CC BY
10
УДК 674.037
Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. XXXVI, № 5. С. 460-465
ЛАКОКРАСОЧНАЯ КОМПОЗИЦИЯ С ЗАЩИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ ОТДЕЛКИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
С. Б. Шишкина, М. В. Газеев
Уральский государственный лесотехнический университет Российская Федерация, 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37 E-mail: [email protected], [email protected]
Основной целью процесса отделки изделий из древесины и древесных материалов на сегодняшний день является не только улучшение внешнего вида и технико-эксплуатационных показателей продукции, но и правильный подбор материалов для конкретных областей использования. Рассмотрена проблематика применения лакокрасочных материалов с целью защиты от ионизирующих излучений, сделаны выводы об актуальности разработки рентгенозащитных лакокрасочных композиций. Даны краткие сведения о воздействии проникающих излучений на пленкообразователи. Разработана лакокрасочная композиция (ЛКК) с защитными свойствами от рентгеновского излучения для комплексной отделки специализированных помещений в учреждениях здравоохранения, имеющая также высокие показатели технико-эксплуатационных и эстетических свойств. Проведен классический эксперимент для определения оптимального состава композиции на основе известного полимера и природного минерального наполнителя. Образцы покрытий на основе данной композиции прошли проверку на цифровом аппарате рентгеновской диагностики при различных показателях мощности облучения. Предложен метод оценки показателей защитных свойств композиции при различной толщине покрытия на древесной подложке и трех фиксированных значениях мощности напряжения в рентгеновской установке. Разработана методика расчета условного коэффициента защиты, позволяющая произвести сравнение с известными значениями свинцового эквивалента путём оценки цифровых растровых изображений в специализированном графическом редакторе. Композиция имеет высокие показатели защитных свойств при мощности излучения в диапазоне 50-100 кУ. Получены математические модели, позволяющие определить оптимальное соотношение компонентов композиции. Применение математической методики расчёта позволяет прогнозировать максимально возможное сочетание защитных и эксплуатационных характеристик покрытия.
Ключевые слова: защитный материал, защитные свойства, цифровая рентгенография, растровые изображения, оценка защитных свойств материала, оптимальная рецептура, математическая модель.
Conifers of the boreal area. 2018, Vol. XXXVI, No. 5, P. 460-465
PAINTING COMPOSITION WITH PROTECTIVE PROPERTIES FOR FINISHING WOOD MATERIALS
S. B. Shishkina, M. V. Gazeev
Ural State Forest Engineering University 37, Siberian tract, Yekaterinburg, 620100, Russian Federation E-mail: [email protected], [email protected]
The main purpose of the process of finishing products from wood and wood materials today is not only improving the appearance and technical and operational performance ofproducts, but also the correct selection of materials for specific areas of use. The paper discusses the use ofpaints and varnishes in order to protect against ionizing radiation, and draws conclusions about the relevance of the development of X-ray protective paints and varnishes. Brief information is given on the effect of penetrating radiation on film formers. Developed a paint composition with protective properties of X-ray radiation for complex finishing specialized facilities in health care, which also has high levels of technical and operational and aesthetic properties. A classic experiment was conducted to determine the optimal composition of the composition based on the known polymer and natural mineral filler. Samples of coatings based on this composition have been tested on a digital X-ray apparatus with various irradiation power indices. A method for estimating parameters of protective properties of the composition at different thickness of coatings on wood substrate and three fixed values of the power voltage in the X-ray unit. A method for calculating the conditional protection factor, allowing to make a comparison with the known values of lead equivalent by estimating digital raster images in a specialized graphic editor. The composition has high protective properties at radiation power in the range of 50-100 kV. Mathematical models were obtained, allowing to determine the optimal ratio of the components of the
composition. The use of a mathematical calculation method makes it possible to predict the maximum possible combination ofprotective and operational characteristics of the coating.
Keywords: protective material, protective properties, digital radiography, raster images, evaluation of the protective properties of the material, the optimal formulation, mathematical model.
ВВЕДЕНИЕ
Повседневная жизнь современного человека тесно связана с постоянным взаимодействием со всевозможными видами электромагнитных излучений. Их влияние на живые организмы постоянно изучается, но в большинстве исследований получены выводы о негативных последствиях воздействия проникающих видов излучений на живые организмы и необходимости использования различных защитных материалов [1]. Защитный материал - это вещество, предназначенное для использования в целях ослабления любого вида излучений [2]. Защитные материалы должны быть механически прочными, сохранять стабильные размеры, быть нетоксичными, экологически безопасными, не иметь запахов, быть стойкими к воздействию радиации, химически инертными, а также обладать высокими конструкционно-эксплуатационными и декоративными свойствами [3].
В качестве стандартного защитного материала широкое распространение получили материалы на основе свинца (свинцовые полосы, листы, чушки; просвинцованная резина, свинцовое стекло). Степень защиты характеризуется свинцовым эквивалентом -это толщина свинцового слоя в миллиметрах, ослабляющего измеренную в воздухе мощность дозы рентгеновского излучения [4]. Основными недостатками данной группы защитных материалов являются токсичность, большой вес, сложность монтажа и сравнительно малый период эксплуатации.
Перспективным направлением в области создания композитов с защитными свойствами от ионизирующих излучений является разработка материалов (конструкций, составов), в которых в качестве несущей основы (или защитного слоя) выступают современные, технологичные и экологически безопасные компоненты. Древесина благодаря ее уникальным физико-механическим свойствам также может использоваться в композициях в качестве несущей основы. Древесные материалы поддаются уплотнению (термомодификации), пропитке металлами, возможны облицовывание фольгой или напыление на поверхность расплавов, размещение защитного слоя между листами фанеры или стружечными плитами, что существенно увеличивает защитную способность получаемых композитов, таких как Фанотрен и Плитотрен [3].
Таблица 1
Действие ионизирующих излучений на полимеры
Для облагораживания поверхностей композиционных материалов необходима отделка высоковязкими составами. Таких материалов немного и практически все они имеют ряд технологических и эксплуатационных недостатков. Так, эпоксидные композиции имеют низкую адгезию к древесной подложке, ярко выраженное УФ-старение (желтизна покрытия, отслойка от подложки). Составы, в которых в качестве защитного наполнителя используются отходы оптического стекла, имеют повышенную шероховатость и серый «пыльный» цвет покрытия, что влечет дополнительную отделку. Полистирольные покрытия из-за хрупкости практически не применяются. Кроме того, большинство полимерных покрытий не выдерживают обработку дезактивирующими и агрессивными моющими средствами, которая является обязательной в специфических помещениях (медицинские кабинеты, лаборатории контроля и т. п.).
Под действием спектра проникающих волн в полимерных составах могут происходить два процесса:
1) деструкция, т. е. разрывы молекулярных цепей, приводящее к уменьшению среднего молекулярного веса;
2) сшивание полимерных цепей, ведущее к возрастанию молекулярного веса и при достаточно больших дозах к образованию нерастворимой сетки. В табл. 1 приведена классификация известных полимеров по характеру воздействия на них ионизирующих излучений, основанная на наблюдениях Лоутона [5].
Срок службы покрытий в условиях воздействия ионизирующего излучения определяется в первую очередь природой пленкообразующего вещества. Пигменты не оказывают существенного влияния на стойкость покрытий, однако, введение наполнителей волокнистой, чешуйчатой природы или минералов со стойкой ромбической ионной решеткой дает положительный эффект.
Стойкость покрытий на различных подложках неодинакова. Признаками разрушения покрытий являются выраженное изменение цвета, потеря глянца, появление пузырей или трещин, липкость или шелушение, снижение адгезии. В табл. 2 приведены характеристики радиационной стойкости для различных покрытий при предельных дозах излучения [6].
Сшивающиеся полимеры Деструктирующиеся полимеры
Полиакриловые эфиры Целлюлоза
Полиакриловая кислота Поли-а-метилстирол
Полиакриламид Полиизобутилен
Полиметилакрилат Политетрафторэтилен
Поливинилалкильные эфиры Поливинилиденхлорид
Поливинилметилкетон Поливинилхлорид
Полистирол Полиметакриламид
Окончание таблицы 1
Сшивающиеся полимеры Деструктирующиеся полимеры
Полиэфиры Полиметилметакрилат
Полиэтилен Полиметакриловая кислота
Полиметилен Найлон
Полипропилен
Хлорированный полиэтилен
Хлорсульфированный полиэтилен
Натуральный каучук
Таблица 2
Предельные дозы излучения для различных покрытий
Наименование покрытия Доза излучения, МГр
Полистирольное 50
Кремнийорганическое 50
Эпоксидно-фенолформальдегидное 50
Эпоксидное 1-10
Полиметилакрилатное 1-10
Полиуретановое 1-10
Битумное 1-10
Меламиноформальдегидное 5
Поливинилацетатное 5
Поливинилхлоридное 1
Полиэтиленовое 1
Фторопластовое (фторопласт-3, 32Л, 42Л) 0,1-1
Перхлорвиниловое 0,1
Нитратцеллюлозное 0,001
Таким образом, можно сделать вывод, что создание лакокрасочной композиции (ЛКК) с защитными свойствами от ионизирующего излучения является актуальным направлением исследовательской деятельности. На кафедре механической обработки древесины и производственной безопасности УГЛТУ в течение нескольких лет ведется разработка линейки рентгенозащитных композитов, в том числе композиции со специфическими свойствами для формирования покрытия на древесине и древесных материалах.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
При разработке ЛКК с защитными свойствами от ионизирующего излучения руководствовались следующими теоретическими утверждениями:
1) в качестве связующего необходимо использовать «сшивающийся» полимерный состав, сохраняющий внешний вид и эксплуатационные свойства, обладающий высокими показателями адгезии к различным видам подложки, безопасный для человека;
2) для придания специфических свойств покрытию необходимо ввести в состав наполнитель, обладающий защитными свойствами, химически инертный и безопасный для человека;
3) ЛКК должна оптимально сочетать защитные свойства и технико-эксплуатационные характеристики, в том числе высокие показатели адгезии к древесной подложке.
В ходе проведения поисковых работ были получены различные по составу варианты композиции, проверены их технико-эксплуатационные показатели, наличие защитных свойств от ионизирующего излу-
чения и адгезионные характеристики. После сравнительного анализа к дальнейшей разработке был принят композиционный лакокрасочный материал, в котором в качестве связующего используется водно-дисперсионная акриловая краска (ВД-АК), в качестве наполнителя - природный сульфат бария (барит), для стабилизации эксплуатационных и эстетических характеристик применялись модифицирующие добавки.
Выбор основных компонентов состава был обусловлен наличием у них следующих свойств:
- акриловые краски на водной основе экологически безопасны, нетоксичны, обладают высокими декоративными свойствами, имеют высокую адгезию к древесной подложке, основной компонент состава -«сшивающийся» полимер;
- сульфат бария непроницаем для «жесткого» рентгеновского излучения, его безопасность для живых организмов подтверждена медицинскими исследованиями, молекула вещества представляет собой ромбическую решетку из ионов Ва+ и SO4- , такую же, как сульфаты свинца и стронция, устойчивую к перепаду температур, воздействию вредных газов, окислению под действием кислорода воздуха. Сульфат бария широко используется в производстве лакокрасочных материалов как наполнитель и оптический отбеливатель.
Для определения оптимальной рецептуры ЛКК с защитными свойствами был проведен классический трехфакторный эксперимент (план В3), разработаны 14 вариантов составов композиции. В качестве управляющих переменных факторов приняты следующие компоненты рецептуры ЛКК:
х1 - количество сульфата бария, г;
х2 - количество ВДАК, г;
х3 - количество разбавителя (воды), г.
За выходной параметр традиционно принимаются показатели защитных свойств (коэффициент линейного ослабления в сравнении со свинцовым эквивалентом). Для композиционных составов с большим количеством компонентов рассчитать данный параметр иногда не представляется возможным из-за отсутствия сведений о веществе [3]. В таких случаях защитные свойства можно оценить условными коэффициентами. В нашем случае за выходной параметр у принята кратность ослабления излучения, у. е.
Для практического подтверждения наличия защитных свойств покрытия были получены цифровые рентгенограммы образцов при различных режимах облучения [7]. Формирование ЗДП осуществляли на фанерных пластинах размером 45*90 мм. ЛКК была нанесена ракельным способом трижды с толщиной защитного слоя 1, 2 и 3 мм. Было получено 42 образца. Пленкообразование полученного ЗДП происходило при естественных комнатных условиях (/ = 20±2 °С, Ж = 65±5 %) в течение 48 часов. Образцы полученных покрытий подвергались воздействию ионизирующего излучения на цифровой рентгенографической системе «ПУЛЬМОСКАН-760У» с различной величиной анодного напряжения: 50, 75 и 100 кВ и при величине экспозиции 0,02 с.
Большинство современных рентгеновских установок формируют результаты диагностики в виде цифрового растрового изображения по следующему принципу: чем больше количество поглощенных объектом лучей, тем светлее участок изображения, соответствующий этому объекту. Растровое изображение состоит из нескольких миллионов пикселей, благодаря чему исчезает дискретное восприятие изображения. Сравнивая значение глубины цвета конкретного пикселя со светлотой произвольной области изображения, можно определить кратность ослабления рентгеновских лучей при прохождении через объект. Для получения максимально точных значений пропускной способности нежелательно сравнивать результаты измерений, полученные с разных снимков. В пределах одной рентгенограммы отличие цветового оттенка одних и тех же участков не превышает допустимую погрешность в 1-2 %. При определении эквивалентов по ослаблению мощности излучения в сравнении с другими материалами на каждом снимке должен присутствовать сегмент материала, принятого за эталон. Методика оценки цифровых растровых изображений таким способом подробно описана в [7].
Полученные рентгенограммы обрабатывались на ЭВМ с применением специализированного графического редактора. Для каждого образца покрытия выполнялось по три измерения в произвольно выбранных областях поверхности, определялся цвет фона, подложки и эталонных образцов. По результатам измерений и вычислений была построена математическая модель оптимальной рецептуры лакокрасочной композиции с защитными свойствами.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В ходе обработке результатов исследований на ПЭВМ были получены следующие уравнения регрессии для толщины покрытия 1 мм и анодного напряжения 50 кВ:
у = 3,651 + 0,483х - 0,180Х2 + 0,047Х -- 0,202хх - 0, 249Х2Х - 0,036ХХ -1,063Х2 -- 0,721х22 + 0,243хз2.
Рассмотрим анализ полученной математической модели. Частные производные данной функции равны:
ду
= 0,483 - 0, 202х2 - 0, 036х3 - 2, 126х ^ тах,
дх
= -0,180 - 0,202х - 0, 249х3 -1,442х2 ^ тах,
дх2
= 0,047 - 0,249х2 - 0, 036х - 0, 486х3 ^ тах.
(дх3
Тогда максимальное значение (степень влияния)
ду
дх
- фактора х1 в диапазоне варьирования будет в точке х = -1, при х = -1 и х = -1;
- фактора х в точке х = 1, при х = 1 и х = 1;
- фактора х3 в точке х3 = 1, при х2 = -1 и х3 = -1;
При поочередном фиксировании переменных факторов на среднем уровне получим уравнения:
у(Х) = 3,651 + 0,483х - 0,202х - 0,036х - 1,063х2,
у(Х) = 3,651 -0,180х -0,202х -0,249Х2 -0,72 1Х22,
у(Х) = 3,651 + 0,047х - 0, 249Х - 0, 036Х + 0, 243Х2.
На рис. 1 представлена графическая зависимость степени влияния каждого фактора на величину отклика, при этом, чем круче изгиб параболы, тем больше степень влияния.
Чтобы оценить значимость парных взаимодействий, построены графики зависимости одного и того же фактора при изменении фиксированных значений другого.
В нашем случае наиболее значимыми факторами являются х их, для оценки их совместного влияния построим две зависимости (рис. 2):
1. у = / (х:) при х2 = -1 и х3 = 0.
2. у = / ( х ) при х = 1 и х = 0.
Вторая парабола имеет более пологую форму, что говорит о снижении влияния фактора х при увеличении фактора х.
Проверка по F-критерию Фишера при уровне значимости q = 0,05 подтвердила адекватность математической модели. Формализованные значения переменных факторов были переведены в натуральные для получения рецептуры состава ЛКК с рациональным сочетанием показателей защитных свойств и технико-эксплуатационных характеристик.
>-
-1-1-1- 2,00
-1 -0,5 0 0,5 1
Формализованное значение фактора
Рис. 1. Графическая зависимость у = /(х1)
Формализованное значение фактора
Рис. 2. Графики зависимостей у = / (х )
РЕЗУЛЬТАТЫ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Предварительные опыты показали, что ЛКК на основе природного минерала имеет высокие показатели защитных свойств при мощности излучения в диапазоне 50-100 кУ. Зависимость кратности ослабления рентгеновского излучения от толщины покрытия при различных режимах мощности излучения представлена на рис. 3.
Коэффициент ослабления рентгеновского излучения был получен для составов ЛКК с различным соотношением компонентов. Во всех случаях в диапазоне варьирования или в его большей части защитные свойства покрытия возрастают с увеличением количества минерального наполнителя, при этом с увеличением содержания связующего влияние этого фактора снижается.
Полученная композиция обладает повышенной вязкостью, по технологическим параметрам прибли-
жена к шпатлевочным составам, образует при высыхании толстослойное покрытие.
щ 1 к
^ 10
Толщина покрытия, мм
Рис. 3. Зависимость кратности ослабления рентгеновского излучения при различных режимах мощности излучения
Возможна регулировка технологической вязкости, что позволит использовать ЛКК как для местного выравнивания поверхностей, так и для сплошного шпатлевания щитовых деталей в производственных условиях. Поверхность покрытия хорошо поддается дальнейшей обработке (шлифованию, формированию текстуры на мокром слое, облицовыванию декоративными пленками и бумагой). Учитывая технологические особенности состава, была предложена технология формирования покрытия со специфическими свойствами на древесной подложке [8].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На кафедре механической обработки древесины и производственной безопасности УГЛТУ разработана лакокрасочная композиция с защитными свойствами от рентгеновского излучения, предназначенная для финишной отделки изделий из древесины и древесных материалов. В процессе работы были решены следующие вопросы:
- проведен эксперимент по разработке состава ЛКК на основе полимерного связующего и природного минерала;
- экспериментально подтверждено наличие у ЛКК на основе природного минерала защитных свойств от рентгеновского излучения;
- получены математические модели, адекватно описывающие защитные свойства ЛКК от содержания компонентов в ее составе;
- теоретически и экспериментально подтверждено, что защитные свойства композиции зависят от процентного содержания связующего и наполнителя;
- полученная ЛКК позволяет формировать покрытие, соответствующее ГОСТ 33095-2014 «Покрытия защитно-декоративные на мебели из древесины и древесных материалов. Классификация и обозначение» с рациональным сочетанием защитных и технико-эксплуатационных свойств.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Аглинцев К. К. Дозиметрия ионизирующих излучений. М. : Технико-технич. лит., 1957. 503 с.
2. Гусев Н. Г. Справочник по радиоактивным излучениям и защите. М. : Медгиз, 1956. 784 с.
3. Ветошкин Ю. И., Яцун И. В., Чернышев О. Н. Конструкции и эксплуатационно-технологические особенности композиционных рентгенозащитных материалов на основе древесины : монография. Екатеринбург : УГЛТУ, 2009. 148 с.
4. Машкович В. П., Кудрявцева А. В. Защита от ионизирующих излучений : справ. 4-е изд.; перераб. и доп. М. : Энергоатомиздат, 1995. 496 с.: ил.
5. Бовей Ф. Действие ионизирующих излучений на природные и синтетические полимеры / под ред. Ю. С. Лазуркина. М. : Издатинлит, 1959. 296 с.
6. Яковлев А. Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий : учебник для вузов. Л. : Химия, 1981. 384 с.
7. Определение условного коэффициента защиты лакокрасочной композиции со специфическими свойствами методом оценки результатов цифровой рентгенографии / С. Б. Шишкина, И. В. Яцун, Ю. И., Ветошкин и др. // Тр. БГТУ. Минск, 2015. С. 174-179.
8. Шишкина С. Б., Ветошкин Ю. И., Газеев М. В. Формирование покрытия на древесине с рентгеноза-щитными свойствами. // Инновации - основа развития целлюлозно-бумажной и лесоперерабатывающей промышленности : матер. VI Всерос. отраслевой науч.-практ. конф. «Перспективы развития техники и технологий в целлюлозно-бумажной и лесоперерабатывающей промышленности» / Урал. гос. лесотехн. ун-т. Екатеринбург, 2018. С. 254-259.
REFERENCES
1. Aglintsev K. K. Dosimetry of ionizing radiation. Moscow, Technical and technical literature, 1957, 503 p.
2. Gusev N. G. Handbook of radiation emissions and protection. Moscow, Medgiz, 1956, 784 p.
3. Vetoshkin Yu. I., Yatsun I. V., Chernyshev O. N. Designs and operational and technological features of composite X-ray protective materials based on wood : monograph. Ekaterinburg, USFEU, 2009, 148 p.
4. Mashkovich V. P., Kudryavtseva A. V. Protection against ionizing radiation: a Handbook. 4th ed.; reclaiming and add. Moscow, Energoatomizdat, 1995, 496 p.: Ill.
5. Bovey F. Effect of ionizing radiation on natural and synthetic polymers / ed. Yu. S. Lazurkina. Moscow, Iz-datinlit, 1959, 296 p.
6. Yakovlev A. D. Chemistry and technology of paint and varnish coatings : Textbook for universities. Leningrad, Chemistry, 1981, 384 p.
7. Determination of the conditional coefficient of protection of a paint and varnish composition with specific properties by a method of evaluating the results of digital X-ray / S. B. Shishkina, I. V. Yatsun, Yu. I. Ve-toshkin et al. // Proceedings of BSTU. Minsk, 2015, Р. 174-179.
8. Shishkina S. B., Vetoshkin Yu. I., Gazeev M. V. Formation of coating on wood with X-ray protective properties. // Innovations - the basis of the development of the pulp and paper and wood processing industry : mater. VI Vseros. branch scientific-practical. conf. "Prospects for the development of technology and technology in the pulp and paper and wood processing industries" / Ural. State Forestry Engineering University. Ekaterinburg, 2018, P. 254-259.
© Шишкина С. Б., Газеев М. В., 2018
Поступила в редакцию 19.07.2018 Принята к печати 31.10.2018
