Физические основы взаимодействия водно-дисперсионного акрилового лакокрасочного материала с подложкой из древесины при аэроионизации

Деревопереработка. Химические технологии

DOI: 10.12737/11272 УДК 674.07

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОДНО-ДИСПЕРСИОННОГО АКРИЛОВОГО ЛАКОКРАСОЧНОГО МАТЕРИАЛА С ПОДЛОЖКОЙ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ АЭРОИОНИЗАЦИИ

кандидат технических наук, доцент М. В. Газеев1 кандидат технических наук, доцент Е. А. Г азеева1 1 - ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», г. Екатеринбург, Российская Федерация

В настоящее время аэроионизация широко применяется в различных сферах: жилые, общественные и производственные помещения, сельское хозяйство, медицина, где предполагается очистка воздуха и благоприятное воздействие отрицательных аэроионов на живые организмы. В статье исследуется аэроионизационный способ интенсификации отверждения лакокрасочных покрытий на древесине, разработанный в Уральском государственном лесотехническом университете. Применение способов ускоренной сушки (отверждения) лакокрасочных покрытий на древесине позволяет сократить производственный цикл изготовления изделий из древесины. Ускорение физико-химических процессов отверждения лакокрасочных покрытий возможно при сообщении дополнительной энергии. Аэроионизация оказывает влияние на такие физические процессы как поверхностное натяжение, смачивание и растекание лакокрасочного материала при формировании покрытий, а также адгезию к подложке. В результате исследования были определены поверхностное натяжение и краевой угол смачивания лакокрасочного материала на древесине. Поверхностное натяжение жидкого водно-дисперсионного ЛКМ определяли по методу Ребиндера. Кинетику краевого угла смачивания при аэроионизации определяли оптическим методом. По результатам статистической обработки экспериментальных данных и подстановке полученных значений в преобразованное уравнение Юнга получили графические зависимости работы адгезии от краевого угла смачивания грунтом ВД-АК «Экогрунт» древесины в естественных условиях и при ионизации. Результаты расчетов подтверждают увеличение адгезии ЛКП, отвержденного при аэроионизации. Расчетным путем определена энергия электрического поля, накладываемого излучателем аэроионизатора на отверждаемое покрытие. Графически представлена зависимость энергии электрического поля аэроионизатора на поверхности подложки с ЛКП от расстояния до излучателя. Уменьшение расстояния между излучателем и поверхностью ЛКП на древесной подложке приводит к увеличению энергии электрического поля, а также лучшему смачиванию и увеличению адгезионной прочности покрытия.

Ключевые слова: краевой угол смачивания, краевой угол, смачивание, пленкообразование, аэроионизация, интенсификация, отверждение, сушка лакокрасочных покрытий, древесина.

144

Лесотехнический журнал 1/2015

Деревопереработка. Химические технологии

PHYSICAL BASIS OF THE INTERACTION OF WATER-DISPERSION ACRYLIC PAINT MATERIAL WITH THE SUBSTRATE MADE OF WOOD WITH AEROIONIZATION

PhD in Engineering, Associate Professor M. V. Gazeev1 PhD in Engineering, Associate Professor E. A. Gazeeva1 1 - Federal State Educational Institution of Higher Professional Education "Ural State Forestry Engineering University", Ekaterinburg, Russian Federation

Abstract

Currently aeroionization is widely used in various areas: residential, public and industrial premises, agriculture, medicine, where purification of air and beneficial effects of negative ions on living organisms is supposed. The article investigates aeroionization method of curing intensification of coatings on wood, developed in the Ural State Forestry University. Application of methods of accelerated drying (curing) of coatings on wood can reduce production cycle of wood products. Acceleration of physical and chemical processes of curing of coatings is possible when giving additional energy. Aeroionization affects the physical processes such as surface tension, wetting, and spreading of the paint material in the formation of coatings and adhesion to the substrate. As a result of the study surface tension and wetting angle of paint on wood is determined. The surface tension of liquid water-dispersion paints was determined by the method of Rebinder. The kinetics of the contact angle at aeroionization was determined by an optical method. According to the results of statistical analysis of experimental data and substituting obtained values in the transformed equation of Jung we received graphic dependences of the adhesion work of contact angle with the soil VD-AK "Ecogrunt" of wood in natural conditions and during ionization. Results of calculations confirm an increase in adhesion of coating, cured at aeroionization. By calculation the energy of the electric field is determined, superimposed by the emitter of aeroionizer on curable coating. Dependence of the electric field energy of aeroionizer at the substrate surface of coating from the distance from the emitter is graphically presented. Reducing the distance between the emitter and the surface of coating at wood substrate increases the electric field energy and improves wettability and adhesion strength of the coating.

Keywords: wetting angle, contact angle, wetting, film formation, aeroionization, intensification, curing, drying of coatings, wood

Введение.

Сушка или отверждение лакокрасочных покрытий (ЛКП) на древесине является самой продолжительной технологической операцией из всего производственного цикла отделки изделий и может осуществляться в естественных или искусственно созданных условиях. Искусственные условия позволяют интенсифицировать процесс отверждения ЛКП за счет сообщения покрытию дополни-

тельной энергии, который лежит в основе многих существующих способов интенсификации отверждения ЛКП: конвективным нагревом, ИК-излучением, СВЧ-полем, УФ-излучением, воздействием пучком ускоренных электронов [3, 6, 8, 9, 10].

На кафедре механической обработки древесины Уральского государственного лесотехнического университета разработан новый способ интенсификации отверждения

Лесотехнический журнал 1/2015

145

Деревопереработка. Химические технологии

лакокрасочных покрытий (ЛКП) на древесине при электроэффлювиальной аэроионизации (рис. 1) и предложена его реализация посредством передвижных стеллажей, используемых на участках отделки изделий из древесины (пат. №121709, пат. №148422). Аэроионизация представляет собой метод получения активных форм кислорода (АФК) в электрическом поле аэроионизатора. В качестве излучателей заряженных частиц в современных аэроионизационных устройствах применяются в основном металлические электроды и графитовые ткани. В настоящее время аэроионизация широко применяется в различных сферах: жилые, общественные и производственные помещения, сельское хозяйство, медицина, где предполагается очистка воздуха и благоприятное воздействие отрицательных аэроионов на живые организмы [4, 5, 7].

Рис. 1. Электроэффлювиальное аэроионизационное устройство: 1 - излучатель;

2 - высоковольтный генератор; 3 - основание; 4 - стойки; 5 - АФК; 6 - подложка с ЛКП

Электрическое поле аэроионизатора обладает определенной энергией, величина которой зависит от его напряженности. Со-

общение веществам дополнительной энергии позволяет повысить скорость их физикохимического взаимодействия. Полученные при проведении экспериментальных исследований данные подтверждают, что способ сокращает время отверждения ЛКП на древесине, образованных акриловыми, алкидными и полиуретановыми ЛКМ в 1,5 ^ 2 раза по сравнению с естественными условиями и открывает возможности для повышения уровня механизации и автоматизации промышленного производства [1]. Проведенная ранее ИК-спектроскопия позволила сделать вывод, что ЛКП, полученные под действием аэроионизации, имеют более глубокую степень полимеризации и большую твердость покрытия, а также образуют большее число карбоксильных связей с целлюлозой древесины и, как следствие, лучшую адгезию к древесной подложке.

В технологии формирования защитнодекоративных покрытий на древесине жидкими ЛКМ очень важную роль оказывают физические процессы, такие как смачивание и растекание. Смачивание поверхности древесины жидкими ЛКМ представляет собой взаимодействие на границе соприкосновения трех фаз: древесная подложка, ЛКМ, воздух. Условия смачивания и растекания жидкого ЛКМ на поверхности подложки определяются действующими в них когезионными и адгезионными силами и свободной энергией поверхностей трехфазной системы [3, 6, 10].

Из условия равновесия капли ЛКМ на поверхности древесной подложки следует, что уменьшение краевого угла 0, приводит к увеличению адгезии жидкого ЛКМ к поверхности подложки и как следствие к лучшему растеканию (рис. 2).

146

Лесотехнический журнал 1/2015

Деревопереработка. Химические технологии

Рис. 2. Смачивание поверхности жидкостью

Цель исследования - определить влияние аэроионизации на условия смачивания ВД-АК ЛКМ поверхности древесины.

Методика исследований.

Для достижения поставленной цели провели эксперимент по определению поверхностного натяжения жидкого ЛКМ и его краевого угла смачивания древесной подложки. При проведении эксперимента в качестве жидкого ЛКМ исследований использовался водно-дисперсионный акриловый прозрачный грунт «Экогрунт» фирмы «ЭмЛак Урал» г. Екатеринбург. Для сопоставления результатов эксперимент проводили в естественных условиях (t=20±2 0C, W=65±5%) и под воздействием аэроионизации. Кинетику краевого угла смачивания грунта определяли

оптическим методом при помощи окулярного микроскопа МИР-2. Капли грунта наносили пипеткой на подложки из древесины сосны, предварительно отшлифованные до шероховатости Rmmax—16 мкм. Оценку шероховатости поверхности выполняли оптическим методом на микроскопе МИС-11. Поверхностное натяжение грунта определяли по методике Ребиндера (рис. 3).

Результаты исследований и выводы.

Коэффициент поверхностного натяжения о при постоянной температуре равен работе, необходимой для увеличения поверхности (площади поверхности) на единицу. Например, у воды коэффициент поверхностного натяжения при температуре 25 °С на воздухе равен 73 мН/м.

Поверхностное натяжение исследуемого прозрачного грунта ВД-АК «Экогрунт» определяется как

AP

_ _ ___исс /1 \

°исс ~ °H2O ' AP 5 V1/

H 2O

где a ho - поверхностное натяжение воды при температуре эксперимент t=26 0C;

Рис. 3. Схема прибора Ребиндера для определения поверхностного натяжения: 1 - капилляр; 2 - пробирка с исследуемым раствором; 3 - водяной насос (аспиратор); 4 - наклонный диф-

манометр; 5 - стакан; 6 - пробка

Лесотехнический журнал 1/2015

147

Деревопереработка. Химические технологии

ДРисс - максимальное дифференциальное давление в пузырьке воздуха при погружении капилляра в воду;

APH O - тоже при погружении капилляра в исследуемый раствор.

AP = Pmax - Po ,

где ДР - максимальное дифференциальное давление в пузырьке;

Ртах - максимальное давление, при котором лопается пузырек;

Р0 - начальное давление, когда прибор разгерметизирован, т.е. внешнее давление.

Для грунта ВД-АК «Экогрунт» поверхностное натяжение при температуре воздуха t=26 0С составило о = 58,18 Дж/м2. Зная поверхностное натяжение ЛКМ и краевой угол смачивания, можно определить работу адгезии на границе ЛКМ с подложкой, подставив значения в преобра-

зованное уравнение Юнга

Wa = °ЖГ

где аЖГ - поверхностное натяжение на границе раздела жидкость - газ (рис. 2);

в0 - краевой угол смачивания [10, 1].

Зависимость работы адгезии Wa от краевого угла смачивания в0 грунтом ВД-АК «Экогрунт» древесины в естественных условиях и при ионизации приведены на графике рис. 4.

Анализируя график (рис. 4), можно утверждать, что аэроионизация оказывает влияние на работу адгезии и краевой угол смачивания ЛКМ на подложке. Можно сказать, что электрическое поле, создаваемое электродами излучателя ЭЭАУ, накладывает свой отпечаток на поверхность отверждаемого покрытия, образованного жидким ЛКМ.

Рис. 4. Зависимость работы адгезии Wa от краевого угла смачивания в0 грунтом ВД-АК «Экогрунт» древесины в естественных условиях и при ионизации

148

Лесотехнический журнал 1/2015

Деревопереработка. Химические технологии

Электрическое поле ЭЭАУ при некотором приближении можно условно считать однородным. Тогда его энергию на поверхности ЛКП можно рассчитать по формуле [2]

-f F V

W = --*—, Дж,

где е - диэлектрическая проницаемость среды (для воздуха е ~ 1);

е0 - электрическая постоянная, Ф/м (ео=8,85 • 10-12 Ф/м);

Е - напряженность электрического поля, В/м (согласно проведенным исследованиям наиболее рациональным значением является Е = 9,6 • 105 В/м);

V - объем пространства, занимаемого электрическим полем, м3 (т.к. электрическое поле ЭЭА имеет форму цилиндра V = nRh, где радиус излучателя ЭЭАУ R = 0,15 м, расстояние между ЭЭА и поверхностью ЛКП h = 0,025 м).

Расчет количества энергии электрического поля W на поверхности (подложки с ЛКП) от одного электрода с R=0,02 м, и электродной сетки экспериментальной установки с R=0,15 м представлен в виде

графика зависимости на рис. 5-6.

Подводя итог, можно сделать следующие выводы:

1. Электроэффлювиальная аэроионизация позволяет уменьшить краевой угол смачивания ЛКМ на древесине и, как следствие, улучшить его растекание.

2. Повышение адгезионной прочности ЛКП к древесной подложке, отвержденных при аэроионизации, подтверждается расчетами работы адгезии.

3. Увеличение адгезии ЛКП и лучшее смачивание подложки ЛКМ обеспечивается созданием на поверхности дополнительной энергии от электрического поля электроэффлювиального излучателя.

4. Уменьшение расстояния между излучателем и поверхностью ЛКП на древесной подложке приводит к увеличению энергии электрического поля.

5. Аэроионизационный способ интенсификации отверждения ЛКП на древесине является перспективным и требует дальнейшего изучения.

h - Расстояние от поверхности до электрода, м -♦-Расчетная зависимость W формируемого 1 электродом ЭЭАУ от h;-Линия Тренда

Рис. 5. Зависимость энергии электрического поля W, формируемого одним электродом ЭЭАУ с радиусом поля R = 0,02 м на поверхности

Лесотехнический журнал 1/2015

149

Деревопереработка. Химические технологии

♦ Расчетная зависимость W формируемого электродной сеткой ЭЭАУ от h;-Линия Тренда

Рис. 6. Зависимость энергии электрического поля W, формируемого электродной сеткой ЭЭАУ с радиусом R = 0,15 м на поверхности

Библиографический список

1. Газеев, М.В. Смачивание поверхности древесины водно-дисперсионным лакокрасочным материалом при аэроионизации [Текст] / М.В Газеев, Е.А. Газеева, Н.Ф. Жданов // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 4. URL: www.science-education.ru/118-13843.

2. Детлаф, А.А. Курс физики. Т. II. Электричество и магнетизм [Текст] : учеб. пособие для втузов. Изд. 4-е, перераб / А.А. Детлаф. - М. : Высшая школа, 1977. - 375 с.

3. Жуков, Е.В. Технология защитно-декоративных покрытий древесины и древесных материалов [Текст] : учеб. для вузов / Е.В. Жуков, В.И. Онегин. - М. : Экология, 1993. - 304 с.

4. Livanova, L.M. Effect of the short-term exposure to negative air ions on individuals with vegetative disorders [Text] / L.M. Livanova, M.G. Elbakidze, M.G. Airapetiants // Zhurnal vysshei nervnoi deiatelnosti imeni I P Pavlova. - September 1999. - Vol. 49. - Issue 5. - рр. 760-767.

5. Ponomarev, P.T. Directional ionized air flow in energy-saving technologies of the production area ventilation [Text] / P.T. Ponomarev, N.A. Popov // Journal of Mining Science. - 2015. -Vol. 50. - Issue 4. - pp 757-767.

6. Рыбин, Б.М. Технология и оборудование защитно-декоративных покрытий древесины и древесных материалов [Текст] : учеб. для вузов / Б.М. Рыбин. - М. : МГУЛ, 2003. - 568 с.

7. Скипетров, В.П. Феномен живого воздуха [Текст] : монография / В.П. Скипетров, Н.Н. Беспалов, А.В. Зорькина. - Саранск : СВМО, 2003. - 93 с.

8. Troyer, T. Curing and drying technologies for coating and laminating [Text] / T. Troyer // Journal of Industrial Textiles. - 2000. - Vol. 29. - Issue 3. - рр. 240-248.

9. Chu, Z. The infrared radiation heating and drying advance in China (Conference Paper) [Text] / Z. Chu, J. Wang, K. Zhu, J. Yang, X. Meng, Li, X., Ma, Y .// Proceedings of the first International Conference on Engineering Thermophysics (ICET '99); Beijing; China. - 1999. - рр. 419-425.

10. Яковлев, А.Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий [Текст] : учеб. для вузов / А.Д. Яковлев. - Л. : Химия, 1989. - 384 с.

150 Лесотехнический журнал 1/2015

Деревопереработка. Химические технологии

References

1. Gazeev M.V., Gazeeva E.A., Zhdanov N.F. Smachivanie poverhnosti drevesiny vodno-dispersionnym lakokrasochnym materialom pri ajeroionizacii [Wetting of the wood surface with water-dispersion paint materials at aeroionization]. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija [Modern problems of science and education], 2014, no. 4, Available at: www.science-education.ru/118-13843. (In Russian).

2. Detlaf A.A. Kurs fiziki. Jelektrichestvo i magnetizm [Physics course. Electricity and Magnetism]. Moscow, 1977, Vol. 7, pp. 375. (In Russian).

3. Zhukov E.V., Onegin V.I. Tehnologija zashhitno-dekorativnyh pokrytij drevesiny i dreves-nyh materialov [Technology of protective and decorative coatings wood and wood materials]. Moscow, 1993, 304 p. (In Russian).

4. Livanova L.M., Elbakidze M.G., Airapetiants M.G. Effect of the short-term exposure to negative air ions on individuals with vegetative disorders. Zhurnal vysshei nervnoi deiatelnosti im-eni IP Pavlova, Vol. 49, Issue 5, September 1999, Pages 760-767. (In Russian).

5. Ponomarev P.T., Popov N.A. Directional ionized air flow in energy-saving technologies of the production area ventilation. Journal of Mining Science, Vol. 50, Issue 4, 2015, Pages 757-767. (In Russian).

6. Rybin B.M. Tehnologija i oborudovanie zashhitno-dekorativnyh pokrytij drevesiny i dre-vesnyh materialov [Technology and equipment for protective and decorative coatings, wood and wood materials]. Moscow, 2003, 568 p. (In Russian).

7. Skipetrov V.P., Bespalov N.N., Zorkina A.V. Fenomen zhivogo vozduha [The phenomenon of the living air]. Saransk, 2003, 93 p. (In Russian).

8. Troyer T. Curing and drying technologies for coating and laminating. Journal of Industrial Textiles, Vol. 29, Issue 3, 2000, Pages 240-248.

9. Chu Z., Wang J., Zhu K., Yang J., Meng X., Li X., Ma Y. The infrared radiation heating and drying advance in China (Conference Paper). Proceedings of the first International Conference on Engineering Thermophysics (ICET '99), Beijing, China, 1999, Pages 419-425. (In China).

10. Yakovlev A.D. Himija i tehnologija lakokrasochnyh pokrytij [Chemistry and technology of coatings]. Leningrad, 1989, 384 p.

Сведения об авторах

Газеев Максим Владимирович - доцент кафедры механической обработки древесины ФГБОУ ВПО Уральского государственного лесотехнического университета, кандидат технических наук, доцент, г. Екатеринбург, Российская Федерация; e-mail: gazeev_m@list.ru.

Газеева Елена Александровна - доцент кафедры технологии и оборудование лесопромышленного производства ФГБОУ ВПО Уральского государственного лесотехнического университета, кандидат технических наук, доцент, г. Екатеринбург, Российская Федерация; e-mail: saz-elena@yandex.ru

Лесотехнический журнал 1/2015

151

Деревопереработка. Химические технологии

Information about authors

Gazeev Maksim Vladimirovich - Associate Professor of mechanical wood processing department, Federal State Educational Institution of Higher Professional Education "Ural State Forestry Engineering University", Ph.D. in Engineering, Associate Professor, Ekaterinburg, Russian Federation; e-mail: gazeev_m@list.ru

Gazeeva Elena Alexandrovna - Associate Professor of Technology and Equipment of Timber Production department, Federal State Educational Institution of Higher Professional Education "Ural State Forestry Engineering University", Ph.D. in Engineering, Associate Professor, Ekaterinburg, Russian Federation; e-mail: saz-elena@yandex.ru.

DOI: 10.12737/11273 УДК 543.55.083.62; 543.432

СРАВНЕНИЕ ПЛОЩАДИ ПОВЕРХНОСТИ СУХОГО И ВЛАЖНОГО ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОГО СЫРЬЯ ДО И ПОСЛЕ ПРЕДОБРАБОТКИ

А. В. Г олышкин Д. П. Мельников1 Я. А. Масютин1

кандидат химических наук А. А. Новиков1 кандидат химических наук Е. В. Иванов1

1 - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина", г. Москва, Российская Федерация

Получение ценных компонентов топлив и продуктов для нефтехимии из растительного сырья осложнено его комплексной структурой. Для уменьшения энергозатрат и увеличения выхода целевых продуктов используют предобработку биомассы, во время которой происходит (частичное) удаление лигнина и гемицеллюлоз. Применение радиационного облучения вызывает разрушение межмолекулярных и внутримолекулярных связей в структуре лигноцеллюлозного сырья, что приводит к уменьшению степени кристалличности и увеличению площади доступной поверхности. Предобработка ионными жидкостями способствует отделению лигнина и гемицеллюлоз от целлюлозы, которая, растворяясь, приобретает аморфную структуру. Полученный субстрат обладает большой площадью доступной поверхности, однако при высыхании теряет это качество. Определение степени кристалличности по дифракции рентгеновских лучей и площади доступной поверхности и размера пор с помощью адсорбционных методов позволяет судить об эффективности проведенной предобработки. Использование газоадсорбционных методов требует высушивания образцов, что нивелирует результаты многих видов предобработки. Применение жидкофазных адсорбционных методов, основанных на сравнении концентрации веществ в исходном растворе и после установления равновесия с поверхностью субстрата, позволяет более точно определять площадь доступной

152

Лесотехнический журнал 1/2015