ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ХВОЙНОЙ ДРЕВЕСИНЕ

 

Мелешко А.В., Логинова Г.А., Манулик Г.О., Романова С.С.

(СибГТУ, г. Красноярск, РФ)

 

In the article the question of reduction of water permeability of paint and varnish coasts formed water of paint and varnish by materials, on a surface of a wood substrate is considered. The results of researches of water permeability of paint and varnish coasts with use of electrical properties of paint and varnish materials and coasts are given.

 

Проницаемость лакокрасочных покрытий является одной из важнейших характеристик эксплуатационных свойств покрытий. Данное свойство определяет способность пленки пропускать через себя жидкости и газы. В технологии отделки древесины проницаемость покрытий определяется свойствами покровного лакокрасочного материала (ЛКМ), который обеспечивает в процессе формирования покрытий требуемые защитные свойства. Проницаемость промежуточных слоев, непосредственно контактирующих с древесной подложкой, ранее специально не изучалась. Это связано с широким использованием в ЛКМ неполярных органических растворителей, которые при взаимодействии с древесиной не вызывали изменения ее линейных размеров (набухания). При использовании традиционных отделочных материалов обеспечивалось быстрое отверждение покрытий.

Взаимодействие покрытий на древесине с водой характеризуется водостойкостью, которая определяет способность покрытия не изменять свои защитные и декоративные свойства при контакте с водой.

В последние годы все более широкое применение в технологии отделки изделий из древесины находят водные лакокрасочные материалы на основе акриловых дисперсий. При этом установлено, что сформированные покрытия обладают высокой водостойкостью и паропроницаемы. Это обеспечило широкое применение водных материалов при отделке оконных и дверных блоков.

В настоящее время акриловые системы используются как при прозрачной, так и непрозрачной отделке мебели, изготовленной из древесины хвойных пород. При этом к качеству покрытий предъявляются повышенные требования, которые сложно обеспечить только использованием типовых технологических процессов. При формировании многослойных покрытий происходит многократный контакт поверхности древесины с водой за счет частичной проницаемости промежуточных слоев покрытия. Это приводит к возникновению различных дефектов (в первую очередь к набуханию поверхности, повышению шероховатости и неравномерному блеску сформированного покрытия). Промежуточное шлифование поверхности частично устраняет указанные дефекты, однако при нанесении следующего слоя водоразбавляемого лакокрасочного материала возможно проникновение содержащейся в нем воды через предыдущие слои и процесс набухания поверхностного слоя древесины повторяется. Следовательно, при многократном нанесении на поверхность древесины водных слоев отделочного материала (грунт, 1 и 2 слои лака или краски) проницаемость промежуточных слоев в значительной степени будет оказывать влияние на свойство покрытия в целом. При разработке технологического процесса следует изначально обеспечить минимальную водопроницаемость загрунтованной поверхности.

Свойства древесины и взаимодействие ее с водой  определяется химическим составом древесинного вещества, тонкой структурой клеточных стенок, строением и пространственным расположением отдельных анатомических элементов (клеток), из которых построена древесина. Характерная особенность структуры древесины – специфическая ориентация в ней различных тканей. Исходя из этого, в древесине различают три главных структурных направления: аксиальное – вдоль волокон, радиальное – поперек волокон по радиусу ствола, тангенциальное – поперек волокон по касательной к границе между годичными слоями. Поскольку древесина является анизотропным телом, то такие свойства древесины, как разбухание, прочность, влагопроводимость и другие зависят от структурного направления, так как показатели этих свойств в каждом направлении разные.

Набухание и деформирование поверхности древесины неодинаковы в различных жидкостях и зависят от изменения диэлектрической проницаемости жидкостей [1]. Большее набухание древесины наблюдается при ее взаимодействии с полярными жидкостями, к которым относится вода.

Проведенные исследования  процессов поглощения воды поверхностью древесины сосны с начальной влажностью 10 % показали, что при увеличении продолжительности смачивания поверхности с 5 секунд до 5 минут поглощение воды единицей площади радиальной поверхности древесины увеличивается с 52 до 174 г/м², тангенциальной – с 60 до 66 г/м², торцовым срезом – с 495 до 1498 г/м². После сушки и повторного смачивания образцов с радиальным срезом поглощение увеличивается через 5 сек до 118 г/м² и через 5 мин – до 258 г/м².

Установлено, что в процессе испарения воды из радиального среза древесины сосны при нормальных условиях, обеспечивается полное удаление влаги из поверхности образцов, и время сушки определяется количеством поглощенной жидкости. При повторном смачивании время испарения увеличивается в 3-4 раза в зависимости от продолжительности смачивания.

При взаимодействии поверхности пласти образцов древесины с водой наблюдается увеличение шероховатости поверхности. При проведении исследований шероховатость поверхности, контактирующей с водой, увеличилась с 16 до 60 мкм на ранней зоне годичного слоя и с 16 до 24 мкм на поздней зоне годичного слоя древесины. При повторном смачивании шероховатость поверхности древесины поздней зоны увеличивается до 40 мкм, ранней зоны не превышает 60 мкм. При этом происходит набухание поверхности древесины, приводящее к увеличению линейных размеров образцов. Для ранней зоны годичного слоя  на радиальном срезе толщина образцов увеличивается на 240 мкм, на тангенциальном срезе – на 220 мкм. На поздней зоне годичного слоя также наблюдается набухание: на радиальном срезе – до 230 мкм, на тангенциальном срезе – до 210 мкм.

Следовательно, взаимодействие древесины с водными отделочными материалами (водный краситель, лак, эмаль и др.) приводит к поглощению воды и увеличению шероховатости поверхности. Поэтому при использовании водных отделочных материалов требуется уменьшить водопроницаемость грунтовочного слоя для устранения негативных последствий повторного увлажнения древесины при формировании многослойного покрытия.

Водопроницаемость – способность покрытий пропускать воду из окружающей среды к поверхности подложки. Она зависит от таких характеристик, как плотность (пористость) покрытия и определяется его структурой. Структура в свою очередь формируется длительное время, даже после удаления летучих компонентов. Окончательное ее формирование происходит уже в процессе эксплуатации покрытия.

Процесс отверждения покрытий на основе водных дисперсий содержит 3 стадии. На стадии образования промежуточного геля скорость испарения воды примерно постоянна и близка к скорости испарения ее со свободной поверхности. На стадии синерезиса (сжатия) промежуточного геля происходит дальнейшее удаление воды. Третью стадию составляют аутогезионные процессы, заключающиеся в ликвидации межфазной границы, т.е. слиянию глобул. Слияние глобул при пленкообразовании происходит под влиянием многих действующих сил: капиллярного давления жидкости, поверхностного натяжения на границе полимер-вода, межмолекулярного взаимодействия, сил тяжести частиц. Определяющая роль, однако, отводится капиллярному или межчастичному давлению [2].

Следовательно, в процессе формирования покрытий из водных материалов выделяется вода, которая помимо испарения способна проникать в нижние слои покрытия и, следовательно, в древесину. Уменьшение водопроницаемости пленок может быть обеспечено за счет большего уплотнения молекул полимера.

При исследовании процессов структурообразования могут использоваться различные методы контроля, но предпочтительнее использовать целый комплекс независимых химических, физико-химических и физических методов исследования. Для этих целей также нашли широкое применение кондуктометрические методы, основанные на измерении электрического сопротивления покрытий [3]. В МЛТИ разработан метод определения степени отверждения лакокрасочных материалов с использованием специальной установки, состоящей из пластинчатого электрода, корпуса датчика и камеры отверждения. При этом изучение процесса отверждения производилось на эталонной поверхности, без учёта свойств древесной подложки, количества и свойств промежуточных слоев. В проводимых исследованиях водные ЛКМ не изучались [4].

Для определения водопроницаемости лакокрасочных покрытий на древесине предлагается использовать кондуктометрический метод, позволяющий по величине электрического сопротивления контролировать время проникновения воды через покрытие, количество впитавшейся воды и интенсивность процесса последующего испарения. Условная водопроницаемость в этом случае будет определяться временем, за которое покрытие не пропускает воду после ее нанесения на лакированную поверхность древесины. Водопроницаемость уменьшается с увеличением промежутка времени до момента проникновения воды через покрытие.

Целью проведенных исследований является определение влияния технологических факторов на водопроницаемость многослойного покрытия в процессе его формирования и эксплуатации.

Исследования проводились на образцах сосны с использованием мегаомметра Ф4101, расстояние между электродами, внедренными на всю глубину древесины, принято равным 20 мм. Для исследований использовался водный лак СУПЕРКРЮЛЬ ВО, бесцветный (XV 600) — 1983-09000 фирмы Akzo Nobel при нанесении толщиной 100, 150 и 200 мкм в жидком слое (ж.с.). Сушка покрытия осуществлялась при нормальных условиях и при температуре 50 °С. После отверждения покрытия на поверхность наносится слой воды и определяется условная водопроницаемость временем, за которое вода, проходя через покрытие, поглощается поверхностью древесины, резко уменьшая ее сопротивление.

Результаты исследований представлены на рисунке 1, из которого следует, что водопроницаемость покрытия определяется его толщиной, температурой и временем отверждения. При нормальных условиях необходима выдержка в течение 24 ч перед нанесением второго слоя. Только при этих условиях обеспечивается уменьшение водопроницаемости покрытия толщиной в ж.с. 200 мкм. При увеличении времени сушки водопроницаемость покрытия уменьшается независимо от температуры его отверждения, что объясняется формированием надмолекулярной структуры полимера.

Минимальная водопроницаемость покрытия достигается при толщине 200 мкм в ж.с. и сушке при 50 °С в течение 2 ч, при этом температура обеспечивает более низкую водопроницаемость для всех слоев покрытия, по сравнению с аналогичными покрытиями, отверждаемыми при нормальных условиях.

Рисунок 1 – Водопроницаемость лакокрасочных покрытий

 

Предложенный метод измерения времени проникновения воды через покрытие, которое определяется изменением электрического сопротивления древесной подложки, обеспечивает осуществление контроля водопроницаемости лакокрасочных покрытий и  исследование процесса удаления влаги из древесины при использовании водных лакокрасочных материалов.

Для уменьшения водопроницаемости лакокрасочных покрытий на основе водных материалов рекомендуется наносить грунтовочный слой толщиной 200 мкм в жидком слое с последующей сушкой при температуре 50 °С в течение 120 минут.

 

Литература

1.      Буглай, Б.М. Технология отделки древесины [Текст] : учебник для вузов. 2-е изд., переработ. и доп. / Б.М. Буглай. – М.: Лесн. пром-сть, 1973. – 304 с.

2.      Яковлев, А.Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий [Текст] : учебник для вузов / А.Д. Яковлев. – Л.: Химия, 1989. – 384 с.

3.      Карякина, М.И. Испытание лакокрасочных материалов и покрытий [Текст] / М.И. Карякина. – М.: Химия, 1988. – 272 с.

4.      Крисанов, В.Ф. МЛТИ. Метод определения степени отверждения лакокрасочных материалов [Текст] / В.Ф. Крисанов, Е.Е. Овчаренко, Н.И. Игнатова. // Деревообраб. пром-сть. – 1987. – №3. – С. 14-15.