CC BY
82
ДЕРЕВООБРАБОТКА. ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
АДГЕЗИЯ ДРЕВЕСИНЫ, МОДИФИЦИРОВАННОЙ ЭФИРАМИ БОРНОЙ КИСЛОТЫ
В.И. СИДОРОВ, проф. каф. общей химии МГСУ, д-р хим. наук,
И.В. КОТЕНЕВА, доц. каф. общей химии МГСУ, канд. техн. наук,
И.А. КОТЛЯРОВА, асп. каф. общей химии МГСУ,
Н.А. ЕРМАЧКОВА, доц. каф. технологии деревообработки БГИТА, канд. техн. наук
Для гидрофобизации конструкции из древесины покрывают лакокрасочными материалами (ЛКМ), долговечность защитного действия которых зависит от сил сцепления ЛКМ с поверхностью древесины, т.е. от величины адгезии. Известно, что улучшить адгезию капиллярно-пористых материалов, к которым относится древесина, и, следовательно, увеличить срок службы защитных покрытий можно, уменьшив удельную поверхность древесины, так как уменьшение диаметра капилляров приводит к росту сил капиллярной конденсации и увеличению глубины проникновения ЛКМ в материал [1].
Кроме того, увеличению адгезионной прочности полярных пленкообразователей, к которым относится большинство используемых ЛКМ, способствует увеличение полярности подложки [2], например, за счет химического модифицирования поверхности древесины модификаторами, содержащими полярные группы. Опытным путем установлено [7], что наличие на поверхности подложки амино- и протолитических групп (кислотных остатков) способствует образованию водородных связей между молекулами адгезива и подложки и усилению адгезии. В этом случае достаточно высокая адгезионная прочность является результатом проявления межмолекулярных сил взаимодействия [4, 8].
В связи с этим мы предположили, что модифицирование поверхности древесины водными растворами моно- и диэтиламин(А^ В)-боратов, содержащими в своем составе аминогруппы и протолитические -OH группы, может привести к повышению адгезии ЛКМ к поверхности древесины.
Модифицирование древесины сосны осуществляли 50 %-ми водными растворами моно- и диэтиламин(А^8)-боратов (далее состав 1 и состав 2) при комнатной
kanz@mgsu.ru
температуре путем погружения в течение 3-х часов. Затем образцы высушивали на воздухе до постоянной массы.
Удельную поверхность древесины исследовали методом сорбции [5]. Учитывая, что объем образцов в ходе сорбции не изменялся, рассчитывали значения удельной поверхности древесины по формуле Ам -10-3
Syd =-
-• N • S;
м0 • g •Мr
где Am - разность между массой образца во время сорбционного равновесия и исходной массой образца, г; м0 - исходная масса образца, г; g - плотность сорбата, воды, г/см3;
Мг - молярная масса адсорбата, г/моль; Na - число Авогадро, моль-1;
S - площадь поперечного сечения молекулы адсорбата, м2.
Краевой угол смачивания определяли согласно методике [6]. Водопоглощение древесины исследовали в соответствии с ГОСТ 16483.20-72 в течение тридцати дней. Величину адгезии определяли согласно ГОСТ 27325-87.
На рис. 1 представлены результаты измерений удельной поверхности модифицированной древесины и контрольных образцов. Из рис. 1 видно, что при модифицировании древесины составами 1 и 2 происходит значительное уменьшение удельной поверхности последней.
Намного более низкое значение удельной поверхности образцов, модифицированных составами 1 и 2, по сравнению с образцами немодифицированной древесины, можно объяснить тем, что моно- и диэтиламин (N^ В)-бораты, проникая вглубь капилляров, (химически взаимодействуя с гидроксильными группами лигно-углеводного комплекса древесины), значительно уменьшают их сечение.
108
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010
ДЕРЕВООБРАБОТКА. ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Таблица 1
Результаты испытаний контрольных образцов и образцов модифицированной древесины
Контроль Древесина, модифицированная составом 1 Древесина, модифицированная составом 2
№ образца Вид разрушения № образца Вид разрушения № образца Вид разрушения
1 адгезионный 1 когезионный 1 смешанный
2 адгезионный 2 когезионный 2 когезионный
3 смешанный 3 когезионный 3 когезионный
4 адгезионный 4 когезионный 4 когезионный
5 адгезионный 5 когезионный 5 смешанный
6 адгезионный 6 когезионный 6 когезионный
7 смешанный 7 когезионный 7 смешанный
8 смешанный 8 когезионный 8 когезионный
9 адгезионный 9 когезионный 9 когезионный
10 адгезионный 10 когезионный 10 когезионный
Об увеличении полярности поверхности древесины при модифицировании составами 1 и 2 мы судили по краевому углу смачивания водой и ЛКМ. Интересно отметить, что капли воды, нанесенные на поверхность немодифицированной древесины, сохраняли очертания в течение длительного периода, хотя краевой угол смачивания в этом случае был меньше 90°. Капли воды, нанесенные на поверхность древесины, модифицированной составами 1 и 2, тут же растекаются в обоих случаях, что свидетельствует об увеличении полярности поверхности древесины.
Тем не менее, водопоглощение (W, %) модифицированной древесины значительно меньше (~ в 2 раза) водопоглощения немодифицированной, рис. 2, что вполне соотносится с приведенными выше данными по удельной поверхности древесины и является еще одним подтверждением факта химического взаимодействия модификаторов и подложки.
Образцы модифицированной древесины и контрольные образцы покрывали одним слоем краски ПФ-115 и высушивали в течение 24 часов. Определение адгезии проводили методом одномоментного отрыва цилиндра, ГОСТ 27325-87. В соответствии с ГОСТом 27325-87 выделяют следующие виды разрушений: адгезионный - при котором разрушение происходит по границе раздела материала; когезионный - при котором разрушение происходит по одному из материалов; смешанный - представляет совмещение
адгезионного и когезионного видов разрушений. При условии высокой адгезии ЛКМ к древесине сосны наблюдается когезионное разрушение самой древесины, т.к. энергия связи между молекулами внутри древесного композита в этом случае меньше энергии связи ЛКМ и подложки. Результаты испытаний представлены в табл. 1.
Из табл. 1 видно, что для немодифицированной древесины характерен адгезионный вид разрушения по границе раздела лакокрасочное покрытие-древесина, а для модифицированной - когезионный. Таким образом, величина адгезии лакокрасочного покрытия к модифицированной древесине сосны выше сил межмолекулярного взаимодействия компонентов древесины, об этом свидетельствует преобладающий когезионный вид разрушения.
■ состав 2 □ состав 1 □ контроль
Рис. 1. Удельная поверхность, м2/г модифицированной древесины и контрольных образцов
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010
109
ДЕРЕВООБРАБОТКА. ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
♦ состав 1 ■ состав 2 ▲ контроль
Рис. 2. Водопоглощение модифицированной древесины и контрольных образцов
Таблица 2
Краевой угол смачивания лакокрасочным материалом
Вид поверхности древесины cos9
Немодифицированная 0,9285
Модифицированная составом 1 0,9637
Модифицированная составом 2 0,9637
Величина адгезии в соответствии с ГОСТом 27325-87 рассчитывалась по формуле о, = P / S;
где оА - величина адгезии, МПа;
P - величина разрушающей нагрузки, Н;
So - площадь отрыва, мм2.
Среднее рассчитанное значение оА для немодифицированной древесины составляет 2,782931 МПа. К сожалению, рассчитать величину адгезии ЛКМ к модифицированной древесине в нашем случае не удалось, т.к. здесь налицо другой тип разрушений - когезионный.
Однако, согласно [6, 7], был измерен краевой угол смачивания лакокрасочным материалом поверхности модифицированной и немодифицированной древесины. Результаты измерений представлены в табл. 2.
cos9 характеризует смачиваемость поверхности. Из табл. 2 видно, что при модифицировании смачиваемость древесины увеличивается. Смачиваемость (cos9) связана с равновесной работой адгезии (W) уравнением [3]
W = о(1 + cos9);
где о - поверхностное натяжение жидкости.
Тогда отношение Wa модифицированной древесины к W немодифицированной в обоих случаях составляет 1,02 - равновесная
работа адгезии при модифицировании увеличивается всего на 2 %. Таким образом, вклад смачиваемости поверхности в адгезионную прочность покрытия невелик и играет важную роль только на этапе формирования покрытия.
Из полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы. Модифицирование поверхности древесины разработанными составами увеличивает ее полярность, уменьшает удельную поверхность и снижает в два раза водопоглощение древесины. При этом улучшается смачиваемость поверхности и увеличивается адгезионная прочность покрытий из ЛКМ, что является результатом проявления межмолекулярных сил взаимодействия. Последнее обеспечивает увеличение срока службы лакокрасочных покрытий.
Библиографический список
1. Яковлев, А.Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий / А.Д. Яковлев. - Л.: Химия, 1989.
2. Адгезионная способность пленок / А.А. Углов, Л.М. Анищенко, С.Е. Кузнецов. - М.: Радио и связь, 1987.
3. Санаев, В.Г. Древесиноведение в системе лесного хозяйства / В.Г. Санаев. - М.: МГУЛ, 2007. -180 с.
4. Зимон, А.Д. Адгезия жидкости и смачивание / А.Д. Зимон. - М.: «Химия», 1974.
5. Грег, С. Адсорбция, удельная поверхность, пористость / С. Грег, К. Синг. - М.: Мир, 1970.
6. Рабек, Я. Экспериментальные методы в химии полимеров: в 2-х частях. пер. с англ. / Я. Рабек. - М.: Мир, 1983.
7. М. Chaudhury Surfaces, chemistry and applications. Amsterdam: Elsevier, 2002.
8. D. A. Dillard The Mechanics of adhesion. Amsterdam: Elsevier, 2002.
110
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010
