动力的浓度差，仅仅减少了1.78%，对溶剂蒸气挥发速率上的影响很小。在实际情况下，油墨中三种溶剂是共同存在的，且乙酸乙酯的比例在50%左右，因此综合的浓度占比会小于1.78%，对溶剂蒸气挥发速率的影响也会进一步降低。

总之，干燥热风中的溶剂蒸气只要没有饱和，油墨层中的溶剂会一直持续挥发，且在控制上限浓度水平以内的溶剂蒸气对溶剂挥发速度影响较低。另外，影响油墨中溶剂挥发速度的因素很多，除了达尔顿蒸发定律所示的风速和浓度差之外，还包括溶剂的导热系数以及墨层厚度等诸多条件，不能简单的将溶剂残留与安全控制上限条件下的溶剂蒸气浓度进行联系。

结语

印刷行业已经从几年前的微利时代进入红海搏杀时代，加上环保政策的收紧，行业内的洗牌已经开始，迫使企业必须从环保和节能角度入手。干燥热风的高效重复应用不但能够减小干燥所需的热能损耗，同时也能减少废气排放，提高溶剂蒸气浓度，为末端治理设备的购置和运行节约费用，因此，理性分析干燥热风中溶剂蒸气浓度对溶剂残留的影响非常重要。

原标题：溶剂蒸气浓度对溶剂残留影响的探讨

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