ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОТВЕРЖДЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ВОДОРАЗБАВЛЯЕМОГО АКРИЛОВОГО ЛАКА
Брацук В. В. (СибГТУ, г. Красноярск, РФ)
Results of research of polymeric films hardening process of a diluted-by-water varnish on the basis of acrylic water disperse are given in the article. The opportunity of reduction of varnish layers amount by an acceleration of hardening process of polymer during formation of a coating has been shown.
В настоящее время значительно расширился ассортимент лакокрасочных материалов для отделки древесины. Увеличилось количество прогрессивных, экологически полноценных материалов, и прежде всего водоразбавляемых. Использование водоразбавляемых лакокрасочных материалов ставит перед производителями изделий из древесины проблему обеспечения требуемых физико-механических и защитных свойств покрытий.
В ходе экспериментальных исследований было выявлено, что удовлетворительные эксплуатационные характеристики лакокрасочных покрытий на основе водоразбавляемых материалов обеспечиваются при толщине не менее 100 - 150 мкм. Формирование таких покрытий на древесине требует использования научно обоснованных технологических режимов отделки. Поэтому представляет интерес исследование влияния расхода лакокрасочного материала и температуры сушки на характер процесса отверждения полимерных пленок.
Методические положения экспериментальных исследований. Получение покрытий для испытаний производилось в соответствии с ГОСТ 8832 – 76 [1] с помощью аппликаторов, обеспечивающих толщины жидкого слоя (ж. с.) наносимого лакокрасочного материала, равные 100 и 200 мкм.
Нормальные условия отверждения полимерных пленок соответствовали конвективной сушке при 20 ± 2 °С, форсированная сушка осуществлялась при 50 ± 2 °С в течение 45 мин.
Определение твердости покрытий по маятниковому прибору М – 3 осуществлялось в соответствии с ГОСТ 5233 – 89 [2].
Исследование динамики процесса удаления летучих веществ из покрытия осуществлялось по следующей методике. В соответствии с ГОСТ 8832 – 76 производилось нанесение лакокрасочных покрытий заданной толщины на подложку с известной массой. Затем образец помещался на весы ВЛР – 200 и производилось измерение массы пробы, одновременно с этим включался секундомер. Изменение массы образца фиксировалось через заданные интервалы времени и осуществлялся расчет количества летучих веществ, удалившихся на исследуемом этапе процесса отверждения.
В качестве подложек использовались пластинки из фотостекла и древесина сосны обыкновенной. Относительная влажность образцов древесины составляла 8 ± 2 %. Шероховатость поверхности подложки по ГОСТ 7016 – 82 [3] не более 16 мкм.
Объектом исследований являлся водоразбавляемый лак на основе водной дисперсии акрилового полимера «Суперкрил» XV-600 1983-09000 фирмы «AKZO NOBEL», обладающий высокой тиксотропией. Вязкость рабочего раствора лака составляла 40 с по ВЗ-4.
Статистическая обработка данных экспериментальных исследований производилась с помощью пакета «Statistica 5.0».
Обсуждение результатов экспериментов. Процесс пленкообразования сопровождается удалением летучей части из пленки лакокрасочного материала. С целью исследования закономерностей отверждения полимерных пленок была поставлена серия экспериментов по изучению кинетики удаления летучих веществ из пленок лака после их нанесения на подложку.
В результате исследований были получены зависимости количества испарившихся летучих веществ из пленок лака от времени отверждения t (см. рисунок). Покрытия отверждались при нормальных условиях.
1– Стекло, 100 мкм ж. с.;
2 – Сосна, 100 мкм ж. с.;
3– Стекло, 200 мкм ж. с.;
4 – Сосна, 200 мкм ж. с.
Рисунок – Кинетика удаления летучих веществ из пленок водоразбавляемого лака «Суперкрил» XV - 600 1983-09000 на стекле и древесине сосны в зависимости от толщины пленок (t, мин).
В результате регрессионного анализа получены следующие уравнения, описывающие представленные на рисунке кривые
|
|
(1) |
|
|
(2) |
|
|
(3) |
|
|
(4) |
Как следует из приведенных данных кинетика испарения летучей части из пленок лака зависит от природы подложки. На подложках из древесины сосны интенсивность испарения летучих веществ на 25 и 21 % ниже, чем на стекле при толщине пленок соответственно 100 и 200 мкм ж. с. (см. рисунок). Снижение интенсивности отверждения полимера объясняется частичным впитыванием воды древесной подложкой.
С увеличением толщины жидкого слоя лака скорость удаления летучих веществ снижается, а также повышается количество остаточного разбавителя в объеме полимера вследствие желатинизации поверхностного слоя пленки. Установлено, что повышение температуры сушки позволяет увеличить скорость отверждения пленок лака толщиной 100 мкм ж. с. в 4,2 раза и толщиной 200 мкм ж. с. в 3,3 раза. Поэтому при увеличении расхода лакокрасочного материала на одно нанесение с целью обеспечения более равномерного отверждения покрытия следует применять конвективный нагрев.
В процессе отверждения происходит формирование надмолекулярной структуры полимера, и, следовательно, физико-механических свойств покрытий. Кинетика изменения твердости по М - 3 полимерных пленок в процессе их отверждения в зависимости от условий сушки и расхода материала представлена в таблице.
Таблица - Твердость полимерных пленок по маятниковому прибору
|
Условия сушки однослойного покрытия |
Толщина покрытия в жидком слое, мкм |
Твердость, усл. ед., в зависимости от времени, прошедшего с момента нанесения покрытия на подложку, час. |
||
|
4 |
24 |
48 |
||
|
Нормальные условия |
100 |
0,40 |
0,58 |
0,59 |
|
Конвективный нагрев |
100 |
0,45 |
0,60 |
0,60 |
|
Нормальные условия |
200 |
0,20 |
0,44 |
0,46 |
|
Конвективный нагрев |
200 |
0,38 |
0,55 |
0,57 |
Из приведенных в таблице данных следует, что применение конвективного нагрева приводит к увеличению твердости пленок толщиной 100 и 200 мкм ж. с. соответственно на 11,1 и 47,4 % в первые 4 часа отверждения. По истечении 24 ч. твердость пленок толщиной 100 мкм ж. с., отвержденных при различных условиях сушки, становится практически одинаковой; твердость пленок толщиной 200 мкм ж. с., сформированных при нормальных условиях, на 20 % ниже твердости пленок, сформированных при повышенной температуре. Спустя 48 ч. с момента нанесения покрытий на подложку твердость пленок толщиной 200 мкм ж. с., сформированных при конвективном нагреве, на 19,3 % выше твердости пленок, отвержденных при нормальных условиях, и сравнима с твердостью пленок толщиной 100 мкм ж. с. (см. таблицу). Следовательно, конвективный нагрев позволяет существенно ускорить процесс формирования покрытий и достичь максимальной степени отверждения полимера.
В начальной стадии пленкообразования происходит удаление влаги и образование локальных связей между структурными элементами полимера [4 - 6]. В этот период происходит фиксирование надмолекулярной структуры, созданной в дисперсии до начала процесса пленкообразования. Последующая стадия отверждения характеризуется перегруппировкой структурных элементов [7, 8]. Повышение температуры сушки способствует более быстрому формированию окончательной надмолекулярной структуры полимера. Как видно из исследования твердости покрытий, применение форсированной сушки целесообразно при увеличении расхода лакокрасочного материала.
Таким образом, интенсификация процесса отверждения полимерных пленок на основе водной дисперсии акрилового полимера позволяет достичь высокой степени отверждения при повышенном расходе лака. Это дает возможность уменьшить количество наносимых слоев и, следовательно, потери лакокрасочного материала при формировании покрытий, а также снизить трудозатраты и длительность технологического цикла отделки.
Литература
1. ГОСТ 8832 – 76. Материалы лакокрасочные. Методы получения лакокрасочного покрытия для испытаний.
2. ГОСТ 5233 – 89. Материалы лакокрасочные. Метод определения твердости по маятниковому прибору.
3. ГОСТ 7016 – 82. Изделия из древесины и древесных материалов. Параметры шероховатости поверхности.
4. Карякина М. И. Физико-химические основы процессов формирования и старения покрытий. – М.: Химия, 1980. – 216 с.
5. Зубов П.И., Сухарева Л.А. Структура и свойства полимерных покрытий. – М.: Химия, 1982. – 256 с.
6. Кузьмичев В. И. и др. Водорастворимые пленкообразователи и лакокрасочные материалы на их основе. – М.: Химия, 1986. – 152 с.
7. Гуль В. Е., Кулезнев В. Н. Структура и механические свойства полимеров. – М.: Наука, 1979. – 413 с.
8. Тугов И.И., Кострыкина Г.И. Химия и физика полимеров. - М.: Химия, 1989. – 432 с.