Древесина

Серия: Лакокрасочные материалы и их применение
Джордж Прието, Юрген Кине
пэйнт
^
IMEDMA
ДРЕВЕСИНА.
ОБРАБОТКА
И ДЕКОРАТИВНАЯ ОТДЕЛКА
Глава 1. Введение
/. Введение
За последние 50 лет произошли существенные изменения в технологии
защитно-декоративной отделки древесины. Конкуренция среди фирм способствовала модернизации и автоматизации производств, продвижению новых древесных материалов и технологий применения лакокрасочных материалов (ЛКМ). Понуждаемые высокими издержками производства в Западной Европе многие известные производители мебели и изделий из древесины около 20 лет тому назад начали перемещать или открывать новые производства
в Восточной Европе. Первым из них был Ингвар Кампрад, основатель всемирно известного в настоящее время крупнейшего предприятия по продаже мебели ИКЕА, который в 1961 г. заключил договоры с первыми предприятиямипоставщиками продукции для мебельного производства в Польше. Его целью
было предлагать широкий ассортимент красивых и функциональных товаров
для дома по ценам, которые могут позволить себе по возможности большее
количество людей. Эта идея и появление нового типа покупателя из так называемого «Smart Shopper», который при покупке бродит между «Aldi» (товары сети супермаркетов Aldi в Германии) и шампанским, произвел переворот
в мире мебели как в процессе производства, так и продажи.
Современная тенденция к повышенной мобильности людей привела к тому,
что мебель теперь имеет более короткий цикл жизни, чем в прошлое столетие.
Кроме того, современная мебель должна быть удобна при транспортировках
и универсальна внутри жилого пространства. Если сравнивать ассортимент
мебели известных производителей друг с другом, то выкристаллизовывается дизайн, который делает ставку, с одной стороны, на современные прочные
материалы, а с другой — на очень высокого качества привлекательные изделия из массива древесины. Иногда для контраста сочетают эти типы мебели.
Подтверждением этого является тенденция в усиливающемся использовании
так называемых легких строительных плит, например конструкция «Frame on
board» («рама на щите»).
Легкие строительные плиты позволяют щадить основной ресурс сырья
древесину, так как используется небольшое количество материала и тем самым резко снижаются издержки производства. Незначительный вес таких плит
ведет также к экономии при транспортировках. К сожалению, такие древесные
материалы внедряются без привлечения производителей лакокрасочных материалов. Часто впоследствии выясняется, что подобные материалы нуждаются
в новых модифицированных лакокрасочных системах и технологиях защитнодекоративной отделки. Так, изменение процесса прессования (замена горячего прессования на холодное) при производстве древесно-стружечных плит
(ДСП) существенно влияет на выбор ЛКМ и технологию его нанесения.
Уже на протяжении многих лет наблюдается тенденция — современная мебель конструируется так, чтобы сэкономить на издержках при нанесении декоративного покрытия в процессе производства. Часто используются плоские
строительные детали, которые покрываются УФ-отверждаемыми ЛКМ методом вальцевания.
Самой большой проблемой в ближайшие годы для производителей ЛКМ будет ограничение сырьевых ресурсов, а для производителей мебели, кухонь,
дверей, паркета и окон — ограничение ресурсов древесины. Необходимо считаться с дальнейшим чрезмерным ростом цен на сырье для ЛКМ, стоимостью
10
Глава 1. Введение
энергии и древесных материалов. Это приводит, например, к постоянному,
значительному повышению цен как на древесину, так и на ДСП. Кроме того,
сильное влияние на цены на сырье и древесину будет оказывать растущий
спрос на них в азиатско-тихоокеанском регионе.
Все это делает вышеназванные конструкции из щитов с сотовым наполнением очень интересными для применения в мебельной индустрии. Дефицит древесины как сырья делает также перспективным использование ДСП в мебельной промышленности, так как доля древесины в составе ДСП незначительна.
Дальнейшей возможностью использования отходов древесины, например
таких, как древесная мука, является ее включение в так называемые древеснополимерные композитные материалы (WPC) в комбинации с полиэтиленом и
полипропиленом. Речь идет о термопластичных, годных к переработке соединительных элементах из разных материалов с очень интересными свойствами
для внутреннего и наружного применения.
В последние годы большое внимание уделяется развитию систем лакокрасочных и декоративных покрытий, отвечающих современным требованиям по
защите окружающей среды.
Нехватка деревянного шпона на протяжении ряда лет привела к тому, что у
многочисленных производителей мебели и пола широкое применение опять
стали находить панели из ламината (слоистого пластика), декорированные печатью глубоким офсетом.
Кроме этого, необходимо обратить внимание на стабильный рост применения в последние годы (в качестве недорогих альтернативных продуктов) полимерных бумажных пленок с нанесенной печатью и покрытием (полимерная
пленка с окончательной отделкой) для производства мебели и ламинатных панелей для пола.
Для того чтобы оставаться конкурентоспособными в мировой экономике, производителям мебели, кухонной мебели, паркета, окон и т.п., необходимо постоянно заниматься общей оптимизацией процессов и технологией окраски древесины и древесносодержащих материалов для мебели,
в то время как многие потребители ЛКМ обращают внимание только на закупочные цены лакокрасочных материалов.
Чтобы можно было объективно сравнивать расходы на ЛКМ, применяется стандартная единица измерения «расход/м2» окрашиваемой поверхности.
Но одновременно необходимо учитывать и такие важные факторы, как цена
за 1 кг поставляемого ЛКМ, экономичность метода его нанесения, расход при
нанесении в г/м"1 и «сухой остаток» (доля нелетучих веществ).
Как показано на рис. 1.1, доля расходов на ЛКМ в общих затратах на изготовление элементов мебели и их защитно-декоративную отделку составляет
всего 8-20%.
Дополнительным импульсом к модернизации процессов и технологий окраски стала Директива Европейского союза «Об ограничении эмиссии летучих
органических соединений» (VOC-директива 999/13/EG) (см. главу 9).
В результате в последние 3-5 лет началась (и будет активно продолжаться в
ближайшие годы) массовая замена содержащих растворители лакокрасочных
систем на материалы с повышенным содержанием нелетучих веществ, в том
числе УФ-отверждаемые и водоразбавляемые краски.
VOC - летучие органические соединения (ЛОС).
Глава I. Введение
Общая стоимость мебельных деталей
11
Стоимость окраски мебельных деталей
Лакокрасочный материал
- грунтовка
- покрывной лак
-бейц
- прочие продукты
Рис. 1.1. Удельный вес (доля) расходов на лакокрасочные материалы в общем процессе
производства строительного элемента мебели
В настоящее время в связи с появлением различных детских заболеваний
разрабатываются экологически полноценные системы порошковых покрытий
(см. главу 3.1.9) на древесных материалах, таких как MDF .
Совершенно новое развитие в области лакокрасочных систем для древесины можно ожидать в области нанотехнологии. Внедрение нанотехнологии напрямую относится к улучшению ряда физико-механических свойств покрытий,
например таких, как экстремальная устойчивость к царапанию. Нанотехнология
также в состоянии придать ЛКМ определенные функции, например, антибактериальное действие или фотокаталитические свойства.
Приблизительно с 1989 г. ученые и технологи интенсивно занимаются проблемой возможного воздействия на здоровье человека выделений (остаточной
эмиссии) низкомолекулярных соединений из окрашенных поверхностей мебели и древесины [2]. Схема оценки санитарной безопасности «Контролируемый
воздух внутреннего помещения» определяет способы отбора проб и критерии
оценки остаточной эмиссии ЛОС, средне- и труднолетучих соединений в воздухе внутри помещений. Эта схема, которая в настоящее время обсуждается,
должна помочь лучше ориентироваться в оценке остаточной эмиссии [3].
В области лакокрасочных систем для наружного применения для точных по
размеру строительных элементов, таких как окна, конечные потребители требуют более длительного гарантийного срока эксплуатации, минимально 5-10
лет. Это привело к тому, что дальнейшее развитие получили современные системы водных лакокрасочных покрытий.
На рынке деревянных окон в настоящее время наряду с водными ЛКМ начинает применяться УФ-отверждаемая пигментированная (укрывистая) многослойная система покрытий, срок эксплуатации до ремонта которой, по данным производителей, составляют минимум 8-10 лет. Ближайшие годы решат,
подтвердится ли на практике заявленное преимущество УФ-отверждаемых
систем для окраски деревянных окон.
В настоящее время объемы потребления прочных тропических пород древесины превышают их естественное воспроизводство, что в будущем может
привести к их большому дефициту. Поэтому проводятся работы по повышеMDF - древесно-волокнистая плита средней плотности.
12
Глава 1. Введение
нию долговечности деревянных конструкций из обычных (быстро растущих)
отечественных пород дерева путем специальной химической (метод ацетилирования или «Belmadur») или дополнительной термической обработки («термодревесина»).
Существенное влияние на дальнейшее развитие ЛКМ для окраски окон, как и
других строительных лакокрасочных материалов, будет иметь реализация так
называемой Decopaint-директивы, ограничивающей сбыт ЛКМ, содержащих
органические растворители. Эта директива направлена на ограничение эмиссии легколетучих органических соединений. Ее внедрение в жизнь и воздействие на использование ЛКМ для древесины описывается, как и вышеупомянутая VOC-директива, отдельно в главе 9.
1.1. История и развитие лакокрасочных систем для мебели
Основываясь на культурно-историческом значении мебели и ее влиянии на
технологию лакирования, эта глава посвящается историческому развитию лакокрасочных систем для мебели. Историческое развитие других изделий из
древесины, таких как паркет или деревянные покрытия для пола, и ЛКМ для
них кратко рассмотрены в главах2.5 и 3.
Смысл покрытия древесины и изделий из нее, в особенности мебели, ЛКМ
не только в защите поверхности древесины, но и в определенной репрезентативной роли, вплоть до произведений искусства [4].
Начало декоративных мебельных лакокрасочных покрытий в Европе восходит к XV в., в то время как первые методы лакирования и сырье для красок
были известны намного раньше. История лакирования и способов нанесения
лака протекала по двум независимым друг от друга направлениям [5]. Первое, более древнее направление развития — китайское лаковое искусство
(рис. 1.2), возникшее 6-7 тысячелетий тому назад. Лишь благодаря высадке
португальцев в Японии в 1543 г., лаковое искусство из Японии и Китая проникло к европейцам.
К этому времени различные технические приемы лакирования и художественного оформления мебели и утвари из дерева и других материалов были уже на высоком профессиональном уровне. В качестве лака использовался
млечный сок из коры японского лакового дерева Rhus verniciffua, который назывался также Rhuslack.
В XVI столетии технические приемы лакового искусства передавались в Европу миссионерами. Перемещающиеся морским путем европейцы импортировали к этому времени готовые лаковые товары из Восточной Азии в больших количествах. Возрастающий спрос вскоре привел к тому, что в Европе интенсивно стали заниматься развитием лаков. Так как у них в распоряжении не
было азиатского сырья, с большим успехом применялись известные местные
смолы путем комбинирования с высыхающими маслами.
Второе независимое направление было известно в Европе задолго до появления восточноазиатских лаковых техник. Оно зародилось в европейскомусульманском культурном пространстве. Слово «Lakh» и связанное с ним общеупотребительное сегодня слово «лак» происходят из санскрита и означают
«сто тысяч» из-за огромного числа лаковых щитовок, продуктом секреции которых является известный нам шеллак. Продукт пришел в Европу по средневековому торговому пути.
Глава 1. Введение
13
Рис. 1.2. Китайское лаковое искусство
Уже в древние времена, до появления шеллака, в Европе имелись растворы
еловых смол в льняном масле, названные также олифами, которые служили
в качестве защитных слоев раскрашенных объектов. Монах Роджерс из Хельмершаузена около 1000 г. от Рождества Христова впервые сообщает в своей
книге Schedula Diversarium Artium о получении ЛКМ и дает подробные указания
по их рецептуре.
Только в начале XV столетия в Италии вошло в моду цветное оформление
домашней обстановки с помощью декоративной живописи. Отсюда оно быстро распространилось на всю Европу. В это время из плотницкого ремесла
возникает новое профессиональное направление, которое охватывает столяров, специализирующихся на изготовлении столов, ящиков, сундуков, ларей и
шкафов [6].
В XVI и XVII столетиях в Европе восточноазиатская и европейско-мусульманская линии развития преобразовались в общеевропейское лаковое искусство. Вместе с кустарным лакированием музыкальных инструментов декоративное оформление мебели было важным стимулом для развития технологии лакирования вплоть до начала XX столетия. Нанесение лака проводилось
обычным способом с помощью кисти, которая состояла из смеси конских волос и растительных волокон. Уже около 1400-го г. возникла гильдия «PuerstenPinter», которая занималась исключительно производством щеток и кистей.
Лакировку мебели тоже производили всегда с применением кистей.
В более позднее время, в эпоху барокко, большое значение придавали технике нанесения ЛКМ при обработке мебели [7]. Нанесение на изделия из древесины прозрачного покрытия или олифы до начала XIX столетия играло несущественную роль. Однако для развития современных способов обработки
поверхности это было самым важным отправным пунктом. Известные к этому
времени рецептуры базировались на таких материалах, как шеллак, янтарь,
воск, мастика, даммара, бензой, каллитрис и копал, а также на высыхающих
14
Глава 1. Введение
маслах, таких как льняное, которое использовалось не только как растворитель. Растворителями служили винный спирт (этанол) и скипидар. С течением
времени научились ускорять процесс сушки природных смол и масел путем
простых химических реакций.
Приблизительно до 1870 г. лакировщики сами, собственноручно изготовляли свои олифы и лаки. Но в то же время стали появляться многочисленные фабрики по их производству, которые и поставляли потребителям готовые краски. Процесс этерификации смол, копала и глицерина был освоен в 1884 г.
Следующим этапом в производстве мебели стала эпоха стиля историзма (приблизительно 1850-1900 гг.). В это время Майкл Тонет наладил технологию серийного и массового производства стульев. В результате индустриализации
(1848-1871 гг.) на многих предприятиях ручной труд облегчался или был полностью заменен машинами. Например, трудоемкое полирование поверхности древесины, покрытой шеллаком, часто осуществлялось на крупных фабриках машинами для полирования. Подходящими для машинной обработки при полировке
были также относительно твердые поверхности нитроцеллюлозного лака. Нитроцеллюлозные лаки в производстве мебели стали применяться с 1925 г.
До начала XX столетия в мебельной индустрии для изготовления зеркальноблестящей мебели, как например в Гельзенкирхенском барокко, применяли
политуру для лакирования тампонами. Уже тогда делались попытки работать
с большей экономией времени и минимизировать интервалы между циклами
полирования, применяя тампоны с политурой большей концентрации. Однако необходимая продолжительность вылеживания перед заключительной обработкой исчислялась неделями промежуточного хранения. Лишь после этого
проводилось окончательное отделочное лакирование.
Благодаря огромным успехам в технике лакирования и промышленного производства лаков, которые могли быть получены частично из синтетических
смол, например из нитрата целлюлозы (НЦ), была открыта дорога современной технике покрытия Л КМ. Преобразование и обновление технологии нанесения покрытий привело к развитию распылительной техники (приблизительно
1895 год). Оно произошло одновременно с внедрением вышеназванных НЦлаков. Технический прорыв с внедрением НЦ материалов произошел в 20-х гг.
прошлого столетия, когда поточный метод производства в автомобилестроении потребовал быстросохнущего способа лакирования.
Однако в период между 1925 и 1935 гг. мебельные фабрики, за очень редким исключением, все еще работали по кустарному принципу. Лишь в начале
30-х гг. в мебельной индустрии постепенно была внедрена и нашла широкое
применение распылительная окрасочная техника.
Современные методы покрытия древесины и древесных изделий ЛКМ меньше оцениваются с точки зрения художественной, а больше - с практической.
Согласно DIN 68880 понятие «мебель» сегодня определяется следующим образом: «Мебель — это предмет обстановки для размещения товаров, для сидения, лежания или исполнения работы».
Поэтому главными требованиями к соответствующей обработке поверхности являются:
• защита от механического и химического воздействия;
• придание ей декоративных свойств;
• повышение потребительской стоимости (в материальном и нематериальном отношении);
Глава 1. Введение
-\ 5
. физическая или химическая защита поверхностей изделий из древесины
при их наружном применении.
Такой взгляд развивался в Европе прежде всего после Второй мировой войны. В этот период немецкая мебельная индустрия смогла обеспечить себе большую долю рынка и добилась лидерства в Европе во внедрении новых разработок и технике производства [8]. От этого выиграли, конечно, и
предприятия-смежники, относящиеся к производителям машин, инструментов, обивки, ЛКМ для древесины, клея и древесных плит. Многие из них в это
время превратились в мировых лидеров на рынке.
В 60-е гг. прошлого столетия темпы развития мебельной промышленности
сильно ускорились и, соответственно, коренным образом изменились в своих методах работы благодаря внедрению установок непрерывного действия,
древесно-стружечных плит и быстроотверждаемых (быстросохнущих) ЛКМ
для древесины. Усиленное внедрение синтетических материалов в производство корпусов в середине 70-х гг. привело к вытеснению деревянных материалов из этого сегмента. Вдобавок к этому чрезвычайно снизилось значение
первоклассной стильной мебельной продукции, так как новые тенденции и новые вкусы оказали влияние на обустройство интерьеров. Если к началу 80-х гг.
можно было еще отметить насыщение рынка мебелью массового производства, то в середине 80-х имел место переход от серийного к индивидуальному
изготовлению. Многие предприятия провели оптимизацию своей продукции
(«Гибкая продукция»). Однако были и многочисленные предприятия, которые
не смогли произвести перемены и исчезли с рынка. Со структурными изменениями и связанным с ними умением приспосабливаться лучше всего справилась кухонная мебельная индустрия.
Оборот немецкой мебельной промышленности составил в 2004 г. примерно
3,5 млрд. евро [9]. Особое значение как в национальном, так и в европейском
контексте, имеет Рейнско-Вестфальская кухонная мебельная индустрия, объем продукции которой составляет 1,3 млн. кухонь с встроенным оборудованием (2003 г.). Каждая третья кухня в Европе происходит из Северной РейнВестфалии [10]. После объединения с Восточной Германией мебельная промышленность Западной Германии еще раз в течение нескольких лет переживала бум, в то время как из шести больших мебельных комбинатов, существовавших в новых федеральных землях, почти никто не устоял на рынке.
Однако в годы объединения недопустимо пренебрегали проблемами экспорта. Как 30 лет тому назад итальянцы, немецкие производители мебели сегодня стоят перед вопросом: развиваться или отступить на внутреннем рынке, уже мало способном к дальнейшему расширению. Благодаря усилию последних лет, экспорт произведенной в Германии мебели ожидаемо повысился
с 3 млрд. евро в 1995 г. до 6 млрд. (2006 г.) [11]. Это соответствует установленной условной экспортной квоте приблизительно в 28% на 2006 г.
Главными конкурентами немецкой мебельной промышленности в Европе
являются итальянские производители. В жесткой ценовой борьбе в Германии
итальянские производители мебели отступили и как поставщики больше не занимают первые места. Итальянский внутренний рынок в середине 70-х гг. уже
не был способен к расширению, поэтому итальянские изготовители мебели
были вынуждены осваивать иностранные рынки. Сегодня итальянская мебельная промышленность причисляется к ведущим мировым экспортерам мебели.
Что касается немецкого рынка, то ведущую роль, прежде принадлежащую ита-
Глава 1. Введение
16
Мировое производство мебели
в 2004 г., около 200 млрд. евро
Прочие страны 27%
Польша 2%
Канада 3%
Франция 4%
Испания 4%
Великобритания 5%
США 21%
Япония 7%
Италия 9%
Китай 9%
Германия 9%
Рис. 1.3. Процентное распределение производства мировой мебельной продукции
в 2004 г. в млрд. евро [12]
льянским производителям, захватили польские мебельные предприятия. При
этом необходимо обратить внимание на то, что польская мебельная индустрия
на 70% находится в руках у немецких предприятий. Одной из ведущих стран —
экспортеров мебели в мире является Китай с экспортной стоимостью мебели
в 13,5 млрд. евро в 2004 г. [12].
Доля расходов по содержанию персонала в немецкой мебельной индустрии
составляла в 2003 г. около 27%. Уже десятилетия средний размер предприятий составляет около 105 работающих. В 2004 г. рекордсменами по покупке мебели были немцы {360 евро на душу населения) вместе с австрийцами
(362 евро на душу населения) и шведами (359 евро на душу населения) [12].
Если посмотреть за пределы Европы, то это трио является и мировым рекордсменом, так как такие возможные конкуренты, как Япония, США и Канада, находятся позади него.
Прочие страны 10,7%
Шаеция 2,3%
Австрия 2,5%
Дания 2,6%
Нидерланды 2,6'
Польша 4,1%
Испания 8,6%
Великобритания 8,6%
Италия 19,8%
Франция 9,2%
Производство мебели в Европе в 2004 г., около 91 млрд евро
Рис. 1.4. Производство мебельной продукции Европейского союза в 2004 г. в млрд. евро [12]
Глава 1. Введение
-\j
Мебельная промышленность ЕС (Европейского союза) состоит из 8800
предприятий с численностью каждого более чем 20 работников. В совокупности в этих фирмах работают 600 000 сотрудников. Дополнительно существует
80 000 предприятий с численностью менее чем 20 работников (в совокупности около 300 000 работающих). Германия является самым значительным производителем мебели, с долей свыше 20% в общей доле ЕС, и находится впереди Италии. За границей мебель «Made in Germany» («Сделано в Германии»)
все еще очень ценится. Мировой объем производства мебели составил в 2004
г. около 200 млрд. евро. Европейский объем производства мебели составил
в 2004 г. около 91 млрд. евро.
Список литературы:
1. Goldschmidt, A., Streitberger, H.-J.: BASFHandbuch Lackiertechnik, Vincentz Verlag,
Ausgabe 2002.
2. Fischer, M.,Boehm, E.: ErkennungundBewertungvonSchadstoffemissionenaus Moebellacken, Erich Schmidt Verlag Berlin, 1994.
3. Wensing, M., Schulz, N., Salthammer, Т.: Kontrollierte Innenraumluft, Farbe und Lack
2006, 112. Jahrgang, Nr. 2, S. 61-65.
4. von Leixner, Othmar: Einfuehrung in die Geschichte des Mobiliars, Konrad Grethleins
Verlag, Leipzig, 1909.
5. Sandmann, M.: Die Geschichte der Lackierung und die geschichtliche Entwicklung
der Lackauftragsverfahren bis 1940, Sernesterarbeit irn Studienfach Restaurierung/
Konservierung der Fachhochschule Koeln, 1999.
6. Anonymus: Einblicke in die Geschichte der Moebel.
7. P. Kunze, Mater.+Tech. 4, 40, 1996.
8. Haas, D.: Die deutsche Moebelindustrie hat eine Zukunft, Holz-Zentralblatt, Nr. 2, 13.
Januar2006, S. 45-46.
9. Maerkte+Tendenzen - Kuechenmoebel, Gruner+Jahr AG & Co. KG, Nr. 16 Juli 2005.
10. Clusterstudie Forst & Holz NRW, Gesamtbericht Juli 2003, Ministerium fuer Schule,
Wissenschaft und Forschung NRW und Ministerium fuer Umwelt und Naturschutz,
Landwirtschaft und Verbraucherschutz NRW.
11. BundesagenturfuerAuSsenwirtschaft{bfai),Moebelexporteexpandierenkraeftig,Artikel
vom 19.12.2006.
12. Jahrbuch 2005-2006, Die wirtschaftliche Lage der Holz- und Moebelindustrie,
herausgegebenvon: Hauptverbandderdeutschen Holz und Kunststoffeverarbeitenden
Industrie und verwandter Industriezweige e.V. (HDH) und Verband der deutschen
Moebelindustrie e.V. (VDM), November 2005.
18
Глава 2.
Глава 2. Древесина и древесные материалы
Древесина и древесные материалы
2. /. Введение
150 лет тому назад доминирующим материалом в Германии и Европе, наряду с природным камнем, была древесина. Для Скандинавии, Канады, США
и многих других стран такое положение сохранилось до сих пор. Однако в период индустриализации древесина в Центральной Европе во многом потеряла
свое значение. Стандартизация производств и повышение их производительности и мощности возможно только при стабильном качестве используемой
древесины, что оказалось экономически невозможным. Поэтому стали развиваться другие древесные материалы с однородными и новыми свойствами,
благодаря которым стала открыта любая область применения [1-4].
Природный органический материал древесина разрушается под воздействием окружающей среды и микроорганизмов и таким образом снова включается в кругооборот веществ в виде своих основных составных частей. Чтобы защитить ее от воздействия воды и вредных веществ и тем самым от разрушения, а также чтобы придать ей декоративный внешний вид, древесина
заблаговременно подвергалась обработке. Обработка поверхности древесины и древесных материалов при использовании строительных материалов
из древесины по-прежнему играет выдающуюся роль. Древесина, однако, в
противоположность другим материалам, имеет специфические свойства, которые влияют на обработку поверхности и знание которых необходимо при
разработке рецептуры покрытий для древесины, разработке методов обработки и т.д. [5-8].
2.2. Микроскопическая структура дерева
Дерево — пористый природный композиционный материал. Пористая структура способствует, с одной стороны, хорошему проникновению жидкостей, например, впитыванию ЛКМ в поверхность древесины, а с другой, требует специального подхода, например, при нанесении покрытия на крупнопористую
поверхность.
Историческое развитие хвойных пород началось раньше, чем лиственных,
и структура их проще. На рис. 2. /схематически показана структура пород древесины и существенное различие между хвойной и лиственной породами.
Древесину лиственных пород можно отличить от хвойных в общем и целом
по неравномерной и разнообразной структуре. Лиственная древесина имеет сосуды, которые выглядят на макроскопической картине, как поры. Приблизительно ориентированные по оси ствола дерева сосуды могут образовывать трубки, бороздки длиной несколько метров. Сосуды, разрезанные в продольном направлении, более или менее четко можно разглядеть, как упомянутые бороздки из пор. При этом разли чают кольцесосудистую, рассеяннососудистую и полукольцесосудистую древесину.
Пористость имеет большое значение для многих процессов переработки и использования древесины, таких как пластификация, нанесение покрытия, склеивание, пропитка [9]. Сильнопористая древесина обладает незначительной прочностью на сжатие и растяжение, и поэтому деформируется при
прессовании, шлифовании и полировании, а также склонна к растрескиванию,
в особенности там, где большие сосуды подходят вплотную к поверхности.
Надрезанные сосуды (поры), которые вследствие их узкого поперечного се-
19
Глава 2. Древесина и древесные материалы
0.1 мм
0.1 мм
Рис. 2.1. Схематическая структура древесины ели (слева) и бука (справа): А — граница годичного кольца, В — ранняя древесина, С — поздняя древесина, D — сердцевинные лучи,
F — трахеиды, G — древесные волокна, Н — сосуды (Источник: BASF AG)
чения и заключенного в них воздуха, никогда самопроизвольно не наполнятся ЛКМ, вызывают специфические дефекты покрытия. Если древесина темных
пород, то стенка пор должна сильно окрашиваться, кроме того, после лакирования она отсвечивает серо-серебристым цветом. Такое же незаметное серое
свечение обнаруживают поверхности с увеличенными порами. В этом случае
между лаком и поверхностью древесины находится воздушный пузырь. Косо
падающий свет отражается от границы поверхностей лак-воздух, и поры кажутся серыми [10].
2.3. Физические и технологические свойства древесины
Упрощенно древесина может характеризоваться как материал, который состоит в основном из волокон длиной лишь несколько миллиметров и связующего вещества. «Склеенные» друг с другом волокна придают древесине необыкновенную твердость. Поэтому по физико-механическим свойствам древесина соответствует современному многофазному композиционному материалу и обладает присущей ему анизотропией. Анизотропия возникает благодаря параллельному расположению волокон древесины, ориентированному в
направлении роста дерева.
Древесина имеет различные свойства по трем главным осям: продольной
(в направлении волокон), радиальной (в направлении сердцевинных лучей
древесины) и тангенциальной (в направлении годичных слоев). Направления
разреза ствола можно хорошо различить на рис. 2.2. Комментарии к рисунку
даны в табл. 2.1.
20
Глава 2. Древесина и древесные материалы
В случае строительных материалов
из массива дерева, таких как брус, балка, тес, анизотропия имеет, несомненно, положительное значение [11,12].
Важным специфическим параметром
для каждой породы древесины является объемная (кажущаяся) плотность,
которая, разумеется, сильно влияет на
физико-механические свойства древесины. Она различна не только для
разных пород, но и изменяется внутри
одной древесной породы. Так, в умеренных пределах существует разница
в объемной плотности между ранней и
поздней древесиной.
Объемная плотность древесины может изменяться от 0,1 кг/м 3 (бальза, или
бальзовое дерево) до 1,3 кг/м 3 (бакаут,
или железное дерево). Она повышается
вместе с ростом толщины стенок волокон и обратно пропорциональна объему
пор древесной породы. С повышением
Рис. 2.2. Разрез ствола древесины: навер- радиуса пор древесной породы повыху - радиальный разрез; в середине - тан- шается относительный объем пор и тем
самым относительная глубина проникгенциальный; внизу-продольный
новения ЛКМ в поры. Объем пор явля(Источник: BASFAG)
ется характеристической величиной
для многих технологических свойств, которые определяют потребительские
свойства древесной породы. К ним относятся:
• способность древесных пород к пропитке и насыщению влагой;
Таблица 2.1. Описание главных анатомических разрезов ствола
Разрезы ствола
Направление разреза
Синоним
Поперечное (Q)
На поверхности поперечного разреза
видны годичные кольца и линии сердцевинных лучей, лиственные породы имеют более сильно развитые лучи,
чем хвойные
Перпендикулярно
к оси ствола в направлении сердцевинных лучей
Головной
Тангенциальное (Т)
Параллельно к оси
ствола, перпендикулярно к древесным
лучам
Прожилочный
хордовый
Радиальное (R)
Разрезанные сердцевинные лучи называются зеркалом (отражателем)
Через ось в направлении сердцевинных
лучей
Продольный
Зеркальный
Радиальный
Глава 2. Древесина и древесные материалы
21
• степень разбухания и усыхания;
• прочность на истирание (твердость, износостойкость);
• упругомеханические свойства.
Поры, обусловленные макроскопической структурой (сосудами), имеют диаметры от 10 'до 10 s см, а если речь идет о микроскопической структуре (клеточной структуре древесины) - от 10 : 'до 10 см.
2.3. /. Характеристика древесины по отношению к влаге
Субмикроскопическая структура древесины является причиной того, что ее
влажность определяется влажностью окружающего воздуха, что она гигроскопична. При уменьшающейся относительной влажности воздуха, древесина сохнет, при повышающейся влажности становится более влажной. Влага
в древесине определяется параметром «влажность древесины», обозначаемой и. Влажность древесины прежде всего влияет на способность поверхности древесины пропитываться ЛКМ, а также на твердость, упругость, устойчивость к грибам и насекомым.
2.3.1.1. Сорбционные свойства и капиллярное поглощение воды
Различают три граничных состояния системы «древесина-вода».
1. Абсолютно сухое
Абсорбционная область начинается при так называемом состоянии абсолютно сухое со значением влажности и = 0%. Это состояние определяется тем, что
оно достигается техническими средствами путем выпаривания влаги и высушивания древесины до постоянной массы при температуре от 103 до 105°С.
2. Насыщение волокон
При достижении влажности насыщения волокон (uF) клеточные оболочки насыщены водой, а полости клеток еще не содержат капель воды. Граничное состояние насыщения волокон — это область самого высокого содержания связанной воды. В общем, обнаруживают для различных древесных пород следующие области значений влажности насыщения волокон:
— европейские породы деревьев t/F = 28-35%;
— хвойные породы вообще uF = 30%;
— цветные ядровые лиственные породы t/F = 22-24%.
При достижении области насыщения волокон, дальнейшего разбухания и
связанного с ним изменения физико-механических свойств не происходит.
3. Насыщение водой
Микро- и макросистемы древесины максимально наполнены водой. В зависимости от плотности древесины ее влажность при насыщении водой лежит между
77% (бальза, или бальзовое дерево) и 31 % {бакаут, или железное дерево).
Древесина имеет большую удельную внутреннюю поверхность. Например,
для ели она составляет около 220 м2/г. Она обладает способностью поглощать
воду и пары воды и отдавать поглощенную влагу. В зависимости от содержания влаги и температуры окружающего воздуха устанавливается определенная равновесная влажность (ugl). В зависимости от климатической зоны изделия из древесины содержат влагу в среднем от 12 до 2 1 % на открытом воздухе, а в жилом помещении этот показатель составляет около 8-10%.
В таблице 2.2как пример представлена равновесная влажность еловой древесины при температуре 20°С и различной влажности воздуха.
Различия в равновесной влажности местных пород древесины незначительны. Исключениями являются тропические породы деревьев. Путем предва-
22
Глава 2. Древесина и древесные ма i ериалы
Таблица 2.2. Равновесная влажность еловой древесины при различной влажности
воздуха, Т = 20°С
Вид
древесины
Ель
Относительная влажность в %
35
50
65
75
85
7,0
9,2
11,8
14,4
18
Таблица 2.3 Нормативные показатели средней влажности древесины
при различных условиях применения
Um (%)
Область применения
Закрытое помещение
с отоплением
без отопления
6-12
9-15
Открытое сооружение с навесом
12-18
Конструкции, подверженные атмосферным воздействиям со всех сторон
12-24
Um — изменение массы древесины (масс. %) за счет влажности воздуха
рительной термической или гидротермической обработки (например, высокотемпературной сушки) равновесная влажность древесины может заметно
уменьшиться. Значительное понижение влажности древесины наступает приблизительно при 200°С [13]. Обработка теплом и давлением уменьшает содержание гемицеллюлозы, приводя к понижению влажности древесины и улучшению устойчивости формы изделия. При температуре термической обработки
180-240°С снижается равновесная влажность, и происходит процесс усушки
вплоть до 50%. Обработка древесины методом ацетилирования ведет равным
образом к существенному понижению равновесной влажное!и и улучшению
устойчивости к деформации (см. главу 2.4.3.1).
До состояния насыщения волокон поглощение воды древесиной происходит путем диффузии и/или капиллярных сил всасывания. С увеличением плотности древесины происходит снижение скорости поглощения воды.
Слишком влажная или слишком сухая обработка древесины ведет к напряжениям при выравнивании влажности в условиях окружающей среды и к образованию трещин в древесине и, соответственно, в лакокрасочном покрытии.
В целом влажность древесины при обработке Л КМ должна быть <12% при наружных работах и <10% при работе внутри помещений. Следует принимать
во внимание следующие нормативные показатели влажности древесины согласно DIN 1052-1 (табл. 2.3) для деревянного строительства.
Поглощение воды вдоль волокон за единицу времени заметно выше, чем в
радиальном и тангенциальном направлениях. Это высказывание справедливо
в случае поглощения влаги из воздуха. При большом поперечном сечении {например, клеенный из досок лесоматериал) равновесная влажность через все
сечение достигается лишь через очень длительное время вылеживания. Так,
полное повторное смачивание высушенной еловой древесины требует очень
длительного времени.
23
Глава 2. Древесина и древесные материалы
2.3.1.2. Разбухание и усушка древесины
Путем вышеописанных поглощений и отдачи молекул воды в молекулярной
структуре древесины она разбухает при поглощении влаги и усыхает при ее
уходе. Благодаря анизотропии древесины величины усушки и разбухания различны в трех главных направлениях. На основании эмпирических данных можно ориентироваться на следующие значения:
. тангенциальное направление (в направлении годичных слоев) — около 10%;
• радиальное направление (в направлении сердцевинных лучей) — около 5%;
• продольное направление (вдоль волокон) — приблизительно 0 , 1 % .
При этом усушка и разбухание протекают пропорционально изменению
Таблица 2.4. Различные величины усушки для различных древесных пород
Древесная порода
Различные величины усушки в % на 1% изменения влажности
Радиальный
Тангенциальный
Среднее значение
Афромозия
0,18
0,32
0,25
Клен
0,15
0,26
0,21
Лофира крылатая
0,31
0,40
0,36
Бук
0,20
0,41
0,31
Лжетсуга (дугласия)
0,15
0,27
0,21
Дуб
0,16
0,36
0,26
Ясень
0,21
0,38
0,30
Ель
0,19
0,39
0,29
Сосна
0,19
0,36
0,28
Лиственница
0,14
0,30
0,22
Меранти
0,11
0,35
0,18
Махагон
0,24
0,32
0,28
Тиковое дерево
0,16
0,26
0,21
Таблица 2.5. Расчетные значения для величин усушки и разбухания
Древесная порода
Значения величин усушки и разбухания
при изменения влажности древесины на
1% (ниже области насыщения волокон)
1
Ель, сосна, пихта, лиственница, дугласия, южная сосна, западная тсуга; доска, уложенная штабелями; дуб
0,24'
2
Бук, керуинг (янг), дикориния параензис, сырая сердцевина дерева
0,30:
3
Тик, афзелия, мербау
0,20:
4
Лофира крылатая
0,36'
Метод расчета от значений тангенциального и радиального к годичному кольцу, соответственно,
к зоне прироста.
24
Глава 2. Древесина и древесные материалы
влажности древесины. В таблице 2.4 как пример представлены различные величины усушки согласно DIN 68100 для некоторых пород древесины.
Согласно DIN 1052-1 имеются расчетные значения для величин усушки и разбухания (табл. 2.5). Для определенных древесных пород в большинстве случаев применяется расчет, основанный на тангенциальных и радиальных значениях, так как действительные границы годичных колец в разрезе древесины
непредсказуемы.
Разбухание и усушка древесины и древесных материалов имеют, конечно,
большое значение для лакокрасочного покрытия, так как покрытие должно сохранять прочность сцепления (адгезию) и эластичность (исключение растрескивания) при изменении размера древесины.
2.3.2. Твердость древесины
Следующим важным технологическим свойством древесины является ее
твердость. Твердость определяется как «сопротивление материала проникновению инородного твердого тела под воздействием внешней силы». Определение твердости древесины в основном проводится методом определения
твердости по вдавливанию шарика по Бринеллю (НВ) при содержании влаги
и = 12% (DIN EN 1534). На определение твердости влияют объемная плотность, направление волокон, доля ранней и поздней древесины, содержание
лигнина и смол, а также влажность. Значение НВ для ели, например, составляет 1,2 перпендикулярно направлению волокон и 3,2 вдоль волокон. Твердость,
а с ней и выбор древесины играют важную роль в особенности для лакокрасочных покрытий пола и паркета. Твердость по Бринеллю, бесспорно, свидетельствует о возможных повреждениях пола и лакокрасочного покрытия пола от каблуков. Так, согласно сообщению Эммлера [14], на полу с твердостью
по Бринеллю меньше 25 МПа обнаруживаются глубокие вмятины от каблуков,
тогда как на ламинате, напротив, никаких следов не остается.
2.4. Химия древесины, составные части и защита
древесины
Наряду с морфологией, химия древесины сильно влияет на результат нанесения покрытия ЛКМ.
Все древесные породы в основном состоят из целлюлозы (40-50%) как скелетного материала, лигнина (20-30%) как межклеточного материала (цементирующее вещество) и гемицеллюлозы (15-25%). В количествах от 1 до 30%
содержатся другие составляющие древесины, такие как смолы, масла, воски,
алкалоиды, красители, дубильные вещества, неорганические и органические
кислоты (см. рис. 2.3), которые в зависимости от породы и количества поразному влияют на хранение, свойства и практическую ценность древесины.
Лигнин является скелетообразующей составной частью одревесневшей растительной ткани. Речь идет об одном из высокомолекулярных соединений с
циклами из фенилпропана. В зависимости от древесной породы содержание
его различно. Так, у хвойных пород оно составляет 25-32%, а у лиственных —
18-32%. Нерастворимый в воде лигнин фотолитически расщепляется под действием УФ-излучения на растворимые в воде продукты. Это является причиной
потемнения или изменений оттенков цвета древесины, появления серой окраски при нанесении прозрачных покрытий и пожелтения бумаги, содержащей
древесную массу. Целлюлоза и полиозы (гемицеллюлоза) также могут спо-
25
Глава 2. Древесина и древесные материалы
ГДревеП
j Основные компоненты |
j Холлоцеллюлоза j
1
|
Целлюлоза
1
|
г
'
'
Лиг НИН
| (C0HyTCTB!J римеси
ющие вещества)
Первичные
[
Вторичные
j
Гемицелдюлоза
• Жиры
• Гексозан
Маннан
• Крахмал
Глюкэн
• Сахар
• Пентозан
Ксилан
Арабан
'
• Вещества ядра
древесины
• Кислоты
• Минеральные
вещества
• Дубильные
вещества
• Красители
• Смолы
• Эфирные масла j
• Алкалоиды
• Каучук
Рис. 2.3. Химический состав древесины
собствовать изменению цвета под действием УФ-излучения. Изменения могут
быть выражены слабо и проявляться спустя длительное время. Фотохимическая деструкция целлюлозы способствует снижению механической нагрузочной прочности. При атмосферном воздействии именно в наружной части древесины происходит разложение целлюлозы и полиозов (гемицеллюлозы).
2.4.1. Составные части древесины
Под составными частями древесины, называемыми также акцессорными
(второстепенными), понимаются все содержащиеся в древесине вещества,
которые не относятся к структурным элементам. Они могут влиять на свойства и потребительскую стоимость древесных пород в различных отношениях. Они отвечают за запах и цвет древесины, а также часто являются причиной изменения цвета. Содержание этих веществ зависит от породы дерева
и места его произрастания. Чем теплее зона произрастания, тем больше ингредиентов присутствует в древесных породах. Вследствие этого увеличивается устойчивость к грибам и насекомым. Для этих древесных пород характерно более высокое содержание лигнина и более высокие твердость и
плотность [15]. Согласно данным Грубера [16], составные части древесины
подразделяются на:
• неорганические компоненты, так называемая зола;
• жиры и экстрактивные вещества;
• природные смолы.
2.4.1.1. Неорганические компоненты
К неорганическим компонентам относятся соединения кальция, калия и магния, а также микроэлементы, такие как катионы железа, марганца, бора и т.д.
[17]. Содержание неорганических ингредиентов составляет в умеренных зонах
роста 0,2-1%, в тропических областях — частично выше 5%.
26
Глава 2. Древесина и древесные материалы
Таблица 2.6. Экстрактивные вещества древесины
Группа
Химическая структура
Терпены
Циклические диизопреноиды
Терпеноиды и смолы
Дитерпены
Жиры
Глицериды
Воска
Сложные эфиры с длинной цепью
Лигнаны
Продукты расщепления лигнина
Флавеноиды
Флаваны, флавоны
Танины (лиственные породы)
Полифенолы
Стильбены (хвойные породы)
Дифенилэтан
* Поданным Грубера [16].
2.4.1.2. Жиры и экстрактивные вещества
К ним относятся все низкомолекулярные гидрофобные соединения древесины. Речь идет в основном о веществах, приведенных в таблице 2.6.
Что касается содержащихся жиров, речь идет в основном о сложных эфирах
глицерина с жирными кислотами с длиной цепи от 16 до 18 атомов углерода.
Другие жирные кислоты встречаются реже. Ингибирующие компоненты древесины, например полифенолы, могут замедлять отверждение ненасыщенных
полиэфирных материалов и составов, отверждаемых УФ-излучением [18]. Кроме того, они могут вызывать изменения цвета, если они вступают в реакцию с
красителями, которые выделяются из покрытия. Дубильная кислота, например
из дубового материала, при контакте с другими компонентами, такими как металлы или действующие вещества фунгицидов, может вызывать пятнистое изменение цвета. В особенности часто это наблюдается в случае водорастворимых лаков или бейцев, так как большинство красящих компонентов древесины
водорастворимы. Внушает опасения, например, появление синевы на дубе и
других породах древесины, богатых дубильными веществами. При этом причиной изменения цвета являются, однако, не компоненты древесины, а загрязнения железом от инструментальной пыли (металлические опилки и отходы шлифования) или при использовании воды, содержащей железо.
2.4.1.3. Природные смолы
Природные смолы (см. табл. 2.7) представляют собой смесь смоляных кислот (резиноловые кислоты), смоляных спиртов (резинолы), сложных эфиров
смоляных кислот и спиртов, производных фенола со свойством дубильного
вещества (резинотаннол) и ненасыщенных, частично кислородсодержащих
соединений. Терпентин является самой известной смесью экстрактивных веществ, которая встречается вместе со смолой (канифолью). Он играет роль
растворителя, задача которого — разбавить содержащиеся смолы и сделать
их текучими. Так как составные части терпентина легколетучие, их количество
уменьшается от срока хранения древесины. Монотерпены (3-карен или камфора) у чувствительных людей могут вызвать аллергическую реакцию. Эти
компоненты наряду с а- и (3-пиненами, а также другими монотерпенами часто
Глава 2. Древесина и древесные материалы
27
Таблица 2.7. Составные части природных смол
Составные части природных смол
Содержащиеся группы веществ
Смоляные кислоты (резиноловые)
Абиетиновая, пимаровая, палюстровая кислоты
Смоляные спирты (резинолы)
Дитерпеновые спирты
Фенолы
Многоатомные фенолы, сложный эфир галловой
кислоты
Сложные эфиры
Сложные эфиры из смоляных кислот и смоляных
спиртов
Ненасыщенные соединения
Моно-, полуторо- и дитерпены
Терпентин
Пинен, 3-карен, камфора
Эфирные масла
Спирты, альдегиды, кетоны...
* По данным Грубера [16].
встречаются в больших количествах при измерениях остаточной эмиссии конструктивных элементов мебели из сосны (см. главу 9.2.1.2).
Роффаэл и Шэфер [19] указывают, что древесно-стружечные плиты (ДСП)
из свежей сосновой щепы после склеивания карбамидно-формальдегидными
смолами имеют заметно более низкую прочность сцепления, чем ДСП из выдержанной щепы. Эти авторы объясняют более высокую прочность ДСП, полученной из выдержанной сосновой щепы, заметно более низким содержанием
в ней легколетучих компонентов данной древесной породы. Смолистые компоненты древесины могут привести к выделениям на поверхности древесины и лакокрасочного покрытия. Они подчас приводят к потемнению покрытий
в процессе их нанесения или во время эксплуатации (прежде всего при слишком высоких температурах). При нанесении ЛКМ выделения смолистых компонентов полностью не блокируются. Хотя, например, для смолистой сосны
или древесных пород, содержащих дубильную кислоту (танин), с этой целью
используются специальные грунтовочные покрытия. Повышенные температуры, как было сказано выше, активизируют выделение легких компонентов из
древесины. Так, при обработке фанеры ТспИо1а-Риггпегуже при 40°С начинается выпотевание низкоплавящихся компонентов древесины, зачастую проявляемое в виде «жирных пятен» на поверхности [20].
2.4.1.4. Влияние рН среды
Величина рН также влияет на отверждение и изменение цвета ЛКП или склеивание древесины. Для некоторых связующих веществ (клеев) низкое значение рН ведет к ускорению отверждения и укорачивает «открытое время» клеевого шва.
Величины рН и влияние определенных компонентов древесины на покрытие
приведены в таблице2.8\2Л, 22].
2.4.2. Защита древесины
Под защитой древесины понимают все меры, предотвращающие или замедляющие разрушение древесины и древесных материалов и тем самым предотвращающие потерю ее стоимости. Древесина имеет следующие недостатки:
Глава 2. Древесина и древесные материалы
28
Таблица 2.8. Значения рН некоторых древесных пород и влияние их компонентов
на покрытие (Источник: [5])
Древесные породы
Значение рН
Тип и действие ингредиента на покрытие
Лиственные
Афромозия
4,5
Замедление отверждения, обесцвечивание Пк,
коррозия металла при контакте с древесиной
Афзелия
4,9
Замедление отверждения, обесцвечивание Пк
Ироко
6,4
Компоненты, наносящие вред полиэфирным лакам
Клен
5,1
Опасность обесцвечивания покрытия
Береза
4,8
Образование неактивного поверхностного слоя
за счет жирных веществ
Бук
5,4
Хорошие способности к морению и лакированию
Дуб
3,8
Содержит дубильную кислоту, обесцвечивающее
действие, синее окрашивание при контакте
с металлом (Fe)
Фрамира
4,1
Содержит дубильную кислоту, обесцвечивающее
действие, потемнение при контакте с металлом (Fe)
Мербау
4,3
Обесцвечивание покрытия
Мансония
Сипо
Тик
4,3-6,2
Содержит вещества, ингибирующие отверждение
полиэфирных лаков
б
Замедление отверждения, обесцвечивание Пк
5,1
Часто появление матового налета на покрытии
Хвойные
Сосна
5,1
Риск выделения смол при повышении температуры
за счет повышенной смолистости
Ель
5,3
Возможно незначительное выделение смол
Лиственница
4,3
Риск выделения смол за счет повышенной
смолистости, иногда обесцвечивание покрытия
Дугласия
3,5
Риск выделения смол, обесцвечивание покрытия
Смолистая сосна
3,5
Риск выделения смол за счет повышенной
смолистости
•
подвержена деструкции и может разрушаться г р и б к а м и , насекомыми и
микроорганизмами;
. обладает гигроскопичностью (способна поглощать влагу или ее отдавать
и вследствие этого разбухать или усыхать);
.
обладает горючестью.
Исходя из вышесказанного, из-за недостаточной природной устойчивости
древесина при наружном применении должна быть защищена конструктивно.
Для несущих конструкций и придающих жесткость элементов эти меры обобщены в части 2 DIN 6 8 8 0 0 ' . Дополнительно может потребоваться защита от атDIN 68800: Распределение по классам опасности.
29
Глава 2. Древесина и древесные материалы
Таблица 2.9. Некоторые товарные породы деревьев и их классы устойчивости
Древесная порода
Класс устойчивости
Дуб, европейский
2
Дуб, американский
2-3
Ель
4
Фрамира
2-3
Тсуга
2-3
Сосна, сердцевина
3-4
Сосна, заболонь
5
Лиственница, сердцевина
3-4
Ниагон
1-2
Орегонская сосна, Дугласия
3-4
Робиния, белая акация
1-2
Красное меранти
2-4
Род махагона
2-3
Пихта
4
Тик
1- *
Красный западный кедр
2-3
мосферных воздействий за счет слоев покрытий (физическая защита древесины) и/или химическая защита с помощью специальных Л КМ [23, 2 4 ] .
2.4.2.1. Природная устойчивость
Естественная устойчивость многочисленных древесных пород обобщена в
DIN EN 350-22 (Природная устойчивость древесины против поражения грибками и насекомыми).
Товарные породы деревьев и их классы устойчивости приведены в таблице 2.9. Данные по классу устойчивости относятся к сердцевине древесины.
Заболонь всегда обнаруживает более низкую устойчивость.
Классы устойчивости подразделяются таким образом, что класс 5 имеет самую низкую (нестойкий), а класс 1 самую высокую (очень стойкий) естественную устойчивость [25].
Древесные породы, которые по их природной устойчивости не соответствуют требованиям области их применения (классы опасности согласно DIN
68800-3 или EN 3353) должны быть предохранены путем использования подходящих мер защиты древесины.
Согласно DIN 68800, ч.1 и 3, эти меры могут быть конструктивными и химическими. Нормы DIN 68800-3 и DIN EN 335-1 формулируют согласно конструкDIN EN 350-2 содержит данные о природной устойчивости 120 пород деревьев. В каждом случае худшая — для древесины с плантаций.
EN 335: Распределение по классам потребления.
Глава 2. Древесина и древесные материалы
30
Таблица 2.10. Класс опасности (GK) по DIN 68800-3
Опасность поражения за счет воздействия
Класс
опасности
Требование
Насекомые
Грибки
Облив
водой
Гниль,
плесень
0
Просушенная древесина внутри помещения
нет1
нет
нет
нет
1
Просушенная древесина внутри помещения
да
нет
нет
нет
2
Древесина, которая не подвергается ни контакту с землей ни прямому атмосферному воздействию
или обливу, возможно временное
увлажнение
Да
да
нет
нет
3
Древесина подвергается атмосферному воздействию или конденсации, но без контакта с землей
да
да
да
нет
4
Древесина подвергается длительному контакту с землей или постоянному сильному увлажнению2
Да
да
да
да
1
Поскольку, если применяются цветные ядровые древесные породы, которые обнаруживают содержание заболони ниже 10% или древесина защищена против поражения насекомыми со всех сторон
закрытой облицовкой в пространстве обычной атмосферы жилого дома или древесина располагается открыто на месте так, что остается под контролем.
2
Особенными считаются условия для холодильных камер, а также в морской воде.
тивным элементам древесины так называемые классы опасности (GK) или классы потребления, как показано в таблице 2.10. Чем выше класс опасности, тем
больше биологическая опасность, которой подвергаются древесные породы.
2.4.2.2.
Конструктивная защита древесины
Состояний, благоприятствующих увлажнению, поражению насекомыми,
грибками и т.д., следует избегать путем реализации определенных конструктивных решений. Конструктивная (строительная) защита древесины - это, в
первую очередь, мероприятия, направленные на снижение влажности или быстрое отведение воды и предотвращение неконтролируемого поражения насекомыми. Если влажность древесины недолго бывает выше 20%, можно не
считаться с поражением грибками (СК 0).
Для конструктивной защиты древесины должны соблюдаться следующие
основные правила:
• защита против атмосферных осадков и водяных брызг;
. защита против подсоса влаги из воды, почвы или строительных материалов, контактирующих с древесиной;
. защита от образования талой воды в деревянных конструкциях;
• защита от сырости (влажности) в ходе строительства;
• надлежащее качество древесины, отсутствие трещин, щелей, дыр и т.п.;
. хорошая вентиляция всей деревянной конструкции;
• скашивание (лучше еще и укрытие) торцевой поверхности;
Глава 2. Древесина и древесные материалы
.
•
.
.
31
оптимальная конструкция выступов крыши;
закругление острых кантов;
предохранение горизонтальных конструктивных элементов;
вентиляция обратной стороны наружной обшивки.
2.4.2.3. Химическая защита древесины
Химические средства и способы защиты древесины должны применяться
тогда, когда все строительно-конструктивные возможности защиты древесины исчерпаны или невозможны конструктивно. Химическая защита древесины достигается путем покрытия или пропитывания древесины химическими
средствами защиты. Они должны иметь, согласно DIN 68800, ч. 3, контрольные знаки Немецкого института строительной техники (DIBT), если речь идет
о несущих конструкциях, которые выполняются в соответствии с законодательством, регулирующим строительство. Для всех остальных элементов конструкции должны применяться средства, которые имеют контрольные знаки
Общества по оценке качества (RAL) средств защиты древесины. Химическая
защита древесины обязательно регламентируется4 в DIN 68800.
Применение средств защиты древесины всегда означает использование
биоцидов, так как при применении химической защиты организмы, атакующие и разрушающие древесину, уничтожаются или отпугиваются. Действующие вещества биоцида находятся в соответствии с §ЗЬ, раздел 1, № 2: «Химикаты. Вещества общего или специфического действия против вредных организмов, которые определены для применения в качестве действующего вещества в биоцидах», что имеет силу закона.
В качестве подобных веществ используются также микроорганизмы, включая вирусы и грибки соответствующего действия и назначения. Средства защиты древесины должны согласовываться с ВаиА (Федеральное ведомство
охраны и медицины труда) и только тогда допускаться к использованию.
Основные принципы использования средств защиты древесины в упрощенном виде приведены в таблице 2.11 для различных классов опасности согласно DIN 68800-3 [26].
Средства защиты древесины — препараты, которые в основном состоят из
действующих веществ (биоцидов), связующих веществ (для фиксации), эмульгаторов, пигментов, растворителей и других вспомогательных веществ.
Соединения хрома в средствах защиты древесины служат прежде всего для
фиксации действующих веществ на древесине, в результате чего эффективно
снижается вымывание. Вследствие токсичности хроматов их использование
подвергается сомнению. Авторы хотели бы сослаться здесь на TRGS 618 «Заменители и ограничения в применении для хром (\/1)-содержащих средств защиты древесины».
Существует множество способов [28] химической обработки по защите
древесины. Различают глубокую обработку — пропитывание под давлением и погружение (метод включения) — и поверхностные способы обработки.
При пропитывании под давлением достигается полное проникновение в заболонь древесины средств химической защиты (полная защита). При метоЕжегодно издаваемый DIBT список средств защиты древесины [27] содержит в развернутом
виде все средства защиты древесины с допуском строительного надзора, все средства защиты
древесины со знаками качества (RAL) и средство защиты от синевы по VdL-директиве, правда,
без дословного текста допуска, следовательно, без гарантии.
32
Глава 2. Древесина и древесные материалы
Таблица 2.11. Области применения средств защиты древесины по классам опасности
Тип средства для защиты древесины
Область применения/GK
GK1
GK2
GK3
GK4
X
X
—
—
Без Си (CF, CFB)
X
X
—
—
С Си (СК, СКВ, CKF, ZKF)
X
X
X
X
С мышьяком (СКА)
—
—
X
X
X
X
X
—
X
X
X
X
X
X
X
—
На основе органических растворителей
X
X
X
—
Дегтярное масло
—
—
X
X
Фиксированный
На водной основе
Не фиксированный
Содержащий
хромат
1
Без Си (Quat , триазол)
Не содержащий
CCu(Cu-Quat\Cu-HDO2,
хромат
Cu-триазол)
Прочие
Триазол
Пиретроид
С — соединения хрома, F — соединения фтора, А — соединения мышьяка, В — соединения бора, К — соединения меди,l Quat — соединение четвертичного аммония.2 СиHDO — [бис-(М-циклогексил-диазониум-диокси)-медь].
де погружения (долговременное погружение) породы деревьев должны быть
полностью погруженными в течение длительного промежутка времени (от
24 часов до нескольких дней). Глубина проникновения должна быть больше
10 мм, в противном случае это только защита кромки. В зависимости от породы древесины этим методом достигается глубина проникновения от нескольких микрон до нескольких миллиметров.
Большинство ядровых пород древесины вследствие своей анатомии трудно
поддаются проникновению. Однако важно то, что малостойкая заболонь, как
правило, глубоко проницаема и тем самым защищаема.
Древесина, используемая в непосредственном контакте с землей, например
палисад (изгородь), является хорошей иллюстрацией того, что раннее поражение грибками может быть предотвращено лишь путем использования естественно устойчивых пород деревьев или путем превентивной химической защиты. Это удается сделать обычным способом с помощью пропитывания под
давлением в котле.
В качестве защиты от синевы в заболони сосны, глубина проникновения
должна быть более, чем 1,5 мм (контроль по EN 152). Поэтому при нанесении
защитных средств кисточкой невозможно достигнуть полной защиты от грибков, поражающих древесину. Если древесина внутри все время мокрая с влажностью выше 30%, то, несмотря на химическую защиту древесины (при защите поверхности) и покрытие, сохраняется опасность гниения внутри, особенно при больших поперечных сечениях древесины. Разрушающие древесину
грибки становятся частично активными чаще всего лишь при влажности значительно выше состояния насыщения волокон 5 . Изменяющие цвет грибки (вы' DIN 68800: Распределение по классам опасности.
Глава 2. Древесина и древесные материалы
33
зывающие синеву) не поражают устойчивые породы деревьев, например, заболонь сосновых пород с влажностью выше 18-20%.
В этих случаях рациональным является средство защиты от синевы, часто комбинированное со средством против поражения плесневым грибком.
В данном случае речь не идет о предупреждающей химической защите древесины в значении DIN 68800-3.
Средства, защищающие от влажности (сырости), также не будут действенны
против насекомых. Однако гладкие и без трещин поверхности могут помешать
яйцекладке и тем самым размножению насекомых и порче конструкции.
2.4.3. Химическая и термическая модификации древесины
Химическая и термическая обработка применяется для того, чтобы сделать
древесные породы более устойчивыми к изменению размера и прочными без
использования средств защиты древесины. Речь идет о том, чтобы из менее
ценных древесных пород путем улучшения качества получать высокосортные
и однородные для покрытия древесные материалы.
Наряду с повышением прочности древесины при ее модификации можно
добиться частично повышения сортности и улучшения некоторых свойств, например:
. стабильности размера (уменьшение разбухания-усушки);
• устойчивости к атмосферным условиям и в том числе УФ-излучению;
• способности приобретение термопластических свойств;
. прочности склеивания;
• термической стабильности.
2.4.3.1. Ацетилирование древесины
При этом методе обработки древесины гидроксильные группы целлюлозы
и лигнина взаимодействуют с ангидридом уксусной кислоты (см. рис. 2.4).
В результате этерификации гидроксильных групп происходит гидрофобизация древесины. Ацетилирование древесины значительно улучшает ее стойкость, стабильность размера и повышает устойчивость к УФ-излучению. В зависимости от породы древесины в процессе ацетилирования происходит изменение оттенка цвета древесины. Ацетилированная древесина тополя, например, успешно использовалась в гидротехническом строительстве [29].
В случае ацетилированной древесины в ней остаются незначительные количества свободной уксусной кислоты, которая ощутима по запаху.
Несмотря на дорогостоящий многостадийный процесс ацетилирования под
высоким давлением, фирмой Titan Wood BV в Нидерландах была введена в
производство промышленная производственная установка с производственной мощностью 30 000 м3/год готовой ацетилированной древесины (сосна
с плантации). Она получает ацетилированную древесину, предназначенную
для окон, дверей, наружной облицовки и пола для террас. В соответствии с
данными производителя ацетилированная древесина отличается следующими свойствами [30] и преимуществами:
• классом устойчивости 1 по DIN EN 350-2;
. объемной плотностью 500-550 кг/м 3 ;
• снижающимися параметрами разбухания и усушки вплоть до 80% к необработанной древесине (стабильностью заданных размеров);
• остаточной влажностью древесины около 4-5%;
34
Глава 2. Древесина и древесные материалы
н3с
н3с
о
Древесина
Он
+
о
—
о
Древесина
°
н3с
+
О
Ангидрид уксусной кислоты
н3с
Ацетилированная древесина
°
но
Уксусная кислота
Рис. 2.4. Принцип ацетилирования древесины
• отпадает операция пропитывания. Необходима лишь грунтовка против синевы;
• предоставляется 10-летняя гарантия на полупрозрачную и кроющую лакокрасочную систему на ацетилированной древесине.
2.4.3.2. Модификация меламинсодержащими смолами
Путем химической модификации древесины меламиновыми смолами достигается образование на ее поверхности полимерной сетки в результате реакции смол с гидроксильными группами древесины (поликонденсации). Улучшение качества с помощью меламиновых смол ведет равным образом к получению более стабильной по размеру и более твердой древесины. Защита от порчи тоже улучшается.
Древесные породы, обработанные меламиновыми смолами, называются
также полимердревесиной. Недостатком метода являются в настоящее время
еще очень высокие издержки процесса.
2.4.3.3. Модификация с производными DMDHEU (диметилол-дигидроксиэтиленмочевина)
Данный вид обработки осуществляется по способу «Belmadur», который защищен патентом [31]. При этом способе сначала из древесины под разряжением (вакуумом) извлекается воздух, после чего в этой же установке, но уже
под давлением, происходит пропитывание водным раствором смолы. Таким
способом водный смоляной раствор при давлении выше 10 бар полностью
внедряется в древесину. При последующем нагревании до температуры выше 100°С волокна целлюлозы сшиваются друг с другом в полимерные структуры. Сшивающим агентом в данном случае является модифицированный
1,3-бис(гидроксиметил)-4,5-(дигидрокси)-имидазолидинон-2 ( M - D M D H E U ) ,
который вступает в реакцию поликонденсации с гидроксильными группами
целлюлозы в присутствии специальных катализаторов (рис. 2.5).
Процессы сушки и отверждения важно регулировать таким образом, чтобы
не допустить выбросов формальдегида.
За счет заполнения межклеточного пространства древесины значительно снижается водопоглощение и повышается твердость древесины
(рис. 2.6), а за счет уменьшения разбухания и усушки срок службы лакокрасочных покрытий на древесине существенно увеличивается (рис. 2.7).
2.4.3.4. Термодревесина
В последние годы бурно развивалась и достигла стадии практического
применения технология термической обработки древесины при уменьшенном содержании кислорода. Это позволяет получать древесину стабильных
размеров и повышенной долговечности. При нагревании древесины выше
35
Глава 2. Древесина и древесные материалы
150-24СГС, гемицеллюлоза, целлюлоза и лигнин изменяются в соответствии
с названной последовательностью. Изменение происходит по всему поперечному разрезу. В зависимости от метода, нагревание может происходить
в атмосфере горячего воздуха/водяного пара, в атмосфере азота, свободного от кислорода, или в масляной бане. Шайдинг [32] установил, что устойчивость, в частности, бука против грибков бурой и белой гнили может повыситься путем термической обработки с класса 5 до класса 1, тогда как при использовании сосны реально может быть достигнут не более чем 3-й класс. Однако
против грибков, вызывающих синеву, термическая обработка не эффективна
и не обеспечивает защиту.
С увеличением интенсивности обработки плотность и твердость древесины
уменьшаются [34]. Так, при термической модификации древесины сниО
жение показателя прочности может
СН 2 ОН
носн.,
достигать 10-30%, а прочность при
N
ударах — даже 30-60% [33]. Было
также установлено, что с увеличениОН
НО
ем интенсивности обработки термически обработанная древесина, на- 1,3-бис(гидроксиметил)-4,5-(дигидрокси)-имидазолидинон-2
пример, лесного бука, темнеет.
— Диметилол-дигидрокси-этиленмочевина
Равновесная влажность для термически обработанной древесины при
нормальных климатических условиях Рис. 2.5. Химическая структура DMDHELJ
Необработанная
древесина
Обработанная
DMDHEU древесина
Тик
Дуб
Меранти
Бук
Сосна
Рис. 2.6. Твердость древесины бука и сосны после взаимодействия с модифицированным
Разбухание/
усушка, %
20
т
15 у
10
5X
л
•
•
•
I
I
Тик
.--Необработанная
древесина
I
•
Дуб
Меранти
_— Обработанная
DMDHEU
древесина
1
Бук
Сосна
Рис. 2.7. Снижение разбухания и усушки древесины бука и сосны после химической
обработки модифицированным
36
Глава 2. Древесина и древесные материалы
отчетливо падает. Из сообщения Шайдинга следует, что термическая модификация для трудно поддающихся пропитыванию древесных пород — единственная возможность повысить их устойчивость к внешним воздействиям.
Экспериментальные исследования, проведенные в Швеции, показали, что
стальные соединительные элементы, контактирующие с термообработанной
древесиной, подвержены коррозии сильнее, чем контактирующие с необработанной древесиной. Предполагается, что причиной повышенной коррозии
является присутствие в древесине муравьиной и уксусной кислот, образующихся в процессе обработки.
2.4.3.5. Композиционный материал из древесины и пластика (WPC)
Использование синтетических композиционных материалов, армированных
натуральными волокнами, — это в настоящее время сильно расширяющийся
рынок с высокими темпами роста. Ведущим регионом в мире по производству и применению WPC6 является Северная Америка, где в 2005 г. смогли реализовать около 700 000 т этой продукции [35]. В Европе эксперты оценивают
объемы производства WPC приблизительно в 30 000 т/год.
Композиционные материалы из древесины и пластика являются термопластически переработанными комбинированными многослойными материалами
(«сэндвич»-конструкцией). Термопластические синтетические материалы могут перерабатываться различными способами, однако преимущественно путем экструзии. В результате они находят применение для создания пространственных, незакрепленных, стабильных по форме объектов [36]. В настоящее
время в состав наиболее известных WPC-материалов входят:
. древесина (древесная мука) — не менее 50% (наполнитель);
• термопластические синтетические материалы, такие как полиэтилен,
полипропилен и поливинилхлорид (связующее);
• добавки, например, пигменты и светостабилизаторы, — около 1%.
В Европе в настоящее время не существует стандартов или четкого определения материала WPC7.
Строительные элементы WPC до сих пор применяют без дополнительной обработки поверхности (окраски или полировки). Необлицованные или неполированные элементы конструкции WPC не являются износостойкими и стойкими
к царапанию и поэтому пока еще не пригодны для широкого применения в изготовлении мебели [37]. В настоящее время активно проводятся работы по отделке поверхностей WPC за счет облицовки синтетическими материалами или
окраске порошковыми и жидкими ЛКМ. С повышением доли термопласта WPCматериалы из-за низкого поверхностного натяжения труднее окрашиваются, чем
классические древесные материалы. Из-за этого часто возникают проблемы с
адгезионной прочностью сцепления между WPC и покрытием. Во многих случаях
дополнительно необходима предварительная обработка (обработка пламенем)
или применение специального поверхностного аппрета для улучшения адгезии.
Так как WPC-древесные материалы не бьются (не дают осколков), они особенно пригодны для террас и веранд. Кроме того, они используются при изготовлении садовой мебели, подоконников, стеллажных оснований и даже шпони6
WPC (Wood-Plastic-Composites) — система «древесина-синтетический материал^
композитный материал».
7
Однако для WPC есть проект стандарта: prCEN/TS 1535 Teil 1 -3.
Глава 2. Древесина и древесные материалы
37
рованных фанерой плинтусов. В производстве мебели получены первые стулья
из WPC-материалов. Между тем со стороны мебельной индустрии в настоящее
время преобладает сдержанность к этим материалам, так как WPC-материалы
еще относительно новы на рынке, и многие вопросы, такие как устойчивость к атмосферных воздействиям, стабильность качества, адгезионная прочность и т.д.,
еще не прошли достаточную проверку на практике.
2.5. Продукты и материалы из древесины
Древесина служит синонимом для многообразнейших материалов и изделий
из нее. Лесная промышленность поставляет различные породы древесины из
хвойных, лиственных и смешанных лесов. Она предлагает отборный ассортимент круглого лесного материала (рис. 2.8) различных размеров и качества.
Лесопильная промышленность перерабатывает преимущественно толстые и
ценные бревна в пиломатериал для конструктивных и отделочных целей. Массив
древесины применяется, например, для изготовления стропил, деревянных мостов, опалубок, дверей, окон, пола, лестниц, мебели и специальных конструкций.
Но природная, естественная древесина для промышленного применения
требует переработки, так как не может выполнить всех желаний конструкторов. Причина этого лежит в структуре или, выражаясь по-другому, в натуральности (естественности) древесины. Как природный материал древесина не
свободна от недостатков. Обусловленные ростом дерева неоднородности,
такие как годичные слои, видимые сучки и дефекты древесины, косослой, а
также обусловленная местоположением высокая изменчивость механических
свойств часто затрудняют инженерную оценку элементов конструкции. Для
компенсации этих факторов при оценке элементов конструкции вводятся высокие значения коэффициента запаса прочности. В результате оказывается,
что поперечные сечения деревянных конструкций из низкосортного материала значительно больше, чем те же сечения для конструкций из более прочных
материалов. Устранить этот недостаток, сохраняя необходимую прочность, —
цель индустрии древесных материалов. Поэтому деревоперерабатывающая
промышленность уделяет внимание производству слоистых и пластинчатых
материалов из слабого, низкосортного круглого лесоматериала, а также из отходов лесопильной, фанерной и другой перерабатывающей промышленности
и ремесленного производства — щепа, опилки, стружки (табл. 2.12).
В дальнейшем мы будем обсуждать только основные древесные субстраты, для которых используется промышленная обработка поверхности ЛКМ.
Требования, предъявляемые к древесным материалам, зависят от области их
применения. Мы будем отличать требования для изделий из древесины для
наружного применения от требований для внутреннего применения. Соответствующие перечни и стандарты для древесных материалов в наружном применении и обработка их поверхности рассматриваются в части 3.2.
2.5.1. Древесные материалы из пиломатериала
В таблице 2.13приведены примеры некоторых продуктов и материалов, полученных из пиломатериалов.
2.5.1.1. Плиты из массива древесины
Плиты из массива древесины состоят из досок и ламелей (тонких досок)
(толщина > 3,5 мм) и применяются в сухой и влажной атмосфере. Согласно
Глава 2. Древесина и древесные материалы
38
Бревна (кругляк)
Волокна
MDF, HDF, LDF
Бумага
Меламиновая окантовка
Плиты ДСП,
облицованные шпоном
ДСП с покрытием
Элементы
ламинатного пола
Столярные плиты
L
Рис. 2.8. Технологическая схема переработки древесных материалов
(Источник: Mantau U.: Лекция «Рынки древесины, вторичные рынки, глобализация»).
Таблица 2.12. Определение древесных материалов по способу их изготовлению
Способ переработки древесины
Получаемый
полуфабрикат
Способ переработки полуфабриката
Наполовину готовый
продукт
Распил
Бруски, доски
Крестообразное
склеивание
Клееная фанера
Обдир,
строгание
шпона
Шпон, фанера
Крестообразное
склеивание
Строгание (лущение)
и крестообразное
склеивание
Звездообразное
склеивание
Клееная фанера
(клееные) фанерные
плиты
Слоистая древесина
с лучевым расположением волокон
Строгание
стружки
Тонкая древесная стружка
Смешивание с минеральным связующим и прессование
Плита из мелкой
древесной стружки
Нарезание
стружки
Стружки, щепа
Намазывание клеем
и уплотнение
Намазывание клеем
и прессование
Намазывание клеем
и каландрование
Плита для горячего
прессования
Плита для плоского
прессования
Древесно-стружечная
плита для каландрования
Разбивание
на волокна
Волокна
Обезвоживать
Прессовать
Сильно прессовать
Пористые ДВП
ДВП средней плотности
Твердые ДВП
(Источник: U. Mantau. Uni Hamburg)
Глава 2. Древесина и древесные материалы
39
Таблица 2.13. Продукты и материалы из пиломатериалов
Пиломатериалы
Пиломатериал для столярных работ, мебельного и
внутреннего применения
Склеенные заготовки
из пиломатериалов
Брусок, планка, доска, брус
Рейка, брусок, черновой
профиль
Клееная доска (BSH)
Балка, чистообрезной
пиломатериал
Доски и бруски для пола
Крестовина
Конструкционная натуральная древесина, круглый лесоматериал («KVH»)
Древесный конструктивный
элемент лестницы
Клееная древесина
Массив древесины («МН»)
Профильная доска
Слоистый брусок
Плиты из массива
древесины
Многослойный паркет
EN 12 775:2001 «Плиты из массива древесины: классификация и технология»
различают однослойные и многослойные плиты. Внутри помещений плиты из
массива древесины применяются для дверного полотна, ступеней лестницы и
пола.
Технологически многослойные плиты из массива древесины, применяемые
в мебельной и строительной областях, происходят от так называемых столярных плит (в настоящее время они состоят из реек или щита из реек, облицованного шпоном) [ 3 8 ] . В Европе более 15 производителей при изготовлении
плит с определенными свойствами для конструктивных целей располагают
всеобъемлющими строительными допусками.
2.5.1.2. Полы
Деревянные полы в Европе известны со Средних веков. Около XIII столетия
рядами укладывали толстые, еще необработанные д о с к и , позже строганые половицы из мягкой древесины — пихты, ели или сосны. Начиная с XVI столетия
из этого дощатого материала стали изготавливать паркет в нынешней форме:
как представительное покрытие пола [ 3 9 ] . Под словосочетанием «деревянные
полы» сегодня понимают ряд различных материалов:
. паркет;
• половица (доска настила);
• пол, облицованный фанерой;
• деревянная брусчатая мостовая.
Общие признаки деревянных полов установлены в DIN EN 13756 «Терминология для деревянных и паркетных полов». С 2003 г. вступили в силу первые
европейские стандарты для деревянных полов и паркета в Германии и других
европейских странах. Речь идет о следующих стандартах:
DIN DIN EN 14761 Norm, 2006-05 «Деревянные полы. Паркет из массива древесины. Ламель на ребре, широкая ламель и модульная колодка»;
DIN EN 1533 Norm, 2000-04 «Паркет и другие виды полов. Определение
свойств изгиба. Метод испытаний»; немецкая редакция — EN 1533:2000;
Глава
2.
Древесина и древесные материалы
DIN EN 1534 Norm, 2000-04 «Паркет и другие виды полов. Определение тведости вдавливанием (по Бринеллю). Метод испытаний»; немецкая редакция EN 1534:2000;
DIN EN 1910 Norm, 2000-03 «Паркет и другие виды полов и облицовка стен
и потолка деревом. Определение стойкости к деформации»; немецкая редакция — EN 1910:2000;
DIN EN 13226 Norm, 2003-05 «Деревянные полы. Паркетные дощечки из массива древесины с пазами и/или пружинкой»; немецкая редакция — EN 13226:2002;
DIN EN 13227 Norm, 2003-06 «Деревянные полы. Массив дерева. Ламинированные паркетные продукты»; немецкая редакция — EN 13227:2002;
DIN EN 13228 Norm, 2003-06 «Деревянные полы. Массив. Покрытие. Паркетные дощечки, включая паркетные блоки с системой соединения»; немецкая
редакция — EN 13228:2002;
DIN EN 13442 Norm, 2003-06 «Деревянные полы и облицовка стен и потолка
деревом. Определение химической стойкости»; немецкая редакция —
EN 13442:2002;
DIN EN 13488 Norm, 2003-05 «Деревянные полы. Элементы мозаичного паркета»; немецкая редакция — EN 13488:2002;
DIN EN 13489 Norm, 2003-05 «Деревянные полы. Многослойные элементы
паркета»; немецкая редакция — EN 13489:2002;
DIN EN 13647 Norm, 2003-06 «Деревянные полы и облицовка стен и потолка
деревом. Определение геометрических свойств; немецкая редакция —
EN 13647:2002;
DIN EN 13696 Norm-Entwurf, 2006-02 «Деревянные полы (включая паркет).
Метод испытания для определения эластичности и стойкости к истиранию»;
немецкая редакция — prEN 13696:2006;
DIN EN 14293 Norm-Entwurf, 2004-11 «Клеи. Клеи для склеивания паркета
под грунтовкой. Метод испытаний и минимальные требования к прочности
сцепления при напряжениях среза и растяжения»; немецкая редакция —
14293:2004;
EN 14342 Norm, 2005-08 «Паркет и деревянные полы.Свойства, оценка
идентичности и характеристики»; немецкая редакция — EN 14342:2005;
DIN EN 14354 Norm, 2005-03 «Деревянные полы. Обшивка полов фанерой»;
немецкая редакция — EN 14354:2004;
DIN EN 14762 Norm, 2006-05 «Деревянные полы. Отбор образца и оценка
идентичности»; немецкая редакция EN 14762:2006;
DIN 18356 Norm, 2002-12 VOB «Порядок выдачи заказов и заключения контрактов для производства строительных работ. Часть С: Общие технические условия
договоров для производства строительных работ (ATV). Паркетные работы».
Паркет
Свой прорыв и свой путь в жилые дома и общественные здания граждан паркет нашел в период индустриализации XIX столетия (1848-1871 гг.). Важной
вехой в истории деревянных полов можно назвать выдачу патента на многослойные паркетные доски в 1939 г. Густаву Кэру. Эта конструкция делала пол
прочным и, кроме того, приносила пользу в результате щадящего отношения
к ресурсам древесины [40]. Обработка поверхностей древесины маслами была известна еще в древнем мире, правда, технология обработки поверхности
пола, существенно облегчившая уход за паркетом, была усовершенствована
лишь в 1950-х гг. Одновременно с этим ремесло требовало все больше про-
Глава 2. Древесина и древесные материалы
41
фессионализма — в Германии с 1970 г. существует профессия паркетчика,
требующая специальной подготовки.
Сегодня природные свойства настоящей древесины пользуются спросом
более чем когда-либо и паркет ценится как высококачественное покрытие полов (см. главу 3.1.6.9.4).
Ламинат
Ламинат был впервые произведен в 1930 г. фирмой Роммлер и Маза. В 5 0 60-х гг. последнего столетия материал использовался прежде всего в мебельной отрасли. Благодаря непрерывному развитию технологий качество и долговечность улучшались все больше и больше. Ламинатный пол — это многослойное по структуре, твердое покрытие пола с декоративным слоем на основе полиграфической технологии печатания. При этом собственный слой ламината8
наклеен на материал подложки, в частности, на HDF (древесно-волокнистая
плита высокой плотности, см. главу 2.5.4) и запрессован.
Существует несколько важнейших видов элементов ламинатных полов [41]:
. HPL(High Pressure Laminat) — элемент ламинатного пола с поверхностью из
слоистого прессованного материала с декоративной высокой печатью;
. CPL(Continous Pressure Laminate) — элемент ламинатного пола с поверхностью
из слоистого прессованного материала с рисунком непрерывной штамповки;
• DPL(Direct Pressure Laminat) — элемент ламинатного пола с поверхностью,
которая прессуется непосредственно на подложке;
• EPL (Electronbeam Laminat) — элемент ламинатного пола с поверхностью,
отвержденной электронным (катодным) излучением;
• PDL (Printed Direct Laminat) — ламинат прямого печатания (см. главу 3.1.6.9.2).
Особенности ламинатных полов описаны в следующих нормативных документах: EN 13129, EN 14978 и prEN 15486.
2.5.2. Шпон
Слово «furnier» было заимствовано в XVI столетии из французского «fournir»
и означает процесс, когда менее ценную древесину покрывают слоем ценной
породы древесины. Сегодня понятие «шпон» нормировано и означает «тонкий
лист древесины, который отделяется путем лущения, строгания или пиления
от бревна или части бревна». В начале XIX столетия удалось механизировать
технологические процессы получения шпона, и с установкой первых строгальных станков в Гамбурге (1870 г.) возникло промышленное производство шпона. Если еще в 60-х гг. прошлого столетия шпон был доминирующим материалом поверхности, то с 70-х гг. приобрели значительный вес меламиновые и
декоративные полимерные пленки.
К настоящему моменту шпон потерял свое господствующее значение. Шпоны стандартизируются как понятие в DIN 68330, а по толщине, измеряемой
относительной влажности и допустимым погрешностям — в DIN 4079. В DIN
68330 разделяют шпоны по способам получения (строганный, лущеный, пиленый), а также по назначению (защищающий, упрочняющий, для внутренней
облицовки и т.д.).
Ламинатом (от латинского «lamina» — слой) называется многослойный синтетический (полимерный) материал из термореактивной пластмассы, который получается путем прессования
и склеивания по меньшей мере двух слоев из одинакового или различного материала.
42
Глава 2. Древесина и древесные материалы
2.5.2.1. Получение шпона
Шпон получают из круглого лесоматериала, который после вырезания дефектов древесины сортируется по нужной длине бревен. Древесная порода,
высота дерева, диаметр бревна и желаемый рисунок шпона имеют решающее значение в том, как будут разделываться каждый раз отдельные бревна
на шпоны и далее перерабатываться. Бревна, из которых должен быть получен
шпон лущением, как правило, сначала пропаривают, затем разрезают поперек на мерные длины и снимают кору (окоряют). Бревна, которые должны перерабатываться в строганый шпон, как правило, сначала разрезают поперек,
затем избавляются от коры, обтесывают и пропаривают. В результате пропаривания древесина получает сначала желаемый цвет или путем его изменения, как, например, красноватый цвет бука, или путем усиления цвета в случае
ореха, красного дерева и груши. Лишь небольшое количество древесных пород (например, клен, береза, липа) перерабатываются без предварительной
обработки.
После пропаривания получение шпона происходит различными методами,
преимущества и недостатки которых кратко описаны в таблице 2.14.
Пиленый шпон
Пиленый шпон толщиной от 1 до 4 мм и более делается сегодня только в
особых случаях. Преимущественно шпон получают путем обработки без снятия стружки.
Строганный шпон
Существуют следующие виды плоского строгания:
Echt-Quartier-Messern (строгание с получением шпона радиального);
Flach Quartiermesern (строгание с получением шпона тангенциального);
Faux-Quartiermesern (строгание с получением шпона полурадиального).
Различные способы получения шпона представлены на рис. 2.9.
Лущеный шпон
Для высококачественных пород древесины, таких как береза и декоративные свилеватые (узорчатые) древесные породы (орех, тополь, ясень и др.),
чурак запиливается в продольном направлении так, что при каждом обороте
образуется один лист. Таким образом, получается шпон с примерно одинаковым рисунком. Если вставить чурак в лущильный станок не точно по его оси, а
эксцентрично, то при каждом обороте только часть чурака доводится до ножа,
описывающего внешнюю дугу окружности. При этом способе, названном эксцентрическим или лущением шпона «в полдерева», получаются почти одинаковые по ширине листы шпона с рисунком, имеющим особенности строганного шпона. Дальнейшим развитием этого способа является так называемое
«Stay-Log» - лущение.
Шпон «fineline»
Шпон «fineline», названный дизайнерским, основывается на патенте Вилльямсона (1935 г.). При этом методе из древесины большого размера получается лущеный шпон нужного размера. После отбеливания и крашения листы шпона в
заранее установленной последовательности цветов снова склеивают в блоки в
горячих пресс-формах (карбамидные клеи). Окрашенные блоки с помощью различных техник переработки восстанавливаются до шпона с желаемым остаточным изображением или желаемым дизайном. При этом способе прежде всего
используются отбеленные сорта древесины тополя, липы и триплохитона твердосмолового. При этом необходимо обратить внимание на то, что шпон «fine-
Глава 2. Древесина и древесные материалы
43
Таблица 2.14. Виды шпона в зависимости от процесса получения
Вид шпона
Преимущества
Недостатки
Круглый
лущеный шпон
Большая ширина листов шпона; рационально получать при
больших объемах
Большие потери; не повторяющаяся текстура, с широкими прожилками, не характерная текстура; рваный край правой стороны
Эксцентрический
лущеный шпон
Получение экономичное; текстура сходная со строганым
шпоном; область применения,
как у строганого шпона
Большие потери;
ограниченная ширина листов
шпона; рваный край правой
стороны
Строганый шпон
Возможно получение шпона большой длины с гладкой
поверхностью;текстура в зависимости от направления разреза: простая (радиальный разрез) или с прожилками (тангенциальный разрез)
На тонком прожилке на правом
крае возможно обесцвечивание
при пропаривании;листы шпона
могут различаться внутри блока
по ширине
Пиленый шпон
Не требуется предварительная
обработка; сохраняется естественный цвет древесины; отсутствие трещин и напряжений
Большие потери из-за отходов
(опилок); поверхности шероховатые от пилы и часто неровные
line» на основе древесины тополя под
действием УФ-излучения (солнечный
свет) очень сильно желтеет и должен обрабатываться солнцезащитным лаком.
Дополнительно нужно знать, что шпон
«fineline» обладает гораздо большей впитывающей способностью, чем стандартный древесный шпон.
2.5.2.2. Переработка шпона
В зависимости от процесса получения шпоны имеют трещины, разрывы от
строгания или лущения, которые появляются на стороне, прилегающей к ножу. Эта сторона листа, обращенная к
сердцевине ствола, называется также
«правой стороной». Она неровная, шероховатая и может быть причиной проблем переработки при морении (бейцевании) и лакировании.
Рис. 2.9. Рисунки на срезе при использовании различных способов получения шпона: вверху—лущение, в середине — строгание с получением шпона радиального, внизу — строгание с получением шпона полурадиального (Источник: Deutsche Guetegemeinschaft Moebel
e.V. — Немецкое общество качества мебели «Мебель, которая не должна ничего скрывать»
(Moebel, die nichts zu verbergen haben) — зарегистрированное общество).
44
Глава 2. Древесина и древесные материалы
Строганый шпон преимущественно используется как облицовочная фанера (фанера из древесины ценных пород). Наклеивание облицовочного шпона имеет целью придать декоративный вид поверхности. Тонкий эксцентрический лущеный шпон, или полученный по методу «Stay-log», также служит для
облицовки. Большая часть лущеного шпона применяется, как подоблицовочные (упрочняющие) слои фанеры.
Для усиления декоративного вида поверхности шпон выбирают так, что после составления возникает зеркальная (симметричная) картина. Это достигается путем так называемого переворачивания. Переворачивание одного из
двух лежащих друг на друге штабелями листов шпона вокруг продольного или
поперечного шва называется простым опрокидыванием. Вследствие этого
всегда рядом друг с другом лежат одна гладкая и одна шероховатая сторона,
и, естественно, есть различная поглощающая способность для ЛКМ. Перед
покрытием нужно предварительно шлифовать поверхности. Важным для переработки является также тщательное заклеивание стыков, швов, так как изза разбухания или усушки склеенных друг с другом листов шпона места склеивания могут разрываться.
2.5.3. Древесные материалы из стружек
Древесные материалы из стружек получили всеобщее признание на рынке древесных материалов. При этом самое большое значение в изготовлении
мебели получила древесно-стружечная плита (ДСП). Их промышленное изготовление началось в 40-х годах последнего столетия в Германии. Путем развития ДСП должен был увеличиться коэффициент полезного действия применения деревьев, который в те времена составлял около 40%. Первая в мире
установка на 10 т ДСП была сдана в эксплуатацию в Бремене. После Второй
мировой войны началась история успешного развития применения древесностружечной плиты, которая длится до сегодняшнего дня.
ДСП получают, прессуя древесные стружки различных размеров вместе со
связующим (в большинстве случаев органические клеящие вещества или смолы) при воздействии температуры.
Сырьевую базу для ДСП образуют тонкомерная древесина, отходы при распилке и переработке древесины, а также промышленная и отработанная древесина. В связи с этим коэффициент полезного использования древесины сегодня составляет уже около 80%.
В зависимости от функциональности и цели применения используют несколько типовых стандартов плит. Они определены в DIN EN 312. В этом документе перечислены необходимые характеристики 7 типов плит (Р1-Р7). Различают ДСП в зависимости от общего назначения, несущие и допускающие
большую нагрузку внутри помещений и в условиях повышенной влажности.
Различные древесно-стружечные плиты могут поступать в продажу как необработанными, так и с улучшенной поверхностью, причем преимущественно
используются следующие методы обработки поверхности:
• облицовка шпоном толщиной между 0,5-2,0 мм;
• покрытие синтетическим полимерным материалом по DIN 68765 путем
прессования плит с подложкой из бумаги, пропитанной отверждаемыми
смолами;
• пленочное покрытие;
• покрытие жидкими ЛКМ.
Глава 2. Древесина и древесные материалы
45
Для покрытия преимущественно применяются особо гладкие поверхности
плит или поверхностные слои древесно-волокнистых плит со сниженной способностью к набуханию. После изготовления плит проводят тонкое калибровочное шлифование их поверхности для устранения грубой структуры и шероховатости, которые после нанесения покрытия становятся отчетливо видны.
При использовании тонких гибких стружек достигается однородность поверхности, которая, исходя из вышесказанного, является немаловажным достоинством. С такими стружками может быть достигнута более высокая объемная
плотность, особенно в середине узких поверхностей плит. Здесь Л КМ может не
так глубоко проникать, как в узкой поверхности плит, которые производятся из
более толстых и коротких стружек.
Чтобы достигнуть более или менее хорошей водостойкости, при получении
плит добавляется воск (парафины). Если на поверхности древесно-стружечной
плиты имеется слишком много парафинов, то они могут быть причиной дефектов в структуре лакокрасочного покрытия в дальнейшем. Это могут быть дефекты в форме лунок, глянцевых точек, проколов или отслаивания.
Формальдегид в древесных материалах
Формальдегид является микропримесью в древесине и компонентом связующего вещества обычных древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит9
(см. главу2.5.4), которые могут применяться как материалы основания для определенных типов полов, мебельных конструкций, а также в строительстве.
Формальдегид — сильный раздражающий газ с высокой токсичностью и,
как доказано в лабораторных опытах на животных, канцерогенный. Согласно
новым исследованиям формальдегид, вероятно, канцерогенен и для людей
при определенных условиях [42]. Современное законодательство в Германии
предусматривает ограничение выделения формальдегида в 0,1 р р т (класс
эмиссии Е1) для древесных материалов и продукции из них, например, мебели (см. также главу 9.2). В настоящее время у некоторых производителей
существует добровольное ограничение в 0,05 р р т с применением специальной экологической маркировки и обозначением качества, а также собственных обязательств. Согласно Марутцому [42] значение в 0,05 р р т для покрытых (обработанных) древесных материалов является показателем технического уровня производства.
Дальнейшее снижение эмиссий формальдегида на уровень концентрации
в 0,03 ррт связано с дополнительными расходами (до 20%), в частности изза увеличения временных затрат в процессе производства, а также более высоких затрат на клеящие материалы. Так называемая безэмиссионная плита'0
вызвала бы удорожание производства на 40-50%.
Некоторые производители получают плиты с использованием клеев, не содержащих формальдегид, и эти плиты обозначают «без формальдегида — выросшее в естественных условиях дерево».
В случае древесных материалов эмиссия формальдегида в Европе с 1977 г.
сократилась в 30 раз, как видно из рис. 2.10.
Формальдегидсодержащие клеящие вещества (или связующие) применяются также для получения плит из массива дерева, BSH, KVH и других древесных материалов.
Безэмиссионных плит в принципе не существует, так как дерево, выросшее в природных условиях, уже содержит формальдегид.
46
Глава 2. Древесина и древесные материалы
Рис. 2.10. Снижение эмиссий формальдегида в Европе
В результате полной изоляции поверхности плит класса Е1 значение эмиссии может, согласно EN 717-1, снизиться до 0,02 р р т . Можно исходить из того, что древесные материалы класса эмиссии Е1 для покрытых изделий, таких
как мебель, ламинат и двери, в будущем не будут доставлять никаких проблем.
Для особо чувствительных к выделению формальдегида случаев использования древесных материалов ведется работа по учреждению нового класса
эмиссии Е 0,03 (0,03 р р т ) . Общая проблематика эмиссии с поверхностей древесины и мебели специально описывается в главе 9.2.
OSB-плиты
OSB-плиты с ориентированными стружками (oriented strand board), согласно DIN EN 300, — многослойные плиты из длинных гибких древесных стружек
(strands) с заранее предопределенной формой и толщиной, изготовленные с
использованием связующего вещества. По DIN EN 300, различают 4 вида OSBплит, причем OSB/1 и OSB/2 предпочтительно используются в изготовлении
мебели и внутри помещений, а OSB/З и OSB/4 — в области строительства.
Многие производители, получившие разрешение строительного надзора, выпускают и собственные варианты плит с хорошими характеристиками. Классическая OSB-плита состоит из трех слоев, причем, стружки внешних слоев
ориентированы параллельно длине или ширине плит. Стружки среднего слоя
могут быть ориентированы случайным образом. Однако надежнее перпендикулярная ориентация по отношению к внешним слоям. Хорошие механические
свойства привели к тому, что OSB-плиты применяются в деревянном строительстве для несущих конструкций, таких как придающая жесткость, деревянная обшивка для стен и потолка. Для внутреннего применения (строительство
торговых ярмарок, полы) уже много лет они используются с промышленным
покрытием УФ-отверждаемыми ЛКМ. OSB-плиты относятся к так называемым
техническим продуктом древесины (engineered wood products), к которым относятся и такие материалы, как LSL (laminated strand lumber — стружка из пиломатериала ), PSL (шпон из древесины) и LVL (laminated veneer lumber — однослойная фанера).
Глава 2. Древесина и древесные материалы
47
2.5.4. Древесноволокнистые плиты
MDF является относительно новым древесным материалом, промышленное производство которого было начато в 1965 г. в США фирмой Allied Chemicals. В Европе MDF-плиты производились в ГДР с 1973 г. [43]. В ФРГ лишь
в 1987 г. был сдан в эксплуатацию первый завод по выпуску MDF.
Древесно-волокнистые плиты средней плотности MDF (MDF — Medium Density Fiberboard) получаются методом сушки. Они обнаруживают очень однородную структуру и закрытую поверхность, производятся из очень тонких
древесных волокон, в Европе — преимущественно из хвойных пород. Объемные плотности стандартных плит, выпускаемых в Европе лежат между 600 и
800 кг/м3. Различают плиты с высокой плотностью (HDF), со средней плотностью (MDF), легкие (LDF) и сверхлегкие (ULDF) (таблица 2.15). Объемная плотность HDF-плит составляет от 850 до 1100 кг/м 3 .
В начале производства древесно-волокнистых плит использовалось от 2 до
12% клея относительно высушенных волокон [44, 45], а в настоящее время для
Недоля клея равна 18% а для MDF—12%.
Более 90% всех MDF-плит производятся с использованием карбамидных
смол, так как они допускают более быстрое отверждение в процессе производства и благоприятно сказываются на цене изделия. Преимуществом
этих древесно-волокнистых плит даже по отношению к продукции из массива древесины является абсолютная однородность состава. А по отношению
к древесно-стружечной плите важным свойством MDF является высокая четкость торцовых профилей, особенно когда речь идет об узком радиусе [46].
Так, сегодня с помощью MDF появилась возможность изготавливать трехмерные объекты мебели. Это стало возможно потому, что MDF-плиты имеют равномерную плотность и однородное распределение волокон по сечению плиты
по сравнению с другими плиточными материалами (см. главу 3.1.9 «Порошковые лакокрасочные материалы»). Наибольшее значение имеют древесноволокнистые материалы в области половых покрытий (HDF), изготовлении мебели (MDF) и строительстве (LDF, ULDF). Нормированные величины для MDF
регламентированы в DIN EN 622-5. Наряду с типом плит MDF (для применения
в мебельной промышленности) имеются еще плиты общего назначения для
использования в среде повышенной влажности (MDF.H), а также несущие плиты для сухой (MDF.LA) и влажной (MDF.HLS) среды.
Покрытие древесно-волокнистых плит жидкими лакокрасочными материалами
MDF-материалы прекрасно подходят для покрытия поверхностей жидкими
ЛКМ. В отличие от древесно-стружечных плит ребра (узкие поверхности) MDF
хорошо окрашиваются. При обработке поверхностей пользуются в основном
двухкомпонентными полиуретановыми лаками, УФ-лаками, а также водными
ЛКМ. Для окрашивания MDF-поверхности годятся, в принципе, все известные
лакокрасочные системы для древесины. Правда, при обработке фрезерованных ребер и профилей (во избежание образования трещин) рекомендуется
предварительное изолирование этих очень впитывающих зон подходящими
материалами [47, 48]. Наиболее остро проблема образования трещин на поверхности ребер в покрытии MDF-плит проявилась в 1987-1991 годы [49-52].
Тогда это было вызвано следующими причинами:
• различной способностью к набуханию и связанными с ней объемными колебаниями при изменении влажности в области ребер MDF-плит;
48
Глава 2. Древесина и древесные материалы
• применением MDF-плит со слишком малым сопротивлением к поперечной тяге (EN 319) < 0,8 н/мм2;
• неравномерной плотностью по сечению плиты (см. также рис.3.1.9.6);
• дефектами фрезерной обработки;
• применением плохо подобранных и хрупких лакокрасочных систем;
. шлифовкой используемых в те времена двухкомпонентных полиуретановых или ненасыщенных полиэфирных заполнителей до грунтового покрытия (узкие поверхности);
• отсутствием изолирующих лакокрасочных систем или специального изолирующего грунтования для закрепления волокон древесины в области
кромки перед покрытием двухкомпонентными полиуретановыми или
ненасыщенными полиэфирными наполнителями (см. главу3.1.4. «2К-ПУРматериалы» и 3.1.5 «Ненасыщенные полиэфиры»).
С этого времени происходит развитие так называемого изолирующего грунтования на базе 2К-полиуретановых составов для закрепления древесных волокон в области фрезерованных краев и разреза. Используемые изолирующие грунтовки имеют очень небольшой сухой остаток < 20%, и они очень маловязкие, благодаря чему легко проникают в древесину. С введения изолирующей грунтовки, которая наносится методом экструзии, больше не было существенных рекламаций, связанных с образованием трещин в зоне кромочной поверхности.
Чтобы контролировать устойчивость к образованию трещин окрашенных поверхностей MDF перед изготовлением мебели, развивались новые методы
контроля различными контролирующими институтами совместно с производителями ЛКМ.
На основе разработанных методов контроля (например, воздействие перемены климата) Л КМ сегодня проверяются на при годность для различныхсортов
MDF. Современные способы окраски MDF действуют уже несколько лет в комплексе с эластичными и одновременно изолирующими 2К-полиуретановыми
заполнителями. Так, во многих случаях можно отказаться от предварительного изолирования с помощью жидких материалов. Несмотря на эти достижения, комбинации из изолирующего грунта с 2К-полиуретановыми или ненасыщенными полиэфирными заполнителями все еще самый надежный способ
(см. главу 3.1.4 и 3.1.5).
2.5.5. Легкие строительные материалы
В результате дефицита сырьевых ресурсов, повышающейся нагрузки на
окружающую среду и ужесточаю щихся директив, законов и налогов в будущем облегченная конструкция станет основным принципом экономически выТаблица 2.15. Типы древесно-волокнистых плит в соответствии с DIN EN 316
Тип древесно-волокнистой плиты
Объемная плотность в кг/м3
ULDF (ультралегкая MDF)
> 450 и < 550
LDF (легкая MDF)
<650
MDF
> 650 и <800
HDF (MDF высокой плотности)
<800
Глава 2. Древесина и древесные материалы
49
годных сооружений [53, 54]. При анализе тенденций развития потребительского рынка 2/3 опрашиваемых согласились, что в будущем древесные материалы станут заметно легче [55].
В настоящее время нет однозначного определения понятия легких строительных материалов. По определению Толе [56], легкими строительными материалами являются изотропные или анизотропные материалы, объемные
плотности которых меньше объемных плотностей применяемых сырьевых
материалов, или когда в случае сырьевого материала его структура обладает моно- или бинаправленной твердостью без повышения плотности. По Стошу [57], в зависимости от объемной плотности (р) можно провести следующее
разделение:
. легкий строительный материал (р < 500 кг/м 3 );
. экстралегкий строительный материал (р < 350 кг/м 3 );
. ультралегкий строительный материал (р < 200 кг/м 3 ).
По этому делению фирменные столярные плиты, легкие блочные древесные материалы и, соответственно, древесно-стружечные плиты также подпадают под эту категорию. Тем временем появляются еще более легкие строительные материалы [58-63], причем особо заявляет о себе концепция «щит с
сотовым наполнением» [53]. В принципе, он не является новым изобретением, так как уже десятилетия применяется в производстве дверей. В комбинации с внутренней вращающейся рамой, так называемой Board on Frame, он
уже применялся в 60-е гг. В качестве примера можно привести кухни «SieMatic 6006» и «PC-System» Floetotto. В 1982 г. к этой концепции вернулась фирма ИКЕА и вместе с мебельной линией LACK она была повторно внедрена в
мебельную индустрию. Покрытие материалов «Board on Frame» описывается
в главе 3.1.6.
Список литературы
1. Albin, F., Dusil, R., Feigl, H. H., Froelich, H. J., Funke: Grundlagen des Moebelund Innenausbaus, DRW-Verlag, 1991.
2. Brickenstein, R.: Holz ein traditioneller Werkstoff mit Zukunft. In: WKI-Bericht
Nr. 33 1998, Bauen mit Holz und Holzwerkstoffen, Braunschweig, 1998.
3. M. Hoelzel, M.: Der Bau- und Werkstoff Holz ist und bleibt im Wettstreit der
Rohstoffe konkurrenzfaehig, Holz-Zentralblatt Nr. 79, 1997.
4. Holz - Rohstoff der Zukunft, Informationsdienst Holz, Deutsche Gesellschaft fuer
Holzforschung (DGfH), 2001.
5. Rothkamm, M., Hansemann, W., Boettcher, P.: Lack Handbuch Holz, DRW-Verlag, 2003.
6. Pecina, H., Papryzycki, O.: Lack auf Holz, Hrsgb. Ulrich Zorll, Curt R. Vincentz Verlag,
1995, S. 15-22.
7. Boettcher, P. :OberflaechenschutzwitterungsexponierterBauteile. In: WKI-Bericht Nr. 33
1998, Bauen mit Holz und Holzwerkstoffen, Braunschweig 1998.
8. Boettcher, P.: Beschichtbarkeit von Holz und Holzwerkstoffen. In: Berichtsband des
DFO-Lehrgangs Lackieren von Holz- und Holzwerkstoffen, 1999, Braunschweig
9. R. Wagenfuehr, R. und Pecina, H.: Untersuchungen an Tropenhoelzern ueber das
Eindringen von Polyesterlacken; Holztechnologie 7 (1966) 1; S. 43-47
10. Duellmann, H., Goerk, W.; Moebeloberflaechen, Holzkosmetik —vom Furnierschnitbis
zum Maserdruck; Hrsgb. Dr. Kurt Herberts &Co.,Lackfabriken—ChemischeWerke,Wuppertal, 1966
50
Глава 2. Древесина и древесные материалы
1 1 . Volker Thole, V.: Neue Holzwerkstoffe,
WKI-Bericht33, 1998.
Bauen mit Holz- und Holzwerkstoffen,
12. Volker Thole, Ein weites Feld, HK 1 1 , 1998, S. 5 8 - 6 0
13. Burmester, A. : Formbestaendigkeit von Holz gegenueber Feuchtigkeit, Grundlagen
und Verguetungsverfahren, BAM-Bericht Nr. 4, Berlin, 1970, Seite 179
14. Emmler, R.: Auf das Traegermaterial kommt es an, Zeitschrift: boden-wand-decke,
5/1999, S. 5 8 - 6 3
15. Dittrich,H.:OberflaechenschaedenundTrocknungsstoerungendurchHolzinhaltsstoffe
bei der Oberflaechenbehandlung von Hoelzem, Kompendium Holz, Holz Verlag Mering
Kapitel 289.
16. Gruber,E.:OekologieundOekonomiedernachwachsendenRohstoffe,Makromolekulare
Chemie, Online-Skript der TU-Darmstadt, 2000, URL: http://www.cellulosepapier.
chemie.tudarmstadt.de/VorlesungenVeranstaltungen/Vorlesungstexte slides/
Vorlesungstexte.html.
17. Sandermann, W., Braun, D., Augustin, H.: Ueber ungewoehnliche mineralische
Einlagerungen in tropischen Hoelzem, S o n d e r d r u c k a u s «Holzals Roh- undWerkstoff»,
Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, Band 23, 1965, S. 87-96
18. Sandermann, W., Dietrichs, H.-H., Puth, M.: Ueber die Trocknungsinhibierung von
Lackanstrichen auf Handelhujzem, Sonderdruck aus «Holz als Roh- und Werkstoff»,
Springer-Verlag, Berlin-Goettingen-Heidelberg, Band 18, 1960, S. 6 3 - 7 5 .
19. Roffoel, E.,Schaefer, M.: DieBedeutungderExtraktstoffedesHolzes,Teil2:DerEinfluss
der Extraktstoffe auf die Verleimung, Holzzentralblatt Nr. 115, 1998, S. 1640.
20. Duellmann, H., Goerk, W.: Moebeloberflaechen - Holzaesthetik-vom Fumierschnittbis
zum Maserdruck, W u p p e r t a l : Dr. Kurt Herberts & Co., 1966.
2 1 . Sandermann, W., Rothkamm, M.: pH-Werte von Handelshujzern, 1959, Holz als Rohund Werkstoff, 17, 4 3 3 - 4 4 1 , Springer-Verlag Berlin-New York.
22. Dietrichs, H.-H.: Holzkunde, 1978, BM Bau- und Moebelschreiner, Sonderheft der
chemisch-technologischen Merkblaetter, Konradin-Verlag Robert Kohlhammer Stuttgart.
23. Oberflaechenbehandlung von Holz im AuSsenbereich, Merkheft 1 1 , Deutsche Gesell
s c h a f t f u e r Holzforschung, Muenchen 1998, 2. Auflage.
24. Anforderungenan Beschichtungssystemevon Holzfenstern und Haustueren, VFF-Merb
lattHO-03, 1999.
25. PeterBoettchern;AnstrichefuerHolzundHolzwerkstoffeimAuSsenbereich,Informations
dienst Holz, 1999, Arbeitsgemeinschaft Holz e.V.
26. Rapp, A. O., Willeitner, H.: Holzschutz, Vorlesungsmanuskript im Studiengang Holzwirtschaft an der Universitaet Hamburg, Fachbereich Biologie, Hamburg 2004.
27. URL: http://www.holzfragen.de/seiten/hsm2001 .htm http://www.holzfragen.de/seit
en/hsm_2001.htm.
28. Niemz, P.: Holzphysik, Vorlesungsmanuskript, Institutfuer Baustoffe, Eidgenoessische
Technische Hochschule Zuerich, Juni 2006.
29. Mair, P.: Modifiziertes Holz - Der Markt der Zukunft; Zeitschrift Deutscher Gartenbau,
27/2006, S. 1 0 - 1 2 .
30. URL: http://www.treffpunkt-fenster.de/16838.html (Sikkens bietet spezielle Oberflfl
chengewaehrleistung fuer Accoya-Holz), 12.09.2006.
3 1 . Patentschrift WO 2004/033171 A 1 , BASF, 2004.
32. Kuersten, E.: Moeglichkeiten «neue geschaffener»
Nr. 83/2005, S. 1101.
33. Kuersten, E.: Moeglichkeiten
Nr. 83/2005, S. 1 1 0 1 .
«neue geschaffener»
Holzarten,
Holz-Zentralblatt,
Holzarten,
Holz-Zentralblatt,
Глава 2. Древесина и древесные материалы
51
34. Junghans, К., Niemz, P.: Behandlungsintensitaet bestimmt Thermoholzqualitflt, HolzZentralblatt, 7. April 2006, Nr. 14, S. 412.
35. Vogt, D. ect.: Wood-Plastic-Composites (WPC), Maerkte in Nordamerika, Japan und Europa mit Schwerpunkt auf Deutschland, Studie vom Nvoa-lnstitut, Huerth, September 2005.
36. Gahle, C: WPC mit Thermoverfahren raeumlich umformbar, Holz-Zentralblatt, Nr. 2,
13.01.2006.
37. Gahle, C: Ikea nimmt WPC-Stuehle ins Programm, Holz-Zentralblatt, Nr. 14, 7.04.2006, S. 409.
38. Steffen Tobisch; Methoden zur Beeinflussung ausgewaehlter Eigenschatten von dreila
gigem Massivholzplatten aus Nadelholz, Dissertation, Universitaet Hamburg, 2006.
39. URL: http://www.parkett.de/parkett/geschichte.html.
40. URL: http://www.kaehrs-parkett.de/uk EP.php.
41. Merkblatt: Verlegen von Laminatfussbodenelementen, erstellt durch den Verband der
europaeischen Laminatfussbodenhersteller e.V. (EPLF), deutsche Ausgabe 08, 2006.
42. Marutzky, R.: Formaldehyd in der Holz- und Moebelindustrie: Anwendungen, Emissionswerte und aktuelle Entwicklungen, 1. Fachtagung Holztechnologie - Holzwerkstoffe
und Beschichtungen, November 2006, Darmstadt, Hanser Verlag.
43. Kehr, E.: Beitrag zur Kurzzeitfestigkeit und zum Dauerstandverhalten von MDF der ersten Generation, Holz als Roh-und Werkstoff 51, S. 229-234, 1993.
44. Deppe, H-J., Ernst, K.: MDF-Mitteldichte Faserplatten, DRW-Verlag, Auflage 1, Juli 1996.
45. Koster, R. J. A.: Die Entwicklung von Leimen fuer MDF, Holz-Zentralblatt 116, 1990, S. 104.
46. Deppe, H-J., Ernst, K.: MDF-Mitteldichte Faserplatten, DRW-Verlag, Auflage 1, Juli 1996.
47. Gehrts, E., Kranz, U.: Kantenrisse in lackierten MDF-Platten, Zeitschrift BM, Nr. 11,
1991, S. 67.
48. Unbekannt: MDF- Der neue Holzwerkstoff (5), Holz- und Kunststoffverarbeitung (HK),
Nr. 5, 1988, S. 498-499.
49. Baucks: MDF-Platten und ihreOberflaechenbehandlung, Holz-Kunststoff, Nr. 2,1990, S. 20.
50. Unbekannt: Lackieren von MDF, Zeitschrift BM, Nr. 7, 1988, S. 64-65.
51. Risius, H., Epple, A.: Lackrissesindvermeidbar, Holz- und Kunststoffverarbeitung (HK),
Nr. 7/8, 1989, S. 900-901.
52. Unbekannt: Arbeiten mit MDF - Oberfloechenbehandlung von MDF-Materialien, Der
deutsche Schreiner und Tischler, Nr. 2, 1988, S. 40-41.
53. Thuemen, H., Poppensieker, J.: Wabenplatten im Moebelbau, Bundesforschungsan
staltfuerForst- und Holzwirtschaft und Universitaet Hamburg, ArbeitsberichtNr. 2,2005.
Holzwirtschaft und Universitaet Hamburg, Arbeitsbericht Nr. 2, 2005.
54. Thuemen, H., Poppensieker, J.: Wabenplatten im Moebelbau sinnvoll einsetzbar, HolzZentralblatt, Nr. 2, Januar 2006, S. 50-51.
55. Knauf, M.; Fruehwald, A.: Trendanalyse Zukunft Holz - Delphistudie zur Entwicklung der
deutschen Holzindustrie, Abschlussbericht 2004.
56. Thole, V.: Leichte Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, Vortrag, Braunschweig 2004.
57. Stosch, M.: Design und Konstruktionvon Leichtbaumoebeln, Vortrag zum 10 Jowat Symposium, 2004.
58. Stosch, M.: Leichtbau gewinntan Gewicht, BM Spezial - Leichtbauwerkstoffe, Konradin
Verlag Robert Kohlhammer GmbH Stuttgart, 2006, S. 8-12.
59. Leichtbau: keine ganz leichte Angelegenheit, Holz-Zentralblatt, Nr. 2, Januar 2006,
S.49u. S. 53.
60. Mueller, M., Hultsch, В., Teischinger, A.: Leichtbau - wichtiger Trend bei Holzwerkstoffen, Holz-Zentralblatt, Nr. 33, August 2006, S. 953.
61. Bloettscher, H.: Fixim Mass und Prozess, BM Spezial - Leichtbauwerkstoffe, Konradin
Verlag Robert Kohlhammer GmbH Stuttgart, 2006, S. 14-17.
52
Глава 2. Древесина и древесные материалы
62. Soine, H.: Ein neuer Holzwerkstoff fuer die Moebelindustrie? Holz-Zentralblatt, Januar
2004, S. 62.
63. Grell, R.: Leichte Werkstoffe und Sandwiches a la Carte, BM Spezial -Leichtbauwerk
i, Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH Stuttgart, 2006, S. 3 4 - 3 5 .
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
53
Глава3.Лакокрасочныесистемыпокрытий
для окраски древесины и древесных
материалов
В зависимости от назначения различают два типа лакокрасочных материалов (ЛКМ) - для внутренних и для наружных работ, например, для окраски
окон, мебели или деревянных фасадов домов и т.д. Различные требования для
внутренней и внешней области применения окрашенных изделий предполагают отдельное рассмотрение этих систем покрытий. При этом основное внимание будет уделено системам промышленных лакокрасочных покрытий для
древесины, изделий из нее и бумаги, хотя в промышленном производстве отделки древесины большое значение имеют также пластиковые покрытия, используемые, например, для декорирования кухонной мебели.
3.1. Окраска древесины и древесных материалов,
используемых внутри помещения
В отличие от металла дерево является «живым» материалом (см. гл. 2). Поэтому для обеспечения долговечности и качества покрытий при окраске изделий из
древесины следует тщательно готовить его поверхность в соответствии с учетом выбранной технологии покрытия. Ниже приводится далеко не полный перечень факторов, оказывающих сильное влияние на качество покрытий:
• вид древесного материала или фанеры;
• состав древесины;
• тип клея (ПВА, мочевино-формальдегидная или фенолформальдегидная
смолы);
. вид и способ прессования фанеры — горячее или холодное прессование;
• изменение влажности древесины в эксплуатации, особенно для массивных объектов;
• шлифование поверхности древесины: материал и размер шлифовального зерна, а также направление шлифования (продольное или поперечное
относительно волокон);
• температура и влажность воздуха в окрасочной камере, а также в процессе сушки;
• параметры окраски, такие как вязкость, температура, количество наносимого вещества, условия сушки и отверждения.
Для внутренних работ при окраске древесины повсеместно используются различные ЛКМ и технологии, которые внутри регионов и стран имеют разное распространение. На рис. 3.1. /.' представлены данные по структуре потребления ЛКМ при окраске древесины для внутренних работ в Западной Европе в 2003 г. (с общим объемом 377 750 т). В этом обзоре приводятся данные по 16 западно-европейским странам. Если к этому добавить восточно-европейские страны, такие как Болгария, Польша, Румыния, Россия, Словения, Чехия, Украина, Венгрия и другие, общий объем европейского рынка лакокрасочных покрытий для внутренних работ достигнет
500000 т. Данные по европейскому рынку последних лет сильно различаются
в зависимости от источника публикации. Это видно на примере публикаций
54 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
КИ — 46 420
Водные — 59 448
УФ-53 331
^
*тЯЯШт
ПЭ —39 877
^ - ~
НЦ-50 421
Общий объем ЛКМ = 377 750 тн
Рис. 3.1.1. Рынок ЛКМ для древесины 2003 г. в Западной Европе (за исключением материалов для наружных работ): НЦ — нитроцеллюлозные материалы; КИ — кислотоотверждаемые материалы; ПУР — одно- и двухкомпонентные полиуретановые материалы; ПЭ —
ненасыщенные полиэфирные материалы; УФ — отверждаемые ультрафиолетовым облучением материалы.
Asher, Brenni а также Quellen [2-5]. В заключение следует сказать, что опубликованные данные приведены для того, чтобы лучше понять вклад различных
технологий производства ЛКМ и потребности рынков.
Наибольшее распространение сегодня получили следующие типы ЛКМ:
лакокрасочные материалы, растворимые в органических растворителях:
• нитроцеллюлозные материалы;
• кислотоотверждаемые материалы;
• двухкомпонентные полиуретановые системы (2К-ПУР);
• ненасыщенные полиэфирные системы;
• лакокрасочные системы, отверждаемые УФ или электронным излучением (УФ/ЭИ);
• масла и воски;
• бейцы (морилки);
водорастворимые лакокрасочные материалы:
. краски на водной основе (одно- или двухкомпонентные лакокрасочные системы).
В Северной Европе при окраске мебели, как видно из таблицы3.1.1, предпочтение отдается кислотоотверждаемым покрытиям, тогда как в Южной Европе
(Италии, Испании), напротив, предпочитают двухкомпонентные полиуретановые ЛКМ. Применяемые в Европе технологии декорирования древесины используют ЛКМ с различным содержанием органических растворителей (рис.
3.1.2). В зависимости от технологии в рецептурах Л КМ могут быть использованы формальдегид и стирол. Между тем, согласно директиве 1999/13 EU-VOC,
тенденция развития лакокрасочной индустрии направлена на создание и использование экологичных и экономичных лакокрасочных систем, не содержащих веществ, внушающих опасения. При этом предполагается постепенная
замена материалов с высоким содержанием растворителей, таких как НЦ покрытия, кислотоотверждаемые и одно- и двухкомпонентные полиуретановые
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
55
Таблица 3.1.1. Рынок ЛКМ для древесины 2003 г. в Западной Европе
(за исключением материалов для наружных работ) [1]
Страна
НЦЛКМ
КИЛКМ
1К- и 2КПУРЛКМ
ПЭЛКМ
УФ/ЭИ
ЛКМ
Водные
ЛКМ
Прочие
продукты
Италия
4
4
35
18
22
16
1
Испания
13
5
48
10
11
10
3
Германия
26
5
34
4
10
20
1
Великобритания
21
42
10
6
6
14
1
Франция
25
9
30
11
13
12
—
Швеция
3
50
3
4
16
23
1
Дания
4
58
3
1
14
18
2
Финляндия
4
37
11
1
6
40
1
Норвегия
4
60
6
3
11
15
1
ЛКМ, на безвредные для окружающей среды УФ- и водорастворимые лаки,
а также на новые технологии производства и нанесения покрытий.
На рис. 3.1.3 представлена кривая «жизненного цикла» технологий лакокрасочных покрытий для древесины. Она показывает, что УФ- и водорастворимые покрытия находятся в стадии развития, а НЦ и кислотоотверждаемые материалы постепенно теряют свое значение. Хотя порошковые лакокрасочные
покрытия позиционируются как перспективные и развивающиеся, с уверенностью нельзя сказать, найдут ли они широкое распространение в сфере технологий для отделки материалов из древесины.
По данным INFORMATION RESEARCH (IRL), в 2003-2008 гг. доля УФ-покрытий
будет возрастать на 4,8%, а водорастворимых — на 6,6% ежегодно [1 ].
100 1
НЦ
ки
2К-ПУР
ПЭ
УФ(ЕИ)
Водные
ЛКМ
Ингредиенты: формальдегид изоцианат
стирол
мономеры
50 -
70
70
10
Содержание растворителей, %
10
Рис. 3.1.2. Доля органических растворителей в различных ЛКМ в расчете на 100 весовых частей
покрывного прозрачного лака
56
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
По данным Паулуса, доля покрытий для окраски древесных материалов,
отверждаемых излучением в Западной Европе должна возрасти с 47 300 т в
2004 г. до 102 000 т к 2015 г. [6].
При выборе ЛКМ для защитно-декоративной окраски древесины необходимо обращать внимание на следующие важные требования [7]:
. обеспечение изоляции древесины от воздействий агрессивных веществ;
• хорошая смачиваемость пор древесины;
• незначительная шероховатость древесины, подготовленной под окраску;
• хорошая эластичность покрытия для предотвращения растрескивания;
. хорошие механические свойства покрытий, обеспечивающие устойчивость к истиранию (для паркета и напольных покрытий).
Развитие
Зарождение
Зрелость
г~
ПЭ материалы
Старение
^
КИ материалы
Радиационно
отверждаемые
материалы
(УФ и ЕЙ)
Порошковые покрытия (терминески и УФ отверждаемые)
.
'Ф
^^^^^Н
^^^^^Ш
^^^^^|
^ ^ ^ Н
^ ^ 1 К и 2К полиуретановые материалы
\
^ш
sSi
Гёйй
-^*
НЦ материалы
Родорастворимые материалы
L
Рис. 3.1.3. Кривая «жизненного цикла» технологий ЛКМ для древесины, используемых в промышленности
Годовой темп прироста, %
160,000
13 оборот
2003 г., тонн
6.6%
80.000
щоборот
2008 г., тонн
+ 4.8
60,000
4.2%
-5.2%
+ 0.8%
20,000
-1.2 К
0,000
2К-ПУР
НЦ
УФ
Водные
КИ
Прочие
Рис. 3.1.4. Тенденции развития технологий окраски древесины для внутренних работ
от 2003 к 2008 г. в Западной Европе
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
57
На основании различных требований и свойств лакокрасочные покрытий при
окраске изделий из древесины внутреннего назначения подразделяются по
функциональному назначению окрашиваемой продукции: домашняя и офисная мебель, мебель для кухни и ванной комнаты, стулья, двери, музыкальные
инструменты, паркет, ламинатные полы, панели, деревянные гробы, рамы для
картин и многое другое.
Считается, что обработка поверхности позволяет полностью проявиться
структуре, естественной красоте, особенной самобытности и колориту древесины. При этом возможно достижение различных декоративных эффектов в зависимости от типа применяемых материалов: при окраске поверхностей прозрачными лаками, в случае протравливания, использования цветных полупрозрачных ЛКМ или при использовании полностью пигментированных систем.
Список литературы
1. Marktstudie: THE WESTERN EUROPEAN MARKET FOR INDUSTRIAL WOOD COATINGS,
Information Research (IRL), 5. Edition, April, 2004.
2. Asher, J.: Industrial Coatings - A time of change, Financial Times, Management Report,
London, 1993, S. 27.
3. Benni, S.: Wood Coatings must adapt new technologies,The Coatings Agenda 1994, S. 105.
4. Unbekannt: Holzlacke in Westeuropa, Weltder Farben, September 1994, S. 14-17.
5. Unbekannt: Industrially applied coatings for wooden furniture, board, doors etc., excl.
Joinery, Praesentation der Firma DSM, 2006.
6. Paulus, W.: Status of UV/EB in Europe, Radtech Europe Conference in Barcelona 2005.
7. Prieto, J., Kiene, J.: Oberflaechenbehandlung von Holz im Innenbereich, Lehrbuch der
Lackeund Beschichtungen, Kittel Band 9, S. 319-351, S. Hirzl Verlag Stuttgart, Leipzig,
2004.
3.1.1. Бейцы
Слово Beizen происходит от средне- и верхнедревнегерманского слова
Beissen - жечь, щипать. Под бейцем подразумевают агрессивно действующие на объект вещества кислого или щелочного характера [1]. Бейц при обработке древесины издавна использовался и для ее окраски. Близость процесса окраски древесины к окраске тканей привела к использованию одинакового сырья и сходных технологических процессов. Задачей протравливания
является окраска и облагораживание сырой древесины. Текстура древесины
при этом не стирается, а, скорее, проявляется. Современные бейцы позволяют достигать отличных результатов — от придания небольшой легкой оттеночности натуральному дереву до сильного, яркого колорита. Специальные протравливатели позволяют, например, подчеркивать рисунок годовых колец (позитивный эффект), подчеркивание древесных пор (эффект рустики) или выравнивать оттенки. Это направление является основным при использовании
бейцев в промышленном производстве мебели, кухонной мебели, паркета и
дверей. В данном случае не рассматривается ремесленное производство, т.к.
число публикаций в этой области слишком велико.
3.1.1.1. История промышленного крашения (бейцевания) древесины
С античных времен были известны красители животного и растительного происхождения. В Средние века были открыты красящие свойства щелочей, солей
58 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
меди и железа. Самое позднее с XVIII в. для окраски древесины целенаправленно начинают применяться танины, выщелачивание (химические бейцы),
красители в форме органических соединений и солей металлов в соединении с
танинами [2]. В конце XVIII в. в столярных гильдиях произошел переход к мелкому индустриальному производству. Признаками этого процесса стали технологические методы, основанные на разделении труда, внедрение механизации и
новых материалов. В это время использовались главным образом натуральные
бейцы. В конце XIX в. начинается использование недавно открытых анилиновых
красителей. В этом веке в моду входит многоцветная фанерованная мебель с
ярко выраженной или умеренно подчеркнутой текстурой. Глянцевая политура
подчеркивала цвет и текстуру древесины. Основным фанеровочным материалом, используемым при изготовлении мебели, в те годы было красное дерево.
Однако высокий спрос и морская блокада привели к оскудению ресурсов мебельной древесины, а красное дерево стало редким и очень дорогим на рынке.
Возникла необходимость имитации красного дерева на основе местной древесины с использованием специальных протравочных рецептур.
3.1.1.2. Состав бейцев для окрашивания древесины
Основой классических покрытий для древесины является пленкообразующее
вещество. Основными компонентами в рецептуре бейцев являются красители
и/или пигменты. На рис. 3. /.5представлен общий состав разбавляемых растворителями и водорастворимых протрав. Как видно из рисунка, большая часть сырья для бейцев является компонентами обычных ЛКМ для древесины.
Красители
Красителями называются растворимые химические вещества, способные
окрашивать другие материалы. Для промышленного протравливания древесины применяют, в основном, синтетические органические красители. Используемые для протравы красящие вещества изначально использовались в текстильной промышленности. Красители классифицируются по способу их применения
(текстильная промышленность) или по химической структуре красителей.
I ^ f C I
Пигменты
} Пленкообра-
Аддитивы
Рис. 3.1.5. Основные компоненты для получения бейцев (разбавляемых растворителями
и водорастворимых) для древесины
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
59
В рецептурах бейцев применяют следующие группы красителей.
Кислотные красители (анионные)
Кислотные красители, еще называемые анионными красителями, содержат
карбоксильные, гидроксильные и, что важнее всего, сульфоновые группы и реагируют вследствие этого как кислоты Брёнстеда2. Кислотные красители используются чаще всего в виде своих натриевых солей. К группе кислотных красителей относятся азосоединения, производные антрахинона и трифенилметана.
Металлокомплексные красители
Они частично относятся к кислотным красителям и содержат в качестве центрального атомы хрома или меди. Существуют металлокомплексные красители с различным количеством кислотных групп (например -SO 3 H). Они растворимы в спиртах, гликолях, гликолевых эфирах, эфирах и кетонах. Как правило,
они не обладают достаточной светостойкостью и поэтому ограниченно применяются в мебельной промышленности.
Субстантивные (прямые) красители
Важнейшими красителями этой категории являются азосоединения и антрахинонные красители.
Активные красители
С химической точки зрения активные красители состоят из двух частей:
хромофорной части, например азосоединение, и соединенной с ней активной группой (в бифункциональных активных красителях нескольких активных
групп), например винильной сульфогруппой (ремазоловые красители) или
триазиновой. Эта активная часть химически соединяется с ОН-группами целлюлозы. Они находят свое применение в так называемых позитивных бейцах
(бейцах для хвойной древесины).
Пигменты
Пигментами называются неорганические или органические, цветные или
бесцветные красящие вещества, которые, в отличие от красителей, практически нерастворимы в используемой среде. В зависимости от назначения и
ожидаемого результата используются органические и/или неорганические
пигменты. Для древесины применяются только пропиточные пигментные составы. В отличие от красителей, пигменты в основном имеют лучшую светостойкость и химическую устойчивость. При использовании классических пигментов обращает на себя внимание то, что, по сравнению с красителями, они
обладают меньшей прозрачностью, и текстура древесины сильнее скрывается, т. е. маскируется. Поэтому уже многие годы разрабатываются специальные пигментные пропитывающие составы, которые при высокой прозрачности одновременно обладают высокой светостойкостью.
Растворители
Состав применяемых растворителей в первую очередь определяется технологией нанесения покрытий и составом используемых пленкообразующих,
красителей или пигментов. В качестве растворителей применяют эфиры, кетоны, гликоли, гликолевые эфиры, спирты, а также воду.
Пленкообразова тели
В рецептуре бейцев могут быть использованы все известные для лакокрасочных систем в деревообработке пленкообразующие, например, алкидные и акриКислоты могут отдавать протоны и являются, таким образом, донорами протонов.
60 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
латные смолы, нитрат целлюлозы, ацетобутират целлюлозы, УФ-отверждаемые
и водные дисперсии.
Пленкообразователи выполняют в рецептуре бейцев целый ряд функций:
. стабилизация пигментных составов для уменьшения седиментации
и предотвращения образования донного осадка в бочках;
. влияние на свойства, необходимые при переработке и нанесении, например, при загрузке вальцевальных машин или помоле пигментов;
• формирование декоративных эффектов, например, рустики;
• улучшение потребительских свойств, например, повышенная прочность
поверхности, адгезионная прочность в системе с лаковыми покрытиями.
Добавки
Используемые добавки подбирают по тем же критериям, что и лакокрасочные системы для древесины. При этом речь идет о пеногасителях, смачивающих агентах и диспергаторах.
3.1.1.3. Классификация бейцев
В настоящее время не существует единой системы классификации бейцев.
Существует большое число обиходных названий различных материалов для
протравливания древесины. Главным образом, это товарные названия продуктов различных производителей. Для промышленных целей наиболее часто
используют одновременно несколько свойств и условий применения бейцев.
Первой такой градацией является разделение бейцев по типу используемых
растворителей - органических или водных. Для специального применения существуют комбинированные водорастворимые системы, которые могут содержать до 60% смешивающихся с водой органических растворителей.
Другой классификацией является способ нанесения покрытий на обрабатываемую древесину, например, распыление, погружение или вальцевание.
Определенные бейцы могут быть, наконец, классифицированы по тем декоративным эффектам, которые возникают на обрабатываемой поверхности. В качестве иллюстрации можно привести следующие виды:
• растворимый в органических растворителях бейц с эффектом рустики
для нанесения вальцами;
• однокомпонентный позитивный бейц, водорастворимый3, для распыления.
3.1.1.4. Основные требования к рецептурам бейцев
При рассмотрении рецептур бейцев следует учитывать различные факторы,
в том числе технологические параметры и желаемые результаты обработки.
При разработке специальных рецептур бейцев должны учитываться:
• желаемый вид получаемых поверхностных эффектов;
• цветовое решение;
• тип древесины и подготовка поверхности (например, шлифовка);
• способ нанесения покрытия (например вальцевание с выравниванием
кистью или без) и технологические параметры (например условия сушки,
температура);
• используемые материалы и технология для основного и покрывного слоя
покрытия (например УФ-отверждаемые, ненасыщенные полиэфирные
или водорастворимые лакокрасочные системы).
Водорастворимые бейцы часто обозначают как гидро- или аквабейцы.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
61
Виды поверхностных эффектов
Важнейшими поверхностными эффектами являются позитивный эффект для
хвойной древесины и эффект рустики для крупнопористой древесины.
Позитивный эффект для хвойной древесины
Под позитивным эффектом понимается такой результат обработки поверхности, когда участки ранней древесины остаются светлыми, а участки поздней
(летней) древесины становятся темными. Это достигается комбинированным
использованием специальных кремниевых кислот и/или вощением с активными красителями.
Эффект рустики
Под эффектом рустики понимают интенсивное окрашивание пор древесины
по сравнению с поверхностью. Этот эффект весьма ценен для крупнопористой
древесины, такой как дуб и ясень, и также может влиять на разработку рецептуры. Для тонкопористой древесины (клен, береза, бук) подобный эффект, как
правило, нежелателен.
Цветовое решение (колорит)
При создании рецептур для окраски древесины светлыми тонами, главной
задачей, стоящей перед пигментными составами, является обеспечение возможно более высокой светостойкости, а также корректировка различия (разнооттеночности) в окраске древесины. Напротив, для темных цветов разработаны рецептуры, содержащие органические красители и пигменты, с целью
достижения интенсивного тонирования и повышенной яркости окраски.
Вероятно, самым важным свойством оптимальных бейцев является устойчивость к УФ излучению, так называемая светостойкость. Подбор красителя и пигмента, входящих в состав бейцев, должен быть очень точным. Одновременно,
в зависимости от состава и цветового тона, бейцы должны предотвратить или
уменьшить предварительное изменение цвета необработанной древесины.
Тип древесины и предварительная обработка поверхности
Подбор составных частей рецептуры должен быть проведен с учетом типа
обрабатываемой древесины и составляющих ее веществ (см. главу 2.4). Ингредиенты древесины могут быть причиной изменения цвета или влиять на
смачиваемость поверхности бейцами. Сильное влияние на равномерность
распределения и интенсивность окрашивания бейцами поверхности древесины, а, следовательно, и на рецептуру бейцев, оказывает технологический процесс шлифования древесины.
Способ нанесения покрытий и технологические параметры
Процесс нанесения покрытия и условия сушки определяются в значительной
степени выбором пленкообразующего, растворителя и добавок. В процессе
вальцевания, например, от твердости по Шору резиновых вальцев зависит количество наносимого состава и цветовой эффект. По этой причине необходимо, чтобы производитель ЛКМ при составлении рецептур бейцев получил
точную информацию о применяемых вальцах. Корректируя вязкость состава,
можно регулировать количество наносимого вещества.
Используемая технология нанесения покрытий
За исключением восковых составов, все бейцы после нанесения и сушки покрываются, т.е. защищаются прозрачным лаком. Лакокрасочные системы, используемые для покрытия древесины (см. гл. 3), влияют на восприятие тона
краски и поверхностные эффекты. Следует знать, что существуют лаки, ко-
62
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
торые «поджигают» или «подсвечивают» подложку. Водорастворимые лаки
склонны скорее к эффекту «подсветки», а растворимые в органических растворителя «поджигают» основу. Это необходимо учитывать при разработке рецептуры бейцев. Отбор бейцев всегда должен производиться одновременно с
лаком, используемым потребителем.
Кроме того, следует обратить внимание на то, что применение бейцев под
покрытия на основе ненасыщенных полиэфиров, содержащих стирол и гидроперекиси, а также УФ-отверждаемых лакокрасочных систем, требует специальных составов бейцев, обеспечивающих стабильность окраски и адгезию.
3.1.1.5. Промышленное применение бейцев для древесины
Водорастворимые бейцыдля окрашивания погружением
Процесс погружения используется в мебельной промышленности, главным
образом, для частей стульев, ножек столов и иногда для стульев целиком.
В этом случае используемой древесиной является в основном бук, но могут
быть также дуб и ясень. Как правило, речь идет о водорастворимых бейцах.
В прошлом это были главным образом чистые красящие протравы без добавления связующего. Современные бейцы для погружения по-прежнему создаются на водной основе, но чаще одновременно окрашиваются смесью пигментов с незначительной долей красителей. Они представляют собой водные
дисперсии, которые хорошо впитываются, создавая на поверхности слой
пленкообразующего вещества. Таким образом, регулируется степень интенсивности эффекта рустики, исключаются натеки, выравнивается впитываемость различных типов древесины, а также упрощается предварительная обработка окрашиваемой поверхности, например, шлифовки. На декоративный
эффект также оказывают влияние различные добавки в рецептуре бейцев, например, смачивающие средства и небольшие количества органических растворителей. После сушки бейца может быть произведена последующая грунтовка водным составом без образования натеков путем погружения в ванну.
А благодаря пленкообразующей части бейца может быть снижено количество
наносимого покрывного лака.
Промышленное протравливание древесины методом погружения может
быть выполнено как вручную, так и автоматически. Продолжительность пребывания в емкости для погружения составляет от 30 до 60 секунд, в зависимости от тона краски и необходимого эффекта. Последующую сушку проводят от
нескольких часов при комнатной температуре (23°С/50% отн. влажн. воздуха)
до 15-60 минут в ускоренном варианте сушки при 30-50°С в так называемой
сушилке с циркуляцией воздуха.
Бейцы, содержащие органические растворители, для распыления
Нанесение (распыление) бейцев, содержащих растворители, в промышленности часто проводится как вручную, так и с помощью плоскостных или реечных автоматов.
Протравливание мелкопористой древесины (например, клена, бука, березы)
проводят бейцами, которые наносятся всухую или туманообразно. Это достигается введением в рецептуру очень быстро испаряющихся растворителей,
чтобы добиться равномерного покрытия мелкопористой древесины без проявления пор (рустики).
Посредством небольших добавок пленкообразователя и медленно испаряющихся растворителей, при нанесении с помощью автоматов удается добиться
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
63
равномерности и избежать просветов на поверхности. Рецептуры бейцев для
крупнопористой древесины содержат значительную часть малолетучих органических растворителей, чтобы обеспечить надежное смачивание пор. Протравливание крупнопористой древесины (например, дуб, ясень) производится с большим количеством наносимого сырого материала (с избытком), чем
для мелкопористой. В большинстве случаев после нанесения покрытия излишки бейцев удаляются.
Распыление водорастворимых бейцев
Классическими бейцами для распыления в производстве стульев являются окрашивающие бейцы без пленкообразующих добавок. В качестве древесины, как правило, используются бук или буковая клееная древесина. Бейцы,
созданные по этой рецептуре (без пленкообразующего), могут наноситься
с избытком (сырого наносимого вещества) и в случае необходимости легко
удаляются. После сушки (2 ч при температуре 23°С/50% относительной влажности воздуха или 10-15 минут при ускоренной сушке при температуре от
30 до 50°С), обработанные таким образом стулья могут быть загрунтованы или
окрашены покрывным лаком с использованием как водорастворимых систем
покрытий, так и ЛКМ на основе органических растворителей.
Современные водорастворимые протравливатели отвечают всем требованиям промышленной обработки древесины, например, в части создания цветовых оттенков или учета технологических параметров.
Кроме того, помимо классических красителей также используются пигментные составы, пленкообразователи, органические растворители и аддитивы.
При обработке бейцами мягкой древесины (ель, сосна) с позитивным эффектом, количество наносимого сырого вещества составляет 60-80 г/м 2 и параметры сушки должны обеспечивать проявление эффекта. При интенсивной
сушке (30-50°С) не следует сильно вентилировать канал осушки, так как в результате завихрений на поверхности влажных бейцев может возникать волнообразная картина покрытия.
Бейцы для вальцевания
В промышленном производстве плоские поверхности покрывают с помощью вальцовых агрегатов. Первая вальцовая машина для нанесения бейцев
была выпущена приблизительно в 1968 г. Брюклем в Фройденштате [2]. При
этом бейцы наносятся вальцами из пористой резины и выравниваются так называемыми «выравнивающими щетками» в направлении волокон.
На практике применяются различные типы резиновых вальцов, отличающиеся по степени пористости. Главным образом используются вальцы с пористостью 1,2иЗ. С увеличением номера возрастает емкость резины и увеличивается количество наносимого на обрабатываемое изделие вещества. На практике
сочетание пористых и гладких вальцов используется особенно часто для создания темного эффекта пропитки. Как правило, наносят приблизительно от 10 до
40 г/м2 сырого вещества.
Для комбинированных бейцев (на смешанной водной и органической основе), которые наносятся с помощью пористых вальцов на буковую или ясеневую древесину, доля органических растворителей может составлять до 60%,
для того чтобы обеспечить хорошую смачиваемость пор. Водная составляющая придает обрабатываемой поверхности легкую шероховатость, что приводит в первую очередь к возникновению темного оттенка и к повышению адгезионной прочности.
64 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
В
itj
Р4
1
2
1
2
1. Одинарная вальцевая машина
для нанесения бейцев
2. Транспортер и зона испарения
3. Форсуночная сушка с температурой 6О-8О°С
4. Выравнивающее устройство
с двумя щетками
5. Одинарная вальцевая машина
с гладкими твердыми вальцами
для нанесения бейцев
6. Одинарная вальцевая машина
с твердыми вальцами для нанесения УФ-отверждаемой грунтовки
7. УФ-канал с двумя ртутными лампами высокого давления мощностью 80 Вт/см
8. Шлифовальная машина
9. Установка для очистки от пыли
р^
5
s&
ж:
62 7
Рис. 3.1.6. Схематическое представление основных процессов вальцового нанесения бейцев
Нанесение бейцев с помощью гладких твердых резиновых валыдев (твердость по Шору от 40 до 60) особенно хорошо использовать для окраски тонкопористой древесины.
На рис. 3.1.6представлены основные методы нанесения бейцев с использованием вальцев.
В зависимости от цветового тона количества наносимого вещества и параметров сушки бейцы сушат от 20 до 60 секунд при 60-70°С в замкнутой системе циркуляции воздуха. Для сушки применяются обычно так называемые
воздушно-паровые форсуночные сушилки со скоростью воздушного потока
от 15 до 20 м/с. Для достижения особенно прозрачных цветовых оттенков наносят специальные бейцы с последующим шлифованием УФ-отверждаемой
грунтовки (см. рисЗ. 1.6, вариант Е).
Список литературы
1. Sappel, M.: Holzbeizen - Ein Vergleichvon historischen und modernen Beizen, Vortraege
am Mittwoch, Informationsblatt30, Freilichtmuseum Hessenpark, 04.05.2005.
2. Michaelsen, H., Buchholz, R.: Vom Faerbendes Holzes- Holzbeizen von derAntike bis in
die Gegenwart, Michael Imhof Verlag GmbH & Co. KG, Petersberg, 2006.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
65
3.1.2. Нитроцеллюлозные лакокрасочные материалы
Нитроцеллюлозные покрытия по-прежнему играют важную роль для окраски
древесины и древесных материалов. Еще в 2002 г. их производство составляло 553 тыс. т, т. е. почти 30% от мирового производства лакокрасочных покрытий промышленного применения для древесины —1,8 млн. т. (см. рис. 3.1.7,
П, 2]).
В мировом масштабе рынок НЦ покрытий растет на 2-3% в год. При этом
темпы развития их применения для окраски древесины сильно отличаются в
зависимости от региона. В настоящее время наблюдается активное развитие
мебельной промышленности и применение НЦ ЛКМ в восточно-европейских и
азиатских странах. В одном только Китае производство НЦ материалов растет
на 5% в год. В Западной Европе наблюдается обратная тенденция. Часть рынка НЦ материалов, которая в 2000 г. составляла 17%, к 2003 г. уменьшилась
на 4%. Причиной этого является европейское законодательство. Это снижение потребления НЦ материалов также форсируется за счет введения в действие директивы 1999/13 (см. гл. 9.1)о применении экологически полноценных лакокрасочных систем с более низким содержанием органических растворителей, чем в классических нитроцеллюлозных рецептурах. Новые разработки в области водорастворимых и УФ-отверждаемых ЛКМ и их применения
для окраски древесины также приводят к снижению доли НЦ материалов на
европейском рынке.
3.1.2.1. История развития НЦ материалов
Начало использования нитрата целлюлозы в качестве пленкообразующего для лакокрасочных систем тесно связано с экспериментами по получению
взрывчатых веществ из целлюлозы и азотной кислоты в середине XIX в. [3].
Первое упоминание о техническом использовании нитрата целлюлозы в Л КМ
относится к 1880 г., когда в нитроцеллюлозной рецептуре в качестве пластификатора было использовано касторовое масло.
Следующий этап развития - в конце Первой мировой войны, а с 1918 г. началось поистине триумфальное шествие нитроцеллюлозных ЛКМ. В связи с возможностью пользоваться большим количеством не очень нужного пироксилина была усилена утилизация военных отходов.
Следующим толчком в развитии стало получение низковязкого коллоксилина4, который гораздо лучше подходил для рецептур покрытий, чем применявшийся до тех пор в качестве пленкообразователя нитрат целлюлозы.
Развитие производства нитроцеллюлозных ЛКМ было тесно связано и с появившейся возможностью использования новых растворителей, производимых химической промышленностью. Таким образом, нитроцеллюлозные материалы в двадцатых годах прошлого века в США смогли стать первыми серийными покрытиями для автомобильной промышленности, придя на смену
использовавшимся до тех пор масляным краскам. Благодаря быстрому высыханию эти системы справились с первым условием, необходимым для серийного производства автомобилей на конвейере. НЦ покрытие высыхало в течение нескольких часов, в то время как для масляных систем требовалось несколько дней. Первым предприятием, применившим НЦ материалы в автомобильной промышленности, стала Женераль Моторс Корпорейшен.
Нитрат целлюлозы в процессе получения образует пушистое, хлопьевидное вещество.
66
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Полиуретановые ЛКМ на основе
органических растворит!:л>'й
____
763 000
.
^ - — Г .
_
. ••••
l
£
J
" —-
щеллюлозные ЛКМ
553 000
2
ШШВШ^^^^Р
НННРЯ
РШ^^^^
ЛКМ на водной основе
Ненасыщенные полиэфиры
Ненасыщенные акрилать
68000
Кислотоотверждаемые ЛКМ
125 000
155 000
136 000
Рис. 3.1.7. Всеобщее производство НЦ покрытий в 2002 г. Рыночный сегмент:
промышленные ЛКМ для древесины, включая твердую древесину и покрытия для пола
Исследованиями технологического процесса того времени было установлено, что использование НЦ ЛКМ снижает время окраски кузова с 366 до 15 ч и
число ручных приемов с 2400 до 600.
НЦ ЛКМ было просто получать и непосредственно после получения использовать. Поэтому возникли условия для бурного развития нитроцеллюлозных
ЛКМ. В 1950 г. в США было произведено мебели с НЦ покрытием на 500 миллионов долларов.
За счет модифицирования алкидными смолами, смолами из природных жирных масел и полиэфирными смолами появилась возможность улучшить свойства НЦ ЛКМ и расширить сферу их применения.
Множество вариантов модифицирования с разнообразными типами смол сегодня позволяет находить для НЦ покрытий все новые области применения.
3.1.2.2. Составные части НЦ материалов
Основной частью рецептуры НЦ материала является нитрат целлюлозы —
основной пленкообразователь, который, как упоминалось выше, может комбинироваться с другими смолами.
На рис. 3.1.8 показаны основные компоненты нитроцеллюлозных рецептур.
Нитрат целлюлозы
Основным сырьем для нитроцеллюлозы является полисахарид целлюлоза5 основное вещество в составе древесины (см. ч. 2.4) и большинства всех растений.
Целлюлоза это полимер (1,4)-(3-глюкан[поли(1,4)-[3-0-глюкопиранозил-0глюко-пираноза] 6 [8], который состоит из примерно 3000 мономерных звеньев
и имеет молекулярную массу около 500 тыс.
В молекуле целлюлозы (см. рис.3.1.9) мономерные звенья (молекулы глюкозы) соединены друг с другом в основном линейно. Отдельные ветви молекулы
целлюлозы вытянуты параллельно друг другу и связаны между собой большим
количеством мостиковых водородных связей. Благодаря большому количеству
водородных связей целлюлоза имеет очень жесткую структуру. Натуральная необработанная целлюлоза нерастворима и не является пленкообразователем.
Для получения нитроцеллюлозы сегодня чаще всего используется целлюлоза, полученная из хвойной древесины. Нитрование проводят с помощью ниСахарид — сахар; полисахарид — полимер моносахарида.
Это означает, что молекулы глюкозы связаны между собой кислородными мостиками в позициях 1 и 4 в полимер.
6
Глава 3, Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
67
Нитроцеллюлоза
НЦ материал
Рис. 3.1.8. Основные составные части нитроцеллюлозных рецептур
н?он
О
ч
(
он
О /г—I
а^х;
он
V-О
аьон
О
он
сшои
он
сн?он
Рис. 3.1.9. Строение молекулы целлюлозы
трующей смеси, состоящей из смеси серной и азотной кислот в различном
соотношении. При этом происходит реакция этерификации азотной кислотой свободных гидроксильных групп целлюлозы. Образующиеся в результате
эфиры азотной кислоты называют нитратами. Поэтому название «нитроцеллюлоза» ошибочно7.
Степень этерификации зависит от доли воды в нитрующей смеси. Чем выше
содержание воды, тем ниже степень этерификации. В процессе нитрования
происходит катализируемое кислотами расщепление полимерных молекул и
снижение вязкости. При последующей обработке, т.е. при кипячении с водой
при повышенном давлении, можно добиться дальнейшего снижения вязкости.
Таким образом получают нитрат целлюлозы, характеризующийся следующими параметрами:
. содержание азота (степень этерификации);
• растворимость;
• вязкость.
Теоретически все свободные гидроксильные группы целлюлозы могут быть
этерифицированы. Такая степень этерификации соответствует содержанию
азота 14,14%, но практически получается только 13,6%. Нитрат целлюлозы с
содержанием азота больше 12,6% используют как взрывчатое вещество. Для
лаков и полиграфических красок применяют нитраты целлюлозы с содержанием азота от 10,7 до 12,2%. Степень этерификации оказывает большое влияние и на растворимость нитроцеллюлозы. С уменьшением степени этерификаНитроорганические соединения содержат связь азот — углерод , как, например, в нитрометане HX-NO..
68
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.2. Содержание азота и степень этерификации различных типов нитроцеллюлозы
Тип нитрата целлюлозы
Содержание азота
Число эфирных групп
на одну структурную единицу
Е
10,9-11,3%
11,80-12,30
М
11,3-11,8%
2,06-2,20
А
11,8-12,3%
2,20-2,33
ции (содержания азота) возрастает растворимость нитроцеллюлозы в спиртах,
а с повышением — увеличивается растворимость в неполярных растворителях,
таких как эфиры. Влияние растворителей будет рассмотрено в дальнейшем.
Различают следующие типы нитроцеллюлозы в зависимости от растворимости:
Тип Е^ — стандартный тип нитроцеллюлозы, растворимый в эфирах, кетонах
и гликолевых эфирах, и используемый для отделки древесины и кожи. Он хорошо совмещается с различными другими пленкообразователями и поэтому
хорошо подходит для так называемых нитрокомби лаков. По сравнению с другими типами нитроцеллюлозы тип Е отличается образованием прочных пленок, быстрой отдачей растворителей, хорошей разбавляемостью спиртом и
ароматическими углеводородами и проявляет хорошие механические свойства. Тип А — тип нитроцеллюлозы с низкой степенью этерификации. Он растворим в спиртах, эфирах, кетонах и гликолевых эфирах и благодаря своим
термопластическим свойствам применяется для термоплавких покрытий на
фольге (в частности, на алюминиевой фольге).
Т_ип AM — тип нитроцеллюлозы, который по своей растворимости занимает
среднее положение и в этой части не будет рассмотрен.
Растворители
По характеру растворения нитроцеллюлозы различают три вида растворителей [3].
Истинные (собственные) растворители нитроцеллюлозы, не требующие других добавок, — эфиры, кетоны, гликолевые эфиры, производные гликолевых
эфиров и ацетаты.
Латентные (скрытые) растворители, которые нуждаются в добавлении истинных растворителей для растворения нитроцеллюлозы. Они увеличивают растворяющую способность истинных растворителей. К ним относятся высшие
спирты (однако, метанол9 и этанол относятся к истинным растворителям).
Вещества не являющиеся растворителями, но увеличивающие растворяющую способность истинных растворителей. К этой категории относятся ароматические и алифатические углеводороды.
Растворители играют важную роль и их подбираются в соответствии с их технологическими, экологическими и экономическими параметрами. Они необходимы и в производстве ЛКМ, и в процессе его нанесения, и в процессе испарения растворителя из жидкой пленки и формирования покрытия. Растворитель считается хорошим, если раствор нитроцеллюлозы определенной концентрации имеет небольшую вязкость.
Обозначение Е означает растворимость в эфире; А — в спирте (алкоголь); AM — среднерастворимый в спирте.
Метанол из-за своей токсичности больше не применяется.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
69
Таблица 3.1.3. Разбавляемость истинных растворителей в применении к нитрату
целлюлозы
Растворитель
Разбавитель
Ароматические углеводоро- Алифатические
углеводороды
ды, например, толуол
Ацетон
4,4
0,8
Метилэтилкетон (МЕК)
4,3
0,9
Метилизобутилкетон (MIBK)
3,6
1,0
Этилацетат (ЕЕ)
3,3
1,3
н-Бутилацетат (ВА)
2,6
1,5
МЕК/ MIBK 1:1
3,8
—
МЕК/ MIBK 20:80
3,6
—
ЕЕ/ВА 65:35
3,0
—
Эффективность истинного растворителя определяется тем, в каком соотношении он может смешиваться с нерастворяющим компонентом.
Разбавляемость истинного растворителя определяется соотношением: количество добавляемого разбавителя/количество истинного растворителя.
Данные, приведенные в табл. 3.1.3, означают, что 1 часть ацетона (истинный растворитель) совместима с 4,4 частями ароматического углеводорода
(в данном случае толуола), однако может быть смешана только с 0,8 части алифатического углеводорода, прежде чем наступит гелирование или коагуляция
нитроцеллюлозы.
Растворители играют существенную роль в пленкообразовании и влияют на
механические свойства покрытия. Задача состоит в том, чтобы выбрать растворитель, в котором молекулы нитроцеллюлозы имеют развернутую конформацию и могут образовывать безупречные пленки. Как и в других лакокрасочных системах, тип и количество растворителей должны быть согласованы со
свойствами используемых разбавителей.
Важнейшим параметром рецептур НЦ Л К М и их технологических свойств
является вязкость. Она определяется типом нитрата целлюлозы и зависит
от длины цепи нитроцеллюлозных молекул. Критерием длины цепи является
средняя степень полимеризации (ССП), которая указывает на среднее число
мономерных глюкозных звеньев в молекулярной цепи. ССП технической нитроцеллюлозы изменяется в широких пределах, но имеет решающее значение
для механических свойств образующейся из раствора пленки покрытия. При
уменьшении длины молекул до значения ССП ниже 250 (молекулярный вес —
70000) прочность пленки нитроцеллюлозы сильно падает.
На практике типы нитроцеллюлозы классифицируются по вязкости их растворов, причем даются различные методы определения вязкости. Европейские производители признают классификацию, соответствующую ISO 14446
(DIN 53179). В этом случае указывается концентрация нитрата целлюлозы
(предварительно подсушенного и нелетучего), которая необходима для получения вязкости раствора от 375 до 425 мПа-с. В качестве растворителя используют ацетон с содержанием воды 5%. Вязкость определяют на универсальном
70
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.4. Товарные типы и стандартные маркировки нитратов целлюлозы
Производители
ISO 14446
(DIN 53179)
Концентрация
стандартного
раствора, %
Hagemann
Hercules
Wolff
4Е
4,0
Н4
RS 1300"
Е1440
9Е
9,0
Н9
RS 15"
Е959
25Е
25,0
—
—
Е510
27Е
27,0
Н27
RS"
—
28Е
28,0
—
—
Е400
Таблица 3.1.5. Физико-механические свойства пленок нитроцеллюлозных лаков
Тип
Относительное удлинение, %
Прочность при растяжении, Н/мм2
Е1440
24-30
98-103
Е 1160
23-28
98-103
Е950
23-28
88-98
Е840
20-25
88-98
Е620
12-18
78-88
Е510
8-12
69-78
Е400
5-10
59-69
Е375
<5
39-49
ЕЗЗО
<3
29-49
вискозиметре Гепплера. Подробное описание этого процесса можно найти
в литературе [ 7 ] . В таблице 3.1.4 представлены ходовые товарные типы нитроцеллюлозы.
Как видно из таблицы 3.1.4, некоторые производители нитроцеллюлозы следуют этим правилам, в то время как другие выбирают для маркировки определяемую степень набухания.
Наряду с вязкостью, важными параметрами растворов нитроцеллюлозы являются также сухой остаток (содержание нелетучих) и физико-механические
свойства, зависящие от вязкости, как показано в таблице 3.1.5 [ 7 ] .
Высоковязкие типы нитроцеллюлозы образуют гибкие пленки, в то время как
низковязкие дают хрупкие покрытия. Смешивать высоковязкие и низковязкие
типы для получения средневязких нитратов целлюлозы не рекомендуется, так
как пленки таких смесей чаще всего по своим механическим свойствам хуже,
чем пленки нитроцеллюлозы однородного типа. Для покрытий при окраске древесины чаще всего используются средневязкие типы нитроцеллюлозы. За счет
применения добавок-пластификаторов можно улучшить механические свойства
низкомолекулярных типов нитроцеллюлозы так, что относительное удлинение и
прочность при растяжении могут стать такими же, как и у средневязких типов.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
71
Пластифика торы
Как говорит уже само название, пластификаторы служат для того, чтобы повысить гибкость и эластичность пленок. Они ведут себя аналогично растворителям, однако имеют по сравнению с ними существенно меньшее давление
пара и остаются в пленке. Различают желирующие и нежелирующие пластификаторы.
Желирующие пластификаторы образуют с пленкой нитроцеллюлозы твердый раствор, при этом образуется единая эластифицированная структура покрытия. Выветривания или выделения пластификатора из покрытия в этом
случае не происходит.
Нежелирующие пластификаторы не образуют гомогенную систему и склонны к тому, чтобы при нагревании выделяться («выпотевать») из пленки. Поэтому пленка теряет эластичность. Чтобы избежать выпотевания пластификатора
комбинируют желирующие и нежелирующие пластификаторы. Пластификаторы должны соответствовать следующим критериям:
• физиологическая безопасность;
. хорошая совместимость с пленкообразующими и растворителями;
• низкий цветовой индекс;
. светостойкость;
• миграционная устойчивость;
• отсутствие запаха;
• хорошее пластифицирующее действие.
С точки зрения химического состава пластификаторы разделяются следующим образом:
• эфирные пластификаторы;
• эфиры фталевой, адипиновой, себациновой кислот с высшими алифатическими моноспиртами;
• эфиры лимонной кислоты;
• эфиры фосфорной кислоты со спиртами с длинной углеродной цепочкой;
• эфиры бензойной кислоты с двухатомными спиртами;
• эфиры жирных кислот с алифатическими спиртами;
i двойные сложные эфиры с простыми эфирами полиэтиленгликоля;
• пластификаторы на базе эпоксидированных жирных кислот или масел;
• углеводородные пластификаторы;
• хлорированные парафины;
• другие пластификаторы.
Широко использовавшийся ранее дибутилфталат и другие эфиры фталевой
кислоты и низших алифатических спиртов сегодня исключены из применения
из-за их высокой токсичности, так же как и различные галогенированные ароматические углеводороды и некоторые эфиры фосфорной кислоты. В 2002 г.
ЕС ввел новые ограничения на использование дибутилфталата (DBP). Покрытия, в которых содержание дибутилфталата больше 0,5%, признаны ядовитыми. Этот пластификатор давно внушал опасения из-за своего возможного гормонального воздействия. В качестве альтернативы сейчас используют эпоксидированное соевое масло, эфиры адипиновой кислоты (адипинаты), а также специальные эфиры лимонной кислоты, которые даже имеют разрешение
к применению от
10
FDA — Food and Drug Administration — Управление по контролю за качеством пищевых продуктов, медикаментов и косметических средств Министерства торговли США.
72 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Обычно в рецептуры нитроцеллюлозных покрытий в качестве желирующих
вводят эфирные пластификаторы. Их количество по отношению к нитрату целлюлозы составляет 1 : 2.
Пленкообразовател и
При использовании нитроцеллюлозы в качестве единственного пленкообразующего получаются очень сухие жесткие пленки. Поэтому нитроцеллюлозу
совмещают, как уже было отмечено ранее, с пластификаторами и/или пленкообразующими.
Для покрытий древесины нитрат целлюлозы совмещают, прежде всего, с
алкидными смолами (так называемые нитрокомби лаки). Натуральные смолы, как, например, даммара, шеллак или канифоль, сегодня мало применяются в рецептурах нитроцеллюлозных покрытий. Пластифицирующее действие
на нитрат целлюлозы оказывают тощие или среднежирные алкидные смолы
на базе насыщенных жирных кислот, таких как синтетические жирные кислоты
или жирные кислоты кокосового масла. Это справедливо и для алкидных смол
олеинового ряда (например, арахисового масла) или смол на базе жирных
кислот касторового масла. Для корректировки степени блеска и наполнения, а
также для увеличения доли твердого вещества вводят смолы, плавящиеся при
высоких температурах. Системы нитроцеллюлозно-алкидных ЛКМ могут быть
построены чрезвычайно разнообразно. В некоторых случаях рецептура может
состоять только из нитроцеллюлозы и алкидной смолы, разбавленных подходящей смесью растворителей. В этом случае пластификатор не нужен, если
используется высоковязкая нитроцеллюлоза, а алкидная смола обеспечивает
достаточную пластичность.
Пигменты, наполнители, адцитивы
В рецептурах НЦ ЛКМ принципиально возможно использовать любые неорганические и органические пигменты, пригодные для работ внутри помещений. Функции и свойства пигментов вообще-то уже упоминались. Все известные наполнители, такие как карбонат кальция, сульфат бария, каолин, тальк,
слюда, силикат алюминия и т.д., универсальны по применению.
В качестве добавок в рецептурах применяют, прежде всего, матирующие
средства, воски, пеногасители, вспомогательные шлифующие средства и
компоненты, улучшающие растекание.
3.1.2.3. Примеры рецептур НЦ материалов
Уже многие десятилетия нитроцеллюлозный лак является классикой для кустарного и промышленного производства мебели. Он широко применяется в
ЛКМ для окраски мебели для жилых комнат, спален и детских комнат, а также
мелких предметов. Широкая совместимость с другими смолами способствует
многообразию применения. НЦ ЛКМ известны простотой использования при
нанесении методом распыления и облива, быстрым физическим высыханием
и очень хорошей воспламеняемостью. Из нитроцеллюлозы в сочетании с подходящими модификаторами получают эластичные защитные и декоративные
пленки. Так как НЦ лаки имеют низкое содержание твердых веществ — приблизительно от 15 до 25% (НЦ непигментированный лак) — они оптимальны для
окраски мебели из древесины с открытыми порами, например дуба.
НЦ лаки соответствуют DIN 68861 ч. 1, где изложены требования по химической стабильности мебельных покрытий. Благодаря своей простоте они ис-
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.6. Пример рецептуры шлифующихся НЦ грунтовок
Компонент
Назначение
Массовая доля
Коллоксилин Е 510; 30%-ный раствор Нитроцеллюлозный
в изопропаноле
пленкообразователь
15,00
Смесь растворителей, состоящая из
эфиров, кетонов, спиртов, алифатических и/или ароматических углеводородов
Регулирование вязкости
и испаряемости
69,00
Алкидная смола в виде 75%-ного
раствора в эфире (модифицированная арахисовым маслом)
Пленкообрзователь
12,00
(2 ч. эфира адипиновой кислоты/
1 ч. бутилстеарата)
Смесь пластификаторов
3,00
Стеарат цинка
Добавка, улучшающая
шлифуемость
1,00
100,00
Нелетучие вещества: 23,5%.
Вязкость по вискозиметру с соплом 4 мм: около 25 с.
Таблица 3.1.7. Пример рецептуры бесцветного пропиточного НЦ грунта
Компонент
Назначение
Коллоксилин Е 400 в виде 30%-ного
раствора в изопропаноле
Нитроцеллюлозный
пленкообразователь
18,00
Смесь растворителей, состоящая из
эфиров, кетонов, спиртов, алифатических и/или ароматических углеводородов
Регулирование вязкости
и испаряемости
67,00
Алкидная смола в виде 75%-ного
раствора в эфире (например, модифицированная арахисовым маслом)
Пленкообразователь
8,00
Малеиновая смола
Пленкообразователь для
повышения порозаполнения
и твердости
2,00
0,6 ч. касторового масла + 1,4 ч. адипиновой кислоты + 2 ч. бутилстеарата
Смесь пластификаторов
4,00
Стеарат цинка
Добавка, улучшающая
шлифуемость
1,00
Массовая доля
100,00
Доля нелетучих веществ: 24,5%.
Вязкость по вискозиметру с соплом 4 мм: около 22 с.
73
74
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.8. Пример рецептуры НЦ грунта-порозаполнителя
Компонент
Назначение
Коллоксилин Е 400 в виде 30%-ного
раствора в изопропаноле
Нитроцеллюлозный
пленкообразователь
18,00
Смесь растворителей, состоящая из
спиртов, эфиров, кетонов и алифатических и/или ароматических углеводородов,
Регулирование вязкости
и испаряемости
57,50
Алкидная смола в виде 75%-ного
раствора в эфире (например, модифицированная арахисовым маслом)
Пленкообразователь
16,00
Малеиновая смола
Пленкообразователь для
повышения порозаполнения
и твердости
2,00
(0,8 ч. касторового масла + 1,7 ч.
эфира адипиновой кислоты + 2,5 ч.
бутилстеарата)
Смесь пластификаторов
5,00
Стеарат цинка
Добавка, улучшающая
шлифуемость
1,50
Массовая доля
100,00
Доля нелетучих веществ: 33,0%,
Вязкость по вискозиметру с соплом 4 мм: около 70 с.
Таблица 3.1.9. Пример рецептуры осветлительной НЦ грунтовки
Компоненты
Назначение
Коллоксилин Е 620 в виде 30%-ного
раствора в изопропаноле
Нитроцеллюлозный
пленкообразователь
12,00
Смесь растворителей, состоящая из
эфиров, кетонов, спиртов и алифатических и/или ароматических углеводородов
Регулирование вязкости
и испаряемости
75,50
Алкидная смола в виде 75%-ного
раствора в эфире (например, модифицированная арахисовым маслом)
Пленкообразователь
7,00
Ацетобутират целлюлозы
Несовместимый пленкообразователь, служит для
осветления
2,00
(1 ч. эфира адипиновой кислоты
+ 2 ч. бутилстеарата)
Смесь пластификаторов
3,00
Стеарат цинка
Добавка, улучшающая
шлифуемость
0,50
Массовая доля
100,00
Доля нелетучих веществ: 19,1%.
Вязкость по вискозиметру с соплом 4 мм: около 30 с.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.10. Пример рецептуры матового НЦ покрывного лака
Компоненты
Назначение
Коллоксилин Е 400 в виде 30%-ного
раствора в изопропаноле
Нитроцеллюлозный
пленкообразователь
15,00
Смесь растворителей, состоящая из
эфиров, кетонов, спиртов и алифатических и/или ароматических углеводородов
Регулирование вязкости
и испаряемости
71,40
Алкидная смола в виде 75%-ного
раствора в эфире (например, модифицированная арахисовым маслом)
Пленкообразователь
8,00
Альдегидная смола
Пленкообразователь для
повышения порозаполнения
и твердости
1,50
Эфир адипиновой кислоты
Пластификатор
3,00
Полиэтиленовый воск
Сглаживание поверхности,
эффект скольжения
0,50
Кремниевая кислота, обработанная
органическими веществами
Матирующее средство
0,50
Силиконовое масло в виде 10%-ного
раствора в бутил ацетате
Средство улучшения розлива
0,10
Массовая доля
100,00
Доля нелетучих веществ: 22%.
Вязкость по вискозиметру с соплом 4 мм: около 30 с.
Таблица 3.1.11. Пример рецептуры НЦ наполнителя
Компоненты
Назначение
Коллоксилин Е 400 в виде 30%-ного
раствора в изопропаноле
Нитроцеллюлозный
пленкообразователь
8,00
Смесь растворителей, состоящая из
эфиров, кетонов, спиртов и алифатических и/или ароматических углеводородов
Регулирование вязкости
и испаряемости
39,00
Алкидная смола в виде 75%-ного
раствора в эфире (например, модифицированная жирными кислотами)
Пленкообразователь
12,00
Диоксид титана
Пигмент, окрашивание
12,00
Эфир адипиновой кислоты
Пластификатор
3,00
Соевый лецитин
Диспергирующая добавка
0,50
Бентонит
Уменьшение седиментации,
регулирование тиксотропии
0,50
Массовая доля
75
76
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Продолжение таблицы 3.1.11.
Компоненты
Назначение
Массовая доля
Кремниевая кислота
Матирующая добавка
0,50
Сульфат бария
Наполнитель
8,00
Каолин
Наполнитель
8,00
Стеарат цинка
Добавка, улучшающая
шлифуемость
0,50
Тальк
Наполнитель
8,00
100,00
Доля нелетучих веществ: 54%.
Вязкость по вискозиметру с соплом 4 мм: около 50 с.
Таблица 3.1.12. Пример рецептуры шелковисто-матового покрывного НЦ лака
Компоненты
Назначение
Коллоксилин Е 400 в виде 30%-ного
раствора в изопропаноле
Нитроцеллюлозный
пленкообразователь
Смесь растворителей, состоящая из
эфиров, кетонов, спиртов и алифатических и/или ароматических углеводородов
Регулирование вязкости
и испаряемости
Пленкообразователь
Алкидная смола 75%-ного раствор
в эфире (например, модифицированная жирными кислотами)
Массовая доля
12,00
42,00
15,00
Диоксид титана
Пигмент, окрашивание
18,00
3 части адипиновой кислоты
Пластификатор,
пластфицирование
3,00
Соевый лецитин
Диспергирующая добавка
0,30
Сульфат бария
Наполнитель
8,00
Бентонит
Уменьшение седиментации,
регулирование тиксотропии
0,30
Пирогенная кремневая кислота
Уменьшение седиментации
0,30
Кремниевая кислота, обработанная
органикой
Матирующая добавка
Полиэтиленовый воск
Сглаживание поверхности,
эффект скольжения
Силиконовое масло в виде 10%-ного
раствора в бутилацетате
Добавка, улучшающая розлив
0,50
0,50
0,10
100,00
Доля нелетучих веществ: 50,5%.
Вязкость по вискозиметру с соплом 4 мм: около 50 с.
эытий для окраски древесины и древесных материалов
77
78 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
верхность древесины или поверхность, обработанная бейцем. Грунтовки заполняют и смачивают основу, быстро высыхают и хорошо шлифуются.
Твердые нитроцеллюлозные лаки с различной степенью блеска
Здесь речь идет о грунтовочных, многослойных и покрывных материалах.
3.1.2.4. Пример применения
Схема покрытия европейского дуба (фанеровка) как комбинация УФ грунтования и НЦ-покровного лака для нанесения на вальцах представлена в таблице 3.1.13.
3.1.2.5. Важные особенности использования нитроцеллюлозы
Нитроцеллюлозу и отверждаемые за счет кислорода воздуха составы нельзя наносить в одной распылительной камере, так как образующиеся перекиси могут бурно реагировать с нитроцеллюлозой. Во вскрытой таре не должно
оставаться никаких остатков, так как инертные наполнители испаряются, а сухой коллоксилин легко воспламеняется. Равным образом, тара должна быть
правильно размечена, чтобы равномерно распределить антидетонационные
добавки.
В НЦ ЛКМ используются растворители с низкой температурой возгорания
и высокой испаряемостью. Это влияет на процесс распыления, так как возникающие капельки сильно охлаждаются и на них может конденсироваться вода.
Иногда это приводит к образованию белых матовых пятен и невзрачных покрытий (с белым налетом). Чтобы уменьшить этот дефект в ЛКМ добавляют бутанол или гликолевый эфир. Вода образует с этими веществами азеотропные
смеси 11 и легко удаляется из системы выпариванием этой смеси [10].
Примером такой системы может служить смесь воды с этанолом, содержащая 4% воды. Она кипит при температуре 78°С без изменения соотношения
компонентов.
Список литературы:
1. Unbekannt: Nitrocellulose als Bindemittel fuer Holzlacke bewaehrt, Holz-Zentralblatt,
Sonderdruck, Nr. 122, 2002.
2. de Gaulmyn, G.: Wood coatings Industry in Europe - Is the decline a fatality?,
Nitrocellulose in wood coatings Environmental and Safety Aspects, 21st Annual
Conference of World Nitrocellulose Manufacturers - Hamburg 2002.
3. Hoppe, L: Celluloseester, Kapitel 1.4.2.4.2.2 in Kittel - Lehrbuch der Lacke und
Beschichtungen, Band 1, S. Hirzel Verlag Stuttgart Leigpzig, 1998, S. 227-237.
4. Stoye, D., Freitag, W.: Cellulosederivate, Kapitel 9.4.1 in Lackharze Chemie,
Eigenschaften und Anwendungen, Carl Hanser Verlag MuenchenWien, 1996, S. 364-370.
5. Prieto, J., Kiene, J.: Holzlackieren, Kapitel 9.2.5 in Kittel - Lehrbuch der Lacke und
Beschichtungen, Band 9, S. Hirzel Verlag Stuttgart Leipzig, 2004, S. 317-346.
6. Mueller, В., Poth, U.: Lacke auf Basis von Cellulosenitrat, Lackformulierung und
Lackrezeptur, Curt R. Vincentz Verlag, Hannover, 2003, S. 76-81.
7. Poersch-Panke, H.-G.: Walsroder® Nitrocellulose fuer edle Oberflaechen, Firmenschrift
der Wolff CellulosicsGmbH &Co. KG.
8. Vollhardt,K.P.:Kohlenhydrate,Kapitel23inOrganischeChemie,VCHVerlagsgesellschaft
mbH,Weinheim 1988, S. 1096-1097.
Азеотропная смесь представляет собой систему, которую нельзя разделить перегонкой.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 79
9. Karsten,Laeckert,О.:Lackrohstofftabellen,10Auflage,CurtR.VincentzVerlagHannover,
1996.
10.Atkins, P. W.: Physikalische Chemie, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 1990,
S. 187-188.
3.1.3. Кислотоотверждаемые лакокрасочные материалы
Кислотоотверждаемые (КИ) лакокрасочные покрытия уже много лет с успехом используются в мебельной промышленности Англии, Северной Америки и
Скандинавских стран [1]. Благодаря своим исключительным технологическим
качествам вот уже 25 лет эти материалы в огромных количествах используются для окраски мебели, дверей, панелей, полов, паркета, деталей интерьера
и внутренней отделки, достигая до 20% объема рынка. Однако в Европе в последнее время отмечается сокращение производства и применения КИ материалов. В 2003 г. их доля составляла 12,3% рынка, а в дальнейшем, видимо,
будет еще уменьшаться (см. рис. 3.3 и 3.4). Несмотря на хорошее соотношение цены и затратности производства КИ покрытий, они занимают промежуточное положение между НЦ и 2К-ПУР системами. Но, например, в Германии,
а также в Центральной и Южной Европе их значимость постепенно уменьшается. В Германии в настоящее время их применение ограничено небольшими
специальными направлениями, например, отделочных декоративных покрытий на водной основе [2].
При этом КИ системы лакокрасочных покрытий обладают многими ценными
качествами:
• долговечность при хранении;
. быстрое высыхание;
• возможность хранения окрашенных изделий в штабелях;
• высокая твердость;
• хорошая устойчивость к действию химических веществ;
. высокая устойчивость к истиранию и механическим повреждениям.
Несмотря на это, после публикации в журнале «Штерн» в 1992 г. (где был
описан решающий недостаток КИ материалов — отщепление формальдегида
при отверждении), крупнейшие производители мебели Скандинавских стран
перестали их использовать (см. ч. 9.2) [3]. Кроме этого, на снижение производства КИ покрытий повлияло и то, что при нарушении технологических режимов отверждения и в некоторых других случаях формальдегид может выделяться и из готовой мебели. К тому же классические кислотоотверждаемые лакокрасочные материалы содержат много органических растворителей,
а покрытия склонны к охрупчиванию и появлению трещин на поверхности при
их нанесении на толстые слои грунтовки. Поэтому в мебельной промышленности стремятся заменять пока еще применяемые КИ материалы на более безопасные экологически. Вместе с тем, КИ покрытия распространены в США,
Скандинавии и в незначительной степени в Англии.
3.1.3.1. Состав кислотоотверждаемых материалов
Пленкообразующие
Кислотоотверждаемые прозрачные лаки и пигментированные ЛКМ обычно содержат в рецептуре от 50 до 80% органических растворителей. Рецептура классического прозрачного лака состоит из смеси алкидной, карбамидной и/или меламиновой смолы, физически сохнущего пленкообразователя (такого, как нитро-
80 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
целлюлоза), органических растворителей, аддитивов и соответствующей кремниевой кислоты (матирующая добавка) для регулирования степени блеска.
Обычно это двухкомпонентная система (2К), отверждающаяся при добавлении кислоты (пара-толуолсульфокислота) по реакции поликонденсации. На
рисунке 3.1.10 схематически представлены основные компоненты рецептур
кислотоотверждаемых материалов.
Аминные смолы
В качестве пленкообразователя кислотоотверждаемые составы содержат,
прежде всего, карбамидные смолы. При этом речь идет об отверждаемых олигомерах и полимерах мочевины с альдегидами, преимущественно формальдегидом. Согласно технологическим условиям, аминные смолы частично или
полностью могут быть в этерифицированной форме, причем для этерификации используются в основном одноатомные спирты — бутанол или изобутанол. В низкомолекулярных бутанолизированных смолах преобладающими являются структуры с гексагидротриазиновым циклом (см. рис. 3.1.11).
Первое поколение рецептур КИ ЛКМ в качестве пленкообразующего содержало только непластифицированные карбамидные смолы 12 .
Относительно скоро в ходе механических и климатических испытаний было обнаружено, что использование чистых карбамидных составов из-за их хрупкости
ведет к трещинообразованию и отслаиванию покрытий от древесины. Выяснилось, что хрупкость покрытия можно уменьшить добавлением в рецептуру пластификаторов. Но незакрепленные в пленке пластификаторы с течением времени мигрируют из нее и способствуют только временному замедлению образования трещин. Сначала использование пластифицированных карбамидных смол
и/или добавление алкидных смол как внешних пластификаторов привело к хорошим и удовлетворительным результатам. Однако с повышением степени конденсации карбамидных смол снижается их совместимость с алкидными смолами. Оказалось, что хрупкие карбамидные смолы лучше совместимы со многими
алкидными смолами, чем пластифицированные, поэтому в большинстве случаев
используют именно их. Добавка от 10 до 20% меламиновой смолы по отношению
к карбамидной увеличивает жизнеспособность КИ ЛКМ. Благодаря этому можно
повысить содержание нелетучих веществ, блеск и увеличить время сушки, так
как реакционная способность кислотоотверждаемых карбамидных смол существенно выше, чем у меламиновых [5].
Поскольку уровень цен на меламиновые смолы достаточно высок, они используются только в специальных областях.
Алкидные смолы
В рецептуре КИ материалов преимущественно используют алкидные смолы с полувысыхающими и невысыхающими маслами и жирными кислотами.
Предпочтение отдается алкидам на основе кокосового, касторового и арахисового масла с жирностью от 55% и кислотным числом от 25 до 34. Соотношение между карбамидной и алкидной смолами в смеси может варьироваться от
7 : 3 до 3 : 7 в зависимости от требуемых свойств покрытия. Уменьшение алкидной составляющей приводит к повышению хрупкости покрытия и образованию трещин. Увеличение доли алкидной смолы снижает твердость покрытия.
Значительное улучшение многих свойств, таких как возможность складироваШирокое распространение в деревообрабатывающей промышленности непластифицированные карбамидные смолы находят прежде всего в качестве полимерного клея.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Пленкообразова1ели
Алкидныесмолы
Нитроцеллюлоза
Аиинные смолы
мочевинные и челаминоныесмолы
Органические
растворители: эфиры,
•;( юны, ароматические
(.иединения, спирты^ 1
Основа лака
Кислотоотверждаемый
лакокрасочный
материал
сульфокиоюта и т.п.
Ч
Кислоты
п-толуол-
Пигменты,
наполнители,
матирующие средства,
тиксотропмые
средства
81
Аддитивы
аити вспеииватем,
силиконовые масла,
атомы,
пластификаторы
Отвердитель
Рис. 3.1.10. Общий состав рецептуры КИ ЛКМ
Рис. 3.1.11. Модель бутанолизированной
низкомолекулярной карбамидной смолы
Рис. 3.1.12. Модель полиацеталя
ния штабелированием, время высыхания, порозаполнение, химическая и водоустойчивость, достигаются в результате химического взаимодействия карбамидных и алкидных смол. Такие предварительно прореагировавшие смолы
называют преконденсатами.
Нитроцеллюлоза
Использование в рецептурах КИ НЦ материалов и пластифицирующих добавок позволяет получать быстро сохнущие материалы с большой наполняющей способностью. При этом, чем выше доля нитроцеллюлозы по отношению к
карбамидно-алкидной композиции, тем выше матовость покрытия, тем быстрее
идет сушка и тем ярче проявляется текстура древесины. Правда, при увеличении доли нитроцеллюлозы, снижается устойчивость пленки и требуется больше
органических растворителей. Если соотношение алкидно-карбамидной композиции с нитроцеллюлозой близко к 1 : 1, то становится возможным получение
однокомпонентного кислотоотверждаемого материала. Кислотным катализатором в такой системе служит монобутилфосфорная кислота.
Полиацетали
В поисках пленкообразующего для КИ ЛКМ, не выделяющих формальдегид
в 1990-е гг. было синтезировано и исследовано много различных смол. Одной
из возможностей было создание КИ систем без аминных составляющих. Это
82
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
возможно с использованием полиацеталей. Модельная структура полиацеталя представлена на рис.3.1.12 [2, 6].
В Скандинавских странах это связующее играет некоторую роль, так как с его
помощью можно выполнить критерий Е1 для поверхности мебели (см. также
ч. 2.5 и 9.2).
Отвердители
Большая часть КИ материалов является типичными двухкомпонентными системами. Отверждающими компонентами могут быть как минеральные кислоты — соляная или фосфорная и их эфиры, — так и органические, такие как
пара-толуолсульфокислота (п-ТСК). Однако применение соляной кислоты
может привести к изменению цвета древесины, например, бука или сосны.
Другим отрицательным свойством соляной кислоты является ее коррозионная активность. Таким образом, в КИ системах предпочтительнее использовать п-толуолсульфокислоту. Как правило, ее добавляют в виде 10%-ного р-ра
п-ТСК в количестве от 4 до 6% по отношению к основе. При добавлении 4%
п-ТСК обычный прозрачный лак сохраняет жизнеспособность от 3 до 7 дней.
При удвоении концентрации кислоты жизнеспособность сокращается вдвое.
Следует избегать больших концентраций п-ТСК, так как вследствие ее ограниченной совместимости с пленкообразующим она может выпотевать из пленки.
Как уже было упомянуто, фосфорная кислота и ее эфиры позволяют создавать однокомпонентные композиции, жизнеспособность которых сохраняется
от 2 до 12 месяцев. Передозировка отвердителя под воздействием влажности может привести к гидролизу карбамидной смолы покрытия и тем самым
ухудшить качество окрашенной поверхности. Кроме того, большие количества
отвердителя приводят к повышенной хрупкости покрытия.
Растворители
Содержание нелетучих веществ (твердый остаток) в КИ материалах на основе органических растворителей составляет от 30 до 50%. Необходимое количество и состав растворителей определяются их растворяющей способностью и скоростью испарения в процессе пленкообразования. В системах, не
содержащих нитроцеллюлозы, могут быть использованы спирты, ароматические углеводороды и гликолевые эфиры. В композициях с нитроцеллюлозой
может присутствовать большая доля эфиров и кетонов. При этом в присутствии ароматических углеводородов и первичных спиртов жизнеспособность
систем увеличивается [7].
Другие ингредиенты
Все сырье, которое используется для КИ ЛКМ должно быть кислотоустойчиво. В этих композициях не следует использовать карбонатные наполнители и
некислотостойкие пигменты. Способность к шлифованию КИ грунтовок может
быть улучшена добавлением в систему 2% амидного воска, а в качестве матирующего средства обычно применяется кремниевая кислота.
3.1.3.2. Примеры рецептур КИ материалов.
Здесь приводятся две рецептуры кислотоотверждаемых прозрачных лаков.
Первый пример — табл. 3.1.14 — мебельный лак для двухслойного покрытия
по технологии нанесения «мокрый по мокрому».
В таблице 3.1.75описана система с малым содержанием формальдегида.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
83
Таблица 3.1.14. Кислотоотверждаемый прозрачный лак для мебели
Компонент
Алкидная смола
Назначение
1
Карбамидная смола, непластифицированная2
Массовая доля
Пленкообразователь,
пластифицирующее действие
39,00
Пленкообразователь
25,50
Полиэтиленовый воск 3
AM-6-Wachs, в виде 10%-ного раствора в ксилоле
4,00
Пеногаситель4
0,05
Силиконовый пеногаситель
0,3
5
Кремниевая кислота
Матирующая добавка
3,00
Ксилол
Растворитель
11,30
Бутанол
Растворитель
16,85
100,00
/7-толуолсульфокислота, в виде
25%-ного раствора в бутаноле
2,60
Кислотный отвердитель
102,60
Жизнеспособность: 4 дня.
Вязкость по вискозиметру с соплом 4 мм: без отвердителя 37 сек; с отвердителем 35 с.
1
Alftalat AR 300 (Cytec).
2
Plastopal(BASFAG).
3
AM-6-Wachs, 10% in XyloL (BASF AG).
4
Byk 052 (Byk Chemie GmbH).
5
Bykl41(BykChemieGmbH.
Таблица 3.1.15. Кислотоотверждаемый прозрачный мебельный лак с пониженным
содержанием формальдегида
Компонент
Назначение
Нитроцеллюлоза
с пластификатором1
Пленкообразование, пластификация, ускорение высыхания
11,00
Алкидная смола2
Пленкообразователь,
пластификатор
21,00
Карбамидная смола
непластифицированная3
Пленкообразователь,
доля формальдегида < 0,3%
Бутилацетат
Растворитель
20,00
н-бутанол
Растворитель
5,50
Изобутанол
Растворитель
5,00
Этилацетат
Растворитель
10,00
Толуол
Растворитель
11,50
Этанол
Растворитель
5,00
Массовая доля
5,50
84
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Продолжение таблицы 3.1.15.
Компонент
Назначение
Ксилол
Растворитель
Массовая доля
4,00
Полиэтиленовый воск'
0,05
Кремниевая кислота
1,0
Матирующее средство
100,00
/7-толуолсульфокислота в виде
25%-ного раствора в бутаноле
2,6
Кислотный отвердитель
102,60
Жизнеспособность: > 3 месяца.
Вязкость по вискозиметру с диаметром сопла 4 мм: без отвердителя 75 с; с отвердителем 70 с.
1
2
NC Е 560 + 18% DBP (Wolff Walsrode AG). Worleekyd T 36 (Worlee Chemie GmbH).
3
4
Plastopal H73IB (BASF AG). AM-6-Wachs (BASF AG).
3.1.3.3. Примеры применения КИ материалов
Как все двухкомпонентные системы, КИ материалы нужно использовать в
течение определенного времени, прежде чем увеличится вязкость и начнется
реакция гелеобразования (ограниченная жизнеспособность). КИ покрытия характеризуются достаточно быстрым физическим пленкообразованием, твердостью и устойчивостью к истиранию, а также хорошей химической стойкостью. Отвержденные покрытия соответствуют требованиям DIN 68861, ч. В1 по
уровню химической стойкости.
Наносятся они главным образом методом распыления или облива. На рис.
3.1.13 представлена схема обработки фанерованной стружечной плиты (бук)
с УФ-грунтованием на валках и нанесением отделочного КИ лака методом облива с расходом от 80 до 100 г/м2. Испарение растворителей и химическое отверждение лака проводят в конвекционной сушильной камере (режим циркуляции
4. 5. 6. 7.
19.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
8.
10. 11. 12,
9.
18.
Транспортер
Шлифовальная машина для шлифовки субстрата
Контрольный участок транспортера
Простые вальцы для нанесения УФ-грунтовки 12 г/м2
сырого материала
УФ-канал с ртутной лампой 80 Вт/см для
УФ-предгелирования
Простые вальцы для нанесения УФ-грунтовки 12 г/мг
сырого материала
Транспортер
УФ-канал с двумя УФ ртутными лампами по 80 Вт/см
17.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
13.
14.
16.
Транспортер
Шлифовальная машина для шлифовки покрытия
Очистка пыли
Транспортер
Наливная машина
Зона проветривания 25-30°С, 60-80 с
Поворотная зона проветривания
Циркуляционная сушка 70-90°С, около 180 с
ИК-излучатель, 100-120°С температура объекта, 90 с
Зона охлаждения, температура объекта 30°С, 180 с
Разгрузка, штабелирование
Рис. 3.1.13. Схема нанесения покрытия обливом с использованием валкового грунтования
и КИ отделочного лака
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
85
воздуха — 3 минуты, от 70 до 100°С) и от 1,5 до 2 мин в инфракрасной сушильной
камере при максимальной температуре объекта 120°С. Затем плиты охлаждаются при 30°С около 2 минут, после чего они могут быть сложены в штабель.
Список литера туры
1. Olsen, J. H.: Saeurehaertende Lacke — Moeglichkeiten und Entwickiungen,
Umweltfreundliche und emissionsarme Moebel, WKI-Bericht Nr. 31, 1995, S. 9-18.
2. Roth, G.: Einsatz von Reaktivlacken zur Beschichtung von Holzwerkstoffen,
Umweltfreundliche und emissionsarme Moebel, WKI-Bericht Nr. 31, 1995, S. 19-30.
3. Anonym: Krankdurch Billy, Stern Nr. 45, 1992.
4. Lengsfeld,W.: UeberdieStrukturbutylierterAminoplaste, FarbeundLack,75. Jahrgang,
Nr. 11, 1969, S. 1063-1065.
5. Ott, J.: Kapitel 6.2. Amido- und Aminoharze, Stoye/Freitag - Lackharze, Carl Hanser
Verlag MuenchenWien, 1996, S. 104-126.
6. Kjellquist, K., Rassing, J., Wesslen, В.: Surface Reactive Acetal Functional Waterborne
Microparticles. XIXth International Conference in Organic Coatings Science and
Technology, 281-298, 1993.
7. Klug: Was wissen wir von saeurehaertenden Lacke? 27. Essener Diskussionsabend,
dafazet, 32. Jahrgang Nr. 1, 1978.
3.1.4. Двухкомпонентные полиуретановые системы (2К-ПУР)
В последние годы двухкомпонентные полиуретановые материалы (2К-ПУР
материалы13) все чаще заменяют кислотоотверждаемые и нитроцеллюлозные
покрытия во многих областях деревообработки.
Характерной чертой двухкомпонентных материалов является то, что два реакционноспособных компонента, называемые основой и отвердителем, смешиваются друг с другом непосредственно перед использованием. В 2К-ПУР
системах, в общем случае, происходит взаимодействие между содержащим
гидроксильные группы пленкообразующим (основой) и полиизоцианатным
отвердителем с образованием полиуретановых структурных фрагментов. При
этом речь идет о реакции полиприсоединения, в результате которой благодаря
высокой функциональности компонентов образуется трехмерная структура.
На рис.3.1.14 схематично представлен принцип этой реакции полиприсоединения на примере взаимодействия диола и диизоцианата.
Основной принцип этой химической реакции был открыт в 1937 г. Отто Байером (основателем компании BAYER AG) [1]. Техническое использование химии
полиуретанов в лакокрасочной отрасли началось в 50-е гг. прошедшего столетия и с тех пор эта важнейшая технология повсеместно развивается. Часто
встречающееся название DD-Lack является товарным знаком фирмы Bayer AG
и происходит от названий компонентов Desmophen для основы (пленкообразователя) и Desmodur для отвердителя (полиизоцианата). Между тем существует большое количество производителей сырья, которые тоже получают
смолы и полиизоцианаты для 2К-ПУР материалов. Используя описанный выше
процесс полиприсоединения, можно получать макромолекулы с заданными
свойствами, соответствующими области применения. Так как основа и отвердитель в 2К-ПУР системах реагируют друг с другом уже при комнатной темСогласно DIN 55950 полиуретановые материалы сокращенно обозначаются как ПУР, хотя
в англоязычных странах еще встречается сокращение ПУ, а в России — УР.
86
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
OCN""—NCO
Диизоцианат
+
Диол
пературе, то время их использования
ограниченно. Это называется жизнеспособностью (по-английски Potlife).
Параметры, влияющие на жизнеспособность, будут рассмотрены ниже.
3.1.4.1. Состав 2К-ПУР материалов
Основные компоненты рецептуры
полиуретановых ЛКМ представлены
Полиуретан
на рис.3.1.15. В состав 2К-ПУР маРис. 3.1.14. Принципиальная схема получе- териалов, помимо содержащего гиния полиуретана в реакции полиприсоеди- дроксильные группы пленкообразуюнения на примере взаимодействия диола
щего (полиола), входят также раствои диизоцианата
рители, пигменты, наполнители, аддитивы и возможные комбинированные пленкообразователи и катализаторы.
Пленкообразовател и
В принципе, существует большое число гидроксилсодержащих пленкообразующих, которые могут образовывать сетчатые структуры с полиизоцианатами [3], например:
• насыщенные полиэфиры;
• алкидные смолы;
• полиакрилатные смолы;
• полиэфиры;
• эпоксидные смолы и эпоксиэфиры;
• ПВХ сополимеры;
• поливинилацетали.
Для промышленной окраски древесины в зависимости от страны, предпочтение отдают различным пленкообразующим системам. Так, в южных странах, таких как Франция, Греция, Италия, Испания и Турция, предпочитают алкидные смолы или композиции алкидных смол с полиэфирами, тогда как в Германии в качестве компонентов основы используют главным образом гидроксилсодержащие полиакрилатные смолы.
Полиакрилатные смолы
Полиакрилатные смолы, содержащие гидроксильные группы (полиакрилатполиолы), очень хорошо подходят для рецептур химически и погодостойких
2К-ПУР материалов, особенно в сочетании с алифатическими полиизоцианатами. Эти смолы получаются путем сополимеризации метакриловой кислоты,
эфиров метакриловой кислоты и гидроксиалкилметакрилатов. Полученные
таким образом полиакрилатные полимеры являются твердыми смолами с молекулярной массой от 2000 до 4000 и выпускаются в виде 40-70%-ных растворов с содержанием гидроксильных групп от 1 до 5% [4].
Полиэфирные смолы
Важнейшими пленкообразующими для 2К-ПУР материалов являются гидроксилсодержащие полиэфиры (полиэфирполиолы), которые получают с помощью взаимодействия многоатомных спиртов и кислот. Исходными спиртовыми компонентами являются двух- и полиатомные спирты, такие как диэтиленгликоль, бутандиол, глицерин, триметилолпропан и т.п. Кислотная часть
полиэфиров представлена обычно двухосновными карбоновыми кислотами —
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Пленкообразователи:
полиакрилаты,
полиэфиры,
алкидныесмолы
Органические
растворители: эфиры,
кетоиы, ароматические
соединения
К^__
Пигменты,
наполнители,
матирующие средства,
реологические
.обавки
87
Аддитивы:
пеногасители,
силиконовые масла,
катализаторы,
водоуловители
_^
2К-ПУРЛКМ
Основа ЛКМ
Подиизоцианзты
Отвердитель
Рис. 3.1.15. Состав 2К-ПУР лакокрасочных материалов
адипиновой, различными фталевыми кислотами и их ангидридами. Линейные
и слегка разветвленные полиэфиры при комнатной температуре, как правило,
жидкие, в то время как сильно разветвленные уже вязкосмолообразные. Полученные из сильно разветвленных полиэфирполиолов полиуретаны обладают
высокой твердостью и устойчивостью к растворителям и химическому воздействию. Сочетая различные полиэфирполиолы с разнообразными полиуретанами, можно добиться почти любой твердости или эластичности пленки. Доля
гидроксильных групп в готовом продукте составляет от 1 до 8% [4]. Поскольку
полиэфирполиолы имеют более высокое содержание гидроксильных групп по
сравнению с полиакрилатами, то для них возможно образование большего количества поперечных связей. Поэтому они пригодны для покрытий с повышенной химической стойкостью. Сравнение свойств полиэфирполиолов и полиакрилполиолов, с точки зрения их использования для 2К-ПУР покрытий, приводится в таблице 3.1.16.
Алкидные смолы
Алкидные смолы, используемые для 2К-ПУР систем, являются преимущественно смолами тощего типа на основе насыщенных жирных кислот с достаточно высоким гидроксильным и низким кислотным числами, например, различные смолы на основе касторового, кокосового и соевого масла. Благодаря
хорошим пигментным свойствам и способности к смачиванию, они пригодны,
прежде всего, для создания пигментированных отделочных материалов с высокой степенью блеска. 2К-ПУР системы с алкидными смолами уступают системам с полиэфирполиолами по частоте поперечных связей, но они имеют
преимущество по соотношению «цена-качество».
Композиционные пленкообразова тел и
Для улучшения текучести (розлива) и регулирования естественного высыхания 2К-ПУР покрытий используют гидроксилсодержащие полимеры вместе с
88 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
другими пленкообразующими. Так, можно вводить в основу от 0,2 до 10% ацетобутирата- или нитроцеллюлозы. Нитроцеллюлоза улучшает смачиваемость
пигментов, но ее нельзя использовать в системах с ароматическими изоцианатами из-за возможного впоследствии сильного пожелтения покрытий, что
особенно заметно в прозрачных лаках.
Поливинилацетат, поливинилбутираль, смешанные ПВА-ПВХ полимеры также
могут улучшать розлив и увеличивать адгезионную прочность покрытия. Их добавляют в количестве от 0,5 до 3% на 100 весовых частей основной рецептуры.
Отвердители
Гидроксилсодержащие пленкообразующие могут взаимодействовать с большим числом д и - и полиизоцианатов. Разнообразные полиизоцианаты можно
получать из диизоцианатов, используя различные схемы реакций. В качестве
примера можно упомянуть такие соединения, кактолуилендиизоцианат(ТДИ),
метилендифенилдиизоцианат(МДИ), гексаметилендиизоцианат(ГДИ) и изофорондиизоцианат ( И Ф Д И ) .
В рамках этой книги авторы хотели бы отказаться от углубленного рассмотрения д и - и полиизоцианатов и отослать читателя к приведенной ниже литературе [ 2 - 4 ] .
Говоря обо всех используемых д и - и полиизоцианатах, прежде всего проводят их разделение на алифатические и ароматические. К о м п о з и ц и и с ароТаблица 3.1.16. Сравнение свойств полиэфирных и полиакрилатных смол для 2К-ПУР
материалов
Сравнение полиэфирных и полиакрилатных 2К-ПУР лаков
2К-ПУР лак на основе гидроксилсодержащих полиэфиров
2К-ПУР лак на основе
гидроксилсодержащих акрилатов
Молекулярная масса: 1000-2000
Молекулярная масса: 2000-4000
Умеренное физическое высыхание
Отличное физическое высыхание
Хорошая совместимость с изоцианатами
Ограниченная совместимость
с изоцианатами
Хорошая совместимость с пленкообразователями, например, с коллоксилином
Ограниченная совместимость с пленкообразователями
С увеличением разветвленности структуры
смолы возрастают твердость, устойчивость
к действию растворителей, химическая
устойчивость
Несмотря на высокую твердость,
хорошая эластичность, адгезия, хорошая
светостойкость
Пластифицируется полиэфиром
(линейным)
Максимально возможное содержание
нелетучих веществ > 30%
Затруднительно получение содержание
нелетучих веществ > 30%
(для прозрачного лака)
Хорошее порозаполнение
Возможны дефекты типа
«апельсиновой корки»
Низкие порозаполняющие свойства
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
89
матическим типом полиизоцианатов обладают значительно большей реакционной способностью, чем алифатические, однако системы покрытий с ними
подвержены значительному пожелтению и обладают пониженной атмосферостойкостью. Кроме упомянутых и желаемых реакций, между изоцианатными и
гидроксильными группами, возможны и побочные реакции [2]. К ним относятся вторичные реакции изоцианатов между собой (например, образование аллофаната и изоцианурата):
R-NH-COOR + R-NCO -» R-N(CO-NH-R)COOR,
уретан
аллофанат
и первичные реакции с другими группами, например, с водой. Реакции изоцианатной группы с водой проходят с отщеплением углекислого газа и образованием аминов, которые в свою очередь могут реагировать с изоцианатами с
получением мочевин:
R-NCO + Н2О •* R-NH2 + CO2 R-NH2 + R'-NCO -» R-NH-CO-NH-R'.
мочевина
Эти производные мочевины могут взаимодействовать с изоцианатными
группами с получением биуретов:
R-NH-CO-NH-R + R-NCO -> R-N(CO-NH-R)2
Биурет
Некоторые из этих первичных и вторичных реакций используются для целенаправленного получения полиизоцианатных отвердителей.
Диизоцианаты
Названные выше ароматические, а также алифатические, диизоцианаты
имеют низкое давление пара (за исключением МДИ) и классифицируются как
токсичные соединения. Из-за токсичности они не применяются в качестве
отвердителей для 2К-ПУР материалов.
Полиизоцианаты
При олигомеризации диизоцианатов все-таки возможно получить полиизоцианаты с большой молекулярной массой, которые обладают невысокой летучестью и могут быть безопасны с точки зрения гигиены труда, хотя контакта с кожей и слизистой оболочкой следует избегать. При олигомеризации повышается также функциональность изоцианатов при относительно небольшой
вязкости, что приводит к увеличению глубины поперечных сшивок в покрытии.
Возможны и технически осуществимы следующие варианты олигомеризации:
• тримеризация диизоцианатов до изоциануратов;
• превращение избытка диизоцианата с триолом в уретан;
. тримеризация диизоцианатов в биуреты;
• взаимодействие двух диизоцианатов с алифатическим спиртом с образованием аллофаната.
Практически в 2К-ПУР системах покрытий для древесины находят применение в качестве отвердителей следующие полиизоцианаты:
. TDI-триметилопропан-аддукт (например, «Desmodur L» от Bayer, «Basonat
PLR 8525» от BASF);
• тримеризированный HDI как биурет (например, «Desmodur N» от Bayer,
«Tolonate HDB» от Rhodia, «Basonat HI» от BASF и «Luxate HDB» от Lyondell),
см. рис. 3.1.16;
• смешанный тримеризатТО! и HDI (например, «Desmodur HL» от Bayer).
Хотя полиизоцианаты реагируют с гидроксилсодержащими пленкообразующими уже при комнатной температуре, однако до полного отверждения
I
"
!
'
«
\
j
\
J
\
!
!
•
I
j
.
I
\
|
i
i
\
I
\
\
!
'
I
\
|
\
j
!
!
1
S
\
\
\
!
•
«
j
\
'
j
!
90
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
покрытия эта реакция идет слишком медленно, особенно при использовании алифатических полиизоцианатов. Поэтому для ускорения
отверждения используют катализаторы. Наиболее эффективными каРис. 3.1.16. Тримеризат HDI как биурет
тализаторами этих реакций являются прежде всего третичные амины и
соли металлов. Действие катализаторов основано на комплексообразовании с изоцианатными и гидроксильными группами и снижении энергии активации реакции присоединения. Большой каталитической активностью обладает аминный катализатор 1,4-диазо-бицикло-(2,2,2)-октан (DABCO). Существенно более сильными катализаторами служат соли органических и неорганических кислот. Однако самым известным и самым действенным катализатором этой группы является дилаурат дибутилолова (DBTL). При совместном использовании DABCO и DBTL сила каталитического воздействия увеличивается (синергетически). Из-за токсичности оловоорганических соединений ведутся поиски подходящей альтернативы для DBTL. Но в настоящее
время равноценной замены не существует.
Катализаторы добавляются в основу. Обычные концентрации для соли составляют от 0,02 до 1,00% и для амина от 0,01 до 0,50% по отношению к массе основы. Как правило, они вводятся в рецептуру в виде 10%-ных растворов.
Необходимо избегать передозировки катализаторов во избежание ухудшения
технологических свойств покрытия.
Растворители, пигменты, наполнители и аддитивы
В качестве растворителей в основном используются эфиры и кетоны. Разбавителями могут быть также ароматические углеводороды - толуол, ксилол или
высококипящие ароматические углеводороды и бензин. Растворители или смеси растворителей должны быть по возможности обезвоженными, содержание
воды не должно быть выше 0,05%. При использовании пигментов и наполнителей следует помнить, что они не должны содержать слишком много влаги, а
также не должны участвовать в нежелательных побочных реакциях. Так, окись
цинка и некоторые сажи могут привести к сокращению срока службы покрытия.
Для предотвращения увлажнения в основу или раствор отвердителя добавляют подходящие влагопоглотители. Это могут быть реакционно способные моноизоцианаты (например, «Zusatzmittel TI» от BAYER AG ) или ортоэфир муравьиной кислоты (например, «Zusatzmittel OF» от BAYER AG ). Наиболее эффективным является п-толуолсульфонилизоцианат («Zusatzmittel TI»). На рис. 3.1.17
представлена схема реакции п-толуолсульфонилизоцианата с водой. Химическая активность углерода изоцианатной группы сильно возрастает под действием сульфонильного заместителя.
В рецептуру могут также добавляться матирующие средства, деаэраторы и
регуляторы вязкости.
3.1.4.2. Технология применения 2К-ПУР материалов
2К-ПУР материалы отличаются ограниченной жизнеспособностью. В технической документации обычно указывают, за какое время материал должен быть использован без нарушения качества покрытия. При этом вошло
в употребление определять жизнеспособность материала с помощью контро-
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
91
ля рабочей вязкости. Система считается жизнеспособной, пока рабочая вязкость не увеличится максимум вдвое. В идеальном случае жизнеспособность должна составлять 8 ч
(1 рабочая смена). Компоненты основы и отвердителя смешиваются непосредственно перед нанесением.
Соотношение смешиваемых компо- Рис. 3.1.17. Реакция я-толуолсульфонилнентов основы и отвердителя может изоцианата с водой
варьироваться от 100 : 5 до 100 : 100.
Аналитические исследования свидетельствуют, что через 7 дней (при 23°С
и относительной влажности 50%) химическая реакция между основой и полиизоцианатом для большинства 2К-ПУР систем полностью завершается [5]. На
практике случается, что количество отвердителя добавлено неточно или вовсе не добавлено. В таких экстремальных случаях, например, для систем на
полиакрилатной основы, которая отверждается алифатическими полиизоцианатами, может наблюдаться растрескивание и снижение адгезионной прочности за счет потери флексибилизирующих свойств отверждающего компонента
(например, HDI биурета). Отклонения в дозировке отверждающего компонента можно обнаружить с помощью ATR спектров 14 , сравнивая их со спектрами
эталона (см. рис. 3.1.18).
При использовании метода ATR исследуется только очень тонкий слой поверхности образца. При этом часть излучения, не отраженного (поглощенного) образцом, дает информацию о функциональных группах соединений на поверхности образца.
В зависимости от типа применяемого пленкообразующего сухой остаток для
прозрачных или глянцевых покрывных лаков составляет от 20 до 50%.
2К-ПУР материалы используются там, где предъявляются повышенные требования к механической и химической устойчивости. Отличительными особенностями 2К-ПУР материалов являются [6]:
. универсальность применения. Они обладают отличными изолирующими
свойствами по противостоянию выделения смол и др. веществ из древесины (тиковое дерево, палисандр, сосна, дуб);
• отличная химическая стойкость и соответствие DIN 68861 ч. 1А и В для кухонной и обычной мебели. Кроме того, эти системы соответствуют высоким требованиям ISO-MAT 0066 R2. Особенно часто выявляющий недостатки алкогольный тест (1 ч в 48%-ном растворе спирта в воде) даже для
матированных 2К-ПУР систем не приводит к изменению состояния
поверхности;
. хорошая светостойкость в зависимости от состава основы и отвердителя
2К-ПУР;
• возможность получать твердые или эластичные поверхности в зависимости от рецептуры;
• как правило, трудная воспламеняемость;
• достаточная пластичность и возможность применения по твердым ПВХ
пластикам;
Метод ATR-МНПВО — метод нарушенного полного внутреннего отражения.
92 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
3500
1200
25ВД
1000
800
Волновое число
—5% отвердителя —10% отвердителя
—15% отвердителя --— 20% отвердителя
Рис. 3.1.18. ATR спектры 2К-ПУР материалов в зависимости от концентрации
полиизоцианата
•
варьирование степени устойчивости к царапанию и абразивостойкости
за счет изменения рецептуры;
. особые возможности для окраски нагруженных лестничных ступеней или
сырых помещений с сильно изменяющейся влажностью и температурой.
2К-ПУР материалы наносятся главным образом методом распыления. При
этом используются любые технологические процессы — распыление сжатым
воздухом, безвоздушное, смешанное и электростатическое распыление. Для
нанесения материалов с очень небольшой жизнеспособностью используются
установки, в которых смешение основы и отвердителя происходит непосредственно в головке распылительного устройства.
Многие годы 2К-ПУР материалы применяются при производстве высококачественной мебели. 2К полиуретановые лаки (прежде всего в странах Северной Европы) применяют и в качестве грунтовок, и как отделочные лаковые покрытия. В странах Южной Европы и в Южной Америке оказывают предпочтение раздельному применению 2К-ПУР грунтовок и соответствующего покрывного лака.
Полиуретановые грунтовочные составы обладают высокой способностью
к выравниванию обрабатываемой поверхности (высокой заполняющей способностью), что в свою очередь обеспечивает хорошую способность к шлифованию. Для отделочной окраски используют прозрачные покрывные лаки, которые придают поверхности блеск и элегантность. Для гарантированного получения высокой адгезии разрыв во времени между операциями шлифования
грунтовочного покрытия и нанесением лакового слоя не должен превышать
24 ч. Во избежание появления мутности покрытия и серости пор древесины
очень важна тщательность удаления шлифовальной пыли после каждой операции шлифования. В табл. 3.1. //приводятся наиболее важные стандарты на
методы испытаний для покрытий мебели. Часто случается, что производители
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
93
мебели разрабатывают свои собственные нормы, которые тоже приводятся в
спецификации.
Пример нанесения шелковисто-матового прозрачного 2К-ПУР лака в качестве грунтовочного и покрывного покрытия при окраске высококачественных
мебельных фасадов (соотношение «основа/отвердитель» - 1 0 : 1 ) :
. необработанная поверхность древесины последовательно шлифуется с
применением различной шлифовальной бумаги (величина зерна шлифовальной бумаги, соответственно, 120/150/180);
• проводится удаление пыли;
• наносится грунтовочный 2К-ПУР лак с расходом от 100 до 120 г/м 2 ручным распылителем с диаметром сопла от 1,5 до 1,8 мм при давлении от
2,5 до 3,5 бар;
• сушка/отверждение при 23°С и 50%-ной относительной влажности в течение от 3 до 6 ч;
Таблица 3.1.17. Стандарты на методы испытаний окрашенной поверхности мебели
Номер стандарта
Название стандарта на методы испытаний
DIN 68861 часть 1
Поверхность мебели - устойчивость к химическому воздействию.
С появлением EN 12720 нормы были блокированы, но вскоре были
введены вновь в виде DIN 68861, ч. 1, так как в европейских нормах отсутствует классификация
DIN 68861 часть 2
Поверхность мебели — стойкость к истиранию
DIN 68861 часть 4
Поверхность мебели — стойкость к царапанию
DIN 68861 часть 6
Поверхность мебели — устойчивость к воздействию сигаретного
пепла
DIN 68861 часть 7
Поверхность мебели — устойчивость к сухому жару.
С появлением EN 12722 нормы были блокированы, но вскоре были
введены вновь как DIN 68861, ч. 7, так как в европейских нормах
отсутствует классификация
DIN 68861 часть 8
Поверхность мебели — устойчивость к воздействию пламени.
С появлением EN 12721 нормы были блокированы, но скоро были
введены вновь, так как в европейских нормах отсутствует классификация
DIN EN 12720
Мебель — Оценка устойчивости поверхности к контакту с холодными поверхностями
DIN EN 12721
Мебель — Оценка устойчивости поверхности к воздействию пара
DIN EN 12722
Мебель — Оценка устойчивости поверхности к воздействию сухого жара
DIN 4102
Пожаростойкость/Воспламеняемость.
Воспламеняемость покрытий должна проводиться (согласно DIN
4102-В1) на тестовых пластинах, соответствующих требованиям
IOS-MAT-00661
2. Физико-механические свойства
2.1. Тестметоды-ЮБ-Т-ОООг/!.! — класс требований P1-R7
1
Спецификация фирмы IKEA.
94
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
•
шлифование покрытия грунтовочного слоя лака шлифовальной бумагой
320/400;
• нанесение отделочного слоя 2К-ПУР лака с расходом от 100 до 120 г/м 2 ;
• сушка/отверждение лакового покрытия при 23°С и 50% относительной
влажности от 1 до 2 ч;
• дополнительная сушка в течение 4-5 ч при интенсивной циркуляции воздуха при температуре 40-45°С;
• охлаждение до 20-25°С;
• складирование (штабелирование) окрашенных изделий.
Основные требования к покрытию согласно общепринятых стандартов и
норм:
— характеристики покрытия должна соответствовать химическим требованиям согласно DIN 68861, ч. 1 В;
— устойчивость к царапанию должна соответствовать требованиям
DIN 68861 ,ч.44С;
— толщина покрытия 45-50 микрон.
Устойчивость к царапанию сильно зависит от подложки. В табл. 3.1.18представлена зависимость между субстратом и результатами испытаний на устойчивость к царапанию.
Для производства высокоглянцевых мебельных и кухонных фасадов высшего качества пригодны не только прозрачные 2К-ПУР лаки, но и системы пигментированных лакокрасочных покрытий. Их наносят преимущественно на
древесно-волокнистые МДФ плиты средней плотности. Для создания высокоглянцевого покрытия на таких подложках в настоящее время существует два
испытанных метода. В первом случае плоскость и кант древесно-волокнистой
плиты покрывают стиролсодержащими 2К-шпатлевками на основе ненасыщенных полиэфиров (с белым пигментом). Их нанесение проводят в несколько приемов (подчас с прошлифовкой каждого слоя) с расходом от 300 до
500 г/м 2 . Высокоглянцевые кухонные фасады, полученные с использованием
стиролсодержащей шпатлевки, отличаются очень высоким глянцем.
В последние годы применение стиролсодержащих шпатлевок стало предметом дискуссии, так как используемый в качестве разбавителя стирол не полностью химически связывается в процессе отверждения. В журнале Oekotest,
Таблица 3.1.18. Максимальные требования по устойчивости к царапанию [N] окрашенных
поверхностей в зависимости от подложки
Подложка
Стандарт DIN 68861 ч. 4
Устойчивость к царапанию [N]
Древесно-стружечная плита
Фанеровка вишня
1,5-2
Древесно-стружечная плита
Фанеровка бук
2,0
Древесно-стружечная плита
Фанеровка анегре
1,5-2
Массив ольха
1,0
Стекло
3,0
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
95
Ausgabe 9/2003 были опубликованы данные о том, что кухонные фасады выделяют в воздух свыше 1000 мкг/м 3 свободного стирола. В качестве альтернативы стиролсодержащим шпатлевкам существует 2К-ПУР шпатлевки, применяющиеся уже много лет. В зависимости от качества и структуры
МДФ плит (древесно-волокнистые плиты средней плотности, см. ч. 2.5), 2Кполиуретановые шпатлевки наносятся одним или двумя слоями с расходом от
150до200г/м 2 .
Случается, что фрезерованные участки плит (канты или внешние профили)
покрывают специальным изолирующим прозрачным 2К-ПУР лаком. Задача
такой изоляции состоит в том, чтобы склеить поврежденные и поднятые при
фрезеровке древесные волокна и тем самым предотвратить воздействие влаги в области кантов и внешних профилей, которое может привести к растрескиванию покрытия. Кроме того, нанесение изолирующего лака повышает общую ударную прочность покрытия в области кантов. В табл. 3.1.19 представлен пример высокоглянцевого покрытия.
На рис. 3.1.19 представлена схема производственной линии, по которой
происходит нанесение высокоглянцевого покрытия с использованием 2К-ПУР
пигментированного покрытия. Чтобы избежать запыления, зашпатлеванные
плиты шлифуются в отдельном помещении. В позиции 2 и 4 на схеме вторично проводят обеспыливание с помощью щеток и сжатого воздуха. Затем происходит нанесение покрытия в циклическом режиме. Как правило, в первую
очередь обрабатываются канты в передовой зоне камеры распыления. Затем
покрытие наносится на плоскости. Цикл окраски длится от 2,5 до 3 минут в зависимости от количества конструктивных элементов.
Таблица 3.1.19. Высокоглянцевое покрытие с применением белой выравнивающей шпатлевки на основе 2К-ПЭ или 2К-ПУР и пигментированного 2К-ПУР отделочного покрытия,
нанесенного методом распыления
Опция: 2К-ПУР изоляция
Используется для изоляции и укрепления
фрезерованных кантов и внешних профилей
2К-НП белый заполнитель (содержащий стирол)
300-500 г/м2; нанесение «мокрым по мокрому»
в несколько стадий
2К-ПУР белый заполнитель как альтернатива
2К-ПЭ белому заполнителю
150-500 г/м 2 1-3 стадии
Сушка/химическое отверждение при комнатной
температуре
23°С и 50% относительной влажности
Шлифовка покрытия
400-500 ег зерно
Высокоглянцевое лакирование
2К-ПУР покрывной лак соответствующего оттенка.
В зависимости от требований 1-3-кратное нанесение лака с промежуточной сушкой в течение
15-30 минут при 23°С и 50% относительной влажности
Сушка/химическое отверждение
Минимально 24-48 ч при 23°С
и 50% относительной влажности
Последующая обработка
В зависимости от требований поверхность может
быть отшлифована и отполирована. Процесс шлифовки и полировки называется шваблением .
96 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
1.
2.
3.
4.
6.
7.
Транспортер (загрузка)
Очистка от пыли (3 щетки)
Транспортер (закрытое пространство)
Пневматическая очистка от пыли
4.
3.
2.
!.
5. Автоматический распылитель с 4 головками
в закрытой камере
6. Этажная сушка (б уровней) 25-30°С
Продолжительность пребывания 45 минут
7. Транспортер (разгрузка)
Рис. 3.1.19. Окрасочная линия для нанесения высокоглянцевого покрытия с пигментированным 2К-полиуретановым отделочным покрытием
Список литературы
1. Bayer, О.: DRP 728 981 (1937).
2. Krauss, W., Duennwald, W.: Kapitel 2.2 Polyaddukte, Band 2: Bindemittel fuer
loesemittelhaltige und loesemittelfreie Systeme, Kittel - Lehrbuch der Beschichtungen,
S. Hirzel Verlag Stuttgart, Leipzig, 1998, S. 193-265.
3. Mueller, В., Poth, L).: Lackformulierung und Lackrezeptur, 2. Auflage, Curt R. Vincentz
Verlag Hannover, 2005, S. 98-111.
4. Wieczorrek, W.: Polyisocanatharze, Lackharze - Chemie, Eigenschaften, Anwendungen, Hrsgb.: Stoye, D und Freitag, W., Carl Hanser Verlag Muenchen Wien,
1996, S. 183-229.
5. Mondt, J.: Reaktionskinetische Untersuchungen von Zweikomponenten-AcrylatSystemen am Beispiel Macrynal/lsocyanat. In: Kundeninformationen, Fa. Hoechst.
6. Prieto, J., Kiene, J.: Oberflaechenbehandlung von Holz im Innenbereich, Lehrbuch der
Lacke und Beschichtungen Band 9, Hirzel Verlag Stuttgart, 2004, S. 325-350.
3.1.5. Ненасыщенные полиэфирные материалы (ПЭ)
3.1.5.1. Введение в химию и технологию ненасыщенных полиэфирных материалов
Ненасыщенные полиэфирные покрытия, так называемые ПЭ-системы, которые применяются для обработки древесины, состоят главным образом из
ненасыщенных полиэфирных смол, растворенных в активном разбавителе стироле. В присутствии инициаторов (органических перекисей) и ускорителей (например, солей кобальта) они реагируют между собой. Взаимодействия
стирола с двойными связями ненасыщенных полиэфиров проходит по механизму реакции сополимеризации.
Основополагающая работа по изучению химии ненасыщенных полиэфирных
смол была проведена в конце 1930-х гг. (Deutsche Patente IG Farben) [1].
В начале 1950-х гг. в лакокрасочной промышленности началось интенсивное внедрение ненасыщенных полиэфирных смол.
В 1960-е гг. ПЭ-материалы усиленно внедряются во всех отраслях мебельной
промышленности для получения высокоглянцевых прозрачных покрытий. В то
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
97
время новые продукты (парафинсодержащие ПЭ) начинают активно использоваться в производстве пианино и корпусов мебели, а также теле- и радиоаппаратуры. Возникшая затем мода на пигментированные покрытия для мебели
(«белая волна») привела к разработке и последующему внедрению пигментированных и лаковых парафинсодержащих отделочных ПЭ-покрытий [2]. Ненасыщенные полиэфирные покрытия сегодня используются только в специальных случаях, таких как покрытие для клавишных музыкальных инструментов в
промышленности Европы и Азии (см. рис. 3.1.5.1), а также для эксклюзивных
музыкальных инструментов, предметов мебели, внутренней отделки яхт класса «люкс» и самолетов [3]. Такими материалами пользуются также для отделки
деревянных панелей дорогих автомашин [4]. Южно-европейские производители материалов для кухонной мебели и сегодня весьма ценят и охотно используют белые ПЭ-шпатлевки-порозаполнители, которые быстро отверждаются и
имеют хорошее соотношение цены и качества.
Отрицательным моментом является присутствие в покрытии непрореагировавшего остаточного стирола, который может быть обнаружен при экстракции [5].
3.1.5.2. Состав ПЭ-материалов
Ненасыщенные полиэфирные системы почти на 100% состоят из нелетучих веществ и считаются первыми ЛКМ для мебели с малым содержанием летучих органических соединений (ЛОС).
Ненасыщенные полиэфирные смолы
Ненасыщенные полиэфирные материалы состоят, главным обра- Рис. 3.1.20. Концертный рояль
зом, из ненасыщенных полиэфирных
фирмы «Fazioli F 278»
Ненасыщенные
j полиэфирные
•
смолы
АИТИНННЧЭКТРОригели. н.!Г1()икеа.
С1крол. внсилтолуОЛ И ' . П .
j Ускоритель,
например, соли!
i кобальта )
Рис. 3.1.21. Состав ПЭ-лакокрасочных материалов
98 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
смол, являющихся продуктами взаимодействия насыщенных и ненасыщенных
двухосновных кислот и спиртов. Это, как правило, линейные растворимые продукты сополимеризации (поликонденсации). Смолы содержат в главной цепи
олефиновые двойные связи, по которым может идти сополимеризация со стиролом, являющимся активным растворителем. Радикальная полимеризация
сильно ингибируется кислородом воздуха и в зависимости от условий даже
может стать совершенно невозможной [6]. По этой причине первые ненасыщенные полиэфирные смолы («парафин-полиэфир») содержали в рецептуре
в качестве добавки парафин, который действовал как всплывающая добавка,
препятствующая взаимодействию материала с кислородом воздуха.
Дальнейшие исследования привели к созданию ПЭ-смол, отверждающихся
на открытом воздухе, так называемых глянцевых полиэфиров, которые содержат в молекуле смолы самоокисляющиеся группы, способные реагировать с
кислородом воздуха.
В присутствии кислорода воздуха отверждение ненасыщенных полиэфиров
на основе ангидридов малеиновой и фталевой кислот, гликолей и стирола до
конца не проходит. Неполная полимеризация в тонком слое приводит к образованию мягкой пленки, а в толстом — приводит к повышенной липкости поверхности и чувствительности к растворителям [9,10]. Ограничение радикальной полимеризации происходит в результате присоединения кислорода (активен специфичный О2-радикал) к радикалам, образующимся в ходе полимеризации. Это приводит к преждевременному обрыву реакционной цепи. Устранение ингибирующего действия кислорода воздуха возможно посредством
добавки небольшого (0,001-1,0%) количества парафинов. Добавленный изначально в жидкий лак парафин, растворенный в стироле, с началом цепной полимеризации за счет разницы в плотности всплывает к поверхности, образуя
запирающий слой для доступа кислорода.
Ненасыщенные полиэфирные смолы,
требующие добавки парафина
Применяемые сегодня ненасыщенные полиэфирные смолы получают реакцией поликонденсации при сплавлении многоосновных спиртов (полиолов) и
двухосновных карбоновых кислот при 150-200°С, чтобы избежать преждевременного гелеобразования. На рис. 3. /.^представлена схема этой реакции.
В процессе синтеза совершенно невозможно исключить присутствие кислорода воздуха, но даже следы его могут привести к гелеобразованию. Кроме
того, это может привести к нежелательному изменению цвета. Для предотвращения желатинизации во время синтеза ПЭ-смол, в рецептуру добавляют в
небольших количествах так называемые ингибиторы-стабилизаторы, как правило, гидрохинон или третичный /7-бутилкатехол. Из литературы известно, что
одновременное добавление небольших количеств меди (0,0005-0,01%) в виде нафтената меди синергетически усиливает стабилизирующее действие гидрохинона [7].
Образующаяся во время реакции этерификации вода отгоняется или непосредственно, или в виде азеотропа с подходящими растворителями — толуолом или ксилолом — в замкнутом цикле.
Двойные связи в молекуле смолы принадлежат эфиру малеиновой кислоты
или ее изомеру — эфиру фумаровой кислоты, который образуется из малеинового эфира при высокой температуре. Хорошие возможности для сополимеризации ненасыщенных полиэфиров во многом определяются строением молекулы фумарового эфира (транс-конформация двойной связи) [9]. Степень
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
99
изомеризации определяется с помощью ЯМР- или КР-спектроскопии
(комбинационного рассеяния света).
Для совместимости с парафином
и стиролом очень важна доля фталевой кислоты в рецептуре смол. Кроме
того, с увеличением доли фталевой
кислоты возрастает твердость ПЭсмол. Из литературы известно, что
добавка небольших количеств 1,3- Рис. 3.1.22. Принципиальная схема получебутандиола также должна улучшать ния ПЭ смол методом поликонденсации
совместимость со стиролом [6].
Из публикации известно, что молекулярная структура Tfb-T^stfbTi ЪТГЙ-^^ -^Ъ
их потребительские свойства. Было отмечено, что ненасыщенные полиэфирные смолы с концевым положением двойной связи после сополимеризации
расположением двойной связи. Так называемые концевые полиэфирные смолы получают двухступенчатой поликонденсацией. На первой стадии проводится этерификация насыщенных кислот (фталевый ангидрид) с общим количеством пол иолов, а затем в реакцию вводится ангидрид малеиновой кислоты.
Напротив, для чистых центральных полиэфирных смол на первой стадии ведут
этерификацию малеинового ангидрида с общим количеством гликоля (пропандиола), а затем добавляют насыщенные кислоты (фталевый ангидрид). На
практике ненасыщенные полиэфирные смолы получают в одну стадию. Они
имеют промежуточную структуру между концевой и центральной, причем в
зависимости от условий преобладает та или другая. Различные структурные
элементы, которые получаются при разных процессах поликонденсации представлены на рис. 3.1.23.
Отверждаемые на воздухе ненасыщенные полиэфиры (глянцевые полиэфиры)
Встраивая в структуру смолы самоокисляемые группы, можно отказаться
от добавки парафинов. Эти смолы чаще всего называются глянцевыми, так
как после химического отверждения они образуют блестящие неклейкие покрытия. Так, в области покрытий для древесины используются модификации
смол, которые основаны на включении в состав моно- и диаллилового эфира
триметилолпропана. Производство этих смол освоено, начиная с 1955 г.
Механизм отверждения глянцевых полиэфиров был систематически изучен
Трэнкнер и Поол (Traenckner и Pohl) [8]. Энергия а-СН-связи аллильной группы невелика, и атом водорода может легко гомолитически отщепляться.
На рис. 3.1.24 представлены возможные варианты реакции производных аллиловых эфиров с кислородом воздуха и полимеризации по двойной связи
фумарового полиэфира.
При взаимодействии некоторого радикала с аллильной двойной связью образуется алкильный радикал (I). Ал кил радикал может или рекомбинировать с
аллильным эфиром по реакции (II), или присоединяться по двойной связи фумаровой кислоты по схеме (IV). Радикал, образующийся в реакции (II), реагирует с кислородом воздуха с образованием гидроперекиси (III). Гидроперекись разлагается в присутствии сиккатива (например, нафтената кобальта)
и инициирует тем самым дальнейшую цепную реакцию. По этой схеме полиэфирные цепи могут беспрепятственно разрастаться и образовывать неклей-
100 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Концевая полиэфирная смола
Центральная полиэфирная смола
Концевая/центральная полиэфирная смола
Рис. 3.1.23. Состав ПЭ лакокрасочных материалов
кое покрытие. Процесс отверждения исследовался в различных работах [8].
Для растворимого в стироле, модифицированного аллиловым эфиром, полиэфира (глянцевого полиэфира) с помощью метода ИК-спектроскопии были
получены следующие данные по процессу отверждения [6].
В глубоких слоях преобладает нормальная сополимеризация стирола с
двойными связями фумаровой кислоты. Аллиловые двойные связи лишь в
незначительных количествах встраиваются в матрицу смолы. На поверхности идет главным образом оксидное отверждение с участием двойных связей аллилового эфира. Как модифицирующий компонент аллиловый эфир
триметилолпропана встраивается в полиэфир благодаря наличию гидроксильных групп.
В табл. 3.7.20приводится пример рецептуры для смолы, содержащей аллиловый эфир.
Частичная замена фталевой кислоты на тетрагидрофталевую также позволяет получать нелипкие и твердые покрытия. В таблице 3.1.21 приводятся два
примера рецептуры с использованием тетрагидрофталевой кислоты, описанные в литературе [9].
ИК-спектроскопические исследования Деммлера [12] показали, что локально связанный атом водорода в третьем положении тетрагидрофталевой кислоты может легко отщепляться под действием первичного радикала (гидроперекиси) с образованием углеводородного радикала. Эта радикальная позиция
может реагировать с кислородом воздуха. При этом образуется пероксирадикал, который может в дальнейшем реагировать с гидроперекисью. Гидроперекись может образовывать перокси- или оксирадикалы в реакции восстановления с двух- или трехвалентным кобальтом, которые стабилизируются,
отщепляя водородный радикал и превращаясь в кетон (см. рис.3.1.5.6). Часто
вводят гликоли типа диэтиленгликоля, потому что считается, что они склонны
к противодействию кислороду. Это приводит опять к той же схеме, так как гликоли в состоянии образовывать перекиси.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 101
Радикал
Алкилрадикал
Аллильная двойная связь
Н
Отщепление
О
Н
Алкилрадикзл
Аллил-эфирный радикал
Аллиловый эфир
>-О,
+ R H -R-
О
I
н
Аллил-эфирный радикал
Гидроперекись
IV
Алкилрадикал
Полиэфир фумаровой кислоты
Рис. 3.1.24. Полимеризация эфиров фумаровой кислоты, модифицированных аллиловыми
эфирами
Мономеры/Активные разбавители
Применяемые мономеры называют активными разбавителями, так как в рецептуре ПЭ-материала они не только решают задачу по регулированию вязкости, но и участвуют в сополимеризации ненасыщенных полиэфиров и, таким
образом, встраиваются в матрицу покрытия.
Таблица 3.1.20. Пример рецептуры ненасыщенной полиэфирной смолы, содержащей диаллиловый эфир
Компонент
Мольная доля
Ангидрид фталевой кислоты
1,0
Ангидрид малеиновой кислоты
1,0
пропиленгликоль
1,8
Диаллиловый эфир триметилолпропана
0,4
102 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.21. Предложенные рецептуры для ненасыщенных полиэфиров,
содержащие тетрагидрофталевую кислоту
Исходный компонент
Пример 1, Mol-%
Пример 2, Mol-%
Диэтиленгликоль
89,25
105,00
Глицерин
10,30
—
Тетрагидрофталевая кислота
50,00
25,00
Фумаровая кислота
50,00
75,00
До сих пор наиболее важным активным разбавителем для ненасыщенных полиэфирных смол является стирол. Приблизительно на 1500 предприятиях по всему миру получают около 25 млн. т стирола в год. Стирол относится к канцерогенным и генетически токсичным веществам, однако сила его воздействия настолько незначительна, что он даже не внесен в список веществ, вызывающих предраковые заболевания. Максимально допустимая концентрация стирола в рабочих
помещениях (МАК) в Германии с 1987 г. установлена в 20 ррм (85 мг/м 3 ). Стирол
по-прежнему имеет большое значение как реагент для ненасыщенных полиэфиров. Тем не менее постоянно идет поиск альтернативного разбавителя.
В качестве активных разбавителей в покрытиях для древесины, кроме
стирола, используют винилтолуол, виниловый эфир или метакрилат в виде
1,4-бутандиолдиметакрилата.
Ненасыщенные полиэфирные смолы поступают в продажу в виде растворов
в стироле или органических растворителях. Доля стирола составляет обычно
от 30 до 35%.
н
н
-ОН")
н* +
н
о
Рис. 3.1.25. Предполагаемый механизм реакции тетрагидрофталевого полиэфира
с кислородом воздуха (схема)
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 103
Стирол и фумаровый эфир имеют сильную тенденцию к сополимеризации
с чередующейся последовательностью мономерных звеньев. Количественное описание реакционной способности мономеров впервые было проведено
Алфреем и Прейсом (Alfrey и Price) [18-19]. Они ввели для каждого мономера
две характерстические величины е и О. С их помощью константа скорости реакции описывается следующим уравнением:
•I • ,
Упрощенно это означает, что мономеры с различным значением Qv\ одинаковыми значениями еобразуют идеально азеотропные сополимеры, а при далеко
отстоящих друг от друга значениях е, образуются сополимеры с чередующимся порядком мономерных звеньев. Многочисленные исследования Деммлера
[14] иХаманна [10] показали, что соотношение полиэфира и стирола, а также
условия отверждения в значительной степени влияют на встраиваемость стирола в матрицу смолы. Хаманн с сотрудниками смог определить, что для отверждения ПЭ-лака нужно приблизительно 2 моля стирола на 1 моль двойных связей полиэфира. Дальнейшие исследования Деммлера показали, что стирол
в полимерную матрицу встраивается неравномерно, так как условия азеотропной полимеризации часто не соблюдаются. Изменение соотношения «полиэфир/стирол» в процессе радикальной полимеризации происходит потому,
что, в зависимости от условий, стирол больше или меньше испаряется.
Ненасыщенные полиэфиры используются сегодня в деревообрабатывающей промышленности Западной и Южной Европы и в Южной Америке. В данном случае речь идет о рецептурах, которые могут содержать кроме стирола и
другие активные разбавители, такие как пропиленгликольакрилат и/или органические растворители. Используются и бесстирольные составы. Отверждение происходит в результате быстро чередующейся сополимеризации стирола с ненасыщенной полиэфирной смолой. На рис.3.1.26 представлена профильная диаграмма свойств ненасыщенных полиэфирных покрытий, содержащих и не содержащих парафин.
Отвердители и ускорители
Инициаторами начала полимеризации в общем случае являются органические перекиси, которые распадаются на радикалы и тем самым вызывают цепную реакцию. На практике используются перекиси циклогексанона, метилэтилкетона, бензоила и кумола. Использование перекиси циклогексанона в последние годы сокращается, так как остаточная эмиссия циклогесанона из материалов, использованных для отделки внутренних деталей автомобилей, даже через
28 дней составляет от 50 до150 ррм.
Сегодня наибольшее значение имеет перекись метиэтилкетона как инициатор в ПЭ-покрытиях для древесины. Образование радикала из перекиси происходит при превышении определенного энергетического барьера, который
называется энергией активации. Она настолько велика, что для отверждения
с добавленной перекисью при комнатной температуре потребовалось бы от
нескольких дней до недели. С помощью нагрева (горячее отверждение) или
ускорителей (холодное отверждение) можно снизить энергию активации.
Обычно ускорителями реакции являются соли металлов (кобальта или марганца) которые используются по отдельности или одновременно с третичными аминами. Однако в материалах для обработки древесины сочетание солей металлов
с аминами не применяется.
104 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
В покрытиях для древесины и древесных
материалов предпочтитель10
нее
использовать
кобальтовое мыГибкость
покрытия
Качество поверхности
ло. Кобальтовое мыло используется
также в качестве сиккатива для окисПараметры эмиссии
Шлифуемость
лительного отверждения алкидных
смол. В ч. 3.2.1.4будет описан мехаСтабильность
низм ускоренного разложения переСпособность
при хранении
к перекрашиванию
кисей солями кобальта. При низких
Регулирование времени гедировамия
температурах (меньше 15°С) реакционная способность кобальтового
ускорителя резко снижается. Отвержденное покрытие долго остается
мягким, и если материал пигментиРис. 3.1.26. Профильная диаграмма сравне- рован, покрытие не может быть отния свойств парафинсодержащих и беспара- шлифовано. В наполненных системах
также возможно снижение активнофиновых ПЭ-материалов
сти за счет адсорбции соли кобальта
на наполнителе или на поверхности пигмента. Хотя при добавлении смачивающего вещества, например октоата кальция, которое покрывает поверхность
наполнителя или пигмента, активность кобальтового ускорителя сохраняется.
В весенней публикации 1996 г. (Oekotest) обсуждался вопрос о канцерогенности кобальтового сиккатива [27]. Федеральное ведомство по охране окружающей среды отказало в присвоении экологического знака («Голубой ангел»)
материалам, содержащим кобальтовый сиккатив. Референдум Европейской
ассоциации печати в марте 2004 г. наметил как можно скорее отказаться от
использования кобальтовых сиккативов [26]. Основанием для этой меры явились не вполне ясное представление о токсикологических свойствах соединений кобальта(И) и грозящая в связи с этим переоценка кобальтовых сиккативов как канцерогенов согласно Европейской классификации канцерогенов,
категория II.
Однако заменить кобальтовые сиккативы в ПЭ-системах очень трудно. Альтернативой может стать октоат калия, но, по сравнению с соединениями кобальта, он демонстрирует худшие результаты [24].
В обычные рецептуры перекиси вводятся в виде растворов в инертных жидкостях (например 50%-ный раствор перекиси в пластификаторе) в количестве
от 5 до 10% в расчете на массу смолы. В последние годы в целях уменьшения и
исключения остаточной эмиссии из отвержденных покрытий стараются заменять дибутилфталатные растворы перекисей на более подходящие. Соли кобальта добавляются в концентрации от 0,2 до 2%, причем более высокие концентрации требуются для пигментированных систем. Стирол добавляют непосредственно перед использованием.
Чувствительность к температуре
| Полиэфиры, не содержащие парафинов
М Полиэфиры с парафинами
Прочие составные части рецептуры ПЭ-систем
Пигменты и наполнители, используемые в ПЭ-материалах, должны, кроме
совместимости с перекисями, соответствовать следующим требованиям:
• устойчивость при хранении ПЭ-систем не должна нарушаться;
• ускорители не должны адсорбироваться пигментами и наполнителями;
• пигменты и наполнители должны быть химически инертными по отношению к композиции и не должны быть причиной реакций.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 105
Основными наполнителями являются карбонат кальция, сульфат бария,
тальк и каолин. С помощью наполнителей можно прежде всего избежать усадки, которая возникает при полимеризации смолы с мономером.
Выбор подходящих парафинов для парафинсодержащих систем происходит
с учетом их температуры плавления, так как парафин может выкристаллизовываться после полимеризации при охлаждении. Стандартные продукты имеют точку плавления в области от 51 до 53°С. Зимой преимущественно используют парафины с температурой плавления от 46 до 48 °С, а летом — от 56 до
58°С. Так как состав парафинов может меняться от партии к партии, следует
закупать их сразу в больших количествах и использовать свыше года. Так можно гарантировать постоянное качество ПЭ-материалов. Добавляемые парафины, кроме того, почти полностью предотвращают испарение мономерного
стирола. В зависимости от области плавления парафинов можно снизить потери стирола при отверждении до 5 весовых % и ниже. Без добавки парафинов
потери стирола за 90 минут составляют от 60 до 80% [10].
Для улучшения устойчивости материала, при хранении и продлении времени его использования, в рецептуру добавляют ингибиторы — гидрохинон или
л-третбутилкатехол в количествах на уровне ррм (тысячной доли грамма).
3.1.5.3. Нанесение ПЭ-материалов
Нанесение ПЭ-материалов проводят распылением или обливом. Распыление
может осуществляться пистолетами или распылительными устройствами для
двухкомпонентных систем, так как ограниченная жизнеспособность материалов — от нескольких минут до часа —требует быстрой обработки поверхностей.
При двухкомпонентном распылении основа и сшивающий агент раздельно вводятся в распылительный пистолет и смешиваются непосредственно перед выходом из дюзы. Другим испытанным методом нанесения ПЭ-материалов является налив. Существует несколько вариантов этого метода, таких как контактный, двухголовочный и сэндвичевый, которые подробно описаны в ч. 5.1.5.
Для ПЭ-покрытий пригодны почти все типы древесины. Исключением является древесина, в которой присутствуют вещества, препятствующие отверждению ненасыщенных полиэфиров. К такой древесине относятся ироко, палисандр, макасар, мансония, мирт, тик, вавона и т.п. Такого типа древесину
перед нанесением ПЭ-покрытия следует изолировать. Изоляцию проводят с
помощью низковязких 2К-полиуретановых лаков. В зависимости от типа древесины нанесение изолирующего слоя может проходить в несколько приемов
с промежуточной сушкой.
Из древесины ценных пород, покрытой ПЭ-лаками, изготавливают декоративный багет, консоли, рулевые колеса, рукоятки для переключения скоростей
и т.п. В качестве основы для покрытия используют послойно клеенные, прессованные, фанерованные ценной древесиной, например корневой, детали.
Чтобы достичь желаемой глубины обработки высокоглянцевой поверхности
детали обрабатываются несколько раз. После соответствующей фазы отверждения детали полируются с использованием шлифовальной бумаги с постепенным уменьшением размеров зерна. Наилучшим результатом полировки
является такой, когда после лакирования и шлифовки поверхности высота неровностей профиля составляет 1,5 микрона [20]. Для этого, как правило, используется двухступенчатая шлифовка, причем на второй стадии шлифования
размер зерна шлифовальной бумаги — 600. На последней стадии шлифования
106 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
оно должно проводиться поперек предыдущего направления шлифовки. Тогда последующая полировка может быть сделана быстро и с незначительным
усилием прижима. Полировка до высокой степени глянца выполняется на полировальной машине, которая снабжена войлочной лентой. Здесь используют
специальные полировальные пасты и воски. Остатки воска снимают специальным полировочным средством. Лаковые покрытия в зависимости от температурной устойчивости, должны полировать со скоростью прохода абразива от 6
до 24 м/с [ 2 0 ] . При полировании должен быть минимизирован сильный нагрев
покрытия, так как впоследствии это может привести к дефекту типа «апельсиновой корки». На практике температура поверхности при обработке на полировальном круге может быть от 80 до 100°С.
При использовании ПЭ-материалов должны приниматься во внимание следующие технологические рекомендации:
• оптимальная температура нанесения — 23-28°С;
• сильно охлажденный ЛКМ предварительно нагревают до 30°С, затем
охлаждают до 22-23°С и затем сразу используют;
• необходимо учесть, что растворы парафинов склонны к кристаллизации
при хранении. Закристаллизованные парафиновые растворы нагревают
при перемешивании (на водяной бане при температуре от 30 до 45°С) до
полного растворения;
. следует строго соблюдать соотношения смешиваемых компонентов основы, отвердителя и ускорителя;
• время для использования материала после смешивания компонентов
(время гелеобразования15 может быть увеличено до одного часа при использовании замедлителей; высокая температура и низкая относительная влажность воздуха сокращают время гелеобразования;
• соблюдение условий подачи сырой массы наносимого вещества. Увеличение массы наносимого вещества при распылении может привести к
возникновению воздушных включений и, при известных условиях, к появлению серого оттенка. Уменьшение массы ведет к быстрому физическому высыханию и сокращению времени гелеобразования, а в парафинсодержащих системах задерживает всплывание парафина;
• налив на горячие поверхности приводит к образованию дефектов парафинсодержащих покрытий (выбоинам, растрескиванию, прилипанию);
• для достижения оптимального высокоглянцевого результата полировка
должна быть сделана через 48-72 часа после отверждения.
Метод реакционного литьевого формования™
В последние годы много занимаются альтернативными системами покрытий, которые позволяют заменить многослойный, требующий много времени
15
Гелеобразование (продолжительность гелеобразования, точка гелеобразования).
На практике это время, которое остается переработчику для нанесения нового слоя
материала. С молекулярной точки зрения, согласно Flory [28] , система достигает точки гелеобразования, когда образуется первичная бесконечная молекулярная сеть. Это
означает, что молекулы из конца в конец непрерывно связаны между собой, но не все
молекулы участвуют в этих связях.
16
RIM— Reaction Injection Molding — реакция литьевого формования. Две или несколько реакционно способных жидкостей подаются под высоким давлением в форму,
где при повышенных температурах происходит отверждение. Это единственный метод
переработки пластмасс, при котором химическая реакция происходит в пресс-форме.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 107
Таблица 3.1.22. Технологический цикл процесса нанесения ПЭ покрытия с высокоглянцевой полировкой на поверхностях, шпонированных древесиной ценных пород
1 день
Шлифование и обработка бейцем
Вначале поверхность древесины шлифуется. Нужный оттенок получают
при обработке водорастворимым бейцем методом распыления.
Изоляция веществ, входящих в состав древесины
и патинирование
2 день
Исключение возможного выделения ингредиентов из древесины проводят 2К-ПУР лаком. Для исключения прилипания последующую обработку можно проводить через 2-3 ч или максимум 20 ч
Нанесение ПЭ лака
Здень
4 день/
5 день
Ненасыщенные полиэфиры в зависимости от условий наносятся в 3-10 слоев методом распыления. В один слой наносится до 200 г/м2 лака. Толщина
покрытия после высыхания составляет от 700 до 800 микрон [23]
Сушка / отверждение
Окрашенные изделия хранятся от 24 до 48 часов в помещении
(23°С/50%-ная относительная влажность воздуха). Если отверждение
не проводится, то в процессе полирования возможно впитывание лака
(просадка) в древесину
Шлифовка полиэфирного покрытия.
6 день
7 день
Шлифовку полиэфирного покрытия проводят в несколько этапов, чтобы
получить гладкую поверхность, б" результате удаляются самые мелкие
повреждения и включения.
Полировка
Для получения высокоглянцевых покрытий лакированные поверхности
необходимо шлифовать и полировать войлочным (суконным) полировальным кругом
процесс нанесения. К тому же в автомобильной промышленности стараются
снизить остаточную эмиссию органических соединений в салонах автомобилей [21]. С мая 2001 г. на предприятиях, производящих комплектующие для
автомобильной промышленности, внедряется RIM-метод нанесения 2К-ПУР
систем для отделки деталей, шпонированных древесиной ценных пород [22].
При использовании RIМ-метода деталь, на которую необходимо нанести покрытие, помещается внутрь пресс-формы. Зазор между поверхностью детали и поверхностью формы составляет 0,8 мм. Это пространство через смесительную головку под давлением заполняется 2К-ПУР прозрачным лаком, который ускоренно отверждается в течение минуты при температуре от 100 до
160°С [22, 24]. Для извлечения детали из формы используется смазка на основе силикона или воска. В последние годы стараются принципиально уменьшить количество смазки. В табл. 3.1.23 [22] проводится сравнение начальной
и конечной стадии RIM-процесса с традиционным способом покрытия ненасыщенными полиэфирными лаками.
108 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.23. Сравнение процесса RIM и традиционной ПЭ технологии для покрытия
деталей с поверхностью из древесины
Нанесение ПЭ лака
распылением
Clear ИМ-технология'с использованием 2К-ПУР лака
Принцип метода
Многократное нанесение
распылением
Налив или облив детали
разбавленным 2К-ПУР лаком
Время отверждения
покрытия
Около 72 ч
От 2,5 до 4 минут
Последующая
обработка
Длительное шлифование
и полирование
Незначительное полирование
Остаточная эмиссия
На 90% выше, чем в Clear RIMпроцессе
На 90% ниже,
чем у ПЭ покрытия
Текущие расходы
Очень высокие из-за ручной
обработки и больших временных затрат. Перерасход материала из-за многократного
распыления и добавочные затраты на утилизацию отходов
Незначительные минимальная
ручная доводка и существенно сниженные временные затраты
Инвестиционные
расходы
Незначительные, зато очень
высокие текущие расходы
Высокие, расходы на прессформы и заливочные машины.
1
Clear RIM-технология это торговая марка фирмы Hennecke GmbH, Polyurethane Technology in Sankt
Augustin.
Список литературы
1. Kittel, H. Lehrbuch der Lacke und Beschichtungen, Vol I/2, W.A. Colomb Verlag, 1980,
S. 778-793.
2. Goldschmidt, B. Hantschke, E. Knappe, G. Vock, Glasurit-Handbuch Lacke und Farben,
11. Auflage, Curt R. Vincentz Verlag, Hannover, 1984.
3. Prieto, J., Kiene, J. Lehrbuch der Lacke und Beschichtungen, Kittel Band 9, S. 319-351,
S. Hirzel Verlag Stuttgart, Leipzig, 2004.
4. Deutsches Lackinstitut, Klavier- und Geigenlacke treffen glanzvoll den guten Ton,
Informationsdienst Deutsches Lackinstitut Nr. 61, Dezember, 1999.
5. Prieto, J. Moderne UV-haertbare Moebellacke, I-Lack67, S. 584-588, 1999.
6. Mueller, M., Ungesaettigte Polyesterharze, Lackharze, Carl Hanser Verlag Muenchen Wien,1996.
7. Mlezivs, Novak, Kunststoffe 9, 1984.
8. Tranckner, H-J., Pohl, H. U.Untersuchungen zum Trocknungsmechanismus
lufttrocknender ungesaettigter Polyesterharze, Die angewandte Makromolekulare
Chemie 108, S. 61-78 (Nr. 1751), 1982.
9. Riese, W. A. Zur Formulierung ungesaettigter Polyesterharzlacke, Farbe und Lack 1966,
72. Jahrgang, Nr. 2, S. 140-148.
lO.Gebhardt, W., Herrmann W., Hamann, K. Die Verdunstung des Monostyrols aus Lacken
auf Basis ungesaettigter Polyester, Farbe und Lack 1958, 64. Jahrgang, Nr. 6, S. 303-309.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 109
H.Selbeck, H., Dhein, R., Rudolph, H., Reuter, K.EnolisierendeBeta-Ketoverbindungenals
Zusatzbeschleuniger in ungesaettigten Polyesterharzen, Farbe und Lack 1979, 85.
Jahrgang, Nr. 1, S. 1 4 - 1 7 .
12.Demmler, K., Schlag, J.Das Verhalten der Radikale in gehaerteten Polyesterharzen,
Farbe und Lack 1971, 77. Jahrgang, Nr. 3, S. 2 2 4 - 2 3 1 .
13. Demmler, K., Schlag, J. Ueber die Kalthaertung ungesaettigter Polyesterharze mit dem
System Benzoylperoxid/tertiaeres aromatisches Amin, Quelle unbekannt.
14. Demmler, K. Der strukturelle Aufbau von Polyesterlackfilmen und sein Einfluss auf die
Eigenschaften, Farbe und Lack 1966, 72. Jahrgang, Nr. 10, S. 9 7 1 - 9 8 1 .
15.Technisches Informationen. GLOSSALL, Fa. G e o r g M . L a n g e r & C o . , Ritterhude, Bremen.
16.Novak, J., Mleziva, J., Eichler, J.Einfluss von Inhibitoren auf die Lagerfaehigkeit von
ungesaettigten Polyesterharzen, Die Angewandte Makromolekulare Chemie 128 (1984),
Nr. 2023, S. 1 2 3 - 1 3 2 .
17. Elias.H-G.Makromolekuele, Band 1Grundlagen,Huethig&WepfVerlag Basel-Heidelberg
-NewYork, S. 5 2 8 - 5 3 8 .
18.Alfrey, Т., Price, С. С: J. Polym. Sci., Nr. 2, 1947, S. 101-106.
19.Schoger, H.-A.: Synthese und Eigenschaften an aphiphilen Copolymeren mit
periodischen Strukturen und deren Wechselwirkung an Grenzflaechen, Dissertation,
Universitaet Stuttgart 2000, S. 19-24.
20.Firmeninformation der Fa. Menzerna ueber Industriepoliermittel, 2006.
21. Fries, K.-W.: Die Alternative zum Lack, Plastverabeiter, 52. Jahrgang, 2001, Nr. 1, S. 24-25.
22.Kirsten,T.:MehrPSfuerdieOberflaechenbeschichtung,PresseberichtderFa.Hennecke,
2001.
23.0ndratschek, D., Hruschka, R., Chatziapossidis, I.: Einsatz lacksparender,
elektrostatischer Hochrotationsglocken beim Lackieren von Holz und Holzwerkstoffen,
ForschungsberichtFZKA-BW-PLUS, Mai, 2004, Universitaet Stuttgart.
24. Patentschrift EP 0943637 A1, BASFAG, 1999.
25. Sauer, F. Substitution of cobalt accelerators in unsaturated polyester systems, Borchers
GmbH, Monheim.
26.Steinert, A. Der Ersatz von Kobaltsikkativen und Hydrochinonderivaten in
Offsetdruckfarben, Borchers GmbH, Monheim.
27.Srna, С Problematikvon Kobaltsikkativen, Farbe + Lack, 104. Jahrgang, 8/1998, S. 10.
28.Flory, P., J. Principles of Polymer Chemistry, Cornell University Press, Ithaca/London,
1973.
3.1.6. Радиационно-отверждаемые лакокрасочные материалы
Под радиационным отверждением в узком смысле понимают отверждение покрытий с помощью электронного (ЭИ) или ультрафиолетового (УФ) излучения.
В промышленности для покрытий на древесине применяют главным образом радикальные УФ-технологии. Они уже много лет с успехом используются для окраски деревянных полов, дверей, мебели, обшивки стен, изделий из
деревосодержащих материалов, покрытых бумажной декоративной пленкой,
и пробки.
ЭИ-технологии применяются только в специальных областях.
Катионная полимеризация не актуальна для промышленной окраски древесины. Поэтому в дальнейшем основное внимание будет уделено радикальному УФ-отверждению.
110 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
3.1,6.1. Исторический обзор
В узком смысле под радиационным отверждением понимают отверждение
(полимеризацию) материалов под действием электронного излучения (ЭИ)
или ультрафиолетового (УФ) света.
Пожалуй, первая цепная полимеризация, инициированная УФ-светом, была
проведена в древности на египетских мумиях [1].
Многочисленные опыты по отверждению ненасыщенных полиэфиров УФизлучением были описаны Честером М. Макклоски и Джоном Бондом в
1955 г. [2]. Они нашли, что ненасыщенные полиэфиры при добавлении фотоинициаторов, подобно галогенсодержащим производным нафталена и
а-галогенкетонам, химически отверждаются под действием УФ-излучения.
Кроме того, они систематически изучали влияние количества фотоинициаторов на скорость полимеризации. Они определили, что вид и интенсивность излучения влияют на скорость реакции полимеризации.
Отверждение не содержащих стирол ненасыщенных полиэфиров было систематически изучено Чарлсби с сотрудниками. Они обнаружили, что такие
системы под действием УФ-излучения достигают относительно небольшой
степени полимеризации (порядка 5 основных единиц) [3].
Уже в начале 1960-х гг. в Германии в мебельной промышленности использовали 2К полиэфирные лаки с высоким содержанием твердой фазы (до 100%
нелетучего вещества). Для полиэфирных систем впервые стало возможно вести рациональную окраску мебели поточным методом. Важнейшими продуктами в это время были отделочные лаки, которые после 20 минут сушки уже
можно было складировать (штабелировать). Последующая шлифовка и полировка происходила после 20-часового доотверждения в штабелях. Чтобы выполнить растущий спрос на мебель, в мебельной промышленности пытались
повысить производительность за счет повышения скорости поточных линий. В
результате дальнейших разработок в области реактивных ненасыщенных полиэфирных смол, увеличения количества ускорителей (солей кобальта), подбора концентрации перекисей и добавления промоторов (р-дикетонов), а также с повышением температуры сушки, цель на стыке технических возможностей была достигнута [4, 5].
С начала и до середины 1960-х гг. УФ-отверждение в производстве лаков и
сырья для ЛКМ захватило Европу. В это время зарегистрировано несколько
патентных заявок. Получен патент 1946 г. фирмы Дюпон [6], в котором заявлена добавка бензоиновых эфиров первичных спиртов в качестве фотоинициаторов для ненасыщенных акрилатов, а также изучаются другие добавки в ненасыщенные полиэфирные смолы [7, 8].
В немецкой специальной периодической печати в 1967 г. появились идеи
по возможности отверждения ненасыщенных полиэфирных материалов
УФ-облучением в промышленном масштабе [9]. Преимущество нового процесса состояло в том, что время отверждения на тот момент самых распространенных материалов - ненасыщенных полиэфиров - могло быть очень
сильно сокращено. Кроме этого, обнаружилось, что можно эффективно сократить время всего процесса и сэкономить площади за счет компактности
оборудования. С использованием сырья для ненасыщенных полиэфирных
смол, с введением первых промышленно полученных фотоинициаторов и с
изготовлением промышленно пригодных УФ-ламп стало возможно внедрять
УФ-отверждаемые материалы в промышленном масштабе в Европе. Компания
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 111
Bayer AG была главным новатором по внедрению материалов УФ-отверждения
и в 1967 г. вывела этот метод на рынок [10].
Первые типы смол, выпущенные фирмой Bayer AG в 1967 г., назывались
«Roskydal UV 10», a BASF AG — «Ludopal 8275» [11].
В начале становления УФ-отверждения фотоинициаторами для прозрачных
лаков были, несмотря на ярко выраженную склонность к пожелтению, бензоиновые эфиры (бензоинбутиловый эфир и бензоинизопропиловый эфир).
Вместе с тем внедрение УФ-отверждаемых шпатлевок вначале сдерживалось
из-за появления дефекта в виде волнообразного растрескивания покрытия
на стружечных плитах. Причиной возникновения трещин была неправильная
дозировка наполнителей в рецептуре этих материалов [12]. Первые излучательные люминисцентные лампы, называемые также ртутными лампами низкого давления, имели мощность от 0,5 до1,0 Вт/см. По этой причине на УФотверждение требовалось до 5 минут. В 1970 г. на рынке появились ртутные
лампы высокого давления с мощностью от 20 до 30 Вт/см, что дало добавочный импульс для распространения УФ-материалов.
Первые УФ-отверждаемые шпатлевки и грунты наносили методом вальцевания. Фирмы Greco, Moralt, Novopan, Paidi, Schlingmann и Triangel выпускают УФ-отверждаемые грунтовки для древесно-стружечных плит с 1969 г. [9].
Нанесение покрывного лака из эстетических соображений проводили на наливных машинах с использованием кислотоотверждаемых систем покрытий.
Учитывая, что скорость полимеризации растворенных в стироле полиэфирных
систем при УФ-отверждении очень мала, скорость подачи окрашиваемых изделий на линии окраски вначале была от 2 до 4 м/мин (см. ч. 3.1.6). В США первая установка УФ-отверждения появился в 1971 г. [13].
УФ-отверждению растворенных в стироле ненасыщенных полиэфирных
смол мешал кислород воздуха. Сначала это проявлялось в заметной клейкости поверхности. Чтобы этого избежать, в ненасыщенные полиэфирные смолы добавили в небольших количествах парафин.
При облучении полиэфирного покрытия (предгелирование) люминесцентной лампой (ртутной лампой низкого давления) полимеризация протекает существенно медленнее из-за низкой мощности лампы. Через 60-90 секунд на
поверхности образуется защитный слой парафина.
В результате прямого воздействия ртутной лампы высокого давления полимеризация происходит настолько быстро, что защитная парафиновая пленка
не успевает образоваться. Поэтому отверждение с помощью ртутной лампы
высокой мощности проводят в течение 30 секунд сразу после стадии предгелирования, которое проходило под действием люминесцентной лампы.
На рис. 3.1.6.1.1 представлен типичный пример обработки древесно-стружечных плит с использованием УФ-отверждаемых покрытий (1970 г.). При УФотверждении в позиции, предшествующей гелированию, находится много люминесцентных ламп небольшой мощности, для того чтобы на поверхности парафинсодержащего материала успел образоваться защитный слой парафина (парафиновое зеркало). Слой парафина одновременно предотвращает излишнее испарение стирола и защищает поверхность от действия кислорода
воздуха при окончательном отверждении (см. ч. 3.1.6). В сегодняшнем варианте этого процесса длительность облучения сокращена до 30 с. Новейшие
разработки позволяют сократить время отверждения до нескольких секунд,
в зависимости от скорости движения транспортера.
112 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
В конце семидесятых годов был внедрен новый фотоинициатор 2,2-диметокси-2-фенилацетофенон (бензилдиметилкеталь), который обладал по
сравнению с бензоиновым эфиром более высокой реакционной способностью,
стабильностью при хранении, незначительным пожелтением и оптимальным
соотношением цены и эффективности (см. ч. 3.1.6). Бензилдиметилкеталь и сегодня играет важную роль в производстве стиролсодержащих ПЭ-материалов.
В 70-е гг. прошлого столетия в мебельной промышленности и производстве древесных плит метод радиационного отверждения нашел быстрое распространение, так как по сравнению с классической схемой отверждения ПЭлаков, был дешевле и рациональней, к тому же появилась возможность отказаться от перекисного отверждения [15]. Уже в 1975 г. в Европе перерабатывалось около 5000 т УФ-отверждаемых полиэфирных смол в год. Из них получали главным образом шпатлевки УФ-отверждения с высоким наполнением
общим объемом от 8000 до 10 000 т в год. В то время в Европе насчитывалось
более 100 действующих установок УФ-отверждения. В 1976 г. в США было 75
установок для обработки древесины и 15 для обработки дверей [16]. Конец
эры шпатлевок наступил в 1976-1977 гг., когда в Германии «пигментная волна» миновала. В североевропейском регионе начались разработки УФ прозрачных лаков вальцового нанесения, подчеркивающих текстуру древесины.
Вскоре стало ясно, что новые разработки на базе стирольных ненасыщенных
полиэфирных смол малоэффективны, так как невысокая УФ-активность, которая снижается еще и из-за маленькой скорости нанесения материала (от 2 до
3 м/мин), препятствует эффективности процесса. Кроме того, высокое содержание стирола в УФ-лаках приводит к набуханию и разрушению резиновых
вальцев [17]. По этой причине такие системы применяются весьма ограниченно, например, в производстве панелей и дверей.
Целью процесса УФ-отверждения является быстрое и эффективное формирование покрытия и улучшение свойств лака, таких как адгезия, упругость, снижение пожелтения и оптимизация стабильности при хранении готовых рецептур. Такая постановка задачи привела к идее использования полиакрилатных и
эпоксидных смол. Первые коммерческие образцы таких материалов появились
на рынке сырья в 1974-1975 гг. Параллельно, в конце 1970-х гг. стали внедряться люминесцентные лампы высокой мощности до 80 Вт/см и рефлекторы.
Следующим шагом стала замена стирола на мономерсодержащие акриловые смолы. В начале это привело к кожным заболеваниям при работе с лаками
из-за токсичности мономеров, входящих в их состав. В начале 1980-х гг. была
внедрена первая УФ-система без низкомолекулярных мономеров (разбавителей) в производстве дверей. Правда, используемые покрывные лаки содержали от 15 до 25% органических растворителей, необходимых для регулирования
вязкости. Прорывом в мебельной промышленности стало создание рецептур
красящих бейцев, которые не влияли на скорость процесса УФ-полимеризации
покрытий, т.е. не ингибировали этот процесс [18]. Скорость подачи на линиях
окраски составляла 15-20 м/мин. В то время после нанесения УФ-материала
фронтальные части мебели покрывали в основном нитроцеллюлозными или
2К-ПУР лаками. Корпусные детали покрывали только УФ грунтом и УФ покрывным лаком. Внедрение в качестве фотоинициаторов гидроксициклогексилфенилкетона (НСРК) и 2-гидрокси-2-метилфенилпропанона (НМРР) в начале
1980-хгг.сделаловозможнымсоздниерецептурслабожелтеющихУФ-покрытий
с хорошей УФ-активностью [19]. Под названиями Irgacur 184 и Darocur 1173
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 113
они вступили в состязание с бензилдиметилкеталем (BDMK) и ацетофенондиэтилкеталем (ADEK), из которого вышли победителями.
Пигментированные лакокрасочные системы
Эйфория, возникшая в 1967 г. на первой стадии внедрения УФ-отверждаемых
полиэфиров, позже немного омрачилась тем, что использовавшиеся в то время фотоинициаторы и УФ-лампы не позволяли проводить отверждение глубоких слоев.
Европейские производители сырья, так же как и крупные производители ЛКМ в начале 1970-х гг. пытались получить белые пигментированные УФматериалы за счет целенаправленной несовместимости материалов в композиции, т. е. за счет негомогенности среды [20, 21]. Они хотели таким образом избежать добавления поглощающих УФ-излучение пигментов, таких как
двуокись титана, которые препятствуют УФ-отверждению. В патентах фирмы
Vianova Kunstharze AG описано получение белых отделочных покрытий, в которых использован принцип целевой несовместимости, при сополимеризации
содержащих фотоинициаторы растворов ненасыщенных полиэфирных смол.
Для этого в рецептуры добавлялись, например, ацетобутират или нитроцеллюлозы, винилхлорид, винилацетат, виниловый спирт, высокодисперсную кремниевую кислоту и такие наполнители, как тальк, доломит, каолин [22]. В других
патентах предлагаются добавки сульфидов металлов (сульфида молибдена),
слабопоглощающих в УФ-области, во всяком случае меньше, чем используемые фотоинициаторы, и поэтому допускающих полное отверждение [23].
К концу 1970-х гг. в результате внедрения новых УФ-ламп с повышенной интенсивностью излучения и новых фотоинициаторов на основе тиоксантоновых
производных в сочетании с третичными аминами (как синергистами) начали
успешно отверждать и материалы, содержащие двуокись титана [24]. Фотоинициаторами стали метилтиоксантон с метилдиэтаноламином в качестве синергетика. Метилтиоксантон поглощает УФ-излучение в длинноволновой области (А, макс = 384 нм) как раз там, где прозрачна окись титана. Однако этот
инициатор работает только в ненасыщенных акрилатных системах, растворенных в активном растворителе.
Вредное воздействие при УФ-облучении оказывает также и необходимая
добавка аминного ускорителя, имеющего отчетливую желтую окраску и склонного к пожелтению под действием света [25]. Кроме того, в тот момент в мебельной промышленности доминировали материалы на основе ненасыщенных полиэфирных смол, которые не могли отверждаться с тиоксантоном. К началу 1980-х гг. в качестве белых пигментов стали использовать титанат магния
и сульфид цинка. Параллельно были внедрены УФ-лампы повышенной мощности от 120 до 200 Вт/см. Несмотря на то, что оба пигмента по сравнению с
анатазной двуокисью титана и рутилом в длинноволновой УФ-области имели
лишь незначительное поглощение, они в силу недостаточности своих свойств,
использовались очень ограниченно [26]. Только внедрение нового типа фотоинициаторов — ацилфосфиноксидов (2,4,6-триметил-бензоил-дифенилфосфиноксида-ТМРО) привело к ощутимому успеху в УФ-отверждении полностью пигментированных белых материалов [26, 27].
Материалы, содержащие ТМРО, как на основе стиролсодержащих ненасыщенных полиэфирных смол, так и на основе ненасыщенных акрилатных смол,
отличают хорошая УФ-активность, незначительное пожелтение и хорошая стабильность при хранении составов. В начале 1980-х гг. фотоинициатор приме-
114 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
нялся главным образом в итальянской мебельной промышленности. Несмотря
на противоречивые высказывания, с середины и до конца 1980-х гг. ТМРО использовался в основном в комбинированных процессах отверждения так называемой Doubl-Cure схеме (сочетание перекисного и УФ-отверждения) для
полностью пигментированных материалов [28]. В 1988 г. в Италии на более
чем 50 линиях окраски, на три четверти использовалось перекисное отверждение и на одну четверть — УФ-отверждение (Mono-Cure схема) [25, 29]. Вызывало интерес также сочетание процессов полиприсоединения (для полиизоцианатов) и УФ-отверждения для полностью пигментированных систем.
Следующим этапом стало внедрение ртутных ламп высокого давления с галлием с эмиссией в области 420 нм.
На универсальных установках С.Е.М.А. для нанесения высокоглянцевых
покрытий устанавливались вальцы и наливные машины в камерах с избыточным давлением, чтобы избежать попадания пыли. Для удаления растворителей и предгелирования используется ленточный транспортер, на котором
и происходит подсушивание и предгелирование [30]. В располагающемся вслед за этим УФ-канале происходит УФ-отверждение. На подобных или
аналогичных линиях в 1986 г. в Италии было окрашено более миллиона метров мебельных поверхностей с использованием глубоко пигментированных
УФ-материалов [25].
В начале 1990-х гг. в Европе интенсивно внедряются пигментированные
комбинированные системы покрытий для нанесения ЛКМ вальцеванием при
производстве панелей, мебели и дверей. С целью получения экономичных белых покрытий с высокой химической стойкостью используется совмещение
различных окрасочных технологий и материалов (водорастворимые пигментированные 1К-грунтовки, пигментированные УФ-грунтовки, прозрачные УФпокрывные лаки). Кроме того, в середине 1990-х гг. в лакокрасочной промышленности внедряется бис-ацил-фосфиноксид.
Одновременно в мебельной промышленности интенсивно занимаются
электронно-радиационным отверждением.
Теоретическое физическое обоснование этой технологии было сделано в
1960 и 1962 гг. Чарлсби и Шапиро (Charlesby и Chapiro) [10]. Основные детали
отверждения с помощью электронного излучения были описаны в многочисленных сообщениях Хоффманом (Hoffman) в 1966 г., Мейер-Юнгник (МеуегJungnick) в 1967-1968 гг. и Таун (Tawn) в 1968 г. [31-35]. Достаточно быстро
выяснилось, что электронное излучение в отличие от УФ-отверждения способно полностью отверждать пигментированные составы [36]. Это ускорило параллельную разработку систем, отверждаемых УФ и электронным излучением. Промышленное использование ЭИ в 1968 г. сдерживалось в основном высокой инвестиционной стоимостью сканирования — от 125 000 до
140 000 евро [36]. К тому же существовали многочисленные технические проблемы, которые отодвинули решение этого вопроса на несколько лет. К примеру, следует упомянуть о недолговечности титановой фольги, закрывавшей
выходное окошко излучателя, которая должна была сменяться минимум через
30 минут [36].
Прошло несколько лет, прежде чем первая линия нанесения пигментированных покрытий с ЭИ-отверждением была введена в эксплуатацию. Фирма
«Svedex» в Варссевельде (Varsseveld), Нидерланды, по производству дверей
(Dextuera) в 1973 г. переключилась с кислотоотверждаемых систем покрытий
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 115
на ЭИ-отверждаемые покрытия и остается пионером в этой области до сих
пор. Разработанные в то время технологические решения актуальны и сегодня [37]:
• площади, занимаемые конвекционной сушкой для кислотоотверждаемых
покрытий с использованием ЭИ-отверждения, стало возможно сократить
на 80%;
. расход ЛКМ сократился на 30%;
• исчезла проблема эмиссии органических растворителей, т.к. материалы,
отверждаемые ЭИ, на 100% состоят из нелетучих веществ;
• утроилось количество продукции, окрашиваемой в единицу времени;
• благодаря стойкости к царапанию и твердости покрытий, на 50% сократилась доля восстановительных работ по повреждениям, возникающим в
результате внутренней транспортировки.
Второй фирмой в Европе, которая стала использовать ЭИ, стала бельгийская «Theuma» из Беккеворта (Bekkevoort). Сегодня на этих фирмах производятся белые окрашенные двери [37]. Первая линия окраски древесины с использованием ЭИ-отверждаемых материалов в США появилась на фирме
«PPG» в 1977 г. ЭИ-отверждение при окраске изделий из древесины в настоящее время имеет лишь ограниченное применение из-за высокой стоимости
оборудования и технических особенностей, например, необходимости создания инертной среды и низкой степени глянца покрытий.
Важнейшие вехи в развитии технологии, сырья и ЛКМ для УФ-отверждаемых
покрытий представлены в таблице 3.1.24.
Список литературы
1. Barzynski, H., Penzlen, К., Volkert, О.: Photopolymerisation, Chemiker Zeitung, 96.
Jahrgang, 1972, Nr. 10.
2. McCloskey,ChesterM.,Bond,John:PhotosensitizersforPolyester-VinylPolymerisation,
Industrial and Engineering Chemistry 1955, S. 2125-2129.
3. Charlesby,A.,Wycherley, V., Greenwood, Т. Т., Proc. R. Soc. London, Ser. A224 (1958), 54.
4. DAS 1.195.491, Glasurit-Werke, M. Winkelmann AG, 1963.
5. DAS 1.927.320, Bayer AG, 1970.
6. US 2.448.828, Du Pont, 1946.
7. DAS 1.297.269, Herbol-Werke, Herbig-Haarhaus AG, 1960.
8. DAS 1.571.081, Mueanyagipari Kutato Intezet, 1965.
9. Unbekannt: UV-Haertung fuer farbige Lackierungen, Moderne Holzverarbeitung, 1970,
S. 86-87.
10.Giegold,H.: NeuzeitlicheHolzoberflaechenverfahren, Industrie Lackierbetrieb 1972,40.
Jahrgang, Nr. 2, S. 66-71.
11. Unbekannt: Polyesterlackhaertung mit Ultraviolett-Strahlungsquellen Industrie
Lackierbetrieb 1968, 36. Jahrgang, Nr. 11, S. 479-482.
12. Mueller, M. Persoenliche Mitteilung. Fa. Bayer AG.
13. PPG Industries - Industrial Coatings - History of Liquid/UV, Website PPG, 23.05.2005.
14. Kistler, R.: Verfahrensbeispiel aus Glasurit-Sonderverfahren 14. Kundeninformation
Glasurit-Werke M. Winkelmann AG, Hiltrup 1970.
15.PatheigerM.,FuhrK.UV-HaertungvonBeschichtungsmaterialienaufBasisungesaettigter
Polyester, Farbe und Lack 1975, 81. Jahrgang, Nr. 3, S. 209-215.
16.Brushwell, W.: Lackhaertung durch Strahlung, Farbe und Lack 1976, 82. Jahrgang,
Nr. 12,S. 1127-1131.
116 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.24. Основные этапы развития сырья, ЛКМ и технологий для УФ-отверждения
1967
Первые ненасыщенные полиэфиры для радиационного отверждения получены в Европе
(Roskydal UV-1O от Bayer AG, Ludopal 8275 от BASF AG)
1968
Первая промышленная УФ-установка фирмы. «Hildebrand Maschinenbau GmbH» под проектным названием 1папде1для шпатлевки стружечных плит
1968
Непигментированные покрывные лаки на основе парафинсодержащих стирольных ненасыщенных полиэфирных смол
1969
Внедрение прозрачных УФ-шпатлевок наносимых вальцеванием для производства ДСП
Из-за ошибок в рецептуре (неподходящих наполнителей) вначале это привело
к растрескиванию покрытия
1970
Пигментированные грунтовки, отверждаемые по схеме Dual-Cure (кобальт/гидроперекись), до стадии предгелирования с последующим нанесением прозрачного покрывного
лака (Mono-Cure) и совместным УФ-отверждением
1972
Стирольный УФ полиэфир глянцевого типа для высокоглянцевых и матовых толстослойных
покрытий с незначительной добавкой аллиловых эфиров как аналог классических глянцевых полиэфиров («Roskydal UV 300»)
1975
Внедрение первых промышленных преполимеров на базе акрилатов (эпокси- и полиэфиракрилаты)
1977
Уретановые акрилаты на базеЮ1 («Roskydal KL5-2442»)
1979
Алифатические уретанакрилаты для устойчивых к истиранию паркетных лаков. Водоэмульсионные ненасыщенные полиэфирные смолы с хорошей возможностью повторного
использования
1982/
1983
Внедрение нового класса мало желтеющих УФ активных фотоинициаторов
а-гидроксиалкилфенонов («Darocur 1173» и «Irgacure 184»).
1983
Применение для отверждения полностью пигментированных белых УФ-Мопо-Сиге-ЛКМ
без пожелтения(«1исепп LR 8728», сегодня «Lucerin ТРО») фотоинициатора ТМРО
(2,4,6-триметил-бензоил-дифенил-фосфиноксид)
1985
Высокотехничный прорыв при использовании в Италии Double-Cure-отверждения (гидроперекись/УФ отверждение) на основе ненасыщенных полиэфирных смол
1987
Внедрение вакуумного процесса УФ-отверждения для реек, прутов, панелей, профилей,
кантов и фланцев.
1987
Внедрение УФ-ламп, дотированных галлием
Первые полиэфирные акрилаты, модифицированные аминами
1992/
1993
Акрилированные полиуретановые дисперсии для разбавляемых водой ЛКМ
для древесины
1993
Появление на рынке бис-ацил-фосфиноксида для эффективного отверждения пигментированных материалов под маркой «Irgacure 1700» и позже «Irgacure 819»
1996
Низкие уретанакрилаты без активных разбавителей
1999
Dual-Cure отвердители с изоцианатными и акрилатными группами в одной молекуле!
2000
Внедрение первых матовых УФ покрывных лаков со 100%-ным содержанием нелетучих
веществ без активных разбавителей и органических растворителей, наносимых вальцами
без дополнительного обслуживания
2001
Активное внедрение желобчатых резиновых вальцов для нанесения покрывных УФ-лаков
(прозрачных и пигментированных) для достижения оптического эффекта, получаемого
при нанесении обливом
2002/
2003
Внедрение полностью пигментированных и покрывных ЛКМ в чистом УФ-процессе
с желобчатыми вальцами, в основном белого и черного цветов и бесцветных
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 117
17.Kaminski,
E.
UV-haertende
Holz-
und
Moebellacke
als
umweltfreundliche
Lackieralternativen, Industrie Lackierbetrieb 1984, 52. Jahrgang, Nr. 12, S. 4 8 2 - 4 8 4 .
18.Kaminski, E., Krause, H.-G. UV-haertende Lacke als umweltfreundliche Alternative
fuerdie Moebellackierung. I-Lack 1985, 53. Jahrgang, Nr. 6, S. 2 0 2 - 2 0 4 .
19,Chang, C.-H., Mar, A., Tiefenthaler, A.: Photoinitiators: Mechnisms and Applications,
Handbook of Coatings Additives, Vol. 2, Leonard J. Calbo, Ed., 1992, Marcel Dekker, Inc.
2O.Brushwell,W.: Strahlenhaertbare Beschichtungen, F a r b e u n d Lack 1985, 9 1 . Jahrgang,
Nr. 9, S. 812-815.
21.US No. 524,953, PPG, 1966.
22.A59996,VianovaKunstharzAG, 1974.
23. DOS 2314814, Reichhold Chemie AG, Wien, 1973.
24.Hauser, P., Osterloh, R., Jacobi, M.: UV-Haertung
pigmentierter Lacke.
BASF
Aktiengesellschaft, 6700 Ludwigshafen am Rhein, Erscheinungsdatum unbekannt.
25. Kremer, W. Deckend pigmentierte UV-haertbare Lacke nach dem Double-Cure-Prinzip,
Farbe und Lack 1988, 94. Jahrgang, Nr. 3, S. 2 0 5 - 2 0 8 .
26. DE 2830927 A 1, BASF AG, 1980.
27. DE 2909994 A 1, BASF AG, 1980.
28. Unbekannt: Die unendliche UV-Geschichte, Industrie Lackierbetrieb 1992,60. Jahrgang,
Nr. 6 , S . 2 2 8 .
29. Unbekannt: Moebellackierung in der grossen Abschlussdiskussion, Industrie
Lackierbetrieb 1989, 57. Jahrgang, Nr. 1 1 , S. 4 0 9 - 4 1 0 .
30. Kremer, W. UV-haertende, deckend pigmentierte Lacke fuer Holz und Holzwerkstoffe.
Firmenunterlage der Firma Bayer AG, 26.02.1988.
31.Meyer-Jungnick, M., Trageser, D. A., Wiesner, L.: Der industrielle Einsatz von
Grossstrahlenquellen. Atomwirtschaft, Nr. 6, 1967.
32.Meyer-Jungnick, M., Trageser, D. A., Wiesner, L.: Electron Curing of Paint Films.
London OCCA Discussion, Paint, Oil and Colour Journal, 1967.
ЗЗ.Меуег-Jungnick, M., Trageser, D. A., Wiesner, L.: Electron-Beam Curing. Paint
Technology, Nr. 3, 1968.
34.Tawn, A. R. H. The Electron-Beam Curing of Coatings. OCCA Journal, September 1968.
35.Hoffmann, A. S., Smith, D. E.: Electron Radiations Curing of Monomer/Polyester
Mixtures. Mod. Plastics, Juni 1966.
36.Deninger, W., Patheiger, M.; Lackhaertung mit Elektronen- und UV-Strahlen,
Farbe und Lack 1968, 74. Jahrgang, Nr. 12, S. 1179-1184.
37.Lobert, M. ElektronenstrahlhaertbareSysteme. Sonderdruck Holz-Kunststoff, 1995.
3.1.6.2. Химия и технология
Отверждаемые излучением материалы для окраски древесины построены также, как и обычные ЛКМ. Главным отличием является наличие в составе пленкообразователя функциональных групп, которые вступают в реакцию
полимеризации под действием ультрафиолетового (УФ) или электронного
(ЭИ) излучения. При этом образуется трехмерная нерастворимая полимерная
структура.
Особенностью УФ-отверждения является присутствие специальных добавок, которые называются фотоинициаторами. В системах, инициируемых УФизлучением, различают два типа полимеризации - радикальную и ионную.
Для обработки древесины используются только системы с радикальным типом полимеризации. При отверждении электронным излучением инициаторы не нужны, так как под воздействием высокой энергии электронного излу-
118 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
чения возникает достаточно много радикалов для развития полимеризации
[1,2]. УФ- и ЭИ-системы отличаются также механизмом возбуждения и источником энергии [3].
3.1.6.3. Состав УФ-отверждаемыхЛКМ
УФ-отверждаемые ЛКМ, которые используются в деревообрабатывающей
и мебельной промышленности, содержат несколько основных компонентов,
взятых в определенном процентном соотношении.
3.1.6.4. Полимеризующиеся пленкообразователи
Важнейшей частью отверждаемых излучением покрытий является пленкообразователь17.
Это пленкообразующее вещество, содержащее встроенные -ОС-двойные
связи. Наличие этих связей определяет такие основные свойства отвержденной пленки, как устойчивость к истиранию, химическая стойкость, эластичность, твердость, прочность при изгибе и растяжении [3]. Молекулярный вес
пленкообразующих составляет от 500 до 2500 г/моль. Дальнейшее увеличение молекулярной массы приводит к увеличению вязкости, которое, как правило, нежелательно при переработке.
Для получения реакционноспособных пленкообразователей предлагаются
низкомолекулярные поликонденсаты или продукты полиприсоединения [4].
Важнейшими УФ-пленкообразователями для радикальной полимеризации в
области покрытий для древесины являются:
• ненасыщенные полиэфиры;
• эпоксиакрилаты;
• сложные полиэфирные акрилаты;
• простые полиэфирные акрилаты;
• аминомодофицированные полиэфирные акрилаты;
• уретан-акрилаты.
Все перечисленные пленкообразующие, за исключением не содержащих
акриловые фрагменты ненасыщенных полиэфиров, классифицируются как
эвримерные акрилаты (от греческого «эвро» — много и «мерис» — часть) [5].
Это смолы с высокой молекулярной массой и расширенным молекулярномассовым распределением. Более 70% используемых в деревообрабатывающей промышленности акриловых эфиров получают в результате этерификации акриловой кислоты спиртами. Реакция этерификации — это равновесная
реакция, протекающая с отщеплением воды. При удалении образующейся в
реакции воды, равновесие смещается в сторону образования эфиров акриловой кислоты. Катализаторами реакции являются в основном сильные кислоты, такие как /7-толуолсульфокислота и серная кислота. Чтобы предотвратить преждевременную полимеризацию, в процессе получения и выделения
используют стабилизаторы. Общеупотребительными стабилизаторами являются гидрохинон, метилгидрохинон, третичный дибутилкрезол и фенотиазин,
которые действуют в небольших концентрациях (на уровне ррм). Для лучшего отделения воды используют разделяющие агенты, такие как циклогексан и
толуол. Температура процесса составляет 110-130°С. По окончании реакции
Пленкообразователи для УФ-отверждаемых материалов часто на практике называют олигомерами или преполимерами.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 119
УФ-отвержде- |
мые пленкоора-j
зователи
j
Активные разбавители мономеры
!Пм1М"1Ти, M.VIO.MIUI-L 1 - 1
•
j.iu, члирующ.и-ср.;/:стза, т^ксотрпгт
доизьчи
| ФотОИНИЦИЭТО-
!р Ы , синергетики
Рис. 3.1.27. Состав лакокрасочных систем, отверждаемых излучением [4]
продукт поликонденсации подвергается дорогостоящей обработке для отделения катализаторов и не прореагировавшей акриловой кислоты. На рисунке
3.1.28 представлен возможный вариант процесса.
После обработки акриловый эфир уже не представляет опасности с точки
зрения воздействия на кожу и раздражающего действия. Смола имеет в основном нейтральный запах. Удаление или нейтрализация катализаторов уменьшает возможное воздействие отвержденных покрытий на древесину, например, изменение ее цвета.
Ненасыщенные полиэфиры
До сих пор одним из важнейших классов пленкообразователей являются ненасыщенные полиэфиры (ПЭ) на базе малеиновой кислоты (см. ч. 3.1.5). Не-
он
Н + Катализатор
O-R
HO-R
Н2О
О
1. Этерификаци акриловой кислоты
с образованием эфирного сырья
2. Равновесная реакция: выход сильно зависит
от условий реакции
3. Катализ: серная кислота,
л-толуолсульфокислота 1%
4. Стабилизация: фенотиацин, гидрохинон,
трет-бутилкрезол
5. Растворители (разделяющие агенты):
толуол, циклогексан
Процесс получения: азеотропная дистилляция
(выделение воды)
Температура процеса >130°С
Состав полученного эфирного сырья:
разделяющие агенты, акриловый эфир,
акриловая кислота, спирт, не полностью
этерифицированные акрилаты полиспиртов,
побочные продукты, например, производные
диакриловой кислоты
Рис. 3.1.28. Процесс этерификации акриловой кислоты
120
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
насыщенные полиэфиры были первыми, отверждаемыми излучением, пленкообразователями, которые
a) дистилляция
нашли широкое применение в проРастворители, акриловая кислота, летучие компоненты
мышленной обработке древесины
в зависимости от условий дистилляции
в
сочетании со стиролом в качестве
b) Осаждение, а также нейтрализация кислоты
c) Промывка и дистилляция
активного растворителя и фотоиниВодорастворимые компоненты (катализаторы, акриловая
циаторами. Они имеют небольшую
кислота), растворители
скорость
реакции при УФ-облучении,
d) Дистилляция и эпоксидирование
Растворители, взаимодействие (полиприсоединение)
которая лимитирует их использоваакриловой кислоты с эпоксидными смолами
ние на новых установках с высокой
e) Фильтрация
производительностью [7]. Причиной
Твердые частицы солей, полимеризат
является стабилизация активных раРис. 3.1.29. Стадии процесса поликонденса- дикалов фенильными кольцами стиции, на которых возможно удаление сопут- рола в процессе радикальной полимеризации. Стабилизация приводит
ствующих компонентов [б]
к обрыву радикального процесса полимеризации, так как вероятность
обрыва полимеризации превышает
Эпоксидная смола
Акриловая кислота
рост полимерной цепи (см. ч. 3.1.5).
Ненасыщенные полиэфиры сегодня
находят применение главным образом в деревообрабатывающей проЭпоксиакрилат
мышленности в Южной и Восточной
Европе, а также в Южной Америке.
Рис. 3.1.30. Схема получения и строение
Речь идет в основном о рецептурах
эпокси-акрилатов
материалов для древесины, которые
могут содержать наряду со стиролом
2
такие активные растворители, как
дипропиленгликольдиакрилат и/или
но
*
Бутандиолдругие органические растворители.
Акриловая
диглицидиловый
кислота
Применяются также бесстирольные
эфир
составы.
Еще одним важным классом
о
ненасыщенных полиэфирных смол
УФ-отверждения в настоящее время
ОН
Алифатический эпоксиакрилат
являются глянцевые полиэфиры, которые содержат в определенном соотношении встроенные фрагменты
Рис. 3.1.31. Схема получения и строение
эфиров фумаровой кислоты, моноалифатического эпоксиакрилата
аллиловых эфиров триметилолпроПереработка эфирного сырья
Стадии процесса переработки, на которых
возможно удаление сопутствующих компонентов
Н
пана и диаллиловых эфиров триметилолпропана. С такими смолами можно
получить достаточно твердые и неклейкие покрытия с приемлемой скоростью
(5-10 м/мин подУФ-лампой).
Акриловые пленкообразователи
Разработка реакционноспособных пленкообразующих для УФ-отверждения
привела к появлению новых преполимеров 18 , разработанных на основе известных классов пленкообразователей.
1
Сшитые олигомеры в технике часто называются преполимерами.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 121
Твердость
Реакционная способность
Химическая стойкость - и ш и ш ш т
Спектр (диапазон) вязкости '
Эластичность
^
||&,
Пластичность
Устойчивость к истиранию
Рис. 3.1.32. Диаграмма свойств ароматических эпоксиакрилатов [б]
Эти смолы содержат в матрице двойные связи акриловой кислоты и ее производных. Акриловые двойные связи реагируют как минимум в 10 раз быстрее
при УФ-облучении, чем двойные связи классических ПЭ-систем. Целенаправленный отбор определенных компонентов при синтезе смолы позволяет получать пленкообразующие с заданными свойствами. При сочетании различных
компонентов удается получать множество разнообразных вариантов полимерного скелета. В повседневном словоупотреблении эти пленкообразователи не совсем корректно называют акриловыми смолами. Они содержат концевые двойные связи, которые получаются при взаимодействии акриловой или
метакриловой кислоты с низкомолекулярными поликонденсатами или продуктами полиприсоединения. В зависимости от типа этих основных веществ
различают эпоксиакрилаты, сложные полиэфирные акрилаты, простые полиэфирные акр платы и уретановые акрилаты.
Эпоксиакрила ты
Эпоксиакрилаты получают, главным образом, при взаимодействии жидких
эпоксидных смол на основе бисфенол-А-диглицидилового эфира с акриловой
кислотой (см. рис. 3.1.30). При комнатной температуре соответствующий диакрилат не очень текучий.
В данном случае речь идет о пленкообразующих с высокой реакционной способностью, на основе которых получают твердые и химически стойкие покрытия. Благодаря наличию свободных гидроксильных групп эти смолы обладают
хорошей смачивающей способностью по отношению к пигментам, например,
к двуокиси титана.
Кроме того, эпоксиакрилаты имеют очень хорошую адгезию к различным
древесным субстратам и пластикам и исключительную химическую стойкость.
На их основе могут быть созданы упруго эластичные, твердые, высокореактивные, УФ-отверждаемые покрытия [8]. Эпоксиакрилаты, содержащие ароматические структурные фрагменты склонны к пожелтению при воздействии тепла
(тепловое пожелтение). Недостатком является высокая вязкость эпоксиакри-
122 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.25. Влияние монокарбоновых кислот на вязкость эпоксиакрилатов [8]
—
Октановая
кислота
Лауриновая
кислота
Стеариновая
кислота
Рицинолевая
кислота
0
8
12
18
18
>10
4,2
3,8
ЗД
3,3
Карбоновая кислота
Длина углеродной цепи
Вязкость при 50°С в Па-с
латов. При технической переработке
смолы нужно разбавлять органическими растворителями и/или активными разбавителями (мономерами).
По сравнению с ароматическими
алифатические эпоксиакрилаты на
основе глицидиловых эфиров бутанРис. 3.1.33. Трехстадийный процесс получе- диола менее вязкие. Продукт взаимодействия алифатического диглиния сложных полиэфирных акрилатов
цидилового эфира с акриловой кислотой имеет вязкость 1,000 мП-с и может перерабатываться без использования мономерных или органических разбавителей [6]. В результате своей гидрофильности смола может частично разбавляться водой и использоваться
как экологически безопасный материал для нанесения методом распыления.
Другой возможностью для снижения вязкости эпоксиакрилатов является частичная замена акриловой кислоты на одноосновные кислоты типа лауриновой или касторовой [8]. Одновременно со снижением вязкости при использовании одноосновных карбоновых кислот значительно улучшается эластичность и адгезия [9]. В таблице 3.1.25поясняется влияние различных монокарбоновых кислот при синтезе эпоксиакрилатов.
Сложные полиэфирные акр платы
Классические сложные полиэфирные акрилаты получают из полиспиртов и
двухосновных карбоновых кислот в две или три стадии [10] (см. рис. 3.1.33).
На первой стадии в качестве промежуточного продукта получают сложный
полиэфир (полиэфирполиол), содержащий гидроксильные группы. На второй
стадии этот полиэфир взаимодействует с акриловой кислотой, и на третьей
стадии остатки акриловой кислоты соединяются с низкомолекулярными эпоксидными смолами.
В таблице 3.1.26 приводится рецептура первой стадии получения сложных
полиэфиров, содержащих гидроксильные группы. Поликонденсация продолжается до тех пор, пока кислотное число не станет меньше 4 мг КОН/г, а гидроксильное число достигнет 193 мг КОН/г [11].
На второй стадии происходит взаимодействие промежуточного полиэфира с акриловой кислотой в присутствии толуола в качестве отводящего агента, л7-толуолсульфокислоты как катализатора и гидрохинона как стабилизатора, при температуре 100-110°С до достижения необходимого кислотного числа. Затем нейтрализуют катализатор третичными аминами. С учетом остаточного кислотного числа на третьей стадии добавляют эквивалентное количество эпоксидной смолы. Взаимодействие эпоксидной смолы с остатками
акрило-вой кислоты проводят при температуре 110°С до момента, когда кислотное число становится меньше 5 мг КОН /г. После этого добавленный от1. Стадия кипячения
Получение сложных полиэфиров, содержащих ОН-группы
2. Стадия кипячения
Взаимодействие сложных полиэфиров, содержащих
ОН-группы с акриловой кислотой
3. Стадия кипячения
Взаимодействие кислотных остатков акриловой кислоты
с низкомолекулярными эпоксидными смолами
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
НО
ноос
но
О
он
+
123
соон
он +
+ НО
ОН
но
О
Адилиновая кислота
Фталевая
кислота
Триметил
пропан
НО.
Этиленгликоль
- пН 2 О
он
О
Триэтиленгликоль
О
но
О
О
О
О
О
0
0
О
°
ОН
0
О
о
0
0
Рис. 3.1.34. Схема получения сложного полиэфира, содержащего гидроксильные группы
с «идеальной» структурой, как исходного компонента для последующего взаимодействия
с акриловой кислотой
Таблица 3.1.26. Стадия получения сложного полиэфира, содержащего гидроксильные
группы, для последующего взаимодействия с акриловой кислотой
Исходные компоненты
Массовая доля в %
Адипиновая кислота
25,1
Фталевая кислота
25,4
Этиленгликоль
9,4
Триметилолпропан
17,4
Триэтиленгликоль
22,7
Кислотное число
около 4
Гидроксильное число
около 193
Молекулярная масса
около 965
Вязкость при 23°С (70% раствор в толуоле)
4-5d Па-с
водящий агент отгоняется под вакуумом. Полученные таким образом полиэфирные акрилаты содержат до 98% нелетучих веществ. Имея возможность вариации исходного сырья и его количеств, можно синтезировать экстремально
твердые или упруго эластичные полиэфирные акрилаты. Возможно получение
твердых и одновременно эластичных типов смол при близком к 100% содержании нелетучих веществ с ограниченно низкой вязкостью [6]. Диапазон изменения вязкости представленных на рынке сложных полиэфирных акрилатов
по сравнению с ароматическими эпоксиакрилатами и простыми полиэфирными акрилатами занимает средний уровень.
124 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Для достижения необходимой для переработки вязкости обычно добавляют
активные разбавители и/или органические растворители. В целом этот класс
пленкообразующих имеет оптимальное соотношение цены и коэффициента эффективности. Представленные на рынке сложные полиэфирные акрилаты имеют широкий диапазон свойств, актуальных в различных областях применения.
В процессе получения сложных полиэфирных акрилатов в реакциях этерификации или переэтерификации в качестве побочных продуктов получаются низкомолекулярные акриловые эфиры полиспиртов. Низкомолекулярные акриловые эфиры, которые называются также остаточными мономерами, могут в зависимости от химического состава привести к возникновению
проблем, связанных с гигиеной труда в процессе производства. Кроме того,
существует опасность, что при непосредственном нанесении на сильно впитывающую древесную основу, остаточные мономеры могут проникать в субстрат и не отверждаться. Образование мономеров как побочных продуктов
полиэфирных акрилатов является следствием равновесного характера реакции этерификации [8]. Кислотные каВязкость Потребность Мономерная часть
тализаторы
процесса этерификации,
в мономерах как продукт синтеза смолы
ления
такие как л-толуолсульфокислота
Ароматические
катализируют и реакцию переэтеэпоксиакрилаты
Низкая
Уретан-акрилаты
Низкая
рификации. Во время акрилироваАкрилаты сложных
полиэфиров
Высокая
ния полиэфиров соответствующие
Акрилаты смешаных
полиэфиров (просты
и сложных)
Низкая
мономерные полиакрилаты могут
Акрилаты простых
полиэфиров
Низкая
по кусочкам отщепляться [12]. СмоРис. 3.1.35. Диаграмма изменения вязкости ла в таком случае содержит от 3 до
и количеств мономеров для сложных поли7 весовых % остаточных мономеров в
эфирных акрилатов по сравнению с другими зависимости от рецептуры и процеспленкообразователями
са получения.
тт
ОН
+
HO-R
O-R
Н' (Катализатор)
+
О
О
Н2О
О
о
+ Высшие полиэфирные акрилаты
О
О
но
Мономеры
он
ОН
он
и
II
о
о
А
О
Акриловая кислота
СООН
ноос- -ЩШ11Ш1ШШЗ---
г
Превращение
О
О
И
О
Дикартоновая кислота
к
If
о
О
О
1
Полиэфир-акрилат
11
1!
о
11
II
о
О
О
к
ой
Рис. 3.1.36. Схема образования остаточных мономеров при взаимодействии акрилатов
и сложных полиэфиров [6]
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 125
При создании рецептур обедненных мономерами УФ-отверждаемых материалов следует защитить процесс получения полиэфиракрилатов. Одной из
возможностей является замена низкомолекулярных многоосновных спиртов
на этоксилированные или пропоксилированные полиолы, имеющие высокий
молекулярный вес. При использовании этих полиолов побочная реакция при
поликонденсации не предотвращается. Преимущество состоит в том, что в качестве побочных продуктов образуются менее летучие акриловые эфиры с повышенным молекулярным весом и потому обладающие меньшим раздражающим действием, чем низкомолекулярные соединения, как, например, моноди- и триакрилаты триметилолпропана. На основании опубликованных газохроматографических данных известно, что при использовании этоксилированных и/или пропоксилированных многоосновных спиртов при получении сложноэфирных акрилатов летучие акриловые эфиры обнаружить не удалось. Было
зафиксировано только образование 0,8 весовых % акрилата триметилолпропана [13].
Простые полиэфиры-акрилаты
Потребность в обедненных мономерами и низковязких УФ-пленкообразователях, которые могут обходиться без добавления мономеров - активных разбавителей для регулировки вязкости — привела к созданию класса смол на основе простых полиэфиров и акрилатов. Композиции на основе простых полиэфиров и акрилатов обладают целым рядом положительных
свойств и интенсивно используются в последнее время. Они обладают низкой вязкостью и хорошими характеристиками для переработки при высокой
УФ-активности. С их помощью получают обедненные мономерами материалы, практически не имеющие запаха. Они используются и как разбавители для
других типов акрилированных пленкообразователей [14]. При синтезе смол на
основе простых полиэфиров и акрилатов удается избежать образования остаточных мономеров, так как вместо низкомолекулярных многоосновных спиртов используются этоксилированные и/или пропоксилированные полиолы с
высоким молекулярным весом. Эти полиэфирные многоосновные спирты получают при взаимодействии полиолов с окисью этилена или пропилена [15].
В результате реакции образуются высокомолекулярные полиспирты, ариловые эфиры которых менее летучи, но, несмотря на это, обладают меньшей вязкостью. Кроме того, они менее критичны с точки зрения гигиены труда и оказывают лишь незначительное раздражающее действие на кожу и глаза [16].
Простые эфирные связи в условиях обычной этерификации стабильны и отщепления мономеров не происходит. В конечном продукте могут присутствовать
мономеры в следовых количествах как остатки неэтерифицированных спиртов. Поступающие на рынок акрилированные простые полиэфиры получены
на основе (в качестве исходных полиолов) триметилолпропана, глицерина или
пентаэритрита [16]. Основными бифункциональными многоатомными спиртами являются этиленгликоль, пропиленгликоль, гександиол и неопентилгликоль. Основные свойства, такие как вязкость, УФ-активность, механические
свойства, зависят от степени этоксилирования и/или пропоксилирования.
Получение простых полиэфирных акрилатов
Простые полиэфирные акрилаты получают, например, этерификацией простых полиэфирных полиспиртов избытком акриловой кислоты с кислотным катализатором при температуре от 80 до 130°С.
126 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
НО
°
О
О
он
О
он
н+
(Катализатор)
О
Шестикратно этоксилированный °
триметилол пропан
Акриловая кислота
НО
О
О
О
°
О
О
°
О
О
Акрилированный полиэфир
+
з И2О
О
О
Рис. 3.1.37. Схема взаимодействия акрилатов и простых полиэфиров
Взаимодействие с аминами (модификация аминами)
Как будет показано в следующем разделе, многие фотоинициаторы и, прежде всего, экономически привлекательный бензофенон активны только в сочетании с третичными донорами протонов (синергетиками), такими как третичные амины. Простое добавление аминов в рецептуру приводит к возникновению существенных недостатков: появлению запаха, миграции и возникновению дефектов в пленке [17,18]. Поэтому акрилатные пленкообразующие модифицируют первичными или вторичными аминами. Внедрение аминов в матрицу смолы происходит по реакции присоединения Михаэля с образованием вторичных или третичных аминов. В результате присоединения первичный амин
образует вторичный и может реагировать дальше до третичного [19, 20].
Модификация аминами приводит к увеличению молекулярной массы, росту
вязкости и повышению средней функциональности по двойным связям на молекулу. Это положительно сказывается на реакционной способности и способствует снижению ингибирующего действия кислорода. Реакция Михаэля протекает количественно без катализаторов при температуре до 60°С [19, 20].
Уретановые акр платы
Уретановые акрилаты обычно получают взаимодействием поли- или моноизоцианатов с полиспиртами и гидроксиакрилатами [21]. Разнообразие продуктов очень велико, так как могут использоваться ароматические и алифатические изоцианаты, полиспирты и сложные полиэфирные полиолы [22-25]. По
этой причине среди пленкообразователей этого класса нет доминирующей на
рынке смолы, но существует большое количество специализированных смол.
Можно целенаправленно синтезировать высокофункциональные твердые химически стойкие пленкообразователи на базе ароматических изоцианатов или
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 127
бифункциональных пластичных и элао
0
стичных уретановых акрилатов.
о
0
В табл. 3.1.27 приводится пример
а
И
н
рецептуры для получения уретаноО
н
вых акрилатов, а на рис. 3.1.39 предЭтаноламин
ставлены исходные вещества для их
он
получения [28].
о
V
Обычно в реакционную смесь доо
N
0
бавляют следовые количества лаурао
та дибутилолова (0,02%) в качестве
ОН
О
катализатора и 0,01% стабилизатора — фенотиазина [26]. Температуру реакции поддерживают на уровне Рис. 3.1.38. Присоединение первичных ами60°Сдотехпор, пока содержание изо- нов к акрилированным полиэфирам по реакцианата в смеси не станет ниже 0,1%. ции Михаэля
Из-за высокой цены на сырье эти
пленкообразующие используются в мебельной промышленности очень редко.
Они незаменимы в качестве композиционных смол в материалах для промышленной обработки паркета и фанеры, так как положительно влияют на гибкость,
адгезионную прочность и особенно на устойчивость к истиранию покрытий.
О
Пол И)ф ир
(•)
По
ИХ)
ир
U
О
О
О
По и icj1>ир
0
Пол ю ф ир
С,
0
О
О
О
Изоцианат + Гидроксиакрилат + (+(Поли)спирт) —— • Уретан-акрилат
Изоцианат-мономер
ОСИ
,
NCO
Изоцианат-олигомер
OCN
OCN
0
NCO
N
О
Гидроксиакрилат
N
N
о
но
О
нсо
NCO
NCO
OCN
Гидропсиэтилакрилат(ГЭА)
Изоцианат
Толуилендиизоцианат
(смесь изомеров)ТДИ
о
OCN
N
о
о
N N
NCO
но
NCO
Гексаметилендиизоцианат (ГДИ)
О
NCO
NCO
Гидроксипропилакрилат(ГПА)
Биурет
осм-
Изофорондиизоцианат (ИДИ)
о
• N'
N N C O
Гидроксибутилакрилат (ГБА)
Алофанат
О
OCN
н'
о
"сложнТпо
М
о
fco
V
"
: J/ретзн :
.
Другие...
Уретдион
Рис. 3.1.39. Исходные вещества для получения уретановых акрилатов
'
°
'•
О
128 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.27. Пример рецептуры получения уретановых акрилатов
Исходное вещество
Навеска в молях
Изофорондиизоцианат
0,3
Гидроксиэтилакрилат
0,7
Гексаметилендиизоцианат
0,7
Триметилолпропан формаль
0,3
Четырежды этоксилированный триметилолпропан
0,33
Известные на рынке уретановые акрилаты характеризуются достаточно высокой вязкостью. Считается, что главной причиной является образование мостиковых водородных связей между уретановыми группами. Как правило, уретановые акрилаты можно довести до пригодного к переработке состояния добавлением органических растворителей, активных разбавителей или низковязких акрилированных простых полиэфиров. С некоторого времени на предприятиях автомобильной промышленности пытаются использовать чистые
низковязкие уретановые акрилаты, разбавленные активными разбавителями.
Благодаря процессу своего получения уретановые акрилаты содержат очень
небольшие количества остаточных мономеров.
Нужно отметить, что уретановые акрилаты на базе ароматических изоцианатов имеют пониженную фотохимическую активность. Образующиеся хиноидные структуры с сопряженными двойными связями создают эффект изменения окраски от легкого до очень сильного [27].
Изоцианатные акрилаты для использования по схеме Dual-Cure
(двойное отверждение)
Появление этого молодого класса пленкообразователей было вызвано необходимостью совместить преимущества полиприсоединения и полимеризации
(УФ-отверждения) в структуре одной смолы. Использование Dual-Cure-систем
стало известно благодаря патентным
публикациям 1977 и 1978 гг. [29, 30].
В последние годы потенциал испольТолуилендиизоцианат Гидроксиэтилакрилат Полиол
зования этой системы был значительно расширен, что нашло свое отражение в целом ряде новых патентов [31-33]. Изоцианатные акрилаты
имеют в своей химической структуре
как свободные изоцианатные группы, так и акриловые двойные связи.
На рис. 3.1.41 представлена структура обычного товарного изоцианатногоакрилата [34].
Когда говорят о системе DualCure (двойного отверждения), имеется в виду, что процесс протекает
Рис. 3.1.40. Схема получения многофункцио- в две разделенных во времени станальногоуретанового акрилата с использо- дии, причем механизм отверждения
ванием ароматического изоцианата [28]
на обеих стадиях может быть иденти-
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 129
чен [35, 36]. Однако это могут быть и
разные механизмы отверждения. На
практике Dual-Cure-системы часто
ошибочно отождествляют с гибридными системами. Отличием гибридных систем является то, что процесс
отверждения в этом случае проходит
по двум разным механизмам одновременно [35]. Простым примером
Dual-Cure-системы являются УФотверждаемые чистые Л КМ, которые
на первой стадии отверждения подвергаются УФ-облучению небольшой
мощности для предгелирования. На
следующей стадии используется облучение высокой мощности для полного отверждения материала. Такой
процесс применяется для того, чтобы улучшить матируемость УФ-лаков
[37, 38]. Использование изоцианатных акрилатов в Dual-Cure-системах
приводит к увеличению числа возможных комбинаций в рецептурах
для обработки древесины. Из рисунка 3.1.42 видно, что при отверждении изоцианатных акрилатов с полиспиртами и классических 2К-ПУР систем (гидроксиполиакрилат и полиизоцианат) получается одинаковая
полиуретановая сшитая полимерная
структура [39].
Патент W0 00/39183
Свойства:
Количество NCO-rpynn
Содержание двойных связей
Молекулярный вес
Твердые вещества {нелетучие вещества)
Вязкость
Остаточные изоцианаты
Запах
15%
2 моль/кг
800г/моль
100%
12О0мПа*с(23°С)
<0,5%
очень незначительный
Рис. 3.1.41. Химическая структура
изоцианатного акрилата ICA9000
Гидроксиполиакрилат
ОН ОН
он он он он
о
со
с о о о с=о с о
N N
N N
Н Nt
Полиизоцианат
ч
Температура
0
оо с«о с«о
N N N
Изоцианатный акрилат + полиол
\у
/
f
ч
О
ОО
н
и
УФ излучение
+ температура
0 0 0
оо оо со
NН NН N
Сшитый полиуретан
Рис. 3.1.42. Примеры получения полиуретановой полимерной структуры из полиизоцианатов и гидроксиполиакрилатов и при УФотверждении и полиприсоединении изоцианатных акрилатов с полиолами
В зависимости от состава, а также реакционной активности функциональных групп материалы имеют разную
жизнеспособность.
Лакокрасочные системы этого типа (Dual-Cure) используются при обработке трехмерных субстратов (деталей сложной конфигурации) для того, чтобы достичь полного отверждения также в теневых зонах, которые не могут
быть непосредственно облучены. Другим преимуществом по сравнению с
УФ-отверждаемыми системами (Mono-Cure) является возможность полного
отверждения сильно пигментированных материалов. Кроме того, изоцианатные акрилаты используются как изолирующие и улучшающие адгезию покрытия на впитывающих и содержащих различные ингредиенты древесных субстратах, так как они могут взаимодействовать с влагой и веществами древесины в глубине и на поверхности раздела субстрат-покрытие. На рис. 3.1.43 показана схема механизма улучшения адгезии тропической древесины для паркета [40].
Изолирующее действие грунтовки для защиты от миграции акриловых эфиров было установлено методом экстракции в работе Бека и Брухманна (Beck
иВшсптапп) [39].
130 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
На рис. 3.1.44 [39] представлены
результаты экстракции составов из
мелко- и крупнопористой древесины, обработанной и необработанной
изолирующей грунтовкой (Dual-CureR OCN
R ОСИ
материал). При использовании изолиОН
ОН
ОН
рующей грунтовки можно снизить ко_ _ _ _ _
личество экстрагируемых веществ до
шшшшшшшшшшшшвш
200 мг/г для дуба и до 5 мг/г для бука.
УФ-предгелирование
Полимеризующиеся мономеры
Большинство акрилированных преполимеров, за исключением полиR
R
R
эфирных акрилатов, как правило,
0
О NH
°
NH
О
NH
нельзя наносить в концентрированО
О
О
О
ном виде из-за их высокой вязкости.
Пленкообразователи должны обладать требуемой рабочей вязкостью,
которая регулируется с помощью
Рис. 3.1.43. Dual-Cure промотор адгезии
подходящих веществ. В повседневЭкстракт ТЛГДА
ной практике эти исходные вещества
2250 мг/м
называют активными разбавителями,
или мономерами, так как в процессе
УФ- отверждения они встраивают1300 мг/м
ся в полимерную структуру покрытия. Речь идет о точно определенных
веществах, которые ходят в EINECSсписок. Они называются стеномерными акрилатами (от греческого стеБук
Бук
Уфизстирующа
но - узкий и мерис - доля, часть), так
Дуб
УФ покрыв- Уф изолирующая УФ покрыв- грунт овка + УФ
ной лак с
грунтовка+УФ
ной лак с покры ввой лак
как
это точно определенные химиче«0% ТПГДА покрывной лак с 40% ТПГДА
40"/ о ТПГДА
40% ТПГДА
ские вещества с небольшим молекуРис. 3.1.44. Сравнение результатов экстрак- лярным весом и узким молекулярноции УФ компонентов из древесины, покрытой массовым распределением [5]. Эти
УФ лаком с обработкой и без обработки изо- вещества обычно содержат меньше
1,000 ррм акриловой кислоты и меньлирующей грунтовкой
ше 2,000 ррм органических растворителей [5]. Для установления вязкости в распоряжении имеются моно-, ди-,
три- и полифункциональные соединения (рис. 3.1.45) [28].
ROCN
ОН
•••
шшшшшшшшшшя
R
N
H
шштшшт
•НИН
г
г
Технически важные активные разбавители относятся к классу эфиров акриловой кислоты. При выборе можно руководствоваться следующими критериями:
• высокая реакционная способность;
• хорошая способность к растворению;
• низкая вязкость;
• небольшое давление пара;
• незначительная токсичность;
• незначительное раздражающее действие на кожу и повышение чувствительности;
• функциональность.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 131
Важнейшими акриловыми моноо
мерами являются в первую очеО
О
0
о
о
: О
0
редь, трипропиленгликольдиакрилат
О
Трипропиленгликольдиакрилат
(ТПГДА), а также гександиолдиакри- Феноксиэтилакрилат
8 мПа-с (25"С)
8мПа-с(25°С)
о
лат (ГДДА) и дипропиленгликольдио
о
о
акрилат (ДПГДА). Самым значимым
О
о
Гександиолдиакрилат
трифункциональным акрилатом яв- Лаурилакрилат
5 мПа-с (20°С)
1.7 мПа-с (25°C)
ляется триметилолпропантриакрио
о
о ,
о
лат (ТМПТА).
о
•
О
О
О
О
Монофункциональные
соединеТриметилпропанформакрилат
Дипропиленгликольдиакрилат
ния используются прежде всего для 40мПа-с(25°С)
5 мПа-с (20°С)
о
снижения вязкости рецептур, прио
дания упругости или повышения степени глянца покрытий. Из патентной
О
° ,
о
литературы известно о добавке в коТриметилолпропантриакрилат
13ОмПа-с(25°С)
личестве 3-5% феноксиэтилакрилао
о
- _
О
О
та для снижения степени блеска (за
счет несовместимости с ненасыщен° „ о . °
о
ными полиэфирными смолами) [41].
О
О
О
Н
Двух- и полифункциональные вещедипентаэритритпентакрилат
ства приводят к усилению вторич94мПа-с (25°С)
ной сшивки. В результате покрытия
имеют тенденцию к затвердеванию и
хрупкости (см. рис. 3.1.46) [42].
Рис. 3.1.45. Акриловые мономеры для ЛКМ
В ЛКМ для древесины может быть по древесине
добавлено от 1 до 60% активных разФункциональность активных разбавителей
бавителей. Главной их функцией явМоно- ди- три- полифункциональные
ляется снижение вязкости без использования органических растворителей. В принципе повышение вязко- Реакционная
способность
сти мономеров происходит прежде
_ Увеличение
•
всего, при увеличении молекулярноТвердость
го веса, полярности, жесткости мо, — Снижение
лекул и функциональности [6]. С повышением молекулярного веса мономеров снижается их растворяющая способность, совместимость, Рис. 3.1.46. Влияние функциональности
летучесть и запах.
акриловых мономеров (активных разбавитеБольшинство активных акриловых лей) на свойства покрытий
разбавителей могут оказывать раздражающее действие на кожу, поэтому производители обязаны точно обозначать состав изделия. Из-за этого в последнее время наблюдается тенденция по их замене на, например, винильные, которые свободны от обязательной маркировки. Их получают при взаимодействии ацетилена и спирта в присутствии щелочи. Затем полученные виниловые эфиры очищают перегонкой.
Этот процесс известен как винилирование Реппе [43]. Важнейшими виниловыми эфирами для ЛКМ по древесине являются дивиниловый эфир диэтиленгликоля (ДВЭ-2) и дивиниловый эфир триэтиленгликоля (ДВЭ-3). ДВЭ-3 имеет
вязкость 2,6 мПа-с, и это меньше, чем вязкость большинства известных акри0
132 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
латных мономеров. Вязкость трипропиленгликольдиакрилата в четыре
о
- о '
"""О''"'
раза выше (около 11 мПа-с).
Обладающие высокой электронной
Дивиниловый эфир
о
плотностью
винильные группы эфидиэтиленгликоля
о
0
(ДВЭ-2)
ров как бы предназначены для радиЦиклогександиметанола
кальной сополимеризации с обеднено
о
(ДВЭЦГДМ)
ными электронной плотностью малеатными или фумаратными группами
для образования чередующихся (1 :1)
полимеров. Бартле и Нозаки (Bartlet и
Рис. 3.1.48. Важнейшие типы дивиниловых
Nozaki) в 1946 г. первыми предполоэфиров [43]
жили, что донорно-акцепторный комплекс может быть основой для чередующейся структуры сополимеров.
Ольсон (Olson) в 1984 г. с помощью
ЯМР-спектроскопии С13 экспериментально подтвердил, что образование донорно-акцепторного комплекРис. 3.1.49. Дигидродициклопентадиенол
(ДГПД), модифицированный ненасыщенным са действительно происходит. Обедненные электронной плотностью
полиэфиром [50-52]
фумаратные и малеатные группы являются акцепторами, а винильные группы эфиров - мономерными донорами.
Радикальная сополимеризация проходит особенно легко между мономерами
с различной электронной плотностью. Объяснение процесса сополимеризации можно наглядно представить с помощью известной Q-e схемы, предложенной Алфреем и Прайсом (Alfrey и Prise) [47].
В середине 90-х гг. стали обращать особое внимание на токсикологическую безопасность и обязали производителей точно указывать состав изделия, на рынке началось продвижение специальных малеат-/фумаратсодержащих УФ-пленкообразователей для сополимеризации с виниловыми эфирами (например, триэтиленгликольдивиниловым эфиром) [48]. Маркировка
была «без акрила». Однако достаточно быстро выяснилось, что эти продукты
в условиях нанесения на вальцах стандартных количеств УФ-отверждаемого
материала (5-25 мг/м 2 ) недостаточно реакционноспособны и, соответственно, отверждения не происходит [49]. Хорошего отверждения могли достигать
только пленки, наносимые в количестве 80-120 г/м 2 сырого вещества. Проблему недостаточной УФ-активности малеат-/фумаратсодержащих полиэфиров при сополимеризации с виниловыми эфирами можно решить, встраивая в
систему дигидродициклопентадиенол (ДЦПД), который, активируя метиленовые группы, вызывает повышение УФ-активности. В этом случае при небольших количествах наносимого вещества (от 10 до 20 г/м2) УФ-активность может
быть больше, 30 м/мин при использовании ртутных ламп высокого давления
(80 Вт/см) [50-52].
Кроме ненасыщенных эфиров на малеатно-фумаратной основе виниловые
эфиры могут также взаимодействовать с акрилатами. Экспериментально было установлено, что при добавлении < 10% ДВЭ-3 происходит лучшая конверсия винильных двойных связей и сохраняется химическая стабильность. Повышение добавляемого количества ДВЭ-3 приводит к увеличению доли остаДивиниловый
эфиртриэтиленгликоля
(ДВЭ-3)
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 133
точных мономеров и ухудшению химической стойкости [43]. Дальнейшие исследования показали, что не очень УФ-активные ненасыщенные полиэфирные смолы имеют высокую скорость присоединения как винильных групп, так
и активных акриловых эфиров [6]. Полное встраивание фрагментов виниловых
эфиров зависит от их функциональности, количества и УФ-активности партнера по сополимеризации [6]. Основным недостатком рецептур, содержащих
виниловые эфиры, является образование ацетальдегида в результате кислотного гидролиза [53]. Поэтому составы на базе виниловых эфиров по возможности не должны быть кислыми. В присутствии кислот виниловые эфиры могут
вступать в реакцию катионной полимеризации. Добавление оснований улучшает стабильность таких систем. Кроме этого, материалы, содержащие виниловые эфиры, склонны к пожелтению покрытий.
Общеизвестно, что в первую очередь низкомолекулярные мономеры вследствие небольшого размера молекул, летучести и ярко выраженной химической активности, при ненадлежащем использовании могут быть причиной
раздражения кожных покровов [7]. В результате экспериментов на животных, которые чаще всего проводились по методу Дрейца (Draize) на кроликахальбиносах, удалось установить степень опасности ряда таких веществ [54,
55]. С учетом полученных результатов эксперимента мономеры были разделены на 5 групп — от нейтральных до сильно раздражающих. В зависимости от
весовой доли в УФ-рецептуре и группы опасности, наличие мономера в материале должно быть обязательно указано на этикетке.
Технически важные мономеры известны своей относительной токсичностью и
многократно проверялись и пересматривались. Просматривается закономерность, согласно которой с увеличением молекулярного веса уменьшаются токсичность и раздражающее действие на кожу. Это касается в первую очередь
первичного раздражения19, но не общего повышения чувствительности кожи как
ответной реакции иммунной системы организма [16].
Чтобы уменьшить летучесть этих соединений и опасность для здоровья, их
часто этоксилируют или пропоксилируют. При этом вязкость увеличивается
незначительно [56].
В последние годы актуальны разработки, направленные на исключение низкомолекулярных мономеров из рецептур УФ-материалов с высоким содержанием нелетучих веществ (до 100%), и одновременно разрабатываются обедненные мономерами системы с использованием воды как разбавителя [57].
Применение воды, несмотря на необходимые дополнительные технологические затраты, например, на предварительные испарители и очистку сточных
вод, начинается во многих областях деревообрабатывающей и мебельной
промышленности и конца этому не видно.
Фотоинициа торы
Так как энергия применяемых в промышленности источников УФ-излучения
недостаточна для непосредственного гомолитического расщепления двойных
углерод-углеродных связей УФ-пленкообразователей и мономеров, то необходимо использовать так называемые «фотоинициаторы». Энергия двойной
углерод-углеродной связи составляет 6,3 эв [1].
Согласно уравнению Планка: Е = h-A, (1)
причем v = с/А. (2) — соответствует длине волны около 200 нм,
Обратимая воспалительная реакция кожи (накопление тканевой жидкости — отек).
134 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
где Е —энергия, эВ; h = 6,626-Ю"34 Дж-с (постоянная Планка),
V —частота (1/с); с — 2,998-Ю8 м/с (скорость света); X — длина волны, нм.
Для расщепления двойной углерод-углерод связи согласно уравнению Планка нужно излучение с длиной волны до 200 нм. Стандартные источники УФизлучения эмитируют в этой области очень ограниченно. Причем излучение с
длиной волны до 200 нм поглощается кислородом воздуха, и при этом образуется озон. Фотоинициаторы и фотосенсибилизаторы20 поглощают свет (фотоны21) УФ-источника излучения в более длинноволновой области. При этом
образуются радикалы, которые инициируют радикальную полимеризацию активных компонентов УФ-пленкообразователей [58, 59].
Фотоинициатор должен соответствовать следующим требованиям [60-62]:
. высокая реакционная способность;
• стабильность при хранении в темноте;
• термическая стабильность;
• отсутствие желтизны и приемлемая стоимость;
• хорошая растворимость в Л КМ;
• отсутствие запаха и токсичности.
Механизм действия фотоинициаторов
Существует два основных пути, по которым фотоинициаторы могут создавать радикалы:
• образование радикалов при гемолитическом расщеплении связей (внутримолекулярный процесс);
• образование радикалов при отщеплении атома водорода (межмолекулярный процесс).
Фотоинициаторы, вызывающие радикальную полимеризацию внутримолекулярным расщеплением связей (а-расщепители), - это бензоиновые эфиры,
бензилкетали, а-аминоалкилфеноны, гидроксиалкилфеноны и группа фосфиноксидов (рис. 3.1.51). а -расщепители подвергаются расщеплению по 1 типу
Норриса22. Образующиеся радикалы в состоянии непосредственно начать полимеризацию (рис. 3.1.52) [63, 64].
К фотоинициаторам — акцепторам водорода — относятся бензофенон, тиоксантон и другие производные (рис. 3.1.53) [63, 64]. Для образования радикалов они нуждаются в соинициаторах (синергетиках 23 ), способных легко отщеплять атом водорода, например а-водорода, в спиртах, простых эфирах, аминах и меркаптанах.
Механизм действия этих фотоинициаторов можно рассмотреть на примере
бензофенона, который благодаря невысокой стоимости является широко распространенным инициатором для УФ-отверждаемых материалов в деревообрабатывающей промышленности (рис. 3.1.54) [7].
Под действием УФ-излучения бензофенон переходит в возбужденное триплетное состояние. В присутствии амина происходит фотовосстановление,
Фотосенсибилизаторами называются соединения, которые в возбужденном состоянии передают поглощенную энергию другим молекулам (как правило, фотоиноциаторам), а те в свою очередь, образуют промежуточные реакционноспособные соединения.
Фотон — электромагнитная волна, длина которой определяется областью излучения (погречески фотос — свет). Чем короче длина волны фотона, тем выше его частота и, соответственно, больше энергия.
1 тип реакции Норриса — реакция фотохимического декарбонилирования кетонов расщеплением связи С-С, соседней с карбонильной группой.
Ускорители радикальной полимеризации, сами по себе не являющиеся инициаторами.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 135
возможно через образование эксиплекса24.
R
Фотовосстановление может происа-аминоалкилфенон
Бензилкеталь
Эфир бензоина
ходить при переносе электрона или
j
/ = \ 5? <? »
атома водорода [47,59,65]. В возбуж—Jf \v ^ ^ ^/ \.
СИ,
денном состоянии бензофенон отбиГидроксиалкилфенон
Моноацилфосфиноксид Бис-ацилфосфиноксид
рает из эксиплекса а-водород амина,
являющегося синергетиком. Образующийся при этом а-аминорадикал Рис. 3.1.51. Важнейшие фотоинициатостановится ответственным за обра- ры радикальной полимеризации по типу
зование радикальной цепочки для гемолитического расщепления связей
эффективного инициирования поли- (а-расщепители)
меризации. Кетил-радикал тримеризуется с образованием пинакола или
заканчивает рост полимерной цепи
[64,66].
Фотоинициаторы для пигментированных УФ-систем
Рис. 3.1.52. сс-расщепление на примере
УФ-отверждение пигментирован- 1-гидрокси-циклогексил-фенил-кетона
ных систем для обработки древеси- (ГЦФК-Irgacure 184, торговая марка фирмы
ны, особенно с белым пигментом, в Ciba)
последние годы приобрело особое
значение. Используемые в непигментированных УФ-отверждаемых лаках
обычные фотоинициаторы (бензофенон, гидроксиалкилфеноны) имеют
Бензофенон
Тиоксантон
абсорбционный максимум между 300
и 400 нм. Но с такими фотоинициаторами не может быть достигнуто УФ- Рис. 3.1.53. Важнейшие фотоинициаторы
отверждение белых пигментирован- класса акцепторов водорода
ных рецептур, так как белый пигмент
(двуокись титана) сильно поглощает излучение в этой же области спектра. По
этой причине используются фотоинициаторы, которые частично поглощают
излучение в видимой области (максимум абсорбции около 450 нм), в которой
белый пигмент только отражает или рассеивает излучение.
Для хорошего глубокого отверждения белых пигментированных составов
применяют производные тиоксантона, а-аминоалкилфеноны, моно- и бисацилфосфиноксиды со всеми их преимуществами и недостатками. Партнерами являются гидроксиалкилфеноны. Благодаря своим абсорбционным характеристикам они создают предпосылки для хорошего УФ-отверждения покрытий. На рисунке 3.1.55 [68] пересекаются кривая пропускания TiO2 — рутила с
минимумом в области 390 нм - и кривая абсорбции моноалкилфосфиноксида, так что «спектральное окно» для УФ-отверждения остается открыто [67].
Используемые фотоинициаторы (> 400 нм) частично поглощают в голубой части видимого диапазона и создают в соответствии с законами вычитания цвен
SSS
Эксиплекс (от английского excited complex — возбужденный комплекс) — электронно возбужденный молекулярный комплекс, не связанный в основном состоянии. Он образуется между
молекулами-донорами и акцепторами в момент столкновения.
136 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
о
н
^
\
R
\
Триплзтное состояние
R
Третичный амин
Эксиплекс
он
Д
'
__
4
ч
R
'
\
н
Кетил-радикал
«
«•
R
_ '
Альфа-аминоалкил- задикал
Олигомер
он
\
у
К,
,
^
ч
id
"•:
"^ Олигомер
Цепочечный радикал
s
s
Бензпинакол
Рис. 3.1.54. Инициирование радикальной
полимеризации на примере бензофенона
и третичного амина
!
|
та впечатление желтизны покрытия
[67].
Сегодня важнейшими фотоинициаторами для белых пигментированных
составов являются ацилфосфиноксиды (АФО). Они характеризуются незначительным пожелтением и высокой
светостабильностью. В 1983 г. на рынке появились моноацилфосфиноксид
(МАФО) и 2,4,6-триметилбензоилдифенилфосфиноксид (Lucirin TPO). Десятью годами позже, в 1993 г., в коммерческий оборот вошли фотоинициаторы класса бисацилфосфиноксидов
(БАФО) [69, 70]. Их спектр поглощения сдвинут еще больше в видимую
область. По сравнению с моноалкилфосфиноксидами бисалкилфосфиноксиды (рис. 3.1.56) позволяют наносить большее количество материала
при УФ-отверждении с той же концентрацией пигмента. В этом случае говорят о большей глубине отвержде-
Рутил
з->
к />-С--с
н
изопропиловый эфир бензоила
2,2-диметокси-2-фенилацетофенон
2-гидрокси-2-метил-1-фенилпролан-1-0Н
9
2,4,6-триметилбензоил-дифенилфосфиноксид
\
V
400
Рис. 3.1.55. УФ-спектры поглощения различных фотоинициаторов
500
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Бис(2,б-диметоксибензоил)-2,2,4-триметил
пентилфосфиноксид
БАФО-1
137
Бис(2,4,б-триметилбензоил)-фенилфосфиноксид
БАФО-2
Рис. 3.1.56. Бисацилфосфиноксиды БАФО-1 и БАФО-2
hv
99
ч\
/f—Q-Р •
+
С-Р-Мономер
Мономер
С-Р- Мономер
hv
р- Мономер-
Рис. 3.1.57. Образование радикалов на примере БАФО-2 (Irgacure 819)
ния. При а-отщеплении моноацилфосфиноксиды могут образовать два радикала, а бисацилфосфиноксиды — четыре (рис. 3.1.57).
Часто использовавшиеся в прошлом производные тиоксантона и а-аминоалкилфеноны обнаруживают сильное пожелтение при УФ-отверждении, которое усиливается под действием дневного света. По этой причине эти фотоинициаторы не применяются для белых пигментированных материалов. К тому же а-аминоалкилфеноны оставляют сильный неприятный запах даже после
отверждения.
Фотоотбеливающий эффект при использовании бисацилфосфиноксидов
При использовании бисацилфосфиноксидов следует иметь в виду что, в зависимости от исходной концентрации после УФ-отверждения под действием
дневного света покрытие выцветает. С точки зрения цветометрии, под воздействием дневного света уменьшается желтое число (ЛЬ*). На рисунках 3.1.58
и 3.1.59 представлены результаты систематического изучения отбеливающего фотоэффекта на примере моно- и бисацилфосфиноксидов, проведенного
Визингом (Wiesing) [67]. Этот процесс известен в литературе как фотоотбеливающий эффект. Исходят из того, что при УФ-отверждении в процессе нанесения покрытия используемый фотоинициатор может образовывать хромофорные группы. По окончании стадии отверждения, поверхности, которые не
138 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
были сложены друг с другом в процессе штабелирования, подвергаются воздействию дневного света. Под его воздействием (УФ-свет) хромофоры распадаются на фрагменты, которые уже не обладают поглощением в видимой
области спектра [1]. Сточки зрения наблюдателя покрытие становится белее.
3.1.6.5. Пигменты, наполнители и матирующие добавки в УФ отверждаемых
покрытиях для древесины
Пигменты
Согласно DIN 55943, пигментом называется практически нерастворимое в
данной среде неорганическое или органическое, цветное или ахроматическое
красящее средство [72]. Пигмент может быть белым, черным или цветным, и
его задачей в ЛКМ прежде всего, является препятствие свету для того, чтобы
сделать покрытие непрозрачным и укрыть основу. Восприятие цвета возникает при отражении или селективном, или полном поглощении света [71]. Для
УФ-отверждаемых покрытий могут использоваться только такие пигменты, которые не замедляют и не предотвращают фотополимеризацию основы лака:
• пигменты, имеющие незначтельное поглощение, особенно в области абсорбции фотоинициатора (окно пигментной абсорбции) [73, 74];
• нейтральные пигменты, т.е. не вступающие во взаимодействие с фотоинициатором (не улавливающие радикалы).
Наиболее часто используемым пигментом для УФ-ЛКМ является двуокись
титана (рутил). Она применяется для окраски в белый цвет и полного перекрытия цвета основы, а также для осветления некоторых цветных и черных пигментов. Главными факторами, определяющими оптимальную рецептуру белых пигментированных УФ-отверждаемых покрытий, являются следующие:
• тип пигмента;
• размер частиц пигмента;
• объемная концентрация пигмента;
• спектральный диапазон излучения, используемого для отверждения покрытия.
Альтернативные пигменты, такие
как титанат магния, диоксид титана
(анатаз) и сульфид цинка имеют существенные недостатки в переработке и худшую по сравнению с рутилом
укрывистость и поэтому не применяРис. 3.1.58. Фотоотбеливание белых пигмеи- ются. Например, УФ-рецептуры, сотированных УФ-отверждаемых материалов
держащие в качестве пигмента сульпод воздействием дневного света
фид цинка, под действием дневного
ЯРИИЙР1ИИ
«ЙИИРВИЙ
Р1Р1Р1ИРИИИ
Рис. 3.1.59. Фотоотбеливающий эффект
И ИР! Р1Р1Р1ИЙ
ПИИ ЙР1Р1ЙР1
ИИИР1ЙЯИЙ
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 139
света (УФ-света) сильно желтеют. ДиСульфид цинка 98%
оксид титана (анатаз) фотохимически
Рутил ТГО
более активен чем рутил, поэтому для
него требуются модификаторы, например, окись алюминия и/или окись
кремния. Для оптимального фотоинициирования УФ-отверждаемых материалов основополагающим является
260 280 ЭОО 320 34O 360
380 400
знание абсорбционных соотношений
Длина волны
пигмента и фотоинициатора. Применение и переработка УФ-материалов Рис. 3.1.60. УФ абсорбционные кривые разтребует постоянного согласования личных белых пигментов
пигмента и фотоинициатора, так как
большинство пигментов поглощают УФ-излучение и фотоинициатор становится неспособным инициировать радикальную полимеризацию.
Абсорбционные характеристики различных белых пигментов представлены
на рис. 3.1.60[1, 68]. Из рисунка ясно видно, что не только химический состав
(окись титана), но и кристаллическая модификация пигмента определяют его
оптические свойства.
При использовании органических пигментов, например, технического углерода (сажи) или фталоцианиновых пигментов в зависимости от концентрации
пигмента может сильно нарушаться стабильность при хранении ЛКМ и пигментных паст. Это может привести к желированию (загущению) пигментных
паст. Кроме того, некоторые органические и неорганические пигменты могут
быть перехватчиками радикалов.
г
Наполнители
В отверждаемых излучением системах могут быть использованы обычные
наполнители, например, карбонаты (карбонат кальция), диоксид кремния (пирогенная или осажденная кремниевая кислота), силикаты (тальк, каолин, слюда, полевой шпат), сульфаты (осажденный сульфат бария) и органические наполнители, такие как микросферы или целлюлозные волокна [73, 72].
Матирующие средства
Деревообрабатывающая и мебельная промышленность являются самыми
основными потребителями сильно матированных, матовых и шелковисто матовых покрытий. В этом случае на переднем плане стоит не целесообразность,
а внешний вид. Так, при использовании матовых покрытий лучше всего проявляется характер благородной древесины. К тому же, в противовес навязчивому блеску высокоглянцевых покрытий, на матовых поверхностях отдыхает
глаз. Преимущество состоит также и в том, что, при использовании матового
покрытия, шероховатости субстрата становятся практически незаметны [76].
В качестве матирующего средства с 1950-х гг. в лакокрасочной промышленности используется синтетическая кремниевая кислота. Применяют осажденную и пирогенную кремниевую кислоту, а также силикагель. Во многих случаях требуется дополнительная обработка синтетической кремниевой кислоты
воском для улучшения стабильности взвеси и матирующих свойств [77].
Матирование/снижение блеска
Известно, что эффект матовости на лаковой поверхности мебели появляется
при отклонении формы поверхности от оптической плоскости. Высота, форма
и количество структурных деталей поверхности определяют степень глянца
140 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
покрытия [76, 78-80]. Образование
поверхностных структур происходит
Сырая пленка Усадка пленки
Высушенная
при испарении
пленка
во время физической сушки и химирастворителя
ческого отверждения. Значительную
роль играют свойства пленкообразователя, особенно время физической
сушки и отверждения, условия сушки
и количество органических растворителей, а также вязкость. От этих параметров зависит, будет ли и в какой
степени
диффузно отражаться падаРис. 3.1.61. Схема образования матированющий
на
поверхность свет при изменой поверхности
рении степени глянца.
Объяснение возникновения шероховатости поверхностей при использовании обычных ЛКМ состоит в том,
что частицы матирующего средства
в жидком материале распределены
равномерно. При испарении растворителей во время физической сушки и отверждения толщина сырого покрытия уменьшается и пленка
«садится» (рисунок 3.1.61) [81, 85].
Усадка составляет от 25 до 75%. Образуется более или менее шероховатая поверхность, неровности которой
нельзя рассмотреть невооруженным
взглядом (рис 3.1.62) [76, 82-84, 85].
Простым случаем матирования является
система, в которой превышена
Рис. 3.1.62. Вид матированной поверхности
критическая
объемная концентрация
под растровым электронным микроскопом
пигмента
(КОКП).
Этот метод приме(РЭМ)
ним только к пигментированным материалам и часто приводит к снижению механико-технологических свойств покрытия [76, 86]. Матирование прозрачных лаков пигментами и наполнителями используется только в ограниченной степени, т. е. насколько в данном случае допустим эффект помутнения или вуалирования. Кроме того, эти вещества
обычно обладают незначительными матирующими свойствами [86].
Матовый эффект может быть достигнут и без матирующих добавок. Использование компонентов, которые несовместимы с составными частями рецептуры, такими как растворители, пленкообразующие или пластификаторы, может
привести в конечном итоге к получению матового покрытия.
Матирование/понижение степени глянца для УФ-отверждаемых материалов
Отверждаемые облучением материалы, которые, с одной стороны, отверждаются в целом достаточно быстро, а с другой — не содержат растворителей
или обеднены ими и обычно наносятся наливом, вакуумным напылением или
на вальцах, могут быть матированы с большим трудом. Создание шероховатой поверхности в результате испарения растворителей, как это происходит
в обычных системах, в данном случае невозможно [87-89]. Поэтому для таких
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 141
систем только частицы, находящиеся вблизи или на поверхности сырой пленки, эффективно влияют на создание матового эффекта. Так как количество нелетучих компонентов близко к 100%, для матирования таких систем требуется
высокая концентрация матирующего средства. При использовании циркуляционных насосов на вальцевых машинах высокая концентрация матирующих
средств не позволяет обеспечить стабильность процесса нанесения материала. В результате, при нанесении тонкого слоя материала (5-12 мкм) матирующее средство «всплывает», и нарушается гладкость покрытия. Если в качестве матирующего средства использовать очень легкие полые стеклянные микросферы (плотность 0,22 г/см 3 ), то «всплытие» не происходит даже в течение
5 минут испарения перед УФ-отверждением [77].
Не всегда просто подобрать подходящую рецептуру УФ-отверждаемого материала с близким к 100% содержанием нелетучих веществ для нанесения на
вальцах, чтобы получить покрытие со степенью блеска от 5 до 25 единиц, при
угле измерения 60° с точки зрения выбора матирующих средств. С увеличением концентрации матирующего средства до 15% сильно возрастает вязкость
материала, и его использование затрудняется или становится невозможным.
Для таких материалов предпочтительно использовать сочетание поверхностномодифицированных (кремниевой кислоты, полипропилен-, полиэтилен- или полиамидным воском) слоистых силикатов на базе гидросиликата магния и органических матирующих средств на основе мочевино-формальдегидных смол
[90, 91]. Используя смеси перечисленных выше веществ, в зависимости от
УФ-отверждаемой пленкообразующей системы можно получить матовый УФматериал, пригодный для переработки и со стабильной степенью блеска. Использование фторсодержащих восков или модифицированной ими кремниевой
кислоты может в зависимости от ситуации привести к необходимости перекраски покрытия, так как может быть нарушена прочность сцепления с субстратом.
По этой причине фторсодержащие воски применяются лишь ограничено.
В УФ материалах на акрилатной основе большое влияние на процесс матирования оказывает система фотоинициатор-синергетик [92, 93]. Для экономичного матирования таких составов следует оптимально выбирать аминную
составляющую системы (аминный синергетик), так как высокое содержание
синергетика чрезвычайно затрудняет матирование. На рис. 3.1.63 [87, 93, 94]
представлена взаимная связь количества аминной добавки и степени блеска
УФ-покрывного лака. На этом рисунке видно, что степень блеска покрытия находится в прямой связи с УФ-активностью рецептуры. При добавлении аминного синергетика или при использовании аминомодифицированных полиэфирных акрилатов ингибирование реакции полимеризации кислородом воздуха заметно снижается. Отсюда можно сделать вывод, что мешающее в других случаях ингибирование полимеризации кислородом воздуха в данном случае благоприятствует снижению степени глянца.
При УФ-отверждении систем с содержанием нелетучих веществ до 100%
в зависимости от состава рецептуры усадка при полимеризации может составлять от 4 до 15% [95-97]. Усадка объясняется укорочением молекулярных связей при радикальной полимеризации. Это сокращение объема может вызвать
проблемы, связанные с ухудшением сцепления покрытия с субстратом, особенно для таких гладких поверхностей, как металл и пластики. Однако это не имеет
почти никакого значения для матирования, в отличие от рецептур, содержащих
большое количество растворителей.
142 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Проводится большое количество
попыток по преодолению проблемы
плохого матирования отверждаемых
облучением систем. Большинство
таких попыток не привело к практически значимым методам или потребовало чрезмерных химических и/или
Количество добавленного амина
технических затрат, например, при
30% уретанакрилата (ароматического):
70%тpиnpoпилeнrликoльдиaкpилaт
сочетании способного к полимериза4% бензофенона и 1,5% бензилдиметилкеталя в расчете
на пленкообразователь
ции сырья с поликонденсирующими8% матирующего средства; 2x480 Вт/см, 9 м/мин,
36 мм сырого слоя
ся веществами и эксперименты с изменением интенсивности облучения,
Рис. 3.1.63. Степень глянца (угол измерения которые известны в литературе как
Dual-Cure-процессы [78, 95, 98-102].
60°) УФ-лака в зависимости от количества
В процессе двойного отверждения
добавленного аминного синергетика
(Dual-Cure) степень блеска при УФКачество поверхности
Степень блеска
отверждении
устанавливается в неГладкость/деформация покрытия
сколько стадий. Простым примером
Высокое
Хорошее
является частичное отверждение
(УФ-предгелирование) покрытия под
W/C/N/N
действием длинноволновых УФ-ламп
W/G/W
(ртутные лампы высокого давления
J
с примесью галлия) и последующее
НеоптимальНизкое
отверждение (отверждение поверхное
однократное нанесение вальцами
ности) с помощью ртутных ламп вынанесение «мокрое по мокрому»
. «гелирование» (УФ предгелирование/
сокого
давления [103]. При этом степредварительное отверждение)
пень блеска зависит от дозы энергии — интенсивности УФ-излучения.
Рис. 3.1.64. Влияние процесса вальцевания
Таким
образом, для пигментированна качество поверхности и степень блеска
ного
покрывного
лака, наносимого
100%-ного УФ-отверждаемого покрытия
на вальцах в количестве 25 г/м 2 можно получить в зависимости от интенсивности УФ-облучения степень блеска от
10 до 60 единиц (при угле измерения 60°). На рис. 3.1.64 [104] можно видеть,
что для УФ-отверждаемого, наносимого на вальцах лака с долей нелетучих веществ 100%, степень блеска и качество покрытия зависят от режима процесса нанесения.
Современные вальцевые линии УФ-окраски должны всегда иметь две вальцевые машины с возможностью проводить УФ-предгелирование между ними и тем самым регулировать степень блеска и получать покрытие должного
качества. В последние 10-15 лет все снова и снова встречаются линии УФокраски в области нанесения УФ-отверждаемых материалов с использованием технологии нанесения «мокрое по мокрому» без УФ-предгелирования.
На рис. 3.1.64 и 3.1.65 представлены результаты опытов по нанесению покрывных УФ-отверждаемых лаков (со 100%-ным содержанием нелетучих)
с разной степенью блеска в зависимости от режима нанесения на вальцах.
На основании многочисленных испытаний, проведенных на различных УФпокрывных материалах, можно сделать следующие выводы.
За счет предварительного процесса нанесения «мокрый по мокрому» и последующего нанесения по технологии «вальцы-УФ-гелирование-вальцы»
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 143
УФ-покрывной лак со 100%-ным содержав зависимости от условий нанесения
Степень блеска при
угле измерения 60"
можно изменить степень блеска до
50%.
Степень блеска, которая получается в процессе нанесения на двойных
вальцах с промежуточным гелированием (с расходом 5 г/м 2 на одном
вальце) такая же, как и при нанесении технологии с одним вальцем
(10 г/м2) с тем же составом и количеством наносимого вещества. Но каче- Рис. 3.1.65. Степень блеска в зависимости
ство поверхности и полнота метода от режима вальцевого нанесения для разных
отделочных УФ-лаков со 100%-ным содержа«вальцы-УФ-гелирование-вальцы»
в дальнейшем превосходит качество нием нелетучих веществ
поверхности при простом нанесении
вальцами.
Для достижения более низкой степени блеска и оптимального качества поверхности предпочтительнее метод «вальцы-УФ-гелирование-вальцы» по
сравнению с методом нанесения «мокрое по мокрому» и простым вальцеванием. Метод «мокрое по мокрому» не очень подходит для получения сильно матовых покрытий, так как при необходимой высокой концентрации матирующего
средства не может быть обеспечена стабильность нанесения на вальцах.
Опыт показывает, что различная степень блеска может быть достигнута дозированием УФ-облучения также, как и при отборе матирующего средства. Не
существует универсального матирующего средства для УФ-отверждаемых материалов, которое можно было бы использовать независимо от выбора пленкообразователя, толщины слоя покрытия и других факторов [78]. На матируемость УФ-отверждаемых материалов влияют следующие составные части рецептур и параметры процесса переработки [105, 106].
УФ-пленкообразующие/мономеры:
• тип пленкообразователя (простые полиэфирные, сложные полиэфирные,
эпокси, уретан-акрилаты и др.);
• УФ-активность пленкообразователя (функциональность/молекулярномассовое распределение);
• вязкость пленкообразующего и рецептуры в целом;
• тип мономеров (функциональность);
• соотношение пленкообразующего и мономера в смеси.
Сочетание фотоинициатор/синергетик:
• тип фотоинициатора;
• тип синергетика (тип амина);
• добавляемое количество фотоинициатора/аминового синергетика.
Матирующие средства:
• добавляемое количество;
• объем пор в мл/г;
• распределение частиц по размерам;
• обработка поверхности восками.
Параметры процесса переработки:
• количество наносимого материала (толщина слоя);
• температура субстрата и наносимого материала;
144 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
• время успокоения перед УФ-отверждением (Flash off-зона);
• скорость воздушного потока при подсушивании / УФ-отверждении;
• доза энергии облучения и различная интенсивность используемых
УФ-ламп;
• спектральный диапазон используемых УФ-ламп;
• Dual-Cure-процесс УФ-отверждения в присутствии кислорода и/или в
инертной атмосфере (процесс двухстадийного УФ-отверждения).
• Добавление органических растворителей.
• Физическое матирование покрытия эксимерным облучением.
Эксимерное УФ-облучение для матирования УФ-отверждаемых систем
лакокрасочных покрытий (физическое матирование)
Интересной альтернативой классическому процессу матирования является физическое матирование с помощью так называемого эксимерного УФизлучения. В этом случае УФ-отверждаемое покрытие в атмосфере инертного газа облучается эксимерным УФ-источником, который эмитирует фотоны с
длиной волны 172нм(Хе 2 *)или222нм(КгСГ)[99].ЭксимерныеУФ-излучатели это источники излучения, принцип действия которых основан на генерации и
распаде эксимеров. Эксимеры — молекулы, которые существуют только в возбужденном состоянии в течение наносекунд и переходят в основное (очень нестабильное) состояние с испусканием определенных световых квантов (рис.
3.1.66) [107, 108]. Из основного состояния они немедленно распадаются на
составляющие мономеры. В результате происходящей объемной усадки, которая зависит от длины волны, энергетического вклада, рецептуры и толщины
слоя, возникают различные дефекты поверхности в микро- и миллиметровой
области [99]. Образуется сильно деформированный слой, который в результате диффузного рассеяния света воспринимается как матовый. В зависимости
от энергии лампы можно достигнуть частичного или полного отверждения покрытия. Как правило, эксимерное УФ-излучение используется в сочетании с
УФ-отверждением ртутными лампами среднего давления для фиксации структуры поверхности (матирования) или с электронным облучением для полного
УФ-отверждения покрытия (рис. 3.1.67). Этот процесс уже с успехом применяется для облагораживания бумажных пленочных материалов в сочетании с
УФ- или ЭИ-отверждающимися системами. Имеющиеся сегодня в распоряжении эксимерные излучатели цилиндрической формы обладают мощностью
50-90 Вт/см [107]. Благодаря монохроматическому спектру эксимерных излучателей, у них нет, в отличие от ртутных ламп высокого давления, мешающего
инфракрасного излучения. Это свойство может быть очень полезно при обработке чувствительных к температуре субстратов. Важно учитывать, что для использования эксимерного УФ-излучения необходима инертная атмосфера, для
того чтобы предотвратить ингибирующее действие кислорода при отверждении и особенно для того, чтобы избежать поглощения фотонов с длиной волны
172 нм кислородом воздуха. Согласно литературным данным, приемлемая
остаточная концентрация кислорода не должна превышать 9000 ррм, что можно обеспечить при небольшом расходе инертного газа [99].
Аддитивы
Аддитивы - это вещества, которые вводятся в рецептуру в относительно малых количествах для улучшения определенных свойств или для предотвращения нежелательных эффектов. Многие аддитивы, которые используются в
обычных материалах можно без ограничения применять в УФ-отверждаемых
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 145
Г
3.4О0
..•-{
i
•;
г
i
i
<
•
•
3.S1D
i.Kl<l
2Kstl
г.го»
г«оо
2»0
г.юа
1890
lean
1*00
5 330
во
;
т
•
•
Г
1
•
i
.
"
•
•
\
.
L
•
.
•
.
-
-
:
год
а
L
г
....
180
i
.
.
.
:
л
гво
гго
з«
да
1
....
яо
1
....
зое
1
ао
....
1
, , , . 1 . , . ,
лв
з«о
1
же
....
«о
Рис. 3.1.66. Эмиссионный спектр хлорида криптона (X = 222 нм) [107]
Эксимерный
излучатель
Ртутный или электронный излучатель
Рис. 3.1.67. Принцип физического матирования с использованием эксимерного
УФ-излучения [109-111]
системах. Речь идет о поверхностно активных веществах, таких как пеногасители, смачивающие, диспергирующие и улучшающие розлив средства.
Ингибиторы'-стабилиза торы
Важными добавками в производстве смол и УФ-отверждаемых материалов являются ингибиторы-стабилизаторы. При производстве и хранении УФпленкообразующих и мономеров добавляют ингибиторы, чтобы предотвратить преждевременную полимеризацию. Посредством ингибиторов повышается стабильность при хранении и обеспечивается надежность и безопасность при манипулировании. На практике в настоящее время в качестве стабилизатора процессов используется фенотиазин, а с 1960 г. для обеспечения
стабильности при хранении применяют монометиловый эфир гидрохинона
[112]. Известно, что монометиловый эфир гидрохинона может полностью раскрыть свое ингибирующее действие только в соединении с кислородом при
температуре 20- 100°С. Поэтому такие вещества называются аэробными инги-
146 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
биторами. В присутствии кислорода
радикалы быстро образуют пероксиОМе
ОМе + RO,- ROOH + но
но
радикал ы, так как скорость реакции
образования пероксирадикалов суОМе
щественно выше, чем скорость реакО
» О
. ОМе + RO OOR
ции полимеризации акриловых эфиров [113, 114]. Затем с образовавРис. 3.1.68. Принцип действия монометило- шимися пероксирадикалами вступает в реакцию ингибитор/стабивого эфира гидрохинона как стабилизатора
лизатор. Первым образуется мезопри хранении материала [115]
мерно стабилизированный радикал,
который взаимодействует с другим
S
S
+ R+
RH
ПО2-радикалом с образованием нейN
' NН
тральной молекулы. При этом на одАлкильное
Мезомерно
Феноциазин
Радикал
соединение
стабилизирована й
ну молекулу стабилизатора каждый
(алкил)
раз приходится два пероксирадикаО
,S
S
ла[112]
(рис. 3.1.68).
+ ROH
>+ ROOH
N
N
При получении производных акриН
Н
ловых
эфиров в качестве стабилизаГидроксиФеноциазин
Феноциазин-5-окс
Гидроперекись
соединение
тора процесса может быть испольО
О
зован фенотиазин. Фенотиазин отО
S
S
носится к анаэробным ингибиторам1
+ ROH
+ ROOH
N
N
стабилизаторам. Анаэробные стабиН
Н
лизаторы не играют никакой роли при
Феноциазин-5-оксид
Гидроперекись
Фенотиазин-5,5-дио» сид ДР° "соединение
хранении или транспортировке ЛКМ.
Ингибирующее действие осущестРис. 3.1.69. Принцип действия фенотиазивляется в результате переноса атона как стабилизатора радикальной полимема водорода. Образующийся в реризации
зультате реакции радикал стабилизирован за счет мезомерного эффекта и поэтому трудно вступает в реакцию.
Дальнейшая полимеризация прерывается. Особенностью фенотиазина по
сравнению с монометиловым эфиром гидрохинона является то, что он может
непосредственно реагировать как с алкильными, так и с пероксирадикалами
(рис. 3.1.69) [116]. Необходимый в обычных условиях для превращения алкильного радикала в пероксирадикал кислород при ингибировании фенотиазином становится не нужен. Тот факт, что фенотиазин в состоянии непосредственно перехватывать алкильные радикалы, делает его самым эффективным
стабилизатором процесса синтеза смол при высоких температурах в анаэробных условиях [112]. Фенокситиазин также в состоянии разлагать образующиеся перекиси до того, как они становятся инициаторами цепной полимеризации. Собственные молекулы ингибитора окисляются при взаимодействии с
гидроперекисями. При окислении фенотиазина могут образовываться окрашенные продукты, которые влияют на цветовой индекс смолы или мономера
[47]. В некоторых случаях этим объясняется изменение оттенка белой подложки при УФ-отверждении покрытия.
2
Ги
кс
3.1.6.6. Механизм УФ-инициируемой радикальной полимеризации
При УФ-инициируемой радикальной полимеризации жидкая система
пленкообразователь-мономер за доли секунды превращается в твердую
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 147
пленку покрытия. В рецептурах для древесины используются, главным образом, полифункциональные мономеры, которые при радикальной полимеризации образуют трехмерные сшитые структуры. Полимеризация, индуцируемая
радикалами, образующимися из фотоинициатора, может быть разделена на
три стадии [47, 117, 118]:
. образование радикалов и начало цепи в результате фотохимического
инициирования;
. рост цепи за счет присоединения мономеров;
• обрыв цепи в результате рекомбинации радикалов, диспропорционирования, угасания.
/. Образование радикалов и начало цепи в результате фотохимического
инициирования
Для начала полимеризации необходимы радикалы. Под воздействием УФизлучения из одной молекулы фотоинициатора при гомолитическом распаде
образуется два радикала, которые ответственны за начало цепи. Образовавшиеся первичные радикалы реагируют с двойными связями мономеров или
УФ-пленкообразователя и образуется ал кил радикал. Радикалы обозначаются
символом R*, где звездочка означает неспаренный электрон.
Фотоинициатор (R-R) + h 4 ' -> 2 R*
R* + M H > R - M * .
2. Рост цепи за счет присоединения мономеров
Реакция роста цепи, называемая также распространением, — реакция, которая приводит к построению полимерной цепи. П ри этом на каждой ступени роста активный радикальный центр на конце цепи реагирует с молекулой
мономера с образованием продленного на одну единицу полимерного радикала:
R-M * + M->R-M Д
п
п+1
3. Обрыв цепи в результате взаимодействия радикалов,
диспропорционирования, угасания [25]
Рост цепи прекращается, если взаимодействуют между собой два полимерных радикала. Они взаимно дезактивируют друг друга либо с образованием
общей молекулы (сочетание), либо с переносом атома водорода от одной молекул к другой (диспропорционирование). Такой обрыв приводит к образованию насыщенного фрагмента в одной цепи и возникновению концевой двойной связи у другой. Обрыв реакции при сочетании или диспропорционировании двух полимерных радикалов называется обрывом в результате взаимной
дезактивации. Кроме этого, захват радикала-инициатора растущей полимерной цепью также приводит к обрыву радикальной полимеризации:
R-Mn* + R-Mm* -> R-M n -M m -R (сочетание)
R-Mn* + R* -> R-Mn-R (присоединение радикала-инициатора)
R-(CH2)-CHX* + R-(CH2)-CHX* -> R-(CH)=CHX + R-(CH2)-CH2X (диспропорционирование).
Возможны также реакции с кислородом воздуха, перехватчиками радикалов
и примесями.
Ингибирование радикальной полимеризации кислородом воздуха
Важной и часто нежелательной побочной реакцией при УФ-инициируемой
радикальной полимеризации является ингибирование полимеризации кислородом воздуха. Кислород является бирадикалом и поэтому в результате быстрой реакции может связывать богатые энергией первичные радикалы и та-
148 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
ким образом блокировать полимеризацию. Помимо гашения возбужденного
состояния, он может реагировать с радикалами-инициаторами или растущей
полимерной цепью, образуя стабильные пероксирадикалы. Из-за своей стабильности пероксирадикалы пассивны и реагируют дальше только очень медленно [116]. В присутствии кислорода воздуха реакция роста цепи протекает
следующим образом [112, 119, 120]:
R* + M быстро H > R - M *
R-M* + *О-О* очень быстро -» R-M-O-O* (пероксирадикал)
R-M-O-O* + М очень медленно -» R-M-O-O-M*.
Эти конкурирующие реакции становятся тем более заметны, чем выше концентрация растворенного в пленкообразователе и мономере кислорода. Например, в акриловой кислоте при 20°С растворено 56 ррм кислорода. Механизм ингибирующего действия кислорода впервые был описан в 1959 г. Шульцем и Хенрики (Schulz и Henrici) [121]. При ингибировании в полимерную цепь
встраивается не только акриловый мономер, но и кислород. В этом случае
кислород является сополимером. Из литературы известно, что образование
пероксирадикалов происходит в 100 раз быстрее, чем рост полимерной цепи
[116]. Кислородное ингибирование приводит в экстремальных случаях к образованию клейких, не полностью отвержденных покрытий. Кислород вмешивается уже в процесс расщепления молекул фотоинициатора и, в результате гашения возбужденного состояния, снижает образование первичных радикалов
(см. рис. 3.1.70) [ 122].
Принципиально важно иметь в виду, что диффузия кислорода зависит от вязкости УФ-лакокрасочных составов. Для высоковязких систем диффузия кислорода незначительна [122]. Известно, что остаточное содержание кислорода
в отвержденных пленках с течением времени приводит к расщеплению оставшихся двойных связей [123].
Чем тоньше слой УФ-материала, тем сильнее ингибирующий эффект кислорода. Относительно новый аналитический метод конфокальной Раманспектроскопии позволяет «заглянуть внутрь» слоя во время УФ-облучения и
проследить за процессом радикальной полимеризации на разной глубине
пленки [124]. Высота сигнала соответствует количеству еще существующих
двойных связей. Чем ниже сигнал, тем меньше остается двойных связей и полнее проходит отверждение. Исследования с помощью конфокальной Раманспектроскопии также показывают, что в условиях эксперимента кислородное
ингибирование особенно сильно проявляется в слое от 8 до 10 мкм, где сигнал двойных связей очень большой (см. рис. 3.1.71) [124]. В глубинных слоях
(> 10 мкм) ингибирующее действие кислорода незначительно.
На рис. 3.1.72 [124] представлена зависимость конверсии двойных связей
от количества наносимого материала и времени облучения по данным ИКспектроскопии в реальном времени.
В качестве модели использовалась рецептура на базе ароматических эпоксиакрилатов в сочетании с акрилатом триметилолпропана, гександиолдиакрилатом, 2,4,6-триметилбензоил дифенилфосфиноксидом и метилдиэтаноламином как соинициаторами. При толщине покрытия от 2 до 6 мкм степень
конверсии двойных связей < 20% [124]. При увеличении толщины слоя до
59 мкм конверсия достигает 80%. Этот экстремальный пример должен продемонстрировать зависимость кислородного ингибирования от количества наносимого вещества.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 149
Подобный ингибирующий эффект
можно встретить, например, в случае
УФ-отверждаемых покрывных лаков
со 100%-ным содержанием нелетучих веществ, которые наносятся вальцами. Количество наносимого вещества при этом составляет, как правило, от 4 до 10г/м 2 и может сильно снижаться под влиянием температуры и
при изменении параметров процесса (прижимного давления, скорости
дозирующих и вальцевых устройств).
В этих условиях снижение количества
наносимого вещества может привести к возникновению проблем при
отверждении.
Во многих случаях проблемы недостаточного УФ-отверждения могут
быть связаны с влиянием кислорода.
Использование прозрачной
пластиковой пленки как защитного
материала
Чтобы помешать диффузии кислорода в слой ЛКМ можно использовать
прозрачную пластиковую пленку, например, полиэфирную. После нанесения слой УФ-материала накрывается полиэфирной пленкой и затем
отверждается. После снятия пленки
получают стойкую к царапанию и обладающую в зависимости от структуры пленки определенной степенью
глянца поверхность [125]. Использование защитной пленки с технической точки зрения весьма накладно и
при окраске древесины применяется
только в некоторых специальных случаях, например при изготовлении кухонной мебели.
Ж?
Р,
р- ."—• Полимер
R-
о,
о,
R0,
Pt = фотоинициатор
Pi*= фотохимически возбужденный фотоинициатор
R* = первичный радикал
М = мономер/олигомер
Рис. 3.1.70. Кислородное ингибирование
фотоинициируемых и радикально полимеризующихся УФ-лакокрасочных систем
— ——
__Интеш«
т-1.0
-0.9
-0.8
Я.Я1it
Я1ШЛ
Ш 11L
S
H
E
—^ЗиЯРтЯИ
1702
1658 ^^^ШшцуУ
\ ТИШР """™
1
1614
-0,7
H
„т_\.т,гГгП"т
5
n
Волновое число, см'
-Об
-0,4
-0,3
-0.2
*-i-•'•WJWSI^
10 15
1
-л—ГГТТР
-0,1
-0
Глубина пленки
(толщина), [мкм]
Рис. 3.1.71. Конверсия двойных связей УФматериала в зависимости от толщины слоя
Степень конверсии, %
100
Толщина слоя, мкм
Высокая концентрация
фотоинициатора
Одним из вариантов решения проблемы может быть увеличение концентрации первичных радикалов, при
которой, несмотря на взаимодействие с кислородом, полимеризация
может пройти быстрее, чем диффузия кислорода. При этом необходима достаточно высокая концентра-
6
8
10
Время облучения, с
Рис. 3.1.72. Конверсия двойных связей в зависимости от количества наносимого вещества по результатам спектральных исследований в реальном времени
150 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
ция фотоинициатора, чтобы можно было гарантированно обеспечить высокую
концентрацию первичных радикалов в процессе отверждения. В таком случае
говорят о превосходстве над кислородом [2]. При увеличении интенсивности
УФ-облучения в процессе отверждения можно еще уменьшить побочное взаимодействие с кислородом [122].
Добавление парафиновых восков
Добавление парафиновых восков или других воскообразных веществ при
использовании высокоактивных пленкообразователей на основе акрилатов
неэффективно, так как пленка отверждается быстрее, чем парафин может
создать защитное зеркало на поверхности. Парафины различной плавкости
используются при УФ-отверждении ненасыщенных полиэфиров со стиролом,
так как в этом случае окрасочные линии имеют так называемые зоны предгелирования с лампами низкого давления и небольшой мощности. Это дает возможность парафинам всплыть на поверхность перед настоящим отверждением. Скорость транспортеров на таких линиях составляет от 8 до 12 м/мин (см.
ч. 3.1.6 Ненасыщенные полиэфирные смолы).
Использование перехватчиков кислорода
Следующей возможностью является использование аминных синергетиков,
которые как активные перехватчики кислорода (см. часть 3.1.6 Фотоинициаторы) вносят свой вклад в устранение кислородного ингибирования. Прежде
всего используются третичные амины, которые в сочетании с бензофеноном
как акцептором водорода образуют очень активные альфа-аминорадикалы
при отщеплении а-водородного атома. Альфа-аминорадикалы также являются инициаторами цепной полимеризации. Аминные синергетики часто называют соинициаторами. Вместе с тем использование третичных аминов в зависимости от концентрации и употребления может привести к пожелтению, особенно белых пигментированных материалов и белых подложек.
Кроме этого можно использовать самоокисляющиеся группы, встроенные
в матрицу смолы, для перехвата мешающего кислорода во время радикальной полимеризации. Надежными средствами являются моно- и диаллиловые
эфиры триметилолпропана и тетрагидрофталевая кислота (ч. 3.1.6). Таким образом, модифицированные ненасыщенные полиэфирные смолы известны как
глянцевые полиэфиры.
УФ отверждение в инертной газовой атмосфере
Одним из самых эффективных методов предотвращения кислородного ингибирования является удаление кислорода из зоны реакции радикальной полимеризации с помощью защитной газовой атмосферы [122, 126-129]. Можно проводить отверждение в атмосфере инертного газа, например азота или
двуокиси углерода, и таким образом исключить кислород. На практике отверждение в атмосфере инертного газа еще не применяется и не осваивается,
несмотря на многочисленные преимущества, например:
• может быть существенно снижена доля фотоинициаторов в рецептуре
[130, 131];
• уменьшение количества продуктов расщепления фотоинициаторов и,
в результате, уменьшение неприятного запаха;
• можно отказаться от добавки аминных синергетиков, уменьшение пожелтения [132];
• нет нужды использовать высокофункциональные мономеры;
• можно снизить мощность и дозу УФ-облучения;
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 151
. в инертной атмосфере под воздействием УФ-ламп не образуется озон;
• в результате возможного объединения в один цикл УФ-канала и конечного охлаждения не будет отработанного воздуха [133].
Это связано с тем, что технические затраты и стоимость УФ-канала с инертной атмосферой для мебельной промышленности еще слишком велики. К тому же, УФ-отвержденные в инертной атмосфере покрытия со 100%-ным содержанием нелетучих в результате пропущенного поверхностного кислородного ингибирования заметно хуже матируются. Это является причиной того,
почему, вопреки всем недостаткам, кислородное ингибирование следует принимать во внимание. Немногие установки в Европе по окраске древесных материалов, использующие в качестве инертного газа азот, обрабатывают главным образом плоские детали с последующим электронным облучением. Например, они много десятков лет используются для окраски унифицированных
деталей, таких как наружные двери и плиточные материалы для наружного использования [134]. При создании инертной атмосферы УФ- или электронного
канала облучения следует учитывать соотношение потоков газа в зависимости
от геометрии деталей. Должно быть гарантировано равномерное окутывание
материала азотом, иначе после УФ- или электронного отверждения может получиться так, что некоторые поверхности детали будут иметь разную степень
отверждения и/или блеска.
Трехмерные изделия из древесины
Изделия сложной геометрической формы (трехмерные) практически невозможно обрабатывать с использованием УФ-отверждения вне инертной атмосферы. Это связано с тем, что для трехмерных субстратов расстояние между
УФ-лампами и обрабатываемой поверхностью должно оставаться по возможности постоянным, чтобы обеспечить равную интенсивность облучения всех
поверхностей детали. Это достигается использованием ламп особой конструкции. Здесь также можно свести к минимуму кислородное ингибирование
или совсем его исключить. При большом разнообразии в геометрии мебельных деталей для использования УФ-отверждения требуется постоянная подгонка расстояний между УФ-лампами и поверхностями изделий.
Новый недорогой и простой процесс УФ-отверждения трехмерных деталей
в атмосфере углекислого газа представляет особый интерес для промышленного применения при обработке малых серий деталей. Этот процесс известен
на рынке как Larolux с 2001 г. (см. рис. 3.1.73) [135].
Углекислый газ тяжелее воздуха, поэтому можно наполнить им пластиковый
резервуар, и он останется на дне. В промышленных условиях особенно выгодно использовать сухой лед (твердый СО2). Таким образом, без больших затрат
можно достичь концентрации кислорода < 1 % . Прямое сравнение отверждения в атмосфере азота и углекислого газа на примере уретан-акрилатной рецептуры показывает, что различия между ними незначительны (см. рис. 3.1.73)
[126, 136]. Процесс отверждения в баках или тоннелях с углекислым газом и
пониженным содержанием кислорода позволяет уменьшить УФ-облучение и
использовать простые лампы с широким спектром излучения, такие как «горное солнце».
Трехмерные субстраты, например деревянные стулья, после нанесения Л КМ
окунанием вносятся в атмосферу углекислого газа и облучаются. Для подсветки теневых зон субстрата на стенках инертной камеры используются специальные отражатели из алюминия.
152 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Алюминиевые рефлекторы. Достаточно алюминиевой
облицовки(например, алюминиевой
фольгой) резервуара для эффективного освещения трехмерных конструкций (деталей) без
специальных рефлекторов.
УФ-излучатель. Интенсивность УФизлучения может быть сильно уменьшена, что дает возможность использовать более простые и дешевые источники излучения. Расстояние между
излучателем и поверхностью детали не
имеет большого значения.
3D- или 20-объекты. Они
освещаются со всех сторон.
Покрытие полностью отверждается.
Пустое пространство. Для подачи окиси углерода.
Возможно использовать газ или сухой лед.
Проницаемое алюминиевое дно.
Через него медленно поступает углекислый газ и растекается по всему объему. При этом избегают сильных завихрений. Алюминий обеспечивает освещенность снизу изделия.
Рис. 3.1.73. УФ-отверждение в атмосфере углекислого газа на установке «Larolux»
Это устройство очень простое и может быть использовано в ремесленном
производстве малых серий. В лабораторных опытах были успешно протестированы 400 Вт лампы «горное солнце» (например, Philips HB 406 с металлогалогенной лампой с УФ-С- и УФ-В-фильтрами для области спектра больше
300 нм), которыми облучали образцы на расстоянии 60 см в течение 30 с при
дозе облучения 1,5 Дж/см 2 [137]. При таком облучении снижается доля опасного УФ-С-излучения и образование озона. Окрашенные со всех сторон деревянные детали могут в таком устройстве отверждаться без переворачивания.
Дальнейшие исследования показали, что моно- и бифункциональные мономеры в атмосфере инертного газа (углекислого газа) могут полимеризоваться
с высокой степенью превращения. Фотоинициированный гександиолдиакрилат в присутствии кислорода не полимеризуется, в то время как в атмосфере углекислого газа степень его превращения в гомополимер составляет 80%
(см. рис. 3.1.75) Эти исследования открывают совершенно новый путь создания рецептур очень эластичных и одновременно твердых покрытий.
Окраска деревянных стульев [138,139]
Первая пилотная установка для апробирования процесса «Larolux» в окраске деревянных стульев была введена в эксплуатацию в Северной Европе
в 2005 г. Эта установка служит для замены все еще используемых в Северной Европе кислотоотверждаемых систем на базе органических растворителей на безопасные для окружающей среды УФ-отверждаемые водорастворимые материалы. Такая замена имеет к тому же и экономические причины. Установка состоит из компактного проходного канала с размерами
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
153
УФ-пленкообразоватеяь: алифатический уретан-акрилат (Laromer LR 898/, /0%-ный раствор в гександиолдиакрилат, функциональность 2,3
Торговое название Irgacure 2959 (Ciba Speciality Chemicals)
(УФ-интенсивность) = 35 мВт/см , d (толщина слоя) = 3 мкм
4
5
Время отверждения, с
Рис. 3.1.74. Влияние различной атмосферы (углекислый газ, азот, воздух) на процесс
УФ-отверждения уретан-акрилата
100
Фотоинициатор: 3% 2-гидрокси-1-[4-(2-гидроксиэтокси)фенил]-2-метил-1-пропан.
Торговое название Irgacure 2959 (Ciba Speciality Chemicals)
Фотоинициатор: 3% 2-гидрокси-1-[4-(2-гидроксиэтокси)фенил]-2-метил-1-пропан.
Торговое название Irgacure 2959 (Ciba Speciality Chemicals)
(УФ-интенсивность) = 30 мВт/см, d (толщина слоя) = 4 мкм
Гександиолдиакрилат (ГДДА) УФ-отверждение в атмосфере СО
Гександиолдиакрилат (ГДДА) УФ-отверждение в атмосфере кислорода
20
25
Время отверждения, с
Рис. 3.1.75. Сравнение УФ-отверждения гександиолдиакрилата в присутствии кислорода
и в атмосфере С02
4x2x1,5 м (ширина х высота х глубина). Внутренность УФ-канала покрыта специально обработанными особой формы алюминиевыми отражателями. В зоне УФ-отверждения вмонтированы за кварцевыми окнами три УФ-излучателя
общей мощности 2000 Вт. Один излучатель находится на дне, а два — на противоположных стенках канала. Прежде всего исследования показали, что монтаж излучателей внутри канала приводит к турбулентности газа и в связи с
этим к высокому расходу диоксида углерода. Турбулентность возникает также
в результате термической конвекции, обусловленной излучением УФ-ламп.
Эту проблему можно решить, смонтировав излучатели снаружи канала и отделив их стеклом от емкости с углекислым газом. Чтобы гарантировать низкое
содержание кислорода (около 2-4%), с помощью специального измеритель-
154 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
ного устройства постоянно контролируется состав углекислого газа. Скорость
передвижения изделий на линии составляет 5 м/мин.
Отверждение в емкости с углекислым газом имеет следующие преимущества:
• пониженные энергетические затраты в связи с уменьшением мощности
УФ-облучения;
. использование ламп для загара исключает образование озона и вредное
УФ-излучение;
• для УФ-отверждения трехмерных объектов возможно устанавливать лампы на большом расстоянии;
• пригодность как для больших, так и для малых серий;
• уменьшение количества фотоинициатора, а значит, и стоимости материала;
• расширение рецептурных возможностей при внедрении акрилатов с низкой функциональностью в эластичные покрытия;
• улучшение химической стойкости и устойчивости к царапанию.
Конверсия двойных связей и температура стеклования при УФ-отверждении
При УФ-отверждении обычно за несколько секунд создается неклейкая и
прочная пленка. Это объясняется тем, что при радикальной полимеризации
по сравнению с поликонденсацией уже при небольшой конверсии двойных
связей достигается высокая степень полимеризации [140]. На практике в зависимости от рецептуры и параметров процесса в реакцию вступает от 75 до
90% ненасыщенных двойных связей. Причиной неполного превращения ненасыщенных двойных связей является то, что слой лака «стекленеет» (стеклование25) и подвижность сегментов молекулярной цепи замораживается.
Это происходит, когда процесс переходит за пределы температуры стеклования26, которая очень важна в процессе УФ-отверждения.
Жидкая пленка Л КМ в результате полимеризации переходит в твердое состояние и реакция, в конце концов, останавливается. Сшитая до определенной степени пленка проходит промежуточное состояние, в котором имеет в
равной мере свойства жидкости и твердого вещества. Эта стадия называется
точкой гелеобразования, так как здесь впервые возникает сетчатая структура. В опытах с системами, растворенными в разных растворителях, это всегда приводит к появлению нерастворимого осадка. Степень конверсии, которая будет достигнута в точке гелеобразования, зависит от функциональности всех составных частей рецептуры (пленкообразователей, мономеров),
типа и концентрации фотоинициатора, а также от параметров процесса УФотверждения. Равным образом и температура стеклования зависит от перечисленных выше параметров. С возрастанием степени сшивки увеличиваются
температура стеклования, теплостойкость, химическая устойчивость и твердость пленки, но увеличиваются также и внутренние напряжения, и хрупкость
покрытия [140]. Одновременно уменьшаются эластичность и тягучесть. Даль25
Стеклование — затвердевание жидкости при повышении ее вязкости, когда она охлаждается,
причем кристаллизации не наступает, и материал остается аморфным.
26
Температура стеклования (Тг) — общее название для такой температуры, при которой аморфное вещество переходит из жидкого состояния в стеклообразное или наоборот. При температуре
выше температуры стеклования полимеры находятся в жидкообразном равновесном состоянии.
В этом состоянии возможно свободное вращение вокруг углерод-углеродных связей главной цепи, которое приводит к изменению положения фрагментов молекулярной цепи относительно друг
друга. При охлаждении ниже температуры стеклования передвижение сегментов молекулы замораживается. Материал переходит в стеклообразное состояние, которое термодинамически является неравновесным, определенным предысторией процесса. Это отражает, например, факт объемной релаксации ниже температуры стеклования [142, 143].
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 155
нейшие систематические исследования показали, что после УФ-отверждения
радикальная полимеризация еще не заканчивается и что в течении первого
дня после облучения твердость пленки увеличивается [142]. Это можно объяснить тем, что непосредственно после УФ-отверждения в пленке все еще находятся активные радикалы и способные к полимеризации двойные связи, которые, в зависимости от температуры окружающей среды, могут реагировать
в большей или меньшей степени.
УФ-отверждаемое покрытие в процессе отверждения, в результате вызванной облучением полимеризации, претерпевает объемное сжатие, которое основывается на возникновении новых ковалентных связей между УФпленкообразователем и мономером. Межмолекулярные расстояния при этом
переходят в более короткие ковалентные связи. При этом уменьшаются объем
и толщина пленки. Производитель ЛКМ должен учитывать напряжение, возникающее в пленке в результате этого явления, так как это может привести к
ухудшению адгезии покрытия, особенно на гладких субстратах, таких как пленки отвержденных меламиновых смол.
3.1.6.7. Примеры рецептур УФ-отверждаемых ЛКМ
Приведенные здесь примеры представляют собой примерные рецептуры
производства сырья. Эти примеры должны дать читателю представление о составе УФ-отверждаемых ЛКМ для древесины.
Составы для обработки паркета
Примерные рецептуры для мебели и дверей (табл. 3.1.28-3.1.38).
3.1.6.8. Установки для нанесения УФ-отверждаемых ЛКМ
Процессы окраски мебели, кухонной мебели и дверей УФ-Л КМ не сильно различаются между собой. Приведенные ниже примеры дают общее представление о линиях окраски с использованием УФ-отверждаемых материалов. Процессы подготовки древесины, транспортировки, а также сушки и отверждения
описаны подробно в частях 4, 5 и 7.
Окраска мебели и дверей
При окраске мебели и дверей УФ-материалы наносятся наливом, распылением,
на вальцах и с использованием вакуумных установок. В промышленных условиях
на вальцах обрабатываются плоские поверхности с применением ЛКМ (грунтовки
и отделочные лаки) почти со 100%-ным содержанием нелетучих веществ.
В разных странах существуют различные требования к поверхности покрытия.
В Северной Европе обычно мебель и двери покрывают тонким слоем ЛКМ, чтобы обеспечить защитное действие. В Южной Европе, напротив, покрытия наносят толстым слоем. В таблице 3.1.39приводятся используемые повсеместно УФ-ЛКМ на основе органических растворителей для обработки древесины.
В зависимости от метода нанесения УФ-материалы различаются долей нелетучих компонентов [147].
Обработка изделий УФ-прозрачными лаками
Типичная схема вальцевой линии для нанесения УФ-отверждаемых ЛКМ с
несколькими простыми вальцами и двумя шлифовальными машинами, используемая в Средней и Северной Европе, представлена на рис. 3.1.76. Использование легкой шпатлевочной машины на стадии грунтовки часто позволяет отказаться от второй шлифовальной машины для шлифовки покрытия, как это
показано на рис. 3.1.77. Такие линии окраски на вальцах имеют скорость пода-
156 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
чи изделий от 10 до 50 м/мин. Существуют также установки, в которых совсем
отсутствуют шлифовальные машины и вместо них используется комбинация
обогреваемых каландрирующих валков и щеточных агрегатов [148].
Таблица 3.1.28. Рецептура УФ-отверждаемой адгезионной грунтовки для паркета,
наносимой на вальцах[144]
Компонент
Назначение
Массовая доля
1
Ненасыщенный полиэфир (мо- УФ-пленкообразователь
дифицированный аллиловым
эфиром) кислотное число -20,
вязкость в мПа х с ~ 17,000,
при 23°С)70%вДПГДА
75,00
Дипропиленгликоль диакрилат
(ДПГДА)
Активный разбавитель;
Установление рабочей вязкости
22,00
Бисацилфосфиноксид2
(ВАРО И)
Фотоинициатор для глубокого
отверждения
0,75
2-гидрокси-2-метил-1-фенилпропан-1-он3
Фотоинициатор для отверждения
поверхности
2,25
Всего
100,00
1
Desmolux® UA VP 2110 (Bayer).
Irgacure® 819 (Ciba Specialty Chemicals Inc.).
3
Darocure®1173 (Ciba Specialty Chemicals Inc.).
2
Таблица 3.1.29. Рецептура УФ-отверждаемой адгезионной грунтовки на водной основе
для паркета, наносимой на вальцах [145]
Компонент
Назначение
1
Массовая доля
Уретан-акрилат в виде
50%-ного раствора в воде
УФ-пленкообразователь
Метилбензоилформиат2
Фотоинициатор
4,70
Средство для смачивания
поверхности
0,30
3
Силиконовый ПАВ (раствор
модифицированного полиэфиром полидиметилсилоксана)
Всего
1
Viaktin VTE 6155w/50WA (Cytec).
GenocureMBF(Rahn).
3
Byk 346 (Byk-Chemie).
2
95,00
100,00
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
157
Таблица 3.1.30. Рецептура УФ-отверждаемой, содержащей корунд грунтовки для паркета,
наносимой на вальцах[146]
Компонент
Назначение
Массовая доля
УФ-пленкообразователь
58,00
Уретановый акрилат (алифати- УФ-пленкообразователь
ческий, 65% в трипропиленгли- (эластично-жесткий)
кольдиакрилате)
18,00
1
Акрилат сложного полиэфира
2
Дипропиленгликольдиакрилат
Активный разбавитель
Установление вязкости
А1203 корунд
Улучшение износостойкости
Кремниевая кислота
(синтетическая)
Влияние на степень блеск и вязкость
Смесь полисилоксанов3
5,00
10,00
4,00
Силиконовый пеногаситель
4
Метилбензоилформиат
Фотоинициатор
1-гидрокси-циклогексилфенил-кетон5
Фотоинициатор
1,00
2
2
Всего
1
5
100,00
г
3
4
Laromer® РЕ 44 F. Laromer® UA 19 Т. Вук 088 (Byk-Chemie). Genocure MBF (Rahn).
Irgacure® 184 (Ciba Specialty Chemicals Inc.).
Таблица 3.1.31. Рецептура УФ-отверждаемого лака с шелковистым блеском для паркета,
наносимого на вальцах [144]
Компонент
Ароматический уретанакрилат
(твердо-эластичный)
Назначение
1
УФ-пленкообразователь
Массовая доля
32,60
Простой полиэфирный акрилат2 (модифицированный
амином)
УФ-пленкообразователь
Регулировка вязкости
Дипропиленгликольдиакрилат
Активный разбавитель
Установление вязкости
39,5
Кремниевая кислота3
(синтетическая)
Регулирование степени блеска
и вязкости
7,40
Пирогенная кремниевая
кислота4
Регулирование вязкости
Бензофенон
Фотоинициатор
1-гидрокси-циклогексилфенил-кетон5
Фотоинициатор
Всего
1
3
5
17,10
0,80
1,3
1,3
100,00
2
Desmolux® ХР 2614, форма выпуска 100%. Desmolux® VP LS 2299, форма выпуска 100%.
Acematt® OK 412 (Degussa).4 Acematt® TS 100 (Degussa).
Irgacure® 184 (Ciba Specialty Chemicals Inc.).
158 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.32. Рецептура прозрачной УФ-отверждаемой грунтовки для мебели и дверей,
наносимой вальцами [146]
Компонент
Назначение
Ароматический модифицированный эпоксиакрилат'
УФ -пленкообразователь
Ненасыщенный простой
полиэфир'
УФ-пленкообразователь
Дипрпиленгликольдиакрилат
(ДПГДА)
Активный разбавитель,
регулирование вязкости
Сополимер с кислотными группами3, кислотное число ~ 53
Смачивающая и диспергирующая
добавка
Тальк4 (гидросиликат магния)
Наполнитель, улучшающий адгезию
и шлифуемость
Бензилдиметилкеталь5
(альфа, альфа-диметоксальфа-фенилацетофенон)
Фотоинициатор
Акрилатный сополимер6
Улучшение розлива
Массовая доля
31,00
31,00
15,00
0,50
18,00
4,00
Всего
0,50
100,00
Время истечения (6 мм сопло, при 23°С): около 70 - 80 с.
Скорость УФ отверждения (25 г/м'): около 5 м/мин.
1 УФ облучатель (Нд) 120 Вт/см.
1
Laromer® LR 8986, форма выпуска 100% (BASF AG). 2 Laromer® UP 35 D, форма выпуска 100%
(BASF AG).3 Disperbyk® 110 (Byk). 4 Talc 10 M0 (Lucenac). 5 Irgacure® 651 (Ciba Specialty Chemicals
Inc.). 6 Byk361N (Byk-Chemie).
Таблица 3.1.33. Рецептура черного пигментированного УФ-отверждаемого покрытия
для деталей мебели и дверей, наносимого вальцами [146]
Компонент
Назначение
Модифицированный амином
простой полиэфирный
акрилат1
УФ-пленкообразователь с высокой
УФ-активностью и хорошим смачиванием пигмента
Модифицированный амином
УФ-пленкообразователь
простой полиэфирный акрилат2 Регулирование вязкости
(с низкой вязкостью)
Массовая доля
54,00
37,00
Анилиновый черный3
Пигмент черный 1
Пигмент, окраска
2,4,6-триметилбензоилдифени
лфосфиноксид4
Фотоинициатор
(глубокое отверждение)
1,0
2-гидрокси-2-метил-1-фенилпропан-1-он4
Фотоинициатор
(отверждение поверхности)
2,0
5,00
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
159
Продолжение таблицы 3.1.33.
Компонент
Назначение
Ацетобутират целлюлозы 5
20%-ный раствор в бутилацетате
Улучшение розлива
Массовая доля
1,0
100,00
Всего
Время истечения (4 мм, при 23°С): около 90-120 с.
Скорость УФ-отверждения (130 г/м г ): около 2,0 м/мин.
1 минута облучения лампой низкого давления типа Philips TL 03.
1 УФ-облучатель (Hg) 120 Вт/см.
1
Laromer® P0 84 F, форма выпуска 100%.
2
Talkum AT 1 (Norwegian Talc AS).
3
Lucerin®TPO(BASFAG).
4
Darocur® 1173 (Ciba Specialty Chemicals Inc.).
5
CAB 551-0.01 (Eastman).
Таблица 3.1.34. Рецептура шелковисто-матового УФ-отверждаемого лака для мебели
и дверей, наносимого вальцами [145]
Компонент
Назначение
1
Массовая доля
УФ-пленкообразователь с высокой
эластичностью,устойчивость к истиранию и высокое наполнение
44,70
Трипропиленгликольдиакрилат
(ТПГДА)
Активный разбавитель,
регулирование вязкости
38,00
Бензофенон
Фотоинициатор
2-гидрокси-2~метил-1-фенилприпан-1-онг
Фотоинициатор
Кремниевая кислота3(синтетическая, обработанная
органикой)
Регулирование степени
блеска и вязкости
Тальк4 (гидросиликат магния)
Наполнитель для улучшения адгезии
и шлифуемости
4,00
Мелкодисперсный модифицированный полиэтиленовый
воск5
Улучшение устойчивочти к царапанию, гладкости и понижение степени
блеска
2,00
Модифицированный полиэфиром полидиметилсилоксан6
(10%-ный раствор в ксилоле)
Средство для улучшения
розлива и гладкости
Сложный полиэфир-акрилат
Всего
2,0
2,0
7,00
0,30
100,00
1
Вязкость(1Б0 3219/23°С, конус-диск, D 2500 с ) = са. 1100 мПа х с.
Количество наносимого вещества: 10-20 г/мг.
УФ-отверждение: 2 УФ-облучателя (Hg) 80 Вт/см, 10 м/мин.
1
Viaktin VTE 6174, форма выпуска 100 % (Cytec).
2
0arocur®1173 (Ciba Specialty Chemicals Inc.).
3
TalkumA10(Naintsch).
4
Syloid® ED50 (Grace).
5
Ceraflour®950(Byk).
6
Baysilon PL(Borchers).
160 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.35. Рецептура шелковисто-матового, прозрачного грунтовочного и отделочного УФ-отверждаемого лака для мебели и дверей, не содержащего мономеры и наносимого вальцами [146]
Компонент
Назначение
Ароматически модифицированный эпоксиакрилат1
УФ-пленкообразователь
Простой полиэфирный акрилатг (низковязкий)
УФ-пленкообразователь,
регулирование рабочей вязкости
Тальк3
(гидросиликат магния)
Улучшение адгезии и шлифуемости,
регулирование степени блеска
Кремниевая кислота4
(синтетическая)
Влияние на степень блеска и вязкость
Аминный синергетик5
(активный третичный амин)
Повышение УФ-активности
Бензофенон
Фотоинициатор
1-гидрокси-циклогексилфенил-кетон"
Фотоинициатор
Силиконовый ПАВ7 (раствор
модифицированного полиэфиром полидиметилсилоксана)
Средство для смачивания основы
Органический полимер8
Деаэратор
Массовая доля
20,00
53,50
8,50
11,00
3,00
1,50
1,50
0,30
0,40
100,00
Всего
Вязкость при 23°С: 1,1 Па х с.
УФ-активность (10 г/м г ): 5 м/мин, 1 УФ-облучатель (Нд) 120 Вт/см.
1
Laromer® LR 8986, форма выпуска 100% (BASF AG).
2
Laromer® LR 8967, форма выпуска 100% (BASF AG).
3
Mistron Monomix (Luzenac).
4
Syloidl62C(Grace).
5
Laromer® LR 8956 (BASF AG).
6
Irgacure® 184 (Ciba Specialty Chemicals Inc.).
7
Byk346(Byk-Chemie).
8
Tego® Airex 920, Lieferform 100% (Degussa).
Таблица 3.1.36. Рецептура шелковисто-матового, прозрачного грунтовочного и отделочного УФ-отверждаемого лака для мебели и дверей, не содержащего мономеры и наносимого распылением [146]
Компонент
Назначение
Простой полиэфир акрилат1
(низковязкий, алкоксилированный акрилаттриметилолпропана)
УФ-пленкообразователь
Тальк (гидросиликат магния)2
Улучшение адгезии и шлифуемости
и регулирование степени блеска
Массовая доля
80,00
8,00
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
161
Продолжение таблицы 3.1.36
Компонент
Назначение
3
Кремневая кислота (синтетическая и модифицированная
органикой)
Регулирование степени блеска
и вязкости
2-гидрокси-2-метил~1-фенил4
пропан-1-он
Фотоинициатор
Акрилатный сополимер5
Улучшение розлива
Всего
Массовая доля
8,00
3,6
0,40
100,00
Вязкость (при 45°С): 100 мПа х с.
Время истечения (4 мм, при 45°С): 20 с.
УФ-активность (75 г/м2): 2,5 м/мин 1 УФ-облучатель (Нд) 120 Вт/см.
Блеск(75г/м 2 ):30Е/60°.
1
Laromer® P0 33 F, форма выпуска 100%.
2
Talkum AT 1 (Norwegian Talc AS).
3
Syloid®ED80(Grace).
4
Darocur® 1173 (Ciba Specialty Chemicals Inc.).
5
Byk361 N (Byk-Chemie).
Таблица 3.1.37. Рецептура УФ-отверждаемого прозрачной грунтовки и отделочного лака
для нанесения в вакууме [145]
Компонент
Назначение
Простой полиэфир акрилат
(низковязкий)
1
Массовая доля
УФ-пленкообразователь (низкая вязкость , отличная УФ-активность)
53,50
Дипропиленгликольдиакрилат
Активный разбавитель, установление
вязкости и степени блеска
30,60
Метилбензоилформиат2
Фотоинициатор
3,00
Тальк
(гидросиликат магния)
Улучшение адгезии, шлифуемости
и регулирование степени блеска
5,50
Кремниевая кислота4(синтетическая и органически модифицированная)
Влияние на степень блеска
и вязкость
Мелкодисперсный модифицированный полиэтиленовый
воск5
Улучшение устойчивости к царапанию, гладкости и для уменьшения степени блеска
3
Всего
5,30
2,10
100,00
1
Вязкость (при 23°С, 25 с- ): 400 мПа х с.
УФ-активность (10-40 г/м2): 60 м/мин 1 УФ-облучатель (Нд) 80 Вт/см.
1
Viaktin VTE 5968, форма выпуска 100% (Cytec).
2
GenocureMBF(Rahn).
3
Talc A10 (Naintsch).
4
Acematt®0K412 (Degussa).
5
Ceraflour®950(Byk).
162 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.38. Рецептура УФ-отверждаемого белого пигментированного грунта
и отделочного покрытия для нанесения в вакууме [146]
Компонент
Назначение
Модифицированный простой
полиэфирный акрилат1
(низковязкий)
УФ-пленкообразователь(низковязкий, хорошая УФ-активность)
Дипропиленгликольдиакрилат
Активный разбавитель;
Установление рабочей вязкости
43,90
Сополимер с кислотными группами2, кислотное число 53
Смачивающая и диспергирующая
добавка
0,42
Окись титана, рутил3 (с добавлением соединений алюминия
и кремния)
Белый пигмент, окраска
Тальк4 (гидросиликат магния)
Улучшение адгезии, шлифуемости
и установление степени блеска
Кремниевая кислота5 (синтетическая и модифицированная
органическими соединениями)
Регулирование степени блеска
и вязкости
Мелкодисперсный модифицированный полиэтиленовый
воск6
Улучшение устойчивости к царапанию, гладкости поверхности и уменьшение степени блеска
Аминный синергетик7 (активный третичный амин)
Повышение УФ-активности
Бензофенон
Фотоинициатор для поверхностного
отверждения
0,44
2,4,6-триметилбензоилфосфиноксид8
Фотоинициатор для глубокого
отверждения
1,80
Бисацилфосфиноксид9
(ВАРО II)
Фотоинициатор для глубокого
отверждения
0,40
Сополимер акрилата10
Улучшение розлива
0,44
Всего
Массовая доля
17,50
21,90
4,40
2,20
2,20
4,40
100,00
Вязкость (при 23°С): 20 с.
УФ-активность (25 г/м г ): 10 м/мин 1 УФ-облучатель (Ga/Hg) 120 Вт/см степень блеска (60°—
угол измерения) при 40 r/м2 количество наносимого вещества: 10.
1
Laromer® LR 8967, форма выпуска 100%, вязкость при 23°С (DIN EN ISO 3219, градиент скорости
0:250с 1 ) = 1 2 0 - 1 9 0 м П а х с .
2
Disperbyk® 110 (Byk). 3 Kronos 2160 (Kronos). 4 Talc 10 M0 (Lucenac). 5 Acematt® OK 607 (Degussa).
6
Irgacure® 184 (Ciba Specialty Chemicals Inc.). 7 Lucerin® TPO (BASF AG). 8 Irgacure® 819 (Ciba
Specialty Chemicals Inc.). 9 Laromer® LR 8956 (BASF AG). 10 Byk 361 N (Byk-Chemie).
В таких странах, как Италия, Испания, Франция и др., обычно предпочитают
поверхности с закрытыми порами. Для этого используют сочетание вальцового и наливного методов нанесения материла (рис. 3.1.78). На стадии грунтования очень часто используют двойные вальцы, причем второй из наносящих покрытие вальцов вращается навстречу предполагаемому направлению
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 163
движения деталей (см. ч. 5.6). Такую вальцовую машину называют реверссистемой или реверс-вальцами. Таким о б р а з о м , можно реализовать одновременно нанесение большого количества материала (около 3 0 - 1 2 0 г/м 2 )
и получение гладкой поверхности. После УФ-отверждения и последующего
шлифования происходит нанесение методом облива состава, частично содержащего растворители или стирол с содержанием нелетучих веществ от
70 до 100%. При таком составе получают высоконаполненные и гладкие покрытия. Скорость передвижения изделий на вальцево-наливной линии окраски составляет 8 - 1 2 м/мин. В последние годы в результате использования желобчатых вальцев удалось получить покрытия, аналогичные о б р а з у ю щ и м с я в
результате нанесения методом облива (рис. 3.1.79).
Детали мебели, имеющие сложную или сильно закругленную форму, не могут быть окрашены с помощью УФ-вальцевания. Такие детали обрабатывают УФ-материалом с использованием автоматического распыления. Как правило, применяется процесс двухслойного или трехслойного напыления У Ф грунтовок или покрывных лаков на основе органических растворителей или
водорастворимых Л К М . Скорость линии распыления 2-6 м/мин. Время полного цикла окраски на линии распыления, представленной на рис. 3.1.80, в зависимости от параметров процесса составляет от 12 до 20 мин.
Таблица 3.1.39. Содержание органических растворителей в УФ-отверждаемых ЛКМ
для окраски древесины
Разбавляемые растворителями УФ-отверждаемые ЛКМ для окраски древесины
Метод
нанесения
Тип УФ-материала
Доля нелетучих
веществ
в рецептуре
Доля
растворителей
Лаковая система ЛКМ
УФ-грунтовка
Вальцы
100%
—
УФ-многослойный лак
90-100%
0-15%
УФ-покрывной лак
95-100%
0-5%
Пигментированная система ЛКМ
УФ-грунтовка
100%
95-100%
УФ-покрывной лак
—
0-5%
Лаковая система ЛКМ
УФ-покрывной лак
Налив
25-100%
0-75%
Пигментированная система ЛКМ
УФ-покрывной лак
30-90%
10-70%
УФ-наливной порозаполнитель
40-90%
10-60%
Лаковая система ЛКМ
Распыление
УФ-грунтовка
25-100%
0-75%
УФ-многослойный лак
25-100%
0-75%
164 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Продолжение таблицы 3.1.39
Метод
нанесения
Доля нелетучих
веществ
в рецептуре
Тип УФ-материала
Доля
растворителей
Пигментированная система ЛКМ
30-90%
10-70%
УФ-многоспойный лак
25-100%
0-75%
УФ-покрывной лак
25-100%
0-75%
УФ-грунтовка-заполнитель
Распыление
Лаковая система ЛКМ
Вакуумирование
УФ-грунтовка
95-100%
0-5%
УФ-многослойный лак
95-100%
0-5%
УФ-покрывной лак
95-100%
0-5%
Пигментированная система ЛКМ
УФ-многослойный лак
90-100%
0-10%
УФ-покрывной лак
95-100%
0-5%
1
26
25
2 3 4 5
24
23
22
6
7
21 ~20
1. Укладка
2. Шлифовальная машина
3. Обеспыливание
4. Контрольный участок
5. Простые твердые резиновые вальцы, водорастворимые бейцы
10-15 г/мг
6. Простые пористые вальцы (на выбор)
7. Участок разравнивания с 3 щетками (на выбор)
8. Форсуночная сушка с температурой 60-70°С для сушки
водорастворимых бейцев
9. Простые твердые гладкие вальцы, УФ-грунтовка, прозрачная, 12-15 г/мг
10. УФ канал с 2 ртутными лампами высокого давления,
мощностью 80W/CM для гелирования УФ-грунтовки
11. Простые твердые резиновые вальцы, УФ-грунтовка, прозрачная
10-12 г/м2
12. УФ-канал с 3 ртутными лампами высокого давления,
мощностью 80 Вт/см
13. Транспортер
14. Шлифовальная машина для шлифовки лака
10 11
19
18
12
13
17
15.Обеспыливание
16. Простые твердые резиновые вальцы, УФ-грунтовка, прозрачная
10-12 г/мг
17. УФ-канал с 2 ртутными лампами высокого давления,
мощностью 80 Вт/см для гелирования УФ-грунтовки
18. Простые твердые резиновые вальцы, УФ-грунтовка, прозрачная
г
10-12 г/м
19. УФ-канал с 3 ртутными лампами высокого давления,
мощностью 80 Вт/см
20. Шлифовальная машина для шлифовки покрытия
21. Штабелирование
22. Простые твердые резиновые вальцы, УФ-грунтовка,
прозрачная 4-5 г/м'
23. УФ-канал с 2 ртутными лампами высокого давления,
мощностью 80 Вт/см для гелирования
24. Простые твердые резиновые вальцы, прозрачный
г
УФ-покрывной лак 4-5 г/м
25. УФ-канал для отверждения, 3 ртутные лампы, мощностью 80 Вт/см
26. Снятие готовых деталей
Рис. 3.1.76. Вальцевая линия 1 для нанесения УФ-покрытий на фанерованные и обработанные бейцем детали мебели
Пигментированные УФ покрытия
Нанесение пигментированных материалов в Южной Европе сегодня производится на комбинированных валыдево-наливных линиях с использовани-
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
165
«и»
10
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Укладка
Шлифовальная машина
Обеспыливание
Простые твердые резиновые вальцы, водорастворимые
бейцы 10-15 г/мг
Простые пористые вальцы для темной и интенсивной
окраски бейцем
Участок разравнивания с 3 щетками
Форсуночная сушка с температурой 6О~7О°С для сушки
бейца
Простые твердые резиновые вальцы, прозрачная
УФ-грунтовка, 12-15 г/мг
УФ-канал с 2 ртутными лампами высокого давления,
мощностью 80 Вт/см для гелирования УФ-грунтовки
12 13
10. Легкая шпатлевочная машина с гладкими вальцами,
УФ-грунтовка 20-25 г/мг
11. УФ-канал с 3 ртутными лампами высокого давления,
мощностью 80 Вт/см
12. Шлифовальная машина для шлифовки лака
13. Обеспыливание
14. Простые твердые резиновые вальцы, УФ-покрывной лак,
4-5 г/мг
15. УФ-канал с 2 ртутными лампами высокого давления,
мощностью 80 Вт/см для гелирования УФ-покрывного лака
16. Простые твердые резиновые вальцы, УФ-прозрачный
покрывной лак, 4-5 г/м2
17. УФ-канал с 3 ртутными лампами, мощностью 80 Вт/см
18. Снятие готовых изделий
Рис. 3.1.77. Вальцевая линия 2 для нанесения УФ-покрытий на фанерованные
и обработанные бейцем детали мебели
ем Dual-Cure-технологии (двойного механизма отверждения) (рис. 3.1.81).
На первой стадии МДФ-плиты грунтуют на двойных реверсных вальцах и блокируют. После шлифования и обеспыливания на вальцах наносится содержащая перекиси грунтовка (активный грунт). Вслед за этим наливом наносят пигментированный УФ-отверждаемый состав. При контакте содержащего перекиси грунта с УФ-материалом, в который предварительно добавлены ускорители (соли кобальта), под влиянием нагрева начинается цепная реакция радикальной полимеризации. После фазы испарения (3-4 мин при 20-25°С) и
предгелирования (около 3 мин при 30-40°С) пигментированный УФ-материал
отверждается под воздействием излучения большого числа ламп низкого давления типа «Philips TL 05» или «TL 03» в течение нескольких секунд [149, 150].
Такие линии работают со скоростью 6-10 м/мин. Чаще всего так наносят белые пигментированные составы. Уже несколько лет современные установки
работают с высокопигментированными УФ-грунтовками и УФ-красками, наносимыми вальцами. Существующие в Европе УФ-линии окраски пигментированными УФ-материалами МДФ- и стружечных плит и сотовых конструкций
работают со скоростью 25-40 м/мин (рис. 3.1.82). При этом они более экономичны, по сравнению с вальцево-наливными линиями, при получении того же качества поверхности покрытий. Чтобы можно было получить качество
поверхности, сравнимое с поверхностью, образующейся при наливе, пигментированный УФ-материал наносят желобчатыми резиновыми вальцами (твердость по Шору — 25-30 и 80 бороздами на дюйм) в количестве 25 г/м 2 .
Для изменения степени блеска непосредственно в процессеУФ-отверждения
используют регулируемые по высоте ртутные лампы высокого давления, дотированные галлием.
Процесс вальцевания в сочетании с непрямой глубокой печатью
для ламинатных полов и деталей мебели
Применение стружечных, твердоволокнистых и МДФ-материалов в производстве полов и мебели сильно возрастает из-за экономической оптимизации
и краткости процесса.
166 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Общее количество наносимого вещества -230 г/м
5
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
6
Укладка
Шлифовальная машина
Обеспыливание
Простые твердые резиновые вальцы. УФ-прозрачная
грунтовка 20-35 г/м2
УФ-канал с 1 ртутной лампой высокого давления,
мощностью 80 Вт/см для гелирования УФ-грунтовки
Двойные твердые резиновые вальцы (реверс-система),
УФ-грунтовка 60 г/м2
УФ-канал с 3 ртутными лампами высокого давления,
мощностью 80 Вт/см
Шлифовальная машина для шлифовки лака
7
8
9
10
9. Обеспыливание
10. Наливная машина, прозрачный наливной УФ-лак
120-140 г/мг
11. Транспортер
12. Конвекционная сушка 25°С, небольшая циркуляция
воздуха
13. Сушка, оборудованная УФ-лампами низкого давления
типа TL05/TL03 для глубокого отверждения лакового
слоя
14. УФ-канал для отверждения с 3 ртутными лампами
высокого давления, мощностью 80 Вт/см
15. Снятие готовых изделий
Рис. 3.1.78. Вальцево-наливная линия для УФ-окраски фанерованных деталей мебели
в Южной Европе
Скорость подачи 15-20 м/мин
Общее количество наносимого вещества — 45 г/мг
10
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Укладка
Шлифовальная машина
Обеспыливание
Простые твердые резиновые вальцы. Нанесение бейца
15 г/м2
Форсуночная сушка
Простые твердые резиновые вальцы УФ-прозрачная
2
грунтовка 10 г/м
УФ-канал с 2 ртутными лампами высокого давления,
мощностью 80 Вт/см для гелирования УФ-грунтовки
2
Простые твердые резиновые вальцы, УФ-грунтовка 10 г/м
11
12
13
14
15
9. УФ-канал с 4 ртутными лампами высокого давления,
мощностью 80 Вт/см для отверждения грунтовки
10. Шлифовальная машина для шлифовки лака
11. Обеспыливание
12. Простые твердые резиновые вальца для покрывного
лака 25, г/м2 «мокрое по мокрому», с п. 13
13. Простые желобчатые резиновые вальца, 80 желобков,
твердость 30 По Шору
14. УФ-канал с 4 ртутными лампами высокого давления,
мощностью 80 Вт/см для отверждения покрывного лака
15. Снятие готовых изделий
Рис. 3.1.79. Вальцевая линия с узлом желобчатых вальцев для окраски фанерованных
древесных поверхностей из клена, бука, вишни и ореха
В изготовлении мебели печатание, как непрямая печать на древесном материале достаточно известный процесс. В 1960-е гг. печатание на древесных
материалах в мебельной промышленности применялось для отделки задних
стенок мебели, внутренней отделки шкафов и мебельных поверхностей. Пионером является фирма RAUCH, которая в 1972 г. применила печать на поверхностях мебели для спален [151]. В середине 1970-х гг. печать на древесных
материалах была вытеснена сильно возросшим использованием декоративной бумаги с глубокой печатью [152].
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 167
Блок высокого давления для беспылевой окраски
4 ° . Ш\ \
1.
2.
3.
4.
В.
6.
7.
8.
12
9. Щеточный агрегат (2 щетки расположены наклонно)
10. Шлифовальная машина для шлифовки покрытия
(ленты с зерном 320-400)
11. Обеспыливание
12. Поперечный распылительный автомат с 4 распылителями, УФ-прозрачная покрывной лак 100-120 г/мг
13. Воздушно-циркуляционная сушка, ЗО~35°С, скорость
воздуха 5 м/с
14. Форсуночная сушка 45-50°С, скорость воздуха
20 м/с
15. УФ-канал с 2 ртутными лампами высокого давления,
мощностью 80 Вт/см для отверждения грунтовки
(лампы расположены по диагонали)
16. Снятие готовых изделий
Укладка деталей
Шлифовальная машина
Обеспыливание
Поперечный распылительный автомат с 4
распылителями, УФ-прозрачная грунтовка 90 г/мг
Воздушно-циркуляционная сушка, 30-35°С,
скорость воздуха 5 м/с
Конвекционная сушка 45-50°С, скорость воздуха
20 м/с
Форсуночная сушка 45-50°С, скорость воздуха
20 м/с
УФ-канал с 2 ртутными лампами высокого давления,
мощностью 80 Вт/см для отверждения грунтовки
(лампы расположены по диагонали)
Рис. 3.1.80. Линия распыления для окраски мебели, например, элементов внутренней
отделки кораблей
1
2
3
J /I I I
I
-да,
Блок высокого давления для беспылевой окраски
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
15
14
13
Укладка
Шлифовальная машина
Обеспыливание
Двойные твердые резиновые вальцы (реверс-система),
УФ-грунтовка 60-70 г/м2
УФ-канал с 3 ртутными лампами высокого давления,
мощностью 80 Вт/см
Шлифовальная машина для шлифовки лака
Обеспыливание
Простые вальцы для нанесения содержащей перекиси
грунтовки («активная грунтовка»), 10-15 г/мг
Инфрокрасная сушка
12
10. Наливная машина, прозрачный наливной
УФ-лак 120-140 г/мг
11. Транспортер
12. Циркуляционная сушка 25°С, небольшая циркуляция
воздуха
13. Сушка, оборудованная УФ-лампами низкого давления
типа TL05/TL03 для глубокого отверждения лакового
слоя
14. УФ-канал для отверждения с 3 дотированными
галлием лампами высокого давления и 3 ртутными
лампами, мощностью 80 Вт/см
15. Снятие готовых изделий
Рис. 3.1.81. Вальцево-наливная линия окраски деталей мебели пигментированным
УФ-материалом в Южной Европе
Печать рисунка непосредственно на деревянной поверхности, а не на бумаге
дала вводящее в заблуждение название [153]. В профессиональном языке говорят о прямой печати на древесном материале, когда имеют в виду процесс
непрямой (косвенной) глубокой печати. При непрямой глубокой печати печатная краска переносится с гравированного вальца на валец из твердой рези-
168 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Общее количество наносимого вещества 100-120 г/м2
5
6
7
8
9
10
11
Скорость движения изделии 25-40 м/мин
22
21
1. Укладка деталей
2. Шлифовальная машина для
шлифовки древесины
(шлифовальные ленты с размером
зерна 120-240 ер)
3. Щеточное устройство
(2 диагональные щетки)
4. Обеспыливание
5. Легкая шпатлевочная машина
с гладкими вальцами,
УФ-грунтовка 30 г/мг
6. УФ-канал с 2 ртутными лампами
высокого давления, мощностью
120 Вт/см для гелирования
грунтовки
7. Легка шпатлевочная машина
с гладкими вальцами,
УФ-грунтовка 20 г/м
8. УФ-канал с 4 ртутными лампами
высокого давления,
19
18 17
16
мощностью 120 Вт/см
9. Щеточное устройство
(2 диагональные щетки)
10. Шлифовальная машина для
шлифовки покрытия (шлифовальные ленты с размером зерна
280 ер)
11.Обеспыливание
12.Транспортер
13. Простые гладкие твердые
резиновые вальцы УФ-грунтовка,
белая пигментированная,
12-15 г/м2
14. УФ-канал для отверждения
с 1 дотированной галлием лампой
высокого давления и 1 ртутной
лампой, мощностью 120 Вт/см,
для гелирования
15. Простые гладкие твердые
резиновые вальцы УФ-грунтовка,
14
белая пигментированная, 12-15 г/м 2
16. УФ-канал, аналогичен № 4
17. Простые вальцы УФ-грунтовка,
белая пигментированная, 12-15 г/м2
18. УФ-канал, аналогичен № 14 и № 16
19. Простые желобчатые резиновые
вальца, 80 желобков на дюйм,
твердость 25-30 по Шору
20. УФ-канал для отверждения
с 1 дотированной галлием лампой
высокого давления и 1 простой
ртутной лампой мощностью
120 Вт/см
21. УФ-канал для отверждения
с 2 дотированными галлием
лампами высокого давления
и 2 простыми ртутными лампами,
мощностью 120 Вт/см,
22. Штабелирование изделий
Рис. 3.1.82. Вальцевая линия окраски деталей мебели УФ-пигментированными составами
ны, чтобы выровнять неровности, а также допуски при последующей печати на
древесном материале. На гравированном вальце находится ракельный нож,
который снимает избыточную печатную краску перед переносом на резиновый валец [154, 155].
Печатная краска остается, таким образом, только в углубленных ячейках гравированного вальца и переносит декоративную структуру на резиновый валец. При этом находящаяся в ячейках печатная краска переносится на валец в
форме точек. По техническим причинам печатный рисунок должен состоять из
множества маленьких ячеек, с тем чтобы скребок на перемычке имел равномерную поверхность прилегания. В противном случае ракель будет вытаскивать краску из ячеек, если они будут слишком большими.
При соответствующем давлении прижима резиновый валец в контакте с поверхностью древесного материала переносит декоративный рисунок на изделие. Применяемые печатные цилиндры состоят обычно из никелированного
стального сердечника с гравированным медным слоем, который защищен от
механических повреждений тонким хромовым покрытием. Вместо традиционной электромеханической гравировки в наше время все чаще используется
лазерная гравировка (прямая лазерная система). Лазерная гравировка может
сделать декор более выразительным [157].
В последние годы выдающиеся успехи в электронном управлении печатными машинами для непрямой глубокой печати на древесных материалах открыли новые возможности в изготовлении высококачественных мебельных фронтонов и ламинатных полов [153, 159]. Применяемые сегодня печатные маши-
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 169
ны с рабочей шириной 1300-2400 мм с помощью электронного управления
могут быть точно синхронизированы друг с другом, так что получаемый отпечаток по своим оптическим и эстетическим свойствам вполне соответствует
требованиям к мебельным фронтонам (рис. 3.1.83). Поданным производителей печатных машин нового поколения, разность хода трех или четырех соединенных друг с другом печатных агрегатов составляет ±0,5 мм [153]. При замене гравированных валыдев (изменении декора) происходит автоматическая
юстировка агрегатов. Гравированные вальцы имеют диаметр 310-650 мм. Печатные машины нового поколения легко моются и замена валыдев конструктивно упрощена. Обычно замена гравированных валыдев происходит без применения дополнительных устройств и занимает при оптимизации процесса
20-30 мин для двух агрегатов. При использовании специальных устройств,
замена может быть произведена за 10 минут [160]. Обычные гравированные
вальцы, резиновые наносящие вальцы и транспортер оснащены каждый своим бесступенчатым регулируемым приводом. Каждый печатный агрегат имеет непрерывную ленту-транспортер (ленточный транспортер без сочленений).
Ракель на гравированном цилиндре при необходимости пневматически прижимается и отпускается. С помощью самоцентрирующегося ленточного регулятора устраняются неточности при подаче деталей (рис. 3.1.84).
Для имитации деревянных поверхностей существуют годами проверенные
технологии отделки, например, пропитанные бумажные и ПВХ-пленки с обычной толщиной около 0,15-0,25 мм. При окраске методом непрямой глубокой
печати общая толщина слоя покрытия оказывается примерно 0,05-0,12 мм
[64]. Непрямая глубокая печать непосредственно конкурируете декоративной
печатью на бумажных пленках. Производители декоративных пленок, которые
до сих пор спокойно относились к непрямой глубокой печати, встрепенулись
и внимательно наблюдают за активизацией этого сегмента рынка [162]. Насколько оправдано беспокойство производителей пленок и декоративной печати покажет дальнейшее развитие рынка.
На практике различают однотонную и многокрасочную печать. Печать в одну
краску используется, как правило, для боковых стенок шкафов и простых панелей. Двух- и трехцветная печать применяется при отделке высококачественных мебельных деталей и ламината.
Непрямую глубокую печать используют также для имитации высокосортной
фанерованной поверхности на экономически более привлекательной фанере.
В основном печатают на фанере из клена, березы, бука, лимбы или промышленно изготовленной фанеры ALPI итальянской фирмы «ALPI SpA». Важным
процессом подготовки поверхности субстрата для получения оптимального и
четкого отпечатка является выравнивание. Кроме того, необходимо постоянно
контролировать состояние наносящего резинового вальца, так как в результате набухания или истирания его диаметр может измениться [153]. Твердость
резиновой поверхности вальца нужно проверять с помощью прибора Шора с
установленной периодичностью, так как это влияет на качество печатного рисунка и количество наносимой краски. Печать на древесных материалах в последнее время становится все интереснее потому, что современная техника
допускает на так называемых горизонтальных линиях передвижение деталей
со скоростью 80-120 м/мин для одно- и двухцветной печати и 60-70 м/мин
для трех- и четырехцветной [160, 163]. В качестве печатных красок используют
водорастворимые или УФ-отверждаемые системы с более чем 95%-ным со-
170 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
держанием нелетучих веществ. Преимущества и недостатки этих систем
представлены на рис. 3.1.85. В целом преобладают технические и экономические преимущества водорастворимых печатных красок по сравнению с УФ-отверждаемыми. Экономические преимущества при расчете
на квадратный метр составляют около 50-60% [164].
Процесс печати для ламинатных
и фанерованных материалов
(IPL-ламинат непрямой печати)
Ламинат непрямой печати появился в 1997 г. [164]. Применявшиеся
тогда УФ-отверждаемые системы
еще не соответствовали механикоРис. 3.1.83. Печатный цилиндр и образец
технологическим требованиям к подревесного декора
верхности ламинатного материала.
Качество печати того времени было
Ракель
Печатный циеще не развито.
линдр (гравироТехника непрямой глубокой печаванный валец)
Резиновый, наносящий рисути
и развитие УФ-отверждаемых сиНаправление двинок валец
стем для ламинатных и фанерованжения детали
.Субстрат
ных материалов на основе твердоПротивостоя/fi£\
волокнистых плит достигли в 2003щий валец —( - j - j
2004 гг. нового уровня, который еще
совсем недавно считался невозможным [153].
Рис. 3.1.84. Схема печатной машины
Общее производство ламинатных
и фанерованных материалов с использованием непрямой печати достигло (по данным EPLF союза) в 2004 г.
20 млн. м 2 . Это составляет приблизительно 3% от общего количества продукции в 690 млн. м 2 . Из этого количества 63% произведено в Европе, 19% — в
Азии и 8% — в Америке [161]. В 2005 г. Европейский союз производителей ламинатных полов (EPLF) признал за ламинатным материалом непрямой печати
название ламинатныи половой материал и дал разрешение на его использование в торговле [160]. Ламинатное покрытие получают многослойным нанесением на вальцах новых разработанных УФ-систем со 100%-ным содержанием
нелетучих веществ. Это означает, что приблизительно 100% сырого нанесенного материала остается в отвержденной пленке покрытия.
Для дальнейшей оптимизации стоимости квадратного метра изделия,
в процессе грунтования и обычно как основу печатного грунта применяют пигментированные водорастворимые системы, наносимые вальцами. Применение водорастворимых систем как основы для грунтовой печати, по сравнению
с УФ-отверждаемыми материалами (со 100%-ным содержанием нелетучих веществ), имеет то преимущество, что после нанесения печатной краски рисунок
выглядит более четким. В качестве основного древесного материала для производства ламината используют твердоволокнистые плиты (HDF). Многослой-
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 171
i
i
водорастворимые
печатные краски
/
/
Преимущества
• Хорошее растекание
• Очень хорошее
качество оттиска
• Отсутствие
маркировки
• Разнообразие
выбора цветов
• Хорошее соотношение цены и мощности
• Мытье агрегатов
водопроводной
водой
[УФ огверждаемые
|печа1ные краски
\
\
Недостатки
• Необходим подогрев
поверхности
ИК-излучением
• Необходим регулярный
контроль вязкости
Преимущества
• Стабильная
работа печатной
машинки
• Высокая скорость
процесса на
небольшой
площади
\
Недостатки
• Обязательная маркировка
перед оберткой
• Соблюдение мер
безопасности при
манипулировании
УФ печатными красками
• Мытье машин органическими растворителями
• Ограниченный выбор
цветовых оттенков
• Высокая стоимость
продукта
Рис. 3.1.85. Преимущества и недостатки водорастворимых и УФ-отверждаемых печатных
красок
ное вальцевание проводят сначала порозаполняющим грунтом (приблизительно 10 г/м2), затем — обратная окраска (20 г/м2), затем — водорастворимая
основная печатная грунтовка соответствующего тона (40 г/м 2 ), затем — специальный УФ-грунтовочный состав, содержащий корунд (90 г/м 2 ), для достижения устойчивости к истиранию класса АС 3 по EN 13329, затем — основной УФматериал (40 г/м2) и, наконец, покрытие специальным УФ-покрывным лаком
(10 г/м2) [64]. Общее количество наносимого вещества в зависимости отспецификитребований составляет 120-200 г/м 2 . Скорость продвижения продукции на
линии окраски в зависимости от количества печатных машин может быть от40 до
120 м/мин. Максимальная ширина обработки в настоящее время 2,45 м. При
ширине обработки — 2,45 м и средней емкости загрузки около 75% производительность линии окраски равна 13 200 м2/ч. В зависимости от требований
к ламинатным материалам (EN 13329) определенная степень устойчивости к
истиранию (S 42 бумага) достигается нанесением специальной УФ-грунтовки
в количестве 30-90 г/м 2 . Эта грунтовка содержит большую долю (до 23%) корунда (AI2O3), который внедряют в рецептуру с большим сдвиговым усилием в
результате специфического химического процесса [161]. Закрепленные в матрице пленкообразующего частицы корунда существенно повышают устойчивость к истиранию по сравнению с несвязанными частицами. УФ-покрывной
лак, также как и современные УФ-покрывные лаки для классической обработки паркета, содержит наномодификатор на базе окиси кремния для повышения устойчивости к царапанию и истиранию [161]. Модификация, по сравнению с содержащими корунд материалами, имеет то преимущество, что позволяет лучше восстанавливать покрытие путем подшлифовки. В кругу специалистов и в специальной литературе говорится о привлекательности окрашенных полов (ламинат непрямой печати) и сходстве звука при ходьбе по ним со
звуком от поверхности дерева по сравнению с простым ламинатом [159, 165].
В табл. 3.1.40 приводится сравнение некоторых свойств половых материалов
на основе HDF-плит (DPL-, IPL- и фанерованный материалы) [161]. На основании этих данных можно сделать вывод о том, что технические свойства ламината непрямой печати (IPL) абсолютно сравнимы со свойствами традиционного ламината (DPL).
172 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.40. Некоторые свойства материалов для пола на базе HDF-плит
Класс по качеству
(EN685)
DPL-пол (Ламинат
прямой печати)
IPL-пол (Ламинат
непрямой печати)
Фанерная основа
31
31
31
Испытание на удар
8-10 N 1С 1
(EN438-2.il)
8-10 N 1С 1
(EN438-2.il)
> 1200 mm EC 2
(EN 14354 Annex С)
Устойчивость
к истиранию
IP > 2500 оборотов
АСЗ (EN 13329)
IP > 2500 оборотов
АС 3 (EN 13329)
IP > 5000 оборотов
WR2(EN 14354
Annex D)
Устойчивость
к царапанию
EN 438-2.14
> 2,5 N
>2,5N
k. A.
Оптическое
копирование
+
+
+++
Привлекательность
+
+++
+++
Износ инструмента
высокий
высокий
небольшой
++
+++
+
Продуктивность
производства
Процесс непрямой печати в производстве мебели
В последние годы в мебельной промышленности был заново открыт и стал бурно развиваться метод непрямой глубокой печати. Производители качественной
массовой мебели, например фирма «ИКЕЯ», уже несколько лет поручают своим предприятиям-смежникам обрабатывать видимые поверхности, такие как
стенки стеллажей, вставные полки, детали мебели для спальни и даже фронтоны, методом непрямой глубокой печати. Технические требования и наносимые количества материала, в отличие от требований к ламинатным материалам
для пола, существенно скромнее. В первую очередь используют стружечные и
MDF-плиты, и в настоящее время в возрастающем количестве сотовые плиты
(«рама в обложке») с HDF-верхним слоем. Для претенциозных мебельных фронтонов существует два метода печати на древесных материалах. Первым таким
методом, проверенным годами, является метод, сочетающий пигментированные водорастворимые вальцевые материалы с УФ-отверждаемыми пигментированными и прозрачными вальцевыми составами со 100%-ным содержанием твердых веществ. Сочетание водорастворимых и УФ-составов приводит,
как правило, к снижению стоимости квадратного метра изделия. Лимитирующим фактором при использовании водорастворимых материалов является процесс сушки. Этот приводит к тому, что окрасочные линии, движущиеся со скоростью больше 40 м/мин, приходится планировать очень длинными, для того
чтобы гарантировать высыхание водорастворимых составов. Чтобы сократить
время сушки, а также уменьшить подъем ворса у древесного материала многие
окрасочные линии работают с предварительным подогревом субстрата с помощью нескольких инфракрасных ламп. В результате предварительного нагрева
субстрат приобретает температуру от 40 до 60°С. При нанесении материала на
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 173
предварительно подогретые плиты для сушки требуется уже небольшое время. Опытным путем было установлено, что время сушки можно сократить на 2030%. Как правило, последняя треть зоны форсуночной сушки оборудуется также инфракрасными лампами. На рисунке 3.1.86 представлена схема установки
для печати на стружечных плитах в комбинированном варианте (водорастворимые/УФ-материалы). Установка работает со скоростью передвижения изделий
35-45 м/мин. Печатная краска наносится на загрунтованную водорастворимым
пигментированным материалом поверхность.
Второй относительно новый метод работает только с использованием
УФ-отверждаемых материалов (со 100%-ным содержанием нелетучих веществ). Основным преимуществом чистого УФ-процесса является укороченная линия окраски, так как в этом случае можно сэкономить на форсуночной
сушке, необходимой для водорастворимых систем. Несмотря на компактное
устройство агрегата, при использовании УФ-отверждаемых систем можно реализовать высокую скорость продвижения изделий — более 50 м/мин. На рис.
3.7.57представлена типичная схема установки для окраски нового типа материалов - сотовых плит на HDF-базе («рама в обложке»27). Очень важно оптимальное согласование применяемых печатных красок и УФ-отверждаемых
грунтов для получения чистого и четкого рисунка. В результате применения
специальных печатных красок в сочетании с соответствующим покрывным
УФ-лаком удается получать даже пористую структуру поверхности («химические поры»). В этом случае специалисты говорят о синхропорах или универсальных порах. Общее количество наносимого на подложку материала составляет в зависимости от требований от 80 до 100 г/м 2 . Используемые материалы
и процесс соответствуют химическим и механико-технологическим требованиям фирмы «ИКЕЯ» в соответствии с IOS-MAT0066 R2 и R4.
Чтобы получить оптимальный рисунок и стабильное качество покрытия на
стружечных и сотовых плитах, необходимо:
. установить возможно более низкую температуру поверхности субстрата
во время окраски, чтобы уменьшить разницу в «рамочном узоре», степень
блеска между отдельными сотовыми плитами и количество отходов;
. контролировать установку ракельного ножа, чтобы уменьшить рябь при
нанесении печатных красок. К возникновению ряби и полос може привести также недостаточное подсушивание между первым и вторым нанесением краски;
• резиновые вальцы не должны быть слишком твердыми, особенно при
окраске сотовых плит;
. давление прижима вальцев к поверхности изделия должно быть для стружечных плит 0,4-0,8 мм, а для рамочных конструкций — 0,8-1,2 мм;
• чем более ровной и гладкой будет поверхность субстрата для нанесения
печатной краски, тем точнее будет последующая установка цвета и выше
качество рисунка;
. поверхностная плотность плиты имеет решающее значение для хорошего результата при печати на стружечных плитах. Обусловленное особен27
Под названием «рама в обложке» имеют в виду так называемые сотовые плиты. Они относятся к облегченным строительным материалам. Облегченные строительные материалы — это изотропные или анизотропные материалы, объемная плотность которых меньше, чем объемная плотность исходного сырья или это упрочненные в одном или двух измерениях материалы, повышение
прочности которых достигается без увеличения объемной плотности [166].
174 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
1.
2.
3.
4.
5.
Укладка изделий
Шлифование
Обеспыливание
Контрольный участок
Тяжелая шпатлевочная машина,
50-70 г/м г , водорастворимая
пигментированная шпатлевка
6. Транспортер
7. Форсуночная сушка 70-100°С,
скорость потока 20 м/с
8. ИК-лампы (4 штуки)
9. Транспортер
10. Тяжелая шпатлевочная машина,
20-30 г/мг,прозрачная
УФ шпатлевка
11. Транспортер
12. УФ-канал для отверждения
(2 ртутные лампы 80-120 Бт/см)
13. Транспортер
14. Шлифовальная машина
15. Обеспыливание
16. Транспортер
17. Простые вальцы, 10-12 г/м г ,
пигментированный растворимый
грунт для печати
18. Транспортер
19. Форсуночная сушка 70-100°С,
скорость потока 20 м/с
20. ИК лампы (4 штуки)
21. Простые вальцы, 10-12 г/м ? ,
пигментированный растворимый
грунт для печати
22. Форсуночная сушка 70-100°С,
скорость потока 20 м/с
23. ИК лампы (4 штуки)
24. Печатная машина, 3 г/мг
печатной краски
25. ИК лампы (4 штуки)
26. Печатная машина, 3 г/мг
печатной краски
27. Транспортер
28. Простые вальцы, УФ-покрывной
лак, прозрачный 5 г/мг
29. УФ-канал (гелирование),
1 дотированная галлием и
1 ртутная лампы, 80-120 Вт/см
30. Простые вальцы, УФ-покрывной
лак, прозрачный 5 г/мг
31. УФ-канал (отверждение),
2 дотированных галлием
и 1 ртутная лампы, 80-120 Вт/см
32. Штабелирование
Рис. 3.1.86. Пример установки при комбинированном варианте печати
(водорастворимый/УФ-материал) на ДСП
ностью процесса получения, качественное различие между передней и
задней поверхностями плиты может стать заметно при окраске. Это могут быть, например, такие дефекты поверхности, как последовательность
наколов. Нужно помечать сторону А («хорошую» сторону). Если этого не
сделать, то при использовании водных составов можно обнаружить сильное набухание древесного материала. Во многих случаях выходом из такого положения может быть нагрев плит инфракрасным излучением.
Окраска прутов, брусков, панелей, профилей, кантов и ребер с использованием вакуумирования
Использование вакуумных установок для окраски прутов, брусков, панелей,
профилей, кантов и ребер вместо традиционных методов нанесения распылением, наливом или на вальцах приобрело в последние годы большое значение
[167-170]. Такие установки будут детально описаны в части 5.7.
УФ-системы для использования на вакуумных установках
Для окраски древесины и древесных материалов применяют концентрированные, безопасные для окружающей среды УФ-системы. Как правило, УФматериалы содержат до 100% нелетучих веществ. По сравнению с нитроцеллюлозными и 2К-ПУР составами, УФ-вакуумные материалы имеют следующие
преимущества:
• высокую скорость продвижения изделий при окраске (20-200 м/мин);
• короткое время высыхания и отверждения;
. небольшое количество наносимого вещества;
. высокая степень использования материала (окраска без потерь);
• очень хорошие химические и механико-технологические свойства.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 175
12
1.
2.
3.
4.
5.
Укладка деталей
Шлифовальная машина
Обеспыливание
Контрольный участок
Легкая шпатлевочная машина,
20-25 г/мг, прозрачная УФ-грунтовка
6. Транспортер
7. УФ-канал для гелирования
(2 ртутные лампы, 80-120 Вт/см)
8. Трнспортер
9. Легкая шпатлевочная машина,
20-25 г/мг, прозрачная УФ-грунтовка
10. Транспортер
11. УФ-канал для отверждения
(4 ртутные лампы высокого давления,
80-120 Вт/см)
12. Транспортер
13. Шлифовальная машина
14. Обеспыливание
39
38
13
14 16 16 17
18 19 20 21 22 23
37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25
15. Транспортер
16. Простые вальцы, 10-12 г/м?,
пигментированная УФ-грунтовка
17. Транспортер
18. УФ-канал (гелирование/отверждение),
2 дотированных галлием ртутных лампы,
80-120 Вт/см
19. Транспортер
20. Простые вальцы, 10-12 г/м г ,
пигментированная УФ-грунтовка
21. Транспортер
22. УФ-канал (гелирование/отверждение),
2 дотированных галлием ртутных лампы,
80-120 Вт/см
23. Транспортер
24. Транспортер
25. Транспортер
26. Печатная машинка,
3 г/м' печатной краски
27. Транспортер
28. Печатная машинка, 3 г/м? печатной краски
29. Транспортер
30. Печатная машинка, 3 r/м2 печатной краски
31. Транспортер
32. Простые твердые резиновые вальцы,
УФ-локрывной лак, прозрачный 5 г/мг
33. Транспортер
34. УФ-канал (гелирование/отверждение)
1 дотированная галлием лампа
и 1 ртутная лампа
35. Транспортер
36. Простые твердые резиновые вальцы,
УФ-покрывной лак, прозрачный 5 г/м'
37. Транспортер
38. УФ-канал (отверждение)
2 дотированных галлием лампы
и 2 ртутных лампы, 80-120 Вт/см
39. Транспортер/штабелирование
Рис. 3.1.87. Пример установки для процесса печати с использованием УФ-отверждаемых
систем
Для вакуумной окраски используют в основном однослойные или двухслойные УФ-системы. Схематическое устройство окрасочной линии с использованием вакуумирования представлено на рис. 3.1.88 [171].
Однослойные УФ-системы
Вакуумные УФ-материалы используются как для грунтовки, так и в качестве покрывных лаков. Преимущество заключается в том, что при вакуумировании можно провести полную окраску без замены материала. Свойства УФгрунтовки и покрывного лака можно объединить в одной системе.
Двухслойные УФ-системы
В двухслойном процессе сначала наносят специальную УФ-грунтовку. После
отверждения и шлифовки наносится УФ-покрывной лак с желаемой степенью
блеска. Преимуществами в данном случае, по сравнению с однослойным покрытием, являются лучшая шлифуемость грунта и гладкость поверхности после нанесения покрывного лака. Скорость продвижения изделий в зависимости от геометрии деталей и оборудования канала УФ-отверждения составляет
25-50 м/мин. Количество наносимого вещества 10-40 г/м 2 . Обычно давление
может быть 100-280 мбар. Расположение УФ-ламп выбирается таким, чтобы
обеспечить оптимальное отверждение покрытий. При скорости 30-40 м/мин
необходима установка 4-5 УФ-ламп. Для прозрачных или слегка лессирующих красок применяют бесступенчатые регулируемые ртутные лампы высокого давления (мощностью 60/80/100/120 Вт/см) с длиной волны 280-360 нм.
Для отверждения темных лессирующих красок и пигментированных материалов применяют, кроме ртутных ламп высокого давления, лампы, дотированные галлием, с длиной волны 410-420 нм и мощностью 80-120 Вт/см. Принципиально вопрос лампового оборудования (например, продольное или попе-
176 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Вакуумная установка
УФ/ИК сушка
Укладка субстрата
Ускорение
УФ-отверждение
Направление движения
Снятие субстрата
Рис. 3.1.88. Схема линии окраски с использованием вакуумирования
речное расположение) решается производителем агрегатов и потребителем в
зависимости от геометрии субстратов. Новые разработки в машиностроении
и производстве ЛКМ позволяют сегодня обрабатывать субстраты с рабочей
шириной поверхности до 500 мм. В таблицах3.1.41, 3.1.42\л 3.7.45приведены
примеры одно- и двухслойных процессов окраски.
Промышленная окраска паркета УФ-составами на вальцах
Паркет — покрытие для пола из древесины для внутренних помещений. Он
по-прежнему является самым любимым, исключительным и самым благоприятным для окружающей среды покрытием с непрерывным темпом роста производства. Обширные экологические исследования (экологический баланс28),
проведенные согласно ISO29 14040-14043 в 2002 г. показали, что воздействие деревянных полов на окружающую среду очень незначительно и что даже в процессе производства и эксплуатации они действуют в соответствии со
стремлением человека к домашней обстановке [172].
Общее производстводеревянного паркета странами-членами РЕР(Европейской
федерации производителей паркета) вместе с Чехией, Венгрией, Польшей и Румынией, за исключением Великобритании и Португалии, составило в 2005 г. около
96 млн. м2 (см. рис. 3.1.89).
Существуют однослойные и многослойные полы (устаревшее немецкое название — готовый паркет), при промышленной обработке которых используют главным образом УФ-отверждаемые лакокрасочные системы. Доминирующим видом паркета является многослойный паркет, доля которого равна 78% (см. рис. 3.1.90). В общем производстве паркета в Европе в 2005 г.
чаще всего использовался дуб (около 50%), тропические породы (приблизительно 17%) и бук (9%) {рис.3.1.91). Современные покрытия для паркета не содержат органических растворителей. В зависимости от требований и эффектов поверхности общее количество наносимого вещества 50150 г/м 2 . Чтобы достигнуть высокой химической и механической устойчивости и необходимой окраски применяются бейцы, праймеры на водной основе в сочетании с УФ-лаками (табл. 3.1.44). Необходимые эффекты и окраска достигаются при использовании водорастворимых стандартных бей28
Экологический баланс — это сопоставление и оценка входящих и исходящих течений
и потенциальных воздействий на окружающую среду систем продуктов в процессе их
существования.
29
ISO — Международная организация по стандартизации, которая разрабатывает всеобщие законные нормативы.
178 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Швеция
19.54%
Дания/Финляндия/
Норвегия
11.46%
Чехия Венгрия
1.54% 2.63%
ЯН ею
•Р
EZ»
шшт
Италия
6.17%
Румыния
2.63%
Австрия
9.69%
""X
Бельгия
iiUMjh 0.59%
>i Швейцария
вЖЗ
1.84%
н
ю
• Ж ШШШ
I H ШШШ ^ * ^ Германия
12.02%
шшт
Нидерланды
2.10%
Польша
11.78%
Франция
7.97%
ИИ
Испания
10.03%
Общий объем производства (общее количество продукта) в 2005 году: 95973000 м
Рисунок 3.1.89. Общее количество деревянного паркета, произведенного странами
членами FEP совместно с Чехией, Венгрией, Польшей и Румынией
(за исключением Великобритании и Португалии) в 2005 г. [173]
меняются главным образом для обработки крупнопористой древесины,
такой как дуб. При обработке мелкопористой древесины использование этих бейцев не имеет смысла,
так как обычно получается пятнистая
поверхность. В Европе используют
Мозаичный паркет
в основном водорастворимые, на3%
носимые вальцами бейцы, которые
обеспечивают очень хорошую адгезию с последующими слоями УФРисунок 3.1.90. Доли паркета разных вилака. Кроме того, применяемые крадов в общем объеме производства 2005 г.
сители и пигменты должны обладать
стран — членов FEP совместно с Чехией,
Венгрией, Польшей и Румынией (за исключе- высокой степенью устойчивости по
отношению к УФ свету (часть 3.1.1,
нием Великобритании и Португалии) [173]
Бейцы).
УФ-праймеры
Для достижения очень хорошей адгезионной прочности применяют главным
образом непигментированные или слегка лессирующие водорастворимые
УФ-праймеры. Водная часть состава служит для пропитки и придания шероховатости поверхности подложки и создает, таким образом, очень хорошее сцепление на всех типах древесины. УФ-отверждаемые праймеры с высоким содержанием твердых компонентов и небольшой долей воды применяются для
создания специальных эффектов на поверхности или в случаях, когда окрасочные линии не оборудованы форсуночной сушкой для испарения воды из сильно разбавленных материалов. Они могут наноситься как первичная грунтовка непосредственно на поверхность древесины и без испарения отверждаться
УФ-светом или по технологии «мокрое по мокрому» с последующим перекрытием УФ-грунтовкой. В последнем случае УФ-облучением отверждаются сразу оба слоя покрытия. Содержание твердых компонентов (нелетучих веществ)
составляет 70-95%.
Многослойный паркет
78%
Ламинат и массив
19%
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 179
• Дуб
_ Тропическая
• древесина
а Бук
О Ясень
И Клен
• Красный дуб
Я Другие
D Береза
D Вишня
в Каштан
• Робиния
• Эвкалипт
В Сосна
Рис. 3.1.91. Доли древесины различных видов в общем объеме производства паркета
странами — членами FEP совместно с Чехией, Венгрией, Польшей и Румынией (за исключением Великобритании и Португалии) в 2005 г. [173]
УФ-шпатлевки
УФ-шпатлевки предназначены для заполнения неровностей, пор и стыков
фанеровки в процессе вальцевания. В зависимости от количества наносимого
вещества получают поверхности с закрытыми порами. При доводке/выравнивании на гладких вальцах шпатлевочной машины количество наносимого сырого материала составляет от 25 до 50 г/м 2 . УФ-шпатлевки наносят с помощью
легких и тяжелых шпатлевочных машин.
УФ-грунтовки с добавкой корунда
Содержащие корунд УФ-грунтовки повышают число оборотов абразивного
устройства «Taber» при испытании на истирание общего покрытия согласно
DIN32 EN33 438-2.6. В зависимости от концентрации корунда в УФ-грунтовке
и количества нанесенного вещества можно достигнуть числа истирания (согласно DIN EN 438-2.6) от 150 до 500 оборотов в расчете на слой сухого покрытия в 100 мкм.
Систематические исследования Mueller показали, что разные типы корунда
могут приводить к различным результатам испытаний на истирание согласно
DIN30 EN31 438-2.6 (см. рис. 3.1.92) [120]. Необходимы очень тщательные выбор и проверка при использовании разных типов корунда. Не содержащие корунда грунтовки позволяют получить число истирания от 25 до 150 оборотов.
При использовании корундовых грунтовок нужно следить за тем, чтобы они по
возможности были нанесены во внутренней части слоя покрытия, так как они
не шлифуются, и в противном случае ленты шлифовальных машин будут быстро изнашиваться. Как правило, корундовые УФ-грунтовки доводят до стадии предгелирования с помощью УФ-облучения и затем перекрывают не содержащими корунда грунтами. Сразу после этого можно провести собственно УФ-отверждение и шлифовку покрытия. Увеличение толщины слоя корун30
31
DIN — Немецкий институт стандартизации.
EN — Европейский стандарт.
180 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1-44. УФ-отверждаемые ЛКМ для окраски готового паркета на вальцах
Лакокрасочные
материалы
Назначение/свойства
1.
Бейцы водораство- Декоративный эффект
римые
и окраска
2.
УФ-праймеры водорастворимые,
возможно легко
лессирующие или
пигментированные
Эффект, окраска и достижение хорошей адгезии
с подложкой
УФ-шпатлевки
3.
4.
5.
б.
7.
8.
Количество
наносимого
вещества,
г/мг
Твердый остаток (нелетучая
часть)
10-40
5-15%
10-20
20-95%
Для закрытия швов, пор и
неровностей на подложке при нанесении ЛКМ, для
получения поверхности с
закрытыми порами
25-60
100%
УФ-грунтовки
с добавкой корунда (антиабразивные)
Повышение устойчивости
к истиранию согласно требованиям EN 438-2 (УФгрунтовки не шлифуются)
10-25
100%
УФ-грунтовки
Улучшение порозаполнения, используют как шлифуемый грунт для получения гладкой поверхности
подложки
10-20
100%
Достижение высокой
устойчивости к истиранию
по SIS 923509 (SIS = Шведский институт стандартов).
Известно как «Grit Feeder»
или «Falling Sand» тест
10-30
100%
УФ-покрывной лак
Повышение антиабразивных
свойств за счет добавления корунда
Устойчивые к царапанию
поверхности, особенно
по отношению к стальной
проволоке. Поверхности не
подлежат восстановлению
8-10
100%
УФ-покрывной лак
устойчивый к царапанию
Устойчивость к царапанию
с хорошей возможностью
восстановления
8-10
100%
УФ-грунтование
для SIS
довой грунтовки может привести на темной древесине к эффекту выравнивания или к появлению серого оттенка. При правильном выборе типа корунда
можно получить устойчивые к оседанию и достаточно долго хранящиеся У Ф грунтовки. Чтобы получить по возможности более высокую устойчивость к истиранию при использовании корунда нужно, чтобы компоненты УФ-грунтовки
были жестко связаны с пленкообразующей базой [175,176].
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 181
1400
?
1200
1000
800
Субстрат:
дубовый шпон
УФ-лак:
на основе уретан-акрилата
Наносимое количество: 60 г/мг
УФ отверждение:
5 м/мин, Нд-лампа, 80 Вт/см
Проба на истирание: абразивное устройство
«Taler» no DIN EN 438-2,6
Смена бумаги после 100 оборотов
Весовая нагрузка 500 г на функциональный диск
Лента шлифовальной бумаги S42
600
400
200
Нулевая
проба,
без
корунда
Различные типы корунда, добавление в количестве 10 весовых %
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Рисунок 3.1.92. Влияние качества корунда на устойчивость к истиранию УФ-грунтовок
наакрилатно-уретановой основе согласно DIN EN 438-2.6 [120]
УФ-грунтовки без добавления корунда
Не содержащие корунд УФ-грунтовки предназначены в качестве последующих слоев покрытия и обычно хорошо шлифуются. Их задачей является укрытие содержащего корунд слоя, чтобы при последующем шлифовании частички
корунда не контактировали с лентами шлифовальных машин. Кроме того, они
существенно влияют на химические и механические свойства покрытия.
Специальные УФ-грунтовки
Эти специальные УФ-грунтовки составлены так, чтобы улучшить устойчивость к истиранию при испытаниях по стандарту SIS 923509 (SIS — шведский
институт стандартов). Это испытание известно как Grit Feeder или тест падающего песка. Компоненты УФ-грунтовки обеспечивают сочетание эластичности
и жесткости пленкообразующего. На практике такие грунтовки часто называют
SIS-грунтовками.
УФ покрывные лаки
УФ покрывной лак наносится как последний слой покрытия. Нанесение происходит обычно с использованием двух валыдев по технологии «мокрое по мокрому» или при вальцевании с промежуточным УФ-предгелированием (вальцы/гелеобразование/вальцы) с последующим УФ-отверждением. Количество
наносимого сырого состава на каждом вальце — 5-10 г/м 2 . Покрывной лак наносится в первую очередь для того, чтобы защитить покрытие от химических и
механических нагрузок. Используемые для покрытия паркета УФ-лаки отличаются высокой твердостью и устойчивостью к царапанию, что должно соответствовать требуемой пригодности к применению. На практике прошли проверку две технологии УФ покрывного лакирования.
182 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Антиабразивная устойчивость при добавлении корунда
Антиабразивные свойства достигаются при добавлении специальных минералов, например, корунда. Обычно используют микронизированный порошок
корунда либо в чистом виде, либо в смеси с другими минералами. Такие лаки
обладают устойчивостью к царапанию и их нельзя процарапать стальной проволокой. Поэтому их называют керамическими УФ-лаками. В практическом
применении УФ покрывные лаки, модифицированные минеральными наполнителями, имеют и недостатки, такие как плохая шлифуемость покрытия, в результате которой готовый паркет имеет ограниченную способность к восстановлению [177]. Содержащие корунд УФ покрывные лаки особенно пригодны
для не подлежащих восстановлению паркетных систем, таких как фанерованный паркет, так как из-за очень тонкой фанеровки (толщина полезного слоя
0,6 мм) он не поддается ремонту.
Покрытия, устойчивые к царапанию
Дальнейшее развитие корундсодержащих УФ покрывных лаков привело
к созданию систем, устойчивых к царапанию и не содержащих антиабразивных минеральных добавок. Они больше не являются причиной истирания движущихся металлических или пластиковых объектов. В зависимости от состава нецарапающиеся покрытия проявляют лучшую устойчивость к истиранию,
чем корундсодержащие УФ покрывные лаки. Системы, устойчивые к царапанию, содержат наночастицы, поэтому их и называют обычно нанокомпозитными покрывными УФ-лаками. Эти материалы также плохо шлифуются и поэтому имеют ограниченную пригодность к восстановлению. Дальнейшие разработки на базе наночастиц направлены на улучшение устойчивости к едва видимым микроцарапинам. Кроме того, в будущем должны быть созданы системы
УФ-покрытий, поддающихся ремонту и восстановлению.
УФ-отверждаемые масла на базе воспроизводимого сырья
Желание потребителей иметь благоприятные для окружающей среды натуральные матовые паркетные полы (натурального вида) привело к усиленному
росту и внедрению чистых отверждаемых окислением жирных алкидных смол
и масел. При обработке такими материалами подчеркивается структура древесины. Вначале содержащие большое количество органических растворителей материалы заменяют на ЛКМ с высоким содержанием нелетучих веществ.
Чтобы ускорить окислительное отверждение, необходимо в небольших количествах добавлять сиккативы. В данном случае речь идет о солях кобальта и
марганца. Рациональный процесс нанесения продуктов на масляной основе
вальцами не может быть реализован, так как процесс окислительного отверждения более длительный, чем УФ-отверждение. В зависимости от типа масла и конструкции сушки требуется 3-6 мин конвекционной сушки при 35°С или
60-90 мин при 23°С для высыхания от пыли. Окрашенные поверхности в зависимости от процесса очищаются щетками и в завершении полируются. При
этом необходимо обращать внимание на опасность самовозгорания ветоши,
пропитанной маслом и возможность возникновения тлеющего очага возгорания при шлифовке масляных поверхностей [92].
Это явилось одной из причин попыток совмещения материалов окисляемых
кислородом воздуха с УФ-отверждаемыми. В начале смеси были плохо совместимы и нестабильны при хранении. Сочетание двух технологий окраски привело к созданию продуктов, хорошо проникающих в древесину и создающих
натуральный вид поверхности. Благодаря УФ-отверждаемой составляющей
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 183
отверждение ускоряется. Получаются пригодные к штабелированию паркетные изделия, которые не слипаются в штабелях. Но при использовании высокоскоростных вальцевых УФ линий окраски (со скоростью передвижения изделий 20-40 м/мин) активность УФ пленкообразующих в композициях с маслом
недостаточна. Поэтому с 1977 г. производители сырья занимаются производством так называемых УФ-пленкообразователей на масляной основе. Обычно
речь идет о классических УФ-пленкообразователях на базе многоатомных полиолов и акриловой кислоты, которые в небольшой степени модифицированы насыщенными или простыми ненасыщенными жирными кислотами. Ошибочно их называют УФ маслами или УФ отверждаемыми маслами, хотя они не
содержат жирных кислот с сопряженными двойными связями, отверждаемых
за счет кислородного окисления. Решение проблемы состоит в том, что такие
модифицированные пленкообразующие прекрасно подходят для промышленной переработки и могут создавать поверхности, аналогичные тем, что получаются при окраске масляными составами. Окрашенные масляными составами поверхности паркета не обладают такой устойчивостью к механическим
и химическим воздействиям, как традиционные УФ-покрытия. Толщина слоя
высохшего масляного состава составляет 25-50% от обычной толщины слоя
УФ-покрытия на паркете. Поэтому окрашенный маслом паркет нужно регулярно обрабатывать специальными средствами по уходу за полом.
Прочие УФ-отверждаемые продукты для окраски паркета
Для ремонта дефектов древесины и проколов в покрытии уже несколько лет
используются полупрозрачные и полностью пигментированные ремонтные
шпатлевки на основе 2К систем. Различают две основные системы ремонтных
шпатлевок:
. сочетание УФ-отверждения с полиприсоединением при добавлении полиизоцианатов;
• сочетание УФ-отверждения с полимеризацией при добавлении перекисных отвердителей.
При обработке кантов применяют УФ-материалы, наносимые в вакууме.
Проверка устойчивости к истиранию паркетных полов
Устойчивость к истиранию является доминирующим параметром, определяющим износоустойчивость пола [179]. Поверхность пола главным образом
истирается и царапается грязью, прилипшей к обуви. В таком случае говорят
о динамической нагрузке. Технически этот процесс моделируют с помощью
испытательного оборудования называемого Taber — Abraser-Test32. Этот тест
является международным признанным испытанием и включен во многие национальные и международные нормативы.
Истирающая нагрузка создается двумя вращающимися фрикционными роликами, которые с определенной силой давят на вращающийся образец для
испытаний. Образец соприкасается с фрикционным диском, который либо покрыт самоклеющейся наждачной бумажной лентой (см. нормативы DIN 68861,
ч. 2, DIN EN 438-2.6), либо между диском и образцом с помощью дозирующего устройства непрерывно подается шлифующее средство, например корунд
(оксид алюминия) (SIS 923509, ISO-T-0507, ASTM33 F 510-93). Полученная кар32
На международном уровне истирание испытывают с помощью Taber — Abraser-Test-a,
который разработала американская фирма Taber. Abrasion — истирание.
33
ASTM — American Society for Testing Materials — Американское общество по испытанию материалов.
184 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
тина истирания представляет собой рисунок из процарапанных дуг. Благодаря этому испытуемый образец будет обработан однородно. Результат испытания, помимо человеческого фактора, сильно зависит от типа выбранных фрикционных роликов и усилия, с которым они прижимаются к поверхности образца (по 500 или 1000 г). Колебание твердости роликов (по Шору) также может
привести к разным результатам [180]. В зависимости от применяемого норматива существуют разные методы оценки, которые приводят к значительным
различиям в количестве оборотов.
Метод, основанный на потере веса
Испытуемый образец подвергается определенному количеству циклов обработки. По результату дифференциального взвешивания определяют долю
стертого материала. Чем меньше истирание (в мг) в расчете на определенное
количество циклов, тем лучше износостойкость по отношению к истиранию.
Визуальный метод испытаний
Определяется число оборотов, при котором достигается определенная степень протертости покрытия. В нормативе DIN EN 438-2.6 измеряют количество
оборотов образца до момента появлений повреждения на покрытии. Этот момент считается начальным (IP). Испытание ведут до тех пор, пока покрытие не
будет истерто на 95%. В этот (финальный — FP) момент снова фиксируют количество оборотов образца. Затем обе величины складывают и делят на два,
чтобы определить среднее арифметическое. При сравнении износостойкости различных паркетных материалов всегда следует обращать внимание на
то, что должны быть указаны начальный (IP) и конечный (FP) момент времени.
Часто указываются такие показатели испытания износостойкости, из которых
нельзя понять по каким нормативам проводились испытания и не ясно какой
начальный и конечный моменты времени были выбраны для расчета среднего
арифметического. Кроме того, нужно указывать измеренную общую толщину
высохшего слоя, так как от этого в большой степени зависят испытательные
нагрузки.
Международные методы проверки для определения нагрузки истирания не
дают единообразных результатов для представленных на рынке УФ-грунтовок.
Результаты этих методов проверки могут сильно зависеть от того, входит ли
в состав грунтовки твердое или эластично-вязкое связующее и содержит ли
данный материал минеральные наполнители. УФ-грунтовки, в состав которых
входят твердое связующее и корунд, проверяются с помощью метода Taber —
Abraser-Test no DIN 68861-2, DIN EN 438-2.6 и имеют высокое значение числа оборотов при протирании покрытия. Проверяя твердые покрытия по SIS
923509, IOS-T-0507, EN 13696, ASTM F 510-93, напротив, получают незначительные величины числа оборотов до истирания покрытия и наоборот. В зависимости от методов проверки, применяемых изготовителями паркета, производители Л КМ могут создавать УФ-материалы, соответствующие нормативам,
например, DIN EN 438-2.6 или SIS 923509. Однако в соответствии с современными воззрениями необходимо при создании паркетных покрытий пропорционально сочетать твердые и эластично-гибкие слои Л КМ [178]. Между тем ведущие производители паркета принимают обе методики испытаний на истирание (SIS 923509 и DIN EN 438-2.6). Кроме упомянутых методов тестирования
на истирание существуют различные тесты и методы испытаний для определения пригодности к применению деревянных полов. В таблице 3.1.45 пред-
Таблица 3.1.45. Требования к п о к р ы т и я м деревянных полов.
Свойство
Минимальные требования для данного класса использования
1
2
3
4
5
б
Требования выполнены
Требования выполнены
Требования выгТЬлнены
Требования выполнены
Требования выполнены
Требования выполнены
GT0-GT2
GT0-GT2
GT0-GT1
GT0-GT1
GT0-GT1
GT0-GT1
Нет требований
Нет требований
>25
>25
>30
>30
Основные свойства
Геометрические параметры и содержание влаги по DIN 13489
Прочность сцепления по DIN EN ISO 2409 [число решетчатых надрезов]
Твердость по Брюнеллю по ihd рабочему стандарту 202 [Н/мм^]
Склонность к загрязнению по ihd рабочему стандарту 427 [степень]
Химическая устойчивость:
Согласно химическим требованиям. DIN 68861 T.I + вода
Или ускоренно с испытательными средствами (ИС) по DIN EN 13442 (полы)
истирание:
согласно требованиям DIN EN V 13696 [оборот] (шлифовальная бумага)
Устойчивость к растрескиванию
Растрескивание по ihd рабочему стандарту 438 в [ Н/50 р м]
и проверка царапания / эластичности по руководству Хамбергера [N]
1
1
0
0
0
0
1 С 5 час.
Все ИС (исключая ацетон)
5 час ацетон
10 с
1 С 5 час.
Все ИС (исключая ацетон)
5 час ацетон
Юс
1С 16 час
Все ИС (исключая ацетон)
16 час ацетон
2 мин
1С 16 час
Все ИС (исключая ацетон)
16 час ацетон
2 мин
1 В 16 час
Все ИС (исключая ацетон)
24 час ацетон
2 мин
1 В 16 час
Все ИС (исключая ацетон).
24 час ацетон
2 мин
>50
>80
>120
>120
>180
>200
>0.20
>15N
>0.20
>15 N
>0.25
>18 N
>0.25
>18N
>0.30
>20 N
>0.30
>20N
>2
Н(8)
>2
Н(8)
>3
Н(9)
>3
Н(9)
>3
1(9)
>3
1(9)
Нет требований
Нет требований
Отсутствие следов
Отсутствие следов
Отсутствие следов и царапин
Отсутствие следов и царапин
р > 0,22
р > 0,22
р > 0,22
р > 0,30
(с испытательным средством)
р > 0,30
(с испытательным средством)
р > 0,30
(с испытательным средством)
Нет требований
Нет требований
Нет требований
Нет требований
6D
6D
>15
>15
>15
>20
>20
>20
Сопротивление удару/эластичность
Испытание ударопрочности по рабочему стандарту 425 [степень]
или испытание эластичности по pr DIN EN 13696 [конус1 - Nr.]
Испытание колесиками стульев (мягкие ролики) по DIN EN 425 (25000 циклов)
Свойства техники безопасности
Устойчивость к скольжению по DIN EN 13893/EDIN 53131 (кожаный ползун) [-]
Устойчивость к сигаретному пеплу DIN 68861 Т.6 [класс]
Режимы старения
Устойчивость к переменным климатическим воздействиям согласно стандарта 424 [циклы]
186
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.46. Разделение деревянных полов по классам эксплуатации
Класс ис-
Область применения
1
2
3
4
5
6
1.
2.
3.
4.
5.
Интенсивность эксплуатации/
Примеры применения
Описание требований
пользования
Частное жилье
Небольшая/временное
использование
Спальни и гостевые комнаты
Средняя/постоянное нор-
Жилые комнаты, столовые,
мальное использование
рабочие комнаты
Частное жилье
Сильная/интенсивное
использование
Прихожие, детские комнаты, кухни
Общественные помещения
социально-промышленные
Незначительная/временное
использование
Комнаты в отелях
Общественные помещения
Средняя/постоянное нормальное использование
Бутики и маленькие магазины
Общественные помещения
Сильная/интенсивное
использование
Торговые дома и залы многоцелевого назначения
Частное жилье
21
Укладка изделий
Шлифовальная машина для подготовки поверхности положки
Простые вальцы для нанесения бейца 10-20 г/мг
Разравнивающие щётки для бейца
Простые вальцы, твердые резиновые УФ-праймер прозрачный
10-15 г/мг
6. Форсуночная сушка
7. УФ-отверждение, 2 ртутные лампы высокого давления 80-120 Вт/см
8. Простые вальцы, твердые резиновые УФ-грунтовка
прозрачная 10 г/мг
9. УФ-гелирование, 2 ртутные лампы высокого давления 80-120 см
10. Шпатлевочная машина, УФ-шпатлевка, прозрачная 25-30 г/м'
11. УФ-отверждение 4 ртутных лампы высокого давления
80/120 Вт/см
12. Транспортер
13. Шлифовальная машина для шлифовки покрытия
14. Обеспыливание
15. Простые вальцы, твердые резиновые УФ-грунтовка прозрачная
!
10-12 г/м
16. УФ-гелирование, 2 ртутные лампы высокого давления
80-120 Вт/см
14 13
20 19
18 17
16 15
17. Простые вальцы, твердые резиновые УФ-грунтовка прозрачная
10-12 г/м'
18. УФ-гелирование, 2 ртутные лампы высокого давления
80-120 Вт/см
19. Простые вальцы, твердые резиновые 15-20 г/м г ,
«мокрое по мокрому» с порцией 20
20. Простые твердые резиновые вальцы
21. УФ-отверждение 4 ртутных лампы высокого давления
80/120 Вт/см
22. Шлифовальная машина для шлифовки покрытия
23. Обеспыливание
24". Простые вальцы, твердые резиновые УФ-покрывной лак
г
прозрачный 5-10 г/м
25. УФ-гелирование, 2 ртутные лампы высокого давления
80-120 Вт/см
26. Простые вальцы, твердые резиновые УФ-покрывной лак
2
прозрачный 5-10 г/м
27. УФ-отверждение 4 ртутных лампы высокого давления
80-120 Вт/см
28. Снятие готовых изделий
Рисунок 3.1.93. Вальцевая линия для окраски паркета с встроенной шлифовкой
деревянной основы
ставлены важнейшие методы испытаний и возможные требования к полу по
данным Emmler. Нагрузки можно на практике разделить на несколько классов
эксплуатации (см. таблицу3.1.46). При этом различают классы эксплуатации в
частных, общественных и промышленных помещениях, так как в этих случаях,
как правило, существенно различается нагрузка на половое покрытие. Специфику разделения на классы эксплуатации для деревянных полов можно представить по данным соответствующей таблицы 3.1.46. При использовании соответствующих методов испытаний не следует забывать, что внутренняя однородность деревянной основы и конструкция пола оказывают решающее влияние на результаты испытаний стойкости к удару и вдавливанию [181, 182].
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 187
На рисунке 3.1.93 представлена схема типичной УФ линии окраски паркета на вальцах. Эта схема включает также подготовку подложки - шлифование
древесины. Обычно шлифовку деревянной основы проводят отдельно от линии окраски, так как скорость продвижения деталей при шлифовке составляет
10-20 м/мин.
Существуют другие концепции УФ плоских линий окраски, в которых подготовительная шлифовка деревянной основы проводится автономно, так как
может быть оптимально осуществлена только со скоростью < 20 м/мин. Современные плоскостные УФ-линии окраски паркета эксплуатируются со скоростью 10-50 м/мин.
Список литературы
1. Garratt, P.: Strahlenhaertung, 1. Auflage, Curt R. Vincentz Verlag, Hannover, 1996
2. Haering^.iLackhaertungmitElektronenstrahlenundultraviolettemLicht, Emissionsarm
lackieren, Curt. R. Vincentz Verlag, Hannover 1987.
3. Baumann, H., Timpe, J-H.: Photopolymere, Prinzipien und Anwendungen, 1. Auflage,
Deutscher Verlag fuer Grundstoffindustrie, Leipzig 1988.
4. Prieto, J: Untersuchungen zur Mattierung von Beschichtungsstoffen, die mit UVStrahlung gehaertet werden, Auszug Diplomarbeit, UniversitfltGH-Paderborn 1994.
5. CEF1C, UV/EB Acrylates Sector Group.: Guide to the classification and labelling of
acrylates, Version of 7. Dec. 1999.
6. Larbig, H.: Rohstoffe fuer die radikalische UV-Haertung, 4. Esslinger Oberflaechen
Seminar, September 2004.
7. Kuehl, G.: UV-Haertung von Lacksystemen, Metalloberflaeche, 3(1988), 139-145.
8. Leppard, M.: Chemical advances in UV curable epoxy acrylate resins, Polymers Paint
Colour Journal, Datum unbekannt.
9. Kemmerer, R.: A Novel Approch to Reducing the viscosity of UV/EB Curable Oligomers,
Polymers Paint Colour Journal, 179, 1989.
10. DE 4040290 C2, Synthopol Chemie Dr. rer.pol. Koch GmbH &CoKG, 1996.
11. DE 3836370 C2, BASF Lacke + Farben AG, 1992.
12. Beck, E., Lokai, M., Keil, E., Nissler, H.: Studies into the emissions from radiation-cured
coatings, Marketing Dispersion BASFAG, Ludwigshafen.
13. DE 3704098 A1, BASF AG, Ludwigshafen.
14. Fouassier, J.P. et al.: Radiation curing in Polymer Science and technologie, Volumel:
Fundamentels and Methods, Elsevier science publishers, 1993, Seite 232.
15. EP 0586849 A2, Bayer AG, 1994.
16. Kollaritsch, K.: Bindemittel fuer strahlenhaertbare Lacksysteme, Viagramm 3 (1989),
S. 1-12.
17. DE3706355A1, BASFAG, 1988.
18. Holman, R.: U.V. and E.B. Curing Formulation for Printing Inks, Coatings and Paints,
Sita-Technology, London 1984.
19. Moeller, F.:HoubenWeyl, Band 11/1 (1957), S. 277-280.
20. Organikum, 16. Auflage, 1986, S. 502-505.
21. EP0903363A1, BASFAG, 1998.
22. EP0902040A1, BASFAG, 1998.
23. EP 0902040 A1, BASF AG, 1998.
24. DE 4232013A1, Bayer AG, 1994.
25. EP 0424745 A2, Bayer AG, 1990.
26. EP 0547462 Bl, Bayer AG, 1992.
188 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
27.
Stoye, D., Freitag, W.: Lackharze: Chemie, Eigenschaften und Anwendungen, Carl
HanserVerlag Mbnchen Wien, 1996, S. 2 1 5 - 2 1 6 .
28. Beck, E.: Rohstoffe fuer die radikalische Strahlungshaertung, UV-Seminar, Fachhochschule Esslingen, 26/27.02.2002.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
DE 2809715, 1977.
US 4128600, General Skinner, 1978.
DE 19800528 A 1 , Bayer AG, 1999.
EP 1103572, Bayer AG, 2 0 0 1 .
WO 0168777, BASF Coatings AG, 2 0 0 1 .
WO 00/39183, BASF AG, 2000.
Fouassier, J.P., Radiation Curing in Polymer Science and Technology. - Vol. 1-3,
1993, S. 1 8 1 .
36. PetersS.,OverviewofDual-CureandHybrid-CureSystemsin Radiation Curing, Radiation
CuringinPolymerscienceandTechnology, edited byFouassier,J.P,Rabek,J.F., Volume
III, 1993, S. 177.
37.
Steinruecken, R.: Grundlegende Untersuchungen neuartiger Dual-Cure- Haertersysteme in konventionellen 2K-PUR Lacken, die dadurch sowohl polyaddierend, als
auch UV haertend vernetzbar sind, Diplomarbeit Universitaet Gesamthochschule
Paderborn, 2000.
38. Mackreth, P.: Dual-Cure, fast and colourful, Furniture Journal, November 1999, S. 35.
39. Bruchmann,B.,Beck, E.:Einneuesniedrigviskoseslsocyanatoacrylat-Perspektivenfuer
Dual Cure Anwendungen, BASFAG, 08.04.2004.
40. Fischer, W., Weikard, J.: Dual Cure, the combination of superior properties, Bayer AG,
Datunrnunbekannt.
4 1 . DE 4424101, BASF Coatings AG, 1994.
42. Prieto, J: Strahlungshaertung, DFO-Seminar Paderborn, 2003.
43. Schwalm, R., Binder, H., Funhoff, D.,Lokai, M., Schrof, W., Weiguny, S.: Vinyl Ethers in
UV-Curing: Copolymers with Acrylates and Unsaturated Polyesters, Vortrag RadTech
Europa 1999, Berlin, S. 1 0 3 - 1 0 9 .
44. Udding-Louwrier, S., Witte, F., Sjoerd de Jong, E.: Strahlenhaertende Pulverbeschichtungssysteme, DSM Resins BV, Zwolle, NL, Veroeffentlichungsdatum unbekannt.
45. Bartlett, P., Nozaki, K.: J. Am. Chem. Soc. 68, 1495, 1946.
46. Olson, K., Butler, G.: Macromolecules, 17, 2486, 1984.
47. Elias, H.-G.: Makromolekuele-Grundlagen, Struktur, Synthese und Eigenschaften, Bd.
1, 5. Auflage, Verlag Hoethig & Wepf, Basel 1990.
48.
Wehman, E.,Westerhof, H., Rietberg, J.: UV-C'urable wood coatings; a comparison of a
100% solid maleate vinyl ether System and a water borne polyurethane dispersion, DSM
Resins BV, Zwolle, NL, Verueffentlichungsdatum unbekannt.
49.
Prieto, J: Vinyletherhaltige Lacksysteme fuer die Moebelbeschichtung?, Vortrag nicht
veroeffentlicht, 1997.
50. DE 19903725 A 1 , BASF Coatings AG, 2000.
5 1 . DE 19835849 A 1 , BASF Coatings AG, 2000.
52. DE 19835867 A 1 , BASF Coatings AG, 2000.
53. Meij, E.: Some practical aspects of Maleate/Vinylether Systems in Wood Coating
application, Vortrag RadTech Europa 1995, Maastricht, S. 3 8 9 - 3 9 3 .
54. Draize.J.H.: Appraisal of the Safety of Chemicals in Foods, Drugsand Cosmetics. Dermal
Toxicity, Association of Food and Drug Officals of the United States, Texas State
Department of Health, Austin 1959.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 189
55.
Gelbke, W., Zeller, H.: Zur Hautreizung von Hexandioldiacrylat, Farbe + Lack 86 (1980),
876-879.
56. Fies, M., Endres, H., Klagge, R.: Novel Higher Molecular Weight HDDA Homologues for
Rad-Cure Applications, Cognis Deutschland GmbH, Dbsseldorf, Germany, Datum
unbekannt.
57.
Beck, E., Keil, E., Lokai, M.: Strahlungshaertung und Wasser, Farbe + Lack 98 (1992),
165-170.
58. Kuehl, G.: UV-Haertung von Lacksystemen, Metalloberflaeche, 3 (1988), 1 3 9 - 1 4 5 .
59. Baumann, R, Timpe, H-J.: Photopolymere: Prinzipien und Anwendungen, 1. Auflage,
Deutscher Verlag fuer Grundstoffindustrie, Leipzig 1988.
60. Kirchmayr,R.,Berner,G.,Huesler,R.,Rist,G.:VergilbungsfreiePhotoinitiatoren,fflrbe +
lack 88 (1982), S. 9 1 0 - 9 1 6 .
6 1 . Grebe, W.: Die UV-Technologie in Druck-und Packstoffveredlung, Sonderdruck aus
Papier + Kunststoff-Verarbeiter, 1 9 8 1 .
62. Vrancken, A.: Mechanismus der Strahlenhaertung bzw. Strahlungstrocknung von
Ueberzuegen und Druckfarben, faerbe + lack, 83 (1977), 1 7 1 - 1 7 9 .
63. Kirchmayr, R., Berner, G., Rist, G.: Photoinitiatoren fuer die UV-Haertung von Lacken,
farbe + lack, 86,1980, S. 2 2 4 - 2 3 0 .
64. Chang, C, Mar, A., Tiefenthaler, A., Wostratzky, D.: Photoinitiators: Mechanisms and
Applications, Handbook of Coatings Additives, Volume 2, Marcel Dekker Inc, 1992.
65. Jakubke, H-D., Jeschkeit, H.: Fachlexikon ABC Chemie, Bd. 2, 3. Auflage, Verlag Harri
Deutsch, Thun, Frankfurt/ Main 1987.
66.
Bassi, G., Cadona, L: New Developments on Benzophenones in the Photoinitiated
Polymerisation, Vortrag der Fa. Fratelli Lamberti S.P.A. - Research Laboratories,
Publikationsjahr unbekannt.
67. Wiesing, R.:UntersuchungenzurVergilbungvonstrahlenhaertbarenweisspigmentierten
Beschichtungsstoffen, Dipolmarbeit, Fachbereich Chemie und Chemietechnik der
Universitaet-Gesamthochschule-Paderborn, 1999.
68.
Kremer, W.: UV-haertende, deckend pigmentierte Lacke fuer Holz und Holzwerkstoffe.
Firmenunterlage der Firma Bayer AG, 26.02.1988.
69. Kolczak, U., Rist, G., Dietliker, K., Wirz, J.: Reaction Mechanism of Monoacyl- and
Bisacylphosphine Oxide Photoinitiators Studied by 31P-, 13C-and 1H-CIDNPandESR,
Journal of the American Chemical Society, 1996, Volume 118, Nr. 27.
70. Rutsch, W., Dietliker, K., Leppard, D., Koehler, M., Misev, L, Kolczak, U., Rist, G.: Recent
Developments in Photoinitiators, Veroeffentlichungsdatum unbekannt, Ciba-Geigy,
Schweiz.
71. Rad Book, Version 3 . 1 , Ciba Specialty Chemicals Inc., 1998.
72. D1N 55943, Farbmittel - Begriffe, Ausgabe: 2 0 0 1 - 1 0 .
73. Goldschmidt, A., Hantschke, В., Knappe, E., Vock, G.: Glasuht-Handbuch Lacke und
Farben, 11. Auflage, Curt R. Vincentz Verlag, Hannover 1984.
74. Mueller,M.:TechnischerStandderheutigenUV-Pigmentlacke,lndustrie-Lackierbetrieb,
61, 1993, S. 47-53.
75. Fouassier, J.-R, Rabek, J.-F.: Photoinitiating Systems, In: Radiation Curing in Polymer
Science and Technology. - Vol. II, Elsevier Science Publishers Ltd., 1993.
76. Ferch, H.: Mattierungsmittel fuer die Lackindustrie, Firmenschrif Nr. 21 der DegussaAG.
77. Christian, H.-D.: Aktueller Stand zur Mattierung von UV-Lacken, Degussa AG,
Veroeffentlichungsdatum unbekannt.
78. Garratt, P.: Die Mattierung von UV-haertenden Lacken auf Basis ungesaettigter
Polyesterharze, Farbe +Lack96, Nr. 8 (1990), S. 587-591.
190 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
79.
Goetz, R.: Fragen der Mattierung saeurehaertender Lacksysteme, Deutsche FarbenZeitschrift Nr. 11 (1968).
80. Kraus, A.: Mattlack, Handbuch der Nitrocelluloselacke, Teil II.
8 1 . Feig, P.: Zur Frageder Formulierung von Mattlacken". Farbe und Lack Nr. 9 (1968).
82.
Simpson, LA.: Factors Controlling Gloss of Paint Films, Progr. Organic Coatings, 1978,
6 , S . 1-30.
83.
Eisenmenger,E.,Ferch,H.,Seibold,K.:ZurWirkungsweisesynthetischerKieselsaeuren
a l s M a t t i e r u n g s m i t t e l i n K l a r l a c k e n , 13 FATIPEC Congress, 1978, S. 1 9 3 - 2 0 5 .
84. Field,R.J.: Matt Paint Film: Real-Time Observation of Film Shrinkage and Associated
RougheningoftheSurfaceDuring Drying, PRA/VincentzVerlag,3rdNuernbergCongress,
New Technologies for Coatings and Inks, 13.-14.03.1995.
85. Ferch, H.: Mattierungsmittel fuer die Lackindustrie, Firmenschrift Nr. 2 1 , DegussaAG.
86. Kittel, H.: Lehrbuch der Lacke und Beschichtungen, Band III, Verlag Colomb, 1976.
87. Schneider, H., Kent, D. J: Parameters affecting the matting of UV-Curing Acrylate-Based
Systems, Grace GmbH, Worms, Germany, Datum unbekannt.
88. Aldcroft, D., Earl, G. J: Advances in the Matting of UV-Curable Systems, Crosfield
Limited, Datum unbekannt.
89. Garratt, P. C: The Flatting of Radiation Curable Paints, Fatipec Kongress Venedig 1986.
90. Hoendgesberg, H.: Mattierungsmittel und Effektgeber fuer die Lacke und Farben auf
Polymerbasis, Coating 10/89, MartingswerkGmbH, D-5010 Bergheim/Erft, S. 378-382.
91.
Gallouedec, F., Valot, E., Bernard, M.: The use of Ultra fine microporous polyamide
powders as reinforcement and matting agent for UV-Cure Systems, Waterborne, HighSolids and Powder Coatings Symposium, 22-24.02.1995, New Orleans, LA, USA.
92.
Kent, D. J . , Schneider, H.: Parameters Affecting the Matting of UV-Curing AcrylateBased Systems, 18 FATIPEC-Congress, Venice, 1986, S. 3 5 3 - 3 8 4 .
93.
94.
Kent, D. J.: Matting of UV-Curing Coating Systems, Polymers Paint Colour Journal, 1990.
Kent, D. J: Matting of UV-curing coating Systems, Polymers Paint Colour Journal,
09.05.1990, Vol. 180, S.305-307.
95.
Garratt, P. G.: Ultraviolett Radiation Dual-Cure Processes for the Production of LowGloss Films, RADCURE EUROPE 1987, Conference Proceedings, 0 4 - 0 7 . 0 5 . 1 9 8 7 ,
Mbnchen, Germany.
96.
Askienazy, A., Zwanenburg, R.: Adhesion Optimisation Through Oligomer/PolymerSelection, Radtech Europe, 0 2 - 0 6 . 0 5 . 1 9 9 3 .
97. McAuliffe, G.: Optimising the Adhesion of UV-Coatings, Paint Polym. Colour J, 1995.
98.
Haering, E., Ahlers, K., Holtmann, G.: Strahlenhaertbare Hybrid-Systeme, IndustrieLackierbetrieb, 48 Jahrgang,1980, S. 4 4 9 - 4 5 1 .
99.
Mehnert, R., Roth, A.: Physikalische Mattierung von Acrylatbeschichtungen durch
Bestrahlung mit 172bzw. 222 nm Photonen, InstitutfuerOberflaechenmodifizierung e.V.
(IOM) und Heraeus N o b l e l i g h t G m b H , Datum unbekannt.
100. F'reid, J. R.: Gloss-Reduction mechanisms of Radiation Cure Coatings, Radiation Curing,
Februar1982, S. 19-25.
101. Hahn, E. A.: Dual Cure - Gloss Contrail of Radiation Polymerized Coatings, Radiation Curing,
14, Mai 1974, S. 13-17.
102. DE 2244327, PPG Industries, 22.03.1973.
103. Skinner, D.: Building a process for low gloss UV-Curable Coatings, Radtech Europe,
Maastrich 1995, S. 5 4 9 - 5 5 6 .
104. Kiene, J., Prieto, J.: Kittel - Lehrbuch der Lacke und Beschichtungen, Band 9, zweite
Auflage 2004, S. Hirzel Verlag Stuttgart, S. 3 1 7 - 3 5 0 .
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 191
105. Nargiello, M.: Flatting Agent Performance Critical To New Formulations, Modern Paint
and Coatings, February 1990.
1O6.Feig, P: Qualitative und quantitative Erfassung der Mattierungswirkung synthetischer
Kieselsaeuren und deren Einfluss auf die Bestaendigkeit von Oberflaechenbeschichtungen, Fatipec Kongress 1970.
107. URL:http://www.iom-leipzig.de/html/deu/Schwerpunkte/exci.cfm.
1O8.Excimer-UV-Strahler, Unterlage der Firma Heraeus Noblelight GmbH, Hanau,
Deutschland .
109. Schubert, R., et al.: Vortrag Ueber den Einsatz von Excimer-UV-Strahlern, 9. UCB
Symposium, Garmisch-Parten-kirchen, 1998.
110. K-aktuell: Informationen aus dem Kunststoff-Cluster, Ausgabe 2/2005, S. 2-3.
111. Biannual Report 2004/2005, Leibniz-lnstitut fuer Oberflaechenmodifizierung e.V.
(IOM),S. 3 1 .
112. Fried, M., J: Stabilisierungvon Acrylmonomeren, Farbe + Lack, 100. Jahrgang, 8/1994,
S.604-609.
113. Kurland,J.J.:QuantitativeAspectsofSynergisticlnhibitionofOxygenandp-Methoxyphenol
in Acrylic Acid Polymerization, J. Polym. Sci., Polym. Chem. Ed. 18, 1980, S. 1139-1145.
114.Cutie S. et al.: The Effects of MeHQ on the Polymerization of Acrylic Acid in the
Preparation of Superabsorbent Gels, J. Appl. Polym. Sci. 64, 1997, S. 5 7 7 - 5 8 9 .
115. Levy, L. В.: Inhibitor-Oxygen Interactions in Acrylic Acid Stabilization, Plant/Operations
Progress 6 (4), 1987, S. 188-189.
116. Becker, H.: Polymersiationsinhibierungvon(Meth-)Acrylaten-Stabilisator-undSauerstoffverbrauch-, Fachbereich Chemie der technischen University Darmstadt zur
Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-lngenieurs, 2003, S. 49-50.
117. Henrici-Olive, L, Olive, S.: Polymerisation: Katalyse-Kinetik-Mechanismen, Verlag
Chemie 1969.
118. Bevington, J. C: Radical Polymerization, Academic Press Inc., New York 1961.
119. Boguslavslavskaya, L S. Chim. Prom. 43, 1967, S. 177-183, in russischerSprache.
120. Henrici-Olive, G., Olive, S.: Makromol. Chem. 24, 1957, S. 64-75.
121. Henrici, G., Schulz, G. V: Reaktionskinetikder Polymerisationshemmung durch molekularen Sauerstoff, Die Makromolekulare Chemie 18/19, 1956, S. 437-454.
122. Studer, K., Decker, C, Beck, E, Schwalm, R.: Overcoming oxygen inhibition in UV-curing
of acrylate coatings by carbon dioxide inerting, Part II, Progress in Organic Coatings 48,
2003,S.101-111.
123. Persoenliche Mitteilung von Herrn Dr. Erich Beck, BASF AG, Ludwighafen,
Deutschland.
124. Winkler, E.: Duenne Schichten mit grosser Wirkung, Effektstoff-Forschung - Von
der chemischen Struktur zum physikalischen Effekt, Broschuere der BASF AG, 1997,
S. 32-41.
125. ЕР 1323525АЗ, Heinrich J. Kesseboehmer KG, 2003.
126. Studer, K, Decker, C, Beck, E., Schwalm, R.: Overcoming oxygen inhibition in UVcuring of acrylate coatings by carbon dioxide inerting, Part I, Progress in Organic
Coatings 48, 2003, S. 92-100.
127. EP 0540884, Herberts & CO GmbH, 12.05.1993.
128. EP 0559500 Bl, Osaka Sanso Kogyo Limited, 08.03.1993.
129. DE 2425217 A1, Union Carbide Corp. US, 23.01.1975.
13O.Walia, J.: Nitrogen Inerting With Low Levels of Photoinitiator, Fusion UV Systems, Ltd.,
Datum unbekannt.
192 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
131. Misev, L: Nitrogen Inerting Benefits Thin UV Coating Cure, Ciba Specialty Chemicals
Inc., Datum unbekannt.
132.Aehlig, K.: Umweltfreundliches Lackieren von Holz und Holzwerkstoffen durch
UV-Haertung unter Inertgas zur Erzielung emissionsarmer, qualitative hochwertiger
Beschichtungen, BMWi-Projekt, Datum unbekannt.
133.Starzmann,0.:EntwicklungsmoeglichkeitenderUV-lnert-Technologie,l-Lack3/99,67.
Jahrgang, S. 1 4 1 - 1 4 4 .
134. Lobert, M.: Elektronenstrahlhaertbare Systeme, S o n d e r d r u c k a u s HK 12/95.
135. «Larolux»- UV-LackhaertunginKohlendioxid, B r o s c h u e r e d e r B A S F A G , Ludwigshafen,
Datum unbekannt.
136. Beck, E.: UV-Haertung in neuen Dimensionen, Vortrag in Paderborn, 26.11.2002.
137. Beck, E.: UV-LackemitHoehensonne unter Kohlendioxidatmosphaerehaerten, besser
lackieren, Nr. 19,16.11.2001.
138. Biehler, M., Beck, E., Menzel, K., Titusson, S., Daiss, A., Soljamo, K., Fagerholm, K.: UV
Becomes 3-Dimensional, BASF AG, Germany and Tikkurilla Coatings, Finland, RadTech
Europe 2005, Conference & Exhibition.
139. Horschig, J . : 3D-Substrate mit UV-Strahlen haerten, besser lackieren, Nr. 16,
07.10.2005.
140. Meichsner, G.:GrundlagenderUV-Haertung, 3.EsslingerOberflaechenseminar, Datum
unbekannt.
141. Macosko, С W., Miller, D. R.: Marcomolecules 1976, 9, 199.
142.Zosel A.: Lack- und Polymerfilme, Curt Vincentz Verlag, Hannover, 1996, S. 60-61.
143. Neumueller,O.-A.: RoemppsChemie-Lexikon, Franck'scheVerlagshandlung, V. Keller
& Co., Stuttgart, 1981, 8.Auflage, S. 1495.
144. UV-Lack Richtrezepturen der Firma Bayer Material Science AG, Leverkusen.
145. UV-Lack Richtrezepturen der Firma Cytec Surface Specialties Austria GmbH.
146. UV-Lack Richtrezepturen der Firma BASF AG, Ludwigshafen.
147. Prieto, J.: UV-hoertende Lacke - Moebelbeschichtung ohne Restemissionen? Dokumente zu Lacken und Farben Nr. 6, Deutsches Lackinstitut, 1999.
148. DE 102004007503 A, 3H-LACKE Lackfabrik Hammen, 2005.
149. Brenni, S.: Das Mono-Cure-Verfahren und die Moebellackierung in Norditalien, I-Lack,
57. Jahrgang, 9/1989, S. 307-310.
150.Stolze, E.: Anlagenloesungen und Arbeitsprinzipien der italienischen Moebelindustrie,
I-Lack, 56. Jahrgang, 6/1988, S. 198-201.
151.Rauch Moebel: Homepage (nach URL: http://www.rauchmoebel.de/Historie.
l7.0.html, (14.05.2006)).
152. Ungricht, G.: Aspekte derGravurtechnik, Vortrag auf dem Symposium der Fa. Buerkle,
Freudenstadt, 2004.
153. Unbekannt: Oberflaechenmarkt in Bewegung, Verlag Frankstein, 2005.
154. Kipphahn, H.: Handbuch der Printmedien, Springer Verlag Heidelberg, 2000.
155. http://www.bvd-online.de/branche/040204br.html, 14.05.2006.
156. http://www.sohnrey.de/druckseiten/index.html, 21.05.2006.
157. Material + technik moebel, Mitteilung: Interprint startet eigene Lasergravur, Februar2006.
158. Ungricht: Homepage (nach URL: http://www.ungricht.de/public/industriebereiche.
html?lang=de&id=14 (2005)).
159. Harm, D.: Druck-Sache - Direktdruck-Technik von Hymmen mit neuem Maschinenkonzept, Surface-Magazin, 2005, Seite 44-47.
160. Schreck, T.: Tiefdruck-Zone - Buerkle setzt auf Direktdruck fuer Moebel- und Fussbodenoberflaechen, Surface-Magazin, 2005, Seite 36-38.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 193
161. Vahlhaus, A.: Neu-Auflage - Indirect Print Laminate, Surface-Magazin, 2005, Seite 4 0 - 4 2 .
162. Barth, R.: Indirekter Tiefdruck: Schreckgespenst oder «schlafender Hund»? mt International, Maerz 2005, S. 4 0 - 4 4 .
163.Voigt, J . : Direct Printing, Vortrag, RadTech Europa 2005, Conference & Exhibition,
Barcelona.
164. Grahn, R.: UV-haertende und wasserloesliche Druckfarben, Vortrag auf dem Buerkle
Symposium, Freudenstadt, 2004.
165. Vahlhaus, A.: The Renaissance of Wet Application: New Opportunities for the Laminate
Flooring Industry HPC (High Performance Coatings), RadTech Europa 2005, Conference
& Exhibition, Barcelona.
166. Thole, V.: Leichte Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, WKI Vortrag, Braunschweig, 2004.
167.Unbekannt: Vacumat - Das innovative Lackiersystem fuer Profile, Kanten, Flaechen.
Technische Unterlage der Fa. Schiele Maschinenbau GmbH, Niederzissen.
168. Unbekannt: Hohe Effizienz durch Flexibilitaet und Vielseitigkeit. Technische Unterlage der
Fa. Schiele Maschinenbau GmbH, Niederzissen 1999.
169. Hochstein,D.:AllgemeineInformationVakuumLackieranlagen.TechnischeInformationen,
Fa. Giardina, Suedlohn.
170. Unbekannt: Die UV-Vakuum-Lackiertechnikhatjetztbegonnen. I-Lack59, S. 1 1 5 - 1 1 7
(1991).
171. Unbekannt: Vakumat-Praesentation, Fa. Schiele Maschinen GmbH, Niederzissen, 2000.
172. Nebel, B.,Wegener, G., Zimmer, В.: Oekobilanzierung Holzfussboeden, Herausgeberder
Studie: Holzforschung Muenchen - HFM, Technische Universitaet Muenchen, 2.
ueberarbeitete Auflage, August 2002.
173. Informationen der FEP (Foederation der europaeischen Parkett-lndustrie-Verbaende)
auf dem 31. Europaeischen Par-kettkongress am 31.05.2006 in Wiesbaden.
174. Mueller, M: Optimized PerformancesofUV-Curing parquet coatings based on unsaturated
acrylic, Vortrag der Firma Bayer AG, 2001.
175. Philips,M.,Decaux,M.,DeWaele,L.;Abriebbestaendigkeit-VergleichvonFormulierungen
und Testmethoden, UCB Radcure-Symposium, Tagungband 6, 12-13.09.1995,
Chiemsee.
176. Biesbrouck, K.: Hard or Flexible Coatings - Influence on Measured Performances,
Tagungsband RadTech Europa 2005 in Barcelona.
177. Scheithauer,M.:MoeglichkeitenderHerstellungvonFussbodenoberflaechenmittelsUVund
ESH,ZeitschriftHK(Holzund Kunststoff), Nr. 6, 1999, S. 64-67.
178.Spang, H.: Sorgfalt und Vorsicht beim Umgang mit Oelen und Wachsen, Magazin
Parkett, Nr. 5, 2002, S. 118.
179. Devantier, В.: Problematische Pauschalaussagen - Bewertung von ausgewaehlten
Parkettbeschichtungen durch das IHD Dresden, Innenausbau-Magazin 1999, Beilage
des Holzzentralblatt9/1999, S. 20-22.
180. Emmier, R.: Bewertung der Verschleissfestigkeit und Langzeitbestaendigkeit von
Moebeloberflaechen, Taetigkeitsbericht 2004, Institut fuer Holztechnologie Dresden
(ihd),S. 28-29.
181. Emmier, R.: Auf das Traegermaterial kommt es an, Fachzeitschrift Boden-WandDecke, 5/1999, S. 58-63.
182. Emmier, R., Devantier, В., Macht, K.-H.: VerlegequalitaetstelltWeichenfuerLanglebigkeit
bei Laminatboeden, IHD-Dresden, Fachzeitschrift Laminat-Magazin, 1999, S. 29-32.
183. Emmier, R.: Anforderungsprofil an Holzlackierungen - Einteilung in Nutzungsklassen,
Institut fuer Holztechnologie Dresden (ihd), 2003.
194 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
3.1.7. Водные лакокрасочные материалы
Разбавляемые водой системы ЛКМ 3 4 появились в промышленном производстве в 70-х гг. прошлого века и с тех пор не потеряли своего значения благодаря постоянному пополнению набора пленкообразующих, в том числе и для
окраски высококачественной мебели [1].
С точки зрения воплощения в жизнь европейской ЛОС-директивы, многие
предприятия деревообрабатывающей промышленности вынуждены продумать и приспособить свои лакокрасочные системы, производства и процессы
к требованиям по ограничению эмиссии вредных веществ в атмосферу. При
переоборудовании и новом планировании производства водорастворимые
ЛКМ дают возможность выполнить европейские требования и отказаться от
систем, содержащих органические растворители.
Согласно DIN EN 971-1, разбавляемые водой материалы для покрытий - это
материалы, в которых пленкообразующее вещество растворимо или диспергировано преимущественно в воде. Это общее определение охватывает как
диспергированные, хотя и нерастворимые полимеры, так и растворимые полимеры, и переходную область коллоидных растворов. Сегодня под водными
пленкообразующими имеют в виду в общем случае растворы или дисперсии
пленкообразующих, большая часть которых состоит из воды [2, 3].
В зависимости от требуемого профиля производства и качества покрытия в
распоряжении производителей сегодня имеются прозрачные, лессирующие
или полностью пигментированные водные системы. Важнейшими водорастворимыми материалами для мебели и дверей на сегодня являются:
• однокомпонентные водные лаки (физической сушки):
— несамоотверждающиеся (НСО);
— самоотверждающиеся (СО);
• однокомпонентные УФ-отверждаемые водные материалы, физической
или нефизической сушки;
• 2К-ПУР системы (с добавкой полиизоцианата в качестве отвердителя);
• 2К-ПУР и УФ-отверждаемые системы (комбинированное Dual-Cureотверждение).
Водорастворимые лаки много лет использовались как изолирующие для
сучковатой сосновой древесины перед обработкой материалами, содержащими органические растворители, так как пленкообразующие водных лаков
трудно растворимы в органических растворителях и образуют изоляционный
слой на поверхности древесины. Для выравнивания рисунка перевернутого
и неперевернутого шпона водные лаки давно используются перед нанесением растворимого в органических растворителях бейца. Давно с большим размахом применяют также пигментированные и прозрачные 1К-водные материалы при окраске твердых древесно-волокнистых плит для боковых стенок
мебели и стульев. В последние годы большое количество прозрачных НЦ лаков было заменено на 1 К-самоотверждающиеся водные. Для замены на промышленных линиях прозрачных, содержащих органические растворители 2КПУР лаков понадобилось от 3 до 4 лет усиленной работы над рецептурами 1К
УФ-отверждаемых покрывных систем. Понадобилось около 5 лет для создания пигментированных 2К-ПУР водных систем, обладающих химической стойкостью согласно требованиям DIN 68861, ч. 1В для высококачественных по1
Водорастворимые лаки называют также гидролаками.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 195
крытий кухонных фронтонов. Новейшей разработкой являются полностью пигментированные Dual-Cure системы для производства кухонной мебели. Экономичные покрытия можно получить при сочетании двух механизмов отверждения - полимеризации и полиприсоединения.
3.1.7.1. Состав водных лакокрасочных материалов
Нарис.З. /.£?4представлены важнейшие компоненты водных материалов. Следует обратить внимание, что существует огромное количество различных пленкообразователей и аддитивов для рецептур водорастворимых материалов.
Пленкообразователи для водных Л КМ
В водных лакокрасочных системах речь идет главным образом о полимерных дисперсиях. Термин полимерная дисперсия объясняется в части 3.2.2.
Существует несколько вариантов классификации пленкообразователей на
водной основе. Главными из них являются следующие:
. по величине существующих в водной фазе полимерных частиц:
— молекулярная дисперсия (< 1 нм);
— коллоидная дисперсия (10-100 нм);
— грубая дисперсия (> 1000 нм).
При размере частиц между 1 и 10 нм и между 100 и 1000 нм находятся переходные области между молекулярными и коллоидными и между коллоидными
и грубодисперсными системами. В табл. 3.1.47 [4] проводится более тонкое
распределение, которое лучше учитывает переходные области используемых
пленкообразователей в водных системах:
. по процессу получения (например, первичная дисперсия, вторичная дисперсия);
• по типу пленкобразователя (например, акрилатная, полиуретановая дисперсия).
Первичные дисперсии
Как описано в части 3.2.2., где речь идет о покрытиях для наружных работ, в мебельной промышленности также используются классические акрилатные дисперсии (эмульсионные полимеризаты). Основополагающие связи между получением, размерами частиц, распределением частиц по размерам, морфологией, а
также физическими и химическими свойствами и механизмом пленкообразования, тоже описаны в части 3.2.2. Акрилатные дисперсии для мебельных покрытий
отличаются от дисперсий для наружных работ следующими свойствами:
• повышенной твердостью пленки;
• умеренной эластичностью;
. высокой температурой пленкообразования;
. лучшей химической стойкостью;
. различной морфологией.
Для применения в мебельной промышленности используются неотверждающиеся и самоотверждающиеся акрилатные дисперсии в зависимости от спецификации. С учетом необходимой химической устойчивости мебельных поверхностей предпочтение отдается самоотверждающимся акрилатным дисперсиям. Химическое отверждение во время пленкообразования в этих системах часто осуществляется за счет добавки дигидразидов (см. часть 3.2.2.).
В последнее время занимаются новыми акрилатными дисперсиями с KERNSCHALE-морфологией, которые могут быть самоотверждающимися или УФотверждения [5].
196 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Пигменты,
налсшнитеди,
матирующие
средства
Фотоинициаторы
.••.'••И. синергетики".;
;
д л я У Ф ^ "••'•
•'•
отверждаемых
материалов
Аддитиаы: антивспениватеяи, средства для
растетйиия, йнгибитвр« г Й:айийи заторы» нейтрализующие
загуаител
атары
Рис. 3.1.94. Общий состав рецептур водорастворимых материалов
Эмульсии
Под обозначением эмульсия понимают распределение двух жидких фаз35.
Эмульсионные пленкообразователи, конечно, не играют такой большой роли для древесных покрытий как акрилатные или вторичные дисперсии. Известно об их применении в области водных УФ-отверждаемых лаков. ДиспергируТаблица 3.1.47. Распределение органических пленкообразователей в воде. Источник:
Bodo MuelLer/ULrich Poth «Lackformulierung und Lackrezeptur», Seite 163, Tabelle III-1.2
Величина частиц, нм
Больше 1.000
1.000 до 100
Внешний вид*
Название
Молочно-белый
Грубая полимерная дисперсия
Грубая эмульсия
Голубовато-белый
Тонкая полимерная дисперсия
Прозрачно-голубоватый
Тонкая полимерная дисперсия
Раствор полимеров**
Микроэмульсия
Мутно-прозрачный
Гидрозоль
Раствор полимеров***
Прозрачный (эффектТиндаля)
Молекулярный раствор***
100 до 50
50 до 10
10до1
* При большом различии в показателях преломления воды и связующего.
** Молекулярный коллоид.
*** Связующее с небольшой молекулярной массой (например МФ смола).
35
Молоко является типичным примером эмульсии. Основной фазой является вода, в которой
диспергированы мельчайшие капельки жира.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 197
ют, например, эпокси- и полиэфиракрилаты с помощью защитного коллоида
(N-винилпирролидон-сополимеризата) или классических эмульгаторов. Благодаря присутствию в структуре молекул ненасыщенных полиэфирных смол
неионных гидрофильных групп (например, полиэтиленгликольных фрагментов), они образуют в воде эмульсии. Недостатками эмульсий являются склонность к расслоению и увеличению размеров частиц при хранении составов.
В отличие от акрилатных дисперсий испарение воды из эмульсионных слоев
во время сушки проходит значительно медленнее.
Вторичные дисперсии
Вторичные дисперсии состоят из полимеров, полученных в органической
фазе или расплаве. В таком виде на второй стадии процесса они вводятся в
водную дисперсию. Для обработки древесины и древесных материалов применяются главным образом классические полиуретановые дисперсии и УФотверждаемые полиуретановые системы.
Полиуретановые дисперсии
Основные принципы получения полиуретановых дисперсий описаны в части
3.2.2. Для покрытия древесины и древесных материалов применяют в зависимости от желаемых свойств и экономических критериев алифатические и
ароматические полиуретановые дисперсии. Полиуретановые дисперсии, полученные с использованием алифатических изоцианатов, могут применяться
для светостойких, устойчивых к истиранию и эластичных покрытий. По отношению к гидрофобным субстанциям, таким как жиры и пластификаторы, они
проявляют большую устойчивость, чем классические акрилатные дисперсии.
Сверх этого, они отличаются очень хорошим смачиванием пигментов, хорошей адгезией и «подсветкой» древесины 36 на разных подложках.
Используя ароматические изоцианаты, получают твердые покрытия, которые, однако, склонны к пожелтению. Из-за высокой цены на сырье, для получения алифатических полиуретановых дисперсий в промышленности их часто
используют в смеси с акрилатными дисперсиями или вовсе не используют.
УФ-отверждаемые полиуретановые дисперсии37
Благодаря полиспиртам, входящим в состав полиуретанов, они могут диспергироваться в воде и содержат реакционноспособные двойные связи, обеспечивающие их отверждение под действием излучения [8, 9]. Однако, как правило, изоцианатные преполимеры взаимодействуют с ненасыщенными гидроксиалкилакрилатами. При этом образуются концевые двойные связи [10-14].
На рисунке 3.1.95 [6] в общих чертах намечена структура высокомолекулярной
УФ-отверждаемой полиуретановой дисперсии с концевыми двойными связями. Результаты последних исследований показывают, что лучше, если двойные
связи располагаются вдоль всей полимерной цепи, а не только в конце цепи в
акрилатных фрагментах. Но механическое вмешивание акрилатных мономеров
или олигомеров в полиуретаны не дает удовлетворительных результатов [15].
Водные УФ-отверждаемые полиуретановые дисперсии совмещают свойства
классических 2К-полиуретановых систем с преимуществами быстрого и экономичного УФ-отверждения. Уже в состоянии пригодности к обработке в полиуретановых водных системах существует полимерная сетка, которая окон36
Термин «подсветка» древесины означает углубление цвета при нанесении покрытия, которое
подчеркивает текстуру древесины.
37
Полиуретановые дисперсии среди специалистов обозначаются как ПУД- или ПУ-дисперсии.
198 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
о
NRT
5
о
н
i
R
О
О
N
О
н
н3с
N
О
О
о
H
coo"
O
N
О
H
о
N O
О
О
R
А = полиэфир/эпокси/уретан/простой полиэфирный акрилат
В = диизоционат
С = гидрофильный фрагмент (карбоксилат, аминные или сульфогруппы)
А = полимерный или мономерный диол
Рис. 3.1.95. Структура высокомолекулярной акрилатно-полиуретановой дисперсии
чательно химически связывается под действием УФ-излучения. Этот процесс
происходит в течение нескольких секунд после выпаривания воды.
Прочие полимерные дисперсии
Для внедрения в водные 2К-полиуретановые и отделочные материалы (см.
ч. 3.1.10) используются карбоксилсодержащие, насыщенные, нейтрализованные аминами полиэфиры. Эти низкомолекулярные гидроксилсодержащие
пленкообразователи после нейтрализации аминами (например, аминометилпропанолом, диметилэтаноламином) образуют коллоидные водные растворы, которые используются, например, совместно с меламиновыми или карбамидными смолами в рецептурах горячей сушки для бумажных пленок. Другим направлением является введение этих пленкообразующих в водные 2Кполиуретановые материалы в сочетании с подходящими полиизоцианатами.
Также карбоксилсодержащие полиакрилаты с молекулярной массой от 50 000
до 150 000 и кислотным числом от 40 до 80 после получения частично нейтрализуются аминами и при растворении в воде образуют так называемые вторичные дисперсии с размером частиц от 20 до 200 нм [2, 4]. Растворенные таким образом вторичные дисперсии благодаря наличию гидроксильных групп
могут взаимодействовать, например, с некоторыми полиизоцианатами.
Отвердители и активные разбавители
Типичными отвердителями для химической сшивки карбоксил- и гидроксилсодержащих дисперсий, используемых для обработки древесины и древесных
материалов внутри помещений, являются:
• полиизоцианаты;
• азиридины;
• силаны.
Полиизоциана ты
К концу 1980-х гг. впервые удалось использовать водорастворимый 2Кполиуретановый ЛКМ в промышленном масштабе. Как уже было показано Отто Байером в 1943 г., при взаимодействии алифатических диизоцианатов с гидросульфитом натрия можно получить продукт, пригодный для использования
в водных системах [17]. Использование этого процесса в технике покрытий
долго не могло быть реализовано, так как полиизоцианаты реагируют с водой
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 199
с образованием мочевины и углекислого газа. Только после открытия подходящих гидроксифункциональных диспергаторов, которые сделали возможной
переработку полиизоцианатов в водной среде, удалось получить покрытия высокого качества [16]. Это потребовало разработки новых типов полиизоцианатов, что в свою очередь привело к разработке новых концепций отверждения.
Речь идет в данном случае о следующих типах полиизоцианатов:
. низковязкие и гидрофобные полиизоцианаты;
• гидрофильные полиизоцианаты;
• полиизоцианаты , содержащие сульфокислотные группы.
На рис. 3.1.96-3.1.98 представлены различные модифицированные полиизоцианатные отвердители, которые используются для водных
2Кполиуретановых систем. На рис. 3.1.96 и 3.1.97 [18] показаны модифицированные полиэфирные полиизоцианаты 1-го и 2-го поколений. Их недостат-
Рис. 3.1.96. Пример структуры модифицированного полиэфирного полиизоцианата
(HDI-тример)
OCN,
Идеальная структура модифицированного полиэфиром
HDI тримера/аллофанатного типа
Рис. 3.1.97. Пример структуры модифицированного полиэфирного полиизоцианата
(HDI-тример, аллофанатный тип)
Рис. 3.1.98. Идеальная структура HDI-тримера, модифицированного аминосульфокислотой
200 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
ком является остающаяся даже после взаимодействия с пленкообразователями гидрофильность поверхности. Она негативно сказывается на устойчивости белых 2К-полиуретановых материалов к воздействию кофе, красного вина и горчице. Новым поколением полиизоцианатов, нечувствительных к действию окрашивающих веществ, является HDI-тример, модифицированный
3-(циклогексиламино)-1-пропан-сульфокислотой [19]. Кроме того, он проще
смешивается с компонентами основы. Так как перечень свойств водных полиуретановых материалов расширяете я, стремясь соответствовать традиционным системам, они в относительно короткое время нашли широкое применение в практике лакокрасочных покрытий.
Азиридины
Полимеры, содержащие карбоксильные группы, реагируют с полифункциональными азиридинами с образованием (З-гидроксиламидов. Несмотря на внушающую
опасения токсичность, они используются в водных материалах для мебели и окон
в качестве отвердителя. При их использовании улучшается твердость покрытия
(неслипаемость при штабелировании), устойчивость к воде и спирту. По мнению
авторов, эти соединения не имеют большого значения и не должны применяться
для покрытия древесины и древесных материалов из-за своей токсичности.
Силаны
При использовании в водных материалах функциональных силанов в качестве
отвердителей, может быть инициирована реакция образования полимерной
сетки с одновременным избирательным улучшением химической стойкости покрытия. Силансодержащие отвердители находят применение главным образом
в Северной Америке при окраске мебели. По сравнению с полиизоцианатными
сшивающими агентами, они имеют худшую химическую стойкость.
Активные разбавители
Активные разбавители для радиационного отверждения
Для использования в водных УФ-отверждаемых материалах могут применяться известные разбавляемые водой и эмульгирующиеся активные разбавители, такие как этоксилированный триметилопропантриакрилат. Степень
этоксилирования определяет его совместимость с водой.
Активные разбавители для 2К-полиуретановых материалов
Для повышения доли нелетучих веществ и степени поперечных связей, а также для регулирования рабочей вязкости в 2К-полиуретановых системах применяют водорастворимые полиспирты в качестве партнеров в реакции с полиизоцианатами.
Другие компоненты рецептуры
Для водорастворимых материалов используют пигменты, наполнители, матирующие средства и аддитивы, которые достаточно описаны в части 3.2. Фотоинициаторы для водных Л КМ описаны в части 3.1.6.
3.1.7.2. Водные системы лакокрасочных покрытий
Для промышленной окраски древесины используются различные лакокрасочные системы. При использовании водорастворимых материалов существенно
снижается эмиссия органических растворителей. Поскольку водные материалы
не горят, они могут способствовать снижению страховых премий в производстве при использовании их в качестве замены систем, использующих органические растворители. Ниже представлены важнейшие типы водных лакокрасочных систем, которые применяются в соответствии с требованиями к качеству
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 201
покрытия и параметрами технологического процесса. Основная информация
по пленкообразованию водных материалов подробно обсуждается в части 3.2.
1 К-во дные материалы
Существует два типа однокомпонентных водных ЛКМ: несшивающиеся, т.е.
не образующие поперечные химические связи (Н-С-С), и самосшивающиеся, т.е. образующие поперечные химические связи (С-С) системы. Образование пленки в обоих случаях происходит при испарении летучих веществ рецептуры (воды, органических растворителей). Это называют физической сушкой покрытия.
Однокомпонентные водные НСС-материалы
Как правило, НСС-водные материалы имеют в своей основе акрилатные дисперсии. Возможны комбинации с полиуретановыми дисперсиями. Используются также полиакрилаты, нейтрализованные гидроокисью натрия.
НСС-водные лаки были первыми, использовавшимися в промышленности
материалами для окраски древесины и древесных изделий. Так как эти материалы после нанесения физически высыхают и химические реакции с образованием поперечных связей не происходят, то устойчивость образующейся при этом пленки недостаточна для поверхности мебели. Они не обладают устойчивостью по отношению к органическим растворителям, длительному воздействию воды и спирта и ПВХ-пластификаторам. Пигментированные водные лаки применяются для обработки твердых древесно-волокнистых
плит (см. табл. 3.1.48). Используемые нейтрализованные полиакрилаты способствуют улучшению процесса вальцового нанесения покрытия. Для повышения химической стойкости слой водного материала обрабатывают
УФ-отверждаемым прозрачным лаком (около 100% нелетучих веществ) на
вальцах. Полученное таким образом покрытие соответствует требованиям
DIN 68861, ч. 1 для поверхности мебели. В основном однокомпонентные водные материалы используют для не сильно нагруженных деталей мебели или
в качестве грунтовки.
Однокомпонентные водные СС-материалы
При использовании однокомпонентных водных систем, способных к образованию поперечных химических связей, можно получить покрытия с заметно
лучшей химической стойкостью. Используют акрилатные первичные или вторичные дисперсии, которые в момент пленкообразования могут реагировать
с карбоксильными группами пленкообразующего с образованием сетки химических (например, дигидразиды) или комплексных металлоионных связей
(аминокомплексы Zn2+) (см. ч. 3.2). В зависимости от выбора пленкообразующего, водные материалы почти соответствуют требованиям DIN 68861, ч. 1В и
группам требований R4 и R2 (IOS-MAT-0066/20.01.2006) фирмы «ИКЕЯ» к поверхности мебели. Водные ЛКМ используются в основном как грунтовки, покрывные или многослойные покрытия для мебели и окраски стульев. Они являются хорошей экономической и технологической альтернативой содержащим
органические растворители нитроцеллюлозным лакам. Рецептуры содержат
от 4 до 8% необходимых для образования пленки органических растворителей, таких как бутилгликоль. В состав водных прозрачных лаков входит от 30 до
40% нелетучих веществ. Традиционные растворимые в органических растворителях нитроцеллюлозные и 2К-полиуретановые лаки содержат от 20 до 25%
нелетучих веществ. При замене органорастворимых систем на водорастворимые можно сократить расход рабочего раствора на 10-20% благодаря высо-
202 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.48. Пигментированный однокомпонентный водный материал (грунтовка)
для твердых древесноволокнистых плит с нанесением на вальцах
Массовая доля
Компонент
Назначение
Водорастворимый полиакрилат 1 (50% в воде)
Пленкообразующее
18,10
Вода
Растворитель, регулятор вязкости
32,00
Антивспениватель"
Предотвращение образования пены
Амин (90% в воде) 2-амино2-метил-1-пропанол
Нейтрализатор для пленкообразующего
0,2
Раствор аммиака
(25% в воде)
Нейтрализатор для пленкообразующего,
корректировка рН около 9
2,5
Смачивающие и диспергирующие добавки 3
Смачивание пигмента и улучшение диспергируемости неорганических пигментов
0,10
Бутилгликоль
Растворитель
3,80
Двуокись титана, тип рутила4 (с последующей обработкой соединениями алюминия)
Белый пигментт, окраска
Мел5
Наполнитель
Каолин ASP 170
6
0,10
21,20
9,00
Наполнитель, средство против
осаждения
Всего
13,00
100,00
Вязкость (23°С, б мм сопло): около 40-60 с.
Craymul 2229 (Cray VaLLey).
2
Nopco® 8034 (Nopco Paper Technology).
3
Borchi®GenND(Borchers).
4
Kronos 2300 (Kronos).
5
Omyacarb 2 BE (Omya).
6
Alumimumsilikat ASP-170.
1
кому содержанию нелетучих веществ в водорастворимом материале. В промышленности используются быстросохнущие, пригодные к штабелированию
покрывные лаки, которые высыхают за 30-45 минут интенсивной сушки при
35-4СГС и после охлаждения до 23-25°С могут быть сложены в штабель или
подвергнуты дальнейшей обработке. Но обычно для высыхания однокомпонентных водных материалов до состояния штабельной твердости в нормальных условиях (23°С, 50%-ной относительной влажности воздуха) требуется от
12 до 16 ч. При использовании С-С-водных материалов в качестве грунтовок,
они затем могут быть покрыты обычными НЦ или 2К-ПУР-лаками. В зависимости от состояния загрунтованной поверхности ее следует сначала отшлифовать, чтобы обеспечить безупречную адгезионную прочность покрытия.
УФ-отверждаемые однокомпонентные водорастворимые системы
С 1976 г. лакокрасочная промышленность активно занимается водными
УФ-отверждаемыми системами. Этому есть несколько важных причин:
# уменьшение эмиссии органических растворителей;
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 203
• отказ от использования низкомолекулярных мономеров из-за их раздражающего действия на кожу при использовании традиционных УФматериалов, наносимых распылением;
. повышение эффективности производства по сравнению с другими однокомпонентными водными материалами;
. хорошая механическая и химическая устойчивость получаемых покрытий.
Первыми эти системы начали использовать изготовители профильной древесины, а затем, с конца 1980-х гг., и производители стульев.
В зависимости от используемого пленкообразующего различают физически
или не физически сохнущие УФ-отверждаемые водные материалы. В начале переводили в водные эмульсии обычные УФ-пленкообразующие с помощью добавления внешних эмульгаторов или использовали УФ-пленкообразующие с гидрофильной структурой и переводили их в эмульсии, используя механические
воздействия. Вскоре выяснились и недостатки этих систем, например, нестабильность при замораживании и размораживании, низкая стабильность эмульсий (изменение размеров частиц), высокая чувствительность к изменению рН и
низкая УФ-активность. Этот тип пленкообразующих не обладает способностью
к физическому подсушиванию перед УФ-отверждением и поэтому сохраняется
большая опасность загрязнения и пылевых включений в канале сушки. Большим
недостатком этих пленкообразующих является также то, что при окраске трехмерных изделий поверхности, попавшие в теневую зону облучателей, практически не отверждаются. Покрытие остается клейким. Дальнейшие исследования привели к созданию смесей физически сохнущих акрилатных дисперсий с
УФ-отверждаемыми олигомерами. Эти системы вскоре исчезли с рынка, так как
имели различные недостатки, например, нестабильность смесей. Наконец, в
последние 10-12 лет на рынок прорвалось третье поколение УФ-отверждаемых
водных материалов на основе УФ-отверждаемых полиуретановых дисперсий.
После физического подсушивания они образуют неклейкие стабильные пленки. К тому же они большей частью растворимы и не содержат активных разбавителей, низковязкие, требуют немного фотоинициатора, высокоэластичные и
одновременно очень твердые, легко матируются и имеют хорошую адгезию к
различной древесине и пластикам. В табл. 3.1.49 представлен рекомендуемый
состав однокомпонентного УФ-отверждаемого прозрачного лака. Присутствующие на рынке УФ-отверждаемые лаки отличаются следующими свойствами:
• отсутствием жизнеспособности;
• возможность нанесения с помощью любых распылителей;
• рабочая вязкость от 30 до 60 с по вискозиметру с соплом 4 мм;
. сушка при температуре 40-45°С от 6 до 12 минут, окончательное
отверждение УФ-облучением (ртутные лампы высокого давления мощностью 80 Вт/см) со скоростью перемещения от 3 до 5 м/мин;
. степень блеска от матового до глянцевого, так же как и для физически невысыхающих водных УФ-материалов;
• соответствие параметра химической устойчивости DIN 68861, ч. 1;
. мягкость по ПВХ-тесту;
• применимы для кухонной мебели, мебели для ванных комнат, жилых помещений, спален, ступеней лестниц, стен, обшивки, дверей и стульев.
Физически высыхающие водные УФ-материалы используются как прозрачные лаки, пигментированные грунтовки и/или покрывные лаки. Составы пигментированных лаков отличаются тем, что концентрация пигментов в них не
204 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
очень велика, так как это может привести к возникновению проблем при отверждении. Это может быть выражено, например, в ухудшении адгезии к субстрату. Главными направлениями применения являются мебельная промышленность и производство дверей.
Двухкомпонентные полиуретановые водные материалы
К концу 1980-х гг. впервые удалось получить 2К-полиуретановый материал
на водной основе [21]. Долгое время это сделать не удавалось, так как полиизоцианаты реагируют с водой с образованием N-замещенных полимочевин
и двуокиси углерода. СО2 в пленке образует пену. Только получение мелкодисперсных водных карбоксил- и гидроксилсодержащих пленкообразующих (полиакрилатов) со свойствами эмульгатора позволило ввести в систему низковязкие полиизоцианаты и уменьшить активность побочных реакций полиизоцианатов. Содержание гидроксильных групп пленкообразующего относительно 100% сухого остатка составляет от 2 до 4%, а кислотное число равно 2 0 30. Размер частиц — от 200 до 300 нм. Чем более неполярным, низковязким
и инертным является полиизоцианат, тем труднее он реагирует с водой [22].
Гидрофильные полиизоцианаты проще ввести в водную фазу, но они очень интенсивно взаимодействуют с водой. Многочисленные аналитические исследования установили, что карбоксильные группы пленкообразующего вовсе не
так хорошо реагируют с полиизоцианатами с отщеплением СО2 [23].
Чтобы, несмотря на побочные реакции, получить плотную уретановую трехмерную химическую структуру по реакции пленкообразующего с полиизоцианатом,
берут соотношение полиизоцианата и пленкообразующего от 1,1 : 1 до 1,8 : 1.
При использовании водных 2К-полиуретановых материалов, в отличие от
растворимых в органических растворителях, существует одно ограничение они имеют ограниченное время использования — от 2 до 4 ч. В отличие от систем, растворимых в органических растворителях, при использовании водных
материалов невозможно следить за изменением вязкости [22]. Полиизоцианатный компонент нужно диспергировать в водной эмульсии пленкообразующего непосредственно перед использованием, так как оба компонента интенсивно реагируют между собой. В зависимости от рецептуры и типа полиизоцианата в первый момент вязкость возрастает. Затем в течении 10-20 минут
она падает и устанавливается на определенном для данного продукта уровне.
Обратный эффект изменения вязкости также известен. На процесс получения
смесей существенно влияют следующие параметры:
. поверхностное натяжение на границе раздела фаз (основа, отвердитель);
• энергоемкость при смешении компонентов;
• вязкость и гидрофильность раствора отвердителя (полиизоцианата);
• разница в вязкости обоих компонентов (основы и отвердителя).
Использование гидрофильных полиизоцианатов приводит к упрощению
смешивания компонентов, однако при этом заметно ухудшается устойчивость
покрытий к спирту и окрашивающим веществам, таким как кофе, красное вино
и горчица. Чтобы покрытия соответствовали требованиям к кухонной и прочей
мебели, необходимо использовать гидрофобные полиизоцианаты. Для оптимального смешения компонентов нужны большие затраты энергии. На практике компоненты смешиваются в мешалках (пневматических мешалках) или лучше с использованием 2К-смешивающих агрегатов, таких как струйные диспергаторы [25]. Ручное перемешивание часто приводит к получению неустойчивых покрытий.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 205
Таблица 3.1.49. Однокомпонентный УФ-отверждаемый прозрачный лак для нанесения
распылением
Компонент
Назначение
Акрилированная полиуретановая дисперсия1
(нелетучая часть 39%)
УФ-пленкообразователь
Пирогенная кремниевая
кислота2
Матирующее средство
1,50
Дисперсия модифицированного полиэтиленового
воска3(нелетучая
часть 55%)
Улучшение свойств поверхности,
в частности гладкости
2,00
Полисилоксан/гидрофобный наполнитель в полигликоле'1
Пеногаситель
0,80
Бензофенон/1-гидроксициклогексил-фен ил кетой5
( 1 : 1 смесь)
Фотоинициатор
0,70
Модифицированный полиэфиром полидиметилсилоксан6
Смачивание основы
0,20
Ассоциативный загуститель
на основе полиуретана'
Регулировка вязкости и реологии
0,60
Вода
Растворитель
Всего
Массовая доля
70,00
24,20
100,00
Нелетучая часть (DIN EN ISO 3251): около 31%.
Вязкость (при 23°С, 4 мм сопло): около 35-45 с.
Степень глянца (60°- угол измерения) при двойном нанесении 100 г/мг по мокрому слою:
са. 10 UV.
Сушка(50°С, 1-5 м/с скорость воздушного потока): около 8-10 мин.
УФ-отверждение(1 УФ-ртутная лампа высокого давления, 80 Вт/см): 5 м/мин.
1
Bayhydrol® UV 2282 (Bayer).
2
Acematt® TS 100 (Degussa).
3
Aquamatt®270(Byk).
4
Byk® 028 (Byk).
5
Irgacure®5OO(Ciba).
6
Baysilone® Lackadditiv 3739.
7
Borchi Gel® LW 44 (Borchers).
Гидрофобизированный, этоксилированный уретановый сополимер (HEUR).
Дозирующие и перемешивающие устройства для двухкомпонентных
материалов
Дозирование и смешение компонентов предшествуют основным технологическим операциям. Важно точно дозировать и смешивать материалы в установленных соотношениях. Обычно используется волюметрическая дозировка. Перемешивание происходит, например, в статическом смесителе в блоке смешения на линии окраски. Присутствующие на рынке устройства можно
разделить на два класса:
206 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
— механические дозирующие системы;
— дозирующие системы, управляемые электроникой.
Механические дозирующие системы
Здесь дозирование происходит с помощью унифицированного насосного
узла. В качестве дозирующего элемента используются дозирующие поршневые или прецизионные шестеренчатые насосы, работающие по принципу вытеснения. Количества вводимых в смесь компонентов можно механически регулировать, изменяя ход поршня в поршневых насосах или плавной регулировкой механизма передачи в шестеренчатых насосах.
Дозирующие системы, регулируемые электроникой
В данном случае процесс дозирования осуществляется и контролируется с
помощью компьютера. Это может быть, например, управление работой прецизионного шестеренчатого насоса, когда компьютер заменяет механическую
коробку передач.
Поверхности, покрытые 2К-водными полиуретановыми материалами (прозрачными и пигментированными), обладают теми же механическими и технологическими свойствами, что и изделия с 2К-полиуретановым покрытием на
основе органических растворителей. По этой причине растворимые в органических растворителях системы успешно и усиленно заменяются на водные
при изготовлении кухонной и офисной мебели. Время высыхания для 2К-ПУР
материалов при нормальных условиях (23°С, 50% относительной влажности)
составляет приблизительно 12-16 часов. После этого поверхности можно нагружать, т.е. изделия можно штабелировать. При форсированной сушке (4045°С) время, через которое детали можно складывать в штабель, сокращается до 6-8 часов. Химическое отверждение (полиприсоединение) завершается через 5-7 дней. После этого покрытия приобретают химическую стойкость,
соответствующую требованиям DIN 68861, ч. 1 В.
Водные УФ-отверждаемые двухкомпонентные полиуретановые материалы
Чтобы заметно сократить время высыхания и отверждения пигментированных водных 2К-полиуретановых материалов при примышленном использовании, комбинируют УФ-отверждение и химическое полиприсоединение по так называемой системе Dual-Cure (см. часть 3.1.6.2). При сочетании этих двух механизмов отверждения можно получать и надежно отверждать материалы с высоким содержанием пигментов. При отверждении УФоблучением по Mono-Cure-схеме особые проблемы возникают для материалов желтого и красного цвета. В Dual-Cure-системе соединяются между собой
уф-отверждаемые и содержащие гидроксильные группы пленкообразующие.
В качестве отвердителя используются известные полиизоцианаты в соотношении основа/отвердитель 100 : 5 или 100 : 10. При промышленном применении двухкомпонентные ЛКМ подготавливаются к использованию с помощью дозирующих/перемешивающих устройств. Общее время сушки и отверждения при форсированном режиме (40-50°С) в зависимости от конфигурации деталей (плоская или профильная) составляет от 6 до 20 минут. После
УФ-отверждения и короткого охлаждения поверхности детали можно переворачивать и складывать в штабеля.
3.1.7.3. Применение водных ЛКМ
Применение ЛКМ на водной основе требует от пользователя особого подхода. Идеальные условия переработки — температура от 20 до 23°С и относи-
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 207
тельная влажность воздуха 40-60%. Соответственно, температура ЛКМ и поверхности древесины должна быть такой же. ЛКМ и субстраты с температурой
ниже 20°С использовать нельзя, так как это может привести к образованию некачественной пленки. К тому же не следует забывать, что равновесная влажность древесины составляет от 8 до 12%. Слишком сухие объекты обработки
могут экстремально ускорять высыхание покрытия, что может привести к отклонениям в процессе его формирования.
Кроме этого, следует иметь в виду следующие обстоятельства:
. влажность воздуха в процессе нанесения может сильно влиять на реологические свойства систем ЛКМ на водной основе. При влажности выше
70% во время нанесения материала процесс подсушивания может сильно
затянуться. По этой причине рекомендуют соблюдать интервал относительной влажности от 45 до 65%.
Поскольку водорастворимые материалы обладают высоким поверхностным
натяжением, распылять такие системы труднее, чем растворимые в органических растворителях. Чаще всего приходится распылять материалы при более высоком давлении. Так как древесина сильно впитывает воду, необходимо наносить по возможности тонкие слои ЛКМ и быстро сушить, чтобы уменьшить распрямление древесных волокон (от 60 до 80 г/м 2 рабочего раствора).
Старая малярная мудрость гласит: «Увеличение вдвое количества наносимого
материала при нормальных условиях (23°С, 50% влажности) вчетверо увеличивает время сушки». Для водорастворимых систем принципиально рекомендуется «лучше дважды сделать тонкий слой, чем один раз толстый». Во многих
случаях нагрев субстрата оказывает положительное влияние на предотвращение набухания древесины. Благодаря этому можно быстро исключить взаимодействие между волокнами древесины и водой. Чтобы уменьшить набухание
древесины перед нанесением водорастворимого покрытия, ее шлифуют, причем используют более тонкие абразивы, чем при шлифовке под растворимые
в органических растворителях материалы (зерно от 180 до 220 в зависимости
от типа древесины). Степень набухания по-разному проявляется в зависимости от вида древесного материала. Особенно тщательно должен быть сделан
отбор водорастворимых материалов при обработке MDF-плит. Эти плиты, содержащие незначительное количество клея, склонны к сильному выпрямлению древесных волокон. В данном случае MDF-плиты на основе полиуретанового клея предпочтительнее MDF-плит на основе обычного мочевинного. При
использовании профилированных MDF-плит для уменьшения набухания применяют термообработку поверхности (см. ч. 3.1.9).
Поскольку водорастворимые ЛКМ имеют щелочную реакцию, то при нарушении технологии обработки изделий из древесины, богатой дубильными веществами (дуб, ясень), может произойти изменение цвета субстрата. Древесина
дуба может позеленеть («зеленый оттенок»). У древесины хвойных пород (сосна) могут возникнуть желто-зеленые оттенки и нарушиться адгезия покрытия
в области сучков в результате взаимодействия с веществами, входящими в состав древесины. В таких случаях необходимо проводить пробное лакирование.
Образование пятен, например изменение цвета в области сучков на сосне, —
природный процесс, который не может быть полностью устранен даже при специальном изолирующем грунтовании. Возраст сосновой древесины по отношению к моменту ее окраски сильно влияет на проявление ингредиентов на поверхности. Проявлению этого эффекта способствует температурный режим
208 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
при сушке или в процессе хранения изделий. Поэтому при обработке сосновой
древесины температура сушки не должна превышать 40°С.
ЛКМ на водной основе обладают незначительным эффектом «подсветки»
по сравнению с органорастворимыми материалами. На светлой древесине
(клен) это является преимуществом, так как происходит выравнивание общего цветового тона поверхности. На темной древесине, такой как вишневое или
красное дерево, для которой желательна хорошая подсветка, нужно использовать подходящие бейцы или тонирующие лаки для компенсации незначительной подсветки.
Большинство водорастворимых материалов склонно к физическому подсыханию на устройствах нанесения, таких как аппликационные устройства или
дозаторы. Подсохший лак трудно растворяется и при попадании в жидкую систему приводит к ее загрязнению. В результате на окрашенной поверхности
появляются неровности, а фильтры и дюзы распылителей могут засоряться.
Как известно, составы на водной основе следует перерабатывать только на
устройствах из нержавеющих материалов. Чтобы избежать химического взаимодействия водного материала с цветными металлами, нужно использовать
оборудование из нержавеющей стали (V2A или V4A). Это относится также к
трубопроводам и устройствам подачи и сушки.
Водные материалы особенно чувствительны к загрязнению поверхности субстрата. В результате возникают проблемы со смачиванием поверхности или образованием кратеров. Принципиально следует обратить внимание на то, чтобы
в окрасочном цеху не использовали силиконсодержащие кремы для рук, туалетную воду и силиконовые смазки. Поверхности субстратов должны тщательно полироваться и очищаться вне помещения, в котором происходит окраска.
Если пользователь ЛКМ вводит в материал добавки и загустители, то рекомендуется использовать пневматическое перемешивание. Хорошее перемешивание при введении добавок очень важно. Неоднородность материала может привести к образованию кратеров или другим дефектам пленки.
Перед использованием водорастворимых материалов установки, на которых перерабатывались содержащие органические растворители системы,
должны быть очень хорошо отмыты. Все насосы и шланги должны быть основательно промыты специальными разбавителями или заменены. Затем нужно провести окончательную очистку с помощью так называемого смачивателя
(на основе спирта) и промыть все водой. При использовании автоматических
распылителей нужно переставить очистку ленты на водный материал. Только
после этого можно работать с ЛКМ на водной основе. Следует заметить, что
обычные разбавители органорастворимых материалов непригодны для водных систем. При несоответствующем использовании таких разбавителей в
материале может появиться осадок, а оборудование, особенно фильтры и дюзы, может быть испорчено. После работы с водным материалом оборудование
нужно тщательно промыть водопроводной водой. Засохший лак удаляют специальными очистителями.
Вскрытые бочки с водным материалом после употребления следует закрыть.
Подсыхающие остатки лака не должны оставаться во вскрытой таре. В зависимости от качества водорастворимые ЛКМ могут храниться в надлежащих условиях в оригинальной упаковке от 3 до 6 месяцев. При длительном хранении перед использованием материала необходимо провести контрольные пробы. Водные материалы не должны замерзать и храниться при температуре ниже 5°С.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 209
В принципе, известно, что сушка водных материалов проходит труднее, чем
для систем растворимых в органических растворителях, так как у воды большая теплота испарения и высокая температура кипения, а также большое поверхностное натяжение. Процесс сушки для водных систем зависит от множества различных величин (см. часть 7). Поведение материала при сушке зависит от количества наносимого рабочего раствора. При интенсивной сушке
покрытие должно сначала подсушиваться в зоне испарения. Иначе может случиться так, что при быстром высыхании верхнего слоя покрытия остатки воды и, возможно, органических растворителей не смогут испариться и останутся в пленке. После подсушивания можно форсировать процесс с помощью
циркуляционно-дюзовой сушки или в сочетании с холодной и сорбционной
сушкой. Существует также возможность использовать коротко- или средневолновое инфракрасное излучение. Дополнительной возможностью для ускоренной сушки является использование достаточного потока воздуха без подачи температуры. При этом не требуется особенно понижать влажность подаваемого воздушного потока. Физическая сушка в этом случае происходит за
счет того, что пары воды, выходящие из покрытия, подхватываются и быстро
удаляются потоком воздуха. В простейшем случае такую сушку можно осуществить с помощью продувного пистолета или вентилирующей стеллажной тележки (вагонетки). Таким образом, происходит обдувка окрашенной поверхности холодным воздухом. Расход воздуха на одну дюзу составляет около 350
л/мин, при давлении от 4 до 4,5 бар. Увеличение скорости воздушного потока
может, правда, привести к разрывам на поверхности покрытия. Необходимо
также соблюдать перерывы в процессе. Чтобы достичь разумных результатов
сушки, надо соблюдать следующие параметры:
. температура приточного воздуха от 20 до 50°С;
• относительная влажность приточного воздуха < 70%;
• скорость потока у поверхности покрытия от 0,5 до1,2 м/с.
В зависимости от температуры, влажности и количества наносимого вещества для однокомпонентных водных материалов время сушки составляет:
• от 15 до 30 минут для высыхания от пыли;
• от 45 до 60 минут до состояния шлифуемости;
• от 8 до 12 часов для штабелирования.
Указанное время сушки соблюдается при следующих условиях:
. количество наносимого материала — от 80 до 90 г/м 2 за один проход (грунт
и покрывной лак),
. температура — 23°С,
. относительная влажность — 50%.
Примеры промышленного нанесения покрытий
На приведенных ниже рисунках и в таблицах представлены возможные концепции установок для не наносящей ущерба окружающей среде окраски изделий с использованием УФ-отверждаемых водорастворимых материалов. Какая
из этих концепций является лучшей, определяет пользователь, исходя из геометрии деталей, плотности их укладки на конвейере, количества обработанных квадратных метров поверхности в день, числа цветовых тонов и эффектов, а также
качества и максимальных затрат на обработку квадратного метра поверхности.
Окраска твердыхдревесно-волокнистых плит
Нанесение водорастворимых грунтовок методом вальцевания с последующим покрытием УФ-отверждаемым покрывным лаком уже более 25 лет ис-
210 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
пользуется для твердых древесно-волокнистых и стружечных плит. Такие
окрашенные плиты используются при изготовлении корпусной мебели, кухонь
и боковых стенок мебели, оснований выдвижных ящиков, столешниц для теннисных столов, а также дверей.
Типичный процесс окраски боковых стенок мебели представлен в табл. 3.1.50.
Пигментированный однокомпонентный водный материал (НСС) наносится в
несколько этапов и высушивается с использованием конвекционной/форсуночной сушки. Часто используется предварительный подогрев плит инфракрасным излучением для уменьшения набухания и сокращения процесса высыхания. В конце изделие обрабатывается с помощью вальцев покрывным
УФ-отверждаемым лаком с расходом от 6 до 8 г/м 2 , чтобы придать покрытию
необходимые химические свойства. Как правило, выполняются требования
DIN 68861, ч. 1 В. Такой агрегат имеет общую длину от 200 до 300 метров и работает со скоростью подачи от 20 до 50 м/мин.
Окраска кухонной мебели
На рис. 3.1.99 представлена схема установки для окраски цветных фронтонов кухонной мебели водорастворимыми материалами, отверждаемыми по DUAL-CURE-схеме (2К-ПУР/УФ). Носителями, как правило, являются MDF-древесные материалы, покрытые белыми меламиновыми или ПВХоболочками. Скорость подачи деталей составляет от 4 до 6 м/мин. Перед
окраской покрытые оболочкой поверхности шлифуются и очищаются для достижения оптимальной твердости покрытия. ЛКМ наносится с помощью плоских автоматических распылителей или распылительных роботов в циклическом режиме. Подготовка ЛКМ должна производиться с помощью двухкомпонентных дозаторов или перемешивающих устройств. Количество наносимого
сырого материала составляет от 120 до 130 г/м 2 . Сушка проводится в многоярусной сушилке с тремя зонами сушки. В первой зоне детали подсушиваются 10-15 минут при температуре около 25°С и скорости воздушного потока <
2 м/мин. Во второй зоне поддерживается температура от 35 до 45°С и скорость воздушного потока > 2 м/мин. Длительность пребывания в этой зоне составляет от 10 до 15 минут. В третьей зоне сушка происходит при температуре 30-35°С и скорости воздушного потока > 2 м/мин. Время пребывания около
10 минут. Для оптимальной сушки профилей кухонных фронтонов подсоединяется форсуночная сушилка с температурой воздуха около 30°С. Таким образом, удается избежать эффекта «картинной рамы», возникающего из-за воды,
оставшейся в области профиля. Затем поверхности окончательно отверждаются в УФ-канале под действием дотированного галием ртутного излучателя
и двух обычных ртутных ламп высокого давления. Далее происходит охлаждение изделий в форсуночной сушке (25°С) для их изъятия. Теперь поверхности
могут быть подвергнуты дальнейшей обработке или сложены в штабель. Общее время обработки в зависимости от конфигурации изделий составляет от
30 до 45 минут.
Окраска стульев
Промышленная окраска стульев предъявляет особые требования к ЛКМ и
технологии их нанесения. Стулья окрашиваются по частям или в собранном
состоянии. Они обычно подвешиваются или устанавливаются с последовательным изменением положения. Из-за трехмерной геометрии деревянных
стульев применяют электростатический метод нанесения с помощью конусных или дисковых поворотных разбрызгивателей (омега-цикл) и/или воздуш-
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 211
Таблица 3.1.50. Пример обработки твердых древесно-волокнистых плит для боковых
стенок мебели
№ Агрегат
1.
Машина для шлифования древесины
2.
Укладчик
3.
Простая вальцевая
машина
4.
Форсуночная
сушилка
5.
Машина для шлифовки покрытия
6.
Двойные вальцы
7.
Форсуночная
сушилка
8.
Двойные вальцы
9.
Форсуночная
сушилка
10. Двойные вальцы
11.
Продукт
Водная белая грунтовка
(твердые резиновые вальцы)
Расход
рабочего
раствора
Содержание
ЛОС
30 г/м2
2 г/м2
20 г/м2
1г/м 2
20 г/м2
1г/м 2
20 г/м2
1г/м 2
8 г/м2
1г/м 2
98 г/м2
6 г/м2
20 с при температуре циркуляционного
воздуха 120°С
Водная белая грунтовка
20 с при температуре циркуляционного
воздуха 120°С
Водная белая грунтовка
20 с при температуре циркуляционного
воздуха 120°С
Водная белая грунтовка
Форсуночная
сушилка
12. Простые вальцы
Сушка/
отверждение
40 с при температуре циркуляционного
воздуха 120°С
УФ-прозрачный лак
(с органическими растворителями)
13. УФ-канал с 3 ртутными лампами высокого давления
(80 Вт/см)
Количество нанесенного материала
212 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
1.
2.
3.
4.
5.
9
8
7
Укладка деталей
Шлифовальная машина
Обеспыливание
Автоматический узел распыления
Многоярусная сушка 25-45°С
6. Форсуночная сушка 25-ЗО°С
7. УФ канал с 3 УФ лампами (Ga/Hg/Hg)
60-120 Вт/см
8. Зона охлаждения
9. Снятие готовых изделий
Рис. 3.1.99. Схема установки по окраске деталей кухонной мебели с использованием
2К-ПУР УФ-отверждаемых водных материалов
ное распыление. Электростатический дисковый разбрызгиватель — это распылитель ЛКМ, который поворачивается вокруг вертикальной оси и с помощью ходового устройства постоянно перемещается вверх и вниз. При этом обрабатываемая деталь перемещается по омегообразной круговой орбите вокруг качающегося поворотного распылителя. В зависимости от параметров
ротационного распылителя и свойств ЛКМ скорость вращения составляет от
20 до 30 тыс. об/мин. В трех поворотных точках внутри омега-цикла стулья поворачиваются каждый раз на четверть оборота. Таким образом, в зависимости от модели стульев можно равномерно окрасить каждую сторону изделия.
Часто после высокоскоростной обработки проводят повторное распыление
вручную, чтобы устранить возможные дефекты.
Применяется также окраска с помощью роботов. В этом случае стул четырежды поворачивается на 90° так, чтобы все области были хорошо доступны
для нанесения ЛКМ.
При использовании электростатического процесса нанесения влажность
воздуха должна быть от 55 до 65%, а влажность древесины 10-12%. Коэффициент полезного действия электростатических установок с рекуперацией ЛКМ
составляет от 80 до 90%. В зависимости от требований для окраски стульев
применяют однокомпонентные водные материалы (СС) и/или однокомпонентные УФ-отверждаемые прозрачные лаки. В табл. 3.1.51 приводится пример
окраски стульев УФ-отверждаемым водным лаком. Линейная скорость в зависимости от процесса составляет от 3 до 5 м/мин.
Обработка лестничных ступеней
Для устойчивых к истиранию и износу покрытий ступеней частично используются быстросохнущие специальные однослойные 2К-ПУР материалы, наносимые распылением. В таких материалах, как правило, содержится от 25 до
30% нелетучих веществ. Время жизни после добавления отвердителя обычно около 8 часов. Ступени обрабатываются дважды в горизонтальном положении. Канты окрашиваются в целом 4 раза. Время, необходимое для обработки
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 213
одной ступени от момента шлифовки до готового покрытия, в таком процессе
около 12 часов. Недостатком 2К-ПУР материалов при нанесении распылением является перераспыл, который не может быть полностью регенерирован.
В зависимости от геометрии детали перераспыл составляет от 40 до 50%. Эти
потери материала можно утилизировать как убыточный шлам.
В качестве безопасной и обедненной растворителями альтернативы органорастворимым 2К-ПУР материалам большое значение приобретают 1К-УФотверждаемые водорастворимые системы. Большим преимуществом УФводных материалов по сравнению с обычными 2К-ПУР распыляемыми лаками является то, что после испарения воды и УФ-отверждения изделия можно штабелировать и упаковывать. На рис. 3.1.100 и в табл. 3.1.52представлен
процесс окраски с использованием 1 К-УФ-отверждаемого материала. В этом
процессе используется 1 К-УФ-водорастворимый состав, содержащий до 38%
нелетучих веществ и < 2% органических растворителей. Нанесение проводится с помощью плоскостных распыляющих автоматов на ленточном конвейере
с автоматическим ракелевым сбором материала, не попадающего на окрашиваемые изделия (рис. 3.1.100). Возвращенный таким образом перераспыл добавляют в количестве 20-25% в УФ-водный материал, который затем можно
использовать в качестве грунтовки. Коэффициент полезного использования
материала благодаря рекуперации достигает 90% [27]. Таким образом, снижаются расходы на утилизацию шлама. По сравнению с 2К-ПУР-системами
химическое отверждение происходит за доли секунды. Поэтому общее время процесса окраски сокращается во много раз. Внешний вид и устойчивость
к истиранию ступеней, покрытых УФ-водным материалом, сравнимы с теми,
которые получаются в результате 2К-ПУР обработки. Недостаток яркости УФводных покрытий по сравнению с НЦ или обычными 2К-ПУР материалами в последние годы заметно уменьшился благодаря внедрению новых видов сырья
для этих систем. Основные преимущества УФ-отверждаемых водных прозрачных лаков, по сравнению с 2К-ПУР материалами следующие:
. заметно меньший расход лака (около 35%);
• уменьшение количества органических растворителей более чем на 90%;
. сокращение количества отходов на 80%;
. сохранение технических свойств;
• заметное сокращение времени процесса окраски при использовании УФотверждения.
3.1.8. Масла, воск и натуральные смолы
В последние годы стремительно расширяется спрос на натуральные покрытия [1-4], обусловленный возросшей требовательностью потребителей и готовностью рынка к реализации подобной продукции. Благодаря возросшему
осознанию влияния окружающей среды, все большей популярностью пользуется мебель, внутренние детали интерьера и паркетные покрытия, обработанные олифами, восками и натуральными смолами природного происхождения.
Сегодня существует множество натуральных продуктов для обработки древесины. Предлагаемые на рынке продукты различны по составу и способам применения и не всегда соответствуют определению натурального лака согласно
DIN 55945. Согласно этому определению, «натуральный лак — это лакокрасочный материал, возникший в природе или образованный из компонентов, подвергшихся химической обработке без изменения их природной структуры, и
214 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.51. Пример процесса электростатической окраски стульев УФ-отверждаемым
водным Л КМ
№
Последовательность процессов
Продукт
Примечания
1
Подвешивание
стульев вручную
2
Подвесной
конвейер
3
Установка
орошения
4
Омега-цикл
1-К-УФ-многослойный водный прозрачный лак (количество наносимого вещества около 90-100 г/м2)
Высокооборотный дисковый
разбрызгиватель с возвратом потерь
материала
5
Камера ручного
распыления
1-К-УФ-многослойный водный лак, прозрачный
Устранение проплешин
б
Циркуляционная
сушилка
7
УФ-осветители мощностью 80-120 Вт/см
мощность
8
Шлифовка лака
9
Ручная подвеска стульев
10
Омега-цикл
11
Камера ручного
распыления
12
Циркуляционная
сушилка
13
УФ-осветители мощность 80-120 Вт/см
14
Штабелирование
Скорость движения транспортера
около 4 м/мин
40-б0°С температура воздуха; скорость потока 3-5 м/с; продолжительность сушки — 30-45 мин
Отверждение грунтовки;
УФ лампы встроены в омега-цикл
Ручное или машинное шлифование,
например, во вращающемся барабане, наполненном стеклянным бисером; около 20-30 с на стул; для шлифовки нужно снимать стулья с подвеса
Подвесной конвейер
1-К-УФ-многослойный
водный прозрачный лак
(количество наносимого
вещества около
90-100 г/м2)
Высокооборотный дисковый
расбрызгиватель с возвратом перераспыла
1-К-УФ-многослойный водный лак, прозрачный
Устранение проплешин
40-60°С температура воздуха; скорость потока — 3-5 м/с; продолжительность сушки 45-60 мин
Отверждение покрывного лака лампы
встроены в омега-цикл
Вручную на соответствующих
поддонах
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 215
Таблица 3.1.52. Окраска ступеней УФ-отверждаемым водорастворимым материалом
№
процесс
Оборудование/материал
1
Грубая шлифовка
150/180 шлифовальная бумага
2
Грунтование
(плоскости + канты)
1-К-УФ-водный-многослойный лак
(шелковисто-матовый)
3
Сушка
Циркуляционная сушилка 35-45°С
около 15-20 мин.
4
УФ-отверждение
2 ртутные лампы высокого давления
80 Вт/см
5
Шлифовка покрытия
Щеточная машина оснащенная
шлифовальной лентой
б
Грунтование
(плоскости + канты)
1-К-УФ-водный-многослойный лак
(шелковисто-матовый)
6.
Сушка
Циркуляционная сушилка 35-45°С
около 20 мин.
7.
УФ-отверждение
2 ртутные лампы высокого давления
80 Вт/см
8.
Штабелирование
Расход сырого
вещества г/м г
Общее количество нанесенного сырого
материала, г/м2
100
100
200
1. Загрузочный узел
2. Щеточная машина
3. Распылительный автомат VEN SPRAY DUO
4. Угловое передаточное устройство
5. Канал сушки (ИК-конаекция) «=> ИК-излучатель
6. Канал форсуночной сушки
7. Съем готовых изделий
Рис. 3.1.100. Пример установки для окраски ступеней УФ-отверждаемым водным материалом
216 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
не содержащий искусственно полученных добавок». Это определение не означает, что не вызывающие сомнения натуральные лаки, также как и все остальные Л КМ, не содержат опасных для здоровья веществ [5]. На практике в прошлом натуральные продукты вряд ли использовались как связующее в покрытиях в чистом виде. Чтобы можно было получить ЛКМ соответствующего качества, они должны быть подвергнуты физической или химической обработке.
Натуральные смолы, масла, масляно-восковые смеси и воски и сегодня необходимо разбавлять органическими растворителями для улучшения свойств,
необходимых при переработке. Кроме синтетических органических растворителей применяются также скипидары природного происхождения, которые
согласно постановлению о вредных веществах относятся к веществам, опасным для здоровья. В табл. 3.1.53 представлены различные варианты использования натуральных смол.
В последние годы производится большое число заменителей классических
масляных и восковых препаратов (содержание растворителей > 50%) на водной основе или отличающихся сильно сниженным содержанием органических
растворителей. Однако в ряде продуктов невозможно отказаться от использования растворителей. Они частично необходимы для того, чтобы перевести
продукт в пригодное для переработки и хранения состояние.
3.1.8.1. Масла и воск
В промышленности используются прежде всего масла, которые отверждаются в результате полимеризации за счет кислорода воздуха (так называемые
высыхающие масла), например, льняное масло. Для ускорения отверждения в
эти материалы добавляют сиккативы (см. часть 3.2). При добавлении дополнительных количеств сиккативов эти системы становятся очень реакционноспособны и в процессе отверждения выделяют много тепла [7]. Поэтому ткани,
пропитанные маслом или маслосодержащими веществами, после использования следует сразу просушивать, чтобы избежать самовоспламенения. Кроме того, эти материалы не следует перерабатывать совместно с системами,
содержащими нитроцеллюлозу, так как она тоже легко воспламеняется.
Масла проникают глубоко в древесину и хорошо впитываются в поры. Обработанные поверхности становятся механически и химически более стойкими, однако таких хороших результатов, как при обработке 2К-ПУР или УФматериалами достичь не удается. Промасленные поверхности имеют ярко выраженную способность к загрязнению, так как поры такой поверхности полностью открыты. В результате древесный субстрат может поглощать воду и
древесина набухает. Под воздействием света «промасленные» поверхности
склонны к пожелтению, особенно если масла содержат много ненасыщенных
жирных кислот. Могут также возникать продукты расщепления, приводящие к
остаточной эмиссии (см. часть 9.2.1.3).
В качестве воска используются прежде всего воск карнаубы (коперниции
восконосной) и пчелиный воск. Пчелиный воск — строительный материал пчелиных сот, который вырабатывается брюшными железами пчел. При обработке древесины он используется в восковых бейцах, политурах для мебели и для
вощения мебели и полов. Карнаубный воск добывают в больших количествах
из листьев высокой (от 6 до 12 метров высоты) бразильской пальмы карнауба.
Этот твердый, не смачивающийся водой продукт применяется в политурах и
для вощения мебели и полов. Воск карнаубы тверже, чем пчелиный.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 217
Таблица 3.1.53. Лакокрасочные системы, базирующиеся на натуральных смолах разных
производителей
Сырьевая база
Алифатические
углеводороды
Изоалифатические углеводороды
Терпены
Отсутствие растворителей
Растворители
Уайт-спирит
(заменитель
терпентина) неароматический
уайт-спирит
Изоалифатические соединения (например,
изопар)
Эфирное растительное масло,
живичный скипидар, масло из
кожуры цитрусовых
Нет или вода
Исходный материал для растворителей
Нефть, животное и растительное происхождение
Нефть, животное и растительное происхождение
Растительность, Родниковая
живица, пловода, природдовая кожура
ное происхо(возобновляеждение
мое сырье), сырьё растительного происхождения
Процесс
получения
Дистилляция
Многоступенчатая перегонка
Дистилляция
Очистка воды
Недостатки
Потенциально
канцерогенный
состав, обезжиривание кожи,
не исключается долговременный риск,
возможно негативное воздействие на
центральную
нервную систему (при отсутствии профилактических
мероприятий в
процессе окраски противогаза), часто плохая растворимость
Слабый запах
(поэтому отсутствует предупреждающая
функция), возможно негативное воздействие на центральную нервную систему
(при отсутствии
профилактических мероприятий в процессе использования), обезжиривание кожи,
плохая растворимость для натуральных смол,
поэтому необходима добавка
терпенов
Обезжиривание
кожи, возможны аллергические реакции,
возможно негативное воздействие на центральную нервную систему
(при отсутствии
профилактических мероприятий в процессе
использования)
Неизбежно
двухстадийный
процесс
Воск образует на поверхности очень тонкий слой, который повышает устойчивость к истиранию и придает поверхности грязе- и водоотталкивающие свойства. Поверхность становится приятной на ощупь и более или менее химически устойчивой. Материалы, состоящие из масел и восков, объединяют в себе преимущества обоих компонентов и способствуют стабильности и «облег-
218 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.54. Рекомендации по использованию масел и восков [4, б]
Класс нагрузки
Область применения
Предлагаемая
обработка
Эффект
Очень незначительная
Дополнительная обработка,
уход за деревянной мебелью в жилых
помещениях
Воск 1-2 раза
Без «подсветки» (натуральность)
Незначительная
Первичная обработка, не нагруженные детали домашней
мебели
Воск 2 раза или
масло-воск
1 раз
Натуральность
Небольшая
Стенки шкафов
Первичная обработка норв жилых помемально нагрущениях
женных поверхностей
Защитный грунт
(шеллак) 1 раз
и воск 1 раз;
или масло 1 раз
и воск 1 раз
Натуральность
или легкая
«подсветка»
Средняя
Первичная обработка поверхностей
подверженных
истиранию
Столешницы, буфетысерванты,
фронтоны мебели в жилых
помещениях
Масло-воск
1 раз, воск 1
раз, или масловоск 2 раза, или
по 1 разу масло
и воск
Легкая или
средней силы
«подсветка»
Сильная
Первичная обработка сильно
истираемых и
подверженных
химическим
воздействиям
поверхностей
мебели
Полы, ступени,
мебель для сидения, кухонные фронтоны
Масло-воск
2 раза; или
твердое масло
2 раза и воск
1 раз
«Подсветка»
Пример
Внутренность
платяного
шкафа
ченному дыханию» поверхности. Такие комбинированные материалы пригодны для использования в промышленном производстве мебели. В табл. 3.1.54
перечислены рекомендации по применению масел и восков в зависимости от
уровня требований к поверхности. Уровень требований может быть как очень
незначительным (например, для средств по уходу за мебелью в жилых помещениях), так и весьма высоким, связанным с водоотталкивающим действием
(для мебели ванных комнат и кухонь, полов и лестничных ступеней).
Часто для обработки массивной древесины используются разные способы нанесения покрытия, например, вручную, распылением или на вальцах
(см. рис.3.1.101) [ 1 , 10]. Общее количество нанесенного вещества для вощеных поверхностей составляет около 10 г/м 2 . Для грунтовки часто используют
маслосодержащие продукты, например, на базе льняного масла, которые, помимо грунтовки, обеспечивают сохранение древесной структуры. При обработке поверхности олифой и воском расход составляет около 30 г/м 2 масла
и приблизительно 10 г / м 2 воска. Химическая стойкость и водоотталкивающие
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 219
V, •!
1. Укладочный транспортер
j
2. Щеточная машина VBS
V
3. Плоскостной распылительный автомат VEN SPRAY DUO
4. Поворотный транспортер
5. Щеточная машина VBS
6. Плоскостной распылительный автомат VEN SPRAY DUO
7. Щеточная машина VBS
Рис. 3.1.101. Промышленная установка для нанесения масляно-восковых составов
свойства поверхности, обработанной маслом, заметно улучшаются при дополнительном вощении.
3.1.8.2. Натуральные смолы
В рамках этой книги в качестве примера натуральных смол будет кратко описан шеллак.
Шеллак
Шеллак является продуктом обмена веществ самок щитовки Tachardia lacca
[8]. Он растворим в спиртах и водно-спиртовых смесях. Шеллаковые составы — это бесцветные, физически высыхающие лаки [9] на основе этанола. Они
высыхают физически и для их нанесения можно использовать то же оборудование, что и для нанесения нитроцеллюлозных материалов. Получаемые покрытия не особенно водостойки и устойчивы по отношению к спиртам. В сочетании
с восковыми карнаубными грунтовками они могут использоваться для промышленной обработки мебели. Для улучшения устойчивости покрытий в шеллаковые рецептуры вводят полиизоцианаты для химического отверждения.
Список литературы
1. Prieto, J., Kiene, J.: Kapitel 9.2.5 Holzlackieren, Kittel- LehrbuchderLackeund Beschichtungen, Bd. 9: Verarbeitung von Lacken und Beschichtungsstoffen, 2004, S. 344-346.
2. Diekmann, M.: Industrielle Bearbeitungstechnik alternativer Moebeloberflaechen.
In: IBH-Tagung vom 10. und 11. Mai 1996.
3. Unbekannt: Moderne Moebellacke. Deutsches Lackinstitut, Frankfurt, 1999.
4. Haegele, V.: Oele und Wachse zur Oberflaechenbehandlung von Holz, Hrsg.:
Landesverband Holz + Kunststoff, Baden-Wuerttemberg und Landesgewerbeamt
Baden-Wbrttemberg, 2003.
5. Stetter, K.: Alternative Lacksysteme, WKI Bericht 31: Umweltfreundliche und
emissionsarme Moebel, 1995, S. 191-198.
220 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
6.
Einsatz von Oelen und Wachsen zu Oberflaechenbeschichtung, Projektbericht im
Rahmen des Gesamtprojektes Nutzbarmachung des VOC-Minderungspotentials
im Schreinerhandwerk, Umweltzentrum fuer Handwerk und Mittelstand e.V. im Auftrag
des Ministeriums fuer Umwelt und Verkehr Baden-Wuerttemberg, 2 0 0 1 .
7. Philipp, В., Lauter, N.: Kaltwachsauf Moebeloberflaechenapplizieren, besserlackieren,
2001, Nr. 1.S.9.
8. Poth, U.:Kapitel 1.4.1 Naturrohstoffe, Kittel- LehrbuchderLackeund Beschichtungen,
Bd. 1: Geschichte, Grundlagen, Naturstoffe, anorganische Bindemittel, 1998, 153-204.
9. Penning, M.: Schellack - ein «nachwachsender» Rohstoff mit interessanten Eigenschaften und Anwendungen, Seifen - Oele - Fette - Wachse, 115, 1990, S. 221-224.
10. Nuesser, O.: DieLoesemittel-Probelmatik, DokumentezuLackeundFarben, Nr. 5, Deutsches Lackinstitut, 1998, S. 34-40.
3.1.9. Порошковые лакокрасочные материалы
3.1.9.1. Введение и исторический обзор
Порошковые ЛКМ являются примером того, как может развиваться рынок
почти безэмиссионных и малоотходных технологий окраски. Несмотря на то,
что в 90-е гг. прошлого столетия было отмечено падение цен на порошковые материалы, в это же время необычайно возросло количество научных
работ, посвященных свойствам порошковых покрытий [1-10]. Кроме того,
продолжалась оптимизация технологических процессов. Порошковая окраска древесных материалов и развитие порошковых технологий в автомобилестроении являются только двумя примерами того, как могут осваиваться
новые направления использования порошковых ЛКМ. С точки зрения экономики и экологии по-прежнему следует ожидать больших успехов от порошковых материалов. В области металлообработки порошковые материалы часто превосходят по своим качествам жидкие лакокрасочные покрытия. Здесь
рыночная доля порошковых материалов достигает 15-20%. Основные преимущества технологии порошковых покрытий можно кратко сформулировать
следующим образом:
• почти отсутствует эмиссия растворителей (доля ЛОС < 0,2%);
• почти нет отходов (нет коагуляции при распылении);
• полезное использование материала > 95%, так как возможно вторичное
использование отходов покрытия от распыления;
• большая толщина слоя покрытия без образования наплывов;
• очень хорошие функциональные и оптические свойства покрытий;
• часто достаточно однослойного нанесения материала;
. процесс нанесения может быть легко автоматизирован.
При сравнении различных технологий окраски древесины для использования внутри помещений (см. ч. 3. /,) становится ясно, что материалы на водной
основе и УФ-отверждаемые жидкие системы имеют инновационное преимущество по сравнению с порошковыми ЛКМ. Впервые порошковая окраска
MDF-изделий была применена в 1994 г. фирмой HALI Bueromoebel в Австрии
[11]. Речь идет о двухслойной системе, состоящей из жидкой электропроводной грунтовки и отверждаемого при нагреве низкотемпературного порошкового материала. Уже в 1996 г. HALI прекратила эту работу, так как двухступенчатый процесс оказался слишком дорогим, и порошковые материалы для
древесины оказались не востребованы. Основным препятствием было пре-
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 221
жде всего то, что для плавления и отверждения обычных порошковых материалов на тот момент была необходима температура выше 14СГС. Недостаточная электропроводность древесины и древесных материалов, образование
пузырей на покрытии при испарении воды и недостаточность декоративных
свойств порошковых покрытий стали причиной задержки в коммерческом использовании порошковой техники в деревообрабатывающей промышленности. Научные исследования и технические разработки производителей сырья,
ЛКМ и технических средств для нанесения покрытий помогли создать условия
для внедрения этой новой технологии. Инновационное сотрудничество производителей мебели и ЛКМ всегда было и остается необходимым условием
для ускорения внедрения порошковой технологии в этом секторе производства. Тесная совместная работа всех участников процесса при внедрении новых технологий особенно важна в случае разработки и внедрения порошковой
технологии для обработки древесных материалов.
Между тем в мире существует уже больше 70 установок (включая опытные
установки) для порошковой окраски [12], причем палитра окрашиваемых продуктов весьма разнообразна. Она охватывает элементы мебели для радио- и
телеаппаратуры, офисной мебели, в особенности столешницы и ящики письменных столов, мебель для магазинов и операционных залов, кухонную, детскую и садовую мебель. Фирма Stilexo в Уэльсе первой применила еще термореактивные порошковые материалы и создала первую установку для окраски
мебели под аудио- и видеотехнику в 1999 г. [13-16].
Ускорению развития порошковых технологий для деревообрабатывающей
промышленности послужил постоянный рост производства MDF-материалов.
Несмотря на противостоящие этому росту экономические трудности, возникшие в последние годы в мебельной промышленности и строительстве, техника порошковых покрытий может завоевать здесь новый сегмент рынка. Новые
требования к дизайну, особенно офисной мебели, делают это возможным.
Конструктивные особенности деревянных поверхностей, например, узкие
профильные поверхности, углубления и пропилы в плитах, требуют не только
способности к глубокой фрезеровке материала MDF-плит, но и соответствующей технологии окраски. Порошковые материалы благодаря своим преимуществам могут быть подходящей по цене альтернативой, которая обеспечит
качество, необходимое покупателю. Хотя с середины 2002 г. [17-20] в Германии уже действует первая установка для порошковой окраски MDF-плит, многие отечественные потребители относятся к этой технологии скептически. В
Европе и Германии планируют создание некоторых установок. С одной стороны, препятствием для инвестиций со стороны мебельной промышленности
является напряженное состояние экономики, возникшее в начале столетия, а
с другой - существующие до сих пор некоторые технические трудности в процессе нанесения порошковых покрытий. Все это побуждает руководителей
производства к определенной сдержанности.
3.1.9.2. Порошковые ЛКМ
Согласно DIN 55945, порошковые ЛКМ — это системы, которые после нанесения и оплавления образуют на подложке лакокрасочное покрытие. Различают термореактивные и термопластичные порошковые материалы, причем для
обработки древесины и древесных материалов интерес представляют только термореактивные системы. Кроме химического состава, важнейшей харак-
222 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
теристикой порошковых систем является распределение частиц порошка по
размеру. При измельчении крошки в процессе производства ЛКМ получают
характерный (определенный) фракционный состав материала. Этот фракционный состав влияет на текучесть материала и определяет, помимо минимальной толщины слоя отвержденного покрытия, и сам процесс отверждения.
При подводе тепловой энергии (порошковые материалы горячей сушки) или
электромагнитного излучения (УФ-порошковые системы) реактопласт образует плотную полимерную структуру, обладающую высокой химической стойкостью. Свойства порошковых покрытий и область их применения в основном
определяются используемыми связующими и отвердителями. В состав классических порошковых систем входят в основном эпоксидные, полиэфирные,
эпоксидно-полиэфирные (гибридные), полиуретановые и акриловые смолы.
Хотя с точки зрения экономики и экологии порошковые материалы имеют
существенные преимущества по сравнению с обычными жидкими системами,
их развитие в конце 1980-х и начале 1990-х гг. ускорялось недостаточно активно. Для ЛКМ на водной основе форсированное развитие наблюдается уже
в течение 20 лет. Оно было вызвано прежде всего законодательными ограничениями, инициированными автомобильной промышленностью. Производители сырья, ЛКМ, установок и агрегатов встали на сторону технологии материалов на водной основе. В этом секторе были предприняты целенаправленные исследования и созданы разработки, которые по сравнению с порошковыми технологиями значительно продвинули развитие систем ЛКМ на водной
основе. Для порошковых систем в те времена преобладали эмпирические
разработки, не обеспечивающие быстрое развитие ни для материалов, ни для
устройств по их переработке. Свойства лакокрасочных порошковых составов
не соответствовали ожиданиям широких областей индустрии — автомобильной промышленности и многих других отраслей производства. Их не удавалось использовать в окраске древесины, древесных материалов и пластмасс.
На кривой «жизненного цикла» ЛКМ (см. рис. 3.1.102) [14] это отчетливо видно. Между зрелыми классическими порошковыми системами и новыми, такими как низкотемпературные (НТ) и УФ-материалы, существует пробел в научных разработках.
Для обработки порошковыми ЛКМ чувствительных к нагреву субстратов, таких как МДФ-плиты, должны быть выполнены следующие требования:
• температура плавления состава должна быть по возможности наиболее
низкой (меньше чем 100°С), чтобы обеспечить образование гомогенной
пленки;
. предотвращение газовыделения из подложки при подводе тепла;
• сокращение времени плавления и сшивки от минут до секунд;
• отвержденные порошковые покрытия должны соответствовать требованиям мебельной промышленности по декоративным, химическим и механическим свойствам поверхности;
• разделение нанесения и отверждения должно быть аналогично жидким
лакокрасочным системам.
3.1.9.2.1. Термоотверждаемые порошковые материалы
Состав термоотверждаемых порошковых материалов (материалы горячей
сушки) состоит из пленкообразователя, отвердителя, наполнителей, пигментов и добавок (см. рис. 3.1.103). В качестве наполнителей используются при-
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 223
РЕ
•, PUR
0
Отсутствие
инноваций
Зарождение
Рост
Расцвет
АС = акрилат
PUR = полиуретан
РЕ = полиэфир
РЕ/ЕР = полиэфир-эпоксид
(гибрид)
UV-P = УФ порошковые системы
ULB = ультранизкая сушка
(низкотемпературные
порошковые системы)
ЕР = эпоксиды
Спад
Рис. 3.1.102. Актуальный «жизненный цикл» порошковых ЛКМ (сравнение перспектив
и качества потребительских свойств)
растеедтеяи,
дегазаторы, воски,
ожижители;
и т.д.
Термоактивный
порошковый
материал
Рис. 3.1.103. Состав термоотверждаемых порошковых систем
родные минералы: тяжелый шпат (барит), полевой шпат (Лабрадор) и мел.
Также как и жидкие, порошковые составы могут быть разных оттенков. Конечно, свободное окно оттенков ЛЕ должно быть шире, чем для жидких материалов. Аддитивы в порошковых красках охватывают добавки для улучшения текучести, дегазаторы, матирующие добавки, воски, добавки, регулирующие
поверхностную твердость, структурные и текстурные добавки, катализаторы
и средства, обеспечивающие сыпучесть и, при известных условиях, регуляторы заряда, например, для порошковых красок наносимых трибоэлектрическим распылением. Для обеспечения сыпучести применяют, например, окись
224 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
алюминия или пирогенную кремниевую кислоту. Средства, улучшающие сыпучесть, предотвращают слипание и комкование материала, которые возникают при длительном хранении под воздействием собственного веса частиц
порошка. Они важны для беспрепятственной переработки и сохранения псевдотекучести порошковых составов, что позволяет легко их транспортировать
и наносить.
Системы на основе полиуретановых смол не применяются для обработки
термочувствительных материалов из-за высокой температуры отверждения.
В настоящее время для окраски материалов на основе древесины пригодны
термоотверждаемые порошковые составы на основе следующих пленкообразователей:
. эпоксидные смолы, 110-140°С, 10-30 мин (конвекционная сушка);
. эпоксидно-полиэфирные смолы (гибриды), 130-150°С, 3-5 мин (конвекционная сушка);
• акриловые смолы, 130-140°С, 30-40 мин (конвекционная сушка).
Акриловые системы на базе глицидилметакрилатов (ГМА) не слишком широко применяются для окраски древесных материалов, так как они могут с ними взаимодействовать. Свое главное применение они находят в автомобильной промышленности как устойчивые к атмосферным воздействиям покрывные лаки с отличными технологическими свойствами. Недостатком акрилатов
является прежде всего высокая стоимость этих пленкообразователей, что дополнительно затрудняет их применение для отделки древесных материалов.
Кроме того, следует принять во внимание, что совместная переработка обычных порошковых составов с системами на акрилатной основе приводит к образованию дефектов поверхности в виде кратеров. Кроме того, стабильность
акрилатных порошков при хранении заметно ограничена. Повышение температуры хранения до 50°С быстро приводит к слипанию и комкованию частиц
краски. При хранении, как и при транспортировке, при известных условиях необходимо охлаждение этих порошков.
Классическими пленкообразователями для порошковых низкотемпературных (НТ) систем являются эпоксиды. С фенольными отвердителями можно
создать рецептуры, обладающие параметрами горячей сушки, пригодными
для использования на древесных материалах. Поверхности порошковых покрытий на основе эпоксидных смол очень гладкие, с высокой степенью блеска. Большим недостатком эпоксидных порошковых материалов является их
склонность к пожелтению при перегреве и подверженность «мелению». Действие УФ-излучения, которое является частью солнечного света, приводит к
мелению и пожелтению поверхности. Поэтому их использование в декоративных целях ограничено только внутренними помещениями. Требования мебельной промышленности этими системами не выполняются.
Насыщенные полиэфирные смолы, наряду с эпоксидными, являются важными пленкообразователями для порошковых систем. Применение находят твердые линейные или слегка разветвленные полиэфирные смолы с температурой
стеклования выше 50°С. В сочетании с эпоксидными смолами (гибридные системы) они образуют оптимальные НТ-пленкообразующие смеси для применения на древесных материалах. Применяют карбоксифункциональные полиэфирные смолы (сложные полиэфиры) с относительно низкой средней мольной массой (2000-2800) и кислотным числом от 50 до 90 мг КОН/г. Они используются одновременно с эпоксидными смолами на основе бисфенола-А.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 225
Вязкоа
Молекулярный вес эпоксидных смол
преимущественно от 2000 до 4000, а
= 20°С...Т =...200°С
эпоксидный эквивалент может быть
от 400 до 800.
Температура стеклования для порошковых смол должна быть выше
50°С, чтобы экструдируемый порошковый материал мог безупречно размалываться и не агломерировать при
Время
хранении. Повышение температуры
t
стеклования, с другой стороны, приводит к увеличению вязкости распла- Рис. 3.1.104. Кривая плавления (текучести)
ва и, таким образом, затрудняет пе- (черная) и температурная кривая (серая)
реработку в экструдере и ухудшает термоотверждаемых порошковых составов
процесс расплавления.
Оптимальное соотношение полиэфирных и эпоксидных смол в смеси составляет 70 : 30. С такими системами могут быть выполнены требования к горизонтальным поверхностям, но не к рабочим поверхностям кухонной мебели.
Прежде всего в области кантов и кромки очень велика опасность возникновения трещин при сушке. Чтобы избежать растрескивания после тепловой обработки и отверждения НТ-порошковых материалов следует обращать особое
внимание на равномерность плотности ребер МДФ-плит (см. также ч. 3.1.9.3).
В таблице 3.1.55 приведены типичные рецептуры и технологические данные
таких НТ-гибридных систем [ 2 1 , 22]. Для этих систем время тепловой обработки от 3 минут при 150°С до 5 минут при 130°С.
Отсутствие растворителей в порошковых системах делает подготовку пленкообразующих для них более сложной, чем для растворимых материалов и
предъявляет повышенные требования к технологии нанесения. Образование
пленки в отверждаемом при нагреве материале начинается с расплавления порошка и образования текучей эмали, из которой при дальнейшем повышении
температуры, в результате реакции образования сетчатой структуры, получается пленка покрытия. Этот процесс сопровождается многократным увеличением вязкости. Эмаль проходит через минимум вязкости (см. рис. 3.1.104 [14]
и 3.1.105). Этот минимум вязкости должен быть, как правило, по возможности
низким и время твердения (гелирования) достаточно большим, для того чтобы
произошло необходимое смачивание субстрата. Только таким образом можно достичь хорошего сцепления покрытия с подложкой. Кроме этого, нужно,
чтобы воздух, находящийся в слое порошка, а также газы и испарения подложки имели возможность выйти, и расплавленный порошок хорошо растекся. Об
отверждении порошковых материалов подробно написано в части 3.1.9.5.
3.1.9.2.2. УФ-отверждаемые порошковые материалы
Заметными достоинствами обладают УФ-отверждаемые порошковые системы [23-31], которые начали внедряться с конца 1990-х гг. В зависимости
от состава и условий отверждения они образуют покрытия, отвечающие высоким требованиям мебельной промышленности. Для УФ-отверждаемых материалов теперь возможно разделить процесс плавления и отверждения. Так
как для УФ-отверждения порошкового расплава необходимо всего несколько
секунд (около 20), можно уменьшить тепловое воздействие на древесный суб-
226
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.55. Типичные рецептуры низкотемпературных полиэфироэпоксидных
гибридных систем (70/30). Источник: Zimmermann, DSM Coatings Resins
Компонент
Рецептура 1
Рецептура 2
Рецептура 3
Белая
С высоким наполнением
коричневая
Полиэфирная смола
460,0
395,0
414,0
Эпоксидная смола
197,0
169,0
177,0
Двуокись титана
328,0
282,0
295,0
Сульфат бария
141,0
Добавка для регулирования розлива
Аддитив для дегазации
10,0
8,6
5,0
4,4
желтый пигмент 1
10,3
5,1
7,8
Черный пигмент
11,9
Красный пигмент
29,7
Желтый пигмент 2
49,1
Параметры поверхности
Степень блеска, 60°
97
97
63
Степень блеска, 20°
89
75
63
Затухание колебаний по
Кое nig
206
195
182
Обратный удар, 1 день,
дюйм/фунт
160
160
160
>9
>9
>9
100
102
103
Эластичность по
Эриксену [мм]
Время гелеобра зования,
160°С,с
Стабильность порошка (по 10-балльной шкале)
Исходная
Стабильность
(4 недели, 40°С)
9
9
9
8
8
8
1.6"
—+ ~
1.1 1.2u '"
;
НТпорошо к1Т-140°С
\
-о-НТпорошо
- •—: УФ порошо
1
^ 0,60.10.2 •
0'
0
'
J
90
100
150
?00
750
ЖЮ
Время, с
350
Л№
^50
600
Рис. 3.1.105. Кривые текучести низкотемпературных и УФ-отверждаемых порошковых
материалов
страт. На рисунке 3.1.105 [6] хорошо
видно, чтоУФ-отверждаемый порошковый материал уже в фазе расплава
более пригоден для чувствительных
к нагреву древесных субстратов, чем
термореактивный, так как необходимая при этом температура на 30° ниже, чем для НТ-порошковых составов. Если расплавленный порошок
не облучается УФ-светом, то не происходит и увеличения его вязкости.
Таким образом, можно регулировать
дегазацию и растекание.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 227
Пленкообразователи: полиэфирные
акрилаты
эпоксиакрилаты
уретанакрилаты
виниловые эфиры '
Пигменты, i
наполнители
Аддитивы:
растекатели,
дегазаторы,
воски,
ожижители
УФ
порошковый
материал
Рис. 3.1.106. Состав УФ-отверждаемых порошковых материалов
С развитием УФ-порошковых материалов создаются новые перспективы для
использования порошковых систем в деревообрабатывающей промышленности. Существенным экономическим фактором является ускорение процесса
пленкообразования. Сокращение времени по сравнению с НТ-порошковыми
составами составляет от 10 до 20%. Определяющим временным фактором теперь является не отверждение, а расплавление порошка.
Основными компонентами УФ-отверждаемых покрытий, также как и для термически отверждаемых составов, являются пленкообразователь, наполнители, пигменты и аддитивы, причем, как и для жидких УФ-систем, дополнительно необходимы фотоинициаторы (см. рис. 3.1.106).
Междутем в распоряжении имеются различные пленкообразователи для порошковых УФ-систем. Это могут быть акрилированные или метакрилированные полиэфиры или полиакрилаты, полиэфиры на базе фумаровой кислоты
сами по себе или в комбинации с твердыми виниловыми эфирами, акрилированные или метакрилированные эпоксиды и ненасыщенные полиуретаны. Все
они описаны в патентной литературе [32-39]. Используемые материалы плавятся в основном при температуре до 130°С. Также как и для НТ-порошковых
материалов, УФ-составы должны сохранять стабильность при хранении при
температуре как минимум до 35-4СГС. Вязкость расплава и стабильность при
хранении зависят от температуры стеклования состава. Обычно смешиваются кристаллические и аморфные смолы [40] для того, чтобы гарантировать
низкую вязкость расплавленного порошка и стабильность его при хранении.
Аморфные смолы должны при этом гарантировать стабильность, а кристаллические заботятся о низкой вязкости. Разумеется, кристаллическая часть смолы, растворяясь в аморфной, оказывает пластифицирующее действие, поэтому связующие должны быть совместимы друг с другом. Многие используемые
сегодня пленкообразователи имеют температуру стеклования от 45 до 60°С.
228 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.56. Состав УФ-отверждаемых порошковых покрытий
Компонент
Метакрилированная эпокси/полиэфирная смола
Белый матовый
Прозрачный
66,3
—
Метакрилированная полиэфирная смола
—
81,7
Метакрилированная полиуретановая смола
—
9
Двуокись титана
25
—
фотоинициатор (ВАРО)
1
—
Фотоинициатор (АГК)
1
2
Матирующее средство/текстурная добавка
3
—
Средство для регулирования розлива
1
6,8
Дегазатор
0,5
0,3
Высокодисперсная кремниевая кислота (для регулирования сыпучести)
0,2
0,2
Идеальный фотоинициатор для пигментированных порошковых покрытий [41-43] должен проявлять высокую активность, не оказывать пластифицирующего действия (для сохранения стабильности при хранении) и не образовывать летучих продуктов при расщеплении. На практике используется сочетание бис(2,4,6-триметилбензоил)-фенил-фосфиноксида (ВАРО) для полного отверждения и 1-[4-(2-гидроксиэтокси)-фенил]-2-гидрокси-2-метил-1пропан-1-она (производное а-гидроксикетона АГК) для поверхностного отверждения. Концентрация в целом должна быть < 3% и, конечно, зависит от пигментирования. Соотношение фотоинициаторов может изменяться от 1 : 1 до
1 : 4 (АГК : ВАРО), причем с увеличением доли ВАРО до определенного количества можно достичь лучшего глубокого отверждения. Но повышение доли
ВАРО приводит также к пожелтению покрытия. Этот так называемый «эффект
выцветания» описан в части 3.1.6. Так как большинство желтых пигментов поглощает в той же волновой области, что и ВАРО-фотоинициатор, то в настоящее
время не существует хорошо отверждаемых желтых порошковых материалов.
Важно, что добавление фотоинициаторов на базе производных а-гидроксикетона может понижать температуру стеклования приблизительно на
2° на каждый процент добавленного фотоинициатора. Для прозрачных лаков
берут от 1,5 до 2% АГК-фотоинициатора.
Если возникает потребность в создании УФ-порошковой рецептуры для матовых покрытий, следует помнить, что матирующие средства, которые применяются в термореактивных порошковых составах, непригодны. УФ-порошковые
материалы ведут себя в данном случае так же, как и 100%-ные УФ-жидкие системы (ч. 3.1.6.5.2). Из-за короткого периода отверждения матирующие добавки не имеют времени, чтобы добраться до поверхности. Между тем, существуют некоторые возможности получения матовых и текстурированных поверхностей с использованием УФ-порошковых материалов:
• специальные матирующие средства для УФ-порошковых составов (например, микронизированные воска, сферические частицы);
• сухие смеси различных пигментированных порошков;
• порошки со специальным фракционным составом;
• использование коротковолнового облучения (эксимерные излучатели).
Таблица 3.1.57. Сравнение свойств различных лакокрасочных материалов для окраски мебели
Потребительские
свойства
поверхности мебели
Норматив
Требования к
рабочей поверхности кухонной мебели DIN 68930
УФ
порошковые
составы
Жидкие материалы
нт
порошк.
НЦ
систем с
растворителями
НПЭ
систем с
растворителями
УФ 100%
системы
2-К-ПУР
систем с
растворителями
2-К-ПУР
водные
системы
Акрилатводные
системы
Однослойные
системы
Грунты
и покрывные лаки
Эпоксисистемы
1С
1В-1С
1В-1С
1В-1С
1В
1В
1В-1С
1В
1В
1В-1С
Химическая
стойкость
DIN 68861
Стойкость
к истиранию
DIN 68861
часть 2
2Е
2Е
2D
2С
2С-2Е
2В
2D-2E
2В-2С
2В
2В-2С
Стойкость
к царапанию
DIN 68861
часть 4
4Е
4Е
4Е-4С
4B-4D
4В-4Е
4Е
4Е
4В-4С
4В-4С
4С-4Е
Стойкость
к нагреву
DIN 68861
часть 7
7С
(100°С)
7B-7D
7B-7D
7B-7D
7А-7С
7А-7С
7C-7D
7С
7В-7С
7C-7D
Стойкость
к открытому
пламени
DIN 68861
часть 8
8В
(75°С)
8В-8С
8В-8С
8А-8С
8А-8В
8А-8В
8В-8С
8В-8С
8А
8В-8С
Ударопрочность
(5 мм конус)
EN 438 часть 2
>20N
3-30 N
12-14N
4-31N
17-28N
15-30N
3-45N
>20
>20
Нет
данных
Внутренний
заводской
стандарт
0-1
0-3
0-3
0-2
0-1
0-1
0-1
0-4
0-1
0-3
DIN 53231
процесс 2
Степень стойкости 5 — для пигментированных
систем
5-6
5-6
5-6
5-7
5-7
5-6
6-8
6-8
6-7
Климатическая стойкость
Светостойкость (через
оконное
стекло)
часть 1
230 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Сегодня существуют также промышленные УФ-порошковые материалы для
покрытий с разной степенью блеска. В таблице 3.1.56описан примерный состав белого матового и глянцевого покрывного лака. Эти лаки могут плавиться под действием ИК-излучения (32 кВт/м 2 ), причем температура поверхности достигает 130°С. Отверждение происходит при УФ-облучении от 1100 до
1500мДж/см 2 .
Используемые сегодня УФ-порошковые материалы соответствуют требованиям производства кухонной мебели (см. таблицу 3.1.57) [5] и являются хорошей альтернативой меламиновым покрытиям.
3.1.9.3. Подготовка поверхности древесины и древесных материалов к окраске
К упомянутым
выше
техническим
трудностям
относится
прежде всего преобладание электростатических методов нанесения порошковых материалов на такие плохо проводящие электричество поверхности, как древесина [1]. Электростатическая порошковая окраска требует изделий со специфическим поверхностным сопротивлением о < 1010 Ом и соответствующим объемным сопротивлением р < 108 Ом. Древесина и древесные материалы соответствуют этим требованиям только при влажности больше 7-8%. Если содержание влаги меньше, нужно повышать проводимость посредством подходящей подготовки поверхности. Следующая проблема возникает, когда отверждение порошкового материала требует высокой температуры. В настоящее время температура должна быть всегда выше 100°С. Особенно большие трудности возникают для хвойной древесины. При температуре
субстрата выше 50°С сразу начинается выделение ингредиентов древесины
с поверхности. Затем равновесная влажность при нормальных условиях (23°С
и 50% влажность воздуха) составляет от 9 до 10%. Опасность повреждения
пленки покрытия при испарении воды из субстрата является серьезной технической проблемой. Древесина лиственных пород более предпочтительна,
так как имеет рассеянные поры маленького диаметра. Так, например, удалось
получить хорошие результаты для продольных разрезов бука и ольхи в масштабе опытно-промышленной установки. Проблемными зонами являются поперечные разрезы, аномалии роста и вторичные изменения древесины. Наилучшие свойства для окраски порошковыми материалами имеет пропаренный бук. Он достаточно беден ингредиентами и не имеет больших пор. В лабораторных условиях можно окрашивать буковую древесину при температуре
< 100°С без образования пузырей [10]. Опубликованы результаты многообещающих опытов по окраске лиственной древесины порошковыми материалами в лабораторных условиях [28]. Однако в обозримом будущем не следует
ожидать внедрения порошковых материалов для окраски древесных массивов в промышленном масштабе.
Существенно более пригодными для окраски порошковым методом являются древесные материалы, особенно средне- и высокоплотные древесноволокнистые плиты (MDF и HDF). MDF-плиты имеют преимущество, так как их
поверхность более изотропна, что позволяет легко установить необходимую для
порошковой окраски равновесную влажность на уровне 6%. Эта равновесная
влажность немного меньше, чем необходимые для электростатического нанесения порошкового состава 7-8%. При невысокой влажности уменьшается опасность образования трещин в процессе отверждения порошкового покрытия.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 231
1400 -
Члотност
IOOO-
h
600400
гоо -j
1
Э
2
Толщина образца
Рис. 3.1.107. Распределение плотности в толще MDF-материала, полученного при разной
скорости сжатия (левый и правый графики)
Но MDF-плиты не являются полностью беспроблемными, так как состоят на
85-95% из древесных волокон, обладающих гидрофобными свойствами. Соответственно, влажность воздуха оказывает большое влияние на электрические
свойства при нанесении порошкового материала, а также процесс дегазации
во время пленкообразования. В процессе окраски из-за объемного набухания существует также опасность растрескивания плит. Хотя MDF-материалы
и пригодны для порошковой окраски, это в большой мере зависит от предварительной подготовки поверхности и параметров процесса их изготовления.
Основными стадиями процесса получения MDF-плит являются следующие:
. переработка круглого лесоматериала в щепу;
. проваривание щепы, как правило, при температуре 150°С;
. расщепление на волокна (фибрилирование) на дисковой мельнице;
• проклеивание;
• сушка проклеенных волокон;
. прессование плит.
Свойства MDF-материала зависят от параметров прессования, таких как
скорость сжатия, нагрев волокнистой массы и условия испарения. Этим определяются как желаемые, так и нежелательные свойства MDF-плит. На рисунке 3.1.107 в качестве примера представлены характеристики двух MDF-плит,
имеющих на разной глубине различную плотность, что обусловлено разной
скоростью сжатия.
Начальный спад и затем вновь подъем объемной плотности на левом графике
говорит о том, что этот материал менее пригоден к непосредственной окраске,
чем более гомогенный правый образец, так как в этом случае минимум объемной плотности может благоприятствовать растрескиванию покрытия. На рисунке 3.1.108 показана окрашенная узкая поверхность MDF-плиты, которая имеет уменьшающуюся в толще материала плотность. Эта поверхность не подверглась окраске, так как ЛКМ проник внутрь MDF-плиты на глубину до 300 мкм.
В зависимости от типа и производителя MDF-субстраты отличаются не только распределением объемной плотности. На их пригодность к порошковой
окраске оказывают существенное влияние следующие факторы:
232 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Рис. 3.1.108. Порошковый слой на узкой
поверхности MDF-плиты с уменьшающейся
в глубине плотностью
Рис. 3.1.109. Вид букового волокна
под электронным микроскопом
Рис. 3.1.110. Вид пихтового волокна
под электронным микроскопом
• распределение объемной плотности (изменение плотности в
направлении, перпендикулярном
поверхности);
. клеевой состав;
• структура волокна;
. используемые гидрофобизаторы.
Предпосылкой для получения бездефектной, оптически высококачественной поверхности является смачиваемость субстрата. Не в последнюю очередь за это отвечает морфология древесных волокон (см. рис.
3.1.109 и 3.1.110). На этом примере длина волокна пихты составляет
3 мм, в то время как длина волокна бука около 1 мм. Проклеивание древесных волокон происходит точечно, так
что при электростатическом нанесении порошкового материала пихтовые
волокна скорее разделяются и «взъерошиваются». Это приводит к нежелательным дефектам поверхности.
Тонкая структура волокна также является важной характеристикой для
MDF-плит, обрабатываемых порошковым методом. Новейшие исследования показывают, что при этом важное значение имеет не столько тип
древесины, сколько геометрия волокон [44].
Только при использовании адаптированных к порошковым материалам
MDF-плит возможно получить качественное покрытие при однослойном
нанесении порошка. Многие производители MDF-древесных материалов в настоящее время интенсивно
работают над получением пригодного к порошковой окраске типа MDFплит, которые должны соответствовать следующим требованиям:
. тонкое качество волокон;
. средняя объемная плотность около 780 кг/м 3 ;
• возможно более равномерное
распределение плотности по
объему;
• электростатическая электропро-
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 233
водность при низком содержании влаги, например, в результате использования модифицированных пленкообразующих или адцитивов;
. 24-часовое объемное набухание (EN317) < 6%;
. прочность при поперечном растяжении (EN319) > 1,0 Н/м2 (как и для жидких материалов).
Между тем качество присутствующих на рынке MDF-материалов вполне подходит для их порошковой окраски. Этот факт служит основанием для внедрения
в производство в будущем MDF-плит, окрашенных порошковыми составами.
3.1.9.4. Предварительная обработка древесных материалов
Подготовка поверхности MDF-материалов имеет решающее влияние на
результат окраски и на качество обработанного изделия. Чтобы обеспечить
высокую надежность производства и минимальный расход ЛКМ, поверхность должна быть по возможности гладкой. Грубые шероховатости MDFповерхности невозможно сгладить при использовании порошкового матери-
Рис. 3.1.111. Окрашенная порошковым материалом MDF-поверхность после шлифовки
с зерном Р180
Рис. 3.1.112. Окрашенная порошковым материалом MDF-поверхность после шлифовки
с зерном Р1200
234 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
ала; они способствуют образованию
так
называемой «апельсиновой корЭлектрический нагревательный выглаживающий
ки». Из-за электростатического меинструмент
тода нанесения порошкового покрытия возникают особые требования и
Деталь
к процессу шлифовки. Нужно чтобы
Датчик
температуры •
на поверхности не оставалось удлиненных древесных волокон, так как
они «взъерошиваются» под действиВакуумный держатель
ем электрического поля и затем модетали
гут выступать из лаковой пленки. На
рис. 3.1.111 и 3.1.112 показано влияние шлифования на результат окраРис. 3.1.113. Схема термического выглажиски. Чем тоньше (мельче) использувания
емая шлифовальная бумага, тем более гладкой может быть обработанная поверхность, причем шлифующий материал с размером зерен Р1200 практически не используется для обработки
древесины.
Однослойное порошковое покрытие высокого оптического качества может
быть получено только на безупречно гладкой основе. При этом у MDF-плит
существуют ограничения, обусловленные их морфологией. В качестве механического процесса подготовки поверхности, особенно для глубоко фрезерованных MDF-элементов, рекомендуется термическое выглаживание [4547]. Оно используется прежде всего потому, что не только сглаживает фрезерованные профили и узкие поверхности, но и дополнительно уплотняет их.
Принцип этого процесса состоит в том, что с помощью пригнанного по контуру профиля инструмента при одновременном воздействии нагрева и давления
«взъерошенные» в предыдущем процессе фрезерования древесные волокна
прижимаются к разогретой пластичной основе и прочно с ней скрепляются.
Для внутренних профилей подходят фрезерные станки с верхним расположением шпинделя с ЧПУ, внешние профили можно с высокой скоростью выглаживать на форматных машинах (см. рис. 3.1.113) [45].
Для использования на обрабатывающих центрах с ЧПУ разработаны неподвижные (фиксированные) выглаживающие инструменты, а для обработки
узких поверхностей на проходных установках — роликовые. Между тем суще* ствуют научные проекты, в которых реализована скорость продвижения издеV лий до 40 м/мин при использовании роликовых устройств. Со временем будут
I |проведены и промышленные испытания. Выглаживание — беспылевой про\! цесс, следовательно, при этом не требуется отсос. Выглаживание проводят на
II фрезерованных поверхностях, которые должны быть полностью свободны от
| пыли и стружек, которые могут быть запрессованы в поверхность и стать приНчиной дефектов. При сглаживании поверхности одновременно и уплотняются, что снижает впитывание жидких и порошковых материалов. Это приводит к
I снижению расхода ЛКМ и уменьшению числа необходимых производственных
операций, а также к улучшению качества поверхности. При использовании позошковых составов это означает, что можно отказаться от грунтования и наносить покрытие в один слой. Дальше можно сэкономить на промежуточном
шлифовании, так как снижается распрямление/набухание древесных волокон
при жидкой окраске. Сравнение различных методов подготовки поверхностей
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 235
(рис. 3.1.114-3.1.777,) показывает, насколько эффективно термическое выглаживание. Тем временем, уже два производителя мебели применяют этот метод для обработки кантов кухонной мебели, которые затем, разумеется, окрашиваются жидким ЛКМ.
Кроме гладкости поверхности важнейшим фактором, конечно, является электропроводность MDF-материала. Из-за того, что в местах переработки древесины преобладает, как правило, пониженная влажность (< 45%), древесина и древесные материалы имеют такую низкую равновесную влажность, что их электропроводность бывает недостаточна для электростатических методов нанесения покрытия. При этом зачастую достаточно сравнительно короткого времени
обработки на загрузочном устройстве, так как поверхностный слой, определяющий возможность электростатической обработки, быстро высыхает.
Для расплавления и отверждения УФ-отверждаемых порошковых составов низкая влажность благоприятна, так как в этом случае предотвращается
появление пузырей при пленкообразовании из-за испарения воды. В общем
случае MDF-плиты имеют влажность от 6 до 7%. Связующее вещество также оказывает большое влияние на электропроводность поверхности древесных материалов. MDF-плиты на основе фенольных или ПМДИ-смол обладают более высокой электропроводностью, чем плиты с меламинформальдегидными или меламиноуретановыми связующими. Чтобы гарантировать достаточно высокую на- Рис. 3.1.114. Фрезерованная поверхность
дежность порошковой окраски, элек- MDF-плиты
тропроводность поверхности MDFплит следует еще повысить. Для этого существуют различные методы:
• временное повышение электропроводности путем увлажнения
поверхности;
• нанесение
электропроводных Рис. 3.1.115. Шлифованная поверхность
MDF-плиты
праймеров;
• диэлектрическое
нагревание
высокочастотным или микроволновым полем;
• подогрев ИК-излучением или
конвекцией;
• добавка проводящих аддитивов
Рис. 3.1.116. Поверхность MDF-плиты после
при производстве MDF-плит.
термовыглаживания
(середина)
При увлажнении водой в краевых зонах или других областях поверхности
в процессе последующего высыхания
могут возникнуть повреждения. Аддитивы, повышающие электропроводность, могут усилить этот эффект. Исследования в этой области еще впереди. Особенно следует избегать на- Рис. 3.1.117. Поверхность MDF-плиты после
бухания волокон.
термовыглаживания (кромка)
236 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Для повышения электропроводности вводят электропроводные праймеры,
как правило, на стадии промежуточного шлифования перед нанесением покрывного состава. Из-за высокой стоимости этот метод при порошковом покрытии древесных материалов не применяется.
Другой возможностью повысить электропроводность поверхности на достаточно длительное время является нагрев носителя посредством подводящих
энергию электромагнитных волн (высокочастотного поля или микроволнового
излучения). При этом влажность MDF-плит едва ли меняется. Высокочастотное переменное поле в этом методе действует непосредственно на молекулы
воды в MDF-материале. В молекулах воды возбуждаются дипольные колебания. При этом выделяется тем больше тепла, чем выше диэлектрическая постоянная е и угол диэлектрических потерь tg5 продукта. Разница в температуре внутри и снаружи субстрата подталкивает миграцию воды к поверхности. Таким образом насыщается верхний, более холодный, слой материала, и
увеличивается его электропроводность, достигая значений, достаточных для
электростатического процесса нанесения. Однако до сих пор промышленного
внедрения этого метода не наблюдается.
Для повышения электропроводности MDF-плит в промышленности в настоящее время фаворитом является метод нагрева с помощью средневолнового ИК-излучения [48, 49], причем температура поверхности не превышает
90°С. Вода из верхнего слоя испаряется, а другая часть воды перемещается
из холодных средних слоев к поверхности. В следующей зоне обработки поверхность охлаждается и влага
конденсируется в близких к поверхности слоях MDF-субстрата, что приводит к достаточному увеличению
электропроводности.
Однако многие исследования указывают на то, что этот способ увеличения электропроводности еще не
способствует получению удовлетворительных результатов с точки зрения
качества поверхности. СледствиРис. 3.1.118. Выход газа — пузыри
ем
могут
быть трещины, пузыри и прои маленькие наколы
колы (см. рис. 3.1.118 и 3.1.119) [44].
Опыты показывают, что, при подогреве MDF-плит, структура их поверхности сильно изменяется, так как волокна на поверхности набухают. Возникающие из-за этого различия в электропроводности приводят к тому, что
волокнистая структура сильнее обозначается на поверхности.
Между тем на рынке появилось новое поколение MDF-плит, которые не
требуют подогрева для порошковой
Рис. 3.1.119. Трещины на кромках и кратеры, окраски [44]. В материал этих плит в
Фото Стефани (Stephani)
процессе изготовления добавляется
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 237
адцитив, повышающий электропроводность. При этом уменьшается количество этапов подготовки поверхности, что в будущем должно стать экономической альтернативой с хорошим потенциалом.
3.1.9.5. Нанесение и отверждение порошковых покрытий
Нанесение порошкового материала происходит за счет электростатической
зарядки частиц порошка в специальном порошковом распылителе с последующим их осаждением на заземленном изделии. Электростатическое нанесение требует создания сильного электрического поля между заряженным облаком порошка и поверхностью окрашиваемой детали. Для создания электрического заряда на частицах порошка используют два разных процесса:
— трибозаряд в результате трения порошка в заряжающем канале порошкового пистолета;
— коронный заряд в результате возникновения заряженных свободных
ионов в поле коронного разряда.
При трибозаряде частицы порошка с большой скорость трутся вдоль заряженной трубки трибопистолета и в результате заряжаются. Для зарядки обычного
порошка используют тефлон или стекло. В этом случае порошок заряжается положительно. Преимуществом является то, что трибопистолет создает очень небольшой эффект Фарадея, и для этой техники одинаково легко доступны ниши и
углы, так как на направление движения порошка влияет только направленность
потока воздуха. Не все связующие заряжаются одинаково хорошо, так что в некоторых случаях требуются добавки, которые обеспечивают трибозаряд порошка. Другим недостатком является то, что металлические и порошковые покрытия наделе не всегда эффективны при нанесении этим методом.
При использовании техники коронного разряда зарядка частиц порошка
происходит только благодаря ионной бомбардировке. С помощью каскада высокого напряжения создается напряжение от 40 до 100 тыс. вольт и подается на электрод, где образуется ионный газ, который захватывается частицами
порошка. Сильное поле создает эффективный заряд и способствует тому, что
заряженные частицы порошка направляются непосредственно к поверхности
заземленной детали. Правда, силовые линии поля склонны к тому, что порошок переносится прямо к ближайшей поверхности и кантам, но не действует в
пустотах (клетках Фарадея).
Чтобы уменьшить эффект «апельсиновой корки», возникающий при обратной ионизации поверхности детали, сегодня используют коронные пистолеты пониженной ионности (обедненные). Они должны создавать порошковое
облако без свободных ионов воздуха. Этого можно достигнуть, например, используя дополнительный заземленный электрод на изолирующем расстоянии
позади коронного электрода. Благодаря хорошей возможности регулирования и независимости от химического состава порошка и электропроводности
субстрата (в отличие от трибопроцесса), сегодня для окраски порошковыми
составами древесных материалов применяют в основном такие обедненные
коронные пистолеты.
Для оплавления и отверждения порошковых лакокрасочных материалов существует две различные технологии и их комбинация:
• конвекционный нагрев;
. ИК-облучение;
• сочетание ИК-облучения и конвекции.
238 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Если используется конвекционный нагрев, то, с точки зрения снижения количества пузырей и кратеров в пленке, желательно вести процесс при пониженной температуре, несмотря на увеличение времени (например 120°С/
20 мин), чем при более высокой температуре (например 140°С/6 мин.). При
этом порошковый состав должен быстро расплавиться и отвердиться без повреждения древесины или древесного материала, и в этом случае больше
подходит ИК-технология нагрева, чем конвекционный метод с использованием горячего воздуха. Исследования показали, что, при горячей сушке в печи
с циркуляцией воздуха древесные материалы испытывают большую нагрузку,
чем при такой же горячей сушке посредством ИК-облучения. Под действием
ИК-облучения гелирование порошкового ЛКМ происходит существенно быстрее, чем при конвекционном нагреве, и поэтому снижается тепловая нагрузка на субстрат, особенно для низкоплавких УФ- и реактивных НТ-составов. Порошковые материалы очень хорошо поглощают ИК-излучение и масса порошка нагревается быстрее, чем при обычных способах нагрева.
Для расплавления порошкового состава особенно хорошо подходит коротко- и средневолновое ИК-излучение (для прозрачных лаков — до 2,8 мкм,
для пигментированных — до 3,5 мкм) [1]. Однако коротковолновое излучение
не очень хорошо работает на профильной части поверхности, так как при его
использовании может возникнуть сильный температурный градиент между
основной поверхностью и фрезерованным профилем MDF-плиты. Поэтому для
профилей MDF-плит больше подходят средне- и длинноволновые или газокаталитические облучатели. Чтобы добиться наибольшей надежности процесса, комбинируют ИК-облучение с конвекционным нагревом («Triab», DuPont).
В результате получают больше степеней свободы для регулировки процесса
расплавления.
Типичный процесс окраски с использованием термореактивного порошкового материала содержит три стадии [14]:
— всесторонний подогрев поверхности MDF-плит средневолновым ИКизлучением до температуры 90°С;
— нанесение состава с помощью разрядного (60-80 кВ) или трибопистолета
в течение 1 -2 минут после 1 -й стадии;
— плавление с использованием ИК-излучения в течение 30-60 с при температуре поверхности 130-150°С и удерживание этой температуры объекта
в течение 3-5 мин. для сшивки покрытия с помощью конвекционного нагрева.
Время разогрева субстрата от комнатной температуры до 140°С здесь не
учитывается и зависит, конечно, от свойств субстрата и его укладки на транспортере.
К сожалению, спектр свойств однослойных НТ-порошковых покрытий не
удовлетворяет претензий к высококачественным мебельным поверхностям.
Для этого больше подходят УФ-порошковые материалы. Нанесение УФпорошковых составов происходит точно так же, как и термически отверждаемых систем, большей частью с использованием обедненного ионного разрядного пистолета. Существенным преимуществом УФ-технологии по сравнению
с технологией горячей сушки является то, что процессы плавления и сшивки
могут быть разделены. Так как термически активируемая сшивка отсутствует,
то плавление может продолжаться так долго, как это необходимо для его оптимизации. При этом для плавления достаточно от 1 до 3 минут при температу-
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 239
Растекание I <! УФ отверждение
Рис. 3.1.120. Типичное изменение температуры в процессе УФ-отверждения порошковых
материалов
ре 110°С. Кратковременное и к тому же относительно более низкое температурное воздействие по сравнению с термореактивными системами снижает
опасность образования пузырей. После расплавления порошковое покрытие
отверждается в течение 30-60 с под действием среднего УФ-излучения. В целом, при плавлении и отверждении температура поверхности плиты не поднимается выше 130°С, и то кратковременно. На рисунке 3.1.120 [14] представлена типичная температурная кривая процесса окраски. Выбор подходящего
источника УФ-излучения происходит так же, как и для жидких ЛКМ, и описан
в части 7.4.
Стандартный процесс окраски характеризуется следующим образом:
• зона предварительного нагрева (температура поверхности плиты
около 60°С);
• зона нанесения (толщина слоя 80-1 ООмкм);
• зона плавления (ИК и конвекция, 120°С);
• УФ-зона (ртутный излучатель, для пигментированных систем дотированный галлием);
• скорость продвижения изделий —1,5 м/мин.
При использовании УФ-порошковых материалов достигается качество поверхности, сравнимое с качеством поверхности меламиновых ЛКМ.
3.1.9.6. Перспективы
Вопреки перечню выдающихся свойств УФ-порошковых ЛКМ [52-57], эта
технология пока не имеет широкого распространения. С одной стороны, этому препятствует весьма высокая, по сравнению с термореактивными материалами, стоимость УФ-порошков для использования в серийном производстве.
С другой — не все технические проблемы еще решены настолько, чтобы можно было гарантировать разумную и экономичную порошковую окраску на линиях с неизменным качеством. Так, технология окраски трехмерных деталей
240 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
мебели требует и соответствующей
УФ-технологии. Критическими являются не только узкие поверхности,
но и углубления, где, в результате
высокой пористости древесных материалов порошковый состав может
глубоко проникать внутрь субстрата
и плохо сшиваться. При этом высокие требования индустрии кухонной
мебели по максимальному отклонению цветового тона ДЕ < 0,2-0,3 как
раз и не выполняются. Точно также и
для жидких Л КМ: не все цвета могут
Рис. 3.1.121. Трещины на окрашенной
быть оптимально отверждены с испорошковым материалом MDF-поверхности
пользованием УФ-технологии. В отличие от жидких материалов, для порошковых систем необходим подвод тепла на стадии плавления. Напряжения, возникающие в результате нарушения
оптимального температурного режима, могут привести к дефектам растекания и на кромках. Для того чтобы избежать дефектов на кромке, нужно прежде всего вести процесс УФ-облучения очень равномерно, постоянно поворачивая и продвигая изделия. Если свойства MDF-субстрата и температурный
режим не согласованы между собой, то возникают дефекты окраски, описанные в части 3.1.9.4. Из-за технологических трудностей процесса окраски УФпорошковыми материалами на современных установках по порошковой окраске древесины лидируют термореактивные материалы. Но и в этом случае обработка кромки требует оптимизации. Типичным дефектом здесь является образование трещин (см. рис. 3.1.121) [58], как это было установлено в результате исследований Прието (Prieto) с сотрудниками [58]. В данном случае речь
идет об однослойных покрытиях.
Такая картина растрескивания на узкой поверхности почти неизбежна во
время конвективного нагрева недосушенных MDF-плит при расплавлении и
отверждении термореактивных порошковых составов. Частично эти трещины могут затягиваться. Критичными являются детали с глубокими прорезями
вблизи краевой зоны, так как здесь трещины проходят с двух сторон и могут
попадать и в середину. Между тем при правильном выборе MDF-материала и
точном расположении деталей на подающем устройстве, можно окрасить мебельные поверхности УФ-порошковыми материалами с хорошим качеством,
как показывает опыт Франции и Австралии [59, 60].
При оптимальном проведении процесса на отобранных MDF-субстратах можно также получить хорошее качество поверхности при двухслойной окраске НТпорошковыми составами. Порошковая окраска древесных материалов — современный и комплексный процесс, который зависит от многих факторов и
нуждается в тесном сотрудничестве всех заинтересованных сторон для внедрения этой технологии в практику. Чтобы ускорить продвижение этой технологии, необходим точный баланс качества высокосортных мебельных поверхностей в области не только технологии, но и экономической конкурентоспособности. Целью должно быть получение однослойных порошковых покрытий.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 241
Список литературы
1. Bauch, H: Elektrostatische Oberflaechenbehandlung von Holzwerkstoffen mit thermound strahlenhaertenden Pulverlacken, Foerderkennzeichen 01 RV 9612/9, BMBF
gefoerdertes und DFO koordiniertes F&E-Programm zur Erweiterung der Anwendung
von Pulverlacken, 1996-1999 Foerderkennzeichen: 01 RV 9625/8.
2. Krueger, A., Schmich, P.: Einsatzmoeglichkeiten und Bedingungenfuerdie PulverlackBeschichtung von Holz und Holzwerkstoffen, Foerderkennzeichen: 01 ZH 9309/1,
BMBF gefoerdertes und DFO koordiniertes F&E-Programm zur Erweiterung der
Anwendung von Pulverlacken 1994-1996, Foerderkennzeichen 01 ZH 9307.
3. Krueger, A., Dreyer,C.,Friebel,S.:ErarbeitungvonGrundlagenfuereinenpraxisgerechten
Prozess zur Pulverbeschichtung von Holz und Holzwerkstoffen, Foerderkennzeichen
01RV9611/6, 01RV9610/3, BMBF gefoerdertes und DFO koordiniertes F&E-Programm
zur Erweiterung der Anwendung von Pulverlacken, 1996-1999 Foerderkennzeichen: 01
RV 9625/8.
4. Friebel, S.: Wechselwirkungen zwischen Holzwerkstoff und Pulverlack, DFO-Berichtsband 42: Pulverbeschichtung von Holzwerkstoffen - ein innovatives Lackierkonzept,
1999, S. 21-28.
5. Bauch, H.: Elektrostatische Beschichtung von Holzwerkstoffen mit thermound strahlenhaertbaren Pulverlacken, DFO-Berichtsband 42: Pulverbeschichtung von
Holzwerkstoffen - ein innovatives Lackierkonzept, 1999,S. 35-48.
6. Dreyer, C, Krueger, A.: Prozessablauf und Schichteigenschaften, DFO-Berichtsband
42: Pulverbeschichtung von Holzwerkstoffen - ein innovatives Lackierkonzept, 1999,
S. 29-34.
7. Kiene, J., Vesper, H.: Powder Coating on Wood and Wood Composites, Woodcoatings
- Challenges and solutions in the 21st Century, Den Haag 2000, Paper 15.
8. Sponholz, R.: Rohstoffentwicklungen von Pulverlackharzen fuer die Holz- und Holzwerkstoffindustrie, DFO-Berichtsband 42: Pulverbeschichtung von Holzwerkstoffen ein innovatives Lackierkonzept, Paderborn 1999, S. 5-12.
9. Bauch, H.: Elektrostatische Pulverlackierung von Holzwerkstoffen, Holz-Zentralblatt,
1996, Nr. 68/69.
10. Netuschil, P., Schmich, P.: Pulverlackbeschichtung von Holz- und HolzwerkstoffenOekologische Chancen und technische Moeglichkeiten, Holz-Zentralblatt, 1996, Nr.
68/69.
11. Bauch, H.: Pulverbeschichtung von Holzwerkstoffen, Journal fuer Oberflaechentechnik
(JOT), AusgabelO, 1998.
12. Zimmermann, F.: muendliche Mitteilung.
13. Piearce, C: Powder Coating of Wood - Myth or Reality?, Woodcoatings - Challenges
and solutions in the 21st Century, Den Haag 2000, Paper 14.
14. Zimmermann, F.: Pulverlackefuer Holzwerkstoffe.Thermoface und Pulverlack, Dresden
2003.
15. Unbekannt: Pulverbeschichtung von MDF-Platten, Journal fuer Oberflflchentechnik
(JOF)40(6),2000.
16. Kiene, J., Prieto, J.: Kapitel 9.2.5 Holzlackieren, Kittel - LehrbuchderLackeund Beschichtungen, Bd. 9: Verarbeitung von Lacken und Beschichtungsstoffen, 2004, S. 344-346.
17. Sauter, W., Harsch, M., Mertins, L.: «Demonstrationsanlage zur umweltfreundlichen
MDF-Pulverbeschichtung mit hohen Qualitaetsanforderungen fuer die Moebelherstellung», Abschlussbericht, Foerdernde Institution: Umweltbundesamt, Aktenzeichen 30441 - 1/22, Vorhaben Nr. 20055, November 2004.
242 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
18. Hauber, P.: Pulverbeschichten von MDF in der Praxis aus S i c h t d e s Moebelherstellers,
E P S - DerPulvertreff 2003, Fachtagung ueberdaselektrostatische Pulverbeschichten,
2003.
19. Hauber, P.: Pulverbeschichten von MDF in der Praxis aus S i c h t d e s Moebelherstellers,
Thermoface und Pulverlack, Dresden, 2003.
20. Mayer, C: Pulverbeschichtung von MDF in der Praxis aus Sicht des Lohnbeschichters,
Thermoface und Pulverlack, Dresden, 2003.
2 1 . Paauwe, J.: Low Temperature Curing Resins, Praesentation DSM Coatings Resins,
2006.
22. Bayards, R. A., Groen, J. H., Koldijk, F., Benkers, D.: Enlarging the curing window of
powder coatings, European Coating Show 2003.
23. Buysens, K.: UV Curable Powder Coatings - A New Coating Technology for MDF,
RadTech Europe 1999, Conference Proceedings.
24. Buysens, K.: UV Curable Powder Coatings for the Finishing of Wood Composites,
Woodcoatings - Challenges and solutions in the 21st Century, 2000, Paper 17.
25. Buysens, K.: UV Curable Powder Coatings on Wood - New Developments, RadTech
Europe 2 0 0 1 , Conference Proceedings.
26. Buysens, K., Keil, E., Cremer, J.: «UV-haertbare Pulverlacke - Stand der Technik»,
Journal fuer Oberflaechentechnik (JOT), 2 0 0 1 , Ausgabe 02.
27. Schmidt, Т.: Pulverlackierung von Holzwerkstoffen, Thermoface und Pulverlack,
Dresden, 2003,
28. Groen, J. H., Bayard R., A., Kaptijn, W., H.: Application Properties of UV Curable Powder
Coatings, RadTech Europe 2003, Conference Proceedings.
29. Maetens, D.: Optimal Performance of UV Powders on Different Substrates by Combining
Polyester and Epoxy Chemistry, RadTech Europe 2003, Conference Proceedings.
30. Fink, D., Buysens, K.: Strahlenhaertende Beschichtungen, Thermoface und Pulverlack,
Dresden, 2003.
31. Williams, F., Armengol, JMa., Grau, E., Chambat, C, Laurens, C: Urethane-Acrylated
Resins for UV-Curable Powder Coatings: A Versatile Chemistry to Look for the
Excellence, Rad Tech Europe 2005, Conference Proceedings.
32. Patentschrift: EP 0846034, DuPont Powder Coatings, 1996.
33. Patentschrift: WO 02/100957, DuPont, 2002.
34. Patentschrift: DE 198 35 867, BASFAG, 1998.
35. Patentschrift: DE 198 35 917, BASFAG, 1998.
36. Patentschrift: DE 199 03 725, BASFAG, 1999.
37. Patentschrift: EP 585742, Hoechst, 1995.
38. Patentschrift: EP 739922, UCB, 1995.
39. Patentschrift: EP 1258296, (DSM), 2001.
40. Spyrou, E.: Storage Stable UV-Powder Coating Formulations, Rad Tech Europe 2005,
Conference Proceedings.
4 1 . Bender, J., Laver, H., Lehmann, K., Margraf, R., Schmid, O.: The Formulation of UVCurable Powder Coatings, RadTech Europe 1999, Conference Proceedings.
42. Chamberlin, D.T., Laver, H. S.: UV-Curingand Formulation of Powder Coatings, Powder
Coatings: What's Next, 1999, Conference Proceedings.
43. Jovanovic, Z., Lahaye, J., Laver, H., Megert, S., te Walvoort, C: UV-Curable Powder
Coatings: A Guide to Succesful Formulation, Ciba-Broschbre.
44. Krug, D., Wolf, H.: Die pulverlackierbare MDF, Thermoface und Pulverlack, Dresden, 2003.
45. Raatz, C: Richtungsweisende Profilvergbtung durch Thermoface, Thermoface und
Pulverlack, Dresden, 2003.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 243
46. Fuchs, I.: Thermoglaetten - ein oekonomisches und oekologisches Feinbearbeitungsverfahren, Thermoface und Pulverlack, Dresden 2003.
47. Rerun,K.,Raatz,C:ThermoglaettenmitZukunft-StaubfreieMDF-Feinbearbeitungfuer
die Industrie, holztechnologie 46 (2005) 1.
48. Strid, M., Bolm, H., Pilqvist, M.: «Continuation of a Succes Story with UV Powder», Rad
Tech Europe 2003, Conference Proceedings.
49. Karlsson, L: UV Powder on MDF for High Quality & Design, Rad Tech Europe 2003,
Conference Proceedings.
50. Zimmermann, F.: muendliche Mitteilung.
51. Timmermann, E.-H., Kleber, W.: Kapitel 9.1.3 Pulverbeschichten, Kittel - Lehrbuch der
Lacke und Beschichtungen, Bd 9: Verarbeitung von Lacken und Beschichtungsstoffen,
S. 9 8 - 1 4 1 , 2 0 0 4 .
52. Blatter, K., MacFadden, В.,Strid, M., Niggemann, F.: UV-PulverlackeersteErfahrungen
in der Anwendung, Journal fuer Oberflaechentechnik (JOT), 1998, Ausgabe 02.
53. Heathcote, J.: UV-Powder Coating Process for MDF, Radtech Report, September/
October 2001.
54. Bayards, R., Blatter, W., Concha, C, Griese, C, Shepherd, В., Sitzmann, E.: Test for
Success - UV-Powder Coatings for MDF, Radtech Report, September/October 2001.
55. Mitchell, S.: Holz mit UV-haertenden Pulverlacken schnell und Kosten sparend
beschichten, besser lackieren, 2002, Nr. 4.
56. Grimm, Т.: Pulver auf MDF/Holz, Thermoface und Pulverlack, Dresden, 2003.
Firmenunterlagen: Venjakob Maschinenbau.
57. Baroncini, В.: Pulverlackierbeschichtung auf MDF mittels horizontaler Oder vertikaler
Beschichtungsstrasse? Thermoface und Pulverlack, Dresden, 2003.
58. Santandrea, S.: UV Powder Coating on MDF a Consolidating Technology, Rad Tech
Europe 2005, Conference Proceedings. Prieto, J.: persunliche Mitteilung.
59. Roux, Marie-Lise: Finitions poudres: Les possibilites actuelles en ameublement, Breves
du CTBA, 2006.
3.1.10. Окраска декоративных отделочных пленок.
В общем случае, под декоративной отделочной пленкой понимают пропитанную искусственными смолами декоративно пропечатанную или непропечатанную бумагу.
Она покрыта так называемым вторичным покрывным пленочным слоем или
лаком для защиты поверхности бумаги от механических или химических нагрузок. Затем пленка запрессовывается на поверхности древесно-стружечных
или MDF-плит при производстве мебели. Отделка печатной бумагой известна
уже больше 75 лет.
В патенте фирмы Masa в 1928 г. впервые описан «метод лакирования печатной бумаги» [2]. В мебельной промышленности триумфальное шествие декоративных пленок началось 35 лет назад. С развитием декоративных пленок
мебельная промышленность получила возможность использовать всегда неизменные и равноценные поверхности с большим выбором деревянного или
фантазийного декора [2].
С точки зрения всеобщего потребления (около 1,2 млрд. м 2 ), декоративные пленки сегодня относятся к важнейшим покрывным материалам мебельной промышленности [3]. Их доля на рынке в 2002 г. составила 10% (см. рис.
3.1.122) [4]. Европа является важнейшим потребителем декоративных пленок
(импрегнатов и предимпрегнатов) вслед за Азией, которая использует глав-
244 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
2002
Термопластическая
1999
Термопластическая
фольга 7%
Мировое потребление 12 млрд. м2
Промышленная
окраска 8%
Декоративные ^ ^ | Предимпрегнат 5 %
Импрегнат L
Мировое потребление 10.5 млрд. м2
Рис. 3.1.122. Декоративные пленки в общем объеме рынка поверхностных покрытий
13 Японская бумага, легкая фольга
D Импрегнат
• Предимпрегнат
I
1995
2000
2002
Европа
1995
I
2000
Сев. Америка
.
20О2
.
1995
.
2000
2002
Азия
Рис. 3.1.123. Мировое потребление декоративных пленок в 2002 г.
Жилые автофурго . "-"'
Панели и рейки 19%
Мебель 64%
Двери 6%
Рис. 3.1.124. Области применения декоративных пленок в Европе в 2002 г.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 245
ным образом, тонкую бумагу (LBWP) (см. рис. 3.1.123) [4]. На практике для
обозначения окрашенных декоративных отделочных пленок часто используют синонимы, такие как декоративные, мебельные и т.п. Декоративная бумага
применяется также при изготовлении меламиновых пленок, кантов, ламината
и в других областях, о которых в этой книге не говорится. На рисунке 3.1.124
представлены области применения и использования декоративных отделочных пленок в Европе в 2002 г.
3.1.10.1. Историческое развитие декоративных пленок
С самого начала и до середины 1960-х гг. такие предметы мебели, как кровати, шкафы, столы и двери были штучными изделиями. Прогрессирующая
рационализация процессов изготовления и материалов привели к усиленному внедрению стружечных плит. Стружечные плиты того времени имели достаточно грубую структуру поверхности. При окраске таких плит требовалось
многократное нанесение Л КМ, для того чтобы скрыть неровности и стружечную структуру. Чтобы сократить число операций при окраске, стали развивать
и внедрять однотонные бумажные грунтующие пленки, которые прессовали на
поверхность плит [5]. Сначала это была бумага, пропитанная аминными смолами с плотностью 120 г/м 2 , отделанная нитроцеллюлозным лаком. После
прессования на поверхность плиты такая бумага становилась грунтовой основой и затем шлифовалась и покрывалась лакокрасочным составом.
Некоторое время спустя печатные бумажные пленки с древесным узором
стали альтернативой фанерованным поверхностям, что позволило сократить
дорогостоящий процесс обработки фанеры. Печатная техника позволяла воспроизводить любые древесные или фантазийные рисунки. Для дальнейшего
упрощения процесса производства спустя несколько лет был внедрен улучшенный тип пропитанной бумаги - готовые пленки. В данном случае речь идет
о пропитанных однотонных или печатных бумажных пленках, которые вдобавок к пропитке уже на стадии производства покрывались лаком [5]. Полученные таким способом декоративные пленки и бордюрные ленты для непрерывного покрытия кантов в рулонах поставлялись для мебельной промышленности и изготовителей древесных плит. Потребителям таких пленок оставалось
только раскроить и запрессовать их без дополнительной окраски. Внедрение
декоративных отделочных пленок в начале 1970-х гг. привело к феноменальному сокращению стоимости производства квадратного метра поверхности
по сравнению со стоимостью мебели, фанерованной настоящим деревом. Это
было началом успеха отделочных лаков, который продолжается и до сих пор.
3.1.10.2. Бумажная основа для декоративных отделочных пленок
Как известно, самая старая бумага была найдена в Китае и относится примерно к 60 г. до нашей эры. Процесс получения бумаги впервые был описан в
Китае в 105 г. н.э. В то время в качестве сырья использовали древесную кору,
пеньку и тряпки.
Сегодня бумага для декоративных пленок является высокотехнологичным
продуктом. Она состоит из отборного волокна, наполнителей, пигментов и
определенных химических добавок (например, смачивающих средств). Наряду с этим, в бумаге существуют различные виды пустот, капилляры, поры и каналы. Эти пустоты могут занимать до 50% объема бумаги и отвечают за важ-
246 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.58. Обзор применяемой бумажной основы
Бумага
Импрегнат: стандарт
бордюрная
лента
Предимпрегнат
Японская бумага
Степень пропитки смолой
(доля от общего веса)
Вес бумаги, г/м2
30-40%
30-40%
60-140
140-250
5-35%
40-80
<б%
<40
ные свойства, такие как впитывание смолы и проницаемость. Для изготовления декоративной бумаги используются короткие и длинные волокна. Длинные
волокна улучшают прочность на разрыв и сопротивление к разрастанию трещин [6]. Добавка волокон целлюлозы из соломы заметно увеличивает устойчивость к расслаиванию [7]. В зависимости от области применения, существуют бумажные основы с разным удельным весом38 (см. рис. 3.1.58). Кроме вышеперечисленной бумаги, существует еще японская бумага, которая отличается по сырьевой базе и степени заполнения смолой. Ее производство сосредоточено в Азии с использованием местных волокнистых материалов. Для ее
упрочнения часто используют аминные смолы, которые добавляют в процессе
получения бумаги. Японская бумага дополнительно не пропитывается. Она используется как дешевая альтернатива предимпрегнату.
Пропитка декоративной бумаги
Под пропиткой декоративной бумаги понимают заполнение пустот
капиллярно-пористого материала. Пропитка служит для механического упрочнения и повышает устойчивость к растрескиванию бумаги. Кроме пропитки на
качество и свойства декоративной бумаги существенное влияние оказывает
выбор целлюлозы, очистка сырья и параметры производства. Устойчивость к
расслаиванию бумаги определяется силой сцепления волокон, составом раствора пропитывающих смол, параметрами процесса пропитки и т.п. и описывается прочностью бумаги в z-направлении [8].
В зависимости от типа процесса пропитки, различают декоративные пленки с полностью пропитанной сердцевиной (offline-процесс) и декоративные
пленки на базе предимпрегната (online-процесс), на которые в дальнейшем
можно нанести окончательное покрытие. Так получают декоративные отделочные пленки, которые являются готовой поверхностью.
Импрегнат
При производстве импрегната сначала в результате многоступенчатого процесса получают исходную бумагу. Затем на бумаге печатается рисунок, и/или
она сразу продается потребителям. На второй стадии на бумагу наносится соответствующий рисунок методом глубокой печати. Вслед за этим на третьем
этапе процесса производства декоративной пленки пропечатанная бумага обрабатывается смесью смол на линии пропитки бумажная лента протягивается
через резервуар с раствором смол и на двойных ракелях очищается от излишков пропитки. Затем идет участок покоя, для того чтобы смолы, находившиеся в растворе, могли впитаться в толщу бумаги. Сушка и отверждение проис38
Удельный вес бумаги — это вес в г/м 2 бумаги при стандартных условиях. Он складывается из
веса волокон, наполнителей вспомогательных веществ и воды.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 247
ходят обычно в сушилке для сушки материала во взвешенном состоянии при
140-180°С, оборудованной форсунками с горячим воздухом, которые обеспечивают бесконтактную сушку. По сравнению с предимпрегнатом импергнат содержит более длинные волокна и поэтому нуждается в большей степени осмоления в процессе пропитки для получения устойчивой к расслоению декоративной бумаги. Для предимпрегната устойчивость к расслоению достигается
использованием небольших и тонких волокон. В отличие от предимпрегнатов,
импрегнаты обладают высокой воздушной проницаемостью, незначительным
уплотнением поверхности, они относительно хрупкие, содержат большую долю бумаги и гладкие только с одной стороны.
Принципиальные различия предимпрегнатов и импрегнатов возникают в тот
момент, когда начинается процесс пропитки.
Предимпрегна ты
Опыт различных производителей бумаги конца 1970-х гг., которые использовали процесс пропитки как одну из стадий получения бумаги, лег в основу производства предимпрегната [9]. Под предимпрегнатом имеют в виду пропитанную перед нанесением рисунка и заключительной окраской декоративную бумагу. Предимпрегнаты пришли на рынок в начале 1980-х гг. Они были более
дешевой альтернативой полностью пропитанных декоративных пленок [10].
Предимпрегнаты получали из 100% недревесной целлюлозы. В первые годы
оптические свойства и восприимчивость предимпрегнатов были не сравнимы
с полностью пропитанными пленками. За последние 20 лет, однако, материалы основы и качество печати заметно улучшились. Ценовая выгода по сравнению с классическими отделочными пленками усилила спрос на предимпрегнаты в мебельной промышленности. Декоративные пленки на основе предимпрегнатов уже внутри бумагоделательной машины, непосредственно после
формирования листа и сушки, пропитываются смесью смол в соответствии
с поверхностной массой бумажной основы. Во время сушки и выглаживания,
часто внутри бумагоделательного агрегата, смолы пропитки должны реагировать с бумагой (химическая сшивка), чтобы получить бумагу, устойчивую к
расслоению. Таким образом, можно гарантировать, что не будет происходить
отделения волокон в декоративной пленке в результате последующих операций. Для дальнейшей переработки предимпрегнаты должны соответствовать
целому ряду требований: они должны иметь высокую кроющую способность
и чистоту обработки поверхности, быть пригодными для глубокой ротационной печати и лакирования, хорошо ложиться на плоскость и приклеиваться к
древесно-стружечным и MDF-плитам [11]. При использовании термически
сшиваемых, разбавляемых водой пропитывающих смесей речь идет о растворах карбамидных, меламиновых и фенольных смол [12]. При использовании
только этих смол получают твердые и хрупкие продукты. Поэтому, кроме перечисленных выше смол, используют термически сшиваемые полимерные дисперсии на основе акриловой кислоты, акриловых эфиров, стирола, бутадиена,
винилацетата или акрилонитрила. Количество смолы в предимпрегнате может
составлять от 5 до 35%. Классические пропиточные смолы (карбамидные и
меламиновые) глубже проникают в бумажную основу, чем водоразбавляемые
полимерные дисперсии. Полимерные дисперсии насыщают больше верхнюю
и нижнюю стороны декоративной пленки и обеспечивают хорошую выглаживаемость и плотность поверхности бумаги. Гладкость и уплотненность поверхности имеют решающее значение для хорошей печати и нанесения покрывно-
248 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
го лака [13]. Из патентной литературы известно, что на глубину проникновения полимерных дисперсий в пропиточный смоляной раствор могут оказывать
влияние различные добавки, например, водорастворимые полимеры на основе поливиниловых спиртов, желатин, крахмал, производные целлюлозы, альгинаты, и такие смеси, как сополимеризаты малеиновой кислоты или сополимеризаты метакриламида и метакриловой кислоты [14-17].
К предимпрегнатам предъявляют различные требования [4, 18]:
• визуальный аспект;
. соблюдение требования Е1 (эмиссия формальдегида);
• способность к перемотке на печатных и окрасочных машинах;
• пригодность к печати: гладкая внешняя поверхность, смачиваемость печатными красками;
• пригодность к окраске: подходящее поверхностное натяжение, равномерная пропитка, определенная впитывающая способность, пористость;
. пригодность к приклеиванию: совместимость с различными клеящими
составами, шероховатость оборотной стороны, впитывающая способность, смачиваемость водным клеем, хорошее прилегание к плоскости;
• пригодность к дальнейшей переработке (устойчивость к расслоению).
Предимпрегнаты получают все большее распространение в результате того,
что в последние годы появилась реальная возможность качественно воспроизводить на такой бумаге рисунок и текстуру древесины [19]. К тому же улучшилась пригодность самих пленок к качественной и скоростной печати. Получены также предимпрегнаты с небольшим удельным весом, достаточно непрозрачные и эластичные. Весьма разнообразно используются предимпрегнатные пленки при обработке современных клеевых швов [20]. Кроме того,
снимается проблема выполнения требований по концентрации формальдегида в соответствии с Директивой 100. В будущем это приведет к увеличению
количества провайдеров, предлагающих предимпрегнат [21]. Качество предимпрегната может и дальше повышаться. Тенденция применения облегченных декоративных носителей несомненна и неудержимо усиливается. Общий
рост предимпрегната и LBWP (легкой бумаги) предсказуем. Число производителей декоративной печати, использующих декоративные отделочные пленки,
будет расти.
3.1.10.3. Лакокрасочные материалы для отделки декоративных пленок
Для покрытия декоративных пленок существует множество различных материалов (см. рис. 3.1.125). Используемые ЛКМ называют вторичным покровным слоем или финишным лаком. В зависимости от требований к качеству поверхности отвержденной лаковой пленки различают резистентные (стойкие) и
высокостойкие декоративные отделочные пленки. На рынке Европы доминируют разбавляемые водой кислотоотверждаемые лаковые системы. В Северной Америке, напротив, применяют растворимые в органических растворителях кислотоотверждаемые, а также УФ- и ЭИ-отверждаемые системы в соотношении 1 : 1. В Азии преобладают растворимые в органических растворителях 2К-ПУР материалы. Общее количество ЛКМ для обработки декоративных
отделочных пленок составляет более 30 тыс. тонн. Около 60% из них — это
разбавляемые водой кислотоотверждаемые составы. Оставшаяся часть разделяется, главным образом, между УФ- и ЭИ-отверждаемыми и 2К-ПУР системами.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Рост
Зарождение
Зрелость
249
Старость
2К-ПУР материалы на
основе органических
j ^ k растворителей
УФ- и ЭИУ
материалы\/
^Ш^
^^х*
^х
'
КИ системы
(разбавляемые
ПЭ составы, воЬорастворимые и растворимые
в органических раствоч.
рителях
водой)
Прочие продукты,
например 1К водные
материалы
^
НЦ материалы
Рис. 3.1.125. Кривая «жизненного цикла» лакокрасочных технологий для обработки
бумажных декоративных пленок
СН 3 ОСН 2
СН 2 ОСН 3
N
CHjOCH 2
N
N
N
CHJOCHJ
НО-
N
СН г ОСН 3
CHJOCHJ
•
щ
N
Кислый катализ.
нагрев
-ОН
Пленкообразователь,
содержащий гидроксильные группы
Меламиновая смола
СН 3 ОСН 2
CHJOCHJ
ОН 2 С
CH 3 OCH 2
СН 3 ОСН 2
сн2о
N
Ж
N
СН 2 ОСН 3
N
,
снэон
Д
СН 3 ОСН 2
СН2ОСН3
N
N
CHJOCHJ
N
N
СН 3 ОСН 2
N
СН2ОСН3
Метанол
Рис. 3.1.126. Схематическое представление поликонденсации водного кислотоотверждаемого вторичного покрытия
При использовании декоративных пленок свойства покрывного лака определяют качество мебельной поверхности. Используются следующие технологии лакирования.
Нитроцеллюлозные лаки (НЦ)
Первые лаки для отделки пленочных покрытий были составлены на основе
нитроцеллюлозы. Из-за высокого содержания органических растворителей и
недостаточной химической и механической стойкости сегодня они не играют
существенной роли (см. часть 3.1.2). Недостатком НЦ материалов является
низкая устойчивость к нагреванию, что не позволяет перерабатывать их на короткотактовых прессах с температурой выше 80°С. НЦ лаки используются сегодня только в Азии для грунтовки бумажных пленок.
250 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Таблица 3.1.59. Рецептуры кислотоотверждаемых вторичных покрывных систем
на водной основе для декоративных отделочных пленок
Компонент
Назначение
Водные гидроксилсодержащие
акриловые дисперсии1 на базе
акриловой и метакриловой кислоты и стирола
Пленкообразователь;
реакционный партнер для аминных смол
Раствор триэтаноламина в полностью смягченной воде 1 : 1
Для установления рН акрилатной
дисперсии 8,2
Меламиновая смола2
С частично этерифицированным
метанолом (> 69% твердых
веществ)
Пленкообразователь;
реакционный партнер для акрилатных дисперсий
Бутилгликоль
Растворитель; понижение вязкости
4,75
Полиуретановый загуститель3
Установление вязкости
0,55
ПАВ4) (2,4, 7, 9-тетраметил-5децин-4, 7-диол), 50%-ный раствор в бутилгликоле
Улучшение смачиваемости с функцией антивспенивателя
0,35
Всего
Массовая доля
71,23
1,77
21,35
100,00
Твердые вещества (доля нелетучих составляющих лака): 47%. Вязкость (4 мм сопло при 20°С):
20 с. Отвердители: /7-толуолсульфокислота — 50%, вода — 50%: всего — 100%.
Соотношение смешивания/указания для переработки: основа лака 100 массовых частей; отвердитель 5 массовых частей. Вязкость с отвердителем (4 мм сопло при 20°С): 20 с. Жизнеспособность
(при 20°С): < 1 день, немедленная переработка. Количество наносимого вещества: 10 г/м г .
Параметры сушки/отверждения: 30 с при 150°С.
1
Luhydran® S 937 Т (BASF A6) ОН-число (расчет на 100 % твердого вещества): около
100 мг/КОН/г; диаметр частиц (средний): 0,2 мкм. 2 Luwipal® 063 (BASF AG). 3 Surfynol® 104,
50%-ный раствор в бутилгликоле (Air Products Chemicals).4 Cotlacral PU 75, 25% (BASF AG).
ПЭ материалы
Ненасыщенные полиэфирные материалы сегодня также больше не имеют
значения для обработки декоративных пленок. Такие материалы применялись,
главным образом в бывшей ГДР. В зависимости от состава ненасыщенные полиэфирные материалы склонны к усыханию во время химического отверждения (радикальной полимеризации). Как правило, это приводит к скручиванию
бумажного носителя, и дальнейшая обработка становится затруднительной.
К тому же эти покрытия склонны к пожелтению. Кроме небольшого количества
продуктов, содержащих растворители, используются также водорастворимые
ПЭ-материалы для специальных целей. Основные составные части ненасыщенных полиэфирных материалов описаны в части 3.1.5.
Кислотоотверждаемые лакокрасочные материалы
Водные КИ системы сегодня доминируют на европейском рынке покрытий
для декоративных пленок. Впервые водные покрывные материалы начали развиваться и вышли на рынок в начале 1970-х гг. Речь идет о 2К-системах на базе мочевинных и/или меламиновых смол и кислотных отвердителей, обычно
п-толуолсульфокислоте (см. ч. 3.1.3). В качестве партнера реакции для амин-
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 251
Таблица 3.1.60. Рецептуры кислотоотверждаемых вторичных покрывных систем на водной основе для декоративных отделочных пленок
Компонент
Назначение
1
Массовая доля
Полиэфирная смола 90%-ный раствор в воде (содержащая гидроксильные и карбоксильные группы)
Пленкообразователь;
реакционный партнер для аминной смолы
27,8
Меламиновая смола2 (> 98% твердых веществ), гексаметоксиметилмеламин
Пленкообразователь;
реакционный партнетдля полиэфирной смолы
50,0
Изопропанол
Растворитель;
понижение вязкости
5,0
Бутилгликоль
Растворитель;
понижение вязкости
4,0
Вода(дистиллат)
Растворитель;
понижение вязкости
12,7
Силиконовый аддитив310%-ный
раствор в бутил гликоле
Ликвидация дефектов поверхности и улучшение смачиваемости
основы
Всего
0,5
100,00
Твердые вещества (доля нелетучих составляющих лака): 75%. Соотношение полиэфир/меламиновая смола: 1: 2. Вязкость (4 мм сопло при 20°С): 33 с. Вязкость после 8 недель
(4 мм сопло при 20°С, с 10% добавкой отвердителя): 51 с. Отверждающие компоненты:
/7-толуолсульфокислота — 40%, вода — 60%, всего — 100%.
Соотношение в смеси/указание для переработки: основа лака 100 массовых частей, отвердитель
10 массовых частей. Вязкость с отвердителем (4 мм сопло при 20°С): 24 с. Жизнеспособность
(при 20°С): 15 дней. Количество наносимого вещества: 10-20 г/м\ Параметры сушки/отверждения: 20-30 с при 140°С.
1
Worleepol V 450, 90%-ный раствор в воде (Worlee Chemie) кислотное число (DIN EN ISO 3682):
max. 15; содержание гидроксильных групп (OH-Gehalt): 8,5%.2 Cymel 303 (Cytec).3 Worlee-Add
330 (Worlee Chemie).
ных смол применяются водорастворимые, содержащие гидроксилыные г р у п пы простые и сложные полиэфиры, водные акрилатные д и с п е р с и и и т.д. На
рисунке 3.1.126 представлена схема реакции поликонденсации для водных
кислотоотверждаемых вторичных покрывных систем с отщеплением метанола. Обычно в качестве перехватчика формальдегида применяют, например,
мочевину или казеин, чтобы уменьшить э м и с с и ю формальдегида обработанных стружечных и MDF-плит до значения < 3,5 мг формальдегида/h-M 2 , определенного по газоаналитической методике EN 717-2 [ 2 2 ] .
Для современных вторичных покрытий значение 3,5 мг формальдегида/И-м 2
(DBIt39, Директива 100) заведомо не достигается. В табл. 3.1.59 [23] и 3.1.60
[24] для сравнения представлены рецептуры разбавляемых водой вторичных
покрытий. Основа, отвердитель и количество воды определяют рабочую вязкость Л К М .
39
DBIt — Немецкий институт строительной техники. Директива 100: директива о классификации
и контроле древесных плит относительно выделения формальдегида. Редакция от июня 1994г.
252 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
Скорость производства при оптимизации рецептуры и использовании высокомощной сушки, а также предимпрегната в качестве субстрата может достигать 180-190 м/мин. Водоразбавляемыекислотноотверждаемые лаки обладают большой жизнеспособностью, высокой реактивностью и широко применяются для производства декоративных отделочных пленок с высоким качеством
поверхности. В Северной Америке применяют еще кислотоотверждаемые лаки на основе органических растворителей, но постепенно они заменяются на
водные кислотоотверждаемые или УФ-/ЭИ-системы.
2К-полиуретановые лаки
Химия и состав содержащих органические растворители 2К-ПУР-материалов
хорошо известны из классических методов окраски мебели (см. часть 3.1.4). 2КПУР составы для обработки декоративных отделочных пленок применяются в
основном в азиатских странах. Это так называемая тонкая бумага или японская
фольга. 2К-ПУР лаки отличаются высокой проникающей способностью, хорошей химической устойчивостью и хорошими адгезионными свойствами. В зависимости от состава и отверждающих компонентов они могут образовывать нежелтеющие, эластичные и твердые покрытия. Доля нелетучих компонентов в рабочем растворе, включая отвердители и разбавители, составляет от 30 до 50%.
Из-за большой продолжительности сушки и отверждения (полиприсоединение)
2К-ПУР материалы можно использовать только на линиях окраски со скоростью
50-100 м/мин. После этого рулоны окрашенной бумаги складируют в отдельном сушильном помещении с температурой 40-50°С в течение 48-72 часов, чтобы завершился процесс химического отверждения. Сразу вслед за этим они отправляются потребителям.
Водорастворимые материалы.
1К-водорастворимые лаки применяются, например, для обработки обратной стороны бумаги. Они могут быть составлены таким образом, что будут
применимы для пропитки бумаги и придания ей эластичности. К тому же они
могут способствовать снижению впитывающей способности бумаги. Преимущество состоит в том, что при заключительной обработке лицевой стороны бумаги потребуется меньше покрывного лака, а хорошее качество поверхности
сохранится. Это называют еще хорошим состоянием покрывного лака. Обычно речь идет о самосшивающихся акрилатных дисперсиях и/или полиуретановых дисперсиях (см. часть 3.2). Химическая стойкость этих составов по сравнению с термически и кислотноотверждаемыми водными материалами заметно меньше.
УФ-/ЭИ-ма териалы
Под воздействием больших издержек в процессе окраски декоративных пленок наблюдается значительное сокращение в применении отверждения при
повышенных температурах водных кислотоотверждаемых материалов. Высокая степень блеска (60-90 единиц при угле измерения 60°) для таких материалов реализуется только при 2- или 3-слойном покрытии. На существующих линиях окраски можно вести обработку с максимальной скоростью 180 м/мин.
Использование отверждаемых излучением покрывных лаков открывает новые
перспективы. Для получения УФ- и ЭИ-отверждаемых составов применяются
те же основные вещества, что и для классических УФ-отверждаемых Л КМ для
древесины (см. часть 3.1.6). Фотоинициатор обычно поставляется отдельно,
для того чтобы его количество можно было подогнать под соответствующие
условия производства. УФ-отверждаемые покрывные лаки, которые наносят-
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 253
1.
2.
3.
4.
5.
Автоматическая размотка (7,10)
Узел окраски
ИК-узел облучения (коротковолновый)
УФ-узел отверждения
Узел проведения кантов
6. Узел охлаждения
7. См. выше
8. Коронная установка
9. Узел электронного облучения-отверждения
10. См. выше
Рис. 3.1.127. Основная схема установки для УФ- и/или ЭИ-отверждения фирмы Polytype,
Швеция
ся в количестве 6-10 r/м 2 и позвон
СНз
?*
ляют обеспечить высокую скорость
S.
С H;~9
о- г. -<; с.н. C H j - C
о1',
подачи изделий 100-200 м/мин, ча<?Н,
г° г°
сто имеют резкий сильный запах. Его
OR
н
OR (СНгЬ
т|1
можно избежать только при исключе<?R
9
-Q
нии кислорода воздуха из процесса
Vй- дн. нуУФ-отверждения. При этом не обра?ч
Э-ГСНгЬ-Э-О" Ч у——СН,
зуется продуктов расщепления фоО СП
А, НС
«*,
тоинициатора. Особые опыты с экстракцией показали, что в таких условиях (при исключении кислорода) не Рис. 3.1.128. Схематическая структура УФобнаруживается фотоинициатор и пленкообразователя со встроенными нанопродукты его расщепления, а также частицами
несвязанные мономеры, например,
диакрилаттрипропиленгликоля. В общем случае УФ-отвержденные в присутствии кислорода покрывные лаки имеют меньшую устойчивость к царапанию,
чем те же лаки, отвержденные в условиях исключения или уменьшения содержания кислорода в атмосфере процесса. Исследования УФ-систем показали,
что наибольший прирост реакционной активности наблюдается в области содержания остаточного кислорода от 2000 до 100 ррм [25]. Точно так же для обработки бумаги применяются и системы, отверждаемые электронным излучением (ЭИ), которые могут отверждаться только в атмосфере инертного газа
(см. часть 7.5). На рисунке 3.1.727представлена основная концепция агрегата
для УФ- и/или ЭИ-отверждения. УФ- и ЭИ-отвержденные в отсутствии кислорода покрытия по сравнению с кислотоотверждаемыми составами имеют следующие преимущества:
• отсутствие эмиссии формальдегида или другой остаточной эмисии;
t очень высокое содержание твердых веществ (нелетучих компонентов) в
рабочем растворе, возможно до 100%;
• рецептуры содержат очень небольшую долю органических растворителей;
• возможна высокая скорость производства (> 200 м/мин);
• компактные линии окраски за счет отсутствия зоны сушки;
. проще достигнуть высокой степени блеска;
-
254 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
• поверхность устойчива к царапанию;
• лучшая стойкость к действию химических веществ.
Изначальная проблема получения матовых покрытий (степень блеска < 5 при
угле 60°) может быть решена при использовании эксимерного излучения (физическое матирование, см. часть 3.1.6) или при оптимизации рецептуры. Хорошую устойчивость к царапанию отверждаемых излучением покрывных лаков можно заметно увеличить при встраивании в покрытие твердых нано- и
микрочастиц. В результате использования специальных процессов удается
таким образом модифицировать неорганические частицы, что они могут стать
химически связанной частью пленкообразующего и составить по весу до 50%
(см. рис. 3.1.128) [26-28]. При этом составы отличаются относительно низкой
вязкостью и незначительной шлифуемостью.
3.1.10.4. Производство декоративных отделочных пленок.
На рисунке 3.1. /^представлены важнейшие процессы получения декоративных отделочных пленок. В первом (многоступенчатом) процессе предназначенная для пропитки бумага сначала пропечатывается и затем пропитывается на отдельной линии. Затем следует обработка вторичным покрытием.
С точки зрения рациональности производства многоступенчатый процесс
проигрывает, так как печать, пропитка и окраска лаком пространственно разделены друг с другом и проводятся с относительно небольшой скоростью [3].
Во втором процессе используется уже пропитанная бумага (предимпрегнат).
В процессе производства на нее наносится печатный рисунок и на аналогичном или отдельном агрегате происходит окраска покрывным лаком. Так как
печать и окраска могут происходить на одной линии и в одном рабочем пространстве, то это называется online-процессом. Это экономит расходы на производство и временные затраты, так как стадия пропитки отсутствует. Производители бумаги обычно могут проводить пропитку более экономично, чем
изготовители декоративных пленок. Это дает возможность заметно увеличить
скорость производства. Нанесение лака происходит обычно на оснащенных
ракелями вальцах или на растровых вальцах. Скорость продвижения изделий
на линиях с термическим отверждением составляет от 10 до 80 м/мин для кантов и 50-80 м/мин для пропитанной бумаги (предимпрегнатов).
Н
Бумагасырье
рисункае
Ш^ШЦШШЩШ
(печать)
Бумага
С рисунком
Пропитка
ШЙШ&ШШШЩ Окраска лаком
•
Пропитанная
Эу»агясписуиком
Процесс получения декоративных пленок из предимпрегната
1 Нанесение ИЯЙИИШИИЙВ
i
рисунка
Щ^ШШЩ окраска лаком I1II1I1 ИМ
—
прегнат i
'
.—*•
(^нать)
Пропитанная
•
''..-..
;
Рис. 3.1.129. Важнейшие процессы получения декоративных пленок
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 255
3.1.10.5. Требования к декоративным отделочным пленкам
Декоративные отделочные пленки, кроме своих эстетических свойств, должны соответствовать многим требованиям и нормам для пригодности к употреблению. Следующий неполный список примеров должен дать об этом соответствующее представление:
. отсутствие метамерии печатных красок;
. степень блеска по DIN EN 13722;
• светостойкость по DIN EN 15187;
• адгезионные требования (tesa-тест с типом 4104 BDF);
• устойчивость к царапанию DIN 68861, ч. 4;
. химическая стойкость DIN 68861, ч. 1;
• отношение к истиранию DIN 68861, ч. 2;
. отношение к сигаретному пеплу DIN 68861, ч. 6;
• отношение к сухому жару DIN 68861, ч. 7;
• отношение к пламени DIN 68861, ч. 8;
• эмиссия формальдегида DIN 717/2;
• отношение к сверлению, фрезерованию и распиливанию (отсутствие распушения бумажных волокон);
• хорошая склеиваемость;
. пленки должны частично поддаваться повторной окраске.
3.1.10.6. Тиснение декоративных пленок
Под тиснением декоративных пленок понимают копирование натуральной
пористой структуры древесины [29]. Это может происходить чисто механически или физико-химическим путем.
Механическое тиснение
Можно скопировать эффект древесных пор используя структурированные
прессовые листы или ленты со структурой древесины [30]. Совершенствование этого метода привело к созданию установок с использованием тиснения на
каландрах. Чтобы избежать разрывов при механической нагрузке, особенно на
толстой бумаге, полезно перед тиснением смачивать декоративную пленку [29].
Большим недостатком классического механического способа создания пор является то, что оттисненные и напечатанные поры не всегда совпадают друг с
другом. При использовании новых методов, например, оптического (камерная
система), стало возможно тиснить поры в тех местах, где они должны находиться на натуральной древесине [31]. В этой связи говорят о «синхропорах».
Физико-химическое тиснение
Для того чтобы можно было имитировать на декоративной пленке натуральную пористую структуру древесины, в середине 1970-х гг. были разработаны
водные покрывные составы (КИ лаки) нового поколения. Они были названы
пористыми лаками или покрывными лаками с эффектом синхропор. В данном
случае речь идет о химических порах или реальных порах, которые возникают
в результате различия в поверхностном натяжении используемых Л КМ. Обычно используют печатную краску, которая содержит специальное силиконовое
масло. После нанесения печатной краски (древесной структуры) наносят соответствующий покрывной лак. Различие в поверхностном натяжении краски
и лака приводит к тому, что в местах скопления краски поверхность не смачивается лаком [32-34]. Этот процесс и соответствующий патент были разрабо-
256 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
таны в Японии для окраски тонкослойной (японской) бумаги. Этим методом,
в отличие от механического тиснения, можно получить замечательную пористую картину. В отличие от классического механического тиснения, преимущество состоит в абсолютной согласованности между печатью (имитацией
древесных пор) и эффектом пористой поверхности (синхропоры40). Создание
пористой структуры физико-химическим методом успешно применяется в области печати и окраски стружечных и каркасных (облегченных) плит, так как
достижимая таким способом картина более реалистична, чем полученная механическим путем (см. часть 3.1.6.9).
3.1.10.7. Каландрирование
Хотя процесс каландрирования в таком «классическом» виде больше не
применяется, его следует кратко описать из-за его простоты и возможности
использования при нанесении систем с очень высоким содержанием нелетучих веществ, более благоприятных для окружающей среды, и тем самым создать определенный посыл к применению. Основной отличительной особенностью является химическое отверждение подсушенной лаковой пленки нагретым каландром41 в контактном процессе. Для этого применяются высококонцентрированные водные кислотоотверждаемые лаки (прозрачные), аналогичные применяемым сегодня кислотоотверждаемым лакам для пленок. Содержание твердых веществ составляет от 70 до 100% [35]. Системы с высоким
содержанием твердых веществ наносятся вальцами, часто многократно, в общем количестве от 10 до 30 г/м 2 . После нанесения проводится сушка/предконденсация в воздушно-паровой форсуночной сушке при 30-100°С или около 5 с
в устройстве инфракрасной сушки (коротковолновое ИК-излучение). Без промежуточного шлифования проводят окончательное отверждение на двойных
или тройных каландрах (температура 190°С) под давлением. Одновременно
с отверждением происходит выглаживание поверхности, причем древесные
волокна будут заделываться в лаковую поверхность и можно будет отказаться от промежуточного шлифования. В результате последовательного соединения друг с другом операций окраски и промежуточной сушки удается получить высококачественные поверхности, очень устойчивые к царапанию. После выхода с каландров плоскости можно складывать. Важной особенностью
метода является упрощение агрегатов, заметное снижение издержек производства и возможность использования благоприятных для окружающей среды водных материалов. Линии окраски могут работать со скоростью от 15 до
20 м/мин. Процесс может применяться для окраски панелей, кантов, дверных
рам и мебели. Процесс был выведен на рынок фирмой Hymmen под названием
термоконтактный процесс (TKV) 1981-1982 [36].
Список литературы
1. Goermar, G.: Dekorfinishfolien aus Leipzig, Tagungsunterlagen, Workshop des ihd
Dresden, Juni 2005.
2. Berger, E.: Endlosstruktur auf Folie, I-Lack, 63. Jahrgang, 10/1995, S. 356-357.
40
Термин «синхропоры» означает, что трехмерные поры находятся там, где они расположены на
натуральной древесине, т.е. там, где нанесена печатная краска.
41
Каландром называется термостатированный вальцевый агрегат из трех или более полированных стальных валков, расположенных последовательно друг над другом, в щель между которыми,
при высоких давлении и температуре, протягивается субстрат.
Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов 257
3.
4.
5.
6.
7.
Goermar, G.: Dekorfinishfolien - ein Produkt mit Zukunft, Zeitschrift Holztechnologie,
47. Jahrgang, Ausgabe Nr. 6, 2006, S. 4 3 - 4 7 .
Hogg, J., Puusa, S.: Vorimproegnat - Chancen aus der Marktperspektive, Jaakko
Poeyry Consulting, Arjo Wiggins Symposium, 10/2003.
Schwarz, G.: Aktuelle feste und fluessige Beschichtung von Holz und Holzwerkstoffen,
TeiN , Quelle und Datum unbekannt.
Sonderveroeffentlichung der Firma Technocell Dekor: Einflussfaktoren auf die Nassdehnung von Dekorpapier, Herausgeber Frank Stein, Material and ideas for future
living, Februar2006.
Eibl, M.: Zellstofffasern aus einjaehrigen Pflanzen fuer Spezialpapiere, frank.stein Material and ideas for future living, Ausgabe 7, 2006, S. 4 5 - 5 0 .
8.
Erhard, K., Frohberg, K.: Verbesserung der Spaltfestigkeit von Papier druch CMCmodifizierte Faserstoffe, PTS-Forschungsbericht, PTS Heidenau, 2005.
9.
Unbekannt: Vorimpraegnat auf d e m Vormarsch, Material+Technik (m+t), 06/2003,
S.34-36.
10.
11.
12.
13.
Beitrag in der Zeitschrift Material + Technik (m+t International), 07/2004, S. 4 4 - 4 5 .
PatentschrifttWO200/074577, Ahlstrom O s n a b r u e c k G m b H , 2004.
Sczepan, R.: Melaminharzbeschichtungen, HK, 4/1997, S. 5 2 - 5 7 .
Unbekannt: Fortschritte in der Verarbeitung wirken auf Dekorpapier zurueck, Euwid
Holzspecial: Massivholz, Holzwerkstoffe, Oberflaechen, 1997, S. 3 8 - 4 0 .
14.
15.
16.
17.
18.
19.
Patentschrift EP 0739435 В1, Arjo Wiggins SA, 1996.
Patentschrift EP 0223922 A1, KaemmererGmbH, 1987.
Patentschrift DE 19728250 A1,Koehler Decor GmbH & Co KG, 1999.
Patentschrift DE 19758479 A1, Koehler Decor GmbH & Co KG, 1999.
Kazmeier, Т.: Vorimpraegnierte Dekorpapiere, Arjo Wiggins Forum Foil, 2003.
Janssen, W.: Das Vorimproegnat Teil 5, Zeitschrift Material +Technik (m+t), Juni 2004,
S. 16-17.
Fuchs, R. A., Matscheko, H.: Bemerkungen zum Vorimpraegnat, Zeitschrift Material +
Technik (m+t), 06/2003, S. 17—18.
Unbekannt: Dekorpapierbranche im Umbruch, Euwid Holzspezial: Massivholz, Holzwerkstoffe, Oberflaechen, 1997, S. 42-44.
Unbekannt: Formaldehyd, I-Lack, 53. Jahrgang, 5/1985, S. 179.
Richtrezeptur: Wasserverduennbarer Lack fuer Holzdekorfolien, BASF AG, 8/1999.
Richtrezeptur: 2-component acid curing for decorative wood foil, Nr. Vl.3.1, Worlbie
Chemie, 10/1995.
Preis, J.:StrahlenhaertendeFoliensysteme,WKI-BerichtNr. 34, Juni 1999, S. 171-188.
Bauch, H., Mehnert, R.: Verschleissfeste Lackierungen fuer Holzfussboeden und
Moebelo-berflaechen, besser lackieren, Nr. 13, August 2006, S. 11.
Abschlussbericht zum AiF-Forschungsprojekt 13730 BR: Entwicklung kratz- und
abriebfesterBeschichtungen fuer Holzoberflaechen auf der Basis von loesemittelarmen
Nanokomposit-Lacken, Mai 2006.
Bauch, H., Emmler, R.: Verschleissfeste Lackierungen mit UV-strahlenhaertenden
Nano-Komposit-Systemen fuer Holzfussboeden und Moebeloberflaechen, 33. Internationales RosenheimerOberflaechenseminar.TagungsbandLH К Rosenheim 11-12 Mai,
2006.
Boehme, P. :Dekorfolien-Herstellung, Verarbeitung und Eigenschaften von Dekorfolien
fuer Moebel, VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1988, 2. Auflage.
Wuellenweber, K.-H.: Immerauf dem laufenden, Holz- und Kunststoffverarbeitung, Nr.
8, 1986, S. 62-64.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
258 Глава 3. Лакокрасочные системы покрытий для окраски древесины и древесных материалов
3 1 . Ober, M. et. al: Oberflaechentechnik, Ligna Plus, Neuheiten-Symposium, 05.05.2005.
32.
33.
34.
35.
PatentschriftJP61285.
Patentschrift DE 2945217.
Patentschrift US 3811915.
Schwarz, G.: Das Kalandrierverfahren - neue Beschichtungstechnik in der Holz- und
Moebelindustrie, I-Lack, 52. Jahrgang, 9/1984, S. 3 3 4 - 3 3 6 .
36. Informationen der Firma Hymmen, «Report», Ausgabe Nr. 5, Juni 1982.
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
259
3.2. Окраска древесины и древесных материалов
наружного применения
Древесина для наружного применения уже много столетий имеет большое
значение для людей. Чтобы защитить древесину от влияния окружающей среды, надо, прежде всего, соблюдать необходимые меры для конструктивной защиты (см. ч. 2.4.2.2). Дополнительно может нанесена защита от непогоды путем окраски (физическая защита) древесины и/или химическая защита с помощью пропитывающих составов [ 1 , 2]. Физическая защита древесины должна
препятствовать поглощению осадков, которое может привести к слишком быстрому выравниванию влажности древесины с влажностью окружающего воздуха, и защищать от УФ-лучей, которые могут попадать на древесину и разрушать ее. Наряду с техническими требованиями, применяемые покрытия имеют
также декоративную функцию. Но обработка поверхности не может исправить
ошибок не-удовлетворительной конструктивной или химической защиты.
Древесина является гигроскопичным материалом. Ее влажность меняется
в соответствии с влажностью окружающей среды, и при этом древесина меняется в объеме. Снаружи древесные изделия имеют влажность в среднем от
12 до 21%. Перед нанесением покрытия для наружного применения влажность
древесины должна быть около 13% (DIN 68360). Со временем методы изготовления, например, строительных элементов из древесины, существенно менялись. Готовые строительные элементы с покрытием заводского изготовления
и более современные конструкции зданий из древесины с улучшенной тепловой защитой соответствуют сегодня уровню техники. Инициатором использования малотоксичных лакокрасочных покрытий и способов их производства
является Европейская VOC-директива (1999/13/EG или 2004/42/EG; см. ч. 9).
К тому же, требуется все более длительный срок службы покрытий и обработанных ими деревянных конструкций. Эти требования, как правило, не возможно выполнить с помощью таких пленкообразующих веществ, как алкидные смолы. Поэтому в настоящее время для заводского производства готовых
строительных элементов, таких как деревянные окна, применяются малотоксичные водные Л КМ. В качестве пленкообразующих средств выступают, главным образом, водные дисперсии на основе сополимеров акрилата (названные
акрилатными дисперсиями), водные алкидные смолы, и, частично, полиуретановые дисперсии или акрилированные полиуретановые дисперсии. Кроме того, применяются смеси или комбинации из этих покрытий. Чтобы обеспечить
при внешнем атмосферном воздействии строительным элементам с покрытием по возможности долгий срок службы, было составлено большое количество
новых инструкций и стандартов на методы испытаний, в том числе для отбора
древесины, хранения и контроля ЛКМ. С официальным введением в Германии
с марта 2002 г. стандарта DIN EN 927 европейская лакокрасочная индустрия и
ее потребители имеют признанный международный стандарт, позволяющий
подразделять, контролировать и классифицировать лакокрасочные системы
отделки древесины.
Наряду с грунтовкой, пленкообразующие средства и техника нанесения имеют решающее значение для срока службы строительных элементов. Для физической защиты древесины наружного применения уже в течение многих лет
используются как содержащие растворитель, так и водные лакокрасочные
системы. Принципиально можно разделить покрытия на прозрачные, полу-
260
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
прозрачные и кроющие пигментированные (непрозрачные). Они подбираются
в соответствие с областью применения, методами нанесения материала и с типом древесной основы, и их можно классифицировать следующим образом.
Системы, содержащие растворитель
Прозрачные и полупрозрачные системы:
• системы, содержащие растворитель, на основе алкидных смол;
• системы, содержащие растворитель, на основе природных смол.
Укрывистые пигментированные системы:
. системы, содержащие растворитель, на основе алкидных смол;
• системы, содержащие растворитель, на основе природных смол.
Водные системы
Прозрачные и полупрозрачные системы:
• водные системы на основе акрилатных дисперсий и/или водные эмульсии алкидных смол (гибридные системы), в отдельных случаях с добавкой полиуретановых дисперсий;
• водные системы на основе алкидных смол.
Укрывистыее пигментированные системы:
• водные системы на основе акрилатных дисперсий и/или водные эмульсии алкидных смол (гибридные системы), в отдельных случаях с добавкой полиуретановых дисперсий;
• водные системы на основе алкидных смол;
. водные акрилатные или винилацетат-дибутилмалеинатные дисперсии для
красок, защищающие от атмосферного воздействия (для малярных работ).
3.2.1. Состав лакокрасочных материалов, содержащих
растворитель
Лакокрасочные материалы, содержащие растворитель, еще играют всеобъемлющую роль в области промышленного применения, но все больше замещаются водными системами. В Европе содержащие растворитель системы сдают
позиции быстрее. На рис.3.2.1 приведен общий состав рецептуры ЛКМ для наружного применения, содержащих растворитель.
3.2.1.1. Пленкообразующие вещества для ЛКМ, содержащих растворители
Для содержащих растворитель пропиточных составов, грунтовок, промежуточного и заключительного отделочного ЛКМ в качестве пленкообразователей применяются главным образом алкидные смолы на основе ненасыщенных
жирных кислот. Наряду с алкидными смолами частично применяются также
модифицированные жирные масла1 или модифицированные алкидные смолы
(например, алкидная смола, модифицированная стиролом).
Полиэфирная часть вносит вклад в процесс физического высушивания, а
также устойчивость против атмосферных воздействий (сохранение блеска,
отсутствие пожелтения и тому подобное), масляная часть — в эластичность
пленки (внутренняя пластификация) и прежде всего в способность к внутреннему окислительному образованию полимерной сетки. Химическая классификация алкидных смол в ЛКМ относится, как правило, к содержанию масел или к
1
В случае жирных масел речь идет о триглицеридах жирных кислот, т.е. о сложных эфирах глицерина. Жирные кислоты алифатической природы содержат двойные связи в различном количестве и положении и состоят преимущественно из кислот С „.
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Добавки:
1,ЯйИога:мачивайщие
f средства, сиккативы,
) дитибксвданты, загу} Стйтел'и, стабилизатоЬы, еветостабияизаторы
261
окись титана, мёорйни»;
ч?ский дли органйче?.'.;]
ские цветные пигменты!
или пигментные hpe- j
параты
7
^Ф-авеврберы и та)
Лакокрасочные материалы, содержа- '•
щие растворители для древесины
наружного применения
Рис. 3.2.1. Общий состав рецептуры лакокрасочных материалов для наружного
применения, содержащих растворитель
содержанию жирных кислот, пересчитанных на содержание триглицеридов, и
к типу масел, соответственно, жирных кислот. Спецификация по содержанию
масел (содержанию триглицеридов) в рецептуре происходит в соответствии
со следующей номенклатурой:
• < 40% масел (в англосаксонском регионе — менее 45%): тощие (нежирные) алкидные смолы;
. до 60% масел (в англосаксонском регионе — 45-60%): средние алкидные
смолы;
• от 60 до 70% масел: жирные алкидные смолы;
• от 70 до 85% масел: очень жирные (перенасыщенные жирами) алкидные
смолы.
Тип масел или вид входящих в состав жирных кислот разделяется на две категории: высыхающие или невысыхающие. Для наружного применения большое значение имеют алкидные смолы на основе рыбьего жира, льняного, соевого и таллового масел.
Наряду с компонентами сырья на прикладные технические свойства алкидных смол существенное влияние оказывает процесс их синтеза (достигнутая
молярная масса и молекулярно-массовое распределение). Низкомолекулярные полярные компоненты улучшают, например, диспергирующую способность, но одновременно ухудшают устойчивость блеска [3] и удлиняют процесс окислительного отверждения. Причиной является взаимодействие гидрофильных компонентов с влагой. Высокомолекулярные неполярные компоненты способствуют хорошей стойкости к атмосферным влияниям и устойчивости блеска. Неполярные составные части представляют собой места локализации для других неполярных компонентов. Так, например, силиконовые
масла при неравномерном распределении скапливаются на этих местах, что в
экстремальном случае может привести к силиконовым полостям.
262
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Некоторые преимущества алкидных смол:
• окислительное отверждение в присутствии сиккативов, например, при
комнатной температуре (20°С/50%-ная относительная влажность воздуха) — однокомпонентная система;
• хорошее смачивание пигментов;
• как правило, хорошие реологические свойства (текучесть), из чего следует, например, хорошая способность ЛКМ наноситься кистью или щеткой;
• хорошее соотношение цена/производительность.
Недостатки алкидных смол:
• низкая стойкость к воздействию химических веществ (особенно щелочи);
• возникновение хрупкости: со временем и в зависимости от типа и содержания жирной кислоты происходит незначительное или сильное пожелтение (прежде всего, в сторону потемнения — изменение цвета до темножелтого);
• относительно быстрая потеря блеска (меление);
• относительно медленная сушка (особенно при высоком содержании масел или жирных кислот).
Алкидные смолы с высоким сухим остатком (алкидные смолы High-Solid)
Из-за высокого содержания растворителя в обычных окислительно отверждающихсяалкидныхсмолах давно существовалатенденция предоставить для
рынка образцы с высоким содержанием сухого остатка — от 85 до 100%. Смолы с низким молекулярным весом и жирностью до 80% имеют более низкую,
по сравнению с обычными алкидными смолами, вязкость. В этом случае возможны рецептуры, не содержащие растворитель, так как они уже в 100%- ном
виде могут иметь вязкость, пригодную для переработки. Правда, такие смолы
из-за малых и узкого диапазона молекулярных масс имеют более длинный период сушки и отверждения. Они могут быть предрасположены из-за высокого
содержания масел к более сильному пожелтению. Такие смолы применяются
главным образом в малярных работах. Для промышленного применения они
играют второстепенную роль.
3.2.1.2. Органические растворители
Согласно DIN 55945, растворителем является жидкость, состоящая из одного
или нескольких компонентов, которая в состоянии растворять пленкообразующие вещества или обеспечивать химические превращения. На практике растворители называются также средствами разбавления и разбавителями. Используемые органические растворители должны сделать ЛКМ годным к переработке, способствовать пленкообразованию и динамике лаковой пленки. Растворителями, применяемыми для средних и жирных алкидных смол, являются:
. ароматические углеводороды (ксилол);
. алифатические углеводороды (бензин, уайт-спирит, лакойль);
• спирты, такие как н-бутанол, для снижения вязкости.
С повышением жирности возрастает совместимость с алифатическими углеводородами. С уменьшением жирности возрастает совместимость с ароматическими углеводородами. В некоторых случаях в «натуральных» продуктах
применяются терпеновые углеводороды (скипидар), которые могут вызывать
аллергические реакции при переработке.
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
263
3.2.1.3. Пигменты, наполнители и матирующие средства
На практике могут применяться все неорганические и органические пигменты, которые пригодны для наружного применения. Функции и свойства пигментов кратко описаны в главе 3.1. Для рецептуры прозрачных и одновременно хорошо защищающих от УФ-излучения лазурей применяются главным образом
тонкодисперсные пигменты на основе окислов железа. Применимы все известные наполнители, такие как карбонат кальция, сульфат бария, каолин, тальк,
слюда, силикаты алюминия и т.д. В качестве матирующих средств часто используются синтетические пирогенные и осажденные кремниевые кислоты.
3.2.1.4. Добавки
Сиккативы
Сиккативами являются соли природных органических кислот (мыла) определенных металлов, таких как кобальт, марганец, кальций, цирконий и т.д. Ошибочно они называются материалами для сушки. Различают основные и вспомогательные сиккативы. Основные сиккативы, например, соли кобальта или
марганца, ускоряют поверхностное отверждение, соли циркония - полное
отверждение. С синергетическим эффектом в комбинации с другими солями
металлов должны действовать, например, соли кальция. Сиккативы являются
незаменимой составной частью рецептур на основе алкидных смол — они значительно ускоряют гидропероксидныи распад и тем самым инициируют химическое сшивание ненасыщенных жирных кислот [4-6].
Средства против образования пленки (антиоксиданты)
Чтобы во время хранения лаков в бочках не допустить протекания химической
реакции и образования пленки на поверхности жидкого Л КМ, добавляются так
называемые средства против образования пленки. Их называют также антиоксидантами. Они образуют с ионами металлов сиккативов комплексы, парализуя
окислительно-восстановительный процесс. После нанесения лакокрасочных
покрытий антиоксиданты улетучиваются, и сиккативы начинают действовать.
В качестве антиоксидантов используются оксимы или производные фенолов.
При этом фенолы действуют как акцепторы радикалов, оксимы - как комплексообразователи. Следует иметь в виду, что кетоксимы, исходя из их токсикологических свойств, по возможности не должны применяться.
Прочие добавки
Применяются общепринятые смачиватели и диспергаторы, пеногасители
и средства, способствующие растеканию, на основе силиконовых масел; вещества, влияющие на реологию, например, касторовое масло, бентонит и т.д.
Кроме того, применяется большое количество различных восков для придания гладкости поверхности и восстановления степени блеска. Для достижения
оптимальной защиты древесины и пленкообразователя от УФ-излучения к рецептуре добавляются УФ-абсорберы, такие как бензотриазолы и стерически
затрудненные амины HALS (Hindered
Amine
Light Stabilizers). С середины
Me2t + R-OOH Me3t + R-O + OH 1
80-х гг. возникло стремление к светHjO
лым или бесцветным прозрачным лаMe2' + R-OOH Me2i + R-OO + W J
кам, которые, как правило, не могут
быть получены с помощью прозрачРис. 3,2.2. Ускорение гидропероксидного
ных пигментов на основе окислов жераспада с помощью сиккативов
леза {см. ч. 8) [7].
264
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
раэ&ноте«ые водой алкидиые
смолы и амкльсиигпкидных смол,
' '
Лмиуре-
Вспомогательные средства
для пленкообразоваиия; ги-<
дрофияьные и гидрофобные
растворители
у
Добавки:
нейтрализаторы, загустители, консерванты, светостабилизаторы
(УФ-абсорберы и HALS),
сиккативы, антиоксидамты, смачиватели и
диспергаторы, пеиогакители, растекатели, во
:ски и щ эмульсии
Пигменты:
неорганические и
органические цветные1 пигменты, активные лигмен• ты, такие как окись цинка,
j микроницированная окись
ч
железа
-,--^'
Разбавляемые водой лакокрасочные
материалы для наружного
Рис. 3.2.3. Общий состав водных рецептур для окраски древесины наружного применения
3.2.2. Рецептуры водных ЛКМ для наружной окраски древесины
Водные ЛКМ для наружного применения усиленно внедряются в Европе для
промышленной окраски, так как они по отношению к системам, содержащим
растворитель, имеют явные преимущества, такие как быстрая сушка и устойчивость к слипанию, а также более высокая атмосферостойкость. Дополнительно к этому - безопасность для окружающей среды и пригодность для вторичного использования в процессе нанесения покрытия. На рис. 3.2.3 представлен общий состав водных рецептур для наружного применения.
3.2.2.1. Пленкообразующие вещества для водных лакокрасочных систем
Водные алкидные смолы
Водные алкидные смолы, как все безопасные для окружающей среды пленкообразующие средства, особенно большое значение приобрели в последние
годы,. Они используются как самостоятельный пленкообразователь, а также
часто в сочетании, например, с акрилатными дисперсиями.
Для этих материалов можно произвести следующую классификацию:
• эмульсии алкидных смол с применением эмульгаторов (внешнее эмульгирование алкидных смол);
• водорастворимые и самоэмульгируемые алкидные смолы;
• гибридные сисятемы.
Эмульсии алкидных смол, полученные внешним эмульгированием
Компоненты алкидных смол эмульгируются без добавления дополнительных органических растворителей и средств нейтрализации в горячем состоянии в воде, как правило, за счет добавления специальных эмульгаторов. На
рис. 3.2.4 схематически показано различие между эмульгируемыми с помощью внешних эмульгаторов и самоэмульгируемыми водными алкидными смолами.
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
265
Алкидные смолы, эмульгированные
с помощью внешних эмульгаторов,
Алкид
I Алкид I
в зависимости от процесса получения, имеют в среднем более крупные
размеры частиц. Из-за этого степень
Стабилизация внешними
«Стамостабилизированный»
блеска высушенных пленок лака чаэмульгаторами
сто ниже, чем в случае самоэмульгируемых алкидных смол.
Однако, алкидные смолы, эмуль- Рис.3.2.4. Различие между эмульгируемыми
гированные внешними эмульгато- с помощью внешних эмульгаторов и саморами, в отличие от самоэмульгируе- эмульгируемыми водными алкидными смолами
мых, имеют более высокое содержание твердого вещества-пленкообразователя (> 50%). Это было одной из самых важных причин для развития эмульсий алкидных смол, полученных путем
внешнего эмульгирования. Часто на практике алкидные смолы, эмульгированные с помощью внешних эмульгаторов, комбинируются с акрилатными дисперсиями, чтобы улучшить характеристики сушки и повысить содержание твердого вещества в системе. Новые направления развития связаны с введением не
содержащих растворитель алкидных смол (от 70 до 80% твердого вещества)
в акрилатные дисперсии с целью получения высокого содержания твердого
вещества в лаках [8]. Обычно такие системы называются гибридными.
Водорастворимые алкидные смолы
Средние и жирные алкидные смолы, содержащие в структуре карбоксильные группы (кислотное число > 40), называются истинно растворимыми смолами. Они содержат относительно высокую долю органических аминов или
аммиака в качестве нейтрализующих веществ и определенную часть сорастворителей (органических растворителей). Они называются также молекулярными или иондисперсными системами (истинные растворы) с размерами частиц меньше 1 нм. Недостатком этих классических растворов смол является
относительно высокая предрасположенность к омылению.
дд
иг
Самоэмульгируемые алкидные смолы
Под этим понимают смолы с пониженным кислотным числом (часто < 30)
с внедренными гидрофильными группами. Эти группы могут иметь стерический или ионный механизмы действия. Часто внедряют одновременно группы
обоих типов (см. рис. 3.2.5).
Благодаря этому эмульгирование
Анионная стабилизация
возможно без добавления внешнего эмульгатора (самоэмульгируемая
система). Такие системы называются также гидрогелями. Речь идет о
коллоидно-дисперсных системах с
Катионная
Стерическая
стабилизация
стабилизация
размерами частиц от 1 до 100 нм. Для
ионной стабилизации в большинстве
случаев выбирают соединения, содержащие карбоксильные группы,
которые затем, перед добавлением
воды и последующим эмульгирова- Рис. 3.2.5. Различные системы стабилизанием нейтрализуют аминами или ам- ции для самоэмульгируемых водных алкидмиаком. Правда, содержания нейтра- ных смол
266
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
-*- рН значение 8.7 -*- рН значение 9.0 ••*• рН значение 9.3
6
А,
5
и
^
cz
'ОО"*"--....
4
-0 <э
^
ь 3
и
о
S 2
QQ
1
<
с
^
.
•"•••••••
^ ~ ~ ^
^
^
-
^ ^
~
~
^
• * > .
•••••
^^-^^сг-.
0
?п
-'
<?л
"
Ф>
"
?п
~£?
<&
*Т?
"С?
Скорость сдвига, с 1
Рис. 3.2.6. Влияние рН на динамику вязкости самоэмульгируемых алкидных смол
лизующих веществ заметно ниже, чем в случае растворов алкидных смол. Как
правило, также не требуется добавления сорастворителей. Эти составы отличаются очень хорошим увлажняющим действием на поверхность древесины и
хорошим проникновением в древесную матрицу. При этом следует принимать
во внимание, что вводится лишь минимум таких гидрофильных групп, чтобы не
слишком сильно увеличивать чувствительность полученных смол к воде. Необходимо отметить, что гидрофильные группы способствуют диспергированию
пигментов, т.е. водные алкидные эмульсии исключительно пригодны для размола или диспергирования пигментов.
Стабилизированные катионами системы также возможны. Они применяются
для специальных водных изолирующих (блокирующих) грунтовок, препятствующих выделению компонентов древесины, например танинов (см. ч. 2.4.1).
Самоэмульгируемые алкидные смолы имеют реологию, отличающуюся от реологии алкидных смол, содержащих растворитель. Так, например, они скорее
структурно более вязкие по сравнению с ньютоновским характером течения
растворов алкидных смол в органических растворителях. Большое влияние на
степень вязкости оказывает рН [9].
Так, увеличение рН приводит к образованию карбоксильных ионов и, как
следствие, к более мелким частицам. В результате получаются более прозрачные эмульсии с повышенной вязкостью. При этом повышение вязкости можно
объяснить вспучиванием гидрофильных оболочек [10].
Значение рН не влияет, правда, на принципиальный ход кривой текучести —
она лишь параллельно смещается. Поэтому важен контроль рН для лакокрасочных систем на основе самоэмульгируемых алкидных смол. Наряду с влиянием на вязкость, значение рН также является важным фактором стабильности при хранении и обеспечении смачивающих свойств пленкообразователя
или полученных на его основе ЛКМ. Обычно значение рН должно быть в слабощелочной области (приблизительно 8,5). Это также важно, если эмульсии
смол предназначены для создания комбинированных рецептур, например с
акрилатными дисперсиями.
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
267
Для создания лакокрасочных сиЦепочки полиместем, наряду с обычными компоненров метакриловай ©
PEG-цепочки
кислоты
тами, требуется добавление подходящего сиккатива и средств против
Алкильные цепочки
образования пленки при хранении.
жирных кислот
Гибридные системы
Гибридные системы могут состоять
из физических смесей водных эмульсий алкидных смол и акрилатных дисперсий. Путем соответствующих про- Рис. 3.2.7. Схематическое изображение струпорций между эмульсией алкидных ктуры эмульсии а лкидной смолы, модифицисмол и дисперсией акрилата свой- рованной сополимеризатом, содержащим мества обоих пленкообразователей мо- такриловую кислоту [9]
гут идеально сочетаться. Другая возможность — модификация эмульсий алкидных смол в процессе получения
структурными элементами (звеньями) акрилата, например, сополимеризатов,
содержащих метакриловую кислоту.
Как правило, переработчикам проще иметь дело с готовыми смесями, так как
совместимость и стабильность при хранении соответствующим образом могут учитываться производителями. Путем модификации процесс физической
сушки ускоряется при сохранении хорошего смачивания древесины. Более того, полученные на такой основе жидкие Л КМ имеют хорошую морозостойкость.
Кроме того, уменьшается склонность к пожелтению. Лакокрасочные покрытия
отличаются хорошей способностью к восстановлению (обновлению).
Водные акрилатные дисперсии
Акрилатные дисперсии для наружного применения имеются в продаже с середины 60-х гг. Для наружных водных покрытий древесины водные акрилат-
1
Тип
пленкообразователя
Блеск
20°/60°
Смолы
Протекание'
Время отсутствия клейкости [ч]
Характеристика сушки после 24 ч сушки при
комнатной температуре.
Лабораторная оценка1
Степень сушки после
24 ч сушки при комнатной температуре
по DIN 53150
Таблица 3.2.1. Сравнение свойств пленкообразователей в белых водных эмалях [9]
Акрилированные
алкидные эмульсии
70/85
14
14
2
24
б
Гибридная система
(Дисперсия алкид/
акрилат)
60/85
20
20
0,5
20
4
Содержащие растворитель жирные
алкидные смолы
80/90
12
12
5
30
3
Критерии оценки: 10 = очень хорошо; 50 = плохо.
268
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
ные дисперсии представляют собой в настоящее время во всем мире самую
важную группу пленкообразующих средств. В случае акрилатных дисперсий
обычно речь идет об анионных дисперсиях, которые получаются методом
эмульсионной полимеризации. Путем вариации акрилатных мономеров, системы стабилизации и морфологии частиц свойства акрилатных дисперсий
можно расширять в разных направлениях. Для промышленной окраски ранее применялись однофазные акрилатные дисперсии (названные также одноступенчатыми полимерами). Новейшие разработки последних лет привели
к внедрению многоступенчатых полимеризатов (Core-Shell — дисперсии ядрооболочка) с улучшенным набором свойств [11, 12]. В настоящее время дисперсии Core-Shell достаточно широко применяются в промышленной окраске
древесины для наружного использования. Однофазные полимеры применяются теперь во все более незначительном объеме, чаще лишь в комбинациях
(например, с водными алкидными смолами).
Важные параметры, влияющие на свойства акрилатной дисперсии
При изменении процесса получения и состава может варьироваться множество параметров, таких как температура стеклования, степень образования полимерной сетки (сшивания), молекулярная масса, размеры частиц, распределение размеров и морфология частиц, которые влияют на свойства дисперсии
или полимерной пленки. На этих вопросах следует остановиться подробнее.
Размеры частиц и распределение частиц по размеру
Часто не существует однородных крупных частиц. Вместо них имеет место
более или менее широкое распределение размеров частиц, соответствующее нормальному распределению Гаусса. Если имеется больше всего частиц
одного определенного размера, то говорят о монодисперсной или мономодальной дисперсии (распределении частиц). Но если дисперсия содержит частицы двух различных размеров, то такая система называется бимодальной.
В противоположность этому мультимодальные дисперсии характеризуются
наличием очень широкого распределения частиц по размерам. Полимерные
частицы акрилатных дисперсий могут иметь, в зависимости от способа получения, размеры от 50 нм до 500 нм. В зависимости от размеров частиц, соответствующие дисперсии кажутся нам жидкостями, от почти прозрачного до
молочно-белого цвета. На основании оптической картины полимерные дисперсии можно подразделять следующим образом (см. табл. 3.2.2).
Размеры частиц и их распределение в полимерных дисперсиях влияют на
способ стабилизации. Грубодисперсные системы часто бывают стабилизированы защитным коллоидом, тонкодисперсные - эмульгаторами. В общем,
дисперсии из мелких частиц на основании большей поверхности частиц несколько более чувствительны к стабильности, чем дисперсии из крупных частиц. Для стабилизации применяются различные принципы. Дисперсии могут
стабилизироваться стерически (в большинстве случаев, с помощью защитных коллоидов или неионогенных эмульгаторов) или электростатически (чаще всего, с помощью анионных или даже катионных эмульгаторов) или с помощью соответствующих анионных мономеров. Дисперсии, полученные промышленным способом, представляют собой комбинацию трех названных видов стабилизации. Рис. 3.2.8это поясняет схематически.
Исходя из токсических и экологических свойств, в настоящее время в качестве неионогенных эмульгаторов применяют вместо часто используемых ранее алкилфенолэтоксилатов (АРЕО) этоксилаты спиртов жирного ряда. Разме-
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
269
Таблица 3.2.2. Размеры частиц и картина оптического проявления дисперсий
Диаметры частиц
> 1 мкм
1 мм - ОД мкм
ОД- 0,05 мкм
< 0,05 мкм
Оптическое проявление
Молочно-белая дисперсия
Дисперсии от голубовато-белого
до бело-коричневого цвета
Серо-белая, наполовину прозрачная
Прозрачная
Структурные параметры
Свойства полимера:
химический состав, температура стеклования (Тд), смывка, молекулярная
масса, функциональные группы
Свойства коллоида:
д
g
С
D
- инициатор
-эмульгатор
- защитный коллоид
- полимер
эмульгатор, тип, количество, заряд
оболочки латекса, заряд в сыворотке, защитный коллоид
; Свойства частиц:
\ размер частиц (50-200 нм), распределение частиц по размерам, морфология частиц
Рис. 3.2.8. Структурные параметры частиц дисперсии
ры частиц и их среднее распределение оказывают влияние на важные свойства
ЛКМ, такие как прозрачность водной дисперсии и, как следствие, лаковой пленки, проникающая способность в основу и связанная с этим адгезионная способность. Тонкодисперсные акрилатные системы, по сравнению с грубодисперсными, имеющими ту же температуру стеклования, лучше, так как образуют пленки
с незначительной склонностью к белесоватости в результате контакта с водой.
Для лакокрасочных покрытий древесины и, в особенности, грунтовок, как правило, предпочтительнее высокодисперсные алкидные системы из-за лучшей
проникающей способности, которая такая же, как у водных алкидных смол.
Свойства полимеров акрилатныхдисперсий
Свойства полимера определяются различными видами применяемых мономеров. При этом различают твердые, мягкие и стабилизирующие, или сшивающие, мономеры.
Путем выбора мономеров и соотношений между ними может быть установлена определенная температура стеклования (Т ) или минимальная температура образования пленки (MFT) дисперсии. Температура стеклования (Тд)
является критерием эластичности полимерной пленки. Чем ниже Тд, тем эластичнее полимерная пленка и тем ниже значение MFT.
По сравнению с метакрилатами, акрилаты образуют более эластичные полимеры. Для древесных покрытий хотелось бы добиться, как позже будет подроб-
270
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Грубодисперсная акрилатная система
Незначительная глубина проникновения (2 слоя клеток)
Тонкодисперсная акрилатная система(50 им)
Хорошее проникновение (З-б слоев клеток)
Рис. 3.2.9. Влияние полимерной структуры акрилатных дисперсий на глубину проникновения в сосновую древесину (оптическая микроскопия) [13]
но разъяснено, по возможности эластичных и одновременно нелипких (стойких
к слипанию) пленок. Из-за низких значений Т эластичные пленки довольно липкие. В процессе производства покрытий при штабелировании друг на друга или
при другой сжимающей нагрузке это приводит в экстремальных случаях к тотальному склеиванию лаковых поверхностей. Далее, при увеличении содержания твердых мономеров, значение МП" не должно стать слишком высоким, так
как в этом случае, для обеспечения хорошего пленкообразования, возникнет
необходимость в более высоких концентрациях органических растворителей.
Это имеет негативное влияние на содержание летучих органических соединений VOC, а также на блокировку конструктивных элементов. Необходимо постоянно находить баланс между значениями Tg, MFT и эластичностью.
Часто констатируют, что путем изменения соотношений или выбора мономеров нельзя достигнуть оптимальных свойств в отношении эластичности, разрывного удлинения и стойкости к слипанию. Возможные решения могут быть
реализованы с помощью двух технологий получения:
• использования веществ, образующих поперечные связи;
• путем изменения процесса получения и формирования многофазных полимерных частиц, т.е. изменения морфологии частиц (дисперсии Core-Shell).
Образование поперечных связей полимерных дисперсий в процессе
получения и окраски
Реакции образования поперечных связей могут индуцироваться во время
эмульсионной полимеризации или только при сушке лаковых пленок. Чтобы
полимерные частицы «сшить» во время процесса получения, как правило, в
реакции сополимеризации участвуют бифункциональные мономеры. Таким
образом, внутри полимерной частицы образуется гомогенная сетчатая структура (процесс назван также интрапартикулярным сшиванием), которая может
быть охарактеризована определенной плотностью сшивки [14]. Интрапартикулярное сшивание используется в небольшом объеме для повышения молекулярной массы и снижения липкости соответствующей полимерной пленки,
так как сильная интрапартикулярная сшивка затрудняет пленкообразование
или полностью его исключает.
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
271
Дигидразид
Полимер(Т^С°
'
* "-
°*5чМ^> Полимер
Полимер Д ^ н ^ - о "
»°-*JI"Y\ Полимер
Рис. 3.2.10. Образование поперечных связей полимерных цепей путем реакций конденсации
С помощью целенаправленного внедрения функциональных групп (например, карбоксильной) акрилатные д и с п е р с и и могут «сшиваться» в процессе
пленкообразования за счет добавления многовалентных металлов (Zn 2 + , Zr 2 +
или А13+). Часто этот вид сшивки (образование комплекса) является обратимым в зависимости от значения рН. «Сшивание» оказывает сильное воздействие на механические свойства лаковых пленок [ 1 5 ] . В случае солей Zn 2 +
и Zr2+, используемых обычным с п о с о б о м , речь идет о комплексах амина, которые стабильны лишь в щелочном растворе при достаточном количестве а м м и ака. Посредством испарения аммиака на стадии сушки соли металлов могут
вступать в реакцию с карбоксильными группами с образованием комплексов.
Так, «сшитые» (по ионному механизму) д и с п е р с и и начинают вести себя преимущественно как изолирующая грунтовка на древесине, предотвращая изменения цвета и проступание ингредиентов древесины. Частым недостатком
во многих случаях является неудовлетворительная стойкость лаковых пленок
по отношению к щелочи.
Образование поперечных химических связей во время реакций
конденсации
в ходе пленкообразования
В специальной литературе имеется большое количество сообщений о реакциях образования поперечных связей, которые путем образования химических связей ведут к улучшению механических свойств полимерных пленок.
Здесь следует сослаться на выводы Бафкина и Грейва (Bufkin и Grawe) [ 1 6 ] ,
а также Оока и Осава (Оока и Ozawa) [ 1 7 ] .
Во время пленкообразования реакции конденсации также могут вовлекаться в процесс образования поперечных связей. Говорят также о самоотверждающихся акрилатных дисперсиях. При этом низкомолекулярные, би- или
мультифункциональные реагенты в виде водных растворов добавляются для
полимеризации к акрилатной д и с п е р с и и . Известный пример - реакция д и г и дразидов с карбонильными группами, находящимися в полимерной цепи (см.
рис. 3.2.10). Функциональные группы, введенные в полимерную цепь, например N-метилольные группы, могут при изменении рН привести к образованию
272
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Индивидуальная частица
(твердая)
Индивидуальная частица
(мягкая)
Полусферическая
частица
Частица-ядро
в оболочке
Инверсионная частица ядро в оболочке
Частица с морфологией
малины
Частица, полученная
в градиентном режиме
Рис. 3.2.11. Морфологии частиц одно- и многофазных эмульсионных полимеризатов
трехмерной сетки путем отщепления формальдегида и воды или простой конденсацией между собой.
Описанные выше химические реакции особенно пригодны для повышения
химической стойкости лаковых пленок. Так, с помощью подходящих механизмов реакции, оказывается положительное влияние на адгезию во влажных
условиях и химическую стойкость [18]. Хорошая адгезия в условиях влажности
является важным условием для прочного лакокрасочного покрытия древесины наружного применении. Такого вида реагенты называются также промоторами (активаторами) адгезии во влажных условиях. Речь идет об относительно
дорогих специальных мономерах, которые вступают в реакции сополимеризации. Наряду с вышеупомянутыми соединениями, в большинстве случаев используются мономеры на основе метакрилата, малеата, аллилового или винилового эфиров, содержащие амино-, ацетоацетатные, цианоацетатные, карбамидные, тиокарбамидные или циклические карбамидные группы [19, 20].
В результате образования водородных связей и кислотно-основного взаимодействия с основой, они обеспечивают прочное закрепление дисперсионных
акрилатных покрытий на поверхности. Это справедливо также для адгезии покрытий на основе алкидных смол.
Морфология частиц
Наряду с классическим одностадийным процессом существует возможность
получения дисперсии двухстадийным методом [21]. Таким способом возможно получение полимерных частиц с многофазной структурой. Они состоят, как
правило, из мягкой и твердой полимерных фаз. Мягкая фаза отвечает за пленкообразование, твердая — за устойчивость к слипанию или отсутствие клейкости полученной полимерной пленки. На примере гетерогенных модельных
дисперсий можно описать свойства этих гетерогенных систем. Они были получены благодаря тому, что смеси мономеров последовательно дозировались
и вступали в реакцию полимеризации друг за другом. С помощью такого способа получают дисперсии с многофазной структурой. Они называются также
гетерогенными или Core-Shell-дисперсиями. Некоторые возможные структу-
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
ры схематически изображены на рис.
3.2.11 [ 2 2 ] .
273
х 0 200 цм/дел.
г 100.00 пм/дел.
Верхние структуры на рисунке яв•
I
ляются идеальными структурами.
*
В реальных условиях процесса получения в имеющихся в продаже дисi
персиях существуют в большинстве
04
случаев более сложные структуры,
0.» г
такие как структуры в форме плода
малины или полусферические.
РИС. 3.2.12. AFM-снимок многофазной
Различные структуры (названные частицы акрилатной дисперсии
также морфологией частиц) могут
возникать в результате изменений состава мономеров, например, гидрофильные/гидрофобные мономеры, системы стабилизации и параметров процесса
полимеризации, например, в градиентном режиме. С одной стороны, обе полимерные фазы должны быть не слишком хорошо совместимы друг с другом,
так как, в противном случае, фазовый переход мягкая/твердая (или наоборот)
уже не будет являться оптимальным, что может негативно повлиять на пленкообразование и устойчивость к слипанию. С другой — важно, чтобы обе полимерные фазы были настолько совместимы, чтобы во время сушки не произошло взаимного отторжения, которое может проявиться в потере блеска и дефекте пленкообразования.
Структуры частиц могут быть зафиксированы и изображены с помощью так
называемой растровой электронной микроскопии или методом атомной микроскопии AFM (Atomic Force Microscopy) [23]. На рис. 3.2.12 показан AFMснимок гетерогенной дисперсии. Обнаружено, что мягкая внешняя фаза надета на твердую внутреннюю, и обе фазы связаны друг с другом.
Гетерогенные дисперсии обладают многими преимуществами по сравнению с дисперсиями, полученными традиционным способом (так называемы600
Гетерогенная дисперсия
Тд,=-18°С
фЦ
Тд, = 80°С
Фаза 1: 20% ММА: 80% ВиА
Фаза 2: 80% ММА: 20% ВиА
О
Фаза \ : Ф а и 2 - 1:1
MFT = 10°C
500
ю
О)
г 400
х
X
4- зоо р:
ш
о
Гомогенная дисперсия
+ 200 S
i
Q.
го
S0% ММА : 50% ВиА
MFT = 8°С
Гомогенная дисперсия
100
°~
Гетерогенная дисперсия
Рис. 3.2.13. Данные слипания и разрывного удлинения гомогенной и гетерогенной
дисперсий с одинаковым общим составом (50% ММА, 50% ВиА)
274
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Место падения шарика
Хорошая устойчивость
к градобитию
Плохая устойчивость
к градобитию
Рис. 3.2.14. Тест на градобитие водных лазурей для древесины на основе акрилатных
дисперсий
ми гомогенными дисперсиями). Это должно показать следующее сравнение.
Сравнивались модельные гетерогенные дисперсии с гомогенными [24]. Оба
типа дисперсий имели почти одинаковые минимальные температуры пленкообразования MFT (около 8°С) и одинаковый общий мономерный состав: 50%
метилметакрилата (ММА) и 50% бутилакрилата (ВиА). Изображение на рис.
3.2.13 показывает характеристики дисперсий в рецептуре непигментированной лазури.
При одинаковом значении MFT, гетерогенная дисперсия имеет явно лучшую
устойчивость к слипанию (низкий показатель — небольшие усилия разъединения объединенных в блоки образцов — хорошая устойчивость к слипанию) и
твердость по Герберту. Эластичность или разрывное удлинение открытой лаковой пленки на основе гетерогенной дисперсии ниже, чем на основе гомогенной дисперсии. Однако она все еще достаточна, так что при атмосферном
воздействии не возникает растрескивания на древесине. При промышленной
окраске окон гетерогенная дисперсия должна иметь достаточную устойчивость к градобитию. Это необходимо для защиты от повреждений на окнах при
буре. Для этого свойства крайне важна эластичность полимеров или пленки
при экстремальной нагрузке. При этом устойчивость к градобитию лишь частично коррелирует с устойчивостью к растрескиванию пленки. При бомбардировке градинами плохая устойчивость к градобитию ведет к образованию
волосяных трещин кроющего покрытия на месте их падения. На этих волосяных трещинах могут позднее появиться повреждения влагой и, как следствие,
грибковое поражение и шелушение покрытия. В лаборатории моделируют
тест методом падающего шарика (методом Стокса), согласно которому стальной шарик падаете высоты 1 м на исследуемый образец с пленкой. В качестве
контрольного образца применяется пластина из гипсокартона. По количеству
трещин вокруг образовавшейся вмятины классифицируют дисперсию или покрытие как годную (по возможности ни одной трещины) или непригодную для
использования (много трещин).
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
275
Это свойство может регулироваться путем оптимизации процесса получения дисперсии. При этом полезным оказывается градиентный режим процесса. По этому способу могут быть получены частицы с непрерывным фазовым
переходом (см. рис. 3.2.11). Такая морфология может обеспечить преимущества в устойчивости к градобитию или в упругости (эластичности), так как
при непрерывном фазовом переходе не возникнет возможного места разрыва
между мягкой и твердой фазами.
Хорошая устойчивость к слипанию покрытий при достаточной эластичности
и при использовании по возможности небольшого количества растворителей
является основным условием для промышленной отделки деревянных окон
или элементов для мебели.
Этим высоким требованиям, особенно для промышленной обработки древесины, соответствуют лишь современные, сделанные по стандартам пленкообразующие системы. В этой области водные акрилатные дисперсии (чистые
акрилаты или акрилаты с незначительным содержанием стирола), благодаря
свойствам и вариационным возможностям, имеют большое значение. Возможности комбинирования с водными алкидными смолами и полиуретановыми дисперсиями способствуют развитию рецептур и изготовлению стандартной готовой продукции. Акрилатные дисперсии по сравнению с содержащими
растворитель и водными алкидными смолами способны к более быстрому высыханию и имеют лучшую устойчивость к раннему слипанию.
Белесоватость и гигроскопичность (поглощение влаги)
Белесоватость вызывается проникновением воды и сольватацией водорастворимых частей и гидрофильных групп в полимерной пленке. Белесоватость
зависит не только от используемых в полимеризации инициаторов, эмульгаторов или защитных коллоидов и мономеров, но и от размеров частиц дисперсии и качества пленкообразования. Дисперсии, стабилизированные защитным коллоидом, чаще всего проявляют повышенную белесоватость.
Гигроскопичностью называют прирост массы дисперсионной пленки при
хранении в воде. Необходимо обратить внимание на то, что белесоватость и
гигроскопичность не должны коррелировать друг с другом. При поглощении
воды дисперсионные пленки приобретают большую растяжимость (эластичность) и уменьшается их механическя прочность. Причина этого — в понижении сил сцепления полимеров в зависимости от массы поглощенной воды.
Предел гигроскопичности в основном определяется двумя факторами:
. гидрофильностью сополимеров. Здесь играют значительную роль функциональные мономеры, такие как сополимеризированная акриловая кислота;
• водорастворимыми солями, которые могут быть зажаты между частица
ми латекса при пленкообразовании. При хранении в воде эти соли создают осмотическое разрежение, которое приводит к усиленному разбуханию дисперсионной пленки.
В целом, можно констатировать, что с повышением гидрофильности полимерной пленки гигроскопичность возрастает[25].
Важно, чтобы пленкообразование протекало оптимально, так как иначе белесоватость или гигроскопичность могут повлиять неблагоприятным образом.
Важную роль играет выбор вспомогательных средств для пленкообразования.
Акрилатные дисперсии для лакокрасочных покрытий древесины, в особенности на заключительном этапе обработки, должны иметь незначительную бе-
276
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
лесоватость и низкую гигроскопичность, что и обеспечивается современными
типами дисперсий.
Водные полиуретановые дисперсии
Водные полиуретановые дисперсии [26, 27] для лакокрасочных покрытий
древесины в последние годы приобрели приобрели возрастающее значение.
Причина этого в их особых свойствах. Выдающееся основное свойство полиуретановых дисперсий — хорошая механическая прочность. Полученные пленки
(в зависимости от состава) эластичные, но твердые и нелипкие. Недостатком
является относительно высокая цена алифатических полиуретановых дисперсий. Они нашли широкое применение, особенно в водных лаках для паркета и мебели. Они содержатся в рецептурах в качестве компонентов композиций с акрилатными дисперсиями. Для наружного применения в качестве единственного пленкообразователя, как правило, они не имеют большого распространения. В этом случае, скорее, применяются акрилатные дисперсии, модифицированные полиуретаном (в виде смеси или встроенного
в структуру полимера).
Синтез первых водных полиуретановых дисперсий (PUD) был осуществлен
в 60-е гг. С начала 70-х гг. полиуретановые дисперсии поступили в продажу.
В отличие от водных акрилатных дисперсий, в случае с PUD, как правило, речь
идет о так называемых вторичных водных эмульсиях. Полимер после получения
эмульгируется со вспомогательными веществами в воде или диспергируется.
Сырье для получения полиуретановых дисперсий
Для получения полиуретановых дисперсий в большинстве случаев используют диизоцианаты и диолы или полиолы.
Диизоциана ты
Применяются ароматические и алифатические диизоцианаты. В качестве
ароматических диизоцианатов используются, например, дифенилметандиизоцианат (MDI), толулендиизоцианат (TDI) или изофорондиизоцианат (IPDI).
В качестве алифатических диизоцианатов применяют, например, гексаметилендиизоцианат (HDI).
Полиолы
В качестве полиолов используются различные типы многоатомных спиртов. При этом низкомолекулярные диолы, такие как этиленгликоль или
1,4-бутандиол, приводят к образованию относительно твердых и хрупких, часто высоковязких предполимеров с большим числом уретановых групп. Однако чаще всего применяются высокомолекулярные ди- или полиолы. В зависимости от основы различают диолы полиэфирные (эфиры простые и сложные)
и поликарбонатные. Продукты на основе поликарбонатных полиолов имеют
хорошую устойчивость к гидролизу, свету, погодным условиям и жаре, однако они относительно дорогие. ПУ-дисперсии на основе сложных полиэфирных
полиолов, в зависимости от структуры полиэфирных компонентов, чувствительнее к гидролизу, но выгоднее по цене.
Эмульгирование
Чтобы сделать возможным эмульгирование, применяют так называемые внутренние эмульгаторы (соединения, содержащие кислотные группы), незначительно влияющие на водостойкость. Очень часто используется здесь диметилолпропионовая кислота, которая встраивается по следующей схеме 1.
Кислотные группы, введенные таким способом в преполимер, затем нейтрализуются с помощью, например, аминов. Для этого чаще всего применяют-
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Схема 1
сн з
но-сн-с-сн-он
Г"
4
277
сн
_>
'
ч
& \
о* он
н+
ся третичные амины, такие как триэтаноламин (TEA) или диметилэтаноламин
(DMEA).
С помощью названных компонентов можно синтезировать преполимер, способный к эмульгированию или диспергированию в воде.
В зависимости от состава и молекулярной массы преполимера, для переработки и оптимального эмульгирования может потребоваться еще растворитель. Для этого в зависимости от метода получения, используются различные растворители, такие как ацетон, метилэтилкетон или N-метилпирролидон
(NMP). Сегодня вместо NMP, который из-за токсикологических свойств ограничен в использовании, применяются заменители.
Удлинение полимерной цепи
В результате полиприсоединения обычно получается относительно низкомолекулярный, оканчивающийся на NCO-группу преполимер (олигомер с концевыми NCO-группами), поэтому необходимо провести удлинение цепи для
повышения молекулярной массы. Для этого используют реакцию присоединения изоцианатов с аминами. Это могут быть, например, бифункциональные
амины: гидразин или этилендиамин. Они реагируют с изоцианатами по следующей схеме:
R-NCO
+
HN-R1
•
R-N-C-N-FT
i II 1
Н О Н
Олигомеры с концевыми NCO-группами, таким образом, соединяются друг
с другом с образованием карбамидной группы. Удлинение цепи возможно также с помощью реакции с водой. Удлинение цепи с диаминами может происходить как после диспергирования, следовательно, в воде, так и перед добавлением воды, следовательно, на стадии преполимера. Какой путь удлинения выбрать, зависит от метода получения.
Методы получения
Исходя из двух выбранных способов удлинения цепи, получение полиуретановых дисперсий можно пояснить схематически. На рис.3.2.15сравниваются
два самых распространенных метода.
Преимущества метода на основе ионсодержащего преполимера:
• высокие выходы продукции (объем за единицу времени);
. в зависимости от содержания NMP возможно получение очень мелких частиц;
• размеры частиц < 30 нм;
. более дешевый метод;
• отсутствие дистиллята.
Преимущества ацетонового метода:
. дисперсии с очень низким содержанием растворителя;
• более широкое распределение по размерам частиц;
• завершенная молекулярная структура перед диспергированием.
278
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
j Метод на основе лонсодержащего предполимера
Ацетоновый метод
Ступенчатая полимеризация
(в присутствии
ацетона или МЭК)
Ступенчатая полимеризация
(в присутствии NMP)
1
Нейтрализация
Нейтрализация
I
Удлинение цепи
Диспергирование
I
Диспергирование
Удлинение цепи
/
1
Дистилляция
1
i
ПУ-дисперсия
ПУ-дисперсия
Рис. 3.2.15. Методы получения полиуретановых дисперсий
Свойства
Выдающимися свойствами полиуретановых дисперсий являются:
. высокая эластичность;
• ударная прочность на холоде;
• стойкость к истиранию и царапанию;
• блокирующее действие по отношению к размягчителям;
• химическая устойчивость.
Устойчивость к свету полимерных пленок при использовании ароматических
компонентов реакции, как и следовало ожидать, не является оптимальной, они
склонны к пожелтению. В случае алифатических компонентов оно уже не появляется: правда, пленки, полученные на их основе, чаще всего имеют более
низкую химическую и механическую стойкость. Некоторые аспекты достижения описанных свойств следует кратко пояснить.
Важное свойство, которое вытекает из структуры полимеров, — высокая
стойкость к действию химических продуктов. Как показывает упрощенная схема таутомерного равновесия,
-N = C-O-R'
I
О
I
R-N-C-O-R
I
и
н о
н
В такой системе возможно образование водородных связей. Это приводит
к высокой химической стойкости при одновременно хорошей адгезии и высокой твердости. Дальнейшей перспективой развития ПУ-дисперсий является разработка самоотверждающихся материалов, возможно в комбинации
с акрилатными дисперсиями или дальнейшее развитие свободных от NMP дисперсий и внедрение частей ПУ в акрилатные дисперсии. Также перспективны
на основе расширения сырьевой базы, например, при использовании масел.
Пленкообразователи, отверждаемые под действием УФ-излучения
Исходя из достижений мебельного сектора, около 8 лет тому назад начали
развивать и испытывать отверждаемые УФ-излучением водные пленкообра-
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
279
зователи [28] для промышленной окраски окон. При этом связующие вещества
в их составе были модифицированы и оптимизированы для достижения достаточной эластичности и вместе с тем устойчивости к атмосферным влияниям. Установки для нанесения покрытий и особенно техника для УФ-излучения
были подобраны в соответствии с требованиями к этим системам (см. главы
3.1.6 и 3.2.3.2).
Речь идет о специальных УФ-отверждающихся полиуретан-акрилатных дисперсиях, выступающих здесь в качестве типичных пленкообразователей. При
этом полимеры, по аналогии с полиуретановыми дисперсиями, эмульгируют в
воде по типу вторичной эмульсии. В качестве фотоинициаторов используются
в большинстве случаев а-гидроксикетоны и бисацилфосфиноксиды (ВАРО).
Дополнительно может быть добавлен УФ-стабилизатор для пленкообразователя (HALS; см. главу 3.2.2.4). В данный момент есть много обнадеживающих
факторов. Особенно хорошие результаты, говорящие о длительной стабильности, достигнуты относительно устойчивости к погодным условиям [28].
Преимущества УФ-отверждаемых пленкообразователей для покрытий для
наружного применения:
• быстрое отверждение и сушка - быстро протекающие процессы;
• быстрое достижение устойчивости к слипанию;
• низкая гигроскопичность;
• низкое содержание легколетучих органических соединений VOC;
• низкий расход энергии;
. хорошая адгезия во влажных условиях;
• эластичная пленка, но, несмотря на это, стойкая к царапанию.
Правда, имеются также недостатки:
• высокая стоимость вложений и сырьевых материалов;
t отверждение на проблемных областях (трехмерная геометрия) затруднено.
Эти в целом более высокие издержки для многих предприятий, производящих окна, трудно реализовать в данный момент. Первые продукты, в которых
аккумулированы практические достижения, в качестве пакетных систем введены на рынок с целью выяснить, подтвердится ли все же прогнозируемая
значительная устойчивость к погодным условиям. И поэтому остается ждать,
как в будущем осуществится эта технология.
3.2.2.2. Пленкообразование и вспомогательные средства
(средства коалесценции)
Процесс пленкообразования в случае акрилатных дисперсий или вообще
полимерных дисперсий совершенно иной, чем в случае растворов и коллоидных растворов смол. Полимерные дисперсии состоят из частиц, которые в ходе испарения воды медленно проникают друг в друга с образовыванием пленки. Правда, и после пленкообразования структуры первоначально имеющихся
дисперсионных частиц все еще слегка различимы.
Каждая полимерная дисперсия в течение процесса сушки и пленкообразования нуждается в определенной температуре для того, чтобы образовать
оптимальную пленку. Эта температура называется также минимальной температурой пленкообразования MFT (см. гл. 3.2.2.2.1). Большинство рецептур на
основе акрилатных или полимерных дисперсий требуют незначительного добавления растворителей, которые обеспечивают хорошее пленкообразование
при соответствующих температурах. Растворители называются также вспомо-
280
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Рельефное изображение
Контактное изображение
Очень хорошее
пленкообразование MFT
около 0°С
Среднее пленкообразованиеMFT7°C
Нет пленкообразования MFT>45°C
Рис. 3.2.16. Электронно-микроскопический снимок пленкообразования дисперсионных частиц
гательными средствами пленкообразования, или средствами коалесценции.
Так как процесс пленкообразования в случае полимерных дисперсий, названный также коалесценцией, является существенным для достижения желаемых
конечных свойств, необходимо остановиться поподробнее на нем и связанных
с ним корреляциях.
Температура стеклования Тд
Температура стеклования (названная также температурой фазового перехода) и MFT находятся в тесной зависимости друг от друга. Высокая температура стеклования полимеров дает в итоге высокое значение MFT полученных
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
281
из них полимерных дисперсий. В то время как низкомолекулярные твердые
субстанции при подаче тепла имеют точные значения температур плавления
(в расплаве молекулы ведут себя как целое), в случае макромолекул наблюдают размытое (нечеткое) размягчение. С увеличением температуры сначала повышается подвижность гибких боковых цепей полимера. Как только эти
дополнительные движения боковых цепей в ходе плавления начинают нуждаться в пространстве, они начинают трудиться над созданием свободных
пространств для движения (свободного объема) [29]. Специфический объем
становится таким образом больше, и тело растягивается. Поэтому различают
следующие состояния полимеров:
• стеклообразное состояние, при котором макромолекулы заморожены и
сегменты цепей фиксированы;
. фазовый переход из стеклообразного состояния в область размягчения,
при котором усиливается движение полимерных сегментов;
. вязкоупругое состояние или область эластичности резины, при котором
макромолекулы удерживаются вместе путем «сшивания» и побочных валентностей и обнаруживают каучукоподобные свойства.
Температура стеклования Тд определяется как температура, при которой
расплавленный полимер при охлаждении снова переходит в твердое стеклообразное состояние. Фактически речь идет здесь не об определенной температуре, а об области перехода примерно от 10 до 20°С. Поэтому при переходе
в стеклообразное состояние также говорят об области температур стеклования. Внутри этой области дискретно меняются многие полимерные свойства,
так что их измерение может быть привлечено для определения Т . В зависимости от температуры могут быть измерены следующие параметры:
. плотность полимеров;
• удельная теплоемкость;
. теплопроводность;
. показатель преломления.
Важными методами измерения являются термомеханический анализ (ТМА),
а также дифференциальное калориметрическое сканирование (DSC).
В общем, справедливо следующее: чем выше температура стеклования полимеров, тем тверже их консистенция при комнатной температуре. Для полимерных пленок, полученных из дисперсий, необходимо учитывать следующие
факторы, влияющие на величину Тд:
. удерживающую способность растворителя (еще находящиеся при известных условиях в пленке добавленные растворители);
• влажность в пленке. Молекулы воды действуют, в зависимости от структуры пленкообразователя как размягчитель и частично снижают Т ;
• действие атмосферных условий, например, солнечного излучения, может
привести к реакции сшивания в полимерной пленке. В этом случае Т полимерной пленки повышается;
. температура стеклования влияет на MFT, как уже выше было упомянуто.
Высокая температура стеклования полимеров ведет также к высокому значению MFT полимерной дисперсии.
Минимальная температура пленкообразования
Определение минимальной температуры пленкообразования (MFT) и «белой» точки (WP) проводится по DIN 53787. В соответствии с ним минимальная
температура пленкообразования определяется как самая низкая температу-
282
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
ра, при которой дисперсия образует замкнутую (завершенную) пленку, не обнаруживая после сушки растрескивания пленки. «Белой» точкой является самая высокая температура, при которой дисперсия не образует пленки, но после сушки остается беловатый слой. Ранее «белую» точку интерпретировали
как минимальную температуру пленкообразования. Многочисленные исследования, однако, показали, что в полимерной пленке при температуре выше
«белой» точки могут встречаться еще мелкие трещины. Поэтому «белая» точка
лежит на несколько градусов Цельсия ниже MFT.
На МFT дисперсии могут влиять различные вещества:
• растворители или вспомогательные вещества для пленкообразования
(ведут, взависимостиотсвоихфизическихсвойств,кболее или менеесильному понижению MFT);
• размягчители (понижают MFT);
• гидрофильные полимеры, например защитные коллоиды (ведут путем
удержания воды также к понижению MFT).
Процесс пленкообразования схематически изображен на рис. 3.2.17.
Вспомогательные вещества для пленкообразования (средства коалесценции)
К хорошему пленкообразованию можно прийти лишь тогда, когда минимальная температура пленкообразования лакокрасочного покрытия лежит внутри
интервала температур обработки или сушки. Приспособить MFT дисперсии к
соответствующей температуре обработки можно путем добавления вспомогательных веществ для пленкообразования. Отличие между растворителем и
размягчителем, как правило, проявляется в давлении пара или температуре
кипения. Растворители влияют на прочность пленки лишь в течение короткого времени из-за быстрого испарения, в то время как размягчители действуют
размягчающе на полимерные пленки достаточно долго.
Хорошее вспомогательное средство для пленкообразования должно обладать [58] такими свойствами, как:
о
[j
о
Фаза 1. Испарение воды
шжшжмжжмшжшжшжтжш'мжм'М
тжЖЛЖ*ЖЛЖЖШШЖЛЖШ
о
Фаза 2. Деформация частиц, T>MFT
о
К • * * # * * * * * : » « * * * « * « « * «1
о
Фаза 3. Коалесценция
о
Фаза 4. Взаимная диффузия полимерных цепей
Водная полимерная
дисперсия (содержание
твердого вещества
40-60%)
Упорядоченные частицы,
плотная упаковка
Деформация полимерных
частиц
Размывание фазовых
границ индивидуальных
частиц
Взаимная полимерная
диффузия, образование
стабильной полимерной
пленки
Рис. 3.2.17. Схематическое изображение процесса пленкообразования полимерных дисперсий
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
283
Тип растворителя А: гидрофобный,
например, уайт-спирит
• Разбухание частиц дисперсии
• Незначительное снижение MFT
Тип растворителя В: гидрофильный/гидрофобный, например, дованол ДриВ или тексанол
• Хорошее (сильное) снижение MFT
Тип растворителя С: гидрофильный, например,
пропиленгликоль
• Практически нет снижения MFT
Рис. 3.2.18. Взаимодействие частиц дисперсии с различными типами растворителей
.
эффективность. Для заданного полимера вспомогательное средство для
пленкообразования должно действовать эффективно, т. е. с помощью
по возможности небольшой добавки надо максимально понизить MFT;
• легкость при внесении в систему и поглощении полимерными частицами.
Оно должно легко вноситься в систему и, соответственно, поглощаться полимерными частицами, не снижая стабильности системы (например, образование пятен при хранении);
• продолжительность реакции. Она в полимере должна быть достаточно
длительной, чтобы гомогенное пленкообразование было возможным. После завершения коалесценции желательно быстрое улетучивание растворителей, чтобы пленка не оставалась долго мягкой и липкой, загрязненной или чувствительной к механическому повреждению;
• отсутствие склонности к гидролизу. Вспомогательное средство для пленкообразования не должно иметь склонности к гидролизу в слабощелочной среде;
• благоприятное влияние на окружающую среду. Оно должно быть по возможности со слабым запахом, нетоксичным или слаботоксичным и экологически чистым.
При создании рецептуры и выборе вспомогательных средств для пленкообразования необходимо принимать во внимание, что при использовании только смешивающихся с водой вспомогательных средств существует опасность,
что в случае сильно впитывающей древесины они могут слишком быстро проникать вместе с водой в основу. Тем самым пленкообразование может быть
нарушено, что будет затем проявляться, например, в появлении пелены и
трещин и т.д. Часто используются комбинации различных вспомогательных
средств (например, гидрофильных и гидрофобных), что устанавливать сбалансированные параметры сушки и пленкообразования (см. рис. 3.2.18).
При этом гидрофобные растворители диффундируют предпочтительно в частицы латекса, в то время как гидрофильные влияют скорее на поверхность
частиц дисперсии. Часто растворители, особенно в случае прозрачных лаков, лазурей и слабопигментированных систем, предварительно смешиваются или добавляются в смеси с водой, чтобы избежать слишком резкого влияния растворителей на систему от растворителей и вытекающего отсюда образования пятен. Некоторые применяемые растворители — уайт-спирит, метоксипропанол, тексанол, бутилгликоль, бутилдигликоль, бутилдигликольацетат
и дипропилен-гликоль-н-бутиловый эфир (DPnB). В качестве размягчителей
284
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
используются преимущественно диметилфталат, диизобутилфталат, бензоаты или адипинаты.
Необходимо обратить внимание на то, что, с повышением концентрации
вспомогательных средств для пленкообразования, вязкость из-за вспучивания полимерных частиц может увеличиться. Гидрофобные вспомогательные средства (например, уайт-спирит) могут иметь пеногасящее действие
и поддерживать таким образом активность пеногасителей. Количество добавленных растворителей в зависимости от назначения — от 2 до 10%. Частично сегодня можно отказаться от добавок, так как, например, Core-Shellдисперсии могут иметь достаточно низкие минимальные температуры пленкообразования.
3.2.2.3. Наполнители, пигменты и матирующие средства [30]
Пигменты
В качестве пигментов в зависимости от применения используются неорганические белые пигменты и органические цветные.
В качестве белого пигмента сегодня рассматривается почти исключительно
диоксид титана в кристаллической модификации рутила, так как он из всех белых пигментов имеет максимальное светорассеяние и показывает очень хорошую устойчивость против атмосферных воздействий.
В качестве цветных пигментов применяются общепринятые, устойчивые к
свету органические пигменты, часто в форме водных препаратов. В этом секторе большое количество производителей, которые предлагают сегодня системы без АРЕО и с низким содержанием VOC.
В качестве неорганических цветных пигментов применяются прежде всего,
пигменты на основе окислов железа. В случае прозрачных пигментированных
лазурей для древесины используются прозрачные высокодисперсные пигменты на основе окислов железа, которые имеют размеры частиц (средние размеры около 0,05 мкм) в 10 раз меньшие, чем непрозрачные (кроющие) окислы
железа. Прозрачные окислы железа, кроме окрашивающего действия, применяются, главным образом, для достижения хорошего защитного действия от
УФ-излучения в лазурях (см. рис. 3.2.19) [31]. Как правило, здесь используются, особенно в случае с прозрачными окислами железа, водные пасты пигментов, которые обеспечивают хорошее диспергирование. Если не используется дополнительно УФ-абсорбер, необходимо, по меньшей мере от 0,5 до 1-2
масс. % прозрачной окиси железа (относительно общей рецептуры). Тем самым обеспечивается УФ-абсорбция < 400 нм.
Для улучшения защитного действия от УФ-излучения применяются тонкодисперсные окислы титана, силикаты или окислы цинка (в виде коллоида или наночастиц). Это делают чаще в случае непигментированных прозрачных покрытий. Правда, с ними чаще всего не удается получить полностью прозрачную
пленку. Для окрашивания древесины со специальными эффектами для осуществления дизайнерских тенденций в последние годы добавляются эффектпигменты, например, на основе металлического алюминия или интерференционные и перламутровые пигменты.
Функциональные пигменты
Они применяются в первую очередь не из-за оптических, а из-за других
свойств. Так, они часто применяются, например в водных изолирующих (блокирующих) грунтовках, чтобы улучшить блокирующее действие против компо-
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
285
100,0 -.
*
0,125%
а
0,25%
л
0,50%
-
1,00%
«
2,00%
*
4,00%
|
90,0 f
80,0 ] —
70,0
(U
60,0 I
I
Э
о
f -
I
50 0
—
I •
§ 40,0 4
30,0 -j—
20,0 I
i
10,0 j *
0,0 42i60 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680
Длина волны, нм
Рис. 3.2.19. Пропускание прозрачного красного железокислого пигмента при различных
концентрациях (масс. %) в пересчете на общий состав рецептуры
нентов древесины. Применяются при этом, например окись цинка или специальные фосфатсодержащие смешанно-фазные пигменты, которые были произведены из антикоррозионных пигментов. Примером могут быть здесь кальций/магний-фосфорсиликаты.
Наполнители
Наполнители непосредственное влияют на блеск, устойчивость к атмосферным влияниям и истиранию, на матирование, реологию, оживление окраски,
барьерное (защитное) действие (например, против влажности, газов и частично компонентов древесины), а также на склонность к образованию трещин.
Кроме того, они вносят существенный вклад в качественную и рентабельную
рецептуру ЛКМ. Наполнители получают преимущественно из природных минералов, которые относятся к карбонатам, силикатам, сульфатам и окислам.
Самыми важными представителями являются известковый шпат (кальцит),
мел, доломит, каолин, кварц, тальк, слюда, диатомовая земля (кизельгур) и тяжелый шпат (барит), встречающиеся в природе. Наряду с ними имеются также
наполнители, полученные синтетическим путем, такие как осажденные мел,
барит или силикат. Применение волокнистых наполнителей в особых случаях
может быть рационально. При выборе наполнителя в отношении оптимального распределения пигментов самыми важными критериями являются размеры частиц, распределение частиц по их размерам и форма частиц наполнителя. Наряду с ними, играют роль поверхность, отношение к пленкообразователю, твердость, устойчивость против атмосферных воздействий, чистота,
блеск, оттенок краски и цена.
Кроме того, имеются полимерные наполнители. При этом речь идет о стиролакрилатных дисперсиях, которые имеют пустоты, вначале наполненные водой
и при сушке необратимо заполняемые воздухом, что является причиной дополнительного преломления света. Кроющей способности краски при нане-
286
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
сении мокрым способом они, правда, не способствуют. Из-за очень высокой
температуры стеклования они не образуют пленку. Частично они используются еще в изолирующих (блокирующих) грунтовках, так как способствуют лучшей плотности упаковки.
Матирующие средства
Это, как правило, несовместимые с пленкообразователем вещества, которые придают поверхности после сушки определенную шероховатость или
структуру, создающую эффект матовой поверхности. Вид и количество матирующего вещества определяют степень матирования. В случае пигментированных лакокрасочных покрытий этот эффект может регулироваться составом
наполнителей. Здесь применяются, как и в случае содержащих растворитель
ЛКМ, особенно прозрачных покрытий, тонкодисперсные кремниевые кислоты
(чаще всего, специальной поверхностной обработки, подобранной для применения в водной среде), воска (в виде порошка или эмульсий) или полимерные
порошки, например, на основе поликарбамида. Матирующие средства и особенно кремниевые кислоты могут отрицательно влиять на белесоватость прозрачных покрытий на основе водных пленкообразователей.
3.2.2.4. Добавки
Ди сп ер га торы
Самыми популярными смачивателями и диспергаторами являются соли полиакриловых кислот, неионогенные этоксилаты спиртов жирного ряда и полифосфаты. Избыток диспергаторов отрицательно влияет, к примеру, на водостойкость краски, и может привести к повышенному пенообразованию. Пенообразование представляет собой общую проблему при получении и переработке водных ЛКМ. Виновниками пены могут быть эмульгаторы в дисперсии или используемые добавки, а
также смачиватели и диспергаторы. Кроме того, производные целлюлозы, имеющие ярко выраженные гидрофильные и гидрофобные группы в молекуле, такие как
этилгидроксиэтилцеллюлоза и метилцеллюлоза, являются более сильными пенообразователями, чем некоторые гидрофобные гидроксиэтилцеллюлозы. Для того чтобы придать пленке оптимальное защитное действие и устойчивость к атмосферным воздействиям, особенно при окрашивании древесины пленкообразующими ЛКМ, необходимо иметь по возможности пленку без пенообразования.
Пеногасители
Чтобы минимизировать склонность к пенообразованию, к ЛКМ добавляются пеногасители. Часто таковыми являются комплексные смеси из собственно
действующих веществ, например минеральные масла, силиконовые производные, воски, жирные кислоты, частично из воды как непрерывной фазы, а также
других добавок. Часто пеногасящее действие таких смесей усиливают путем добавления гидрофобных высокодисперсных твердых веществ, например кремниевой кислоты. При передозировке и неправильном выборе пеногасителя это
при покраске может привести к повреждениям поверхности, особенно, в случае
прозрачных систем. Часто, особенно в толстослойных системах, разбрызгиваемых с помощью безвоздушного метода разбрызгивания, применяются некоторые пеногасители или даже деаэраторы, специально для этого разработанные
несколько лет тому назад в качестве комбинированных пеногасителей.
Добавки, влияющие на реологические свойства
Для повышения вязкости и связанных с этим свойств, таких как текучесть,
устойчивость, розлив, технологичность, сопротивление нанесению, стабиль-
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
287
ность при хранении и поведение при осаждении во всех сдвиговых областях,
добавляются загустители. В качестве побочных действий они оказывают влияние на водопоглащение, незащищенное «открытое» время, водостойкость и
блеск. Добавки, влияющие на реологические свойства, могут подразделяться
на три главные группы:
• загустители на основе целлюлозы, полисахаридов или альгинатов и ксантена (дибензопирана);
. синтетические загустители;
• неорганические загустители.
В водных ЛКМ для древесины на основе дисперсий используются синтетические загустители. При этом применяются, главным образом акрилатные и/или
полиуретановые загустители. Среди акрилатных загустителей различают, в зависимости от модификации и действия, следующие типы: ASE (щелочные набухающие эмульсии) и HASE (гидрофобные щелочные набухающие эмульсии) или
HEURASE (акриловые набухающие эмульсии, модифицированные этиленоксидами уретана, модифицированными гидрофобно). Полиуретановые загустители называются также HEUR-типами (гидрофобно модифицированными этиленоксидными уретанами).
С полиакрилатными загустителями типа ASE можно достигнуть такого же
профиля вязкости, как и при соединениях с простыми эфирами целлюлозы. Они сгущают водную фазу и используются, например, для регулирования вязкости в низкой сдвиговой области (low shear Viskositaet). Они часто
влияют на предел текучести. Так, они предотвращают стекание ЛКМ при нанесении толстых слоев. С помощью ассоциативных (сочетательных) загустителей (типы HASE или HEURASE) получают в случае слабопигментированных лакокрасочных систем реологию, подобную лаку. Здесь между полимерными частицами и молекулами загустителя возникает физическое взаимодействие. Акрилатные загустители, как правило, предлагаются в торговле
в виде 30%-ной дисперсии в кислой среде. При добавлении щелочи частицы
сначала набухают, чтобы затем полностью раствориться в щелочной среде и
развить процесс загущения.
Полиуретановые загустители относятся к классу ассоциативных загустителей. Они действуют, в противоположность акрилатным загустителям, в более
широкой области рН. Загущающее действие сильно зависит от системы, и на
него влияют другие составные части рецептуры: растворитель, пленкообразователь и содержание твердого вещества.
Простые эфиры целлюлозы, метил целлюлозы и гидроксиэтил целлюлозы
используются в покрытиях древесины лишь в специальных пигментированных
рецептурах. Первые при этом несколько стабильнее по отношению к ферментативному расщеплению. Простые эфиры целлюлозы остаются растворимыми в готовой пленке, поэтому их доля в ЛКМ для древесины должна быть по
возможности небольшой. Загущающее действие основывается на связывании молекул воды с помощью водородных связей, т.е. загустевает водная фаза. Высокоэффективны загустители на основе альгинатов, полисахаридов или
ксантена, которые вызывают равным образом высокий предел текучести, и их
применяют часто как созагуститель.
Неорганическими загустителями являются слоистые силикаты типа монтмориллонит, такие как бентонит (природный или синтетический силикат алюминия) или гектонит (силикат магния). Их действие как загустителя основывается
288
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
на пространственной ориентации пластинок (слоев). По сравнению с простыми эфирами целлюлозы они лишь слабо влияют на водостойкость. Они применяются, главным образом, как средство против осаждения и одновременно
для увеличения низкой сдвиговой вязкости. Слоистые силикаты, как и акрилатные, и уретановые загустители, не обладают способностью удерживания
воды. Если желательна незначительная тиксотропия ЛКМ, то это может быть
достигнуто путем добавления хелатных комплексов титана. Правда, здесь вынуждены обходиться дисперсиями, стабилизированными простыми эфирами
целлюлозы. Полимерные пленки дисперсий, стабилизированных простыми
эфирами целлюлозы, имеют более сильную белесоватость и, соответственно,
гидрофильность. Дисперсионные ЛКМ из них без добавления загустителей
имеют уже несколько более высокую вязкость в низкой сдвиговой области.
Консерванты (стабилизаторы)
Водные ЛКМ на дисперсионной основе как в жидкой форме, так и в виде высушенных пленок краски, полученной их них, подвергаются постоянному воздействию микроорганизмов: бактерий, грибков или водорослей. Питательной средой служат защитный коллоид, загустители, эмульгаторы и
пеногасители. Поэтому эти продукты нуждаются в защите от поражения микроорганизмами. Лишь при значении рН ЛКМ выше 11 не нужно консервировать. Для консервирования при хранении имеет значение широкий спектр
действия против бактерий и грибков. В торговле имеется большое количество продуктов различной химической основы. В водных ЛКМ применяют,
в основном, производные изотиазолинона.
В последние годы из-за сокращения доли летучих веществ — остаточных
мономеров и растворителей в ЛКМ — и введения более мягких консервантов,
защита от микробиологического поражения становится более проблематичной. При сохранении (консервировании) лакокрасочных покрытий на первый
план выступает противодействие плесневым грибкам и водорослям. Для защиты сухой лакокрасочной пленки часто применяют альгициды и фунгициды
широкого спектра действия. Сегодня в торговой сети есть продукты, которые
мало склонны к вымыванию из-за непогоды и менее проблематичны в отношении маркировки. И то и другое достигается, например, путем «капсулирования» действующих веществ.
Защитные средства для древесины [32]
Так как древесина в условиях действия влажности окружающей среды восприимчива к поражению грибками, то для достижения оптимального защитного действия общего лакокрасочного покрытия в пропиточный грунтовый состав добавляются соответствующие фунгицидные соединения. Эти грунтовые
покрытия должны обеспечивать, согласно DIN 68800, часть 3, или согласно
RAL, защитное действие против синевы и гнили (см. также главу 3.2.2.4 и главу 2.4). В большинстве случаев делаются смеси из пропиконазола и иодпропинилбутилкарбамата.
Действующие вещества должны при этом иметь следующие свойства:
• высокая эффективность и широкий спектр действия против грибков, меняющих цвет древесины и разрушающих ее;
• альгицидное действие;
• по возможности низкая токсичность;
• способность к биологическому расщеплению;
• всемирная регистрация в качестве защитной добавки для древесины.
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
289
Инсектициды добавляются только в особых случаях. При обычных защитных
грунтованиях древесины строительных элементов, таких как окна или обшивка
досками, они, как правило, не применяются.
Светостабилизаторы и защита от УФ-излучения
Лигнин, содержащийся в древесине, а также целлюлозы, под действием УФчасти солнечного света подвергаются вредному воздействию и разрушаются (деполимеризуются). При этом светлые древесные породы темнеют, подвергаясь деструкции. Особенно проблематичным растрескивание и посерение (появление серого оттенка) из-за вымывания водорастворимых продуктов
распада лигнина.
Лигнин имеет максимум абсорбции в УФ-области около 280 нм, целлюлозы, гемицеллюлозы и компоненты древесины поглощают ниже 200 нм, однако, как и другие компоненты древесины, имеют дополнительное поглощение
около 400 нм. Поэтому влияние УФ-защитного фильтра лазури для древесины
очень важно. Чем тоньше слой лазури, тем выше должно быть содержание в
нем УФ-абсорбирующих компонентов. Это особенно справедливо для бесцветных лазурей.
Алкидные смолы обладают определенным поглощающим действием. Акрилаты практически полностью проницаемы для УФ-излучения. Чтобы придать очень
светлым или непигментированным лазурям на основе акрилатных дисперсий
достаточное УФ-защитное действие, добавляютУФ-абсорберы (например бензотриазолы), частично комбинированные со стерически затрудненными аминами, так называемыми HALS-соединениями2 [33]. Частично добавляются также
УФ-абсорбирующие наночастицы диоксида титана или окиси цинка.
HALS-соединения в первую очередь должны замедлять радикальный фотоокислительный распад лигнина. Количество используемого УФ-абсорбера
при этом нужно выбирать таким образом, чтобы поглощались около 95% УФизлучения. В случае непигментированных или светлых лазурей добавляют, как
правило, 1-3 масс. % в пересчете на общую рецептуру. Тем самым создается
хороший компромисс между стоимостью и результатом.
Прочие добавки
Водные ЛКМ на основе алкидных смол содержат, как правило, сиккативы,
настроенные на водные системы, и средства, препятствующие образованию
пленки при хранении. Химическая основа соответствует при этом сиккативам,
применяемым для алкидных смол, содержащих растворители, и средствам,
препятствующим образованию пленки (см. гл. 3.2.1.4). Покрывные ЛКМ содержат добавки восковых эмульсий (с тонким распределением частиц или наночастицами) или специальных силиконов для гидрофобизации, улучшения
стойкости к слипанию и царапанию или достижения специальных поверхностных эффектов (водонепроницаемости, или эффекта «лотоса» (Lotus Effekte).
Для улучшения смачивания древесины водными ЛКМ они содержат чаще всего еще и специальные смачиватели.
3.2.3. Задачи и функция лакокрасочных покрытий для древесины
для наружного применения
Достаточная физическая защита древесины может быть достигнута путем
полупрозрачных пигментированных, УФ-абсорбирующих или кроющих лако2
HALS - Hindered Amine Light Stabilizers; например тетраалкилзамещенные пиперидины.
290
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
красочных систем [34]. Бесцветные покрытия пригодны лишь, если они снабжены УФ-защитными средствами. Если покрытие повреждается, то на поврежденных местах появляются пятна от серого до черного цвета. Лакокрасочные
покрытия для древесины преследуют следующие задачи и функции:
• достижение декоративного эффекта;
• защита от УФ-излучения;
• защита от влаги;
. защита от поражения синевой и плесенью;
• уменьшение набухания и усушки.
3.2.3.1. Лакокрасочные системы для мерных и безразмерных строительных
элементов из древесины
Требования соответствующих стандартов и директив, призванные гарантировать возможно длительный срок службы всех строительных элементов из древесины [35-37], отличаются в зависимости от европейского региона и соответствующих рыночных условий. В Южной Европе, например, часто придают большое значение твердости, соответственно, устойчивости к слипанию и внешнему виду покрытия, например, деревянных окон, что может негативно отразиться
на стойкости к погодным условиям и сроке службы. Проблематичным является также прогрессирующее ухудшение качества древесины (например, меранти или сосна с высокой долей заболони), соответственно, на рынок поступают
новые, дешевые тропические породы деревьев, которые, например, для производства окон, скорее всего, не пригодны. В связи с этим от многих производителей ЛКМ и окон требуется развивать долговечные лакокрасочные системы и
добиваться прочной структуры покрытий.
Породы деревьев и защита древесины
Выбор древесных пород [34], например для производства окон, описывается
в памятках НО 02 и НО 06 [38, 43] (список древесных пород) или в соответствующей таблице в памятке № 18BFS [46], как помощь в ориентации. Применяться
должны профили, лишенные сучьев. Это реализуют с помощью ламинированных или полученных путем соединения на шипах профилей. Необходимо принимать во внимание их пригодность. Множество древесных пород предоставляет материал для почти каждой области применения. Решающее значение,
наряду с механическими свойствами имеет состав древесины и отсюда вытекающие классы устойчивости. Основные стандарты для этого описаны в главе
2.4.2. Если выбираются древесные породы, устойчивость которых недостаточна для соответствующих целей применения, то необходимо сделать профилактическую химическую защиту древесины соответственно DIN 68800-3. Но это
предписано в законе, регулирующем строительство, только для несущих элементов конструкций. Эти средства защиты древесины должны иметь разрешение для использования от строительного надзора института строительной технологии (DIBt). Какая требуется защита древесины, описано в EN 460.
Для не несущих элементов конструкций, например новых окон и наружных
дверей, требуется защита древесины от синевы (В) и разрушающих древесину грибков (Р) согласно DIN 68800-3, если используемые древесные породы не
соответствуют классу прочности (долговечности) 1 или 2, и DIN 68800 согласован между заказчиком и подрядчиком. Это также письменно фиксируется в VOB
для столярных работ. Контроль за синевой производится согласно EN 152.1, за
разрушающими древесину грибками (гнилью) - по EN 113. В случае промыш-
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
291
ленной обработки древесины путем пропитываний достигается глубина проникновения от нескольких микрон до нескольких миллиметров в зависимости от
древесной породы. Пригодность средства защиты древесины может быть показана при этом, например, с помощью знака качества RAL Reichsausschuss fuer
Lieferbedingungen (дословно — Государственный комитет по условиям поставок) объединения по знаку качества (средства защиты древесины).
В Австрии, в отличие от Германии, главным образом требуется защита от
синевы. При этом средство защиты древесины [32] должно быть совместимо с составом последующего лакокрасочного покрытия. Для средств защиты от синевы для заболони сосны глубина проникновения (зона, свободная
от синевы) должна быть более 1,5 мм (EN 152). Это особенно важно для того, чтобы иметь достаточную гарантию против поражения синевой при возникновении высокой влажности. Так, при влажности древесины выше 20%
в случае недостаточной защиты от синевы поражение может усилиться.
Строительные элементы
Выбор покрытия и состава ЛКМ зависит от выбора древесины для строительных элементов и их предполагаемого использования. Так, выбор древесины является важной основой для действенности и долговечности лакокрасочных покрытий. Он создает практическую основу для длительного срока службы
всей конструкции. В зависимости от функции различают следующие различные классы строительных элементов:
•
строительные элементы, пригодность к применению которых не зависит от соблюдения точного допуска на погрешность геометрической формы, называются безразмерными. К ним причисляются заборы, доски для обшивки, соединенные внахлестку, свободностоящие опоры и перголы. Специалисты не единодушны, нужно ли обрабатывать такие строительные элементы диффузионно-открытыми или диффузионно-непроницаемыми лакокрасочными материалами. Покрытия для таких строительных элементов в
случае если они вообще покрываются, должны быть сильно диффузионнопроницаемыми;
•
строительными элементами, к размерам которых предъявляются ограниченные требования, называются строительные элементы, которые для сохранения пригодности нуждаются в более сильной защите от влаги, чем безразмерные. Таковыми являются, например, доски для обшивки, соединенные
по способу паз-шип.
На практике, однако, не всегда возможно четкое разделение этих типов
строительных элементов. Примером могут служить заборы из высокосортного
массива тропической древесины с покрытием, по сравнению, например, с дешевыми заборами из еловой древесины с грунтованием погружением. В первом случае строительный элемент можно отнести к ограниченно мерным, во
втором случае - классифицировать как безразмерный;
.
под мерными строительными элементами, к размерам которых предъявляются особые требования, понимают строительные элементы, которые для
сохранения пригодности к использованию допускают лишь незначительные
изменения в размерах. Для мерных строительных элементов, таких как окна,
действует стандарт DIN 68360, где описаны древесные породы, используемые
для точных по размеру строительных деталей. Точные по размеру строительные элементы нуждаются в особенной защите от влаги.
292
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Таблица 3.2.4. Классы строительных элементов и примеры строительных элементов
мерных, ограниченно мерных и безразмерных
Классы строительных элементов
Изменение в размерах
древесины
Типичные примеры классов
строительных элементов
К размеру не предъ- Неограниченное
являются требования
Доски для обшивки, соединенные внахлест, заборы,
садовый сарай (навес)
К размеру предъявляются ограниченные требования
Допускается
в ограниченном размере
Доски для обшивки, соединенные способом паз-шип, деревянные дома, садовая мебель
К размеру предъявляются требования
Допускается в очень
незначительном размере
Строительные элементы,
включая окна и двери
Требования к лакокрасочным покрытиям
Специфические требования к лакокрасочным покрытиям для мерных строительных элементов [39-42, 44, 45], таких как деревянные окна и двери, есть
в директивах Института оконных технологий (названных Розенхаймскими директивами) и в директивах Союза производителей окон и фасадов (VFF), например, в памятках НО 01 и НО 03 или общественной организации «За деревянные окна» (Initiative ProHolzfenster), которые были разработаны институтом имени Вильгельма Клаудитца (Фраунхофский институт исследования
древесины, Брауншвейг). Существенные составные части каталога требований к лакокрасочным покрытиям для древесины для наружного применения
описывает новый стандарт EN 927, части 1-8, а также OeNORM C-2350. Дополнительно были также разработаны в 2003 г. рекомендации [54] для заводской окончательной обработки окон и наружных дверей из дерева инициативной группой общественной организации «За деревянные окна». Наряду с этим были введены знаки качества RAL для деревянных окон, чтобы
улучшить и гарантировать их качество. Памятка BFS № 18 «Покрытия на наружных деревянных строительных элементах, к размерам которых предъявляются определенные требования, в частности, окна и наружные двери», дает указания к применению со спецификациями для малярных работ, в особенности, для ремонта.
Влияние климата
Прочность и защитное действие лакокрасочных покрытий древесины зависят от интенсивности нагрузки из-за различных климатических зон. В Средней
Европе исходят из того, что атмосферные нагрузки на северной стороне зданий меньше, чем на южной стороне, на так называемой наветренной стороне. При этом играет роль также конструкция объекта и исходящее от нее возможное защитное действие. Эти точки зрения учитываются также в стандарте
DIN EN 927-1, а выбор лакокрасочных покрытий для древесины распределяется по 3 группам требований, которые приведены в табл. 3.2.4. В стандарте
DIN EN 927-1 было упрощенно дано определение трем климатическим состояниям; при этом также учитывались конструктивные параметры.
Защита от влажности и толщина слоя
Одной из важнейших задач лакокрасочной системы является достаточная
защита конструкции от проникновения воды в жидком или в парообразном виде. В связи с этим должна быть обеспечена неизменность размеров деталей
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
293
Таблица 3.2.5. DIN EN 927-1. Классификация по группам требований
Конструкция
Климатические условия
Умеренные
Суровые (жесткие)
Экстремальные
Защищенная
слабое
слабое
среднее
Частично защищенная
слабое
среднее
сильное
Незащищенная
среднее
сильное
сильное
Таблица 3.2.6. DIN EN 927-2. Предельные значения для критериев оценки «Размещение
на открытом воздухе и поглощение воды»
Строительный элемент, к размеру которого предъявляются требования
Строительный элемент, к размеру которого предъявляются ограниченные
требования
Строительный элемент, к размеру которого не предъявляются требования
Образование пузырей
0,3
0,7
1
Образование трещин
0,7
1,7
3
Отслаивание
0,3
0,7
1,3
Прочность сцепления
0,7
1,7
2,7
Максимальная суммарная величина
6
12
18
Максимальная разность для того, чтобы
проверка была действительной
2
3
4
Значение поглощения
воды по стандарту
EN 927-5-2000
< 175 г/м2
< 250 г/м2
нет предельного
значения
из древесных пород, стойких к увлажнению. Скрытое увлажнение выше 20%
и связанный с ним риск поражения грибками должны быть исключены. Для
этого проводилось множество исследований. Вода в жидком виде, как правило, хорошо задерживается покрытием. При этом имеет значение, с одной стороны, основное свойство пленкообразователя, с другой — состав рецептуры,
определяющий водопоглощение и диффузию паров воды для Л КМ. Метод испытаний и подробные характеристические величины описаны в стандарте DIN
EN 927 части 4 и 5. В табл. 3.2.5 приведены действующие в данный момент
предельные значения.
Значение поглощения воды указывается при этом, как правило, в г/м 2 . Для
диффузии паров воды может быть указана проницаемость паров воды как величина в кг/м 2 после 14 дней испытаний (WD 14) согласно DIN 927-4A или, например, коэффициент сопротивления диффузии \х или л и рассчитанная из него эквивалентная толщина слоя Sd3 в м (см. также DIN 52615). Наряду с соста3
Значение Sd - значение ц • толщина слоя в м.
294
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
вом ЛКМ на толщину высохшей пленки сильно влияет воздействие влаги. Для
хорошей защиты от влаги (в особенности на ребрах) важна необходимая толщина пленки покрытия. При этом нужно обращать внимание на достаточное
скругление ребер (радиус округления г > 2 мм) и по возможности избегать воздушных включений в пленку (более низкая толщина высохшей пленки на воздушной пробке).
Для деревянных окон важно, чтобы проницаемость паров воды с внутренней стороны была не выше, чем с внешней. Это позволит избежать опасности
увлажнения и образования пузырей на внешней стороне окна. При использовании систем, содержащих растворитель, в отличие от водных систем не возникает вообще никаких проблем. Однако хорошее защитное действие алкидных систем в результате атмосферного воздействия снижается вследствие
их разрушения, вызывая растрескивание и отслаивание. Водные системы на
основе акрилатных дисперсий эластичны более длительное время. Изначально ярко выраженная гидрофильность в результате атмосферного воздействия
также снижается из-за вымывания гидрофильных компонентов (эмульгаторов, диспергаторов и т.д.).
Влажность также влияет на адгезию. Для хорошей защиты от атмосферных
влияний и влажности необходима хорошая адгезия во влажных условиях: минимизируются риски образования пузырей и отслаивания. На эту тему имеется множество исследований [37, 39, 48, 49]. Благодаря модификации полимеров, например путем встраивания промоторов адгезии во влажных условиях,
в случае акрилатных дисперсий и благодаря относительно малым размерам
частиц этот недостаток водных систем мог бы быть почти компенсирован. Современные водные системы обеспечивают лучшую и более длительную защиту от влажности, чем классические алкидные материалы.
Важным для действенности лакокрасочного состава и в особенности защиты
от влажности является толщина общего слоя. Для строительных элементов, к
размерам которых не предъявляются требования или предъявляются ограниченно, нужна меньшая толщина слоя, чем для мерных строительных элементов. Так, для последних, как правило, требуется от 3-х до 4-х слоев лакокрасочных покрытий. Для безразмерных или ограниченно мерных строительных
элементов чаще всего достаточно двухслойного покрытия. В этой связи были
определены толщины высушенных слоев покрытий окон и дверей домов при
обработке в заводских условиях [32].
Однако слои должны быть не толще 150 мкм, для того чтобы проникшая влага могла диффундировать наружу. Это должно способствовать тому, чтобы
влажность древесины не была выше 20% (риск поражения синевой с последующими проблемами).
Во многих сравнительных испытаниях было показано, что поглощение воды
в жидком виде сквозь покрытие и адгезия в условиях влажности являются решающими критериями, особенно для водных лакокрасочных систем, применяемых сегодня. Для этого европейскими научно-исследовательскими институтами в рамках проекта AIR (1994-1998) были проверены различные лакокрасочные системы. Среди них были обедненные органическими растворителями лакокрасочные системы, т. е. материалы на водной основе. Лучшие результаты показали системы на основе акрилатных дисперсий и гибридные алкидакриловые системы покрытий. Благодаря этому была доказана годность к при-
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
295
Таблица 3.2.7. Минимальные толщины высушенных слоев покрытий для окон
и наружных дверей
Кроющее
покрытие
Прозрачное
покрытие
Предварительно покрашенные окна до монтажа
для заключительной покраски на объекте
мин.50 мкм
мин. 50 мкм
Наружные оконные и дверные рамы, заключительная часть строительных работ
мин.50 мкм
мин.50 мкм
Скрытые поверхности, напр., фальц для установки
стеклопакета
мин. 30 мкм
мин.30 мкм
Створки окон и дверей, наружные оконные
и дверные рамы
мин. 100 мкм
мин. 80 мкм
Таблица 3.2.8. Распределение лакокрасочных покрытий по заполнению (толщине слоя)
согласно EN 927
Кроющее
Лессирующее
Промежуточно окрашенные окна для строительства с окончательной окраской на объекте
Минимум 50 мкм
Минимум 50 мкм
Наружные оконные рамы, включенные
в строительные конструкции
Минимум 50 мкм
Минимум 50 мкм
Скрытые поверхности, например,
пазы для стекол
Минимум 30 мкм
Минимум 30 мкм
Створки, наружные рамы
Минимум 100 мкм
Минимум 80 мкм
менению водных систем. В стандарте EN 927 ЛКМ распределяются по классам
с учетом заполнения (толщины слоя) как представлено в табл. 3.2.8.
Отсюда явствует, что только лакокрасочные покрытия с высокой полнотой
заполнения, т.е. с большой толщиной слоя пленки, выполняют требования к
промышленному окрашиванию окон в соответствии с Розенхаймским стандартом для деревянных окон. Эти толщины слоя письменно зафиксированы
в новых памятках VFF, однако только для индустриального применения, так
как в случае малярных работ эти толщины слоев, например для деревянных
окон, могут быть достигнуты лишь путем несоизмеримо высоких затрат, соответственно, лакокрасочные системы на основе других реологических характеристик для этого практически не пригодны. Вообще, необходимо отметить,
что порода древесины, как правило, более сильно влияет на поведение строительного элемента по отношению к влажности, чем покрытие.
Цвет лакокрасочного покрытия
При объявлении конкурса на строительство здания, определяют цвет покрытия поверхности. При этом выбор технически правильной древесины, например, для деревянных окон, связан с нагреванием поверхности вследствие солнечной инсоляции, вызванной цветом ЛКМ. И то и другое должно быть согласованно, чтобы гарантировать длительный срок жизни строительной детали
{подробно см. Розенхаймскую таблицу). Очень темные лакокрасочные покры-
296
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
тия могут достигнуть температур поверхности около 80°С. Древесина, вся конструкция и клеевые соединения испытывают более сильную нагрузку. При этом
для таких темных лакокрасочных покрытий у менее пригодных древесных пород
(например, сосны) возможны выделения смолы и растрескивания. Внешние нагревающиеся зоны древесины высыхают быстрее, чем части, расположенные
внутри. Из-за недостаточной защиты от влажности (например, слишком тонкое
покрытие) эти колебания влажности в древесине практически не могут быть
предотвращены, что приводит к напряжениям и дальнейшему поверхностному
растрескиванию. Иными словами, это приводит к усилению поглощения влаги
и повреждения всей лакокрасочной системы. Светлые тона окрашивания лазурями имеют, как правило, из-за худшей защиты отУФ-излучения, более короткий срок службы и более короткие интервалы профилактических осмотров (см.
также памятку Института оконной технологии <</ft»[39]).
Переработка, обработка древесины и подготовительная работа
(соединение деталей рамы)
Условием существования устойчивого лакокрасочного покрытия с долговременными эксплуатационными характеристиками является надлежащая обработка древесины перед окраской. Для деревянных окон условия качества и
проверки изложены в RAL-RG 424/1. При этом обработка профилей деревянных окон происходит строганием (прецизионным строганием). Необходимо
отметить, что мелкие древесные волокна не полностью отделяются шлифованием. Это возможно лишь после пропитывания и последующего промежуточного шлифования. Исправленные древесные повреждения (например, штырь)
должны соответствовать требованиям EN 942. Все соединения деталей рамы должны быть склеены в соответствии с классом требования D 3 по EN 204
и загерметизированы (см. также «Ift»-директиву «Склеивание на деревянных
окнах», ч. 2: Угловые соединения деталей рамы). С этим связано обеспечение
температурной стабильности путем проверки по prEN 14257 (WATT-91).
Бесцветные пропитывающие составы древесины
Пропитывающие составы для древесины для наружного применения, приспособленные к данной древесной породе, наносятся в качестве первичной обработки поверхности. Для всех древесных пород, которые классифицируются согласно стандарту DIN 68364 не в классы устойчивости 1 и 2, достаточно пропитки против синевы и поражения грибками по DIN 68800, часть 3. Эффективность
следует подтверждать и обосновывать согласно документам EN 152.1 и EN 113
и путем предоставления знака качества RAL GZ-830. Это справедливо для деревянных окон, подвергающихся воздействию атмосферы. Деревянные окна с
алюминиевой накладкой не нуждаются в такой защите: в этом случае они достаточно защиты от синевы. Эти низковязкие, пропитывающие, непигментированные составы имеют незначительное содержание нелетучих веществ (от 3 до
10 вес. %) и содержат, как уже выше описано, добавки, действующие против
грибков синевы и гнили в случае неустойчивых пород древесины. Они должны
по возможности хорошо проникать в древесину, чтобы действующие вещества,
такие как фунгициды или средства гидрофобизации, могли хорошо проникать
в древесную матрицу и упрочнять ее. При этом наряду с действующими веществами, защищающими древесину, они могут содержать в специальных составах также добавки альгицидов и фунгицидов для защиты пленки.
На этой стадии древесные волокна становятся хорошо связанными, для того чтобы в процессе последующего шлифования поверхность древесины мог-
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
297
ла быть оптимально выровнена после нанесения грунтовки или промежуточного лакокрасочного покрытия. Пропитки применяются как перед нанесением
бесцветных или прозрачных, так и кроющих пигментированных лакокрасочных
составов. Правда, следует обратить внимание на то, чтобы поверхность древесины после высушивания грунтовки, например, при применении водоотталкивающих добавок, не стала слишком гидрофобной для использовании в дальнейшем водных ЛКМ и дело не дошло до проблем с адгезией с последующими
проблемами (например, отслаиванием). Наносятся пропитывающие составы,
как правило, методами погружения, облива или опрыскивания. Следует обратить внимание на соблюдение минимальной продолжительности сушки после
нанесения грунтовки, указанной производителями ЛКМ. Различают содержащие растворитель и водные пропитывающие составы.
Пропитывающие составы, содержащие растворитель
Содержащие растворитель грунтовки обладают очень хорошей проникающей способностью. Препятствующие развитию грибков или действующие как
фунгицид вещества также очень хорошо растворяются в грунтовочных составах, из которых при последующем нанесении успешно диффундируют в древесную матрицу. Они обязаны иметь вышеназванные разрешения к использованию. В качестве пленкообразователя, как правило, грунтовки содержат
средние или жирные алкидные смолы и частично модифицированное льняное
масло. В качестве фунгицидного действующего вещества применяются, главным образом, действующие вещества, приведенные в разделе 3.2.2.4. Рецептура в схематическом виде представлена на рис.3.2.20.
Водные пропитывающие составы
Они обладают несколько худшей проникающей способностью, чем пропитывающие составы, содержащие растворитель. Однако в настоящее время
способность к проникновению, особенно, со специальными пленкообразователями, достаточна, чтобы удовлетворять требованиям соответствующих
разрешающих проверок. Действующие вещества при этом добавляются в виде водного раствора или в эмульгированном виде. Существует возможность
эмульгировать действующие вещества из растворителя. Действующие вещества аналогичны органическим соединениям, упомянутым в разделе 3.2.2.4.
В качестве пленкообразователей применяются тонкодисперсные, не слишком твердые акрилатные дисперсии, также известные как гидрозоли (средний
размер частиц около 50 нм), водные алкидные смолы в виде раствора в воде
или эмульсии. Часто используют композиции из гидрозолей и эмульсий алкидных смол (гибридные системы). При этом эмульсии алкидных смол увлажняют древесную грунтовку несколько лучше, чем гидрозоли, и помогают проникновению действующих веществ и пропитыванию. Пример рецептуры представлен на рис.3.2.21.
Полупрозрачные пигментированные или укрывистые пигментированные
грунтовки с фунгицидными свойствами и без них
Грунтовка должна, кроме окрашивания, образовывать сильные связи с древесными волокнами, для того чтобы поверхность древесины могла быть оптимально выровнена в процессе заключительного шлифования. В особых случаях она может содержать, в качестве средства защиты древесины фунгицидные
добавки против синевы (контролируется по EN 152.1). Часто также применяются биоциды, но в качестве защиты пленки покрытия. Такие рецептуры имеют несколько большее содержание твердого вещества. Нелетучая доля непиг-
298
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Состав
Алкидная смола, жирная или средняя, 100%'
Комбинированный сиккатив (Со, Zr, Са)
Этилдигликоль или Дованол DPM
Деароматизированные углеводороды 180-200
Защитное средство для древесины (биоцид)
Всего
Массовая доля
60,0
5
100
815-775
20-60
Около 1000
1
Например, Worleekyd L 7904 {Производитель: Worlee), содержание твердого вещества около 6%.
Рис. 3.2.20. Рецептура содержащих растворитель непигментированных пропитывающих
составов в схематическом виде
Состав
Акрилатная дисперсия, тонкодисперсная, около 34%'
Массовая доля
295
Смачиватель AMP 90
2
Смачиватель субстрата/вода ( 1 : 9)
5
Пеногаситель
2
Вода
Консервант (стабилизатор)
Защитное средство для древесины (Биоцид)
Бутил гликоль
Всего
644-674
2
4-20
50
Около 1000
Пропитывающие свойства могут быть еще улучшены при добавлении водоразбавляемых алкидных
смол, таких как ResydroL AY 586 W 45WA (производитель Fa. Cytec).
1
Например, Mowilith LDM 7667 (Производитель Celanese Emulsions GmbH).
Рис. 3.2.21. Рецептура водных пропитывающих составов в схематическом виде
ментированных или полупрозрачных грунтовок чаще всего составляет от 10 до
18%, а укрывистых пигментированных грунтовок - от 25 до 3 5 % .
В большинстве случаев грунтовки уже содержат пигменты. При этом грунтовки должны, с одной стороны, выравнивать поглотительную (абсорбционную) способность древесины для завершающих лакокрасочных слоев а, с другой — придавать древесине определенный оттенок цвета. Это справедливо
в особенности для прозрачных грунтовок. Оттенок цвета грунтовки согласуется с позже нанесенной кроющей лакокрасочной с и с т е м о й . Путем выравнивающего действия избегают неравномерного окрашивания строительного элемента, особенно, в случае полупрозрачных оттенков цвета. Так, в случае лазурей грунтовка уже привносит определенную защиту от УФ-излучения.
Она должна также способствовать хорошей прочности сцепления всего Л К М с
древесиной, чтобы минимизировать опасность отслаивания. Она должна быть
высушена и отшлифована по возможности быстро. При известных условиях
шлифование возможно после нанесения последующего промежуточного лакокрасочного покрытия, чтобы избежать чрезмерного заглубления при шли-
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Состав
Массовая доля
180
1
Алкидная смола, жирная, ЮСУо
2
или средняя с жирностью до 80% в ShelLsoL RD
Комбинированный сиккатив (Со, Zr, Ca)
Антиоксидант (предотвращение образования пленки)
Дованол DMP
Деароматизированные углеводороды 180-220
Пленочная защита, необязательно
Всего
299
225
около 15
2
10
793-748
3
Около 1000
1
Например, Worleekyd Т 7313 (Производитель Worlee).
Например, Vialkyd AS 754/80 SD 60 (Производитель Cytec).
При необходимости к грунтовке добавляют средство для защиты древесины (биоцид) - в зависимости от требований.
Рис. 3.2.22. Рецептура для прозрачных грунтовок, содержащих растворитель,
в схематическом виде
2
фовании. В последующем нанесенные покрытия не должны вести к подъему
волокон древесины. Правда, используемый пленкообразователь в грунтовке
не должен быть слишком твердым, во избежание появления трещин при атмосферном воздействии.
Как правило, грунтовки наносятся также методами погружения и облива.
Различают содержащие растворитель и водные составы. Следует отметить,
что водные грунтовки также имеют более важное значение. В зависимости от
региона в Европе и философии производителя грунтовки создаются на основе
водных алкидных смол или только на основе акрилатных дисперсий. Водные
алкидные смолы могут способствовать улучшению смачивания на определенных породах древесины и улучшению адгезии или поддерживанию изолирующего (запирающего) действия против компонентов древесины.
Грунтовки, содержащие растворитель
Эти грунтовки составлены на основе алкидных смол. В зависимости от применения полупрозрачного или кроющего состава они являются прозрачными
или укрывистыми, а пигментируются в большинстве случаев белым пигментом. В случае полупрозрачного состава грунтовка уже окрашена в тон последующего состава лака.
Водные грунтовки
Водные грунтовки содержат акрилатные или стирольно-акрилатные дисперсии или водные алкидные смолы, частично в виде композиций. В случае прозрачных грунтовок применяются акрилатные дисперсии, водные алкидные
смолы или комбинации из обоих пленкообразователей.
Для укрывистых белых пигментированных грунтовок используются акрилатные, стирольно-акрилатные дисперсии и также водные алкидные смолы. Так
как здесь требуется изолирующее действие против ингредиентов древесины,
пример рецепта обсуждается отдельно в следующей главе.
300
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Состав
Массовая доля
Акрилатная дисперсия, тонкодисперсная (50 нм) около 34%'
294
Смачиватель AMP 90
2
Смачиватель субстрата/вода ( 1 : 9)
5
Пеногаситель
2
Консервант
2
Вода
Защита пленки (не обязательно)
Всего
692
3
1000
1
Например Mowilith LDM 7667 (Производитель Celanese Emulsions GmbH) Грунтовка может содержать
вместо тонкодисперсной, обычную акрилатную дисперсию (с содержанием твердого вещества 50%),
например Mowilith LDM 7714. В состав может входить защитное средство для древесины (биоцид) или
препараты окиси железа для прозрачной окраски.
Рис. 3.2.23. Рецептура для водных прозрачных грунтовок в схематическом виде
Пигментированные грунтовки с запирающей функцией против
ингредиентов древесины (изолирующая грунтовка)
При нанесении водных светлоокрашенных укрывистых ЛКМ на содержащих
танин или насыщенных другими ингредиентами древесину (например, мербау, можжевельник, лиственница) в большинстве случаев требуется применение специальных белых грунтовок.
Такие грунтовки применяются на дубе или на хвойных породах, содержащих
смолу, таких как сосна (особенные затруднения доставляют сучки в древесине). Без применения изолирующих грунтовок на таких древесных породах, содержащих смолу или танин, происходит более или менее сильное изменение
цвета водного покрывного лака.
До сих пор нет удовлетворительных рецептур водных покрывных лаков, позволяющих отказаться от изолирующих грунтовок. Изменения цвета могут появиться через короткое время после окрашивания или после определенного
времени выдержки на воздухе. Часто эти изменения цвета проявляются в виде
полос или точек, т.е. неравномерно. Причинами являются водорастворимые
танины или смоляные кислоты, которые могут выступать на поверхности, особенно, в щелочной среде. Изолирующая грунтовка должна прочно зафиксировать эти ингредиенты и тем самым помочь избежать их проступания и миграции в покрытие водного отделочного лака.
Ранее для этой цели использовались исключительно содержащие растворитель грунтовки на основе полимеризационных или алкидных смол. Однако, изза проблем для окружающей среды они применяются в настоящее время все
меньше. Вследствие их гидрофобного действия и их характера (раствор смолы) они практически запирали и блокировали ингредиенты древесины. Это
справедливо также для содержащих растворитель составов покрывного лака
на основе алкидных смол, которые без изолирующей грунтовки обладают достаточным блокирующим действием.
Для водных изолирующих грунтовок, используемых в настоящее время возрастающими темпами, внедряются специальные водные полимерные дис-
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
301
Персии, например акрилатные и стирольно-акрилатные дисперсии, частично
в комбинациях с другими пленкообразователями, например, с водными алкидными смолами. При этом полимерные дисперсии должны иметь хорошую
водостойкость. Далее, они обладают специальной технологией отверждения,
по которой ингредиенты древесины по возможности прочно связываются в
комплексы или отверждаются и тем самым изолируются. Важным при разработке рецептуры является:
. выбор подходящего пленкообразователя, его количества (объемная концентрация пигмента не слишком высокая);
• выбор пигмента (обработка поверхности диоксида титана, при необходимости, функциональными пигментами);
• состав наполнителя (по возможности плотная упаковка, частично чешуйчатые наполнители);
• количества и типы диспергаторов и загустителей;
• типы растворителей.
В общем, здесь нужно обратить внимание по возможности на гидрофобные
рецептуры. Содержание твердого вещества грунтовки должно быть не слишком низким, чаще всего от 50 до 60%.
Если в рецептуре грунтовки используется окись цинка, следует учитывать, что этот пигмент должен быть предварительно очень хорошо стабилизирован или нейтрализован, для того чтобы не иметь проблем с совместимостью (например, загустевание во время хранения) с полимерной дисперсией. Изолирующая грунтовка может содержать специальные альгициды и фунгициды для защиты пленки, чтобы последующему лакокрасочному составу также придать достаточную пленочную защиту и тем самым минимизировать риск изменения в худшую сторону поверхности при атмосферном воздействии, вызванного возможным обрастанием водорослями
и грибками.
Промежуточные лакокрасочные покрытия
При промышленной окраске, в особенности, в производстве окон с использованием высококачественных лакокрасочных составов, которые являются гарантией длительного срока службы всей оконной конструкции, включая покрытие, в зависимости от породы древесины и применения, как правило, используются так называемые промежуточные лакокрасочные покрытия. Они имеют
несколько большее содержание твердого вещества (для прозрачных, как правило, между 20 и 30%, кроющих пигментированных — между 30 и 40%), чем
грунтовки, и часто уже содержат пленкообразователь покровного лака. Вместе с этим дефекты в древесине, которые были не полностью закрыты грунтовкой, должны быть заделаны, чтобы тем самым обеспечить адгезию или водонепроницаемость всей конструкции.
Промежуточное лакокрасочное покрытие выполняет главным образом три
функции:
« в случае лазури (полупрозрачной краски) выбирается бесцветное или
слабопигментированное промежуточное лакокрасочное покрытие.
Тем самым при легкой шлифовке предотвращается чрезмерное заглубление при шлифовании грунтовки (придание главного оттенка цвета);
• затраты на шлифование заметно снижаются;
• в случае пористых пород древесины достигается хорошее заполнение пор,
в случае хвойных пород - формирование удовлетворительного слоя лако-
302
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Состав
Массовая доля
Акрилатная или стирол-акрилатная дисперсия со степенью полимеризации около 48%'
650
72
Вода
Сшивающее средство/диспергатор
2
Окись титана
3
125
Загуститель (ПУ-загуститель)
2
Пеногаситель
3
Карбонат кальция 2 мкм
Консервант
Растворитель
125
2
18
1000
Всего
Например, Mowilith LDM 6150 (Производитель Celanese Emulsions GmbH).
2
Например, Kronos 2059 (Производитель: Kronos).
Рецептура может содержать еще защиту для пленки и в зависимости от типа дисперсии окись цинка.
Рис. 3.2.24. Рецептура водной пигментированной грунтовки с изолирующей функцией
против ингредиентов древесины в схематическом виде
1
красочной пленки в торцовой области древесины, в области V-образной
кромки, углового соединения и соединительного элемента поперечника.
Частично применяются в качестве промежуточных лакокрасочных покрытий кроющие материалы, нанесенные тонким слоем. Промежуточные лакокрасочные покрытия для прозрачных систем также могут быть непигментированными.
Светлые, полупрозрачные пигментированные или укрывистые
пигментированные покрывные лакокрасочные материалы
Слои отделочных Л КМ являются практически щитом от непогоды. Они также называются покрытиями, защищающими от непогоды. При этом покрытие
должно воспрепятствовать тому, чтобы дождевая вода слишком быстро поглощалась древесиной, чтобы влажность древесины слишком быстро выравнивалась с влажностью окружающей среды и чтобы разрушающий УФ-свет попадал на древесину. В зависимости от расположения строительного элемента
более или менее сильной нагрузке со стороны погодных условий. Различаются светлые лаки, прозрачные лакокрасочные системы (лазури) и кроющие пигментированные. Защищающие от непогоды краски, относящиеся к малярным
работам, здесь не обсуждаются. Кроме технических требований, покрытиям,
защищающим от непогоды, присуща также декоративная функция. Для отделочных ЛКМ предъявляются следующие требования:
• хорошая устойчивость к атмосферным явлениям;
• достаточная эластичность (также при градобитии) и хорошая длительная
эластичность (отсутствие хрупкости);
• хорошая исходная адгезия и адгезия во влажных условиях (также по старому покрытию, например, по старому алкидному покрытию);
• хорошая водостойкость (незначительная набухаемость, незначительная
белесоватость в случае прозрачных систем);
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
303
• достаточная паропроницаемость;
. хорошая устойчивость к слипанию (для строительных элементов, к размерам которых предъявляются требования, например, створки рам);
• безопасность для окружающей среды (выполнение соответствующих директив);
• длительная защита от УФ-излучения путем воспрепятствования деструкции лигнина;
• защита от разрушающих грибков (поддержание влажности древесины на
уровне ниже 20%);
. совместимость с уплотнительными материалами и профилями;
• устойчивость к средствам для химической очистки (спиртсодержащим) и
к чистке (устойчивость к щелочи);
• однородная, по возможности без микроскопической пены структура слоя
пленки;
. широкая цветовая гамма краски;
. легкая восстанавливаемость (ремонтопригодность);
. благоприятные технологические свойства (например, незначительное
стекание с вертикальной поверхности, нанесение краски без пены);
. выполнение действующих директив и предписаний конечным пользователем (в отношении, например, деревянных окон).
Светлые или полупрозрачные покровные лакокрасочные материалы
(лазури для древесины)
Под ними понимают непигментированные, прозрачные или полупрозрачные
лакокрасочные покрытия для древесины. В качестве пигментов они содержат
прозрачные, чаще всего, тонкодисперсные пигменты. Лазурь должна подчеркивать текстуру и внешний вид древесины, а также иметь хорошую защитную
функцию от атмосферных воздействий. Количество пигментов выбирается таким образом, чтобы, с одной стороны, еще можно было различить структуру
древесины, а с другой — была бы достаточная защита от УФ-излучения (в том
числе и за счет использования светостабилизаторов). На практике возможно возникновение проблем, если выбирают, исходя из аспекта внешнего вида, более светлые, очень слабопигментированные или бесцветные лазури для
древесины. Если лазурь имеет недостаточную УФ-абсорбцию, то древесина,
лежащая под ней, атакуется и разрушается.
Для прозрачных слабопигментированныхлазурей для древесины, как правило, используется тонкодисперсная микронизированая окись железа. Для светлых лазурей необходимо добавление УФ-абсорберов (см. также гл. 3.2.2.3 и
3.2.2.4.). Лазури для древесины в зависимости от содержания твердого вещества можно разделить на тонкопленочные и толстопленочные.
Новая памятка BFS, № 18 проводит различия между пропитывающими лазурями (толщина слоя покрытия в сухом виде < 5 мкм) и пленкообразующими
(толщина слоя покрытия в сухом виде > 5 мкм).
Тонкопленочные лазури
Тонкопленочные лазури имеют низкое содержание твердого вещества и низкую вязкость. Как правило, наносятся толщины слоев в сухом виде около 25
мкм. Они не годятся в качестве заключительного покрытия для строительных
элементов, к размерам которых предъявляются требования, так как они изза незначительной толщины пленки они предоставляют недостаточную защиту от влажности. Они проникают глубже в древесину, чем толстопленочные ла-
304
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Таблица 3.2.9. Состав лазурей для древесины в схематическом виде
Состав
Тонкослойная лазурь
Толстослойная лазурь
Основное вещество масс. % Основное вещество масс. %
Пленкообразователь, твердый
10-20
25-45
Растворители
0-10
0-10
Пигмент(прозрачный)
0-3
0-3
УФ абсорбер
0-3
0-3
0,5-3
0,5-5
60-80
35-65
<30
30-60
Аддитивы
1
Вода
Содержание твердых веществ
1
Загустители, добавки улучшающие розлив и смачивающие субстрат вещества, при необходимости
средства защиты пленки, матирующие вещвства, пеногасители, восковые эмульсии и т. п.
зури. Используются они, например, для заборов. А потому они предназначены
преимущественно для малярных работ. В зависимости от назначения они могут содержать средства защиты древесины.
Тонкопленочные лазури, содержащие растворитель
Применяются алкидные смолы, в настоящее время преимущественно смолы
с высоким содержанием нелетучих веществ (High-Solid). Они часто содержат
также средства защиты древесины. Такие лазури менее пригодны для промышленного применения. Они, как и все лазури, лаки и краски, находятся в
ведении Директивы VOC 2004/42/EG и должны содержать лишь определенный
процент растворителей.
Водные тонкопленочные лазури
В этих лазурях в качестве пленкообразователя используются преимущественно тонкодисперсные акрилатные дисперсии, а также водные алкидные
смолы или комбинации из них. При использовании тонкодисперсных акрилатных дисперсий говорят также о пропиточной лазури. Они тоже не применяются в промышленности. Подробнее обсуждаются толстопленочные лазури,
так как они имеют значение для промышленного применения на строительных
элементах, к размерам которых предъявляются определенные требования.
Толстопленочные лазури
Толстопленочные лазури имеют высокое содержание пленкообразователя.
Они также ориентированы на более высокую вязкость, чтобы при промышленных методах нанесения (чаще всего, методом безвоздушного распыления) можно было достигнуть толщины мокрой пленки минимум 300 мкм. Применяются они главным образом на таких строительных элементах, как двери
и окна, к размерам которых предъявляются определенные требования. Поэтому для лазурей является необходимой толщина высушенных пленок минимум 80 мкм, для кроющих систем — 100 мкм (Розенхаймские директивы,
памятки НО), что возможно только при толстослойном нанесении покрытия
методом распыления.
Толстопленочные лазури, содержащие растворитель
В промышленности толстопленочные лазури, содержащие растворитель,
играют незначительную роль. Исходя из этого, подробно не останавливаемся
на деталях рецептуры.
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
305
Водные толстопленочные лазури
Водные толстопленочные лазури на основе акрилатных дисперсий обладают
хорошей защитой от влажности. Но из-за более высокой вязкости они проникают в древесину менее глубоко и при нанесении краски прямо на древесину
могут обнаружить проблемы с адгезией. Поэтому перед нанесением толстопленочной лазури всегда должна быть нанесена грунтовка. Для обеспечения
достаточного запаса адгезионной прочности в толстопленочных лазурях используются дисперсии со встроенными в полимерный скелет компонентами,
улучшающие адгезию (например, промоторы для адгезии во влажных условиях) [49]. Это особенно важно при ремонте и восстановлении покрытия, для того чтобы была гарантирована хорошая адгезия, например, на старом алкидном покрытии.
Для промышленного использования важна хорошая устойчивость к слипанию или ранняя устойчивость к слипанию лазури. По этой причине применяются, как правило, акрилатные дисперсии с многофазной полимерной структурой (Core-Shell-дисперсии). Также используются комбинации таких дисперсий с водными полиуретановыми дисперсиями (частично в химически связанном виде) или с водными алкидными смолами. В отдельных случаях применяются дисперсии с однофазной полимерной структурой (гомогенные дисперсии) или комбинированные (например, при обновлении поверхности покрытия). Для того чтобы толстопленочные лазури имели хорошую адгезию,
они должны, в отличие от тонкопленочных лазурей, иметь хорошую эластичность, чтобы адекватно реагировать на возникающие напряжения и расширения в древесине при атмосферном воздействии. Это особенно важно для
достаточной стойкости против градобития. Использование слишком твердых
или слишком неэластичных акрилатных дисперсий может привести к образованию трещин, особенно в углах и на ребрах, или к трещинам при градобитии.
В случае гетерогенных дисперсий нужно искать компромисс между эластичностью и устойчивостью к слипанию. Современные акрилатные дисперсии обладают такими свойствами.
Значение MFT используемых гетерогенных дисперсий находится по возможности низко (чаще всего ниже 10°С), чтобы можно было ввести вспомогательные добавки для пленкообразования, которые могут негативно повлиять
на раннюю устойчивость к слипанию. Они также частично взаимодействуют
с добавленными ассоциативными загустителями. В качестве вспомогательных средств используются, например, бутиловый эфир дипропиленгликоля,
бутилгликоль, небольшие количества тексанола (Texanol) или уайт-спирита
(поддержка пеногашения).
Для регулирования распыления и улучшения внешнего вида покрытия может
быть добавлен, например, пропиленгликоль.
Для улучшения гидрофобности, механической прочности и устойчивости к слипанию могут включаться воски, чаще всего в виде эмульсий. Однако, при неблагоприятных условиях или при слишком высоком содержании восков, это может
привести к повреждениям при обработке и снижению промежуточной адгезии
(например, за счет сильного всплывания воска на поверхность). Применение добавок для улучшения реологии (регулирование отекания, предела текучести при
безвоздушном распылении) и покрытия ребер ЛКМ должно быть минимальным,
так как иначе они повышают гидрофильность покрытия (что может привести, например, к белесоватости прозрачного покрытия во влажных условиях).
306
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Массовая доля
Состав
Компонент 1
Акрилатная дисперсия Core—Shel, 50%!
Аммиак, 25%
740,0
2,0
Компонент 2
Вода
93,5
Матирующее средство (пирогенная кремневая кислота)
15,0
Пеногаситель/деаэратор
4,0
Дованол DPnB
3,0
Метоксибутанол
20,0
Загуститель 1: альгтинат или ксантеновый клей
20,0
Загуститель 2: ассоциативный ПУ или акрилатный загуститель
0,5
Консервант
20
Компонент 3
Прозрачный препарат окиси железа
2
40,0
Вода
15,0
Восковая эмульсия (30%)
40,0
Всего
1000,0
Компонент 2 диспергируется отдельно и затем подмешивается в компонент 1. Компонент 3 добавляется постепенно при постоянном перемешивании. ' Например Mowilith LDM 7416 (Производитель:
Celanese Emulsions GmbH).2 Например, Lucony Orange 2416 (Производитель: BASF AG).
Дополнительно может содержать защитное средство для пленки.
Рис. 3.2.25. Рецептура водной лазури для деревянных окон, пригодной для безвоздушного распыления, в схематическом виде
Для пигментирования применяются прозрачные окислы железа (см. предыдущую главу), так как они предлагают лучшую защиту отУФ-излучения. Содержание пигмента должно было быть от 1,5 до 2% в пересчете на лазурь, это
соответствует приблизительно 6% стандартного пигментного состава для обработки. Отсюда следует, что при нанесении концентрация пигмента - 2 г/м 2
и лазури - 100 г/м 2 на каждый слой. Измерения УФ-абсорбции таких лазурей
показывают 60% поглощения при глубине 15 мкм, 70% - при 25 мкм и 100% при 50 мкм (см. гл. 3. 2.2.3). При небольших содержаниях окислов железа или
для светлых оттенков краски рекомендуется добавление УФ-абсорберов.
Здесь необходимы количества от 1 до 3 масс. %. Частично применяются высокодисперсные пигменты (наночастицы), например, прозрачная окись титана,
чтобы добиться дальнейшего улучшения УФ-абсорбции.
Укрывистые пигментированные отделочные лакокрасочные материалы
Под ними понимают укрывистые ЛКМ, которые пигментированы в белый или
в цветные тона. Различаются содержащие растворитель и водные покрывные
ЛКМ. Для промышленного применения ЛКМ, содержащие растворитель, имеют все меньшее значение, и поэтому они обсуждаются лишь кратко.
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
307
Укрывистые пигментированные отделочные лакокрасочные материалы,
содержащие растворитель
Рецептуры основываются на алкидных смолах, чаще всего типа High-Solid.
Для промышленного применения они имеют все меньшее значение и подробно здесь не обсуждаются.
Водные кроющие пигментированные отделочные лакокрасочные материалы
Эти Л КМ содержат в качестве пленкообразователей такие же продукты, что
и в случае толстопленочных лазурей, так как здесь требования (в особенности
по отношению к эластичности и стойкости к слипанию) аналогичны. Правда,
имеется более широкий выбор содержания пигментов или наполнителей, так
как здесь стойкость к слипанию может легче регулироваться за счет наполнения. Для этого используются, кроме акрилатных дисперсий с многофазной
полимерной структурой (например, дисперсии Core-Shell), также акрилатные
дисперсии с однофазной структурой, которые содержат промоторы адгезии
во влажных условиях и, соответственно, отвердители. Возможны комбинации
из обоих типов или сочетание таких дисперсий с водными полиуретановыми
дисперсиями (или сополимерами, содержащими полиуретан). Достоинствами акрилатных дисперсий являются:
• хорошая устойчивость к погодным условиям;
• незначительная склонность к пожелтению;
• высокая стойкость по отношению к воде;
• высокая прочность пленки при достаточной эластичности, благодаря чему достигается достаточное сопротивление механическим повреждениям;
• незначительная клейкость (липкость) поверхности.
Рецептуры могут содержать также водные алкидные смолы в качестве составной части композиций. Тем самым, с одной стороны, появляется несколько лучшая способность к восстановлению покрытия, а с другой — затем может
наступить несколько более сильное пожелтение.
Так как покрытия пигментированы, они обладают хорошей защитой от УФизлучения. Объемная концентрация пигмента лежит в области от 10 до 25%,
содержание нелетучих составных частей - от 40 до 50%. Из-за высокой доли
диспергированного вещества для диспергирования пигмента имеется лишь
немного воды. Используемые общепринятые акрилатные дисперсии различаются по своим минимальным температурам пленкообразования и имеют температуру стеклования около 20°С. В случае так называемых дисперсий CoreShell значение MFT лежит также при 0°С. В рецептурах для пленкообразования требуется применение вспомогательных средств.. Самыми действенными
оказались тексанол (Texanol), бутиловый эфир дипропиленгликоля, бутилдигликоль и бутилдигликольацетат. Все они долгое время пребывают в пленке,
что может вызвать затруднение, если требуется быстрое снижение липкости
поверхности. В этом случае прибегают к легколетучим растворителям, таким
как метоксибутанол или бутилгликоль, которые смешиваются с водой. Правда,
добавление растворителей, смешивающихся с водой, при нанесении краски
на впитывающий грунт приводит к проблемам, так как они с водой проникают
в субстрат, и, тем самым, исключаются из процесса пленкообразования. Растворители в дисперсионных лаках (от 2 до 10%) действуют не только как вспомогательные средства для пленкообразования, но и как средства, модифицирующие реологию, и для регулирования «открытого» времени при обработке
распылением. Они оказывают негативное влияние на склонность к слипанию
308
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
на первой фазе сушки. При низком содержании вспомогательных средств для
пленкообразования иногда присваивается всемирная марка «Голубой ангел».
Если желательно матирование, могут быть добавлены обычные матирующие
средства или использованы соответствующие наполнители. Краски после получения ориентированы на значения рН между 8 и 9, чтобы иметь достаточную
стабильность при хранении и оптимальную степень блеска в случае глянцевых
Л КМ. Самым лучшим средством нейтрализации является аммиак, так как он
способствует хорошему блеску и стойкости к воде. Другие нейтрализующие
средства, такие как растворы едкого натра и едкого кали, ведут себя хуже. Для
улучшения гидрофобности, механических свойств и устойчивости к слипанию
вводят воски, чаще всего в виде эмульсий. При этом, однако, при неблагоприятных условиях или при слишком высоком содержании восков, также могут
возникнуть вопросы с перелакированием и промежуточной адгезией.
Для окраски окон рецептура разрабатывается с учетом времени сушки (снижением количества пропиленгликоля, см. вышеуказанные замечания) или добавления наполнителей и матирующих средств. Эти ЛКМ могут также содержать вышеназванные функциональные пигменты для обеспечения изолирующего действия покрытия против компонентов древесины.
Специальные лакокрасочные покрытия для защиты и заполнения швов
и торцевой поверхности
Стыки подоконной стенки и V-образные стыки являются проблемными областями окон. Главной причиной этого чаще всего является некачественно проведенное склеивание, так как следует избегать пятен клея, как того требуют
предписания. При нанесении промежуточных и заключительных лакокрасочных покрытий способом распыления, V-образные стыки не прокрашиваются в
достаточной степени, ив следствие этого стыки и торцевые поверхности недостаточно защищены.
Для этих проблемных мест на деревянных окнах большинство производителей оконных ЛКМ разработали специальные продукты, чтобы при неоптимальном изготовлении оконной конструкции иметь на возможных местах повреждений (например, местах склеивания стыков) дополнительную защиту от возможного проникновения влаги (скрытая миграция влаги и воды). Эти продукты
были созданы для водных лакокрасочных систем.
Для открытых стыков подоконной стенки и V-образных стыков, а также открытых торцевых поверхностей применяется эластичная защита стыков на основе
акрилатных и акрилат-полиуретановых дисперсий. Этот материал представляет собой вид высоковязкой эластичной бесцветной толстопленочной лазури, который выдавливается из картушного пистолета аналогично герметику в
места стыков (обратить внимание на указания производителя). Это защитное
средство для стыков имеет гидрофобное действие и, как правило, не пигментируется. В дальнейшем эти материалы могут использоваться для защиты открытой торцевой поверхности. Они называются также торцевой защитой. В
качестве торцевой защиты предлагаются низковязкие материалы для нанесения кистью. После высыхания они должны покрываться по возможности быстро соответствующим ЛКМ.
В качестве второго специального продукта выступают так называемые наполнители стыков, чаще всего, на основе эластичных акрилатных дисперсий. Они служат для эластичной заделки стыковочных трещин, срезов и скосов (усового соединения стыков). Существуют частично отличающиеся рецеп-
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
309
туры: при первой - с более быстрой
сушкой (слабо наполненная, поэтому
менее прозрачная) или при других с несколько более медленной сушкой (ненаполненная, поэтому очень
хорошая прозрачность). В зависимости от древесной породы и отделочных ЛКМ (прозрачных или пигментированных) затем выбирается соответствующий материал. Следует отметить, что эти наполнители для стыков (швов) не применимы для соединительных швов, так как они менее Рис. 3.2.27. Неудовлетворительная толщина
эластичны.
слоя в области V-образного стыка
3.2.3.2. Практические примеры промышленной окраски окон и дверей
лакокрасочными материалами
При окраске в производственных условиях, например, деревянных окон,
следует различать предварительно окрашенные окна с заключительным покрытием на объекте и полностью готовые деревянные окна заводского производства. Первый метод распространен почти исключительно в Нидерландах.
В случае второго метода различают, с одной стороны, традиционное изготовление деревянных окон с окраской готовых изделий, а с другой изготовление
и окрашивание деталей, которые собирают в окна. Изготовление и окраска
готовых оконных заготовок является обычно используемым методом. Метод
окрашивания в деталях, прежде всего из-за несовершенной техники, применяется лишь в особых случаях. Однако в каждом случае рациональное течение процесса окраски существенно зависит от действующего конвейерного оборудования. При этом даже в ремесленном производстве есть смысл в
использовании конвейера, приводимого в движение вручную, или кругового транспортера. Однако для промышленной обработки окон производители
оборудования часто рекомендуют, даже при относительно маленькой производительности, так называемую транспортную систему Power&Free. Несмотря на более высокие затраты на капитальные вложения, транспортная система Power&Free в настоящее время относится к стандарту транспортной
системы в области окраски окон. Ее главными достоинствами являются гибкость, простая перестановка технологических операций, изменение последовательностей операций (например, разгон различных зон потока или двукратное прохождение через распылительную кабину при двойном нанесении
покрывного покрытия).
Существуют различные лакокрасочные системы в зависимости от рекомендации производителя. Четырехслойное покрытие (пропитка и три покрытия)
имеет существенно более низкое поглощение воды даже после 40 месяцев
испытания в атмосферных условиях на открытом воздухе. Для сосны возможна двухслойная (грунтовка и заключительное покрытие) или трехслойная система (пропитка, грунтовка и заключительное покрытие). Двухслойная структура покрытия пригодна в основном только для деревянных окон с алюминиевой накладкой. Ниже обсуждаются различные примеры применения.
310
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Облив
Ручное распыление
Загрузка Разгрузка
Сушка
Разгрузка
Рис. 3.2.28. Промышленное нанесение лакокрасочных покрытий методами струйного
облива и ручного распыления
Установка для лакирования методом струйного облива, комбинированная
с ручным краскораспылителем и охлаждаемыми экранами
На рис. 3.2.28 [50] представлена линия, установленная производителем
окон, ориентированным, главным образом, на индивидуальное изготовление.
Она состоит из двух отдельно работающих установок для облива и распыления
и рассчитана максимум на 90 рам. На линии окраски обливом возможно оборудование двух зон облива. После нанесения лакокрасочного покрытия обливом, обрабатываемая деталь проходит через осушительный буфер, где сушится при микроклимате помещения. При необходимости может быть проведен второй или третий цикл облива. Высушенные детали снимают с подвесной
балки для шлифования и после этого навешивают на подвесную балку линии
лакирования распылением. К ней относятся две установки ручного разбрызгивателя с отделением сушки и сушилкой с рециркуляцией воздуха. Для сбора
лака устанавливают два охлаждаемых экрана, которые могут передвигаться на
рельсах перед распылительным экраном. Можно не собирать материал, не попавший на окрашиваемое изделие, если из-за небольшого размера изделий
потери не принимаются в расчет.
Лакирование методом облива, комбинированное с вариантом одной
кабины и системой «Prolac»[50]
Схема установки, изображенная нарис. 3.2.29[50], установлена на предприятии, выросшем из кустарного производства, и подразделяется на линии облива и распыления. Линия облива состоит из трех поточных зон обливания для
белого и полупрозрачного грунтования, а также для бесцветного пропитывания и, соответственно, нанесения бесцветного наполнителя, а также из сушки
и транспортной системы Power&Free.
Эта установка для окраски окон имеет пропускную способность 150 готовых
окон: по 2 рамы на слой. При этом следует иметь в виду, что перед покрывным
лакированием всегда дважды проводят облив. Для хвойных пород древесины
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Разгрузка
**••
\\
ХЧ
t
\
V
311
Линия распыления
XI
Камера распыления
с колонной «Prolac»
Разгрузка
Устройство рециркуляции воздуха с
металлокерамическим фильтром
Сушка
У \ У ЧУ .
Ч
ч х чх
Загрузка
Линия облива
Поточные зоны облива
Рис. 3.2.29. Промышленное нанесение лакокрасочных покрытий на окна методами облива
и автоматического распыления
проводят по одному нанесению покрытия в облив на пропитку и грунтовку. Для
меранти, перед нанесением покрывного лака, наносятся обливанием грунтовка и наполнитель. Эксплуатирующим установку в результате многократного
нанесения лакокрасочных покрытий обливом обещана не только лучшая защита древесины, но и меньшие издержки на шлифование.
Сочетание окраски методом облива и двойной кабины с системой «Prolac»[50]
Дальнейшую технологическую схему с повторным использованием избыточно распыленного лака представляет следующий пример из практики. Технологическая схема установки показана на рис.6.3 (глава 6). Здесь капитальные
вложения еще больше, потому что упор сделан на эксплуатационную гибкость,
чтобы по желанию потребителя можно было бы быстро все изменить. Транспортная система Power&Free длиной около 300 м, снабженная удобной системой управления, гибко связывает две передвижные проточные зоны облива,
участок испарения и зону облива, снабженную сушилкой с рециркуляцией воздуха и с зоной распыления, куда входят два рабочих места для ручного распыления, предусмотренные для специальных деталей, две снабженные колонкой
«Prolac» автоматические кабины с возможностью ручного предварительного
распыления, а также еще один испаритель и осушитель. При загрузке путь обрабатываемого изделия программируется. Так, может быть установлено, которая из двух зон облива должна быть запущена. Далее устанавливается возможность после сушки или грунтовки транспортировать детали на шлифование или для промежуточного съема и, например, отдельного шлифования. Покрывное лакирование с передней и задней стороны производится по выбору в
зоне ручного или автоматического распыления. Дополнительно можно запрограммировать повторное прохождение ко второму покрывному лакированию.
312
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Электростатическое покрытие деревянных окон [52]
Промышленное покрытие деревянных окон производится путем комбинации
метода облива и метода электростатического распыления (белая грунтовка нестойкая древесина меранти). Здесь обсуждается пример из Нидерландов.
Окна там, как правило, поставляются только предварительно окрашенными
(грунтованными) промышленным способом. После монтажа окон заключительное покрытие производит маляр. Оконные заготовки заранее отдельно пропитываются защитным пропитывающим составом для древесины. Для описанного процесса лакирования используются две окрашенные белым грунтовки,
которые наносятся в два этапа. При этом первая грунтовка содержит согласно
EN 152.1 средство против синевы, вторая обладает изолирующим действием
против компонентов древесины. Пропитанная оконная заготовка подвешивается на транспортную систему Power&Free. Она транспортируется в установку
для облива. На первом этапе там производится окраска обливом с помощью
32 насадок с давлением 1,5 бар. Тем самым обеспечивается полное покрытие,
включая пазы и канавки. В зоне испарения, путем одностороннего опускания
подвесной балки, заготовки приводят в наклонное положение для того, чтобы
избыточный ЛКМ мог стечь. Стекший ЛКМ затем собирается для повторного
использования. В зоне испарения относительная влажность воздуха составляет около 85%, для того чтобы достигнуть одновременного стекания и грунтования и, соответственно, достаточного увлажнения пор древесины. Прогон
длится около 18 мин. Потом происходит сушка в сушильной печи с циркуляцией воздуха при 35°С, при скорости воздуха 0,5 м/сек. Затем детали шлифуются и доставляются к месту нанесения покрытия распылением. Из-за требуемой пропускной способности в 300 изделий ежедневно, эксплуатируются две
идентичные линии окраски с зонами испарения и сушки отработанным воздухом. Толщина высушенного слоя второй грунтовки - около 60 мкм. Применяется полностью автоматизированная установка для окраски. При этом происходит автоматическая идентификация продукта и настройка электростатической
установки. Оконные детали перед попаданием в кабину для окраски орошаются водой для повышения электропроводности. Установка регулируется путем
идентификации инфракрасным контуром. Соответственно шесть электростатических безвоздушных пульверизаторов распыляют краску с оптимальным
охватом объекта. Метод распыления, поддерживаемый благодаря отсутствию
воздуха, свободен от возникновения эффекта Фарадея. Обе стороны оконных
деталей одна за другой покрываются ЛКМ. Установка может работать с тремя красками по выбору и рассчитана на выключение высокого напряжения таким образом, чтобы была возможна частая смена краски. После нанесения покрытия заготовки проходят зону испарения и затем сушатся в сушилке отработанным воздухом. Большая часть грунтованных окон после завершающего
этапа сборки монтируется потом в еще неотделанные постройки и после завершения строительных работ покрываются заключительным лакокрасочным
составом. Упрощенное изображение процесса распыления представлено на
рис. 3.2.31.
Окраска больших партий окон белым пигментированным материалом;
непрерывный процесс окраски (Oberflaechencenter) [51]
Эта установка рассчитана на окраску больших партий и служит, в первую
очередь, для нанесения белых промежуточных и покровных составов. Установка рассчитана на непрерывный процесс окраски.
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
313
Соответственно, пропитанные и загрунтованные оконные рамы транспортируют затем в установку и покрывают
ЛКМ в центральной кабине для окраски, в определенный момент чередуя
метод струйного облива (промежуточное покрытие) или метод распыления
(отделочное покрытие). Этот процесс
имеет следующие достоинства:
. нанесение краски происходит на
вертикально висящее и в опре- Рис. 3.2.30. Промышленное покрытие окон
деленный момент вращающееся лакокрасочными материалами методом элекизделие;
тростатического распыления [52]
• деталь получает круговое покрытие также всех торцевых зон;
• центральная кабина для окраски обеспечивает прохождение деталей с
контурной идентификацией;
. нанесение ЛКМ на изделие путем автоматического управления распределительным механизмом насадок обливания и распыления;
• кругооборот ЛКМ при малых количествах загружаемого материала и щадящей нагрузке, отсюда небольшие издержки при смене краски;
• возвращение в оборот всего избыточного лака при распылении, например, методом «Coolac»;
• температура и влажность в помещении (микроклимат) регулируются централизовано (включая зону испарения);
• ускоренная сушка, благодаря адсорбционному способу.
Камера окраски
Адсорбционная сушка
Пункт подъема
и спуска
Накопитель'
Испарение
Центр управления
-динамический автоматический облив
Возврат
Подача ЛКМ неиспользованного Камера окраски
Рис. 3.2.31. Промышленное покрытие окон лакокрасочными материалами для большого
количества экземпляров; оборудование «Oberflaechencenter»
314
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Ф
Пояснение
1. Загрузка/разгрузка при
распылении
Участок ручного распыления
с возвратом ЛКМ для повторного
использования(охлаждаемая
стенка)
3. Зона увлажнения
4. Комбинированная сушка
5. Загрузка для облива
6. Рагрузка для ручного погружения
7. Участок стекания после погружения
8. Зона облива
9. Участок стекания после облива
10. Разгрузка после облива
11. Агрегат обезвоживания
2.
Рис. 3.2.32. Гибкая (изменяемая) линия лакирования окон со стойкой для ручного
распылителя и установкой для обливания [56]
Покрытие лакокрасочными материалами мелких партий окон [56]
Установка рассчитана для выполнения опытных серий и изготовления на заказ мелких партий. Самые интересные части установки — стойку для ручного
распыления и установку для сушки — следует описать подробнее. Стойка ручного распыления для нанесения отделочного состава снабжена электростатической установкой для распыления. Из-за различных форм деревянных окон
количество избыточного лака при распылении еще относительно высоко. Чтобы удерживать потерю лака по возможности на небольшом уровне, был встроен охлаждаемый экран с тефлоновым покрытием. Скапливающийся избыточный лак снимается вручную раклей. Если желательна более высокая пропускная способность, производят переоснащение уже названной выше колонкой
«Prolac». Неуловленный избыток лака удаляется путем эффективной вытяжной
вентиляционной установки (подача кондиционированного свежего воздуха) с
выпадением в сухом виде из отработанного воздуха.
3.2.3.3. Ремонт и техобслуживание
Качество древесины в настоящее время, несмотря на множество предписаний, оставляет желать лучшего. В фокусе находятся окна из сосновой древесины с большим содержанием заболони и меранти, которое больше годится
для производства коробок с сигарами, чем для окон. Наносится ли лакокрасочное покрытие на объект промышленным способом или кистью, для прочности покрытия требуются регулярные ремонт и техобслуживание [55]. Только таким образом обеспечиваются условия, когда маленькие повреждения немедленно устраняются, прежде чем будет нанесен большой ущерб. Швы на
открытой подоконной стене и V-образные швы при ремонте закрываются маляром составом, защищающим шов. Оптимальным был бы договор по ремонту, чтобы можно было тотчас исправить маленькие повреждения, прежде чем
станут необходимыми дорогостоящие мероприятия по реконструкции. Такие
договора по ремонту с рекомендациями по профилактике предлагаются большинством крупных производителей лакокрасочных систем для окон. Для регулярного обслуживания поверхности древесины оправдало себя так называ-
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
315
емое «молоко для ухода» (дважды в год). После чистки окон поверхность рам
натирается этим средством. Тем самым улучшается прочность поверхности.
Эти специальные продукты не мешают последующей освежающей покраске.
Это средство по уходу годится не только для окон, покрашенных промышленным способом, но и для окон, покрашенных (восстановленных) маляром.
Направления и тенденции развития
Доля рынка деревянных окон в последние годы сильно снижается; в 2003 г.
она составила около 22%. С 2005 г. кажется, что тенденция вниз приостановлена, так как потребители выбирают деревянное окно благодаря длительным
гарантиям и повышению качества и красивого внешнего вида. Чтобы повысить
привлекательность древесины для наружного применения для потребителей,
деревянные окна и используемые соответствующие ЛКМ реализуются с повышенной гарантией и паспортом окна или договором ремонта (см. выше).
На решением проблем, связанных с окончательной отделкой поверхности и
внешним видом окон, ориентированы предприятия, думающие о перспективах развития. Так, все больше заменяются устаревшие, приводящиеся в действие вручную или полуавтоматически агрегаты на современные и новаторские установки для окраски. Постоянно совершенствуются агрегаты для ускорения сушки, повторного использования или комплектные комбинированные
технологические схемы.
Перспективным выглядят исследования и проекты, позволяющие сделать
древесину более устойчивой по отношению к воде и грибкам путем соответствующих термических и химических методов, таких как ацетилирование или
метод с использованием DMDHEU (см. ч. 2.4). Насколько широко в будущем
в производстве окон будут использоваться древесные породы, модифицированные таким образом, покажет будущее. Помимо ранее широко применяемых, содержащих растворитель ЛКМ, развиваются современные высококачественные водные лакокрасочные системы, не содержащие растворитель, или
с незначительным содержанием растворителя, которые могут быть нанесены
на поверхность с высоким коэффициентом полезного действия (с высокой эффективностью). Вновь приобретает значение метод струйного обл ива [53]. Будет оптимизировано в дальнейшем и повторное использование потерь лака,
чтобы обеспечить замкнутый кругооборот ЛКМ.
Со стороны технологии пленкообразователя просматривается тенденция к
дальнейшей оптимизации рабочих характеристик в отношении устойчивости
к слипанию и эластичности. Будут решаться вопросы оптимизация пеногашения водных систем и дальнейшего улучшения защиты от УФ-излучения; например, за счет добавлении наночастиц в будущем можно ожидать интересные
продукты. При этом важно, что система лакокрасочного покрытия и деревянные окна совершенствуются в партнерстве с фирмами, развивающими ЛКМ, и
производителями оборудования. Однако есть еще определенные требования
для участвующих в производстве отраслей промышленности.
Список литера туры
1. Oberflaechenbehandlung von Holz im Aussenbereich, Merkheft 11, Deutsche
Gesellschaft fuer Holzforschung, Muenchen 1998, 2. Auflage.
2. Anforderungen an Beschichtungssysteme von Holzfenstern und Haustueren, VFFVerband Fenster und Fassade - Merkblatt HO.03 2004.04.
316
3.
4.
5.
6.
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
Neises, H.: Anwendungstechnische Eigenschaften von Alkydharzen in Abhaengigkeit
v o m molekularen Aufbau, Farbe und Lack, 77. Jahrgang, Nr. 9, 1 9 7 1 , S. 8 5 0 — 8 6 5 .
Hubert, J.C. u.a.: Singlet Oxygen Drying of Alkyd Resins and Model Compounds,
Journal of Coatings Technolgy, Vol. 69, No. 869, June 1977.
Muizebelt, W.J. u.a.: Oxidative Crosslinking of Alkyd Resins Studied with Mass
Spectrometry and NMR Using Model C o m p o u n d s , Journal of Coatings Technology,
Vol. 70, No. 876, January 1998.
Goldschmidt, A., Streitberger H.-J.: BASF Handbuch Lackiertechnik, Vincentz Verlag,
Hannover, Auflage 2002.
7.
8.
Valet, A.: Lichtschutzmittel fuer Lacke, Curt R. Vincentz Verlag, Hannover, 1996.
Olsen, J. H.: Water-borne high-solids exterior w o o d coatings, Surface Coatings
International, Part A, Issue 08/2005, S. 3 1 7 — 3 2 2 .
9.
Gobec, M.: Modern resins for environmentally friendly architectural paints, 15th SLF
Congress 1997 in Lillehammer.
10. Angelmayer, K., Merten G., Awad, R.: Hoechst Kunstharz Nachrichten 27, 0 6 / 9 1 .
1 1 . Dnsor, U., Krieger, S.: Waterborne acrylic dispersions, European Coatings Journal, 12,
(1996), S. 9 2 0 — 9 2 3 .
12. Kittel: Lehrbuch fuer Lacke und Beschichtungen, Band 3, Filmbildner fuer waessrige
Systeme, 2. Auflage, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 2 0 0 1 .
13. Baumstark R., Tiarks, F.: Studies for a new generation of acrylic binders for exterior
w o o d coatings, Macromol. Symposium 187, 2002, S. 177-186.
14. Zosel, A.; Ley, G.: Farbe und Lack 100 (1994) S. 239.
15. Zosel, A. e t a l . : M a c r o m o l . Chem. M a c r o m o l . Symp 35/36 (1990) S. 423.
16. Bufkin, B.G.,Grawe, J. R.: J . C o a t . Technol. 50 (1978) P. 4 1 .
17. Ooka, M., Ozawa, H.: Prog, in Org. Coat. 23 (1994) S. 325-338.
18. Hora, G., Divisor, U.: Improving wet adhesion of waterborne acrylic dispersions on w o o d
by bond activation, Wood coatings cogress, Den Haag, Oktober 2002.
19. Kreis, Sherman: Development of a ureido functional monomer for promoting wet
adhesion in latex paints; Water-Borne and Higher-Solids Coating Symp.; 02/1988; New
Orleans, S. 2 2 2 — 2 3 4 .
20. Singh, Chang; diLeone, Siesel: Novel wet adhesion monomers for use in latex paints;
23. International Conference in Organic Coatings, Vouliagmeni, Athen 1997; S. 427-441.
2 1 . Desor, U.; Krieger, S.: Woessrige Dispersionen fuer Holzlacke, Welt der Farben 7 und
8(1997), S.6—12.
22. Hoffmann, H., Ulbricht; W.: Tenside Surfactants Detergents 24 (1987) 23.
23. B. Gerharz, H. J. Butt, B. Momper: «Morphology of heterogeneous latex particles
investigated by atomic force microscopy». Prog. Colloid Polym. Sci. (1996) 100, P. 91-95.
24. Desor, U., Krieger, S., Apitz.G.., Kuropka, R.: Water-borne acrylic dispersions for
industrial wood coatings, Surface coatings international, 82, (No. 10), 1999, S. 485-496.
25. Wagner, O.: Farbe und Lack 97 (1991) S. 109.
26. Heussen: Waessrige Lack- und Beschichtungssysteme: Polyurethandispersionen,
Techn. Akademie Wuppertal, 1994.
27. Desor, U., Leon, В., Kuropka, R.: Comparison of water borne acrylic and polyurethane
dispersions and mixtures of both in 1-component clear varnishes for wood, 25. Fatipec
Kongress, Turin, Oktober 2000.
28. Friebel, Hennecke, Wittenberg, Overhagenboeck, Goletz, Pohl: Industrial transparent
UV-Coatings for outdoor wood applications, Fifth international wood coatings congress,
Prague, 17-18 Ocotober 2006).
29. Wicks, Z.J.: Coatings Technol 12(1986).
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
317
30. Baumstark. R;, Schwarz, M.: Dispersionen in Bautenfarben: Acrylatsysteme in Theorie
und Praxis, Curt R. Vincentz Verlag, Hannover, 2 0 0 1 , S. 192-212.
3 1 . Gonzales-Gomes: TransparenteEisenoxidealsUV-Absorberin Holzlasuren, Sachtleben
Symposium, 08.06.2000.
32. Hein, J. Т.: Holzschutz- Holzwerkstoffe erhalten und veredeln, Wegra Verlag.
33. Kastien, H.: Influenceofthebinderandadditiveson the weathering stability of colourless
aqueous wood varnishes, Polymers Paint Colour Journal, 181, Nr.4286 (1991), S. 366368,371.
34. Informationsdienst Holz: Anstriche fuer Holz und Holzwerkstoffe im Aussenbereich,
Arbeitsgemeinschaft Holz, Duesseldorf, 12/1999.
35. Verband der Fenster- und Fassadenherstellere.V. (Hrsg.):Auswahl der Holzqualitatfuer
Fenster und Haustueren, VFF-Merkblatt HO 02; Frankfurt, 2003.
36. Hora, G., Belz, A.: Moderne Beschichtungssystemefuer Holzfenster, Holz-Zentralblatt,
12.02.1999, S. 258-259.
37. Gruell, G: Oberflaechenbeschichtungen fuer Fenster und Tueren.
38. Verband der Fenster- und Fassadenherstellere.V. (Hrsg.):AuswahlderHolzqualitaetfuer
Fenster und Haustueren, VFF-Merkblatt HO 02; Frankfurt, 2003.
39. Institut fuer Fenstertechnik e.V. (Hrsg.): Merkblatt Anstrichsysteme fuer Holzfenster,
Fenster und Fassade Nr. 2, Rosenheim, 1991.
40. Verband der Fenster- und Fassadenherstellere.V. (Hrsg.): Klassifizierung von
Beschichtungen fuer Holzfenster und -Haustueren, VFF-Merkblatt HO 01; Frankfurt, 2004.
41. Verband der Fenster- und Fassadenhersteller e.V. (Hrsg.): Runderneuerung von
Kastenfenstern, VFF-Merkblatt HO 09; Frankfurt, 02/2003.
42. VerbandderFenster- und Fassadenherstellere.V. (Hrsg. ):HolzartenfuerdenFensterbau,
VFF-Merkblatt HO. 06; Frankfurt, 2004.
43. Tretter, A.: Holzlackschaeden - Beschichtungsmaengel an Fenstern: Erkennen Vermeiden Sanieren, DRW Verlag, Leinfelden-Echterdingen, 2004.
44. Initiative ProHolzfenster e.V. (Hrsg.): Empfehlungen fuer die werkseitige Fertigbehandlung von Fenstern und Haustueren aus Holz, Mintraching, 2003.
45. Oesterreichisches Normeninstitut (Hrsg.): Oe Norm С 2350, Wien.
46. Bundesausschuss fuer Farbe und Sachwertschutz (BFS) (Hrsg.): Merkblatt Nr. 18:
Beschichtungen auf masshaltigen Aussenbauteilen aus Holz, insbesondere Fenster und
Aussentueren.
47. Verband der Fenster- und Fassadenhersteller e.V. (Hrsg.): Anforderungen an
Beschichtungssysteme fuer die werkseitige Beschichtung von Holzfenstern und
-Haustueren, VFF-Merkblatt HO. 03; Frankfurt, April 2004.
48. Gruell, G.: Lufteinschluesse in Holzfensterbeschichtungen; Holzforschung Austria, Maerz 2004.
49. Meijer, M., Militz, H.: Adhesion of low VOC coatings on wood: a quantitative analysis,
verfkroniek (1999) S. 25—30.
50. Schlatter, H.: Gesamt-Anlagen fuer die wirtschaftliche Holzfensterlackierung,
(EISENMANN Holztechnik, Holzgerlingen),Workshop der REITER GmbH + Co. KG,
Winnenden, vom 12.-14.1.2000.
51. Sikkens: Forum HolzOberflaechenbehandlung von A-Z, Akzo Nobel DecoGmbH, Koeln,
2001.
52. ReiterOberflaechentechnik: Holzfenster elektrostatisch beschichten, Besser Lackieren.
53. Hora, G.; Belz, A.: Ganzheitliche Flutlackierungzur Holzbeschichtung; Holz-Zentralblatt;
Nr. 69; S. 980.
54. lnitiativeproHolzfenstere.V.(Hrsg.):EmpfehlungenfuerdiewerkseitigeFertigbehandlung
von Fenstern und Haustueren aus Holz, Berlin ( 2003).
318
Глава 3.2. Окраска древесины и древесных материалов наружного применения
55. Initiative pro
Holzfenster e.V.
(Hrsg.):lnstandhaltung
und
Pfleganleitung,
Berlin
(2000).
56. N.N:Variable FensterlackierstrassemitmodernerAusstattungnutzen.besserlackieren,
Mai 2003.
Глава 4. Подготовка древесины и древесных материалов
319
4.Подготовкадревесиныидревесныхматериалов
Перед нанесением покрытия поверхность древесины и древесных материалов должна быть обработана для устранения дефектов и подготовки ее к окраске. В зависимости от вида древесины и древесного материала, а также от области его предстоящего использования и соответствующих требований применяются различные методы подготовки к окраске:
• сушка пиленого лесоматериала;
• шлифовка/выглаживание/очистка щетками;
. обессмоливание и/или удаление проступающего клея;
. отбеливание;
• промывка.
В рамках этой книги не будем подробно останавливаться на сушке пиленого лесоматериала и продуктов распила. Она сводится к тому, чтобы древесина была высушена до заданной влажности, необходимой для предполагаемой переработки.
Древесина с высоким содержанием смолы перед окраской должна быть
обессмолена, иначе позже смола может проступить на поверхность. Обессмоливание проводят омыливая смолу разбавленной щелочью или обрабатывая поверхность древесины органическими растворителями. И в том, и в другом случае после сушки на воздухе поверхность может быть обработана тонкой шлифовальной бумагой. На практике древесные массивы, например сосну, не обессмоливают. Но клеящие вещества и остатки клея на поверхности
могут стать причиной таких дефектов при обработке бейцем, как белые пятна
или отслаивание. Поэтому удаление остатков клеящих веществ проводят в зависимости от типа клея с помощью различных органических растворителей;
здесь этот аспект не рассматривается.
4.1. Шлифовка
В зависимости от гигроскопических свойств древесины древесные волокна впитывают нанесенный лакокрасочный состав до своего полного насыщения. В результате волокна разбухают и поднимаются над поверхностью в
виде щетинок, мешая ее окраске. По этой причине все древесные материалы непосредственно перед окраской должны иметь как можно более гладкую и ровную поверхность. При этом считается, что чем тоньше предварительное шлифование, тем меньше опасность подъема волокон и тем экономичнее может быть проведена окраска. Но шлифование служит для подгонки деталей под необходимый размер (калибровочное шлифование,
устранение царапин, сколов, следов клея и других дефектов поверхности,
а также для повышения сцепления между основой и покрытием или между двумя слоями покрытия (промежуточное шлифование).
Различают:
• калибровочное шлифование (грубое шлифование цельной древесины
и древесных материалов, удаление остатков клеящих веществ);
• предварительное шлифование (тонкое шлифование цельной древесины,
фанерованных плоскостей и древесных плит);
• шлифование под окраску и промежуточное шлифование (создание ровной
поверхности основы, устранение шероховатости, удаление излишков ЛКМ);
. отделочное шлифование (окончательная отделка поверхности).
320
Глава 4. Подготовка древесины и древесных материалов
Шлифование древесины и древесных материалов — режущий процесс формообразования. Шлифовальные зерна, подобно рубанку, срезающему стружку, погружаются в материал и режущим движением снимают слой, который
выпадает в виде шлифовальной пыли и удаляется. Так как геометрия шлифовальных резцов точно не определена, то говорят, что шлифование — режущий
процесс формообразования с неопределенной геометрией резца. В зависимости от материала и его геометрии различают [2]:
1) плоскостное шлифование: шлифование широких плоскостей/шлифование узких плоскостей;
2) профильное шлифование;
3) шлифование мелких деталей.
4.1.1. Шлифующие средства и их носители
Наиболее часто употребляемые средства для шлифования древесины и
древесных материалов — средства на носителях согласно DIN ISO 2976. В качестве основы-носителя шлифующих материалов для древесины применяют
бумагу, ткань и их сочетание. Применяемая бумага, как правило, имеет плотность от 180 до 300 г/м 2 . С увеличением плотности бумаги увеличиваются ее
твердость и жесткость на изгиб. Шлифовальная бумага отличается малым удлинением, равномерной поверхностью и относительно невысокой стоимостью. Основным недостатком бумаги является ее гигроскопичность. Под влиянием изменяющейся влажности она может растягиваться или сжиматься, что,
безусловно, будет отражаться на ее движении в полирующей машине.
Тканевые носители отличаются прочностью при изгибе — эластичностью.
Для шлифования древесины и древесных материалов применяют так называемые Х- и Y-носители. Волокнистым материалом может быть хлопок или ткань.
Плотность Х-носителей составляет около 450 г/м 2 , а Y-носителей — 550 г/м 2 .
В особых случаях применяются тяжелые тканевые носители с плолтностью выше 1000 г/м 2 . Они имеют очень высокую прочность на разрыв и жесткость при
изгибе. Тканевые носители обладают высокой устойчивостью к появлению и
разрастанию трещин и нечувствительны к колебаниям влажности. Для особенно жестких механических условий шлифовки MDF- и стружечных плит используют сочетание бумажных и тканевых носителей.
Зерна шлифующего материала распыляют на основу и закрепляют на носителе с помощью современных искусственных смол или клеев. Для обработки цельной древесины пригоден корунд (AI2O3), а для шлифовки покрытий
и древесных плит применяют карбид кремния (SiC). Особым видом корунда
является цирконкорунд. В данном случае речь идет о микрокристаллической
смеси оксмдов циркония (ZrO2— 45%) и алюминия. Этот шлифующий материал отличается повышенной клейкостью. В деревообрабатывающей промышленности он применяется для высокопроизводительной шлифовки древесных массивов, особенно для шлифовки паркета. Новой разработкой являются керамические материалы с режущим зерном. Фирма «ЗМ» продает новый
шлифующий материал с определенной структурой под названием «Trizact».
По данным фирмы, структурированные поверхности вышеназванного материала базируются на точно построенных трехмерных структурах мельчайших
минеральных частиц [3]. В процессе шлифования непрерывно высвобождаются новые поверхности шлифовальных частиц, таким образом обеспечивается большая продолжительность жизни шлифовальных лент. Особое значе-
Глава 4. Подготовка древесины и древесных материалов
321
Таблица 4.1. Применение шлифующих средств на древесине и ее покрытиях
Параметры шлифующего материала
Требования (сорт древесины/система ЛКП)
Бумажный носитель (плотность)
Сосна, вдоль волокон
D (146-185 г/м2)
Корунд
(А1203)
Редко
Р120
Р150
Сосна, поперек волокон
Е (218-242 г/м2)
Компактное зерно
(А12О3)
Плотно
Р220
Р240
Дуб, вдоль волокон
F (300 г/м2)
Корунд
(А1203)
Плотно
Р120
Р150
Дуб, поперек волокон
Не определена
Цирконкорунд (ZrO2/
AL2O3)
Плотно
Р220
Р240
Стружечная плита
Сочетание ткани
и бумаги
Карбид
кремния
Редко
Р 80 (100)
Р120
MDF
Сочетание ткани
и бумаги
Карбид
кремния
Среднередко
Р400
Промежуточная шлифовка
D,E
Керамическая смесь
Плотно
Р400
С (114-126 г/м2)
Карбид
кремния
или керамическая
смесь
Плотно
Р 600-800
Выглаживание парафинсодержащего полиэфира
Тип зерна
Плотность
разброса
Размер
зерна Nr.
ние для всех шлифующих материалов имеют размеры используемых зерен и
разброс по плотности. По размерам зерна шлифующие материалы делятся на
макрозернистые (размер зерен от Р 120 до Р 220) и микрозернистые (от Р 240
до Р 1200).Чем мельче зерна, тем выше число Р. Посредством различных видов рассеивания шлифующих зерен получают материалы разной плотности.
При покрытии поверхности шлифующим материалом различают легкое открытое, открытое, широкое открытое и плотное рассеивание (> 80% поверхности покрыто шлифующим зерном). В большинстве случаев, особенно для
мелких зерен, применяется плотная, с почти 100%-ным покрытием поверхности, засыпка. При шлифовке богатой смолами древесины лучше использовать
материалы с заполнением поверхности не больше 60%, чтобы избежать чрезмерного разогрева шлифовальных лент.
В таблице 4.1 [2] приведены примеры применения различных шлифующих
материалов в зависимости от заданных требований.
В процессе шлифования на плохо проводящих ток материалах, в том числе
на древесине, может возникать статический электрический заряд в несколько сотен KV, ЧТО приводит к двум негативным последствиям. Во-первых, это
может привести к спонтанному искровому разряду и, во-вторых, образуется
электростатически заряженная шлифовальная пыль, которая оседает на шлифующем материале и на деталях машины. При этом снижается стойкость шли-
322
Глава 4. Подготовка древесины и древесных материалов
фующего материала. Электростатический заряд шлифовальных лент сильно
уменьшается, если шлифующие ленты имеют антистатическую обработку.
4.1.2. Процесс шлифования и шлифующие агрегаты
В промышленности при машинной обработке для шлифования поверхностей
используются принципиально различные процессы шлифования:
• шлифование длинными лентами;
• шлифование широкими лентами;
. шлифование щеточными лентами или каландрами;
• шлифование цилиндрической головкой.
Шлифование длинными лентами — старейший процесс ленточного шлифования в обработке древесины. При таком типе шлифования направление подачи
обрабатываемых деталей ортогонально направлению, в котором движется шлифующая лента. Как следует из названия, особенностью этого процесса является очень большая длина лент — от 6 до 8 м. С помощью соответствующих элементов шлифующая лента прижимается к обрабатываемой поверхности. Существуют шлифующие машины с прижимными платами и с прижимными балками.
Процесс применяется при производстве пианино и комнатных дверей.
Если подача деталей и направление шлифовки параллельны, то такой процесс называется шлифованием широкими лентами. Обычно ширина ленты составляет от 600 до 1500 мм, причем чаще всего используются ленты шириной 1100-1300 мм. Шлифование широкими лентами относится к самым рациональным методам шлифовки древесины и древесных материалов. При широколенточном процессе шлифование происходит только прямолинейно. Если
необходима интенсивная шлифовка, то последовательно ставят два или более
шлифовальных агрегатов. В зависимости от формы и контактной поверхности
шлифующей ленты и детали различают:
• шлифование широкой лентой с цилиндрической контактной зоной или с
контактным валком и
• шлифование широкой лентой с плоской контактной зоной или с прижимной балкой.
Шлифование широкой лентой с прижимной балкой применяется только для
улучшения качества поверхности. Шлифовальные машины с упорными или
контактными валками создают ровные поверхности и обычно устанавливаются
перед агрегатами с прижимными балками. Отсюда вытекает классическое сочетание метода шлифования широкими лентами. Предварительная шлифовка выполняется цилиндрическими прижимными устройствами, а окончательная — с плоскими. В зависимости от поставленной задачи, т. е. от толщины
снимаемого слоя и состояния отшлифованной поверхности, последовательно ставятся два агрегата, причем результат обработки будет зависеть, например, от твердости покрытия упорных или контактных валков или от конструкции плоскости прижимной балки. Если шлифуют древесные плиты из массива
или фанеры, то следует знать, что при прочих равных условиях при шлифовке поперек волокон сошлифовывается больше, чем при шлифовке вдоль волокон. Это полезно использовать при перекрестном шлифовании, при котором сочетают длинные и широкие шлифующие ленты. Поперечно шлифующие
длинные шлифовальные ленты в качестве первого элемента в таком сочетании имеют следующие преимущества:
Глава 4. Подготовка древесины и древесных материалов
323
• наибольшая интенсивность шлифовки достигается поперек волокон;
• снижается загрязнение поверхности деталей;
• достигаются наибольшия гладкость и плоскость поверхности;
• стоимость поперечных лент существенно ниже стоимости широких лент.
Перекрестное шлифование чаще Рис. 4.1. Контактные валки и щеточный
всего применяют при изготовлении агрегат для обработки паркета и древесномебели, дверей, панелей и деталей го массива
внутренней отделки интерьера. При
этом акцент делается не на объем
снятого материала, а на качество поверхности. Если задача состоит в том,
чтобы получить не только качественную поверхность, но и подогнать изделие по нужному размеру, то в первом шлифующем агрегате используют жесткие контактные валки. В со- Рис. 4.2. Контактный валок, поперечный
временных шлифующих автоматах агрегат, два длинноленточных агрегата
последовательно устанавливают раз- и щеточные валки для калибровки, переличные агрегаты, причем шлифующие крестного и конечного шлифования в одной
ленты могут иметь разные направ- шлифовальной автоматической установке
ления движения. После каждого эта- с повышенной скоростью подачи изделий
па обработки поверхности надо очищать, так как поры забиваются шлифовальной пылью. В промышленных
условиях для этого используют щеточные машины с отсосом воздуха.
Для сглаживания плавных контуров
или профилей используют специальные кантовые или профильные шлифовальные машины. Для промежуточного шлифования окрашенных кантов Рис. 4.3. Два ленточных и два щеточных агреприменяют шлифовальные диски с гата для промежуточного шлифования покрыразличным размером зерна. При из- тия с высокой скоростью подачи изделий
готовлении рам для промежуточного
и окончательного шлифования используют шлифующие щеточные машины.
На рис. 4.1 и4.2[4] представлены возможные варианты шлифовальных агрегатов для калибровочного шлифования (подгонки размера) для производства
паркета и отделки древесных массивов. На рисунке 4.3 [4] показана возможная схема шлифовальной установки для промежуточного шлифования.
324
Глава 4. Подготовка древесины и древесных материалов
4.2. Процесс разглаживания
4.2.1. Механическое разглаживание
После шлифования или окраски поверхность можно дополнительно выровнять. Для содержащих парафин полиэфирных покрытий проводят лощение с
использованием SiC-бумаги с зерном Р500-Р800. Такой же процесс применяются в промежуточных шлифовальных машинах для паркета, покрытого УФотверждаемым маслом.
4.2.2. Термическое разглаживание
Принцип этого процесса состоит в том, что по контуру фрезерованного профиля проходит нережущий инструмент и при одновременном воздействии
температуры и давления запрессовывает поднятые волокна в размягченный
нагревом грунт, где они и связываются. Процесс термического разглаживания
описан в части 3.1.9.
4.3. Отбеливание
Под воздействием света, особенно солнечного, содержащего УФ-лучи, древесина может изменять цвет. Так, палисандр может посветлеть, а макора темнеет. При отбеливании древесина различных цветовых оттенков может приобрести равномерно одинаковую цветовую структуру. Кроме того, удаляются
пятна, и поверхности осветляются. Отбеливание — химический процесс, который сегодня проводят с использованием перекиси водорода (Н2О2) и небольших количеств щелочных активаторов. В результате окисления ингредиентов
(красящих веществ) древесины дерево светлеет и приобретает единый цвет.
В большинстве случаев после отбеливания проводят обработку бейцем, чтобы
получить изначальную или, лучше сказать, желаемую окраску древесины.
Надежное средство для отбеливания — смесь 35%-ной перекиси водорода с
10%-ным раствором аммиака в соотношении 1 : 5 или 1:10. Хотя при использовании этой смеси приходится терпеть запах аммиачного раствора, однако в процессе отбеливания на поверхности не остается солей. Вышеописанный процесс
достаточно длительный: при комнатной температуре он протекает в течение, в
среднем, 16 ч. При повышении температуры процесс можно ускорить. Для этого
необходима установка сушильного оборудования. Отбеливающие средства наносятся на поверхность губкой, кистью или распылительным пистолетом и действуют заданное производителем время, затем они смываются водой или паром, поверхность высушивается для дальнейшей обработки.
Список литературы
1. Argyropoulos, G. A.: Band 2: Schleifen plattenfoermiger Werkstuecke, Fachbuchreihe
Holzbearbeitung, AFWWerbeagentur GmbH, Kassel, 1991.
2. Rothkamm, M.: Mechanische Bearbeitung des Holz es fuer Beschichtungen, Lackhandbuch Holz, DRW Verlag Weinbrenner GmbH &Co., Leinfelden Echterdingen, 2003,
S.77-108.
3. Url: http://solutions.3m.com/portal/3M/deDE/Abrasive-Systems/.
4. Abbildungen der Firma Karl Heesemann Maschinenfabrik GmbH & Co. KG, Bad
Oeynhausen.
Глава 5. Методы нанесения лакокрасочных материалов для древесины
325
5. Методы нанесения лакокрасочных материалов
для древесины
В зависимости от требований к качеству поверхности и от геометрии обрабатываемых деталей для окраски древесины и древесных материалов применяется несколько методов. Следующие процессы используются при промышленной окраске:
. погружение;
• облив;
• обработка в барабане;
• распыление;
. налив;
. нанесение вальцами;
. окраска в вакуумной камере.
5. /. Погружение
Чтобы окрасить деревянное изделие самым простым и самым старым способом, нужно погрузить деталь в емкость с лакокрасочным составом, затем
вынуть, собрать капли и высушить. По сравнению с распылением этот метод
отличается более высоким выходом и незначительной инвестиционной стоимостью. Большим преимуществом погружения является высокий коэффициент полезног о действия, от 85 до 99%. Недостаток метода — плохо контролируемая толщина слоя покрытия, которая зависит от подготовки древесины, ее
влажности и продолжительности пребывания в баке с ЛКМ. Погружение равным образом пригодно как для окраски деревянных деталей массового производства, так и отдельных укрупненных изделий, например окон. Сегодня
погружение используется для окраски деталей мебели из сосны или пихты,
деревянных стульев, плетеных изделий, деревянных карандашей и линеек.
В последние годы этот метод приобрел значение при экономичной окраске
недорогих компонентов мебели. Но качество поверхности, достижимое при
использовании процесса погружения, недостаточно для высокосортной мебели. При промышленном использовании погружения, изделие (например,
окно) в циклическом или проходном процессе окунается в низковязкий лакокрасочный состав, вынимается и после прохода через участок стекания транспортируется в зону сушки. Зона стекания, которая часто оборудована подогреваемым обдувом, имеет большое значение для того, чтобы избежать образования на поверхности пузырей и наплывов. Метод погружения для строительных деталей наружного использования применяется скорее для пропитки и грунтования окон или изгородей, так как внешний вид поверхности не
очень соответствует современным требованиям. С точки зрения гигиены труда и с целью избежать опасности пожара во время работы, сегодня используют исключительно водорастворимые однокомпонентные составы. Баки для
погружения должны быть оборудованы автоматическими перемешивающими
устройствами, чтобы предотвратить оседание пигмента и других составных
частей материала.
5.2. Облив
В процессе облива ЛКМ наносится на проходящую мимо деталь через направленные форсунки. Избыточно нанесенный состав стекает и собирается
326
Глава 5. Методы нанесения лакокрасочных материалов для древесины
в улавливающей ванне, затем, после многоступенчатой фильтрации, опять
вводится в процесс. Эффективность процесса нанесения составляет 8 5 99%. Процесс облива в настоящее время применяется главным образом для
пропитки, грунтования и, в зависимости от качества Л К М , для промежуточной окраски деревянных окон и прочих строительных деталей для наружного использования. Облив - очень привлекательный с точки зрения стоимости
процесс. Промышленные установки состоят из закрытого обливного устройства, приспособления для подвешивания (например, Power & Free-Foerder) и
направляющего и регулирующего элементов. Стоимость покупки комплекта
полностью автоматической установки в зависимости от требований составляет от 20 до 100 тысяч евро. Основные преимущества и недостатки такого
процесса о к р а с к и , а также используемые материалы представлены в табл. 5.1
[ 2 ] . Последние 2-3 года процесс облива с успехом используется для нанесения бейцев и грунтовки на разобранные деревянные стулья. При этом применяют только водные бейцы и лакокрасочные системы.
Таблица 5.1. Преимущества и недостатки метода облива
Преимущества
Недостатки
• Можно применять для плавучих предметов
• Осаждение при быстрой перекачке меньше,
чем при погружении
• Более выгодно для больших деталей, так как
для них требуются большие емкости при погружении
• Уменьшение расхода ЛКМ в результате повторного использования
• При равном количестве и размерах деталей
количество ЛКМ в запасном баке меньше, чем
при распылении
• Возможно образование пены в ЛКМ
• При использовании содержащих растворители материалов приводит к повышению потери растворителей
• Из-за невысокого качества образующейся поверхности в настоящее время
можно применять только для нанесения
грунтовки или промежуточной окраски
Разгрузка
Ручное распыление со сбором
перераспыла {холодная стенка)
Рис. 5.1. Комбинированный процесс (погружение, облив и распыление) для окраски
деревянных окон [1]
Глава 5. Методы нанесения лакокрасочных материалов для древесины
327
5.3. Обработка в барабане
Барабанная обработка применяется для окраски мелких деталей (детских
игрушек, деревянных дверных ручек и т. д.). Мелкие детали вместе с лаком помещаются в барабан. Окраска происходит при вращении в кожухе обшитого
барабана. Современный процесс позволяет впрыскивать ЛКМ во время проведения процесса и одновременно подавать подогретый фильтрованный чистый воздух для оптимальной сушки мелких деталей без слипания. Подаваемый воздух может быть нагрет до 150°С. Детали находятся в движении столько
времени, сколько необходимо для их полной сушки. В процессе используются,
главным образом, водные составы. Коэффициент полезного действия при обработке в барабане составляет 95-100%.
5.4. Распыление
Распыление вследствие простоты ручного нанесения и гибкости является обязательным и самым часто используемым методом окраски древесины. Окраска деталей сложной геометрической формы, а также часто требуемое многообразие цветов не могут быть выполнены никаким другим методом. Несмотря на недостатки, связанные с образованием шлама при распылении, высокую эмиссию растворителей и большие энергетические затраты
на отработанный воздух, этот метод постоянно оптимизируется и приспосабливается. В основном применяют пневматическое распыление (воздушное
распыление под давлением), гидравлическое распыление (безвоздушное)
и гидропневматическое (безвоздушное с воздушной поддержкой). При таких способах распыления степень использования ЛКМ в зависимости от геометрии изделия составляет 20-50% [3]. Для распыления при низком давлении (HVLP) степень полезного использования материала повышается на
15-30%. Применяя электростатические методы окраски, можно достигнуть
более высокой степени использования лакокрасочных составов. Но так как
деревянные детали часто не обладают необходимой электропроводностью, то
электростатические методы используются только в особых случаях. Известно об электростатической окраске стульев и окон. Стулья обрабатывают с использованием так называемых омега-петель с высокооборотными дисками.
Но как показывает практика, в зависимости от геометрии деталей, их нужно
затем повторно обрабатывать вручную. Помехой для распространения электростатического метода является и не всегда равномерная влажность древесины, которая должна быть > 8%, и невозможность обеспечить постоянное заземление деталей в процессе окраски. Многие годы в промышленной окраске
древесины с успехом применяются различные концепции установок [4]:
• кабины ручного распыления с турникетами или подвеской деталей;
• проходные камеры распыления с подвесным конвейером, скользящим
транспортером или транспортными столами;
• плоские распылительные автоматы с постоянным проходом плоских деталей;
• плоские распылительные автоматы с периодическим режимом для плоских деталей (роботы-распылители).
Какая из концепций лучше, решает пользователь в зависимости от геометрии деталей, плотности упаковки на конвейере, числа окрашенных субстратов в день в квадратных метрах, количества цветов, эффектов и качества поверхности, а также стоимости обработки одного квадратного метра.
328
Глава 5. Методы нанесения лакокрасочных материалов для древесины
5.5. Налив
В процессе налива почти плоские или слегка искривленные субстраты проходят через лакокрасочную завесу и получают одностороннюю и равномерную
окраску. Процесс очень интересен, так как коэффициент полезного использования материала составляет 95-99%. Это основной процесс для получения
качественных гладких высокосортных покрытий в области окраски мебельных
фронтонов, внутренней отделки и промышленного изготовления дверей. В отличие от окраски на вальцах, где можно обрабатывать только плоские поверхности, налив подходит также для слегка выпуклых или по-другому деформированных субстратов. Основной предпосылкой к этому является то, что плоская струя ЛКМ (завеса) достигает всех мест поверхности изделия. Задействованными могут быть прозрачные и пигментированные 2К-ПУР, ПЭ, УФ-/ЭИ- и
водные 1К- и УФ-отверждаемые материалы. Наливные машины оборудованы
расположенной по всей ширине машины наливной головкой, которая с нижней
стороны на всем протяжении имеет регулируемый зазор [5]. Из наливной головки через зазор лакокрасочный состав попадает на поверхность субстрата в
виде гомогенной сомкнутой пленки. С помощью транспортера детали протягиваются под наливной головкой. Не попавший на поверхность детали состав по
металлическим желобам стекает в запасной бак. Таким образом, потери материала сводятся к минимуму. Из запасного бака нагнетательный насос перекачивает состав снова в наливную головку (см. рис. 5.2). Точное количество наносимого материала можно установить, регулируя зазор на наливной головке
или изменяя скорость прохождения деталей через наливную машину. Используемые на практике наливные машины различаются в основном конструкцией
наливной головки. Известны два ее варианта [7]:
— закрытая, универсальная наливная головка;
— переливная головка.
В случае закрытой головки существует несколько возможностей установки:
• безнапорная головка;
. состав вытекает через щель, ширина которой регулирует количество наносимого вещества
Налив при небольшом разряжении (наливная головка с разряжением)
При установлении определенного разряжения в наливной головке можно наносить небольшие количества материала без возникновения полос. Скорость
вытекания состава через щель уменьшается, и, в результате, ширина завесы
может вновь увеличиться.
Незначительное избыточное давление в замкнутом переливном трубопроводе
В переливной системе находится пленка, которая под действием силы тяжести является своеобразной дозирующей планкой. Этот вариант полезно предпочесть при использовании пигментированных систем, так как в этом случае
можно избежать осаждения пигмента на наливной щели. Новой возможностью является дозировка с использованием дозирующего валка. Внедрение
дозирующего валка в наливную головку способствует вытеканию определенного количества материала из емкости с лаком при вращении валка. Регулируя число оборотов дозирующего валка, можно автоматически быстро и очень
точно установить необходимый расход материала. Состав с дозирующего
валка бесконтактно снимается на сточную губу и затем образует наливную
пленку. Такие валковые наливные головки работают без наливной щели. Благодаря этому удается избежать оседания пигментов и загрязнения. Валково-
Глава 5. Методы нанесения лакокрасочных материалов для древесины
329
Наливная головка
Подача материала ^ ^ ^
Налитая пленка ЛКМ
Направление движения деталей
Транспортер
Субстрат
СборникЛКМ
Насос, подающий ЛКМ
Емкость с ЛКМ
Рис. 5.2. Схема наливной машины
наливные агрегаты особенно пригодны для нанесения водных УФ-систем без
пены и полос. Этот технический вариант позволяет перерабатывать материалы с вязкостью по вытеканию из 4-миллиметрового сопла от 20 до 70 с. Количество наносимого вещества составляет от 50 до 400 г/м 2 . Наливной процесс в различных вариантах применяется также для нанесения ненасыщенных
полиэфиров (ПЭ-составы) в производстве фортепиано. Известны следующие
процессы:
• контактный наливной процесс («активное грунтование»);
• на поверхность, подлежащую окраске, на первой стадии наносится перекисная (отвердитель) грунтовка методом налива (65-80 г/м2).
Затем грунтовка высушивается при комнатной температуре или в конвекционной сушке при низкой температуре. После этого происходит нанесение ПЭ-состава методом налива.
Двойная головка или двухголовочный наливной процесс
Основа ненасыщенного полиэфирного состава должна быть смешана с ускорителями (соли металлов) и другими ингредиентами и с отвердителем (пероксидом). Основа с ускорителями вытекает из первой наливной головки,
а часть — с отвердителем из второй головки двухголовочной наливной машины.
Совмещение обеих частей происходит в рабочем процессе. После 15-20 минут гелеобразования процесс повторяют. При переработке на машинах с двойной головкой тиксотропных ПЭ-материалов (содержащих парафин), для которых необходима заключительная полировка, появляется опасность возникновения выбоин и рытвин на поверхности. При дефектах поверхности типа «выбоин»
речь идет о визуально заметных повреждениях окрашенной поверхности после
шлифовки и полировки. Дефектность становится особенно заметной под определенным углом зрения и с помощью люминесцентных ламп. Модификацией
налива с двойной головкой является так называемый сэндвичевый процесс, который позволяет получить высокоглянцевые поверхности, похожие на поверхности, получаемые распылением ПЭ-составов и не имеющие выбоин.
330
Глава 5. Методы нанесения лакокрасочных материалов для древесины
Сэндвичевый процесс
С помощью двухголовочной наливной машины наносят «мокрым по мокрому» ПЭ-состав с ускорителем и сэндвичевый отвердитель (раствор органической перекиси в системах без стирола). После подсушивания в течение
15 мин. вновь толстым слоем наносят состав с ускорителем. Обычно после гелеобразования наливают покрывной лак, который служит только вспомогательным средством для шлифовки и полировки.
5.6. Нанесение на вальцах
Метод нанесения вальцами используется исключительно для односторонней или двухсторонней обработки плоских деревянных изделий. Лакокрасочный материал наносится с помощью вращающихся резиновых вальцов. Твердость по Шору применяемых вальцов составляет в среднем от 40 до 50 ед..
Дозировка материала при нанесении проводится с помощью хромированного дозирующего вальца. Количество нанесенного материала зависит от прижимного усилия или ширины зазора между дозирующим и наносящим валками. Другими факторами влияния являются вязкость материала или реологические свойства лакокрасочной системы, скорость движения транспортера в
м/мин и скорость вращения дозирующего и наносящего вальцов. Вальцовый
процесс применяется главным образом для нанесения 100%-ных УФ-систем,
бейцев, промоторов адгезии и водных материалов. Количество наносимого
сырого материала на один вальцевый агрегат может быть от 4 до 120 г/м 2 для
вальцевых шпатлевочных машин (рис. 5.3и 5.4) [8]. При нанесении ЛКМ вальцами существует две возможности: принцип равнонаправленного движения и
реверсный процесс.
Принцип равнонаправленного движения.
В случае осуществления принципа равнонаправленного движения наносящий валок и обрабатываемая деталь движутся в одном направлении (рис. 5.5)
[9]. В современных агрегатах, как правило, наносящий и дозирующий вальцы
работают с отдельными приводными двигателями. Преимущество такой установки состоит в том, что дозирующий и наносящий вальцы могут двигаться
как в одном направлении, так и навстречу друг другу. Кроме того, можно варьировать скорость вращения каждого из них по отдельности. Таким образом,
Наносящий валец
Ракель
/
Гладкий валец из металла
Дозирующий валец
Ракель для смачивания
и увлажнения
Направление движения детали
Субарат
Противовальцы
Рис. 5.3. Схема тяжелой шпатлевочной машины
Глава 5. Методы нанесения лакокрасочных материалов для древесины
331
уменьшается износ материала между
Дозирующий валец
двумя вальцами и получается блестя- Гладкий валецРакель
из
(движется в
Направлещая окрашенная поверхность. В табл. стали
обратном направние движелении)
ния детали
5.2[9] перечислены параметры, влиЛак
Субстрат
яющие на процесс, организованный
по принципу равнонаправленного
движения (дозирующий и наносящий
вальцы синхронизированы). УстановПротивовальцы
ка движения дозирующего вальца в
противоположном (реверсном) на- Рис. 5.4. Схема легкой шпатлевочной машины
правлении (называемая относитель^ Ракель
ным процессом) позволяет лучше, по
Наносящий валец
rrf
Дозирующий валец
N»
Ef
сравнению с синхронной установкой,
регулировать количество наносимого
Лак
%=1=»^
Направлевещества. При таком варианте про_____,„_„ *
ние движеСубстрат — • j ^ ^
, й " \ ния детали
цесса достигают заметно более гладкой вальцевой поверхности, так как,
при движении дозирующего и наноПротивовальцы
сящего вальцов навстречу друг другу,
не может происходить разрыва пленки (рис. 5.6) [9]. При комбинировании Рис. 5.5. Вальцевая машина равнонаправленнескольких таких вальцов для нанесе- ного движения при однонаправленном врания покрывного лака, например с УФ- щении дозирующего и наносящего вальцев
предгелированием поверхности или
без него, удается дополнительно реНаносящий валец
рз Дозирующий валец
гулировать и улучшать гладкость поверхности и деформацию покрытия,
НаправлеЛак
ние движеа также степень блеска поверхности
Субстрат - и ^ г а ш
ния детали
мебели (см. часть 3.1.6). В табл. 5.3
[9] представлены параметры процесса по принципу равнонаправленноПротивовальцы
го движения для случая реверсного
движения дозирующего вальца.
Рис. 5.6. Вальцевая машина равнонаправРеверс-процесс
Дальнейшее стремление к упро- ленного движения при противоположном
щению вальцевой структуры равно- направлении движения дозирующего и нанаправленного и относительного носящего вальцов
процессов привело к развитию реверсного процесса. В таком варианте наносящий валец движется в направлении, противоположном направлению движения обрабатываемых деталей.
При этом получаются очень гладкие, почти без структуры поверхности, так как
полностью исключается расщепление пленки между наносящим вальцом и поверхностью субстрата. Таким образом можно наносить свыше 120 г/м 2 материала. Сегодня практикуется сочетание реверсного процесса с равнонаправленным. Сначала на вальцевой установке равнонаправленного движения происходит заполнение древесных пор и стыков, а затем на реверсных вальцах
получают оптимально гладкую поверхность. Количество наносимого на последнем этапе материала зависит от дозировки и скорости вращения вальцев. На первых реверс-агрегатах при окраске, например, в серийном изго-
ш
t
1
332
Глава 5. Методы нанесения лакокрасочных материалов для древесины
Таблица 5.2. Эффективность параметров равнонаправленного процесса
при однонаправленном движении вальцев
Параметры процесса
Эффект
Повышение скорости
дозирующего вальца
Увеличение количества наносимого материала
Снижение скорости
дозирующего вальца
Уменьшение количества наносимого материала
Повышение скорости
наносящего вальца
Увеличение количества наносимого материала,
структурный эффект, опасность возникновения
ряби и входного канта (различие скорости наносящего вальца и транспортера не больше 1,5 м/мин)
Снижение скорости
наносящего вальца
«Эффект кисти», снижается волнообразная
структура
С металлическим или пластиковым
ракелем на дозирующем и наносящем вальцах
Гладкая поверхность покрытия, меньшее количество наносимого материала, пластиковый ракель
создает, как правило, меньше полос, чем металлическая
(Часто дозирующий валец работает без ракеля!)
Снижение прижимного
давления вальцев
Увеличение количества наносимого материала
Таблица 5.3. Эффективность параметров равнонаправленного процесса
при противоположном движении вальцев
Параметры процесса
Эффект
Увеличение скорости
дозирующего вальца
Снижение количества наносимого материала,
тонкая структура, ускорение = опасность
образования полос
Снижение скорости
дозирующего вальца
Увеличение количества наносимого вещества,
больше структуры
Увеличение скорости
наносящего вальца
Увеличение количества наносимого материала,
больше структуры, эффект сдвига, входной кант
Снижение скорости
наносящего вальца
«Эффект кисти», уменьшается волновая структура
С металлической или пластиковой
раклей на дозирующем и наносящем вальцах
Гладкая поверхность покрытия, небольшое нанесение, пластиковый ракель образует меньше полос,
чем металлическая, (дозирующий валец всегда
работаете ракелем!)
Прижимное давление вальцев
уменьшается
Увеличение количества наносимого вещества
товлении внутренних дверей, на входной и выходящей кромках изд елия образовывались утолщения. Эту проблему удалось решить техническими средствами путем специальной регулировки нижнего резинового противовальца
(осевой сдвиг). На рис. 5.7представлена комбинированная вальцевая машина
с равнонаправленным и реверсным агрегатами [ 8 ] .
Глава 5. Методы нанесения лакокрасочных материалов для древесины
333
Желобчатые резиновые вальцы
Реверсный агрегат Равнонапраеленный агрегат
(«Rilli-вальцы»)
Ракель
Ракель
При использовании желобчатых ре- Дозирующий Ч
Дозирующий
зиновых вальцов для нанесения УФвалец ^
покрывного лака можно получить поЛак
верхность, аналогичную той, которая получается при нанесении наливом. Используемые резиновые
вальцы подразделяются по числу
желобков (бороздок) на дюйм (окоПротивовальцы (передвижные оси)
ло 25,4 мм). Для грунтовки используются вальцы с числом желобков от Рис.5.7. Комбинированная вальцевая
64\ а для обработки УФ-покрывным машина с равнонаправленным и реверсным
лаком в зависимости от произво- агрегатами
дителя — от 80 до 84. По типу производства резиновые вальцы делятся на обработанные лазером и проточенные. Так как производители работают частично с различающимися углами
заточки, то получаются вальцы с различной высотой неровностей профиля.
В экстремальных случаях это означает, что вальцы разных производителей,
несмотря на одинаковое число желобков, могут давать различные результаты вальцевания. Для использования в мебельной промышленности твердость
вальцов по Шору должна быть от 25 до 30. Нанесение покрывного лака часто
проводят комбинированным методом «мокрое по мокрому» гладким вальцом
и желобчатым (число желобков 80-84) с количеством наносимого лака от 23
до 25 г/м2. Существуют также комбинации двух желобчатых вальцов, работающих «мокрым по мокрому», для нанесения высокоглянцевых покрывных лаков.
Количество наносимого материала при этом составляет около 30 г/м 2 . Нанесение УФ-покрывного лака одним желобчатым вальцем на шлифованную УФгрунтовкуне приводит к удовлетворительным результатам. Чтобы при использовании желобчатых вальцов (число желобков 80, твердость по Шору 25) можно было гарантировать хороший результат обработки, прижимное давление к
детали должно быть 1,2-1,8 мм.
5.7. Окраска в вакуумной камере
Наряду с широко известными методами нанесения ЛКМ распылением, наливом и вальцами, процесс нанесения в вакууме приобретает все большее значение для окраски УФ-материалами прутов, планок, панелей, профилей, кантов, ребер и окон. При вакуумной окраске не только понижается эмиссия органических растворителей, но и сокращаются потери материала при перераспыле. Коэффициент полезного действия при вакуумной окраске составляет
100%. Первые установки для нанесения покрытий при пониженном давлении
появились около 25 лет назад. Модуль вакуумной окраски состоит из следующих компонентов:
• система подачи ЛКМ (насос);
. камера для нанесения ЛКМ;
• вакуумный насос;
• система выделения ЛКМ.
1
Число желобков 64 означает, что на дюйм приходится 64 желобка.
334
Глава 5. Методы нанесения лакокрасочных материалов для древесины
Принцип действия установки
С помощью мембранного насоса Л КМ из запасного бака через обливную раму
подается на обрабатываемое изделие в камере нанесения под вакуумом. В результате отсоса воздуха (разряжения) лакокрасочный состав вздымается вихрем и высасывается вверх. Через полученный таким образом лакокрасочный
туман транспортируется субстрат. Он оказывается равномерно окрашенным
со всех сторон, причем входное и выходное отверстие камеры нанесения соответствуют поперечному сечению субстрата, и циркуляция воздуха при создании
вакуума в машине остается закрытой. Расстояние между матрицей и изделием
может быть только несколько миллиметров.
Отсос воздуха имеет двойную функцию: во-первых, он должен вздымать ЛКМ
в сборнике бака. Кроме того, он должен ламинарным потоком, поступающим
через выходную матрицу, уносить избыток ЛКМ и возвращать его в окрасочную камеру для нового использования. В процессе выноса происходит сглаживание поверхности. Чтобы добиться высокой степени нанесения, нужно отделить распыленный материал от воздуха. Этот процесс осуществляется в системе осаждения ЛКМ. Отделение лака от воздуха осуществляется с помощью
так называемого воздушного дефлектора. Вслед за этим лак поступает опять
в исходную емкость.
Параметры процесса
Параметры процесса, влияющие на количество наносимого материала
в процессе окраски под вакуумом, представлены в табл. 5.4. [ 9 ] .
Таблица 5.4. Параметры процесса окраски в вакуумной камере
Параметр/регулирование
Результат
Скорость движения изделий:
— медленнее
— быстрее
Уменьшение количества наносимого материала
Увеличение количества наносимого материала
Вакуумирование:
— высокий вакуум
(пониженное давление)
— низкий вакуум
(повышенное давление)
Уменьшение количества наносимого материала
Увеличение количества наносимого материала
Зазор между матрицей
и окрашиваемым субстратом
Неточность матрицы ведет к потере вакуума
и к неравномерному нанесению ЛКМ
Максимальный зазор от 1,3 до 1,5 мм
Грязь/примеси
Повреждение поверхности, снижение блеска,
шероховатая поверхность. Улучшение отсоса при
шлифовке: применение автоматической фильтрации ЛКМ. Капсулирование наносящей головки и
фильтрация воздуха
Температура ЛКМ
— повышение температуры
— понижение температуры
Может привести к загущению УФ-материала.
Влияет на растекание, УФ-активность, оптимальная
температура от30до45°С
Применение не подходящей системы откачки
Может привести к образованию пены. Подходят
насосы с двойной мембраной и передаточным
отношением 1: 1
Глава 5. Методы нанесения лакокрасочных материалов для древесины
335
Список литературы
1. Firmenbroschuere: Holzlackierung, Firma Eisenmann Maschinenbau, Boeblingen.
2. Hora,G.:FlutlackieurngvonHolzbauteilen,Fraunhofer-lnstitutfuerHolzforschung(WKI),
Braunschweig, Referatanlaesslichdes 12. Holztechnischen Kolloquium in Braunschweig,
2004.
3. Prieto, J.: Holzlackieren. In: Berichtsband des DFO-Lehrgangs Lackieren von Holz und
Holzwerkstoffen, Braunschweig, 2001.
4. Hoffmann, U.: Jahrbuch fuer Lackierbetriebe, VincentzVerlag, Hannover, 2000, S. 423-437.
5. Eichhorn, J.: Jahrbuch fuer Lackierbetriebe, VincentzVerlag, Hannover, 2000, S. 195.
6. Frick, A.: Lackieren von Holz/Moebeloberflaechen, VDI-Verlag, Duesseldorf, 1979,
S. 49-60.
7. Rutkowski, R.: Glasurit Handbuch Lacke und Farben, Glasurit-Werke M. Winkelmann
AG, Hamburg - Hiltrup - Berlin, 1969.
8. Unbekannt: Verniciatrici a Rulo, technische Unterlage der Firma Giardina.
9. Prieto, J., Kiene, J.: Lehrbuch der Lacke und Beschichtungen, Kittel Band 9, S. 319351, S. Hirzel Verlag Stuttgart, Leipzig, 2004.
10.Unbekannt:Vakumat-Power-Point-Praesentation, Firma Schiele Maschinen GmbH,
Niederzissen, 2000.
336
Глава 6. Процесс рециркуляции для лакокрасочных систем
6.Процессрециркуляциидлялакокрасочныхсистем
В последние годы после вступления в силу «Предписания об использовании
растворителей» (см. часть 9.1) и на основании норм охраны окружающей среды
в деревообрабатывающей промышленности все большее развитие получают
Л КМ на водной основе с остаточным содержанием растворителей от 0 до 15%.
Перераспыл 1К-водных систем (воздушной сушки, УФ-отверждаемых) можно
вернуть обратно в цикл обработки, что особенно рационально в случае использования техники нанесения с высокими потерями за счет образования тумана.
Это не только уменьшает нагрузку на окружающую среду, но и значительно экономит расходы на производство. Ценовой прессинг в деревообрабатывающей
промышленности постоянно растет, напрашивается внедрение внутризаводской рециркуляции перераспыла [1], причем должны быть выполнены следующие условия:
• качество возвращенных в производство лакокрасочных материалов
должно быть сравнимо с качеством исходного состава;
• должно производиться достаточное количество пригодных для рециркуляции материалов;
. нужно по возможности реже проводить смену цвета;
• линии окраски должны быть налажены под соответствующую лакокрасочную систему с учетом процесса рециркуляции.
Решение для каждого конкретного процесса в экономическом аспекте принимается только индивидуально. Самым важным критерием, конечно, является расход ЛКМ. Различают следующие типы рециркуляции перераспыла:
• непрямой возврат материала из промывной воды (ультрафильтрация, коагуляция);
• прямой возврат лака с улавливающего устройства:
— гибкая транспортная лента и ракельная система;
— сбор материала на охлаждаемой улавливающей плоскости;
• «лак в лак»-камера;
. комбинированный процесс.
Некоторые из этих процессов [1-7] сегодня внедрены на отдельных предприятиях деревообрабатывающей промышленности, главным образом для
обработки древесины внутреннего и
внешнего использования.
Гибкая транспортная лента
и система ракелей
Простейший процесс рециркуляции ЛКМ реализуется с помощью
улавливающих лент. В этом случае
избыточно распыленный материал
оседает на движущейся ленте, которая при окраске плоских деталей используется как транспортер (см. рис.
6.1). V-образная ракель собирает
ЛКМ к середине съемной ленты. Собранные излишки задерживаются в
Рис. 6.1. Очистка гибкой транспортной ленты резервуаре и возвращаются в производственный цикл. Эта система наV-образной раклей. Источник: Venjakob
Глава 6. Процесс рециркуляции для лакокрасочных систем
ходит широкое применение при обработке плоских древесных материалов.
Возвращение ЛКМ с охлаждаемой
улавливающей плоскости
Сбор и возврат ЛКМ с помощью
охлаждаемых плоскостей уже внедрен на многих предприятиях. Принцип основан на том, что образующийся перераспыл ЛКМ задерживается на охлаждаемой стенке или стойке. Охлаждаясь при температуре ниже точки росы,влага конденсируется
на улавливающем устройстве. Таким
образом предотвращается подсыхание состава, который может стекать
или собираться ракелем. Принцип
процесса описан в части 3.2.3.2. Свободное расположение улавливающих
плоскостей позволяет размещать их
на уже установленном оборудовании. Существенным преимуществом
является их компактность.
«Лак в лак»-камера
Процесс «лак в лак» основан на рециркуляции перераспыла с использованием камеры, заполненной ЛКМ.
Образовавшийся распыленный туман собирается на передней стенке
камеры, орошаемой тем же материалом. После фильтрации этот материал можно снова возвращать в процесс. Чтобы уменьшить подсыхание
перераспыла высыхающих на воздухе водорастворимых материалов, во
время перерыва в работе включают
установки увлажнения воздуха. При
смене ЛКМ, предыдущий откачивается в запасной бак и подсоединяется
автоматическая промывка установки
дистиллированной водой [2]. Принципиальная схема такой установки
представлена на рис. 6.2.
Этот процесс подходит и для маленьких, и для больших установок,
если минимальный расход ЛКМ в
день составляет 50 кг. В этом процессе в цикл можно возвращать только материалы чистого цвета. Все дру-
337
Очищенный воздух
, Тонкий фильтр
Орошаемая среда
ВаННа ДЛЯ Орошаемой
Среды
Вращающийся сетчатый барабан
для сепарации перерэспыла
Рис. 6.2. Принцип распылительной
камеры «лак в лак»
Источник: Rippert Anlagentechnik.
Рис. 6.3. Применение «лак в лак» распылительной камеры для окраски стульев
Источник: Rippert Anlagentechnik.
338
Глава 6. Процесс рециркуляции для лакокрасочных систем
гие цвета будут давать смешанные краски. На рис. 6.3 представлена установка
по окраске стульев.
В последние годы на рынке появились комбинированные методы рециклизации (Inlac, Relac и т.п.). Прежде чем установить систему рециклизации, обратите внимание на следующие моменты:
• многообразие цветов использующихся в окрашивающей установке и ча
стоту смены цвета;
• стабильность и нагруженность ЛКМ в камере (механическая нагрузка,
срез, температура);
• скорость высыхания задержанного перераспыла;
. чистота и сортность собираемого перераспыла;
• способ производства процесса;
. экономический расчет.
Список литературы:
1. Prieto, J., Kiene, J.: Holzlackieren, Kapitel 9.2.5, Lehrbuch der Lacke und
Beschichtungen, Kittel Bd. 9 Verarbeitung von Lacken und Beschichtungsstoffen,
S. Hirzel Verlag Stuttgart - Leipzig, 2004.
2. Ondratschek, D.: RueckgewinnungstechnikfuerSpritzlacke, Kapitel 9.1.2.3.2, Kittel Bd.
9 Verarbeitung von Lacken und Beschichtungsstoffen, S. Hirzel Verlag Stuttgart Leipzig, 2004.
3. Unbekannt, Overspray-Recycling von Wasserlack im Betrieb - Welcher Verfahren
gibtes?, Journal fuer Oberflaechenbehandlung (JOT), S. 45 (1998).
4. Eberhard, G.: Recycling von wasserbasierenden Lacken - Stand der Technik und neue
Entwicklungen. In: Tagungs-CD 15th World Interfinish Congress and Exhibition,
Garmisch-Partenkirchen 2000.
5. W. Heine: Lackrueckgewinnung waessriger und loesemittelfreier, fluessiger
Beschichtungsstoffe, In: Tagungs-CD 15th World Interfinish Congress and Exhibition,
Garmisch-Partenkirchen 2000.
6. Acker, G., Holzfensterlackierung in Moebelqualitaet, Journal fuer Oberflaechentechnik
(JOT), S. 32(1999).
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
339
7.Процессысушкииотверждения
Под пленкообразованием понимают процесс преобразования массы, сопровождающийся испарением растворителей с одновременной химической
реакцией, когда речь идет об отверждающихся лакокрасочных системах. Этот
процесс ускоряется и инициализируется при подводе энергии в форме тепла или электромагнитного излучения. Какой процесс сушки и отверждения использовать, часто зависит от требований, определяемых с точки зрения, например, экологии и экономики 1 . Из-за различий в геометрии обрабатываемых
деталей и разнообразия технологий лакокрасочных покрытий не существует
единого наилучшего решения при планировании процессов сушки и отверждения. В этой части рассказывается о важнейших процессах сушки и отверждения в области окраски древесины и древесных материалов.
На рис. 7.1. [2] представлены в общем виде основные факторы, влияющие
на процесс сушки водорастворимых и содержащих растворители материалов.
Процесс высыхания ЛКМ зависит от большого количества различных параметров, например от впитывающей способность подложки, от количества нанесенного вещества, температуры субстрата и воздуха, от влажности воздуха,
скорости воздушного потока, м/сек, а также от используемой лакокрасочной
системы.
В табл. 7.1. [1] приводится стоимость затрат на сушку 1 квадратного метра
окрашенной поверхности (в евро) при использовании различных процессов
сушки, в зависимости от количества продукции. Стоимость квадратного метра
продукции неизбежно уменьшается при увеличении производства. В данном
случае процесс сушки изучали на примере водорастворимых систем, и было
показано, что при мощности производства в 140 м2/ч различия в стоимости
для разных способов сушки почти нет.
Воздух
• Температура Твозд (t)
• Влажность F
• Скорость потока v
/^
/
/
Пленка покрытия
• Температура Тпленки (t)
• Толщина пленки d (t)
• Состав ЛКМ
\Субстрат
• Температура Тсу6стр (t)
• Влжность древесины F
• Впитывающая способность S (t)
Рис. 7.1. Факторы, влияющие на сушку и отверждение лакокрасочной системы
1
Согласно DIN 55945 под сушкой понимают переход лакокрасочного покрытия из жидкого состояния в твердое. Под физической сушкой в лакокрасочной технике понимают в общем испарение растворителей, аддитивов и других вспомогательных веществ без химических реакций. Под
отверждением понимают сшивку пленкообразователя в результате химической реакции, причем
сшивка означает образование трехмерной сетки.
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
340
Таблица 7.1. Цена м2 в зависимости от количества произведенной продукции
Количество продукции
[м2/час]
Конвекционная
сушка
Конвекционная сушка с сухим воздухом
(«Hydrex»)
Микроволновая
сушка
ИК-нагрев/конвекция («0IRTrockner»)
10
2,384
2,653
2,714
2,362
30
0,795
0,884
0,905
0,787
50
0,477
0,531
0,543
0,472
70
0,341
0,379
0,388
0,337
100
0,238
0,265
0,271
0,236
120
0,199
0,221
0,226
0,197
140
0,170
0,190
0,194
0,169
7. /. Конвекционная сушка
Если тепло подводится к покрытию/субстрату с использованием воздуха, то
говорят о конвекционной сушке. Для этого на практике применяют форсуночные сушилки или сушилки с циркуляцией воздуха. Необходимую для нагрева
воздуха энергию получают при утилизации отходов (сжигании древесины) в
форме пара или горячей воды. Из-за опасности взрыва законодатели в предписаниях BGV D24 и BGV D25 для производителей установили регламентацию
для концентрации циркулирующего воздуха в сушке [3]. В документе BGV D25
предписана концентрация горючих органических растворителей в выходящем
воздухе не более 0,8% об. В зависимости от лакокрасочной системы и содержания в ней органических растворителей можно варьировать количество необходимого отработанного и свежего воздуха. Сушка проходит при температуре циркулирующего воздуха от 25 до 80°С, в зависимости от чувствительности субстрата к нагреву (например, проклеенных кантов). При сушке окрашенных твердоволокнистых древесных плит температура может быть от 120
до 140°С. Вообще конвекционная сушка требует относительно много места изза продолжительного времени сушки лакокрасочных систем. Следует знать,
что только от 2 до 5% общих энергетических затрат эффективно используется
в канале сушки. Потери тепла очень большие.
Форсуночная сушка
Форсуночная установка непосредственно нагнетает горячий воздух (отвесно
или наклонно) на проходящие мимо субстраты через круглые или щелевые сопла. Благодаря экстремально высокой скорости воздушного потока, в сушке такого типа достигается очень быстрое высыхание покрытия. Скорость воздушного потока составляет от 15 до 25 м/сек. Чтобы добиться оптимального теплового
потока, форсуночную сушку обычно разделяют на несколько температурных зон
с независимым регулированием температуры и скорости движения воздуха.
Они применяются, например, для сушки бейцев и водных вальцевых грунтовок.
Циркуляционная сушка
В мебельной промышленности циркуляционная сушка имеет широкое распространение. При этом воздух противотоком или сквозным потоком проходит над осушаемым субстратом. Сушка эксплуатируется со скоростью воз-
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
341
- t . . . •>„..
ШУР
>•>
ВI й п 3 f IУIУ йjBsJfj fiTiJt]
Рис. 7.2. Схема форсуночной сушки с круглыми соплами [4]
Рисунок 7.3. Схема циркуляционной сушки [4]
душного потока 0,5-5 м/с. Этот вид сушки более щадящий для ЛКМ, чем форсуночная система сушки. Для плоских деталей устанавливают так называемые
плоские ленточные сушки с ленточным или поперечно-стержневым транспортером или стеллажной тележкой по выбору. Когда покрытие должно быть высушено осторожно, используют стеллажные тележки с 12 или 14 полками, которые проходят через туннель сушки непрерывно или в циклическом режиме. Время сушки может быть от 60 минут до 6 часов при температуре от 25 до
45°С. В таком туннеле обычно осуществляется режим понижения или повышения температуры.
Высокая сушка
Высокая сушка состоит из некоторого количества поддонов, число и размер которых определяется в соответствии с производственной задачей. После нанесения ЛКМ детали отправляют в сушку. Детали скапливаются на поддоне, который затем поднимается. Тогда следующий поддон встает под загрузку для поступающих деталей. Высокая сушка может состоять, например,
из четырех зон, оснащенных 24 поддонами. Когда поддоны первой температурной зоны достигают верхней позиции, происходит поперечное перемещение во вторую зону, где поддоны опускаются вниз для перехода в тре-
342
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
Рис. 7.4. Схема высокой сушки
тью зону и т.д. На рис. 7.4. представлена высокая сушка. Она состоит из четырех независимо друг от друга вентилируемых температурных зон с 96 поддонами. Первая зона — зона испарения или успокоения, вторая и третья —
зоны сушки, четвертая — зона охлаждения. Необходимое количество воздуха
25-30 тыс. м3/час. Из первой зоны воздух нужно выводить полностью. В других
областях (сушки и охлаждения) на 70 частей старого воздуха нужно вводить
30 частей нового. Время сушки может выглядеть следующим образом:
• 12 минут - испарение (25°С температура воздуха);
. 24 минуты - форсированная сушка (от 35 до 50°С);
• 12 минут-охлаждение (25°С).
Высокая сушка пригодна, в общем, для водных и содержащих растворители
лакокрасочных систем.
Часто форсуночную или циркуляционную сушку на третьем этапе совмещают с коротковолновым ИК-излучением. Благодаря этому, сушка водных материалов дополнительно ускоряется.
Для того чтобы повысить эффективность циркуляционной сушки водных составов, используют дополнительно высушенный воздух. В результате воздух
может поглощать больше влаги в единицу времени и процесс сушки, по сравнению с циркуляционными установками, сокращается, в зависимости от параметров, на 20-40%. Для выделения влаги из воздуха существует два основных
метода:
— охлаждение воздуха с выделением влаги с помощью холодильных агрегатов;
— удаление влаги с помощью адсорбирующих веществ.
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
343
1. Направление
движения субстрата
2. Воздух, насыщенный
водяным паром
3. Конденсатор
охлаждающего
агрегата
4. Высушенный воздух
Рис. 7.5. Схема воздушной сушки с холодным конденсатором [6]
Конденсация с отделением влаги из воздуха
В 1973 г. Хельман (Hellman) разработал процесс гидроосушки. Процесс удаления влаги известен также под названием «Hydrex» (Venjakob) и «Dri-AIRVerfahren» (Rippert). Конвекционные сушки в мебельной промышленности работают при температуре от + 40 до +120°С. Насыщенный водяным паром воздух
выводится и выравнивается по содержанию влаги с наружным воздухом. Посредством дополнительно встроенного холодного конденсатора воздух, обогащенный водяным паром, освобождается от влаги на охлажденной до -10 -15"С поверхности и возвращается в процесс сушки с абсолютной влажностью
от 1 до 4% и температурой 30-40°С. В результате конденсации влаги обычно происходит очистка воздуха в цикле. При конденсации теплота испарения
опять выделяется и через теплообменник возвращается в цикл сушки. Таким
образом, воздушный процесс может быть экономически выгодным.
Систематические исследования показали, что ЛКМ на водной основе при таком процессе сушки высыхают заметно быстрее, чем с циркуляционной сушкой, при этом уменьшается шероховатость древесины. Время сушки для современных УФ-водных материалов, при нанесении 80-90 г/м 2 , может быть
меньше 10 мин. Чтобы уменьшить возникновение дефектов поверхности при
ускоренной сушке водных материалов, относительная влажность воздуха не
должна быть ниже 20%. Практически она равна 20-25%. Холодная сушка, может быть, работает и не в таком широком интервале температур (от 30 до 40°С),
однако при определенных условиях будет приносить большую экономическую
выгоду. Недостаток, связанный с невысокой степенью осушения на единицу
объема воздуха, компенсируется большим расходом воздуха.
Осушение воздуха с помощью адсорбирующих веществ (сорбционная сушка) [7]
Подлежащий осушению воздух непрерывно проводится через вращающийся ротор. Ротор заполнен сорбирующим веществом2, таким как хлорид лития
2
Сорбция — это общее название для процесса обогащения области раздела фаз каким-либо
веществом или частицами. Сорбция происходит преимущественно на границе между жидкой и
твердой, а также между газообразной и твердой фазами, но может осуществляться и на поверхности раздела между жидкой и газообразной фазами. Сорбирующая твердая фаза или поверхность
раздела - это сорбент или сорбирующее средство. Увеличивающееся, но еще не сорбированное
вещество называется сорбтив, а включенное или находящееся на поверхности — сорбат.
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
344
1, Сектор воздуха рабочей зоны
2. Сектор регенерации
Нагреватель
Регенерируемый воздух^
С^хой воздух
Влажный воздух
Влажный воздух
рабочей зоны
Сортирующий ротор с сорбентом
Рис. 7.6. Принцип снижения влажности воздуха по Мунтер (Munter) [7]
или некристаллический силикагель (титан-силикагель). Ротор разделен на
два сектора: сектор, находящийся в рабочей зоне (270°) и сектор регенерации
(90°). Осушаемый воздух проходит через рабочую зону ротора, который имеет
аксиальную сотовую структуру. Сорбент забирает влагу, и осушенный воздух
через выходное отверстие сушки возвращается в процесс. Одновременно отдельный воздушный поток (регенерационныи воздух) нагревается и проходит
через сектор регенерации. Затем нагретый воздух выводится регенерационным вентилятором. Ротор поворачивается (около 8 об./ч) для постоянной регенерации секторов, собравших влагу. Одновременно рабочий сектор ротора
постоянно продвигается в зону регенерации. Таким образом, происходит непрерывное осушение воздуха.
Подводя итоги, можно сказать, что конвекционная сушка (форсуночная или
циркуляционная) — очень эффективная технология для сушки водных ЛКМ.
Решающими факторами для скорости сушки являются скорость воздушного
потока в м/с, влажность осушающего воздуха и температура. Эффективность
конвекционной сушки возрастает при использовании приемов, снижающих
влажность воздуха.
7.2. Инфракрасная сушка
Если тепло переносится с помощью теплового излучения (например, электромагнитных волн, инфракрасного излучения), то говорят о сушке облучением. Если ИК-излучение попадает на вещество, то происходит взаимодействие
в виде отражения, абсорбции и рассеяния. Используемые ЛКМ имеют полосы
поглощения значительной интенсивности во всей области ИК-излучения, так
что достигается высокая степень переноса тепла при расширенном эмиссионном спектре источника излучения. Оптимальный для теплопереноса интер-
346
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
^ г» *
*
*
* * i^ •
•
J J . . L I .
1. Подача газа
2. Вентилятор
3. Воздух из сушки
4. Термореактор (каталитическое
окисление газа)
5. ИК-излучение (2-10 цм длина волны)
+ конвекция
Рис. 7.7. Принцип действия термореактора
300 ГГц. Они производятся магнетроном. Самой известной и чаще всего используемой является частота в 2,45 ГГц, которая соответствует длине волны
0,12 м. Микроволновой нагрев относится к области диэлектрического нагрева. Под этим понимают создание тепла в неэлектропроводных или слабо проводящих веществах при действии высокочастотного переменного электрического поля [10]. Различают следующие типы сушки с помощью высокочастотных электромагнитных волн:
• высокочастотная сушка в области частот от 0,3 до 300 МГц;
• микроволновая сушка в области частот от 300 МГц до 25 ГГц.
Высокочастотная сушка
В области частот от 0,3 до 300 МГц говорят о высокочастотном нагреве или
нагреве конденсаторного поля. Высокочастотная сушка, за небольшим исключением, не применяется для водорастворимых материалов. Сушка с частотой
27 МГц используется, например, для распыленных УФ-водных составов в промышленном производстве ступеней. При этом необходимо время для испарения воды (около 90 с). После этого сразу можно отверждать материал с помощью УФ-ламп. Для равномерного выведения обогащенного водяным паром
воздуха дополнительно необходим конвекционный нагрев. Для равномерной
воспроизводимой сушки принципиальным является использование однородных древесных материалов.
Микроволновая сушка
С помощью высокочастотных электромагнитных волн можно высушивать
только материалы, которые в состоянии превращать эту электромагнитную
энергию в тепло. Особенно пригодными являются водные материалы, так как
молекулы воды представляют собой диполи, ориентированные в электрическом поле. Под воздействием высокочастотного переменного поля в молекулярных диполях воды возбуждаются ротационные колебания. В результате
межмолекулярного трения высокочастотная энергия абсорбируется и перехо-
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
347
дит в тепловую энергию для сушки [10]. В рассматриваемом диапазоне частот
очень хорошее поглощение и у полярных растворителей, таких как пропанол.
Содержащие металл субстраты должны быть исключены, так как из-за свободно движущихся электронов они действуют как антенна и при изменении частоты происходит сильный разогрев. В этой связи имеет значение также влажность используемой древесины, в водной части которой (от 6 до 12% масс.)
под действием микроволнового излучения будут возбуждаться колебания, и
при соответствующем поступлении энергии, произойдет разогрев субстрата.
При сушке окрашенной проклеенной древесины в ходе процесса может произойти вываривание составных частей клея.
Свабода (Swaboda) в результате тщательных исследований, проведенных на
нейтральном носителе (стекле) доказал, что микроволновая предварительная
обработка перед сушкой водных УФ-отверждаемых прозрачных лаков в форсуночной сушке приводит к сокращению общего времени высыхания. Однако исследования на древесных субстратах показал и, что, в зависимости от типа древесины, микроволновое излучение мобилизует воду из подложки и перемещает ее в слой лака, что может повлиять на конечное качество поверхности [11].
Это может проявиться в появлении пузырчатости и шероховатости поверхности. Дополнительно был установлен рост промежуточной шероховатости для
массивов дуба и сосны. Применение исключительно микроволновой техники
для сушки водных материалов с экономической точки зрения неинтересно, так
как требуется, по меньшей мере, несколько минут пребывания в сушилке, прежде чем вся вода выйдет наружу. Хотя при использовании микроволной техники повышенной мощности можно ускорить испарение воды, но это приведет к
сильной деформации и пересушиванию древесного массива. Сегодня микроволновая сушка используется для предварительного подсушивания (Flash-offзона) 2К-УФ-отверждаемых водных материалов, например на покрытых пленкой стружечных или MDF-плитах. Продолжительность пребывания в микроволновой зоне составляет около 1-3 минут. Установленная мощность таких микроволновых агрегатов - 20 КВ. Согласно Баумгертер, (ВаитддгШег), при получении микроволновой энергии происходят большие потери электрического
тока. При благоприятных условиях коэффициент полезного действия составляет 50% [12]. Для циркуляции воздуха в микроволновом канале необходимо
5 000 м3/час. На выходе происходит основная сушка с использованием циркуляционного или форсуночного агрегата. Сразу после этого поверхность
отверждается УФ-излучением. Общая продолжительность процесса сушки
(микроволновой и конвекционной) составляет для плоских деталей 6-8 мин, а
для профилированных кухонных фронтонов — 10-12 мин., при количестве наносимого вещества от 130 до 140 г/м 2 . При нынешнем состоянии техники микроволновая сушка не обладает универсальностью в использовании. Проводимые сегодня исследования содействуют лучшему пониманию роли микроволнового процесса в промышленных условиях. При внедрении микроволновой сушки необходимо иметь в виду соотношение стоимости и пользы. Для
дальнейшего распространения микроволновой техники сушки очень помогла
бы точная юстировка мощности установки, для того чтобы иметь возможность
подгонять ее в соответствии с покрытием и субстратом.
348
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
7.4. УФ-отверждение
УФ-излучение является частью спектра электромагнитных волн и примыкает к коротковолновой части видимого света (фиолетовой). Согласно DIN 5031
часть 7, излучение в области длин волн от 100 до 380 нм называется ультрафиолетовым излучением, кратко УФ. УФ-область разделяется на следующие
участки:
. УФ-С — от 100 до 280 нм;
. УФ-В — от 280 до 315 нм;
. УФ-А — от 315 до 380 нм;
. УФ-V — от 380 до 450 нм.
Установка УФ-отверждения состоит в основном из УФ-излучателя, системы
рефлекторов, электрического блока (электроснабжение и управление), транспортной системы, системы отсоса воздуха и охлаждения.
УФ-излуча тели
Наряду с микроволновыми безэлектродными УФ-излучателями, в мебельной промышленности применяются главным образом ртутные лампы низкого
давления и ртутные излучатели высокого давления. Это газоразрядные лампы. В кварцевой трубке (кварц имеет небольшое поглощение в УФ-области)
находится заполняющий материал (ртуть, инертный газ и галогеновая добавка) под давлением от 1 до 10 бар, возбуждаемый для эмиссии излучения. В момент действия разряда в насыщенном ртутью газе, лампа должна иметь оптимальную рабочую температуру, чтобы можно было добиться высокого коэффициента полезного действия. В этом случае ртутный излучатель высокого
давления эмитирует характерный спектр с основными линиями при 254, 302,
313, 366, 405 и 456 нм. Излучение в этой волновой области обладает высокой
энергией, достаточной для расщепления фотоинициатора и инициирования
радикальной полимеризации. Мощность используемых излучателей обычно
составляет от 80 до 160 Вт/см. Продолжительность их жизни в среднем 15002000 ч до того, как мощность упадет на 80%. Обычно изготовляют лампы с длиной дуги от 50 до 2500 мм. Длиной дуги называется расстояние между двумя электродами. Диаметр ламп варьируется от 19 до 28 мм в зависимости от
мощности. В энергетическом балансе УФ-излучения на УФ-С, УФ-В и УФ-А диапазон приходится 25-30% энергии, Видимая область спектра имеет 10-15%,
и 50-60% приходится на ИК-излучение. При этом излучатели с микроволновым возбуждением имеют 35-40% энергии в ИК-диапазоне, а в УФ-области
около 36%, что значительно выше, чем у разрядных ртутных ламп. Для сравнения мощности УФ-излучателей получила признание специфическая величина
мощности излучения Вт/см. Следует иметь в виду, что специфическая мощность излучения не может отражать интенсивности и энергетической плотности попадающего на субстрат УФ-излучения, так как не принимаются во внимание следующие факторы:
• геометрия рефлектора;
• сила фокусировки (диаметр колбы излучателя и рефлектора);
• расстояние от излучателя до субстрата;
• УФ-спектр;
• скорость передвижения изделий на УФ-линии.
Ртутные излучатели, дотированные галогенидами металлов
Если в наполнитель лампы добавить галогенид металла, например иодид галлия или железа, то спектр излучения сильно изменится. Эмиссионный спектр
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
345
вал длин волн от 0,8 до 6,0 мкм находится в длинноволновой области видимого излучения. ИК-лучи переносят большое количество энергии за короткое
время. Результатом является быстрый, направленный и бесконтактный нагрев
осушаемого слоя с высокой, по сравнению с обычной конвекционной сушкой,
эффективностью теплопереноса. Полная мощность ИК-излучения становится
доступной сразу после включения ИК-агрегата. Таким образом, тепло целенаправленно включается в процесс нажатием на кнопку. Физические закономерности этого процесса систематически изложены в [3]. В применении на практике различают коротко-, средне- и длинноволновое ИК-излучение. Разделение ИК-излучения на различные области происходит следующим образом:
• ближняя ИК-область (NIR) — от 0,72 до 1,20 мкм;
• коротковолновая область — от 1,20 до 2 мкм;
. средняя область — от 2 до 3 мкм;
• дальняя область — от 3 мкм до 1 мм.
При использовании ИК-излучения (например, коротковолнового) следует
постоянно помнить, что нагрев лакокрасочного покрытия зависит от его цвета. Чтобы получить воспроизводимые результаты, нужно использовать разную
интенсивность излучения в зависимости от цвета. На практике этого обычно
не происходит. Из соображений безопасности при использовании лакокрасочных систем с высоким содержанием органических растворителей нужно
вводить некоторое количество свежего воздуха. В области ИК-облучения скорость движения воздуха не нулевая, но составляет от 0,5 до 2 м/сек. В принципе нужно применять ИК-облучение в сочетании с конвекционной сушкой, чтобы добиться эффективного высыхания водных материалов. Пары воды имеют
сильное поглощение в области около 2-3 мкм. Поэтому для сушки водорастворимых составов применяют средневолновое ИК-излучение. На рынке имеются различные системы ИК-облучения, например «термореакторы».
Термореакторы (ИК-излучатели)
Термореакторы (Sunkiss) вырабатывают электромагнитное излучение при
каталитическом окислении природного газа или пропана [8]. Это излучение
имеет длину волны от 2 до 8 мкм и, следовательно, относится к ИК-области.
Интенсивность излучения может регулироваться температурой излучения от
300 до 800°С. В отличие от обычных газоструйных аппаратов, в термореакторе
нет открытого пламени. Цель — равномерное высыхание пленки покрытия изнутри и снаружи. Для того чтобы при окислении было всегда достаточно кислорода, поверхность облучателя постоянно обдувается свежим воздухом с
помощью встроенного вентилятора. В результате отожженный воздух также
нагревается и создает легкий конвекционный эффект в сушке, дополнительно способствуя высыханию водных составов на затененных для ИК-излучения
участках поверхности. Термореакторы с успехом используются для сушки водных и содержащих растворители составов в производстве мебели, лестничных ступеней и дверей [9].
7.3. Высокочастотная и микроволновая сушка
Основной задачей остается быстрая и равномерная сушка покрытий на водной основе сверху донизу, как в конвекционной сушке. В микроволновой сушке тепло создается при непосредственном переходе электромагнитной энергии в кинетическую энергию молекул внутри лакокрасочного слоя. Микроволны - это высокочастотные электромагнитные волны с частотой от 300 МГц до
349
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
дотированного галлием излучателя
"
J '
сдвигается в длинноволновую, видиИзлучатель вь соке ГО
Д ааления 80/10 0/12 0 w /
мую область излучения с главными ли- I во
см, тип 1ST -СК
ниями испускания при 403, 410 и 417
нм. Эти излучатели особенно пригод- X
ны для отверждения белых пигменти- 55 во рованных составов (см. ч. 3.1.6.). Га- § « рантированная
продолжительность
жизни дотированных галлием ламп х го 1
составляет 1000-1200 ч. После этого s
о
они должны быть заменены.
1 ,
»
вое
<5. ''
Специальные излучатели
, \ ,
' Длина вол
УФ-С УФ-В УФ-А уф-|УФ-голубс
олетовый
Ртутные излучатели низкого давления, называемые также суперактивными (выделяющими много УФ- Рис. 7.8. Спектр ртутной лампы высокого
излучения) люминесцентными лам- давления. Источник. 1ST Metz GmbH
пами (тип TL05 и ТЮЗ, Fa Philips),
используются для предгелеобра--- Излучатель высокого дав—
зования содержащих стирол УФления 80/100/120 W/CM,
материалов. Максимум излучения
тип IST-CK 1
лампы TL05 находится еще в УФ-А
i
области, a TL03 - в видимой. Люми,4
несцентные лампы имеют очень небольшую мощность и не могут быть
О 40
использованы как единственные источники для отверждения белых пигментированных УФ-систем.
Озон
Под воздействием УФ-излучения
.— Длина волны, нм
УФ-фиолетовый УФ-голубой
ртутных дамп высокого давления в
окружающем воздухе из кислорода
образуется озон. Это привело к раз- Рис.7.9. Спектр дотированного галлием
работке модифицированных излуча- ртутного излучателя высокого давления
телей, в которых используется спе- Источник: 1ST Metz GmbH.
циальный кварц. Такой кварц обладает фильтрующим действием в УФ-С области, что исключает образование
мешающего озона (полоса поглощения озона - 187,6 нм). Ощущение запаха
озона появляется при концентрации 0,01 мл/м 3 (ррм), а максимально допустимая концентрация равна 0,1 мл/м 3 . Однако такие излучатели во многих случаях
не могут быть использованы, так как пробел в коротковолновой части спектра
приводит к неполному отверждению материала. В рабочем состоянии температура поверхности вышеперечисленных ламп достигает 900-950°С. Высокая
температура может стать причиной деформации лампы и привести к неравномерному распределению ртути. Поэтому всегда используют воздушное или
водяное охлаждение, которое позволяет исключить возможный разогрев лампы и ее окружения и способствует удалению мешающего озона.
УФ-рефлекторы
Для фокусировки УФ-излучения на субстрате применяют рефлекторы, которые собирают УФ-излучение в пучок и/или отражают. В основном применяют
ш п
Л
т
й
350
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
два типа рефлекторов. Самым сильным является эллиптический рефлектор. Он создает фокальную линию,
на которой находится максимум УФизлучения. Расстояние должно быть
точно установлено. В параболическом рефлекторе излучение отражается параллельно и фокальной линии
не образуется. Кроме этого, используется еще смешанный тип рефлекторов. Материалом для рефлекторов
служит чистый алюминий, обладающий подходящими отражающими
Рис. 7.10. Схема фокусирующего рефлектора свойствами (КПД > 90%). Для защиты его покрывают слоем кварца.
Источник: 1ST Metz GmbH.
Облучение (Е) (доза энергии)/Сила
облучения (Н) (УФ-интенсивность)
Скорость передвижения изделий
в процессе окраски древесины составляет от 10 до 100 м/мин. Подача
необходимой для отверждения УФматериалов энергии осуществляется при последовательном включении
УФ-излучателей. Так как эмитируемая излучателем мощность ни в коем
случае не равна интенсивности попадающего на поверхность субстрата
излучения, то УФ-установки характеРис. 7.11. Схема фокусирующего и рассеива- ризуются двумя величинами, для точющего рефлектора. Источник: 1ST Metz GmbH. ного измерения которых можно установить один прибор (УФ-фотометр).
Такими величинами являются облучение (доза энергии) и сила облучения (УФинтенсивность). В общем случае эти величины зависят от длины волны. Единицы измерения Е и Н относятся к определенному диапазону длин волн и называются спектральной силой облучения и спектральным облучением. В разных спектральных областях получаются разные значения Е и Н.
Облучение (доза энергии)
Доза (облучение) - это общая энергия излучения, которая попадает на объект во время его прохода через УФ-канал. Она измеряется в Дж/см 2 и связана
с интенсивностью через время. Таким образом, доза зависит от скорости движения транспортера в УФ-установке.
Облучение (Е) [Вт • с / с м 2 = Д ж / с м 2 ] = интенсивность • время
Сила облучения (УФ-интенсивность)
Понятие интенсивность описывает по определению собственно эмиссию излучения от источника. Но на практике обычно отклоняются от этого определения. Вошло в обычай измерять интенсивность излучения на поверхности деталей (по-английски Irradiance). Интенсивность - это максимальная мощность
излучения, достигшая поверхности субстрата. Она измеряется в ваттах на см 2 .
Интенсивность является характеристикой излучателя и рефлектора и не зави-
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
351
сит от скорости продвижения изделий на линии окраски. Сила облучения является важным параметром химической сшивки и установления степени блеска для УФ-материалов.
Сила облучения (Н) [Вт/см 2 ] = Сила падающего излучения/поверхность
УФ-измерительные приборы
Для измерения физических параметров излучения оптический сигнал превращают в электрический. Представленные на рынке измерительные приборы называются фотометрами. Испытанным методом является измерение интегральной силы облучения и/или интегрального облучения в УФ-канале. Так
как не существует нормативов для таких приборов, то и измеренные значения сравнивать нельзя. Сами приборы даже одного типа не всегда идентичны.
Важно указывать тип и серийный номер прибора. Различия в характеристике
излучения получаются при измерении силы облучения вдоль рабочей ширины
захвата лампы. В области электродов наблюдается падение силы облучения
на 20-30%.
УФ-измерительный прибор должен в принципе фиксировать следующие величины:
. показание облучения (дозы энергии) в Дж или мДж/см 2 ;
. максимальную силу облучения (УФ интенсивность) в Вт или мВт/см 2 ;
• графическое представление кривой силы облучения;
• измерение в различных спектральных диапазонах (УФ-С,-В,-А,-\/).
Соблюдение технологических параметров и техническое обслуживание УФканала является непременным условием получения воспроизводимого качества поверхностей и предотвращения остаточной эмиссии (см. ч. 9.2.). На
практике часто приходится констатировать, что УФ-лампы и рефлекторы обслуживаются неправильно. Загрязненные рефлекторы снижают попадание
излучения на поверхность субстрата на 20-30%, что в экстремальном случае
может привести к клейкости покрытия. Кроме того, даже при незначительных
концентрациях продуктов расщепления фотоинициатора может возникнуть
проблема запаха, так как уменьшенная сила облучения способствует увеличению концентрации этих продуктов. Контрольный листок УФ-установки должен
включать примерно следующие параметры [9]:
• рефлекторы и УФ-излучатели должны в среднем раз в месяц очищаться
ватой, смоченной спиртом без добавок;
. еженедельный контроль ламп с помощью измерительных приборов;
• проверка рабочего времени, потребления электроэнергии, облучения и
силы облучения;
• контроль охлаждения излучателей путем измерения температуры в воздухе УФ-канала;
• постоянное охлаждение должно быть гарантированно, чтобы предотвратить помутнение кварцевых трубок и избежать снижения силы облучения.
Список литературы
1. Hruschka, R., Schneider, M.: Trocknung von Wasserlacken auf Holzwerkstoffoberflaechen, HOLZ, 1/2001, S. 37.
2. Dauth.C: EffektiveTrocknungstechnologienfuerdieMoebelindustrie, besserlackieren,
Nr. 13,08/2006.
3. Goldschmidt, A., Streitberger, H.-J.: BASF-Handbuch Lackiertechnik, Vincentz Verlag,
Hannover, 2003.
352
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
4. Technische Unterlagen der Firma Barberan SA, Barcelona, Spanien.
5. Technische Unterlagen der Firma Cefla Finishing, Imola, Italien.
6. Technische Unterlagen der Firma Venjakob Maschinenbau, Rheda-Wiedenbrueck,
Deutschland.
7. Technische Unterlage der Firma Munters: Luftentfeuchter Baureihe MX (B)/MXT (B),
Munters Europe AB, 1998.
8. Wuchter, J.: Neues Trocknungsverfahren mit Thermoreaktoren, I-Lack, 64. Jahrgang,
6/1996, S. 3 3 1 - 3 3 3 .
9.
Prieto,J.:DieoekoeffizienteBeschichtungmitUV-haertendenLacksystemen,Dokumente
zu Lacken und Farben, Nr. 6, Deutsches Lackinstitut, Frankfurt, 1999, S. 2 0 - 3 0 .
lO.Schleusener, J.: Mikrowellen zum Trocknen haben Zukunft, Farbe & Lack, 105.
Jahrgang, 7/1999, S. 111-112.
1 L S w a b o d a , C: Combination of microwave drying and UV-curing f o r w a t e r b o r n e lacquers
on w o o d surfaces, Vortrag RadTech 2005, Barcelona.
12.Baumgaertner, O.: Lacktrocknung mit Mikrowellen — Ergebnisse von Grundlagenversuchen, IPA Stuttgart, Veroeffentlichungsdatum unbekannt.
7.5. Отверждение электронным излучением
7.5.1. Введение
История развития технологии отверждения электронным излучением (ESHтехнологии) был описан в ч. 3.1.6. Так как эта технология, за небольшим исключением, не находит широкого промышленного применения в окраске древесины и древесных материалов, в этой части изложены основные ее аспекты.
7.5.2. Механизм технологии ЭИ
Также как и УФ-излучение, электронное излучение может возбуждать молекулы или ионизировать. В отличие от УФ-излучения, которое можно отнести
к чисто электромагнитным волнам, электронные лучи имеют и корпускулярный характер (характер частиц). Если энергетическая плотность невелика, то электронное излучение можно считать чисто корпускулярным. Электронное излучение — сильно ионизирующее излучение — может проникать
в окрашенные субстраты. Его проникающая способность зависит от ускоряющего напряжения (см. ниже) [1-3]. Электронное излучение не нуждается
в инициаторах и сенсибилизаторах для выработки исходных радикалов. При
использовании электронного излучения для отверждения покрытий, эти добавки можно исключить. Так как инициаторы реакции образуются за доли секунды, то отверждение проходит очень быстро. Это важный экономический
аргумент в пользу применения электронного излучения для отверждения.
В принципе, различают три первичных процесса.
Ионизация
Ускоренные электроны могут выбивать валентный электрон (1), причем ионизированная молекула (катион) диссоциирует на свободный радикал и ионрадикал (2)
АВ->АВ + + е,
(1)
АВ+^А-+В+.
(2)
Если выбитый электрон обладает достаточно высокой энергией, то он может
возобновить ионизацию.
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
353
Возбуждение
Если энергия выбитого электрона слишком мала, чтобы вызвать ионизацию
следующей молекулы, то происходит ее возбуждение (3). Диссоциация возбужденной молекулы приводит к образованию двух радикалов (4).
АВ-*АВ*,
(3)
АВ*->А- + -В.
(4)
Электронный захват
Электроны с небольшой энергией могут быть захвачены молекулами, при этом
образуются анионы (5). Последние могут опять распадаться на радикалы (6).
АВ + е ^ А В " ,
(5)
АВ--»А- + -В\ (6)
Возникшие в результате первичных процессов радикалы, как и при УФотверждении, инициируют цепную радикальную реакцию и, в результате, за
доли секунды образуется трехмерная полимерная структура.
7.5.3. Получение электронного излучения
Электронное излучение создается в так называемых электронных ускорителях в вакууме (при давлении 10 2 —10 4 Па). При нагреве термокатода - обычно
вольфрамового - происходит эмиссия легко подвижных электронов металла
и их ускорение в направлении анода. Упрощенно можно сравнить применяемые в промышленности ускорители электронов с электронно-лучевой трубкой. Однако, в то время как в электронно-лучевой трубке электроны только вызывают свечение определенного состава на ее поверхности без выхода наружу, устройства электронного излучения должны направить поток электронов
из вакуума к поверхности обрабатываемой детали.
Мощность излучения подобных устройств по сравнению с электроннолучевыми трубками на несколько порядков выше. Обычно ускоряющее напряжение составляет от 150 до 300 кВ, но может достигать и 500 кВ.
Эмпирические значения для промышленных ускорителей следующие [3]:
• 130-150 кВ для тонких слоев печатных красок;
• 165-180 кВ для мебельных пленок или для чувствительных к давлению
клеящих веществ;
. 180-250 кВ для плит, паркета, реек.
Полученные электроны выходят из ускорителя через тонкое металлическое
окошко, которое выполнено из титановой фольги толщиной 12-15 мкм. Окно
должно быть достаточно прочным, чтобы можно было гарантировать достаточный вакуум. С другой стороны, оно должно быть достаточно проницаемым
для ускоренных электронов. В металлической фольге абсорбируется приблизительно 20-25% энергии. Кроме того, вылетающие электроны сильно разогревают титановую фольгу, которая должна непрерывно охлаждаться, чтобы
избежать расплавления. Для этого можно использовать водяное охлаждение
или интенсивный обдув воздушной форсункой. Время жизни такой титановой
фольги составляет сегодня более 2000 ч. Электроны, прошедшие через титановую фольгу, будут тормозится воздухом или материалом. Они имеют определенную глубину проникновения. При этом образуются следующие виды
электронов.
Рассеянные электроны
Эти электроны действуют прежде всего на боковые поверхности и канты при
отверждении покрытий на фасонных деталях.
354
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
Вторичные электроны
Энергии вторичных электронов вполне достаточно для того, чтобы ионизировать молекулы и создавать радикалы. Быстрые первичные и рассеянные
электроны не вызывают химической реакции. Быстрые электроны нужны только для того, чтобы вне вакуума создавать вторичные электроны.
Рентгеновское тормозное излучение
По законам электродинамики торможение первичных электронов приводит
к испусканию электромагнитного излучения. Возникающее таким образом излучение называется рентгеновским тормозным излучением. Жесткость или
дальность действия рентгеновского излучения зависит от энергии первичных электронов. Чем быстрее первичные электроны, тем жестче возникающее
тормозное излучение. Но его энергия не может быть выше энергии первичных
электронов. С точки зрения безопасности следует огораживать ускоритель
электронов и пространство, где возникает рентгеновское излучение.
7.5.4. Параметры процесса
Глубина проникновения
Ускоряющее напряжение определяет глубину проникновения электронов и
тем самым толщину отверждаемого покрытия. При обычном напряжении от
150 до 300 квольт пригодная толщина слоя составляет от 80 до 400 мкм. Пригодной называется глубина проникновения, при которой гарантируется полное отверждение ЛКМ. На практике допускается снижение максимальной дозы излучения самое большее на 50%. На рис. 7.12. представлена зависимость
необходимой глубины проникновения от ускоряющего напряжения. Следует
обратить внимание на поглощение электронов в выходном окне и в слое воздуха между титановым окном и поверхностью объекта. Дальность действия
электронов при этом сокращается приблизительно на 117 мкм.
Мощность излучения
Мощность излучения определяется величиной ускоряющего напряжения и
тока. Она измеряется в ваттах (Вт). Вместе с рабочей шириной захвата она
определяет производительность облучающей установки.
Доза облучения
Доза электронного излучения, которая попадает на объект, прямо пропорциональна числу электронов, покидающих ускоритель (7).
D«l0,
(7)
где D — доза; l0 — поток электронов в объекте.
Доза облучения (8) - это количество энергии на единицу массы, которое поглощает облучаемый материал. Единицей дозы является Грей [Gy] (9).
D = J/Kr(J=Ws),
(8)
1 Грей [Gy] = 1 Дж/кг. (9)
Материал должен облучаться столько времени, сколько необходимо для получения соответствующей дозы. Тем самым доза облучения является мерой
скорости отверждения. Для получения качественной поверхности важно равномерное распределение дозы облучения по ширине рабочего захвата. Потребители облучающих установок обязаны, используя простые мероприятия
получать продукцию с неизменно высоким качеством поверхности. Существует простая зависимость между дозой (D), электрическим током (I) и скоростью
движения транспортера. Для излучаемой дозы справедливо следующее линейное уравнение:
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
355
Максимальная ионизация (%)
t
Ускоряющее напряжение
100 -
о
100
200 ' 300> 400'
i
i
« s i
83г/м г i
133г/мг
Полезная глубина проникновения при 50%
ионизации
!
(
'
I
2
213 г/м '
500
600
700
Максимальная дальность дей-
1
•
I
258 г/мг
308г/м2398г/мг
Рис. 7.12. Поглощение электронов в зависимости от ускоряющего напряжения. Источник- [1]
D = k(l/V),
(10)
где V — скорость транспортера, к — к-фактор.
Фактор к заключает в себе ускоряющее напряжение, ширину отклонения и
другие параметры оборудования. Они редко могут варьироваться. Чаще всего
изменяют скорость движения транспортера и дозу облучения при смене лака.
При использовании уравнения (10) можно достаточно просто получать продукцию постоянно хорошего качества.
Типы ускорителей
Для ускорения электронов используют различные устройства:
• системы с точечным катодом и магнитным отклонением электронного
потока (сканирующие системы);
. устройства с линейной катодной системой:
— излучатели с рассеянием на решетке;
— излучатели без рассеяния на решетке;
. устройства с катодом большой площади.
В рамках этой части обсуждается только многоступенчатый электронный
ускоритель, работающий по сканирующему принципу.
Многоступенчатый электронный ускоритель
Ускорители этого типа работают с ускоряющим напряжением от 150 до
280 кВ. При этом создается ток от 20 до 200 мА. Простая конструкция, соединенная с саморегулирующимся микропроцессором, позволяет быстро и экономично проводить замену пускателя, катода и выходного окна без помощи из-
356
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
готовителя. Отклонение от равномерного распределения дозы
Ускоряющее
по ширине объекта составляет
- напряжение
3% при отклоняющей частоте
-Изолятор
выше 800 Гц. Ускоритель охлаждается водой и конвекционно
-Газ
через крепежную конструкцию
выходного окна.
• Катод
Примногоступенчатомускорении
электронов (см. рис. 7.13.)
. Анод/
ускоряющий анод
[1] высокое вытягивающее наРазвертка
пряжение между термокатодом
излучения
и анодам разделяется на несколько ступеней. Между этиВентиль
ми ступенями разница потенциПодключение
алов
составляет 60 кВ. При тавакуумирования
ком каскадном ускорении повыСканер
шенное напряжение может приОкошко выхода
вести к пробою между ступеняэлектронного
ми и каскадообразному разряизлучения
ду внутри или снаружи трубки
ускорителя. Для изоляции в заРис. 7.13. Многоступенчатый ускоритель электронов полняющий газ добавляют гексафторид серы SF6.
Потребление энергии установками электронного облучения
Так как в процессе окраски играет роль множество параметров, и каждый
производитель рассчитывает цену по-своему, мы приводим здесь только самые важные технические данные. Во всех ускорителях катод и выходное окно
подвержены износу. В зависимости от нагрузки ускорителя катод следует заменять через 300-1000 часов. Цена его составляет около 100 евро и для замены требуется приблизительно 15 минут, включая откачку и подключение высокого напряжения. Титановая фольга при полной загрузке может работать 2000
часов. Цена фольги в зависимости от рабочей области излучения составляет
от 100 до 500 евро, на замену требуется 1 час, включая вакуумирование и подключение напряжения.
Создание инертной атмосферы
Как уже было сказано выше, реакция полимеризации может быть сильно затруднена в присутствии радикалов кислорода. Возможность прекращения реакции полимеризации в результате диффузии кислорода, даже при высокой
плотности ионизации электронного излучения, не может быть исключена. Качество отверждаемои излучением поверхности существенно зависит оттого,
насколько инертна атмосфера процесса. Обычно степень инертности должна быть на уровне 200-500 ррм кислорода, т. е. атмосфера должна быть разбавлена инертным газом в 7 раз, чтобы получить безупречную поверхность.
Опыты показывают, что в сложных случаях требуется гораздо более высокая
степень чистоты атмосферы. При отверждении электронным излучением создание инертной атмосферы является самой затратной частью процесса. Производители оборудования должны проектировать установки со сравнительно
небольшим расходом инертного газа в зоне отверждения покрытия.
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
357
Пигментированные системы
Пигментированные системы обычно хорошо отверждаются электронным излучением. Они доставляют гораздо меньше, по сравнению с УФ-отверждением,
трудностей при отверждении толстых слоев, так как не требуют добавки фотоинициаторов, и электронное излучение проникает глубоко в отверждаемый
слой. Однако существуют исследования [4], в которых показано, что не всегда
можно пренебречь влиянием органических цветных пигментов на отверждение с использованием среднего электронного излучения.
7.5.5. Концепции оборудования
Существует ряд методов применения электронного излучения в процессе
окраски древесины и древесных материалов [1-7], причем в некоторых случаях уже происходит замена УФ-отверждаемых систем или может быть сделана
в будущем. Можно упомянуть следующие примеры:
. окраска дверей отделочным лаком (например, Svedex, Varsseveld, NL.) [5];
• ксилолитные плиты (Falco, Szombathely, HU);
. отделка мебельных фронтонов (PPG, Saultain, F);
• пропитка и окраска слоистых плит (HPL, CPL) [7].
7.5.5. Предписание о радиоактивной безопасности
Энергии низкоэнергетических ускорителей недостаточно для того, чтобы
произошло возбуждение ядер, т. е. излучающий материал и окружение выходного окна не могут быть автономными источниками радиоактивного излучения. Кроме того, электронный ускоритель это механизм, который может быть
выключен, в крайнем случае, немедленно. Электронный излучатель - это так
называемый паразитный излучатель. Паразитными излучателями называются
устройства, приборы или приспособления, в которых образуется рентгеновское излучение, но оно не является целью их работы.
В Германии действует «Предписание о защите от вреда, наносимого рентгеновским излучением» от марта 1973 г., дополненное предписанием от
14.01.1987 г. В этих документах установлено, что мощность эквивалентной дозы на расстоянии 0,1 м от поверхности не должна превышать 1мкЗв/ч
(микрозиверт/ч), что соответствует 0,1 мбэр/ч. Потребители, использующие
ускорители электронов, должны на своих предприятиях назначать ответственных лиц по соблюдению защиты от излучения.
7.5.7. Преимущества и недостатки технологии ЭИ
Отверждение с использованием электронного излучения имеет определенные преимущества по сравнению с другими методами, самыми важными из
которых являются следующие:
. системы не содержат растворителей;
• продукты можно сразу же штабелировать;
• возможна очень высокая производительность;
• отверждаются толстые слои;
. холодный процесс;
• любое пигментирование проницаемо для излучения.
Интересно сравнить УФ- и ЭИ-технологии.
На современном уровне развития можно говорить о следующих преимуществах ЭИ-технологии по сравнению с УФ-отверждением:
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
358
Шлифовка
Грунтование на
• • • • двойных вальцах, •я я т ф .
20 г/м'
Электронное
облучение
«иии^
Шлифовка
Скорость продвижения деталей 1
42 м/мин, 1800 дверей/слоев *
'
Переворот или
штабелирование —
" • •
•
*
*
'
•
/
•
:
'
.
. ' • "
'• ^ййгршное
.
Покрывной лак. ,^тят,: Простые вальцы
налив 85 г/м*
8 г/мг
Рис. 7.14. Схема нанесения тонкослойных покрытийна двери по ESH-технологии, Quelle
. свойства пленки (степень сшивки, механическая устойчивость и т.п.);
. отверждение толстослойных пигментированных покрытий в короткое время;
. адгезия;
• стабильность при хранении;
• окраска пористых субстратов;
. скорость отверждения;
• температура отверждения.
УФ-технология имеет следующие преимущества:
. инвестиционная стоимость;
. экономия места;
• обработка трехмерных деталей;
• обработка деталей, чувствительных к излучению;
. ингибирование кислорода;
. нет необходимости контроля за излучением.
Главным недостатком ЭИ-техники является высокая инвестиционная стоимость. Кроме того, в последние годы в УФ-технологии произошел значительный сдвиг (см. часть 3.1.6.) и, исходя из анализа цены и качества, ЭИ-процесс
целесообразно применять в случае, если требуется отделка большого количества плоских деталей (свыше 2,5 млн. м2).
Список литера туры
1. Garatt, P. G.: Strahlenhaertung, ausderReihe: DieTechnologiedes Beschichtens, Curt.
R. Vincentz Verlag, Hannover, 1996.
2. Kiene, J.: Grundlagen der Elektronenstrahlhaertung, Manuskriptdes DFO-Lehrganges:
Strahlungshaertung von Lacken, Duesseldorf, 2001.
3. Holl, P.: Stand der Elektronenstrahlhaertung und KostensituationfuerHolzoberflaechen,
I-Lack, Nr. 12, 1995, S 420-423.
4. Haering, E., Ahlers, K., Holtmann, G.: DieBuntpigmentierungelektronenstrahlhaertbarer
Lacke.
5. Lobert, M.: Elektronenhaertbare Systeme, Sonderdruck aus HK Nr. 12, 1995.
Глава 7. Процессы сушки и отверждения
359
6.
Unbekannt: Elektronenstrahlhaertung spart Energie und Material, I-Lack, Nr. 5, 1 9 8 1 ,
S. 1 7 5 - 1 7 7 .
7.
Patentschrift: EP 0166153, H o e c h s t A G .
360
Глава 8. Изменение цвета древесины
8.Изменениецветадревесины
Древесина является неоднородным натуральным материалом, структура,
блеск и колорит которого полностью раскрываются только при обработке.
Помимо оптического аспекта, окраска должна оберегать древесину от повседневных нагрузок, таких как загрязнение, действие бытовых химических
веществ и механическое воздействие. Кроме того, окраска должна защищать древесину от преждевременного изменения цвета под действием солнечного света и тепла. Известно также, что изменение цвета древесины может происходить не только под воздействием прямого солнечного света, но
и в результате биохимических и химических реакций, например, у бука такие реакции могут протекать уже в живом дереве (внутренняя краснина), при
хранении, переработке и обработке (например, возникновение пятен при
пропаривании) [1]. Точно определить причину изменения цвета, возникающего не под воздействием УФ-излучения, не всегда возможно, так как оно
происходит в результате комбинированных реакций. Древесина состоит из
волоконных элементов, причем отдельные элементы, по разному сочетаясь,
составляют древесные клетки. Натуральная окраска древесины светлых пород (клена, сосны, пихты), покрытой бесцветными лаками, не содержащими
специальных УФ-защитных добавок, после непродолжительной экспозиции
на солнечном свету изменяет цвет, приобретая желто-коричневый оттенок.
Бесцветные покрывные лаки прозрачны для УФ-излучения, но под его воздействием составная часть древесины — лигнин — фотохимически изменяется. Различные лигниновые структуры поглощают УФ-излучение в разных
областях спектра с образованием хромофорных групп, которые поглощают
свет в видимой области (от 380 до 780 нм) [2].
УФ-В — часть спектра, лежащая в диапазоне от 280 до 315 нм, — самая
коротковолновая часть солнечного излучения, достигающая поверхности
земли. В большинстве случаев она влияет на процесс разрушения лаковой
пленки. Она же является причиной всем известного нам солнечного загара. Оконное стекло, используемое в жилых помещениях, пропускает только
УФ-А часть и видимый свет от 380 до 780 нм. Прошедшая УФ-А часть излучения с длиной волны от 315 до 400 нм приводит к разрушению древесного лигнина. Ароматические структуры лигнина поглощают УФ-свет, подвергаясь деструкции в результате фотоокисления [3, 4]. Фотохимическое
изменение лигнина изменяет свойства волокон, отвечающих за растрескивание, пожелтение или изменение цвета, а также повышение чувствительности к воде [3].
Для замедления или подавления потемнения светлой древесины уже много лет применяется добавка микронизированного железоокисного пигмента,
который используют как УФ-защитную добавку в лазурях для наружного применения. Однако этот имеет недостаток: при натуральной окраске лаковая
пленка из-за пигментирования не будет бесцветной. Это нежелательно, если
нужно сохранить натуральный цвет древесины.
Для активной УФ-защиты можно использовать неорганические белые пигменты. Их недостатком является то, что в зависимости от способа нанесения
и толщины слоя они не всегда образуют однородные и прозрачные пленки.
А это может привести к тому, что в тех местах, где нет пигмента, не будет и
Глава 8. Изменение цвета древесины
361
равномерной защиты от изменения цвета. Сегодняшний уровень техники —
стабилизация высококачественных лакокрасочных систем УФ-абсорберами и
стерически затрудненными аминами (HALS1).
Применяются различные классы УФ-абсорберов, например, оксаланилиды,
гидроксибензофеноны, гидроксифенил-э-триазины и гидроксифенилбензотриазолы. Защитное средство выбирают, исходя из следующих критериев:
• эффективность УФ-абсорбции с хорошей защитой от фотохимической
деструкции для подложки, особенно в критической области от 280 до 400 нм;
• легкость введения в лакокрасочную систему;
• отсутствие ухудшения свойств лакокрасочной системы.
На наш взгляд, не существует универсальных УФ-защитных средств, которые можно было использовать при окраске мебели и деревянных деталей.
Иными словами, одно и тоже действующее вещество невозможно использовать в нитроцеллюлозных, 2К-полиуретановых и водных лаках.
В последние годы появились готовые составы эффективно защищающие от
УФ-излучения светлую древесину в различных лакокрасочных системах. Были
определены оптимальные количества добавок, гарантирующие их эффективность (фильтрующую способность). Кроме характера абсорбции, эффективность
УФ-абсорбентов определяется, прежде всего, законом Ламберта-Бера [5]:
E = logl 0 /l = 8-cd,
где Е — экстинкция; l0 — интенсивность падающего света; I — интенсивность
прошедшего света; в — коэффициент экстинкции; с — концентрация (моль/л);
d — толщина поглощающего слоя (см).
Чем выше экстинкция, тем больше света поглащается. Экстинкция Е зависит от коэффициента экстинкции, концентрации защитного вещества в лаке и
толщины слоя прозрачной лаковой пленки. Для усиления защитного действия
можно повысить концентрацию действующего вещества или увеличить толщину слоя покрытия.
При использовании светозащитных добавок или составов с HALS-coeдинениями до сих пор не удается эффективно защитить изделия, например
из вишни, ореха, дуба, ясеня, бука, от изменения окраски, при сохранении натурального характера древесины. Несмотря на обнадеживающие заверения
ведущих производителей ЛКМ, системы для защиты светлой древесины (клена, пихты или сосны) сегодня только создаются. Пока находят применение
2К-ПУР или водные материалы. Разумеется, использование светозащитных
добавок в УФ-отверждаемых материалах сильно ограничено, так как в промышленных условиях внесение добавок в эффективно действующих концентрациях невозможно. Еще острее стоит проблема защиты цвета изделий из
тропической древесины, часто содержащей красные органические красители. Эту древесину до сих пор не научились защищать от появления желтоватокоричневатого оттенка. Красные красящие вещества под действием света
разрушаются.
Список литературы:
1.
Prieto,J.,Tran,P-H.:HelleHoelzerinnMoebel-unclTuerenbauvorUV-Strahlenschuetzen,
besserlackieren, Nr. 19, 15.11.2002.
HALS - Hindered Amine Light Stabilizer.
362
2.
Глава 8. Изменение цвета древесины
Prieto,J.,Tran,P-H.:HelleHoelzerimMoebel-undTuerenbauvorUV-Strahlenschuetzen,
besserlackieren, Nr. 2 0 , 0 6 . 1 2 . 2 0 0 2 .
3.
Hayoz, P., Peter W., Rogez D.: Farbstabilisierung und Lichtschutz bei naturbelassenen
und gebeizten Hoelzern fuer den Innenbereich, Farbe + Lack, 109. Jahrgang, 7/2003,
S. 2 6 - 3 2 .
4. Devantier,B.,Emmler,R.:DasFarbaenderungsverhaltenbeschichteteHolzoberflaechen,
Farbe + Lack, 103 Jahrgang, 4/1997, S. 1 9 4 - 2 0 3 .
5. Valet, A.: Lichtschutzmittel fuer Lacke, Curt R. VincentzVerlag, Hannover, 1996.
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
363
9.Эмиссиялетучихорганическихсоединений(ЛОС)
В последние годы ряд законодательных актов по охране окружающей среды стал важным вызовом для производителей ЛКМ и их клиентов. В последние 10 лет, особенно в Европе, к важнейшим критериям развития лакокрасочных систем - беспроблемной переработке и стоимости — добавились экологические требования, ставшие значимыми. При этом решительным прорывом
в этой области является «Предписание о растворителях». Перед тем, как изложить важнейшие требования к производителям и рассказать о вытекающих
из них мероприятиях для производителей и потребителей ЛКМ в деревообрабатывающей промышленности, авторам хотелось бы показать, что экологически безопасные технологии и экономические успехи вполне совместимы друг
с другом, если иметь в виду следующее определение благоприятных для окружающего мира технологий окраски.
Вредное воздействие на окружающую среду происходит из желания сокращения затрат ресурсов (ЛКМ, химических реактивов, воды, энергии и т.п.) и
получения по возможности большого количества окрашенных поверхностей
хорошего качества и в короткие сроки.
К сожалению, термины «растворитель» и «VOC» в мире и в Европе не имеют
единого определения. Термин VOC (Volatile Organic Compound) переводится
как летучие органические соединения (ЛОС). Слово «летучие» означает, что
относящиеся к этой группе вещества легко переходят в газообразное состояние, так как имеют высокое давление пара и низкую температуру кипения.
По данным Всемирной организации здравоохранения, летучие органические
соединения подразделяются на следующие группы в зависимости от их точки
кипения, т.е. летучести:
. Very Volatile Organic Compounds (WOC) — очень легко летучие органические соединения (ЛЛОС), область кипения от < 0 до 50-100°С;
. Volatile Organic Compounds (VOC) — летучие органические соединения
(ЛОС), область кипения от 50-100°С до 240-260°С;
• Semi Volatile Organic Compounds (SVOC) — трудно летучие органические
соединения (ТЛОС), область кипения от 240-260°С до 380-400°С.
Употребительной является также классификация по давлению пара. В соответствии с этим данные по собственной эмиссии ЛОС можно оценить только тогда, когда указывается употребляемая классификация. Самым общим
и поэтому наименее уязвимым является определение по DIN ISO 11890-1,2
1998 г. [ 1 , 2]. Согласно этому определению, ЛОС — это каждая органическая
жидкость или твердое вещество, которое самопроизвольно испаряется при
существующих условиях (температуре и давлении) (ISO 4618-1). Хотелось бы
указать читателю на то, что в этой части книги, в разделах 9.1 и 9.2 приводятся
различные определения понятия ЛОС.
9.1. Эмиссия ЛОС при нанесении покрытий
9.1.1. Предписание о растворителях
К началу 1990-х гг. началась дискуссия вокруг проблемы снижения эмиссии
ЛОС, которая закончилась в 1999 г. выходом «Директивы 1999/13/EG Совета
от 11.03.1999 об ограничении эмиссии летучих органических соединений при
определенной работе и на определенных установках, использующих оогани-
364
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
ческие растворители» [3]. Директива обязывала страны-участницы издать необходимые правовые и административные предписания для выполнения решения Совета Европы. В Германии таким документом стало «Предписание по
выполнению Директивы 1999/13/EG об ограничении эмиссии летучих органических соединений» [4] (31. BlmSchV')oT21 августа 2001 г. (BGBI.1S.2180).
Целью Директивы и Предписания является минимизация эмиссии летучих
органических соединений (ЛОС). Это охватывает широкий спектр органических веществ, например органические растворители, пары бензина, углеводороды в отработанных газах и т.д. Летучие органические соединения, в соответствии с Предписанием о растворителях, §2 №11 и № 25, — это «соединения, которые содержат углерод и, по крайней мере, один или несколько таких элементов, как водород, галогены, кислород, фосфор, сера, кремний или
азот, исключая окислы углерода и неорганические карбонаты и бикарбонаты,
и при температуре 293,15°К (20°С) имеют давление пара >1 Па или в условиях
их использования соответствующую летучесть».
ЛОС способствуют возникновению околоземного озона летом. При интенсивном солнечном излучении образование озона возрастает и приводит к известной проблеме летнего смога. Эмиссия применяемых растворителей постоянна и в течение ряда лет находится на уровне 1000 кт/год. В Германии выделяется несколько главных производственных групп, использующих органические
растворители, из которых особенно актуальны агрегаты по окраске, печати и
очистке поверхностей (см. рис. 9.1). Около 60% эмиссии растворителей происходит при окраске. А также примерно 300 кт/год приходится на эмиссию из
продукции вне линий окраски. В этой области в декабре 2004 г. была представлена «Декопейнт-Директива» как первое распоряжение по ограничению содержания растворителей в продуктах производства, которая затем была включена
в национальное законодательство как «Предписание о содержащих растворители красках и лаках» (ChemVOCFarbV)2. Оно содержит требования по сокращению содержания растворителей, в том числе и при строительной окраске, в два
этапа (2007 и 2010 гг.).
9.1.1.1. Содержание и требования «Предписания о растворителях»
«Предписание по выполнению Директивы 1999/13/EG об ограничении эмиссии летучих органических соединений» включает два основных момента. Вопервых, излагается обновленная редакция 2-го федерального Предписания
по защите от выбросов вредных веществ и, во-вторых, вводится в действие
Предписание об ограничении эмиссии ЛОС при использовании растворителей на определенном производстве, 31.BlmSchV и Предписание о растворителях. Основные пункты обновленного 2.BlmSchV следующие:
• название документа: «Предписание по ограничению эмиссии легколетучих галогенированных органических соединений» (вместо «легколетучих галогенуглеводородов»); при этом происходит незначительное расширение области действия Предписания;
• производства, которые нуждаются в разрешении на деятельность с
точки зрения защиты от вредных выбросов, также находятся в°сфере действия
2.BlmSchV;
1
BlmSchV - Bundesimmissionsschutzverordnung — федеральное предписание о защите от выбросов загрязняющих отходов.
2
Предписание ChemVOCFarbV вышло 22.12.2004г (BGBI.I.Nr.70,S.3508).
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
Продукты вне
зоны обработки
300
^ ^ ^ ^ ^ ^ Н •ШйЬйь».
365
Линии окраски
300
Прочие агрегаты
80
Печатные агрегаты
с
и
•!•• •
Агрегаты по очистке
поверхностей
50
Рис. 9.1. Эмиссия ЛОС при применении растворителей в Германии в 1999 г., оценочная
эмиссия в кт/год. Источник: BMU (2001).
. даже в исключительных случаях нельзя использовать при очистке поверхностей другие вещества, кроме допустимых до сих пор тетрахлорэтилена
(Рег).трихлорэтилена (Тп) и дихлорметана;
. допустимая эмиссия дихлорметана снижена с 50 до 20 мг/м 3 .
Кроме того, 2.BlmSchV теперь обязывает эксплуатирующих оборудование
производителей уведомлять органы власти, если требования Предписания не
соблюдаются. В §3 «Предписания о растворителях» установлен ряд требований ко всем установкам. Прежде всего, следует назвать приказ о замене канцерогенных, мутагенных и репродуктивно токсичных веществ, принимая во
внимание практичность и целесообразность. Это требование уже относится
к сфере охраны труда при работе с опасными веществами. К мероприятиям
по уменьшению эмиссии при запуске оборудования в эксплуатацию относятся
мероприятия при переливании растворителей с температурой кипения выше
100°С и при переработке от 100 т в год. Для всех агрегатов установлены границы эмиссии веществ, имеющих значение для экологии окружающей среды и
высокий потенциал опасности. Измерение эмиссии проводят в соответствии
с § 3 раздела 4, если по состоянию техники необходима очистка отходящих газов для соблюдения граничных значений эмиссии.
9.1.1.2. Специальные требования для окраски древесины и древесных
материалов3
Существует два определяющих критерия для решения вопроса, относится
ли данный агрегат к области действия «Предписания о растворителях». Вопервых, деятельность должна осуществляться в соответствии с Дополнением
II (см. табл. 9.1) и, во-вторых, при совершении этой деятельности расход растворителей должен быть в пределах пороговых значений, определенных в дополнении I. Под расходом растворителей (§2, №19) понимают общее количество растворителей, использованное на установке в течение календарного года или любого отрезка времени в 12 месяцев, за вычетом всех ЛОС, возвращенных в процесс для повторного использования. Обозначение «раствори3
Так как в рамках этой книги невозможно детально обсудить все вопросы, например различные
положения органов власти, выдающих разрешение на производство, авторам особо хотелось бы
обратить внимание читателей на список приведенной литературы.
366
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
Таблица 9.1. Установки, работающие в области действия Предписания о растворителях
(Дополнение II) для окраски древесины и древесных материалов
Функционирование и обозначение агрегата
Предельное значение расхода растворителей (т/год)
9. Окраска древесины и древесных материалов
9.1 Агрегаты для окраски древесины и древесных материалов с расходом растворителей до 15 т/год
5
9.2 Агрегаты для окраски древесины и древесных материалов с расходом растворителей свыше 15 т/год
15
тель» включает моющие средства, диспергаторы, консерванты, пластификаторы или средства для установления вязкости и поверхностного натяжения.
В Дополнении II, № 9 деятельность по окраске древесины определяется как
«деятельность, при которой происходит однократное или многократное нанесение слоя лакокрасочного материала на поверхность древесины или древесного материала». Предельный расход растворителей установлен в 5 т/год.
При расходах ниже этого значения «Предписание о растворителях» для окраски древесины и древесных материалов уже не важно.
В соответствии с §5 части 2 «Предписания о растворителях», установки должны быть разрешены по федеральному Закону о защите от вредных выбросов
или о них должны быть уведомлены компетентные органы власти, если — как
в большинстве случаев - они не нуждаются в разрешении. Уведомление нужно для новых, вводимых в эксплуатацию установок, и для старых агрегатов до
25.08.2003, а также для таких установок, которые действуют в течение 6 месяцев после первого превышения расхода растворителей. Уведомление должно
содержать важные для установки параметры. Дополнение III к «Предписанию
о растворителях» содержит специальные требования к отдельным агрегатам.
В нем установлены предельные значения эмиссии растворителей для области
деятельности по окраске древесины и древесных материалов. В зависимости
от типа эмиссии эти предельные значения классифицируются следующим образом:
• обобщенная эмиссия (в единицах концентрации). Под этим понимают все
отработанные газы, которые выходят через дымовые трубы или другие газовыводящие устройства;
• диффузная эмиссия (в процентах по отношению к применяемым растворителям). Речь не идет об отработанных газах в качестве эмиссии из дверей,
окон и вентиляционных шахт. По Дополнению III к диффузной эмиссии относятся собранные неочищенные газы с определенных агрегатов;
. общая эмиссия — массовый поток, отнесенный к единице продукции или
единице окрашенной поверхности, а также в процентах по отношению к применяемым растворителям.
ЛОС, которые присутствуют в общем неочищенном отработанном газе, при
окраске древесины и древесных материалов относятся к диффузной эмиссии.
В табл. 9.2 схематически представлены приведенные в «Предписании о растворителях» предельные значения эмиссии на различных установках по окраске древесины и древесных материалов. Они относятся только к установкам,
перечисленным в Дополнении III, № 9-2.
367
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
Таблица 9.2. Требования для установок по Дополнению III, Nr.9-24)
Предельное значение эмиссии для отработанных газов
ЛОС в отработанном Диффузная эмиссия
газе (мг С/норм, м3) (% от использованокраска и сушка
ных растворителей)
Частицы Л КМ
(мг/м3) распыление
>15 - 25 т/год
100
25
3
>25 т/год
50
20
3
—
—
20 с термическим
дожиганием
Термическое дожигание (NTV), сроки: старые установки - до 31.10.2007; новые установки/существенно измененные установки - до ввода в эксплуатацию.
Однако проверка соблюдения предельных значений эмиссии — это только одна возможность для выполнения требований Предписания. Пользователи установок могут также решать, как добиться необходимого уменьшения
эмиссии в результате мероприятий Плана по ее снижению, согласно Дополнению IV. План снижения эмиссии может, например, включать замену технологии окраски и уменьшение количества растворителей в применяемых
Л КМ. Общая эмиссия в этом случае может быть не выше предельных значений, приведенных в дополнении III. План снижения эмиссии дает возможность каждому предпринимателю множество шансов для выполнения требований «Предписания о растворителях». С принятием такого плана производитель по обязательному согласованию с компетентными органами власти
берет на себя обязательство по снижению эмиссии до уровня ее предельных значений. В плане должны быть конкретно и детально представлены мероприятия, с помощью которых можно добиться ограничения эмиссии. Должно быть также указано влияние каждого отдельного мероприятия на эмиссию.
В качестве основы при разработке такого плана, прежде всего, нужно составить баланс растворителей (см. ниже).
Пользователь установок, таким образом, может соблюдать определенные для
данного производства предельные значения эмиссии (Дополнение III) либо при
использовании технологии «end-of-pipe» (очистка отработанных газов), либо в
результате первичных мероприятий в форме Плана снижения эмиссии (Дополнение IV). При этом применение плана снижения равносильно входу в промышленно интегрированную систему защиты окружающей среды. Для установок,
которые подпадают под действие дополнения III, № 9-2, термическое дожигание может быть рационально, если уровень техники не позволяет получать поверхности хорошего качества при использовании обедненных растворителями
или не содержащих растворители ЛКМ. Такие агрегаты термического дожигания используются, если содержание растворителей в отработанных газах настолько высоко, что они могут работать автотермически. При содержании растворителей >2 г/м 3 нужно в каждом отдельном случае решить, удастся ли гарантировать автотермическую эксплуатацию установки. Но на практике это зачастую не делается. На рис. 9.2и 9.3приведены важнейшие требования «Предписания о растворителях» для окраски древесины и древесных материалов.
По Дополнению III, № 9.1 к Директиве 31.BlmSchV для агрегатов, перечисленных в дополнении I, №.9.1, с годовым расходом растворителей до 15 т
предъявляют следующие требования:
368
•
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
уменьшение эмиссии ЛОС при использовании обедненных растворите-
лями материалов в соответствии с уровнем техники (не распространяется на
старые установки, вступает в силу с 31.12.2007);
•
с 01.11.2007: определение ЛОС-эмиссии минимум раз в год с учетом ба-
ланса растворителей по Дополнению V;
•
с 01.01.2013: применение плана снижения эмиссии по Дополнению IV.
Схема проверки агрегатов для окраски древесины и древесных материалов
Расход растворителей свыше граничных значений по дополнению 1 (больше 5 т/год)
Предписание о растворителях не актуально
Нет
Да
Превышение указанных
в дополнении 4 части С №3
значенийЛОС
Нет
Нет
Расход больше 25 кг/ч
или больше 5 т/год
Обязательное извещение, упрощенный план снижения до 01.01.2013
Да
Да
Расход больше 15 т/год
Специфический план снижения до 31.10.2007
Нет
1
Нуждается в разреше
нии по 4. BlmSchV2
Подлежащие регистрации поэтапные требования до 2007,специфический план снижения до 01.01.2013
Да
Расход больше 25 т/год
Нет
Соблюдение граничных значений см. табл. 9.2\ЛП\Л специфический план снижения
Да
Соблюдение граничных значений см. табл. 9.2\ЛП\Л специфический план снижения
Используются ли канцерогенные
или влияющие на изменение наследственности вещества?
Используются ли вещества с
R40 или №3.1.7 класса 1?
Замена или соблюдение массопотока от 2,5 г/ч или в отработанных газах от 1 мг/м 3
Соблюдение массопотока от
ЮОг/час или в отработанных газах 20 мг/м3
Особые меры по уменьшению эмиссии при переливании (растворители с температурой кипения < 150°С, переливание >100 т/год
1
Для установок с расходом от 5 до 15 т/год можно установить в исключительных случаях необходимость
получения разрешения. Если расходная мощность превышает 25 кг/ч.
Нуждающиеся в разрешении установки должна соблюдать кроме требований предписания о растворителях
требования для ТА воздуха, поскольку речь не идет о требованиях по ограничению ЛОС на этих установках.
2
Рис. 9.2. Порядок проверки линий для окраски древесины и древесных материалов
на соответствие требований «Предписания о растворителях»
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
369
Требования предписания для растворителей
Общие требования
ко всем установкам (§3)
Альтернатива 1 (§4 часть 1) соблюдение
установленных в Дополнении III предельных
значений эмиссии (см. таблицу 9.2)
Любой План снижения
(Дополнение IV А)
- применимость для всех установок
- необходимо подтверждение
о соответствующем снижении
эмиссии на предприятии.
Специальные требования к некоторым
видам деятельности/установкам §4
Альтернатива 2 (§4 часть 2)
применение Плана снижения
Специфический План снижения
(Дополнение IV В)
- для установок по № 9.1-9.2
- без необходимости подтверждения о соответствующем
снижении эмиссии на не нуждающихся в разрешении установках
- для нуждающихся в разрешении установок: единичная проверка.
«Упрощенный» План снижения
(Дополнение IV С)
- для установок №9-1 <5 т/год
- без необходимости подтверждения о соответствующем снижении эмиссии.
Рис. 9.3. Требования к агрегатам для окраски древесины и древесных материалов на соответствие требований «Предписания о растворителях»
План снижения эмиссии
Согласно Предписанию возможны три варианта Плана по снижению эмиссии, которые схематично представлены на рисунке 9.3.
. Произвольный план снижения должен содержать доказательства соответствия эмиссии уровню, предусмотренному Дополнением IV А. В этот план
можно вовлекать все, что способствует снижению эмиссии. Об этом следует
извещать органы власти.
. Специальный план снижения эмиссии разрабатывается для агрегатов по
окраске и устанавливает уровень эмиссии, по крайней мере, в рамках граничных
значений, предусмотренных в Дополнении II. Должна соблюдаться рассчитанная
для конкретного применяемого процесса целевая эмиссия (Дополнение IV В).
• Упрощенный план снижения обязывает пользователя оборудования
применять материалы, например растворители, с заведомо малым содержанием ЛОС (Дополнение IV С). Эмиссия должна быть снижена до уровня граничных значений дополнения II.
Для старых установок уведомление органов власти о составлении плана
должно было быть сделано до 31.10.2004. Для новых установок план нужно
представлять перед запуском в эксплуатацию. В дальнейшем мы будем детально останавливаться на специальном и упрощенном планах.
Специальный план снижения эмиссии
По специальному плану, согласно Дополнению IV, происходит сдерживание
определенной целевой эмиссии. Для расчета целевой эмиссии привлекаются
следующие параметры:
• количество нелетучих веществ в лакокрасочных материалах (кг/год);
. коэффициент воспроизводства для расчета годовой базовой эмиссии;
• процент для определения целевой эмиссии.
370
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
Таблица 9.3. Определение целевой эмиссии по Дополнению IV В)
№
9.1
1
Расход растворителей
(т/год)
> 5-15
9.2
>15-25
9.3
>25
Фактор для определения
базовой эмиссии за год
Процент для определения
целевой эмиссии
4
(25+15)%
1
(25+15)%
1
(25+5)%
З
З
При коэффициенте полезного использования > 85% можно взять за основу фактор 4
В табл. З.Зприводятся данные для расчетов.
Целевая эмиссия рассчитывается по формуле:
Целевая эмиссия = нелетучие вещества (кг/год) - коэффициент
воспроизводства4 • процент для определения целевой эмиссии.
Содержание нелетучих веществ может быть взято из гарантийного технического паспорта или других документов на продукцию. Массу нелетучих веществ можно рассчитать из количества используемого материала и содержания нелетучих веществ. Базовая эмиссия определяется исходя из массы нелетучих веществ и коэффициента воспроизводства. Она представляет собой
фиктивную общую эмиссию, которая возникала бы при использовании традиционных, содержащих растворители материалов без применения снижающих
эмиссию мероприятий. Она рассчитывается так:
Базовая эмиссия = нелетучие вещества (кг/год) • коэффициент
воспроизводства.
Требования считаются выполненными, если баланс растворителей по результатам базовой эмиссии меньше, чем целевая эмиссия. На установках,
для которых необходимо разрешение по федеральному закону о защите от
эмиссии, должны также соблюдаться положения §5, №1, 2 BlmschG. Для этого должны быть реализованы дальнейшие мероприятия. Для новых установок
до 1 ноября 2004 г. можно было рассчитывать целевую эмиссию с коэффициентом 1,5. Для существующих установок это было справедливо с 1 ноября
2005 г. до 1 ноября 2007 г. и заранее можно сокращать целевую эмиссию.
Упрощенный план сокращения эмиссии
Упрощенный план — это упрощенное подтверждение соответствия целевой
эмиссии плану сокращения, при котором больше не требуется составления дорогостоящего баланса растворителей. Он применим при окраске древесины и
древесных материалов на установках с предельными значениями от 5 до 15 т
(Дополнение I, № 9.1). Производители, которые хотят применять упрощенный
план на своих установках, должны представить компетентным органам власти
обязательные уведомления по использованию содержащих или не содержащих растворители материалов. Маленькие старые установки по окраске древесины и древесных материалов должны представить такие уведомления до
31.12.2012. После 01.01.2013 упрощенный план нужно будет соблюдать. ОбяПри КПД > 85% коэффициент воспроизводства может быть установлен равным 4.
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
371
0/1.2 растворители в общих необработанных отработанных газах
0/1.1 растворители в общих
0/2 растворители
обработанных отработанных газах
в сточных водах
0/5 растворитеОчистка
отработанных
ли не разрушенгазов
ные при обра0/4 не охваченная**-^ботке
эмиссия щ.
Установка (производство),
0/6 растворитеиспользующее ЛОС
0/3 остаточные расли в отходах
творители в продукции»-* .
1/1 растворители
кратковременного
хранения
1/2 регенерат
0/7 растворители в
продукции для процажи
0/8 регенерированные растворители
Рис. 9.4. Представление входящего и исходящего потоков
зательное уведомление компетентных органов при применении упрощенного
плана необходимо сделать для следующих материалов с очень низким содержанием растворителей:
• исключительное использование ЛКМ с содержанием ЛОС < 250 г/л при
окраске ровных и плоских поверхностей;
. исключительное использование ЛКМ с содержанием ЛОС < 450 г/л для
окраски прочих поверхностей;
• исключительное использование водных бейцев с содержанием ЛОС < 300 г/л.
Упрощенное подтверждение — простой и экономичный путь выполнения требований 31 .BlmSchV: оно не требует расчета годового баланса растворителей
и подтверждения его эквивалентности. Кроме того, такое подтверждение для
производителей и органов власти осуществляется с наименьшими затратами.
Содержание ЛОС в ЛКМ нужно рассчитывать по следующей формуле:
Количество ЛОС (г/л) = ( 1 0 0 - нлч - мв) • р • 10,
где нлч — доля нелетучих вешеств; мв — массовая доля воды в %; р — плотность ЛКМ.
Баланс растворителей
Баланс растворителей в немецком законодательстве по защите от вредных
выбросов — новый инструмент, введенный «Предписанием о растворителях».
Баланс растворителей служит для:
. определения расхода растворителей при проверке превышения порого
выхзначений;
• подтверждения соблюдения граничных значений диффузной или общей
эмиссии;
. подтверждения соблюдения плана снижения.
372
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
В Дополнении V предписания описаны общие положения расчета баланса
растворителей. Ввиду сложности установления баланса растворителей авторам хотелось бы сослаться на приведенную литературу [5-7] и прокомментировать только самые важные аспекты.
При составлении баланса растворителей, рассматриваются все важные входящие и исходящие потоки растворителей на установке. Входящий поток обозначается как I, а исходящий, как 0, и все потоки нумеруются. Представленные
заштрихованной (пунктирной) стрелкой и подписанные курсивом потоки относятся к диффузной эмиссии. Для подтверждения выполнения Предписания
на установке, согласно Дополнению III, № 9-2 (см. табл. 9.2), нужно определять диффузную эмиссию. Для определения эмиссии как суммы диффузной
и общей эмиссии возможны два метода. В прямом методе суммируется диффузная эмиссия как эмиссия растворителей в сточных водах, как загрязнения
и остатки продукта, как необщая эмиссия и эмиссия растворителей при прочих процессах. Чаще всего используют косвенный метод. Диффузная эмиссия
определяется выделением из количества использованных растворителей относительно легко определяемого потока растворителей. Это растворители в
отработанных газах, растворители, уничтоженные при очистке отработанных
газов, растворители в отходах, как составная часть продукции и регенерированные растворители. Не подвергшиеся обработке отработанные газы наряду с установками являются источниками диффузной эмиссии. Из количества
применяемых растворителей вычитаются, например, растворители, оставшиеся после переработки в продукте и отходах, а также уничтоженные при известных условиях в процессе очистки отработанных газов. Оставшееся количество соответствует диффузной эмиссии.
Такой баланс растворителей может быть установлен в основном виде для
всех производств и связан с затратами. Если, например, некрупные производители не имеют возможности привлекать для этого помощь сторонних организаций, то они могут подождать 1 или 2 рабочих дня, пока эту работу проведет их квалифицированный сотрудник. Для определения расхода растворителей и для подтверждения того, что на производстве расход растворителей не
превышает 5 т/год, каждый производитель должен провести расчет баланса
растворителей. При этом следует обратить внимание на следующие пункты:
. определение количества использованных растворителей может происходить, например, на основании заказа или накладной, или изменения наличности товара (расходной ведомости). Содержание растворителя в рецептуре
можно установить на основании технического паспорта или по запросу производителя;
• суммируются все поступления растворителей на всех стадиях производства, с учетом вспомогательного оборудования и отдельных частей установки,
связанных с данной деятельностью;
• если растворители в материальном виде используются повторно, то они
должны быть вычтены из общего количества вводимых в процесс растворителей. Такое повторное использование должно быть подробно учтено и задокументировано;
. расход растворителей следует сопоставить с требованиями Дополнения I.
Растворители на вспомогательном оборудовании и на стадии предварительного или последующего хранения можно легко упустить из вида. Часто недооценивают роль растворителей во вспомогательных материалах.
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
373
Практические примеры
Пример 1
В качестве примера уменьшения расхода растворителей при окраске деревянных изделий следует упомянуть мебельное производство [5]. Речь идет об
установке по окраске стульев со следующими данными:
• агрегат по окраске стульев: 60 стул./час; 105 тыс. стул./год;
• отходы ЛКМ: около 12 тыс. кг/год (от 50 до 60% использованного материала);
. процесс:
— распыление водных бейцев, 15 750 кг/год; содержание растворителей — 0%, распыление под давлением,
— грунтовка НЦ-лаком; 14 700 кг/год; содержание растворителей — 70%;
нанесение окунанием;
— УФ-отделочный лак (на водной основе); 10 500 кг/год; содержание
растворителей — 8%; электростатическое распыление;
• расход ЛКМ: 40 950 кг/год, растворители — 11 130 кг/год.
Установка подлежит обязательной регистрации, так как расход растворителей составляет больше 5 т/год. Производитель по обстоятельствам в течение
3 лет должен провести расчет баланса растворителей. Установить план снижения расхода растворителей можно до 2013 г.
Рекомендуется провести следующие снижающие мероприятия:
. Установка камеры «лак в лак» для нанесения покрывного лака со сбором и
возвратом в процесс неиспользованного материала.
. Установка подвесного конвейера с захватами для стульев, которые можно поворачивать 4 раза на 90°.
. Грунтование с использованием разбавляемого водой 1 К-водного лака.
. Процесс:
— бейц, 15 750 кг/год; содержание растворителей — 9% (содержащий растворители водный бейц); распыление под давлением;
— грунтование с 1К-водным материалом, 14 700 кг/год, содержание растворителей — 9%; нанесение окунанием;
— УФ-покрывной лак (на водной основе) 10 500 кг/год, содержание растворителей — 8%; электростатическое распыление;
. Расход ЛКМ: 40 950 кг/год; содержание растворителей — 3580,5 кг/год.
Расход растворителей снижается до 3,6 т/год. Таким образом, производство
выходит из области действия Предписания и не нуждается в обязательной регистрации. Кроме этого, можно снизить испарение растворителей из емкости
для окунания и отходов.
Пример 2
Для устойчивых к истиранию и изнашиванию покрытий лестничных ступеней
обычно применяют быстросохнущие однослойные 2К-ПУР-составы, наносимые распылением. Рабочее содержание нелетучих веществ в таких системах
составляет, как правило, от 25 до 30%. Растворители служат для оптимального
растекания и получения качественной поверхности. В результате химической
реакции (полиприсоединения) основы с отвердителем, мы получаем химически устойчивую поверхность по DIN 68861, часть 1, 1 В. В качестве благоприятной для окружающей среды и обедненной растворителями замены для разбавляемых растворителями 2К-ПУР-составов устойчивое значение приобретают 1К-УФ-водные материалы, так как, после испарения воды и химического
374
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
Таблица 9.4. Сравнение 2К-ПУР и 1К-УФ-водных материалов для окраски
лестничных ступеней
2К-ПУР материал
1КУФ-ВОДНЫЙ
материал
Содержание нелетучих веществ
26%
38%
Содержание растворителей
74%
3%
—
59%
350г(250г)
220г (200г)
Количество растворителей на м2
259г
6,6 г
Толщина высушенного слоя (мкм)
65
76
12 часов
2 часа
55%
90%
Возврат материала (возможность повторного
использования)
—
++
Жизнеспособность
Да
нет
Визуальная оценка поверхности
++
++
Химическая стойкость по DIN 688861 часть11В
да
да
Устойчивость к истиранию
++
++
Содержание воды
2
Количество наносимого материала на м , включая потери ЛКМ
Общее время окраски одной ступени
Коэффициент полезного использования
Таблица 9.5. Количество ЛКМ для окраски поверхности 60 тыс. м2 в год
2К ПУР материал
1К УФ водный материал
Общее количество
материала
21000 кг
13200 кг
Общее количество
растворителей
15540 кг
396 кг
Общее количество отходов
12600 кг
1980 кг
УФ-отверждения, окрашенные детали можно складывать и упаковывать.
Устойчивость к истиранию и внешний вид поверхности УФ-водных составов
абсолютно сравнимы по качеству с поверхностями, полученными при использовании 2К-ПУР-материалов (см. табл. 9.4).
Нанесение происходит с помощью плоскостных распылительных установок на ленточном конвейере с автоматическим сбором материала, не попавшего на поверхность (схема процесса приведена в ч. 3.1.7). Он составляет от 20 до 25% наносимого УФ-водного состава и используется исключительно для грунтования. Коэффициент полезного использования материала с учетом собранного ЛКМ составляет 90-95%. Таким образом можно экономить на расходах по утилизации шлама [8]. Как показывает пример (см.
табл. 9.5), процесс с использованием 2К-ПУР-материалов при обработке
60 тыс. м2 поверхности в год подпадает под действие Предписания о раство-
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
375
рителях (расход растворителей > 15 т/год). При использовании плоскостных
распылительных установок и 1К-УФ-водных составов, действие Предписания
на этот процесс не распространяется (расход растворителей < 5 т/год).
Процесс с использованием УФ-водных материалов имеет следующие преимущества:
. нужно заметно меньшее (приблизительно на 38%) количество ЛКМ;
• сокращение общего количества растворителей на 97%;
. уменьшение отходов материала на 84%;
. нет ухудшения окрасочных свойств;
. время процесса при использовании УФ-технологии заметно сокращается.
Дальнейшие практические примеры можно почерпнуть из приведенной литературы.
Список литера туры
1. Scheithauer,M.:MessenundBewertenvonLoesemittel-EmissionenbeiderVerarbeitung
von Lacken, Informationstagung des Verbandes der Lackindustrie e.V.: LoesemittelReduzierung bei der Moebelfertigung, 1998.
2. DIN ISO 11890: Bestimmung an fluechtigen organischen Verbindungen (VOC-Gehalt),
Teil 1: Differenzierverfahren, Teil 2: GaschromatographischesVerfahren.
3. Richtlinie 1999/13/EG des Rates vom 11. Maerz 1999 ueber die Begrenzung von
EmissionenfluechtigerorganischerVerbindungen.diebeibestimrntenTaetigkeitenundin
bestimmten Anlagen bei der Verwendung organischer Loesungsmittel entstehen (ABI.
EGNr. L85S.1).
4. Verordnung zur Umsetzung der Richtlinie 1999/13/EG Ueber die Begrenzung von
Emissionenfluechtiger organischer Verbindungen - 31. BlmSchVvom 21. August 2001
(BGBI. 1 S. 2180).
5. Hackmack, U., Mahrwald, В.: DieLoesemittelverordnung-EinfuehrungundVorschlaege
zur Umsetzung in die Praxis, Eigenforschungsvorhaben des Umweltbundesamtes Luftreinhaltung, Forschungsbericht 50044301, 2002.
6. Vollzug der 31. BlmSchV bei der Holzbeschichtung, Fachtagung am 21. Juni 2005,
Herausgeber: Bayerisches Landesamtfuer Umweltschutz, Augsburg, 2005.
7. Vesper, H., Schruebbers, H.: Entwicklung und Erprobung eines modellhaften
Beratungskonzeptes zur Unterstuetzung des Technologietransfers in kleinen
und mittelstaendischen Unternehmen mit dem Ziel der Einfuehrung umweltgerechter
Lackierverfahren, durchgefuehrt von: bregau (bremer gesellschaft fuer angewandte
umwelttechnologie), Deutsche Forschungsgesellschaft fuer Oberflaechenbehandlung
e.V. (DFO)gefoerdertvomBMBFueberdieDLR,Foerderkennzeichen01RC0088-Teil1,
01RC0089-Teil2, 2002.
8. Prieto, J., Gehrmann, V.: Die praktische Anwendung emissionsarmer, wasserverduennbarer, strahlenhaertender Lacksysteme fuer die Treppenstufenlackierung,
Vortrag beim Verband der deutschen Lackindustrie e.V., 1999.
376
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
9.2.Остаточнаяэмиссияпослесушкииотверждения
окрашеннойдревесиныидревесныхматериалов
В век растущего осознания необходимости защиты окружающей среды и
здоровья тема «остаточной эмиссии из окрашенной древесины и древесных
материалов» в последние годы приобрела среди населения особое значение.
Это относится не только к качеству воздуха в целом, но и к изменению условий
жизни человека в индустриальном обществе. Согласно исследованиям Федерального ведомства по окружающей среде, в Германии взрослые люди от 25
до 69 лет проводят внутри помещений ежедневно около 20 часов. Таким образом, человек проводит внутри помещений в среднем от 80 до 90% времени
своей жизни. В результате улучшения теплоизоляции зданий и герметизации
окон после топливного кризиса 70-х гг. прошлого века, подача свежего воздуха в помещения заметно сократилась [ 1 , 2]. Взамен возникло новое поле проблем в гигиене помещений. Проблема плесени или эффекта густого тумана
(черные комнаты) являются тому примером.
При неблагоприятных условиях воздух помещений может насыщаться также, конечно, и различными летучими веществами из изоляционных и строительных материалов, мебели, отделки стен и потолков. До недавнего времени мебель была источником больших количеств многократно удержанного формальдегида, который, в сочетании с вышеупомянутыми переменами,
создавал большой риск для здоровья в течении более чем 50 лет. Причиной
такой эмиссии были древесные материалы, клеящие составы и ЛКМ. Порог
запаха для формальдегида составляет 0,12 ррм (160 мкг/м 3 ). Чувствительные
к запаху люди могут ощущать присутствие формальдегида в количестве 0,05
ррм (60 мкг/м 3 ). По причине токсичности формальдегида (см. часть 2.5.3) в
прошедшие годы проблема выделения формальдегида из мебели подробно
изучалась и удалось существенно снизить выделение из применяемых древесных материалов, клеящих и лакокрасочных составов [ 3 - 5 ] .
С 1986 г. концентрация формальдегида в воздухе помещений регулируется законодательно и ограничена Постановлением об опасных веществах
(GefStoffV). Согласно этому Постановлению, для изготовления мебели запрещаются древесные материалы, которые в определенном испытательном объеме создают концентрацию формальдегида 0,1 мл/м 3 (=0,1 ррм). Это подтверждено в 1993 г. в Постановлении о запрещенных химикатах (ChemVerbotsV). Эти
условия исключают использование стружечных плит категории Е1. Благодаря законодательным предписаниям, выделение формальдегида из древесных
материалов для мебели настолько уменьшилось, что проблема эмиссии формальдегида сегодня отошла на второй план. Большие мебельные магазины
также накопили свой опыт по эмиссии формальдегида. После того, как в Дании
в 1980-е гг. стало известно о высокой эмиссии формальдегида, в основном, из
клеящего состава стружечных плит, журнал «Штерн» в октябре 1992 г. утверждал, что популярные стеллажи «Billy-Regal» выделяют столько формальдегида, что покупающие эти стеллажи потребители играют со своим здоровьем в
«русскую» рулетку [6]. После этого с осени 1993 г. фирма полностью решила
отказаться от использования кислотоотверждаемых систем для окраски мебели. Сегодня стеллажи «Billy-Regal» обрабатывают безопасными для окружающей среды водными и УФ-отверждаемыми материалами.
Правда, мебель все еще может быть источником незначительной эмиссии внутри помещений. Что раньше выделялось, скорее, как признак качества и было
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
377
Таблица 9.6. Примеры запахов, различаемых человеком
Древесина, смола
Корковая пробка
Дым
Скипидар
Затхлость
Кислота
Кора, березовая кора
Масло, жирность
Фрукты (цитрус)
Дубовая древесина
Лак, краска
Эвкалипт
предметом гордости владельца, сегодня классифицируется крайне чувствительной общественностью как недостаток. Ведь обоняемый спектр остаточной эмиссии недавно сделанных продуктов обладает не только раздражающим запахом,
но, во многих случаях, может быть опасен для здоровья. Сегодня исходят из того,
что человек может различать от 4000 до 10 000 запахов (см. табл. 9.6) [ 7 ] .
9.2.1. Остаточная эмиссия с поверхности мебели
Начиная, примерно, с 1989 г. вопросами возможного влияния на здоровье
остаточной э м и с с и и из мебельных и деревянных окрашенных поверхностей
стали интенсивно заниматься [8, 9 ] . Многочисленные институты разрабатывали концепции определения и оценки составных частей воздуха и домашней
пыли. Предметом большой д и с к у с с и и было предложение, опубликованное
Объединением экологических исследовательских институтов (AGOeF). Полученные AGOeF ориентировочные значения для летучих компонентов в воздухе выведены статистически. Ориентировочные значения основаны на определенных результатах исследований институтов, входящих в объединение, за
10 лет. Это представительные результаты более чем 2000 анализов воздуха в
помещениях и свыше 3500 анализов д о м а ш н е й пыли. Д р у г а я концепция оценТаблица 9.7. Средние значения концентрации некоторых органических веществ
в воздухе помещений по данным за 1993 г.
Вещество
Концентрация [мкг/м 3 ]
Формальдегид
58,3
н-гексан
9,5
Циклогексан
8,0
Бензол
9,0
Толуол
78,0
Этилбензол
10,0
М, /7-КСИЛОЛ
22,00
Стирол
2,0
1,1,1-трихлорэтан
8,0
а-пинен
10,00
н-бутилацетат
6,2
н-гексаналь
1,5
н-бутанол
1,3
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
378
Отходящий воздух
Отбор пробы
Наружный
воздух
5
1. Насос
2. Фильтр с активированным углем
3. Поплавковый измеритель скорости
потока
4. Силикагелевый фильтр
5. Промывка склянки (увлажнение)
S
6. Регулятор скорости потока
7. Испытуемый материал
8. Термостатирующее устройство
с вентилятором
9. Отводящая трубка
Рис. 9.5. Схема эмиссионной испытательной камеры
ки основана на данных потоксикологии, полученных на основании экспериментов с животными. Оба направления имеют свои преимущества и недостатки.
Будущее покажет, какая из двух концепций будет выбрана в Европе и в мире.
В табл. 9. /приведены средние значения концентрации органических веществ
в воздухе помещений за 1993 г. [10, 11].
Для систематической регистрации и стандартизации остаточной эмиссии
была разработана эмиссионная испытательная камера (DIN EN ISO 16000-9),
а также процесс испытаний в этой камере (DIN EN ISO 16000-10). Процедуры
регистрации, хранения и подготовки проб изложены в DIN EN ISO 16000-11. На
рис. 5.5представлена схема эмиссионной испытательной камеры [12]. Подлежащие испытанию древесные субстраты сначала кондиционируют при температуре 23°С, 50%-ной относительной влажности и воздухообмене >1/час. Затем образцы помещают в испытательную камеру и после 24 часов установления равновесия измеряют концентрацию веществ в камере в течение 28 дней.
Испытательный период в 28 дней выбран потому, что статистически от момента производства предмета мебели до поставки его конечному потребителю
проходит именно этот срок. Анализ проводят методами газовой хроматографии и масс-спектрометрии. Согласно DIN ISO 16000-6, для эмиссии, происходящей в испытательной камере, существует следующее разделение:
• ЛОС: все индивидуальные вещества со временем удержания5 С9-С16;
. Z ЛОС: сумма всех индивидуальных веществ >5мкг/м 3 со временем удержания С9-С16;
. ТЛОС: все индивидуальные вещества со временем удержания С16-С22;
• Z ТЛОС: сумма индивидуальных веществ > 5мкг/м 3 со временем удержа
нияС16-С22.
Область внутреннего пространства до сих пор законодательно не отрегулирована, т. е. не существует всеобъемлющих инициатив в форме законов,
5
Время удержания - это время , которое требуется молекулам вещества для прохождения через хроматографическую колонку от инжектора до детектора.
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
379
Рис. 9.6. Кривая улетучивания бутилацетата на примере нитроцеллюлозы в процессе
испытания в эмиссионной камере по DIN EN ISO 16000-9
постановлений и других правовых регулирующих положений. Это относится не только к немецкому, но и к международному пространству. В последние годы запах новой мебели часто становится поводом для рекламации.
В результате постоянного сокращения сроков поставки и частично воздухонепроницаемой упаковки проветривание мебели происходит уже у покупателя.
Запах новой мебели может иметь следующий состав [14-17]:
. эмиссия из древесины и древесных материалов (например, формальдегид, терпены, см. ч. 2.4);
. органические растворители из клеев, очистителей, ЛКМ, пластификаторов;
. продукты расщепления фотоинициаторов и остаточные мономеры 6 из
УФ-материалов;
• продукты расщепления окислительноотверждаемых масел (например,
альдегиды).
Уже несколько лет усиленно занимаются возможностью обоснованной оценки и ограничения эмиссии растворителей с поверхности мебели в период ее
эксплуатации. Исследования Брауншвейгского института имени Вильгельма
Клаудица 1993-1995 гг. показали, что в первую неделю после изготовления
мебели, в зависимости от использованных продуктов и условий переработки,
причиной остаточной эмиссии являются, главным образом, органические растворители. Выделение растворителей происходит в эмиссионной испытательной камере и является убывающей функцией, как показано на рис. <?.6[18, 19].
На остаточную эмиссию из поверхности мебели влияют следующие факторы
процесса окраски и отверждения:
• сильно впитывающая подложка;
. температура субстрата (холодный или теплый);
• количество наносимого вещества/толщина слоя;
6
Остаточные мономеры из ненасыщенных полиэфирных смол (например, стирол).
380
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
Таблица 9.8. Значения эмиссии по основной базе данных RAL-UZ 38 для плоских
и гладких изделий (дверей, панелей, ламината, готового паркета)
Вещество
Начальное значение
(24+ 2 часа)
Конечное значение
(28 дней)
Формальдегид
—
0,05 ррм
Органические соединения с температурой кипения от 50 до 250°С
—
300 мкг/м 3
Органические соединения с температурой кипения выше 250°С
—
100 мкг/м3
< 1 мкг/м3
< 1 мкг/м3
СМТ вещества
• параметры сушки;
• скорость циркуляции воздуха;
• температура сушки;
• продолжительность сушки;
• относительная влажность воздуха.
Базовые значения э м и с с и и RAL-UZ 38 для плоских гладких обедненных
э м и с с и е й изделий (например, окрашенных д в е р е й , панелей, ламинатных
полов, готового паркета и т.д.) представлены в табл. 9.8 [ 2 0 ] . Конечное значение э м и с с и и после 28 дней в испытательной камере должно составлять
< 300 м к г / м 3 органических с о е д и н е н и й (точка кипения 50-250°С) и < 1 0 0 м к г / м 3
(точка кипения выше 250°С). Трехмерные детали, н а п р и м е р корпусная мебель,
могут иметь э м и с с и ю < 6 0 0 м к г / м 3 . Чтобы можно было проводить испытания
на остаточную э м и с с и ю по в о з м о ж н о с т и э к о н о м и ч н о , сначала проводят предварительные испытания мебельных деталей в э м и с с и о н н о й камере в течение
48 час. Если общее количество ЛОС (ОЛОС) < 1200 м к г / м 3 , испытания заканчивают. Из опыта известно, что в таком случае, после 28 дней испытания, количество ОЛОС будет меньше 600 м к г / м 3 . В случае если выделение ОЛОС
после 48 часов оказывается больше 1200 м к г / м 3 , испытания продолжают в
течение 28 д н е й .
9.2.1.1.
Схема АдВВ (Комиссии по санитарной оценке
строительной
продукции)
В 1997 г. в результате согласованной акции земельных и федеральных органов власти была создана Комиссия по санитарной оценке строительной продукции (АдВВ), чтобы выработать единый подход к оценке вредных органических веществ (ЛОС) и их суммарных накоплений (ОЛОС) во внутренних помещениях и тем самым обеспечить здоровье пользователей.
По заказу АдВВ под названием «Контроль воздуха в помещениях» была сформулирована задача для объединений и институтов по созданию схемы оценки
и определению контрольных цифр. В эту AgBB-схему следовало внести санитарные оценки остаточной эмиссии строительной продукции. Она была опубликована в 2001 г. (см. рис. 9.7)[22]. Немецкий институт строительной техники (DIBt) заимствовал эту схему оценки для разрешения на эксплуатацию покрытий для пола, например из дерева [21]. Стало очевидно, что оценка эмиссии по AgBB-схеме должна быть распространена и на область производства
мебели. По такой схеме можно не только следить за суммарной эмиссией в
381
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
Измерение
через
Здня
Проба на:
Сумма всех определяемых канцерогенов < 10 мг/м3
Да_
{Сумма всех определяемых канцерогенов < 0,01 мг/м3?
та
Измерение
через
28 дней
т^
Нет
Отказ
Her
Отказ
Да ,"
Оцениваемые вещества < 1,0 мг/м3?
Да
Т
Оцениваемые вещества < 1,0 мг/м3?
Нет
Нет
Отказ
Отказ
Да
Сумма всех определяемых канцерогенов < 0,01 мг/м3? |
"
•
Отказ
Да j
Сумма всех ЛОС с NIK
R=SC/NIK.**<1?
Нет.
Отказ
Да
Сумма всех ЛОС без учета предела обнаружения
< ОД мг/м3?
Отказ
Да
Продукт пригоден к использованию
внутри помещений
Для еще не согласованных и не общепризнанных в настоящее время метод контроля.
* VOC, TVOC: область удержания С6- С16, SVOC: область удержания >С16 - СгГ
** NIK предел чувствительности - наименьша я значащая концентрация
Проверка в эмиссионной камере по EN ISO 16000-9 до 11.
Рис. 9.7. AgBB-схема санитарной оценки строительной продукции
процессе испытаний, но и проводить оценку по эмиссии индивидуальных соединений. Согласно DIN EN ISO 16000-9, испытание проводится в испытательной камере в течение 28 дней. После этого с учетом коэффициента надежности (от 100 до 1000), выводят отдельные значения для ЛОС с помощью так называемых NIK-показателей (наименьших значащих концентраций), которые
получены на базе токсикологических данных, таких как значения МАК7. С помощью NIK происходит оценка безразмерных R-факторов.
7
МАК — максимально возможная концентрация вещества в виде газа, пара или взвеси в воздухе рабочей зоны, при которой не может быть нанесен вред здоровью, даже если это вещество
присутствует в атмосфере ежедневно в течении 8 часов, максимально 40 (42) часов в неделю.
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
382
Таблица 9.9. Летучие компоненты древесины и древесных материалов
Летучие ингредиенты древесины
Летучие вещества, образующиеся при обработке
древесины
Монотерпены: а-пинен
Альдегиды Формальдегид
р-пинен
Ацетальдегид
3-карен
Пропаналь
лимонен
Пентаналь
(3-фелландрен
Гексаналь
у-терпинен
Гептаналь
р-цимен
Октаналь
терпинолен
Нонаналь
Р-мирцен
Аурфураль
Кислоты: Муравьиная
Уксусная
Гексановая
2500 т
2000*
. 1500н
DC
го
Q. 1000-
—•— а-пинен
—A—р-пинен
— » _ Д-карен
900 мкг/м3
650 мкг/м3
500
22.02.00
29.06.00
21.09.00
2i.oa.oo
Дата измерения
Рис. 9.8. Концентрация терпенов в школьном здании с паркетом из хвойных пород
Вещества, для которых в настоящее время не установлена токсикологическая оценка, т.е. нет NIK-классификации, ограничиваются по своим допустимым концентрациям. Для более подробного ознакомления с АдВВ-схемой
следует обратиться к приведенной литературе [21, 22].
383
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
Выделение гесоналя из OSB
700-
1 м3 - камера, 23°С, 45% влажности
1 час1 воздухообмен
1 мг/м3 загрузка
600500-
"к 4001—
5эоо2001000-()
50
100
Время, ч
150
200
Рис. 9.9. Выделение гексаналя из OSB-плиты
9.2.1.2. Эмиссия из древесины и древесных материалов
Необработанные изделия из дерева или строительные элементы могут вносить свой вклад в процесс остаточной эмиссии за счет летучих ингредиентов
древесины (см. ч. 2.4). Летучие органические соединения, присутствующие в
древесине, можно разделить на две группы:
. летучие составляющие древесины;
. летучие органические вещества, образующиеся в результате гидролитических, термических или других окислительных реакций.
Известно, что древесина хвойных пород в свежесрубленном состоянии содержит от 0,5 до 2% монотерпенов, а также а- и р-пинен, 3-карен и лимонен.
В табл. 5.5[7]представлены в качестве примера некоторые летучие компоненты древесины и древесных материалов.
Важнейшие ЛОС древесины (монотерпены, уксусная кислота и высшие альдегиды) - это природные вещества, обладающие сравнительно низкой токсичностью. Вопрос ограничения и уменьшения основывается в данном случае
не на опасности их эмиссии для здоровья, а на общих требованиях к гигиене
жилища по чистоте воздуха и с точки зрения восприятия запахов. Монотерпены выделяются из изделий только из хвойной древесины, причем эмиссия
имеет тенденцию к сокращению при интенсивной обработке древесины и подготовке к эксплуатации. На рис. 9.8 [21]представлено изменение концентрации терпенов в школьном здании после укладки паркета из хвойной древесины и заделки швов Л КМ на основе натуральных смол [21].
Стружечные и волоконные плиты выделяют гораздо меньше терпенов по
сравнению с OSB-плитами, клееной фанерой, клееной древесиной и древесным массивом из тех же материалов. Сделанные из относительно крупных
стружек OSB-плиты, особенно при горячем прессовании, выделяют типичный запах. Кроме монотерпенов сильно пахнущими компонентами являются
прежде всего пентаналь, гексаналь и гексановая кислота. На рис. .9..9представ-
384
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
Ненасыщенный поли
эфирный заполни
тель/ 2К-ПУР лак
'"
—у— я 1
С"
ч
Отбеленная
древесина
r
^,
-
700,
600
£
o;
=r
Q.
Кон
X
•
•
1
1
500
400 f
зоо:
200100'*
0s—
•••••••BSSSBS^SS!
•
0 толуол |3 этилбензол
1 4 5
.^
Старые
^
белые строения
^^^.
*-~~~"^
• ^
,#•-*
Ингредиенты
древесины
Стирол
из
НП-заполнителя
• I A1Ш
1375 1293
Q /п/оксилолщо-ксилолистирол Ва-пинен, • бутилацетат
Рис. 9.10. Остаточная эмиссия после 3 дней испытаний различных материалов
лена кривая затухания выделения гексаналя изОБВ-плиты [21]. Монотерпены
особенно в больших количествах встречаются в различных плодах. Для людей
они имеют значение как ароматические вещества. К этой группе веществ относятся, например, ментол в мяте, карвен из тминного масла и лимонен из лимонного масла. Как можно видеть на рис. 9.10, у белых окрашенных деталей
мебели из пинии (итальянской сосны) концентрация монотерпенов даже после 3 дней испытаний в камере еще очень высокая (700 мкг/м 3 ). При термической или гидролитической обработке древесных продуктов (например, термодревесины) выделяются прежде всего ЛОС, которые являются продуктами
реакций (альдегиды, карбоновые кислоты). Это относится также и к лиственной древесине. Изучение древесных материалов показало, что происходит относительно высокая эмиссия уксусной кислоты, особенно в случае проклеивания стружечных плит щелочными фенольными смолами [7]. При термической
обработке древесины (>60°С), обнаружено выделение небольшого количества
формальдегида. Часто эмиссию ингредиентов древесины ошибочно интерпретируют как эмиссию из ЛКМ. При определении остаточной эмиссии выделение составных частей древесины следует отмечать отдельно.
9.2.1.3. Остаточная эмиссия оксидативно отвержденных масел
Оксидативно отверждаемые масла содержат ненасыщенные жирные кислоты, которые могут химически изменяться даже после покупки и во время эксплуатации мебели. В результате этих реакций часто выделяются низкомолекулярные органические продукты расщепления, такие как альдегиды (пропаналь, пентаналь или гексаналь). В состав оксидативно окисляемых материалов обычно входят льняное масло, штандоль, древесное масло и масла с ненасыщенными жирными кислотами. Исследования Дрезденского института показали, что масла, несмотря на добавки сиккативов, могут по-разному реагировать и давать различную альдегидную эмиссию [23]. Например, продукты на
базе льняного масла в течение 2-3 дней выделяют большое количество альде-
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
385
гидов — от 700 до 800 мг/кг. Особенно сильно пахнущие вещества выделяют
древесное масло и окрашенные им поверхности. В противоположность этому,
продукты на основе оливкового масла имеют очень незначительную эмиссию
(200-250 мг/кг). Рецептуры, не содержащие сиккативов, обладают большой
альдегидной эмиссией. Вообще окраска оксидативно отверждаемыми маслами почти всегда приводит к появлению интенсивного запаха по сравнению
с неокрашенными образцами [23].
9.2.1.4. Остаточная эмиссия УФ-отвержденных лакокрасочных покрытий
Эмиссионные характеристики изделий, полученных с применением различных технологий окраски в первую очередь зависят от содержания растворителей в рецептуре и параметров сушки и отверждения. Стремление увеличить
долю нелетучих компонентов возможно, но с точки зрения требований покупателей и технологии процесса трудноосуществимо. Усиленное внедрение обедненных растворителями и не содержащих растворители УФ-отверждаемых
систем приводит к существенному снижению остаточной эмиссии из мебельных поверхностей [24]. Ранние исследования, однако, показали, что из фотоинициаторов при УФ-облучении могут образовываться небольшие количества
продуктов расщепления, которые приводят к появлению запаха и остаточной
эмиссии. Так как систематическая работа по теме остаточной эмиссии из УФматериалов едва ли предполагалась, то в 1996-1998 гг. институт имени Вильгельма Клаудица (WKI), совместно с Лаковым союзом и производителями ЛКМ
и сырья для лакокрасочной промышленности, провели проект по исследованию остаточной эмиссии УФ-материалов [25, 26]. Результаты показали, что
речь идет главным образом о выделении следующих веществ:
. растворители;
. фотоинициаторы и продукты их распада;
• остаточные мономеры;
• прочие вещества.
По сравнению с остаточной эмиссией растворителей запах небольших количеств продуктов распада фотоинициаторов снижается достаточно медленно.
Как правило, после 28 дней испытаний в эмиссионной камере концентрация продуктов распада заметно ниже 100 мкг/м 3 . На рис. 9.11 и 9.12представлены возможные схемы распада фотоинициаторов 1 -гексил-циклогексил-фенилкетона и
2-гидрокси-2-метил-1 -фенил-пропан-1 -она. Как показано на схеме реакции для
1-гидрокси-циклогексил-фенилкетона на рис. 9.11, из гидроксициклогексилрадикала после отщепления водорода и кето-енольной перегруппировки образуется циклогексанон [27]. Побочным продуктом а-расщепления 2-гидрокси2-метил-1-фенил-пропан-1-она является ацетон, который образуется из
2-гидроксипропил-радикала. Оба названных фотоинициатора в результате расщепления образуют сильно пахнущий бензальдегид [28]. При использовании
оптимальных УФ-рецептур и соблюдении заранее определенных параметров
процесса при обработке, можно, как правило, без затруднений решить проблему уменьшения запаха [15]. На практике стремятся и дальше уменьшить возможные запахи отУФ-покрытий разными способами.
Оптимизация УФ-рецептуры и фотоинициатора
В рамках исследований [13, 15, 19, 29, 30, 31] были протестированы УФматериалы на водной основе и содержащие растворители с различными фотоинициаторами.
386
Глава 9. Э м и с с и я летучих о р г а н и ч е с к и х с о е д и н е н и й (ЛОС)
1-гидрокси-циклогексил-фенилкетон
Гидрокси-циклогексил-радикал
Циклогексанон
Бензальдегид, запах масла горького миндаля
Рис. 9.11. Возможные продукты расщепления 1-гидрокси-циклогексил-фенилкетона
он
о
Бензил
он
Ацетон
Рис. 9.12. Возможные продукты расщепления 2-гидрокси-2-метил-1-фенил-пропан-1-она
Влияние различных фотоинициаторов на процесс остаточной эмиссии
Для выяснения вопроса о возможности снижения эмиссии освобождающихся и ощутимых по запаху продуктов расщепления из УФ-отвержденных покрытий, были протестированы различные фотоинициаторы. На рис. 9.13 представлены результаты по остаточной эмиссии трех различных фотоинициаторов в рецептурах УФ-вальцевых материалов. В опытах PI I и PI II обнаружены
очень небольшие количества продуктов расщепления - бензальдегида и циклогексанона. В опыте PI III не удалось обнаружить ни фотоинициатор, ни продукты его расщепления. Эти опыты показывают, что при правильном выборе
фотоинициаторов можно еще уменьшить выделение продуктов их расщепления и связанный с этим запах.
Остаточная эмиссия из белых пигментированных УФ-материалов
Влияние пигментирования на УФ-отверждение и процесс остаточной эмиссии для белых пигментированных УФ-материалов было перепроверено. Были
протестированы белые пигментированные составы для нанесения на вальцах
387
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
Концентрация 20i
в камере (TVOC)
после 16 дней
(мкг/м3)
РП(2В)
'
РПЦ2А)
'
Р1ИЦ1А)
Тип фотоинициатора
Рис. 9.13. Остаточная эмиссия различных фотоинициаторов
1200-
999
1000800\
1
600400-
•
1
186
1
120
2000-
УФ-материал,
нанесенный вальцами
шШШк
Водный УФ-материал,
нанесенный распылением
Содержащий растворители
УФ-материал, нанесенный
распылением
Рис. 9.14. Остаточная эмиссия белых пигментированных УФ-составов
(почти 100% нелетучих веществ), УФ-водный и содержащий растворители материалы для распыления. На рис. 9.14 представлен процесс остаточной эмиссии (ОЛОС) систем после 28 дней в испытательной камере. Пигментированные
образцы содержали смесь 1-гидрокси-циклогексил-фенилкетона с бис(2,4,6триметилбензоил)-фенилфосфиноксидом (ВАРО II). В испытательной камере были обнаружены незначительные количества бензальдегида и циклогексанона. Выделяющийся из бис(2,4,6-триметилбензоил)-фенилфосфиноксида
2,4,6-триметилбензальдегид был найден не в воздухе камеры, а на поверхности материала [32]. Максимальная концентрация продуктов расщепления
фотоинициаторов уже через 24 часа была ниже 100 мкг/м 3 . Через 28 дней бы-
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
388
3
Концентрация в камере (мкг/м) через 28 дней
150Нанесение
вальцами
Вальцы/
ВОДНЫЙ
материалналив
Вальцы/
водный
материалраспыление
Вальцы/содержащий растворители
материалнапыление
растворители материалраспыление
Рис. 9.15. Влияние процесса нанесения на остаточную эмиссию различных прозрачных лаков
Концентрация в камере (ЛОС) в мкг/м 3
600 -I
ш
•
а «оптимальная доза энергии»
458
500-
400
300
^ ^ ^ Н
200
• «незначительная доза энергии»
0 «очень высокая доза Энергии»
137
101
100
0
J
1 день
16 дней
28 дней
Рис. 9.16. Остаточная эмиссия в зависимости от дозы УФ-излучения
ла зафиксирована остаточная эмиссия для УФ-состава, наносимого вальцами на уровне 120 мкг/м 3 и для распыляемого водорастворимого, на уровне
186 мкг/м 3 . Наибольшей оказалась остаточная эмиссия для содержащего растворители УФ-материала, наносимого распылением - 999 мкг/м 3 . Главными компонентами были бутил и этилацетат. Систематические исследования показали,
что пигментированные водорастворимые УФ-материалы, наносимые вальцами
и распылением, при оптимальном выборе фотоинициатора через 28 дней обнаруживают очень небольшую остаточную эмиссию. Только содержащие раство-
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
389
рители, распыляемые УФ-материалы, из-за высокого содержания органических
растворителей через 28 дней имеют повышенную остаточную эмиссию.
Влияние метода нанесения на процесс остаточной эмиссии для
УФ-прозрачных лаков
Разнообразные прозрачные УФ-материалы были нанесены на фанерованные буком стружечные плиты на вальцах, на вальцах и наливом, на вальцах
и распылением и только распылением в качестве грунтовки или покрывного лака. На рис. 9.75 [15] показаны результаты общей эмиссии (ОЛОС) через
28 дней испытаний. Минимальные значения эмиссия имеет для грунтового
и покрывного лаков, нанесенных вальцами (< 50 мкг/м 3 ), затем идут процесс
нанесения вальцами и наливом (водный материал, <50 мкг/м 3 ) и вальцами и
распылением (содержащий растворители распыляемый УФ-лак). Вариант
УФ-грунтовки (вальцы) в сочетании с водным распыляемым лаком приводит к самым высоким показателям эмиссии в этой серии опытов. Остаточная эмиссия обусловлена использованием необходимых для пленкообразования в водных лаках органических растворителей (бутилгликоля, этилгликоля). Они труднее испаряются, чем органические растворители, например, этилацетат или бутилацетат, которые постоянно используются в рецептурах УФраспыляемых лаков. Хотя использованный водный состав содержит всего 3%
этилгликоля, из-за небольшой летучести его выделение из пленки происходит
замедленно. По этой причине особенно важно точно устанавливать параметры сушки при переходе на новые материалы с учетом процесса остаточной
эмиссии (например, увеличить время сушки).
Влияние дозы УФ-излучения на остаточную эмиссию УФ-материалов
Изменение параметров процесса отверждения (дозы энергии) заметно
влияет на процесс остаточной эмиссии. Для испытаний были взяты образцы окрашенных УФ-материалом на вальцах фанерованных буком стружечных
плит, отвержденных при небольшой, оптимальной (применяемой на практике)
и сильно увеличенной дозе облучения. На рис. 9.16 [19] представлена эмиссия УФ-материала в зависимости от дозы энергии при УФ-отверждении. Как
и ожидалось, сначала отвержденная при небольшом облучении поверхность
имеет высокую эмиссию продуктов распада фотоинициатора. Окрашенные
поверхности, отвержденные с оптимальной и повышенной дозой облучения,
через 28 дней имели очень низкую эмиссию на сопоставимом уровне. Хотя в
конечном итоге эмиссия всех образцов оказалась достаточно низкой, однако
отвержденная при небольшой дозе энергии поверхность выделила наибольшее количество продуктов расщепления. Таким образом, отверждение с использованием небольшой дозы облучения приводит к повышению концентрации продуктов расщепления и к появлению сильного запаха, который может
быть неприемлем для покупателя.
УФ-отверждение в атмосфере инертного газа
УФ-отверждение ЛКМ в инертной атмосфере — изящный метод защиты от
кислорода воздуха, мешающего процессу отверждения. При этих условиях нужно заметно меньше фотоинициатора для отверждения, и поэтому образуется
меньше побочных продуктов реакции. Кроме того, можно значительно увеличить скорость движения деталей на конвейере без ухудшения качества отверждения. Мебельная промышленность до сих пор не использовала эту технику,
так как переоснащение отверждающих агрегатов, окрасочных линий и использование инертного газа требуют больших капитальных вложений. Кроме того,
390
Глава 9. Эмиссия летучих органических соединений (ЛОС)
трудность состоит в равномерном укрытии азотом разнообразных по геометрии деталей. УФ-отверждение в инертной атмосфере сегодня используется
для лентоподобных субстратов (например, для окраски декоративных пленок).
Список литературы
1. Erhorn, H., Weiland, Т.: Wirkt sich die Wohnsituation in der Bundesrepublik
Deutschland auf die Anforderungen an den Mindestluftwechsel aus? Bauphysik, Nr. 8,
1986, S. 85-88.
2. Salthammer, Т., Marutzky, R.: Emissionen organischer Verbindungen aus
Moebeloberflaechen, Sonderdruck aus Holz-Zentralblatt, Nr. 144/95, S. 2405 und
Nr. 6/96 S. 57-58.
3. Marutzky, R.: Pruefmethoden als Grundlagen der Formaldehydabgabeminderung bei
Moebeln, Holztechnologie 28, 1987, Nr. 6, S. 301-304.
4. Marutzky, R.: Zur Herstellung formaldehydarmer Moebel aus furnierten
Holzwerkstoffen, Holz- und Kunststoffverarbeitung (HK), Nr. 23, 1988, S. 272-275.
5. Marutzky, R., Schriever, E.: Emissionen aus Werkstoffen fuer Moebel und
Inneneinrichtungen von Wohnwagen, Tagungsband, Wilhelm-Klauditz-lnstitut (WKI)
« Moebel und Formaldehyd», 1990, S. 55-82.
6. Jungbluth, R.: Die 11 Geheimnisse des Ikea-Erfolges, Campus Verlag GmbH Frankfurt/
Main, 2006, S. 256-257.
7. Salthammer, T, Marutzky, R., Aehlig, K., Scheithauer, M: Sensorische Pruefung von
Produkten fuer den Innenraum, WKI-Bericht Nr. 38, 02/2003.
8. Fischer, M., Boehm, E.: Erkennung und Bewertung von Schadstoffemissionen aus
Moebellacken, Erich Schmidt Verlag, 1994.
9. Unbekannt: Vertrauensplus fuer neue Moebel, Material + Technik, 01/1996, S. 19-20.
10. Salthammer, Т.: Luftverunreinigende organische Substanzen in Innenraeumen,
Chemie in unsererZeit, 28. Jahrgang, Nr. 6, 1994, S. 280-289.
11. Bundesgesundheitsblatt Nr. 3, Bewertung der Luftqualitaet in Innenraeumen.
Berlin, 1993, S. 117—118.
12. Jann, O.,Wilke, O., Bru,dner, D.: Procedure for the determination and limitation of VOCEmissions from furnitures and coated wood based products, International Journal of
Indoor Enviroment and Health, 1997.
13. Prieto, J., Schulte, A.: Moderne UV-haertbare Moebellacke, I-Lack, 67. Jahrgang, 10/1999.
14. Marutzky, R.: Umweltfreundliche und Emissionsarme Moebel, Tagungsband,
Wilhelm-Klauditz-lnstitut (WKI), Nr. 31, 1995, S. 1—8.
15. Prieto,J.:UV-haertendeLacke-MoebelbeschichtungohneRestemissionen?Dokumente
zu Lacken und Farben, Nr. 6, 1999, S. 20-30.
16. Salthammer, T, Schwarz, A., Fuhrmann, F.: Emission of reactive compounds and
secondary products from wood-based furniture coatings, Atmospheric Environment,
Nr. 33, 1999, S. 75-84.
17. Scheithauer, M.: Emissionen auf der Spur, Holz- und Kunststoffverarbeitung (HK),
Nr. 11, 1998, S. 82-85.
18. Unbekannt:HolzlackesetzenaufGuetesiegel,DeutschesLackinstitut,LackimGespraech,
Nr. 44, 1996.
19. Prieto, J.: Home comforts, Polymer Paint Colour Journal (PPCJ), Vol. 191, Nr. 4442,
Juli2001,S. 15-17.
20. Plehn, W.: Was koennen emissionsarme Baustoffe und Moebel leisten? - Beispiele aus
Produktpruefungen und Auswahlkriterien, Presentation des UmweltBundesamt(UBA),
Datum unbekannt
Глава 10. Тенденции развития
391
21. Wensing, M., Schulz, N., Salthammer, Т.: Kontrollierte Innenraumluft, Farbe und Lacke,
112. Jahrgang, Nr. 2, 2006, S. 61-64.
22. Unbekannt: Vorgehensweise bei der gesundheitlichen Bewertung der Emissionen von
fluechtigen organischen Verbindungen (VOC und SVOC) aus Bauprodukten, Ausschuss
zur gesundheitlichen Bewertung von Bauprodukten, 09/2005.
23. Broege, M., Aehlig, K.: Oele und Wachse auf Massivholz - Ursachen fuer die Bildung
geruchsintensiver Verbindungen, Moebeltage in Dresden, 2002, S. 73-89.
24. Unbekannt: Moebelemissionen realistisch betrachtet: I-Lack, 64. Jahrgang, 05/1996.
25. Salthammer,T.:EmissionsarmeUV-SystemefuerHolzoberflaechen,WKI-BerichtNr.34,
06/1999.
26. Unbekannt: Umweltfreundliche und emissionsarme Moebel, I-Lack, 64. Jahrgang,
03/1996, S. 137-139.
27. Dietliker, K.: Photoinitiators for free radical and cationic polymerisation, in P. К. Т.
Oldring: Chemistry & Technology of UV & EB formulation for coatings, inks and paints,
Vol. 3, SITA Technology Ltd., London, 1991.
28. Salthammer, Т.: Release of Photoinitiator Fragments from UV-Cured Furniture Coatings,
Journal of Coatings Technology, Vol. 68, Nr. 856, 05/1996, S. 41 -47.
29. Salthammer, Т., Hofmockel, U., Lokai, M., Prieto, J., Hansemann, W.: UV-curable
furniture coatings with low emissions, RadCureLetter, 6/1999, S. 92-95.
30. Salthammer, Т., Bednarek, M., Fuhrmann, F.: Effect of climatic parameters on the
release of VOC from UV-cured furniture coatings, Proceedings of the 8th International
Conference on Indoor Air and Climate, Vol. 5, 1999, S. 99-104.
31. Salthammer, Т.: Holzlackefuerlnnenraeume- Restemissionen lassensich minimieren,
Sonderdruck aus Farbe und Lack, Nr. 10, 1997, S. 142-150.
32. Salthammer, Т.: Emissionspruefungen zur Optimierung von UV-haertenden Moebellacken, Sonderdruck aus Farbe und Lack, 107. Jahrgang, Nr. 2, 2001.
10.Тенденцииразвития
В конце книги о практике окраски древесины важно бросить взгляд в будущее. Какие направления развития следует ожидать? На этот вопрос не просто
ответить, так как тенденции развития сильно зависят от желаний потребителя,
инноваций в области разнообразных технологий окраски, возможностей пользоваться новыми технологиями и новым сырьем, а также от соответствующих
общих условий.
Тенденции в области обеспечения сырьем
Возможность пользоваться сырьем в глобализованном мире оказывает существенное влияние на будущее развитие технологий. В условиях быстро растущего рынка в Азии и его потребностей в сырьевых ресурсах, цены на сырье будут дальше расти при достаточно узком разбросе и искажаться в результате монополизации производства. Эта монополизация еще усилится после вступления в силу европейского соглашения REACH8 от 01 июня 2007 года, так как из-за
издержек на разрешение к применению промежуточные предприятия не смогут
больше поставлять на рынок значительную часть материалов, которые используются в небольших количествах и являются добавками или пигментами.
Ожидаемый рост стоимости сырья на базе нефтепродуктов, а также натуs
REACH: Registration, Evaluation and Authorization of Chemicals — Регистрация, оценка и разрешение на использование химикатов — РОРИХ. Документ предписывает, в первую очередь, проверку химикатов по их действию на окружающую среду и здоровье людей и касается веществ, которые производятся или импортируются в Европу в количествах свыше 1 т/год. Для веществ, которые поступили
на рынок до сентября 1981 г., действует особое предписание (см. также www.reach-info.de).
392
Глава 10. Тенденции развития
ральной древесины будет побуждать производителей окрашенных изделий из
древесины использовать в качестве сырья продукты переработки отходов. Изза ограничения возможности фанеровки структура древесины на древесных
материалах и на бумаге для их покрытия будет интенсивно печататься.
Тенденции развития технологий окраски
Технологии оцениваются по их эффективности и в будущем должны обладать высокой степенью автоматизации. Прежде всего, следует ожидать увеличения скорости окраски вальцами паркета, ламината и других плоских субстратов. Так, для того чтобы сохранять конкурентоспособность на рынке, производители ламината должны иметь установки плоскостной окраски с рабочей
скоростью продвижения изделий от 100 до 200 м/мин.
В условиях форсированного распространения в Европе Предписания о растворителях (см. ч. 9), приобретают значение лакокрасочные материалы на
водной основе. Водные 1К-УФ- и Dual-Cure-системы все чаще заменяют 2КПУР- и кислототверждаемые составы. Некоторые производители мебели рассматривают возможность использовать в будущем порошковые материалы
для окраски фронтонов кухонной мебели. Предпосылкой к этому является возможность получать высокоглянцевые или матовые поверхности с использованием благоприятной для окружающей среды технологии.
Тенденции в запросах потребителей
Здесь, прежде всего на первом плане стоит желание наиболее полного выражения индивидуальности в дизайне и предметах мебели. Существует также и требование функциональности. Так, например, есть пожелание по созданию кухонной мебели с антибактериальной защитой поверхности, с легко моющейся поверхностью («easy-to-clean») или с поверхностями, на которых можно оставлять и стирать надписи.
Разработка новых технологий
Эти тенденции тесно связаны с запросами потребителей. Так, можно ожидать улучшения потребительских свойств или расширения функциональности
поверхностей при использовании наночастиц. Например:
• поверхности, устойчивые к царапанию;
. антимикробные поверхности (наночастицы серебра);
• пылеотталкивающие поверхности электропроводных полов;
• антискользящая оснастка.
Списоксокращений
2К-ПУР — двухкомпонентные полиуретановые
системы.
MDF — древесноволокнистые плиты средней
плотности ( Medium Density Fiberboard).
MFT — минимальная температура пленкоо-
бразования.
OSB — плиты с ориентированными стружками.
В д — водные материалы.
КИ — кислотоотверждаемые материалы.
ЛЛОС — очень легко летучие органические
соединения (W0C — Very Volatile Organic
Compounds).
ЛОС — летучие органические соединения
(VOC — Volatile Organic Compound).
НСО — несамоотверждающиеся материалы.
НСС — «несшивающиеся», т.е. не образующие
поперечные химические связи системы.
НЦ — нитроцеллюлозные материалы.
ПУР — полиуретановые материалы.
ПЭ — ненасыщенные полиэфирные материалы.
СО — самоотверждающиеся материалы.
СС — «самосшивающиеся», т.е. образующие
поперечные химические связи системы.
ТЛОС — трудно летучие органические соединения (SVOC — Semi Volatile Organic
Compounds).
УФ — отверждаемые ультрафиолетовым облучением материалы.
ЭИ — материалы, отверждаемые электронным
излучением.
Серия: Лакокрасочные материалы и их применение
Джордж Прието, Юрген Кине
ДРЕВЕСИНА.
ОБРАБОТКА
И ДЕКОРАТИВНАЯ ОТДЕЛКА
Доктор Юрген Кине после защиты диссертации по органической химии под руководством профессора Крона специализировался в области химии и технологии лакокрасочных материалов в Падерборне
у профессора Гольдшмидта.
После научной работы в Фраунтгоферовском институте
технологии обработки поверхности (1ST) в Брауншвейге
(1996-1999 гг.) он руководил
(1999-2004 гг.) Немецким научным обществом по обработке поверхностей (DFO) в Дюссельдорфе, а также принимал
активное участие в работе экспертной комиссии «Окраска древесины и древесных материалов» и вел одноименный
учебный курс.
В 2004-2006 гг. принимал активное участие в качестве технического руководителя китайской компании по производству лакокрасочных материалов «China Paint». В настоящее
время он руководит лабораторией фирмы «Helcotec Chemie
und Technik», а также отвечает
за разработку коагулирующих
средств для лакокрасочной
промышленности.
|
?785902904069
Инженер Джордж Прието после получения специального образования (1984-1987 гг.) работал на фирме «BASF Coatings
AG» в Мюнстере: принимал
участие в разработке 2К-ПУР
материалов для мебельной
промышленности, подбирал
оптимальные условия синтеза
полиакрилатных смол для порошковых материалов. В 19901994 гг. он изучал химию и технологию лакокрасочных материалов в Падерборне под руководством профессора Гольдшмидта.
До 2001 г. Джордж Прието занимался разработкой использования лакокрасочных материалов для деревообрабатывающей и мебельной промышленности в европейском регионе на фирме «BASF Coatings
AG», а с 2002 г. занимает пост
технического руководителя
фирмы «3H-LACKE». Он отвечает за развитие и технологическую разработку материалов
для промышленной окраски
древесины.
пэинт
IMEDMA