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

прозрачных покрытий должны хорошо проявлять текстуру древе­ сины и легко втираться в поры древесины.

Лаки и краски должны хорошо разливаться по поверхности. По­ крытия их должны быть светостойкими и в соответствующих слу­ чаях атмосферостойкими. Как правило, защитные свойства и атмосферостойкость пигментированных составов, т. е. красок, зна­ чительно выше, чем свойства чистых пленкообразователей (лаков). Неорганические пигменты повышают твердость, влагонепрошщаемость, атмосферостойкость и другие защитные свойства покрытий. Однако основным фактором, определяющим свойства лакокрасоч­ ного материала, всегда являются свойства пленкообразователей, которые в свою очередь определяются их химическим составом, ве­ личиной и структурой молекул.

§2. Молекулярная структура пленкообразователей

исвойства лакокрасочных покрытий

Втехнике отделки древесины в качестве пленкообразователей находят применение многие материалы: природные и синтетические смолы, высыхающие масла, эфиры целлюлозы, белки и др. Почти все они — полимерные материалы или превращаются в них в про­ цессе образования покрытий.

Как известно, полимерами называют вещества, большие макро­ молекулы которых состоят из большого количества повторяющихся элементарных звеньев, соединенных между собой химическими свя­ зями. Звенья макромолекул могут быть одинаковыми или в них могут встречаться различные элементарные звенья. Число повто­

полимеры или вещества с молекулярным весом от 5000 и более и полимеры с относительно невысоким молекулярным весом — от 500 до 5000. В отличие от полимеров с большим молекулярным весом такие вещества принято называть о л и г о м е р а м и .

Олигомеры, как правило, более активно вступают в реакции, чем полимеры, они легче растворяются и плавятся, образуют более иизковязкие растворы. Свойства эти имеют важное технологическое значение, так как позволяют готовить из олигомеров более концен­ трированные растворы, хорошо растекающиеся по поверхности.

Полимеры менее активно вступают в реакции, растворимость их хуже, а сами растворы более высоковязки, чем растворы олигоме­ ров. Физико-механические свойства полимеров (твердость, паро- и влагонепроницаемость и др.), как правило, значительно выше, чем у олигомеров. '

Из сказанного следует, что в качестве пленкообразователей предпочтительнее материалы относительно невысокого молекуляр-

ного веса (олнгомеры), но способные в процессе образования по­ крытия за счет дальнейшей полимеризации превращаться в поли­ меры с высокими физико-механическими свойствами.

Практически среди применяемых в настоящее время пленкообразователей большинство представляет собой олнгомеры (см. схему). К ним относятся многие природные смолы, модифици­ рованные (полимеризованные) масла, алкидные, мочевино- и фе- иольно-формальдегидные, эпоксидные, ненасыщенные полиэфирные и другие синтетические смолы. Часть из этих пленкообразователей, обладая относительно невысоким молекулярным весом, практи­ чески не изменяет его при образовании твердых пленок. Такими «непревращаемыми» олигомерными пленкообразователями яв­ ляется большинство природных смол (шеллак, сандарак, канифоль и ее производные, битумы, некоторые виды фенольно-формальде- гидных смол). Их молекулярный вес колеблется от 100 до 1000. Они легко плавятся и растворяются, образуя относительно низко­ вязкие растворы. В результате охлаждения расплава или улетучи­ вания растворителя из раствора они образуют пленки стеклообраз­ ной, т. е. аморфной, структуры.

Пленкообразователи

4

у этих пленкообразователей объясняют в основном водородными

относительно невысокие физико-механические свойства. В боль­ шинстве случаев они неводостойки, обладают невысоким сопротив­ лением разрыву и истиранию.

В последние годы в технике отделки древесины и других мате­ риалов все большее значение приобретают пленкообразователи, представляющие собой олигомеры, превращающиеся на поверх­ ности изделий при определенных условиях в высокомолекулярные (полимерные) продукты.

К таким «превращаемым» пленкообразователям относятся мо­ дифицированные масла, алкидные и мочевино-формальдегидные, эпоксидные ненасыщенные полиэфирные, полиуретановые и неко­ торые фенольно-формальдегидные смолы. Технологические преиму­ щества олигомеров у этих пленкообразователей сочетаются с высо­ кими физико-механическими свойствами полимеров у готовых по­ крытий.

Наконец, некоторая часть пленкообразователей представляет собой полимеры с большим молекулярным весом, но еще сохра­ няющие способность растворяться и плавиться (эфиры целлюлозы, поливинилхлоридные, поливинилацетатные смолы, белки и др.) Физико-механические свойства их пленок превосходят свойства непревращаемых олигомерных пленкообразователей. Однако высокая вязкость растворов этих пленкообразователей создает трудности их применения: их необходимо применять в виде малоконцентрирован­ ных растворов, что связано с большим расходом растворителей и получением тонких покрытий. Чтобы избежать этих неудобств, их нередко применяют в виде дисперсий, готовых пленок или в смеси с другими олигомерными пленкообразователями.

Таким образом, в большинстве случаев покрытия на древесине представляют собой полимерные пленки. На свойства их, помимо

Полимеры могут состоять из макромолекул линейной, развет­ вленной и сетчатой структуры. Макромолекулы линейной струк­ туры можно представить в виде длинных цепей из элементарных звеньев (рис. 4, а ) . Они могут иметь боковые ответвления или раз­ ветвленную структуру (рис. 4, б). Наконец, возможно образование сшитых или сетчатых макромолекул, когда за счет боковых хими­ ческих связей между цепями образуется сплошная сетчатая трех­ мерная структура (рис. 4, е).

Рассмотрим последовательно каждую структуру и обусловли­ ваемые ею свойства полимеров.

Важнейшая особенность линейных цепных макромолекул — гиб­ кость. Степень гибкости этих макромолекул определяется их строе­ нием и взаимодействием с соседними макромолекулами. Линейные макромолекулы связаны между собой только силами межмолеку­ лярного взаимодействия, что определяет способность их раство­ ряться и плавиться при нагревании.

Процесс растворения таких полимеров протекает медленно и начинается со стадии набухания их в растворителе. Явление набу-

хания обусловлено быстрой диффузией малых молекул раствори­ теля в полимер и очень медленной диффузией громоздких, связан­ ных между собой макромолекул полимера в растворитель. Лишь когда большое количество растворителя продиффундирует в глубь полимера и, раздвигая макромолекулы, сильно ослабит межмолекуляриые силы и связанность макромолекул, происходит полное растворение.

Растворы линейных полимеров отличаются от растворов олигомеров той же концентрации значительно большей вязкостью, что связано с большой длиной цепных макромолекул. С повышением степени полимеризации и, следовательно, длины молекул растет вязкость раствора и ухудшается растворимость по­ лимеров.

меньшей гибкости цепных макромолекул полимер может быть или очень эластичным, или хрупким.

Появление у цепных макромолекул боковых ответвлений увели­ чивает расстояние между смежными макромолекулами, мешает их уплотнению, поэтому структура полимеров с разветвленными ма­ кромолекулами оказывается более рыхлой. Полимеры имеют мень­ шую прочность и большую эластичность, лучшую растворимость и меньшую температуру плавления.

Различают два типа термопластичных полимеров — аморфные и кристаллические. А м о р ф н ы е п о л и м е р ы отличаются беспо­ рядочным расположением макромолекул. В к р и с т а л л и ч е с к и х п о л и м е р а х молекулярные цепи располагаются в определенном порядке и настолько тесно друг к другу, что действующие на близ­ ком расстоянии межмолекулярные силы прочно их связывают. Кри­ сталлические полимеры более жестки, обладают меньшей адгезией к другим материалам.

Большинство пленкообразователей — аморфные полимеры. Од­ нако почти не встречаются чисто кристаллические или чисто аморф­ ные полимеры. Как правило, в кристаллических полимерах со­ держатся и аморфные участки, в аморфных полимерах может

наблюдаться некоторая, хотя и слабая, упорядоченность в располо­ жении молекулярных цепей и отдельные кристаллические области.

Макромолекулы сетчатой трехмерной структуры могут иметь редко или часто расположенные поперечные связи между состав­ ляющими их линейными цепями, поэтому они обладают наимень­ шей подвижностью, тем меньшей, чем чаще расположены попе­ речные связи. Полимеры с пространственной структурой молекул обладают невысокой эластичностью, но высокой прочностью, твер­ достью и стойкостью к механическим воздействиям. Они нераство­ римы и неплавки.

Олигомерные, а также и высокомолекулярные пленкообразова­

странственной структурой молекул в результате химических реак­ ций «сшивания» линейных молекул поперечными связями, т. е. в результате химических превращений.

Свойства молекулярной структуры пленкообразователя оказы­ вают решающее влияние на свойства лакокрасочных покрытий.

В соответствии с возможными видами пленкообразователей раз­ личают три основных вида покрытий: с глобулярной структурой, с линейной структурой и с пространственной (сетчатой) структурой.

Схематически строение лаковых покрытий этих структур пока­ зано на рис. 5.

Покрытия глобулярной структуры, состоящие из большого числа" молекул, имеющих сферическую или близкую к ней форму, обра­ зуются лаками, приготовленными из многих естественных смол (шеллака, сандарака, канифоли и ее производных и др.), синтети­ ческой смолы идитола, битумов и других непревращаемых олигоме­ ров. Эти покрытия обладают хорошей адгезией к древесине, од­ нако слабо сопротивляются истиранию, что объясняется наличием слабых межмолекулярных связей. Они неэластичны, в большинстве

своем обладают малой водо- и теплостойкостью и не стойки к ат­ мосферным влияниям.

Покрытия с линейной структурой (из линейных или разветвлен­ ных макромолекул) образуются эфирами целлюлозы и многими непревращаемыми полимерами (перхлорвиниловыми, полиакрило­ выми, поливинилацетатными и др.). В большинстве случаев они обладают невысокой адгезией. Физико-механические свойства таких покрытий, в частности эластичность, сопротивление истиранию, про­ никновению влаги, теплостойкость и др., значительно выше, чем у ла­ ков из низкомолекулярных смол; это легко объясняется переплете­ нием линейных молекул между собой и более плотной их упаковкой.

Еще более высокие показатели наблюдаются у покрытий с сет­ чатой структурой молекул, образуемых полиэфирными, эпоксид­ ными, масляными и некоторыми другими лаками. Как правило, эти покрытия обладают хорошей адгезией к древесине.

Прочные боковые связи между звеньями сетчатых макромоле­ кул придают покрытиям физико-механические свойства (твердость, водостойкость и др.), превышающие аналогичные показатели по­ крытий с другими молекулярными структурами. Структура про­ странственной сетки (решетки) обусловливает ее малую способ­ ность деформироваться, поэтому пространственные полимеры с ча­

чевино-формальдегидных и некоторых других смол.

Эластичность масляных покрытий можно объяснить сравни­ тельно редким расположением поперечных связей у пространствен­ ных молекул.

Рассмотренные положения принципиально не должны изме­ няться, если рассматривать покрытия, содержащие пигменты и на­ полнители. Опыт показывает, что и в этом случае свойства пленкообразователя оказывают решающее влияние на свойства покрытий.

Сказанное здесь нужно, конечно, понимать лишь как общую схему, так как при одинаковом типе молекулярной структуры свой­ ства отдельных пленкообразователей могут значительно разли­ чаться. Кроме того, на свойства покрытий большее или меньшее влияние должны оказывать свойства добавляемых пластификато­ ров, наполнителей и пигментов, комбинирование в одном мате­ риале нескольких пленкообразователей, применение модифициро­ ванных пленкообразователей и т. д.

В соответствии с изложенным выше все применяемые для от­ делки древесины пленкообразователи и отделочные материалы на

риалы на основе природных смол, синтетических, термопластичных полимеров, эфиров целлюлозы, восков, белков. Общее для этих ма-

териалов — пленкообразование в результате испарения раствори­ телей (или охлаждения расплава), не сопровождающееся какимилибо химическими превращениями.

и высыхающих масел, пленкообразование у которых является в ос­ новном результатом реакций полимеризации или поликонденсации, протекающих непосредственно на поверхности предмета (под­ ложке). Деление это условно, так как многие лакокрасочные мате­ риалы представляют собой композиции, включающие пленкообразователи обеих групп.

§3. Природные смолы и отделочные материалы на их основе

См о л а м и называют многие органические, твердые или полу­ жидкие при комнатной температуре вещества, разнообразные по химическому составу.

В отличие от истинных жидкостей и кристаллических веществ, имеющих определенную температуру плавления, кипения и другие показатели, для смол характерно постепенное размягчение и плав­ ление при нагревании в широком диапазоне температур и способ­ ность образовывать при определенных условиях блестящие и более или менее прочные пленки.

Отсутствие у смол определенной точки плавления объясняется их полидисперсностью, т. е. наличием молекул разной величины.

Большинство природных смол — продукты выделения деревьев или кустарников; многие из них добывают только в странах с тро­ пическим климатом.

Вхимическом отношении естественные смолы представляют со­ бой сложные вещества, в основном смеси смоляных кислот, хими­ чески стойких, инертных веществ — резенов, спиртов и сложных эфиров смоляных кислот.

Взависимости от растворимости смолы разделяли на спирто-

растворимые (шеллак, сандарак, мастике, манильский копал и др.) и маслорастворимые (копалы, янтарь, продукты переработки кани­ фоли). Первые в виде спиртовых лаков применяли преимуще­ ственно для отделки мебели, музыкальных инструментов и других изделий, а вторые — в масляных лаках для наружных и внутрен­ них покрытий.

В настоящее время это деление утратило свое значение, а само применение природных смол сильно сократилось в связи с разви­ тием производства синтетических смол. Поэтому рассмотрим лишь некоторые природные смолы, еще применяющиеся для приготовле­ ния лаков.

Ш е л л а к — продукт жизнедеятельности насекомых Coccus lacca, живущих на ветвях некоторых тропических растений, произ­

В нем содержатся до 6% шеллачного воска и часто примеси кани­ фоли и красящих веществ. Шеллак хорошо растворяется во многих спиртах и ацетоне, а также в растворах щелочей и солей борной кислоты, хорошо совмещается с нитроцеллюлозой и многими пла­ стификаторами. В этиловом спирте шеллак растворяется медленно, но почти полностью, за исключением примесей и воска. До недав­ него времени шеллак считался лучшей смолой для приготовления мебельных лаков и политур.

Шеллачные пленки всегда придают древесине желтовато-корич­ невый оттенок. Чтобы получить бесцветные пленки, шеллак отбели­ вают. Для этого его первоначально при нагреве растворяют в вод­ ном растворе щелочи. Полученный раствор отбеливают хлорной известью и затем путем нейтрализации соляной кислотой вызывают выпадение из него отбеленного шеллака.

Отбеленный шеллак должен храниться в темноте. При хранении на свету он теряет способность растворяться. Потеря раствори­ мости наблюдается и у обычного неотбеленного шеллака при дли­ тельном хранении, особенно при повышенных температурах.

В зависимости от концентрации шеллака в спирте различают шеллачные лаки (содержание смолы от 30% и выше) и шеллачные политуры (содержание смолы 8—15%). Приготавливают их про­ стым растворением шеллака в спирте. Продолжительность раство­ рения при комнатной температуре до 24 ч. Готовый раствор филь­ труют через редкую шерстяную ткань. Для приготовления лака ис­ пользуют 90—95%-ный спирт, а для приготовления политур — 85— 89%-ный.

Так как содержащийся в шеллаке воск нерастворим в спирте, шеллачные лаки и политуры получаются мутными. Большое коли­ чество шеллачного воска в политуре затрудняет ее нанесение на поверхность и снижает блеск покрытия.

Прозрачные, освобожденные от воска политуры получают филь­ трацией. Такие политуры образуют более блестящие, но и более хрупкие покрытия. Повысить эластичность пленок осветленных шеллачных лаков и политур можно, добавив к ним пластификатор, например дибутилфталат или трикрезилфосфат. Добавление три­ крезилфосфата дает лучшие результаты, но может быть рекомен­ довано лишь в случаях применения темных лаков и политур и на­ несения их механизированными способами. При ручном нанесении присутствие трикрезилфосфата может вызвать заболевание рабо­ тающих экземой. Добавление трикрезилфосфата в светлые поли­ туры может привести со временем к заметному пожелтению их по­ крытий.

Шеллачные лаки и политуры можно окрашивать спирторастворимыми красителями. Особенно широко применяли черные лаки и политуры, окрашенные спирторастворимым нигрозином, для от­ делки черных роялей и пианино.

Пигментированные шеллачные лаки известны как модельные (быстросохнущие) эмали, применяемые для окраски деревянных форм (моделей) в чугунолитейном производстве.

Шеллак, будучи низкомолекулярной смолой, образует относи­ тельно низковязкие растворы, что позволяет готовить из него кон­ центрированные лаки и эмали с содержанием смолы до 45%.

Покрытия, образуемые шеллачными лаками и политурами, об­ ладают мягким блеском и хорошей адгезией к древесине, но невы­ сокой твердостью и сопротивлением к истиранию. Они неводо­ стойки и пригодны только для изделий, эксплуатируемых внутри помещений.

Шеллак иногда применяют для приготовления термопластичных шпаклевок (замазок), которыми заделывают мелкие трещины, выколы и другие дефекты на фанерованных ценными породами изде­ лиях перед отделкой. Шпаклевку приготавливают на местах, сплав­ ляя шеллак с наполнителем и пигментом, вид и соотношение кото­ рых подбирают в соответствии с цветом отделываемой древесины. Применяют такую шпаклевку в расплавленном состоянии (150°С), пользуясь нагретым паяльником.

Еще в первой четверти текущего столетия шеллак считался луч­ шей смолой для мебельных лаков и политур. Поэтому с самого на­ чала появления синтетических смол делались попытки создания смол, равноценных по свойствам этой спирторастворимой природ­ ной смоле. Одно время предполагалось, что таким заменителем мо­ гут быть термопластичные продукты конденсации фенола с форм­ альдегидом.

Как известно, при конденсации фенола с формальдегидом в присутствии кислых катализаторов получают термопластичные смолы, хорошо растворимые в спирте и известные под названием новолаков. В СССР представителем этого типа смол является

С течением времени на свету пленки идитола из прозрачных слегка желтоватых становятся непрозрачными буро-красными и хрупкими, что делает эту смолу практически непригодной для отделки древе­ сины, особенно мебели.

Свое значение как основной материал для отделки мебели шел­ лачные лаки и политуры утратили лишь с появлением и широким распространением нитроцеллюлозных лаков.

С а н д а р а к — смола деревьев Callitris quadrivalis и других, произрастающих в районах Северной Африки и Южной Австралии.

Сандарак представляет собой твердые зерна светло-желтого цвета. Худшие сорта его имеют красноватый оттенок. Плотность сандарака 1,05—1,1 г/см3; температура плавления 110—145° С; рас­ творяется в этиловом спирте, серном эфире, частично в скипидаре.

До недавнего времени сандарак считался лучшей смолой для отделки щипковых музыкальных инструментов (гитар, мандо­ лин и др.).

Сандарачные лаки — раствор сандарака с некоторой добавкой манильского копала в спирте. Они образуют слегка шероховатые твердые покрытия, более хрупкие, чем шеллачные, обладают хо-