Изменение параметров поверхности древесины сосны при взаимодействии с водными лакокрасочными материалами

Качество и свойства лакокрасочных покрытий (ЛКП) в большей степени зависят от свойств отделываемой поверхности (подложки). Важную роль в подготовке поверхности изделия из древесины играет ее шероховатость, которая зависит в основном от неровностей анатомического строения, особенностей кинематики движения режущего инструмента и движения подачи, вибрации режущего инструмента. Подготовка поверхности древесины к формированию ЛКП оказывает большое влияние на декоративные свойства покрытия, такие как цвет и блеск, а также на смачивание и растекание лакокрасочных материалов на древесине.

Шероховатость древесины, образуемая в результате механической обработки, обычно представляет хаотичное чередование выступов и впадин. Особое значение приобретает ориентация микровыступов. Так, микровыступы, параллельные направлению течения лакокрасочных материалов, ускоряют растекание, тогда как поперечные выступы вызывают его замедление. С увеличением шероховатости поверхности уменьшается значение краевого угла смачивания.

На защитно-декоративные свойства покрытий также большое влияние оказывают свойства лакокрасочного материала (ЛКМ). В настоящее время большим спросом на деревообрабатывающих предприятиях пользуются ЛКМ на водной основе. В качестве связующего для водных лаков преимущественно используют акриловые дисперсии, а также полиуретановые эмульсии или их сополимеры. Лаки на водной основе имеют высокие эксплуатационные характеристики: влаго-, светостойкость, стойкость к истиранию, поэтому их применяют для отделки окон, дверей, паркета и т.д. Однако недостатком водных материалов является то, что при их взаимодействии с поверхностью древесины хвойных пород происходит не только увеличение ее микронеровностей (шероховатости), но и набухание поверхностного слоя подложки.

Целью работы являлось исследование изменения параметров поверхности древесины при взаимодействии с водными лакокрасочными материалами. Для проведения исследований применялась древесина сосны с радиальным и тангенциальным срезом. Влажность образцов древесины составляла 8±2%. Шероховатость поверхности подложки по ГОСТ 7016 — 82 [1] параметр Rz не более 16 мкм. В качестве лакокрасочных материалов использовали водоразбавляемый самогрунтующийся лак для паркета AF 53XX с вязкостью 20 секунд и содержанием нелетучих веществ 34±1% и тиксотропный лак на водной основе для наружных работ AZ 2130/ХХ с содержанием нелетучих веществ 42±1% фирмы Sayerlack.

Шероховатость поверхности древесины и покрытия (параметры Ra и Rz) измеряли профилеметром TR100. Набухание поверхностного слоя древесной подложки определяли с помощью Микатора 1 ИПМ с точностью до 1 мкм (ГОСТ 14712-69). Лак наносили с помощью аппликатора с толщиной в жидком слое (ж.с.) 100, 150 мкм. Сушка покрытия производилась при нормальных условиях (t = 20±2°С, W = 65%): для лака AF 53XX — 1 час, для лака AZ 2130/ХХ — 3 часа. При формировании многослойного покрытия промежуточное шлифование не применялось. Набухание поверхностного слоя при взаимодействии древесины с водными ЛКМ определялось с учетом толщины сформированного лакокрасочного покрытия, которое измерялось с помощью прибора МИС-11.

Перед нанесением ЛКМ поверхность древесины была подготовлена трехразовым шлифованием до шероховатости Ra = 2,11 мкм, Rz = 15,47 мкм. Первоначально были проведены исследования на взаимодействие древесины с водой, как разбавителем водных ЛКМ.

При кратковременном смачивании поверхности древесины водой ее шероховатость резко увеличивается: значение Ra — до 4,3 мкм, значение Rz — до 32 мкм. То же происходит при контакте древесины с водой продолжительностью до 10 минут, при этом поверхностный слой набухает в ранней и поздней зоне годичного слоя. После удаления воды (рис. 1, 2) поверхность древесины продолжает изменять свои линейные размеры в сторону увеличения еще в течение 10 минут. Затем происходит усушка (восстановление) поверхностного слоя в течение 120 минут до 4 мкм. После повторного смачивания продолжительностью 10 минут поверхностный слой древесины набухает до 30 мкм, а затем восстанавливается в течение 120 минут до 6 мкм. Более интенсивное набухание поверхностного слоя древесины сосны происходит после третьего смачивания.

Рис. 1. Набухание ранней зоны древесины сосны при многократном смачивании

Рис. 2. Набухание поздней зоны годичного слоя древесины сосны при многократном смачивании

С увеличением продолжительности контакта воды с поверхностью древесины до 30 минут более интенсивно древесина набухает после первого смачивания (до 48 мкм — ранняя зона, до 57 мкм — поздняя зона годичного слоя), при этом в течение 120 минут сушки восстановление происходит до 20 мкм в ранней зоне и до 26 мкм в поздней зоне годичного слоя от начальных значений. Однако после третьего смачивания продолжительностью 30 минут и сушки 120 минут поверхность древесины восстанавливается до 10 мкм от начальных значений. Изменение линейных размеров поверхностного слоя древесины сосны имеет полиноминальный характер и описывается кривой полинома второго порядка.

При взаимодействии древесины с водным ЛКМ также происходит увеличение шероховатости поверхности, набухание поверхностного слоя. Однако с повышением расхода материала значение шероховатости увеличивается в меньшей степени (таблица 1, рис. 3). При этом после взаимодействия древесины с тиксотропным материалом AZ 2130/ХХ визуально наблюдаются неровности на поверхности покрытия: поднятие ворса, набухание вмятин, возникших от режущего инструмента. Каждый последующий слой материала повторяет неровности, возникшие ранее, поэтому необходимо промежуточное шлифование покрытия, что увеличивает процесс формирования ЛКП до 2 суток.

Таблица 1. Значения шероховатости покрытий (параметр Ra), образованных водными лакокрасочными материалами

Рис. 3. Значение параметра шероховатости Rz на покрытиях, образованных водными лакокрасочными материалами

Обратная картина наблюдается с паркетным низковязким лаком AF 53ХХ. После нанесения первого слоя материала с толщиной 100 мкм в ж.с. происходит увеличение шероховатости (Rz) до 30 мкм, однако с последующим нанесением значение шероховатости резко снижается до 13 мкм. После нанесения третьего слоя покрытие полностью выравнивается, при этом не требуется операция промежуточного шлифования. Продолжительность сушки каждого слоя ЛКМ — 1 час.

При отделке древесины водными ЛКМ наблюдается увеличение шероховатости поверхности, которая в первую очередь будет определяться неравномерным набуханием ранней и поздней зоны годичных слоев древесины (рис. 4).

Рис. 4. Набухание поверхности древесины сосны с радиальным срезом при взаимодействии с водным ЛКМ

При нанесении водного ЛКМ на поверхность древесины часть разбавителя испаряется, а часть впитывается в поверхностные слои подложки. При этом происходит изменение линейных размеров поверхностного слоя (набухание поверхности). Лакокрасочное покрытие, сформированное водными ЛКМ, проницаемо для жидкостей и газов, поэтому при повторном нанесении ЛКМ вода проникает в поверхность древесины через первый слой покрытия, вызывая при этом ее набухание. С повторным нанесением ЛКМ происходит резкое увеличение линейных размеров поверхностного слоя подложки. После третьего нанесения за счет уплотнения структуры покрытия изменение происходит только в древесине. Шероховатость поверхности ЛКП при этом снижается с увеличением количества слоев.

На радиальном срезе ранняя зона годичного слоя набухает в среднем до 92 мкм, поздняя зона — до 80 мкм при трехразовом нанесении материала (рис. 4). На тангенциальном срезе (рис. 5) при низком расходе материала (толщина слоя 100 мкм в ж.с.) происходит усадка поверхности древесины как в ранней (до 10 мкм), так и в поздней (до 20 мкм) зоне годичного слоя. При повторном и последующем нанесении изменений не происходит. С увеличением расхода и количества слоев материала происходит набухание ранней зоны годичного слоя до 65 мкм и поздней зоны — до 53 мкм.

Рис. 5. Набухание поверхности древесины сосны с тангенциальным срезом при взаимодействии с водным ЛКМ

По результатам исследований можно сделать выводы: при взаимодействии поверхности древесины сосны с водой происходит обратимое явление набухания поверхностного слоя, при этом шероховатость поверхности увеличивается в несколько раз, выявляя все неровности, образованные вследствие механической обработки; при взаимодействии поверхности древесины с водными лакокрасочными материалами также происходит поднятие ворса, проявляются риски и вмятины, образованные в результате механической обработки, в связи с чем увеличивается шероховатость древесины и покрытия; формирование многослойного покрытия без промежуточного шлифования приводит к снижению шероховатости, при этом наблюдается изменение линейных размеров самой подложки, как в ранней, так и в поздней зоне годичного слоя; на шероховатость покрытия большое влияние оказывает состав ЛКМ: водный тиксотропный материал при повторном и последующем нанесении, равномерно распределяясь, повторяет все неровности поверхности, при этом, для достижения более качественной поверхности, требуется промежуточное шлифование, что увеличивает продолжительность технологического процесса отделки изделия до 2 суток; низковязкий паркетный лак после третьего нанесения образует гладкую качественную поверхность при малом расходе, при этом не требуется дополнительных операций промежуточного шлифования. Таким образом, требуются дополнительные исследования по изучению возможности применения низковязких водных материалов для отделки фасонных поверхностей деталей мебели с исключением операции промежуточного шлифования.

Библиографический список

1. ГОСТ 7016-82. Изделия из древесины и древесных материалов. Параметры шероховатости поверхности.

Романова С.С., Мелешко А.В. (СибГТУ, г. Красноярск, РФ).
По материалам доклада на VI Международном Евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века», Екатеринбург, РФ, 2011 г.