Физико-химические процессы в окрашенных образцах древесины после климатического старения

ХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ И ДРЕВЕСИНОВЕДЕНИЕ

УДК 674.02: 661.728.85 Ю.И. Цой, С.М. Крутое, А.Ю. Марчук

Цой Юрий Иванович родился в 1945 г., окончил в 1968 г. Ленинградскую лесотехническую академию, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии деревооб-рабатывающх производств С.-Петербургской государственной лесотехни- ческой академии. Имеет более 100 печатных трудов в области технологии деревообрабатывающих производств.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОКРАШЕННЫХ ОБРАЗЦАХ ДРЕВЕСИНЫ ПОСЛЕ КЛИМАТИЧЕСКОГО СТАРЕНИЯ

Методом инфракрасной спектроскопии исследованы процессы, происходящие в окрашенных воднодисперсионной краской образцах древесины при климатическом старении. Установлено, что на древесных подложках осины и сосны деструктивные процессы имеют различный механизм.

Ключевые слова: атмосферостойкость полимерных покрытий, климатическое старение, воднодисперсионная краска, химический состав древесины, спектральный анализ.

Атмосферостойкость полимерных покрытий на древесных подложках во многом связана с химическими и физическими структурными изменениями, происходящими в окрашенных образцах при климатическом старении.

На кафедре технологии деревообрабатывающих производств СПбГЛТА исследованы процессы, происходящие в окрашенных воднодисперсионной краской образцах древесины (осина, сосна) при климатическом старении.

Проведенные ускоренным методом (ГОСТ 9.401-91) климатические испытания воднодисперсионной краски, нанесенной на различные подложки, показали существенное различие в поведении лакокрасочных покрытий на образцах из осины и сосны. Как показали эксперименты, на подложке сосны разрушение покрытия происходит быстрее. Наряду с изменениями в структуре образцов, подвергающихся климатическому старению, и особен-

ностями взаимодействия их с внешними факторами, большое значение имеют процессы химического взаимодействия, происходящие в граничной области «древесина - лакокрасочное покрытие», в самом покрытии и в более глубинных слоях древесины под слоем полимерного лака.

Цель данных исследований - изучить различия в поведении лакокрасочных покрытий на древесных подложках осины и сосны при климатическом старении. При этом необходимо изучить химические изменения и закономерности процесса старения как граничной области «древесина - лакокрасочное покрытие (ЛКП)», так и древесины под полимерным покрытием.

Предпосылками к проведению исследований послужили данные о существенном отличии строения и химического состава древесины осины и сосны. Старение связано с различием в химическом составе соединений и групп веществ, характеризующих хвойные и лиственные породы.

Среди принципиальных различий можно выделить различное строение лигнинов указанных пород. Как известно, для лигнина хвойных пород более характерно наличие гваяцильных фрагментов, для лиственных -сирингильных. В древесине осины содержание лигнина составляет 21,8 % , в сосне - 25,5 % [4]. Как известно, лигнин обладает значительной способностью к аутоокислению [5] и имеет характерные области поглощения в УФ-спектрах.

По нашему мнению, различие в скоростях деструкции полимерного материала, нанесенного на хвойные и лиственные образцы, может быть связано с наличием экстрактивных веществ. У хвойных пород древесины экстрактивные группы включают в себя соединения терпенового ряда (монотерпены, дитерпены, кислородсодержащие производные - смоляные кислоты и др. [1]). Указанные группы содержат соединения, имеющие в своем составе ненасыщенные связи. Как известно, такого рода соединения легко образуют пероксидные соединения с кислородом воздуха, которые через образование пероксидных радикалов могут инициировать деструктивные процессы в нанесенных на древесину материалах.

Следует учесть и наличие смоляных кислот, которые, диссоциируя, могут способствовать образованию слабокислой среды и приводить к усиливанию деструктивных процессов в лакокрасочном покрытии. Однако, по нашему мнению, влияние последнего обстоятельства не будет преобладающим.

Для более глубокого понимания химических изменений, происходящих в древесине под полимерным покрытием и в граничной зоне «древе-сина-ЛКП» в процессе климатических испытаний, нами был использован метод инфракрасной (ИК-) спектроскопии.

Образцы к испытанию готовили следующим образом. Исследуемые материалы измельчали с получением пылевидной фракции и запрессовывали в виде таблеток с кристаллами КБг (КБг - 3 г; исследуемое вещество -0,01 г). Спектры записывали на ИК-спектрометре 8ресоМ 75 1Я.

После получения ИК-спектров (см. рисунок) определяли наличие полос поглощения по всем частотам исследованного диапазона (качествен-

Древесина осины

климатических испытаний

ный анализ). При необходимости получения более точных данных проводили количественный анализ кривых [2, 3].

Для выяснения изменений в спектрах образцов нормировали интенсивности полос спектров по полосе поглощения 615 см"1, относящейся к поглощению пигмента ТЮ2 (внутренний стандарт).

При получении количественных данных по спектральным кривым рассчитывали оптическую плотность В:

Б = 1п — - 1п — ;

А1 А2

Б = Т1 - Т2,

где А1, А2 - процент пропускания соответственно вершины и основания частотного пика;

Т1, Т2 - интенсивность падающего и прошедшего света.

Оптическую плотность определяли как поглощающую способность вещества и выражали следующим образом:

Б = Ш,

где к - коэффициент погашения, т.е. поглощающая способность вещества; с - концентрация вещества, г/л; ё - толщина слоя образца, см.

В результате анализа полученных ИК-спектров выявлены следующие закономерности (см. таблицу).

Для процесса климатического старения, протекающего в граничном слое «древесина - ЛКП», характерно увеличение оптической плотности в области частот 1720 и 1620 см-1 (С = О) для образцов сосны и ее снижение для образцов осины. Это свидетельствует о накоплении карбонильных групп в древесине сосны и преобладании в ней окислительных процессов по сравнению с осиной.

Кроме того, имеет место увеличение оптической плотности в области частот 1150, 1100 и 1050 см-1 (сложноэфирные связи) для образцов сосны и ее снижение для образцов осины. Это свидетельствует о накоплении сложноэфирных связей в древесине сосны, что в свою очередь инициирует

Изменения, происходящие в граничном слое «древесина - ЛКП» (числитель) и под полимерным покрытием (знаменатель) после климатических испытаний

Функциональные Частота, Оптическая плотность

группы см-1 Осина Сосна

до после до после

старения старения старения старения

Гидроксильные 3400 1,044 0,565 0,519 0,757

группы -ОН 0,816 3,087 1,854 4,097

Карбонильные 1700...1720 0,480 0,407 0,413 0,473

группы С=О 0,432 0,733 0,640 0,711

Алкены С=С 1610...1620 0,437 0,413 0,347 1,032 0,238 1,220 0,396 1,684

Простые эфиры 1130.1150 0,326 0,391 0,166 0,515 0,238 0,836 0,240 0,889

С-О-С 1100 0,393 0,636 0,077 0,774 - -

С-С, С-О, O^N 1030.1050 0,570 0,884 0,145 1,117 0,371 1,794 0,444 1,761

деструктивные процессы. Также можно отметить увеличение интенсивности в области 3400 см-1 (гидроксильные группы), что свидетельствует о процессе гидролиза.

В древесине под полимерным покрытием при климатическом старении отмечено явное накопление гидроксильных групп в области 3400 см-1. Практически во всех остальных областях частот наблюдается увеличение оптической плотности как для осины, так и для сосны.

Таким образом, в ходе экспериментов установлено, что на древесных подложках осины и сосны, окрашенных воднодисперсионной краской, при климатическом старении деструктивные процессы протекают по различным механизмам.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Азаров, В.И. Химия древесины и синтетических полимеров [Текст] / В.И. Азаров, А.В. Буров, А.В. Оболенская. - СПб.: СПбЛТА, 1999 - 628 с.

2. Базарнова, Н.Г. Методы исследования древесины и ее производных [Текст] / Н.Г. Базарнова [и др.]. - Барнаул: Изд-во Алтайского гос. ун-та, 2002. -160 с.

3. Наканиси, К. ИК-спектры и строение органических соединений [Текст] / К. Наканиси. - М.: Мир, 1965. - 209 с.

4. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения [Текст] / Б.Н. Уголев. - М.: МГУЛ, 2001. - 340 с.

5. Фенгел, Д. Древесина. Химия, ультраструктура, реакции [Текст] / Д. Фен-гел, Г. Вегенер; под ред. А.А. Леоновича. - М.: Лесн. пром-сть, 1988. - 512 с.

С.-Петербургская государственная лесотехническая академия

Поступила 13.04.05

Yu.I. Tsoj, S.M. Krutov, A.Yu. Marchuk Physico-chemical Processes in Painted Samples of Wood after Climatic Ageing

The processes occurring in the samples of water-dispersion painted wood under climatic ageing are investigated by infrared spectroscopy method. It is established that the destructive processes are different for aspen and pine wood substrates.