МЕТОД  ОПРЕДЕЛЕНИЯ  СОСТАВЛЯЮЩИХ  ОТРАЖЕННОГО  СВЕТОВОГО  ПОТОКА  ОТ  ЛАКОКРАСОЧНЫХ  ПОКРЫТИЙ

 

Хлоптунова Ю.В., Мелешко А.В. (СибГТУ, г. Красноярск, РФ)

 

The method definition of compositions of the light torrent, which are reflected from surfaces of the wood or varnish cover, is described in the given article. The offered method allows explore the change of the character of reflection of the light torrent from the wood surface on the each stage of her finishing.

 

В настоящее время в технологии отделки изделий из древесины контролируются только такие декоративные свойства древесной подложки, как цвет (визуально) и блеск (с помощью фотоэлектрического блескомера ФБ-2). Но, при изучении проблемы неоднородности цвета поверхности древесины хвойных пород и изменения его в процессе отделки и эксплуатации существует необходимость в методике определения и контроля светлоты исследуемой поверхности, так как экспериментально установлено, что со временем изменяется интенсивность окраски древесины, а цветовой тон остается тем же.

Широко применяемые в химической промышленности приборы, такие как фотометры и спектрофотометры, для определения спектральных характеристик различных веществ в проходящем и отраженном свете являются достаточно сложными и не нашли широкого применения в деревообработке. При этом их использование в данном случае нецелесообразно, так как в технологии отделки цвет древесины и его изменение рассматриваются при дневном освещении (при белом свете) и необходима количественная оценка отраженного светового потока, а не качественная.

При разработке и применении лакокрасочные материалы характеризуют такими свойствами, как прозрачность, цвет и блеск получаемых покрытий. Но при использовании матовых покрытий, особенно с объемным рассеивающим эффектом, данных параметров для описания их свойств недостаточно.

В технологии отделки для исследования свойств неотделанной и отделанной поверхностей древесины широко используется фотоэлектрический блескомер ФБ-2. С его помощью можно определить величины зеркального (блеска) и диффузного (светлоты) отражений. Но, данные характеристики не дают представления о пространственном характере отражения светового потока поверхностью древесины или лакокрасочным покрытием на древесной подложке. При этом измерение величин зеркального и диффузного отражений осуществляется при различных условиях. Так при настройке прибора установка датчика производится на различные эталонные поверхности: на темную пластинку из инфракрасного стекла (ИКС) и светлую пластинку из молочно-белого стекла (МБС) для определения блеска и светлоты соответственно. При этом также используются разные оптические системы: с использованием тубуса с линзами и диафрагмой и без него соответственно, что значительно отражается на чувствительности приемника света – фотоэлемента. Поэтому данные величины, измеренные в условных единицах шкалы микроамперметра, не могут подлежать сравнению.

На данный момент не существует единой методики определения отраженных световых потоков от поверхности древесины и лакокрасочных покрытий. Отсутствует также стандартный эталон, относительно которого было бы возможным определение данных оптических характеристик.

В связи с этим в лаборатории отделки кафедры «Технология деревообработки» СибГТУ разработан метод определения составляющих отраженного светового потока от поверхности древесной подложки и лакокрасочных покрытий. Измерение данных оптических величин производится на базе фотоэлектрического блескомера ФБ-2.

На первоначальном этапе разработки данного метода был выбран эталон – пластинка из молочно-белого стекла (МБС) из комплекта прибора ФБ-2, которая является материалом, максимально отражающим и рассеивающим падающий световой поток. Для применения пластинки из МБС в качестве эталона необходимо знать ее оптические характеристики, в дальнейшем используемые как критерии сравнения при определении величин отраженных световых потоков от исследуемых поверхностей.

На основе формул Френеля для определения величины отраженного светового потока от границы двух сред Рыбиным Б.М. установлена величина зеркально отраженного светового потока от поверхности стандартного эталона из ИКС, которая составляет 5,95 %. С учетом этого были проведены исследования для определения зеркального отражения от пластинки второго стандартного эталона из МБС. При настройке прибора ФБ-2 по стандартной методике на измерение величины зеркального отражения установлено, что показания прибора при установке датчика на пластинку из МБС совпадают с показаниями при настройке прибора на пластике из ИКС. В результате чего можно предположить, что от пластинки из МБС зеркально отражается такое же количество падающего светового потока, то есть 5,95 %. На основе полученных данных о количестве зеркально отраженного светового потока экспериментально можно  установить количество света отражаемого поверхностью МБС направленно и диффузно. В результате проведенных исследований определено, что от поверхности пластинки из МБС отражается 27,04 % падающего светового потока направленно (при геометрии освещения-измерения 45⁰/45⁰ без тубуса), 24,27 % диффузно (45⁰/0⁰) и как было установлено ранее - 5,95 % зеркально (45⁰/45⁰ с использованием тубуса с линзами и диафрагмой). Но, следует заметить, что проценты отражения светового потока от пластинки из МБС соответствуют только установленной и отрегулированной в данном конкретном случае системе освещения. Таким образом, зная коэффициенты отраженных зеркально, направленно и диффузно световых потоков от поверхности эталона (R_МБС), можно определить коэффициенты отражения различных поверхностей.

Предлагаемый метод определения коэффициентов зеркально, направленно и диффузно отраженных световых потоков от исследуемой поверхности осуществляется следующим образом. Настройка прибора ФБ-2 производится на 100 усл. ед. по шкале микроамперметра при установке датчика на пластинку из МБС для измерения каждого вида отраженного светового потока. Затем датчик блескомера переставляется на исследуемую поверхность и определяется величина отраженного светового потока в условных единицах шкалы микроамперметра (D_З, D_Н, D_Д соответственно). Если величина отражения от исследуемой поверхности превышает 100 усл. ед., настройка прибора производится на 50 усл. ед. и полученное значение удваивается. Истинные коэффициенты отражения (R_З, R_Н, R_Д) определяются по формуле пересчета R=D*R_МБС/10000 для соответствующего отраженного светового потока.

Предлагаемая формула пересчета дает возможность установить истинные коэффициенты (или проценты) отражения светового потока от поверхности покрытия (не в условных единицах шкалы микроамперметра прибора ФБ-2), что позволяет сравнивать между собой величины зеркально, направленно и диффузно отраженных потоков от лакокрасочных покрытий, неотделанной и отделанной поверхностей древесины.

Для определения коэффициентов отражения пленок прозрачных лакокрасочных покрытий предлагается следующая методика. Лакокрасочные покрытия наносятся толщиной в жидком слое 220 мкм на фотостекла толщиной 1,2 мм. В качестве подложки под фотостекла используется черная бумага с минимальной отражающей способностью.

На данном этапе исследованию подлежали покрытия из лакокрасочных материалов различных по своим оптическим свойствам: прозрачный глянцевый лак НЦ-218, матовый лак НЦ-243 с преимущественно поверхностным рассеивающим эффектом, матовый грунт с объемным рассеивающим эффектом, разработанный в лаборатории. Для того чтобы исследовать, каким образом изменяется характер отражения падающего светового потока от неоднородного слоя покрытия,  в каждый из материалов добавлялась белая пигментная паста в количестве 1% и 3% для создания слабопигментированного, рассеивающего световой поток в объеме покрытия.

Для описания оптических свойств поверхностей древесной подложки и лакокрасочных покрытий предлагается использовать такие показатели, как степень рассеивания (СР) падающего светового потока и степень блеска (СБ) и рассчитывать их как отношение диффузного к направленному и зеркального к направленному потоков соответственно.

На основе результатов проведенных измерений и расчетов (таблица 1) можно сделать вывод, что величины отражения (D_З, D_Н, D_Д), измеренные в условных единицах шкалы микроамперметра не могут подлежать сравнению, так как по законам пространственного распределения отраженного света зеркальный поток не может преобладать над направленным, как это наблюдается для покрытия НЦ-218. Доля зеркального отражения у матовых покрытий должна быть минимальной, так как преобладающим отражением от их поверхности является рассеянный световой поток в пространстве полусферы. Этому утверждению также противоречат величины D_З, близкие по своему значению к D_Н, полученные для покрытия НЦ-243.

Определенные по предложенной методике коэффициенты отражения (R_З, R_Н, R_Д) позволяют оценить и сравнить между собой величины зеркально, направленно и диффузно отраженных световых потоков от исследуемых поверхностей.

 

Таблица 1 – Оптические характеристики лакокрасочных покрытий

Покрытие из лакокрасочного материала	Измеренные величины			Рассчитанные величины
	DЗ	DН	DД	RЗ	RН	RД	СР	СБ
НЦ-218	111,7	94,4	13,2	0,066	0,255	0,032	0,126	0,260
НЦ-218 + пигмент (1 %)	107,8	88,2	16,3	0,064	0,239	0,040	0,166	0,269
НЦ-218 + пигмент (3 %)	98,0	82,7	30,2	0,058	0,224	0,073	0,328	0,261
НЦ-243	83,3	91,1	13,7	0,050	0,246	0,033	0,135	0,201
НЦ-243 + пигмент (1 %)	74,2	84,7	17,3	0,044	0,229	0,042	0,184	0,193
НЦ-243 + пигмент (3 %)	56,0	77,7	32,2	0,033	0,210	0,078	0,373	0,159
Грунт матовый	7,8	63,4	20,4	0,005	0,171	0,050	0,289	0,027
Грунт матовый + пигмент (1 %)	7,1	60,5	23,3	0,004	0,164	0,057	0,346	0,026
Грунт матовый + пигмент (3 %)	5,6	56,5	34,6	0,003	0,153	0,084	0,549	0,022

 

Установлено, что с добавлением пигмента в лакокрасочные материалы степень блеска покрытий значительно изменяется только для НЦ-243 с поверхностным эффектом рассеивания света. При добавлении пигментной пасты в количестве 3% степень рассеяния света покрытиями НЦ-218 и НЦ-243 близки по величине. Для аналогичного покрытия на основе матового грунта эта величина в 1,5 раза выше, что свидетельствует о дополнительном рассеивании светового потока, отраженного от внутренней стороны стеклянной подложки, в объеме оптически неоднородной пленки.

Применение данной методики основано на феноменологическом подходе к рассмотрению явлений взаимодействия падающего светового потока с исследуемыми поверхностями. Определение коэффициентов отражения осуществляется без учета размера микронеоднородностей, их расположения в слое покрытия и применительно к белому падающему световому потоку, а не для определенной длины волны.

Предлагаемый метод прост в реализации, универсален и эффективен для определения оптических характеристик древесины и лакокрасочных покрытий в технологии отделки. Его применение позволяет установить величины составляющих отраженного светового потока и количественно оценить отражающую и рассеивающую способности поверхностей с использованием фотоэлектрического блескомера ФБ-2. Используя данный метод можно экспериментально подтвердить теоретические положения о пространственном распределении отраженного светового потока от оптически неоднородных в объеме материалов.

С помощью предложенного метода можно исследовать изменение пространственного характера отражения светового потока от поверхности древесины на каждом этапе ее отделки. Что позволит установить характер влияния на оптические свойства системы покрытие-подложка оптических характеристик применяемых лакокрасочных материалов и отражающей способности древесной подложки.