Úprava povrchů suchým ledem
Článek prezentuje technologický postup a možnosti úpravy povrchů různých materiálů prostřednictvím pevných částeček suchého ledu CO2. Čistící médium je v trysce zařízení urychlováno proudem stlačeného vzduchu rychlostí větší než rychlost zvuku. Při dopadu CO2 se při teplotě −78,8 °C povrch prudce ochlazuje, nečistota křehne a ztrácí svoji adhezi k podkladu, nastává teplotní šok. Současně s tímto teplotním efektem suchý led intenzivně sublimuje, zvětšuje svůj objem a za vzniku vysoké vnitřní tenze odstraňuje narušený povrch nečistot bez vzniku abrazivního odpadu. Zařízení nachází uplatnění při požadavku na odstranění nečistot prvků, které není možné saturovat vodou nebo při potřebě úpravy prvků bez nutnosti demontáže. V příspěvku je technologie představena při odstraňování nečistot na povrchu dřevěných prvků staveb, artefaktů, kamenných prvků, soch a zdiva. Dále při tvorbě reliéfu na povrchu nativního dřeva a při úpravě povrchu před nanášením nátěrových hmot či fungicidních a insekticidních prostředků.
1. Úvod
K odstraňování jemných částic z povrchů materiálů metoda využívá aerodynamického účinku v soustavě plyn – tuhá látka, a to bez sekundární kontaminace, protože suchý led vysublimuje do okolního prostředí. Při úpravě povrchů uvedenou metodou je čistícím médiem pevný oxid uhličitý, zvaný suchý led, chemicky značen CO2, který je v trysce urychlován proudem stlačeného vzduchu na nadzvukovou rychlost. Jde o inertní, netoxický plyn bez zápachu a chuti. Teplota suchého ledu je −78,8 °C, při hustotě 1,1–1,6 kg/dm3. Při této teplotě CO2 oproti vodnímu ledu za normálních atmosférických podmínek netaje, ale sublimuje, tedy přechází z pevného skupenství přímo do plynného, aniž by zkapalnil [1]. Sublimační teplo při této změně z −78,8 °C na 0 °C je 640 kJ/kg. Při dopadu částeček CO2 se při teplotě −78,8 °C povrch prudce ochlazuje, nečistota křehne a ztrácí svoji adhezi k podkladu, nastává teplotní šok. Současně s tímto teplotním efektem suchý led intenzivně sublimuje, zvětšuje svůj objem a za vzniku vysoké vnitřní tenze odstraňuje z povrchu narušené nečistoty, bez vzniku sekundárního odpadu. Jedná se o nedestruktivní, neabrazivní metodu díky nízkému stupni tvrdosti suchého ledu [1], vhodnou pro čištění povrchů dřevěných prvků historických staveb, artefaktů, kamenných soch a dalších povrchů.
2. Technologie úpravy povrchu suchým ledem
Obr. 1 Fáze procesu čištění povrchů suchým ledem, 1 – kinetická energie, 2 – termický efekt, 3 – explozivní efekt
Proces čištění povrchu prostřednictvím částeček CO2 má tři fáze vycházející z fyzikální podstaty sublimace suchého ledu a samotné technologie. První fáze začíná na ústí trysky, kdy prostřednictvím kinetické energie proudu částic a kónického tvaru samotné trysky, který tento proud urychluje, dostávají částice ledu rychlost vyšší než rychlost zvuku. Druhou fází je termický efekt, tedy teplotní šok materiálu, který je dán sublimační teplotou ledu. Při dopadu částeček suchého ledu na povrch se při teplotě −78,8 °C tento prudce ochlazuje, nečistota křehne a ztrácí svoji adhezi k podkladu. Současně s touto fází nastává třetí fáze a to je explozivní efekt, tedy intenzivní sublimace. Suchý led zvětšuje až 541krát svůj objem a za vzniku vysoké vnitřní tenze odstraňuje narušený povrch nečistot. Všechny fáze čištění jsou zobrazeny na obr. 1.
2.1 Zařízení SDI Select 60
Zařízení Cold jet SDI SelectTM 60 (obr. 2) je inovativní zařízení konstruováno tak, aby z jakékoli formy suchého ledu vytvářelo univerzální medium pro čištění metodou tryskání. Celé zařízení má hmotnost 161 kg a rozměry 720 mm × 610 mm × 1100 mm, obr. 2.
Obr. 2 Zařízení Cold jet SDI Select 60 s kompresorem
Stlačený vzduch je do zařízení přiváděn prostřednictvím kompresoru (obr. 2) a suchý led na povrch prvků prostřednictvím aplikačních trysek. Trysky jsou umístěny na aplikátor (obr. 3), který disponuje přepínačem (vzduch/suchý led) včetně LED osvětlení. Pro experimentální ověření i praktické čištění je zpravidla používána kombinace aplikačních trysek na 6,1 m dlouhé tryskací hadici, obr. 3. Nicméně při aplikacích ve vyšších polohách například v krovové konstrukci je možné hadici nastavit v délkách 10 m a 20 m. Nejběžnější kombinace trysek je použití přepínatelné (0–1–2–3) defragmentační trysky značené 312V2 a ploché trysky bez možnosti defragmentace 533S2, obr. 3. Pomocí defragmentační trysky (312V2) je možné přísun ledu na ústí trysky náklonem nožů ještě zjemnit pomocí voleb defragmentace (0–1–2–3) od 0 – otevřená tryska do 3 – jemné drcení. Požadovaný objem stlačeného vzduchu je závislý na typu použité trysky, přičemž pro obě je zapotřebí 1,4–5,1 m3/min., při tlaku 5,5 bar.
Obr. 3 Aplikační trysky 312V2 a 533S2, včetně aplikátoru
Hlavní prvky zařízení jsou ovládací panel a zásobník s noži, obr. 4. Na ovládacím panelu je možné volit množství ledu (spotřeby ledu) a výsledný tryskací tlak, kombinací těchto parametrů je možné dosahovat požadované kvality povrchů. Pomocí speciálně uložených nožů v prostoru zásobníku je možné defragmentovat suchý led na požadované množství. Kapacita násypky zásobníku je 22,6 kg při použití pelet a 27,2 kg při použití bloků suchého ledu. Zařízení dokáže udržet suchy led stále sypký díky systému profukování, rázy stlačeného vzduchu shluky ledu rozbíjejí, a tím zamezují ucpávání prostoru mezi řeznými noži a podavačem. Rázy stlačeného vzduchu je možné nastavit na ovládacím panelu jako automatické, používá se zejména v prostředí s vysokou relativní vzdušnou vlhkostí nebo manuálně odpovídající individuálním podmínkám. Vstupní použitý tlak přiváděný z kompresoru je 4,5–17,2 bar, na trysce je použitý tlak v rozmezí 1,4–17,5 bar. Spotřeba suchého ledu je od 0 do 2,7 kg/min. (množství ledu).
Obr. 4 Ovládací panel zařízení a prostor zásobníku s řeznými noži
2.2 Pevná forma částic CO2
Suchý led je pro dané aplikace používán ve formě peletek o průměru 3 mm nebo bloků o rozměru 210 mm × 125 mm × 125 mm a váze 5,0 kg, obr. 5. Bloky jsou v zásobníku pomocí nožů (obr. 4) odkrajovány na drobné částečky na požadované množství. Odkrajovaný led z bloků je ideální pro odstraňování tenkých vrstev, čištění měkkých materiálů nebo pro úpravu povrchu složitých geometrických tvarů. Pro odstranění silných a ulpělých vrstev jsou vhodnější pelety. Na základě formy suchého ledu a použití aplikačních trysek (312V2 nebo 533S2) je technologii možné dělit na peletovou a blokovou, a to s defragmentací ledu nebo bez defragmentace.
Obr. 5 Forma suchého ledu – blok a pelety
3. Realizace
Suchý led byl aplikován na různé povrchy, od dřeva až po kamenné materiály. V článku jsou představeny některé aplikace, a to vždy před a po úpravě povrchu suchým ledem.
3.1 Čištění a úprava povrchu dřevěných prvků staveb a artefaktů
Čištění povrchu dřeva, tedy odstranění nánosu od atmosférické koroze, špíny, mechů a nečistot (obr. 6), případně i od stop po degradační činnosti dřevokaznými houbami (obr. 7) je závislé na velikosti a původu nánosu (abiotické a biotické vlivy). A to zejména u dubu, kde reakce abiotických vlivů a extraktivních látek (zejména tříslovin) způsobí, že povrchové vrstvy dřeva změní barvu podle koncentrace extraktivních látek. Tyto lokální barevné skvrny jsou však součástí struktury dřeva penetrované do určité hloubky a proto není možné dosáhnou odstranění těchto barevných skvrn i po úpravě suchým ledem, obr. 6.
Obr. 6 Čištění povrchu dřeva od atmosférické koroze, špíny a jiných nečistot
Obr. 7 Čištění povrchu dřeva od mechů a stop po degradaci biotickými činiteli
Velmi často se technologie uplatňuje při odstraňování zbytků nánosů nátěrových hmot a asfaltových nánosů, ať už na dřevě jehličnatém nebo listnatém, obr. 8
Obr. 8 Odstranění zbytků nánosů nátěrových hmot a asfaltových nánosů
Technologie se osvědčila i při čištění dřevěných artefaktů, stavebně truhlářských výrobků i celých dřevěných staveb obr. 9–11.
Obr. 9 Čištění dřevěných artefaktů
Obr. 10 Zbavení nečistot a nánosů na povrchu stavebně truhlářských výrobků
Obr. 11 Čištění dřevěných prvků staveb
Uvedený suchý způsob čištění byl úspěšně použit i při odstraňování ohořelých povrchů dřevěných stavebních prvků (objektu horské chaty Libušín), obr. 12.
Obr. 12 Odstranění požárem zdegradované vrstvy dřevěného prvku
Obr. 13 Chromatogramy analyzovaných vzorků
Pro analýzu pachové stopy po úpravě částečkami suchého ledu byla provedena plynová chromatografie, obr. 13. Data ve výzkumné zprávě [2] vypovídají o tom, že neohořelé vzorky jak ošetřené tak i neošetřené částečkami suchého ledu se mezi sebou v chromatografické stopě příliš neliší. V jejich chromatogramech (studované metodou headspace) byly nalezeny látky typické pro dřevo (například kyselina octová „acetic acid“, obr. 13). Za to u dřeva ohořelého před a po úpravě suchým ledem byl zjištěn výrazný chromatografický rozdíl, tedy vzorky uvolňují při zahřívání navzájem se lišící směs nízkomolekulárních látek. U ohořelého vzorku před tryskáním je patrná ztráta „píků“ charakteristických pro původní neohořelé dřevo. Tedy z ohořelého a suchým ledem neupraveného vzorku se po zahřátí neuvolňují látky typické pro původní dřevo, zatímco z ohořelého a suchým ledem upraveného vzorku se při zvýšené teplotě tyto látky uvolňují. Je možné konstatovat, že úprava povrchu suchým ledem odstraňuje požárem zdegradovanou vrstvu a tak se mohou uvolnit plynné látky typické pro původní nespálené dřevo. V důsledku to znamená, že látky, které vznikají při hoření a jsou částečně zachyceny ve spálené vrstvě se do značné míry úpravou suchým ledem odstraní.
Technologie čištění je aplikovatelná, jak na staré dřevo tak i na úpravu dřeva nativního za účelem vytvoření historické patiny. Změna tlaku v kombinaci s množstvím ledu, umožňuje vytvářet různé hloubky reliéfu ve struktuře dřeva. Jde o zvýraznění letního dřeva a potlačení dřeva jarního, obr. 14.
Obr. 14 Dodání historické patiny novému dřevu
Mikroskopická struktura dřeva upraveného suchým ledem (obr. 15), při parametrech odpovídajících požadavku na odstranění nečistot, si zachovává vláknitý charakter, lomy tracheid jarního dřeva jsou tupé a vlákna letního dřeva odpovídají struktuře upravené rovinným frézováním [3].
![Obr. 15 A) Makroskopický pohled na povrch smrkové desky upravené CO2 ve formě pelet, B) pohled na strukturu opracovanou suchým ledem při malém zvětšení, B1) detail jarního dřeva smrku a B2) detail letního dřeva smrku [3]](/docu/clanky/0126/012650o28.jpg)
Obr. 15 A) Makroskopický pohled na povrch smrkové desky upravené CO2 ve formě pelet, B) pohled na strukturu opracovanou suchým ledem při malém zvětšení, B1) detail jarního dřeva smrku a B2) detail letního dřeva smrku [3]
Uvedené změny morfologie povrchu po úpravě suchým ledem je možné z pohledu smáčení povrchu považovat za pozitivní. Vliv opracování povrchu dřeva suchým ledem na smáčení kapalinami různé polarity je významný zejména při přípravě povrchu za účelem ochrany kapalnými ochrannými prostředky. Dřevo v konstrukcích je zanesené nečistotami různého charakteru, od prachu, zbytků povrchových úprav až po ptačí nebo netopýří trus. Výsledky smáčení a volné povrchové energie a jejich složek v publikacích autorů [4–7] ukázali tab. 1, že když se struktura starého dřeva opracuje suchým ledem, tak se nejen efektivně odstraní nečistoty, ale rovněž dojde ke zkvalitnění jeho povrchu pro další povrchovou úpravu. V takovémto případě bude dřevo dobře smáčet nepolární i nepolárně-polární kapaliny díky tomu, že se zvýší jeho povrchová energie a to v důsledku zvýšení polární a disperzní složky [5]. Zvýšení volné povrchové energie zvyšuje i lepší adhezi těchto látek k povrchu dřeva, tab. 1.
| Způsob opracování | Čas vsáknutí | Kontaktní úhel | Volná povrchová energie a její složky | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| t | θ0 | θu | θw | γs | γsp | γsd | ||
| [s] | [º] | [mJ‧m−2] | ||||||
| Starý povrch neupravený |  | 1,23 | 29,87 | 21,71 | 22,41 | 85,75 | 37,14 | 48,61 |
| s | 0,77 | 18,81 | 11,671 | 12,15 | 0,918 | 8,14 | 8,62 | |
| xmin | 1,00 | 70,50 | 38,20 | 38,2 | 67,27 | 49,29 | 45,24 | |
| xmax | 5,00 | 3,20 | 3,20 | 3,2 | 63,54 | 21,36 | 15,46 | |
| v [%] | 62,60 | 62,96 | 53,77 | 54,24 | 1,39 | 21,93 | 30,75 | |
| n | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | |
| VODA | ||||||||
| Starý povrch upravený suchým ledem | | 0 | 13,98 | 10,25 | 10,48 | 94,14 | 43,56 | 50,55 |
| s | 0 | 16,77 | 10,21 | 10,52 | 0,92 | 8,42 | 9,114 | |
| xmin | 0 | 54,6 | 39,7 | 39,7 | 67,61 | 49,50 | 44,00 | |
| xmax | 0 | 2,1 | 2,1 | 2,1 | 63,13 | 22,55 | 15,24 | |
| v [%] | 0 | 120,01 | 99,62 | 100,38 | 1,41 | 19,34 | 42,10 | |
| n | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | |
3.2 Čištění a úprava povrchu kamenných prvků, soch a zdiva
Mimo úpravy povrchů dřevěných materiálů je technologii možné použít i při čištění povrchů kamenných prvků, soch, zdiva apod. Na obrázku 16–19 jsou uvedeny některé z realizací.
Obr. 16 Odstranění nánosů mechů a řas z povrchu kamenné kašny
Obr. 17 Odstranění exhalátů a nečistot způsobených kyselými dešti
Obr. 18 Odstranění tenkovrstvých omítek, nečistot a exhalátů
Obr. 19 Čištění zbytků omítek z povrchu keramického zdiva
4. Závěr
Předkládaný článek představuje neabrazivní metodu zbavení povrchu nečistot pomocí částeček suchého ledu. Účinnost metody byla představena při aplikacích na různé povrchy. Suchý proces čištění má nesporné výhody: 1) částice suchého ledu ihned sublimují, 2) nevzniká žádný sekundární odpad, 3) jedná se o ekologickou technologii čištění, 4) nepoužívají se žádné toxické ani podpůrné chemické látky a v neposlední řadě metoda zkracuje čas nutný na případnou demontáž, což je efektivní zejména v průmyslových provozech.
Literatura
- [1] Naswettrová, A., Šmíra, P.: Firemní materiály k zařízení SDI Select 60. Technická literatura, Thermo Sanace s.r.o. 2014.
- [2] Trhlíková, O., Dušková-Smrčková, M. Plynová chromatografie povrchových vzorků konstrukčního dřeva z objektu Libušín (Pustevny) po požáru v březnu 2014. Výzkumná zpráva pro společnost Thermo Sanace s.r.o. Ústav makromolekulární chemie AV ČR, v.v.i., 2014.
- [3] Čunderlík, I., Šmíra, P. Microscopic analyses of wood surface structure treated by different technologies. In.: Sborník ke konferenci: Nové nedestruktivní metody diagnostiky a sanace dřevěných konstrukcí. Šmíra-Print, s.r.o., 2014, s. 177–185. ISBN: 978-80-87427-83-5
- [4] Kúdela, J., Šmíra, P., Nasswettrová, A. Dry-ice surface cleaning of old wood aimed to improve its wetting and impregnation. Part 1. Wood wetting. Sborník ke konferenci: Nové nedestruktivní metody diagnostiky a sanace dřevěných konstrukcí. Šmíra-Print, s.r.o., 2014, s. 157–166. ISBN: 978-80-87427-83-5
- [5] Šmíra, P., Ihracký, P., Mrenica, L., Nasswettrová, A., Kúdela, J. 2014a. Pre-treatment of surface of old wood structural elements with dry ice. In: Proceedings of the 57th International Convention of Society of Wood Science and Technology (Eds.: Barnes, H. M. and Herian, V. L.), SWST, Monona, W, US, p. 727–736. ISBN 978-0-9817876-4-0
- [6] Šmíra, P., Nasswettrová, A., Kúdela, J. 2014B: Testovanie technológií čistenia a reliéfovania povrchu dreva suchým ľadom. In.: Trieskové a beztrieskové obrábanie dreva 2014. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 6 s.
- [7] Kúdela, J., Šmíra, P., Nasswettrová, A., Mrenica, L. 2014: Vplyv netradičných spôsobov mechanického opracovania na morfológiu povrchu smrekového dreva. In.: Trieskové a beztrieskové obrábanie dreva 2014. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 8 s.
The article presents a technological procedure and possibilities for surface treatment of different materials by using compact parts of CO2dry ice. A purifying medium is accelerated in the nozzle of the SDI Select 60 device by compressed air stream to a supersonic speed, and so it reaches high kinetic energy. The impact of CO2 at the temperature −78.8 °C rapidly cools down the surface; dirtiness becomes brittle and loses its base adhesion, causing temperature shock. Simultaneously with this temperature effect, dry ice intensively sublimates, increases its volume and removes, at high inner tension, the impaired surface of dirtiness without any formation of abrasion waste. The device is applicable to the removal of contamination from elements which cannot be saturated with water or when it is necessary to modify elements with no need to dismantle them. The report introduces the technology when removing contamination on the surface of wooden construction elements, artefacts and stone statues, as well as when forming a relief on the native wooden surface and at a surface treatment before the application of paint, or fungicidal and insecticidal agents.