CC BY
70
from flax-production wastes] // Scientific review. 2016. Issue 4. Pp. 15-20.
7. Bochkarev A.V, Belopukhov S.L., Osin E.N., Lyashevich N.V., Trefilova A.N. Vodouderzhivayush-chaya sposobnost otkhodov pererabotki khlopkovoy vaty [Water retaining power of wastes from cotton wool processing] // Fertility. 2007. Issue 3. Pp. 15-16.
8. Barykina Yu.A., Belopukhov S.L. Issledovanie sorbtsii parov vody tsellyulozosoderzhashchimi materialami [Sorption investigation of water vapour by heat-insulation materials] // Izvestiya RSAU-MAA named after K.A. Timiryazev. 2016. Issue 2. Pp. 69-75.
9. Glazko V.I., Belopukhov S.L. Nanotekhnologii i nanomaterialy v sel'skom khozaystve [Nanotechnolo-gies and nanomaterials in farming]. M.: Publishing office RSAU-MAA named after K.A. Timiryazev, 2008. 228 p.
10. Belopukhov S.L., Fokin E.V. Deistvie zash-chitno-stimuliruyushchikh kompleksov s epinom na urozhai i kachestvo volokna l'na-dolguntsa [Protective - stimulating effect of complexes with epines on fiber flax harvest and quality] // Izvestiya RSAU-MAA named after K.A. Timiryazev. 2004. Issue 1. Pp. 32-39.
11. Belopukhov S.L., Malevannaya N.N. Prime-nenie tsirkona dlya obrabotki posevov l'na-dolguntsa [Zircon usage for crop care work of fiber flax] // Fertility. 2003. Issue 2. Pp. 33-35.
12. Korsun N.N., Belopukhov S.L., Fokin A.V., Samoylov VP., Smirnov N.A. Natural'nye volokna v sovremennykh tekhnicheskikh materialakh [Natural fibers in modern technical materials]. M.: Publishing office VK, 2007. 160 p.
Received on September 21, 2016 г.
УДК 621.3.049, 621.432.3
БЫКОВА ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНА, канд. техн. наук, доцент
E-mail: [email protected]
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ
ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПЕРФОРИРОВАННЫМИ НАНОМАТЕРИАЛАМИ
Приведены свойства перфторированных нанодобавок и лакокрасочных материалов (ЛКМ), модифицированных ими. Показана эффективность ЛКМ, модифицированных перфторированными наноматериалами (ПФНМ), в защите техники от атмосферных воздействий и коррозии. Рассмотрены способы нанесения ЛКМ, модифицированных ПФНМ. Практически проверена гипотеза об эффективности распылителя для нанесения ПФНМ, имеющего параболическую камеру распыла, вытекающая из особенностей физических (гидродинамических) свойств ПФНМ. Приведены результаты испытаний распылителей при нанесении ЛКМ, модифицированных ПФНМ. По результатам испытаний для нанесения ПФНМ можно рекомендовать ультразвуковые распылители с параболической камерой распыла как оборудование, позволяющее получать наиболее качественную плёнку модифицированного лакокрасочного покрытия (ЛКП).
Ключевые слова: перфторированные соединения, наноматериалы, лакокрасочные материалы (ЛКМ), лакокрасочные покрытия (ЛКП), оборудование для нанесения ЛКМ, распылители с параболической камерой.
Введение. Высокая работоспособность и безотказность техники - одно из необходимых условий эффективности производства. Важнейшим принципом современного механизма хозяйствования является внедрение передовых методов ремонта и обслуживания техники, сочетающееся с требованиями экономии материальных ресурсов. Перспективным направлением повышения надёжности техники является
использование наноматериалов для защиты её поверхностей от воздействия атмосферных, биологических, химических факторов, приводящих к коррозионному разрушению техники.
Современная химическая промышленность предлагает значительный ассортимент активных соединений и рецептур, предназначенных для защиты поверхностей, ремонта техники. Ряд из них требует
тщательной предварительной подготовки поверхностей. Другие можно наносить на неподготовленную поверхность. Например, в ГОСНИТИ разработан метод окрашивания металла непосредственно по ржавой поверхности, обработанной активными веществами - модификаторами. Также существуют препараты, которые при нанесении на твёрдую поверхность образуют защитную пленку, состоящую из молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ), ориентированных определенным образом и существенно изменяющих поверхностную энергию. Доказано, что наиболее активно действуют наноматериалы [1].
Цель исследований - теоретическое и экспериментальное изучение оборудования для нанесения ЛКМ, модифицированных перфторнаноматериалами (ПФНМ), анализ особенностей его работы, выбор конструкции распылителя, наиболее подходящей для нанесения ЛКМ, модифицированных ПФНМ.
Материалы и методы. Эффективные нанопре-параты могут быть созданы на основе перфтори-рованных органических соединений, обладающих комплексом уникальных свойств. Углеродная цепь этих веществ находится в максимально окисленном состоянии. Этим объясняется химическая инертность фторуглеродных цепей. Они не взаимодействуют с органическими веществами, стойки к окислению, гидролизу, сольволизу и другим химическим процессам [2]. Доказано, что защитные покрытия, сформированные на основе перфторированных соединений, обеспечивают защиту поверхностей техники от электрохимической, химической и биокоррозии; проникновения
влаги в пористые и волокнистые структуры; старения полимерных материалов и РТИ [3].
Особенностью перфторированных соединений является то, что они представляют собой углеродные цепи, в которых все атомы водорода замещены атомами фтора. Фторуглеродные цепи по сути являются «молекулярными стержнями», обладающими осевой симметрией и покрытыми «защитной оболочкой» из атомов фтора. Они характеризуются прочностью внутримолекулярных и слабостью межмолекулярных связей. Молекулы фторуглеродов практически не взаимодействуют между собой, вследствие чего являются псевдопластическими жидкостями с низким внутренним трением [4].
Особенности их гидродинамических свойств приведены на рисунке 1 (кривая 2). При движении перфторированных жидкостей относительно условных неподвижных поверхностей напряжение внутреннего трения (т) не находится в прямой зависимости от градиента скорости сдвига (йм/йк). Коэффициент динамической вязкости перфторированных соединений не является постоянным, а изменяется в зависимости от величины градиента сдвига йм/йк. В зоне эффективных концентраций значение динамической вязкости перфторированных жидкостей (мк) ниже, чем у обычной (ньютоновской) жидкости. Характер изменения вязкости перфторированных соединений связан с ориентацией молекул в направлении перемещения жидкости, слабым межмолекулярным взаимодействием и, как следствие, «проскальзыванием» молекул относительно друг друга [5, 6].
Рис. 1. Кривые течения (зависимости между напряжением внутреннего трения т и скоростью сдвига (йю/йк)у. 1 - ньютоновская (обычная) жидкость: ¡г - динамическая вязкость; 2 - псевдопластическая жидкость: - динамическая (кажущаяся) вязкость, ^ - вязкость при бесконечно большом сдвиге [5]
Вследствие особых свойств перфторированных модификаторов лакокрасочные материалы (ЛКМ), созданные с их применением, требуют специального оборудования для нанесения. Традиционный способ нанесения кистью малоэффективен и для таких высокотехнологичных материалов не рассматривается. В работах С.М. Гайдара [7] и М.Ю. Карелиной [8] показано, что нанесение перфторированных соединений обычным распылителем затруднено, так как формируется нестандартный факел распыла, не обе-
60
спечивающий равномерность нанесения, отсутствие потёков. Кроме того, затруднена регулировка толщины и равномерности покрытия.
Исходя из того, что в целом гидродинамическая характеристика течения перфторированных жидкостей близка к полиномиальной кривой второго порядка (параболе) (рис. 1, кривая 2), сформулировали рабочую гипотезу о том, что для распыления ЛКМ, модифицированных перфторированными наноматериалами (ПФНМ), наилучшим образом
подходят распылители, имеющие параболическую представлена конструктивная схема распылителя, камеру распыла (диффузор). Распылитель такого который являлся объектом испытаний в настоящей типа предложен М.Ю. Карелиной [8]. На рисунке 2 работе.
Рис. 2. Конструктивная схема распылителя: 1 - цилиндрический корпус; 2 - резонаторная втулка; 3 - торцевая крышка; 4, 5 - штуцера; 6 - центральное цилиндрическое тело
Параболическая конструкция распыливающе-го узла должна обеспечивать качественное равномерное распределение ЛКМ, модифицированных ПФНМ, и, как следствие, образование качественных защитных покрытий.
Дополнительно равномерность распределения частиц перфторированных соединений на поверхностях может достигаться за счёт придания распыляемому
лакокрасочному материалу ультразвуковых колебаний, изменяющихся по сечению газового (воздушного) потока. Такие ультразвуковые распылители конкурируют с традиционными установками с беспульса-ционной подачей материала. В опыте участвуют как традиционная установка, так и ультразвуковой распылитель [9]. Принципиальная схема ультразвуковой установки-распылителя приведена на рисунке 3.
Рис. 3. Принципиальная схема установки: 1 - распылитель; 2-4 - трубопроводы с клапанами; 5 - компрессор; 6 - ресивер; 7 - емкость с ЛКМ, модифицированных ПФНМ; 8 - емкость с моющей жидкостью
Распылитель имеет цилиндрический корпус с параболическим диффузором. Особенности испытуемого ультразвукового распылителя: массо-габаритные параметры: dc = 15 мм; d1 = 1,5 мм; I = 2 мм; hv = 1,5 мм; с профилем по параболе у = 6х2.
Расход газа (воздуха) Gг = 60 г/с; расход жидкости (ЛКМ) Gж = 18 г/с (при концентрации ПФНМ в растворе 3,0%).
В качестве ПФНМ использовали перфтор-полиэфирную кислоту, в качестве растворителя - перфторметилциклогексан.
Температура продуваемого воздуха в магистрали Тм = 32°С.
На очищенные и обезжиренные пластины из дюралюминия размерами 200 х 200 мм наносили покрытие на основе раствора ЛКМ, модифицированных ПФНМ. Повторность эксперимента в каждом варианте - пятикратная. Нанесение материала на пластины осуществлялось путем воздействия распыляемой струи в течение 3 сек. Фиксацию и визуализацию формы факела распыла осуществляли с помощью цифрового фотоаппарата. После обработки пластин раствором и испарения растворителя проводили термофиксацию покрытия при температуре 100°С в течение 30 мин.
Качество полученного на поверхности покрытия определяли по величине изменения поверхностной энергии, количественно измеряемой
величиной краевого угла смачивания [10]. При измерении краевого угла смачивания использовали эталонное масло МН-60 ГОСТ 8781-71; мас-лодозировку лопаточного типа; непосредственно для измерения - цифровой измерительный оптический микроскоп типа LOMO Prima Expert. Для оценки качества покрытий на каждую пластину наносили по 5 капель масла.
После перечисленных процедур производили обработку пластин моечной жидкостью (водой) при температуре 50°С и расходом 60 г/с в течение 3 сек. После промывки повторно оценивали качество ЛКП, измеряя краевой угол смачивания.
Результаты и обсуждение. На рисунке 4 представлены фотографии форм факелов распыла ЛКМ, модифицированных ПФНМ, различными типами распылителей.
Рис. 4. Формы факелов распыла различными типами распылителей: 1 - традиционный распылитель; 2 - распылитель с параболической камерой распыла; 3 - ультразвуковой распылитель с параболической камерой распыла
Анализ фотографий факелов распыла ЛКМ, модифицированных ПФНМ, показывает, что при их нанесении традиционными распылителями не образуется равномерного (конического) факела распыла. ЛКМ из форсунки выходит тонкой струей, что очевидно, не может обеспечить равномерности нанесения материала. Распылитель с параболической распылительной камерой и беспульсационной подачей обеспечивает существенно лучший факел распыла. Факел распыла -
конический симметричный. Однако по центру факела также наблюдается наличие струи ЛКМ, что может негативно сказываться на равномерности нанесения. Наилучшие результаты получены при использовании ультразвукового распылителя с параболической камерой. Факел распыла - конический равномерный.
Результаты измерения краевых углов смачивания окрашенных поверхностей и представлены в таблице 1.
Таблица 1
Краевые углы смачивания обработанных поверхностей (среднее арифметическое по пяти повторностям)
Традиционный распылитель Распылитель с параболической камерой распыла и беспульсационной подачей ЛКМ Ультразвуковой распылитель с параболической камерой распыла
Менее 5° 45° 52°
Результат измерений в варианте распылителя с параболической камерой распыла в 9 раз превышает результат контрольного варианта (традиционный распылитель), что свидетельствует о правильности выдвинутой гипотезы, т.е. высокой эффективности применения параболической камеры распыла, наилучшим образом соответствующей гидродинамическим свойствам ЛКМ, модифицированных ПФНМ. Вывод подтверждается и результатами испытаний ультразвукового распылителем с параболической камерой. В данном случае краевой угол смачивания обработанной поверхности более чем в 10 раз превосходит контрольный вари-
Сравнение результатов в контрольном варианте без и при наличии промывки показало отсутствие изменений. При этом отмечено увеличение краевых углов смачивания поверхностей после помывки в обоих вариантах испытаний распылителей с параболической камерой. В варианте 2 после промывки краевой угол смачивания увеличился на 3°, в варианте 3 - на 4°. Это свидетельствует о целесообразности последующей промывки обработанной поверхности, с учетом того, что для этого используется то же оборудование, что и при окрашивании, и процедура может быть осуществлена в рамках одного технологического процесса. Увеличение угла смачивания при проведении испытаний с использованием описанной установки свидетельствует о формировании квазикристаллической структуры мономолекулярного слоя, т.е. о более плотной упаковке молекул перфторированных соединений на поверхности пластины.
Выводы
Установка, обеспечивающая создание ультразвукового потока воздуха и распыляемых капель раствора модифицированного ЛКМ, обеспечила достижение технического результата: получение более равномерной и качественной пленки раствора ЛКМ.
Библиографический список
1. Пучин Е.А., Гайдар С.М. Хранение и противокоррозионная защита сельскохозяйственной техники: Учеб. пособ. М.: ФГНУ «Росинформагро-тех», 2011. 512 с.
ант. Сравнение УЗВ-распылителя (вариант 3) с распылителем с беспульсационной подачей (вариант 2) показывает улучшение результатов на 15%. В целом набольший эффект даёт применение параболической камеры распыла, а колебательный процесс, создаваемый ультразвуком, усиливает достигнутый результат. Достигнутая величина смачивания (52°) свидетельствует о более упорядоченном слое молекул перфторированных соединений и образовании хемосорбционных слоев.
Результаты измерений краевых углов смачивания после промывки пластин представлены в таб лице 2.
2. Промышленные фторорганические продукты: Справочное издание / Б.Н. Максимов и др. СПб.: Химия, 1996.
3. Гайдар С.М. Теория и практика создания ингибиторов коррозии для консервации сельскохозяйственной техники: Монография. М.: ФГНУ «Росин-формагротех», 2011. 304 с.
4. Гайдар С.М., Низамов Р.К., Прохоренков В.Д., Кузнецова Е.Г. Инновационные консервационные составы для защиты сельскохозяйственной техники от коррозии // Техника и оборудование для села. 2012. № 11 (184). С. 40-43.
5. Гайдар С.М., Быкова Е.В. Применение нано-модификатора в качестве эмульгирующей добавки для органоразбавляемых лакокрасочных материалов // Техника и оборудование для села. 2016. № 4. С. 39-40.
6. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Изд-во «Химия», 1971.
7. Гайдар С.М. Применение нанотехнологий для повышения надежности машин и механизмов. Грузовик. 2010. № 10. С. 38-41.
8. Гайдар С.М., Карелина М.Ю. Инновационное техническое средство для нанесения защитной молекулярной пленки на поверхность машин // Техника и оборудование для села. 2015. № 3. С. 26-28.
9. Физические основы ультразвуковой техники / Под ред. Л. Д. Розенберга. М.: Наука, 1970. 224 с.
10. Гайдар С.М., Быкова Е.В., Карелина М.Ю. Перспективы использования лакокрасочных материалов, модифицированных фторсодержащими поверхностно-активными веществами, для защиты сельхозтехники // Техника и оборудование для села. 2015. № 7. С. 34-38.
Статья поступила 12.09.2016 г.
Таблица 2
Краевые углы смачивания обработанных поверхностей после промывки (среднее арифметическое по пяти повторностям)
Традиционный распылитель Распылитель с параболической камерой распыла и беспульсационной подачей ЛКМ Ультразвуковой распылитель с параболической камерой распыла
Менее 5° 48° 56°
EQUIPMENT FOR APPLICATION OF PAINT-AND-LACQUER MATERIALS, MODIFIED BY PERFLUORINATED NANOMATERIALS
ELENA V. BYKOVA, PhD (Eng), Assistant Professor
E-mail: [email protected]
Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Timiryazevskaya str., Moscow, 127550, Russian Federation
Properties of perfluorinated nano-additives and paint-and-lacquer materials (PLM) are given, modified by them. The efficiency of PLM is shown, modified by perfluorinated nanomaterials (PFNM), in equipment protection from weather impact and corrosion. The ways of PLM application are examined, modified PFNM. The hypothesis about the efficiency of atomizer for PFNM application, that has parabolic spray chamber, is practically improved, which comes from physical (hydrodynamic) characteristic properties of PFNM. According to testing results, ultrasonic sprayers with parabolic spray chamber can be recommended for PFNM application as the equipment, that allows to receive more qualitative layer of modified paint-and-lacquer coating (PLC).
Key words: perfluorinated connections, nanomaterials, paint-and-lacquer materials (PLM), paint-and-lac-quer coating (PLC), equipment for application of PLM, sprayers with parabolic chamber.
References
1. Puchin E.A., Gaidar S.M. Khranenie i protivoko-rroznaya zashchita selskokhozaystvennoy tekhniki: Uchebn.posob. [Storage and anticorrosion protection of farm machinery: school book]. M.: FSSI "Rusinfo-agrotech", 2011. 512 p.
2. Promyshlennie ftororganicheskie produkty: Spravochnoe izdanie [Industrial organofluoric goods: Reference book] / B.N. Maksimov and ohters. Spb.: Chemistry. 1996.
3. Gaidar S.M. Teoriya i praktika sozdaniya ingibi-torov korrozii dlya konservatsii selskokhozyaistvennoy tekhiniki: Monografiya [Theory and practice of corrosion inhibitors creation for farm machinery preservation: Monograph]. M.: FSSI "Rusinfoagrotech", 2011. 304 p.
4. Gaidar S.M., Nizamov R.K., Prokhorenkov V.D., Kuznetsova E.G. Innovatsionnye konservatsionnye sostavy dlya zashchity selskokhozyaistvennoy tekhni-ki ot korrozii [Innovative preservative compounds for farm machinery protection from corrosion] // Technics and equipment for villages. 2012. Issue 11(184). Pp. 40-43.
5. Gaidar S.M., Bykova E.V. Primenenie nano-modifikatora v kachestve emulgiruyushchey dobavki dlya organorazbavlyaemykh lakokrasochnykh ma-terialov [Nanomodificator usage as an emulsifying agent for organically soluble paint-and-lacquer ma-
terials] // Technics and equipment for villages. 2016. Issue 4. Pp. 39-40.
6. Kasatkin A.G. Osnovnye protsessy i apparaty khimicheskoy tekhnologii [Main processes and chemical technology devices]. M.: Publishing office "Chemistry", 1971.
7. Gaidar S.M. Primenenie nanotekhnologiy dlya povysheniya nadezhnosti mashin i mekhanizmov [Nano-technological usage for the improvement of vehicles and machinery reliability]. Truck. 2010. Issue 10. Pp. 38-41.
8. Gaidar S.M., Karelina M. Yu. Innovatsionnoe tekhnicheskoe sredstvo dlya naneseniya zashchitnoy malekulyarnoy plenki na poverkhnost' mashin [Innovative device for protecting molecular film application on the vehicle surface] // Technics and equipment for villages. 2015. Issue 3. Pp. 26-28.
9. Fizicheskie osnovy ultrazvukovoy tekhniki [Physical base of ultrasonics] / Edited by L.D. Rosenberg. M.: Science, 1970. 224 p.
10. Gaidar S.M., Bykova E.V., Karelina M. Yu. Per-spektivy ispol'zovaniya lakokrasochnykh materialov, modifitsirovannykh ftorsoderzhashchimi poverhnost-no-aktivnymi veshchestvami, dlya zashchity sel'khoy tekhniki [The application potential of paint-and-lac-quer materials, modified surface-active fluoridates for farm vehicles protection] // Technics and equipment for villages. 2015. Issue 7. Pp. 34-38.
Received on September 12, 2016
