CC BY
45
УДК 66. 092 - 977
Р. Г. Сафин, М. В. Газеев, Т. О. Степанова АЭРОИОНИЗАЦИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЕЁ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ УСКОРЕНИЯ СУШКИ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ДРЕВЕСИНЕ
Ключевые слова: аэроионизация, сушка лакокрасочных покрытий, напряженность электрического поля, электрокинетический потенциал, активные формы кислорода.
Атмосферное электричество изучают и исследуют ученые по всему миру. В начале XVIII века были изобретены первые приборы для получения статического электричества, которые применяли для лечения разных болезней. Искусственную аэроионизацию возможно осуществлять при помощи электроэффлювиального устройства. В настоящее время сфера применения аэроионизации не теряет своей популярности и активно расширяется: жилые, общественные и производственные помещения, сельское хозяйство, медицина, где предполагается благоприятное воздействие отрицательных аэроионов на живые организмы. По данным теоретических и экспериментальных исследований установлено, что эффективность применения аэроионизации для ускорения сушки лакокрасочных покрытий на древесине зависит от напряженности электрического поля, создаваемого ионизатором, величины электрокинетического потенциала и концентрации активных форм кислорода отрицательной полярности при нормальных условиях окружающей среды (t=20±2 0C; W=65±5%). В результате исследований получены математические зависимости, отражающие взаимосвязь факторов, влияющих на эффективность применения аэроионизации для ускорения отверждения лакокрасочного покрытия на древесине и древесных материалах. Варьирование этих факторов на практике возможно с учетом способа перехода жидкого лакокрасочного материала в твердую пленку.
Keywords: aero ionization, drying of lacquer coatings, electric field intensity, zeta-potential, reactive oxygen species.
The atmospheric electricity is studied and investigated by scientists worldwide. At the beginning of the 18th century the first devices for receiving static electricity which applied to treatment of different diseases were invented. It is possible to carry out artificial aero ionization by means of the electroeffluvial aeroionizer. Now scope of aero ionization doesn't lose the popularity and actively extends: inhabited, public and production places, agriculture, medicine where favorable impact of negative aero ions on live organisms is supposed. According to theoretical and pilot studies it is established that efficiency of application of aero ionization for acceleration drying of lacquer coatings on wood depends on intensity of the electric field created by the ionizer, sizes of zeta-potential and concentration of reactive oxygen species of negative polarity under normal conditions of environment (t=20±2 0C; % W=65±5). As a result of researches the mathematical dependences reflecting interrelation of the factors influencing efficiency of application of aero ionization for acceleration of an hardening of lacquer coatings on woodware are received. The variation of these factors in practice is possible taking into account a way of transition of liquid paintwork materials to a hardening film.
Воздух состоит из смеси азота (78 %), кислорода (21 %), благородных газов (~1 %), диоксида углерода, паров воды и некоторых примесей. Большинство молекул воздуха электрически нейтральны, но под влиянием различных факторов (высоких температур, ультрафиолетовых и космических лучей, грозовых разрядов и т. д.) часть молекул может отдавать или приобретать электроны, превращаясь в отрицательно (или положительно) заряженные ионы или активные формы кислорода (АФК). Этот процесс получил название ионизация воздуха или аэроионизация. Ионизация молекул требует затрат дополнительной внешней энергии, величина которой зависит от строения и свойств атомов или молекул каждого соединения. Из всех газов, составляющих воздух, кислород является наиболее электроотрицательным и имеет минимальную энергию ионизации (1164 кДж/моль по сравнению с азотом 1503 кДж/моль).
Искусственную аэроионизацию возможно осуществлять при помощи электроэффлювиального устройства (ЭЭУ) (рис.1), которое состоит из генератора высокого напряжения постоянного тока и электроэффлювиального излучателя (ЭИ), предназначенного для получения активных форм кислорода (АФК) отрицательной полярности.
К ЭИ подается высокое напряжение, в результате чего происходит формирование постоянного электрического поля. При достижении критического значения напряжения на ЭИ возникает явление стекания (эффлювия) зарядов с острий электродов излучателя с дальнейшим электрическим разрядом, сопровождающегося ударной ионизацией. Молекула кислорода воздуха легко присоединяет к себе один или два свободных электрона, ионизируется, превращаясь в аэроион кислорода отрицательной полярности или АФК.
Атмосферного электричество изучают и исследуют ученые по всему миру. В начале XVIII века были изобретены первые приборы для получения статического электричества, которые применяли для лечения разных болезней. Открытие природы атмосферного электричества позволило установить, что его носителем являются ионы газов воздуха (аэроионы). В середине XVIII века влияние атмосферного электричества на организм человека исследовал М.В. Ломоносов. В 1918 г. А.Л. Чижевский открыл биогенное действие электрических зарядов воздуха на организм. Чижевским была проведена очень большая работа по внедрению аэроионификации в быту, служебных и производственных помещениях, больницах и сельском хозяйстве. [1]. Он установил, что
отрицательные аэроионы кислорода действуют благотворно на все функции организма, улучшают здоровье, излечивают многие заболевания, продляют жизнь. Поток аэроионов осаждает пыль и микроорганизмы, очищая тем самым воздух внутри помещения.
В настоящее время ионизаторы получили широкое распространение в качестве очистителей воздуха от микроорганизмов и микропримесей.
Эффект от влияния ионизированного воздуха на передачу по воздуху вирусных инфекций атипичной чумы у кур исследовали Timo Estola, Paavo Mâkelâ и Tapani Hovi в Хельсинки, Финляндии. Результаты их исследования от 1978 показывают, что искусственная ионизация воздуха может защитить животных от воздушно-капельных инфекций, действуя на микробный аэрозоль приводя к его распаду [2].
Использование отрицательной аэроионизации для сокращения болезнетворных бактериальных микроорганизмов на поверхностях нержавеющей стали изучают в Сельскохозяйственном научно-исследовательском центре Richard B. Russell, г. Афины, Джорджия, США. Насыщение воздуха отрицательными аэроионами показало потенциал, чтобы эффективно уменьшить переносимые воздухом и находящиеся на поверхностях микроорганизмы. И является перспективным способом, позволяющим уменьшить сумму используемых антибактериальных препаратов в пищевой промышленности [3].
Американский ученый Stacy L. Daniels изучал ионизацию воздуха для удаления вредных испарений. Исследования в области управления процессом ионизации воздуха, используемым разряд для создания нетепловой плазмы привели к его применению для химической и биологической очистки воздуха в среде помещений. Были получены преимущества очистки воздуха с помощью ионизации воздуха: сокращение в воздухе микробов, преобразование и удаление потенциально опасных летучих органических соединений; устранения неприятных запахов; расширенная и улучшенная производительность традиционных технологий (фильтрации и адсорбции); низкие затраты энергии; менее опасных реагентов и субпродуктов; и возможности, связанные с пользой для здоровья [4].
Ионизация воздуха применяется и исследуется в деревообрабатывающей промышленности. В настоящее время очисткой воздушной среды на деревообрабатывающих предприятиях с использованием ионизации воздуха занимается профессор В.А. Рогов. Поиск новых способов очистки воздушной среды, выбросов в атмосферу помимо удаления тонкодисперсной пыли из воздушной среды механической вентиляцией и кондиционированием ставят задачу - полнее приблизить воздух в производственных помещениях к наилучшим для жизнедеятельности организма естественным условиям. Эффективная
вентиляционная, пылеуборочная техника должна обеспечить состояние воздушной среды в
помещениях на уровне экологически чистых природных условий. Профессор Рогов В. А. решил эту проблему использованием искусственной ионизацией воздуха и биологически активных веществ [5].
В настоящее время сфера применения аэроионизации не теряет своей популярности и активно расширяется: жилые, общественные и производственные помещения, сельское хозяйство, медицина, где предполагается благоприятное воздействие отрицательных аэроионов на живые организмы [1-5, 6, 7].
Исследования по влиянию аэроионизации на отверждение лакокрасочных покрытий на древесине и древесных материалах выполняются на кафедре механической обработки древесины Уральского государственного лесотехнического университета. По данным теоретических и экспериментальных исследований установлено, что эффективность применения аэроионизации для ускорения сушки лакокрасочных покрытий на древесине зависит от напряженности электрического поля, создаваемого ионизатором, величины электрокинетического потенциала (ЭКП) и концентрации АФК при нормальных условиях окружающей среды ^=20±2 ^ W=65±5%) [8].
Для определения влияния перечисленных факторов на продолжительность отверждения ЛКП на древесине были проведены экспериментальные исследования. Водно-дисперсионный лак «Эколак» наносился на подложку из древесины сосны, которая помещалась в аэроионизационное ЭЭУ (рис. 1). Время отверждения ЛКП фиксировалось при помощи ВИ-4. Варьирование напряженности электрического поля, создаваемого ЭИ достигалось изменением напряжения, подаваемого на излучатель и расстоянием от поверхности до ЭИ. Для определения концентраций АФК в воздухе использовали малогабаритный счетчик аэроионов МАС-01. Расход ЛКМ определялся весовым способом.
Рис. 1 - Аэроионизационное электроэффлюви-альное устройство: 1 — высоковольтный блок; 2 -основание; 3 - подложка с ЛКП; 4 — линии силового электрического поля, формируемые электродами; 5 — электроды излучателя; 6 -электроэффлювиальный излучатель
Полученная зависимость времени отверждения покрытия от напряженности электрического поля представлена на рис. 2. Используя полиномиальную
аппроксимацию можно получить математическую модель, приближенно описывающую данную зависимость в виде квадратного уравнения:
t = -1,131Е2 + 1,964Е + 88,75 (1) где / - время отверждения ЛКП, мин; Е -напряженность электрического поля, кВ/м.
100
80
н
и
м 60
,ям
е 40
р
В
20
0
..........Ш|"Т1]|Щ .......
"""""ттпттп .......®.......
.........
17 20 24 40 48 Напряженность, кВ/м
60
120
—#— Экспериментальный......................Полиномиальный
Рис. 2 - Зависимости времени отверждения ЛКП от напряженности электрического поля
Величина ЭКП обратно пропорциональна напряженности электрического поля и зависит от природы поверхности контактирующих фаз. Математическую зависимость этих величин можно представить в виде уравнения Геймгольца -Смолуховского [9]:
Ли0
ее0Е
(2)
где £ - электрокинетический потенциал (ЭКП); п -коэффициент трения; ио - постоянная линейная скорость дисперсной среды; £о - электрическая постоянная, Ф/м; £ - относительная диэлектрическая проницаемость среды; Е - напряженность электрического поля, кВ/м.
ЭКП определяет скорость перемещения дисперсионной среды через дисперсную фазу в направлении перемещения электронов поля, что позволит увеличить скорость испарения растворителя из сохнущего ЛКП, поэтому величину ЭКП необходимо снижать, увеличивая напряженность. Изменять напряженность возможно регулированием подаваемого на ЭИ напряжения или расстояния от излучателя до поверхности с ЛКП. При повышении напряжения на излучателе установки до 4,8 х 104 В происходит резкое увеличение напряженности электрического поля в воздухе разрядного промежутка, с возможностью дугового разряда.
При уменьшении расстояние от сохнущей поверхности до острий электродной системы излучателя в интервале 0,01 - 0,02 м и напряжении питания ип=104 В средняя напряженность поля у поверхности высушиваемого (отверждаемого) ЛКП
(5 - 10) ■ 105 В/м. При
и
Е"ов ~ составит Еп,
такой напряженности происходит снижение качества полученных ЛКП (шагрень, апельсиновая корка, ухудшение физико-механических показателей), особенно при отверждении покрытий, образованных алкидными и полиуретановыми ЛКМ.
Это происходит за счет высокой скорости испарения растворителя и сильной поляризации молекул ЛКМ, а также за счет бомбардировки поверхности АФК. К тому же из курса физики известно, что электрическое поле аэроионизатора образуется в результате взаимного влияния полей, создаваемых отдельными электродами. Согласно наблюдениям за процессом отверждения ЛКП, образованных полиуретановыми материалами, процесс
пленкообразования протекает быстрее
непосредственно под электродами, где напряженность электрического поля значительно выше [10]. Результаты экспериментальных исследований показали, что при таких режимах сушки покрытий процесс пленкообразования непосредственно под электродом сопровождается появлением на поверхности ЛКП круглых «отпечатков» электрического поля. Из физики известно, что движущиеся электрические заряды создают магнитное поле, направление которого определяется вектором напряженности
электрического поля. При совместном действии электрического и магнитного полей на движущиеся от электродов излучателя ЭЭУ к поверхности покрытия АФК действует сила Лоренца, которая препятствует перекрытию потоков аэроионов от двух соседних электродов. Траектория движения АФК в этом случае будет в виде спирали [11]. Круглая форма «отпечатков» подтверждает, что АФК движутся по спирали и бомбардируя поверхность сохнущего ЛКП оставляют на ней неровности в виде шагрени. Поэтому для получения покрытий с высокими показателями качества необходим правильный выбор параметров режима отверждения при аэроионизационной сушке.
Влияние аэроионизации на живые организмы обусловлено оптимальной концентрацией аэроионов в помещении, а для пленкообразования решающую роль играет величина напряженности электрического поля. Если рассматривать применяемый в эксперименте для формирования покрытия водно-дисперсионный акриловый лак «Эколак», то он представляет собой дисперсную систему, в которой на границе раздела фаз древесина и ЛКМ образуется двойной электрический слой (ДЭС), имеющий диффузное строение. Образование ДЭС происходит самопроизвольно, как следствие стремления гетерогенной системы к уменьшению поверхностной энергии. Согласно теории Штерна ДЭС состоит из двух частей противоионов: одна их часть образует адсорбционный слой, а другая находится в диффузном слое. Противоионы диффузного слоя не закреплены и способны перемещаться в пределах слоя внутри жидкости. При наложении внешнего электрического поля, формируемого ЭИ устройства, происходит разрыв ДЭС по плоскости скольжения.
В результате дисперсионная среда и дисперсная фаза оказываются противоположно заряженными. Согласно правилу Кёна, из двух соприкасающихся фаз дисперсной системы положительно заряжается
0
та, которая имеет большую диэлектрическую проницаемость. Вода обладает высокой диэлектрической проницаемостью, т. е. под воздействием внешнего электрического поля заряжается отрицательно. В результате дисперсная фаза и дисперсионная среда оказываются противоположно заряженными. При относительном перемещении фаз возникает ЭКП, что приводит к более быстрому удалению молекул растворителя с поверхности дисперсной системы (сохнущего покрытия) [9].
Так же известно, что процесс пленкообразования ЛКП на основе водно-дисперсионных акриловых и алкидных ЛКМ происходит в результате испарения растворителей и радикальной полимеризации при участии кислорода воздуха. Электрическое поле ускоряет процесс испарения растворителя, а АФК -реакцию полимеризации. АФК обладают большей химической активностью и воздействуют на окислительно-восстановительные системы, которые вводятся в состав ЛКМ как эффективные инициаторы полимеризации при их производстве [12] Концентрация АФК в воздухе определяется величиной отрицательного напряжения на коронирующем электроде ионизатора, а это напряжение в основном зависит от радиуса кривизны иглы: чем острее игла, тем меньше требуется напряжение для получения одинакового количества АФК. Таким образом, чем выше напряжение, больше игл и они острее (т.е. чем больше напряженность поля), тем большую концентрацию АФК можно получить [1].
На рис. 3 приведена экспериментальная зависимость концентрации АФК от напряженности электрического поля, которую приближенно можно представить в виде уравнения:
О = 0,5454Е5 - 10,31Е4 + 70,355Е3
-202,37Е2 + 254,26Е -108,91
где 0> - концентрация АФК, 10000/см3.
^ и
Й S
& s
100 80 60 40 20 0
#......... ..........фппщщ
..........'Ч .....
ч;..........
"Ч»
3,2 5,9 18,7 77,2 103,5 104,7 105,3 Концентрация АФК, 10000/куб. см
-Экспериментальный
11 Полиномиальный
Рис. 4 - Зависимости времени отверждения ЛКП от концентрации АФК
Выводы
По полученным математическим зависимостям можно сделать вывод, что факторы, обеспечивающие эффективность применения аэроионизации для ускорения отверждения ЛКП на древесине и древесных материалах взаимосвязаны. Их варьирование на практике возможно установлением различных значений напряженности электрического поля. Величина напряженности должна определяться с учетом способа перехода жидкого ЛКМ в твердую пленку. Для ЛКМ отверждающихся в результате физического процесса испарения, необходимо увеличение напряженности, т.е. снижения ЭКП, чтобы молекулы растворителя имели возможность выходить из покрытия. ЛКМ, которые отверждаются в результате протекания химических реакций необходимо снижение напряженности, следовательно, увеличение ЭКП. Поэтому необходим поиск и отработка режимных параметров, обеспечивающих эффективность применение аэроионизации для отверждения ЛКП образованных ЛКМ с различной химической природой пленкообразующего.
и ©
и о и S
120 100 80 60 40 20 0
—¡1®
/ ¡¡¡У
У
/
4.......
фшж шмши^Цмми^
12
16
24
34
60
80
Напряженность, кВ/м
120
-Экспериментальный
" Полиномиальный
Рис. 3 - Зависимости концентрации АФК от напряженности электрического поля
По данным рис. 2 и 3 можно определить зависимость времени отверждения ЛКП от концентрации АФК (рис. 4). Приближенное уравнение данной зависимости будет иметь вид:
t = 0,27803 -4,643О2 +11,5080 + 82,857 (4)
Литература
1. Скипетров В.П. Феномен живого воздуха: Монография / В.П. Скипетров, Н.Н. Беспалов, А.В. Зорькина; Саранск: СВМО, 2003. 93 с.
2. Timo Estola, Paavo Makela, Tapani Hovi The effect of air ionization on the air-borne transmission of experimental Newcastle disease virus infections in chickens J. Hyg., Camb. (1979), 83, 59 Printed in Great Britain, Pg 59-67.
3. J.W. Arnold, D.H. Boothe and B.W. Mitchell. Use of Negative Air Ionization for Reducing Bacterial Pathogens and Spores on Stainless Steel Surfaces. Poultry Science Association, Inc. 2004, Pg 200-206.
4. Stacy L. Daniels "On the ionization of air for removal of noxious effluvia" (Air ionization of indoor environments for control of volatile and particulate contaminants with nonthermal plasmas generated by dielectric-barrier discharge) IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 30, NO. 4, AUGUST 2002, Pg1471-1481.
5. Рогов В.А. Очистка воздушной среды на деревообрабатывающих предприятиях с использованием ионно-электронной технологии и биологически активных веществ: Автореф. дис. на соиск. ученой степ. доктора техн. наук: 05.21.05,
Научно-исследовательский физико-химический
институт им. А. Я. Карпова. - Красноярск: [СибГТУ], 2002. 40 с.
6. Ponomarev, P.T., Popov, N.A. Directional ionized air flow in energy-saving technologies of the production area ventilation / Journal of Mining Science, Volume 50, Issue 4, 2015, Pages 757-767
7. 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 imeni I P Pavlova, Volume 49, Issue 5, September 1999, Pages 760-767
8. Газеев М.В. Исследование режимных параметров интенсификации сушки лакокрасочного покрытия, образованного водно-дисперсионным акриловым лаком, на древесине при электроэффлювиальной аэроионизации / М.В. Газеев, Е.А. Газеева, А.Ф. Яруллин Вестник Казанского технологического университета Том. 18, №15, КНИТУ. - Казань, 2015. С110-112
9. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы [Текст]/ Ю.Г. Фролов. Учебник для вузов. 3-е изд. М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. 464 с.
10. Газеев М.В. Исследование процесса пленкообразования 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. С97-101.
11. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Учеб. пособие для вузов в 5 т. Т.Ш Электричество / Д.В. Сивухин; М.: МФТИ, 2004. 656 с.
12. Энциклопедия полимеров. Ред. коллегия: В.А. Кабанов (глав. ред.) [и др.] Т.1 - М., «Советская энциклопедия», 1974. С. 850 - 859.
13. Сафин Р.Г., Степанов В.В., Исхаков Т.Д., Гайнуллина А. А., Степанова Т.О. Новые исследования и разработки в области получения древесно-композиционных материалов на основе древесных отходов. // Вестник технологического университета. - 2015. -Т. 18. №6. - С. 139-142.
14. Сафин Р.Г., Зиатдинова Д.Ф., Сафина А.В., Степанова Т.О., Крайнов А. А. Современные направления переработки лесных ресурсов. // Вестник технологического университета. - 2015. -Т. 18. №15. - С. 144-148.
15. Сафин Р.Г., Галиев И.М., Степанова Т.О., Разработка террасных досок и плит из древесины-полимерных композиционных материалов / Деревообрабатывающая промышленность. 2015, в.3, с.56-60.
© Р. Г. Сафин - д.т.н., профессор, зав. кафедрой переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected]; М. В. Газеев -к.т.н., доцент кафедры механической обработки древесины, ФГБОУ ВПО Уральский государственный лесотехнический университет, [email protected]; Т. О. Степанова - магистрант каф. ПДМ КНИТУ, [email protected].
© R. G. Safin - doctor of engineering, professor, head of the department of processing of wood materials КNRТU, [email protected]; M. V. Gazeev - associate professor of machining of wood, FGBOU VPO Uralsky state timber university, [email protected]; Т. О. Stepanova - undergraduate of chair of processing of wood materials, KNRTU, [email protected].
