автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Распределение влаги под лакокрасочным покрытием на древесине хвойных пород

СКРИПАЛЫДИКОВ Андрей Игоревич

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАГИ ПОД ЛАКОКРАСОЧНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА ДРЕВЕСИНЕ ХВОЙНЫХ ПОРОД

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК 2013

Красноярск 2013

005543545

005543545

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный технологический университет»

Научный руководитель: - Мелешко Александр Владимирович

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Ермолин Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»,

заведующий кафедрой «Технологии композиционных материалов и

древесиноведения»

Денисов Сергей Викторович

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет», профессор кафедры «Воспроизводства и переработки лесных ресурсов»

Ведущая организация:

ОАО «Уральский научно-

исследовательский институт переработки древесины»

Защита диссертации состоится «25» декабря 2013 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.253.04 при ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» по адресу: 660049, Красноярский край, г. Красноярск, пр. Мира, д. 82.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет».

Автореферат разослан «21» ноября 2013 года.

Ученый секретарь Мелешко А.В.

диссертационного совета [■ !/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одним из перспективных направлений решения проблемы рационального комплексного использования древесины малоценных пород является отделка ее поверхности лакокрасочными материалами. Направленное прогнозирование реакции модифицированной поверхности подложки из древесины хвойных пород при эксплуатации в жестких условиях Сибири позволит выявить требования к оптимальным лакокрасочным покрытиям, позволяющим создавать конкурентоспособные изделия из древесины малоценных пород. Регулирование свойств, сформированных полимерных покрытий, возможно с учетом факторов, влияющих на качество лакокрасочных покрытий.

Актуальность работы заключается в том, что стабилизация размеров, формы, качество лакированной поверхности обеспечивает более высокие эксплуатационные характеристики изделий даже малоценных пород за счет исключения мест локальной концентрации влаги. Это обеспечит увеличение срока службы изделий из древесины, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности и возможного локального контакта с водой и, следовательно, приведет к развитию ресурсосберегающих технологий.

Настоящая научно-исследовательская работа позволит создать экспериментальную базу, при разработке как новых, так и совершенствовании уже имеющихся технологий отделки и структур сформированного полимерного покрытия на древесине хвойных пород.

Работа посвящена исследованию процессов распределения влаги под лакокрасочным покрытием на древесине хвойных пород; определению мест локальной концентрации влаги с целью последующего снижения влажности подложки на границе «полимер - древесина»; определению влияния технологических факторов защитно-декоративной отделки хвойной древесины при лакировании ее поверхности на характер влагопереноса при взаимодействии с капельножидкой водой.

Поэтому проведение исследований в данном направлении является актуальным.

Цель работы и задачи исследования

Целью работы является обеспечение равномерного распределения влаги в лакированной древесине при длительном контакте с капельножидкой водой с учетом характеристик лакокрасочного покрытия и свойств древесной подложки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: провести аналитический обзор результатов исследований процессов влагопереноса в древесине; разработать теоретические основы процессов взаимодействия лакированной поверхности древесины с водой, а также процессов влагораспределения под полимерной пленкой на основе различных пленкообразователей; разработать методики исследования

процессов взаимодействия лакированной поверхности с водой; исследовать влияние влажности на изменение адгезионной прочности полимерных пленок на основе различных пленкообразователей; исследовать влияние характеристик полимерного покрытия на процесс водопоглощения; исследовать влияние геометрических параметров лакированной древесины на водопоглощение; исследовать распределение влаги по объему лакированного материала; исследовать процессы переноса влаги на границе «полимер -древесина»; разработать технологические рекомендаций стабилизации свойств покрытия при контакте с водой.

Объектами исследования являются процессы взаимодействия воды с лакированной поверхностью подложки из древесины сосны.

Предметом исследования является влагоперенос в объеме древесиной подложки с учетом анизотропных свойств древесины и характеристик лакокрасочного покрытия.

Научной новизной обладают:

теоретические основы процессов распределения влаги под полимерной пленкой при длительном воздействии поверхности с капельножидкой водой с учетом анизотропии древесины и свойств сформированного покрытия.

- оригинальные методики исследования процессов взаимодействия капельножидкой воды с поверхностью лакированной древесины, позволяющие количественно определить закономерности процессов влагопереноса.

- закономерности процессов влагопроводности по объему древесной подложки с учетом вида и структуры покрытия;

- процессы влагопроводности на границе «полимер-древесина» с учетом вида и структуры покрытия.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Теоретические основы процессов взаимодействия лакированной древесины хвойных пород с учетом свойств покрытия и древесной подложки.

2. Методика кондуктометрического контроля интенсивности процесса влагораспределения и концентрации влаги на границе «полимер -древесина».

3. Результаты исследований процессов влагопереноса с учетом геометрических параметров лакированной древесной подложки.

4. Результаты исследований распределения влаги под лакокрасочным покрытием в объеме древесины.

5. Результаты исследований процессов влагопереноса под лакокрасочным покрытием на границе «полимер - древесина».

6. Рекомендации по повышению эксплуатационных свойств при формировании лакокрасочных покрытий на изделиях из древесины хвойных пород, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности и длительном контакте с капельножидкой водой.

Теоретическая и практическая значимость работы

Установленные закономерности процессов влагопереноса могут являться основой для разработки необходимых требований к лакокрасочным покрытиям (ЛКП), обеспечивающим им повышенные эксплуатационные свойства.

Результаты работы могут послужить теоретической базой при разработке водостойких защитно-декоративных покрытий.

В работе выявлены технологические факторы формирования полимерных пленок, обеспечивающие заданную стабилизацию свойств и снижение локальной концентрации влаги под лакокрасочным покрытием.

Обоснованность выводов и рекомендаций

Достоверность предложений и выводов обеспечивается корректностью принятых допущений при оценке диффузионных процессов влагопереноса и подтверждается заданным соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований. Результаты работы согласуются с основными фундаментальными положениями законов диффузионного проницания и адсорбции и с современной теорией деструкции полимеров.

Результаты экспериментальных исследований получены на основе использования современных методов планирования эксперимента. Полученные математические модели достаточно точно воспроизводят описываемые явления, а их адекватность подтверждается в соответствии с общепринятыми методиками. При обработке экспериментальных данных были применены современные информационные технологии.

Личный вклад соискателя

Вклад автора заключается в постановке и решении задач теоретического и экспериментального характера. Автором выполнены эксперименты и проведен анализ полученных данных.

Апробация работы

Основные результаты и научные положения, изложенные в диссертационной работе, докладывались на: Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, преподавателей и молодых ученых СибГТУ (Красноярск, 2010-2012 г.); международной научно-технической конференции ВГЛТА (Воронеж, 2010 г.); международной научно-технической конференции БГИТА (Брянск, 2011 г.); международной научной конференции студентов, магистров, аспирантов, докторантов и молодых ученых НЛТУ (Львов, 2011г.).

В том числе в сборниках рекомендованных ВАК: Известия высших учебных заведений «Лесной журнал» и в теоретическом и научно-практическом журнале «Хвойные бореальные зоны».

Реализация работы

Результаты работы используются кафедрой Технологии деревообработки СибГТУ при изучении дисциплины «Технология и оборудование защитно-декоративных покрытий древесины и древесных

материалов», а также при разработке водостойких лакокрасочных материалов (ЛКМ) в СибГТУ.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 7 разделов, библиографического списка из 131 наименований, 8 приложений; содержит 187 страниц основного текста, 70 рисунков, 35 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования процессов влагораспределения под лакокрасочным покрытием, обоснован выбор, в качестве подложки, древесины сосны, что автор связывает с преимущественным использованием данной породы в Сибирском регионе. Это создает предпосылки для изучения ее поведения в качестве подложки при формировании защитно-декоративных покрытий, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности, которая также отражает основные свойства хвойных пород.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса в исследованиях процессов взаимодействия с водой древесины, свободной полимерной пленки и лакированной поверхности древесины.

Начало систематических исследований процессов переноса влаги приходятся на конец 20-го века. В конце 80-х начале 90-х европейскими научно-исследовательскими институтами проводились исследования процессов переноса влаги через лакокрасочное покрытие [Siau 1984 г., Bagda 1990 г., Томас 1991 г.]. Данными исследованиями было установлено, что перенос влаги через полимерную пленку зависит от свойств покрытия и может осуществляться двумя различными механизмами: через однородную структуру покрытия и через поры и дефекты покрытия (микроскопические поры). В непористых покрытиях перенос влаги происходит вследствие диффундирования паров жидкости через полимерную мембрану, тогда как в пористых покрытиях наблюдается больший перенос капельножидкой влаги по системам микрокапилляров пленок. Это является причиной более высокой проницаемости водно-дисперсионных покрытий, которые имеют большое количество микропор.

Влияние воды на поведение лакированной древесной подложки, было рассмотрено рядом исследователей: Hulden, Hansen 1985 г.; Graystone 1998 г.; Van der Wel, Adán, 1999 г. Влагоперенос в лакированной древесине был исследован Hjort в 1998 г., Derbyshire и Robson 1999 г. Изучением распределения влажности в объеме свободных пленок во главе с Nguyen занималась группа исследователей. В своих исследованиях Hulden и Hansen отмечают, что проницаемость адгезированных пленок выше, чем свободных.

В отечественной литературе отражены результаты исследований взаимодействия древесины с водой учеными: Уголев, Серговский, Шубин, Харук, Чудинов, Ермолин и др., при этом влияние покрытий на процессы влагопереноса и концентрации влаги в древесине не рассматривалось.

Для изучения влагораспределения под лакокрасочным покрытием на древесной подложке в разное время использовались различные неразрушающие и разрушающие методы. Исследования показали существенные различия в процессах влагораспределения в объеме нелакированной и лакированной древесины. В процессе испытаний наблюдалось высокое распределение влаги за пределы локального контактирующего с водой места увлажнения.

Зарубежными авторами подчеркивается необходимость изучения ■ характера распределения влаги в зависимости от условий эксплуатации изделий при различных типах покрытия согласно местоположению и климатическим условиям.

Таким образом, на сегодняшний день многие исследования связанные с вопросами взаимодействия лакированной древесины с водой, проводимыми научно-исследовательскими организациями, либо не подлежат разглашению как коммерческая тайна, либо их нет в открытом доступе. Поэтому анализ научных исследований проведен по имеющимся источникам открытого доступа, а также на основе практических рекомендаций производителей существующих лакокрасочных материалов.

Проводимые исследования по модификации различных систем отделки для древесины хвойных пород не учитывают динамику процессов распределения влаги и возможные места ее концентрации под сформированным лакокрасочным покрытием в зависимости от геометрической формы подложки, вида и структуры полимерных покрытий.

На основании проведенного анализа научных работ по направлению исследования, были сделаны выводы, позволяющие сформулировать цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена теоретическим изучениям процесса влагораспределения под лакокрасочным покрытием на древесине.

Согласно закону диффузии любой процесс контакта жидкости с поверхностью твердого тела будет подчиняться закону диффузии, тогда пространственное движение воды по объему древесины можно описать общими уравнениями трехмерной или пространственной диффузией Фика:

где £) - коэффициент диффузии,

дс/дх - градиент концентрации в направлении х; дс/ду- градиент концентрации в направлении у; дс/дг - градиент концентрации в направлении т..

Движение влаги в древесине происходит под действием градиента поля концентрации влаги или под действием градиента влагосодержания, тогда пространственный поток диффузии влаги, при условии, что у каждого направления тока влаги в древесине свой коэффициент влагопроводности, в конечном итоге будет иметь вид:

эи а / , аи\ а ( , зи\ , а , , зи. „.

* = аГ 1а 'р° • к) + а? Ча ' р°' ъ) + ^'(а танг-'Ро' ^

где ро - плотность вещества в абсолютно сухом состоянии;

а'.акса!та„,,а'рш), - коэффициенты влагопроводности древесины, соответственно, в аксиальном, радиальном и тангенциальном направлениях.

Степень влияния направления волокон древесины в той или иной мере будет зависеть от коэффициента влагопроводности покрытия кпп, который в свою очередь зависит от полярности, фазового и физического состояния материала пленки, ее химического состава и густоты пространственной сетки.

С учетом того, что плотность потока влаги / зависит от направления волокон древесины, коэффициенты влагопроводности древесины находятся в следующем неравенстве:

а'акс>а!р>а!та„р. (1.3)

Тогда плотность потока влаги, при условии одинаковой базисной плотности и равного во всех направлениях волокон градиента влагосодержания,согласно выражению 1.2, имеет следующий вид:

1а«с>1р>1та„г, (1.4)

При описании процесса влагопереноса под поверхностью ЛКП учтеносоотношение влагопроводности полимерного покрытия и плотности потока влаги вхвойной древесине, при условии контакта лакированной поверхности древесины с водой во всех направлениях плоскости среза.

В общем случае,когда коэффициент влагопроводности лакокрасочного покрытия будет меньше максимально возможной скорости потока влаги в древесине г, тогда скорость распределения влаги под полимерной пленкой будет ограничиваться свойствами древесины. При этом концентрация влаги под пленкой будет наблюдаться на тех плоскостях среза, у которых скорость влагопроводности древесины будет ниже коэффициента влагопроводности покрытия. Это связано с тем, что влага с этих сторон материала не будет успевать перераспределяться в объеме материала, а продолжит насыщать поверхностные слои хвойной древесины выше предела гигроскопичности.

Таким образом, распределение влаги в объеме материала, при взаимодействии плоской поверхности лакированной древесной подложкис капельножидкой водойбудет завить от величины влагопроводности полимерного покрытия(&„„).

При контакте изделий из древесины с водой, водонасыщение поверхности на углах и ребрах подложки будет происходить более

интенсивно, чем скорость возможного распределения влаги в более глубокие участки неограниченного по ширине материала. При взаимодействии воды с ребрами материала процесс также изменяется.

Исследуемый объект представляет собой древесную подложку со сформированным на ее поверхности полимерным покрытием (рисунок 1).

влажности

Участки «А5», «А6», «Е1», «Р1» подчиняясь закону диффузии, стремятся к диффузионному равновесию системы. Т.к. площадь контакта всех этих участков равна, векторы потока влаги будут направлены перпендикулярно площади направления переноса.У группы угловых и близких к ним участков, векторы потока влаги будут направлены не только к центру, но и в стороны прилегающих участков, имеющих меньшую влажность. При этом площадь контакта участка «А1» с водой будет вдвое выше, чем у соседних смежных с ним участков без острого ребра. Участок «А1» будет отдавать часть влаги смежным к нему участкам, стремясь к диффузионному равновесию.Участок «В2» будет одновременно насыщаться от «А2» и «В1», т.к. имеет минимальную начальную концентрацию влаги по сравнению с этими участками. В результате этого, влажность участка «В2» станет большей, чем влажности «ВЗ» и «С2», что соответственно приведет к разнице концентраций в этих участках, а значит и переносу влаги от участка «В2» к участкам «ВЗ» и «С2».

Аналогично, стремясь к равновесию системы, каждый слой, имеющий большую концентрацию влаги, будет стремиться уровнять ее путем отдачи части влаги приграничным слоям. При этом максимальный поток влаги будет направлен под углом 45°±5°. Направление векторов градиента влагосодержания и сила потока влаги на том или ином участке будет зависеть от коэффициента влагопроводности древесины а', соответствующего направления.

Установление влажностного равновесия в системе участков (рисунок 1) невозможно, пока происходит контакт лакированной поверхности ребра материала с капельножидкой водой. Насыщение влагой ребер будет более интенсивнее, вследствие большего контакта площади поверхности ребра. И по мере удаления от ребра - «центра максимальной концентрации» влаги ЦМК (участка «А 1 »Интенсивность процессапереноса жидкости будет уменьшаться .Согласно закону диффузии, движение потока влаги будет направлено в сторону с меньшей концентрацией диффундирующего вещества независимо от направления волокон древесины. При определенном расстоянии от ЦМК данный процесс должен стабилизироваться и система сообщающихся участков будет стремиться к равновесной влажности по всему сечению материала.

Рассмотреть процесс распределения влаги при локальном контакте участка древесины на границе «полимер-древесина»можно на феноменологической модели (рисунок2).Исследуемый объект представляет собой древесную подложку со сформированным на ее поверхности ЛКП, а контакт с водой осуществляется участком нелакированной древесины. Участок нелакированной древесины предусмотрен с целью имитации дефекта покрытия или участка сопряжения деталей изделия.

1 - направление потока влаги при локальном увлажнении древесины; 2 - перенос влаги в направлении поперек волокон: 3 - интенсивный влагоперенос вдоль волокон; 4 -перенос поперек волокон, характеризуется максимальной глубиной проникновения влаги; 5 - снижение концентрации водяных паров под ЛКП (при условии высокой водопроницаемости покрытия).

Рисунок 2 - Феноменологическая модель распределения влаги под лакокрасочным покрытием

Процесс распределения влаги на поверхности нелакированной древесины достигнет равновесного состояния быстрее, чем при аналогичных условиях протекания процесса под ЛКП, сформированным на поверхности древесной подложки. Увлажнение поверхности нелакированной древесины проходитболее интенсивно, чем лакированной, т.к. связано с насыщением

полимерное покрытие

поверхностных слоев до влажности выше предела гигроскопичности.Увлажнение подложки в случае движения свободной влаги под полимерным покрытием будет протекать быстрее, чем при движении связанной. Особый вклад в скорость и расстояние переноса влаги на поверхности покрытия вносит направление потока влаги.По мере удаления процесса от зоны максимальной концентрации проникновение влаги вглубь материала будет снижаться. Такая закономерность характеризуется снижением концентрации влаги в приграничной зоне предельной локальной концентрации.

При формировании на поверхности древесины защитно-декоративного покрытия, интенсивность процесса переноса влаги будет меняться в зависимости от коэффициента паропроницаемости полимерного покрытия.В процессе влагопереноса происходит испарение из подложки части влаги, вследствие чего происходит смена преобладания системы проводящих путей со свободной влагой на систему проводящих путей со связанной влагой.

При переносе влаги в аксиальном направлении волокон незначительный вклад привносят смоляные ходы, их содержание в различных породах отличается. Влагоперенос в тангенциальном направлении волокон будет протекать в десятки раз медленнее, аксиального направления, причем явного различия в протекании процесса в ранней и поздней древесине не будет.

С учетом различного анатомического строенияранних и поздних трахеид древесины процесс переноса влаги можно рассмотреть на модели рисунок 3. Исследуемый объект представляет собой древесную подложку, со сформированным на ее поверхности ЛКП, а контакт с водой происходит участком нелакированной древесины.

Поздняя дрвбесина Раняя дребесина

Рисунок 3 - Модель движения влаги с учетом ранней и поздней древесины

Насыщение ранних трахеид на начале участка 1протекает в системе двух процессов: переход свободной влаги по полостям клеток преимущественно вдоль волокон от места локального насыщения и насыщение участков, расположенных около поздней зоны в направлении

поперек волокон. По мере удаления от «центра увлажнения» (участок II) преобладание первого процесса снижается, таким образом, будет наблюдаться увлажнение лишь небольших участков ранней древесины расположенной на минимальном расстоянии от поздней. На участке III влага перемещается лишь по поздней древесине. Таким образом, значительная разница наблюдается в величине проникновения жидкостей для ранней и поздней древесины.В пределах гигроскопичности влагоперенос на границе «полимер-древесина», будет осуществляться преимущественно по поздней древесине, что связанно с доминирующим механизмом переноса влаги по стенкам поздних трахеид.

Указанный характер влагопереноса будет одинаково справедлив для большинства хвойных пород, что связанно с наличием более мелкой капиллярной системы у поздних трахеид, обладающих большей силой капиллярного поднятия.

В третьей главе описаны методики для проведения экспериментальных исследований, представлены характеристики применяемых веществ, материалов, методов и средств измерения, применяемого оборудования и приборов, расчетные формулы и уравнения. Результаты экспериментальных исследований обрабатывали методами математической статистики.

Использование известных методик не позволяет определить степень влияния паропроницаемости покрытия на процессы локальной концентрации влаги на границе «полимер-древесина».Для направленного изучения влияния вида и структуры покрытия на процессы интенсивности влагопереноса и концентрации влаги предлагается использовать кондуктометрический метод, который основан на принципе уменьшения удельного сопротивления древесины при увеличении влагосодержания в поверхностном слое древесной подложки.

При этом были учтены результаты исследований процессов влагопроводности окрашенных полярных жидкостей в поверхностном слое древесины, которые показывают неравномерность распределения влаги по всей ширине поверхности исследуемых образцов.Принципиальная схема предлагаемой методики представлена на рисунке 4.

Для реализации методики образцы изготавливались из заболонной части древесины радиальной распиловки сечением 20*50 мм в количестве, дающем репрезентативную выборку. Заболонная часть ствола имеет большую влагопроводящую способность древесины. Образцы очищались от загрязнений ручным или механическим способами, поверхность образцов шлифовалась, определялась их начальная масса и влажность.

влажности древесины

На поверхность образцов помещались электроды на расстоянии 5 мм друг от друга, изготовленные из медной проволоки без изоляции. В результате проведения предварительных экспериментов была установлена необходимость расположения электродов по всей ширине подложки, такая установка электродов связанна с разницей в проводящей способности различных участков поверхности подложки, рисунок 4. Поверх электродов распылением наносилсяиспытуемыйлакокрасочный материал (акриловый лак 8ауег1аскАг2130, полиуретановый лак 8ауег1аскТ22830). В центральной части на лакокрасочном покрытии образца термоклеевым пистолетом формировался гидроизоляционный барьер из силикона шириной 20 мм. Внутрь гидроизоляционного барьера наливалась дистиллированная вода. На основании предыдущих исследований оптимальное время контакта с водой составило 3 ч. В зависимости от принятой методики проводилось один или несколько циклов «увлажнения - сушки». После каждого контакта с водой образцы выдерживались при нормальных условиях до восстановления первоначальной влажности.

При проведении испытаний для определения интенсивности влагопереноса к омметру подключалась первая от барьера пара электродов и контролировалось время, при котором измеряемое сопротивление будет меньше 3,38*10'° Ом. В этом случае влажность древесины увеличивалась за счет насыщения влагой исследуемой границы данного участка. Интенсивность влагопереноса оценивалось по отношению времени к расстоянию от дальнего электрода до гидроизоляционного барьера (мм/мин.).Затем датчики переносились на следующую пару электродов и аналогичным образом определяласьинтенсивность влагопереноса для следующего участка образца.

Автором разработаны такжеоригинальные методики поопределению влияния влажности и характеристик древесной подложки на изменение адгезионной прочности полимерных пленок;определению влияния характеристик лакокрасочного покрытия на процесс водопоглощения древесной подложки;определению влияния геометрических параметров

лакированной древесной подложки на изменение

водопоглощения;определению распределения влаги под лакокрасочным покрытием в объеме древесины.

Четвертая глава посвящена изучению влияния характеристик древесной подложки и свойств ЛКП на процессы водопоглощения.

В результате проведенных исследований установлено влияние влажности подложки на изменение адгезионной прочности акриловых и полиуретановых покрытий. При увеличении30%влажности древесной подложкиадгезионная прочность полимерного покрытия снижается, для полиуретановых покрытий снижается на 12,5%, а для акриловых на 40%.

Установлено влияние 16-ти циклических влажностных воздействий и последующей сушкив эксплуатационных условиях наизменение адгезионной прочности. При использовании ПУ системадгезионная прочностьк сухой подложке полимерного покрытия снижается на 64% относительно первоначального показателя, а при использовании акриловых покрытий на 1%.

Установлено, что при контакте поверхности нелакированной древесины торцового среза процесс переноса влаги в основном будет направлен вдоль волокон, тогда как сформированное покрытие приводит к перераспределению влаги также и в поперечном направлении волокон хвойной древесины. При взаимодействии с водой радиального или тангенциального среза древесины, процесс распределения влаги не будет принципиально изменяться от наличия или отсутствия покрытия.В силу низкой влагопроводящей способности древесины поперек волокон коэффициент водопоглощения на образцах с поперечным расположением волокон значительно меньше, чем у образцов с аксиальным расположением волокон. Сформированное полимерное покрытие снижает скорость водопоглощения в 4,9 раза, вследствие чего основная масса влаги не концентрируется под полимерной пленкой в направлении перпендикулярном движению тока влаги, а перераспределяется в смежные участки древесины.

Установлено, что максимальная интенсивность водопоглощения наблюдается у нелакированной поверхности в начальный момент контакта. При этом на интенсивность процесса оказывают влияние участки поверхности контакта с водой, имеющие большую скорость водопоглощения (углы и ребра). Снижение влияния таких участков, путем формирования на их поверхности лакокрасочного покрытия, стабилизирует водопоглощение. Разница в процессах водопоглощения лакированной и нелакированной древесины сосны, по-видимому, связанна с тем, что создание защитно-декоративного покрытия на поверхности древесины уравнивает скорость водопоглощения различных участков, доказательством этого является отсутствие резкого изменения интенсивности процесса.

В данной главе также определенно влияние закругления острых ребер образцов прямоугольного сечения. При этом было установлено, что максимальное водопоглощение наблюдается у лакированных образцов

прямоугольной формы без закругления ребер Я=0. С течением времени контакта с водой с 0,5 до 4 часов данный показатель варьируется у прямоугольных образцовв пределах от 0,26% до 1,04%, у образцов цилиндрической формы от 0,19% до 0,88%.При увеличении времени контакта с водой, характер процесса водопоглощения не меняется, однако разница в водопоглощенииу образцов различной геометрической формы уменьшается.Что подтверждает выдвинутую ранее гипотезу о максимальной концентрации влаги в углах материала.

В пятой главеизложены результаты исследования распределения влаги под лакокрасочным покрытием в объеме древесины.

Для определения участков локальной концентрации влаги был реализован план Бокса для трех факторов, В3-план. В качестве независимых переменных выбраны следующие факторы: удаление по ширине от угла образца А (х0, мм; удаление по высоте от угла образца В (х2), мм;удаление по длине от угла образца С (х3). Выходной величиной выбрана влажность древесной подложки (\У, %). Постоянными факторами являлись плотность и начальная влажность подложки. Контрольная серия опытов подтвердила гипотезу о нормальном распределении выходной величины.

Схема расположения уровней и факторов варьирования представлена на рисунке 5.

Рисунок 5- Схема расположения уровней и факторов варьирования - а; б - участки срезов образца

В результате проведенных исследований и статистической обработкиполученных данных эксперимента, были получены адекватные модели, описывающие влияние основных факторов на изменение влажности в объеме древесиныпри контакте ее сводой.

Те же математические модели, рассчитанные в натуральных значениях факторов позволяют прогнозировать влажность древесины в интересующих точках объема древесины взависимости от их геометрического расположения.

Для нелакированной поверхности древесины:

У= 81.34+0.04А2+0.01АС-1.73 А+О.ОЗВ2-1.44В+0.07С2-3.44С (1.10).

л

а

б

Для лакированной поверхности древесины:

У=23.84+0.01 А2-0.39А+0.01 В2-0.55В-0.25С (1.11).

На рисунке 6 показана графическая интерпретация процессов распределения влаги по объему древесины рисунок 6.

Рисунок 6-Графическая интерпретация распределения влаги (а - нелакированная древесина, б — лакированная древесина)

В результате обработки данных установлено, что при 24 часовом контакте материала с капельножидкой водой максимальная концентрация влаги наблюдается в угловых участках изделия. При этом по абсолютной величине водопоглощение лакированных образцов древесины в 3,1 раза ниже, чем у нелакированных образцов. С увеличением расстояния удаления от углов, большая абсолютная влажность наблюдается на ребрах материала, данная тенденция сохраняется как в аксиальном, так и поперечном направлениях. При этом, наибольшая разность концентраций влаги на ребрах и в объеме материала наблюдается в аксиальном направлении, что подтверждает выводы теоретической главы данной работы о максимальной концентрации влаги на ребрах.Данная тенденция сохраняется и при длительной выдержке материала на воздухе после контакта с водой. При этом для лакированной поверхности древесины в направлении поперек волокон большая концентрация влаги наблюдается на границе «полимер -древесина» на глубине до 3-6 мм от поверхности контакта с капельножидкой водой.

В работе также было определенно влияние толщины сформированного полимерного покрытия на снижение локальной концентрации влаги различных участков (рисунок 5).

При этом установлено, чтов торцовом срезе первый слой снижает водопоглощение в местах пересечения ребер в 1,2 раза, в центральной части в 2,4 раза. Второй слой снижает водопоглощение в местах пересечения ребер в 1,6 раз, в центральной части в 1,7 раз. Третий слой снижает водопоглощение в местах пересечения трех граней в 1,08 раз, в центральной

части в 1,21 раз. В поперечном срезе первый слой снижает водопоглощение в центральной части в 1,43 раза. Второй слой снижает водопоглощение в местах пересечения трех граней в 1,6 раз. Третий слой снижает водопоглощение в местах пересечения трех граней в 1,08 раза, в центральной части водопоглощение не снижается.

В общем случае, каждый слой ЛКП снижает концентрацию влаги для однослойного покрытия, эта величина снижается в 1,3 раза, для двухслойного покрытия 1,8 раза и трехслойного в 2,1 раза. При этом, даже двухслойное покрытие оказывает существенное влияние на механизмы переноса влаги под полимерной пленкой не только в реберных участках, но и по всей площади контактирующей поверхности.

Формирование многослойного покрытия снижает водопоглощение материала как в зоне контакта с водой, так и в центральной зоне образца до предела гигроскопичности, вследствие чего скорость переноса влаги по объему материала будет осуществляться в результате диффузии влаги под действием градиента влагосодержания. В связи с этим рекомендуется осуществлять специализированную защиту торцевой поверхности древесины.

В шестой главеизложены результаты исследования процессов влагопереноса под лакокрасочным покрытием на границе «полимер-древесина».

Для более четкого представления механизма влагораспределения в качестве водного состава использовался 2,5 % раствор антисептика на водной основе ХМ-11 (рисунок 7). Уровень тестовой жидкости находился в гидроизоляционном барьере под постоянным контролем и при необходимости повышался до начального уровня.

а) б)

Рисунок 7 - Характер распределения полярной жидкости ХМ-11 на древесине сосны (а - древесина лакированная Т1ккигНаТкап, б - нелакированная)

На рисунке 7 видно, что раствор значительно прошел за границы гидроизоляционного барьера на обоих образцах, и расстояние проникновения

под ЛКП при одинаковом количестве раствора больше в 1,5-2 раза.Полученные данные свидетельствуют о том, что влага, которая проникает под поверхность полимерного покрытия, движется преимущественно в направлении вдоль волокон. При лакировании влагоперенос в поверхностном слое резко снижается, т.к. при нанесении ЛКМ, он, в силу своей тонкодисперсной структуры, заполняет верхние слои древесины, что препятствует процессу поглощения влаги поверхностными слоями подложки. Для нелакированной древесины сосны процесс переноса полярной жидкости идет равномерно по годичному слою поверхности подложки. При лакировании поверхности древесины процесс массопереноса воды идет преимущественно по поздней древесине годичного слоя с последующим перемещением влаги от более плотной поздней древесины к менее плотной ранней древесине. Таким образом, чем больше содержание поздней древесины на единицу площади, тем выше интенсивность влагопереноса вдоль волокон. Увеличение данного процесса идет от сердцевины к заболони у испытуемого образца.

Для выявления изменения характера интенсивности влагопереноса на границе «полимер-древесина» использовался кондуктометрический метод, описанный ранее.Результаты представлены на рисунке 8.

5 10 15 20 25

Расстояние от локального кон-такта с водой, мм 1 цикл контакта ■ 2 цикл контакта ■ 3 цикл контакта

5 10 15 20 25 }0 35 40 Расстояние от локального контакта с водой, мм

■ I цикл контакта ■ 2 цикл контакта ■ 3 цикл контакта

Рисунок 8 - Изменение интенсивности влагопереноса под полимерным покрытием (А - акриловое ЛКП, Б- полиуретановое ЛКП)

Анализ полученных данных свидетельствует о максимальной интенсивности переноса влаги на участке 5 мм от гидроизоляционного барьера, для акрилового покрытия этот показатель варьируется в пределах от 0,54 мм/мин до 0,90 мм/мин, для ПУ покрытия варьируется в пределах от 7,50 мм/мин до 11,54 мм/мин.По мере удаления от места локального контакта с водой интенсивность переноса влаги снижается. Максимальное расстояние на которое прошла вода на границе «полимер-древесина» при использовании

акрилового покрытия составило 25 мм, а интенсивность влагопереноса составилаот 0,17 мм/мин до 0,29 мм/мин. При использовании ПУ покрытия, максимальное расстояние проникновения влаги составило 40 мм и интенсивность влагопереноса на этом участке составляет 0,23 мм/мин до 0,35 мм/мин.

При каждом последующем цикле контакта с водой происходит увеличение скорости переноса влаги. Данная тенденция наблюдается для всех исследуемых групп ЛКП. Полученные закономерности изменения можно объяснить тем, что при контакте древесины с водой на границе «полимер-древесина» происходит набухание поверхности подложки, что сопровождается изменением ее линейных размеров. Такие амплитудные колебания «усушка-разбухание» приводят к частичному отрыву адгезированной пленки от поверхности подложки вследствие различных коэффициентов линейного расширения пленки и подложки и улучшением влагопроводящей системы.

Далее при использовании кондуктометрического методабыло установлено влияние структуры лакокрасочного покрытия на изменение локальной концентрации влаги на границе «полимер-древесина». В эксперименте использовались 4 вида покрытий, результаты испытаний представлены на рисунке9.

Максимальное насыщение границы «полимер — древесина» соответствует сопротивлению 7,5Е+4 Ом. При определении концентрации влаги на исследуемой границе установлено различное расстояние проникновения влаги под ЛКП.

Так при использовании акрилового лака толщиной 100 мкм (рисунок 9), - сопротивлении?,5Е+4 Ом наблюдалось на расстоянии удаления от места контактане менее 5 мм, максимальное расстояние на которое проникла влага составило 15 мм.При использовании акрилового лака толщиной 200 мкм (рисунок 10), - сопротивлении?,5Е+4 Ом наблюдалось на расстоянии удаления от места контакта не менее 10 мм.Далее наблюдается незначительное снижение интенсивности влагонасыщения на данном расстоянии удаления не менее 20 мм до 1,43+6 Ом. Максимальное расстояние, на которое проникла влага составило 30 мм.Так при использовании акрилового лака толщиной 300 мкм (рисунок 11), -сопротивление 7,5Е+4 Ом наблюдалось на расстоянии удаления от места контакта не менее 20 мм.Далее наблюдается незначительное снижение интенсивности влагонасыщения на расстоянии не менее 25 мм до 1,5Е+5 Ом. Максимальное расстояние, на которое проникла влага, составило 30 мм.Так при использовании ПУлака толщиной 200 мкм (рисунок 12) - сопротивление 7,5Е+4 Ом наблюдалось на расстоянии удаления от места контакта не менее 30 мм.Далее наблюдаетсяснижение интенсивности влагонасыщения на расстоянии не менее 25 мм до 1,5Е+5 Ом. Максимальное расстояние, на которое проникла влага, составило 40 мм.

1.00Е+12

Время, мин

Рисунок 9 - Влагонасыщение приграничного слоя под однослойным акриловым покрытием

1.00Е+11 1.00Е+10 1.00Е+09 1.00Е-Ю8 1.00Е+07 1.00Е+06 1.00Е+05 1.00Е+04 1.00Е+03 1.00Е+02 1.00Е+01 1.00Е+00

Рисунок 10 - Влагонасыщение приграничного слоя под двухслойным акриловым покрытием

Время, мин

1.00Е+12 1.00Е+11 1.00Е+Ю 1.00Е+09 1.00Е+08 1.00Е+07 1.00Е+06 1.00Е+05 1.00Е+04 1.00Е-ЮЗ 1.00Е+02 1.00Е+01 1.00Е+00

1.00Е+12 1.00Е+11 1.00Е+10 1.00Е+09 1.00Е+08 1.00Е+07 1.00Е+06 1.00Е+05 1.00Е+04 1,ООЕ+О3 1.00Е+02 1.00Е+0! 1.00Е+00

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Время, мин

Рисунок 11 - Влагонасыщение приграничного слоя под трехслойным акриловым покрытием

1.00Е+11 а

1.00Е+10

1.00Е+09

7 1.00Е+08 <3

1.00Е+07 1 1.00Е+06 р 1.00Е-Ю5 | 1.00Е+04 ° 1.00Е+03 1.00Е+02 1.00Е+01 1.00Е-КЮ

О

Время, мин

Рисунок 12 - Влагонасыщение приграничного слоя под двухслойным полиуретановым покрытием

При анализе графических зависимостей установлено, что использование более паропроницаемого покрытия снижает поверхностную концентрацию водяных паров на исследуемой границе. При удалении от места контакта с водой интенсивность процесса снижается. Снижение концентрации влаги происходит сначала из-за смены основной движущей силы влагопереноса,а затем, в связи с установлением влажностного равновесия на границе «полимер-древесина», диффузия водяных паров по мере удалении от места контакта с водой будет полностью компенсироваться удалением влаги через полимерную пленку.

В связи с этим рекомендуется использование более паропроницаемого покрытия, что позволит снизить поверхностную концентрацию водяных паров и интенсивность влагопереноса за счет установления влажностного равновесия на границе «полимер-древесина», диффузия водяных паров при удалении от места контакта с водой будет полностью компенсироваться удалением влаги через полимерную пленку. При условии создания малопаропроницаемого покрытия влагоперенос будет ограничиваться лишь силой капиллярного поднятия.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны теоретические положения, устанавливающие закономерности процессов распределения влаги в древесине, которые подчиняются закону диффузии Фика. Выявлено, что основой движущей силой является градиент влагосодержания. Процесс распределения влаги в древесине рассмотрен на основе теории движения влаги с учетом анизотропии древесины и свойств сформированного покрытия. Получена

аналитическая зависимость, учитывающая плотность потока влаги в различных направлениях волокон и показатель влагопроницаемости покрытия. Рассмотрены процессы распределения влаги при различных соотношениях паропроницаемости покрытия и плотности потока влаги в древесине в различных направлениях.

2. Теоретически обоснованно и экспериментально подтверждено влияние геометрических характеристик образов из древесины хвойных пород на процессы распределения и концентрации влаги в объеме материала. Закономерность проявляется на лакированных и нелакированных поверхностях.

Разработаны математические модели на основе многофакторного эксперимента, описывающие процессы распределения влаги в объеме материала при 24 часовом контакте с водой, для нелакированной древесины и с нанесенным двухслойным акриловым покрытием. Полученные уравнения регрессии показывают, что максимальная влажность наблюдается в реберных и угловых участках образцов прямоугольной формы изделий из древесины хвойных пород. Максимальная концентрация влаги на углах образца влаги у нелакированной древесины составила 63 % абсолютной влажности, а для лакированной 21 %.

3. Экспериментально установлено влияние толщины сформированного полимерного покрытия на снижение локальной концентрации влаги различных участков древесины. Исключить появление таких участков можно путем правильно подобранного соотношения влагопроводности сформированного полимерного покрытия по отношению к возможной плотности потока влаги, за счет создания ЖП с заданными эксплуатационными характеристиками, а также путем снятия фасок и закруглением острых углов материала до 6 мм.

4. Экспериментально подтверждено влияние плоскости среза древесины на водопоглощение ее при лакировании. Установлено, что даже двухслойное покрытие минимизирует влияние анизотропии древесины на механизмы переноса влаги под полимерной пленкой.

5. Установлено влияние структуры покрытия на изменение локальной концентрации влаги под ЛКП. При этом выявлено влияние каждого слоя: для однослойного покрытия эта величина снижается в 1,3 раза, для двухслойного покрытия 1,8 раза и трехслойного в 2,1 раза. Формирование многослойного покрытия снижает водопоглощение материала как в зоне контакта с водой, так и в центре образца на расстоянии более 10 мм от поверхности контакта с водой.

6. Разработанная кондуктометрическая методика определения концентрации влаги и интенсивности переноса влаги позволила с заданной точностью учесть анизотропные свойства древесины. Экспериментально подтверждено влияние паропроницаемости ЛКП на интенсивность переноса и концентрацию влаги на границе «полимер-древесина». При циклическом контакте с водой и последующей сушкой образца происходит увеличение скорости переноса влаги при каждом последующем увлажнении. Данная тенденция наблюдается для всех исследуемых групп лакокрасочного покрытия. Увеличение проницаемости покрытия минимизирует расстояние переноса влаги от участка контакта с водой.

7. Установлено, что при контакте с водой лакированной поверхности древесины влага не концентрируется на границе «полимер-древесина», а распределяется равномерно, однако в объеме материала наблюдаются некоторые участки поля влажности, в которых влажность может резко отличаться от средней влажности объема материала, что связанно с анатомическим строением древесины. Данная тенденция сохраняется и при длительной выдержке материала на воздухе после контакта с водой.

8. Минимизировать водопоглощение лакированных образцов прямоугольной формы можно путем снятия фасок и закруглением ребер до радиуса 5 мм. В случае циклического контакта лакированной древесины целесообразно использовать паропроницаемые системы отделки древесины, которые исключают места локальной концентрации влаги и минимизируют влияние анизотропных свойств древесины.

9. Экономическая эффективность результатов исследований процессов влагопроводности под лакокрасочным покрытием связанна с возможностью использования результатов исследований при модернизации и разработке новых ЛКМ, обеспечивающих формирование покрытий с более высокими эксплуатационными характеристиками за счет исключения мест локальной концентрации влаги, что обеспечит увеличение срока службы изделий из древесины, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности и возможного локального контакта с водой.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные положения диссертации опубликованы в научных журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ:

1 Скрипалыциков А.И. Проблема отделки изделий из древесины хвойных пород водными материалами / А.И. Скрипалыциков, A.B. Мелешко, Г.О. Манулик, С.С Романова // ИВ УЗ «Лесной журнал». - 2011 г. -№4. -С 65 - 74.

2 Скрипалыциков А.И. Особенности процессов влагопереноса под лакокрасочным покрытием на древесине хвойных пород / А.И. Скрипалыциков, A.B. Мелешко, С.С. Романова // Теоретический и научно-практический журнал «Хвойные бореальные зоны» - 2013г. - том XXXI,

- № 1-2-С 194-199.

В других научных изданиях:

3 Скрипалыциков, А.И. Влияние разнотемпературных воздействий на деструкцию лакокрасочных покрытий на древесине хвойных пород / А.И. Скрипалыциков, A.B. Мелешко // Современные технологические процессы получения материалов и изделий из древесины: материалы международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию факультета технологии деревообработки ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» (17-21 мая 2010 г.) / под. Ред. Проф. А.О. Сафонова; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». -Воронеж, 2010.-С. 174- 179.

4 Скрипалыциков, А.И. Изменение водопоглощения древесины сосны при нанесении лакокрасочного материала / А.И. Скрипалыциков, A.B. Мелешко, Е.В. Кувалдина // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: Всероссийская научно-практическая конференция. Сборник статей студентов, аспирантов и молодых ученых. - Красноярск: СибГТУ, Том 1,2010.-С. 175-178.

5 Скрипалыциков, А.И. Влияние разнотемпературных воздействий на защитные свойства лакокрасочных покрытий на древесине сосны / А.И. Скрипалыциков, A.B. Мелешко, Л.Э. Гасанова // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: Всероссийская научно-практическая конференция. Сборник статей студентов, аспирантов и молодых ученых. -Красноярск: СибГТУ, Том 1,2010. - С. 178 - 181.

6 Скрипалыциков, А.И. Изменение адгезионной прочности полимерных пленок при температурно-влажностных воздействиях / А.И. Скрипалыциков, A.B. Мелешко A.B. // Лесной и химический комплексы

- проблемы и решения. Сборник статей по материалам Всероссийской научно практической конференции посвященной 80-летию СибГТУ. Том 1 -Красноярск: СибГТУ, 2010. - С. 96 - 100.

7 Скрипалыциков, А.И. Особенности процесса влагораспределения на поверхности древесины хвойных пород под лакокрасочным покрытием / А.И. Скрипалыциков, A.B. Мелешко А.В // Актуальные проблемы лесного комплекса / Под общей редакцией Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 29. Брянск: БГИТА, 2011. - 179 с.

8 Скрипалыциков, А.И. Изменение адгезионной прочности полимерных пленок на основе водных лакокрасочных материалов на древесине хвойных пород при контакте с водой / А.И. Скрипалыциков,

A.B. Мелешко // Лісове господарство, лісова, паперова і деревообробна промисловість: міжвідомчий науково-технічний збірник. - Львів: НЛТУ України, вип. 37.1,2011. - С. 130 - 132.

9 Скрипалыциков, А.И. Особенности процесса водопоглощения хвойной древесины при отделки водными лакокрасочными материалами на основе акриловых сополимеров / А.И. Скрипалыциков, A.B. Мелешко,

B.C. Федулова // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: Всероссийская научно-практическая конференция (международным участием). Сборник статей студентов, аспирантов и молодых ученых. -Красноярск: СибГТУ, Том 1, 2011. - С. 202-205

10 Скрипалыциков, А.И. Исследования распределения влаги под лакокрасочным покрытием на древесине при контакте с водой / А.И. Скрипалыциков, A.B. Мелешко // Лесной и химический комплексы -проблемы и решения. Сборник статей по материалам Всероссийской научно-практической конференции. Том 1 - Красноярск: СибГТУ, 2011. - С. 93-98

11 Скрипалыциков, А.И. Кондуктометрический метод определения интенсивности влагопереноса и концентрации влаги на границе «полимер-древесина» / А.И. Скрипалыциков, A.B. Мелешко // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения. Сборник статей по материалам Всероссийской научно-практической конференции. Том 1 - Красноярск: СибГТУ, 2012. - С.139-143

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, д. 82, ученому секретарю диссертационного совета.

Сдано в производство 19 ноября 2013 г.

Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Изд. 4/8. Заказ № 1910. Тираж 100 экз.

Редакционно-издательский центр СибГТУ 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82 Факс (391) 211-97-25 Тел. (391) 227-69-90

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201454758 Скрипалыциков Андрей Игоревич

Распределение влаги под лакокрасочным покрытием на

древесине хвойных пород

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., доцент Мелешко А. В.

Красноярск 2013

У

А

Содержание

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................7

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...........................14

1.1 Влияние особенностей строения хвойной древесины на процессы ее

взаимодействия с водой...........................................................................14

1.2 Процессы взаимодействия лакированной древесины с водой........24

1.3 Исследования распределения влаги под лакокрасочным покрытием .....................................................................................................................33

1.4 Исследования адгезионной прочности полимерных пленок,

сформированных на древесной подложке...............................................36

Выводы по 1 главе.....................................................................................39

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДВИЖЕНИЯ ВЛАГИ ПОД ЛАКОКРАСОЧНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА ДРЕВЕСИНЕ ХВОЙНЫХ ПОРОД ........................................................................................................................42

2.1 Теория движения влаги в древесине хвойных пород........................42

2.1.1 Движущие силы переноса жидкости в древесине....................................43

2.1.2 Движение влаги в древесине при влажности волокон выше предела гигроскопичности...........................................................................................................49

2.1.3 Механизмы переноса влаги в древесине.....................................................50

2.1.4 Перенос влаги по ранней и поздней древесине........................................53

2.2 Перенос жидкостей через лакокрасочное покрытие.........................57

2.3 Движение влаги под полимерным покрытием на древесной подложке....................................................................................................59

2.3.1 Особенности распределения влаги под полимерным покрытием......60

2.3.2 Особенности распределения влаги на ребрах материала......................65

2.3.3 Особенности распределения влаги при локальном контакте участка древесины на границе «полимер-древесина».......................................................69

Выводы по 2 главе.....................................................................................72

3 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................76

3.1 Программа исследований...................................................................76

3.2 Материалы, используемые в экспериментальных исследованиях. 77

3.2.1 Подложка................................................................................................................77

3.2.2 Лакокрасочные материалы...............................................................................77

3.2.3 Прочие материалы, используемые в эксперименте.................................83

3.3 Экспериментальное оборудование и измерительная аппаратура ... 83

3.4 определе11ие влияния влажности и характеристик древесной подожки на адгезионную прочность полимерных пленок на основе различных пленкообразователей.............................................................85

3.4.1 Определение зависимости адгезионной прочности от типа пленкообразователя и влажности подложки........................................................85

3.4.2 Определение зависимости адгезионной прочности от влажности и направления волокон древесной подложки..........................................................86

3.5 определение влияния характеристик лакокрасочного покрытия на процесс водопоглощения древесной подложкой...................................87

3.5.1 Определение влияния площади контакта поверхности с водой на изменение процессов водопоглощения..................................................................87

3.5.2 Определение скорости изменения влажности древесины сосны до и после контакта с водой.................................................................................................89

3.5.3 Определение влияния направления волокон на максимальное водопоглощение древесной подложки...................................................................91

3.6 Определение влия! шя геометрических параметров лаки ров а] и юй

древесной подложки на водопоглощение...............................................92

3.6.1 Определение геометрических параметров стабилизации водопоглощения древесиной сосны........................................................................92

3.6.2 Определение влияния радиуса закругления ребер материала на водопоглощение..............................................................................................................93

3.7 Определение распределе! 1ия влаги под лакокрасоч! 1ым покрытием в объеме древесины......................................................................................95

3.7.1 Определение распределения влаги в объеме лакированной древесины при полном контакте с водой.............................................................95

3.7.2 Определение изменения концентрации влаги под лакокрасочным покрытием в зависимости от толщины покрытия и времени контакта образцов с водой.............................................................................................................96

3.8 Исследование процессов влагопереноса под лакокрасочным

покрытием на границе «полимер-древесина».......................................100

3.8.1 Распределение полярных жидкостей под полимерными покрытиями на основе различных типов пленкообразователей...........................................100

3.8.2 Определение интенсивности процесса влагопереноса на границе «полимер-древесина»..................................................................................................101

3.8.3 Определение влияния структуры лакокрасочного покрытия на изменение локальной концентрации влаги на границе «полимер -древесина».......................................................................................................................105

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДРЕВЕСНОЙ ПОДЛОЖКИ И СВОЙСТВ ЛАКОКРАСОЧНОГО ПОКРЫТИЯ НА ПРОЦЕССЫ ВОДОПОГЛОЩЕНИЯ...........................................................107

4.1 Влияние влажности и характеристик древесной подложки на

изменение адгезионной прочности сформированного на ее поверхности лакокрасочного покрытия...............................................107

4.1.1 Определение зависимости адгезионной прочности от типа пленкообразователя и влажности подложки......................................................107

4.1.2 Определение зависимости адгезионной прочности от влажности и направления волокон древесной подложки........................................................109

4.2 влияние характеристик лакокрасочного покрытия на водопоглощение древесной подложки..................................................111

4.2.1 Влияние площади контакта поверхности с водой на изменение процессов водопоглощения......................................................................................ill

4.2.2 Скорость изменения влажности древесины сосны при контакте с капельножидкой водой...............................................................................................116

4.2.3 Влияние направления волокон на водопоглощение древесной подложки при длительном контакте с водой.....................................................120

4.3 Влияние геометрических параметров лакированной древесной подложки на изменение водопоглощения............................................122

4.3.1 Определение геометрических параметров стабилизации водопоглощения древесины сосны........................................................................122

4.3.2 Определение влияния радиуса закругления ребер материала на водопоглощение............................................................................................................125

Выводы по 4 главе...................................................................................128

5 ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГИ ПОД ЛАКОКРАСОЧНЫМ ПОКРЫТИЕМ В ОБЪЕМЕ ДРЕВЕСИНЫ (ИССЛЕДОВАНИЯ УЧАСТКОВ ЛОКАЛЬНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЛАГИ)................................................133

5.1 Распределение влаги в объеме лакированной древесины при полном контакте с водой.....................................................................................133

5.1.1 Проведение многофакторного эксперимента для нелакированной древесины........................................................................................................................134

5.1.2 Проведение многофакторного эксперимента для лакированной древесины........................................................................................................................139

5.2 Изменение концентрации влаги под лакокрасочным покрытием в

зависимости от структуры покрытия.....................................................145

Выводы по 5 главе...................................................................................155

6 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЛАГОПЕРЕНОСА ПОД ЛАКОКРАСОЧНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА ГРАНИЦЕ «ПОЛИМЕР -ДРЕВЕСИНА»..............................................................................................157

6.1 Распределение полярных жидкостей под полимерными покрытиями на основе различных типов пленкообразователей...............................157

6.2 Интенсивность процесса влагопереноса на границе «полимер-древесина»...............................................................................................161

6.3 Влияние структуры лакокрасочного покрытия на изменение

локальной концентрации влаги на границе «полимер-древесина» .... 165 выводы по 6 главе................................................................................... 171

7 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ................................................173

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ............................................176

ПРИЛОЖЕНИЕ А........................................................................................188

ПРИЛОЖЕНИЕ Б.........................................................................................190

ПРИЛОЖЕНИЕ В.........................................................................................201

ПРИЛОЖЕНИЕ Г.........................................................................................204

ПРИЛОЖЕНИЕ Д.........................................................................................206

ПРИЛОЖЕНИЕ Е.........................................................................................208

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж........................................................................................211

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.........................................................................................214

Введение

В последние годы внимание ведущих фирм-производителей лакокрасочных материалов (ЛКМ) обращено на создание современных отделочных материалов и в том числе покрытий для древесины. Это связано с все более широким использованием древесины для внутренней и наружной отделки зданий и повышением требований к надежности и долговечности покрытий. При этом наряду с требованиями по декоративной окраске все большее внимание уделяется защите древесины от воздействия окружающей среды. В условиях климатической эксплуатации влага из окружающего воздуха и вода в результате осадков являются одними из главных факторов старения лакокрасочных покрытий, снижая их защитные и декоративные свойства. Однако ЛКМ выбирают практически без учета особенностей древесины, защитных свойств покрытий и особенностей технологии отделки, что в результате приводит к достаточно быстрому их разрушению, шелушению и полной потере защитно-декоративных свойств.

Преимущественное использование хвойной древесины в Сибирском регионе, создает предпосылки для изучения ее поведения в качестве подложки при формировании защитно-декоративных покрытий, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности. Древесина принадлежит к материалам, размеры которых нестабильны и изменяются при изменении температуры и влажности. Одним из наиболее распространенных способов защиты изделий из древесины от воздействия влаги является формирование на их поверхности лакокрасочного покрытия (ЛКП). Для направленного улучшения защитных свойств лакокрасочного покрытия, сформированного на поверхности древесной подложки, необходимо изучение процессов влагораспределения под сформированной полимерной пленкой.

В процессе эксплуатации лакированных изделий из древесины может произойти нарушение целостности покрытия, куда может проникнуть влага.

Ввиду проницаемости самого ЛКП, насыщение влагой поверхностных слоев подложки может происходить и без нарушения целостности пленки. В процессе эксплуатации в атмосферных условиях и условиях повышенной влажности узлы и детали изделий из древесины подвергаются температурно-влажностному воздействию, что может привести к изменению линейных размеров поверхности подложки, вследствие ее нагревания или увлажнения. В Сибирском регионе, где возможны отрицательные температуры, температурные колебания, при которых эксплуатируется изделие из древесины, составляет около 100° С.

Эти амплитудные влажностные колебания геометрических размеров могут привести к размягчению, набуханию и отслаиванию пленок лаков и красок, сводя к минимуму их защитные свойства.

На сегодняшний день изучены достаточно широко как вопросы проницаемости свободных полимерных пленок жидкостями, так и процессы взаимодействия древесины с водой, особенности движения воды в древесине и проницаемость покрытий в целом. Однако полученные результаты не до конца объясняют механизм распределения влаги под ЛКП в объеме лакированной и нелакированной древесины и не определяют участков возможной ее концентрации в изделии, хотя из-за её анизотропного строения количество поглощенной влаги в различных направлениях значительно отличается. Для защиты от преждевременного разрушения полимерного покрытия необходимо обеспечить минимальное количество участков с повышенным содержанием влаги. А также уменьшить концентрацию влаги за счет формирования многослойного покрытия поверхности подложки. С учетом того, что древесина имеет пористое строение, при формировании покрытий происходит проникновение части ЛКМ в жидком состоянии в поверхностные слои древесины, образуя новую модифицированную поверхность, поэтому процесс проникновения и распределения влаги необходимо рассматривать в едином целом.

Результаты исследований по изучению механизмов распределения

влаги в процессе сушки, сорбции водяных паров поверхностными слоями представлены большим количеством литературных источников, однако до настоящего времени характер, скорость, направление, глубина, распределение влаги в древесине под сформированным покрытием не изучены в достаточной степени.

Актуальность темы

Актуальность работы заключается в том, что стабилизация размеров, формы, качество лакированной поверхности обеспечивает более высокие эксплуатационные характеристики изделий даже малоценных пород за счет исключения мест локальной концентрации влаги. Это обеспечит увеличение срока службы изделий из древесины, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности и возможного локального контакта с водой и, следовательно, приведет к развитию ресурсосберегающих технологий.

Данная научно-исследовательская работа позволит создать экспериментальную базу, при разработке как новых, так и совершенствовании уже имеющихся технологий отделки и структур сформированного полимерного покрытия на древесине хвойных пород.

Работа посвящена:

- исследованию процессов распределения влаги под лакокрасочным покрытием на древесине хвойных пород;

- определению мест локальной концентрации влаги с целью последующего снижения влажности подложки на границе «полимер -древесина»;

определению влияния технологических факторов защитно-декоративной отделки хвойной древесины при лакировании ее поверхности на характер влагопереноса при взаимодействии с капельножидкой водой.

Поэтому проведение исследований в данном направлении является актуальным.

Цель работы

Целью работы является обеспечение равномерного распределения влаги в лакированной древесине при длительном контакте с капельножидкой водой, с учетом характеристик ЛКП и свойств древесной подложки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести аналитический обзор результатов исследований процессов влагопереноса в древесине;

- разработать теоретические основы процессов взаимодействия лакированной поверхности древесины с водой, а также процессов влагораспределения под полимерной пленкой на основе различных пленкообразователей;

- разработать методики исследования процессов взаимодействия лакированной поверхности с водой;

- исследовать влияние влажности на изменение адгезионной прочности полимерных пленок на основе различных пленкообразователей;

- исследовать влияние характеристик полимерного покрытия на процесс водопоглощения;

- исследовать влияние геометрических параметров лакированной древесины на водопоглощение;

- исследовать распределение влаги по объему лакированного материала;

- исследовать процессы переноса влаги на границе «полимер -древесина»;

- разработать технологические рекомендаций стабилизации свойств покрытия при контакте с водой.

Научной новизной обладают:

- теоретические основы процессов распределения влаги под полимерной пленкой при длительном воздействии поверхности с капельножидкой водой с учетом анизотропии древесины и свойств сформированного покрытия;

- оригинальные методики исследования процессов взаимодействия капельножидкой воды с поверхностью лакированной древесины, позволяющие количественно определить закономерности процессов влагопереноса;

- закономерности процессов влагопроводности по объему древесной подложки с учетом вида и структуры покрытия;

- процессы влагопроводности на границе «полимер-древесина» с учетом вида и структуры покрытия.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Теоретические основы процессов взаимодействия лакированной древесины хвойных пород с учетом свойств покрытия и древесной подложки.

2. Методика кондуктометрического контроля интенсивности процесса влагораспределения и концентрации влаги на границе «полимер -древесина».

3. Результаты исследований процессов влагопереноса с учетом геометрических параметров