Я Р І Ш

Оксана Василівна

УДК 684.4.059.4

ФОРМУВАННЯ КОЛЬОРОВИХ ЗАХИСНО-ДЕКОРАТИВНИХ

ПОКРИТТІВ ФОТОХІМІЧНОГО ТВЕРДІННЯ

НА ДЕРЕВИНІ ТА ДЕРЕВИННИХ МАТЕРІАЛАХ

05.05.07 – машини та процеси лісівничого комплексу

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології виробів з деревини в Українському державному лісотехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Яремчук Лариса Анатоліївна,

Український державний лісотехнічний університет

Міністерства освіти і науки України,

доцент кафедри технології виробів з деревини

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

заслужений діяч науки і техніки України

Іноземцев Георгій Борисович,

Національний аграрний університет

Кабінету Міністрів України,

професор кафедри застосування

електрифікованих технологій в АПК

кандидат технічних наук

Ганцюк Володимир Михайлович,

ВАТ “Надвірнянський лісокомбінат”,

голова правління

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України,

Інститут хімії та хімічних технологій, м. Львів

Захист відбудеться “12” червня 2003 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.072.03 в Українському державному лісотехнічному університеті Міністерства освіти та науки України за адресою: 79057, м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 103, зала засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Українського державного лісотехнічного університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 79057, м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 101.

Автореферат розісланий “12” травня 2003 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Бехта П.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одержання на деревині та деревинних матеріалах кольорових покриттів високої якості, які відповідають світовим стандартам, не можливе без впровадження у виробництво новітніх ресурсоощадних технологій на основі сучасних матеріалів, машин і механізмів, які мінімально забруднюють довкілля. Виходячи із сучасного стану економіки країни, підприємства меблевого виробництва не в стані фінансувати заходи щодо їх реконструкції, які пов`язані зі значними капіталовкладеннями. Разом з тим, на підприємствах України є значна кількість технологічного обладнання й автоматичних ліній опорядження (близько 7) з ультрафіолетовим (УФ) твердінням, які не використали свій технічний і технологічний потенціал. Це обладнання може продуктивно працювати за наявності сучасних високоефективних технологій опорядження.

Вирішити ці проблеми можливо шляхом модифікації традиційних екологічно безпечних лакофарбових матеріалів (ЛФМ) УФ-твердіння барвними домішками, а також удосконаленням наявного обладнання, яке використовується в опорядженні деревини. Однак у процесі створення кольорових покриттів не вирішено ряд питань, а саме: наявні кольорові ЛФМ одержують шляхом введення у плівкоутворювачі пігментів у концентраціях, які зумовлюють повне вуалювання текстури деревини; технологія одержання підфарбованого покриття через забарвлення поверхні водорозчинними барвниками має ряд суттєвих недоліків; отримання кольорових покриттів на основі дисперсії лакової основи й пігментів, зокрема, забарвленого високодисперсного пірогенного кремнезему (КВП), а також сумішей забарвлених КВП, всесторонньо не досліджене, оскільки твердіння забарвлених лакових композицій на наявному обладнанні не завжди призводить до задовільних технологічних параметрів покриттів, а також до отримання покриттів із розширеною спектральною гамою.

Таким чином, актуальними є комплексні дослідження процесів створення нових прозорих кольорових опоряджувальних матеріалів УФ-твердіння для деревини й деревинних матеріалів, розроблення раціональних технологій формування покриттів та удосконалення обладнання.

Зв`язок із науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертації пов`язана з науковим напрямком кафедри технології виробів з деревини та її результати використані для проведення науково-дослідної роботи ДБ .16-07-03 “Розвиток теорії енергоощадного оброблення деревини та виробництва меблів“(державний реєстраційний номер 0103U000083).

Мета й задачі дослідження. Метою роботи є розроблення технологічних режимів і технологічного процесу формування кольорових прозорих поліефірних (ПЕ) покриттів фотохімічного твердіння на деревині та деревинних матеріалах.

Відповідно до поставленої мети необхідно було розв`язати наступні завдання:

1. Дослідити вплив природи поверхні деревинних підкладок при формуванні кольорового покриття на стійкість адгезійного контакту.

2. Встановити залежність фізико-хімічних властивостей кольорових ПЕ лаків фототвердіння від вмісту сумішей барвних КВП.

3. Дослідити фізико-механічні властивості кольорових покриттів на деревині та деревинних матеріалах залежно від концентрації барвних домішок та умов фотохімічного твердіння покриття.

4. Розробити математичну модель визначення внутрішніх напружень у кольорових ПЕ покриттях на деревинних підкладках, спричинених дією теплового навантаження.

5. Дослідити декоративні властивості кольорових лакових покриттів фотохімічного твердіння залежно від вмісту та природи барвних КВП.

6. Провести вдосконалення обладнання для УФ-твердіння, що дасть можливість реалізувати розроблені технологічні режими та технологічний процес формування кольорових покриттів фотохімічного твердіння,

Об`єкт досліджень: процес формування кольорових захисно-декоративних покриттів на деревині та деревинних матеріалах.

Предметом дослідження є захисно-декоративні кольорові покриття на деревині та деревинних матеріалах, створені з використанням композицій на основі забарвлених поліефірних лаків фотохімічного твердіння, обладнання для фотохімічного твердіння кольорових покриттів.

Методи дослідження. Методи механіки суцільного середовища та теплопровідності використано для синтезу фізико-математичної моделі виникнення внутрішніх термонапружень у покритті на деревинній підкладці. Для визначення реологічних властивостей ЛФМ та фізико-механічних і декоративних показників лакових плівок (адгезійна міцність, твердість, еластичність, світлостійкість, кольоростійкість) використано методики згідно стандартів. Для консольного та тензометричного методів визначення деформацій у покриттях виготовлена оригінальна апаратура. Одна з методик визначення седиментаційної стійкості лакових систем є оригінальною як за ідеєю, так і за апаратурним забезпеченням. Планування експериментів виконувалось з використанням В-планів другого порядку, доповнених експериментами в центрі плану. Оброблення експериментальних даних, зокрема, оцінку значущості коефіцієнтів і перевірку адекватності математичних моделей, проведено методом статистичного аналізу. Оптимізація режимних параметрів формування покриттів УФ-твердіння проведена шляхом згортання критеріїв, а саме: методом формування комплексного критерію, методом Гермейєра, методом умовного центра мас. Використання цих методів дослідження забезпечує вірогідність отриманих результатів на рівні 95–96 %.

Наукова новизна одержаних результатів. Встановлені раціональні значення керованих технологічних параметрів (товщини покриття та потужності УФ-опромінювача) на базі аналізу математичної моделі прогнозування величини та динаміки зміни термічних внутрішніх напружень у кольорових покриттях УФ-твердіння на деревинній підкладці. Математична модель створена на основі теорій теплопровідності та деформування пружних матеріалів.

Уперше показано, що у випадку створення прозорих покриттів, забарвлених КВП, узгодження спектральних характеристик компонентів лакової композиції та джерел УФ-випромінювання має суттєвий вплив на формування покриттів із високими технологічними характеристиками.

Доведено значне покращення захисно-декоративних властивостей кольорових покриттів за рахунок послідовного опромінення їх УФ-опромінювачами високого тиску та металогалогенними УФ-опромінювачами з домішками заліза.

На основі дослідження впливу режимних параметрів процесів формування кольорових композицій на фізико-механічні та декоративні властивості покриттів розроблено оптимізаційні моделі процесів формування кольорових покриттів, обґрунтовано їх оптимальні параметри, що дозволило покращити фізико-механічні властивості покриттів. Для даного класу композицій доведено, що зменшення теплового навантаження, (спричиненого інфрачервоним (ІЧ) випромінюванням), емітованого джерелом УФ-випромінювання, зумовлює зменшення внутрішніх напружень у покритті.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено рекомендації, які сприяють підвищенню захисно-декоративних властивостей покриттів, шляхом внесення у композицію барвних домішок у кількості 1.5–2.5 За рахунок комбінування в лаковій композиції КВП різної барви розширено кольорову гаму покриттів, що дозволить значно покращити декоративні характеристики виробів і розширити асортимент меблевої продукції.

Розроблено алгоритм і програму для ПЕОМ для визначення внутрішніх напружень у плівках, що дасть можливість управляти процесом формування покриттів з метою зниження напружень і підвищення якості покриттів та виробу в цілому.

Розроблені методики прогнозування кольору композиції на основі суміші забарвлених КВП дозволяють у промислових умовах підбирати барвники для створення відповідної гами лакового покриття та забезпечення його інтенсивності на деревинних підкладках. Створено прилад, на основі якого запропоновано моніторинг седиментаційної стійкості дисперсних систем.

Для розширення гами кольорів покриттів на деревині на основі барвних домішок запропоновано шлях модифікації рецептури композиції (введення фотоініціатора Іргакур 819) та удосконалення УФ-обладнання. Зміна спектрального складу випромінювання в УФ-області та зниження рівня ІЧ-випромінювання завдяки застосуванню в удосконаленій камері фотохімічного твердіння модулів, обладнаних металогалогенними лампами та рефлекторами з дихроїчним покриттям дозволить зменшити внутрішні напруження в кольорових плівках, покращити їх фізико-механічні властивості та забезпечити твердіння покриттів розширеної кольорової гами на деревині та деревинних матеріалах. Використання металогалогенних опромінювачів дозволить зменшити споживання енергоносіїв.

Особистий внесок здобувача. У роботі [6] здобувачем отримано результати стосовно седиментаційної стійкості забарвлених систем, а в статті [7] експериментально досліджено деформації в процесі формування та витримки забарвлених покриттів за допомогою удосконаленого обладнання. У праці [8] на основі аналізу літературних джерел розглянуто сучасні технологічні особливості фотохімічного формування покриттів, проаналізовано технічні можливості наявного устаткування для УФ-твердіння, викладені теоретичні уявлення про фотохімічне твердіння покриттів на деревині та деревинних матеріалах, обґрунтовано вибір лаків УФ-твердіння як основи для створення кольорових композицій, обґрунтовано вибір напрямку досліджень у створенні кольорових композицій на основі ПЕ лаків та забарвлених КВП для опорядження меблів, у роботах [11, 12] – вивчено властивості хромофорних груп барвників у процесі фотохімічного твердіння покриття.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися та обговорені на: міжнародній науково-технічній конференції "Розвиток технічної хімії в Україні" (м. Харків, 1995 р.); науково-практичній конференції "Львівські хімічні читання" до 50-річчя хімічного факультету (Львівський державний університет ім. Ів. Франка, 1995 р.); міжнародній науково-технічній конференції до 50-річчя Українського державного лісотехнічного університету (м. Львів, 1993 р.); міжнародній науковій конференції “Проблеми деревообробки на рубежі ХХІ століття: наука, освіта, технології” (м. Львів, 1999 р.); науково-технічних конференціях Українського державного лісотехнічного університету і наукових семінарах кафедри технології виробів з деревини (м. Львів, 1995–2002 рр.).

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел, який містить 262 назви, та 8 додатків. Основний текст роботи викладений на 154 сторінках, містить 50 рисунків та 34 таблиці. Загальний об`єм дисертації – 226 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульована мета роботи й задачі досліджень, висвітлена наукова новизна та практична цінність одержаних результатів.

У першому розділі розглянуто сучасні технологічні особливості фотохімічного формування покриттів, також проаналізовано технічні можливості наявного устаткування для УФ-твердіння, викладені теоретичні уявлення про фотохімічне твердіння покриттів на деревині та деревинних матеріалах, обґрунтовано вибір лаків УФ-твердіння як основи для створення кольорових композицій.

На підставі аналізу стану питання зроблено наступні висновки:

1. Проблему зменшення сировинних запасів деревини для виробництва меблів можна вирішити через використання неякісної в естетичному відношенні деревини, опорядженої сучасними кольоровими ЛФМ.

2. Значне загострення екологічної кризи та підвищення вимог до підприємств щодо охорони довкілля вимагають використання екологічно сприятливих ЛФМ, що мінімально забруднюють довкілля, характеризуються високими швидкостями процесів і глибиною перетворень, високими фізико-механічними й декоративними показниками покриттів, наприклад, ЛФМ УФ-твердіння.

3. Аналіз робіт, у яких використовувалися ЛФМ на основі забарвлених КВП, підтверджує перспективність цього напрямку.

4. Деякі аспекти застосування забарвленого КВП як наповнювальної домішки у лаках залишилось поза увагою дослідників. Зокрема, не підібране відповідне устаткування (джерела УФ-енергії) для фотохімічного твердіння кольорових лакових композицій із сумішами барвних наповнювачів. Тому на часі стоїть проблема поглибленого вивчення аспектів технології використання ПЕ лаків УФ-твердіння, забарвлених сумішами КВП, та специфіки використання наявного обладнання для фотохімічного твердіння.

Зроблені узагальнення стану проблеми дали можливість обґрунтувати мету та сформулювати задачі досліджень.

Рис. 1. Схематичне зображення системи лакове покриття – деревинна підкладка

У розділі 2 на основі теорій теплопровідності та деформування пружних матеріалів створено модель прогнозування динаміки зміни та величини термічних внутрішніх напружень у кольорових покриттях УФ-твердіння на деревинній підкладці.

Розглянуто вільну від зовнішніх навантажень деревинну підкладку товщиною 2 із покриттям товщиною 2h. За умови, коли товщина системи є значно меншою від її ширини та довжини, і потік тепла є рівномірним по поверхні покриття, обмежує-мося одномірним випадком (рис. 1).

Оскільки зміна властивостей досліджуваної системи на межі підкладка-плівка відбувається стрибкоподібно, то застосована модель пошарово-неоднорідного тіла. Фізико-механічні характеристики у такій моделі представлені у вигляді функції розподілу, записаної через симетричну ступеневу (одиничну) функцію, яка змінює свої значення лише у дискретній послідовності точок розриву (першого роду). Диференціальне рівняння для визначення не стаціонарного температурного поля в системі підкладка–покриття, приведене до одномірного випадку, з урахуванням значень коефіцієнтів та умови пошарово-неоднорідного тіла має вигляд

; , (1)

де T(, z) – змінне у часі температурне поле, C; і – коефіцієнт теплообміну, Вт/(м2C); – теплопровідність, Вт/(м C); tc – температура зовнішнього середовища, C; – час, c; z – просторова координата, м; а – коефіцієнт температуропровідності, м2/с; Q – питома потужність джерела, Вт/м2; () –функція зміни в'язкості лаку, Пас; –нормуючий множник, с/кг.

Для знаходження розв`язків рівняння задані граничні умови першого роду:

. (2)

У процесі твердіння збільшується коефіцієнт поглинання покриття, що є еквівалентним до збільшення потужності джерела. Таку зміну описуємо, увівши нормуючий множник, який є функцією, що описує зміну в`язкості покриття. Зміна значення в`язкості лаку під час твердіння апроксимується залежністю

, (3)

де 0 – константа, Пас; Е – енергія активації в`язкої течії, Дж/моль; В – константа; – ступінь перетворення олігомеру.

Знайдено розв`язок крайової задачі (1), (2).

Товщина системи деревинна підкладка–покриття є значно меншою від лінійних розмірів. Тому стан такої системи описується в рамках задачі плоского напруженого стану. Статичні рівняння рівноваги пружно-деформівного тіла записано через систему диференціальних рівнянь Нав`є–Коші:

(4)

З часових залежностей нормальних внутрішніх напружень у лакових покриттях у процесі їх формування за допомогою УФ-ламп (рис. 2) простежується зростання напружень зі збільшенням товщини покриття. Збільшення питомої потужності УФ-джерела також веде до зростання напружень. Отримані теоретичні залежності дають можливість прогнозувати динаміку зміни та величину термічних напружень у покриттях УФ-твердіння. У розрахунок беруться як фізико-механічні властивості лаку й покриття (та їх зміна в процесі твердіння, що повною мірою враховує також модифікацію лакового матеріалу різними домішками), так і потужність джерела випромінювання.

Рис. 2. Залежність термонапружень від часу для плівки товщиною, мкм: 1 – 250; 2 – 225; 3 – 200; 4 – 175. Потужність УФ-опромінювача – 150 Вт/м2

Модель є придатною для дослідження будь-якого методу твердіння покриття, який передбачає наявність джерела теплової енергії із заданою тепловою потужністю.

Запропонована модель дає можливість встановити раціональні значення керованих технологічних параметрів (товщина покриття та потужність УФ-опромінювача), для яких максимальні внутрішні напруження не виходитимуть за допустимі межі.

Установлено, що напруження не перевищують 25 % від міцності зразків на розтяг, тобто не викликатимуть самовільного руйнування покриття у процесі експлуатації. Однак актуальним є завдання зниження напружень у процесі формування покриття, яке можна досягти вдосконаленням наявного джерела УФ-випромінювання.

У розділі 3 обґрунтовано вибір експериментальних методик; наводяться характеристики використаних матеріалів, застосованого обладнання та приладів, методів і засобів вимірювання, способи планування експериментів та їх математичне оброблення.

У дослідженнях використовували ПЕ лаки та ґрунтівки, барвні домішки на основі КВП. Покриття формувались на зразках, виготовлених із деревинностружкових плит та личкованих шпоном різних порід деревини (бука, дуба, берези). Для досягнення мети дисертаційної роботи використано ряд сучасних методик, серед яких оригінальними є: спосіб оцінки седиментаційної стійкості кольорових ПЕ систем завдяки використанню оптоелектронного методу та вимірювання деформацій у процесі фотохімічного формування забарвленого покриття методом тензометричного моста.

В основу оптоелектронного методу, перевага якого полягає у швидкості аналізу та можливості його автоматизації, покладено залежність величини фотоструму від концентрації завислих частинок на шляху світлового пучка з достатньо малим перерізом.

Розроблений та реалізований автором прилад "СЕДИМЕНТАТОР" має наступні параметри: максимальна висота кювети – 80 мм; швидкість переміщення оптопари є змінною – час проходження висоти 80 мм – 1, 2, 4, 6, 8 та 10 хв; переміщення оптопари – дискретне із заданим кроком або неперервне; потужність джерела випромінювання – 0.5 Вт; чутливість фотоприймального тракту – 0.510-6 А/В; діаметр світлового пучка 1–2.5 мм; вивід результатів вимірювання – цифровий індикатор/самописець/послідовний порт RS232 для спряження з ЕОМ.

Рис. 3. Блок-схема приладу для визначення седиментаційної стій-кості дисперсних систем

Конструктивно прилад складається з двох блоків – вимірювальної камери та блока електроніки (рис. 3). Основною частиною вимірювальної камери є рухома каретка (1), на якій закріплено: джерело світла (2), фотоприймач (3) та попередній підсилювач фотосигналу (4). За допомогою черв'ячного механізму (5), який приводиться в рух кроковим електродвигуном (6), каретка переміщується вздовж кювети з дисперсним середовищем (7). Межі переміщення каретки фіксуються кінцевими вимикачами (8). Корпус камери з отвором для заміни кювети є світлонепроникним.

Деформації у покриттях у процесі УФ-опромінення вимірювались методом тензометричного моста за допомогою приладу, виготовленого автором.

У розділі 4 наведено результати досліджень впливу сумішей барвних КВП та технологічних параметрів фотохімічного формування покриття на властивості лакових систем та покриття.

Підтверджено низькоенергетичність поверхні деревини (поверхневий натяг тг <
50 мДж/м2). У порядку зростання поверхневої енергії досліджувані зразки підкладок розподіляються наступним чином: синтетичний шпон, скло, береза, бук та дуб. Величини поверхневого натягу підкладок п і поверхневого натягу забарвленого ЛФМ лфм частково задовільняють умові п Улфм. Тому для підвищення міцності й довговічності покриття на етапі підготовки поверхні деревини до опорядження необхідне формування екрануючого шару через нанесення ґрунтівок.

На основі залежностей крайового кута змочування підкладки від вмісту барвного КВП встановлено, що введення суміші барвних домішок у межах 1.5–2.5 % не призводить до суттєвого збільшення крайового кута змочування. Зі збільшенням вмісту суміші домішок від 1.5 до 2.5 % спостерігається незначне зростання поверхневого натягу лакових систем. Однак у всіх випадках ці контрольовані параметри знаходяться в допустимих межах технічної характеристики.

У процесі вивчення седиментаційної стійкості наповнених барвним КВП систем встановлено, що криві залежності коефіцієнта пропускання від висоти умовного стовпа суспензії для концентрації 2.5 % (рис. 4) демонструють стабільність суспензії протягом перших 8 діб.

Рис. 4. Стабільність суспензії на основі ПЕ лаку протягом 0–30 діб для концентрації суміші барвних КВП 2.5

У наступний проміжок часу спостерігається розшарування суспензії та утворення областей з аномально високим пропусканням. У випадку 3 % концентрації розшарування відбувається вже в перші дні, а межа розділу фаз опускається значно нижче, ніж у випадку 1.5–2.5 % концентрації.

Встановлено, що введення 1.5–2.5барвних домішок забезпечує стабільність пігментованого ЛФМ під час зберігання його у виробничих умовах. Для концентрації КВП 3стабільність суспензії порівняно з концентраціями 1.5–2.5погіршується. Диспергування барвної домішки у кількості 1.5–2.5у ПЕ лаку призводить до структурної зміни останнього: частинки наповнювача зумовлюють зміцнення структури – утворення додаткової об`ємної коагуляційної сітки, яка перешкоджає осадженню пігменту.

Рис. 5. Порівняння напружень у покритті, сформованому на основі системи з 2.5суміші барвних КВП, виміряних за допомогою тензодавача 1, 2 та розрахованих теоретично 3, 4; (2, 3 та 1, 4 – потужність джерела відповідно 450 та 800 Вт/м2)

Зазначеними міркуваннями пояснюється утворення областей, в яких зміна коефіцієнта пропускання має нерівномірний характер (утворення локальних областей аномального просвітлення та затемнення на загальному фоні). Збільшення ступеня наповнення ( 3спричиняє руйнування додаткової структури та збільшує швидкість седиментації.

Під час вивчення впливу вмісту барвних домішок та умов фототвердіння на розвиток внутрішніх напружень встановлено, що у ході зшивання проходить різке наростання напружень у перші секунди опромінення (рис. 5), що пов`язане з явищем зсідання у полімері, зумовленого переходом системи у гелеподібний стан та участю у процесі утворення просторової сітки значної частини функціональних груп.

Теоретичні криві описують характер зміни та значення напруження на ділянці, яка відповідає чисто термічним напруженням. Модель (1–4) є чинною після завершення дії напружень зсідання.

Рис. 6. Зміна напружень у покриттях, опромінених під лампами H типу, у процесі витримки після фотополімеризації: 1 – незабарвлене покриття, 2, 3, 4 – покриття з КВП (відповідно 1.522.5Доза УФ-випромінювання – 2.5 Дж/см2

У процесі охолодження покриттів та стабілізації напружень (рис. ) спо-стерігається різке наростання термічних напружень, обумовлене різницею між температурами в зоні УФ-опромінення та в приміщенні, де відбувається витримка зразків. Під час витримки зразків за кімнатної температури впродовж трьох діб напруження зменшуються (кінцеве значення знаходилось у межах 1.5–2 МПа). Напруження в покриттях, наповнених сумішами КВП, менші (на 1–2.5 МПа), ніж у ненаповнених системах. Зниження їх відбувається за рахунок стимульованої поверхнею наповнювача доупаковки макромолекуляр-них ланцюгів. Це свідчить про те, що структурування ПЕ олігомеру як поблизу частинок наповнювача, так і в усьому об`ємі полімеру проходить до процесу полімеризації.

На межі розділу фаз між функціональними групами барвників та карбонільними групами олігомеру утворюється достатня кількість водневих зв`язків, завдяки яким у ще незатверділому покритті формується впорядкована структура, яка і фіксується далі в процесі УФ-опромінення.

Таблиця 1

Залежність твердості покриття від вмісту кольорової домішки та дози УФ-опромінення

Концентрація, мас. % | Твердість, МПа

Доза УФ-опромінення, Дж/см 2

2.5 | 3.0 | 3.5

0.0 | 70.34 | 76.59 | 78.88

1.5 | 72.03 | 77.96 | 78.34

2.0 | 70.20 | 77.47 | 81.70

2.5 | 74.68 | 77.51 | 82.69

Експериментальні дані свідчать, що збільшення тривалості опромінення та введення суміші барвних наповнювачів зумовлює зростання твердості покриття (табл. ). Підвищення твердості поверхні ПЕ покриття із зростанням експозиції пов`язане із впливом вищих температур, внаслідок чого зростає гнучкість міжвузлових ланцюгів. Отже, підвищується рухливість реакційноздатних груп на глибоких стадіях формування тримірної сітки, і зростає швидкість полімеризації, тобто збільшується щільність зшивання у поверхневому шарі. Вищу твердість плівок на основі кольорових композицій можна пояснити утворенням водневих зв`язків між NH-групами барвників та карбонільними групами олігоефіру.

Доведено збільшення контактної взаємодії між заґрунтованою деревинною підкладкою та забарвленим ПЕ лаком (1.5–2.5КВП), підтверджене зростанням адгезійної міцності (в межах 2.76–2.81 МПа для покриттів різного забарвлення).

У ході визначення глибини перетворення системи в процесі УФ-твердіння за допомогою ІЧ-спектроскопії встановлено наявність смуг поглинання в межах 3500–3300 см-1, які характерні для вільних і зв`язаних ОН-груп. Характерне відповідно для складноефірних і кислотних карбонілів поглинання для 1740, 1720 та 1620 см-1 підтверджує структуру плівки, тобто термічної деструкції покриття внаслідок впливу УФ не відбулося. Відсутність поглинання для 920 і 980 см-1 (області поглинання вінільних зв`язків стиролу) свідчить про те, що процес твердіння лаку зі збереженням структури (область 1740–1620 см-1) пройшов повністю в усіх випадках.

Отримано спектральні характеристики насаджених на КВП барвників у видимій області спектра з метою вивчення властивостей хромофорних груп у процесі УФ-випромінювання. Також досліджено особливості пропускання барвниками УФ залежно від їх кольору та визначено найефективніші межі УФ-спектрів барвників. Наявність лише одного максимуму оптичного поглинання свідчить про чистоту кольору барвників, що дало можливість отримати чисті суміші кольорів для досліджень. Відсутність смуг інтенсивного поглинання в УФ-діапазоні підтверджує можливість їх твердіння під дією УФ, за винятком барвників яскраво-червоного та синього кольору, які містять у структурі активну сірку.

Для розширення наявної гами кольорів використані бінарні суміші барвників, осаджених на поверхні КВП. Підбір пар барвників для використання їх у композиціях фотополімеризаційного типу є багатоваріантною задачею. Вирішення такої задачі методом експериментального компонування сумішей є ресурсозатратним. Тому запропонована методика теоретичного прогнозування декоративних та технологічних властивостей сумішей, виходячи із властивостей їх компонентів. Для кожної пари пігментів процентне відношення змінювалося в межах від 1:1, 1:2, 1:3 так, щоб сумарна концентрація не перевищувала 2.0 %. Так, наприклад, для концентрації барвника 1.5 % за умови поєднання вихідних чистих кольорів – червоно-фіолетового та яскраво-оранжевого у співвідношенні 1:2 синтезувався темно-оранжевий колір із координатами кольору R (червона) = 140, G (зелена) = 27, B (голуба) = 11.

Виходячи з теоретично отриманих значень RGB, роздруковувався зразок кольору. Отримані зразки оцінювалися з декоративно-художньої точки зору. Візуальне порівняння прогнозованих та реально отриманих кольорів показало високу достовірність запропонованого методу.

Встановлено, що використання барвних КВП для введення у ПЕ лаки не призведе до втрати світлостійкості й погіршення блиску покриття порівняно з ненаповненими покриттями (для покриттів з вмістом КВП 2 % світлостійкість знаходиться у межах 90–100 %, а ступінь блиску за Р-4 відповідає 10 номеру стрічки). Доведена висока хімічна стійкість та водостійкість таких покриттів.

За результатами досліджень пропонується лакова композиція для формування кольорового покриття: ПЕ лак фотополімеризаційного типу – 98.5–97.5 мас. %; суміш барвних КВП – .5–2.5 мас. %, яку безпосередньо вводять у систему з одночасним механічним перемішуванням. Для забезпечення рівномірності розподілу барвної домішки в об’ємі покриття необхідно отримати седиментаційно стійкі композиції. Результати експериментів, проведених за допомогою розробленого приладу, вказують, що варіація інтегрального коефіцієнта поглинання в межах видимої області спектра, яка не перевищує 10не призводить до отримання покриття із суб`єктивно помітною нерівномірністю забарвлення по площі виробу.

Для використання барвних наповнювачів у композиціях фотополімеризаційного типу необхідно визначити коефіцієнт поглинання барвників. Критерієм формування покриття із задовільними технологічними параметрами є поглинання, яке не перевищує 20 % у межах 360–380 нм для заданої концентрації. Аналіз спектрів домішок дає можливість віднести їх до двох категорій:

І – барвні наповнювачі (спектри поглинання знаходяться за межами емісії ртутних ламп високого тиску, спектрального діапазону поглинання ПЕ смоли й фотоініціатора або поглинання у цій області є незначним), введення яких у композицію не вимагає модифікації її рецептури та зміни конструкції наявного обладнання;

ІІ – барвні наповнювачі (спектри поглинання знаходяться у межах емісії ртутних ламп високого тиску, спектрального діапазону поглинання ПЕ смоли й фотоініціатора), внаслідок введення яких у лакову систему не отримуються задовільні технологічні параметри покриття на наявному обладнанні, тому необхідно модифікувати композицію та змінити конструкцію обладнання.

Фотополімеризацію отриманої системи на основі барвних домішок першої категорії проводять під УФ-опромінювачами, обладнаними лампами високого тиску. Після твердіння отримується рівномірно забарвлене прозоре покриття, яке не вимагає наступного облагородження, та відповідає вимогам ДСТУ стосовно декоративних та захисних показників.

Для розширення гами кольорів покриттів на деревині на основі барвних домішок другої категорії запропоновано шлях модифікації рецептури композиції (введення фотоініціатора Іргакур 819) та вдосконалення УФ-обладнання (встановлення металогалогенної лампи з рефлектором із дихроїчним покриттям та ІЧ-фільтром).

Дослідження фотополімеризації кольорових лакових покриттів із зміненим складом фотоініціаторів під ртутними лампами різного типу показали значне зменшення термічних напружень у покриттях, сформованих під ртутними лампами високого тиску (H тип) і ртутними лампами з домішками заліза (D тип) з використанням рефлекторів із дихроїчним покриттям, порівняно з традиційними алюмінієвими рефлекторами, у процесі охолодження покриття після УФ-опромінення (рис. 7).

Рис. 7. Зміна напружень у покриттях, послідовно опромінених під лампами D i H типу, у процесі витримки після припинення дії УФ: 1, 2 – використання алюмінієвого рефлектора, 3, 4 – використання дихроїчного рефлектора; 1, 3 – незабарвлене покриття, 2, 4 – покриття з 1.5 % барвного КВП. Доза УФ-випромінювання – 2.5 Дж/см2

Меншими є напруження у покриттях, опромінених під комбінацією ламп порівняно із традиційною лампою високого тиску (рис. 6). В обох випадках введення барвного КВП зумовлює зменшення внутрішніх напружень.

Використання для опромінення ламп ти-пу Н і D з рефлектором із дихроїчним покрит-тям призводить також до підвищеної еластич-ності кольорового покриття. Наприклад, у випадку використання ламп типу Н еластич-ність забарвленого покриття (2суміші КВП) складає 23 % на противагу 26 % за умови послі-довного опромінення покриття лампами типу D і Н з використанням рефлектора з дихроїчним покриттям (доза опромінення – 2.5 Дж/см2).

Поєднання ламп із зміщенням максимуму потужності в низькохвильову та високохвильову області УФ-діапазону дає найкращі результати щодо твердіння покриттів на основі забарвлених ПЕ смол та суміші фотоініціаторів Іргакур 651 та 819 (рис. 8.А, Б) порівняно з лампами H (на прикладі коричневого КВП, який має низьке пропускання в області емісії лампи Н).

А |

Б

Рис. 8. Умовна твердість покриття на основі забарвлених ПЕ композицій, затверділих під ртутними лампами типу Н (А) і лампами D і H (Б). Коричневий КВП

Показана доцільність застосування для опромінення кольорових покриттів комбінації ламп металогалогенних та високого тиску з використанням рефлектора з дихроїчним покриттям. Для розширення можливої гами кольорів і концентрацій барвних КВП (до 6 %) у покриттях меблів у композиції на основі ПЕ смол запропоновано вводити суміш фотоініціаторів Іргакур 651 та 819 у кількості відповідно 2.25 мас. ч і 0.75 мас. ч.

Таблиця 2

Коефіцієнти рівняння регресії процесів фотополімеризації під ртутними лампами різних типів

В
| Лампи H типу | Лампи H і D типу

Y1Y2Y3Y4Y1' | Y2' | Y3'

В069.8542 | 2.4924 | 2.7963 | 84.4532 | 113.6391 | 2.8381 | 3.2017

В1-0.9883 | -0.1728 | 0.1500 | -1.1084 | 4.9032 | 0.0630 | 1.1000

В24.0253 | 0.0578 | -0.135 | -3.6579 | 28.5189 | 0.5280 | -0.7800

В3-0.2665 | -0.0083 | 0.1394 | 1.2747 | -16.3107 | -0.0400 | 0.8800

В4-6.1241 | -0.3217 | 1.1189 | -13.6893 | - | - | -

В11-2.0675 | -0.1900 | 0.3783 | -4.8588 | 2.8784 | 0.0103 | -0.2776

В22-0.7137 | -0.0949 | 0.0283 | -1.9040 | -29.4733 | -0.6847 | 1.4224

В33-0.5906 | 0.0201 | 0.0233 | -0.6728 | 0.0239 | -0.0747 | 0.0224

В440.2216 | -0.0900 | -0.061 | -2.1502 | - | - | -

В12-0.1059 | 0.0050 | -5.0E-08 | 0.8311 | 0.2062 | -0.0350 | 0.0750

В230.0605 | 0.0050 | 0.0025 | 0.2267 | 0.7219 | -0.0050 | -0.1750

В34-0.1210 | -0.0075 | 0.0525 | 0.2267 | - | - | -

В140.3479 | 0.1225 | -5.0E-08 | -1.8889 | - | - | -

В13-0.0459 | -0.0020 | 0.0001 | 0.1287 | -0.1031 | -0.0100 | -4.9Е-08

В24-0.0389 | -0.0021 | 5.0E-08 | -0.2165 | - | - | -

Досліджено процес фотополімеризації під ртутними лампами високо-го тиску (процес ) та процес комбінованої фото-полімеризації під метало-галогенними лампами та ртутними лампами висо-кого тиску (процес ). Наведено (табл. ) встано-влені у процесі досліджень залежності вихідних факто-рів (твердості покриття Y1, адгезійної міцності Y2, вмісту незв`язаного стиро-лу у плівці Y3, світлостійкості покриття Y4 – для H ламп; твердості покриття Y1', адгезійної міцності Y2', внутрішніх напружень у покритті Y3' – для H і D ламп) від вхідних факторів (масової частки барвної домішки x1 (0.5–2.5 %), дози УФ-опромінення x2 (2.5–3.5 Дж/см2), товщини покриття x3 (100–250 мкм) та коефіцієнта поглинання x4 (5–35 %) – для H ламп; дози УФ-опромінення x1' (2.5–3.5 Дж/см2), відсотка металогалогенних ламп (D типу) у опромінюючому блоці x2' (0–100 %), товщини покриття x3' (100–300 мкм) – для H і D ламп) у вигляді регресійних залежностей.

У п`ятому розділі увага акцентується на питанні оптимізації режимних параметрів отримання кольорового покриття УФ-твердіння під різними типами джерел опромінення, вирішення якого базується на використанні методу формування комплексного критерію, методу умовного центра мас та методу Гермейєра.

Кожен із сформованих критеріїв якості дозволяє оцінити покриття з точки зору його захисно-декоративних властивостей. Графічним зобраенням сукупного критерію якості покриття є тримірні графіки за умови фіксування решти параметрів на оптимальному рівні (рис. 9, 10).

Визначені оптимізовані параметри процесу формування покриття: для процесу 1 – твердість покриття – 78.32 МПа, адгезія – 2.81 МПа, вміст вільного стиролу у плівці – 1.54 %, світлостійкість покриття – 92.53 % для вмісту КВП – 1.15 %, дози опромінення – 3.26 Дж/см2, товщини покриття – 130 мкм, коефіцієнта поглинання барвного КВП – 15 %; для процесу 2: твердість покриття – 134.11 с, адгезія – 2.86 МПа, внутрішні напруження – 0.92 МПа для дози опромінення – 2.50 Дж/см2, відсотка металогалогенних ламп в опромінюючому блоці – 69 %, товщини покриття – 100 мкм.

Рис. 9. Сукупний критерій якості покриття W для оптимальних значень товщини покриття 100 мкм та коефіцієнта поглинання – 15 % (лампи типу H) | Рис. 10. Сукупний критерій якості покриття W' для оптимального значення товщини покриття 100 мкм (лампи типу H і D)

Рис. 11. D лампа та рефлектор із дихроїчним покриттям. Енергетичні потоки в УФ- та ІЧ-областях та схема юстування рефлектора

У розділі 6 на підставі проведених експериментальних досліджень запропоновано удосконалити камеру УФ-твердіння шляхом заміни чотирьох модулів, оснащених лампами типу Н, на модулі, оснащені лампами типу D, водночас основні габаритні розміри нових модулів та елементи їх кріплення повністю сумісні з модулями стандартної комплектації камери УФ-твердіння.

Обґрунтована заміна стандартних рефлекторів рефлекторами, виготовленими з температуростійкого боросилікатного скла з дихроїчним покриттям. Підібраний відповідним чином матеріал покриття пропускає ІЧ-випромінювання, відбиваючи водночас випромінювання в УФ-області спектра (рис. ). У нижній частині модуль містить фільтр, який поглинає випро-мінювання в ІЧ-області спектра. Комбінація рефлектора з дихроїчним покриттям та ІЧ-фільтра дає можливість на 30 %. знизити інтенсивність теплового випромінювання, яке потрапляє на покриття.

Таблиця 3

Фізико-механічні показники покриттів

Показники | Концентрація барвного КВП, %

1.5 | 2.0 | 2.5

Адгезія, МПа | 2.81 | 2.80 | 2.82

Еластичність, % | 26 | 28 | 26

Поверхнева твердість, с | 139 | 144 | 140

Внутрішні напруження у покритті МПа (доза опромінення2.5 Дж/см2)

| 1.40

| 1.31

| 1.26

Кожна частина рефлектора має параболічну форму і може обертатися навколо осі, паралельної до осі лампи. Це дає можливість змінювати положення пучка УФ-випромінювання, відбитого рефлектором.

Охолодження модуля здійснюється повітряним потоком, який подається у щілину між двома половинами рефлектора. Повітряний потік розділяється на дві частини: одна частина охолоджує лампу, друга – зовнішню поверхню рефлекторів. Потік виводиться з модуля таким чином, щоб забезпечити охолодження ІЧ-фільтра у нижній частині модуля.

Фізико-механічні властивості покриттів, отриманих на лабораторній експериментальній установці, яка моделює реальну камеру, наведено в табл. 3. Технічна характеристика камери УФ-твердіння, очікувана після її удосконалення, наведена у табл. 4.

На підставі проведених теоретичних та експериментальних досліджень запропоновано технологічні режими та розроблено технологічний процес опорядження виробів з деревини та деревинних матеріалів кольоровими прозорими ПЕ композиціями фотохімічного твердіння.

Таблиця 4

Технічна характеристика удосконаленої камери УФ-твердіння

Відстань від осі лампи до опромінюваної поверхні, мм | 100

Рекомендована швидкість лінії, м/хв. | 6–7 (залежно від розміщення ламп)

Кількість ламп D типу в одному опромінюючому блоці, шт. | 6

Послідовність розташування опроміню-ючих блоків | блок з D лампами, блок з H лампами; співвідношення кількості блоків – відповідно 2:1

Рекомендовані типи ламп | Philips HPA 1200R, HPA 4020R, HPA 5035R, ДРТИ

Проведено випробування розробленого технологічного процесу опорядження деревини та деревинних матеріалів кольоровою поліефірною композицією в умовах виробництва на ВАТ “Ґердан” (м. Львів) й рекомендовано його до впровадження.

ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ

У дисертації дано теоретичне узагальнення і наведено нове вирішення науково-технічної проблеми, що виявляється у створенні розширеної гами кольорових захисно-декоративних покриттів деревини та деревинних матеріалів на основі забарвлених сумішами високодисперсних кремнеземів ПЕ лаків УФ-твердіння. За результатами дослідження процесів формування кольорових покриттів фотохімічного твердіння зроблені наступні висновки та рекомендації:

1. Аналіз науково-технічної літератури засвідчив доцільність застосування на основі нових технологічних рішень високодисперсних барвних кремнеземів для створення екологічно безпечних лакофарбових композицій фотохімічного твердіння із розширеною спектральною та відтінковою кольоровою гамою.

2. На основі теорій теплопровідності та деформування пружних матеріалів розроблено математичну модель прогнозування динаміки зміни та величини термічних внутрішніх напружень у кольорових покриттях УФ-твердіння на деревинній підкладці, яка дає можливість встановити оптимальні значення керованих технологічних параметрів (товщина покриття та потужність УФ-лампи), для яких максимальні напруження, що виникають у покритті в процесі фотохімічного твердіння, не виходять за допустимі межі. Отримані діаграми дають можливість оцінити динаміку зміни та величину термічних напружень у системі для різних потужностей джерела опромінення та товщини покриття.

3. Теоретично доведене покращення фізико-механічних властивостей покриттів, спричинене зменшенням внутрішніх напружень на 40 %, за рахунок збільшення вмісту сумішей барвних КВП у ПЕ лаковій композиції від 1.5 до 2.5 %. Експериментально виміряні деформації як за величиною, так і за характером зміни корелюють із теоретично розрахованими.

4. Експериментально підтверджено необхідність врахування умови п лфм й отримано чисельні значення поверхневого натягу застосованих матеріалів (поліефірних лаків із барвними домішками).

5. Встановлено вплив седиментаційної стійкості на якість покриттів, а саме досліджено, що введення сумішей барвних домішок у склад ПЕ лаків фотохімічного твердіння у кількостях 1.5–2.5 % забезпечує седиментаційну стабільність останніх протягом 30 діб. Визначення цього впливу запропоновано здійснювати за допомогою приладу для опто-електронного дослідження седиментаційної стійкості забарвлених систем, конструкцію якого запропоновано та реалізовано на сучасній мікроелектронній елементній базі. Доведено, що забарвлювання лакових систем не погіршує їх фізико-хімічні властивості (поверхневий натяг п = (45–43)10-3 Н/м, крайовий кут змочування – від 10 до 15), а