CC BY
47
УДК 674.028
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СМАЧИВАЕМОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ
ДРЕВЕСИНЫ КЛЕЕМ А. В. Иванов, В. С. Мурзин, В. М. Попов
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
Исследованиями установлено, что смачиваемость древесины является необходимым условием взаимодействия ее с клеем в процессе склеивания [1]. Процессы смачивания и растекания жидкости по поверхности твердого тела определяются адгезионными и когезионными силами, а также свободной энергией поверхности системы твердое тело-жидкость-газ. Действие сил поверхностного натяжения на каплю жидкости на поверхности твердого тела разделяется на поверхностное натяжение тела на границе с газом (вектор от.г.), которое растягивает каплю, свободную поверхностную энергию на границе твердого тела с жидкостью (вектор от.ж.), действующую в противоположном направлении, и свободную поверхностную энергию жидкости на границе с газом (вектор ож.г.Х стремящуюся собрать каплю. Вектор последней силы действует в направлении по касательной к поверхности капли, образуя с поверхностью твердого тела угол 0, который называется краевым углом смачивания.
Равновесие системы наступает при условии
<Гт.г =°т.Ж +<Гж.г. " СО50. (1)
Жидкость растекается по поверхности твердого тела, когда
(2)
Из формулы (2) следует, что растекание прогрессирует с повышением от.г. и понижением от.ж. и ож.г.. Отсюда же следует, что величина краевого угла смачивания может количественно характеризовать способность жидкости растекаться и смачивать поверхность тела.
В случае постоянного значения ож.г. адгезия жидкости к твердому телу, т. е. смачивание твердого тела описывается величиной краевого угла 0.
Очевидно, что чем меньше краевой угол 0, тем больше адгезия жидкости к твердому телу и лучше растекание. При краевом угле 0=0°, cos 0=1 адгезия к твердому телу равна когезии жидкости. При краевом угле 0=90°, cos 0=0 работа адгезии жидкости к твердому телу равна ®ж.г. При краевом угле 0>9О° поверхность тела почти не смачивается жидкостью.
В данной работе была поставлена цель исследования влияния воздействия магнитного поля на смачиваемость поверхности древесины клеем. Исследовался клей КФ-МТ-15, широко применяемый на деревообрабатывающих предприятиях.
На поверхности субстратов, выполненных из древесины березы, наносились капли применяемых в производстве клея и клея, полимерный компонент которого подвергался воздействию магнитного поля напряженностью 24-104 А/м в течении 20
минут. Обработка образцов производилась на стенде, ранее описанном в работе [2].
Краевой угол 0 находился с помощью приспособления, позволяющего проектировать изображение капли на подложке на экран в виде листа миллиметровой бумаги. Для вычисления краевого угла замерялась высота капли г и ее основание И. Тангенс краевого угла, когда капля смачивает поверхность субстрата, находился по формуле
2гИ
(3)
r2-h2'
Значения краевого угла 0 или cos 0 вычислялись с помощью таблицы тригонометрических величин.
Для фиксации непосредственно процесса формирования краевого угла использовалась цифровая фотокамера. Полученные фотоснимки представлены на рис. 1.
Анализируя полученные фотоснимки, можно видеть, что при одинаковом времени фиксации краевого угла его значение у клея, подвергнутого воздействию магнитного поля, меньше, чем у необработанного. Отсюда можно сделать вывод, что обработка клея в магнитном поле улучшает смачивание и растекание клея по поверхности древесины и, как показали специальные исследования [2], повышает адгезионную прочность клеевого соединения древесины.
б
Рис. 1. Фотоснимки изменения краевого угла клея КФ-МТ-15 по времени: а - клей, обработанный в магнитном поле; б - клей, не обработанный в магнитном поле
Исходя из положений адсорбционной теории адгезии, повышение адгезионной прочности достигается накоплением полярных групп полимерного компонента клея, уменьшением молекулярной массы и повышением подвижности цепей [3]. Изменение химической природы полимерной основы клея приводит к изменению его вязкости, т. е. воздействие магнитным полем сопровождается снижением вязкости клея. Для подтверждения этого положения были проведены специальные исследования.
На вискозиметре ВЗ-4 замерялась вязкость клеев КФЖ и КФ-МТ-15 в исходном положении и после обработки полимерных компонентов в постоянном маг-
нитном поле при различной напряженности. Полученные в процессе испытаний данные в виде зависимости вязкости клеев от напряженности поля представлены на рис. 2.
Как следует из характера кривых ? = начиная со значения напряжен-
ности магнитного поля порядка 2^104 А/м, имеет место заметное падение вязкости, причем для клея КФ-МТ-15 особенно вы-раженно. При Н > 4^104 А/м зависимость t — fH практически вырождается.
t сек
105 90 75 60 45 30
0 2 4 6 8 10
И-Ut4, A/M Рис. 2. Зависимость вязкости клея от напряженности магнитного поля: 1 - КФЖ; 2 - КФ-МТ-15
Отмеченный эффект снижения вязкости клеев при их обработке в магнитном поле имеет несомненный интерес для производственников. Вместе с тем возникает вопрос о продолжительности сохранения полученных показаний вязкости. Для выявления ответа на этот вопрос была проведена серия опытов, результаты которой представлены на рис. 3.
t, сек
01234567
время, сутки
Рис. 3. Изменение вязкости клея КФ-МТ-15 от времени хранения: 1 - необработанный клей; 2 - клей, обработанный в магнитном поле
Как видно из рис. 3, приобретенная в процессе магнитной обработки вязкость клея постоянно повышается, возвращаясь только на 5-6 сутки в исходное положение.
Установленный эффект снижения вязкости клеев при воздействии магнитным полем и продолжительного сохранения ее представляется достаточно перспективным для практического использования. Здесь следует также учитывать меньшую энергоемкость по сравнению с применяемым в настоящее время термическим воздействием на клей.
Установленный выше эффект повышения смачиваемости поверхности древесины клеем и снижения вязкости клея при воздействии магнитного поля на полимерный компонент двухкомпонентного клея или на однокомпонентный клей очевидно связан с протеканием структурных изменений. Такие предположения выдвинуты авторами работы [4] при анализе результатов исследований физико-механических свойств полимерных материалов, обработанных в постоянном магнитном поле. Чтобы принять за основу эти предположения, был проведен микроструктурный анализ и получены фотографии структуры до
и после обработки в магнитном поле.
На рис. 4 приведены фотографии микроструктуры двухкомпонентного клея марки КФЖ и однокомпонентного клея ПВА. Снимки получены с помощью предметного и покровного стекол на микроскопе марки «Биолан» с увеличением в 400 раз.
а б
Рис. 4. Фотографии структуры клеев ПВА (1) и КФЖ (2): а - необработанный клей; б - клей, обработанный в магнитном поле при напряженности Н=24^ 104 А/м
Из сравнительных фотографий прослеживается упорядочение и однородность составляющих структуру звеньев, что оче-
видно способствует повышению их подвижности и соответственно увеличивает смачиваемость магнитообработанного клея и снижает его вязкость.
Библиографический список
1. Дерягин Б.В. Исследование в области поверхностных сил / М.: Изд-во АН СССР, 1961. 218 с.
2. Попов В. М., Иванов А.В., Шендри-ков М.А. Влияние магнитного поля на прочность клееной древесины // Вест. МГУЛ. Лесной вестник. 2008. №6. С. 80-81.
3. Негматов С.С., Евдокимов Ю.М., Садыков Х.У. Адгезионные и прочностные свойства полимерных материалов и покрытий на их основе. Ташкент, 1979. 168 с.
4. Молчанов Ю.М., Кисис Э.Р., Родин Ю.П. Структурные изменения полимерных материалов в магнитном поле // Механика полимеров, 1973. №4. С. 737-738.
1
2
