Влияние аэроионификации на процесс формирования защитно-декоративных покрытий на древесине водными акриловыми лакокрасочными материалами

УДК 674.07:667.6

И. В. Жданова, М. В. Газеев, Н. Ф. Жданов,

Н. С. Васянина

ВЛИЯНИЕ АЭРОИОНИФИКАЦИИ НА ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ ЗАЩИТНО-ДЕКОРАТИВНЫХ

ПОКРЫТИЙ НА ДРЕВЕСИНЕ ВОДНЫМИ АКРИЛОВЫМИ ЛАКОКРАСОЧНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Ключевые слова: аэроионификация, аэроионизация, аэроионизационная электроэффлювиальная установка, водные акриловые лакокрасочные материалы, отверждение, лакокрасочные покрытия, инфракрасная спектроскопия.

Проведены испытания по отверждению лакокрасочных покрытий на основе водных акриловых лакокрасочных материалов на древесине. Отверждение покрытий производилось в естественных условиях (t=20 ± 2 °C и W=60± 5 %) и с использованием аэроионизационной электроэффлювиальной установки. В результате испытаний образцов с отвержденными покрытиями установлено, что физико-механические показатели покрытий, отвержденных в установке, выше, чем показатели покрытий, отвержденных в естественных условиях. Проведенная инфракрасная спектроскопия подтвердила улучшение физико-механических показателей покрытий.

Keywords: Air Ionification, Air Ionization, Air Ionification Electro Effluvial setting, water acrylic paint and varnish materials, solidification, paint and varnish coverings, IR-spectroscopy.

Tests were carried out on the solidification of paint and varnish coatings on the basis of water acrylic paint on wood. Solidification of coatings produced in natural conditions (t=20 ± 2 °C и W=60± 5 %) and with the use of Air Ionifica-tion Electro Effluvial setting. As a result of sample testing of solidified coatings found that physical-mechanical properties of coatings, hardened in the installation, higher than the rates of coatings, hardened in natural conditions. Conducted by IR-spectroscopy confirmed the improvement ofphysical-mechanical properties of coatings.

Водно-дисперсионные полиакриловые лакокрасочные материалы (ЛКМ) (по ГОСТ 52165-2003) -это синтетические ЛКМ, которые создаются на основе акриловой кислоты и ее производных (полимерная акриловая эмульсия) [1]. Для изготовления акриловых вододисперсионных ЛКМ используются мономеры акрилового ряда. При производстве ЛКМ акриловые мономеры переводят в состояние олигомеров, для этого проводят реакцию первичной полимеризации и со-полимеризации. В процессе сополимеризации образуется полиакрилат [2].

Отверждение лакокрасочных покрытий (ЛКП), образованных водно-дисперсионными акриловыми ЛКМ на древесине, представляет собой сложную физико-химическую реакцию. В процессе отверждения происходит испарение воды с последующим протеканием реакции полимеризации, в результате образуется твердое полимерное покрытие.

На кафедре МОД Уральского государственного лесотехнического университета (УГЛТУ) проводился эксперимент по интенсификации отверждения ЛКП на древесине с применением аэроионизационной элек-троэффлювиальной установки (АЭЭУ) [3].

При проведении эксперимента в качестве материала исследований использовался акриловый лак ЭКОЛАК (ТУ 2316-014-31953544-2000) фирмы «Эм-Лак Урал». Лакокрасочные покрытия формировались на подложках из хвойных пород. Покрытия формировались на подложках с расходом 120 г/м2. Отверждение производилось под излучателем АЭЭУ и в естественных условиях (температура воздуха 1 = 20 ± 2 °С, влажность воздуха W = 60 ± 5 %). Время пленкообра-зования фиксировалось по ГОСТ 19007-73.

АЭЭУ позволяет интенсифицировать отверждение ЛКП по радикальной окислительной полимеризации. Длительность отверждения покрытий, в сравнении с естественными условиями, снижается в 1,5 - 2 раза.

Для оценки качества полученных покрытий проводились испытания, результаты которых представлены в таблице 1, из которой видно, что физикомеханические показатели покрытий повышаются.

Таблица 1 - Физико-механические показатели покрытий, образованных акриловым лаком ЭКОЛАК

Показатели покрытий При отверждении ЛКП в АЭЭУ При отверждении ЛКП в ест.усл.

Твердость ЛКП на приборе М3, усл.ед. 0,3 0,29

Прочность ЛКП при изгибе, мм 1 1

Прочность ЛКП при ударе, Па*м 0,5 0,5

Теплостойкость ЛКП удовлетвори- тельная удовлетвори- тельная

Влагопоглоще-ние ЛКП, % 8,5 10

Блеск ЛКП, % 33 45

Адгезия ЛКП на древесине 0 баллов 0 баллов

Склерометрическая твердость ЛКП, Н 0,07 0,06

Водостойкость ЛКП удовлетвори- тельная удовлетвори- тельная

Увеличение физико-механических показателей происходит за счет химических превращений. Химический состав жидкого лакокрасочного материала и твердых покрытий можно определить по характеристическим полосам поглощения [4], свой-

ственным конкретным функциональным группам, присутствующим в материале.

Целью работы является исследование химического состава лакокрасочных веществ, а также изменений состава, происходящих в процессе отверждения лакокрасочных покрытий.

Для определения химического состава лакокрасочного материала и твердого покрытия проводилась инфракрасная (ИК) спектроскопия. Испытания проходили в Уральском государственном университете (Ур-ГУ) на приборе ИК-Фурье спектрометр №со1е1 6700. Твердые лакокрасочные покрытия предварительно срезались с деревянных подложек и измельчались в ступке, их ИК-спектры были получены с использованием вазелинового масла.

В результате анализа ИК-спектров веществ составлена их сравнительная характеристика. Характеристика ИК-спектров веществ представлена в табл.2. По полученным данным можно сделать вывод, что химический состав акриловых ЛКМ в процессе отверждения меняется. ИК-спектр покрытия, полученного в естественных условиях, имеет сходное строение с ИК-спектром покрытия, полученного под действием АЭЭУ.

Однако некоторые характеристические полосы поглощения свидетельствуют о наличии существенных различий. Так, полоса поглощения в области 36003000 см-1 является характеристической для полимерных соединений [4], характеризует наличие ОН-группы, связанной межмолекулярной водородной связью. Полоса в области 3000-2800 см-1 характеризует наличие групп —СНз и =СН2, интенсивность полосы зависит от количества этих групп в молекуле полимера.

Наличие сильной полосы поглощения 17351732 см-1 в спектре жидкого лака [6; 7] подтверждает наличие карбоксильных групп; полоса средней интенсивности в спектрах твердого ЛКП свидетельствуют о снижении количества карбоксильных групп —С=О в результате химического взаимодействия карбоксильных групп с целлюлозой древесины. Полоса поглощения ИК-спектра покрытия, отвержденного с использованием АЭЭУ, имеет большую интенсивность (рис.1). Это объясняет лучшую адгезию покрытия.

Полоса поглощения 1651-1646 см-1 в спектре твердых покрытий [8] показывает наличие сопряженных двойных связей в углеродном скелете, которые в ходе дальнейшей полимеризации частично раскрываются. Образование сопряженных двойных связей происходит в результате изомеризации, при этом двойные связи раскрываются в одних местах и формируются в других. На рис.1 видно, что процент поглощения в ИК-спектре покрытия, полученного в АЭЭУ, выше. Следовательно, полимеризация протекает глубже, а прочность покрытия увеличивается. Отсутствие полосы в спектре жидкого ЛКМ свидетельствует о протекании реакции полимеризации в процессе отверждения покрытий.

Полосы поглощений в областях 1463, 1452 и 1386-1303 см-1, характеризующие колебания групп =СН2, -СНз -СН, свойственны насыщенным и ненасыщенным алифатическим углеводородам [8].

Полоса поглощения 1240 см-1 в спектре соответствует колебанию группы =С-О— и характерна для сложных эфиров и кислот.

Полосы поглощений в областях 1272, 1155 и 895-890 см-1 характеризуют колебания карбоксильных групп -СООН, свойственных полимерным материалам.

Полоса 1165 см-1 является характерной полосой поглощения для акрилатов, проявляется в спектре жидких ЛКМ.

Полосы поглощений в областях 1080-1027, 991, 844-760 и 703 см-1 показывают деформационные колебания групп —СН, а сильная полоса в районе 722 см-1 используется для обнаружения полимерной цепи.

Таблица 2 - Характеристика ИК-спектров веществ

Характеристические полосы поглощения Группы веществ

ЛКМжид. ЛКПест.усл. ЛКПАэ ЭУ

1 2 3 4

- 3356ср.ш. 3354ср. ш. валентные колебания ОН-группы

- 3178сл.ш. 3181сл. ш.

2957с. 2958оч.с. 2965 оч.с. валентные колебания групп —СНз и =СН2

2915с. - -

2870ср. - -

2850ср. - -

- 2726ср. 2726ср.

- 2673сл. 2673сл.

1733оч.с 1735с. 1732с. валентные колебания групп —СО и сложных эфиров

- 1646ср. 1651ср. ненасыщенная сопряженная связь С=С

1541сл. - - группа -СОО—

- 1463оч.с. 1463оч. с. деформационные колебания групп =СН2, — СН3 и —СН

1452с. - - метиленовая группа =СН2; деформационные колебания гидроксильной группы —ОН

1386ср. - - метиленовая группа =СН2

- 1377оч.с. 1377оч. с. деформационные колебания групп =СН2, — СН3 и —СН

Окончание табл. 2

Вывод

1 2 3 4

- 1303сл. 1303сл. деформационные колебания группы —СН

- 1272сл. 1272сл. карбоксильные группы —СООН

1239ср. 1241сл. - группа -РСОР

1165с. - - характерная полоса акрилатов

- 1154ср. 1155ср. карбоксильные группы -СООР

- 1080сл. - колебания групп -С-Н и -С-С

1066сл. - 1066сл.

- 1033сл. 1033сл.

1027ср. - -

991сл. - - деформационные колебания группы -СН

963сл. 966сл. - группа -РСНО

- 894сл. 891сл. карбоксильные группы -СООН

843ср. 844сл. 844сл. деформационные колебания группы -СН

760ср. - -

- 769оч.сл. 764оч.сл.

- 722с. 722с. группы =СН2

703ср. - - деформационные колебания группы -СН

дем мо* }«» мм і*м ш м*

Рис. 1 - ИК-спектры веществ: 1 (черный) - жидкий ЛКМ; 2 (зеленый) - ЛКП, отвержденное в естественных условиях; 3 (красный) - ЛКП, отвержденное при помощи АЭЭУ

По полученным ИК-спектрам можно сделать вывод, что химический состав жидкого акрилового лака отличается от состава твердых покрытий. 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 про-странственносшитая молекула полимера. ИК-спектр покрытий, полученных под действием АЭЭУ, иллюстрирует более глубокую степень полимеризации, что подтверждает большую твердость покрытия (табл.1). Покрытие, отвержденное под действием АЭЭУ, в сравнении с отвержденным в естественных условиях, образует большее число карбоксильных связей с целлюлозой древесины и, как следствие, лучшую адгезию с древесной подложкой.

Литература

1. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: учеб. пособие для вузов. СПб.: СПбЛТА, 1999. 628 с.

2. Хасанов А.И., Ефремов Е.А., Хасанова М.И., Гарипов Р.М. Влияние состава мономеров на пленкообразующие свойства акриловых сополимеров // Вестник Казанского технологического университета, 2011. №11. С.53-59.

3. Газеев М.В., Жданова И.В., Старцев А.В. Аэроионизаци-онный способ отверждения лакокрасочных покрытий, образованных водными лаками // Деревообрабатывающая промышленность, 2007. № 6. С.17-19.

4. Васильев А.В., Гриненко Е.В., Щукин А.О., Федулина Т.Г. Инфракрасная спектроскопия органических и природных соединений: учеб. пособие для студ-в хим. и хим.-технолог. специальностей вузов. СПб: СПбГЛТА, 2007. 54 с.

5. Идентификация органических соединений: учеб. пособие по органической химии / под ред. Н.А. Анисимовой. Горный Алтай: Горно-Алтайский государственный университет, 2009. 118 с.

6. Кросс А.Д. Введение в практическую инфракрасную спектроскопию. М.: Изд-во иностранной литературы, 1961. 112 с.

7. Охрименко И.С., Верхоланцев В.В. Химия и технология пленкообразующих веществ. М.: Издательство Химия, 1978. 392 с., ил.

8. Беллами Л. Инфракрасные спектры молекул / пер. с англ. В.М. Акимова, Ю.А. Пентина, Э.Г. Тетерина. М.: Изд-во иностранной литературы, 1957. 358 с.

© И. В. Жданова - асп. каф. механической обработки древесины Уральского госуд. лесотехнич. ун-та; М. В. Г азеев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, gazeev_m@1ist.ru; Н. Ф. Жданов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; Н. С. Васянина -инж. каф. физико-химической технологии защиты биосферы того же ун-та.