Совершенствование технологических процессов формирования прозрачных матовых покрытий на древесине

Защитно-декоративные покрытия находят широкое использование при отделке древесины и древесных материалов. Разнообразие текстуры древесных пород позволяет широко применять бесцветные прозрачные покрытия. В настоящее время сохраняется тенденция отделки деталей и изделий мебели жидкими лакокрасочными материалами, дающими тонкослойные покрытия с диффузным отражением света, исключающими операции облагораживания их поверхностей. Перспективность их применения связана с уменьшением расхода лакокрасочных материалов и сокращением трудоемкости отделки деталей и изделий из древесины. Приглушенный блеск таких покрытий позволяет улучшить эстетические качества контролируемых отделанных поверхностей, которые находятся в прямой зависимости от равномерности структуры и блеска покрытия.

Декоративные свойства и в первую очередь блеск таких покрытий определяется микропрофилем сформированных поверхностей и зависит от многих факторов, связанных со свойствами древесной подложки, компонентным составом лаков, технологическим процессом отделки и его режимными параметрами. Стабильность получения блеска покрытий с помощью матовых лаков — одна из главных задач при отделке деталей и изделий из древесины и древесных материалов. Эта задача входит в разряд управления технологическим процессом отделки с целью получения необходимого блеска покрытий.

В экспериментальном плане задача сводилась к изучению оптических характеристик и микрогеометрии каждого элемента системы древесинапокрытие по отдельности и в их непосредственной связи.

Поверхностный слой древесины с точки зрения его микрогеометрии, а также оптических характеристик изучались учеными разных стран. Большой вклад внесли работы: Г. Шмальца, Л. М. Перелыгина, Б. М. Буглая,.

Б.Н. Уголева, В. И. Онегина, Б. К. Лакатоша, Н. М. Бессоновой, Е. В. Жукова, I. Liptak, С. Н. Зигельбойма.

Микрогеометрия и оптические характеристики древесины для нас представляют особый интерес, поскольку поверхностный слой древесины вступает в адгезионный контакт с лакокрасочным материалом и влияет на качественные характеристики защитно-декоративных покрытий. В этом аспекте, до настоящей работы, подобных исследований не проводилось.

Поверхностный слой наиболее контрастно отражает все особенности строения древесины: капиллярно-пористое строение, анизотропию в различных направлениях, сложный химический состав. Особый интерес вызывает изучение оптических характеристик отдельных структурных элементов древесины. Это слои ранней и поздней древесины, сердцевинные лучи, сердцевинные повторения.

Вопросы формирования декоративных свойств лакокрасочных покрытий привлекали и продолжают привлекать внимание большого числа ученых. Большой вклад в развитие и создание физических основ формирования оптических свойств защитно-декоративных покрытий внесли работы: Г. Шмальца, Б. М. Буглая, А. Г. Самарцева, М. М. Гуревича, Э. Ф. Ицко, М. М. Середенко, Т. О. Брилл, Г. Н. Егорова, Г. Т. Лутошкиной, В. И. Онегина, Б. Л. Рубинштейна, Т. А. Матвеевой, Е. А. Каневской, Г. Н. Стокдейла, С. Бисмарка, Л. Мельдорна, С. Н. Зигельбойма, Л. В. Мицай, Я. Т. Шмит, Г. Г. Соловьева, B.C. Хазанова, И. И. Блоштейна, Р. Хантера, Д. Джадда, С. Бакан, Г. Колоевари и др.

Фундаментальные исследования в изучении оптических свойств технических поверхностей выполнили П. Бугер, О. Френель, A.A. Гершун, М. Борн, Э. Вольф, Г. М. Городинский, A.C. Топорец, H.A. Войшвило, М. М. Гуторов, В. К. Полянский, А. П. Пришивалко, Ф. Г. Басс, И. М. Фукс, В. А. Кизель, Р. Kubelka, F. Munk, S.Q. Duntley и др.

Накоплен богатый экспериментальный и теоретический материал, однако до сих пор отсутствует обобщенный подход к изучению факторов, влияющих на изменение блеска прозрачных матовых покрытий на древесине.

Условия эксплуатации покрытий и их применение определяют комплекс требований к ним, в том числе по таким важным показателям как внешний вид покрытия, степень блеска и его равномерность, прозрачность и др. Все это обусловливало постановку задачи по разработке методов контроля ряда параметров, а также разработке их нормативов для регулирования технологических процессов формирования лакокрасочных покрытий. Защитно-декоративные покрытия находят широкое применение для отделки мебели, музыкальных инструментов, столярно-строительных конструкций, спортинвентаря, сувениров и т. д. Поэтому получение заданного блеска покрытий, определенного на каждый вид продукции по нормативно-технической документации, имеет важное народнохозяйственное значение.

Регулирование блеска покрытий позволяет сократить расход дефицитных отделочных материалов, более рационально использовать производственные мощности, улучшить качество выпускаемых изделий, решить некоторые экологические проблемы, связанные с сокращением летучих компонентов лаков.

В теоретическом плане проблема сводилась к обобщению имеющихся исследований по отражению видимого света от контролируемой поверхности защитно-декоративного покрытия и древесной подложки. Анализ многих наблюдаемых оптических явлений при отражении света, обнаруженных экспериментально, носил лишь качественный характер: отсутствовали физически обоснованные аналитические представления об отражении света от защитно-декоративного покрытия и древесной подложки, учитывающие комплексной подход к проблеме блеска контролируемой поверхности на основе рассмотрения оптико-геометрических моделей отражающих поверхностей, определяющих изменение характера отражения света при различных условиях формирования покрытий и позволяющие регулировать их блеск.

В результате автором решалась достаточно сложная в прикладном и научном отношениях проблема, определяющая основную теоретическую часть работы: развитие обобщенной теории отражения видимого света от матового покрытия и древесной подложки с целью описания зависимости блеска от основных оптических характеристик покрытий и древесины, что позволило бы прогнозировать степень блеска (матовости) защитно-декоративных покрытий на древесине при различных условиях их формирования.

Оптическую модель шероховатой поверхности связывают с именем П. Бугера. Структуру шероховатых поверхностей он представляет в виде большого числа элементарных площадок, неровности которых составляют меньше половины длины световой волныразмеры же самих площадок по сравнению с ней относительно велики. При хаотичном расположении элементарных площадок, падающий на поверхность свет отражается диффузно, т. е. рассеивается по всем направлениям. Оптическое состояние такой поверхности характеризуется понятием матовая. Отражение света от матовых поверхностей подчиняется закону Ламберта.

Реальные защитно-декоративные покрытия не являются абсолютно матовыми. Наряду с участками содержащими микронеровности имеются и плоские участки, от которых наблюдается некоторое преобладающее направленное отражение света, т. е. блеск. Эти поверхности не подчиняются закону Ламберта и отражение света от них носит более сложный характер.

Микропрофиль поверхности покрытия в первую очередь зависит от микронеоднородностей, которые могут быть вызваны добавками в лак мелкодисперсных частиц. Их содержание в лаковой композиции, способы введения, седиментация и другие факторы оказывают существенное влияние на характер отражения света покрытием. Кроме этого микронеоднородности могут быть созданы за счет применения специальных пленкообразователей и специальной технологии отделки древесины, в результате которой в поверхностном слое покрытия образуются микропустоты, образующие определенный микрорельеф поверхности.

На микропрофиль контролируемой поверхности защитно-декоративного покрытия оказывают влияние анатомические неровности древесной подложки и ее шероховатость, поскольку наносится тонкий слой лаковой пленки. Кроме того на характер отражения света покрытием оказывают влияние оптические показатели древесины и лаковой пленки, характеризующие явления отражения света от контролируемой поверхности и поглощения тонким слоем покрытия.

Иными словами, блеск защитно-декоративного покрытия определяется микрогеометрией поверхностного слоя и оптическими показателями, характеризующими отражение, поглощение и прозрачность лаковой пленки на древесной подложке.

Одновременно автором решались вопросы регулирования блеска при формировании прозрачных матовых покрытий на древесине и древесных подложках.

Описание свойств прозрачных матовых покрытий с точки зрения характера отражения света выполнено с помощью оптико-геометрических моделей контролируемых поверхностей. Были определены оптические показатели свойств покрытий и подложек, а также геометрические (высотные и шаговые) параметры микропрофиля лаковых пленок.

Алгоритм наших исследований был основан на непрерывности подготовки лакокрасочных материалов и формирования защитно-декоративных покрытий на древесных подложках.

Подготовка жидкого лакокрасочного материала включает соблюдение определенных соотношений компонентного состава, проведение специальных технологических приемов введения специальных добавок и веществ, позволяющих получать матовый эффект на поверхностях покрытий, а также сохранение приобретенных специфических свойств лакокрасочных материалов перед нанесением на древесину. Качественно проведенный комплекс таких работ дает исходную информацию о лакокрасочном материале, что позволяет в дальнейшем предусмотреть мероприятия, позволяющие за счет изменения режимных параметров технологического процесса управлять микропрофилем поверхности покрытия.

В процессе формирования защитно-декоративного покрытия происходит растекание, смачивание и пропитка поверхностных слоев древесины лакокрасочным материалом. В некоторых случаях требуется специальная подготовка древесины для улучшения этих процессов.

На стадиях нанесения и отверждения защитно-декоративных покрытий закладывается также основа получения различного микропрофиля поверхностей лаковых пленок. Расход лака, толщина покрытия, продолжительность отверждения и другие факторы будут существенно влиять на характер отражения света поверхностью покрытия.

В результате выявилась достаточно сложная проблема, определившая основное направление диссертации: управление технологическим процессом формирования лакокрасочных покрытий на древесине путем развития научно обоснованной физико-математической теории прогнозирования характера отражения света поверхностью прозрачного покрытия с использованием оперативно устанавливаемых показателей изменчивости состояния лакокрасочных материалов и покрытия в процессе его формирования с целью получения отделанных изделий с различным блеском (матовостью).

Актуальность диссертационной работы определяется тем, что управление и регулирование технологическим процессом отделки древесины для получения лакокрасочных покрытий с заданными свойствами является важнейшей проблемой, позволяющей выработать единый, обобщенный подход в решении таких практических вопросов как: отработка режимов подготовки древесины под отделку, формирование покрытий, выработки требований к покрытиям в зависимости от внешнего декоративного вида для определенных поверхностей деталей в изделиях. При этом мы исходили из следующих положений:

1 — древесина являясь анизотропным материалом имеет ярко выраженную капиллярно-пористую структуру поверхностного слоя, характеризуемую анатомическими неровностями и шероховатостью, что неизбежно сказывается на микропрофиль сформированного на нем покрытия;

2 — лакокрасочный материал в своем составе содержит добавки и вещества, способные создавать микронеоднородности в покрытии, сказывающиеся на поверхностном слое через изменения его микропрофиля;

3 — древесная подложка и покрытие обладают различными оптическими показателями, которые оказывают влияние на декоративный вид контролируемой поверхности, в том числе и на характер отражения света;

4 — блеск (матовость) прозрачных покрытий от момента подготовки жидкого лакокрасочного материала и подложки до его отверждения может изменяться за счет изменения режимных факторов технологического процесса отделки.

Научное направление, развиваемое в диссертации, может быть сформулировано следующим образом: исследование процессов поглощения и отражения света от прозрачных матовых покрытий на древесине на основе объединения физического и статистического подходов в рассмотрении оптических явлений видимого излучения электромагнитных волн на шероховатой поверхности.

Целью диссертационной работы является разработка методологии управления технологическим процессом формирования лакокрасочных покрытий на древесине путем развития научно обоснованной физико-математической теории прогнозирования характера отражения света поверхностью покрытия с использованием оперативно устанавливаемых показателей изменчивости состояния лакокрасочных материалов и покрытий в процессе получения отделанных изделий с различным блеском (матовостью).

В соответствии с указанным выше научным направлением и сформулированными проблемами теории и практики отражения света от поверхности прозрачных матовых покрытий на древесине в работе решались следующие основные задачи, которые автор выносит на защиту:

1. Анализ основных закономерностей формирования микропрофиля поверхности прозрачных матовых покрытий на древесине по результатам экспериментальных и теоретических исследований, определяющих физическую сущность блеска (матовости) контролируемых поверхностей при рассмотрении оптических явлений видимого излучения электромагнитных волн на шероховатой поверхности.

2. Методы определения толщины покрытий, относительного показателя преломления древесины и покрытий, коэффициентов пропускания и диффузного отражения света от прозрачных матовых покрытий, блеска (матовости) покрытий, позволяющие проводить как научные исследования, так и осуществлять оперативный контроль параметров для регулирования процессов отделки изделий из древесины.

3. Структурный анализ поверхности древесины, раскрывающий механизм отражения света от границы раздела лаковое покрытие — подложка в условиях адгезионного контакта.

4. Оптико-геометрические модели микропрофиля прозрачного матового покрытия, сформированного при наличии в составе лакокрасочного материала специальных добавок или веществ, позволяющих получать микронеоднородности в объеме и поверхностном слое покрытия.

5. Вывод обобщенного уравнения описывающего интенсивность отражения света от поверхности покрытия и древесной подложки с учетом оптических показателей, характеризующих поглощение, направленное и диффузное отражение света.

6. Вывод обобщенного выражения блеска контролируемой поверхности с учетом поляризации видимого света при отражении от шероховатой поверхности прозрачного матового покрытия.

7. Исследование технологических свойств лакокрасочных материалов, ответственных за получение микронеоднородностей в объеме и в поверхностном слое покрытия и создающих микропрофиль контролируемой поверхности прозрачного матового покрытия.

8. Технологический процесс отделки древесины водорастворимыми лаками, содержащими вещества, способные создавать в объеме и поверхностном слое покрытия микронеоднородности в виде пустот, образованных пузырьками парогазовой смеси при сушке покрытия.

9. Типовой состав водорастворимой лаковой композиции для отделки древесины с целью получения прозрачного матового покрытия.

10. Модель управления технологическим процессом отделки древесины с использованием обобщенного выражения, описывающего интенсивность отражения света от поверхности покрытия и древесной подложки, обеспечивающего получение заданного блеска защитно-декоративного покрытия.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней осуществлен комплексный подход к процессу формирования блеска (матовости) прозрачных матовых покрытий на древесине, состоящий в объединении оптико-геометрических моделей отражающих поверхностей, определяющих изменение характера отражения света при различных условиях формирования покрытий, а также оптических показателей, характеризующих поглощение, направленное и диффузное отражение света и поляризацию видимых лучей при отражении от шероховатой поверхности прозрачного покрытия, влияющих на блеск (матовость) контролируемых покрытий. В результате было установлено, что проблема получения заданного блеска покрытий на древесине, а также их основных оптических характеристик, сводится к следующим задачам:

1) определение факторов, влияющих на процесс формирования микропрофиля поверхности прозрачного матового покрытия на древесине;

2) построение оптико-геометрических моделей контролируемых поверхностей прозрачных матовых покрытий, учитывающих изменение характера отражения света при различных условиях формирования покрытий;

3) определение физического уравнения, описывающего интенсивность отражения света от поверхности покрытия и древесной подложки с учетом оптических показателей, характеризующих поглощение, направленное и диффузное отражение света, а также поляризацию видимых лучей при отражении от шероховатой поверхности матового покрытия;

4) построение модели управления технологическим процессом отделки древесины для получения заданного блеска (матовости) защитно-декоративных покрытий.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в решении задач управления технологическим процессом отделки древесины и создании механизма, позволяющего осуществлять корректирующие воздействия на этапе подготовки лакокрасочного материала и формирования покрытия для получения заданного блеска (матовости) контролируемых поверхностей. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы для разработки нормативов технологических и эксплуатационных параметров (расхода лака, толщины покрытия, содержания добавок и веществ, позволяющих получить матовый эффект и др.), а также для разработки требований по улучшению эстетических качеств прозрачных матовых покрытий, повышающих декоративные свойства поверхностей отделанных деталей и изделий из древесины.

Достоверность предложенных физических моделей микропрофиля поверхностей прозрачных матовых покрытий и методов их анализа подтверждались результатами исследований, а также хорошей согласованностью между полученными ранее экспериментальными данными и теоретическими результатами по расчету и прогнозированию блеска (матовости) покрытий на древесине.

Остановимся на структуре диссертации и сформулируем идеологическую схему исследований, проведенных в работе.

До формирования прозрачного матового покрытия на древесине, и древесина, и лакокрасочный материал обладают комплексом свойств сохраняющихся или изменяющихся в процессе формирования и эксплуатации покрытий на древесине.

В первую очередь изучались исходные материалы с перспективой возможного изменения тех или иных показателей для достижения поставленной цели по прогнозированию блеска (матовости) прозрачных матовых покрытий на древесине.

Технологический процесс формирования покрытий включает этапы: подготовка поверхности древесиныподготовка лакокрасочных материаловформирование покрытия. Здесь с помощью разработанных и известных методов контроля и методик по исследованию отдельных свойств изучается влияние различных технологических факторов на параметры материала.

На процессы подготовки древесины и лакокрасочного материала, а также формирования прозрачного матового покрытия влияют различные факторы, позволяющие изменять микропрофиль получаемых поверхностей. В результате изменения свойств древесной подложки, компонентного состава лака, технологического процесса отделки происходит изменение микропрофиля получаемых поверхностей и вместе с этим блеска (матовости) покрытий.

Изучая формирование прозрачных матовых покрытий на древесине, вопросы теории поглощения, отражения и поляризации света на шероховатых поверхностях возможно предусмотреть целенаправленное воздействие на параметры технологического процесса или на исходные материалы с целью изменения первоначальных характеристик, влияющих на блеск (матовость) получаемых покрытий. При этом можно говорить о получении заданного микропрофиля поверхности покрытия, характеризуемого стабильным блеском, гарантирующего эстетические качества отделанных деталей или изделий из древесины.

Таким образом, в диссертации объединены следующие подходы: теоретический, включающий оптико-геометрические модели микропрофиля прозрачного матового покрытия, сформированного при наличии в составе лакокрасочного материала специальных добавок или веществ, позволяющих получать микронеоднородности в объеме и поверхностном слое покрытия и обобщенного уравнения описывающего интенсивность отражения света от поверхности покрытия и древесной подложки с учетом оптических показателей, характеризующих поглощение, отражение и поляризацию света от шероховатых поверхностейэкспериментальный, включающий исследование и контроль параметров древесины и лакокрасочного материала в процессе их подготовки и формирования покрытий и технологический, включающий разработку управляющих воздействий на этапе технологического процесса отделки и разработку принципиально новых технологических процессов.

Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы и 26 приложений.

Основные выводы и рекомендации.

1. Разработана концепция построения исследований по изучению характера отражения света от поверхности защитно-декоративного покрытия на древесине. Она включает в себя теоретическое решение по расчёту интенсивности отраженного светового потока от шероховатой поверхности покрытия, оптико-геометрические модели прозрачных матовых покрытий на древесине и комплекс методических и экспериментальных приёмов и исследований, позволяющий получить критериальные параметры для математической модели. С помощью указанной концепции установлен ряд новых физических закономерностей формирования структуры и свойств матовых покрытий и исследованы процессы отражения и поглощения видимого излучения электромагнитных волн на шероховатой поверхности.

2. Разработан комплекс методов оценки оптических свойств покрытий и древесины, что впервые позволило оценивать такие показатели как коэффициенты поглощения и диффузного отражения света лаковых плёнок, а также показатели преломления света покрытием и макроскопическими элементами древесины различных пород. Этот факт, безусловно важен, поскольку установлено, что характер отражения света контролируемой поверхности существенно зависит от микроструктуры матового покрытия и от оптических показателей лаковых плёнок и древесины.

3. Установлено, что граничный слой системы древесина-покрытие обладает отличительным комплексом оптических свойств. Так анатомические неровности, шероховатость и белизна древесины, а существенно влияют на оценку блеска контролируемых поверхностей покрытий. Учёт этого явления возможен с помощью обобщённого оптического показателя, характеризующего отражательные свойства подложки, находящейся под покрытием.

4. Получено уравнение для определения интенсивности отраженного света поверхностью прозрачного матового покрытия, учитывающее процессы поглощения, направленного и диффузного отражения света лаковой плёнкой и подложкой. Это уравнение с учётом поляризации видимого света при отражении от шероховатой поверхности позволяет оценить блеск прозрачных матовых покрытий при условии различных микронеоднородностей наблюдаемых в объёме и поверхностном слое лаковой плёнки.

5. Построены оптико-геометрические модели прозрачных матовых покрытий, сформированных при наличии в составе лакокрасочного материала специальных добавок и веществ, позволяющих получать микронеоднородности в объёме и поверхностном слое покрытия. Доказано, что на микропрофиль поверхности покрытия влияют факторы, связанные с введением в состав лаковых композиций мелкодисперсных порошков, а также с применением специальных плёнкообразователей.

6. Проведён структурный анализ поверхности древесины, раскрывающий механизм отражения света от границы раздела лаковое покрытие-подложка в условиях адгезионного контакта. Впервые получены для различных пород древесины показатели преломления света различных макроскопических элементов.

7. Разработан процесс отделки древесины водорастворимыми лаками, включающий операции по предварительному нагреву подложки, открытой выдержки для равномерного распределения температуры на поверхности подложки, нанесения лака, открытой выдержки нанесённого лакового слоя и термопрессования путём контактного нагрева.

Для осуществления процесса отделки разработан типовой состав водорастворимой лаковой композиции, включающий в качестве плёнкообразователя карбамидоформальдегидную смолу, в качестве модификаторов бутадиен-стирольный каучук, поливиниловый спирт и поверхностно-активное вещество, в качестве растворителя воду.

8. Установлено, что на технологические свойства лаков, содержащих мелкодисперсные порошки влияют содержание матовой добавкипродолжительность её размешивания в основе лакаседиментация частиц матовой добавки в процессе длительного хранения лака. В водорастворимом лаке это содержание растворителя в лаковой композиции.

9. Выявлена взаимосвязь таких параметров как высота и шаг неровностей на изменение микропрофиля контролируемой поверхности и на степень матовости получаемого покрытия.

10. Построена математическая модель управления процессом отделки древесины, представляющая собой обобщённое уравнение, описывающее интенсивность отражения света от поверхности покрытия и древесной подложки, обеспечивающая получение заданного блеска защитно-декоративного покрытия.