脫氣膜在噴墨和涂料行業中的應用

氣泡的存在會在噴墨打印和涂層的表面產生缺陷，影響打印速度，傳統靜置排氣的方法無法降低溶解氣體濃度，更無法去除變化工況下產生的氣泡，3M Liqui-Cel? 脫氣膜憑借特殊的膜材料，穩定的脫氣效果，緊湊的結構很好的解決了噴墨打印機和涂料行業由于氣泡而出現的生產和質量問題。

隨著噴墨打印對打印質量要求越來越高，大型工業噴墨打印機除了對打印質量，對產量也提出了更高的要求， 然而噴墨中氣泡的存在，會使得打印產品表面產生缺陷，會使得打印機不能正常工作，影響產量。涂料行業，特別是造紙涂層和膜涂層行業，由于工藝條件或環境變化，使得涂料中出現氣泡，嚴重影響了噴涂質量。因此去除氣泡，控制溶解氣體就顯得非常重要。

氣泡的產生及其對噴墨打印和涂層的影響

氣體在液體中都有一定溶解度，液體中溶解氣體的濃度與液體和氣體的屬性，環境溫度，氣體壓力有關。在某一條件下，液體中的溶解氣體濃度是固定的，氣體溶解到液體中的數量和液體釋放氣體的數量在接觸面達到一個動態平衡，我們稱之為飽和。當平衡條件被打破，氣體溶解度就會發生變化。尤其當環境條件變化式，比如溫度升高或者氣壓降低，氣體溶解度就會下降，液體中就會出現氣泡。

噴墨在生產過程中，如果在灌裝前出現氣泡，就會影響灌裝速度，灌裝體積不達標，更嚴重的會影響打印質量。噴墨打印機如果油墨中出現氣泡，打印表面就會出現缺陷，打印噴頭如果出現氣泡，就會形成負壓，造成打印機運行不穩定甚至停機，打印速度降低，打印質量出現問題。

涂層中如果出現氣泡，會嚴重影響噴涂質量，尤其是造紙，膜行業中，出現一點氣泡，便會導致產品缺陷。傳統除泡的方法是靜置放空，由于涂料粘度較大，靠靜置的方法除氣泡，時間會很長，嚴重影響產量，另外靜置方法只能去除乳化或游離氣泡，由于噴涂一般會要求在較高溫度下進行，再次析出的溶解氣體仍然會造成缺陷。在整個噴涂工藝中，環境壓力和溫度稍微有些變化也會造成氣泡產生。

3M Liqui-Cel? 脫氣膜材料及脫氣原理

3M Liqui-Cel? 脫氣膜是一種新型的膜接觸器產品，典型應用是脫除液體中的氣體。

如圖1 所示，Liqui-Cel? 脫氣膜采用中空纖維建造，膜材料為聚丙烯，聚烯烴等疏水性微濾膜材料，外徑約300um，內徑200 ～ 220um，膜孔采用Dry-Stretch工藝生產，精確控制孔徑約0.03um，使得氣體容易穿透膜孔，而液體和雜質則不容易穿透，這樣就在液體和氣體間形成一層惰性分離層。

圖1 Liqui-Cel? 脫氣膜材料

通常中空纖維外側為液體，內側為氣體，如圖2 所示，膜孔處氣體和液體接觸并達到一個動態的平衡，即溶解到液體中的氣體和從液體中逃逸的氣體數量相等。依靠道爾頓分壓原理，氣體在液體中的溶解度與其分壓成正比。通過降低氣體側的分壓，可以降低氣體在液體中的溶解度，多余的氣體通過膜孔處擴散出來。分離出來的氣體被真空或吹掃氣體帶走。

圖2 Liqui-Cel? 脫氣膜原理

3M Liqui-Cel? 脫氣膜組件

Liqui-Cel? 脫氣膜組件是由脫氣膜芯和殼體組成，如圖3，圖4所示，脫氣膜芯是將多根中空纖維采用捆扎的方式固定到一塊，形成線束，以增加其軸向和徑向的強度，然后將線束纏繞于中心管上，端部用聚乙烯或環氧樹脂封裝而成。3M Liqui-Cel? 脫氣膜聚丙烯材料主要用于O2，CO2，N2等氣體的去除，聚烯烴材料主要用于低表面張力液體中氣體的去除。

圖3 Liqui-Cel? 脫氣膜組件

典型的脫氣膜殼體如圖3所示，液體在中空纖維外側，氣體在內側。液體流向與氣體流向相反。中心管中間有塊擋板（小尺寸脫氣膜組件是沒有擋板的），將中心管分成前半部分擴散管和后半部分收集管兩部分，使得液體與中孔纖維充分接觸，減少旁路，提高脫氣效率。

圖4 Liqui-Cel? 脫氣膜芯

如圖5所示，Liqui-Cel? 脫氣膜有四種工作模式，第一種配置是將氣體進口接通吹掃氣體，另一側接放空，吹掃氣體的選擇應當是不同于要分離氣體，且不溶或很難溶于液體，比如氮氣，通過氣體吹掃可以在氣體側將要分離氣體的分壓降至零，有利于氣體分離；第二種配置是將進出口連接真空泵，這樣可以將氣體側壓力降至真空，可以脫除液體中所有溶解氣體；第三種是將上述兩種配置綜合使用，增加氣體分離效率；第四種是用鼓風機將空氣從另一端抽入；氣體分離效率與液體的流速，脫氣膜的長度，接觸面積，液體在氣體中的擴散系數有關。3M Liqui-Cel? 脫氣膜特殊的膜生產工藝，膜組件構造，保證了其高的脫氣效率。3M Liqui-Cel? 脫氣膜廣泛的用于O2，CO2，N2的脫除，通過正確的選型，可以將CO2濃度降至1ppm以下，O2濃度降至1ppb以下。

圖5 Liqui-Cel? 脫氣膜工作模式

3M Liqui-Cel? 脫氣膜解決方案

為了降低油墨或涂料中的總氣體濃度，并且能夠防止環境或工藝條件變化中溶解氣體產生，必須要求脫除不僅僅是游離氣體，還包括溶解氣體，并且能夠將氣體濃度限定到要求數值以下。

案例1，涂料：

圖6 某水性涂料溶劑溶解氣體濃度-溫度曲線

圖6是一種涂料用水性溶劑中氣體的濃度-溫度曲線，20℃時N2溶解度約為15ppb，O2溶解度為9ppb，60℃時N2溶解度約為11ppb，O2溶解度為6ppb。

這種水性溶劑存放溫度為20℃，但是在應用前要求加熱到60℃。通過在20℃下長時靜置放置，可以最多將N2 濃度降至15ppb，O2濃度降至9ppb。但是在60℃使用時由于氣體溶解度下降，過飽和的氣體便會以氣泡的形式出現。而這些氣泡是不可能通過20℃下長時放空來去除的。

然而3M 脫氣膜則可以完全解決上述問題，脫氣膜可以通過正確的選型，將氣體溶解度降低到要求的數值。例如上述案例，可以通過脫氣膜在20℃時，將N2氣體濃度降低到11ppb以下，O2濃度降低到6ppb以下（對應60℃的溶解度）。這樣即使溶劑加熱到60℃，也不會有多余氣泡產生，影響噴涂質量。

圖7 除氣泡典型流程圖

圖7為一個典型的除泡的流程示意圖，通過氮封，減少液體中其他氣體組分，再通過脫氣膜去除溶解氮氣到要求水平，氣體進出口串聯至真空。

案例2，噴墨打印機：

圖8 0.5x1 SuperPhobic MicroModule? 脫氣膜安裝于噴墨打印機

圖8是0.5x1 SuperPhobic MicroModule?（SuperPhobic? 為Liqui-Cel? 的一個產品型號） 脫氣膜安裝于一臺寬格式噴墨打印機，脫氣膜芯直徑0.5英寸，1英寸長，氣體與液體交叉流向，處理量5～30ml/min，一側接口堵死，另一側接口接通真空泵。多個組件分別用于不同顏色噴墨，組件尺寸很緊湊，滿足噴墨打印機受限空間的要求，真空泵壓力不能太高，防止油墨中揮發性溶劑從膜孔逃逸。

圖9 1x3 SuperPhobic? 脫氣膜安裝于噴墨打印機

圖9是1x3 SuperPhobic? 接觸器用于一臺寬格式噴墨打印機，單側氣體接口，連接真空，處理量10 ～ 60ml/min。

通過測試發現，對于噴墨打印機，通過安裝3M Liqui-Cel? 脫氣膜產品可以提高打印速度15%以上，并且明顯減少噴涂缺陷。

使用3M Liqui-Cel? 脫氣膜可以精確控制油墨和涂料中的溶解氣體濃度，非常小的占地面積，模塊化設計，多種模塊可以選擇，廣泛的用于噴墨打印和涂料行業。

3M SuperPhobic? 產品介紹

SuperPhobic? 是Liqui-Cel? 脫氣膜產品的一個系列，主要用于低表面張力液體中脫除氣體，比如油墨，涂料，顯影劑，乳化劑，油等。脫氣膜材料為聚烯烴，如圖10 所示，聚烯烴中空纖維外壁很致密，就能有效阻止低表面張力液體的濕出，而只允許氣體通過。SuperPhobic? 脫氣膜還可以用于一些高粘液體中脫除氣體，比如一些UV 固化油墨或涂料，最高黏度可高達4000cps。

圖10 Super Phobic? 脫氣膜電鏡圖片

根據要處理的流量的不同，SuperPhobic?脫氣膜有多種型號可以選擇，如圖11所示，最高流量可達6.8立方米/小時。更高的流量可以通過并聯多臺脫氣膜組件來實現。

圖11 SuperPhobic? 脫氣膜組件家族

圖12為2x6 SuperPhobic? 脫氣膜模型和脫氣效率曲線，其中UltraPhobic 推薦用于水類黏度液體，UltraPhobic II 推薦用于高粘液體或其他挑戰性液體，效率曲線的測試條件是從水中去除O2，50torr 真空工作模式。從效率曲線可以看出脫氣膜在低流速下具有很高的去除效率，100ml/min流量下，脫氣效率可高達90%以上，根據處理流量的增加，脫氣效率有所下降，因此要提高去除效率，就需要降低液體流速，或者通過多級脫氣膜串聯來實現。

圖12，2x6 SuperPhobic?脫氣膜及其脫氣效率曲線

圖13是兩個典型Liqui-Cel? 脫氣膜組件串聯，采用真空模式的PID 圖。除了必備的膜組件，真空泵以外，其他設備，比如氣液分離器，儀表和閥門可以根據客戶需求選配。

圖13，Liqui-Cel?脫氣膜典型PID圖（組件串聯，真空模式）

除了SuperPhobic? 脫氣膜系列，Liqui-Cel? 還有其他脫氣膜系列，采用聚丙烯膜材料，用于去除水中的CO2和O2等，廣泛的用于電子，電力，化工等行業。

結論

3M Liqui-Cel? 脫氣膜產品憑借專利的生產工藝，特殊的結構設計，穩定高效的脫氣效果，用于噴墨打印和涂料行業，能夠有效地去除油墨和涂料中的氣泡或溶解氣體，改進了噴涂質量，提高了產量和設備運行穩定性。