Декорирование древесины с исходно невыраженной текстурой путем фильтрационной пропитки окрашивающими составами в электрическом поле

Актуальность работы. Издревле, благодаря уникальным свойствам, богатой цветовой и текстурной палитре древесина вдохновляла мастеров на создание шедевров зодчества и прикладного искусства. На каждом этапе развития художественного творчества формируется свое понятие прекрасного. Современный дизайн характеризуется простотой форм и отделки, поэтому на первый план выходят эстетические свойства материала — цвет, текстура, фактура, блеск. Развивающиеся технологии отделки природных материалов, например древесины, должны решать задачи сохранения и проявления их природной красоты.

Породы древесины с выразительными эстетическими свойствами называют ценными, они обладают интенсивным цветом и контрастным рисунком текстуры. Ареал их произрастания относительно невелик, в основном, ограничен тропической зоной. В России, ввиду сложных климатических условий, более распространены породы с визуально невыраженной текстурой и белым цветом древесины. Изделия, изготовленные из ценных пород, дорогостоящи. Поэтому актуальной задачей является повышение эстетической ценности распространенных пород путем сквозной пропитки по фильтрационному механизму.

Необходимо также отметить растущий спрос на изделия из натуральной древесины, например мебель или облицовочный материал для интерьера.

Степень разработанности темы. Одним из перспективных направлений защитно-декоративной отделки древесины является сквозная пропитка с использованием механизма фильтрации. Важность разработки технологий глубокой и сквозной пропитки отмечали в своих работах Г. М. Шутов, В. М. Хрулев и Р. И. Рыков, М. Ц. Кушнинская [1, 2, 3].

Возможность применения электричества в качестве движущей силы течения жидкости в древесине ранее использовалась для сушки и экстракции древесных соков В. И. Патякиным [4], Н. Ф. Бондаренко [5] и др. Хотя результаты исследования не получили промышленного применения, они дали теоретическую основу для развития других технологий, таких как, технология фильтрационной пропитки древесины в электрическом поле. Фильтрационный механизм пропитки основан на перемещении красящего раствора вдоль оси роста через проводящую систему древесины. Частицы красителя оседают в полостях клеток и межклеточном пространстве, что позволяет сделать текстуру более контрастной, а цвет интенсивнее, имитируя ценные породы, или получая новые декоративные эффекты, не применяя дополнительных способов декорирования.

Кроме того, В. И. Патякин [4], Н. А. Оснач [6], Е. В. Харук [7], А. М. Бараке [8], А. И. Вологдин [9], А. И. Калниньш [10], К. П. Швалбе [11], Г. В. Берзинып [12], В. А. Шамаев [13], В. Н. Ермолин [14] и др. отмечают, что ч пропитка повышает стабильность размеров, улучшает реологические, физикомеханические и триботехнические свойства древесины. Н. А. Трубников [15] предложил способ облагораживания и имитации древесины сквозной пропиткой с последующим прессованием.

Изучением анатомического строения занимались Л. А. Иванов [16], А. А. Яценко-Хмелевский [17], С. И. Ванин [18], В. Е. Вихров [19] и др., влияние строения на свойства древесины исследовали Л. М. Перелыгин [20],.

A. В. Савина [21] и др. Этими авторами установлены закономерности, определяющие связь условий произрастания, особенностей структуры и химического состава пород древесины на текстуру и цвет. Декоративность материала, согласно ГОСТ 30 629–99 [22], — набор свойств, повышающих эстетические, эмоциональные и выразительные качества. Изучением декоративности различных материалов и изделий из них сегодня занимаются.

B. И. Куманин [23], Л. Т. Жукова [24], М. Л. Соколова [25], М. С. Кухта [23], А. И. Крашенинников [26], С. И. Галанин [27], Р. М. Лобацкая [28], Е. С. Гамов [29], Е. А. Лазарева [30], М. М. Черных [31] и др., что доказывает значимость исследований декоративности для современного художественного материаловедения.

Цель работы — повышение декоративности древесины с исходно невыраженной текстурой сквозной пропиткой окрашивающими растворами в электрическом поле.

Поставленная цель определила задачи исследования:

1. Классифицировать породы древесины по текстуре.

2. Исследовать условия проявления текстуры у пород древесины с исходно невыраженной текстурой на примере березы и осины.

3. Исследовать влияние свойств красителя, параметров электрического поля и материалов электродов на декоративность и физико-механические свойства окрашенной древесины.

4. Разработать методику комплексной оценки декоративности древесины.

5. Разработать практические рекомендации по пропитке древесины красящими растворами в электрическом поле.

6. Определить и классифицировать возможные дефекты окрашивания.

Научная новизна работы.

1. Предложена технология выявления текстуры и повышения декоративности пород древесины с исходно невыраженной текстурой путем фильтрационной пропитки красящими растворами в электрическом поле.

2. Установлено, что достигается равномерное окрашивание древесины по всему объему растворами солей и ультрадисперсных анилиновых красителей с размерами частиц дисперсной фазы до 10 нм и выборочное окрашивание, позволяющее выявить текстуру, анилиновыми красителями с размерами дисперсной фазы в диапазоне 100 — 450 нм.

3. Показана возможность управления контрастом выявленной текстуры за счет изменения размеров частиц анилинового красителя при введении в раствор потенциалопределяющих ионов сульфата меди различной концентрации. Установлено наличие такой величины концентрации ионов, которая обеспечивает экстремум значения^{-потенциала} анилинового красителя и наибольшую скорость пропитки.

4. Разработан метод комплексной оценки декоративности древесины, основанный на совместном анализе признаков цвета — цветового тона, светлоты, насыщенности, сочетания цветов, и текстуры — рисунка и контрастности.

5. Предложена классификация текстур, наблюдаемых на радиальных и тангенциальных срезах пород древесины, позволяющая подобрать пары распространенных и ценных пород, обладающих сходными морфологическими признаками.

Практическая значимость работы.

1. Технология фильтрационной пропитки окрашивающими составами в электрическом поле позволяет выполнять объемное окрашивание древесины, выявлять текстурный рисунок у пород с исходно невыраженной текстурой и повышать эстетическую ценность распространенных пород.

2. Предложенный метод комплексной оценки декоративности древесины обеспечивает возможность ее проведения одним специалистом в сжатые сроки, что позволяет сократить затраты на экспертизу.

3. Полученные результаты облегчают разработку технологического процесса фильтрационной пропитки пород древесины.

Методология и методы исследования. Исследование декоративной пропитки древесины в электрическом поле по фильтрационному механизму опирается на достижения древесиноведения, теорию проницаемости древесины, гештальтпсихологию, теорию восприятия, цветоведения и математической статистики.

Теоретические исследования базируются на методах классификации и системного анализа. Экспериментальные исследования проводились на опытной установке методом сравнения и моделирования, а также с использованием современных измерительных приборов методами УФ-спектроскопии, элементного и микроскопического анализов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Научно обоснованный метод комплексной оценки декоративности древесины, учитывающий влияние цвета и текстуры.

2. Классификация текстуры древесины.

3. Способ повышения декоративности распространенных пород древесины с визуально невыраженной текстурой сквозной пропиткой красящими растворами в электрическом поле с использованием фильтрационного механизма.

4. Закономерности течения красящих растворов с разными свойствами в сосудах древесины с различными типами перегородок между члениками.

Достоверность результатов обеспечивается использованием в качестве теоретической и методологической базы диссертационного исследования фундаментальных трудов, стандартов, энциклопедической и справочной литературы по исследуемой проблеме, пакетов прикладных программ ANSYS Fluid, Photo Shop, Corel Draw, Microsoft Office, а также высокоточного современного измерительного оборудования Мультиметр Victor 86С, NanoPartica SZ-100Z (Horiba, Japan), УФ-спектрофотометр UV-3600 (Shimadzu Corp., Japan).

2.8.2. Результаты исследования физических и механических характеристик образцов пропитанных в электрическом поле.

Плотность определяется массой древесного вещества в единице объема. Пропитка древесины приводит к изменению количества вещества, поэтому значение показателей плотности изменяется. Так как пропитка проходит в аксиальном направлении вдоль элементов водопроводящей системы древесины, краситель распространяется неравномерно по длине образца, следовательно, наблюдается колебания плотности и механических свойств на разных торцах образца.

Образцы, пропитанные анилиновым красителем с большим размером частиц дисперсной фазы, обладают более высокой плотностью. Крупные частицы дисперсной фазы не могут проникнуть в субмикрокапиллярную систему древесины и оседают в микрокапиллярной, закупоривая сосуды и крупные капилляры. Колебание плотности по длине образца, говорит о неравномерном распределении частиц дисперсной фазы красителя по структурным элементам древесины. Красители, с более мелким размером частиц дисперсной фазы, проникают глубоко в субмикрокапиллярную структуру древесины, распределяются более равномерно, поэтому колебания плотности по длине образца менее заметны, и пропитанная древесина менее плотная. Истинные растворы солей имеют высокую проникающую способность, т.к. помимо силы электрического поля, ионы вступают в химическое взаимодействие с дубильными веществами древесины. Силы химического взаимодействия ускоряют процесс пропитки, позволяют получить равномерное распределение пропитывающих веществ, и повысить плотность древесины относительно равномерно по всей длине (Рисунок 22).

Р, кг/м3.

О 100 200 300 400.

О Анилиновый краситель 432,99 нм? Анилиновый краситель 424,47 нм Д Анилиновый краситель 2,95 нм X Анилиновый краситель 0,39 нм Ж СиБ04 (3%) О РеС13 (3%) А без пропитки.

I, мм.

Рисунок 22 — Изменение плотности по длине образца из древесины березы при пропитке красителями с разными свойствами.

Пропитка оказывает влияние на механические свойства. С увеличением размеров частиц дисперсной фазы коллоидных растворов возрастает прочность материала при сжатии вдоль волокон (Таблица 8).

5.3. Практические рекомендации.

Обобщая результаты исследования технологии повышения декоративности древесины фильтрационной пропиткой в электрическом полес целью повышения качества пропитки и снижения объема брака при обработке разработан ряд предложений и рекомендаций:

— Перед пропиткой необходимо производить тщательный отбор заготовок, отсеивая растрескавшиеся, сучковатые, пораженные грибками и подвергшиеся загниванию образцы. Перечисленные пороки снижают проницаемость и проводимость древесины и, как следствие, приведут к снижению равномерности окраски, появлению пятен и областей тления.

— Важнейшим контролируемым показателем, является влажность древесины, она не должна быть ниже пердела гигроскопичности материала (хотя при значениях влажности равных и немного превышающих предел гигроскопичности наблюдается торможение процесса пропитки, особенно на начальных этапах), рекомендуемая начальная влажность 50−60% обеспечивает наилучшую электропроводность.

— Не рекомендуется производить окорку, особенно заготовок длиной свыше 200 мм, так как снятие коры ведет к преждевременному высыханию наружной поверхности древесины и быстрой остановке процесса пропитки, при незначительной глубине проникновения раствора.

— Наилучшие результаты пропитки образцов длиной 400 мм получены при следующих параметрах электрического поля: силе тока 0,1 — 0,12А, напряженности поля 14,8 — 22,4 В/см. Режимы пропитки только тестировались на древесине березы и осины, заготовленных во влажных смешанных лесах. При пропитке древесины других пород или образцов, рассмотренных пород, полученных с территорий с отличным климатом, следует провести испытания и оценку возможностей применения установленных параметров электрического поля.

— Композиция пропитывающего состава подбирается в соответствии с видом декоративных эффектов, которые планируется получить в результате пропитки. Однотонный цвет дают растворы солей и, в некоторых случаях, связанных с особенностями строения древесины, ультрадисперсные коллоидные растворы, не обладающие способностью к полимеризации (например, анилиновый краситель). Равномерный тон окрашивания при пропитке ультрадисперсными анилиновыми красителями получается, если древесина обладает рассеяннососудистым строением и довольно большим содержанием волокон либриформа (механической ткани). Древесина с большим содержанием сосудистой ткани, приобретает выраженный полосчатый рисунок даже при пропитке растворами солей.

— При введении в коллоидный раствор красителя раствора электролита (потенциалопределяющих ионов) изменяется размер частиц дисперсной фазы коллоидного раствора (при малых концентрациях потенциалоперделяющих ионов диаметр частиц уменьшается, а при повышении концентрации возрастает) и его^{-потенциал,} что позволяет интенсифицировать процесс пропитки и достигать более глубокого проникновения красящего раствора в структуру древесины. При размерах частиц дисперсной фазы растворов анилинового красителя до 10 нм, достигается более равномерная и однотонная окраска, при более крупных размерах частиц 100−450 нм — полосчатая. Это свойств необходимо использовать для достижения контрастного рисунка текстуры.

1. Предложена технология фильтрационной пропитки окрашивающими составами в электрическом поле, позволяющая выполнять сквозную окраску и проявлять текстурный рисунок у пород с исходно невыраженной текстурой и имитировать ценные породы древесины.

2. Установлено, что достигается равномерное окрашивание древесины по всему объему растворами солей и ультрадисперсными анилиновыми красителями с размерами частиц дисперсной фазы до 10 нм и выборочное окрашивание, позволяющее выявить текстуру, анилиновыми красителями с размерами дисперсной фазы в диапазоне 100 — 450 нм.

3. Показано, что лучшее качество пропитки неокоренных отрезков ствольной части березы и осины длиной 400 мм различными составами достигается при начальных значениях силы тока 10 0,10 — 0,12 А и напряженности поля Е0 14,8 — 22,4 В/см, применение более форсированных режимов ведет к уменьшению глубины окрашивания.

4. Разработан метод комплексной оценки декоративности древесины, учитывающий совместное влияние характеристик цвета и текстуры на декоративность и позволяющий сократить затраты и время на экспертизу.

5. Разработана классификация текстур древесины, позволяющая по сходству морфологических признаков подбирать распространенные породы для имитации ценных пород.

6. Предложенные рекомендации позволяют обоснованно проектировать технологические процессы декорирования древесины фильтрационной пропиткой в электрическом поле.