Распределение температурных полей при плазменной обработке поверхности древесины Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 666.198

ВОЛОКИТИН ГЕННАДИЙ ГЕОРГИЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, vgg-tomsk@mail. ru

ВОЛОКИТИН ОЛЕГ ГЕННАДЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, volokitin_oleg@mail. ru

ШЕХОВЦОВ ВАЛЕНТИН ВАЛЕРЬЕВИЧ, студент, Shehovcov2010@yandex. ru

Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

МАСЛОВ ЕВГЕНИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ, канд. физ.-мат. наук, доцент,

maslov_eugene@mail. ru

Томский политехнический университет,

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30

МАЛЮГА НИКОЛАЙ ВИКТОРОВИЧ, аспирант,

Haver2023@rambler. ru

Томский государственный университет,

634050, г. Томск, пр. Ленина, 36

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ ПОВЕРХНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ*

Разработана плазменная технология создания защитно-декоративного покрытия на поверхности деревянных образцов. Проведены экспериментальные исследования по нанесению защитного покрытия с помощью энергии низкотемпературной плазмы. Проведены исследования распределения температурных полей по сечению обрабатываемого изделия и сравнения полученных расчетных результатов с экспериментальными данными.

Ключевые слова: электроплазменная установка; обработка поверхности древесины; защитно-декоративное покрытие; температурные поля.

GENNADIY G. VOLOKITIN, DSc, Professor, vgg-tomsk@mail. ru

OLEG G. VOLOKITIN, PhD, A/Professor,

volokitin_oleg@mail. ru

VALENTIN V. SHEKHOVTSOV, Student,

Tomsk State University of Architecture and Building,

2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia YEVGENIY A. MASLOV, PhD, A/Professor, maslov_eugene@mail. ru Tomsk Polytechnic University,

30, Lenin Ave., 634050 Tomsk, Russia NIKOLAY V. MALYUGA, Graduate Student,

* Работа частично поддержана грантом Президента РФ МК-2330.2013.8; частично поддержана грантом РФФИ № 13-08-90718 мол_рф_нр.

© Г.Г. Волокитин, О.Г. Волокитин, В.В. Шеховцов, Е.А. Маслов, Н.В. Малюга, 2013

Haver2023@rambler. ru Tomsk State University,

36, Lenin Ave., 634050, Tomsk, Russia

TEMPERATURE FIELD DISTRIBUTION IN WOOD SURFACE PLASMA PROCESSING

A plasma technology has been developed for protective-decorative coating of wood surfaces. Experimental research has been carried out into coatings using low temperature plasma. Also, research has been conducted in relation to temperature field distribution across the workpiece section, and the results obtained have been compared with the experimental findings.

Key words: electro-plasma technology; wood surface processing; protective-decorative coating; temperature fields.

На рынке отделочных материалов все большее число потребителей предпочитают изделия из древесины искусственным продуктам. Этот факт легко объясним: дерево изначально является экологически чистым материалом и имеет значительные преимущества. Более того, древесина в отличие от металлов и сырья для пластмасс является восстанавливаемым ресурсом, запасы которого при рациональном использовании оказываются неисчерпаемыми.

Разбухание древесины во влажной среде и ее подверженность различным биологическим поражениям и грибкам привели к необходимости предварительной обработки ее поверхности. Решением этих проблем является использование энергии низкотемпературной плазмы для создания защитнодекоративного покрытия на поверхности любых пород древесины. После обработки материал остается таким же экологичным, каким был до процесса обработки. Одновременно улучшаются его физико-механические характеристики и декоративные свойства.

Применение низкотемпературной плазмы позволяет модифицировать поверхность древесины и получить тончайшую функциональную (гидрофобную) пленку, обеспечивающую высокие эксплуатационные и декоративные свойства: снижение водопроницаемости; уничтожение грибковых заболеваний древесины, плесени; повышенная стойкость к истиранию; проявление текстуры древесины и цвета (золотисто-коричневый).

Кроме того, скорость обработки поверхности составляет 1-2 с, что снижает энергозатраты и делает процесс создания защитно-декоративного покрытия экономически выгодным.

В связи с этим целью данной работы явилось:

- разработка устройства, обеспечивающего создание защитно-декоративного покрытия на поверхности древесины с использованием энергии низкотемпературной плазмы;

- проведение исследований распределения температурных полей по сечению обрабатываемого изделия и сравнение полученных расчетных результатов с экспериментальными данными.

Эксперименты по обработке древесины проводились на электроплаз-менной установке [1].

Установлено, что глубина слоя, модифицированного плазмой, составляет 1-2 мм, она зависит от мощности плазмотрона и скорости обработки. Значение толщины слоя пропорционально глубине проникновения опасных температурных полей, при которых происходит деструкция материала. В таблице приведены результаты термического воздействия на исследуемые образцы при различных тепловых потоках и времени воздействия плазмы.

Из приведенных данных следует, что оптимальными режимами обжига с целью получения необходимых эксплуатационных характеристик обрабатываемой поверхности являются величины теплового потока 1,8-2,6^106 Вт/м2 и время воздействия 1-2 с.

Способ получения защитно-декоративного покрытия на древесине

Мощность плазмотрона, кВт Сила тока, А Напря- жение, В Удельный тепловой поток, Вт/м2 Время воздей- ствия плазмы, с Характеристика оплавленной поверхности Цвет поверхности

20,8 130 160 1,1106 3,0 Недожог поверхности Светло- коричневый

23,8 140 170 1,5106 2,0 Частичный недожог поверхности Светло- коричневый

35,2 200 176 1,8106 1,0 Равномерный обжиг, глубина 1 мм Светло- коричневый

35,2 200 176 1,8106 2,0 Равномерный обжиг, глубина 1 мм Золотисто- коричневый

35,2 200 176 1,8106 3,0 Частичный пережог Темно- коричневый

56 400 140 2,6-106 1,0 Равномерный обжиг, глубина 2 мм Золотисто- коричневый

56 400 140 2,6-106 2,0 Равномерный обжиг, глубина 2 мм Темно- коричневый

58,8 420 140 2,8-106 1,0 Частичный пережог Темно- коричневый

58,8 420 140 2,8-106 2,0 Пережог поверхности Черный

59,4 440 135 3,0106 1,0 Пережог поверхности Черный

После плазменной обработки поверхность древесины окрасилась и приобрела темный золотисто-коричневый цвет, при этом очень хорошо проявилась текстура породы и стали более заметными годичные кольца. Содержание влаги в древесине, обработанной плазмой, сократилось. Поверхность после обработки стала более устойчивой к появлению грибков, плесени и других

пороков древесины за счет удаления подходящей для их формирования среды. Важно подчеркнуть, что образцы древесины после термической обработки впитывают воду в несколько раз медленнее, чем исходные породы [2].

Несмотря на то, что вопросам взаимодействия плазмы с твердым телом посвящен ряд работ [1-4], в них практически отсутствуют сведения по определению температурных полей по сечению обрабатываемого низкотемпературной плазмой материала из дерева при разных значениях мощности дугового разряда. В настоящей работе проведены исследование температурных полей по сечению обрабатываемого изделия и сравнение полученных расчетных результатов с экспериментальными данными. Необходимость установления значений температур по сечению изделия связано с изучением физикохимических превращений, происходящих в изделиях при тепловом воздействии, которые определяют прочность сцепления покрытий с основой, химическую стойкость, водопоглощение и морозостойкость.

При обработке поверхности деревянного изделия низкотемпературной плазмой были приняты два допущения:

1) тепловой поток одновременно воздействует на всю поверхность изделия;

2) тепловой поток воздействует на поверхность изделия в данной точке в момент прохождения столба электрической дуги, при этом электрическая дуга рассматривается как поверхностный источник тепла конечной ширины (пятно контакта) с однородным распределением плотности теплового потока.

Первое принятое допущение [3] связано с кратковременностью теплового воздействия, не превышающего 1 с, и с достаточно большой теплоинер-ционностью изделия (В1 = 1,2-15,4). При постоянных теплофизических свойствах изделия задача определения температурного поля в нем сводится к решению безразмерного уравнения теплопроводности (схема области взаимодействия потока приведена на рис. 1).

Рис. 1. Схема объекта математического моделирования:

1 - образец материала (исследуемый объект); 2 - термопары; 3 - датчик плотности теплового потока; 4 - направление движения теплового потока; q(х, Ґ) - распределенный тепловой поток (источник контрольного воздействия); dтп - диаметр теплового пятна

Рассматривается краевая задача высокотемпературного теплопереноса при взаимодействии плазменной струи на поверхность обрабатываемого изделия из древесины (рис. 2). В данной схеме приняты следующие обозначения: h - высота пластины; I - продольный размер пластины.

Рис. 2. Схема области решения:

ик - вектор скорости перемещения теплового потока; т1 - момент начала теплового воздействия; т2 - момент окончания теплового воздействия

При моделировании процесса взаимодействия предполагалось, что теплофизические характеристики материала пластины не зависят от температуры, радиационный теплообмен на поверхности пластины незначителен, возможные процессы плавления и окисления материала пластины активными компонентами плазменного потока не учитываются, скорость потока дозвуковая, режим течения ламинарный.

В такой постановке анализируемый процесс описывается нестационарным уравнением теплопроводности с подвижным граничным условием воздействия теплового потока на поверхность материала пластины.

Задача распределения температурного поля за время действия тк теплового потока q сводится к решению нестационарного двумерного уравнения теплопроводности в декартовой системе координат с соответствующими начальными и граничными условиями:

дТ(х, у, t)

^-гТ--х

Гд 2Т (х, у, 0 + д¥(хМЛ

дх2 ду2

(1)

Начальное условие характеризует распределение температуры в объеме в момент времени t = 0 и имеет вид

t = 0,0 < х < 1,0 < у < h: Т(х,у,^ = Т0 . (2)

Граничные условия (ГУ) описывают тепловые режимы на границах рассматриваемого тела. При этом на границах 0^ и (рис. 2) принимается отсутствие стока тепла

‘(Э- »

На противоположной тепловоспринимающей поверхности ^1 задается соотношение, связывающее значение температуры с величиной теплового потока (граничные условия третьего рода ГУ III)

На тепловоспринимающей поверхности 0-1 приняты сложные граничные условия, зависящие от времени и координат. Условно разделим тепловое воздействие на поверхности 0-1 на три периода: первый, при т1> t > 0, характеризуется отсутствием потока тепла и описывается ГУ II (3); на втором, при т2> t > т1, тепловое состояние поверхности определяется величиной плотности распределенного по поверхности теплового потока, граничное условие в этом случае (ГУ II) запишется в виде распределения

распределение относительной плотности теплового потока описывается гауссовой зависимостью

на третьем участке, при t > т2, происходит охлаждение поверхности в условиях естественной конвекции, что может быть также описано зависимостью (4).

При определении коэффициента теплоотдачи использовались эмпирические зависимости для теплообмена в условиях естественной конвекции на вертикально расположенной пластине [3].

Для численного решения поставленной задачи использовался метод конечных разностей [5]. Дифференциальное уравнение (1) аппроксимировалось неявной трехточечной схемой. Диффузионные члены аппроксимировались центральной схемой второго порядка. Система линейных алгебраических уравнений решалась методом трехточечной прогонки. Метод и алгоритм численного решения тестировались на последовательности сгущающихся сеток. Численные исследования проводились при сеточных параметрах, дальнейшее уменьшение которых не приводило к заметным отклонениям результатов вычислений.

Численное исследование процесса теплопереноса между плазменным потоком, сканирующим поверхность материала, и окружающей средой проведено при следующих значениях параметров: начальной температуры Т0 = 300 К, плотностью теплового потока q = (1-3) • 106 Вт/м2 с поперечным размером пятна контакта dШÍ = 5мм. Теплофизические характеристики ср = 1,9 Дж/(кгтрад), X = 1,4 Вт/(м-град), р = 2200 кг/м3. Геометрические характеристики: I = 0,15 м, h = 0,05 м (рис. 3-5).

Сформировавшееся в материале в результате плазменного воздействия температурное поле соответствует диапазону температур 200-300 °С в приповерхностном слое глубиной 5 мм от внешней поверхности воздействия.

(4)

(5)

2, М

Рис. 3. Температурное поле в момент времени ОД с

г, м

Рис. 4. Температурное поле в момент времени 0,5 с

Г. М

Рис. 5. Температурное поле в момент времени 0,8 с

Глубина и температурный диапазон области прогрева обеспечивают формирование гидрофобной пленки на поверхности древесины, препятствующей образованию пороков внутри древесины благодаря интенсивному удалению влаги и лигнина. При этом структура обработанной поверхности является однородной - без трещин, локальных участков пережога - и характеризуется равномерной полимеризацией и внешней выразительностью. Новые свойства полученного материала обеспечиваются технологией плазменной обработки, а именно двумя параметрами - интенсивностью теплового потока и временем воздействия, которое регулируется скоростью продвижения транспортирной ленты. Рассматриваемые параметры технологии были определены серией теоретических экспериментов, оптимальные результаты которых были экспериментально подтверждены результатами физикомеханических и физико-химических исследований структуры материала и его поверхности. Полученные параметры плазменной обработки позволяют в качестве исходных изделий использовать древесину любых пород.

Библиографический Список

1. Волокитин, О.Г. Перспективы технологии создания защитно-декоративных покрытий на поверхности древесины с использованием плазменной технологии / О.Г. Волокитин,

Н.А. Цветков, Г.Г. Волокитин // Вестник ТГАСУ. - 2012. - № 1. - С. 112-116.

2. Способ получения защитно-декоративного покрытия на древесине: заявка

№ 2012104467; приоритет от 08.02.2012.

3. Плазменные технологии в строительстве / Г.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова, А.М. Шиляев, В.В. Петроченко. - Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2005. -291 с.

4. Исследование плазменной технологии получения силикатных тугоплавких расплавов / А.А. Никифоров, Н.К. Скрипникова, Е.А. Маслов, О.Г. Волокитин // ТиА. - 2009. -Т. 16. - № 1. - С. 159-163.

5. Калиткин, Н.Н. Численные методы / Н.Н. Калиткин. - М. : Наука, 1978. - 512 с.

References

1. Volokitin, O.G., Tsvetkov, N.A., Volokitin, G.G. Perspektivy tekhnologii sozdaniya zashchitno-dekorativnykh pokrytiy na poverkhnosti drevesiny s ispolzovaniyem plazmennoy tekhnologii [Perspectives of protective-decorative coating of wood surfaces using plasma technology]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2012. No. 1. P. 112-116. (rus)

2. Sposob polucheniya zashchitno-dekorativnogo pokrytiya na drevesine [Production process for protective-decorative coating of wood surfaces]: patent application No. 2012104467 of 08.02.2012. (rus)

3. Volokitin, G.G., Skripnikova, N.K., Shilyayev, A.M., Petrochenko, V.V. Plazmennyye tekhnologii v stroitelstve [Plasma technologies in construction]. Tomsk : TSUAB Publishing House, 2005. 291 p. (rus)

4. Nikiforov, A.A., Skripnikova, N.K., Maslov, Ye.A., Volokitin, O.G. Issledovaniye plazmennoy tekhnologii polucheniya silikatnykh tugoplavkikh rasplavov [Refractory silicate melt plasma technology]. TiA. 2009. V. 16. No. 1. P. 159-163. (rus)

5. Kalitkin, N.N. Chislennyye metody [Numerical methods]. Moscow : Nauka, 1978. 512 p. (rus)