CC BY
73
УДК 620.179.4
И.В. Котенева, И.А. Котлярова, В.И. Сидоров
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ПОВЫШЕНИЕ АДГЕЗИИ ЛКМ К ДРЕВЕСИНЕ ПУТЕМ МОДИФИКАЦИИ ЕЕ ПОВЕРХНОСТИ БОРАЗОТНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ
Изучена адгезия водорастворимой акриловой краски ВД-АК-1180 и органорастворимой пентафталевой эмали ПФ-115 к поверхности древесины, модифицированной боразотными соединениями и немодифицированной древесины. Установлено, что увеличение адгезионной прочности лакокрасочных покрытий к поверхности древесины, модифицированной составами на основе боразотных соединений, связано с ростом полярности подложки и уменьшением удельной поверхности древесины.
Ключевые слова: адгезия, боразотные соединения, полярность подложки, удельная поверхность древесины, лакокрасочные материалы (ЛКМ), типы разрушений: адгезионный, когезионный, смешанный, смачиваемость поверхности, краевой угол смачивания.
Для гидрофобизации конструкции из древесины ее покрывают лакокрасочными материалами (ЛКМ), долговечность защитного действия которых зависит от сил сцепления 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, 2]. 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 [3], что наличие на поверхности подложки амино- и протолитических групп (кислотных остатков) способствует образованию водородных связей между молекулами адгезива и подложки и тем самым усилению адгезии. В этом случае достаточно высокая адгезионная прочность является результатом проявления межмолекулярных сил взаимодействия. в связи с этим мы предположили, что модифицирование поверхности древесины водными растворами бо-разотных соединений, компоненты которых содержат в своем составе аминогруппы и протолитические -ОН группы, может привести к повышению адгезии полярных ЛКМ к поверхности древесины.
Как известно из [2, 3], различные отделочные составы имеют различную способность к сцеплению. Например, водорастворимые клеи и масляные составы имеют между собой слабую адгезию, поэтому масляные пленки на таком клеевом грунте будут быстро слущиваться. воск и масло имеют также слабую адгезию между собой. наиболее высокой адгезией отличаются однородные составы, например, нитролак и нитрогрунт, масляный грунт и масляный лак, т.е. прочность адгезионного соединения будет более высокой, если сочетать грунтовки и ЛКМ сходного состава. Однако благодаря тому что составы на основе боразотных соединений не образуют на поверхности древесины сплошной пленки (после испарения растворителя (воды) привитые молекулы располагаются дискретно на субстрате), можно предположить, что полученные составы могут быть использованы в качестве универсальных грунтовок, повышающих адгезию как водорастворимых, так и органорастворимых красок.
© Котенева И.В., Котлярова И.А., Сидоров В.И., 2012
141
ВЕСТНИК
7/2012
С целью изучения изменения адгезионной прочности в системе ЛКМ — древесина, модифицированная составами 1 и 2, в сравнении с системой ЛКМ — немодифицирован-ная древесина, была определена адгезия водорастворимой акриловой краски ВД-АК-1180 и органорастворимой пентафталевой эмали ПФ-115 к поверхности древесины. Состав 1 представляет собой 50%-й водный раствор моноэтаноламин^^В)тригидроксибората, состав 2 — это 50%-й водный раствор диэтаноламин^^В)тригидроксибората.
При определении адгезии 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 — совмещение адгезионного и когезионного видов разрушений. при условии высокой адгезии лакокрасочных материалов к древесине сосны наблюдается когезионное разрушение самой древесины, так как энергия связи между молекулами внутри древесного композита в этом случае меньше энергии связи лакокрасочного покрытия и подложки. Результаты испытаний представлены в табл. 1, 2 и на рис. 1, 2. Из полученных экспериментальных данных видно, что у контрольных образцов преобладает адгезионный характер разрушения по границе раздела материалов: древесина — ЛКМ. Условием адгезионного типа разрушения является превышение когезионной прочности покрытия и подложки над адгезионной прочностью адгезива к субстрату. такой тип разрушения указывает на низкую адгезионную прочность сформировавшихся пентафталевых и акриловых покрытий к поверхности немодифицированной древесины.
Табл. 1. Изменение адгезионной прочности в системе ПФ-115 — модифицированная древесина по сравнению с системой ПФ-115 — немодифицированная древесина
Древесина, модифицированная составом
лишриль 1 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 Табл древесина Адгезионный 2. Изменение адгез по сравнению с сис 10 ионной про гемой ВД-А Когезионный чности в системе ВД 1.К-1180 — немодифи 10 -АК-1180 — цированная д Когезионный модифицированная ревесина
Контроль Древесина, модифицированная составом
1 2
№ образца Вид разрушения № образца Вид разрушения № образца Вид разрушения
1 Адгезионный 1 Смешанный 1 Смешанный
2 Адгезионный 2 Смешанный 2 Смешанный
Окончание табл. 2
Контроль Древесина, модифицированная составом
1 2
№ образца Вид разрушения № образца Вид разрушения № образца Вид разрушения
о 3 Смешанный 3 Смешанный о 3 Смешанный
4 Адгезионный 4 Смешанный 4 Смешанный
5 Адгезионный 5 Смешанный 5 Смешанный
6 Адгезионный 6 Адгезионный 6 Смешанный
7 Адгезионный 7 Смешанный 7 Смешанный
8 Адгезионный 8 Смешанный 8 Смешанный
9 Смешанный 9 Смешанный 9 Смешанный
10 Адгезионный 10 Смешанный 10 Смешанный
ЕЫ
Рис. 1. Результаты испытаний по ГОСТ-27325—87: 1, 2 — образцы древесины, модифицированные составами 1 и 2; 3 — контроль, ЛКМ: ПФ-115
Рис. 2. Результаты испытаний по ГОСТ-27325—87: 1,2 — образцы древесины модифицированные составами 1 и 2; 3 — контроль, ЛКМ: ВД-АК-1180
Для образцов древесины, модифицированных составами 1 и 2, налицо другой вид разрушения: смешанный — для образцов древесины, окрашенных акриловой краской ВД-АК-1180, и когезионный — для образцов древесины, окрашенных краской ПФ-115. В первом случае разрушение происходит не только на границе раздела древесина — ВД-АК-1180, но и затрагивает материал подложки. Во втором — происходит когезионное разрушение древесины сосны. Смешанный и особенно когезионный типы разрушения свидетельствуют о том, что силы сцепления исследуемых лакокрасочных покрытий с поверхностью модифицированной древесины сильнее, чем силы межмолекулярного взаимодействия внутри подложки.
Можно предположить, что адгезионная прочность с увеличением полярности подложки (за счет привития на поверхность древесины полярных амино- и прото-
вестник 7/2012
литических -ОН групп, входящих в состав модификаторов) возрастает, и это способствует лучшему смачиванию поверхности древесины акриловой и пентафталевой красками, являющимися полярными пленкообразователями, и как следствие, более полному адгезионному контакту [4—6]. Наличие полярных функциональных групп в составе боразотных соединений, привитых на поверхность древесины, в составе используемых красок способствует возникновению межмолекулярных сил взаимодействия между ними. Более высокое значение адгезионной прочности пентафтале-вого покрытия можно объяснить тем, что акриловые краски не образуют на поверхности окрашенной ими древесины непрерывной пленки. Как известно, акриловые покрытия проницаемы для газов и паров воды, что указывает на наличие микропор в покрытиях, сформированных акриловыми красками, за счет которых и уменьшается адгезионный контакт между поверхностью модифицированной древесины и краской ВД-АК-1180. Для подтверждения факта увеличения полярности подложки при модифицировании и улучшения смачиваемости поверхности образцов модифицированной древесины красками ВД-АК-1180 и ПФ-115 были измерены значения краевого угла смачивания согласно методике [7]. Предварительно образцы древесины сосны модифицировали при комнатной температуре путем погружения на 3 ч в 50%-е водные растворы составов 1 и 2. Затем образцы высушивали на воздухе до постоянной массы. Интересно отметить, что капли воды, нанесенные на поверхность немодифи-цированной древесины, сохраняли свои 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 подложки. результаты измерения смачиваемости поверхности древесины красками ПФ-115 и ВД-АК-1180 представлены в табл. 3.
Табл. 3. Краевой угол смачивания поверхности древесины лакокрасочными материалами
Вид поверхности древесины ПФ-115 СО80 ВД-АК-1180 СО80
Немодифицированная древесина 0,9285 0,7535
Древесина + состав 1 0,9637 0,8632
Древесина + состав 2 0,9637 0, 8629
Cos9 характеризует смачиваемость поверхности. Чем больше величина cos9, тем лучше поверхность древесины смачивается исследуемыми красками. Из табл. 3 видно, что при модифицировании древесины составами 1 и 2 увеличивается смачиваемость ее поверхности и краской ВД-АК-1189, и ПФ-эмалью.
Согласно литературным источникам, на прочность сцепления адгезива с древесинным субстратом наряду с изменением химического состава подложки влияет и ее топография, а именно уменьшение удельной поверхности древесины также способствует росту адгезионной прочности [8, 9]. В [10] установлено значительное снижение удельной поверхности древесины при модификации составами на основе боразотных соединений. Таким образом, в результате проведенного исследования установлено: составы на основе четырехкоординационных боразотных соединений являются универсальными грунтовками как для водо-, так и для органорастворимых красок; увеличение адгезионной прочности лакокрасочных покрытий к поверхности древесины, модифицированной составами на основе боразотных соединений, связано с ростом полярности подложки и уменьшением удельной поверхности древесины.
Библиографический список
1. Тарасов С.М., Евдокимов Ю.М. История технологии глубокой переработки древесины и науки об адгезии. М. : Изд-во Московского гос. ун-та леса, 2010. 40 с.
2. Евдокимов Ю.М. Адгезия. От макро- и микроуровня к наносистемам. М. : Изд-во Московского гос. ун-та леса, 2011. 208 с.
3. СанаевВ.Г. Древесиноведение в системе лесного хозяйства. М. : МГУЛ, 2007. 180 с.
4. Руднев С.Д. Адгезионная природа прочности растительной ткани // Хранение и переработка сельхозсырья. 2011. № 8. С. 50—53.
5. Евдокимов Ю.М. Особенности адгезии в микро- и наносистемах // Клеи. Герметики. Технологии. 2011. № 3. С. 2—8.
6. Яхьяева Х.Ш., Заиков Г.Е., Дебердеев Т.Р., Улитин Н.В., Стоянов О.В., Козлов Г.В., Магомедов Г.М., Насыров И.И. Структурные основы межфазной адгезии (наноадгезии) в полимерных композитах // Вестник Казанского технологического университета. 2012. № 5. С. 68—70.
7. Покровская Е.Н., Бельцова Т.Г. Физическая химия. Химия атмосферы. М. : Изд.-во Строительных вузов, 2006. 88 с.
8. Кожевников Д.А. Композиционные материалы конструкционного назначения на основе совмещенных наполнителей и модифицированных клеев // Вестник Костромского государственного технологического университета. 2011. № 6. С. 44—47.
9. Кононенко А.С., Гайдар С.М. Адгезионная прочность герметиков и нанокомпозиций на их основе // Ремонт, восстановление, модернизация. 2011. № 6. С. 38—42.
10. Изучение капиллярно-пористой структуры модифицированной древесины / И.А. Котля-рова, И.В. Котенева, Е.М. Мясоедов, В.И. Сидоров // Вестник МГСУ 2010. № 4. Т. 3. С. 106—111.
Поступила в редакцию в мае 2012 г.
Об авторах: Котенева Ирина Васильевна — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры общей химии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (926) 340-72-88, sudeykina@mail.ru;
Котлярова Ирина Александровна — преподаватель, автономная некоммерческая организация «Учебный центр «Экопомощь», 241020, г. Брянск, переулок Уральский, д. 16, 8 (4832) 63-01-63, ikotlyarova@list.ru;
Сидоров Вячеслав Иванович — доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой общей химии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-32-92, visida@mail.ru.
Для цитирования: Котенева И.В., Котлярова И.А., Сидоров В.И. Повышение адгезии ЛКМ к древесине путем модификации ее поверхности боразотными соединениями // Вестник МГСУ 2012. № 7. С. 141—146.
I.V. Koteneva, I.A. Kotlyarova, V.I. Sidorov
INCREASE OF ADHESION OF PAINT-AND-LACQUER MATERIALS TO WOOD THROUGH THE MODIFICATION OF ITS SURFACE BY BORON-NITROGEN COMPOUNDS
The authors demonstrate that the efficiency of protection of wooden structures, covered with paints and lacquer materials, from the influence of the environment, depends on the adhesion size.
It is common knowledge that improvement of adhesion of capillary-porous materials to the wood, and, hence, the increase of the service life of the sheeting requires the reduction in the dimensions of the wood surface, as the reduction of diameters of capillaries leads to the growth of forces of capillary condensation and to the increase in the depth of penetration of paints into the material.
Adhesion of a water-soluble acrylic paint and organic-soluble enamels to the surface of the wood modified by boron-nitrogen compounds and to unmodified wood is the subject of the research. It is identified that the increase in the adhesive durability of paint and varnish coverings if glued to the surface of the wood modified by boron-nitrogen compounds, is driven by the growth of the polarity of a substrate and the reduction of dimensions of the wood surface.
Key words: adhesion, boron-nitrogen compounds, polarity of a substrate, surface of wood, paint and varnish materials, types of destructions: adhesive, cohesive, mixed.
References
1. Tarasov S.M., Evdokimov Yu.M. Istoriya tekhnologii glubokoy pererabotki drevesiny i nauki ob adgezii [History of Technology of Advanced Processing of Wood and the Adhesion Science]. Moscow, Moscow State Forest University Publ., 2010, 40 p.
ВЕСТНИК 7/2Q12
2. Evdokimov Yu.M. Adgeziya. Ot makro- i mikrourovnya k nanosistemam [Adhesion. From Macro- and Microlevels to Nanosystems]. Moscow, Moscow State Forest University Publ., 2011,208 p.
3. Sanaev V.G. Drevesinovedenie v sisteme lesnogo khozyaystva [Study of Wood within the Framework of Forestry Management]. Moscow, Moscow State Forest University Publ., 2007, 180 p.
4. Rudnev S.D. Adgezionnaya priroda prochnosti rastitel'noy tkani [Adhesive Nature of the Plant Tissue Strength]. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya [Storage and Processing of Agricultural Materials]. 2011, no. 8, pp. 50—53.
5. Evdokimov Yu.M. Osobennosti adgezii v mikro- i nanosistemakh [Peculiarities of Adhesion within Micro- and Nanosystems]. Klei. Germetiki. Tekhnologii [Glues. Sealants. Technologies]. 2011, no. 3, pp. 2—8.
6. Yakh'yaeva Kh.Sh., Zaikov G.E., Deberdeev T.R., Ulitin N.V., Stoyanov O.V., Kozlov G.V., Ma-gomedov G.M., Nasyrov I.I. Strukturnye osnovy mezhfaznoy adgezii (nanoadgezii) v polimernykh kom-pozitakh [Structural Basics of Phase-to-Phase Adhesion (Nano-adhesion) of Polymer Composites]. Vest-nikKazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Proceedings of Kazan State University of Technology]. 2012, no. 5, pp. 68—70.
7. Pokrovskaya E.N., Bel'tsova T.G. Fizicheskaya khimiya. Khimiya atmosfery. [Physical Chemistry. Chemistry of the Atmosphere]. Moscow, Stroitel'nykh Vuzov Publ. [Publishing House of Institutions of Higher Education in Civil Engineering]. 2006, 88 p.
8. Kozhevnikov D.A. Kompozitsionnye materialy konstruktsionnogo naznacheniya na osnove sovmeshchennykh napolniteley i modifitsirovannykh kleev [Structural Compounds Based on Combined Fillers and Modified Glues]. Vestnik Kostromskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta [Proceeding of Kostroma State University of Technology]. 2011, no. 6, pp. 44—47.
9. Kononenko A.S., Gaydar S.M. Adgezionnaya prochnost' germetikov i nanokompozitsiy na ikh osnove [Adhesive Strength of Sealants and Nanocompositions on Their Basis]. Remont, vosstanovlenie, modernizatsiya [Renovation, Restoration, Modernization]. 2011, no. 6, pp. 38—42.
10. Kotlyarova I.A., Koteneva I.V., Myasoedov E.M., Sidorov V.I. Izuchenie kapillyarno-poristoy struktury modifitsirovannoy drevesiny [Study of Capillary-porous Structure of Modified Wood]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, no. 4, vol. 3, pp. 106—111.
About the authors: Koteneva Irina Vasil'evna — Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer, Department of General Chemistry, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; sudeykina@mail.ru;
Kotlyarova Irina Aleksandrovna — Lecturer, Independent Nonprofit Organization «Ekopo-moshch'» Training Centre, 16 Ural'skiy per., Bryansk, 241020, Russian Federation, ikotlyarova@list.ru;
Sidorov Vyacheslav Ivanovich — Doctor of Chemical Sciences, Professor, Chair, Department of General Chemistry, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; visida@mail.ru.
For citation: Koteneva I.V., Kotlyarova I.A., Sidorov V.I. Povyshenie adgezii LKM k drevesine putem modifikatsii ee poverkhnosti borazotnymi soedineniyami [Increase of Adhesion of Paint-and-lacquer Materials to Wood through the Modification of Its Surface by Boron-Nitrogen Compounds]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 7, pp. 141—146.
