автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Создание защитно-декоративных покрытий древесины на основе модифицированных водно-дисперсионных лакокрасочных материалов

Соколова Виктория Александровна

СОЗДАНИЕ ЗАЩИТНО-ДЕКОРАТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ ДРЕВЕСИНЫ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ВОДНО-ДИСПЕРСИОННЫХ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Соколова Виктория Александровна

СОЗДАНИЕ ЗАЩИТНО-ДЕКОРАТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ ДРЕВЕСИНЫ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ВОДНО-ДИСПЕРСИОННЫХ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре технологии деревообрабатывающих производств Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М. Кирова.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Цой Ю. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Сергесвичев В.В.

кандидат технических наук, профессор Ветошкин Ю.И.

Ведущая организация: ОАО "УРАЛНИИПДРЕВ"

Защита состоится 21 июня 2006 юда в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.220.03 при Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М. Кирова по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., д. 5, Главное здание, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии

Автореферат разослан " " мая 2006 г.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ ВИВЛИОНКЛ C.-flerepítypr ОЭ 200 ¿кт

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Аниеимов Г М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Быстрый прогресс водно-дисперсионных лакокрасочных материалов (ВДЛКМ) из группы водоразбавляемых обусловлен рядом их преимуществ по сравнению с другими из разряда экологически безопасных лакокрасочными материалами (ЛКМ). Они обеспечивают возможность низкотемпературной сушки вплоть до комнатной температуры, позволяют, в отличие от них, а также от материалов с высоким сухим остатком, полностью исключить применение органических растворителей, по сравнению с порошковыми не требуют коренного переоснащения окрасочных участков.

Особенности отделки ВДЛКМ изделий из древесины связаны со спецификой водных композиций и древесины как гидрофильного и пористого субстрата. Они включают: набухание волокон в воде, фиксацию, "проявление текстуры" древесины на поверхности покрытия (Пк) и трудности получения Пк "под пластик"; возможное растрескивание и отслаивание Пк от обогащенных смолой участков поверхности древесины (сучки, годовые кольца и пр.); неравномерное набухание волокон в воде и изменение в некоторых случаях характерного для данной породы рисунка; изменение в некоторых случаях цветового оттенка Пк вследствие так называемого "таннинового окрашивания", возникающего из-за проникновения из древесины водорастворимых окрашенных веществ, особенно интенсивно происходящего при получении Пк на поверхности изделий из кедра, красного дерева и подобных им пород.

В настоящее время в развитых странах доля ВДЛКМ в общем объеме производства составляет 45-90% (лидирует Германия), в то время как в России она не превышает 20%.

Ассортимент водно-дисперсионных лакокрасочных композиций в настоящее время очень велик. Однако следует отметить, что большая часть выпускаемых во всем мире водно-дисперсионных лакокрасочных материалов приходится на три основных вида: стирол-бутадиеновые, поливинилацетатные и акрилатные составы.

В последние годы доля поливинилацетатных лакокрасочных материалов находится примерно на одном уровне, стирол-бутадиеновых неизменно понижается, а акрилатных материалов резко возрастает. Это связано с ограниченностью применения и быстрым старением стирол-бутадиеновых композиций и с высоким качеством акрилатных, хотя последние и наиболее дороги (что связано с высокой стоимостью акриловых мономеров).

Водные акриловые ЛКМ обеспечивают возможность получения лакокрасочного покрытия высокой механической прочности и с хорошими показателями атмосферо-, влаго-, морозостойкости, а также стойкости к УФ-излучению я циклическому перепаду температуры. Акриловые ЖМ характеризуются высокой адгезией к поверхности древесины, а соответствующие лакокрасочные покрытия хорошими величинами показателей паропроницаемости и эластичности. Кроме того, компоненты этих ЛКМ водоразбавляемы и безопасны для окружающей среды. Перечисленные достоинства водных акриловых ЛКМ обусловливают их широкое применение при отделке окоп, наружных дверей и других строительных конструкций. Стирол-акрилатные латексы сохраняют практически все преимущества акрилатов при более низкой стоимости, но характеризуются невысокой твердостью и износостойкостью.

Таким образом, эффективное использование ВДЛКМ для отделки древесины связано с решением большого круга вопросов, как технологических, так и технических.

Из вышесказанного видно, что проблема создания защитно-декоративных покрытий древесины на основе водно-дисперсионных лакокрасочных материалов является весьма актуальной и своевременной.

Цель работы - повышение качества защитно-декоративных покрытий древесины при отделке водно-дисперсионными лакокрасочными материалами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка рационального состава модифицированного лакокрасочного материала, обладающего высокой твердостью и теплостойкостью покрытия;

2. Изучение физико-химических особенностей пленкообразования на подложках из сосны и осины на основе разработанных водно-дисперсионных лакокрасочных композиций;

3. Проведение санитарно-эпидемиологической экспертизы разработанного ВДЛКМ;

4. Проведение промышленной апробации разработанного ЛКМ для отделки изделий из древесины в производственных условиях;

5. Определение технико-экономической эффективности использования разработанного ЛКМ.

Научная новизна результатов:

1. Различия анатомического и химического строения древесины осины и сосны обусловливают различный физический процесс пленкообразования, а именно, при формировании покрытия на древесине осины преобладает диффундирующая составляющая компонентов водно-дисперсионного лака, а на древесине сосны - испаряющая составляющая.

2. Процесс пленкообразования при формировании попытай на основе разработанного водно-дисперсионного лакокрасочного материала на подложках из древесины осины и сосны сопровождается адгезионным взаимодействием между лакокрасочным материалом и подложкой с образованием, в основном, водородных связей.

Научные гипотезы, выносимые иа защиту:

1. Механизм пленкообразования на основе водно-дисперсионных лакокрасочпых материалов может быть рассмотрен как процесс десорбции молекул с поверхности жидкости.

2. Закономерности формирования адгезионного контакта между водно-дисперсионным лаком и древесиной подчиняются основным положениям молекулярно-адсорбционной теории адгезии.

Обоснованность и достоверность результатов исследования:

Достоверность предложений и выводов подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований. Выводы теоретического плана базировались на результатах математического анализа существа проблемы. Полученные в результате теоретических исследований

зависимости согласуются с положениями таких основополагающих наук и дисциплин как физика и физико-химические основы процессов деревообработки.

Результаты экспериментальных исследований контролировали но характеру зависимостей, полученных в результате обработки экспериментальных данных.

Регрессионные модели достаточно точно воспроизводят описываемые явления, а их адекватность подтверждается в соответствии с общепринятыми методиками.

Значимость результатов исследований для науки и практики:

- Результаты исследований кинетики отверждения ВДЛКМ на различных древесных подложках (сосна, осина) позволили раскрыть различный механизм процесса пленкообразования, обусловленный физико-химическими и анатомическими особенностями древесины хвойных и лиственных пород;

- Формирование защитно-декоративного покрытия из ВДЛКМ на подложках из древесины различных пород представляет собой физический процесс испарения растворителей, сопровождаемый образованием адгезионных водородных связей;

- Разработанный рациональный состав водно-дисперсионной лакокрасочной композиции для отделки изделий из древесины обеспечивает получение покрытий с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками;

- Положительные результаты санитарно-эпидемиологической экспергшы разработанного лакокрасочного материала, согласно которой данный состав по параметрам острой токсичности относится к классу малоопасных веществ;

- Режим отделки древесины разработанной водно-дисперсионной лакокрасочной композицией полностью вписывается в действующие па производстве технологические режимы.

Место проведения. Работа выполнена на кафедре технологии деревообрабатывающих производств Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М. Кирова. •

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и рассмотрены на ежегодных научно-технических конференциях СПбГ'ЛТА в 2003-2005 гг.

Основные результаты работы опробированы и рекомендованы к внедрению на ЗАО "ЗСК ИНКОН", ЗАО "ПСБ-ГЭМ-ХОЛЬЦ".

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 6 научных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения, библиографического списка из 93 наименований, содержит 137 страниц основного текста, 29 рисунков, 32 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научные гипотезы, выносимые на защиту. Раскрывается научная новизна работы, значимость ее для науки и практики. Содержатся данные о месте проведения и апробации работы, внедрения результатов в промышленность, структуре и объеме диссертации.

В первом разделе по литературным источникам приведены общие сведения о водно-дисперсионных лакокрасочных материалах на основе стирол-акрилатных и акриловых латсксов, их свойствах и применении в деревообрабатывающей промышленности, рассмотрены вопросы модификации стирол-акрилатных и акриловых латексов.

Вопросами разработки составов водно-дисперсионных лакокрасочных композиций, улучшения их физико-химических свойств, технологических режимов отделки ими изделий из древесины занимаются в МГУЛе, СПбГЛТА, СПбГТУ, УРАЛНИИПДРЕВе, УГЛТУ, Антагоре, Эмлаке и других организациях.

Технологией изготовления водно-дисперсионных и водорастворимых ЛКМ, разработкой путей регулирования их свойств и покрытий на их основе занимаются И.А. Толмачев, В.В. Верхоланцев, В.И. Кузьмичев, Р.К. Абрамян, М.П. Чагин.

Вопросы модификации водно-дисперсионных лакокрасочных материалов для отделки изделий из древесины исследовали В.И. Онегин, В.А. Винославский, Б.М Рыбин, А.Г. Черных, Ю.И. Ветошкин.

Анализ работ, посвященных разработке новых ВДЛКМ, показал, что в настоящее время в развитых странах доля ВДЛКМ в общем объеме производства составляет 45-90%, а в России около 20%, большая часть выпускаемых водно-дисперсионных лакокрасочных материалов приходится на следующие основные виды: бутадиенстирольные, стирол-акрилатные и акриловые составы. Акриловые дисперсии составляют большую часть всех ВДЛКМ и, несмотря на более высокую стоимость, чаще других используются для отделки различных материалов. Стирол-акрилатные латексы обладают практически всеми преимуществами акрилагов при более низкой стоимости, однако уступают им по таким показателям, как твердость, износостойкость покрытия. Таким образом, вопросы применения стирол-акрилатных и акриловых ВДЛКМ для получения лакокрасочных покрытий древесины с повышенными физшсо-механическими и эксплуатационными характеристиками представляются весьма актуальными и своевременными.

Во втором разделе 'Теоретические исследования кинетики пленкообразования при формировании покрытий на древесине из водно-дисперсионных лакокрасочных материалов" рассмотрены теоретические вопросы формирования покрытий из водных дисперсий полимеров.

Лакокрасочные материалы водно-дисперсионного типа характеризуются наличием двух фаз: твердой — полимера и добавок (пигменты, ПАВ) и жидкой — воды. При формировании покрытий посредством испарения воды различают три стадии. Первая стадия - стадия образования промежуточного геля -характеризуется сближением частиц и усилением взаимодействия между ними. Вязкость материала резко повышается, он становится пастообразным; содержание жидкой фазы в нем не превышает 20 30%. Этот процесс носит обратимый характер. Скорость испарения воды на этой стадии примерно постояшга и близка к скорости испарения ее со свободной поверхности.

Вторая стадия - синерезис (сжатие) промежуточного геля. При этом происходит дальнейшее удаление воды из пленки и разрушение имеющихся на поверхности глобул адсорбционно-гидратных оболочек. Коагуляционные контакты между частицами заменяются на конденсационные. Частицы деформируются: теряют шарообразную форму и принимают вид плотно уложенных многогранников. Образуется так называемая псевдопленка.

Третью стадию составляют аутогезиошше процессы, заключающиеся в ликвидации межфазной границы, т. е. слиянии глобул. При этом содержащиеся на их поверхности ПАВ либо растворяются в полимере, либо вытесняются из межглобулярного пространства, образуя самостоятельную фазу.

Для изучения кинетики пленкообразования из водно-дисперсионных лакокрасочных композиций (рассматриваемого нами как физический процесс испарения растворителей с образованием промежуточного геля и последующей ликвидации межфазной границы между глобулами) была использована теоретическая модель десорбции молекул с поверхности жидкости.

Физическое объяснение модели основывается на аналогии процесса испарения с поверхности жидкости с вылетом молекул с поверхности твердого тела. Оба процесса связаны с наличием ближнего порядка в расположении молекул в веществе, что определяет работу выхода для испаряющихся молекул. Из физической модели процесса испарения получена теоретическая зависимость массы летучей части от температуры и времени исларепия:

М(г;Т) = Мехр(-^)(1-ехр(-1-)), (1)

где I - время, мин;

Т - температура испарения, °К;

М, 1щ„ Тхч, - параметры модели.

Зависимость интенсивности испарения от времени при определенной температуре задается формулой:

у(1,Т) = М- ехр(-^) ехр(--М. (2)

хар * {хар

Коэффициент летучести К (интенсивность испарения в начальный момент времени), г/мин, не зависит от толщины слоя лака на подложке, а зависит от температуры среды:

К=^ехр (3)

'■хор *

Рассмотренные математические модели были использованы при исследовании термодинамических процессов, вопросов пленкообразования и кинетики испарения растворителей при формировании лакокрасочных покрытий на древесине и древесных материалах.

При нанесении лакокрасочных материалов на подложки из разных пород древесины могут иметь место физико-химические различия в пленкообразовании, что может повлиять на качество покрытия. При выявлении таких различий необходимо корректировать режимы отделки.

Для выявления физико-химических особенностей в пленкообразовании на подложках из сосны и осины необходимо провести следующие исследования:

- изучение энергетических характеристик исследуемых материалов;

- исследования по определению энергии испарения при отверждении лакокрасочных материалов;

- исследования кинетики пленкообразования на основе разработанных водно-дисперсионных лакокрасочных композиций.

Предпосылками к проведению этих исследований послужили данные о существенном отличии древесины осины и сосны как по строению, так и по химическому составу.

Для проведения исследований были разработаны 3 состава лакокрасочных материалов. Первый состав на основе стирол-акрилатного латекса Ш, 420 Е, порошкового полимера ОТ.Р 110 и полиуретановой дисперсии Иеогея 1?-974, второй - на основе стирол-акрилатного латекса БЬ 420 Е и третий - на основе полиуретановой дисперсии №огез 11-974.

Результаты изучения энергетических характеристик разработанного ВДЛКМ (состав №1) представлены на рисунке 1.

Поверхностное натяжение, Н/м

Рис. 1. Определение критического поверхностного натяжения разработанного

ВДЛКМ (состав №1) 1 - подложка сосна; 2 - подложка осина.

Работа адгезии разработанного ВДЛКМ (состав №1) составляет 83,13 мДж/м2 на подложке из древесины осины и 87,05 мДж/м2 на подложке из древесины сосны.

Анализ результатов исследований показал, что адгезионные характеристики ,

разработанных составов ниже соответствующих показателей полиуретановой дисперсии NeoR.es Я-974 120 мДж/м2 - подложка сосна; Wa=: 173 мДж/м2 -подложка осина) и выше, чем у акриловой дисперсии БЬ 420 Е = 37,6 мДж/м2 >

- подложка сосна; \Уа= 49,4 мДж/м2 - подложка осина). Из практики известно, что защитно-декоративные покрытия на полиуретановых лакокрасочных составах отличаются более высокими прочностными и эксплуатационными характеристиками, чем на акриловых композициях, что и подтверждается результатами данных исследований. Покрытия на основе разработанного состава, модифицированного полиуретановой присадкой, на подложке из сосны обладают примерно одинаковыми адгезионными характеристиками, что и на подложке из осины. Это можно объяснить тем, что процессы структурирования при пленкообразовании в обоих случаях имеют одинаковый характер.

Результаты определения энергии испарения 2-ого слоя разработанного ВДЛКМ (состав №1) представлены на рисунках 2 и 3.

1/Т кг1

2 8 3 3,1 3,2 3,3 3,4 3

---

---^^ ♦

Рис. 2. Изменение константы скорости реакции при разных температурах сушки. (Подложка осина, состав №1).

1/140*

2 9 3 3,1 3,2 3,3 3,4 3

— ♦

Рис. 3. Изменение константы скорости реакции при разных температурах сушки. (Подложка сосна, состав №1).

Энергия испарения разработанного ВДЛКМ (состав №1) составила 11,88 ккап/моль на подложке из древесины осины и 13,25 ккал/моль на подложке из древесины сосны.

Результаты изучения кинетики пленкообразования разработанного ВДЛКМ (состав №1,2-ой слой) представлены на рисунках 4 и 5.

Анализ результатов проведенных исследований показал, что энергия активации для формирования 2-ого слоя разработанного ВДЛКМ (состав №1) составила 0,24-10"22 ккал на подложке из древесины осины и 0,31 ■ 10"22 ккал на подложке из древесины сосны, коэффициент летучести при 20°С на подложке из осины больше, чем на подложке из сосны (К1=0,003 масс.ч./мин на подложке из осины и К2=Ч),001 масс.ч./мин на подложке из сосны). При 40°С коэффициент летучести на подложке из осины выше, чем на подложке из сосны (К2=0,015 масс.ч./мин на подложке из осины и К2=0,011 масс.ч./мин на подложке из сосны).

Рис. 4. Кинетика изменения массы лака при различных температурах сушки. (Подложка: осина, 2 слой, состав №1)

1 - температура сушки 20°С;

2 - температура сушки 40°С;

0, ▲ - экспериментальные кривые; х, ■ - теоретические кривые.

Рис. 5. Кинетика изменения массы лака при различных температурах сушки. (Подложка: сосна, 2 слой, состав №1)

1 - температура сушки 20°С;

2 - температура сушки 40°С;

О, А - экспериментальные кривые; х, ■ - теоретические кривые.

Удельная теплота испарения Ь составляет соответственно 14,44 ккал/моль на подложке из осины и 18,39 ккал/моль на подложке из сосны. Сравнительный анализ этих данных позволил сделать вывод, что процесс пленкообразования на подложке из сосны требует больших энергозатрат для достижения необходимой адгезионной прочности при всех прочих равных условиях.

По результатам проведенных исследований были сделаны следующие выводы:

1. Кинетика пленкообразования из водно-дисперсионной лакокрасочной композиции адекватно описывается физической моделью десорбции молекул с поверхности жидкости.

2. Установлено, что процесс формирования покрытия на подложке из древесины осины протекает быстрее, чем на подложке из древесины сосны. Как показали исследования, удельная теплота испарения при формировании покрытия на

подложке из осины составляет 14,44 ккал/моль и на подложке из сосны 18,39 ккал/моль. Это можно объяснить тем, что при отверждении лака на поверхности из осины преобладает диффундирующая составляющая компонентов лака, а на поверхности из сосны - испаряющая составляющая, что обусловлено различиями анатомического и химического строения этих пород древесины. Как известно, водопроницаемость лиственных пород древесины в несколько раз больше, чем у хвойных, т.к. древесина осины характеризуется наличием водопроводящих сосудов, в отличие от древесины сосны, у которой имеются смоляные ходы, заполненные смоляными веществами. Кроме того, осина отличается большим содержанием целлюлозы, которая обладает гигроскопическими свойствами, а древесина сосны содержит больше лигнина, обладающего гидрофобными свойствами.

В третьем разделе "Основные методические положения" представлены характеристики сырья и материалов, оборудования и приборов, которые использованы при проведении экспериментов, раскрываются направления исследований, рассматриваются основные методические положения проведения опытов и обработки их результатов.

В этом разделе приведены стандартные методические положения, а специфические, для удобства чтения и анализа результатов исследований, в соответствующих разделах диссертации.

Исследования проводили в лабораторных и опытно-промышленных условиях с использованием принятых методик. Полученные опытные данные оценивали посредством первичной обработки результатов экспериментов методами математической статистики.

В четвертом разделе "Разработка рационального состава модифицированного водно-дисперсионного лакокрасочного материала" приведены результаты разработки состава модифицированного ВДЛКМ для отделки древесины, отвечающего по своим показателям современным требованиям по защитно-декоративным и эксплуатационным свойствам.

На первом этапе методом случайного баланса были выделены доминирующие факторы и их сочетания, оказывающие наибольшее влияние на параметр оптимизации.

На втором этапе была поставлена задача по разработке рационального состава ЛКМ, отличающегося повышенной твердостью, для решения которой был реализован В-план 2-ого порядка. Критериями эффективности были приняты время высыхания до степени "3" и твердость лакокрасочного покрытия.

В результате реализации первого и второго этапов, получены следующие уравнения регрессии:

По времени высыхания (до степени "3"): кодированный вид:

У сосна= 25,34 - 1,277X1 - 1,055X2 - 0,666X4 - 0,555X5 + 2,116Х12 (4) 4.884Х22 - 5,384Х42 + 3,616X5* - 0,625X1X2 + 0,625X1X4 -0,625X1X5 + 1,875X2X4-0,625X2X5 + 1,625X3X4

У осина= 26,84- 1,721X2-0,888X3-2,442X4- 1,823X2*+ (5)

1,677Х42 4 1,438X1X4-0,938X1X5 + 0,688X2X3 ) 0,688X2X4-0,938X4X5

натуральный вид:

т сосна= 106,9 - 77.5DL + 205.7DLP - 9,8Neor + 230,4Lus - (6)

1245,lByk + 52,9DL2 - 217,1DLP2- 2153,6Lus2+ 9040ВУ1С2-20.8DLDLP + 62,5DLLus - 156,3DLByk + 250DLPLus -208,3DLPByk + 65NeorLus

т осина= 54,9 - 2.8DL + 23.62DLP - 6,4Neor - 335,9Lus + (7)

328,ЗВук - eiDLP2-)- 670,8Lus2+ 143,8DLLus -234,5DL'Byk + 9,2DLPNeor + 91,7DLPLus - 938LusByk

По твердости лакокрасочного покрытия: кодированный вид:

Y тв.= 0,393 + 0,042X2 + 0,005X3 + 0,019X4 - 0.037Х,2 - (8)

0,032Х22+ 0,023Х,2 + 0,023Х52 + 0,007X1X2 - 0,017X2X3 -0,006X2X4 + 0,023X2X5 - 0,013X3X4 - 0,007X3X5

натуральный вид:

H = -0,74 + 1.36DL + 1,81DLP + 0,26Neor - 0,16Lus - 10,58Byk - (9)

0.93DL2- 1,42DLP2+ 9,2Lus2+ 57,5Byk2+ 0,23DLDLP -

0,23DLP Neor - 0,8DLP Lus + 7,67DLP Byk - 0,52NeorezLus - 0,7NeorByk

где x - время высыхания; H-твердость;

DL - акриловая дисперсия DL 420; DLP - порошковый полимер DLP 110; Neor - полиуретановая дисперсия NeoRez R-974; Lus - коалесцент Лузольван FBH; Byk - пеногаситель BYK-037. На третьем этапе при разработке рационального состава ВДЛКМ в качестве критерия оптимизации была принята твердость ЛКП. Параметр оптимизации максимизировался. Согласно методу крутого восхождения для оценки градиента функции отклика использовали полный факторный план (ПФГТ). Критерий эффективности - время высыхания до степени "3" не оптимизировался, поскольку продолжительность высыхания ЛКМ соответствует нормативным требованиям.

В результате реализации ПФП получен оптимальный состав ЛКМ, обеспечивающий твердость ЛКП Н=0,45 у.е. со следующими параметрами:

Х1=0,167; 0,035<Х1 <0,299 - содержание акриловой дисперсии DL 420; Х2=0,427; 0,375<Х2<0,479 - содержание порошкового полимера DLP 110; ХЗ-4,2; 3,9<X3<4,5 - содержание полиуретановой дисперсии NeoRez R-974.

Анализ проведенных исследований показал, что наибольшее влияние на время высыхания лакокрасочного покрытия оказывает коалесцент Лузольван FBH и порошковый полимер DLP 110.

Коалесцент Лузольван FBH улучшает коалесценцию - слияние капель лакокрасочного материала, что способствует повышению скорости формирования сплошного однородного бездефектного покрытия.

Влияние порошкового полимера DLP 110 на продолжительность высыхания пленки связано, на наш взгляд, с тем, что при введении этого компонента в систему происходит увеличение сухого остатка и реакционной активности смеси, что сказывается непосредственно на скорости формирования покрытия.

Наибольшее влияние на твердость лакокрасочного покрытия оказывает порошковый полимер DLP 110.

Влияние порошкового полимера DLP 110 на твердость обусловливается тем, что твердость исходного материала - порошкового полимера DLP 110 выше, чем у пленкообразователя. Увеличение сухого остатка и введение твердых модификаторов приводит к формированию покрытия повышенной твердости.

В пятом разделе "Исследование физико-химических процессов, протекающих при формировании покрытий древесины на основе водно-дисперсионных лакокрасочных материалов" были проведены исследования физико-химических процессов, протекающих при формировании покрытий древесины па основе ВДЛКМ. Формирование лакокрасочных покрытий на древесине представляет собой сложный комплекс физико-химических процессов, протекающих при установлении адгезионного контакта между подложкой и лакокрасочным материалом. Физико-механические и эксплуатационные свойства защитно-декоративного покрытия во многом обусловливаются характером взаимодействия лакокрасочной композиции с подложкой. Природа такого взаимодействия носит как физический, так и химический характер и связаны с физико-химическими свойствами, как древесины, так и лакокрасочного материала. Вид взаимодействия и глубина протекания этих процессов влияют па качество лакокрасочного покрытия. В данном разделе были проведены физико-химические исследования процессов, имеющих место на границе лакокрасочный материал - древесина при формировании защитно-декоративного шмфытия. Исследования проводили по следующим этапам:

- изучение физико-химических процессов, протекающих при формировании покрытий на древесине на основе водно-дисперсионных лакокрасочных составов;

- исследования тепловых эффектов, имеющих место при отверждении лакокрасочного материала на подложке;

- исследование химических и структурных изменений покрытия, происходящих при отверждении в граничной зоне древесина - полимер и в лакокрасочном материале.

Исследования проводили с помощью следующего оборудования:

- дериватограф MOM Q-1500D;

- калориметр DSC-7 ("Perkin -Elmer");

- спектрометр Shimadzu FTIR 8400.

Результаты проведения экспериментов по изучению физико-химических процессов, протекающих при формировании покрытий на древесине на основе разработанного ВДЛКМ (состав №1), дериватографическим методом представлены на рисунке 6.

f

86 99 112 Температура, "С

Рис. 6. Термический анализ разработанного ВДЛКМ (состав №1)

Как показывает анализ кривых, представленных на рисунке 6, максимальная скорость потери массы при нагревании разработанного водно-дисперсионного лакокрасочного материала (состав №1) достигается при ~103°С. Что касается эндо-и экзо-эффекгов (кривая DTA), то наибольший пик эндо-эффекта достигается при =108°С.

Эти данные согласовываются с расчетными значениями энергии испарения, полученными нами при изучении кинетики пленкообразования - удельная теплота испарения L составляет для состава №1 14,44 ккал/моль (подложка -осина) и 18,39 ккал/моль (подложка - сосна), (см. раздел 2).

Результаты исследования тепловых эффектов на дифференциальном сканирующем калориметре Perkin-Elmer DSC-7 представлены на рисунке 7.

Татарии», °С

Рис.7. Кинетика нагрева водно-дисперсионного лакокрасочного материала (состав Xsl)

Анализ результатов исследования тепловых эффектов показывает, что процесс формирования покрытия на основе водно-дисперсионной лакокрасочной композиции при различных температурах сушки (20-80°С) не сопровождается какими бы то ни было тепловыми явлениями, связанными с химическими процессами, т.е. кинетика пленкообразования на основе вышеуказанных составов представляет собой физический процесс испарения растворителей, скорость которого зависит от 1емпературы сушки.

По результатам спектрофотометрических исследований разработанного водно-дисперсионного лакокрасочного состава №1 и исходных компонентов лакокрасочных композиций (полиуретановая дисперсии NeoRes R-974, акриловая дисперсия DL 420 Е) были сделаны следующие выводы:

В инфракрасных спектрах исследованных образцов можно выделить следующие характерные полосы поглощения:

- 3629.8 см' (подложка осина); 3373.3 см"1 (подложка сосна) соответствующие водородным связям, что обусловлено наличием в системе ОН-, СОО- групп, способных к образованию этих связей;

- 1652.9 см"1 (подложка осина); 1728.1 см'1 (подложка сосна), характерных для -С=0- групп, которые могут образовывать ассоциированные водородные связи с гидроксильными группами;

- 2939.3 см*1 (подложка осина); 2925.8 см"1 (подложка сосна), связанных, с деформационными колебаниями - СН - групп.

В автореферате представлены инфракрасные спектры поглощения разработанного водно-дисперсионного лакокрасочного состава №1 (рис. 8-10).

Результаты анализа представленных инфракрасных спектров поглощения подтверждают полученные нами выводы по исследованиям термического анализа и тепловых эффектов при пленкообразовании на основе ВДЛКМ.

Сравнительный анализ спектров показывает схожесть физических процессов, протекающих при формировании покрытия на различных древесных подложках (осина, сосна), и достижение адгезионного контакта между лакокрасочным материалом и подложкой только за счет водородных связей, что подтверждает наше предположение о физической сущности процесса пленкообразования на основе разработанного водно-дисперсионного лакокрасочного материала.

На основании анализа результатов проведенных исследований, были сделаны следующие выводы: 1 .Термогравиметрические исследования показали, что процесс пленкообразования на подложке из древесины сосны требует больших энергозатрат, чем на подложке из древесины осины, что обусловлено, на наш взгляд, различиями микроскопического строения и химического состава древесины хвойных и лиственных пород.

2. В результате проведенных калориметрических исследований установлено, что процесс пленкообразования на основе разработанных водно-дисперсионных лакокрасочных составов представляет собой физический процесс испарения компонентов лака. Процессы структурирования при формировании покрытия на подложке из древесины сосны и осины имеют одинаковый характер и отличаются только скоростью протекания этих процессов.

3. Процесс пленкообразования при формировании покрытий на основе разработанных водно-дисперсионных лакокрасочных композиций на подложках из древесины сосны и осины сопровождается адгезионным взаимодействием между лакокрасочным материалом и подложкой с образованием, в основном, водородных связей.

В шестом разделе приводится расчет технико-экономической эффективности внедрения разработанного водно-дисперсионного лакокрасочного материала в промышленное производство. Прирост чистой прибыли с учетам полученной экономии от применения разработанного JIKM при объеме

3250.0 2000.0 1750.0 1500.0 1250.0 1000.0 750.0

Частота, см'1

Рис. 8. ИК-спектры поглощения отвержденного водно-дисперсионного лакокрасочного материала (состав №1). Подложка - стекло.

' >

в4 <и

и &

о Й-

75.0

70.0

65.0

60.0

55.0

50.0 -

45.0

11553 1&222 1253.6

ЗДн...............~.......

-|-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1 I I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-Г—

1250.0 1000.0 750.0 500.0

3250.0

2000.0

1750.0 1500.0

Частота, см"1

Рис. 9. ИК-спекгры поглощения отвержденного водно-дисперсионного лакокрасочного материала (состав №1). Подложка - осина.

и—I—I—I—I—I—I——I—I—I—I—|—1—I—I—I—|—I—I—1—I—Г \ I I—I—|—1—I—I—I—|—I—I—I—г 3250.0 2000.0 1750.0 1500.0 1250.0 1000.0 750.0 500.0

Частота, см"1

Рис. 10. ИК-спектры поглощения отверждеиного водно-дисперсионного лакокрасочного материала (состав №1). Подложка - сосна.

#

производства 10000 усл. ед. (дверных блоков) в год составит 2 млн. 326 тыс. руб. в ценах 2005 г.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Изучение работ, посвященных вопросам создания и применения новых водно-дисперсионных лакокрасочных материалов для отделки древесины, показало, что проблема совершенствования технологии формирования защитно-декоративных покрытий изделий из древесины на основе водно-дисперсионных лакокрасочных составов актуальна и своевременна.

2. Для изучения процесса пленкообразования из ВДЛКМ на поверхности древесины за основу была взята физическая модель десорбции молекул с поверхности жидкости. Доказано, что принятая теоретическая модель десорбции молекул с поверхности жидкости адекватно описывает процесс пленкообразования на основе ВДЛКМ.

3. В результате изучения процесса пленкообразования на основе ВДЛКМ термогравиметрическим и калориметрическим методами установлен сложный физический процесс формирования лакокрасочного покрытия, включающий в себя испарение растворителей, образование геля с последующей коалесценцией частиц.

4. Установлено, что процесс пленкообразования на поверхности древесины осины протекает быстрее, чем на поверхности древесины сосны. Это объясняется на наш взгляд тем, что при отверждении лака на поверхности из осины преобладает диффундирующая составляющая компонентов лака, а на поверхности из сосны - испаряющая составляющая, что обусловлено различиями анатомического и химического строения этих пород древесины.

5. Выявлено, что процессы структурирования при формировании покрытия на подложке из древесины сосны и осины имеют одинаковый физический характер, но отличаются скоростью протекания этих процессов. Как показали термогравиметрические исследования, удельная теплота испарения при отверждении разработанного состава составляет 14,44 ккал/моль (подложка - осина) и 18,39 ккал/моль (подложка - сосна).

6. Формирование лакокрасочного покрытия из ВДЛКМ на древесине характеризуется также и адгезионным взаимодействием между лакокрасочным материалом и подложкой с образованием, в основном, водородных связей.

7. Разработан рациональный состав водно-дисперсионного лакокрасочного материала: 10 масс. ч. акриловой дисперсии, 4,4 масс. ч. порошкового полимера, 50,2 масс. ч. полиуретановой дисперсии, 2,5 масс. ч. коалесцента, 1,25 масс. ч. пспогасителя, 6,3 масс. ч. парафиновой добавки, 25,1 масс. ч. поверхностно активного вещества, 0,25 масс. ч. загустителя.

8. Режим отделки древесины разработанным водно-дисперсионным лакокрасочным составом полностью вписывается в действующие на производстве технологические режимы, а именно: вязкость наносимого ЛКМ - 30-35 с. по ВЗ-246, расход ЛКМ - 100-110 г/м2, давление на входе в краскораспылитель - 0,4-0,45 МПа, расстояние от сопла до окрашиваемой поверхности - 0,3-0,35 м.

9. Защитно-декоративное покрытие древесины на основе разработанного ВДЛКМ обладает повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками - твердость лакокрасочного покрытия №=0,45 у.е., теплостойкость 90°С, время высыхания до степени "3" 32 мин на подложке из сосны, 20 мин на подложке из осины.

10. Проведена санитарно-эпидемиологическая экспертиза разработанного ВДЛКМ, на основании которой получено положительное заключение. Согласно экспертизе, данный ВДЛКМ по параметрам острой токсичности относится к IV классу опасности, т.е. это вещества малоопасные по ГОСТ 12.1.007.

11. Проведен расчет технико-экономической эффективности применения разработанного состава. При годовом объеме производства 10000 дверных блоков прирост чистой прибыли в год составит 2 млн. 326 тыс. руб. в ценах 2005 г.

По материалам диссертации опубликованы следующие рабош:

1. Соколова В.А. Некоторые вопросы формирования защитно-декоративного покрытия из водно-дисперсионного лака на древесной подложке. // Сборник докладов молодых ученых на ежегодной научной конференции Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Выпуск 7 -СПб.: СПбГЛТА, 2003. -С. 64-70.

2. Соколова В.А. Спектроскопические исследования лакокрасочных покрытий на древесной подложке. // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Выпуск 170. -СПб.: СПбЛТА, 2003. -С.109-114.

3. Соколова В.А. Разработка технологий отделки древесины модифицированными водно-дисперсионными лакокрасочными материалами. // Материалы Восьмой Санкт-Петербургской Ассамблеи молодых ученых и специалистов. -СПб, 2003. -С.87-88.

4. Соколова В.А. Разработка водно-дисперсионного лака с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками. // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Выпуск 9. -СПб.: СПбЛТА, 2005. -С.106-111.

5. Соколова В.А. К вопросу о разработке модифицированных водно-дисперсионных лаковых композиций для отделки древесины. // Сборник статей по материалам межвузовской научно-практической конференции "Проблемы и перспективы лесного комплекса", 2 том, Воронеж.: Воронеж. Гос. Лесотех. Акад., 2005. -С. 138-140.

6. Герасюта С.М., Цой Ю.И., Соколова В.А. Исследование энергетических характеристик водно-дисперсиошп>гх лакокрасочных композиций. // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Выпуск 177. -СПб.: СПбЛТА, 2006. -С. 140-146.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., д. 5, СПбЛТА, Ученому секретарю диссертационного совета.

СОКОЛОВА ВИКТОРИЯ АЛЕКСАНДРОВНА АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать с оригинал-макета 15.05.06. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 176. С 18а.

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия Издательско-полиграфический отдел СПбГЛТА 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3

-гзт №13 9 24

к

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Лакокрасочные материалы на основе стирол-акрилатных и акриловых латексов, их свойства и применение в деревообрабатывающей промышленности.

1.2. Решение вопросов модификации стирол-акрилатных и акриловых латексов.

1.3. Применение стирол-акрилатных и акриловых латексов для отделки изделий из древесины.

Выводы и задачи исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ ПЛЕНКООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ПОКРЫТИЙ НА ДРЕВЕСИНЕ ИЗ ВОДНО-ДИСПЕРСИОННЫХ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1. Основные положения по формированию покрытий из водных дисперсий полимеров.

2.2. Постановка задачи.

2.3. Планирование эксперимента.

2.3.1. Методика изучения энергетических характеристик исследуемых материалов.

2.3.2. Методика проведения экспериментов по определению энергии испарения.

2.3.3. Методика исследования кинетики пленкообразования из водно-дисперсионных лакокрасочных композиций.

2.4. Результаты исследований и их анализ.

2.4.1. Изучение энергетических характеристик исследуемых материалов.

2.4.2. Определение энергии испарения водно-дисперсионных лакокрасочных композиций.

2.4.3. Исследования кинетики пленкообразования из водно-дисперсионных лакокрасочных композиций.

Выводы. f 3. ОСНОВНЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

3.1. Задачи исследований.

3.2. Материалы, используемые в экспериментальных исследованиях.

3.2.1. Характеристика акриловой дисперсии DL 420 Е.

3.2.2. Характеристика порошкового полимера DLP 110.

3.2.3. Характеристика акриловой водной дисперсии Primal АС-261К.

3.2.4. Характеристика полиуретановой дисперсии NeoRez R-974.

3.2.5. Характеристика коалесцента Lusolvan FBH. 3.2.6. Характеристика пеногасителя Вук 037.

3.2.7. Характеристика поверхностно-активного вещества (ПАВ)

Лумитен N-OC 30.

3.2.8. Характеристика загустителя Акрисол марки RM-825.

3.2.9. Характеристика парафиновой добавки Akvazer. ф 3.3. Экспериментальное оборудование и измерительная аппаратура.

3.4. Методика проведения опытов.

3.5. Методика оценки опытных данных и планирования эксперимента. 4. РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОГО СОСТАВА

МОДИФИЦИРОВАННОГО ВОДНО-ДИСПЕРСИОННОГО ЛАКОКРАСОЧНОГО МАТЕРИАЛА.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Планирование эксперимента.

4.3. Результаты экспериментов и их анализ.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ПОКРЫТИЙ ДРЕВЕСИНЫ НА ОСНОВЕ ВОДНО-ДИСПЕРСИОННЫХ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

5.1. Постановка задачи.Ill

5.2. Планирование эксперимента.

5.2.1. Методика проведения экспериментов по изучению физико-химических процессов, протекающих при формировании покрытий на древесине на основе водно-дисперсионных лакокрасочных составов, дериватографическим методом.

5.2.2. Методика исследования тепловых эффектов, имеющих место при отверждении лакокрасочного материала на подложке, на дифференциальном сканирующем калориметре.

5.2.3. Методика исследования химических и структурных изменений, происходящих при отверждении в граничной зоне древесина — полимер и в лакокрасочном покрытии, методом инфракрасной спектроскопии.

5.3. Результаты экспериментов и их анализ.

5.3.1. Результаты проведения экспериментов по изучению физико-химических процессов, протекающих при формировании покрытий на древесине на основе водно-дисперсионных лакокрасочных ф составов, дериватографическим методом.

5.3.2. Результаты исследования тепловых эффектов, имеющих место при отверждении лакокрасочного материала на подложке, на дифференциальном сканирующем калориметре.

Ф 5.3.3. Результаты исследования химических и структурных изменений, происходящих при отверждении в граничной зоне древесина - полимер и в лакокрасочном покрытии, методом инфракрасной спектроскопии.

Выводы.

6. РАСЧЕТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННОГО СОСТАВА.

Актуальность темы. Первыми водными составами на основе синтетических пленкообразующих, нашедшими практическое применение для получения защитно-декоративных покрытий, были водно-дисперсионные краски на основе латексов, которые примерно с 1940 года начали использовать в Германии. Водные материалы для отделки древесины и как пропиточные составы используются давно и в больших масштабах. Значительно труднее шел процесс их внедрения в мебельную отрасль, где они стали применяться лишь с середины 70-х годов прошлого столетия. Переходу на эти материалы в ряде стран, имеющих современные лакокрасочные и мебельные производства, в значительной степени способствовали введение жестких норм для промышленных предприятий по ограничению токсичных выбросов, а также причины экономического характера, связанные с ростом цен на сырье /16/.

Быстрый прогресс водно-дисперсионных лакокрасочных материалов (ВДЛКМ) из группы водоразбавляемых обусловлен рядом их преимуществ по сравнению с другими лакокрасочными материалами (ЛКМ) из разряда экологически благоприятных. Они обеспечивают возможность низкотемпературной сушки вплоть до комнатной температуры, позволяют, в отличие от них, а также от материалов с высоким сухим остатком, полностью исключить применение органических растворителей, по сравнению с порошковыми не требуют коренного переоснащения окрасочных участков /15/.

В настоящее время уже накоплен некоторый практический опыт внедрения ВДЛКМ, выявивший особенности технологии их нанесения, специфические требования к оборудованию и другим параметрам процесса окраски:

- снижение или полное устранение взрыво- и пожароопасности и связанных с ними материальных затрат и человеческих жертв;

- снижение уровня токсичности воздушных выбросов, что влечет за собой сокращение расходов на их очистку или штрафные санкции за выброс растворителей;

- возможность получения покрытий (Пк) активными методами (электро-, автоосаждение), обеспечивающими хорошие защитные свойства Пк. Вместе с тем при внедрении ВДЛКМ возникает ряд вопросов, требующих специальных инженерно-технических решений, а именно:

- затрудненная коагуляция ЛКМ в ваннах гидрофильтров (поэтому фирмы, предлагающие ВДЛКМ, обычно поставляют и специальные коагулирующие системы для него);

- в отличие от органорастворимых ВДЛКМ нельзя использовать в многослойных Пк "мокрый по мокрому", на линиях окраски должны быть установлены испарительные зоны для удаления воды перед нанесением второго слоя;

- ВДЛКМ более чувствительны к температуре и влажности окружающего воздуха, что может повлиять на нанесение и отверждение Пк, в связи с чем необходимо специально регламентировать эти параметры; для большинства ВДЛКМ нижней температурой хранения и транспортировки является 0°С;

- для разбавления некоторых ВДЛКМ требуется специально очищенная вода, так как при использовании обычной водопроводной воды возможна закупорка распылительного оборудования, появление нароста на соплах;

- для ВДЛКМ характерна повышенная энергоемкость стадии отверждения Пк и с другой стороны, уменьшение энергозатрат, обусловленное значительным снижением мощности вентиляционных систем для предупреждения возникновения взрывоопасных концентраций. Особенности отделки ВДЛКМ изделий из древесины связаны со спецификой водных композиций и древесины как гидрофильного и пористого субстрата. Они включают:

- набухание волокон в воде, фиксацию, "проявление текстуры" древесины на поверхности Пк и трудности получения Пк "под пластик";

- возможное растрескивание и отслаивание Пк от обогащенных смолой участков поверхности древесины (сучки, годовые кольца и пр.);

- неравномерное набухание волокон в воде и изменение в некоторых случаях характерного для данной породы рисунка;

- изменение в некоторых случаях цветового оттенка Пк вследствие так называемого "таннинового окрашивания", возникающего из-за проникновения из древесины водорастворимых окрашенных веществ, особенно интенсивно происходящего при получении Пк на поверхности изделий из кедра, красного дерева и подобных им пород.

Таким образом, эффективное использование ВДЛКМ для отделки древесины связано с решением большого круга вопросов, как технологических, так и технических.

Тем не менее, ВДЛКМ успешно используются для промышленной окраски различных изделий из древесины /50/. К настоящему времени их объем в ассортименте ЛКМ, выпускаемых в Западной Европе для окраски изделий из древесины, составляет весомую часть, тыс. т.: органорастворимые полиуретановые - 128; нитроцеллюлозные - 110; кислотноотверждаемые (каталитные) - 71; полиэфирные - 40; радиационного отверждения - 40; водно-дисперсионные — 25. /77/.

Вопросами разработки составов водно-дисперсионных лакокрасочных композиций, улучшения их физико-химических свойств, технологических режимов отделки ими изделий из древесины занимаются в МГУЛе, СПбГЛТА, СПбГТУ, УРАЛНИИПДРЕВе, УГЛТУ, Антагоре, Эмлаке и других организациях.

Технологией изготовления водно-дисперсионных и водорастворимых ЛКМ, разработкой путей регулирования их свойств и покрытий на их основе занимаются И.А. Толмачев, В.В. Верхоланцев, В.И. Кузьмичев, Р.К. Абрамян, М.П. Чагин.

Вопросы модификации водно-дисперсионных лакокрасочных материалов для отделки изделий из древесины исследовали В.И. Онегин, В.А. Винославский, Б.М. Рыбин, А.Г. Черных, Ю.И. Ветошкин.

Из вышесказанного видно, что проблема создания защитно-декоративных покрытий древесины на основе водно-дисперсионных лакокрасочных материалов является весьма актуальной и своевременной.

Цель работы — повышение качества защитно-декоративных покрытий древесины при отделке водно-дисперсионными лакокрасочными материалами.

В диссертационной работе рассматриваются вопросы по созданию и применению новых водно-дисперсионных лакокрасочных композиций для отделки древесины.

Как показал анализ современного уровня техники и технологии отделки различных изделий из древесины, в настоящее время выпускается большая гамма стирол-акриловых и акрилатных лакокрасочных композиций на водной основе. Эти материалы отличаются высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами, но имеют ряд недостатков, таких как, невысокая твердость и износостойкость Пк. Кроме того, применение этих материалов для отделки древесины связано с решением некоторых технических и технологических вопросов, что и послужило основанием для выполнения данной работы. Для этого были проведены исследования по разработке рационального состава модифицированного водно-дисперсионного лакокрасочного материала, обладающего высокой твердостью и теплостойкостью покрытия.

Изучение кинетики процесса пленкообразования проводилось по теоретической модели десорбции молекул с поверхности жидкости применительно к водно-дисперсионным латексам. Физическая сущность модели основывается на аналогии процесса испарения растворителей из водно-дисперсионных лакокрасочных материалов с вылетом молекул с поверхности твердого тела. Проведенными исследованиями было установлено, что при отверждении водно-дисперсионного лакокрасочного материала на поверхности древесины осины преобладает диффундирующая составляющая компонентов лака, а на поверхности древесины сосны - испаряющая составляющая, что обусловлено, на наш взгляд, различием анатомического и химического строения.

Были проведены физико-химические исследования процессов, имеющих место на границе лакокрасочный материал — древесина при формировании защитно-декоративного покрытия, изучены тепловые эффекты, имеющие место при отверждении лакокрасочного материала на подложке, исследованы химические и структурные изменения в покрытии, происходящие при отверждении в граничной зоне древесина — полимер и в лакокрасочном материале. Исследования показали, что процесс пленкообразования на основе разработанных водно-дисперсионных лакокрасочных составов представляет собой физический процесс испарения растворителей. Процессы структурирования при формировании покрытия на подложке из древесины сосны и осины имеют одинаковый характер и отличаются только скоростью протекания этих процессов. Процесс пленкообразования при формировании покрытий на основе разработанной водно-дисперсионной лакокрасочной композиции на подложках из древесины сосны и осины сопровождается адгезионным взаимодействием между лакокрасочным материалом и подложкой с образованием, в основном, водородных связей.

Была проведена санитарно-эпидемиологическая экспертиза разработанного водно-дисперсионного лакокрасочного состава, согласно которой данный ВДЛКМ по параметрам острой токсичности относится к IV классу опасности, т.е. это вещества малоопасные по ГОСТ 12.1.007.

В производственных условиях (ЗАО ЗСК "ИНКОН", ЗАО "ПСБ-ГЭМ-ХОЛЬЦ") были проведены испытания по отделке изделий из древесины разработанным ВДЛКМ, на основании которых он рекомендован к внедрению.

Научная новизна результатов 1. Различия анатомического и химического строения древесины осины и сосны обусловливают различный физический процесс пленкообразования, а именно, при формировании покрытия на древесине осины преобладает диффундирующая составляющая компонентов водно-дисперсионного лака, а на древесине сосны - испаряющая составляющая. 2. Процесс пленкообразования при формировании покрытий на основе разработанного водно-дисперсионного лакокрасочного материала на подложках из древесины осины и сосны сопровождается адгезионным взаимодействием между лакокрасочным материалом и подложкой с образованием, в основном, водородных связей. Научные гипотезы, выносимые на защиту

1. Механизм пленкообразования на основе водно-дисперсионных лакокрасочных материалов может быть рассмотрен как процесс десорбции молекул с поверхности жидкости.

2. Закономерности формирования адгезионного контакта между водно-дисперсионным лаком и древесиной подчиняются основным положениям молекулярно-адсорбционной теории адгезии.

Обоснованность выводов и рекомендаций Достоверность предложений и выводов подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований. Выводы теоретического плана базировались на результатах математического анализа существа проблемы. Полученные в результате теоретических исследований зависимости согласуются с положениями таких основополагающих наук и дисциплин как физика и физико-химические основы процессов деревообработки.

Результаты экспериментальных исследований контролировали по характеру зависимостей, полученных в результате обработки экспериментальных данных.

Регрессионные модели достаточно точно воспроизводят описываемые явления, а их адекватность подтверждается в соответствии с общепринятыми методиками.

Значимость результатов исследований для науки и практики

- Результаты исследований кинетики отверждения ВДЛКМ на различных древесных подложках (сосна, осина) позволили раскрыть различный механизм процесса пленкообразования, обусловленный физико-химическими и анатомическими особенностями древесины хвойных и лиственных пород;

- Формирование защитно-декоративного покрытия из ВДЛКМ на подложках из древесины различных пород представляет собой физический процесс испарения растворителей, сопровождаемый образованием адгезионных водородных связей;

- Разработанный рациональный состав водно-дисперсионной лакокрасочной композиции для отделки изделий из древесины обеспечивает получение покрытий с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками;

- Положительные результаты санитарно-эпидемиологической экспертизы разработанного лакокрасочного материала, согласно которой данный состав по параметрам острой токсичности относится к классу малоопасных веществ;

- Режим отделки древесины разработанной водно-дисперсионной лакокрасочной композицией полностью вписывается в действующие на производстве технологические режимы.

Апробация работы: Основные положения диссертационной работы были доложены и рассмотрены на ежегодных научно-технических конференциях СПбГЛТА в 2003-2005 гг.

Реализация работы Основные результаты работы были опробированы и рекомендованы к внедрению на ЗАО "ЗСК ИНКОН", ЗАО "ПСБ-ГЭМ-ХОЛЬЦ".

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 6 научных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения, библиографического списка из 93 наименований, содержит 137 страниц основного текста, 29 рисунков, 32 таблицы.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Изучение работ, посвященных вопросам создания и применения новых водно-дисперсионных лакокрасочных материалов для отделки древесины, показало, что проблема совершенствования технологии формирования защитно-декоративных покрытий изделий из древесины на основе водно-дисперсионных лакокрасочных составов актуальна и своевременна.

Для изучения процесса пленкообразования из ВДЛКМ на поверхности древесины за основу была взята физическая модель десорбции молекул с поверхности жидкости. Доказано, что принятая теоретическая модель десорбции молекул с поверхности жидкости адекватно описывает процесс пленкообразования на основе ВДЛКМ.

В результате изучения процесса пленкообразования на основе ВДЛКМ термогравиметрическим и калориметрическим методами установлен сложный физический процесс формирования лакокрасочного покрытия, включающий в себя испарение растворителей, образование геля с последующей коалесценцией частиц.

Установлено, что процесс пленкообразования на поверхности древесины осины протекает быстрее, чем на поверхности древесины сосны. Это объясняется на наш взгляд тем, что при отверждении лака на поверхности из осины преобладает диффундирующая составляющая компонентов лака, а на поверхности из сосны — испаряющая составляющая, что обусловлено различиями анатомического и химического строения этих пород древесины.

Выявлено, что процессы структурирования при формировании покрытия на подложке из древесины сосны и осины имеют одинаковый физический характер, но отличаются скоростью протекания этих процессов. Как показали термогравиметрические исследования, удельная теплота испарения при отверждении разработанного состава составляет 14,44 ккал/моль (подложка - осина) и 18,39 ккал/моль (подложка - сосна).

6. Формирование лакокрасочного покрытия из ВДЛКМ на древесине характеризуется также и адгезионным взаимодействием между лакокрасочным материалом и подложкой с образованием, в основном, водородных связей.

7. Разработан рациональный состав водно-дисперсионного лакокрасочного материала: 10 масс. ч. акриловой дисперсии, 4,4 масс. ч. порошкового полимера, 50,2 масс. ч. полиуретановой дисперсии, 2,5 масс. ч. коалесцента, 1,25 масс. ч. пеногасителя, 6,3 масс. ч. парафиновой добавки, 25,1 масс. ч. поверхностно активного вещества, 0,25 масс. ч. загустителя.

8. Режим отделки древесины разработанным водно-дисперсионным лакокрасочным составом полностью вписывается в действующие на производстве технологические режимы, а именно: вязкость наносимого ЛКМ - 30-35 с. по ВЗ-246, расход ЛКМ — 100-110 г/м , давление на входе в краскораспылитель — 0,4-0,45 МПа, расстояние от сопла до окрашиваемой поверхности — 0,3-0,35 м.

9. Защитно-декоративное покрытие древесины на основе разработанного ВДЛКМ обладает повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками - твердость лакокрасочного покрытия Н=0,45 у.е., теплостойкость 90°С, время высыхания до степени "3" 32 мин на подложке из сосны, 20 мин на подложке из осины.

Ю.Проведена санитарно-эпидемиологическая экспертиза разработанного ВДЛКМ, на основании которой получено положительное заключение. Согласно экспертизе, данный ВДЛКМ по параметрам острой токсичности относится к IV классу опасности, т.е. это вещества малоопасные по ГОСТ 12.1.007.

11 .Проведен расчет технико-экономической эффективности применения разработанного состава. При годовом объеме производства 10000 дверных блоков прирост чистой прибыли в год составит 2 млн. 326 тыс. руб. в ценах 2005 г.

131

1. Андреев В.Н. Математическое планирование экспериментов: Методические указания. - Л.: РИОЛТА, 1982. — 40 с.

2. Bieleman J. Additives for coatings, Wiley VCH, Weinheim 2000.

3. Bozzi E. G. //Chemtech. USA. 1980. V. 10. № 4. p. 238 - 239.

4. Bradac M., Novak R. //Coating. 1992. - Bd. 25 - № 8, p. 278-280.

5. Brock T. e. a. European Coatings Handbook: Vincentz Verlag, 2000. 410 p.

6. Буглай Б.М. Технология отделки древесины. — M.: Лесная промышленность, 1973, 304 с.

7. Bufkin B.G., Grawe J.R. /Я. Coat. Technol. 1978. V. 50 № 644. P. 83 - 109.

8. Byk Gardner, Gloss and reflection hase, Pitture e Vernici //Paints and Varnishes. 1996. p. 7 - 16.

9. Верхоланцев B.B. Водные краски на основе синтетических полимеров. — М.: Изд. Химия, 1968. 200 с.

10. Ю.Верхоланцев В.В. Добавки в рецептурах лакокрасочных материалов// Лакокрасочные материалы и их применение. — 2001.-№6 — с.25.

11. Верхоланцев В.В. Лакокрасочная промышленность что впереди?// Лакокрасочные материалы и их применение. - 2003. - №1 - с.22.

12. Верхоланцев В.В. Развитие производства водно-дисперсионных красок// Лакокрасочные материалы и их применение. 1984. - №6 - с.8-12.

13. Верхоланцев В.В. Роль добавок в производстве лакокрасочных материалов// Лакокрасочные материалы и их применение. 2001. - №5 — с.12.

14. Н.Герасюта С.М., Яковлев Ю.А. "Молекулярно-кинетическая теорияиспарения лакокрасочных материалов" (межвузовский сборник научных трудов "Технология и оборудование деревообрабатывающих производств") СПб, СПбГЛТА, 1997, 1 том, с. 136-141.

15. Герасюта С.М., Яковлев Ю.А. "Определение летучести и активности лаков" (межвузовский сборник научных трудов "Технология иоборудование деревообрабатывающих производств") СПб, СПбГЛТА, 1997, 1 том, с. 141-146.

16. Гербер В.Д. Перспективы развития лакокрасочных материалов и технологий для отделки древесины// Лакокрасочные материалы и их применение. 1999. - №7-8 — с.58.

17. Горшкова Е.В., Горшков А.П. Водные лакокрасочные материалы// Мебельщик. 2005.-№3 - с.66.

18. Daniel J. //Makromol. Chem. 1985. Suppl. 10/11. - p. 359 - 390.

19. Дехант И., Данц P., Киммер В., Шмольке Р. ИК-спектроскопия полимеров. М.: Химия, 1976. - 472 с.

20. Dr/ Eicken. Proc. 18th Water Borne, Higher Solids and Powder Coat Sump, New Orleans, La, Febr. 6 8, 1991 - Hatiesburg (Muss). 1995. P. 226 - 252.

21. Елисаветский A.M., Ратников B.H. Новые направления исследований в области повышения эффективности лакокрасочных покрытий// Лакокрасочные материалы и их применение. — 1995. №9 - с.З.

22. Жуков Е.В., Онегин В.И. Технология защитно-декоративных покрытий древесины и древесных материалов. — М.: Экология, 1993. — 101 с.

23. ЗАО БАСФ Новые акриловые дисперсии концерна БАСФ длялакокрасочных материалов по древесине// Лакокрасочные материалы и их применение. 2005.-№4 — с.7.24.3аявка 63-48361 Япония.

24. Zhao Ch. L. Heckmann W. Mechanical stregth and morphology of polymer latex films, 27 International Water-Borne, Hihg solids and Powder Coatings Symposium, March 1-3, New Orleans, USA.

25. Zosel A. Lack und Polymerfilme, Viskoelastische Qualitatsmerkmale, Vincentz Verlag, Ed. U. Zorll, 1996, Chapter 5. 8. p. 100 - 109.

26. Илларионова Л.А. Потребительские свойства модифицированных водно-дисперсионных красок. Автореферат дисс. к.х.н. М, 1992. — 12 с.

27. Казакова Е.Е., Скороходова О.Н. Водно-дисперсионные акриловые лакокрасочные материалы строительного назначения. М.: изд-во ООО Пэйнт-Медиа. - 136 с.

28. Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применения Уф-, ИК-, ЯМР- и масс-спектроскопии в органической химии. М.: МГУ, 1979 — 240 с.

29. Калориметрия. Теория и практика: Пер. с англ./ В. Хеммингер, Г. Хёне. -М.: Химия, 1990.-176 с.

30. Карякина М.И. Испытания лакокрасочных материалов и покрытий. М.: Химия, 1988.-252 с.

31. Карякина М.И. Лабораторный практикум по испытанию лакокрасочных материалов и покрытий. М.: Химия, 1977. - 239 с.

32. Киреева В.Г. Водоразбавляемые лакокрасочные материалы для отделки древесины// Лакокрасочные материалы и их применение. — 1984.-№1 — с.67.

33. Кислова Ю.Е., Воронина Е.А., Кардаш П.В. Состояние и перспективы российского рынка акриловых дисперсий и водно-дисперсионных лакокрасочных материалов на их основе// Лакокрасочные материалы и их применение. — 2005.-№12 — с.4.

34. Королев Д.В., Суворов К.А. Определение физико-химических свойств компонентов и смесей дериватографическим методом: Метод, указания к лабораторной работе. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2003. - 33 с.

35. Крылова И.А., Назарова И.В., Спасов В.А., и др. //Лакокрасочные материалы и их применение. — 1969. № 3, с. 20 — 22.

36. Кудрявцев Б.Б. Лакокрасочные материалы для окраски древесины: технический уровень и состояние рынка// Лакокрасочные материалы и их применение. — 2000. №5 — с.7.

37. Лаки на водной основе для внутренних работ// Дизайн и производство мебели. 2005. - № 4 - с.20.

38. Ли Н.И., Калаус Э.Э. Модификация водных дисперсий полимеров// Лакокрасочные материалы и их применение. — 1977. №4 — с.31.

39. Manfred Schwartz, Roland Baumstark. Пленкообразователи, применяемые в материалах для окраски древесины// Лакокрасочные материалы и их применение. 2004. - №6 - с. 12.

40. Материалы симпозиума фирмы Vottekker (ФРГ). М., 1980.

41. Менчер Э. М. Лекции по статистическим методам оптимизации технологических процессов. Красноярск (СибТИ), 1968. - 182 с.

42. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. -М.: Физматиздат, 1961.-479 с.

43. Москалева В.Е. Строение древесины и его изменение при физических и механических воздействиях. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 165 с.

44. Мусихин В.Л. и др. Определение физико-механических свойств лакокрасочных пленок и покрытий: Метод, указания/ ЛТИ им. Ленсовета. -Л.: 1988.-30 с.

45. Наканиси К. ИК-спектры и строение органических соединений. -М.:Мир, 1965.-209 с.

46. Николаева Т.В. и др. ЛКМ. 2002. №7 8. С. 8 - 10.

47. Водорастворимые лаки для отделки мебели" (межвузовский сборник научных трудов "Технология и оборудование деревообрабатывающих производств") СПб, СПбГЛТА, 2000, с. 46-49.

48. Онегин В.И., Цой Ю.И. Водно-дисперсионные краски для столярно-строительных изделий из древесины// Международный лесопромышленный форум. Тезисы докладов. СПб. 2001— с.85.

49. Онегин В.И., Цой Ю.И. Водно-дисперсионные лакокрасочные материалы для прозрачной отделки древесины// Деревообрабатывающая промышленность. — 2002.-№4 — с. 16.

50. Paul С. Stievater, Richard M. Benton, Carol J. Williams Water-Dispersible Coatings// Modern paints and coatings. 1982 - №3 - p. 39.

51. Пен P.3. Статистические методы моделирования и оптимизации процессов целлюлозно-бумажного производства. — Красноярск.: Издательство Красноярского университета, 1982. — 190 с.

52. Перелыгин Л.М. Древесиноведение. М.: Лесная промышленность, 1969. -218 с.

53. Перелыгин Л.М. Строение древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1954. 200 с.

54. Пижурин A.A., Розенблит М.С. Исследования процессов деревообработки. — М.: Лесная промышленность, 1984. — 231 с.

55. Пижурин A.A., Розенблит М.С. Основы моделирования и оптимизация процессов деревообработки. М.: Лесная промышленность, 1988. - 296 с.

56. Пижурин A.A. Современные методы исследований технологических процессов в деревообработке. — М.: Лесная пром-сть, 1972. — 248 с.

57. Полубояринов О.И. Древесиноведение. СПб.: ЛТА, 1997. 28 с.

58. Прогрессивные технологические процессы отделки мебели /Е.В.Локанова, Г.И. Смирнов, Г.П. Гореная и др. //Обзорн. информ. М.: ВНИПИЭИлеспром, 1987. - 52 с.

59. Романов А.Е., Цветкова O.A., Толмачев И.А. Новый водно-дисперсионный лакокрасочный материал для окраски металла// Лакокрасочные материалы и их применение. — 1998. №2-3 - с.22.

60. Рузинов Л.П., Слободчикова Р.И. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. М.: Химия, 1980. — 280 с.

61. Рузинов Л.П. Статистические методы оптимизации химических производств. М.: Химия, 1972. - 200 с.

62. Сборник опытных технологических режимов и процессов. М.: ВГПСТИМ, 1986.-95 с.

63. Сетямина И.П. Формирование декоративно-защитных текстурированных покрытий древесины. Дисс. канд. техн. наук. СПб.: СПбГЛТА, 1997. -218 с.

64. Скороходова О.Н. и др. //Лакокрасочные материалы и их применение. -2001. №2-3. с. 26-27.

65. Скороходова О.Н., Казакова Е.Е. и др. Водоразбавляемые акриловые лакокрасочные материалы на основе дисперсий "Сократ"// Лакокрасочные материалы и их применение. — 1998. №11 — с.6.

66. Schwartz М., Kossman Н. // Fabre+Lack 1997. -Bd. 103, № 10. s. 109-122.

67. Snuparek J. Some aspects of water absorbtion in free films from nonpigmented copolymer latex binders, XXIIIrd FATIPEC Congress, Brussels, 10 14. 06. 1996, V.B, B232 - 244.

68. Созуракова С.Д. Состояние российской лакокрасочной промышленности в 2002 г.// Лакокрасочные материалы и их применение. 2003. - №10 -с.З.

69. Stoye D., Freitag W. Paints Coating and Solvents, 2rd Edition, Wiley VCH, Weinheim, 1998; Chapter 4, Pigments and Extenders. P. 143 - 158.

70. Страхова Е.Г., Кудрявцев Б.Б., Цейтлин Г.М. Технологические и экономические аспекты выбора добавок для лакокрасочных материалов// Лакокрасочные материалы и их применение. — 2002. №5 — с.8.

71. Толмачев И.А. Водно-дисперсионные лакокрасочные материалы промышленного назначения// Лакокрасочные материалы и их применение. — 2004. №5 — с.4.

72. Толмачев И.А. Водно-дисперсионные лакокрасочные материалы для коррозионнозащитных покрытий// Лакокрасочные материалы и их применение. 1997.- №11 — с.27.

73. Толмачев И.А., Верхоланцев В.В. Новые водно-дисперсионные краски. — Л.: Химия, 1979.-200 с.

74. Толмачев И.А., Плюснина А.И. ЛКМ. 1990. № 3. С. 3 15.

75. Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения: Учебник для вузов. — 2-е изд., перераб. И доп. М.: Лесн. пром-сть, 1986. -368 с.

76. Ульберг З.Р., Дейнега Ю.Ф. Лакокрасочные материалы и их производные, 1973, № 6, с. 23 — 25.

77. Fensterseifer F. //Coat. 1999. - № 5. P. 207 - 209;

78. Feuster D. Surface Coat. Australia. 1994. V. 31,1/2. P.6- 17.

79. Hare С. //J. of Protective Coat.& Linings. 1993. - P. 69 - 79.

80. Hoffman R. Factors affecting the viscosity of unimodal and multimodal colloidal dispersions, J. Rheol. 1992. V.36, 5. P.927 965.

81. Цой Ю.И. Совершенствование технологии отделки изделий из древесины на основе водно-дисперсионных лакокрасочных составов. Дисс. Докт. техн. наук. СПб.: СПбГЛТА-2002.-413 с.

82. Чавчавадзе Е.М\С. Древесина хвойных. Л.: Наука, 1979. 190 с.

83. Чубинский А.Н., Ермолаев Б.В. Физико-химические основытехнологических процессов деревообработки. Методические указания по выполнению лабораторных работ. СПб.: РиоЛТА, 1996. - 21 с.

84. Шемуков В.А. Водно-дисперсионные пленкообразователи// Лакокрасочные материалы и их применение. 2000. - №7 - с.20.

85. Яковлев А.Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий: Учебное пособие для вузов. — Л.: Химия, 1981 —352 с.

86. Walker F. /Я. Coat. Technol. 2000. V. 72. - № 903. p. 27-32.