Аэроионизационный способ интенсификации пленкообразования лакокрасочных покрытий на древесине и древесных материалах

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

В табл. 2 приведены свойства проклеенной и непроклеенной декоративной бумаги.

На рис. 5-7 приведены графики изменения свойств декоративной бумаги в зависимости от количества олигомера, вводимого в массу при изготовлении отливок.

Как видно из табл. 2 и рис. 5-7, кар-бамидоформальдегидный олигомер приводит к повышению влагопрочности и разрывной длины бумаги, т.е. улучшает механические показатели бумаги. Несколько уменьшается поверхностная впитываемость бумаги.

Однако применение разработанного нами олигомера в качестве проклеивающего агента, по нашим предположениям, позволяет не только придать декоративной бумаге требуемые свойства, но и обеспечивает частичную замену дорогостоящего диоксида титана на нанодисперсный наполнитель, образующийся в результате взаимодействия силиката натрия с сернокислым глиноземом. При этом силикат алюминия в нанодисперсном виде осаждается на целлюлозном волокне, заменяя часть дорогостоящего наполнителя. Кроме того, определенным плюсом применения модифицированного олигомера в качестве проклеивающего агента для декоративной бумаги является то, что, будучи активным по отношению к диоксиду титана, он улучшает удерживаемость пигмента.

Как доказал эксперимент, непрозрачность полученных образцов декоративной бумаги ни в чем не уступает непрозрачности бумаги, полученной без использования проклеивающих олигомеров.

Подводя итог вышесказанному, заметим, что использование карбамидоформаль-дегидного олигомера, модифицированного силикатом натрия в качестве проклеивающего материала для декоративной бумаги, является перспективным по следующим причинам:

- позволяет экономить дорогостоящий диоксид титана;

- ведет к получению декоративной бумаги с улучшенными показателями влагопрочности, при сохранении непрозрачности и хорошей впитываемости бумаги.

Библиографический список

1. Бараш, Л.И. Слоистые пластики, декоративные поверхности / Л.И. Бараш. - СПб.: Химиздат, 2007. - 256 с.

2. Вирпша, З. Аминопласты / З. Вирпша, Я. Бжезинь-ский, пер. с польск. - М., 1973.

3. Иванов, С.Н. Технология бумаги. Изд. 3-е. / С.Н. Иванов. - М.: Школа бумаги, 2006. - 696 с.

4. Тарасов, С.М. Модификация аминоальдегидных олигомеров водорастворимыми солями кремниевой кислоты / С.М. Тарасов, В.И. Азаров, А.М. Иванова // Вестник МГУЛ - Лесной вестник - № 3 (86) - 2012. - С. 130-137.

АЭРОИОНИЗАЦИОННЫЙ СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПЛЕНКООБРАЗОВАНИЯ ЛАКОКрАСОЧНЫХ ПОКрЫТИЙ

на древесине и древесных материалах

М.В. ГАЗЕЕВ, доц. каф. механической обработки древесины УГЛТУ

В общем процессе пленкообразования лакокрасочных покрытий (ЛКП) можно выделить три стадии: 1) начальную - интенсивное испарение растворителя с поверхности ЛКП; 2) гелеобразование - до момента возникновения трехмерной сетки и потери отверждающимся материалом текучести и растворимости; 3) конечную - стадия отверждения, позволяющая дальнейшую обработку ЛКП. В зависимости от природы пленкооб-разователей процесс перехода лакокрасочных

gazeev_m@list.ru материалов (ЛКМ) из жидкого состояния в твердое с образованием покрытия на поверхности подложки может происходить в результате физического процесса высыхания (испарения растворителя или разбавителя) или отверждения, при котором совместно с испарением растворителей протекают химические реакции с мономерами или олигомерами, а также при поглощении кислорода из воздуха [1, 2]. В результате отверждения образуются твердые, нерастворимые покрытия

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

117

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

с пространственной (трехмерной) структурой. К образованию трехмерной пространственной структуры приводят химические реакции поликонденсации при пленкообразовании ЛКМ, содержащих феноло-, карба-мидо- и меламиноформальдегидные олигомеры; полиприсоединения при отверждении полиуретановых ЛКМ и полимеризации при отверждении материалов, содержащих высыхающие масла, модифицированные маслами алкидные олигомеры, ненасыщенные олигоэфиры, акрилаты и др. [3].

Процесс отверждения покрытий в производственном цикле занимает существенную часть времени и увеличивает потребность в производственных площадях. В настоящее время известны разные способы интенсификации отверждения ЛКП: конвективным нагревом, ИК-излучением, СВЧ-по-лем, УФ-излучением, воздействием пучком ускоренных электронов [4]. Данные способы эффективны, но требуют больших затрат на организацию и оборудование производства, энергопотребление (табл. 1), а также учета химической природы пленкообразователя.

Известен способ сушки тонкослойных материалов в электрическом поле [5]. Способ является действенным по отношению к различным жидкостям, находящимся в высушиваемом материале или на его поверхности, и используется для сушки тонких слоистых материалов: фанеры, картона, бумаги, фотопленки, лакокрасочных покрытий и заключается в создании над покрытием объемного электрического заряда. Плотность заряда составляет 10-4-10-2 Кл/м3. Достоинством данного способа является возможность сушки тонкослойных материалов за счет испарения жидкостей. Применение данного способа имеет ограничение для сушки ЛКП на древесине. Расстояние от высушиваемой повер-

Т а б л и ц а 1

Энергопотребление существующих способов ускоренной сушки ЛКП в расчете на 1 м2, кВт ч/м2

Конвективная сушка Радиационная сушка УФ-сушка ИК-сушка

5-15 20 10-15 3-15

хности до острий электродной системы составляет d = 0,01^0,02 м, на таком расстоянии при напряжении питания U = 104. В средняя напряженность поля у поверхности высушиваемого материала E ~ U /d составляет

1 пов n

E ~ (5М0) • 105 В/м. При такой напряженности происходит снижение качества полученных ЛКП (шагрень, апельсиновая корка, ухудшение физико-механических показателей), особенно при отверждении ЛКП, образованных алкидными ЛКМ. Это происходит за счет интенсивного испарения растворителя и поляризации молекул ЛКМ.

На кафедре механической обработки древесины Уральского государственного лесотехнического университета ведутся исследования по применению электроэффлю-вальной аэроионизации для ускорения пленкообразования ЛКП на древесине и древесных материалах. Впервые аэроионификация была предложена в начале XX века А.Л. Чижевским с целью искусственного создания благоприятного для человека параметров режима воздуха внутри помещений [6].

Цель предлагаемых исследований -создание условий, обеспечивающих работоспособность аэроионизационного способа для интенсификации пленкообразования ЛКП, сформированных жидкими ЛКМ.

Указанная цель достигается созданием на поверхности отверждаемого лакокрасочного покрытия на расстоянии d = 0,025 ^ 1 м поля напряженностью Е = (0,12^2,4) • 105 В/ м (в зависимости от природы используемого ЛКМ). Формирование поля производится при подаче на электроэффлювиальное аэроионизационное устройство (ЭЭАУ) (рис.1) напряжения U = (1,2^4) • 104 В, которое приводит к резкому увеличению напряженности в близи острий электроэффлювиального излучателя (ЭЭИ). Происходит эмиссия электронов ЭЭАУ. Образовавшиеся электроны способствуют образованию активных форм кислорода (АФК) [6, 7].

По данным экспериментальных исследований было установлено, что образующиеся АФК приводят к ускорению процесса пленкообразования покрытий, т.е. являются инициаторами отверждения пленкообразователей ЛКМ.

118

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица 1

Сравнительная характеристика времени отверждения лакокрасочных покрытий

Лакокрасочный материал Время отверждения

Естественные условия* Воздействие АЭЭУ**

при d = 0,1 м; U = 2,4 х 104 В при d = 0,5 м; U = 2,4 х 104 В при d = 1 м; U = 2,4 х 104 В

Лак водно-дисперсионный ЭКОЛАК (ТУ 2316-013-0-31953544-00) 60 ч 90 мин 30 мин 60 мин 80 мин

Лак ПФ-157 (ТУ 6-27-35-91) 24 ч 10ч12ч 18ч20 ч 20ч22 ч

Лак ПУ двухкомпонентный CEROPAC 20 Gloss (Verinlegno, Италия) 25^30 мин 10^15 мин 25^30 мин 25^30 мин

*Естественные условия: температура воздуха t = 20 ± 2 °С, влажность воздуха W = 60 ± 5. **Параметры температуры и влажности в соответствии с естественными условиями

Таблица 2

Физико-механические показатели покрытий, полученных в естественных условиях и

под действием АЭЭУ

Лакокрасоч- ный материал Условия отверждения Склерометрическая твердость, Н ГОСТ 27326-87 Твердость по М-3, усл. ед. по ГОСТ 5233-89 Внешний вид по ГОСТ 29319-92 Прочность на изгиб, % по ГОСТ 6806-73 Адгезия, % по ГОСТ 15140-78 Блеск, % по ГОСТ 896-69

Г- 1П © с Ьй а Естественные условия 0,65 0,41 Поверхность гладкая, без дефектов В сравнении с естественными условиями отверждения не изменяется

АЭЭУ при d = 0,1 м; U = 2,4 х 104 В 0,84 0,47

при d = 0,5 м; U = 2,4 х 104 В 0,7 0,45

при d = 1 м; U = 2,4 х 104 В 0,68 0,43

<с 1 Г) d Естественные условия 0,86 0,61 Поверхность гладкая, без дефектов В сравнении с естественными условиями отверждения не изменяется

АЭЭУ при d = 0,1 м; U = 2,4 х 104 В 0,86 0,64

при d = 0,5 м; U = 2,4 х 104 В 0,84 0,63

при d = 1 м; U = 2,4 Ч 104 В 0,82 0,60

О <N о ЬЙ cd Естественные условия 1,27 0,57 Поверхность гладкая, без дефектов В сравнении с естественными условиями отверждения не изменяется

АЭЭУ при d = 0,1 м; U = 2,4 х 104 В 1,32 0,57

при d = 0,5 м; U = 2,4 х 104 В 1,3 0,56

при d = 1 м; U = 2,4 х 104 В 1,28 0,55

Предлагаемый способ оказывает положительное влияние на интенсификацию пленкообразования ЛКП, образованных водоразбавляемыми и органоразбавляемыми ЛКМ (акриловыми, пентафталевыми и полиуретановыми).

Известно, что процесс пленкообразования ЛКП на основе водно-дисперсионных акриловых и алкидных ЛКМ происходит в

результате испарения растворителей и радикальной полимеризации при участии кислорода воздуха.

Электрическое поле ускоряет процесс испарения растворителя, а АФК - реакцию полимеризации [8, 9]. АФК обладают большей химической активностью и воздействуют на окислительно-восстановительные сис-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 2/2014

119

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

темы, которые вводятся в состав ЛКМ как эффективные инициаторы полимеризации при их производстве [1, 2].

Рис. 1. Электроэффлювиальное аэроионизационное устройство: 1 - электроэффлювиальный излучатель; 2 - высоковольтный генератор; 3 - основание; 4 - стойки; 5 - АФК; 6 - подложка с ЛКП

Рис. 2. Передвижные стеллажи

Рис. 3. Общий вид стеллажа с АЭЭУ

Способ работает при интенсификации отверждения ЛКП, образованных полиуретановыми, мочевино-формальдегидными и ме-ламино-формальдегидными ЛКМ, где АФК ускоряют реакции полиприсоединения и поликонденсации, а электрическое поле ускоряет процесс испарения растворителя.

Предлагаемый способ реализован следующим образом. Интенсификации пленкообразования подвергались ЛКП, образованные водно-дисперсионными акриловыми, полиуретановыми и пентафталевыми ЛКМ. Покрытия формировались на подложках из древесины сосны и стекла. Образцы с нанесенным ЛКМ помещали в ЭЭАУ (рис. 1) на расстоянии от электроэффлювиального излучателя (ЭЭИ) d = 0,1 ^ 1 м при напряжении на высоковольтном генераторе (ВВГ) U = 2,4 • 104 В.

Время пленкообразования фиксировалось по ГОСТ 19007-73. Эксперимент повторялся в естественных условиях. Результаты исследований приведены в табл. 1.

После проведения исследований опытные образцы с отвержденным покрытием подвергались испытаниям на физико-механические свойства, результаты представлены в табл. 2.

По полученным экспериментальным данным для лаков, представленных в табл. 1 и 2, минимальное расстояние, необходимое для интенсификации пленкообразования ЛКМ, составляет d = 0,1 м, при напряжении на ВВГ U = 2,4 х 104 В. Дальнейшее сокращение расстояния не ведет к значительному сокращению времени отверждения, но может оказывать негативное влияние на качество покрытий. Увеличение расстояния вызывает увеличение времени пленкообразования. При снижении напряжения до 1,2 х 104 В способ становится неэффективным для полиуретановых и алкид-ных ЛКМ, что подтверждает необходимость создания специальных условий для протекания химических реакций пленкообразования. При повышении напряжения до 4,8 х 104 В происходит резкое увеличение напряженности электрического поля в воздухе разрядного промежутка, с возможностью дугового разряда.

Для определения химического влияния АЭЭУ на состав лакокрасочного материала и твердого ЛКП, образованного водно-диспер-

120

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

сионным акриловым лаком, была проведена инфракрасная (ИК) спектроскопия. Испытания проводили в Уральском государственном университете на ИК-Фурье спектрометре Nicolet 6700. В результате анализа и сравнительной характеристики ИК-спектр покрытий, полученных под действием АЭЭУ, иллюстрирует более глубокую степень полимеризации, что подтверждает увеличение твердости покрытия (табл. 2). В покрытии, отвержденном под действием АЭЭУ, в сравнении с отвержденным в естественных условиях, присутствует большее число карбоксильных связей с цел-люзой древесины, что обеспечивает повышенную адгезию с древесной подложкой [10].

Результаты исследований подтверждают целесообразность и эффективность применения в промышленности АЭЭУ для интенсификации отверждения ЛКП на древесине и древесных материалах. Применение аэроионизации возможно реализовать посредством передвижных стеллажей, используемых на участках отделки. Известны различные конструкции таких стеллажей, установленных на поворотных колесных опорах, которые имеют стойки и кон-сольно-штырьевые полки, что позволяет укладывать на стеллаж и транспортировать изделия различной длины, а также выполнять сушку лакокрасочных покрытий в естественных условия (t = 20±2°С, W = 60±5 %) рис. 2.

Недостаток известных аналогов состоит в том, что сушка лакокрасочных покрытий на изделиях происходит медленно в естественных условиях, что предполагает использование на производстве большого количества стеллажей и, как следствие, дополнительных производственных площадей. Технической задачей изобретенной модели Патент № 121709 является ускорение сушки и отверждения лакокрасочных покрытий на заготовках из древесины и древесных материалов в виде щитовых и погонажных изделий (рис. 3) [11]. Установленные на консольно-штырьевые полки стеллажа излучатели подсоединены посредством высоковольтных проводов через умножитель к генератору высокого напряжения постоянного электрического тока, способствуют формированию АФК, которые ускоряют процесс отверждения лакокрасочных покрытий на древесине и древесных

материалах. На основании стеллажа размещена пластина из токопроводящего материала, необходимая для формирования направленного электрического поля, и имеет заземление.

Библиографический список

1. Энциклопедия полимеров, т. 2 - М.: Советская энциклопедия, 1974. - Т. 2. - Л.-П., 1974. - С. 535-538.

2. Энциклопедия полимеров, т. 1 - М.: Советская энциклопедия, 1974. - С. 850-859.

3. Жуков, Е.В. Технология защитно-декоративных покрытий древесины и древесных материалов: учеб. для вузов / Е.В. Жуков, В.И. Онегин. - М.: Экология, 1993. - С. 304.

4. Рыбин, Б.М. Технология и оборудование защитно-декоративных покрытий для древесины и древесных материалов: учеб. для вузов / Б.М. Рыбин. - М.: МГУЛ, 2003. - С.439.

5. Пат. 2133420 Российская Федерация, МПК7 F26B3/34. Способ сушки тонкослойных материалов в электрическом поле / Шкатов В.Т., Кувшинов В.А.; заявитель и патентообладатель Институт химии нефти СО РАН, Институт сильноточной электроники СО РАН 97114004/06, заявл. 13.08.1997; опубл. 20.07.1999, Бюл. N20, С. 441.

6. Скипетров, В.П. Феномен «живого» воздуха: монография / В.П. Скипетров, Н.Н. Беспалов, А.В. Зорькина. - Саранск: СВМО, 2003. - 93 с.

7. Сивухин, Д.В. Общий курс физики: учеб. пос. для вузов, т. 3 Электричество. - М.: ФИЗМАТЛИТ, Изд-во МФТИ. - 2004. - С. 650.

8. Газеев, М.В. Аэроионизационный способ отверждения лакокрасочных покрытий, образованных водными лаками / М.В. Газеев, И.В. Жданова, А.В. Старцев // Деревообрабатывающая пром-сть, 2007. - № 6. - С. 17-19.

9. Тихонова, Е.В. Исследование процесса пленкообразования полиуретановых лакокрасочных покрытий на древесине при аэроионификации / Е.В. Тихонова, М.В.Газеев / Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. Материалы, посвященные 80-летию УГЛТУ - Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет, 2010. - № 5. - С. 97-101.

10. Жданова, И.В. Влияние аэроионификации на процесс формирования защитно-декоративных покрытий на древесине водными акриловыми лакокрасочными материалами / И.В. Жданова, М.В. Газеев, Н.Ф. Жданов, Н.С. Васянина // Вестник Казанского ТУ КНИТУ, 2012. - № 19. - С. 56-59.

11. Пат. 121709, Российская Федерация, МПК А47В, 51/00 Стеллаж для сушки и отверждения лакокрасочных покрытий щитовых деталей на щитовых и поганажных изделиях из древесины и древесных материалов / Ю.И. Ветошкин, М.В. Газеев, И.В. Жданова, Н.Н. Беспалов, Е.В. Тихонова. № 2012123580/12 Заявл. 06.06.2012, опубл. 10.11.2012 г., Бюл. № 31, 2 с.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

121