1943

Цвет древесины характеризуется определенным зрительным ощущением, зависящим от спектрального состава отраженного ею светового потока. Древесина обладает избирательной способностью поглощать световое излучение, и отраженный от нее световой поток имеет иной спектральный состав, чем падающий.

Для количественной характеристики цвета необходимо установить численные значения трех показателей: цветового тона , чистоты цвета Р и светлоты , определяющихся длиной волны

Цветовой тон определяется длиной волны чистого спектрального цвета. Чистота цвета Р характеризуется смешением спектрального цвета с белым, что приводит к уменьшению его насыщенности. Чистота цвета Р или насыщенность изменяется от единицы до нуля. Цвета окружающих нас предметов не имеют максимальной насыщенности. Чистота цвета, как физический показатель, есть отношение количества хроматического цвета, свойственного данному материалу, к общему количеству света им отражаемому. Светлота определяется коэффициентом отражения, то есть величиной отношений количества отраженного светового потока к падающему. Для белых поверхностей, отражающих максимальное количество световой энергии, коэффициент отражения близок к единице, для черных – приближается к нулю. Длина волны разных пород колеблется в пределах 578…585 нм, что соответствует желтому участку спектра. Наблюдается разнообразие значений чистоты цвета, которые уменьшаются в пределах 38-56%. Светлота изменяется в пределах 25-68%. Основное вещество древесины – целлюлоза – почти белого цвета. Многообразие цветовых оттенков древесине придают заключенные в полостях клеток или пропитывающие их стенки красящие и дубильные вещества – смолы и продукты их окисления. Цвет древесины зависит от климатических условий. Древесина пород умеренного пояса окрашена бледно; древесина тропического пояса окрашена ярко. Интенсивность окраски увеличивается с возрастом дерева. Древесина многих пород изменяет цвет при выдержке под влиянием воздуха и света.

Блеск древесины проявляется в ее способности направленно отражать падающий световой поток. На блеск оказывают влияние оптические свойства – коэффициенты поглощения и преломления света – и структура поверхности.

Структуру поверхностей можно представить в виде большого числа элементарных площадок, неровности которых составляют меньше половины длины световой волны; размер же самых элементарных площадок по сравнению с длиной волны велик. Каждая такая площадка отражает свет как элементарное зеркало. Если в расположении площадок наблюдается некоторое преобладающее направление, то появляется и преобладающее направление отражения, то есть блеск. Доля отраженного в данном направлении света тем больше, чем больше площадок расположено в

21

плоскости главной ориентации. Когда элементарные площадки расположены хаотично, после шлифования древесины, свет отражается диффузно

иповерхность представляется матовой. Натуральная древесина не отличается высокой степенью блеска. Зрительное восприятие блеска древесины зависит от характера освещения, цвета, структуры поверхности древесины

идругих факторов.

Для определения блеска различных пород древесины используется фотоэлектрический блескомер ФБ-2. Этот прибор позволяет определить световой поток, диффузно отраженный контролируемой поверхностью. Отношение диффузно отраженного светового потока к падающему называется коэффициентом рассеянного (диффузного) отражения. Иногда этот коэффициент называют «альбедо» (от латинского слова albus – белый) или белизной. Степень блеска зависит от колориметрических характеристик древесины и ее белизны.

В табл. 1.1 представлена текстура пород древесины.

22

1.5. Декоративные свойства покрытий

Декоративные свойства покрытий (ДСП) – это способность покрытий улучшать, украшать внешний вид поверхности древесного материала.

Декоративность покрытий определяется их оптическими свойствами и характеризуется прозрачностью, цветом и блеском. Поскольку древесина обладает красивой текстурой и цветом, то для ее отделки предпочитают бесцветные прозрачные покрытия. Поэтому главным для лаковых покрытий является блеск или характер отражения света. По характеру отражения света покрытия условно делят на 3 группы: зеркальные, глянцевые, матовые. Зеркальное покрытие обладает гладкой поверхностью, высота неровностей не превышает половину длины волны видимого света. Падающий на такую поверхность световой поток отражается без существенного рассеивания и создает зеркальное изображение окружающих предметов. Такие оптически гладкие поверхности образуются из находящихся в покое жидкостей, в том числе из лаков сразу после нанесения, если толщина нанесенного слоя превышает высоту неровностей подложки. Оптически гладкая поверхность после отверждения лакового покрытия сохранится, если оно будет проходить без усадки, на поверхность не попадает пыль и не будет всплывающих добавок. В противном случае требуется полировка поверхности. К глянцевым относятся покрытия на древесине, к которым не применяется специальных мер для получения эффекта зеркального или диффузного отражения света. Поверхность древесной подложки всегда обладает неровностями анатомического и другого происхождения, поэтому лак, нанесенный на такую подложку, при отверждении утрачивает первоначальную зеркальную гладкость. Под влиянием усадки на поверхности покрытия возникают впадины – просадка над порами и другими неровностями подложки. В отличие от зеркально-гладких, такие покрытия дают изображение окружающих предметов более или менее искаженными в зависимости от неровностей покрытия.

Особую группу составляют матовые покрытия, на неровности которых с помощью специальных средств – матовых добавок наносится искусственная шероховатость. Такие покрытия диффузно отражают большую часть попадающих на них лучей света и поэтому не дают изображения окружающих предметов, однако обладают некоторой способностью к блеску, зависящей от метода придания им шероховатости и степени сглаженности неровностей. Показатель блеска, %, определяется по блескометру ФБ-2. В соответствии с ГОСТ 9.032-74 покрытия по внешнему виду (по степени блеска, %) делятся на следующие виды: высокоглянцевые (60-70); глянцевые (50-59); полуглянцевые (37-49); полуматовые (20-36); матовые (4-19); глубокоматовые ( 3),

23

1.6.Напряжения в покрытиях

1.6.1.Напряжения нормальные и касательные

Нормальные напряжения действуют в сечении покрытия перпендикулярно подложке. Они могут быть сжимающими, если покрытие стремится расшириться параллельно поверхности подложки, а сама подложка сжаться. Если покрытие стремится сжаться, а подложка растянуться, они могут быть растягивающими. Распределение нормальных напряжений по толщине покрытия разнообразно и зависит от природы лакокрасочного материала (ЛКМ), технологии нанесения и способа отверждения. Нормальное напряжение действует против сил когезии покрытия. Равнодействующая сила Рв нормальных напряжений выражается уравнением:

Рв= в h b,

где h и b – толщина и ширина покрытия в рассматриваемом сечении соответственно;

в – суммарная величина остаточных нормальных напряжений (усадочных, термических. влажностных).

Если суммарные нормальные напряжения превосходят когезионную прочность покрытия, то происходит его растрескивание. Равнодействующая сила Рв нормальных напряжений создает изгибающий момент в системе покрытие – подложка и приводит к изгибу отделанных деталей.

В результате действия нормальных напряжений на границе покрытие – подложка возникает касательное напряжение, которое определяют по формуле Санжаровского:

в=А в h,

где А – константа.

Касательные напряжения прямо пропорциональны нормальным напряжениям. Касательные напряжения действуют против сил адгезии, и могут значительно снижать адгезионную прочность особенно, когда адгезия покрытия к древесине значительно ниже его когезии. Распределение напряжений по площади покрытия неравномерно. Нормальные напряжения максимальны в центре площади покрытия и снижаются до нуля у края покрытия. Касательные напряжения близки к нулю в центре покрытия и достигают максимума у его краев.

1.6.2. Усадочные напряжения в покрытиях

Отверждение полимерных покрытий сопровождается их уплотнением и сокращением объема. Свободное сокращение покрытия, находящегося на жесткой подложке, возможно в направлении, перпендикулярном подложке, то есть по толщине покрытия.

24

Свободному сокращению линейных размеров покрытия в направлении, параллельном подложке, препятствуют силы адгезии. Пока покрытие сохраняет текучесть, его объем изменяется без возникновения напряжений. С момента перехода покрытия из жидкого в гелеобразное состояние возможность свободного течения исчезает и в результате продолжающейся усадки покрытие оказывается растянутым на подложке, что приводит к возникновению усадочных напряжений, максимальная величина которых может быть рассчитана по формуле

σ ε1у μЕ ,

где у – относительная линейная усадка покрытия в свободном состоянии без подложки;

Е – мгновенный модуль упругости покрытия при растяжении;– коэффициент Пуассона покрытия.

Относительная линейная усадка покрытия может быть определена на свободных пленках по формулам:

у lн lн lк bн bн bк hн hн hк ,

где lн, bн, hн – длина, ширина, толщина покрытия (начальные); lк, bк, hк – конечные длина, ширина, толщина пленки.

Это справедливо, если пленка проявляет только упругие свойства. Однако известно, что под действием напряжений в пленке могут протекать упругие, высокоэластичные и пластические деформации. Полная относительная деформация пленки составляет:

= уп + вэ + пл.

Зная напряжение, вызвавшее полную деформацию, можно рассчитать мгновенный, высокоэластический и кажущийся модуль упругости:

Е= в/ уп; Евэвэ; Ек εупσв вэ .

покрытия сетчатой структуры:

в=2 у Е ,

где Е – равновесный высокоэластический модуль упругости при растяжении пленки

25

Для покрытий отверждающихся за счет физического испарения растворителя, относительная усадка, может быть определена по формуле

у= у Кр,

где у – коэффициент линейной усадки.

1.6.3. Термические напряжения в покрытиях

Термические напряжения возникают в покрытиях в результате формирования их при повышенных температурах, а также при температурных перепадах при эксплуатации изделий.

Появление термических напряжений обусловлено разницей в коэффициентах линейного термического расширения покрытий и подложек под действием нагрева или охлаждения.

Коэффициенты линейного расширения почти всех синтетических полимеров близки к коэффициентам линейного расширения древесины поперек волокон. Коэффициенты линейного расширения древесины вдоль волокон на порядок ниже. Поэтому при охлаждении после сформирования покрытия в нем возникают растягивающие термические напряжения вдоль волокон древесины, суммирующиеся с усадочными и тем больше, уем больше перепад температур. Величина нормальных термических напряжений может превышать величину усадочных. С учетом релаксационных процессов, происходящих при растяжении или сжатии покрытия, величина нормальных термических напряжений t может быть определена по уравнению:

где 1 и 2 – коэффициенты линейного термического расширения покрытия и подложки соответственно;

t – изменение температуры системы покрытие – подложка за время ;

р – время релаксации напряжений.

Охлаждение или нагрев покрытия неодинаково сказывается на напряжениях в покрытиях из различных пленкообразователей и зависит от скорости протекания процесса. В покрытиях из термопластичных полимеров при медленном охлаждении или нагреве возникающая деформация успевает релаксировать, то есть

t=0, а ( 1 – 2) t= пл.

26

В покрытиях с сетчатой структурой молекул при длительном нагревании и охлаждении упругие деформации полностью переходят в высокоэластичные, а напряжения определяются по формуле

t=2( 1 – 2) t Ев.э.

В случае быстрого охлаждения или нагрева, когда не успевают развиваться высокоэластичные и пластические деформации, напряжения определяются упругой деформацией и могут быть определены по формуле

t 1 1 2 t Е .

Величина модуля упругости Е покрытия и коэффициент Пуассона зависят от температуры покрытия.

1.6.4. Влажностные напряжения в покрытиях

Эти напряжения вызываются усушкой и набуханием подложки при эксплуатации изделий. Набухание подложки вызывает растягивающее напряжение в покрытиях. Так как коэффициенты усушки и набухания неодинаковы вдоль и поперек волокон древесины, то по характеру возникших в покрытии трещин можно судить о природе напряжений. Покрытие задерживает проникновение влаги в подложку, однако изменение влажности окружающей среды в течение года приводит к колебанию влажности древесной подложки.

Влажность поверхности древесной подложки значительно изменяется при сушке лакокрасочного покрытия при повышенной температуре. Длительное воздействие и конвекция воздуха приводят к удалению связанной воды с поверхности древесной подложки. После нанесения покрытия влажность подложки стремится стать равновесной с окружающей средой. В результате этого происходят изменения влажности подложки в пределах связанной влаги. Происходит усушка и набухание древесины, а в покрытиях при усушке возникают сжимающие напряжения, а при набухании – растягивающие напряжения. Предельную величину влажностных напряжений определяют по формуле

где Kw – коэффициент усушки или набухания древесины;

Wк, Wн – конечная и начальная влажность древесной подложки. Коэффициент усушки и набухания древесины имеет различные

значения вдоль и поперек волокон древесины. Это обусловливает различия напряжений в разных направлениях, по отношению к волокнам древесины. Так напряжения в радиальном и тангенциальном направлениях будут в 20-

27

30 раз больше, чем в продольном направлении. При медленном изменении влажности подложки напряжения в покрытии успевают частично релаксировать и их величину определяют по формуле

В полимерах с сетчатой структурой напряжения определяются по формуле

w 2 Wк Wн Kw Евэ .

1.6.5.Требования,

предъявляемые к отделочным материалам древесины

Независимо от назначения покрытия все ЛКМ для древесины должны удовлетворять ряду общих требований.

1.Содержать при рабочей вязкости возможно больше сухого остатка и, следовательно, возможно меньше улетучивающихся растворителей и разбавителей.

2.Обладать хорошей адгезией к древесине и смежным слоям покрытия.

3.Быстро высыхать (отвердевать) на поверхности изделия.

4.Высыхать без значительной объемной усадки и напряжений.

5.Образовывать покрытия влагонепроницаемые и твердые и в то же время достаточно эластичные, чтобы выдерживать деформации, связанные

сизменением влажности древесины в процессе ее эксплуатации.

6.Образовывать покрытия с достаточной теплостойкостью и морозостойкостью.

28

2.МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОТДЕЛКИ ДРЕВЕСИНЫ

ИИЗДЕЛИЙ ИЗ НЕЕ

2.1.Пленкообразователи – основа лакокрасочных материалов для отделки древесины

2.1.1.Природные ненаполненные органические полимеры

Кприродным полимерам относятся природные смолы, органические масла, целлюлоза и некоторые белковые вещества. Для получения вяжущих веществ, применяемых в отделочных работах, природные полимеры модифицируют с целью улучшения их свойств.

Природные смолы представляют собой продукты растительного происхождения, содержащиеся в жидкости, которые выделяются на поверхности коры деревьев самопроизвольно или в результате их ранения. Смолы состоят из смеси органических высоко- и низкомолекулярных веществ. Различают «свежие» смолы, собираемые непосредственно с деревьев (живица – сосновая или еловая смола), и ископаемые смолы – продукты жизнедеятельности давно погибших деревьев (янтарь, копалы). Молодые смолы содержат много низкомолекулярных летучих веществ, ископаемые смолы твердые, хрупкие материалы. В строительстве применяют смолы хвойных деревьев: канифоль и скипидар.

Сосновая канифоль – хрупкая стекловидная масса желтого цвета, состоящая в основном из смоляных кислот (90%). При температуре

55…70 С она размягчается, а при температуре 120 С превращается в жидкость. Канифоль хорошо растворяется во многих органических растворителях: ацетоне, эфире, скипидаре, уайт-спирите и спирте. Растворы канифоли обладают клеящими свойствами. В строительстве канифоль применяют в качестве составной части клеящих мастик для улучшения их адгезии. Канифоль представляет собой смесь смоляных кислот: абиетиновой, неоабиетиновой, левопимаровой, d-пимаровой и изо-d-пимаровой.

На рис. 2.1 представлена структурная формула глицеринового эфира канифоли.

СН2ОСО – С19Н29

СНОСО – С19Н29

СН2ОСО – С19Н29

Рис. 2.1. Глицериновый эфир канифоли

Эти пять кислот являются изомерами состава С20Н30О2; структурные формулы кислот близки, так как все они имеют скелет фенантрена. Кис-

29

лоты канифоли являются полифункциональными непредельными соединениями, содержащими карбоксильные группы и ненасыщенные связи.

В чистом виде канифоль как пленкообразователь образует очень хрупкие и нетеплостойкие пленки, дающие отлип даже при незначительном нагревании. Гораздо большее значение имеют некоторые продукты переработки канифоли – соли и эфиры ее смоляных кислот. Соли смоляных кислот называются резинатами. Резинаты кальция и цинка применяются в масляных лаках, предназначенных для отделки деревянных изделий, находящихся внутри помещений.

Резинаты имеют более высокую температуру плавления по сравнению с канифолью. Растворяются резинаты в маслах, ароматических и алифатических углеводородах. Однако к действию влаги резинаты неустойчивы, особенно кальциевые. Более водостойкие смолы получают при этерификации кислот канифоли спиртами. Из них наибольшее применение имеет глицериновый эфир канифоли (эфир гарпиуса) и пентаэритритовый эфир канифоли. Первый растворяется в маслах, скипидаре, ароматических углеводородах и почти не растворяется в спирте. Применяется в масляных и нитроцеллюлозных лаках и красках.

Пентаэритритовый эфир канифоли имеет температуру размягчения 95-

100 С, растворим в этилацетате, ароматических и предельных углеводородах. Как более водостойкий, применяется в масляных лаках и эмалях.

Абиетиновая смола является разновидностью канифоли. Это окисленная смола, приготовляемая из еловой серки. Температура размягчения абиетиновой смолы 95-100 С. Хорошо растворяется в спиртах, дает малопрочные пленки со слабым глянцем, имеет темный цвет. Применяют для приготовления темных лаков в композициях с другими пленкообразователями.

Окситерпеновая смола – продукт окисления кислородом воздуха живичного скипидара и последующей отгонки летучих фракций. При комнатной температуре вид вязкой тягучей смолы коричнево-золотистого цвета с показателем преломления 1,52. Хорошо растворим в ацетоне, эфирах уксусной кислоты, в бутиловом и этиловом спиртах. Окситерпеновая смола растворяет нитроцеллюлозу и совмещается с ней. Это позволяет получать более концентрированные нитролаки. Окситерпеновую кислоту применяют в лакокрасочных составах, предназначенных для защиты деревянных изделий от плесневых грибков.

Янтарь – это ископаемая смола хвойных деревьев. Встречается в отложениях третичного периода по берегам Балтийского моря. По химическому составу это смесь углеводородов, смол, масел и янтарной кислоты. Янтарная кислота – это бутандиовая кислота или этан-1,2-дикарбо- новая предельная кислота, имеющая формулу: НООС–СН2–СН2–СООН. Бесцветные кристаллы, растворимые в воде и спирте. Соли и эфиры янтарной кислоты называются сукцинатами.

30