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 карбамидоформальдегидных 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: Р_о+Р_н=Р_г+Р_п, где:

¨   Р_о- давление газа в пузырьке;

¨   Р_н- упругость насыщенного пара;

¨   Р_г- гидростатическое давление;

¨   Р_п- силы поверхностного напряжения.

В поведении кавитационного  пузырька возможны два случая. В первом случае, когда создаваемый источником колебаний уровень звукового давления Р_а невелик и сумма давлений Р_г+Р_п>>Р_а, то парогазовый пузырек будет пульсировать в звуковом поле, мало изменяя свои первоначальные размеры.

Совсем другую картину наблюдаем во втором случае, когда Р_а>>Р_г+Р_п. 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 условием направленной внутрь пузырька диффузии газа из жидкости надо считать расширение пузырька и тем самым снижение внутри него концентрации газа. Кавитационная 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.

Вычисления проводили для карбамидного олигомера плотностью 1100 кг/м³ 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.