Моделирование электрического поля при аэроионизационной сушке лакокрасочных покрытий на древесине

УДК 674.07

М. В. Газеев, С. Н. Исаков МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПРИ АЭРОИОНИЗАЦИОННОЙ СУШКЕ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ДРЕВЕСИНЕ

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

На кафедре механической обработки древесины УГЛТУ исследуется аэроионизационный способ ускоренной сушки лакокрасочных покрытий (ЛКП) на древесине. В условиях аэроионизации наблюдается воздействие на ЛКП электрического поля, обладающего определенной энергией и способного ускорить процесс сушки покрытий. В данной работе проводились исследования по изучению электрического поля, формируемого металлическими электродами электроэффлювиального излучателя аэроионизационной установки для ускорения сушки ЛКП на древесине. Была отработана методика применения программного комплекса для моделирования электрических полей, создаваемых электродами аэроионизационной установки в двумерном и трехмерном пространстве разрядного промежутка от электродов до образца из древесины с ЛКП. В результате были получены модели, визуально отражающие векторные суммы распределения напряженности электрического поля, создаваемого электродами аэроионизационного устройства. Модели наглядно демонстрируют, что напряженность электрического поля неоднородна непосредственно под электродами. Увеличение расстояния от электродов выравнивает напряженность электрического поля.

Keywords: modelling, aeroionization, drying of lacquer coatings, electric field vector.

At department of mechanical woodworking of Ural State Forestry Engineering University the aero ionization way of the accelerated drying of lacquer coatings on wood is investigated. In the conditions of aero ionization impact on lacquer coatings of the electric field possessing a certain energy and capable to accelerate process of drying of coverings is observed. In this work researches on studying of the electric field formed by metal electrodes of aero ionization installation for acceleration of lacquer coatings on wood were conducted. The technique of application of the program complex for modeling of the electric fields vector created by electrodes of aero ionization installation in 2D and 3D space of a digit interval from electrodes to a sample from wood with lacquer coatings has been fulfilled. Models visually reflecting vector sums of distribution of intensity of the electric field created by electrodes of the aero ionization device have been as a result received. Models visually show that intensity of electric field is non-uniform directly under electrodes. Increase in distance from electrodes levels intensity of electric fieldvector.

Сушка ЛКП на изделиях из древесины, как правило, является самым продолжительным этапом из всего технологического цикла отделки. В настоящее время существуют различные способы ускорения или интенсификации сушки (отверждения) ЛКП на древесине: конвективный, инфракрасный, применение ультрафиолетовых лучей, микроволновый, аэроионизационный и др. Все способы работают при сообщении отверждаемому покрытию дополнительной энергии [1, 2]. На кафедре механической обработки древесины УГЛТУ широко исследуется аэроионизационный способ ускоренной сушки ЛКП. В условиях аэроионизации наблюдается воздействие на ЛКП электрического поля, обладающего определенной энергией способной ускорить процесс сушки покрытий. Активные формы кислорода, образующиеся в процессе ионизации воздуха могут вступать в реакцию полимеризации, ускоряя ее [3].

Источником активных форм кислорода, формирующихся в электрическом поле электроэффлюви-ального аэроионизационного устройства (ЭЭАУ), являются металлические электроды (иглы) которые размещаются на специальном излучателе с шагом 0,04 м. В результате проведенных исследования по ускорению сушки ЛКП на древесине установлено, что изменение шага между электродами излучателя £ = 0,02 ^ 0,04 м, а также изменением расстояния в вертикальной плоскости до образца с покрытием оказывает влияние на эффективность аэроионизационной сушки. Увеличение количества электродов на излучателе ЭЭАУ не дало значительного эффекта по

сокращению времени отверждения ЛКП. Расстояние между электродами (шаг) в диапазоне 0,04 ^ 0,05 м было предложено еще А.Л. Чижевским как наиболее рациональное значение, при котором «два электрода дают удвоенное значение силы тока на приемный экран» [4].

Для исследования распределения электрического поля ЭЭАУ был проведен классический эксперимент, цель которого определить зависимость времени пленкообразования полиуретановых ЛКП на древесине при аэроионизации от характера распределения электрического поля, создаваемого электроэф-флювиальным излучателем [5]. Пленкообразование производилось при аэроионизации и в естественных условиях (температура воздуха t = 20 ± 2 °С, влажность воздуха Ж = 60 ± 5 %).

В качестве материала использовался двухкомпо-нентный полиуретановый лак VerinlegnoI 362 УЬХ 36 (Италия). На подложках из древесины сосны с расход ЛКМ 120 г/м2, формировались двухслойные покрытия. Время пленкообразования ЛКП фиксировалось по ГОСТ 19007-73.

По данным проведенных исследований были получены наиболее оптимальными условия интенсификации пленкообразования полиуретановых ЛКМ при аэроионизации, что соответствует расстоянию между образцом и излучателем h=0,025 м, шагу между электродами 0,04 м при напряжении и = 24 кВ [5]. Уменьшение шага между электродами с 0,04 до 0,02 м не дает эффекта по сокращению времени сушки ЛКП, образованных полиуретановыми ЛКМ

на древесине. Время сушки двухслойного покрытия при аэроионизации с шагом сетки 0,04 м составило 3 часа, а с шагом 0,02 м 4 часа (в естетсвенных условиях 7 часов).

В результате проведенных исследований были получены образцы с ЛКП, на которых, при визуальном осмотре наблюдаются круглые матовые пятна, вызванные наложением электрического поля излучателя ЭЭАУ. По полученным пятнам можно утверждать о характере распределения электрического поля ЭЭАУ на поверхности ЛКП непосредственно под электродами.

Проецирование поля на поверхность выглядит в виде окружности, что связано с таким физическим явлением, как дрейф заряженных частиц. Из физики известно, что движущиеся электрические заряды создают магнитное поле, направление которого определяется вектором напряженности электрического поля [6, 7]. При совместном действии электрического и магнитного полей на движущиеся активные формы кислорода действует сила Лоренца, которая препятствует перекрытию потоков от двух соседних электродов. Траекторию движения активных форм кислорода в этом случае можно представить в виде спирали [6].

По результатам проведенных экспериментальных исследований в промежутках между электродами, где нет направленного воздействия потоков аэроионов на ЛКП, процесс пленкообразования протекает медленнее, чем непосредственно под электродом, где на поверхности ЛКП появляются круглые матовые «отпечатки» электрического поля, что подтверждает теорию дрейфа заряженных частиц в электрическом поле ЭЭАУ.

Для дальнейшего исследования электрического поля ЭЭАУ, была поставлена цель - смоделировать процесс создания электрического поля электродами ЭЭАУ и его распределение в воздушном промежутке от электродов до поверхности ЛКП на ЭВМ с применением специализированных прикладных программ.

Создание компьютерной модели распределения электрического поля позволит наглядно его увидеть, а также получить геометрические параметры. Моделирование условно можем разделить на два этапа. Первый этап. В программе трехмерного моделирования «КОМПАС» была построена твердотельная модель для четырех металлических электродов излучателя ЭЭАУ длинной 26 мм. Второй этап, когда импортируем полученную модель в программу инженерных расчетов на основе конечных элементов. На модель наносится конечно-элементная сетка. При моделировании процесса использовали две модели: конечный элемент типа Electrostatic 121 для 2D моделирования и Electrostatic 122 для 3D [8].

При создании 2D модели ионизатора её разбили на конечно-элементную сетку из 12971 элементов, с размером элемента 2 мм.

Для наглядного моделирования и формирования электрического поля в разрядном промежутке, подводим на электроды ЭЭАУ напряжение 24 кВ отрицательного знака и создаем второй электрод у основания модели. Масштабируем (сопоставляем) шкалу

напряженности Е (В/м) электрического поля, создаваемого ЭЭАУ в соответствии с эмпирическими и расчетными значениями. В результате получаем визуальное распределение напряженности электрического поля, формируемого отдельными электродами ЭЭАУ, а также геометрические параметры (рис.1).

Рис. 1 - Форма и размер напряженности электрического поля, В/м

На рис. 1 видно, что при увеличении расстояния от электродов напряженность электрического поля выравнивается. Поле неоднородно, непосредственно под электродами составило порядка 900 кВ/м, на удалении до 0,044 мм - 570 кВ/ми дальнейшее увеличение расстояния от 0,044 до 0,2 м приводит к выравниванию напряженности, что подтверждается расчетами и экспериментом.

Следующий этап моделирования в программе инженерных расчетов, это размещение образца из древесины с ЛКП под электродами ЭЭАУ на расстоянии 0,025 м, согласно полученным экспериментальным данным для сушки полиуретановых ЛКМ (рис. 2).

Рис. 2 - Модель аэроионизатора, где М1 - воздух, М2 - ЛКП, М3 - древесина

В программебыли заданы каждому элементу модели соответствующиезначения диэлектрической проницаемости, соответственно: М1=1.0057, М2=7 и М3=2 [9]. В результате получена конечно-элементная сетка из 6700 элементов. При подведении к электродам постоянного отрицательного напряжения в 24 кВ получили картину распределения напряженности электрического поля до поверхности древесины с ЛКП (рис.3).

Таким образом, электрическое поле на поверхности ЛКП неоднородно, непосредственно под электродом напряженность выше, следовательно, и процесс сушки протекает неравномерно.

При создании 3D модели ЭЭАУ, получили конечно-элементную сетку из 294000 элементов (с размером элемента 2 мм). Для того, чтобы исследо-

вать влияние соседних электродов на формирование электрического поля их разместили по углам квадрата с шагом 0,04 м. В результате получили наглядную модель распределения напряженности электрического поля от соседних электродов в виде проекции на поверхность расположенной на расстоянии 0,025 м, что также подтверждает результаты натурных экспериментов (рис. 4).

14. бТ&5 jTji.itii.iti 5™й>[> ЙЙОШЙ? .4ййЕ+1п

&1&06 750&00 .!;&£•&?

Рис. 3 - Напряженность электрического поля В/м

Рис. 4 - Форма и распределение напряженности электрического поля В/м в 3D пространстве

При рассмотрении электрического поля, создаваемого соседними электродами ЭЭАУ, расположенных на расстоянии I = 0,04 м друг от друга и на расстоянии между концом электрода и поверхностью ЛКП И = 0,025. (рис. 3-4). Как видно из полученной модели, в близи выступов на электродах силовые линии наиболее сильно искривлены и сближены друг с другом. В этих областях напряженность поля максимальна и ослабевает по мере удаления от электрода.

Расчетные значения напряженности электрического поля при возможных значениях напряжения на электроде аэроионизатора можно определить по формуле

Е = %, В/м

где и - напряжение, подаваемое на электрод, В; И -расстояние от контролируемой точки до электрода, м.

Следовательно, для получения равномерного распределения электрического поля на поверхности сохнущего ЛКП, при расстоянии от электрода 0,0250,044 м необходимо добиться перекрытия полей от

соседних электродов. Такое воздействие возможно при перемещении образца относительно электродов по синусоидальной траектории (для перекрытия отпечатков их полей).

Для подтверждения гипотезы был проведен эксперимент с перемещением образца по синусоидальной траектории в горизонтальной плоскости при аэроионизационной сушке покрытия.

Перемещение по синусоиде позволило перекрыть влияние электромагнитных полей от соседних электродов и обеспечить равномерность формирования покрытия, за исключением потери блеска. Покрытие приобретает при таком режиме сушки (отверждения) матовость. В результате наблюдается сокращение времени пленкообразования ЛКП на всей поверхности образца в 1,5 ^ 2 раза по сравнению с естественными условиями.

Таким образом, характер распределения электрического поля оказывает решающее влияние на эффективность аэроионизации. Повышение скорости пленкообразования полиуретановых покрытий возможно только непосредственно под электродом ЭЭАУ. Поэтому перемещение образца с ЛКП или электрического поля является необходимым условием применения метода для полиуретановых ЛКМ. Перемещать образец необходимо дискретно по синусоидальной траектории, что обеспечит перекрытие отпечатков полей от двух соседних электродов ЭИ.

Энергетическое воздействие электромагнитного поля и образующихся в нем направленных потоков аэроионов способствует перемешиванию ЛКМ в поверхностном слое ЛКП, повышению скорости испарения растворителя и протекания химической реакции пленкообразования. Кроме того, влияние аэроионизации оказывает модифицирующее действие, позволяет получить матовые покрытия без использования специальных добавок.

Очевидно, что для создания более однородного поля необходимо поднимать излучатель с электродами на большую высоту, что уменьшит влияние неоднородности напряженности электрического поля. Однако при увеличении расстояния между излучателем и ЛКП И произойдет значительное снижение напряженности поля на поверхности ЛКП, что может привести к снижению эффективности аэроионизационного способа ускоренного отверждения ЛКП. Предложенная теория распределения напряженности электрического поля на поверхности ЛКП подтверждается результатами экспериментальных исследований при отверждении поли-уретанового лака. При уменьшении напряженности поля на поверхности покрытия непосредственно под электродом с 0,96  106 В/м до 0,12  106 В/м эффективность аэроионификации сокращается в 2 раза.

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. Онегин В.И. Защитно-декоративное покрытие древесных материалов / В.И. Онегин, Ю.И. Ветошкин, Ю.И. Цой, С.В. Гагарина - СПб.: Профикс, 2006. С. 42-51

3. 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 технологического университета. 2015. Т. 18, №22, С. 54-58.

4. Чижевский А.Л. Аэроионы и жизнь. Беседы с Циол-ковским.М.: Мысль, 1999. 716 с.

5. Газеев М.В. Исследование процесса пленкообразова-ния полиуретановых лакокрасочных покрытий на древесине при аэроионификации / М.В. Газеев, Е.В. Тихонова. Известия высших учебных заведений «Лесной журнал» №5, Материалы, посвященные 80-летию УГЛТУ,

Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет 2010. С. 97-101.

6. Сивухин, Д.В. Общий курс физики [Текст]: Учеб. пособие для вузов в 5 т. Т.Ш Электричество / Д.В. Сивухин; М.: МФТИ, 2004. 656 с.

7. 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.

8. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах, Изд.: Компьютер-пресс, 2002, 224 с.

9. Электрические свойства полимеров, Сажин Б.И., Лобанов А.М., Романовская О.С. и др. Под ред. Б.И. Сажи-на - 3-е изд. - Л.: Химия, 1986-224с.

© М. В. Газеев - канд. техн. наук, доцент кафедры механической обработки древесины Уральского государственного лесотехнического университета, gazeev_m@list.ru; С. Н. Исаков - канд. техн. наук, доцент кафедры технической механики и оборудования целлюлозно-бумажного производства Уральского государственного лесотехнического университета, sergeyisako @yandex.ru.

© M. V. Gazeev - Associate Professor the department of mechanical woodworking Federal State Educational Institution of Higher Education "Ural State Forestry Engineering University", gazeev_m@list.ru; S. N. Isakov - Associate Professor the department of technical mechanics and equipment of pulp-and-paper production of Federal State Educational Institution of Higher Education "Ural State Forestry Engineering University", sergeyisako@yandex.ru.