CC BY
208
УВЕЛИЧЕНИЕ АДГЕЗИИ АКРИЛОВЫХ ПОКРЫТИЙ К ПОВЕРХНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ
INCREASE IN ADHESION OF ACRYLIC COVERINGS TO THE
WOOD SURFACE
H.B. Котенева, И.А. Котлярова, B.H. Сидоров, H.A. Ермачкова I.V.Koteneva, I.A.Kotlyarova, V.I.Sidorov, N.A.Ermachkova
МГСУ, БГИТА
Разработаны водорастворимые универсальные грунтовки на основе четырехко-ординационных боразотных соединений, значительно увеличивающие адгезию молекул ЛКМк поверхности древесины.
Water-soluble universal first coats for water - and organicsoluble paints on the basis of four-coordination bororganic the connections, considerably increasing adhesion of molecules paint and varnish materials, to a wood surface are developed.
Лакокрасочные материалы (ЛКМ), образуя на поверхности древесины непрерывную пленку, защищают деревянные конструкции от избыточного увлажнения, гниения, воздействия УФ-излучения, а также придают деревянным изделиям красивый внешний вид.
Срок службы лакокрасочных покрытий зависит от прочности сцепления (адгезии) адгезива с поверхностью подложки, поэтому используемые ЛКМ должны обладать высокой адгезией к деревянным изделиям, иначе в процессе эксплуатации произойдет отслоение покрытий. Прочность сцепления адгезива с древесинным субстратом зависит от ряда факторов: состава отделочных материалов, толщины покрытия, состояния поверхности подложки, а именно, её топографии и химического состава [3]. Управляя адгезионной прочностью покрытий на этапе подготовки деревянных подложек под покраску, например, обрабатывая поверхность субстрата грунтовками, можно значительно продлить срок службы ЛКМ и увеличить межремонтный период. При этом необходимо учитывать, что грунтовки для древесины наряду с уменьшением пористости окрашиваемой поверхности и повышением уровня адгезии будущего лакокрасочного покрытия, должны обладать комплексными свойствами антисептиков-антипиренов, с целью эффективной защиты древесины от основных факторов её разрушения - биокоррозии и огня.
Как известно из литературы [4,7], 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.
ВЕСТНИК 4/2010
В последнее время все большее распространение (как для внешних, так и для внутренних работ) получают акриловые краски, представляющие собой воднодиспер-сионные краски на основе полиакрилатов (преимущественно полимеров метил-, этил-и бутилакрилатов), а также их сополимеров. Покрытия, получаемые в результате нанесения акриловых красок, отличаются более высокими показателями атмосферо-, водо-, цветостойкости в отличие от покрытий, формируемых большинством красок на растворителях, к тому же акриловые покрытия паропроницаемы, то есть покрытые ими деревянные конструкции "дышат". Поэтому, выбирая грунтовки для акриловых красок, необходимо отдавать предпочтение биоогнезащитным составам, которые не образуют на поверхности древесины сплошных пленок, препятствующих проницаемости паров воды.
В качестве таких грунтовок могут быть использованы водорастворимые (как и акриловые краски) составы (1 и 2) на основе элементорганических соединений бора, компонентами которых являются четырехкоординационные боразотные соединения -моно- и диэтиламин(Ы^В)-бораты, соответственно. В опубликованных ранее работах [1,6] показано, что такие составы придают древесине 100%-ную биостойкость, обеспечивают вторую группу огнезащитной эффективности, кроме того моно- и диэтиламин(Ы^В)-бораты, химически закрепляясь на поверхности древесины [8], обеспечивают длительный защитный эффект на срок не менее 20 лет.
С целью изучения изменения адгезионной прочности, в системе акриловое покрытие-древесина, модифицированная составами 1 и 2, в сравнение с системой акриловое покрытие - немодифицированная древесины, была определена адгезия акриловой краски ВД-АК-1180 к поверхности древесины методом одномоментного отрыва цилиндра в соответствие с ГОСТ 27325-87. Предварительно, образцы древесины сосны модифицировали 50%-ными водными растворами модификаторов (состав 1 и 2) методом кистевого нанесения, расход модификаторов составлял 150 г/м2. Затем образцы высушивали на воздухе до постоянной массы и покрывали одним слоем краски. Результаты испытаний представлены в таблице 1 и на рис. 1.
Таблица 1
Результаты испытаний контрольных образцов и образцов модифицированной древесины
немодифицированная древесина, модифициро- древесина, модифициро-
Д ревесина ванная составом 1 ванная составом 2
№ об- Характер № об- Характер № об- Характер
разца разрушения разца разрушения разца разрушения
1 адгезионное 1 смешанное 1 смешанное
2 адгезионное 2 смешанное 2 смешанное
3 смешанное 3 смешанное 3 смешанное
4 адгезионное 4 смешанное 4 смешанное
5 адгезионное 5 смешанное 5 смешанное
6 адгезионное 6 адгезионное 6 смешанное
7 адгезионное 7 смешанное 7 смешанное
8 адгезионное 8 смешанное 8 смешанное
9 смешанное 9 смешанное 9 смешанное
10 адгезионное 10 смешанное 10 смешанное
а
Рис. 1 Выборочные фото результатов эксперимента по определению адгезии акриловых красок к а. немодифицирован-ной древесине, б. древесине модифицированной составом 1, в. древесине модифицированной составом 2.
В соответствии с ГОСТом 27325-87, выделяют следующие виды разрушений: адгезионный - при котором разрушение происходит по границе раздела материала; ко-гезионный - при котором разрушение происходит по одному из материалов; смешанный - представляет совмещение адгезионного и когезионного видов разрушений.
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 когези-онной прочности покрытия и подложки над адгезионной прочностью адгезива к субстрату. Такой тип разрушения указывает на низкую адгезионную прочность сформировавшегося акрилового покрытия к поверхности немодифицированной древесины.
Для образцов древесины, модифицированных составами 1 и 2, налицо другой вид разрушения - смешанный. В этом случае разрушение происходит не только на границе раздела: древесина - лакокрасочное покрытие, но и затрагивает материал подложки. Смешанный тип разрушения свидетельствует о том, что силы сцепления акриловой краски с поверхностью древесины сильнее, чем силы межмолекулярного взаимодействия внутри подложки. Можно предположить, что увеличению адгезионной прочности способствует увеличение полярности подложки (за счет привития на поверхность древесины полярных амино- и протолитических ОН-групп, входящих в состав моно- и диэтиламин(Ы^В)-боратов), что способствует лучшему смачиванию поверхности древесины акриловыми красками, являющимися полярными пленкообразователями, и как следствие к более полному адгезионному контакту. Наличие полярных функциональных групп в составе боразотных соединений, привитых на поверхность древесины, и полиакрилатов краски способствует возникновению межмолекулярных сил взаимодействия между ними, при этом увеличивается число связей на единице площади контакта адгезива и субстрата, что также увеличивает прочность адгезионного соединения.
Интересно отметить, что в результате обработке древесины составами 1 и 2, значительно уменьшается удельная поверхность древесинного материала, определяемая методом сорбции воды, рис.2. Согласно литературным источникам, уменьшение диа-
ВЕСТНИК МГСУ
4/2010
метра капилляров, за счет химического модифицирования поверхности древесины, приводит к росту сил капиллярной конденсации и увеличению глубины проникновения ЛКМ в материал, что увеличивает адгезионную прочность покрытия [5].
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, поэтому такие составы не препятствуют адгезии к поверхности древесины и органорастворимых красок, например, пентафталевых эмалей. Напротив, предварительная обработка составами 1 и 2 деревянных поверхностей перед окрашиванием ПФ-красками, значительно увеличивает адгезионную прочность этих пленко-образователей к древесине [2].
Экспериментальные данные, полученные методами рентгеноструктурного анализа и электронной сканирующей спектроскопии, рис.3, 4, позволяют судить о том, что при химическом взаимодействии боразотных соединений с реакционноспособнными группами лигно-углеводного комплекса древесины, не разрушается структура основного компонента древесины - целлюлозы, выполняющего опорную функцию в древесинном композите. Напротив, модификаторы обволакивая волокна целлюлозы, сокращают расстояния между ними, тем самым, увеличивая упорядоченность (степень кристалличности) и уменьшая рыхлость целлюлозы и древесины соответственно.
Рис. 2. Удельная поверхность, м /г модифицированной древесины и контрольных образцов
Рис.3. Фотографии (х 1000) немодифицированной целлюлозы (а) и целлюлозы, модифицированной составом 1 (б) и составом 2 (в).
в (CK =51,12)
Рис. 4 Степень кристалличности (CK) а. немодифицированной целлюлозы, б. целлюлозы, модифицированной составом 1, в. целлюлозы модифицированной составом 2.
Таким образом, на основании полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы. Составы на основе боразотных соединений являются универсальными грунтовками, как для водо-, так и для органорастворимых красок, значительно увеличивая адгезию молекул ЛКМ к поверхности древесины. Разработанные составы, обеспечивают комплексную защиту древесинным материалам от биокоррозии и огня. Не разрушая кристаллической структуры целлюлозы, составы 1 и 2, способствуют долговечности конструкций из древесины.
Литература.
1. Дцгезионная способность пленок / A.A. Углов, Л.М. Анищенко, С.Е. Кузнецов. - М.: Радио и связь, 1987, 104с.
2. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. М., «Химия», 1974, 413с.
3. Котенева И.В., Котлярова И.А. Нанотехнологии в создании защитных покрытий на древесине/Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах. I международная научно-практическая конференция, Брянск 2009. том 1 - с.95-99.
4. Санаев В.Г. Древесиноведение в системе лесного хозяйства. - М.: МГУЛ, 2007.-180с.
5. Сидоров В.И., Котенева И.В., Котлярова И.А. Природа модифицирования целлюлозы аминоэтилборной кислотой по данным рентгеновской фотоэлектронной спектроско-пии//Вестник МГУЛ - Лесной вестник, Москва 2009г., №4, с.130-134.
6. Сидоров В.И., Котенева И.В., Котлярова И.А., Ермачкова H.A. Адгезия древесины, модифицированной эфирами борной кислоты// Вестник МГУЛ - Лесной вестник, Москва 2010г., №1, с.108-110.
ВЕСТНИК 4/2010
7. Сидоров В.И., Котенёва И.В., Котлярова И.А., Кононов Г.Н. Комплексная защита древесины путем поверхностного модифицирования составами на основе элементоорганических соединений бора / материалы конференции по результатам научно-исследовательской работы профессорско- преподавательского состава МГУЛ, Москва - Мытищи, 2010.
8. Яковлев А.Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий. - Л.: Химия, 1989., 384с.
Ключевые слова: адгезия, когезия, удельная поверхность, модификаторы, степень кристалличности, долговечность, лакокрасочные материалы, грунтовка.
Keywords: adhesion, cohesion, a specific surface, modifiers, degree of crystal, durability, paint and varnish materials, a first coat.
Почтовый адрес автора(ов)
Котенева Ирина Васильевна: 141067 МО, г Королев, ул. Комитетский лес, д.18, корп.2, кв.41: Котлярова Ирина Александровна: 242004 г.Брянск, ул Новозыбковская, д.7, кв. 3; Сидоров Вячеслав Иванович: 119620 Москва, ул. 50 лет Октября, д.5, корп.2, кв.142.
Телефон/факс автора(ов). Котенёва Ирина Васильевна: 8-926-340-72-88
e-mail автора(ов): sudevkina@mail.ru, ikotlvarova@list.ru
Рецензент: Мясоедов Евгений Михайлович, к.х.н., профессор Московского государственного
открытого университета
