Влияние анатомического строения и химического состава древесины хвойных пород на взаимодействие с красящими составами

УДК 667.646.42 М.А. Чижова

ВЛИЯНИЕ АНАТОМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ И ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ДРЕВЕСИНЫ ХВОЙНЫХ ПОРОД НА ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С КРАСЯЩИМИ СОСТАВАМИ

В статье рассматриваются анатомические особенности хвойной древесины, влияющие на ее взаимодействие с красителями. Исследуются свойства красителей и их химическая природа.

Ключевые слова: древесина, хвойные породы, трахеиды, красящие составы, поры, проницаемость, лигнин, диспергирование, сорбция, диффузия.

M.A. Chizhova

THE INFLUENCE OF THE ANATOMIC STRUCTURE AND CHEMICAL COMPOSITION OF CONIFEROUS SORT WOOD ON THE INTERACTION WITH COLOURING AGENTS

The coniferous wood anatomic peculiarities affecting its interaction with colouring agents are considered in the article. The properties of colouring agents and their chemical nature are researched.

Key words: wood, coniferous sorts, tracheids, colouring agents, pores, permeability, lignin, dispersion, sorption, diffusion.

Крашение представляет собой многостадийный процесс. Это совокупность сложных физических и химических процессов взаимодействия красителя и поверхности древесины. К физико-химическим свойствам древесины, обусловливающим процессы крашения, относится ее способность к взаимодействию с растворами. Особый интерес представляют процессы взаимодействия с водой и водными растворами.

Для наилучшего понимания процессов крашения и разработки красящих систем, обеспечивающих равномерность окраски и уменьшение шероховатости, необходимо рассмотреть влияние физической структуры древесины и ее химического состава на взаимодействие с красящими составами. Это позволит воздействовать на процесс взаимодействия и разработать технологию крашения с получением требуемого качества независимо от свойств материала. При этом следует обратить внимание на свойства самого красителя и его химическую природу, способствующую взаимодействию красителя с волокном, с возможностью получения красящего комплекса, отличающегося не только рецептурой, но процессами взаимодействия с древесной подложкой.

Способность древесины взаимодействовать с водой является одним из факторов, влияющих на процесс крашения. Красители представляют собой водные растворы. Закономерности проникновения красящих составов в древесину не могут изучаться изолированно от ее структуры. Наличие в древесине проводящих элементов и форма их взаимосвязи позволяют рассматривать ее как макрокапиллярную систему. У каждой породы есть целый комплекс особенностей строения, связанных с ее свойствами [16, 17, 18]. Так, древесина хвойных пород имеет довольно упорядоченную структуру, основной элемент которой трахеиды, располагающиеся правильными рядами и имеющие прямоугольную форму.

Характерной особенностью трахеид являются окаймленные поры [3, 16], расположенные преимущественно на радиальных стенках у концов трахеид, которыми каждая трахеида вклинивается между соседними, образуя плотное соединение (рис.).

Схема расположения трахеид

Типичные окаймленные поры присутствуют на стенках ранних трахеид: поздние имеют поры меньших размеров и в значительно меньшем количестве. Многие авторы считают, что главная причина слабой прони-заимости древесины - закрытие окаймленных пор в трахеидах, так как жидкость в хвойной древесине проходит через полосы трахеид от одной к другой через окаймленные поры. По некоторым данным, на одной

трахеиде количество окаймленных пор у сосны 41-91, у ели - 177-225 [16, 20]. Перенос воды в радиальном направлении проходит с помощью пор на радиальных стенах вертикальных трахеид. У этих пород соседние радиальные ряды трахеид смещены относительно друг друга примерно на полклетки. В результате каждая трахеида одного ряда с помощью пор, расположенных на разном уровне по высоте, сообщаются с двумя трахеидами соседнего ряда. Таким образом, они образуют беспрерывный путь переноса [22].

На макроскопическом уровне структура древесины - это непрерывный жесткий каркас из ориентированных в аксиальном и радиальном направлениях пустотелых клеточных оболочек. Свойство сухой древесины

Так как в сухом состоянии капилляры и поры заполнены воздухом, то древесина в целом гидрофильный, ограниченно набухающий гель. Объем пор и капилляров в клеточной стенке ничтожно мал, при поглощении воды клеточная стенка несколько разбухает. Степень разбухания зависит от количества поглощенной воды и плотности древесины, ее анатомического строения и морфологии клеточных стенок. Отдельные химические компоненты древесины локализуются в разных морфологических элементах клеточных стенок и как следствие возникает неоднородность разбухания. Коллоидная природа клеточной стенки предопределена химическим составом древесного вещества и ее субмикроскопической структурой. Качественный количественный химический состав древесного вещества разнообразен и зависит от природы древесины, местоположения в дереве, возраста и ряда других факторов. Основная же масса - это целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин.

Первые два компонента относятся к углеводам, лигнин - ароматического строения, то есть являются гидрофильными веществами. Эти три компонента в сумме составляют 90-95 % массы абсолютно сухой древесины, остальные 5-10 % - экстрактивные вещества, большая часть из которых гидрофильна. В целом древесное вещество гидрофильно и это является одним из условия образования с водой коллоидной системы. Проникая в стенку, вода диспергирует ее структуру на мельчайшие частицы, окруженные тонкими слоями воды.

Условием образования коллоидной системы является способность стенки клетки в присутствии воды становиться высокодисперсионным телом. Абсолютно сухая клеточная стенка находится не в коллоидном, а в застеклованном состоянии, так как без воды не может быть коллоидной системы [4, 5]. Сущность образования коллоидной системы в образовании поверхности раздела фаз.

Чем меньше размер частиц, тем больше поверхность раздела, отнесенная к единице объема или массы диспергированных частиц, и тем большее значение приобретают поверхностные явления, придающие новое качественное состояние коллоидному телу. Эксперименты, проведенные Б.С. Чудиновым, подтверждают справедливость отнесения клеточной стенки древесины к коллоидным пористым телам [8]. Результаты показывают незначительную пористость сухой клеточной стенки. В сухой древесине внутренняя поверхность составляет лишь десятые доли м2/г, в набухшей древесине - 200-300 м2/г древесного вещества.

Пористость абсолютно сухих клеточных стенок древесины составляет около 1-2 %, она обусловлена наличием только микрокапилляров с радиусом меньше 10-7 м [4, 5]. Капилляры в клеточной стенке образуются в результате поглощения воды и существуют лишь в присутствии воды, при высушивании древесины они смываются, поэтому их называют непостоянными. Гигроскопичность абсолютно сухой древесины обусловлена гидрофильностью древесного вещества и коллоидной природой клеточных стенок, благодаря чему при взаимодействии с водой образуется огромная поверхность раздела твердое тело - вода.

Гидроксильные и другие полярные группы (в составе целлюлозы, лигнине) вступают во взаимодействие с полярными группами воды. Взаимодействие между ними термодинамически обеспечивается тем, что энергия связи гидроксилов древесного вещества с водой больше энергии межмолекулярного взаимодействия в воде. Взаимодействие заключается в установлении водородных связей между атомами кислорода в гидроксилах древесного вещества и атомами водорода молекул воды. Сорбционная способность сухой древесины обусловлена конденсацией на ее наружной поверхности и диффузией воды внутрь клеточных стенок, там она взаимодействует с древесным веществом, образует внутреннюю поверхность в виде ионослоев и полимолекулярных слоев. При влажности древесины около 5-6 % поглощение в основном идет по типу

мономолекулярной адсорбции. Молекулы воды в этом случае взаимодействуют непосредственно с адсорбционными центрами внешней поверхности абсолютно сухой древесины и возникающей внутренней поверхностью.

Формы связи с водой различны. Физико-механическая связь включает в себя структурную связь, связь в микрокапиллярах (с радиусом меньше 10-7), в макрокапиллярах (с радиусом больше 10-7) и связь смачивания [14].

Взаимодействие воды и древесины происходит в соответствии с этой связью [9]. Чем прочнее связь, тем больше сила, тем быстрее эта связь возникает при увлажнении. При увлажнении в древесину сначала впитывается гигроскопическая влага, имеющая более прочную связь, а затем капиллярная. Клеточные оболочки, впитывая гигроскопическую влагу, под действием давления набухания увеличивают первоначальный объем [19, 12, 13]. С учетом этого древесные клеточные оболочки ранней зоны будут набухать в большей степени в сравнении с поздней зоной.

Вследствие того, что поверхностному крашению подвергаются детали, у изделия в последней стадии изготовления их влажность будет составлять 6±2 % (8±2 %). Этот факт будет в значительной мере ограничивать поглотительную способность и проницаемость окрашиваемой древесины, что в свою очередь обуславливает небольшую глубину проникновения красителя для древесины хвойных пород (0,07-0,2 мм) [4, б].

Это объясняется еще и тем, что размеры частиц красителя больше, чем клетки древесины, с находящимися в них порами. При поверхностной обработке независимо от применяемых жидкостей, в том числе красящих составов, невозможно увеличить проникновение на большую глубину. Также не имеет существенного значения то, какие применяются красители - истинные или коллоидные [2].

При изучении особенности строения и химического состава древесины хвойных пород установлено, что нет возможности обеспечить при поверхностном крашении глубокое проникновение красящего состава [6, 7]. Значительно важнее решить вопрос с уменьшением набухания различных зон и с выравниванием окраски. Диффузия красителя ограничена, основными процессами являются процессы адсорбции. Результат этих процессов - набухание поверхности, неравномерность распределения красителя. Снижение набухания может быть связано со структурой жидкой фазы и с расходом. Увеличение площади контакта особенно на ранней зоне древесины будет существенно влиять на взаимодействие древесины с красителем [10, 11, 15].

Для всех хвойных пород в связи с анизотропией свойств, проявляющейся даже в пределах одного образца, невозможно разрабатывать специальные красящие составы, необходима их универсализация. Эти составы должны сводить к минимуму влияние подложки на качество окраски.

В лаборатории отделки Сибирского государственного технологического университета разработан воднодисперсионный краситель, предназначенный для отделки массива из хвойной древесины [1]. Разработанные воднодисперсионные красители характеризуются получением равномерного покрытия на древесине, обладающей ярко выраженными анизотропными свойствами, не вуалируют текстуру, не приводят к набуханию ранние зоны, равномерно окрашивают сучки, смоляные участки, торцовые срезы.

Отличительной особенностью предлагаемых воднодисперсионных материалов является состав и как результат улучшенные физико-механические характеристики. Формирование покрытий происходит в результате коагуляции красителя на подложке (удаление основной части воды с образованием промежуточного геля, синерезиса промежуточного геля, аутогезионных процессов). На поверхности образуется микропленка, обеспечивающая равномерную окраску. Микропленка образуется за счет наличия в составе пленкообразо-вателя, обладающего лиофильными свойствами, но в то же время не коагулирующего. Вязкость красящего состава составляет 15 с (по воронке Форда). Агрегативная устойчивость низковязкой системы обеспечивается наличием в составе ПАВ, высокодисперсионных пигментных паст и целевых добавок. Эксперименты подтверждают теоретические выводы в [1].

Основными направлениями развития лакокрасочных покрытий является улучшение декоративных и эксплуатационных свойств за счет разработки новых материалов.

Литература

1. Чижова М.А. Совершенствование технологии поверхностного крашения древесины хвойных пород

Сибири воднодисперсионными красителями: дис. ... канд. техн. наук. - Красноярск, 2001. - 179 с.

2. Патякин В.И., Тишин Ю.Г., Базаров С.М. Техническая гидродинамика древесины. - М.: Лесн.

пром-сть., 1990. - 304 с.

3. Боровиков А.М., Уголев Б.Н. Справочник по древесине. - М.: Лесн. пром-сть, 1989. - 296 с.

4. ПерелыгинЛ.М. Строение древесины. - М.: Лесн. пром-сть, 1954. - 200 с.

5. Чавчавадзе Е.С. Древесина хвойных. - Л.: Наука, 1979. - 190 с.

6. Гартман А.Н. Влияние анатомического строения сосны на качество ее пропитки // Лесохим. пром-сть. - 1933. - № 2. - С. 14-19.

7. Харук Е.В. Проницаемость древесины газами и жидкостями. - Новосибирск: Наука, 1976. - 173 с.

8. Чудинов Б.С. Вода в древесине. - Новосибирск: Наука, 1984. - 263 с.

9. Колосовская Е.А., Лоскутов С.Р., Чудинов Е.С. Физические основы взаимодействия древесины с водой. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989. - 216 с.

10. Хунт Э.М., Гарратт Д.А. Консервирование древесины. - М.; Л.: Гослесбумиздат, 1961. - 300 с.

11. Никитин Н.И. Химическая технология дерева. - Л.: Ленхимсектор, 1931. - 415 с.

12. Алпаткина Р.П. О влагопроводности главнейших отечественных пород // Деревообрабатывающая пром-сть. - 1967. - № 9. - С. 12-14.

13. Аппен А.А. Температуроустойчивые неорганические покрытия. - Л.: Химия, 1976. - 296 с.

14. Бухтияров В.П., Иванов Н.А., Савченко В.Ф. Полимерные материалы в производстве мебели. - М.: Лесн. пром-сть, 1980. - 272 с.

15. Бызов П.В. Механическая обработка древесных подложек с целью улучшения их адгезионных свойств: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М., 1992. - 21 с.

16. Верхоланцев В.В. Водные краски на основе синтетических полимеров. - Л.: Химия, 1968. - 200 с.

17. Кедров Г.Б. О строении радиальных водопроводящих путей в древесине некоторых хвойных растений // Биологические науки. - 1973. - № 10. - С. 67-73.

18. КинлокЭ. Адгезия и адгезивы. Наука и технология: пер с англ. - М.: Мир, 1991. - 484 с.

19. Луис Э. Уайз, Эдвин С. Джан. Химия древесины. - М.; Л.: Гослесбумиздат, 1960. - Т. 2. - 540 с.

20. Найдич Ю.В. Контактные явления в металлических расплавах. - Киев: Наукова думка, 1972. - 196 с.

21. Нейман Р.Э. Коагуляция синтетических латексов. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1967. - 188 с.

22. Никитин Н.И. Химия древесины. - Л.: Гослестехиздат, 1935. - 377 с.

--------^-----------