CC BY
14
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ АКУСТИЧЕСКОЙ ДЕГАЗАЦИИ КАРБАМИДОФОРМАЛЬДЕГИДНЫХ ОЛИГОМЕРОВ
Грыцак С.А., Бугаенко Я.П., Билый Я.Н. (УкрГЛТУ, г. Львов, Украина)
Theoretical possibility decreasing to sociality of carbamido-phormaldegide resins is described by ultra-sound method.
В технологии производства клееных материалов из древесины большое внимание уделяется качеству применяемых клеев. Основными факторами, оказывающими значительное влияние на технологичность карбамидоформальдегидных олигомерных клеев, является их продолжительность отверждения, вязкость и токсичность. Именно эти параметры в наибольшей степени влияют на производительность клеильно-прессового оборудования, качество и санитарно- гигиенические показатели продукции, на пригодность смол к употреблению вообще.
Целью нашего теоретического исследования является изучения влияния параметров ультразвукового поля и начальных параметров смолы на возможность выделения из смол свободного формальдегида.
Наибольшее распространение получили две гипотезы механизма процесса дегазации жидкостей в ультразвуковом поле. Согласно первой - процесс дегазации определяется развитием в жидкости кавитации, вследствие чего нарушается равновесие в системе жидкость-газ и стимулируется образование большого количества пузырьков газа. Возникшие пузырьки, пульсируя в акустическом поле, наполняются газом за счет направленной внутрь пузырька диффузии. Пузырьки увеличиваются в размерах как вследствие самостоятельного роста, так и в результате объединения с соседними пузырьками; крупные пузырьки всплывают на поверхность.
Вторая гипотеза предполагает существование в обрабатываемой ультразвуком жидкости стабильных пузырьков газа. Последующие стадии дегазации, то есть рост и всплытие пузырьков, по обеим гипотезам протекают совершенно одинаково.
Наличие стабильных пузырьков формальдегида в карбамидоформальдегид-ных олигомерах практически исключено - как вследствие вакуумной обработки почти всех марок смол в процессе изготовления, так и вследствие хорошей растворимости формальдегида в воде. Учитывая это обстоятельство, следует отдать предпочтение кавитационной теории процесса дегазации свободного формальдегида из карбамидоформальдегидных олигомерных смол.
Кратко рассмотрим условия возникновения акустической кавитации в синтетических смолах. При этом сразу оговоримся, что вода и спирт, являющиеся распространенными растворителями синтетических смол в общетеоретическом плане рассматриваются как синтетические смолы и клеи нулевой концентрации.
Основным условием возникновения кавитации является наличие в жидкости зародышей кавитации. В реальных жидкостях, какими являются синтетические смолы такими зародышами могут быть пузырьки пара, воздуха и свободного формальдегида, а также твердые частицы, сгустки и т.п.
Условие равновесия парогазового пузырька в жидкости, если не учитывать диффузию газа, имеет вид: Ро+Рн=Рг+Рп, где:
♦ Ро- давление газа в пузырьке;
♦ Рн- упругость насыщенного пара;
♦ Рг- гидростатическое давление;
♦ Рп- силы поверхностного напряжения.
В поведении кавитационного пузырька возможны два случая. В первом случае, когда создаваемый источником колебаний уровень звукового давления Ра невелик и сумма давлений Рг+Рп>>Ра, то парогазовый пузырек будет пульсировать в звуковом поле, мало изменяя свои первоначальные размеры.
Совсем другую картину наблюдаем во втором случае, когда Ра>>Рг+Рп. Происходит быстрое уменьшение размеров пузырька и он схлопывается. Массовое схлопывание кавитационных пузырьков называют кавитацией. Характерная особенность ультразвуковой кавитации состоит в том, что она является весьма эффективным механизмом локальной концентрации относительно невысокой средней энергии акустического поля в очень малых объемах, что приводит к созданию исключительно высоких плотностей энергии.
Ряд авторов (Эскин Г.И., Швецов П.Н., Агранат Б.А., Китайгородский Ю.И., Хорбенко И.Г. и др.) отмечают, что процесс ультразвуковой дегазации протекает в три стадии, которые преимущественно идут одновременно: - зарождение и диффузионный рост пузырьков газа; - слияние парогазовых пузырьков в более крупные за счет действия акустических потоков сил Бьеркнесса и Бернулли; - подъем и всплытие пузырьков на поверхность жидкости.
Поскольку в условиях ультразвуковой дегазации диффузионный поток газа внутрь пузырька играет решающую роль, то ясной становится необходимость более тщательно рассматривать проблему кавитационного роста пузырьков в условиях кавитационной динамики. При рассмотрении поведения пузырьков при кавитации в принципе необходимо учитывать изменение массы газа внутри полости во время ее расширения и захлопывания. В упрощенном варианте конвективная диффузия свободного формальдегида в полость кавитационного пузырька происходит в весьма тонком слое жидкости, примыкающем к поверхности пузырька.
Динамика, то есть изменение размеров парогазового пузырька зависит от параметров воздействующего акустического поля: частоты и звукового давления. Последнее зависит от интенсивности ультразвуковых колебаний, а также от параметров обрабатываемого материала (динамическая вязкость, температура,....).
Представляется совершенно ясным, что диффузия газа будет направлена из пузырька в жидкость, когда пузырек сжат и концентрация в нем повышена, а ус-
ловием направленной внутрь пузырька диффузии газа из жидкости надо считать расширение пузырька и тем самым снижение внутри него концентрации газа. Ка-витационная динамика полости позволяет создать условия, когда площадь пузырька в момент расширения значительно больше, чем его поверхность в момент сжатия, а, следовательно, количество газа продиффундировавшего в полость в момент расширения, значительно превышает количество газа, уходящего из пузырька при его сжатии.
Процесс диффузии определяется толщиной диффузионного слоя вокруг пузырька. При сжатии пузырька этот слой растет и концентрационный градиент уменьшается, при расширении пузырька слой становится тоньше и концентрационный градиент увеличивается, тем самым увеличивается скорость потока газа в пузырек. Этому также, способствует то, что скорость расширения кавитационной полости существенно меньше скорости ее захлопывания.
Как следует из приведенных выше рассуждений, в условиях возникшей кавитации происходит образование и рост пузырьков газа. С точки зрения технологии нас интересует не только время, необходимое на образование пузырьков, которое, кстати, сравнительно незначительное, но и время, затрачиваемое на всплытие пузырьков из глубины жидкости на поверхность для ее дегазации.
Скорость всплытия на поверхность пузырьков больших размеров (радиусом больше 0,1мм) может быть рассчитана по уравнению Стокса.
-5
Вычисления проводили для карбамидного олигомера плотностью 1100 кг/м с динамической вязкостью 0,8 Пас. Плотность газа в пузырьке взята различной, поскольку определить состав смеси газообразных веществ трудно. В пузырек диффундирует свободный формальдегид, водород, кислород, азот, углекислый газ, пары воды и другие газообразные вещества. Как показывают расчеты, скорость всплытия пузырьков газа, в том числе и формальдегида, из смолы невысока. Поэтому для полной дегазации смолы необходима длительная обработка смол ультразвуком. Кроме этого, в процессе акустического модифицирования происходит интенсивное перемешивание смол, вследствие чего образовавшиеся в слое жидкости пузырьки газа выносятся на поверхность.
Теория воздействия мощных акустических волн на высокомолекулярные соединения, в частности на карбамидоформальдегидные олигомеры в настоящее время не завершена; для проверки возможностей модифицирования и разработки практических рекомендаций необходимо провести целенаправленные экспериментальные исследования.
