CC BY
42
УДК 674.07
М. В. Газеев, Е. А. Газеева, А. Ф. Яруллин
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ СУШКИ
ЛАКОКРАСОЧНОГО ПОКРЫТИЯ, ОБРАЗОВАННОГО ВОДНО-ДИСПЕРСИОННЫМ
АКРИЛОВЫМ ЛАКОМ, НА ДРЕВЕСИНЕ ПРИ ЭЛЕКТРОЭФФЛЮВИАЛЬНОЙ АЭРОИОНИЗАЦИИ
Ключевые слова: аэроионизация, аэроионизационная электроэффлювиальная установка, отверждение, лакокрасочное покрытие, сушка лакокрасочных покрытий, пленкообразование, древесина.
В статье исследовано влияние режимных параметров ускоренной сушки лакокрасочных покрытий, образованных водно-дисперсионным акриловым лаком на древесине при аэроионизации. Спланирован и проведен полный факторный эксперимент по плану Коно. По полученному уравнению регрессии построен график зависимости времени отверждения лакокрасочного покрытия от управляющих факторов. Расстояние от излучателя аэроионизационной установки до поверхности лакокрасочного покрытия и скорость воздушного потока ионизированного воздуха оказывают влияние на время отверждения лакокрасочного покрытия на древесине.
Keywords: air ionization, air ionization electro effluvial setting, hardening, lacquer coating, drying of lacquer coating, film-forming,
woods.
In article influence of regime parameters of the intensification curing of coatings forming water-dispersion acrylic varnish on wood is investigated at air ionization. Complete factorial experiment according to the plan of Konno is planned and made. On the received equation of regression the schedule of dependence of time of an hardening of a lacquer coating on the operating factors is constructed. Distance from a radiator of aero ionization installation to a surface of a paint and varnish covering and the speed of an air stream of the ionized air have impact for the period of an hardening of a paint and varnish covering on wood.
Сушка или отверждение лакокрасочных покрытий (ЛКП) на древесине может осуществляться в естественных или искусственно созданных условиях. Искусственные условия позволяют ускорить процесс отверждения ЛКП за счет сообщения покрытию дополнительной энергии. Ускорять сушку ЛКП можно конвективным нагревом, ИК-излучением, СВЧ-полем, УФ-излучением, и другими способами [1, 2].
На кафедре механической обработки древесины Уральского государственного лесотехнического университета разработан новый способ интенсификации сушки лакокрасочных покрытий (ЛКП) на древесине при электроэффлювиальной аэроионизации и предложена его реализация посредством передвижных стеллажей, используемых на участках отделки изделий из древесины (пат. №121709) [3]. При электроэффлювиальной ионизации воздуха получают отрицательные активные формы кислорода (АФК) в электрическом поле аэроионизатора, которое обладает определенной энергией, величина которой зависит от его напряженности [4, 5].
Изучение существующих способов ускоренной сушки ЛКП позволило утверждать, что продолжительность высыхания ЛКМ на подложке и переход его в твердое ЛКП зависит от скорости циркуляции воздуха в сушильных камерах. Причем в сушильных камерах с этажерками скорость воздуха доходит до 0,5 м/с, в одноэтажных 8... 10 м/с. Применение высокой скорости движения воздуха ограничено, т.к. вызывает появление дефектов отделки в виде пузырей и сморщивания ЛКП [1, 2]. В настоящее время для интенсификации сушки (отверждения) ЛКП используют специальные нагнетатели, обеспечивающие подачу и циркуляцию теплого воздуха (со-пловый обдув) в зону сушки деталей с ЛКП, размещенных на стеллажах.
Для изучения влияния ионизированного воздуха и скорости его движения на время сушки ЛКП на древесине был спланирован и проведен эксперимент.
Цель эксперимента - сокращение времени отверждения ЛКП, образованных ВД-АК ЛКМ на древесине при аэроионизации.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- исследовать влияние напряженности электрического поля излучателя АФК на время отверждения ЛКП на подложке путем изменения расстояния между излучателем и поверхностью ЛКП;
- исследовать влияние скорости ионизированного воздушного потока на время отверждения ЛКП на древесине.
Для исследования процесса отверждения ЛКП на подложке из древесины при аэроионизации постановку эксперимента осуществляли по плану Коно Ко2 для двух независимых переменных [6]. В качестве переменных факторов выбрали:
- х} - скорость ионизированного воздушного потока, м/с;
- х2 - расстояние между электроэффлювиальным излучателем и поверхностью образца с ЛКП, м.
Выходным параметром принято время отверждения ЛКП У, мин. Исходные данные для планирования эксперимента приведены в таблице 1. План проведения эксперимента с условиями сушки в кодированных значениях представлен в таблице 2. Для измерения относительной влажности, температуры и скорости воздушных потоков применялся цифровой комбинированный прибор контроля параметров воздушной среды "Метеометр МЭС-2". Формирование ЛКП осуществляли на образцах подложек из древесины сосны при помощи кисти. Расход ЛКМ контролировали при помощи электронных весов ВЛТ-510-П. Ускоренную сушку покрытий осуществляли в электроэффлювиальном аэроионизационном
устройстве (рис. 1). Для исследования использован лак ВД-АК «Эколак» бесцветный (ЗАО «ЭМЛАК Урал») В качестве постоянных факторов, приняли: напряжение на электроэффлювиальном излучателе и=24 кВ, температуру воздуха /=20±2 0С, влажность воздуха W=65±5%, расход лакокрасочного материала 0=120 г/м2, шероховатость подложки Кттах ¿16 мкм.
? 2 I
Коэффициенты регрессии определяли по формулам:
Рис. 1 - Электроэффлювиальная установка: 1 -электроэффлювиальный излучатель, 2 - вентилятор, 3 - штатив для закрепления излучателя и вентилятора, 4 - высоковольтный блок, 5 - основание установки с заземлением, 6 - образец с ЛКП, 7 - реостат для подключения вентилятора
5
" и=1 " и=5 "
14 2 8
ь0 = - 9 Е Уи + 9 Е Уи
9 и=1 9 и=5
18
Ь —Е хиУи;
14 18 19
Ьп Е \ Уи + ~ Е \ Хги уи ~ Е \ Уи ;
6 и=1 2 и=5 3 и=5
14
Ь12 = 4Е Х1иХ2иУи ; 4 1
Ь0 = 8,65, Ь1 = -19,35, Ь2 = 7,33, Ъи = 16,52, Ь22 = 3,56, Ь12= -11,38.
Оценки дисперсий коэффициентов регрессии определяли по формулам:
5 2{Ь0} = 0,206; 5 2{Ь1} = 5 2{Ь2} = 0,062; 5 2{Ь11} = 5 2{Ь22} = 0,186; 5 2{Ь12} = 0,093;
соу{Ь0Ь11} = СОУ{Ь0Ь22} = -3• 0,37 = -0,124 . Оценки дисперсий коэффициентов регрессии:
5 2{Ь0} = 5 5 2{ у} = 0,328;
Таблица 1 - Исходные данные для планирования эксперимента
Характеристики плана Код. значения Натуральные значения
х1, м/с Х2, м
Нижний уровень х; -1 0 0,2
Основной уровень х^ 0 1 0,4
Верхний уровень х; +1 2 0,6
Таблица 2- Результаты реализации плана Ко2
№ опыта х, Х2 Уи 5и Уи (Уи-Уи)2
1 1 1 6,74 1,9 6,54 0,04
2 1 66,1 6,3 65,22 0,78
3 1 -1 11,72 1,63 12,62 0,81
4 -1 28,36 3,39 28,57 0,04
5 1 0 6,98 0,96 6,28 0,49
6 0 42,92 3,31 43,59 0,45
7 0 1 19 0,53 20,08 1,16
8 0 -1 5,9 0,32 4,79 1,23
9 0 0 9,1 2,89 9,13 0,00
Е 198,36 21,23 5,00
Построчные дисперсии являются однородными, поскольку выполняется условие по формуле:
= = 0 3 < С0,05 (4;9) = 0,36. Л 2 21,23 '
Е 52
и =1
Оценка дисперсии воспроизводимости среднего значения рассчитывается по формуле:
2 {У} 21,23
5 {У} =-
36
:0,59
с числом степеней свободы
/1 = N (у-1) = 9(5 -1) = 36.
52{Ь,.} =152{У} = 0,098 ; 52{Ь,.} =152{У} = 0,295 ;
52 {Ь^2} = 4 5 2{У} = 0,147;
СОУ{Ь0Ь,. } = - 3 5 2{ У} = 0,197.
Коэффициенты Ь1, Ь2 и Ь12 значимо отличаются от нуля, так как выполняется условие по формуле:
2
1219,58
= 2067,1 > ^0 05(2;36) = 3,28.
52 {У} 0,59 Дисперсия отклика, связанная с линейными членами вычислена по формуле:
1 т N 1
512 =—Е(Ь. Е хиУи)=т
(-18,66)(-111,94) + +(7,64)(45,86)
т 1=1 и= 1
1219,58.
Для оценки значимости группы коэффициентов при членах второго порядка вычисляют долю обусловленной ими дисперсии функции отклика:
N N 1 N
52 = Ь0 Е Уи + Е (Ь Е хшхиУи- N (Е Уи)2
_ и=1 ] = 1| < ] и=1 N
т(т +1) 6
9 • 196,82 +15,8 • 162,82 +3,3-137,82 -10,68 • 42,72 196,822
= 21,28.
Дисперсия, связанная с членами второго порядка, признается значимой при
52
21,28
= 36,07 > 05 (3;36) = 2,87.
52 {У} 0,59
По результатам эксперимента получено уравнение регрессии (в кодированных значениях):
и=1
У = 9,13 -18,66^ + 7,64х2 --10,68^ х2 + 15,8x2 + 3,3х22 адекватно описывающее процесс отверждения лакокрасочного покрытия, так как выполняется условие:
S2
ост
Ё ( ä - У )2 . _
' N - (k +1)
- = - = 1,67, 3
S2
гг ост
= i67. = 2,83 < F0 05 (3; 36) = 2,87
52 {у} 0,59
И, следовательно, гипотеза не отвергается.
По уравнению регрессии построен график зависимости времени отверждения ЛКП образованного ВД-АК лаком «Эколак» на древесине от расстояния до излучателя аэроионизации и скорости движения ионизированного потока воздуха (рис. 2). V. мил
Рис. 2 - Зависимость времени отверждения лакокрасочного покрытия У от скорости ионизированного воздуха XI и расстояния от электроэффлюви-ального излучателя до поверхности образца х2
По результатам графической зависимости влияния управляющих факторов на выходной параметр можно сделать следующие выводы.
Уменьшение расстояния от излучателя АФК электроэффлювиальной установки до поверхности ЛКП, отверждаемого на древесной подложке приводит к сокращению времени сушки (отверждения) ЛКП. В данном случае основное влияние на сокращение времени отверждения ЛКП оказывает напряженность электростатического поля Е (В/м) излучателя. Увеличение скорости воздушного потока XI до 1 м/с также способствует сокращению времени отверждения ЛКП. Дальнейшее увеличение скорости приводит к незначительному увеличению времени отверждения У, что можно объяснить ускоренным пленкообразованием на поверхности сохнущего ЛКП с появлением пленки, препятствующей выходу растворителя из внутреннего слоя покрытия и за-
медляющим процесс сушки. Совместное влияние двух факторов оказывает больший эффект на скорость сушки ЛКП.
При воздействии отрицательно заряженных АФК в электрическом поле ЭЭАУ свободные молекулы растворителя (воды) поляризуются и выходят из покрытия на его поверхность. Повышение напряженности электрического поля, пропорционально которой увеличивается концентрация АФК, способствует увеличению скорости протекания процесса и, как следствие, сокращается время отверждения. Движение воздушных потоков обеспечивает лучший отвод (испарение) с поверхности ЛКП растворителей. Увеличение скорости ионизированного воздуха позволяет сократить время отверждения покрытия.
Уравнение, адекватно описывающее процесс аэроионизационной сушки (отверждения) ЛКП образованного ВД-АК лаком «Эколак» на древесине в натуральном выражении примет вид:
T(v, h) = 20,15 - 28,9v + 25,6h - 53,4vh +
+15,8v2 + 82,5h2, где v- это x], а h - соответственно x2.
По полученному уравнению регрессии используя методы оптимизации можно получить оптимальные режимные параметры аэроионизационной сушки ЛКП.
Аэроионизационный способ интенсификации отверждения ЛКП на древесине, является перспективным способом, обладающим небольшим энергопотреблением и открывающим возможность для механизации работ на участках отделки.
Литература
1. Рыбин Б.М. Технология и оборудование защитно-декоративных покрытий древесины и древесных материалов: учебник для студентов вузов, / Б.М. Рыбин; Моск. гос. ун-т леса. - 3-е изд. - М.: МГУЛ, 2007. - 568 с.
2. Жуков Е.В. Технология защитно-декоративных покрытий древесины и древесных материалов. Учебник для вузов. / Е.В. Жуков, В.И. Онегин. - М.: Экология, 1993. - 304 с.
3. Газеев М.В. Аэроионизационный способ интенсификации пленкообразования лакокрасочных покрытий на древесине и древесных материалах / М.В. Газеев Вестник московского государственного университета леса -Лесной вестник. МГУЛ, №2, 2014. С 117-121
4. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Учеб. пособие для вузов в 5 т. T.III Электричество / Д.В. Сивухин; М.: МФТИ, 2004. 656 с.
5. Скипетров В.П. Феномен «живого» воздуха: Монография / В.П. Скипетров, Н.Н. Беспалов, А.В. Зорькина; Саранск: СВМО, 2003. 93 с.
6. Пен Р.З. Статистические методы в целлюлозно-бумажном производстве. / Р.З. Пен, Э.М. Мельчер; М.: Лесная промышленность», 1973 г. 120 с.
© М. В. Газеев - канд. техн. наук, доц. каф. механической обработки древесины Уральского госуд. лесотехнического ун-та, gazeev_m@list.ru; Е. А. Газеева - канд. техн. наук, доц. каф. технологии и оборудование лесопромышленного производства Уральского госуд. лесотехнического ун-та, saz-elena@yandex.ru; А. Ф. Яруллин - канд. техн. наук, к.х.н., доц. каф. ТПМ КНИТУ.
© M. V. Gazeev - PhD in Engineering, Associate Professor the department of mechanical woodworking Federal State Educational Institution of Higher Professional Education "Ural State Forestry Engineering University", gazeev_m@list.ru; E. A. Gazeeva - PhD in Engineering, Associate Professor the department of technology and equipment timber production Federal State Educational Institution of Higher Professional Education "Ural State Forestry Engineering University", saz-elena@yandex.ru; A. F. Yarullin - Associate Professor the department of plastics technology of KNRTU.
