ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЯХ НА ДРЕВЕСИНЕ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ТЕХНОЛОГИЯ ЗАГОТОВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ДРЕВЕСИНЫ

УДК 674.07

Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. XXXVI, № 5. С. 428-432

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЯХ

НА ДРЕВЕСИНЕ

М. В. Газеев, Е. А. Газеева, О. Н. Чернышев, С. Б. Шишкина

Уральский государственный лесотехнический университет Российская Федерация, 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37 E-mail: gazeev_m@list.ru

При формировании лакокрасочных покрытий на поверхности древесины и изделий из нее происходит процесс пленкообразования с переходом из жидкой стадии в твердую, который сопровождается физико-химическими преобразованиями и нарастанием внутренних усадочных напряжений. Нарастание в покрытии внутренних напряжений является фактором, оказывающим негативное воздействие на защитные свойства покрытий. Исследование напряжений позволит разработать мероприятия или предложения по устранению или снижению внутренних напряжений в покрытиях. Существуют различные способы измерения внутренних напряжений в полимерных покрытиях. Величину усадочных напряжений в лакокрасочных покрытиях обычно находят консольным методом на упругой металлической пластине. Расчет основан на определении величины перемещения свободного конца металлической пластины с лакокрасочным покрытием. Предложена методика расчета внутренних напряжений, возникающих в лакокрасочном покрытии после сушки, опираясь на гипотезу плоских сечений Я. Бернулли. Покрытие считается растянутым на поверхности пластины и в системе возникают относительные линейные деформации. Расчеты условно можно перенести с металлической пластины на поверхность древесины.

Ключевые слова: лакокрасочное покрытие, пленкообразование, древесина, усадочное напряжение, внутренние напряжения.

Conifers of the boreal area. 2018, Vol. XXXVI, No. 5, P. 428-432 STUDY OF STRESSES IN VARNISH AND PAINT COATINGS ON WOOD M. V. Gazeev, E. A. Gazeeva, O. N. Chernyshev, S. B. Shishkina

Ural State Forest Engineering University 37, Siberian tract, Yekaterinburg, 620100, Russian Federation E-mail: gazeev_m@list.ru

During the formation ofpaint and varnish coatings on the surface of wood and products from it, the process offilm formation occurs with a transition from the liquid to the solid stage, which is accompanied by physical and chemical transformations and an increase in internal shrinkage stresses. The increase in the coating of internal stresses is a factor that has a negative impact on the protective properties of coatings. The study of stresses will allow the development of measures or proposals to eliminate or reduce internal stresses in the coatings. There are various ways to measure internal stresses in polymer coatings. The amount of shrinkage stress in paint and varnish coatings is usually found by the cantilever method on an elastic metal plate. The calculation is based on determining the amount of movement of a metal plate free end with a paint and varnish coatings. The article proposes a method for calculating the internal stresses arising in the paint and varnish coatings after drying, based on the hypothesis of the flat sections of J. Bernoulli. The coating is assumed to be stretched on the surface of the plate and relative linear deformations occur in the system. The calculations can be conditionally transferred from the metal plate to the wood surface.

Keywords: paint and varnish coating, film formation, wood, shrinkage stress, internal stresses.

ВВЕДЕНИЕ

Древесина и изделия из нее находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Для защиты изделий из древесины от разрушающего дей-

ствия внешних условий и придания красивого внешнего вида их отделывают лакокрасочными материалами. Лакокрасочное покрытие должно прочно удерживаться на поверхности изделия, не иметь дефектов,

обладать свето-, водо-, тепло- и морозостойкостью в сочетании с твердостью и эластичностью. Все эти свойства должны сохраняться при длительной эксплуатации изделий.

В процессе пленкообразования лакокрасочных покрытий (ЛКП) на поверхности изделий из древесины происходит их адгезионное взаимодействие с древесной подложкой, испарение растворителей из твердеющей пленки и химические превращения, которые зависят от природы пленкообразователя. При отверждении всех известных в настоящее время полимерных покрытий также происходит их уплотнение и сокращение объема. В результате в покрытиях нарастают внутренние напряжения. По характеру напряжения могут быть усадочные, термические или влаж-ностные [1-3].

Внутренние напряжения в ЛКП, могут быть определены суммарной величиной

(1)

СТв =CTj + CTrn + СТИ

где оу, от, о№ - усадочные, термические и влажност-ные напряжения в покрытии.

Внутренние усадочные напряжения в ЛКП снижают адгезионную прочность с подложкой, а также ослабляют когезионные связи. При больших внутренних напряжениях может происходить самопроизвольное растрескивание или отслаивание покрытий от подложки. Б. М. Рыбин приводит сведения, что отслаивание покрытия, как правило, начинается у кромок поверхностей отделанных деталей, где касательные напряжения максимальны, а растрескивание наоборот, редко наблюдается на краях [1]. Напряжения, возникающие в ЛКП, рассмотрены в работах Б. М. Рыбина, Л. А. Сухаревой, А. Т. Санжаровского, А. Д. Яковлева и др. [1-6]. Для снижения внутренних напряжений в покрытиях можно усиливать релаксационные процессы на границе взаимодействия покрытия с подложкой за счет применения специального грунта из эластомеров, что приводит к релаксации внутренних напряжений в поверхностном слое ЛКП [3]. Введение модификаторов в ЛКМ тоже позволяет снизить внутренние напряжения в покрытиях, а также повысить адгезионную прочность и долговечность.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ

Оценку усадочных напряжений, возникающих в ЛКП после отверждения, как правило, выполняют консольным методом, подробно описанным у М. И. Карякиной [4]. Оценка внутренних усадочных напряжений овн осуществляется на консольно закрепленной металлической пластинке, на которую наносят ЛКМ и после его высыхания фиксируют величину отклонения свободного конца пластинки от первоначального. Расчеты выполняют по формуле

Et 3h

30/2 (t + at)

МПа,

(2)

Если говорить о деформациях, то в сохнущем ЛКП возникают продольные деформации, направленные вдоль оси рассматриваемой системы пластинка -ЛКП. Интерес представляет перенос полученных в результате экспериментальных и расчетных работ сил и перемещений на древесину, так как ее поверхность представляет собой перерезанные полости клеток, которые образуют канавки, углубления и направленные внутрь каналы. При пленкообразовании на поверхности древесины происходит сорбция жидкостей и растворителей, при которой может происходить набухание, а также в высыхающем покрытии образуются напряжения, вызывающие усадку пленки. Пленка после высыхания становится растянутой на поверхности древесины и в результате могут возникать процессы, вызывающие изменение шероховатости и деформацию поверхности на микроуровне.

Зная микроскопическое строение древесины хвойных пород и геометрические параметры ее анатомических элементов можно выполнить расчеты сил и моментов, возникающих на поверхности древесины с ЛКП, после его высыхания. Согласно справочным данным Б. Н. Уголева размеры трахеид хвойной древесины следующие: длина 1,3-5,6 мм; ширина 17-47 мкм; толщина 2,2-8,2 мкм. Форма поперечного сечения трахеид прямоугольная, иногда может быть квадратная, пяти- и шестиугольная. Модуль упругости древесины сосны 12,2 ГПа [7].

Цель работы - исследовать напряжения, возникающие в лакокрасочном покрытии и их влияние на анатомические элементы хвойной древесины.

Представим условно древесную ворсинку на поверхности, как балку прямоугольного поперечного сечения, на одну из сторон которой нанесено ЛКП. В процессе отверждения покрытие подвержено усадке, которая характеризуется относительной продольной деформацией гу. Требуется найти кривизну упругой линии балки, полученную в результате деформирования, найти напряжения в поперечном сечении балки и ЛКП. Балка и нанесенное на нее ЛКП рассматриваются как два совместно работающих стержня. Размеры ЛКП после отверждения изменяются Д / Ь = е (в предположении, что сцепление по поверхности контакта отсутствует) (рис. 1).

где Е - модуль упругости подложки, МПа; t - толщина подложки, мм; к - отклонение консоли, мм; I -длина пленки, мм; Д - толщина пленки, мм.

Рис. 1. Расчетная схема плоского стержня с ЛКП (The settlement scheme of a flat core with a lacquer coating)

Для системы стержней применимы: гипотеза Я. Бернулли плоских сечений и условия равенства

относительных линейных деформаций для стыка поверхностей. В основе гипотезы Бернули лежит предположение, что и внутри стержня деформации имеют такой же характер, как на поверхности. Следовательно, сечения плоские и нормальные к оси стержня до деформации, остаются плоскими и нормальными к его оси и после деформации [8].

Каждый стержень загружен осевой силой P и изгибающим моментом M. Для системы стержней выполняются уравнения равновесия

X P = -P0 + P = 0, где P0 = P,

^ P (h0 + h)

X М0пл = M0 + Mi -1 (0 1)

2

= 0.

(3)

(4)

Рис. 2. Кривизна изогнутой пластины 1/r (The curvature of a curved plate)

Считая деформацию изгиба малой, т. е. радиус кривизны очень большим запишем дифференциальные уравнения изгиба в виде

E(\Jп , EiJi

Mо =-

M =-

r r

Подставив в уравнение (4), получим

Pi (ho + hi )_ Eo Jo | Ei J |

(5)

или

P =

E0 Jo + E1J1

h + h

(6)

Составим уравнение равенства относительных линейных деформаций вдоль стыка

P M1 h Po

в +—— +-— x — =--—

E1S1 E1J1 2 E0S0

M

Eo Jo

0 X h0

Здесь = b • hj, b - ширина пластины. Подставляя в (3) получаем

h

-в v +—— v Ebhx

2r E0bh0

о

2 r'

Разрешаем полученное уравнение относительно кривизны 1/r:

1 f h0 + h1

Pn

= в, —

bE0h0

bE1h

или

в v = P

1 1

- + -

EiSi Eo S0

о У

h + h 2r '

2

в v =■

E0 Jo + E1J1

(

1 1

ho + hi r ^ E1S1 Eo S( Отсюда находим кривизну

1 Bv

0

1

h0 + h

E0 hp + Eihi3

-x 00-l-l- x

1 1

- + -

E0h0 E1h1

h +h 2r

h +h

(7)

Обозначим кривизну изогнутого стержня 1/r (рис. 2).

Здесь использованы соотношения площади Si = Ь • hi и момента инерции стержня

,„з

(8)

bhj

J г = — г 12

Вычислив 1/г, подставляем в (6) и находим

P = Po = Pl.

Подставляя в (5) находим М0 и М1.

По М и Р находим напряжения в сечениях стерж-

ней

P . 6Mn

^0 =-— ±

s0 bh

P 6M ст,=- P+- 1

s1 bh2

(9) (10)

РЕЗУЛЬТАТЫ

И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Определение усадки ЛКП по результатам эксперимента. Цель эксперимента - определить величину перемещения свободного конца металлической пластины с ЛКП после отверждения.

На консольно закрепленную металлическую пластину (рис. 3) наносим лак ПФ-157 и фиксируем начальное положение пластины. После высыхания ЛКП фиксируем величину перемещения свободного конца пластины с покрытием на микроскопе МИР 2 (рис. 4).

Геометрические параметры пластины с ЛКП определяем при помощи штангенциркуля и микрометра МК-25. Полагаем, что пластина защемлена и перемещением Д пренебрегаем, а упругая линия пружины с ЛКП является окружностью. Изменением длины упругой линии из-за усадки пренебрегаем. Длина упругой линии равна длине консоли L. Радиус кривизны г и угол поворота консоли ф неизвестны. Для их определения записываем систему двух уравнений

r Ф = L,

r (1 - cos ф) = A v.

(11) (12)

Из (9) первого уравнения системы находим г = L / ф, подставляем во второе уравнение системы и получаем после преобразований

1 Av n 1 - cos ф--—ф = 0.

L

(13)

Уравнение имеет нулевой корень ф0 = 0. Число соответствует начальному состоянию пластины до де-

r

2

2

r

r

формации. Первый нулевой корень определяем графически как точку пересечения прямой /¡(ф) = Ду / Ь и линии /2(ф) = 1 - cosф.

Рис. 3. Стальная пластинка (балка с защемленным концом) The steel plate (a beam with the jammed end): ширина b0 = 7-10"3 м, длина L = 3,35-10"2 м, толщина h0 = 7-10~5 м. Модуль упругости стали Е0 = 2105 МПа = 21011Н/м2

Рис. 4. Изгиб пластины при усадке ЛКП (The plate bend at shrinkage of a covering): Толщина ЛКП hj = 3 10-5 м, Д, = Ah = 5,625 10-5 м, Дх = 0, Е1 = 2 600 МПа

Приводим уравнение к алгебраическому виду, раскладывая соБф в ряд

^-Ф.+Ф6 = 0.

2! 4! 6!

L

Удержим в разложении cosф квадратные члены

Ф

Д.,

1 E0h03 + Ejhj3

h + h

i

e0 h0

E1h1

1 1 + h0 + hi 2

еус = 0,000153 м. Тогда кривизна трахеиды будет 1 / г = 5,59765. Отсюда г = 0,178646 м.

Площади сечения трахеиды (£0) и ЛКП (Б1)

50 = ййо = 3,2-10-5 • 5,2х10-6 = 1,64-Ю-10 м2, ^ = 3,2 -10-5 • 3-10 5 = 9,6 -10-10 м2. Моменты инерции трахеиды (70) и ЛКП (.Л)

ии3 3,2 • 10-5 (5,2 • 10-6 )3 = ^ = 3-(5-= 3,74955 -ю-22 м4.

12

12

_bh3 _ 3,2 •10

J i = = 1 12 12

(з • 10-5 )3

= 7,2 •Ю-20 м4.

1 -1 ---^ ф = 0, фп = 0, ф = 0,00335821.

2! Ь

г = Ь / ф = 9,97555.

Из уравнения (5) находим значение усадки (деформации сдвига)

% =-

1

= 15,29 • 10-5 м.

Выполняем расчеты напряжений, сил, моментов и деформаций, возникающих в рассматриваемой системе пластин (ЛКП-подложка) на ЭВМ в пакете «Математика». Найдем деформации и напряжения, возникающие в трахеиде с нанесенным ЛКП. Поперечное сечение трахеиды примем прямоугольным. Размеры в соответствии с данными Б. Н. Уголева [7]. Деформация сдвига получена из результатов испытаний

Изгибающие моменты в слоях М0 = 2,56061-10"11, Щ = 1,04788 -10~9 Пам3.

Силы в слоях равны между собой и противоположны по направлению. Силы, вызванные усадкой покрытия сжимают трахеиду хвойной древесины, а трахеида, следовательно, растягивает усевший слой. Р0 = -2,724 10-16 Па, и Рх = 2,724 10-16 Па.

Изгибающие моменты в слоях

М0 = 2,56 10-11 Па м3, М = 1,05 109 Па-м3.

Напряжения в наружном и внутреннем слоях тра-хеиды

о0н = 177557 Па/м2, о0в = -177557 Па/м2.

Напряжения, возникающие в наружном и внутреннем слое ЛКП

о1н = 218308 Па/м2, о1в = -218308 Па/м2.

Грузовой и единичный моменты, возникающие по длине трахеиды

М?[0] = 2,56 10-11; М8[Ь / 2] = 2,56 10-11;

МВ[Ь] = 2,5610-11, Ме[0] = 0; Ме[Ь / 2] = 0,0017; Ме[Ь] = 0,0034.

Прогиб конца трахеиды составит Д = 3,23 • 10-5 м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, можно выполнять расчеты напряжений, возникающих в поверхностных слоях древесины, с нанесенным ЛКП и условно переносить полученные нагрузки на анатомические элементы древесины, выходящие на поверхность. Исследования позволяют рассмотреть явления на микроуровне. Следует учесть, что выполненные в работе расчеты и рассмотренная система приняты условно. Возможно усложнение задачи и рассмотрение анатомических элементов пяти и шестиугольной формы в сечении трахеид, выходящих на поверхность древесины с ЛКП.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ

1. Рыбин Б. М. Технология и оборудование защитно-декоративных покрытий древесины и древесных материалов: учебник для студентов вузов / Моск. гос. ун-т леса. 3-е изд. М. : МГУЛ, 2007. 568 с.

2. Жуков Е. В., Онегин В. И. Технология защитно-декоративных покрытий древесины и древесных ма-

териалов : учебник для вузов. М. : Экология, 1993. 304 с.

3. Яковлев А. Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий : учебник для вузов. Л. : Химия, 1989. 384 с.

4. Карякина М. И. Лабораторный практикум по техническому анализу и контролю производств лакокрасочных материалов и покрытий : учеб. пособие для техникумов. 2-е изд., перер. и доп. М. : Химия, 1989. С. 129-132.

5. Новоселова И. В., Латышевич В. И. Усадочные напряжения в нитроцеллюлозных покрытиях // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2013. № 37. С. 169-170.

6. Газеев М. В., Ветошкин Ю. И., Газеева Е. А. Аэроионизационная сушка как способ снятия внутренних напряжений в лакокрасочных покрытиях // Вестник Казан. технологич. ун-та. 2015. Т. 18, № 15. С. 88-90.

7. Древесиноведение с основами лесного товароведения : учебник для вузов / под ред. Б. Н. Уголева ; Моск. гос. ун-т леса. 3-е изд., перераб. и доп. М. : МГУЛ, 2001. 344 с.

8. Александров А. В. Сопротивление материалов : учебник для вузов / под ред. А. В. Александрова. 3-е изд., испр. М. : Высш. шк., 2003. 560 с.

REFERENCES

1. Rybin B. M. Technology and equipment of protective and decorative coverings of wood and wood materials : the textbook for students of higher education institutions ; Mosk. State Un-t Wood. the 3rd prod. Moscow, MSFU, 2007, 568 p.

2. Zhukov E. V., Onegin V. I. Technology of protective and decorative coverings of wood and wood materials

: the textbook for higher education institutions. Moscow, Ecology, 1993, 304 p.

3. Yakovlev A. D. Chemistry and technology of paint and varnish coverings : the textbook for higher education institutions. Leningrad, Chemistry, 1989, 384 p.

4. Kaijakina M. I. Laboratory workshop on the technical analysis and control of productions of paints and coatings: studies. a grant for technical schools. 2nd prod., perer. and additional. Moscow, Chemistry, 1989, P. 129132.

5. Novoselova I. V., Latyshevich V. I. Shrinkable tension in nitrocellulose coverings // Current problems of the forest Publishing house complex. 2015, No. 37, P. 169-170.

6. Gazeev M. V., Vetoshkin Yu. I., Gazeeva E. A. Aero ionization drying as a way of removal of internal tension in paint and varnish coverings // Bulletin of the Kazan technological university. 2015, Vol. 18, No. 15, P. 88-90.

7. Drevesinovedeniye with fundamentals of forest merchandizing: The textbook for higher education institutions / under the editorship of B. N. Ugolev ; The Moscow state. wood un-t. 3rd prod., reslave. and additional. Moscow, MSFU, 2001, 344 p.

8. Alexandrov A. V. Resistance of materials: The textbook for higher education institutions / Under the editorship of A. V. Alexandrov. 3rd prod., reslave. and additional. Moscow, The higher school, 2003, 560 p.

© Газеев М. В., Газеева Е. А., Чернышев О. Н.,

Шишкина С. Б., 2018

Поступила в редакцию 31.07.2018 Принята к печати 31.10.2018