CC BY
36
УДК 632.382: 620.179.4
СЛ. ГОРЯЩЕНКО
Хмельницький нащональний ушверситет
ФОРМУВАННЯ ПОЛ1МЕРНОГО ПОКРИТТЯ УЛЬТРАЗВУКОВИМ
РОЗПИЛЮВАЧЕМ
В cmammi розглядаються процеси утворення частинок полiмерних композицт nid час гх розпилення ультразвуковим розпилювачем. Зазначено, що для утворення мшких краплинок nовиннi вiдбутися певн процеси, що викликанi дieю ультразвукового резонатора. Отриман значення частинок для трьох видiв nолiмерних композицт, що використовуються для нанесення на тканини з метою захисту. Проведен ексnериментальнi випробування на сnецiально розробленому пристрог. Отримаш тонт шари nокриттiв, що niдтвердили можливiсть використання ультразвукового розпилювача для формування nолiмерних nокриттiв.
Ключовi слова: nолiмернi покриття, пристрог для нанесення nлiвок, нанесення захисних nокриттiв, частинки nолiмерiв
С.Л. ГОРЯЩЕНКО
Хмельницкий национальный университет
ФОРМИРОВАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ РАСПЫЛИТЕЛЕМ
В статье рассматриваются процессы образования частиц полимерных композиций во время их распыления ультразвуковым распылителем. Отмечено, что для образования мелких капель должны произойти определенные процессы, вызванные действием ультразвукового резонатора. Полученные значения частиц для трех видов полимерных композиций, используемых для нанесения на ткани с целью защиты. Проведенные экспериментальные испытания на специально разработанном устройстве. Полученые тонкие слои покрытий подтвердили возможность использования ультразвукового распылителя для формирования полимерных покрытий.
Ключевые слова: полимерные покрытия, устройства для нанесения пленок, нанесение защитных покрытий, частицы полимеров
S. HORIASHCHENKO Khmelnytskyi National University
FORMATION OF POLYMERIC COATINGS BY ULTRASOUND SPRAYER
The article deals with the formation of particles of polymer compositions during their spraying with an ultrasonic nebulizer. It is noted that for the formation of small droplets certain processes must occur that are caused by the action of an ultrasonic resonator. The obtained particle values for the three kinds of polymer compositions used for applying to the fabric for protection purposes. Carried out experimental tests on a specially designed device. The resulting thin layers of coatings confirmed the possibility of using an ultrasonic atomizer to form polymer coatings.
Keywords: polymer coatings, devices for film deposition, application of protective coatings, polymer
particles
Постановка проблеми
Виб1р способу нанесення покриття залежить в1д дешлькох фактор1в. Вони полягають у тит тдкладки, формул! пол1меру i його в'язкосп для нанесення покриття, бажаний шнцевий продукт i точнють покриття, економжа процесу.
Розпилення рiзних рвдин i напилення покритлв е основою значно! кшькосп технолопчних процеав в виробництвах, що ввдносяться, в першу чергу, до високотехнолопчних секторiв економiки. Сюди ввдносяться: розпилювач^ призначеш для роботи в складi установок спектрального аналiзу в аыацшному двигунобудуванш, напилення фоторезистов в мжроелектронно! промисловосп, полiруючих рвдин в оптико-електронному приладобудуваннi, нанесення покриттiв у виробнищга медично! технiки та iмплантiв, розпорошення рвдин при виробництвi функцюнальних наноматерiалiв i багато iншого. 1снують рiзнi способи нанесення покриттiв, що основаш на застосування полiмеру до текстилю. Вони можуть бути класифшоваш за типом устаткування, використовуваного методу, облжу та формi покриття.
Серед безлiчi рiзних способiв найбiльш ефективним е УЗ розпилення [1], що володiе ушкальними перевагами: низькою енергоемшстю i високою продуктивнiстю процесу; можливютю
забезпечення дрiбнодисперсного i монодисперсного розпилення; можливiстю розпилення високов'язких рвдин без додавання розчинник1в; можливiстю розпилення розплавiв металiв; високою якiстю i рiвномiрнiстю формованих покриттiв.
Аналiз останшх дослiджень i публiкацiй
На сьогодтшнш день найбiльш поширеною теорieю, яка описуе механiзм ультразвукового розпилення рвдин, е теорiя кавiтацiйно-хвильового розпилення рвдин, запропонована Богуславським [2] i Екнадюсянцем [3] i, згодом, розвинена Новицьким [4]. Ця теорiя заснована на припущенш, що розпорошення здiйснюеться шляхом ввдриву крапельок рвдини з гребшв стоячих капiлярних хвиль, що параметрично порушуються на поверхнi роздiлу середовищ рiдина-повiтря внаслвдок обурення поверхнi рвдини, що коливаеться поверхнею випромiнювача.
Виходячи з цього, в ультразвуковому способi розпилення рiдин енергiя зазнае калька стадiй перетворення:
- коливання поверхш, що випромiнюе ультразвукового перетворювача створюе звуковий тиск в розпильованому шарi рвдини;
- звуковий тиск зумовлюе утворення кавiтацiйних порожнин (бульбашок) в рвдини, i здiйснюе запас енерги в кавiтацiйнiй бульбашцi, викликаючи и розширення;
- при закриттi кавiтацiйного пухирця, запасеного в бульбашцi, енерпя перетворюеться в енергiю ударно!хвилц
- енергiя ударно! хвилi витрачаеться на утворення на поверхнi рвдини капiлярно! хвил1;
- енергiя кашлярно! хвил1 витрачаеться на збiльшення ввдьно! поверхнi рiдини, тобто на утворення крапель рвдини, що викликае !! розпилення.
В роботi [3] вивчався вплив фiзичних властивостей газу, рвдини в розпилювачi типу Вентурi. Порiвняння даних по розпилюванш азотом i етаном показало, що зменшення в'язкосп газу на 60% призводило приблизно до такого ж збiльшення середнього дiаметра крапель. Зменшення ж щшьносл газу приблизно в 7 разiв при замiнi азоту гелiем призвело до збiльшення середнього дiаметра крапель приблизно в 2 рази, незважаючи на деяке збвдьшення швидкостi.
Формулювання мети досл1дження
Метою досл1джень було перевiрити можливiсть ультразвукового розпилення полiмерних композицiй з рiзною в'язк1стю на тканину з метою створення певного шару покриття.
Викладення основного матерiалу дослiдження
Розглядаючи процеси, що виконують рiзнi ультразвуковi розпилювачi та математичш процеси, що !х описують [1, 2] ми можемо зауважити, що процес розпилення в тонкому шарi пол1меру не охоплюе всi параметри, як1 характеризують процеси, що там ввдбуваються.
Ультразвукове розпилення можливо завдяки подачi синусоподiбного електричного сигналу на п'езоелектричний перетворювач. Цей перетворювач породжуе стоячи хвил1 в системi. На ввдм^ ввд iснуючих ультразвукових розпилювачiв рiдини [1] при розпиленнi полiмерiв постае калька нових задач. Особливо складно описати процес розпилення полiмеру за рахунок потоку газу. В сьому випадку передача енергi!' коливань ввдбуваеться через газ до краплин полiмеру, що рухаеться в ньому. На цих краплинах будуть утворюватися кашлярш хвилi, що призводять до розпаду краплин на бiльш мiлкiшi. Рiвняння енергетичного балансу в цьому випадку буде:
Еак Евщ + Еутв + Екап + Егаз + Екав + Етемп, (1)
де Еак - енергя акустичного резонатора, що пiдводиться до системи;
ЕМд - енергiя, що необхвдна для вiдриву капл1 ввд основного потоку, ЕМд = Екоз + Евз;
Еког - енерпя, що необхвдна для подолання когезп;
Евз - енергiя, що необхвдна для подолання в'язкого тертя в пол1мерц
Еутв - енергiя, що необхвдна для утворення каплц
Екап -енергiя краплини, що рухаеться в потоцц
Егаз - енергiя, яку необхвдно передати через газове середовище;
Екав - енерг1я, що необхвдна для кавггацшних процесiв в полiмерi;
Етемп - енерг1я, що витрачаеться на на^вання середовища.
При розрахунках та проектування ультразвукових розпилювачiв слвд враховувати !х резонансний тип роботи. Стояча хвиля пружно! деформацi!' утворюеться нормально до потоку розпилення. Тиск в таких хвилях визначаеться формулою:
р = р^п^х • соя^. (2)
Сама хвиля характеризуеться наявною в не! шнетичною та потенцшною енерг1ями, що визначаються як [1]:
Enom = ^—JPU1 — COS2^ (3)
8 Ркск 1 1
Екн = а-2Р2К(1 + cos2kx),
орКсК
де - рК сК вiдповiдно щiльнiсть та швидкють звуку в матерiалi сопла; к - волнове число;
рк - амплпуда коливального тиску в хвилц х - вiдстань вiд вузла до хвилц Враховуючи, що Ерозб = Епот + Екин запишемо:
Enom = \^1JP^SÍn2kx • cos2u>t, (4)
1 1 к
EKiH =--~pKcos2kx • cos2uit,
2 РксК
* = PfT. (5)
РрсР
де рр, с р - ввдповвдно щ№нють та швидк1сть звуку в рщкому полiмерi.
Еподв = <¿iSdhpEmcn - енергiя, що подаеться на шар полiмеру, який е в стоячих хвилт
Еподв = ^тг^РКс^ш t, (6)
2 ркск
Sd - площа рiдкого полiмеру
hp- товщина шару редкого полiмеру.
Враховуючи те, що товщина редкого шару полiмеру, який подаеться в сопло, дуже мала,
вважаемо, що у нас утворюються пласк1 хвилi довжиною Я, тодi hv ,
" X
Для визначення оптимально! товщини шару редини, що розпилюеться необх1дно розглянути механiзм кавiтацiйного утворення краплин рiдини. Як вiдомо, розпилення рiдини в шарi пед дiею капiлярних хвиль.
Сили шерцп зi сторони газового потоку, що призводить до деформацй' каплi, при певному ii розмiру викликають в решп решт подрiбнення каплi. Як ведомо, загально! теорй' подрiбнення краплин не юнуе, однак зрозумiло, що деформащя краплини i подальше ii подрiбнення пов'язане з дотичним напруженням зi сторони газового потоку, що дiе не поверхню краплини. Це описуеться рiвнянням [2]
т, = ciP"vl/2, (7)
де c¿ - коефщент тертя на межфазнiй границi.
Деформацй' протидшть загальновiдомi сили поверхневого натягу:
f = o/d, (8)
де o - поверхневий натяг, d - дiаметр краплi.
Отже, подрiбнення крапель визначаеться деяким значениям числа Вебера, яке може бути згедно з [5] Wekp = 7 — 10. Крапля, що втрачае стiйкiсть, спочатку перетворюеться у тор, а попм розпадаеться на меншi. Швидк1сть руху краплини перед подрiбнениям визначаеться так:
Um = constj (р„.)2 (9)
де р' , р''- щiльнiсть твердо! та повiтряноi' фази, а - прискорення, що дiе на потiк.
При розпиленнi, зазвичай, швидк1сть руху краплин спiвпадае з швидшстю руху потоку газу, однак, якщо розпилення вiдбуваеться зверху, то до швидкють газу для краплин след додати Um з шдставленим значенням прискорення вiльного падiння. Умовний граничний розмiр краплини dTp в долях кашлярно! константи можна виразити як:
Wekp = Р-И^Р = p"^c™st)2 = 7 — 10 (10)
При сопбЬ = 1,6 — 1,8 отримаемо:
^ = (2 — 3 )Ъ Ъ =
(11)
N
а(р' — р''У
Подставивши значения, отримаемо розм1ри крапель для потоку пол1меру в повир1 при його розпиленш, яш представлеш на рис. 1 та 2, де позначено: I -латекс СВХ, II - акрилонитрильний латекс СКН-40-ГП, III - фтормютний пол1мер БФ-1.
Ведомо [4, 5, 6], що розчини мають в1д 2% до 5% пол1мер1в, акрилова емульс1я та латекс мае 20% дисперсш з частинками 0.1 мкм.
и, м/с
•
/ >
7
III -II I
с/, мм 0.2Г
0.15
0.1
0.005
р, атм
10
1 1
\
III Л 'I
р, атм
10
Рис. 1. Розрахунковi значення швидкосп потоку краплин в залежносп вщ тиску
Рис. 2. Розрахунковi значення дiаметри краплин в залежносп вiд тиску
Проведет розрахунки показали, що наявшсть бшьш важких елеменпв у БФ-1 не дае йому утворювати менш1 за шших краплини, однак, вш мае б1льшу шерцшшсть 1 тому бшьш1 швидкосп розпилення, що позитивно може ввдобразитись на глибиш проникнення пл1вки у структур! тканини.
Кр1м того, граничш значення р1зних пол1мер1в залежать ввд прискорення при розпиленш, яке залежить не тшьки в1д тиску а й в1д форми сопла.
Була розроблена експериментальна установка [7, 8], що складаеться з розпилювача та ультразвукового резонатора навколо сопла. Розпилення пол1мер1в ввдбувалось на вщсташ 20 см на вертикально розташовану тканину (рис.3). Результат отриманого покриття показано на рис.4.
Рис. 3. Процес ультразвукового розпилення та нанесення полiмеру на тканину
Рис. 4. Результати нанесення полiмерiв на тканину
Для контролю потоков розпилення використовуються оптичш (в основному, лазерш) л1чильники частинок - фотоелектричш прилади, що визначають кшьшсть частинок, прокатаних через вим1рювальний об'ем приладу, шляхом тдрахунку кшъкосп !мпульав свила, розс^яного кожно! окремо! часткою при И прольоп через свгтловий промшь.
Узагальнена оптична 1 пневматична схема такого приладу представлена на рис. 5. Тонкий струмшь факелу розпиленого пол1меру прокачуеться через сфокусований промшь свила в1д джерела випромшювання (лазера), причому д1аметр струменя тдбираеться таким чином, щоб в промеш знаходилось, як правило, не б1льше одше! аерозольно! частинки. Для запобйання поширення частинок усередиш вишрювально! камери аерозольна струмшь обдуваеться коакаальним струмом чистого пов1тря. Св1тло, розс1яний часткою, збираеться оптичною схемою 1 направляеться на фотоприймаючий пристр1й. Опорний дюд використовуеться для стаб1л1зацИ р1вня випром1нювання джерела св1тла. Св1тлов1 1мпульси перетворюються фотоприймачем в електричн1 1мпульси, амплиуда яких пропорц1йна геометричному розм1ром частинок.
Одночасно прилад вим1рюе той чи шший об'ем пов1тря, що пройшов через вим1рювальний об'ем, що дозволяе шляхом просто! арифметично! д!! (здшснюваного зазвичай електронним блоком приладу без втручання оператора) визначити значення рахунково! концентрац!!' часток.
Рис. 5. Узагальнена оптична i пневматична схеми оптичного лiчильника часток
Найважлив!шими характеристиками як л!чильнишв, так ! спектрометр!в частинок потоку е:
- д!апазон розм!р!в вим!рюваних часток (в!д 0.5 мкм до 0.3 мкм);
- число розм!рних д!апазон!в (канал!в), на яш д!литься !нтервал розм!р!в частинок; як правило, чисельне значення - вщ 6 до 12 канал!в
- швидшсть пробов!дбору, д!апазон можливих значень зазвичай ввд 2,8 л / хв до не сшльки десятшв (зазвичай - 28) л!тр!в за хвилину;
- максимальна рахункова концентрация, яка вим!рюеться приладом без попереднього розведення (в межах 500 - 1000 частинок / см3);
- власний фон приладу - число !мпульав, що фжсуються приладом протягом заздалег!дь обраного часу в умовах, коли на вхвд приладу подаеться очищене пов!тря. Таким чином, цей параметр характеризуе число помилкових спрацьовувань електрон!ки приладу.
опорний фотод/'од
ф/льтр
насос
Аналiзатори po3Mipy крапель збирають i фiксують данi, як правило, у виглядi кiлькостi рахунк1в за po3MipoM класу. Данi впорядкованi в математичне подання, яке називаеться розподшом po3Mipy краплi. Математичне подання найчаспше залежить ввд використовуваного аналiзатора. Проте останшм часом деяк1 виробники аналiзаторiв дозволили користyвачевi вибрати 3i списку функцш розподiлy, а не за замовчуванням фyнкцiю розподiлy розмiрiв падшня. Деяк1 з найпоширенiших фyнкцiй розпод^ падiння розмiрiв, що використовуються в промисловосп - це фyнкцiя розподшу Rosin-Rammler [5] та аналiз ASTM® Standard E799-03 [10, 11]
Функщя розпод^ Rosin-Rammler:
F(d) = 1-ехр [g/
(12)
Параметри (X i N), отримаш в резyльтатi вимiрювання, використовуються в цьому рiвняннi для розрахунку розподiлy та характеристик або середшх дiаметрiв:
j ZNjd?
d™ = ^df (13)
Стандарт ASTM E799-03 [10,11] найкраще пiдходить для використання з аналiзаторами, як1 класифiкyються як одиночш частки, такi як потоки. Цей стандарт використовуеться для класифшацп дiаметрiв краплi, а також для розрахунку розпод^ та характеристик або середшх дiаметрiв.
Отриманi данi з аналiзатора про формування краплин ультразвуковим розпилювачем були в адекватних межах розрахункових значень. Вiдхилення склали не бшьше 10%.
Висновки
Пiсля проведених експериментальних дослiджень було встановлено, що густина обраних полiмерних композицiй достатня для розпилення з використанням ультразвукового розпилювача, причому краплини полiмерy проникають у структуру матерiалy. Товщина покриття складала вiд 3 до 10 мкм. Експериментально пiдтверджено, що зi збiльшенням тиску та частоти ультразвукових коливань дiаметр краплин при розпилення зменшуеться. Оптимальний дiапазон 70-80 кГц. Таким чином збертаеться як1сть мал ралу, а крапкове проникнення полiмерy в його структуру пiднiмае и жорстк1сть та змiнюе властивостi, надаючи новi, наприклад, захиснi. Крiм того, крапкове проникнення в структуру тканини матерiалy не призводить до значного и потовщення.
Список використаноТ лггератури
1. Хмелев, В. Н. Ультразвуковое распыление жидкостей/ В. Н. Хмелёв, А. В. Шалунов, А. В. Шалунова - Барнаул АлтГТУ, 2010. - 272 с.
2. Розенберг, Л. Д. Физика и техника мощного ультразвука. В 3 т. Т. 3: Физические основы ультразвуковой технологии / Под редакцией Л. Д. Розенберга. - М.: Наука, 1968. - 270 с.
3. Экнадиосянц, О. К. Получение аэрозолей / О. К. Экнадиосянц, // Физические основы ультразвуковой технологии / под ред. Л. Д. Розенберга. - М.: Наука, 1970. - С. 337-395.
4. Новицкий, Б. Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии) / Б. Г. Новицкий. - М.: Химия, 1983. - 192 с.
5. Spread coating processes, R. A. Park, in Plastisols and Organosols, H. A. Sarvetnick, Ed., Van Nostrand Reinhold, New York, - 1972, pp. 143-181.
6. Experimental research drop size in polymers sprayed onto textile materials. Horiashchenko S./Interdisciplinary integration of science in technology, education and economy// Monograph: edited by Shalapko J. and Zoltowski B. Poland. Bydgoszcz - 2013, p.402-408
7. Horiashchenko S. Research Spray and Device for Polymer Coatings on Fabric // Proceedings of the 20th International Scientific Conference: Mechanika-2015, Kaunas - 2015, р.101-104
8. Serhiy Horyashchenko. Simulation of particle flow of the polymer droplets using ultrasonic spraying /Serhiy Horyashchenko, Ievgeniia Golinka/ 22th International Scientific Conference: Mechanika-2017 -Proceedings, Kaunas - 2017, p.134-137
9. Modeling and reserch of polymer coating on clothing materials. S. Horyashchenko, G. Paraska, S. Petegerych. // Innovation in textile materials&protective clothing. Monograph, Warsaw, 2012, c.151-159.
10. E799-03: Standard Practice for Determining Data Criteria and Processing for Liquid Drop Size Analysis. Book of ASTM® Standards, General Methods and Instrumentation, Volume 14.02: 535-539.
11. E1620-97: Standard Terminology relating to liquid particle statistics. Book of ASTM Standards, General Methods and Instrumentation, Volume 14.02: 810-812.
