Systems. Methods. Technologies 2 (42) 2019

Systems Methods Technologies. Yu.I. Tsoy et al. On the issue of the curing …2019 № 2 (42) p. 87-93 88 ture and evaporation time was obtained. To confirm the theoretical background, the authors conducted studies on the kinetics of drying water-dispersion latexes. Experiments have shown that when the second layer of latex is applied to the substrate (ash veneer and oak), the evaporation rate slightly increases, namely, for the first varnish application, the volatility values K ≈ 0.01–0.05 g / min are ob- tained; for the second varnish layer, K ≈ 0.03–0.06 g / min at temperature T = 20 ° C. When the temperature changes to 40 ° C, the volatility index increases: at the first application of lacquer, K ≈ 0.06 g / min, for the second lacquer layer, K ≈ 0.06–0.12 g / min. The increase in the volatility coefficient during the formation of the second coating layer on the wood substrate is explained by the fact that at the first stage the diffusion component prevails, and at the second stage the evaporating component of the volatile components of the varnish from the wood surface prevails. Based on the experimental data, the heat of evaporation and the activation energy of the aqueous dispersion latex were also calculated. For this purpose, two values of the volatility coefficient k 1 and k 2 were used, corres- ponding to two different temperatures Т 1 and Т 2 . Studies on the kinetics of drying were carried out with acrylic-based paints and var- nishes in the formation of coatings on pine and oak wood. The activation energy was determined at a temperature T1 = 40 ° C and T2 = 60 ° C using the formula Еа= ln , where k 1 and k 2 are the rate constants at Т 1 and Т 2 . As calculations have shown, the activation energy is about 1,6–4,5 kcal/mol. Keywords: kinetics of drying; wood species; water-dispersion paint and varnish materials; rate constant of reaction; evaporation heat; activation energy. Введение Исследование кинетики отверждения лакокрасоч- ных материалов имеет очень большое значение, так как она определяет весь технологический процесс изготов- ления изделий, а также их долговечность при эксплуа- тации. Как известно, скорость и характер химических превращений высокомолекулярных структур тесно связаны с химическими и кинетическими факторами, относящимися к молекулярной структуре компонентов покрытия, их функциональности, природе и т. д. По- вышение активности подложек, лаков и красок проис- ходит в результате усиления адсорбционных и химиче- ских процессов, которые обусловливают более прочное адгезионное взаимодействие. За последнее время были расширены понятия критического поверхностного на- тяжения, поверхностной энергии твердых тел, адгези- онного взаимодействия, усовершенствованы методы исследований поверхностных характеристик подложек и покрытий [1–12]. Изучение физико-химических про- цессов, протекающих в лакокрасочном покрытии в процессе его формирования, в сочетании с другими методами исследования позволит получить более пол- ную картину формирования защитно-декоративного покрытия при отделке древесины. Состояние вопроса. Процесс пленкообразования из лаков и красок, а также скорость формирования лако- красочного покрытия зависят от ряда факторов: наи- большее влияние на скорость высыхания лакокрасоч- ной пленки оказывают физико-химические свойства лака, температурные условия формирования покрытия, влажность, грунтовочный состав, на который нанесен лак, и т. д. [13]. Как показывает практика, конвективная сушка с точки зрения обеспечения скорости процесса отвер- ждения лакокрасочных материалов и качества покры- тий может с успехом конкурировать с другими спосо- бами сушки. При конвективном способе нагревание слоя лако- красочного материала и изделия осуществляется за счет передачи теплоты от окружающего воздуха или топочных газов. Теплота передается поверхности, постепенно рас- пространяясь вглубь пленки, поэтому затвердевание покрытия происходит также с поверхности раздела «пленка – газовая среда». Такой способ отверждения не является оптималь- ным. При использовании жидких красок образующийся на поверхности слой более высохшего материала за- медляет диффузию и отвод растворителя из глубинных слоев пленки; в случае порошковых красок оплавлен- ный с поверхности слой полимера затрудняет выход воздуха из остальной части покрытия. Из-за низкой теплопроводности газов (для воздуха при 100 ºС λ ≈ 0.028 Вт/м·°С, т. е. в тысячи раз меньше, чем у металлов) в конвективной передаче теплоты по- крытию принимают участие только слои, непосредст- венно контактирующие с изделием. Для улучшения теплопередачи используют перемешивание нагретых газов. Это вызывает дополнительную затрату энергии, т. е. конвективный способ отверждения малоэффекти- вен и достаточно энергоемок. Однако его широко при- менение объясняется рядом достоинств: универсально- стью (пригоден для отверждения любых лакокрасоч- ных материалов, нанесенных на различные подложки), мягкостью и равномерностью нагрева (можно нагре- вать изделия разной степени сложности), простотой конструкции и легкостью эксплуатации сушильных установок. С теплотехнической точки зрения в процессе от- верждения (сушки) можно выделить три стадии. Стадия I (подъем температуры) характеризуется на- личием температурного градиента в пленке Δt = tс – tп, который тем больше, чем выше температура в сушилке tс и ниже — нагреваемого изделия (подложки) tп. Большой перепад температур приводит к неравномер- ному протеканию процесса отверждения: в верхней части пленки возможны деструктивные процессы, то- гда как у подложки процесс может быть полностью не завершен. Стадия I при конвективном способе нагрева обычно длительна и во многом определяет общее время отвер- ждения покрытия; τ 1 зависит от массы и теплофизиче- ских параметров материалов покрытия и изделия и скорости подвода к ним температуры. Ориентировочно время τ 1 ( мин ), необходимое для выравнивания tп и tс, находят как утроенное произведение толщины покры- ваемого изделия δ ( мм ), т. е. τ 1 ≈ 3·δ. Продолжительность стадии II (собственно сушки) зависит от скорости протекания процессов в пленке и является функцией температуры (рис. 1).