ИЗМЕНЕНИЕ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ МНОГОСЛОЙНЫХ
ПОКРЫТИЙ В ПРОЦЕССЕ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ НА ХВОЙНОЙ ДРЕВЕСИНЕ
Мелешко А.В., Манулик Г.О. (СибГТУ, г. Красноярск, РФ)
The results of researches of water penetration of multilayered coverings in the course of their formation on coniferous wood. The technique of the control of water penetration conductometric is presented by a method.
В последние годы все более широкое применение в технологии отделки изделий из древесины находят водные лакокрасочные материалы (ЛКМ) на основе акриловых дисперсий. Сформированные многослойные покрытия обладают высокой водостойкостью и паропроницаемы, это обеспечивает их использование при отделке оконных и дверных блоков. Однако, процессы взаимодействия формируемых покрытий на поверхности древесины с водной фазой недостаточно изучены.
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 ранее нанесенные слои и процесс набухания поверхностного слоя древесины повторяется. Следовательно, при многократном нанесении на поверхность древесины лакокрасочных материалов 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.
Водопроницаемость – способность покрытий пропускать воду из окружающей среды к поверхности подложки. Она зависит от таких характеристик, как плотность (пористость) покрытия и определяется его структурой, которая связана с технологическими режимами. Структура формируется длительное время, даже после удаления летучих компонентов. Окончательное ее формирование происходит уже в процессе эксплуатации покрытия.
Проницаемость покрытий можно определять прямыми и косвенными методами. Прямые методы сводятся к непосредственному замеру количества жидкости, пара и газа, прошедшего через пленку при заданных условиях. Косвенные, или сорбционные, методы определения проницаемости связаны с количественной или качественной оценкой степени сорбции или диффузии испытываемых веществ [1].
Для контроля изменения водопроницаемости формируемых покрытий требуется использовать метод, позволяющий осуществлять количественный контроль на всех этапах отверждения и как в объеме покрытия, так и на границе раздела фаз ЛКМ-подложка. Одним из возможных вариантов контроля на всех этапах формирования покрытия является метод измерения электрического сопротивления.
Для определения степени отверждения ЛКМ может быть использован кондуктометрический метод, позволяющий установить зависимость между объемным сопротивлением покрытия и продолжительностью его отверждения. В процессе отверждения сопротивление покрытия возрастает до определенного значения, после чего остается постоянным. Время, за которое достигается максимальное значение сопротивления покрытия, характеризует полноту отверждения покрытия [2].
В исследованиях МЛТИ был предложен кондуктометрический метод для определения степени отверждения лакокрасочных материалов УФ-отверждения с использованием специальной установки, состоящей из датчика с пластинчатыми электродами, который находится в камере отверждения, тераомметра Е6-13А, усилителя И-37 и самописца Н-391. Принцип работы заключался в следующем: датчик с нанесенным на него ЛКМ устанавливают в камеру отверждения и имитируют требуемые технологические процессы [3]. 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.
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.
Для контроля водопроницаемости и отверждения покрытий предлагается использовать схемы измерения на основе прибора мегаомметра Ф4101, представленные на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схемы измерения электрического сопротивления лакокрасочных покрытий:
а) на границе раздела ЛКМ-подложка;
б) на границе раздела ЛКМ-окружающая среда.
1 – лакокрасочный материал; 2 – подложка; 3 – электроды.
Целью проведенных исследований является повышение водостойкости многослойных покрытий с учетом влияния основных технологических факторов.
Исследования проводились на образцах сосны. Для проведенных исследований использовалась схема измерения 1-а, расстояние между электродами, внедренными на всю глубину древесины, принято равным 20 мм, для того чтобы исключить образование трещин на древесине, а также определять значения электрического сопротивления при обеспечении высокой чувствительности прибора. Для исследований использовался водоразбавляемый акриловый лак Суперкрил фирмы Akzo Nobel, который наносился толщиной 100, 150 и 200 мкм в жидком слое (ж.с.). Сушка покрытия осуществлялась при нормальных условиях, и при температуре 50 °С. Первый слой покрытия отверждался при нормальных условиях в течение 2, 4 и 24 часов, и при температуре – 1 и 2 часа. Предварительные исследования показали, что при нормальных условиях отверждение слоя покрытия в течение 2 и 4 часов не обеспечивает требуемую водопроницаемость, поэтому дальнейшие исследования проводились при времени отверждения – 24 часа. Второй слой наносился для всех образцов толщиной 200 мкм ж.с. и отверждался при тех же условиях, что и первый. После отверждения первого слоя лака наносился второй слой, и контролировалась водопроницаемость грунтовочного слоя, определяемая временем, за которое покрытие не пропускает воду. После отверждения второго слоя покрытия на поверхность наносился слой воды, и определялась условная водопроницаемость временем, за которое вода, проходя через два слоя покрытия, поглощается поверхностью древесины, резко уменьшая ее сопротивление.
Результаты исследований водопроницаемости грунтовочного слоя при формировании покрытия представлены на рисунках 2 и 3. Установлено, что для нормальных условий увеличение толщины грунта со 100 до 200 мкм ж.с. снижает водопроницаемость пленки с 2 до 8 мин после нанесения второго слоя водного ЛКМ. Последующее время удаление воды из подложки составляет соответственно 90 и 240 мин.
Формирование покрытия при температуре 50 °С характеризуется снижением водопроницаемости грунтовочных слоев, для 100 мкм ж.с. – до 4 мин. При этом время последующего удаление воды составляет – 12 мин. Грунтовочный слой толщиной 200 мкм ж.с. оказался изолирующим и препятствует проникновению воды в древесину из покровного слоя лака (рисунок 3).
Исследование водопроницаемости двухслойных покрытий представлены на рисунке 4. Установлено, что проницаемость определяется толщиной слоя покрытия, а также температурой и продолжительностью отверждения. В большей степени на проницаемость влияет температура сушки. При этом, в отличие от однослойного покрытия толщиной 200 мкм ж.с. отверждаемого при температуре 50 °С, величина водопроницаемости которого не превышает 75 сек [4], водопроницаемость двухслойного покрытия, сформированного при нормальных условиях составляет 375 сек. Повышение температуры отверждения приводит к снижению условной водопроницаемости до 720 сек.
Рисунок 2 – Изменение электрического сопротивления на границе ЛКМ-подложка при отверждении двухслойных покрытий при нормальных условиях
Рисунок 3 – Изменение электрического сопротивления на границе ЛКМ-подложка при отверждении двухслойных покрытий при температуре 50 °С
Рисунок 4 – Водопроницаемость двухслойных покрытий
Выводы:
1. Кондуктометрический метод позволяет осуществлять количественный контроль водопроницаемости полимерных пленок и может быть рекомендован для проведения исследований по изучению процессов формирования многослойных покрытий на древесных подложках.
2. Основными факторами в процессе отверждения многослойных покрытий, влияющими на водопроницаемость, являются толщина покрытия, а также продолжительность и режимы сушки. При этом, наиболее значимым фактором при формировании покрытий является температура.
3. При температуре 50 °С и продолжительности сушки 2 часа, сформированный грунтовочный слой толщиной 200 мкм ж.с. исключает проникновение воды в древесину при последующем нанесении покровного слоя лака.
Литература
1 Яковлев, А.Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий [Текст] : учеб. для вузов / А.Д. Яковлев. – Л. : Химия, 1989. – 384 с.
2 Карякина, М.И. Испытание лакокрасочных материалов и покрытий [Текст] / М.И. Карякина. – М. : Химия, 1988. – 272 с.
3 Крисанов, В.Ф. Метод определения степени отверждения лакокрасочных материалов [Текст] / В.Ф. Крисанов, Е.Е. Овчаренко, Н.И. Игнатова // Деревообрабатывающая промышленность. – 1987. – № 3. – С. 14-15.
4 Мелешко, А.В. Водопроницаемость лакокрасочных покрытий на хвойной древесине [Текст] / А.В. Мелешко [и др.]; под ред. Е.А. Памфилова // Актуальные проблемы лесного комплекса : сб. науч. трудов по итогам международной научно-технической конференции. – Брянск : БГИТА, 2007. – Выпуск 18. – С. 121-125.