автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Совершенствование технологических процессов формирования прозрачных матовых покрытий на древесине

од

г* п,

На правах рукописи

РЫБИН БОРИС МАТВЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ МАТОВЫХ ПОКРЫТИЙ НА ДРЕВЕСИНЕ

05.21.05 - «Технология и оборудование деревообрабатывающих производств; древесиноведение»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва -1998

Работа выполнена в Московском государственном университете

леса.

Официальные оппоненты: член-корреспондент АХРФ,

доктор технических наук, профессор С.Г. Ильясов;

академик РАЕН, доктор технических наук, профессор В.И. Онегин;

член-корреспондент РАЕН, доктор технических наук, профессор В.Е. Цветков.

Ведущая организация - Научно-производственное коммерческое

предприятие «Муза» (бывший НИКТИМП)

Л írr

Защита диссертации состоится ...............:.'..: в 10 часов

на заседании диссертационного совета Д.053.31.01 в Московском государственном университете леса (Россия. 141005. Мытищи-5, Московская обл., 1-я Институтская, 1, МГУЛ).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными гербовой печатью, направлять по адресу:

141005. Мытищи-5, Московская обл., 1-я Институтская, 1, МГУЛ, ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУЛа. Автореферат разослан ...,Т19.9.^..:.......

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.т.н., профессор Ю.П. Семенов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Защитно-декоративные покрытия находят широкое использование при отделке древесины и древесных материалов. Разнообразие текстуры древесных пород позволяет применять бесцветные прозрачные покрытия. В настоящее время сохраняется тенденция отделки деталей й изделий мебели жидкими лаками, дающими тонкослойные матовые покрытия и исключающими операции облагораживания поверхностей. Перспективность их применения связана с уменьшением расхода лакокрасочных материалов и сокращением трудоемкости отделки деталей и изделий из древесины.

Приглушенный блеск матовых покрытий позволяет улучшать эстетические качества контролируемых отделанных поверхностей, которые находятся в прямой зависимости от равномерности структуры и блеска покрытия. Стабильность получения блеска покрытий с помощью матовых лаков - одна из главных задач при отделке деталей и изделий из древесины и древесных материалов. Эта проблема входит в разряд управления технологическим процессом отделки с целью получения необходимого блеска покрытий.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методологии управления технологическим процессом формирования лакокрасочных покрытий на древесине путем развития научно обоснованной физико-математической теории прогнозирования характера отражения света поверхностью покрытия с использованием оперативно устанавливаемых показателей изменчивости состояния лакокрасочных материалов и покрытий в процессе получения отделанных изделий с различным блеском (матовостью).

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1) разработка методов определения основных оптических показателей древесины и лаковых пленок, характеризующих поглощение, направленное и диффузное отражение света от шероховатой поверхности прозрачного лакового покрытия на древесной подложке;

2) исследование структуры поверхности древесины как компонента системы защитно-декоративного покрытия, влияющего на образование микропрофиля контролируемой поверхности прозрачного матового покрытия;

3) установление влияния компонентного состава лакокрасочных материалов и параметров технологического процесса подготовки их на микропрофиль поверхности прозрачных матовых покрытий;

4) установление влияния параметров технологического процесса формирования прозрачных матовых покрытий на микропрофиль поверхности лаковых пленок;

5) разработка обобщенного уравнения, устанавливающего взаимосвязь между показателем блеска покрытий и геометрическими

параметрами микропрофиля контролируемых поверхностей лаковых пленок на древесине;

. 6) разработка метода управления технологическим процессом отделки древесины для получения заданного блеска защитно-декоративных покрытий.

. Научная новизна. Впервые предложен комплексный подход к процессу формирования блеска прозрачных матовых покрытий на древесине, состоящий в объединении оптико-геометрических моделей отражающих поверхностей, определяющих изменение характера отражения света при различных условиях формирования покрытий, а также оптических показателей, характеризующих поглощение, направленное и диффузное отражение света и поляризацию видимых лучей при отражении от щероховатой поверхности прозрачного покрытия, влияющих на блеск контролируемых покрытий. В результате было установлено, что проблема получения заданного блеска покрытий на древесине, а также их основных оптических характеристик, сводится к следующим задачам: ■•-■•>■■ 1) выявление факторов, влияющих на процесс формирования микропрофиля поверхности прозрачного матового покрытия на древесине;

2) установление оптико-геометрических моделей контролируемых поверхностей прозрачных матовых покрытий, учитывающих изменение характера отражения света при различных условиях формирования покрытий;

,3) разработка математического уравнения, описывающего интенсивность отражения света от поверхности покрытия и древесной подложки с учетом оптических показателей, характеризующих поглощение, направленное и диффузное отражение света, а также поляризацию видимых лучей при отражении от шероховатой поверхности матового покрытия;

4) построение модели управления технологическим процессом отделки древесины для получения заданного блеска защитно-декоративных покрытий.

Практическая значимость работы заключается в решении задач управления технологическим процессом отделки древесины и создании механизма, позволяющего осуществлять корректирующие воздействия на этапе подготовки лакокрасочного материала и формирования покрытия для получения заданного блеска контролируемых поверхностей. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы для разработки нормативов технологических и эксплуатационных параметров (расход лака, толщина покрытия, содержание добавок и веществ, позволяющих получать матовый эффект и др.), а также для разработки требований по улучшению эстетических качествпрозрачных матовых покрытий, повышающих декоративные свойства поверхностей отделанных деталей и изделий из древесины.

На защиту выносятся: . , .1. Анализ основных закономерностей формирования микропрофиля поверхности прозрачных матовых покрытий на древесине по результатам

экспериментальных и теоретических исследований, определяющих физическую сущность блеска контролируемых поверхностей при рассмотрении оптических явлений видимого излучения электромагнитных волн на шероховатой поверхности.

2. Методы определения толщины покрытий, относительного показателя преломления древесины и покрытий, коэффициентов пропускания и диффузного отражения света от прозрачных матовых покрытий, блеска (матовости) покрытий, позволяющие не только проводить научные исследования, но и осуществлять оперативный контроль параметров для регулирования процессов отделки изделий из древесины.

3. Структурный анализ поверхности древесины, раскрывающий механизм отражения света от границы раздела лаковое покрытие-подложка в условиях адгезионного контакта.

4. Оптико-геометрические модели микропрофиля прозрачного матового покрытия, сформированного при наличии в составе специальных добавок или веществ, позволяющих получать микронеоднородности в объеме и поверхностном слое покрытия.

5. Обобщенное уравнение, описывающее интенсивность отражения света от поверхности покрытия и древесной подложки с учетом оптических показателей, характеризующих поглощение, направленное и диффузное отражение света.

6. Обобщенное выражение блеска контролируемой поверхности с учетом поляризации видимого света при отражении от шероховатой поверхности прозрачного матового покрытия.

7. Результаты исследования технологических свойств лакокрасочных материалов, влияющих на получение микронеоднородностей в объеме и в поверхностном слое покрытия и создающих микропрофиль контролируемой поверхности прозрачного матового покрытия.

8. Технологический процесс отделки древесины водорастворимыми лаками, содержащими вещества, способные создавать в объеме и поверхностном слое покрытия микронеоднородности в виде пустот, образованных пузырьками парогазовой смеси при сушке покрытия.

9. Типовой состав водорастворимой лаковой композиции для отделки древесины с целью получения прозрачного матового покрытия.

10. Метод управления технологическим процессом отделки древесины с использованием обобщенного выражения, описывающего интенсивность отражения света от поверхности покрытия и древесной подложки, обеспечивающего получение заданного блеска защитно-декоративного покрытия.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены и обсуждались на:

1) художественно-технической секции научно-технического совета Минлесбумпрома СССР, г. Москва, 1979 г.;

2) научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в лесной и деревообрабатывающей промышленности», г. Киев, 1983 г.;

- б -

пиг 3) научно-технической конференции «Перспективные материалы, конструкции и технологии в производстве мебели и столярно-строитедьных изделий», г. Стара Затора (Болгария), 1988 г.;

,. 4) научно-технической конференции «Совершенствование ресурсосберегающих технологий и охраны окружающей среды лесопромышленных предприятий», г. Ивано-Франковск, 1990 г.;

5) научно-технической конференции «Современные направления создания высококачественной и экологически чистой продукции в деревообрабатывающей промышленности», г. Киев, 1991 г.;

6) научно-технических советах ВПКТИМ - 1974 г., 1975 г., 1979 г., 1981 г., 1983 г, 1984 г., 1986 г.; ВНПО «Мебельпром» - 1986 - 1988гг., НИПКИ Древплит- 1985 г.;

7) научно-технических' конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Московского государственного университета леса 1974 - 1997 гг.

Реализация_результатов_работы. Результаты работы

использовались для создания: руководящего технического материала (РТМ) «Древесина. Метод определения степени матовости прозрачных лаковых покрытий»; методических указаний (МУ) на метод определения пи&азагсля преломления прозрачных лаковых покрытий для древесины; технических условий на опытную партию водоразбавляемого лака МКФЛ.

Результаты исследований нашли отражение в ГОСТ 16143-81(86) «Детали и изделия из древесины и древесных материалов. Метод -определения блеска прозрачных лаковых покрытий» и в ГОСТ 13639-82(86) «Детали и изделия из древесины и древесных материалов. Метод .определения толщины прозрачных лаковых покрытий».

ГОСТ 16143-81, ГОСТ 13639-82, РТМ и МУ являются основными документами, устанавливающими методы контроля оптических свойств прозрачных лаковых покрытий, проводимые на мебельных предприятиях Минлесбумпрома СССР, а в настоящее время на мебельных предприятиях Российской Федерации.

.,...,.. Производственные испытания опытной партии лака МКФЛ прошли на Калужском СМК «Гигант» и на Лев-Толстовской фабрике ТПО МП. .,.-..,.. По результатам работы разработана конструкция блескомера для . контролирования блеска прозрачных лаковых покрытий, которая прошла проверку на Таганрогском мебельном комбинате ВПО «Югмебель».

Разработанные методы определения блеска, матовости, толщины покрытий, а также относительного показателя преломления света лаковых пленок включены в практикум лабораторных работ, проводимых на кафедре технологии изделий из древесины МГУЛеса.

Приведенные в диссертации данные нашли отражение в 15 научных отчетах, которые были выполнены в рамках определенного в Московском государственном университете леса научного направления «Разработка новых технологических процессов механической и химической

переработки древесины на базе гибких комплексных производств», а также заказов предприятий и организаций лесопромышленной отрасли.

Результаты работы апробированы на Таганрогском мебельном комбинате; на ММСК-1, ММСК-2, ММФ-3; на Калужском СМК «Гигант», Лев-Толстовской фабрике ТПО МП и на ряде других предприятий.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 36 печатных работах, их новизна отражена в двух ГОСТах, в четырех авторских свидетельствах на изобретения и двух Российских патентах.

Объем. Диссертационная работа общим объемом 500 страниц состоит из введения, восьми глав, выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений, включая 57 таблиц, 102 рисунка, библиографию из 214 наименований и 26 приложений на 86 страницах.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы; определены цель и задачи работы; сформулированы научные положения, выносимые на защиту; раскрыта новизна работы и научных результатов; обоснованы выводы и рекомендации. Введение содержит данные о значимости результатов исследований для науки и практики, месте проведения работы и ее апробации, реализации полученных результатов, публикациях автора и общую характеристику работы.

В первой главе приводится обзор научных и практических работ по поставленной проблеме, анализируются достигнутые результаты. Отмечается, что практически отсутствуют исследования, связанные с прогнозированием блеска прозрачных матовых покрытий на древесных подложках.

Отечественная промышленность стала применять такой вид отделки для изделий из древесины и древесных материалов в конце 60-х годов. Это было связано с появлением полиуретановых лаков, а также лаков кислотного отверждения на основе карбамидоформальдегидных смол. Достоинством перечисленных лаков является формирование высококачественных тонкослойных покрытий на древесине, обладающих высокими декоративными и физико-механическими свойствами. Перспективность их промышленного внедрения была обоснована уменьшением расхода используемых лакокрасочных материалов, сокращением трудоемкости формирования покрытий на деталях и изделиях из древесины, а также получением защитно-декоративных покрытий с диффузным отражением света.

Матовый эффект таких покрытий достигается в основном за счет введения в лак тонкодисперсных порошков, чаще всего соединений кремния - аэросилов. Приглушенный блеск - как достоинство матовых покрытий — позволяет улучшать эстетические качества отделываемых поверхностей. И в первую очередь подчеркивать естественную красоту

текстуры древесины. Художественное восприятие изделий из древесины, имеющих такие защитно-декоративные покрытия, достигается исключением нежелательных явлений в виде бликов, а также искаженного изображения предметов от отделанных поверхностей деталей и изделий. Это повышает эстетику интерьера жилого пространства.

Широкому использованию матовых лаков для отделки деталей и изделий из древесины способствовали проводимые в 70-х годах научно-исследовательские работы в этой области ведущими отраслевыми НИИ СССР: ГИПИЛКП, ВПКТИМ, УКРНИИМОД, НИКТИМП и др. Было установлено, что матовые покрытия, сформированные различными лаками, отличаются по степени блеска. Проводимая оценка качества получаемых матовых покрытий предусматривала визуальное сравнение контролируемой поверхности детали с аттестованной поверхностью образца. Причем аттестация поверхности образцовой детали на каждом предприятии проводилась также визуально с использованием мнений группы экспертов.

>'; Сложившаяся ситуация позволяла фиксировать только качественные изменения блеска матовых покрытий. Количественная оценка отсутствовала, так как существующие на тот момент методы определения блеска оказались непригодными для оценки поверхностей м¡новых покрытий. В результате этого в практике появились различные словесные характеристики отражения света от поверхности таких покрытий, как шелковистый блеск, полуматовость, полуглянец, глубокоматовость и т. д. Отсутствие надежного объективного метода определения блеска матовых покрытий объясняется недостаточным вниманием, уделяемым учеными и практиками этой сложнейшей проблеме - отражение света от шероховатой поверхности полимерной пленки на древесной подложке. Отсюда нерешенность контроля блеска не позволяла раскрыть механизм изменения характера отражения света поверхностью матового покрытия при изменении состава лаковой композиции, технологических параметров формирования покрытий и других факторов.

В результате выявилась достаточно сложная проблема, определившая основное 1 направление диссертации - управление технологическим процессом формирования прозрачных матовых покрытий на древесине путем развития научно обоснованной физико-математической теории прогнозирования характера отражения света поверхностью лаковой пленки •с использованием оперативно устанавливаемых показателей изменчивости состояния лакокрасочных материалов и покрытия в процессе его формирования с целью получения изделий с различным блеском.

Вторая глава посвящена разработке математической модели ' прогнозирования блеска прозрачных матовых покрытий на древесине.

Выводы обобщенного уравнения для интенсивности отражения света от поверхности покрытия и древесной подложки

1=1? +Ц +1;

или

I = 1ет-ек + 1е<1 + 1е(1 - а - г-ек)Чгн-Р,

Используя основные

положения фотометрии и данные рис. 1, световой поток, отраженный поверхностью покрытия и подложки I, можно определить по формуле

(1) (2)

где и 1Ц - световой поток, соответственно зеркально и диффузно отраженный поверхностью лакового покрытия; I, - световой поток, отраженный подложкой и прошедший через

границу раздела лаковое покрытие-воздух; 1е - падающий световой поток;

г - коэффициент зеркального отражения света полированной поверхностью, образованной из того же материала, что и контролируемая поверхность; е - основание натуральных логарифмов; б - коэффициент диффузного отражения света покрытием; т - коэффициент пропускания света лаковым покрытием; Н - толщина лакового покрытия;

р - коэффициент отражения света поверхностью подложки. Преобразования предложенной А. Топорцом формулы, выполненные автором, позволили для коэффициента К записать следующее выражение:

„2„

где

2 X*

Г*а - среднее арифметическое отклонение профиля; Ф - угол падения света; X - длина волны падающего света.

Падающий световой поток 1е можно определить из формулы

(3)

1.=

I.

(4)

где 1г - световой поток, зеркально отраженный от контролируемой поверхности.

Коэффициент зеркального отражения света г находится из следующего выражения, предложенного О. Френелем:

r = 0,5

Sin2((p-\|/) tg2^^/) -j- - -

(5)

Sin2(9 + ij/) tg2(cp + v|/> где. - угол падения света; .:..'■■ у/- угол преломления света. Согласно закону В. Снеллиуса

(6)

ii

где п - показатель преломления света.

Используя формулы (4), (5) и (6), можно определить падающий световой поток 1е. При этом считаем, что подложка отражает падающие лучи света только с поверхности, то есть лучи света, прошедшие в подложку, полностью поглощаются. В качестве такой может рассматриваться черная полированная пластинка инфракрасного стекла ИКС-6, являющаяся образцом настройки блескомера. При показателе

преломления ИКС-6 равном 1,567 и ф=45°, 1е=——1—. При настройке

0,9595

блескомера на 1г = 65 усл. ед. 1е = ——— = 1G92 усл. ед. При ф = 60°

0,0595

Т 65 А«

I. --= 653 усл. ед.

е 0,0995

Зная величину падающего светового потока для различных углов падения-отражения света, можно определить в уравнении (2) произведение 1ет. При этом коэффициент зеркального отражения г для лакового покрытия находится по уравнению (5) при соответствующих значениях п и ф. Так, при п = 1,56 и ф = 45° Ie г = 1092-0,0588 = 64,20 усл. ед., а при п = 1,56 и ф = 60° Ie г = 653'0,0989 = 64,60 усл. ед.

В результате проведенного автором теоретического и экспериментального исследований определено следующее уравнение, устанавливающее зависимость коэффициента отражения света древесины р от диффузного отражения света контролируемой поверхности Ra:

(7)

Используя уравнения (2) и (7) и определенные выше значения 1,т для углов падения-отражения света 45° и 60°, а также принимая значение d = 0; X = 0,55 мкм их «1 (условно), световой поток, отраженный шероховатой поверхностью покрытия и древесины (145 и 160), можно определить по следующим формулам:

145 = 64,20• e~25'17RaI + 0,19(l-0,0588• е"25'17^}-Яа; (8)

160 =64,60 .e-12'58Ra¡ + 0,115(l- 0,0989 • e-n'58Ra2 J -R^ (9)

На рис. 2 и 3 показаны зависимости световых потоков, отраженных покрытием и древесиной от диффузного отражения света, построенные по

формулам (8) и (9). Серия графиков приведена для различных значений Яа. Как видно из рис. 2 и 3, влияние диффузного отражения подложки на показания блескомеров для покрытий с шероховатой поверхностью существенно. Так, при 11а = 0,35 мкм процентное соотношение светового потока, отраженного древесиной и покрытием, соответственно составит 79 и 21 (формула (8)). Значение Йд принято 57 усл. ед. Расчеты, выполненные по формуле (9) для тех же значений 11а и Лд, показывают, что процентное соотношение светбвого потока, отраженного древесиной и покрытием, соответственно составит 67 и 33. То есть с увеличением угла падения-отражения света доля светового потока, вносимая подложкой в показания блескомера, уменьшается, но является существенной.

14 12

4 1° «

5 8 >»

3 б «

ш 4 2 0

III ке=с,5мкм -Яа= 0,45 мкм Н^0,41мкм -(**=0,эем«м

f У

I I I

0 8 16 24 32 : 40. 48 66 64 Диффузное отражение, усл.ед.

Рис. 2. Зависимость блеска от диффузного отражения света для лаковых . покрытий на древесине (<р = 45°)

0 8 16 24 .32 40 48 56 64 Диффузное отражение, усл.ед.

Рис.3. Зависимость блеска от диффузного отражения света _. для лаковых покрытий на древесине (ср = 60°)

Из уравнения (8) видно, что световой поток, отраженный покрытием, уменьшается с увеличением высоты неровностей. Так, увеличение Ла от 0,35 мкм до 0,50 мкм снижает световой поток, отраженный покрытием, примерно в 20 раз. По уравнению (9) увеличение Иа в тех же пределах снижает примерно в 5 раз световой поток, отраженный покрытием. Выводы обобщенного выражения блеска контролируемой поверхности с учетом поляризации видимого света при отражении от шероховатой поверхности прозрачного матового покрытия Известно, что при отражении светового потока от поверхности диэлектрика под углом Брюстера наблюдается явление поляризации, то есть выделение световых волн с определенной ориентацией вектора электрической индукции Ё. При прохождении такого света через поляризационную пластинку (анализатор) интенсивность его будет зависеть

от ориентации анализатора по отношению ' к направлению ., преимущественных колебаний в отраженной световой волне вектора электрической индукции/'При равномерном повороте анализатора будет наблюдаться периодическое возрастание и уменьшение интенсивности проходящего через него света.

К диэлектрикам относятся лаковые покрытия, показатели, преломления п которых изменяются в пределах 1,52 ... 1,56. Явление поляризации светового потока, отраженного от поверхности покрытия с учетом значений показателей преломления, будет наблюдаться при углах падения-отражения света около фбР = 60°, определяемых из формулы

п = 4ёФбР- (Ю)

Используя основные понятия, геометрической оптики, можно представить световые лучи, отраженные лаковым покрытием и поверхностью подложки, в виде схемы, изображенной на рис 4. Световой поток от источника света Б падает на контролируемую поверхность под углом Брюстера. Вектор электрической Индукции Ё в падающей световой волне равнонаправленв пространстве. Частично "световой поток отражается от поверхности лакового „покрытия,- имея зеркальную I? и диффузную составляющие. Так, у диффузной составляющей вектор электрической индукции равнонаправлен в пространстве, а у зеркальной наблюдается его определенная ориентация.

Рис. 4.' "Схема световых лучей, отраженных лаковым покрытием и

......поверхностью подложки:

* -равнонаправленность вектора электрической индукции Е

Частично световой поток проходит толщину лаковой пленки и частично поглощается ею и древесиной а также соответственно отражается

диффузно и зеркально от подложки. Суммарный световой поток, отраженный от подложки и прошедший границу раздела лаковое покрытие-воздух I®, также имеет равнонаправленный в пространстве вектор электрической индукции..

Если на пути световьгх потоков, отраженных от контролируемой , поверхности, поставить в определенном положении поляризационную пластинку (анализатор), то через нее пройдут световые потоки , и 1'*-. -Угол поляризации проходящего света а = 0°. Если анализатор повернуть вокруг оси на угол а = 90°, то через него пройдут световые потоки и Г* .'' Сумму световых потоков при а = 0° можно условно обозначить Тта1, а при

а = 90° - 1т,„. Разность (1тах - 1т!п) определяет световой поток, зеркально отраженный от покрытия который и характеризует блеск

контролируемой поверхности.

Оценим количественно световой поток, отраженный от контролируемой поверхности, который характеризует блеск покрытия с учетом явления поляризации.

Как видно из формулы (5) коэффициент зеркального отражения представляет два компонента, один из которых характеризует составляющую, ориентированную в плоскости вектора электрической индукции Гц, а другой характеризует составляющую, находящуюся в плоскости, перпендикулярной к ней г±. Отсюда уравнение (5) можно представить в следующем виде:

г = 0,5(гп+гх), (11)

- 8н12(9-Ч>) ^2((р~У(/) пт. где гп =--- (12) и г±----. (13)

Бт^ф + у) ^ (ф + ¥)

Если подставить значение г по (11), то уравнение (2) можно преобразовать к следующему виду:

1та1 = 0,5 1е ■(гп+г1_).с-*™>2 +1е .(1 + 1£(1-с1-0,5.(гп -х2" -р ;

(1.4) (15)

Разность максимального и минимального световых потоков при различных положениях анализатора будет определяться по формуле

1т,х-1™„ =0,5-1е.г11.е-1"8Ка2 или (16)

I -I =05-1 .е-»'»""' .^"'(Ф-У) (17)

При 1е = 653 усл. ед, ф = 60°, п=1,56, 1у = 33°42' формулу (17) можно преобразовать в уравнение следующего вида:

1га.х-1т1„=64,26-е-™2 . (18)

Полученная зависимость фактически характеризует блеск прозрачных лаковых покрытий. Так, при Иа = 0 блеск покрытия равен 64,26, что соответствует блеску зеркальных покрытий при ф = 60° и п=1,56. При увеличении значения 1?а уменьшается блеск контролируемой поверхности покрытия. При этом полученные значения блеска при определенном показателе Ыа могут характеризовать отражательные свойства глянцевых и матовых покрытий на древесине.

Структура прозрачного защитно-декоративного покрытия, содержащего матовые добавки

В отечественной промышленности для отделки деталей и изделий из древесины используются матовые лаки, матирование которых

осуществляется путем введения в их состав наполняющих матовых добавок - аэросилов, представляющих собой микронизированную двуокись кремния. Ведение такого матирующего агента в определенном количестве создает на поверхности лакового покрытия микронеровности, обуславливающие некоторое рассеяние света, что воспринимается как матовый эффект.

В процессе образования матовой поверхности существенным является испарение летучей части лака, сопровождающееся значительной объёмной усадкой получаемого покрытия. Равномерное распределение матовой добавки в слое, нанесённом на подложку лака при его сушке, позволяет образовать в объёме покрытия равномерную послойную структуру, последним (верхним) слоем которой будут частицы, выходящие на поверхность покрытия. Размеры, количество, а также уровень нахождения их над поверхностью образованной плёнки позволяют создавать микропрофиль поверхности покрытия, различный по высоте и шагу неровностей, что приводит к созданию лаковых покрытий, отличающихся по степени матовости.

Рис. 5. Фрагмент структуры матового защитно-декоративного покрытия на древесине

На рис. 5 изображен фрагмент структуры матового защитно-декоративного покрытия на древесине, включающий грунт Н0 и слой лакового покрытия Н, содержащий матовую добавку. Общая толщина покрытия Н„ равна

Н„ = Н0 + Н. (19)

Толщина слоя покрытия Н, мкм, определяется по известной формуле

Н=К * К, (20)

104и

где И - расход лака, г/м2;

х - содержание пленкообразующих веществ, %;

К - коэффициент использования лакокрасочного материала, зависящий от способа и режима нанесения лака, %;

Б - плотность сухой лаковой плёнки, г/см3.

Для оценки высоты микронеровностей поверхности покрытия предполагаем, что матовая добавка равномерно располагается по толщине покрытия, образуя плотную структуру. Форма частиц матовой добавки сферическая, характеризуемая средними размерами наиболее крупной фракции. Отсюда высота неровностей Ъ равна

Ь = Н'-Н. (21)

Суммарный размер структуры матовой добавки Н' по толщине покрытия можно определить как

Н' = 2г + (ш - 1>Ь', (22)

где г - радиус частиц матовой добавки наиболее крупной фракции; т - количество слоев матовой добавки по толщине покрытия; Ь' - шаг расположения слоев матовой добавки по толщине покрытия. Пространственное рассмотрение расположения соприкасающихся друг с другом четырех частиц позволяет определить шаг расположения слоев матовой добавки по толщине покрытия по следующей формуле:

, 2л/б

Ь' =-г или 11' = 1,63г. (23)

3

Тогда высота неровностей покрытия, образованная выступающими частицами матовой добавки, подсчитывается из выражения

Ь = 2г + (га - 1)-1,63г - Н. (24)

Из уравнения (24) следует, что толщина слоя покрытия, образованного лаком, содержащим частицы матовой добавки, изменяется в пределах

2г + 1,63г(т - 2) < Н < 2г + 1,63г(т -1). (25)

При этом высота неровностей покрытия изменяется от 0 до 1,63 г.

Количество слоев матовой добавки по толщине покрытия ш можно определить в общем виде как отношение общего количества частиц матовой добавки Мт к количеству частиц, находящихся в ¡-м слое N1 при плотной упаковке, то есть N

ш = -—^ (26)

N.

Если представить число т как сумму его целой и дробной части в следующем виде:

ш = [т] + {т}, (27)

то целая часть числа [ш] будет характеризовать количество полностью заполненных слоев матовой добавки, находящихся в покрытии. Дробная часть числа {т} будет характеризовать удельный вес матовой добавки, находящейся в верхнем слое покрытия и образующей выступающие неровности, то есть

^ = + (28) Возможен вариант, при котором верхний слой покрытия полностью заполнен. Тогда дробная часть числа {ш} будет составлять 1,0.

Исходя из процентного содержания матовой добавки Р, содержания плёнкообразующих веществ в лаке х и его расхода при отделке I*, массу матовой добавки М, г, определяем по следующей формуле: Л-х-Р-Б

где в - отделываемая площадь, м2.

Общее количество частиц матовой добавки в лаке 1ЧУ можно определить, исходя из насыпной плотности Д8 и объёма, занимаемого одной частицей матовой добавки радиуса г:

N =10

8 Их-Р-Б

а, =2(п-1)-г + г

(30)

Рис. 6. Фрагмент схемы расположения частиц матовой добавки в ¡-м слое лакового покрытия (проекция на горизонтальную плоскость)

На рис. 6 показан фрагмент схемы расположения частиц матовой добавки в ¡-м слое лакового покрытия. Структура представляет собой увеличивающийся правильный шестиугольник со стороной а;, определяемой по формуле

(31)

где п - количество частиц, находящихся в стороне шестиугольника (1,2, 3,4,5,...).

Количество частиц, находящихся в ¡-м шестиугольнике, а значит, и в ¡-м слое покрытия, определяли по формуле

К)=п-1

Г*,=(2п-1)+2 £[(2п-1)-К,]. (32)

Используя выражение (31), определяли площадь ¡-го правильного шестиугольника:

в*-

Зл/З

(33)

Выполнив соответствующие преобразования, из уравнения (33) определяли величину п по формуле

0,3102^87

' V Ы . А ЛП/С (34)

п = -

- + 0,4226.

Последовательное решение уравнений (34) и (32) дает возможность рассчитать количество частиц ЭД, находящихся в ¡-м слое сформированного покрытия. В реальных условиях при 8б1 = 1 м2 (1012 мкм2) и г = 3; 4 и 5 мкм значения п составили соответственно 103403; 77553 и 62043. Для приведенных значений п количество частиц N1 по (32) составило

соответственно 320,762-Ю8; 180,431-Ю8; 115,478-Ю8 (более точные значения приведены в табл. 1). В дальнейшем будем иметь в виду, что N1 = N1.

При равномерном распределении частиц матовой добавки по толщине покрытия уравнение (26) можно преобразовать в следующий вид:

N„=N,■111. (35)

С учётом (30) полученная формула (35) при 8=1 м2 позволяет определить процентное содержание матовой добавки в лаке Р по следующей формуле:

^■ш-я-В.-г3 \

Р = -Г-(36)

Ю'Их

С учетом уравнения (20) и некоторых преобразований формула (36) примет следующий вид:

Р =

■N1 -л-Б8-г3 -К

ю12-о

т й

После преобразования уравнения (37) имеем

„ т Р = А-

где

н

- г3 - К

10" О

(37)

(38)

(39)

В табл. 1 приведены исходные данные по определению коэффициента А. Значение К в уравнении (39) принято равным 96 %.

Таблица 1

Исходные данные по определению коэффициента А для различных лаков и __матовых добавок, входящих в их состав_

Показатель Усл. обозн. Ед. изм. Численное зпачение для лака

УР-2104 МЛ-2111 НЦ-243

Радиус частицы матовой добавки г мкм 3 4 5

Насыпная плотность матовой добавки г/см3 0,30 0,32 0,34

Количество частиц матовой добавки, находящихся в ¡-м слое покрытия N1 штук 320,76231019' ■108 180,43170769-•108 115,47815419-■108

Плотность сухой лаковой пленки г/см3 1,24 1,17 1,24

Если в формуле (38) толщину покрытия выразить через радиус частиц и количество слоев матовой добавки (формула (25)), то её можно представить в следующим виде соответственно для Нтах и Нт;л:

Рнт« = ^ 2г + 1,63г(т - 2)' (4°»

Из формул (40) и (41) можно определить Рн А

1 Нпш

= А

т

Нт Р,

Нтах

(42)

Нт Р,

2г + 1,63г(т -1)

И Рнтт при П1 —> со. Это А

(41)

1,63г' Нт'п 1,63г

По формулам (42) и (43) для лаков УР-2104, МЛ-2111 и НЦ-243 определена предельная концентрация матовой добавки, которая соответственно составила 17,75; 19,84 и 20,02 %.

Незаполненность верхнего слоя структуры матового покрытия частицами матовой добавки существенно влияет на характер отражения света контролируемой поверхности. Если представить, что частицы матовой добавки располагаются друг от друга на расстоянии, равном шагу неровности 8г, то сторона правильного шестиугольника (см. рис. 6), аналогично условию (31) определяется так:

(43)

а,=(п'-1).8,+г

Л'

(44)

где

п' - количество частиц матовой добавки, находящихся в стороне шестиугольника при неплотном их расположении друг с другом. С учетом равенства площадей 1-х правильных шестиугольников при : плотном и неплотном расположении частиц относительно друг друга количество частиц п' равно

п' = —(п-1)+1.

(45)

Анализ графического изображения частиц матовой добавки в ¡-м слое покрытия (см. рис. 6) позволяет определить их общее количество при неплотном расположении друг с другом как

М,{т} = зИ2. (46)

С учетом (45) уравнение (46) примет вид Г2г I2

^{т} = 3 — (п-1)+1 . (47)

Используя уравнения (20), (30) и (47) выражение (28) можно привести к следующему виду:

10й-в-В

4

— • 71 ■

3

-Р-Н = 1Ч,[т] + 3

(48)

Решая уравнение (48) относительно процентного содержания матовой добавки в составе лаковой композиции и используя соответственно значения Нга1п и Нтах, по формуле (25) можно определить соответственно Ртах и Ртт •

Р =-

1 шах

2г

(п-1) + 1

10' -Б-Р

■[2г + 1,63г(ш-2)]

1Ч,[т]+3

Р =

1ШП

|(„-1)+1

10" Б Р

- л г3 Р К

3 *

■[2г + 1,бЗг(т-1)]

(50)

Используя формулы (25) и (20), а также полученные уравнения (49) и (50), построили номограммы для определения расхода лака, толщины покрытия, процентного содержания матовой добавки и количества её слоев по толщине в структуре покрытия при различном отношении 2г/82. Пример такой номограммы показан на рис. 7 для лака УР-2104.

Н, мкм

/К

240 200 160 120 80 40

Я, г/м2

Рис. 7. Номограмма для определения расхода лака, толщины

покрытия, процентного содержания матовой добавки и количества ее слоев по толщине в структуре покрытия (лак УР-2104)

Р,%

Как видно из рис. 7, при одном и том же расходе лака и количестве слоёв матовой добавки по толщине покрытия содержание её в лаковой композиции может быть различным (формула (50)) в зависимости от отношения2г/8г. Чем больше шаг неровностей, тем меньше отношение 2г/8г и тем меньше процентное содержание матовой добавки в составе лаковой композиции. Одно и то же процентное содержание матовой добавки позволяет получать различные покрытия по структуре верхнего слоя. Это может быть достигнуто путём изменения расхода наносимого лака. При этом изменяется толщина покрытия, а вместе с ней количество слоёв матовой добавки в образованной структуре по толщине. Такой вывод относится к случаям, когда процентное содержание матовой добавки для лака УР-2104 ниже 17,75 %.

Структура прозрачного матового покрытия, сформированного на основе водорастворимого лака

В результате проведенных автором исследований предлагается получать матовый эффект на поверхности защитно-декоративного покрытия за счет микронеровностей, являющихся микропустотами, образованными гг^'зы^ькамн парогазовой сл,теси при рутттур пльтилтиа Идеальным является вариант образования микропустот только в поверхностном слое покрытия. Для осуществления такого процесса необходимо иметь водорастворимую лаковую композицию, не содержащую в своем составе органических растворителей. Кроме того, технологический процесс отделки древесины должен состоять из операций, исключающих, по возможности, проникновение воды в подложку. В то же время должны создаваться необходимые условия для превращения присутствующей влаги в лаковой пленке в парогазовую смесь, образующую в поверхностном слое покрытия микропустоты. При этом с помощью управляемых технологических факторов необходимо создать условия, позволяющие изменять количество остающейся влаги в лаковой пленке и тем самым регулировать матовость покрытия.

Получение матовых покрытий на древесине предполагается за одно нанесение слоя водорастворимого лака. Масса жидкого лака шл, г, может быть определена как

И'К'8 .. .

тл=—(51)

где И - расход лака, г/м2;

К - коэффициент использования, зависящий от способа и режима нанесения лака, %;

в - отделываемая площадь, м2.

Лак наносится на нагретую поверхность древесины, что сопровождается испарением части или всей влаги из лаковой пленки. В каждый ¡-й момент времени в лаковой пленке находится масса влаги твь определяемая по следующей формуле:

mBl=^^(lOO-x-C,), (52)

где Cj - процентное содержание влаги, улетучившейся из лакового слоя, нанесенного на нагретую подложку за i-й момент времени; х - содержание пленкообразующих веществ, %. Если считать, что масса оставшейся влаги в лаковой пленке перед окончательным отверждением покрытия равна массе, образующейся парогазовой смеси mni в процессе контактного нагрева, то можно записать следующее равенство:

mBi = mni. (53)

Массу парогазовой смеси mni, г, можно определить как

mni = Vni-Dni, (54)

где V„i - общий объем парогазовой смеси в м3;

Dni - плотность пара при формировании лакового покрытия путем контактного нагрева, г/м3. Общий объем парогазовой смеси определяется уравнением

Vnl = ПгУлп, (55)

где П| - пористость покрытия, из-за образующихся микропустот в лаковой пленке;

Улп - объем лакового покрытия, м3. Образующиеся микропустоты в лаковой пленке могут охватить равномерно весь объем покрытия, м3, который равен

RxK-S

з

лп 104 D106

(56)

где Б - плотность лаковой пленки в г/см

Используя полученные выражения (52) - (56) и выполнив соответствующие преобразования, получим

ЮО-ж-С,,^

х О

Можно сделать предположение, что парогазовая смесь представляет собой перегретый пар, плотность которого определяется из уравнения Клайперона как

Р.-103

<58)

где Р„| - давление пара, Н/м2;

II' - газовая постоянная водяного пара, равная 461,58 Дж/кгград; 1 - температура пара (температура формирования лакового покрытия

при контактном нагреве), °С. Давление перегретого пара, Н/м2, в объеме закрытых микропустот можно определить по известной формуле, которой пользуются при оценке прочности сосудов высокого давления,

—^--Ю5, (59)

где Ь - толщина шаровой оболочки микропустот, мкм; !:. г - радиус микропустот, мкм;

Стви - внутренние напряжения, возникающие в лаковой пленке, кг/см2.

Внутренние напряжения в покрытиях, отверждаемых за счет химических превращений и испарения летучих растворителей, к которым относится предлагаемый лакокрасочный материал, являются суммой усадочных су и термических от напряжений. По данным В.А. Червинского, усадочные напряжения для такого типа покрытий находятся в пределах 20 кг/см2. Термические напряжения могут быть приближенно определены по следующему уравнению:

от = К'-Еан-1к), (60)

где Е - модуль упругости лаковой пленки, кг/см2; - <:н - температура формирования покрытия, °С;

^ - температура после охлаждения покрытия, °С;

К' - эмпирический коэффициент для покрытий с сетчатой структурой молекул, равный 3,76Т05.

Путем последовательной подстановки в соответствующие формулы для определения величин внутренних напряжений и давления перегретого

ТТ 1Г/>Т-ТТП"Т-Т ПППЛТЧЧОТ1ПГЛ ГТПГЧП I »ЛЛТЛТТЛ ГТ«в ПЛТОТОТ/* ■

Ры = —108 -. . (61)

Если подставить значения Вы из формулы (61) в (57) и решить полученное выражение относительно пористости образующегося покрытия, получим

п _ 100-х-С| г 10"Р-И'(1 + 273)

' х Ь 2-108[ау +К'Е(1Н -1к)[

При Р = 1,28 г/см3; 1 = 1н = 100 °С; ^ = 20 °С; Е = 400-102 кг/см2; х = 50 % и вышеприведенных значениях 11' и К' формулу (62) можно преобразовать в уравнение следующего вида:

П.=7,85-- (63)

Ь 50

Уравнение (63) позволяет оценить пористость покрытия, полученного на основе водорастворимого лака. Если предположить, что все микропустоты сконцентрированы в поверхностном слое лаковой пленки, то величина пористости может служить косвенной характеристикой суммарной величины площади контролируемого покрытия, занятой микронеровностями. Чем больше пористость, тем больше величина суммарной площади покрытия, занятая микронеровностями.

Результаты расчета в зависимости от размеров и количества микропустот, находящихся в поверхностном слое лаковой пленки, показывают, что максимальная величина пористости составляет 0,603. При подстановке этой величины в уравнение (63) её можно преобразовать в следующий вид:

0,603 = 7,85 -

г 50- С И* 50

(64)

При С| = 0, то есть когда вся влага, находящаяся в лаковой пленке, участвует в образовании микропустот, выражение (64) примет вид

Если предположить, что отношение г к Ь будет сохраняться при различном количестве влаги Сь участвующей в образовании микропустот, то пористость покрытия при условии концентрации микропустот в поверхностном слое лаковой пленки определяется по формуле

по которой, при известной величине улетучившейся влаги из лаковой пленки в процессе формирования покрытия, становится возможным прогнозировать величину пористости получаемого прозрачного матового покрытия на основе водорастворимого лака.

Третья глава посвящена разработке методик оценки декоративных свойств древесины и прозрачных лаковых покрытий. Разработана методика определения относительного показателя преломления света прозрачным лаковым покрытием и древесиной. Усовершенствования известного иммерсионно-микроскопического способа заключались в детализации наблюдаемых явлений, способствующих правильному подбору эталонной среды для определения показателя преломления исследуемого вещества.

Методика определения толщины прозрачных лаковых покрытий на древесине в своей основе использует метод последовательной перефокусировки изображения микроскопа на поверхность подложки и покрытия. "Исследования показали, что практическая пригодность метода зависит от правильного выбора объектива. Доказано, что объектив должен обладать малой глубиной изображаемого пространства микроскопа, обеспечивающей высокую точность фокусировки и достаточное свободное расстояние до контролируемой поверхности.

Методика фотометрической оценки поверхности древесины и прозрачных лаковых покрытий предусматривает определение зеркально-и диффузно-отраженных световых потоков от контролируемой поверхности. С этой целью выбран фотоэлектрический блескомер ФБ-2. Используя оптическую и измерительную систему прибора ФБ-2, в исследованиях применяли также датчик с углом падения-отражения света 60°.

Методика оценки шероховатости поверхности прозрачных лаковых покрытий предусматривает использование следующих параметров шероховатости: Их - средняя высота неровностей профиля по десяти точкам; Иа - среднее арифметическое отклонение профиля; Б -

0,603 = 7,85 • — .

Ь

(65)

(66)

средний шаг неровностей по выступам профиля. Выявлена возможность применения предлагаемых параметров шероховатости для оценки микропрофиля поверхности матовых покрытий.

Методика визуальной оценки отражательной способности прозрачных лаковых покрытий на древесине предусматривает рассмотрение особенностей зрительного восприятия при визуальной оценке оптических свойств контролируемых поверхностей. Установлено значение допускаемого отклонения угла наблюдения при сравнительной оценке поверхностей матовых покрытий.

Указанные методики вошли в стандартизированные методы оценки защитно-декоративных свойств покрытий на древесине: ГОСТ 16143-81(86) «Детали и изделия из древесины и древесных материалов. Метод определения блеска прозрачных лаковых покрытий»; ГОСТ 13639-82(86) «Детали и изделия из древесины и древесных материалов. Метод определения толщины прозрачных лаковых покрытий»; РТМ «Древесина. Метод определения степени матовости прозрачных лаковых покрытий»; МУ на метод определения показателя преломления прозрачных лаковых покрытий для древесины.

Четвертая глава посвящена изучению структуры и показателей оптических свойств поверхности древесины и прозрачных покрытий.

Из свойств, характеризующих внешний вид древесины, исследовались воздухоемкость и пористость. Это связано с тем, что лучи света, проникая в древесину, проходят через стенки и наполненные воздухом полости клеток. При этом на каждой границе древесина-воздух и воздух-древесина свет преломляется и отражается, не проникая глубоко в древесину, и даже ее поверхностный слой оказывается непрозрачным. Выполненные расчеты по известным формулам показали, что воздухоемкость и пористость двадцати различных отечественных пород древесины находятся соответственно в пределах 44,97...74,50 % и 50,33...77,13 %. Самые низкие показатели воздухоемкости и пористости имеют такие породы древесины, как граб и акация белая. Самые высокие показатели имеет древесина пихты сибирской.

Блеск древесины проявляется в ее способности направленно отражать падающий световой поток. С помощью блескомера ФБ-2 было проведено измерение блеска образцов различных пород древесины из коллекции МГУЛеса. Измерения проводились на радиальных и тангенциальных поверхностях. Наибольшая степень блеска была установлена у древесины осины. Полученные автором данные хорошо согласуются с результатами исследований, ранее выполненных Б.Н. У голевым, и свидетельствуют о том, что блеск существенно зависит от белизны древесины. Чем светлее древесина, тем больше блеск.

В большинстве случаев при выборе лакокрасочных материалов для отделки необходимо знать относительный показатель преломления света различных пород древесины. Выполнены измерения относительных

показателей преломления света отдельных макроскопических элементов 26 образцов различных пород древесины из коллекции МГУЛеса. Полученные результаты позволяют говорить о малой изменчивости показателя преломления света различных пород древесины. Так, максимальные значения показателя преломления 1,565 получены у ядра древесины фисташки и акации белой, а минимальные значения 1,535 у поздней зоны древесины бука.

Относительные показатели преломления света лаковых покрытий изменяются также незначительно. Выполненные измерения показали, что максимальное значение показателя преломления 1,56 наблюдается у покрытий из полиэфирного парафиносодержащего лака ПЭ-246 и полиуретанового матового лака УР-2104. Минимальное значение 1,52 наблюдается у матового нитроцеллюлозного лака НЦ-243. Значения относительных показателей преломления различных лаковых покрытий использованы в качестве справочного материала в ГОСТ 13639-86.

Лаковые покрытия не являются абсолютно прозрачными средами. Проходящий через них световой поток постепенно теряет свою яркость. Оценить потери можно, если определить коэффициент пропускания света покрытием. Для этого применялся универсальный фотометр ФМ-56. Для матовых покрытий, сформированных на основе лаков УР-2104, МЛ-2111, НЦ-243, коэффициент пропускания света для лаковых пленок толщиной от 10 до 100 мкм составляет от 0,3 до 0,4.

Известно, что прозрачность и блеск покрытия зависят как от коэффициента пропускания, так и коэффициента диффузного отражения света контролируемой поверхностью. Коэффициент диффузного отражения света поверхностью покрытия определяется как отношение светового потока, диффузно отраженного от контролируемой поверхности к падающему световому потоку.

Для определения относительного коэффициента диффузного отражения света лаковые покрытия подготавливались на специальных подложках. Использовалось инфракрасное темное стекло ИКС-6. Такое стекло отражает падающий свет только от поверхности. Световой поток, прошедший в толщу стекла, можно считать полностью поглощенным. Эксперименты проводились на специально разработанной автором установке. Определение относительного коэффициента диффузного отражения проводилось при угле падения-отражения света 0°, то есть при нормально падающем и отражающемся от поверхности покрытия световом потоке. Была получена зависимость относительного коэффициента диффузного отражения света (I1 от шероховатости поверхности лакового покрытия, которая описывается уравнением вида, %,

<Г = 51^,

(67)

где Яг - средняя высота неровностей профиля по десяти точкам в пределах базовой длины, мкм.

Выявление отражательной способности прозрачных лаковых покрытий при различных углах падения-отражения света. Эксперименты проводились. на специальной лабораторной установке, позволяющей регистрировать световой поток при различных углах падения-отражения света от 0 до 85°. В каждом конкретном случае световой поток, отраженный от контролируемой поверхности, оценивался по "отношению к эталонному образцу, и величина его определялась в процентах.

Эксперимент проводился на 27 образцах, по 9 образцов каждого вида покрытий: с зеркальным блеском, глянцевые и матовые. Было замечено, что максимум отражения имеет некоторое смещение по углу отражения света. Так, для угла падения света 60° максимум отражения для всех образцов наблюдается при угле отражения 52...56°. Известно, что естественный свет при отражении от поверхности диэлектрика, каким является полимерное покрытие, частично поляризуется. Отраженный свет полностью поляризован при угле падения, определяемом по формуле (10).

Относительные показатели преломления для контролируемых образцов лаковых покрытий, определенные иммерсионным методом, соответствовали значениям от 1,51 до 1,56. Для этих значений п угол Брюстера изменяется от 56°29' до 57°20'. Экспериментальные и расчетные значения углов падения-отражения света, при которых световой поток, отраженный от контролируемой поверхности, поляризуется, хорошо согласуются друг с другом. Различие между ними не превышает 10 %. Проведенное исследование подтверждает предположение, что при отражении света от поверхности лакового покрытия наблюдается явление поляризации.

Выявление возможности оценки матовых лаковых покрытий параметрами шероховатости. Ни один из известных параметров шероховатости не характеризует формы профиля. В то же время блеск покрытий должен зависеть не только от величины, но и от формы неровностей. Поэтому обычно применяемые параметры шероховатости поверхности могут быть пригодны для оценки «отражающих свойств» лаковых покрытий лишь при условии, что форма профиля неровностей у покрытий из разных лаков примерно постоянна и изменение характера блеска связано лишь с изменением размеров неровностей.

Для сравнительной оценки формы неровностей у покрытий из разных матовых лаков нами были сняты опорные кривые их профиля (то есть кривые изменения длины отрезков, которые приходятся на «тело» неровностей у линии, секущей профиль на разных уровнях). Для опыта покрытия были нанесены на стеклянные подложки, как обладающие постоянством свойств. Как это можно видеть на рис. 8, во всех случаях опорные кривые имеют сходный характер, соответствующий неровностям сглаженного синусоидального профиля.

Рис. 8. Опорные кривые профиля неровностей для различных матовых покрытий на основе лаков:

—♦—УР-2104;

-3300610 фирмы "фоттелер";

-200917 фирмы "Райххольд Хеми"; -Н-1200 фирмы "Вильдчек"

10 20 30 40 50 60 70 80 90 Уровень сечения профиля Р, %

Сходный характер профиля неровностей покрытий различных матовых лаков был подтвержден также определением у них углов раскрытия профиля. Под последним понимают угол, образованный касательными к стенкам впадин профиля. Угол раскрытия профиля а находят из соотношения

(68)

где в - средний шаг неровностей по выступам профиля в пределах базовой длины, мкм;

11г - средняя высота неровностей профиля по десяти точкам в пределах базовой длины, мкм.

У всех покрытий из матовых лаков угол раскрытия профиля оказался практически одинаковым и находился в пределах от 176° 10' до 177°26'.

Наконец, подтверждением сходности формы профилей может служить наличие тесной корреляционной связи (г = 0,97) между параметрами Иа и йг у поверхностей с разной высотой неровностей вида = 3,68Б1а + 0,047. (69)

Таким образом, результаты опытов показали практическое постоянство формы неровностей и в связи с этим пригодность для оценки прозрачных матовых покрытий профилометрических методов и используемых в них параметров шероховатости.

Установление влияния шероховатости и анатомических неровностей подложки на отраженный световой поток, фиксируемый блескомером. Влияние шероховатости подложки на отраженный световой поток, фиксируемый блескомером, различно при установлении датчика прибора вдоль и поперек направления неровностей. Эксперимент проводился на лаковом покрытии, подготовленном на березе, имеющей сравнительно однотонную текстуру и некрупные поры. Покрытие создавалось полиэфирным лаком. Образцы полировались до зеркального блеска. Необходимость проведения экспериментов на зеркальных

покрытиях обосновывалась тем, что при проведении таких исследований на матовых покрытиях влияние светового потока отраженного подложкой существенно, так как он примерно равен, а на светлых подложках больше светового потока, отраженного поверхностью матового покрытия. Это оказывает значительное влияние на раскрытие зависимости шероховатости и анатомических неровностей подложки на отраженный световой поток, фиксируемый блескомером.

На рис. 9 и 10 приведены зависимости диффузного и зеркального отражений для датчиков с углами падения-отражения света 45° и 60° от шероховатости поверхности древесины березы. С увеличением параметра шероховатости Иа возрастает диффузное отражение от поверхности подложки. При расположении датчиков поперек направления неровностей подложки значения диффузного отражения больше, чем при расположении вдоль направления неровностей. Значения диффузного отражения при измерении вдоль и поперек направления неровностей подложки для датчика с углом падения света 45° больше, чем для датчика с углом падения света 60°.

- > Вдоль неровностей подломи (0 гьад -— И — Вдоль неровностей подломы 45 град т Л ~ Попере» иероакосгей подломи 60 град Н 1 Попар«« н«рО| костей пвдлоти 45 град

£ 60

Шероховатость поверхности древесины Па, мкм

Рис. 9. Зависимость диффузного отражения света, фиксируемого на зеркальных покрытиях, от шероховатости поверхности древесины березы

64

в 76

¡5 52

1 2 3 4 5

Шероховатость поверхности древесины Яа, мкм

Рис. 10. Зависимость зеркального отражения света, фиксируемого на зеркальных покрытиях, от шероховатости поверхности

древесины березы

С увеличением высоты неровностей подложки происходит снижение зеркального отражения, фиксируемого по прибору. Характерно, что для обоих датчиков (на 45° и 60°) изменение зеркального отражения одинаково, то есть значения его больше при расположении датчика вдоль направления неровностей подложки. Уменьшение зеркального отражения по прибору при увеличении шероховатости подложки можно объяснить увеличением диффузно-отраженных лучей света от поверхности древесины, которые не попадут в приемник.

На рис. 11 и 12 приведены результаты исследования по определению диффузного и зеркального отражения лаковых покрытий на различных породах древесины при расположении датчика с углом 45° вдоль и поперек волокон древесины. При расположении датчика поперек волокон древесины увеличивается диффузное и уменьшается зеркальное отражение по сравнению с расположением датчика вдоль волокон древесины. Отсюда, чтобы исключить ошибку в показаниях блескомера, обусловленную волокнистым строением древесины и неровностями механической обработки подложки под отделку, измерения следует производить вдоль наблюдаемых неровностей на поверхности древесины или вдоль волокон.

Рис. 11. Диффузное отражение при расположении датчика (45°) вдоль и поперек волокон древесины: 1 -березы; 2 - ясеня; 3 - красного дерева

Рис. 12. Зеркальное отражение при расположении датчика (45°) вдоль я поперек волокон древесины: I -березы; 2 - ясеня; 3 - красного дерева

Обращает на себя внимание (см. рис.11 и 12) зависимость диффузного и зеркального отражения лаковых покрытий для блескомера с углами падения-отражения света 45° от светлоты подложки. Так, на светлых породах древесины (береза, ясень) показания выше, чем на более темной породе (красное дерево).

При пересмотре ГОСТа 16143-81 на метод определения блеска прозрачных лаковых покрытий были учтены разработанные рекомендации. Для внедрения на предприятиях блескомера с углом падения света 60° был изготовлен датчик, позволяющий определить блеск покрытия без корректирования показаний по прибору на светлоту подложки. Прибор с датчиком 60° прошел производственные испытания на Таганрогском . мебельном комбинате.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям технологических факторов, влияющих на степень матовости прозрачных лаковых покрытий, содержащих мелкодисперсные порошки. К ним относятся содержание матовой добавки в жидкой лаковой композиции, ее степень размешивания в основе лака, седиментация в процессе длительного хранения и расход лака. Исследования проводились на отечественных

матовых лаках: полиуретановом УР-2104, мочевиномеламиноалкидном МЛ-2111 и нитроцеллюлозном НЦ-243.

Влияние содержания матовой добавки в жидкой лаковой композиции на степень матовости прозрачного покрытия. Высота неровностей матового покрытия с учетом полученных уравнений (20), (24), (26) и (30) может быть определена как

Ь = 0,37г + 1,63г ------ • (7°)

— • 3,14 • г3 3 ,

Б -М,

104Б

11уР = 1,11 + К*х(4,3592*10"4*Р- 77,4193-10"4) ; ЬМЛ = 1,48+1*-х(4,1336-10"4-Р-82,0512-Ю"4);

г\-4.т> пп

Для различных лаков численные значения г, N1 и Б были взяты из табл. 1. Площадь отделываемой поверхности в принята равной 1 м2, К = 96 %. Высота неровностей матового покрытия в зависимости от расхода лака Б., процентного содержания пленкообразующих веществ х и процентного содержания матовой добавки Р представлена для различных лаков следующими формулами:

(71)

(72)

'Инц = 1,85 + Л-х(3,8669-10^Р - 77,4193■10",) . (73)

Как видно из приведенных уравнений, процентное содержание матовой добавки существенно влияет на высоту неровностей матового покрытия. При значениях содержания матовой добавки для лаков Р|Ур = 17,75%; Рмл = 19,84%; РИц = 20,02% высота неровностей будет постоянна и соответствовать для лака УР-2104 - 1,11 мкм; МЛ-2111 - 1,48 мкм; НЦ-243 - 1,85 мкм. Расход лака II и процентное содержание пленкообразующих веществ х в этом случае не оказывают влияния на высоту неровностей матового покрытия.

При Рк > Pi высота неровностей матового покрытия увеличивается и может достигать максимального значения для лаков: УР-2104 - 4,89 мкм; .МЛ-2111 - 6,25 мкм; НЦ-243 - 8,15 мкм. При Рк <Р| высота неровностей матового покрытия уменьшается и может достигнуть И = 0.

О 3 6 9 12 15 Содержание матовой добавки, %

Рис 13. Зависимость шероховатости поверхности лакового покрытия от содержания матовой добавки в лаке УР-2104

Влияние содержания матовой добавки на степень матовости лакового покрытия исследовали на основе лака УР-2104 и матовой добавки Сантосел-68. Результаты исследования приведены на рис 13. Как видно, с увеличением концентрации матовой добавки

возрастают параметры шероховатости Кг и Иа и уменьшается средний шаг неровностей лакового покрытия по выступам профиля.

При использовании уравнений (20) и (24) и значениях К = 96 %, Б = 1,24 г/см3, г = 3 мкм высоту неровности можно определить по формуле

Ь = 6 + 4,89-(т - 1) - 77,4193-1О-К-х .

(74)

Средний шаг неровностей при неплотном расположении частиц матовой добавки в верхнем слое покрытия по формуле (48) при значениях п = 103403; м2; Б8 = 0,30 г/см3; ^ = 32076231019 и К, Б, и г,

указанных выше можно определить из следующего выражения:

62,0412 Ю4

Ьт — -

3,6934577 ■ 108 • Р • Н - 320,76231019 • 108 [ш]

(75)

-1

Результаты расчета высоты и среднего шага неровностей при различном содержании матовой добавки в лаке УР-2104 приведены в табл.2. Как видно из табл. 2 с увеличением содержания матовой добавки увеличивается высота неровностей и уменьшается их средний шаг. Экспериментальные данные подтверждают результаты расчета. Максимальная относительная ошибка по высоте неровностей составила 15,62 %, а по шагу неровностей 18,85%.

Таблица 2

Высота и средний шаг неровностей покрытия при различном содержании матовой добавки в лаковой композиции УР-2104

Показатели Содержание матовой добавки Р, %

0,1 0,2 8,9 12 15,4

Количество слоёв матовой добавки ш 1 1 2 3 7

Расход лака II, г/м* 21,19 20,94 40 59 137

Содержание плёнкообразующих веществ х, % 32 32 32 32 32

Толщина покрытия Н, мкм'' 5.25 6,5 5,19 6,4 9,87 11,1 14.61 14,9 33,94 35,1

Высота неровностей покрытия Ь, мкм по расчету 0,75 0,81 1,02 1,17 1,39

по эксперименту Ь = 4Иа 0,88 0,96 1,2 1,36 1,56

Средний шаг неровностей покрытия, мкм по расчету Бг 77,16 54,88 49,73 43,82 44,21

по эксперименту в 92 65 59 54 49

микроскопом на основе метода перефокусирования.

Влияние степени размешивания матовой добавки в основе лака на матовость прозрачного покрытия. На рис. 14 приведены графики кинетики осаждения матовой добавки Сантосел-68 при различном времени размешивания ее в основе лака УР-2104. Можно предположить, что при увеличении продолжительности размешивания матовой добавки

образуются более мелкие частицы. Экспериментальная скорость оседания частиц матовой добавки при времени ее размешивания 15, 30, 60, 90 и 120 минут при продолжительности наблюдения 37 суток соответственно составила: 0,00250; 0,00156; 0,000844; 0,000469 и 0,000250 мкм/с. Используя значения скоростей оседания, можно определить по формуле (76) радиус частиц матовой добавки промежуточной мелкой фракции. При Од =0,99 г/см3; D0= 1,71 г/см3; ц = 0,455 г/см-с радиус частиц соответственно составит: 0,269; 0,212; 0,156; 0,116; 0,0851 мкм. Как видно из приведенных данных, при более длительном размешивании матовой

добавки в основе лака происходит

уменьшение размера (радиуса) частиц промежуточной мелкой фракции. Отсюда можно сделать вывод, что уменьшается размер и • ^ » более крупной фракции частиц.

I'

ц

" Рис.14. Кинетика осаждения матовой

добавки при различном времени размешивания ее в лаке УР-2104

10 SO 40

ВО 100 120 140 160

Продолжительность исблюдений, сутки

1.8 I 1.4

Л 1,2

0 1 g 1

g 0,8

8 0,6 I о

g" 0.4

э 0,2

о

Рис. 15. Зависимость шероховатости поверхности матового покрытия от времени размешивания матовой добавки в основе лака УР-2104

Как видно из рис. 15, параметры шероховатости Иг и Иа уменьшаются с увеличением времени размешивания матовой добавки в основе лака. Таким образом, с увеличением времени размешивания матовой добавки в основе лака происходит значительное диспергирование с образованием более мелких частиц, что приводит к изменению степени матовости получаемых прозрачных матовых покрытий.

0 15 30 45 60 75 90 105 120 Время размешивания, мин

Влияние процесса седиментации частиц матовой добавки в жидкой лаковой композиции на степень матовости прозрачного покрытия. На рис. 16 приведены графики, представляющие кинетику осаждения матовой добавки в лаках УР-2104, МЛ-2111 и НЦ-243. Из трёх наблюдаемых составов быстрее идёт накопление осадка у лака НЦ-243, медленнее у лаков УР-2104 и МЛ-2111. Полученные данные позволяют определить экспериментальную скорость оседания частиц матовой добавки

промежуточной мелкой фракции, которая составила для лаков УР-2104, МЛ-2111 и НЦ-243 соответственно 0,00021; 0,0015; 0,0042 мкм/с.

Рис. 16. Кинетика осаждения матовой добавки в лаках

Применительно к сферическим частицам скорость их оседания и, см/с, можно определить из следующего уравнения:

и = (76)

9\1

где г - радиус частицы, см;

ц - динамическая вязкость раствора (лака), г/см-с; 1)0 - плотность вещества частицы, г/см3; Бл - плотность основы лака, г/см3; g - ускорение свободного падения, см/с2.

Сравнение экспериментальных и расчётных (табл. 3) скоростей оседания частиц промежуточной мелкой фракции показывает, что значение их по матовым добавкам каждого лака отличаются в пределах 25 %. Отсюда, используемая формула (76) с достаточной степенью надёжности описывает явление оседания частиц матовой добавки в лаковых композициях. Полученные по формуле (76) значения скоростей оседания крупной фракции частиц матовых добавок позволяют утверждать о достаточно быстром расслоении растворов лаков при их длительном хранении без перемешивания.

Таблица 3

Исходные данные и скорости седиментации частиц матовой добавки в

основе лаков

И

и

о «о

а

С £

I ! 1!

—Д—Лак УН - 2104 I

| ( I

I ; \ I

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 Продолжительность наблюдений, сутки

Марка Плот- Вяз- Плотность Средний радиус, Скорость оседания,

лака ность кость вещества мкм мкм/с

лака лака частицы наибо- частиц наибо- частиц

Въ И, Б0, г/см3 лее промежу- лее промежу-

г/см3 г/см'С крупных точной крупных точной

частиц фракции частиц фракции

Г1 Га и, и2

УР-2104 0,990 0,455 1,71 3 0,071 0,3136 0,00017

МЛ-2111 1,010 1,330 1,90 4 0,297 0,2384 0,0013

НЦ-243 0,957 1,577 2,20 5 0,455 0,4280 0,0035

Для определения концентрации полидисперсной матовой добавки Рх в объеме лака от продолжительности его хранения без перемешивания предлагается выражение следующего вида:

( \

1 "ГЧ х "Г1,

V н н

где Р-начальная концентрация матовой добавки при равномерном ее распределении в объеме, %;

81 и вг - объемные доли соответственно крупной 0,667 и промежуточной 0,333 фракции частиц матовой добавки;

Н - высота раствора лака в сосуде.

При подстановке в уравнение (77) значений скоростей оседания частиц матовой добавки соответственно крупной и промежуточной фракций были получены уравнения концентрации матовой добавки по глубине сосудов при длительном хранении лаков УР-2104, МЛ-2111 и НЦ-243. Из них следует, что крупные частицы матовой добавки практически осядут на дно сосудов: за 36,9 суток лак УР-2104; за 48,54 суток лак МЛ-2111 и за 27,04 суток лак НЦ-243. Это обстоятельство позволяет рассматривать влияние седиментации только для крупной фракции частиц матовой добавки на изменение концентрации её в объёме раствора лака.

ё о I з , ,_, , -

о = я | —♦—Лак УР - 2104 I 5 I а 2 -1 -■— ЛакМЛ-2111 |--'

= 0 20 40 60 80 100 Относительная глубина сосуда, %

Рис. 17. Зависимость шероховатости матового покрытая при формировании пробами лаков, взятыми с различной глубины сосудов, после длительной их выдержки

Как видно из рис. 17, покрытия, подготовленные из проб лаков, взятых с малой глубины емкостей, имеют меньшую шероховатость, чем покрытия, подготовленные из проб лаков, находящихся на большей глубине сосудов.1

Следовательно, перед применением в производстве лаковых композиций, содержащих матовую добавку, необходимо интенсивное перемешивание их растворов для равномерного распределения частиц матовой добавки по всему объему емкостей, в которых они хранятся.

Влияние расхода лаков па матовость прозрачных покрытий. В табл. 4 приведены параметры шероховатости матовых покрытий, подготовленных на основе матовых лаков с различным расходом. Концентрация матовой добавки в лаках УР-2104 и МЛ-2111 соответственно составляла 17,75% и 19,84%. Из табл.4 видно, что во всех случаях коэффициент достоверности меньше 3,375. При различии сравниваемых образцов по степени матовости коэффициент достоверности должен быть больше указанного значения. Отсюда можно сделать вывод, что контролируемые поверхности матовых покрытий не отличаются друг от

друга по параметру шероховатости Иг при нанесении одного лака с различным расходом.

Таблица 4

Параметры шероховатости матовых покрытий, подготовленных на основе __матовых лаков с различным расходом _

Марка лака Расход Параметры шероховатости, Показатель Коэффициент

лака, мкм точности достоверности

г/м2 Ra Rz S для Иг, % для Rz

УР-2104 100 0,24 0,91 68 1,26

120 0,22 0,89 68 1,74 .1,04

140 0,22 0,92 69 1,46 1,48

МЛ-2111 120 0,32 1,38 46 1,82

140 0,33 1,34 48 1,71 2,12

160 0,34 1,36 47 1,81 0,74

180 0,33 1,33 47 1,51 0,84

Шестая глава посвящена разработке состава композиции и установлению важнейших технологических факторов, влияющих на отделку древесины водорастворимым лаком.

Выбор модификаторов карбамидоформальдегидной смолы при приготовлении лаковой композиции для отделки древесины. Для исследования использовались лаковые композиции, приготовленные на основе карбамидоформальдегидной смолы КФЖ. В качестве варьируемых факторов было выбрано: количественное содержание в лаковой композиции поливинилового спирта х, и бутадиен-стирольного каучука х2. Верхний и нижний уровни варьирования факторов соответственно составили 15 и 0% и 50 и 10%. В качестве выходных величин определялся блеск покрытия уь водостойкость у2, твердость уз, адгезионная прочность у4. Выбранные выходные величины характеризовали получаемые покрытия с точки зрения декоративных и физико-механических показателей.

Эксперименты проводились в лабораторных условиях. Покрытия различных лаковых составов подготавливались на образцах из древесностружечной плиты, облицованной строганым шпоном красного дерева. Предварительные эксперименты показали, что влияние варьируемых факторов на выходные величины носит преимущественно нелинейный характер. Поэтому был выбран В-план второго порядка для двух варьируемых факторов. Полученные уравнения в нормализованных обозначениях факторов имеют следующий вид:

У1 = 63,75 - 7,75ххг - 13,75х22 - 0,5x1 - 2,5х2 + 1,25х,х2; (78)

у2 = 12,75 - 2,75х12 - 6,75х22 - 0,167х, - 1,50х2 + 1,25х,-х2; (79)

Уз = 38,27 - 2,47Х12 - 7,42х22 + 0,75х! - 3,27хг + 0,62х,*х2; (80)

у4 = 3,0-0,35х12-0,95х22-0,1х1-0,08х2-0,12х1*х2. (81)

Исследуемые факторы по-разному влияют на контролируемые показатели. Наибольшее влияние оказывает содержание бутадиен-стирольного каучука х2 в лаковой композиции на контролируемые свойства покрытий, и несколько меньшее влияние оказывает содержание

поливинилового спирта Количественное содержание Xi и х2 в лаковой композиции несущественно влияет на блеск получаемого покрытия. На водостойкость, твердость и адгезионную прочность покрытия исследуемые факторы оказывают существенное влияние. Во всех случаях наблюдается максимальная величина контролируемых показателей физико-механических свойств покрытий при содержании в лаковой композиции поливинилового спирта в количестве 7,5 % и бутадиен-стирольного каучука 30%.

На опытную партию водорастворимого лака Минлеспромом СССР были утверждены технические условия. Имеется заключение органов санитарного контроля о соответствии наличия вредных веществ в предлагаемом лаке санитарно-гигиеническим нормам. Производственные испытания опытной партии лака прошли на Калужском СМК «Гигант» и Лев-Толстовской фабрике ТПО МП.

Установление характера изменения температуры и кинетики выделения газообразных продуктов в процессе получения защитно-декоративных покрытий на основе водорастворимого лака. Для установления характера изменения температуры в процессе формирования защитно-декоративных покрытий на основе водорастворимого лака четыре термопары были запрессованы на разных уровнях в образцы древесностружечных плит, облицованных натуральным шпоном красного дерева. Термопары были подключены к контрольному самопишущему потенциометру. Образцы проходили весь технологический цикл получения покрытий. Предварительный нагрев древесной подложки осуществлялся в лабораторном термошкафу. Нагревательным элементом служили трубчатые электронагреватели. Затем с помощью лабораторных вальцов наносился слой лака. Для получения матового покрытия отсутствовала открытая выдержка образцов с нанесенным слоем лака, а при получении глянцевого покрытия открытая выдержка составляла 4 минуты. Затем образцы термопрессовались в плоском прессе и несколько минут охлаждались после прессования.

Рис. 18. Изменение температуры образца в процессе формирования защитно-декоративного покрытия на основе водорастворимого лака:

I - нагрев;

II - нанесение лака и открытая выдержка;

III - термопрессование;

IV - охлаждение.

Схема расположения термопар в образце

. ч 5 I шпон (красное

— — — — дерево)

.—--- основа • ' ( (ДОгП)

Продолжительность операций технологического 1-

процесса, мин

. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

На рис. 18 приведены зависимости температуры от продолжительности различных операций технологического процесса получения защитно-декоративного покрытия на древесностружечной плите, облицованной шпоном красного дерева. Термопара, находящаяся под шпоном, фиксирует температуру на стадии предварительного нагрева 90 °С. Чем дальше от поверхности находится термопара, тем меньшее значение температуры она фиксирует.

По изменению температуры на поверхности подложки и прилежащих к ней слоев, на различных операциях технологического процесса, можно судить о различном характере явлений, происходящих при формировании защитно-декоративного покрытия'. Предварительный нагрев подложки необходим для начала образования покрытий от поверхности древесины. Этим в первоначальный момент создается барьерная пленка-покрытие, которая защищает и предотвращает контакт растворителя (воды) с древесиной. Чтобы направленно использовать накопленное тепло в дальнейшем, после нанесения лака предусмотрена открытая выдержка в нормальных условиях окружающей среды. 'Длительность этой операции оказывает влияние на испарений' летучей части лака. Окончательным воздействием тепла' ;;;; й-:: 'технологическом процессе является термопрессование покрытия; Необходимость его обосновывается в придании покрытию заданных защитно-декоративных свойств.

Рис. 19. Относительное изменение массы лаковой пленки, нанесенной на нагретую подложку (древесина красного дерева), от времени открытой выдержки.

Температура поверхности подложки: 1 - 50°С; 2 - 60°С; 3 - 70°С; 4 - 80°С; 5 -90°С

0123456789 Продолжительность открытой выдержки, мин

Было установлено, что различная интенсивность испарения летучей части лаков приводит к получению различного вида покрытий по блеску. Это связано с образованием в лаковых покрытиях микронеоднородностей в виде пустот, при выходе парогазовой смеси в'процессе отверждения лаковой пленки. Как видно из рис. 19, относительная потеря массы лаковой пленки различна при различных температурах подложки. Если предположить, что такая потеря массы обусловлена испарением преимущественно воды как основного растворителя, то образование полимера сетчатой структуры сопровождается одновременным появлением в лаковой пленке микронеоднородностей.

Установление блеска прозрачных защитно-декоративных покрытий на основе водорастворимого лака. В состав исследуемых факторов входили: продолжительность нагрева подложки х^

продолжительность открытой выдержки перед .нанесением лака х2; продолжительность открытой выдержки слоя лака на нагретой подложке х3; продолжительность термопрессования Х4. В качестве выходной величины был принят блеск покрытия у.

Поскольку поисковый эксперимент показал, что блеск покрытий от ; исследуемых факторов изменяется по линейною зависимости, то был-выбран полный факторный план для четырех. варьируемых факторов;' Диапазон варьирования, факторов х1,.х2, х3, х4 составлял соответственно 0,5 и 2,5 мин; 0 и 1 мин; 0 и 2,5; мин; 1м-2 мин.: -г-г.

В результате обработки данных эксперимента получено уравнение регрессии в нормализованных обозначениях факторов

у = 22,53 - 2,09x2 + 8^5х3 + 0,91x4 - 1,41х,-х2 + 1,67хгх3 + + 6,44х2'х4 + 0,62х3,х4 - 0,62х)-х2-х3 - 0,45х1'х2,х4 + З,95х1-х3-х4 + + 5,57х2-х3-х4 - 2,0х1х2х3х4 . (82)

Из уравнения (82) следует, что наибольшее влияние на блеск покрытия оказывает продолжительность открытой выдержки слоя лака х3, нанесенного на предварительно нагретую подложку. При этом, чем больше такая выдержка, тем выше блеск получаемого покрытия. Физическая сущность этого явления объясняется нами интенсивным испарением образуемых летучих веществ лака в процессе нанесения его на нагретую подложку. Это приводит к уменьшению количества микропустот в поверхностном слое образуемого покрытия и увеличению блеска поверхности.

Продолжительность прессования х4 влияет на блеск покрытия примерно в восемь раз меньше по сравнению с продолжительностью открытой выдержки слоя лака на нагретой подложке х3. Этот фактор оказывает прямо пропорционально влияние на блеск покрытия.

Продолжительность открытой выдержки нагретой подложки перед нанесением лака х2 влияет на блеск покрытия примерно в четыре раза меньше по сравнению с х3. Чем больше такая выдержка, тем ниже блеск получаемого покрытия. Это связано с уменьшением температуры подложки и снижением интенсивности испарения летучих веществ из лаковой пленки, что приводит к увеличению в поверхностном слое микропустот, снижающих блеск покрытия.

Подтверждением того, что на поверхности прозрачного лакового покрытия происходит образование микропустот, служат результаты анализа ' полученньрс электронных фотографий контролируемых поверхностей. На них четко различимы темные пятна, предположительно являющиеся местами выхода парогазовой смеси при формировании прозрачных матовых покрытий на. древесине. Качественная характеристика этих пятен показывает, что они имеют округлую форму и размер их в поперечнике составляет приблизительно 0,25 мкм.

На предлагаемый способ формирования на древесине матовых покрытий на основе водорастворимого лака было получено авторское

свидетельство на изобретение, которое впоследствии признано патентом Российской Федерации.

В седьмой главе приведены примеры практического применения полученных в диссертации теоретических и экспериментальных результатов.

Разработан метод оценки блеска (матовости) прозрачных матовых покрытий на древесине. За основу выбран фотоэлектрический метод определения блеска. Освещение контролируемой поверхности и фиксирование величины отраженного светового потока проводятся под углом в 60°.

Отраженный световой поток от поверхности лакового покрытия и подложки проходит через поляризационную пластинку, поворачивая которую, фотоэлементом фиксируют максимальную и минимальную величины светового потока. Разность показаний максимального и минимального значений характеризует световой поток, отраженный от участков покрытия, не содержащих микронеровности, по которому определяется блеск Б контролируемой поверхности.

Для практической реализации предложенного метода разработан фотоэлектрический блескомер ФБП, с помощью которого были проведены лабораторно-производственные исследования по определению блеска прозрачных лаковых покрытий. Результаты приборной оценки сравнивались с экспертной оценкой, полученной на основе проводимого экспертного опроса группы исследователей. Данные сравнения экспертной оценки с приборной по блескомеру ФБП для прозрачных матовых покрытий на древесине приведены в табл. 5.

Таблица 5

Результаты сравнения экспертной оценки с приборной по блескомеру ФБП _для прозрачных матовых покрытий на древесине

Порядковые номера

образцов по мере увеличения блеска по экспертной оценке

Коэффициент ранговой корреляции р по Спирмену

Показатель блеска образцов по прибору, усл.ед.

Порядковые номера образцов по мере возрастания приборных показаний

0,98, значим

Результаты экспертной оценки покрытий и сравнение их с оценкой по прибору ФБП показали пригодность предлагаемого метода и прибора для контроля блеска прозрачных матовых покрытий. На предложенный способ оценки блеска прозрачных лаковых покрытий на древесине и древесных

подложках было получено авторское свидетельство на изобретение, которое впоследствии признано патентом Российской Федерации.

Предложены варианты управления технологическими процессами формирования прозрачных матовых покрытий, обеспечивающих требуемую матовость на основе лаков, содержащих мелкодисперсные порошки, и на основе водорастворимого лака: 1)за счет изменения содержания матовой добавки в лаке, ее степени размешивания и определения седиментации ее после длительного хранения, а также изменения расхода лака, содержащего мелкодисперсные порошки; 2) за счет изменения временных интервалов выполнения каждой отдельной технологической операции отделки водорастворимым лаком, при которых формируется определенное количество остающейся влаги в неотвержденной лаковой пленке перед заключительной операцией термопрессования контактным нагревом.

Выполнено сопоставление теоретических расчетов блеска прозрачных матовых покрытий с результатами экспериментальных исследований. Расчеты показателя блеска выполнялись по формулам, полученным в результате проведенного теоретического исследования, экспериментальные исследования блеска прозрачных матовых покрытии проводились с использованием предлагаемого метода и прибора ФБП.

Результаты расчетов и экспериментальных данных сопоставлялись с данными экспертного опроса, проводимого экспертами на основе визуальной оценки поверхностей контролируемых образцов. Задача, которая ставилась перед каждым экспертом, состояла в ранжировании образцов по степени уменьшения или увеличения блеска покрытий. В табл. 6 приведены исходные данные и результаты сопоставления расчетов показателей блеска с результатами эксперимента для прозрачных матовых покрытий, сформированных лаками, содержащими мелкодисперсные порошки, и водорастворимым лаком. Как видно из табл. 6, получена хорошая согласованность оценочных показателей степени матовости прозрачных лаковых покрытий по предлагаемому прибору ФБП и по данным расчета. Если по этим оценочным показателям проранжировать образцы покрытий по мере увеличения степени матовости контролируемых поверхностей, то их порядковые номера совпадут с присвоенными в процессе проведенного экспертного опроса.

Сопоставление расчетов показателей блеска с результатами эксперимента показало хорошую согласованность экспертной оценки с показателями блеска по предлагаемому прибору и по данным расчета.

Полученные результаты теоретического и экспериментального исследований позволяют говорить о разработанных технологических основах исследования свойств исходных материалов и прозрачных матовых покрытий при формировании требуемой степени матовости контролируемых поверхностей.

В результате проведенной работы разработаны методы контроля свойств древесины и лакокрасочных покрытий, и получены конкретные

значения оптических показателей, характеризующих поглощение, направленное и диффузное отражение света от шероховатой поверхности лаковой • пленки на древесной подложке. Известные физические показатели оптических свойств подложек и лаков, а также требования, предъявляемые к прозрачным покрытиям, позволили разработать физико-математическую модель матового покрытия на древесине. Результаты, полученные на основе решения разработанной физико-математической модели, позволяют выработать рекомендации по подготовке подложки и лакокрасочного материала к отделке, а также по формированию прозрачного матового покрытия.

Таблица 6

Исходные данные и показатели блеска прозрачных лаковых покрытий с

различной степенью матовости контролируемых поверхностей

Условия изменения состава лаковой композиции или параметров технологического процесса Марка лака Уровни варьирования . фактора по условиям эксперимента Шероховатость контролируемой поверхности покрытия по параметру Иа, мкм Порядковые номера образцов по мере увеличения степени матовости покрытий по экспертной оценке Оценочный показатель степени матовости прозрачных лаковых покрытий определяемый

по формуле Б = 64,26- .е!2,58йа2 по блескомеру ФБП

Различное содержание матовой добавки, % § 0,1 0,2 8,9 12 15,4 0,22 0,24 0,30 0,34 0,39 1 2 3 4 5 34,95 31,13 20,71 15,01 9,48 32,83 27,46 21,53 16,51 8,53

Продолжительность размешивания матовой добавки, мин § ' & 120 90 60 30 15 0,25 0,27 0,30 0,32 0,41 1 2 3 4 5 34,44 25,68 20.71 17.72 7,75 31,28 27,82 21,66 16,74 8,81

Расход лака, г/м2 3 £ 100 120 140 0,24 0,22 0,22 1 1 1 31,13 34.95 34,95 32,51 33,45 33,54

1 ^ ^ гч 120 140 160 180 0,32 0,33 0,34 0,33 1 1 1 1 17,72 16,32 15,01 16,32 18,04 17,54 17,74 17,84

Количество влаги, улетучившейся из лаковой пленки, при различном времени выдерживания слоя водорастворимого лака на нагретой подложке, % § 25 20 15 10 0,20 0,35 0,42 0,53 1 2 3 4 38,85 13,76 6,98 1,87 36,54 12,32 8,31 2,23

Накопленные теоретические и экспериментальные данные позволяют целенаправленно использовать их для совершенствования технологических процессов отделки, включающих подготовку поверхности древесины и лакокрасочного материала, а также непосредственное формирование прозрачного матового покрытия на древесине. В результате изменения свойств древесной подложки, компонентного состава лака, параметров технологических операций отделки происходит изменение микропрофиля получаемых поверхностей и вместе с этим блеска покрытий.

Изучение формирования прозрачных матовых покрытий на древесине и вопросов теории поглощения, отражения и поляризации света на шероховатых поверхностях дало возможность предусмотреть целенаправленное воздействие на параметры технологического процесса или на свойства исходных материалов с целью изменения их первоначальных характеристик, влияющих на блеск покрытий. При этом можно получать заданный микропрофиль поверхности покрытия, характеризуемый стабильным блеском, гарантирующий эстетические качества отделанных деталей или изделий из древесины.

Разработанные технологические основы исследования свойств

--—-- —--- - - . ■ . .птлштл плт. Т. . . > > пчяпттт иг гт ТГ** Т ТГПТТ1Х 7У1У ТЧТТ Т ПЛ

т*Ли,ЦГиа1Л шах^шсишо К1 ^м^шхм.ил С

и экспериментального исследования поверхностей матовых покрытий, а также предложенная методика и прибор для определения степени матовости прозрачных матовых покрытий на древесине позволяют сделать вывод о решении поставленной цели диссертации.

Восьмая глава посвящена апробации результатов работы в производственных условиях. Приведены материалы практического использования при отделке деталей и изделий из древесины и древесных материалов, а также показатели ожидаемого экономического эффекта от внедрения результатов работы на мебельных и других предприятиях деревообработки.

Основные выводы и рекомендации

1. Разработана концепция построения исследований по изучению характера отражения света от поверхности защитно-декоративного покрытия на древесине. Она включает в себя теоретическое решение по расчёту интенсивности отраженного светового потока от шероховатой поверхности покрытия, оптико-геометрические модели прозрачных матовых покрытий на древесине и комплекс методических и экспериментальных приёмов и исследований, позволяющий получить критериальные параметры для математической модели. С помощью указанной концепции установлен ряд новых физических закономерностей формирования структуры и свойств матовых покрытий и исследованы процессы отражения и поглощения видимого излучения электромагнитных волн на шероховатой поверхности.

2. Разработан комплекс методов оценки оптических свойств покрытий и древесины, что впервые позволило оценивать такие показатели, как коэффициенты поглощения и диффузного отражения света лаковых плёнок, а также показатели преломления . света покрытием и макроскопическими элементами древесины различных пород. Установлено, что характер отражения света контролируемой поверхности существенно зависит от микроструктуры матового покрытия и от оптических показателей лаковых плёнок и древесины.

3. Установлено, что граничный слой системы древесина-покрытие обладает отличительным комплексом оптических свойств. Так, анатомические неровности, шероховатость и белизна древесины существенно влияют на оценку блеска контролируемых поверхностей покрытий. Учёт этого явления возможен с помощью обобщённого оптического показателя, характеризующего отражательные свойства подложки, находящейся под покрытием.

4. Получено уравнение для определения интенсивности отраженного света поверхностью прозрачного матового покрытия, учитывающее процессы поглощения, направленного и диффузного отражения света лаковой плёнкой и подложкой. Это уравнение с учётом поляризации видимого света при отражении от шероховатой поверхности позволяет оценить блеск прозрачных матовых покрытий при условии различных микронеоднородностей, наблюдаемых в объёме и поверхностном слое лаковой плёнки.

5. Построены оптико-геометрические модели прозрачных матовых покрытий, сформированных при наличии в составе лакокрасочного материала специальных добавок и веществ, позволяющих получать микронеоднородности в объёме и поверхностном слое покрытия.

6. Выполненный структурный анализ поверхности древесины позволил раскрыть механизм отражения света от границы раздела лаковое покрытие-подложка в условиях адгезионного контакта. Впервые получены для разных пород древесины показатели преломления света различных макроскопических элементов.

7. Разработан процесс отделки древесины водорастворимым лаком, включающий операции по предварительному нагреву подложки, открытой выдержки для равномерного распределения температуры на поверхности подложки, нанесения лака, открытой выдержки нанесённого лакового слоя и термопрессования путём контактного нагрева.

Для осуществления процесса отделки разработан типовой состав водорастворимой лаковой композиции, включающий в качестве плёнкообразователя карбамидоформальдегидную смолу, в качестве модификаторов бутадиен-стирольный каучук, поливиниловый спирт и поверхностно-активное вещество и в качестве растворителя - воду.

8. Установлено, что на технологические свойства лаков, содержащих мелкодисперсные порошки, влияют содержание матовой добавки; продолжительность её размешивания в основе лака и седиментация частиц

матовой добавки в процессе длительного хранения лака. В водорастворимом лаке - это содержание растворителя в лаковой композиции.

9. Установлена взаимосвязь таких параметров, как высота и шаг неровностей на изменение микропрофиля контролируемой поверхности и на степень матовости получаемого покрытия.

10. Построена математическая модель управления процессом отделки древесины, представляющая собой обобщённое уравнение, описывающее интенсивность отражения света от поверхности покрытия и древесной подложки, обеспечивающая получение заданного блеска защитно-декоративного покрытия.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах автора:

I. Разработка метода контроля степени матовости прозрачных лаковых покрытий//Научн. тр./Моск. лесотехн. ин-т- 1980,-Вып. 124.-С. 107-111.

• 2.0 методах оценки блеска матированных покрытий*// Деревообрабатывающая промышленность.- 1981.- №10 - С. 2-5.

3. Исследование возможностей применения щупсвых методов для оценки матовых покрытий// Научн. тр./ Моск. лесотехн. ин-т- 1981.- Вып. 117.-С. 57-61.

4. Исследование влияния светлоты подложки на показания прибора ФБ-2 при оценке блеска зеркальных лаковых покрытий// Научн. тр./ Моск. лесотехн. ин-т - 1981.-Вып. 140 - С. 39-42.

5. ГОСТ 16143-81 «Детали и изделия из древесины и древесных материалов. Метод определения блеска прозрачных лаковых покрытий».*-М.:

1981.

6. Руководящий технический материал «Древесина. Метод определения степени матовости прозрачных лаковых покрытий».*-М.: ВПКТИМ, 1981. -18 с.

7. A.c. № 943260 (СССР). Композиция для покрытий*//- Опубл. в Б.И.,

1982, №26.

8. ГОСТ 13639-82 «Детали и изделия из древесины и древесных материалов. Метод определения толщины прозрачных лаковых покрытий».*-М.: 1983.

9. Водорастворимая лаковая композиция для древесины*// Тезисы докладов XIV научн.-техн. конференции: «Научно-технический прогресс в лесной и деревообрабатывающей промышленности»,- УкрНПДО, Киев, 1983 -с. 83.

10. Оценка блеска матированных лаковых покрытий фотоэлектрическимиблескомерами//Научн. тр./Моск. лесотехн. ин-т - 1983-Вып. 149 - С. 52-55.

II. Методические рекомендации. Древесина. Метод определения степени матовости прозрачных лаковых покрытий.*- М.: МЛТИ, 1983.- 18 с.

-4512. Методические указания на метод определения показателя преломления прозрачных лаковых покрытий для древесины.*- М.: МЛТИ, 1984,- 16 с.

13. Метод определения толщины прозрачных лаковых покрытий*// Деревообрабатывающая промышленность.- 1984.-№4.- С. 8-10.

14. Метод определения показателя преломления прозрачных лаковых покрытий*// Деревообрабатывающая промышленность - 1984.- №7,- С. 9-10.

15.06 оценке блеска поверхностей ламинированных древесностружечных плит// Научн. тр./ Моск. лесотехн. ин-т.- 1984 - Вып. 161.-С. 82-84.

16. Модифицированная карбамидоформальдегидная смола для отделки древесины и древесных материалов*//Изв. ВУЗ. Лесн. журн., 1985.- №3 - С. 82-85.

17. К вопросу применения поверхностно-активных веществ в водорастворимых лакокрасочных материалах// Научн. тр./ Моск. лесотехн. инт.- 1985.- Вып. 170.- С. 65-69.

18. К вопросу получения защитно-декоративных покрытий на основе модифицированных аминоальдегидных олигомеров*// Научн. тр./ Моск. лесотехн. ин-т - 1986,- Вып. 178 - С. 59-62.

19. К вопросу выбора предварительного нагрева древесины при отделке лаками на основе водорастворимых пленкообразователей*// Научн. тр./ Моск. лесотехн. ин-т - 1987-Вып. 190,-С. 52-55.

20. Влияние температуры агента сушки на цветовые характеристики древесины*// Научн. тр./ Моск. лесотехн. ин-т.- 1988,- Вып. 201- С. 52-56.

21. A.c. № 1383166 (СССР). Способ оценки блеска прозрачных лаковых покрытий на древесине и древесных подложках//- Опубл. в Б.И., 1988, № 11. Патент Российской Федерации от 1.09.93 г.

22. A.c. № 1430299 (СССР). Способ отделки древесных материалов*//-Опубл. в Б.И., 1988, № 38.

23. Исследование влияния светлоты подложки на показания фотоэлектрических блескомеров при оценке блеска прозрачных лаковых покрытий// Тезисы докладов научн.-техн. конференции: «Перспективные материалы, конструкции и технологии в производстве мебели и столярно-строительных изделий»,- Стара Загора, Болгария: 1988,- С. 25.

24. К вопросу определения относительного показателя преломления света древесиной// Материалы семинара по проблемам древесиноведения - М.: 1989,-с. 26-32.

25. К вопросу получения различного блеска прозрачных покрытий на основе модифицированной водорастворимой карбамидоформальдегидной смолы*// Научн. тр./ Моск. лесотехн. ин-т - 1989 - Вып. 214 - С. 84-87.

26. A.c. № 1551564 (СССР). Способ образования на древесине матовых покрытий*//- Опубл. в Б.И., 1990, № 11. Патент Российской Федерации от 9.12.93 г.

27. К вопросу отделки древесины лаком на основе водорастворимых пленкообразователей*// Тезисы докладов научн.-техн. конференции:

«Совершенствование ресурсосберегающих технологий и охраны окружающей среды лесопромышленных предприятий», Ивано-Франковск, 1990,- С. 79.

28. К вопросу отделки древесины водорастворимыми лаками на основе модифицированной карбамидоформальдегидной смолы*// Научн. тр./ Моск. лесотехн. ин-т,- 1990,- Вып. 225 - С. 145-149.

29. Водоразбавляемый лак для отделки древесины и древесных материалов*// Тезисы докладов научн.-техн. конференции: «Современные направления создания высококачественной и экологически чистой продукции в деревообрабатывающей промышленности», Киев, 1991,-С. 105.

30. Оценка блеска прозрачных лаковых покрытий//Изв. ВУЗ. Лесн. журн., 1990, №6,- С. 53-58.

31. Метод оценки блеска прозрачных лаковых покрытий на древесине*// Деревообрабатывающая промышленность - 1992,- №3 - С. 5-7.

32. Исследование белизны поверхности древесины при различных видах нагрева*// Научн. vpJ Моск. лесотехн. ин-т.-1991- Вып. 235.- С. 77-83.

33. К вопросу выбора модификаторов карбамидоформальдегидной смолы при приготовлении лаковой композиции для отделки древесины*// Научн. тр./ Моск. лесотехн. ин-т.- 1991- Вып. 242.- С. 144-149.

34. Исследование характера изменения температуры и кинетики выделения газообразных продуктов в процессе получения защитно-декоративных покрытий на основе водоразбавляемого лака МКФЛ*// Научн. тр./ Моск. лесотехн. ин-т -1993.- Вып. 254 - С. 139-146.

35. Оборудование для отделки изделий из древесины*//М.: Лесная пром-ть, 1984- 144 с.

36. Методические указания к выполнению учебно-исследовательских работ по дисциплине «Технология защитно-декоративных покрытий древесины и древесных материалов»*//-М.: МЛТИ, 1989- 40 с.

* В соавторстве

/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА

Совершенствование технологических процессов формирования прозрачных матовых покрытий на древесине

Специальность: 05.21.05 - «Технология и оборудование деревообрабатывающих производств; древесиноведение»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

РЫБИН

Борис Матвеевич

Москва - 1998 г.

- 2 -Содержание

Введение................................................................................. 9

Глава 1. Оценка и прогнозирование блеска прозрачных матовых

защитно-декоративных покрытий...................................... 26

1.1. Физическая сущность блеска и его связь с микрогеометрией технических поверхностей.................................................... 26

1.2. Внешний вид лаковых покрытий и их оптические свойства............ 28

1.3. Способы формирования матовых покрытий с различной степенью блеска............................................................................... 33

1.4. Методы оценки блеска прозрачных лаковых покрытий.................. 36

1.5. Выводы. Цель и задачи исследования....................................... 51

Глава 2. Разработка математической модели прогнозирования блеска

прозрачных матовых покрытий на древесине............................55

2.1. Выявление важнейших факторов, влияющих на отражение света прозрачным лаковым покрытием и древесной подложкой............. 55

2.2. Отражение, поглощение и пропускание света однослойными прозрачными лаковыми покрытиями на древесных подложках....... 60

2.3. Установление природы зеркального отражения света от поверхностей прозрачных лаковых покрытий............................. 71

2.4. Поляризация светового потока при отражении от поверхности прозрачного лакового покрытия............................................. 76

2.5. Выявление отражательной способности прозрачных матовых покрытий сформированных на основе лаков содержащих мелкодисперсные порошки.................................................... 84

2.5.1. Выявление важнейших факторов, влияющих на степень матовости прозрачных матовых покрытий............................... 84

2.5.2. Матовые добавки применяемые в отечественных лаках............... 87

2.5.3. Структура прозрачного защитно-декоративного покрытия, содержащего матовые добавки.............................................. 93

2.5.4. Отражательная способность прозрачного защитно-декоративного

покрытия, содержащего матовые добавки.............................. 120

2.6. Выявление отражательной способности прозрачных матовых покрытий, сформированных на основе водорастворимых лаков..... 127

2.6.1. Физическая сущность получения матовых покрытий на основе водорастворимых лаков....................................................... 127

2.6.2. Установление важнейших факторов, влияющих на технологические режимы отделки древесины и свойства получаемых покрытий на основе водорастворимых лаков.............................................................................. 132

2.6.3. Математическое описание и решение задачи предварительного нагрева мебельного щита лучистым потоком тепла.................... 137

2.6.4. Структура прозрачного матового покрытия, сформированного на основе водорастворимого лака.............................................. 147

2.7. Выводы.............................................................................. 155

Глава 3. Разработка методик оценки декоративных свойств древесины и

прозрачных лаковых покрытий......................................... 157

3.1. Направление экспериментальных исследований........................... 157

3.2. Методика определения краевого угла смачивания лакокрасочного материала на древесной подложке........................................... 159

3.3. Методика определения относительного показателя преломления света прозрачным лаковым покрытием и древесиной................... 165

3.4. Методика определения толщины прозрачных лаковых покрытий на древесине.......................................................................... 168

3.5. Методика фотометрической оценки прозрачных лаковых покрытий. 178

3.6. Методика оценки шероховатости поверхности прозрачных лаковых покрытий........................................................................... 183

3.7. Методика визуальной оценки отражательной способности прозрачных лаковых покрытий на древесине.............................. 188

3.7.1. Особенность зрительного восприятия при визуальной оценке

оптических свойств поверхностей........................................... 188

3.7.2. Допускаемое отклонение угла наблюдения при сравнительной

оценке поверхностей матовых покрытий................................. 191

3.8. Применение метода экспертных оценок при сравнении

поверхностей различных матовых покрытий.............................. 196

Глава 4. Структура и оптические свойства поверхности древесины и

прозрачных покрытий.................................................... 200

4.1. Структура поверхности древесины........................................... 200

4.1.1. Характеристика внешнего вида древесины.............................. 200

4.1.2. Блеск и белизна поверхности древесины................................. 204

4.2. Показатели оптических свойств прозрачных лаковых покрытий и древесины......................................................................... 208

4.2.1 Показатель преломления света древесиной.............................. 208

4.2.2 Показатель преломления света прозрачным лаковым покрытием... 209

4.2.3. Коэффициент пропускания светового потока лаковой пленкой...... 215

4.2.4. Коэффициент диффузного отражения света поверхностью прозрачного лакового покрытия............................................ 218

4.3. Выявление отражательной способности прозрачных лаковых покрытий при различных углах падения-отражения света............. 226

4.4. Выявление возможности оценки матовых лаковых покрытий параметрами шероховатости.................................................. 234

4.5. Установление влияния шероховатости и анатомических неровностей подложки на отраженный световой поток фиксируемый блескомером................................................... 240

4.6. Выводы.............................................................................. 255

Глава 5. Выявление важнейших технологических факторов, влияющих

на степень матовости прозрачных лаковых покрытий содержащих мелкодисперсные порошки............................. 257

5.1. Влияние содержания матовой добавки в жидкой лаковой композиции на степень матовости прозрачного покрытия............. 257

5.2. Влияние степени размешивания матовой добавки в основе лака на

матовость прозрачного покрытия............................................ 272

5.3. Влияние процесса седиментации частиц матовой добавки в жидкой лаковой композиции на степень матовости прозрачного покрытия.. 276

5.4. Влияние расхода лаков на матовость прозрачных покрытий............ 289

5.5. Выводы.............................................................................. 298

Глава 6. Разработка состава композиции и установление важнейших

технологических факторов, влияющих на отделку древесины водорастворимым лаком................................................. 299

6.1. Выбор модификаторов карбамидоформальдегидной смолы при приготовлении лаковой композиции для отделки древесины......... 299

6.2. Определение поверхностного натяжения водных растворов поверхностно-активных веществ............................................. 309

6.3. Установление белизны поверхности древесины при различных видах нагрева................................................................... 313

6.4. Установление характера изменения температуры и кинетики выделения газообразных продуктов в процессе получения защитно-декоративных покрытий на основе водорастворимого лака.................................................................................. 318

6.5. Установление блеска прозрачных защитно-декоративных покрытий

на основе водорастворимого лака............................................ 328

6.6. Выводы.............................................................................. 331

Глава 7. Управление технологическим процессом отделки древесины с

целью прогнозирования блеска прозрачных матовых покрытий..................................................................... 334

7.1. Управление технологическим процессом отделки древесины лаками, содержащими мелкодисперсные порошки, при получении требуемой степени матовости покрытий................................. 334

7.2. Управление технологическим процессом отделки древесины водорастворимым лаком при получении требуемой степени матовости покрытий............................................................ 339

7.3. Разработка технологических основ прогнозирования блеска

прозрачных матовых покрытий на древесине............................. 343

7.3.1. Разработка метода оценки блеска прозрачных матовых покрытий.. 343

7.3.2. Сопоставление теоретических расчетов блеска прозрачных матовых покрытий с результатами экспериментальных исследований................................................................... 354

7.3.3. Разработка технологических основ исследования свойств исходных материалов и прозрачных матовых покрытий при получении требуемой степени матовости контролируемых поверхностей.................................................................... 374

7.4. Выводы.............................................................................. 387

Глава 8. Апробация результатов работы в производственных условиях... 389

8.1. Практическое использование результатов работы при отделке деталей и изделий из древесины и древесных материалов............. 389

8.2. Экономическая эффективность от внедрения результатов работы.... 393

Основные выводы и рекомендации................................................ 396

Список литературы................................................................... 399

Приложение 1. Результаты расчета количества частиц матовой добавки,

находящейся в лаковом покрытии, в ьом заполненном слое образованной объемной структуры.......................................... 415

Приложение 2. Результаты расчета температуры на поверхности и внутри щита из древесностружечной плиты от продолжительности нагрева ИК-излучением с различной плотностью теплового потока 417 Приложение 3. Акт на законченную НИР «Разработка требований и методов определения степени матовости прозрачных лаковых

покрытий. Разработка проекта РТМ»....................................... 422

Приложение 4. Методические рекомендации «Древесина. Метод

определения степени матовости прозрачных лаковых покрытий»... 423 Приложение 5. Протокол № 12а заседания Художественно-технической

секции НТС Минлеспрома СССР от 27 июня 1979 г................... 433

Приложение 6. Акт производственных испытаний метода определения толщины прозрачных лаковых покрытий на основе биологического

микроскопа «Биолам 70 Р-2» от 3 ноября 1981 г. (ММСК-2).......... 436

Приложение 7. Акт производственных испытаний метода определения толщины прозрачных лаковых покрытий на основе биологического

микроскопа «Биолам 70 Р-2» от 13 ноября 1981 г. (ММСК-1)......... 438

Приложение 8. Акт производственных испытаний метода определения толщины прозрачных лаковых покрытий на основе биологического

микроскопа «Биолам 70 Р-2» от 25 ноября 1981 г. (ММФ-3).......... 440

Приложение 9. Методические указания на метод определения показателя преломления прозрачных лаковых покрытий для

древесины......................................................................... 442

Приложение 10. Акт производственных испытаний метода определения блеска прозрачных лаковых покрытий на древесине и древесных подложках фотоэлектрическим блескомером с углом падения-

отражения света 60°............................................................. 449

Приложение 11. Авторское свидетельство № 1383166 на изобретение: «Способ оценки блеска прозрачных лаковых покрытий на

древесине и древесных подложках»........................................ 453

Приложение 12. Патент № 1383166 на изобретение: «Способ оценки блеска прозрачных лаковых покрытий на древесине и древесных

подложках»........................................................................ 454

Приложение 13. Авторское свидетельство № 943260 на изобретение:

«Композиция для покрытий»................................................. 455

Приложение 14. Технический акт лабораторно-производственных испытаний лаковых композиций на основе модифицированных водорастворимых карбамидоформальдегидных олигомеров от 6

января 1986 г..................................................................... 456

Приложение 15. Авторское свидетельство № 1551564 на изобретение:

«Способ образования на древесине матовых покрытий»............... 464

Приложение 16. Патент № 1551564 на изобретение: «Способ

образования на древесине матовых покрытий»........................... 465

Приложение 17. Технические условия на опытную партию

водоразбавляемого лака МКФ Л.............................................. 466

Приложение 18. Технический акт производственных испытаний создания различного по блеску защитно-декоративного покрытия

на основе водоразбавляемого лака МКФЛ от 4 сентября 1989 г...... 475

Приложение 19. Технический акт производственных испытаний создания различного по блеску защитно-декоративного покрытия на основе водоразбавляемого лака МКФЛ от 12 сентября 1989 г. ... 478 Приложение 20. Акт производственных испытаний от 10 марта 1989 г. 481 Приложение 21. Заключение по санитарно-гигиеническому

обследованию цехов ПО «Гигант» от 3 июля 1989 г.................... 482

Приложение 22. Заключение по санитарно-гигиеническому

обследованию цехов ПО «Гигант» от 5 июля 1989 г.................... 483

Приложение 23. Акт об использовании результатов диссертационной

работы Б.М. Рыбина в учебном процессе МГУЛеса..................... 484

Приложение 24. Расчет экономического эффекта на Таганрогском мебельном комбинате от уменьшения пропуска брака на операциях отделки деталей мебели при использовании метода оценки блеска

прозрачных лаковых покрытий............................................... 485

Приложение 25. Расчет условно-годового экономического эффекта от внедрения линии отделки мебельных щитов водоразбавляемым

лаком МКФЛ на Калужском СМК «Гигант»............................... 487

Приложение 26. Расчет условно-годового экономического эффекта от внедрения линии отделки мебельных щитов водоразбавляемым лаком МКФЛ на Лев-Толстовской мебельной фабрике................. 494

- 9 -ВВЕДЕНИЕ

Защитно-декоративные покрытия находят широкое использование при отделке древесины и древесных материалов. Разнообразие текстуры древесных пород позволяет широко применять бесцветные прозрачные покрытия. В настоящее время сохраняется тенденция отделки деталей и изделий мебели жидкими лакокрасочными материалами, дающими тонкослойные покрытия с диффузным отражением света, исключающими операции облагораживания их поверхностей. Перспективность их применения связана с уменьшением расхода лакокрасочных материалов и сокращением трудоемкости отделки деталей и изделий из древесины. Приглушенный блеск таких покрытий позволяет улучшить эстетические качества контролируемых отделанных поверхностей, которые находятся в прямой зависимости от равномерности структуры и блеска покрытия.

Декоративные свойства и в первую очередь блеск таких покрытий определяется микропрофилем сформированных поверхностей и зависит от многих факторов, связанных со свойствами древесной подложки, компонентным составом лаков, технологическим процессом отделки и его режимными параметрами. Стабильность получения блеска покрытий с помощью матовых лаков - одна из главных задач при отделке деталей и изделий из древесины и древесных материалов. Эта задача входит в разряд управления технологическим процессом отделки с целью получения необходимого блеска покрытий.

В экспериментальном плане задача сводилась к изучению оптических характеристик и микрогеометрии каждого элемента системы древесина -покрытие по отдельности и в их непосредственной связи.

Поверхностный слой древесины с точки зрения его микрогеометрии, а также оптических характеристик изучались учеными разных стран. Большой вклад внесли работы: Г. Шмальца, Л.М. Перелыгина, Б.М. Буглая,

Б.Н. Уголева, В.И. Онегина, Б.К. Лакатоша, Н.М. Бессоновой, Е.В. Жукова, I. Liptak, С.Н. Зигельбойма.

Микрогеометрия и оптические характеристики древесины для нас представляют особый интерес, поскольку поверхностный слой древесины вступает в адгезионный контакт с лакокрасочным материалом и влияет на качественные характеристики защитно-декоративных покрытий. В этом аспекте, до настоящей работы, подобных исследований не проводилось.

Поверхностный слой наиболее контрастно отражает все особенности строения древесины: капиллярно-пористое строение, анизотропию в различных направлениях, сложный химический состав. Особый интерес вызывает изучение оптических характеристик отдельных структурных элементов древесины. Это слои ранней и поздней древесины, сердцевинные лучи, сердцевинные повторения.

Вопросы формирования декоративных свойств лакокрасочных покрытий привлекали и продолжают привлекать внимание большого числа ученых. Большой вклад в развитие и создание физических основ формирования оптических свойств защитно-декоративных покрытий внесли работы: Г. Шмальца, Б.М. Буглая, А.Г. Самарцева, М.М. Гуревича, Э.Ф. Ицко, М.М. Середенко, Т.О. Брилл, Г.Н. Егорова, Г.Т. Лутошкиной, В.И. Онегина, Б.Л. Рубинштейна, Т.А. Матвеевой, Е.А. Каневской, Г.Н. Стокдейла, С. Бисмарка, Л. Мельдорна, С.Н. Зигельбойма, Л.В. Мицай, Я.Т. Шмит, Г.Г. Соловьева, B.C. Хазанова, И.И. Блоштейна, Р. Хантера, Д. Джадда, С. Бакан, Г. Колоевари и др.

Фундаментальные исследования в изучении оптических свойств технических поверхностей выполнили П. Бугер, О. Френель, A.A. Гершун, М. Борн, Э. Вольф, Г.М. Городинский, A.C. Топорец, H.A. Войшвило, М.М. Гуторов, В.К. Полянский, А.П. Пришивалко, Ф.Г. Басс, И.М. Фукс, В.А. Кизель, Р. Kubelka, F. Münk, S.Q. Duntley и др.

Накоплен богатый экспериментальный и теоретический материал, однако до сих пор отсутствует обобщенный подход к изучению факторов, влияющих на изменение блеска прозрачных матовых покрытий на древесине.

Условия эксплуатации покрытий и �