книги из ГПНТБ / Буглай Б.М. Технология отделки древесины учебник

ния поверхностей растворителями с низким значением диэлектри­ ческой проницаемости (толуолом, сольвентиафтом, скипидаром) и растворителем с высоким значением диэлектрической проницае­ мости (этиловым спиртом). Как видно из рис.29, в первых трех случаях смачивание практически не вызывало изменений про-

Толуол

Соль вент нарт

іСкипидар

филя, в то время как после смачивания этиловым спиртом неров­ ности поверхности плит резко увеличились.

Степень влияния растворителей и содержащих их лакокрасоч­ ных составов на шероховатость поверхности плит зависит также от содержания смолы в поверхностном слое, его плотности, содер­ жания гидрофобизирующих и других, добавок. С увеличением

плотности и содержания смолы набухание, а равно и деформиро­ вание поверхности в растворителях снижаются. Аналогично влия­ ние (применительно к водным составам) гидрофобизирующих добавок.

Древесина имеет сложный химический состав. Помимо целлю­ лозы, гемицеллюлоз и лигнина, составляющих основную массу древесины большинства пород, в ней могут содержаться в боль­ ших или меньших количествах также смолы, терпены, камеди, красящие и дубильные вещества, или танниды, и др. Эти вещества,

сина других пород в прошлом использовалась как источник полу­

Содержание таннидов также колеблется в очень больших пре­

тан, дуб, эвкалипт, орех, красное дерево и др.). Наконец, древе­ сина многих пород почти совсем не содержит таннидов (ель, береза и др.).

Танниды представляют собой сложные производные много­ атомных фенолов, удовлетворительно растворяющиеся в воде. Они легко окисляются, обладают вяжущими свойствами и образуют с соединениями железа, хрома и некоторых других металлов окрашенные органические соли. Это последнее свойство таннидов и используется при протравном крашении древесины. Однако зна­ чение таннидов и красящих веществ не всегда ограничивается их ролью в придании древесине того или иного цвета.

Известно, что некоторые из этих веществ могут оказывать существенное влияние на процесс отверждения высыхающих масел и полиэфирных лаков.

Так, на древесине палисандра наблюдается резкое замедление сушки масляных лаков (до 10—30 дней на некоторых разновид­ ностях этой породы). Полиэфирные лаки с органическими пере­ кисями в качестве инициатора практически непригодны-для непо­ средственного нанесения на древесину палисандра и некоторых других тропических пород. Замедление сушки в этом случае уве­ личивается до нескольких месяцев. Образующиеся в конце концов покрытия мягки, имеют трещины и отслаиваются. Причина за­ ключается в ингибирующем действии на высыхание этих лаков веществ хиноидной структуры, содержащихся в древесине этих пород, по химической природе близких к красящим и дубильным веществам. Резкое замедление сушки и образование • дефектов пленки у полиэфирных лаков наблюдается также на древесине

ках, которые располагаются над сучками, засмолами и ядровой древесиной с большим содержанием смолы.

§ 4. Адгезия лакокрасочных пленок с древесиной

Рассмотренные выше явления объясняют сущность смачива­ ния и прилипания жидкости к твердому телу, но не дают ответа на вопрос о природе сил, обусловливающих адгезию между твер­ дыми телами, в частности между древесиной и лакокрасочной пленкой. Вопрос этот имеет большое значение, так как относится

играют межмолекулярные силы. При нанесении иа поверхность твердого тела (субстрата) адгезива в виде раствора или расплава под влиянием микроброуновского движения, давления и других факторов происходит приближение полярных групп макромолекул адгезива к полярным участкам поверхности субстрата. Когда эти расстояния оказываются меньше 5 А, между молекулами адге­ зива и субстрата начинают действовать различные силы, включая силы ван дер Ваальса, силы гомеополярной связи и др., которыми и обусловливается адгезионная связь между субстратом и адгезивом.

Как показывают работы советских ученых Б. В. Дерягииа, Н. А. Кротовой и др., наличие только межмолекулярных сил, вы­ зывающих адсорбцию молекул адгезива, не может объяснить ряд таких экспериментально наблюдаемых явлений, как значительное

зионной связи важную роль играют электрические силы, возни­ кающие между контактирующими поверхностями. Хотя в основе адгезии лежат адсорбционные явления, возникающие межмолеку­ лярные связи важны лишь постольку, поскольку они могут вы­ звать перераспределение электронов на границе раздела двух сред и возникновение так называемого «двойного электрического слоя».

В различных материалах, например в металле и полимере или в двух разных полимерах, электроны находятся в различных энер-

гетических условиях и при контакте таких материалов и их хими­ ческом взаимодействии возможен переход части электронов с по­ верхности одного на поверхность другого. В результате граничные

обусловливает, в ряде случаев, высокое значение адгезии. Вели­ чина сил адгезии, на несколько порядков превышающая возмож­ ную величину молекулярных сил, зависимость работы отрыва пленки от скорости отрыва, электронная эмиссия, наблюдаемая при отрыве пленок, и ряд других экспериментально установленных фактов и теоретических положений говорят в пользу электриче­ ской теории адгезии.

Вместе с тем электрическая теория не в состоянии объяснить случаи высокой адгезии между иеполярными полимерами, а также адгезии между двумя поверхностями одного и того же полимера (аутогезию), где нет условий для возникновения двойного элек­ трического слоя.

В этих случаях основная роль в явлениях прилипания, по со­ временным воззрениям (С. С. Воюцкий, Н. А. Кротова, Л. П. Мо­

полимеров микроброуновское движение гибких полимерных моле­ кул может вызвать диффузию концевых или срединных участков цепочечных молекул одного полимера в другой, чем и объясняется возникновение прочной связи между ними.

Явления диффузии возможны при совместимости, т. е. взаим­ ной растворимости полимеров, а также в тех случаях, когда один из полимеров наносится в виде раствора, а второй способен раст­ воряться или набухать в этом растворе.

Наконец, вполне закономерно предположить, и это доказы­ вается результатами некоторых исследований, что иногда в явле­ ниях адгезии существенную роль играет возникновение химиче­

ными группами мочевино-формальдегидных и фенолформальде-

Изложенные взгляды на природу адгезии дают ключ.к пони­

лакокрасочным материалом, как необходимого условия для про­ текания адсорбционных и диффузионных процессов и химического

взаимодействия между древесиной и покрытием, объясняют при­ чины высокой адгезии между слоями совместимых лакокрасочных материалов и нередко наблюдаемой хорошей адгезии между сло­ ями несовместимых полимерных материалов и древесины.

Рассматривая вопрос об адгезии применительно к древесине, нельзя не отметить положительное значение капиллярнопористого ее строения для прочного сцепления с ней лакокрасочных покры­ тий, которое заключается, во-первых, в значительном увеличении действительной поверхности контакта древесины и пленкообразователя и, во-вторых, в дополнении адгезионных сил силами меха­ нического сцепления покрытия с древесиной при проникновении покрытия в полости капилляров.

На величину адгезии существенное влияние может оказывать также толщина лакокрасочных покрытий. При отверждении боль­ шинства растворов пленкообразователей обычно происходит со­ кращение" объема, или усадка их. Так как свободному сокраще­

напряжения. Эти напряжения приводят к значительному ослаб­

из-за односторонней связи покрытия с подложкой. Поэтому мно­ гие полимерные материалы, с успехом применяемые для склеива­ ния древесины, оказываются непригодными или ограниченно пригодными в качестве пленкообразователей в лакокрасочных по­ крытиях (коллагеновые и казеиновые клеи, немодифицированные мочевино-формальдегидные смолы и др.).

§ 5. Внутренние напряжения в покрытиях

Основными причинами возникновения внутренних напряжений могут быть явления усадки покрытия при отверждении, темпера­ турные и влажностные изменения в покрытии и подложке. Соот­ ветственно различают усадочные, термические и влажностные внутренние напряжения.

Усадочные напряжения. Отверждение всех известных в настоя­ щее время полимерных покрытий (как превращаемых, так и непревращаемых) сопровождается их уплотнением и сокращением объема. Однако свободное сокращение покрытия, находяще­ гося на жесткой подложке, возможно лишь в направлении перпендикулярном подложке, т. е. по толщине покрытия. Свобод­ ному сокращению линейных размеров покрытия в направлении параллельном подложке препятствуют, силы адгезии. Пока покры-

тие сохраняет текучесть, его объем изменяется без возникновения внутренних напряжений. С момента перехода покрытия из жид­ кого в гелеобразное состояние возможность свободного течения исчезает и в результате продолжающейся усадки покрытие оказы­ вается растянутым на подложке. Таким образом, в покрытии воз­ никают нормальные к его поперечному сечению внутренние напря­ жения растяжения ар, а на границе между покрытием и подлож­ кой касательные напряжения сдвига х.

Если нормальные напряжения превосходят силы когезии по­ крытия, они должны вызвать растрескивание (рис. 30, а) послед­ него.

Если касательные напряжения сдвига больше, чем силы адге­ зии покрытия к подложке, должно произойти отслаивание (рис. 30) покрытия. Система покрытие — подложка находится в плоском напряженнном состоянии.

Подложка

Рис. 30. Возможные варианты распределения нормальных внутренних на­ пряжений ' по толщине покрытия

Если для упрощения рассматривать действие нормальных на­ пряжений в одном каком-либо направлении как линейную задачу, то среднее значение нормальных внутренних напряжений, дей­ ствующих в этом сечении, можно выразить уравнением

ап = — кгсісм2, р hb

где Р— сила, с которой пленка стремится сократить свою длину, кгс;

hub — соответственно толщина и ширина покрытия в рас­ сматриваемом сечении, см.

Практически, полученное таким образом среднее значение сгр лишь в частном случае будет соответствовать действительному значению нормальных напряжений, так как в зависимости от при­ роды лакокрасочного материала и способа отверждения распреде­ ление напряжений по толщине покрытий может быть разным (см. рис. 30).

Величина силы Р, а с ней и внутренних напряжений зависит от величины усадки и механических свойств покрытия. Образую­ щийся из лака гель в первое время имеет малый модуль упругости и малое время релаксации, поэтому одновременно с развитием ли­ нейной усадки в нем протекают деформации, снижающие внут­ ренние напряжения. Однако продолжающееся отверждение покры-

тия приводит к все большему возрастанию модуля упругости материала покрытия и росту внутренних напряжении до тех пор, пока не прекратится усадка покрытия. Величина усадки различна

ством растворителей, остававшихся в покрытии после превраще­ ния его в гель, и не зависит от их начального содержания. Потеря остатков растворителя, сопровождающаяся усадкой покрытия, протекает весьма длительное время после того, как покрытие при­ обретает технологическую твердость, т. е. становится пригодным для шлифования и полирования.

На развивающиеся при этом внутренние напряжения большое влияние оказывает степень пластификации пленкообразователя. Так, например, у непластифицированных нитроцеллюлозных лаков внутренние напряжения превышают 100 кгс\смг. Введение в лак пластификаторов снижает механические показатели пленки лака; уменьшает ее модуль упругости и способствует релаксации в результате чего в несколько раз снижаются внутренние напря­ жения.

щих лаков, усадка обусловлена уплотнением молекул при полиме­

усадки не зависит от толщины покрытия и практически заканчи­

высокими механическими свойствами соответствуют и максималь­

емная усадка складывается из потери объема при уплотнении мо­ лекул и объема, занятого растворителями, задержанными в покры­ тии к моменту гелеобразования. В случае, когда превращение происходит за счет поликонденсации к этому добавляется объем побочных продуктов реакции поликонденсации. Величина усадки при таком характере отверждения и величина связанных с ней нормальных усадочных напряжений занимают промежуточное по­ ложение между усадкой и напряжениями, наблюдаемыми у по­ крытий, отверждающихся только за счет испарения растворите­ лей, и покрытий, отверждающихся только за счет химических превращений.

Для примера в табл. 7 приведены полученные эксперименталь­ ным путем значения нормальных усадочных напряжений в покры­ тиях из некоторых лаков.

Термические напряжения возникают в результате формирова­ ния покрытий при повышенных температурах, например, при го­ рячей сушке или напрессовывании пленок в горячих прессах с по­ следующим охлаждением, а также в результате значительных температурных перепадов при эксплуатации изделий. На величину термических напряжений значительное влияние оказывает раз­ ница в коэффициентах линейного расширения покрытия и под­ ложки.

Коэффициенты линейного расширения почти всех синтетиче­ ских полимеров близки к коэффициентам линейного расширения древесины поперек волокон. Коэффициенты линейного расширения древесины вдоль волокон на целый порядок ниже (табл. 8). По­ этому при охлаждении после сформирования покрытия в нем воз­ никают растягивающие термические напряжения вдоль волокон

древесины, суммирующиеся с усадочными, и тем большие, чем больше м о д у л ь у п р у г о с т и покрытия и больше перепад температур. Величина нормальных термических напряжений может значитель­ но превышать величину усадочных.

пературных условиях. Резкое возрастание значения внутренних

(МЛТИ), зависимость термиче­ ских напряжений от модуля упругости пленки из лаков, образую­ щих пространственную сетку, может быть приближенно выражена уравнением

хрупкости охлажденного полимера. В покрытиях из термопластич­

Величина нормальных напряжений, будь то усадочные, или термические, не зависит от толщины покрытия.

Величина касательных напряжений на границе покрытие — подложка прямо пропорциональна величине нормальных напряже­

Рис. 32. Примерные эпюры распределения нормальных и касательных внутрен­ них напряжений по длине (ширине) покрытия

площади покрытия и снижается до нуля у края покрытия. Каса­ тельные напряжения близки к нулю в центре покрытия и дости­ гают максимума у его краев. Примерные .эпюры нормальных и ка­ сательных напряжений показаны на рис. 32.

Действуя против сил адгезии, касательные напряжения могут значительно снижать адгезионную прочность, особенно в тех слу^ чаях, когда адгезия покрытия к древесине значительно ниже его когезии.

Иллюстрацией может служить график на рис. 33, где показаны результаты опытов, выполненных в ВПКТИМ, по изучению влия­ ния толщины термопластичных пленок на основе сополимера ви­ нилхлорида и винилацетата на их адгезию к древесине. Пленки напрессовывали на древесину в горячем прессе при температуре

практике характером разрушений покрытий в результате их ста­ рения или чрезмерно больших напряжений.