CC BY
30
УДК 674.02/05
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ВЛАГОПЕРЕНОСА ПОД ЛАКОКРАСОЧНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА ДРЕВЕСИНЕ ХВОЙНЫХ ПОРОД
А. И. Скрипальщиков, А.В. Мелешко, C. C. Романова
ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» 660049 Красноярск, пр. Мира 82, e-mail: sibstu@mail.ru
Рассмотрены основные аспекты интенсивности процессов влагопереноса и концентрации влаги под полимерным покрытием на границе «полимер - древесина». Изложено теоретическое обоснование процессов влагопереноса, представлены результаты исследований. Разработан новый метод контроля распределения влаги под лакокрасочным покрытием с использованием прибора измерения электрического сопротивления. Установлено влияние вида и структуры лакокрасочного покрытия, сформированного на древесине хвойных пород, на изменения процессов влагопереноса древесине хвойных пород. Экспериментально подтверждены выдвинутые гипотезы об интенсивности переноса влаги и основные пути ее движения на исследуемой границе.
Ключевые слова влагопроводность, интенсивность влагопереноса, влагораспределение, локальная концентрация влаги, «полимер-древесина», древесина, лакокрасочное покрытие
The main aspects of the intensity of moisture transfer and moisture concentration under the polymer coating on the border "polymer - wood." The theoretical rationale for moisture transfer processes, the results of research. A new method to control the distribution of moisture under the paint coating using the unit of measurement of electrical resistance. The influence of the type and structure of the paint coating formed on the wood of coniferous species, to changes in moisture transport processes Softwood. Experimentally confirmed the hypothesis put forward by the intensity of moisture transport and core of its travel on the border of the study. Thus, as a result of studies have established that the distance from the local point of contact with water is reduced intensity transfer moisture at the "polymer timber". The rate of moisture transfer also affects water vapor permeability of the formed coating. When using a vapor-permeable cover a reduction in the surface concentration of water vapor in the boundary of the study, resulting in changing the dominant mechanism of moisture transport: on the transfer of free moisture on the cell cavities related to the transfer of the walls of the tracheids. The obtained results can be used in the development of new coatings, polymer system providing stability during operation of wood at atmospheric conditions.
Keywords: hydraulic conductivity, the intensity of storage, distribution of moisture, the local concentration of moisture, "polymer-wood", wood, paint
В последние годы внимание ведущих фирм-производителей лакокрасочных материалов (ЛКМ) обращено на создание современных отделочных систем для изделий из древесины. Это связано с все более широким использованием древесины для внутренней и наружной отделки зданий и повышением требований к надежности и долговечности покрытий. При этом наряду с требованиями по декоративной окраске все большее внимание уделяется защите древесины от влияния внешних факторов. В условиях климатической эксплуатации лакированной древесины влага из окружающего воздуха и вода в результате осадков являются одними из главных факторов, снижающих защитные и декоративные свойства лакокрасочных покрытий. Однако ЛКМ выбирают практически без учета особенностей древесины и технологии отделки, что в результате приводит к достаточно быстрому их разрушению, отшелушиванию и полной потере защитно-декоративных свойств.
Преимущественное использование хвойной древесины в Сибирском регионе, создает предпосылки для изучения ее поведения в качестве подложки при формировании защитно-декоративных покрытий, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности и прямого контакта с водой. Древесина принадлежит к материалам, размеры которых нестабильны при изменении температуры и влаж-
ности. Одним из наиболее распространенных способов защиты изделий из древесины от воздействия влаги является формирование на их поверхности лакокрасочного покрытия (ЛКП), обеспечивающего возможность применения изделий из древесины в условиях повышенной влажности и прямому контакту с водой. Для направленного улучшения защитных свойств лакокрасочного покрытия, сформированного на поверхности древесной подложки, необходимо изучение процессов влагораспределе-ния под полимерной пленкой.
На сегодняшний день изучены достаточно широко как вопросы проницаемости свободных полимерных пленок жидкостями, так и процессы взаимодействия древесины с водой, особенности движения воды в древесине и проницаемость покрытий в целом (Оснач, 1964; de Meijer 2004; de Miejer, de Milliz 2004; Derbyshire, 1995). При этом полученные результаты не до конца объясняют механизм распределения влаги под ЛКП в объеме лакированной и нелакированной древесины и не определяют участков возможной ее концентрации в изделии, хотя из-за её анизотропного строения количество поглощенной влаги в различных направлениях резко отличается (Прието, Кине, 2008; Davies, Bassi, 2002; de Meijer 2004). Для защиты от преждевременного разрушения полимерного покрытия необходимо обеспечить минимальное количество участ-
ков с повышенным содержанием влаги, также уменьшить концентрацию влаги за счет формирования многослойного покрытия на поверхности подложки. Так как древесина имеет пористое строение, то при формировании покрытий происходит проникновение части ЛКМ в жидком состоянии в поверхностные слои древесины, образуя новую модифицированную поверхность, в связи с этим процесс проникновения и распределения влаги под покрытием необходимо рассматривать в едином целом.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
При контакте с водой участка нелакированной древесины, процесс распределения влаги на ее поверхности достигнет равновесного состояния быстрее, чем при аналогичных условиях протекания процесса под ЛКП. Увлажнение поверхности нелакированной древесины более интенсивно, чем покрытой лаком, что связано с насыщением поверхностных слоев до влажности выше предела гигроскопичности. В этом случае движение свободной влаги под полимерным покрытием будет протекать быстрее, чем при движении связанной. Особый вклад в скорость и расстояние переноса влаги под ЛКП вносит направление потока влаги.
Феноменологическая модель, описывающая характер, распределения влаги в объеме древесины приграничного слоя при локальном контакте «полимер-древесина», представлена на рисунке 1. Исследуемый объект представляет собой древесную подложку со сформированным на ее поверхности ЛКП; контакт древесины с водой происходит на нелакированном участке.
По мере перемещения от поверхности вглубь материала содержание влаги (послойная влажность) уменьшается, это может быть обосновано изменением преобладающего механизма переноса жидкости от капиллярного к диффузионному.
При формировании на поверхности древесины защитно-декоративного покрытия, интенсивность процесса переноса влаги будет меняться в зависимости от коэффициента водопроницаемости полимерного покрытия, т. к. в процессе влагопереноса происходит испарение из подложки части влаги, вследствие чего происходит смена преобладания системы проводящих путей со свободной влагой на систему проводящих путей со связанной влагой.
При переносе влаги в аксиальном направлении незначительный вклад вносят смоляные ходы, процентное содержание которых в различных породах отличается. Влагоперенос в тангенциальном направлении волокон будет протекать в десятки раз медленнее аксиального направления, причем явного различия в протекании процесса в ранней и поздней древесине не будет (Оснач, 1964; Сергов-ский, 1987).
При переносе жидкостей в радиальном направлении, малозначительный вклад на интенсивность влагораспределения будет вносить различное содержание сердцевинных лучей. В пихте отсутству-
ют сердцевинные лучи и смоляные ходы, поэтому перенос влаги может происходить только по порам, которые находятся только на радиальных стенках вертикальных трахеид (Ермолин, 1997).
1 - направление потока влаги при локальном увлажнении древесины; 2 - перенос влаги в направлении поперек волокон: 3 -влагоперенос вдоль волокон; 4 - перенос поперек волокон; 5 -снижение концентрации водяных паров под ЛКП
Рисунок 1 - Феноменологическая модель распределения влаги под лакокрасочным покрытием
Процесс переноса влаги под покрытием на древесине, с учетом различного анатомического строения ранних и поздних трахеид (в рамках годичного слоя), представлен в виде модели (рис. 2). Контакт поверхности древесины с водой происходит на нелакированном участке.
Проникновение влаги вглубь подложки, в пределах гигроскопичности, будет происходить преимущественно по поздней древесине, что связанно с доминирующим механизмом переноса влаги по стенкам поздних трахеид. Это одинаково справедливо для большинства хвойных пород. Данную закономерность можно объяснить наличием более мелкой капиллярной системы у поздних трахеид, обладающей большей силой капиллярного поднятия (Серговский, 1987).
Рисунок 2 - Модель движение влаги с учетом ранней и поздней древесины
Насыщение ранних трахеид на начале участка I протекает в рамках двух процессов: переход свободной влаги по полостям кленок преимущественно вдоль волокон от места локального насыщения и
насыщение участков, расположенных около поздней зоны в направлении поперек волокон. По мере удаления от «центра увлажнения» (участок II) преобладание первого процесса снижается, таким образом, будет наблюдаться увлажнение лишь небольших участков ранней древесины, расположенной на минимальном расстоянии от поздней. На участке III влага перемещается лишь по поздней древесине.
С учетом некоторых особенностей в анатомическом строении древесины лиственницы, можно прогнозировать, что характер влагопереноса будет зависеть от ширины годичного слоя. При нормальной ширине годичного слоя часть поздней зоны древесины на границе с ранней отличается по своим свойствам от ранних и поздних трахеид и составляет особый слой летних трахеид, по которым и будет наблюдаться более интенсивный перенос влаги. В узкослойной древесине большая интенсивность влагопереноса наблюдается по поздней зоне. По ранним трахеидам влагоперенос будет минимальным, это объясняется большим содержанием экстрактивных веществ.
При любом положении плоскости среза на поверхности древесины оказывается некоторая часть перерезанных клеток со вскрытыми внутренними полостями. При нанесении лакокрасочного материала на поверхность древесины будет происходить его проникновение в поверхностные слои подложки. Глубина проникновения материала различна из-за большой разницы в размерах полостей ранней и поздней древесины, размеров частиц дисперсий и распределения их в полимерных дисперсионных композициях.
Сформированное тонкое покрытие не оказывает существенного влияния на механизм распределения влаги, так как сорбция водяных паров поверхностью подложки происходит и без нарушения целостности пленки, ввиду проницаемости самого ЛКП. Сорбция воды в месте разрыва пленки происходит более интенсивно и не ограничивается пределом насыщения волокон, причем на этот процесс оказывает влияние структура сформированного покрытия.
Исследуемые защитно-декоративные покрытия характеризуются достаточно малой толщиной, чтобы создавать перепад давления на противоположных сторонах своей поверхности. Температурный перепад в данных системах также будет незначителен, поэтому важнейшим процессом влагопереноса в таких системах будет диффузия, проходящая в два этапа - сорбция молекул жидкости наружной поверхностью и их миграция по микрокапиллярам стенок трахеид.
При создании полимерного покрытия часть ЛКМ проникает в верхние слои клеток, в результате чего формируется новый модифицированный слой «полимер-древесина». Поэтому такую поверхность древесины можно рассматривать как многослойную систему, учитывая, что каждый ее элемент имеет различные диффузионные свойства. Однако, в силу достаточно малой толщины модифициро-
ванного слоя «полимер-древесина» его коэффициентом сопротивления диффузии водяных паров можно пренебречь.
Таким образом, при контакте с водой лакокрасочное покрытие необходимо рассматривать как барьер на пути переноса влаги. Процесс проникновения влаги через покрытие будет определяться свойствами ЛКП, а распределение влаги под ним -свойствами древесины.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для направленного прогнозирования поведения модифицированной поверхности подложки, а также регулирования свойств сформированных полимерных покрытий, необходимо изучение процессов влагораспределения на границе «полимер - древесина». Использование известных методик не позволяет определить степень влияния паропроницаемо-сти покрытия на процессы локальной концентрации влаги на исследуемой границе.
Для изучения влияния вида и структуры покрытия на процессы интенсивности влагопереноса и концентрации влаги использовался кондуктометри-ческий метод, который основан на принципе уменьшения удельного сопротивления при увеличении влагосодержания в поверхностном слое древесной подложки. Кондуктометрический метод является косвенным для оценки влажности.
4—,
3
1 \ С
20 %0 1
1 - древесина, 2 - электроды, 3 - лакокрасочное покрытие, 4 -гидроизоляционный барьер, 5 - Омметр
Рисунок 3 - Принципиальная схема расположения электродов на экспериментальном образце
Образцы для данной методики изготавливаются сечением 20x50 мм из заболонной части древесины сосны радиальной распиловки. Выбор заболонной части ствола связан с большей влагопроводящей способностью древесины. Образцы очищаются от загрязнений ручным или механическим способом, их поверхность шлифуется, определяется начальная масса и влажность. На поверхность образцов помещаются электроды на расстоянии 5 мм друг от друга, изготовленные из медной проволоки без изоляции. Электроды помещаются вплотную к поверхности древесины. На подготовленную подложку с электродами наносится ЛКМ методом распыления. Для исследования применяются два типа материалов с различной паропроницаемостью: полиурета-новый лак Т22430 (покрытие с пространственной структурой, характеризуется высокими водостойкими свойствами); лак на основе акриловых сопо-
лимеров Л22130 (покрытие характеризуется высокой паропраницаемостью).
В центральной части на лакокрасочном покрытии образца термоклеевым пистолетом формируется гидроизоляционный барьер из силикона шириной 20 мм, вовнутрь которого наливается дистиллированная вода. При необходимости проводится несколько циклов увлажнения и сушки (циклов контакта). После каждого контакта с водой образцы выдерживаются при нормальных условиях до восстановления первоначальной влажности (рис. 3).
Результаты исследования интенсивности переноса под полиуретановым ЛКП представлены на рисунке 5.
Максимальная интенсивность влагопереноса наблюдается на расстоянии 5 мм от гидроизоляционного барьера и варьируется, в зависимости от цикла «увлажнения - сушки», в пределах от 7,35 мм/мин до 15,79 мм/мин. По мере удаления от места локального контакта с водой скорость снижается: так на расстоянии 40 мм скорость влагопереноса составляет от 0,20 мм/мин до 0,44 мм/мин.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
При проведении испытаний для определения интенсивности влагопереноса к омметру подключается первая от барьера пара электродов и контролируется время, при котором измеряемое сопротивление будет меньше 1,28* 1011 Ом. В этом случае влажность древесины увеличивается за счет насыщения влагой исследуемой границы данного участка. При этом интенсивность влагопереноса оценивается по отношению времени к расстоянию от дальнего электрода до гидроизоляционного барьера (мм/мин). Далее датчики переносятся на следующую пару электродов, и аналогичным образом осуществляется определение интенсивности влаго-переноса для следующего участка образца (рис. 3). Результаты исследования интенсивности переноса под покрытием, сформированным акриловым лаком, представлены на рисунке 4.
Illlll
5 10 15 20 25
Расстояние от локального контакта с водой, мм
' 1 цикл контакта 2 цикл контакта ■ 3 цикл контакта
Рисунок 4 -акриловым 150 мкм
Изменение скорости влагопереноса под
лакокрасочным покрытием толщиной
Из графических зависимостей видно, что максимальная скорость интенсивности влагопереноса
наблюдается на расстоянии 5 мм от гидроизоляционного барьера и варьируется в пределах от 0,54 мм/мин до 0,90 мм/мин в зависимости от цикла «увлажнения - сушки». По мере удаления от места локального контакта с водой скорость снижается, так на расстоянии 25 мм интенсивность влагопере-носа составляет от 0,17 мм/мин до 0,29 мм/мин в зависимости от цикла «увлажнения - сушки».
5 10 15 20 25 30 35 40 Расстояние от локального контакта с водой, мм
■ 1 цикл контакта 2 цикл контакта ■ 3 цикл контакта
Рисунок 5 - Изменение интенсивности влагопереноса под полиуретановым лакокрасочным покрытием толщиной 150 мкм
Для проведения испытаний по определению изменения концентрации влаги на границе «полимер - древесина» в качестве прибора контролирующего степень изменения влажности предлагается использовать кондуктометрический электровлагомер ЭВ-2К. К прибору подключается первая от барьера пара электродов. Показания снимаются через каждые 5 минут. Временной интервал контролируется с помощью секундомера. Показания прибора фиксируются в журнале проведения эксперимента, после чего датчики прибора переносятся на следующую пару электродов. Аналогичный непрерывный контроль изменения концентрации влаги осуществляется на всех участках с использованием всех электродов (рис. 3). Результаты исследований представлены на рисунках 6 и 7.
При исследовании поверхности древесины, покрытой двумя слоями акрилового лака (рис. 6), происходит резкое насыщение подложки влагой. Сопротивление данного участка составило 3,49Е+5 Ом на расстоянии 5 мм от места контакта с водой в первые 15 минут.
На участке удаления от места контакта с водой 10 мм максимальная интенсивность влагонасыще-ния происходит в первые 25 минут и достигает сопротивления 3,49Е+5 Ом. Далее наблюдается снижение интенсивности влагонасыщения на данном расстоянии удаления, так в течение последующих 180 минут контакта оно составило 2,2Е+5 Ом.
На участке удаления 15 мм от места контакта максимальное влагонасыщение через 40 минут составило 1,43Е+6 Ом. Далее наблюдается снижение
интенсивности влагонасыщения на данном расстоянии удаления, так в течение последующих 180 минут контакта сопротивление составило 3,49Е+5 Ом. На участке удаления от контакта с водой 30 мм максимальное сопротивление составило 2,38Е+10 Ом через 120 минут. Далее интенсивность влагона-сыщения снижалась и в течение следующих 60 минут сопротивление данного участка составляло 2,38Е+10 Ом. При увеличении времени контакта исследуемого периода времени свыше 3 часов влагосодержание на исследуемой границе не изменилось.
такта 40 мм интенсивность влагонасыщения снижается. Максимальное влагонасыщение происходит через 180 минут, сопротивление при этом составляет 3,67Е+9 Ом.
В результате анализа графических зависимостей (рис. 6 и 7), можно сделать вывод о том, что с увеличением толщины сформированного лакокрасочного покрытия происходит снижение его паро-проницаемости. Это приводит к увеличению интенсивности влагопереноса по мере удаления от локального участка увлажнения подложки.
"""--е- о о к ж ж ж"
200
■А—15 мм ■в—30мм
Рисунок 6 - Влагонасыщение приграничного слоя под акриловым покрытием толщиной 150 мкм
Рисунок 7 - Влагонасыщение приграничного слоя под полиуретановым покрытием толщиной 150 мкм
График распределения влаги под двухслойным полиуретановым покрытием представлен на рисунке 7. На расстоянии удаления от места контакта с водой 5 мм через 10 мин происходит резкое насыщение древесины до сопротивления 7,5Е+4 Ом. На участке удаления от места контакта 10 мм максимальная интенсивность влагонасыщения происходит в первые 105 минут и достигает сопротивления 7,5Е+4 Ом. Высокая интенсивность влагонасыщения объясняется низкой паропроницаемостью лакокрасочного покрытия, а так же увеличением толщины покрытия. На участке удаления от места кон-
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что по мере удаления от локального места контакта с водой происходит снижение интенсивности переноса влаги на границе «полимер-древесина». На скорость влагоперено-са также оказывает влияние паропроницаемость сформированного покрытия. При использовании более паропроницаемого покрытия происходит снижение поверхностной концентрации водяных паров на исследуемой границе, вследствие чего изменяется преобладающий механизм влагопереноса: с переноса свободной влаги по полостям клеток на перенос связанной по стенкам трахеид.
При каждом последующем цикле контакта с водой происходит увеличение скорости переноса влаги. Данная тенденция наблюдается для всех исследуемых групп ЛКП. Полученные закономерности изменения можно объяснить тем, что при контакте древесины с водой на границе разделов «полимер-древесина» происходит набухание поверхности подложки, что сопровождается изменением ее линейных размеров. Такие амплитудные колебания «усушка-разбухание» приводят к частичному отрыву адгезированной пленки от поверхности подложки вследствие различных коэффициентов линейного расширения пленки и подложки и улучшением влагопроводящей системы.
При удалении от места контакта с водой интенсивность процесса снижается. Снижение концентрации влаги происходит сначала из-за смены основной движущей силы влагопереноса - свободная влага переходит в состояние связанной. Затем, в связи с установлением влажностного равновесия приграничной зоны «полимер-древесина», диффузия водяных паров при удалении от места контакта с водой будет полностью компенсироваться удалением влаги через полимерную пленку. При условии создания малопаропроницаемого покрытия влаго-перенос будет ограничиваться лишь силой капиллярного поднятия.
ВЫВОДЫ
1. При формировании покрытия на поверхности древесной подложки лакокрасочный материал, в силу своей тонкодисперсной структуры, заполняет полости клеток поверхностного слоя древесины, при этом образуется система «древесина-полимер»,
которая частично препятствует процессу поглощения влаги поверхностными слоями подложки.
2. При увлажнении нелакированной поверхности древесины сосны процесс переноса полярной жидкости идет равномерно по годичному слою. При увлажнении поверхности древесины с лакокрасочным покрытием процесс массопереноса воды идет преимущественно по поздней древесине годичного слоя с последующим перемещением влаги от более плотной поздней древесины к менее плотной ранней древесине. Следовательно, на интенсивность процесса влагопереноса в месте контакта нелакированной древесины с водой оказывает такой фактор, как соотношения ранних и поздних трахеид. Поэтому, чем больше содержание поздней древесины на единицу площади, тем выше интенсивность влагопереноса. Что подтверждает ранее выдвинутую гипотезу.
3. По мере удаления от локального места контакта с водой происходит снижение интенсивности переноса влаги на границе «полимер-древесина». На скорость влагопереноса также оказывает влияние паропроницаемость сформированного покрытия. При использовании более паропроницаемого покрытия происходит снижение поверхностной концентрации водяных паров на исследуемой границе, вследствие чего изменяется преобладающий механизм влагопереноса с переноса свободной влаги по полостям клеток на перенос связанной по стенкам трахеид. С увеличением толщины сформированного лакокрасочного покрытия происходит снижение его паропроницаемости, что приводит к увеличению интенсивности влагопереноса.
4. Покрытия, сформированные акриловыми ЛКМ, образуют барьер, препятствующий увеличению концентрации влаги на границе «полимер -древесина», вследствие чего снижается интенсив-
ность процесса влагопереноса и расстояние переноса влаги от места локального контакта с водой.
5. Результаты исследований могут быть использованы при разработке ЛКМ, обеспечивающих стабильность полимерной системы при эксплуатации изделий из древесины в атмосферных условиях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Ермолин В.Н. Модель древесины как объекта пропитки [текст] / В.Н. Ермолин. Известия высших учебных заведений // Лесной журнал №3 1997, стр. 75 - 79. Оснач, П.А. Проницаемость и проводимость древесины [текст] / П.А. Оснач. - Москва: Лесная пром-ть, 1964. - 185 с.
Прието, Дж. Древесина. Обработка и декоративная отделка [Текст] / Дж. Прието, Ю. Кине. - М. : Пэйнт-Медиа, 2008. - 392 с. Серговский, П.С. Гидротермическая обработка и консервация древесины [Текст] / П.С. Серговский, А.И. Ра-сев. - М. : Лесн. Пром-сть, 1987. - 360 с. Davies, H. and Bassi, R. S. The water permeability of masonry coatings: comparison of BS:6477:1984 Appendix F and Draft EN Test Method. Surface Coatings International, 77, 9. - P. 386-393. de Meijer, M. Comparision between laboratory water permeability tests and wood moisture content in full scale window frames. Surface Coatings International Part B: Transactions, Vol. 85, B2. - P. 131-137. de Meijer, M. and Millitz, H. Moisture transport in Coated Wood, Part 1 Analysis of sorption rates and moisture content profiles in spruce during liquid water uptake. Holz- als Roh und Werkstoff. de Meijer, M. and Millitz, H. Moisture transport in Coated Wood, Part 2 : Influence of coating type, film thickness, wood species, temperature and moisture gradient on kinetics of sorption and dimensional change. Holz - als Roh und Werkstoff, 58. - P. 467-475. Derbyshire, H. Computer modelling studies: Water transmission rates of Paint. BRE Multiclient Research Project PT0987/PT1601 Dec 1995.
Поступила в редакцию 20 марта 2013 г. Принята к печати 16 мая 2013 г.
