Аэроионизационная сушка как способ снятия внутренних напряжений в лакокрасочных покрытиях

УДК 674.07

М. В. Газеев, Ю. И. Ветошкин, Е. А. Газеева

АЭРОИОНИЗАЦИОННАЯ СУШКА КАК СПОСОБ СНЯТИЯ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ

В ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЯХ

Ключевые слова: аэроионизация, аэроионизационная электроэффлювиальная установка, отверждение, лакокрасочное покрытие, сушка лакокрасочных покрытий, пленкообразование, древесина, усадочное напряжение, внутренние напряжения.

Существуют различные способы снижения внутренних напряжений в полимерных покрытиях, такие как применение специальных слоев грунта и введение модифицирующих добавок. Результаты исследования аэроионизационной сушки лакокрасочных покрытий показали её эффективность не только, как способа ускоренной сушки покрытий, но и способа устранения внутренних напряжений. Величину усадочных напряжений находили методом, основанным на измерении отклонения от первоначального положения свободного конца консоль-но закрепленной упругой металлической пластины с лакокрасочным покрытием.

Keywords: air ionization, air ionization electro effluvial setting, hardening, lacquer coating, drying of lacquer coating, film-forming,

woods, shrinking stress, internal stresses.

There are various ways of decrease in internal tension in polymeric coverings, such as application of special layers of earth and introduction of the modifying additives. Results of research of aero ionization drying of lacquer coating showed its efficiency not only as way of the accelerated drying of coverings but also a way of elimination of internal tension. The size of shrinkable tension was found the method based on measurement of a deviation from the initial provision of the free end console of the fixed elastic metal plate with a lacquer coating.

Сушка или отверждение лакокрасочных покрытий (ЛКП) на древесине сопровождается нарастанием в них усадочных напряжений. При сушке ЛКП происходит физический процесс испарения растворителя и нарастание твердости покрытия за счет химических превращений, также медленно сокращается толщина покрытия и продолжается втягивание его в углубления подложки. ЛКП получается растянутым на поверхности подложки, в связи с чем в нем наблюдается нарастание усадочных напряжений. Внутренние усадочные напряжения в покрытиях опасны тем, что снижают когезионную и адгезионную прочность, а значит и долговечность. При больших внутренних напряжениях может происходить самопроизвольное растрескивание или отслаивание покрытий от подложки [1]. Напряжения, возникающие в ЛКП рассмотрены в работах Карякиной М.И., Сухаревой Л. А., Санжаровского А.Т., Яковлева А.Д. и др. Снижение внутренних усадочных напряжений в полимерных лакокрасочных покрытиях, сформированных на поверхности изделий, а также повышение прочностных физико-механических свойств является актуальным.

Известны различные способы снижения внутренних напряжений в полимерных покрытиях. Один из эффективных путей снижения напряжений, это усиление релаксационных процессов на границе покрытие - подложка за счет применения специального подслоя грунта из эластомеров (каучуков). Для каждого покрытия существует предельное значение толщины грунтовочного слоя, при котором внутренние напряжения полностью релаксируют [1].

Введение модификаторов позволяет снизить внутренние напряжения от 2 до 10 раз, повысить адгезию покрытий и долговечность. Модификация основана на формировании в системах с помощью специальных добавок различной природы или путем изменения коллоидно-химических свойств дисперсий упорядоченной структуры с определенным рас-

пределением физических и химических связей. Для понижения внутренних напряжений и улучшения свойств покрытий из дисперсий с неоднородной структурой частиц, модификация осуществляется предварительным диспергированием частиц и сшиванием их с помощью специальных добавок для обеспечения тиксотропной структуры полимерного покрытия, что позволяет улучшить деформационно-прочностные свойства и долговечность покрытий. В качестве модификаторов для покрытий, образованных эпоксидными олигомерами, а также эмали на их основе применяются азотсодержащие олигомеры с активными функциональными группами по отношению к подложке и олигомеру [2].

Введение в полимерную композицию модифицирующих добавок, как правило, приводит к увеличении стоимости формирования полимерных покрытий и трудоемкости подготовки применяемых композиций, а также не обеспечивает достаточного снятия внутренних напряжений в покрытии.

Результаты исследования аэроионизационнго способа сушки ЛКП на древесине показали его положительное влияние на физико-механические свойства сформированных покрытий. Она позволяет сократить время сушки (отверждения) покрытий, образованных акриловыми, ЛКМ в 1,5 ^ 2 раза по сравнению с естественными условиями. По полученным ИК-спектрам можно сделать вывод, что химический состав жидкого акрилового лака отличается от состава твердых покрытий [3]. В процессе отверждения ЛКП последовательно происходит реакция изомеризации с образованием сопряженных двойных связей в углеродном скелете и стадия дальнейшей полимеризации, в результате которой двойные связи раскрываются, и образуется более упорядоченная (более частая сетка) пространственно-сшитая молекула полимера.

Исследования аэроионизационной сушки проводились при помощи электроэффлювиального аэро-

ионизационного устройства (ЭЭАУ) представленного на рис. 1. ЭЭАУ состоит из электроэффлювиаль-ного излучателя (ЭЭИ) 6 с электродами 5 к которому из высоковольтного блока 1 подводится высокое напряжение отрицательного постоянного знака.

Рис. 1 - Аэроионизационная электроэффлюви-альная установка: 1 — высоковольтный блок; 2 -основание; 3 - подложка с ЛКП; 4 — линии электрического поля; 5 — иглы; 6 - электроэффлюви-альный излучатель

Образцы подложек 3 с нанесенным жидким лакокрасочным покрытием (ЛКП) размещали на пластине 2 с заземлением, под воздействие электриче-кого поля напряженность Е (В/м) с силовыми линиями 4. Формирование на поверхности отверждае-мого лакокрасочного покрытия (на расстоянии 0,04 ^ 0,2 м) электрического поля производится при подаче на излучатель ЭЭАУ напряжения и= 12... 24 кВ, которое приводит к резкому увеличению напряженности Е (В/м) в близи электродов (острий) излучателя ЭЭАУ. Происходит эмиссия электронов ЭЭ-АУ, которые способствуют образованию активных форм кислорода (АФК) или отрицательных ионов кислорода воздуха. [4]. Электрическое поле, создаваемое ЭЭИ накладывает свой отпечаток на ЛКП. Под его воздействием свободные молекулы растворителя ЛКМ имеют возможность поляризоваться и выходить из покрытия на его поверхность. Образцы с нанесенным ВД-АК ЛКМ "ЭКОЛАК" помещали в ЭЭАУ на расстоянии от электроэффлювиального излучателя (ЭЭИ) d = 0,1 ^ 1 м при напряжении на высоковольтном генераторе (ВВГ) и = 24 кВ. Время пленкообразования фиксировалось по ГОСТ 1900773. и составило 25 - 35 мин. Эксперимент повторялся в естественных условиях (температура воздуха 1 = 20±2 °С, влажность воздуха W = 60±5 %.). Время отверждения составило 60 ^ 70 мин.

После проведения исследований опытные образцы с отвержденным покрытием при ионизации подвергались испытаниям на физико-механические свойства в сравнении с образцами отвержденными в естественных условиях: склерометрическая твердость не изменилась и составила 0,86 Н; твердость по М-3 увеличилась с 0,61 до 0,64; внешний вид, прочность на изгиб и адгезия не изменились.

Электрическое поле ЭЭАУ обеспечивает более глубокую степень полимеризации и упорядочивание структуры молекулы полимера с определенным распределением физических и химических связей, следовательно, можно предположить что аэроионизация позволит устранить (уменьшить) внутренние напряжения в отверждаемом покрытии.

Для подтверждения озвученной гипотезы был проведен эксперимент, основная цель которого - определить внутренние усадочные напряжения в ЛКП, от-вержденном при воздействии аэроионизации.

Исследования, позволяющие оценить усадочные напряжения, возникающие в отвержденном ЛКП, производили консольным методом (рис. 2), основанным на измерении отклонения от первоначального положения свободного конца консольно закрепленной упругой металлической пластины с ЛКП, опираясь на теорию деформации и перемещений при изгибе [6].

' V 4

ч

---" г —Г

1

Рис. 2 - Консольно закрепленная металлическая пластинка с ЛКП

Оценка усадочных напряжений осуществлялась на металлической пластинке с размерами 50х5х0,11 мм. Металлическую пластику, предварительно обезжиренную растворителем, закрепляли консоль-но на штативе (этап 1, рис. 3). Лакокрасочный материал наносился на длину 40 мм.

Нулевое значение свободного конца консоли фиксировали визуально на микроскопе МИР-2 с ценой деления окулярного микрометра 0,049 мм. Затем на металлическую пластинку кистью наносили жидкий лакокрасочный материал (лак ВД-АК «Эколак») и снова фиксировали положение свободного конца консоли (этап 2, рис. 3). На электродный излучатель ЭЭАУ (электрод), размещенный на расстоянии 0,04 м над покрытием подавали напряжение И= 24 кВ (этап 3, Рис.3). Расстояние определялось опытным путем, чтобы обеспечить перекрытие электрическим полем всей поверхности покрытия, сформированного на металлической пластинке. Вблизи электрода возникают упорядоченные потоки аэроионов, повышается влияние магнитного поля, которое имеет форму купола и проецируется на поверхность как круг [4].

Перемещение свободного конца металлической пластинки с нанесенным покрытием в процессе его отверждения определяли на микроскопе МИР-2. По достижению времени практического высыхания покрытия, отключали подачу напряжения на электродный излучатель ЭЭАУ и также фиксировали перемещения (этап 4, рис. 3).

Для сравнения были проведены исследования по определению внутренних напряжений, возникающих в покрытии после высыхания (отверждения) покрытия в естественных условиях при 1=20±2 0С и W=65±5% (рис. 4).

По величине отклонения консоли от первоначального напряжения рассчитывали внутренние напряжения от в покрытии по формуле:

ЕЪк д лгт

°т = —^-7, МПа,

вн 3012 (+лt у

где Е - модуль упругости подложки (69000 МПа); t - толщина подложки (0,11 мм); И - отклонение кон-

соли (таблица 1); l - длина пленки (39 мм); At -толщина пленки (0,04 мм).

3/ieKibpûà j Электрод j З/tempoâ j Э/teKtnpoà

Пластинка с ЛКП fit«л о/яйерждений

О

\Пластинка с m 1П/юс/пинка ' ! при ионизат кя

MM 7 ДМЛ 2 ЯМ J ¡ж, 4

Т, мин

Рис. 3 - Перемещение металлической пластинки с ЛКП в процессе отверждения при аэроионизации

П.'Юаъинка i ЖП

ОяФерхденм? АКП С/ ктваийвннт услебуя*

Рис. 4 - Перемещение металлической пластинки с ЛКП при отверждении в естественных условиях

Результаты определения перемещения свободного конца консоли и внутренних напряжений, возникающих в покрытии при отверждении, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты исследований внутрен-

№ Услов. сушки ЛКП Время т, мин (ч) Откл-е консоли h, мм МПа

При ионизации

1 без ЛКП 0 0 0

2 с ЛКП 0 0,229 0,0821

3 ЭЭАУ 0 0,294 0,1054

4 ЭЭАУ 12 (0,2) 0,220 0,0791

5 ЭЭАУ 23 (0,4) 0,188 0,0674

6 ЭЭАУ 34 (0,6) 0,171 0,0615

7 35 (0,6) 0 0

8 1440 (24) 0 0

В естественных условиях

1 без ЛКП 0 0 0

2 с ЛКП 0 0,245 0,0444

3 20 (0,3) 0,1388 0,0248

4 32 (0,5) 0,057167 0,0102

5 96 (1,6) -0,147 -0,0263

6 350 (5,8) -0,27767 -0,0496

7 1440 (24,0) -0,27767 -0,0496

По полученным экспериментальным данным таблицы и рис. 3 можно сделать вывод:

Электрическое поле создаваемое ЭЭИ устраняет внутренние усадочные напряжения в ЛКП отвер-ждаемом на металлической пластинке. По истече-

нии 34 минут свободный конец консольно закрепленной пластинки возвращается в исходную нулевую точку и сохраняет это положение в течение суток.

Создание на поверхности ЛКП дополнительной энергии от электрического поля ЭЭИ уменьшает поверхностное натяжение ЛКМ и способствует быстрому обезвоживанию покрытия. Можно условно принять, что покрытие становится "растянутым" на поверхности подложки под воздействием поля аэроионизационной сушки и, как следствие, напряжения присутствуют в ЛКП при сушке.

После аэроионизационного отверждения внутренние усадочные напряжения в ЛКП нейтрализуются (заявка на изобретение от 16.07.2015 №2015129302). Минимальное расстояние, необходимое для достижения эффекта снятия внутренних напряжений в покрытии d = 0,04 м, при напряжении на ВВГ и = 2,4 х 104 В. Дальнейшее сокращение расстояния не ведет к значительному эффекту, но может оказывать негативное влияние на качество покрытий. Увеличение расстояния вызывает снижение эффекта снятия внутренних напряжений в покрытии и увеличение времени пленкообразования. При снижении напряжения до 12 кВ способ становится неэффективным для полиуретановых и алкидных ЛКМ, что подтверждает необходимость создания специальных условий для протекания химических реакций пленкообразования. При повышении напряжения до 48 кВ происходит резкое увеличение напряженности электрического поля в воздухе разрядного промежутка, с возможностью дугового разряда.

Подводя итог можно утверждать, что устранение внутренних напряжений в ЛКП аэроионизацией позволит увеличить их долговечность.

Литература

1. Яковлев А. Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий: Учебник для вузов. - Л.: Химия, 1989. С 111.

2. Сухарева Л. А. Полимеры в производстве тароупаковочных материалов: учеб. пособие для студентов вузов / Л. А. Сухарева, В. С. Яковлев. - М.: ДеЛи принт, 2005. - 494 с.

3. Жданова И.В. Влияние аэроионификации на процесс формирования защитно- декоративных покрытий на древесине водными акриловыми лакокрасочными материалами / И.В. Жданова, и др. // Вестник Казан. технол. унта. 2012. Т. 15. № 19. С.56-58.

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Учеб. пособие для вузов в 5 т., т. 3 Электричество. М.: ФИЗМАТЛИТ, Изд-во МФТИ. 2004. С. 650.

5. Газеев М.В. Аэроионизационный способ интенсификации пленкообразования лакокрасочных покрытий на древесине и древесных материалах / М.В. Газеев Вестник московского государственного университета леса -Лесной вестник. МГУЛ, №2, 2014. С 117-121.

6. Карякина М.И. испытание лакокрасочных материалов и покрытий. - М.: Химия, 1988. С 137-140.

© М. В. Газеев - канд. техн. наук, доц. каф. механической обработки древесины Уральского госуд. лесотехнического ун-та, gazeev_m@list.ru; Ю. И. Ветошкин - канд. техн. наук, профессор той же кафедры, uivetoshkin@mail.ru; Е. А. Газеева - канд. техн. наук, доц. каф. технологии и оборудование лесопромышленного производства Уральского госуд. лесотехнического ун-та, saz-elena@yandex.ru.

© M. V. Gazeev - PhD in Engineering, Associate Professor the department of mechanical woodworking Federal State Educational Institution of Higher Professional Education "Ural State Forestry Engineering University", gazeev_m@list.ru; U. I. Vetoshkin - PhD in Engineering, Full Professor the department of mechanical woodworking Federal State Educational Institution of Higher Professional Education "Ural State Forestry Engineering University", uivetoshkin@mail.ru; E. A. Gazeeva - PhD in Engineering, Associate Professor the department of technology and equipment timber production Federal State Educational Institution of Higher Professional Education "Ural State Forestry Engineering University", saz-elena@yandex.ru.