Лако-красочные материалы — производство

Ультразвук находит применение для диспергирования вообще и для дис­пергирования пигментов в частности [86, 137, 140]. В Ярославском по­литехническом институте в 1969—1971 гг. П. И. Ермиловым, А. И. Кор­ниловым, Е. А. Индейкиным и В. И. Евстигнеевым проводились обширные исследования диспергирования неорганических и органических пигмен­тов с применением ультразвука для определения оптимальных условий ведения процесса.

Сила трения между частицей и средой зависит от относительной скорости:

У0тп = гг—и =ри0зїі{иЯ +уг) (3-18)

Где V — скорость колеблющейся частицы; и — скорость среды; р — коэффициент обтекания; ив — амплитуда скорости; и>— угловая частота колебаний; ірг — сдвиг по фазе.

Коэффициент увлечения а частиц пигмента можно определить по уравнению:

А=—(3.19) |/1 +[г/отн рОг/( 16 /г)]

Где р — плотность частицы пигмента (или эффективная плотность агрегата); О — диа­метр частицы; г] — вязкость суспензии пигментов.

Из уравнения (3.19) видно, что мелкие частицы увлекаются средой, т. е. колеблются почти с такой же амплитудой и почти в той же фазе. Крупные частицы не увлекаются средой — находятся почти в покое. Пе­реход от частиц, увлекаемых средой к неувлекаемым, происходит в небольшом интервале диаметров частиц. Условно можно считать, что критический диаметр частицы Окр соответствует коэффициенту увлече­ния а= 0,50. Следовательно:

ДкрА=5/Я (3.20)

При больших скоростях трение не подчиняется закону Стокса. В работе [137] показано, что в режимах, характеризующихся 3<Ие< 400, движение очень мелких и очень крупных частиц происходит практически так же, как и в режиме Стокса (где Г1е<€ 1), а критический диаметр час­тиц повышается примерно в 2—3 раза за счет того, что рост сил трения вызывает увлечение средой более крупных частиц.

При больших амплитудах акустического давления в жидкости воз­никают явления кавитации. При отрицательном давлении образуются пустоты (кавитационные пузырьки), при положительном давлении эти пузырьки захлопываются. При этом возникают огромные импульсные давления. Резкое изменение давления равносильно действию звука зна­чительно большей частоты. Так как моменты захлопывания кавитацион­ных пузырьков примерно совпадают всегда с одной и той же фазой изме­нения давления (и скорости) в звуковой волне, то спектр кавитационного шума в основном должен состоять из частот, кратных частоте звука в генераторе (гармоник). В экспериментально определяемом акустичес­ком спектре кавитационного шума [138] наблюдается около 30 гармо­ник и небольшой непрерывный фон. В соответствии с формулой (3.20) это означает, что критический размер частиц при наличии кавитации

Д м режиме та же дисперсность частиц пигмента может быть получена с помощью установок более низкой частоты.’

Развитие кавитации зависит от свойств системы. Так, удаление газа из жидкости затрудняет, а наличие в ней твердых частиц облегчает развитие кавитации. Акустический спектр кавитационного шума при этом не изме­няется. При высоких частотах явление кавитации может и не развиться.

Работа сил трения в среднем за период равна нулю. Эта работа точно соответствует изменению кинетической энергии колеблющейся частицы. Поэтому нельзя считать, что диспергирование происходит в результате трения частиц о среду в звуковом поле. Кавитация также не является причиной разрушения частиц. Роль кавитации сводится к изменению давления с большой частотой. Все перепады давления пропорциональны коэффициенту обтекания [см. уравнение (3.18)].

Разрушение частиц происходит в результате деформаций, которые вызывает звуковая волна, распространяющаяся внутри частицы, и пере­пада давления на границе раздела частица — жидкость. Причиной разру­шения могут также быть столкновения частиц различного размера, увле­каемых и не увлекаемых звуковой волной. Однако при столкновениях возможен и обратный процесс — коагуляция. В любом случае дисперги­рование происходит лишь тогда, когда в системе имеются частицы, диа­метр которых больше критического. Если диаметр частиц меньше крити­ческого, то звук (ультразвук) не разрушает их.

Любые среды поглощают звук. При поглощен™ звука жидкостью и коэффициент поглощения, и доля поглощаемой энергии пропорциональ­ны вязкости. Вязкость суспензий выше, чем вязкость чистых жидкостей, и определяется объемным содержанием твердой фазы (см. раздел 2.3.1).

Доля поглощаемой частицами пигмента звуковой энергии растет примерно пропорционально числу частиц п в суспензии, так как объем­ная доля пигмента пропорциональна числу его частиц в системе:

(ІУО^ГМІІ

В установившемся режиме поглощенная энергия расходуется на раз­рушение частиц или агрегатов, а также на нагревание системы.

Формула (3.21) справедлива и для агрегатов, состоящих из одинако­вых частиц; в этом случае п означает число частиц в агрегате. При разруше­нии число отделившихся частиц пропорционально поглощенной энергии:

Б. п=—кпйЬ

Іде к — коэффициент, зависящий от энергии связи частиц в агрегате, или от доли энергии, расходуемой на разрушение агрегатов.

Из выражения (3.22) следует экспоненциальное уравнение умень­шения со временем числа частиц в агрегате и диаметра агрегата:

(3.23)

(3.24)

Полидисперсность пигментированной системы И ряд других Причин приводят к усложнению уравнений (3.23) и (3.24), выражающих изме­нение диаметра агрегата в звуковом поле. Однако качественно характеп этого изменения сохраняется: вначале происходит быстрое уменьшение диаметра частиц, а затем более медленное.

При выборе рабочей частоты ультразвука можно опираться на фор. мулу (3.20). Так как точное значение постоянной неизвестно, то найден­ная частота будет лишь ориентировочной. Желательно, чтобы частицы пигмента в системе на превышали определенного диаметра. Приняв этот диаметр равным критическому, находим некоторое значение частоты. В звуковом поле большей частоты должны разрушаться более мелкие час­тицы. Так как в случае возникновения кавитации акустический спектр содержит гармоники, то рабочая частота может быть выбрана в несколь­ко раз меньшей.

При равных амплитудах звукового давления потребляемая мощность растет пропорционально частоте, поэтому установки большой частоты дол­жны иметь большую мощность. Использование ультразвуковой установки как основной (или даже единственной) диспергирующей машины эконо­мически невыгодно из-за слишком большого расхода энергии и длитель­ности процесса. Гораздо перспективнее применение ультразвуковой установки в комплексе с диспергирующими машинами других типов, например с бисерными диспергаторами.

Диспергирующее действие звука зависит от вязкрсти среды и содер­жания пигмента в пасте. Увеличение вязкости ухудшает условия диспер­гирования. Вязкость может быть несколько снижена повышением темпе­ратуры, что касается содержания пигмента в пасте, то имеется оптимальное значение зтой величины, соответствующее наилучшим условиям диспер­гирования (рис. 3.6). Как видно из рис. 3.6, увеличение содержания пиг­мента выше ~56% резко снижает его диспергируемость из-за увеличения вязкости системы. Для большинства пигментов, в том числе и органичес­ких, целесообразно проводить диспергирование пасты до степени дис­персности по „Клину” 30—40 мкм в бисерном диспергаторе, а дальнейшее диспергирование с применением ультразвука (рис. 3.7).

Природа обрабатываемых пигментов, их структура, физическое со­стояние играют большую роль при ультразвуковом диспергировании [141,142], поэтому универсального режима работы ультразвуковой установки, так же как и других диспергаторов, подобрать невозможно. Следует отметить, что во многих случаях в пастах, обработанных ультра­звуком, не образуется плотного осадка пигментов при хранении в тече­ние двух и более месяцев.

Источники получения звуковых и ультразвуковых колебаний и ультразвуковое оборудование можно классифицировать следующим образом [143, с. 121].,

1. Механические эксцентриковые вибраторы применяются для полу­чения колебаний с частотой до 200 Гц.

2. Электромеханические вибраторы применяются для получения ко­лебаний с частотой 6—8 кГц.

3. Аэродинамические излучатели, к которым относятся газоструй­ные излучатели (до 120 кГц) и сирены (до нескольких десятков кило­герц). Достоинством аэродинамических излучателей является возмож­ность получения больших акустических мощностей и сравнительно невы­сокая стоимость.

4. Гидродинамические излучатели применяются для получения коле­баний с частотой 2—50 кГц. В зтих излучателях на пути струи, вытека­ющей из сопла, помещается клиновидная пластина, вокруг которой по­переменно возникают вихревые потоки, создающие периодические повы­шения давления и приводящие пластину в колебательное движение. Такие излучатели использовались для получения змалей в полупроизводствен — ных условиях [140].

5. Пьезоэлектрические излучатели, в которых электрические колеба­ния, вырабатываемые ламповыми генераторами, преобразуются в интен­сивные механические колебания в результате пьезоэлектрического эф­фекта. Излучатели такого типа применяются для получения высоких частот.

6. Магнитострикционные излучатели, в которых вырабатываемый генератором переменный ток высокой частоты преобразуется в механи­ческие колебания за счет эффекта магнитострикции. Это наиболее распро­страненный тип излучателей для диспергирования.

В работе [139] приведены результаты исследований процесса ультра­звукового диспергирования цинковых белил с использованием в качестве

Источника ультразвука магнитострикционного и пьезоэлектрического преобразователей. Была показана целесообразность замены шаровых мельниц и краскотерочных машин ультразвуковыми установками с час­тотой 18 кГц и интенсивностью 3 Вт/см2. С помощью ультразвука дис­пергировали водные дисперсии диоксида титана [86].

В последние годы большое внимание привлекает использование маг­нитного поля для изменения некоторых свойств гетерогенных систем. Наиболее подробно изучено действие магнитного поля на гетерогенные водные системы [144, с. 191] .Магнитная обработка значительно изменяет адсорбцию ПАВ на границе раздела раствор — газ, что вызывает изменение поверхностного натяжения, которое находится в периодической зависи­мости от напряженности магнитного поля. Наиболее сильно сказывается магнитная обработка на поверхностном натяжении растворов ПАВ с кон­центрациями ниже критической концентрации мицеллообразования. Маг­нитная обработка оказывает влияние и на адсорбцию ПАВ на твердой по­верхности. Имеются данные о влиянии магнитной обработки на адсорб­цию олеата натрия некоторыми твердыми поверхностями. Магнитная об­работка водных растворов влияет на смачиваемость твердой поверхности.

Представляет интерес изменение значения зарядов частиц суспензий, вплоть до смены знака заряда, в результате магнитной обработки [145, с. 10], и изменение адгезионно-когезионных свойств влажных паст [146].

Исследовано влияние магнитной обработки на свойства некоторых воднодисперсионных и водоразбавляемых лакокрасочных материалов и процесс их получения [145, с. 97; 147]. Под действием магнитного по­ля уменьшается поверхностное натяжение растворов и эмульсий, снижа­ется энергия активации вязкого течения, улучшается смачиваемость твер­дых компонентов. Намагничивание оказывает влияние и на неводные рас­творы, содержащие в качестве растворителя зтилцеллозольв. В результа­те несколько ускоряется процесс диспергирования или появляется воз­можность повысить оптимальную степень наполнения паст твердой фазой.

В работах [145, с. 41; 148, с. 122] приведены сведения о типах аппара­тов для магнитной обработки, перспективах их производства, принципах их расчета и конструирования. И хотя широких исследований в области применения магнитной обработки в технологии получения пигментиро­ванных материалов пока не проводилось, есть теоретические предпосыл­ки, что такая обработка может быть эффективна, особенно для водораз­бавляемых и воднодисперсионных материалов.