Исследование кинетики испарения растворителей лакокрасочных материалов в электрическом поле аэроионизационного устройства

УДК 674.07

М. В. Газеев, Е. А Газеева, О. Н. Чернышев,

A. П. Золкин

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ИСПАРЕНИЯ РАСТВОРИТЕЛЕЙ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ АЭРОИОНИЗАЦИОННОГО УСТРОЙСТВА

Ключевые слова: аэроионизация, сушка лакокрасочных покрытий, напряженность электрического поля, растворитель, испарение.

Создание условий, обеспечивающих быстрое высыхание жидких лакокрасочных материалов на поверхности подложки из древесины, имеет важное значение для сокращения всего производственного цикла отделки изделий. В зависимости от физико-химической природы нанесенного на поверхность древесины жидкого лакокрасочного материала превращение его в покрытие происходит за счет испарения летучих растворителей и химических превращений пленкообразователя. Одним из факторов, оказывающих значительное влияние на процесс пленко-образования лакокрасочных покрытий, является скорость испарения растворителей. В естественных условиях превращению жидкости в газ препятствует межмолекулярное взаимодействие. В условиях аэроионизации наблюдается воздействие на лакокрасочное покрытие электрического поля, обладающего энергией и способного ослабить межмолекулярное взаимодействие, ускорив процесс испарения растворителей. В результате исследования влияния электрического поля, создаваемого аэроионизационной установкой на процесс испарения растворителей, установлено, что с повышением напряженности поля увеличивается количество испарившегося растворителя. Процесс испарения воды под действием поля напряженности Е = 120 кВ/м протекает в 6,4 раза эффективнее по сравнению с естественными условиями (t=20±2 0C; W=65±5%). Количество испарившегося уайт-спирита увеличивается в 2,4 раза, растворителя полиуретанового лака - в 2,6.

Keywords: aero ionization, drying of lacquer coatings, electric field intensity, solvent, evaporation.

The creation of the conditions providing fast drying of liquid paintwork material on a substrate surface from wood very important condition for reduction of all production cycle offinishing of products. The depending on the physical and chemical nature applied on a surface of wood of liquid paintwork material its transformation into a covering occurs due to evaporation offlying solvents and chemical transformations offilming agent. One of the factors having considerable impact on process of film formation of lacquer coatings is the speed of evaporation of solvents. Under natural conditions transformation of liquid into gas is interfered by intermolecular interaction. In the conditions of aero ionization impact on a lacquer coatings of the electric field possessing a certain energy and capable to weaken intermolecular interaction is observed, having accelerated process of evaporation of solvents. As a result of research of influence of electric field of the evaporation of solvents created by aero ionization installation on process it is established that with increase of intensity of a field evaporation speed increases. Process of evaporation of water under the influence of a field at intensity E = 120 kV/m proceeds 6,4 times quicker in comparison with natural conditions (t=20±2 0C; W=65±5%). The speed of evaporation of white spirit increases by 2,4 time, solvent of a polyurethane varnish - in 2,6.

Одним из факторов, оказывающих значительное влияние на процесс пленкообразования лакокрасочных покрытий на древесине, является скорость испарения растворителей. Летучие вещества, с одной стороны, облегчающие применение лакокрасочного материала, препятствуют протеканию химических реакций пленкообразования - с другой, к тому же значительное повышение скорости испарения растворителей может привести к появлению дефектов на поверхности покрытия (пузырей, трещин и т.д).

Следует учитывать тот факт, что после нанесения жидкого ЛКМ на поверхность древесины происходит их поглощение поверхностными слоями. Взаимодействие древесины с растворителем сопровождается набуханием и может вызвать появление неровностей в виде поднявшегося ворса.

Древесина и ее поверхность не неодинаково набухает при контакте с различными жидкостями, на что влияет относительная диэлектрическая проницаемость жидкостей [1, 2].

Наибольшее набухание древесины происходит при контакте с водой. Предположение о том, что вода при взаимодействии с целлюлозой образует гидраты с образованием водного раствора в аморфных областях целлюлозы было выдвинуто Катцем. Его идея заключалась в том, что растворитель вызывающий набухание, проникает в аморфные участки

целлюлозных микрофибрилл и между микрофибриллами древесины. Целлюлоза и древесина являются сорбентом с развитой внутренней поверхностью, образуемой системой макрокапилляров и полостями клеток [3].

Уменьшение степени диэлектрической проницаемости е контактирующих с древесиной жидкостей приводит к снижению их поглощения древесиной. Древесина практически не набухает в жидкостях с е < 5 - ароматических (бензол, толуол, ксилол) и особенно алифатических углеводородах (уайт-спирит) наблюдается лишь их частичное впитывание. Поэтому диэлектрическая проницаемость и состав растворителей в лакокрасочных материалах, наносимых непосредственно на древесину, влияет на стабильность ее поверхности [1].

Получается, что анатомическое строение древесины, а также ее химические и физические свойства во многом определяют характер сорбции жидкостей её поверхностью. На результаты отделочных операций древесины влияют: присущее древесине капиллярно-пористое строение с резко выраженной анизотропией свойств в различных направлениях, способность сохнуть, увлажняться и ограниченно набухать, а также сложный химический состав.

Анализируя выше озвученное необходимо обеспечить такие условия пленкообразования на поверх-

ности древесины, при которых будет происходить быстрое испарение растворителя из сохнущего покрытия, а также минимальное его взаимодействие с древесной подложкой.

В естественных условиях превращению жидкости в газ препятствует межмолекулярное взаимодействие, сила которого зависит от химического строения вещества [4]. Из исследований Чураева Н.В. известно, что процесс испарения воды из капилляра в неоднородном электрическом поле и поле коронного разряда протекает быстрее по сравнению с естественными условиями в 1,5-2 раза. В своих исследованиях он показывает, что эффект имеет место не только для воды, но также для этиленгли-коля, бутанола [5].

В настоящее время существуют различные способы ускоренной сушки лакокрасочных покрытий на древесине, в основе которых лежит ускорение физического процесса испарения растворителей ЛКМ.

Исследования, выполняемые на кафедре механической обработки древесины и производственной безопасности Уральского государственного лесотехнического университета по выявлению влияния аэроионизации на ускорение отверждения ЛКП на древесине показали эффективность ее применения [6]. В условиях аэроионизации наблюдается воздействие на ЛКП электромагнитного поля, обладающего определенной энергией и способного ослабить межмолекулярное взаимодействие, ускорив процесс испарения [7, 8].

Цель исследования - определить влияние аэроионизации на процесс испарения растворителей ЛКМ.

В качестве материалов исследования использовали следующие растворители: вода, уайт-спирит, Р 734 (Sirca, Италия).

При проведении экспериментальных исследований использовали: электроэффлювиальное аэроионизационное устройство (ЭЭАУ), представленное на рис. 1; прибор ИЭСП-01, для определения напряженности электрического поля; весы электронные ВЛТ-510-П для определения массовой доли летучих веществ; чашку Петри.

Первоначально была определена величина напряженности электрического поля, создаваемого ЭИ в зависимости от расстояния (удаления) до него. В результате были построены графики, приведенные на рис. 2. Кроме показаний прибора были получены расчетные значения напряженности Е по формуле [9]:

Е = Uh, кВ/м

где U - напряжение на ВВГ, кВ; h - расстояние от контролируемой точки до ЭИ, м.

Построение выполнили экспериментальным и теоретическим методами, из которых видно, что электрическое поле с приближением к ЭИ значительно усиливается, что соответствует физике электрического униполярного коронного разряда. Погрешность эмпирических значений может быть обусловлена, относительной погрешностью измерения прибора ИЭСП-01, которая по паспортным данным составляет в нормальных климатических условиях

не более ±20 %. Рассматриваемое поле не является идеально однородным: для поддержания поля на расстоянии от ЭИ возникают сторонние силы неэлектрического происхождения, обусловленные химическими процессами, диффузией носителей тока по градиенту концентрации и т. д. Эти силы вызывают увеличение замеряемого значение напряженности.

При оценки времени испарения растворителей эксперимент выполняли следующим образом: ЭИ устанавливали на заданную высоту, которая соответствовала положению одной из контрольных точек при замере напряженности, с помощью ВВБ регулировалось выходное отрицательное напряжение (12 или 24 кВ). В чашку Петри наливался растворитель на уровень 2-3 мм от дна, чтобы полностью было скрыто дно и процесс испарения с поверхности происходил равномерно. На электронных весах определяли массу растворителя в чашке Петри, после чего ее помещали в ЭЭАУ под ЭИ. Далее масса чашки с растворителем фиксировалась каждые 10 минут. Через определенное количество, полученных показаний ЭИ перемещали на следующую высоту (положение следующей контрольной точки в эксперименте по замеру напряженности) и повторяли опыт.

Рис. 1 - Аэроионизационное электроэффлюви-альное устройство: 1 - высоковольтный блок

В результате исследования влияния электрического поля ЭЭАУ на процесс испарения растворителей установлено, что с повышением напряженности поля увеличивается скорость испарения. Полученные экспериментальные данные представлены в виде графиков на рис. 3-4. При анализе графика видно, что процесс испарения воды (рис. 3) под действием электрического поля аэроионизатора при напряжении 24 кВ на расстоянии от ионизатора 0,2 м (что соответствует напряженности Е = 120 кВ/м) протекает в 6,4 раза быстрее по сравнению с естественными условиями. Электризация поверхности воды возникает на границе с воздухом как неполярной средой. Происходит самопроизвольная ориентация молекул воды. При этом неполярная фаза оказывается положительной по отношению к поверхности воды и разность потенциалов на границе воздух-вода равна 0,1-0,2 В, что происходит в результате адсорбции [10]. При наложении внешнего электри-

ческого поля эти процессы усиливаются и молекулы воды на поверхности переходят в возбужденное состояние.

Увеличение количества испарившейся воды подтверждает проведенные ранее исследования по снижению шероховатости поверхности покрытия, объясняется это тем, что разбавитель, входящий в ЛКМ, поляризуясь, выходит на поверхность и лишь его малая часть взаимодействует с древесной подложкой и проникает в аморфные участки целлюлозных микрофибрилл и между микрофибриллами, вызывая лишь не значительное увеличение шероховатости.

Расстояние; Т еор етнческн при 12 кВ -w- Т еор етнческн

-Показания прибора при 12 кВ Показания прибора :

Рис. 2 - Зависимость напряженности электрического поля от расстояния до электроэффлюви-ального излучателя

По полученным экспериментальным данным были построены графики кинетики из которых (рис. 3 -4) можно сделать вывод о влиянии аэроионизации на процесс испарения растворителей: при расстоянии между излучателем и поверхностью растворителя h = 0,1 м, количество испарившегося уайт-спирита увеличивается в 2,4 раза, растворителя полиуретанового лака Sirca - в 2,6. При приближении излучателя к покрытию (h = 0,025 м) масса испарившегося уайт-спирита продолжает увеличиваться, в то время как Р 734 - снижается, почти приближаясь к результатам, полученным в естественных условиях.

Растворитель Р734 (Sirca, Италия) представляет собой смесь ксилолов (представителей аренов бензольного ряда), такие соединения имеют дипольные моменты, направленные от алкильной группы на бензольный цикл.

10,2 10

9,2

-i II -i Ь 032х + I7 = 0,9Е 10,03

........ Ь- f = -0,V 79х + 1 (

R2 ......................... i = 0,99

у = -( 1,214х + 10,215 1 5

R2 = 0,! >9

Время,

• Естественные условия  24 кВ; 0,2 м

Линейная

12 кВ; 0,2 м (более 100 кВ/м) Линейная (Естественные условия) -Линейная (24 кВ; 0,2 м (более 100

кВ/м))

Предполагают также, что благодаря образованию замкнутых молекулярных орбиталей в молекулах бензола и его гомологов под влиянием внешних факторов может возникать кольцевой ток вследствие движения электронов по кольцу [11]. Таким образом под действием внешнего поля Е = 240 кВ/м происходит поляризация молекул растворителя и разрыв связей межмолекулярного взаимодействия, следовательно, возрастает скорость испарения растворителя [7].

10,2 л

10 -

9,8 -

«

о о 9,6 -

I

9,4 -

9,2 -

9 -

lililí y = -0,0029x + 9,9919 R2 = 0 9788

—

\ y =  -0,С R 1105 2 = , >x + 0,9Í 9,9 35 Í671

о

10

50

Рис. 3 - Кинетика испарения воды

20 30 40

Время испарения, мин

♦ Естественные условия  Воздействие АФК при 24 кВ; 0,2м

—Линейный

Рис. 4 - Кинетика испарения уайт-спирита

При E = 960 кВ/м в результате действия сильного электромагнитного поля часть поляризованных молекул увлекается потоком заряженных аэроионов и не может покинуть свободную поверхность жидкости. Скорость испарения растворителя уменьшается. Что подтверждает результаты исследования Чураева В.Н. об отсутствии эффекта для неполярного бензола [5]. Полученные данные можно объяснить разной химической структурой исследуемых материалов.

Уайт-спирит представляет собой продукт перегонки нефти, состоящий из смеси углеводородов (содержание ароматических углеводородов - не более 16 %) [12]. Наличие предельных алифатических углеводородов сокращает возможность для поляризации молекул уайт-спирита. В результате под действием поля происходит только разрыв связей межмолекулярного взаимодействия. Появление электромагнитного поля и потоков заряженных аэроионов не оказывает значительного влияния на изменение скорости испарения, наоборот, наблюдается ее повышение под воздействием увеличивающего энергетического воздействия поля [13].

Выводы

Результаты исследований показывают, что напряженность электрического поля электроэффлю-виальной аэроионизационной установки влияет на кинетику испарения растворителей (вода, уайт-спирит, Р 734 (Sirca, Италия)), входящих в состав жидких ЛКМ для отделки изделий из древесины. Следовательно, аэроионизация представляет собой перспективный способ интенсификации сушки ЛКП образованных жидкими ЛКМ.

Способ позволит сократить время испарения растворителей, что приведет к сокращению общего технологического цикла изготовления изделий, а также снизить себестоимость отделки изделий жидкими ЛКМ.

Литература

1. Рыбин Б.М. Технология и оборудование защитно-декоративных покрытий древесины и дре-весных материалов: учебник для студентов вузов, / Б. М. Рыбин; Моск. гос. ун-т леса. - 3-е изд. - М.: МГУЛ, 2007. - 568 с.

2. Азаров В.И. Химия древесины и синтетических полимеров: учеб. пособие для вузов./ В.И. Азаров, А.В. Буров, А.В. Оболенская СПб.: СПбЛТА, 1999. - 628 с.

3. Лоскутов С.Р. Физические основы взаимодействия древесины с водой. / С.Р. Лоскутов, Б.С. Чудинов - Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1989. - 216 с.

4. Грандберг И.И. Органическая химия: Учеб. для с/х и биол. спец. вузов / И.И. Грандберг; М.: Высш. шк. 1987. - 480 с.

5. Чураев Н.В. Физикохимия процессов массопереноса в пористых телах /Н.В. Чураев. - М.: Химия, 1990. -С.187-188.

6. Сафин Р.Г. Аэроионизация и эффективность её применения для ускорения сушки лакокрасочных покрытий на древесине / Р.Г. Сафин, М.В. Газеев, Т.О. Степанова. Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т.18, №22, - С. 54-58.

7. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия: Учебник для вузов / Н.С. Ахметов; М.: Высш. шк.; 2005. - 743 с.

8. Савельев, И.В. Курс физики [Текст]: Учеб. пособие в 3 т. Т. 2. Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика / И.В. Савельев; СПб.: «Лань», 2007. - 480 с.

9. Поляков В. Физика аэроионизации [Текст] / В. Поляков // Радио 2002. №3. - С. 36-39

10. Вернигорова В.Н. Физико-химические основы строительного материаловедения: Учебное пособие. / В.Н. Вернигорова, Н.И. Макридин и др. М.: Изд-во АСВ, 2003. - С. 82-83.

11. Нейланд О.Я. Органическая химия [Текст]: Учеб. для хим. спец. вузов / О.Я. Нейланд; М.: Высш. шк. 1990. -751 с.

12. Дринберг С.А. Растворители для лакокрасочных материалов: / С.А. Дринберг, Э.Ф. Ицко - Справочное пособие 2е издание. Л: Химия, 1986. - 208с.

13. Газеев М.В. Исследование отверждения лакокрасочного покрытия, образованного пентафталевым лаком, на древесине при аэроионизации / М.В. Газеев, Е.В. Тихонова // Электронный научный журнал Современные проблемы науки и образования №6, 2013. URL.: https://science-education.ra/ru/article/view?id=11598 (дата обращения 20.11.2016).

М. В. Газеев - канд. техн. наук, доцент кафедры механической обработки древесины Уральского государственного лесотехнического университета, gazeev_m@list.ru; Е. А Газеева - канд. техн. наук, доценттой же кафедры, saz-elena@yandex.ru; О. Н. Чернышев - канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой механической обработки древесины и производственной безопасности Уральского государственного лесотехнического университета, olegch62@mail.ru; A. П. Золкин - доцент кафедры технической механики, Уральский государственный горный университет.

© M. V. Gazeev - Associate Professor the department of mechanical woodworking and safety Federal State Educational Institution of Higher Education "Ural State Forestry Engineering University", PhD in Engineering, Associate Professor, Ekaterinburg, gaz-eev_m@list.ru; Е. А. Gazeeva - Associate Professor the department of technology and equipment timber production Federal State Educational Institution of Higher Education "Ural State Forestry Engineering University", PhD in Engineering, Associate Professor, Ekaterinburg, saz-elena@yandex.ru; O. N. Chernishev - Department Chairman of mechanical woodworking and safety Federal State Educational Institution of Higher Education "Ural State Forestry Engineering University", PhD in Engineering, Associate Professor, Ekaterinburg; А. Р. Zolkin - Associate Professor the department of technical mechanics, Federal State Educational Institution of Higher Education "Ural State Mining University".