Древесина является одним из самых востребованных материалов, использующихся при строительстве домов, внутренней отделке помещений, при изготовлении мебели, а также при производстве товаров народного потребления. Одна из специфических особенностей древесины как строительного и отделочного материала – это ее крайне выраженная подверженность к воздействию влаги [1]: набухание при увлажнении, и усыхание при сушке. Также одним из факторов, влияющих на долговечность и декоративность покрытия из натурального дерева, является разрушающее действие микроорганизмов и насекомых вредителей. Для предохранения древесины от влажности и биологического воздействия широко используются методы ее поверхностной обработки полимерными составами.. Относящиеся к их числу краски, лессирующие добавки, лаки, праймеры придают изделиям из древесины хороший декоративный вид и обеспечивают повышенную защиту изделия от факторов окружающей среды.
Одним из важнейших свойств покрытия являются его влагозащитные свойства. В качестве критериев влагозащитных свойств покрытия обычно используются такие показатели, как коэффициент диффузии влаги и предельное влагосодержание [2, 3].
Целью данной работы является оценка параметров влагопереноса полимерных композитов на основе древесины различных сортов. Были поставлены следующие задачи: рассчитать параметры влагопереноса для образцов древесины без полимерного покрытия; рассчитать параметры влагопереноса для образцов полимерных композитов с различным сочетанием древесины/покрытия; оценить влияние используемого покрытия на параметры влагопереноса.
Модель диффузии влаги
Характеристики влагопереноса в древесине удовлетворительно определяются с использованием второго закона Фика в одномерном приближении с постоянными граничными условиями [4, 5]:
0 < x < l, x > 0;
(1)
где c – концентрация влаги в единице объема образца; t – время; c0 – начальное значение концентрации влаги при t → 0; m0 – значение концентрации влаги на границах образца; x – координата, вдоль которой диффундирует влага; l – характерная толщина образца; D – коэффициент диффузии; M(t) – влагосодержание модельного отрезка длиной L, шириной W и толщиной h в момент времени t.
По результатам измерений массы образцов на стадии предварительной сушки предельная убыль массы и коэффициент диффузии вычислены по соотношениям
(2)
где nk = π(2k + 1); M0 – предельная убыль массы; C0 – начальная убыль массы; dt = Dt/l2 влажностной аналог числа Фурье, где D – коэффициент диффузии, мм2/сут.; t – время увлажнения или сушки, сут; t – время смены вида формулы, составляет около 1 сут; l – длина диффузионного пути, см.
Длина диффузионного пути для образца с номером i вычисляется по формуле:
(3)
где L – длина вдоль основного направления армирования образца, мм; W – ширина образца, мм; h – толщина образца, мм.
Экспериментальная часть
В проведенном исследовании определены параметры влагопереноса древесины следующих сортов: береза, дуб, клен, липа, осина, сосна, ясень. Кроме исходной древесины, в эксперименте использовались полимерные композиты (древесина с нанесенным защитным покрытием). В качестве покрытий были использованы композиции из полиэфирной смолы ПН-609-21М, эпоксидной смолы ЭД-20, ускорителя УНК-2, биоцидной присадки «Тефлекс-Антиплесень», растворителя Бутанол и отвердителей АФ-2, ПЭПА, Бутанокс (табл. 1).
Из пластин исходной и модифицированной полимерами древесины вырезались образцы одинаковой формы в виде квадратных пластин со стороной 50 мм и толщиной 1,5–2 мм. Перед началом сушки было выполнено измерение массы образцов. Затем образцы были помещены в термошкаф с постоянной температурой 60 ± 2°C, где и происходило их высушивание до стабилизации массы. В процессе высушивания периодически измерялись масса и толщина образцов.
Результаты эксперимента
На рис. 1, 2 в качестве примеров представлена кинетика десорбции влаги в композитах на основе березы и сосны с разнообразными полимерными модификаторами. Из полученных результатов видно, что предельная убыль массы достигает значений 4‒7 % в зависимости от использованного покрытия. Для этих систем по формулам (2), (3) рассчитаны значения коэффициента диффузии и предельного влагосодержания (таблица).
Результаты эксперимента показывают:
- Коэффициент диффузии березы в 2–4 раза больше, чем у других пород деревьев.
- Для всех пород деревьев, кроме березы и дуба, полимерные модификаторы увеличивают коэффициент диффузии в среднем в 1,5–2 раза. У древесины дуба коэффициент диффузии увеличивается до 1,5 раз. У березы коэффициент диффузии уменьшается до 50 % от исходного состояния.
- Для всех пород древесины предельное влагосодержание уменьшается в присутствии покрытия до 50–70 % от исходного. У сосны уменьшение предельного влагосодержания достигает 44 %.
- Наилучшая защита по предельному влагосодержанию для всех пород деревьев – смола ЭД-20 с отвердителем АФ-2. Для этого же покрытия меньше всего меняется коэффициент диффузии.
- Дополнительная проверка показателей влагопереноса для образцов древесины дуба с использованием компонентов ЭД-20 + АФ-2 + Бутанол и ПН-609-21М + УНК-2+Бутанокс не привели к заметному изменению М0 и D.
Рис. 1. Кинетика десорбции влаги в композитах на основе березы с различными полимерными модификаторами: 1 ‒ древесина без обработки; 2 ‒ ЭД-20+ПЭПА+Тефлекс Антиплесень; 3 ‒ ЭД-20+АФ-2; 4 – ЭД-20+ПЭПА. Точки – экспериментальные значения, линии – аппроксимация по модели (1)
Рис. 2. Кинетика десорбции влаги в композитах на основе сосны с различными полимерными модификаторами: 1 ‒ древесина без обработки; 2 ‒ ЭД-20+ПЭПА; 3 ‒ ЭД-20+ПЭПА+Тефлекс Антиплесень; 4 – ЭД-20+АФ-2. Точки – экспериментальные значения, линии – аппроксимация по модели (1)
Заключение
В работе определены характеристики влагопереноса полимерных композитов на основе древесины с разными покрытиями на стадии предварительной сушки. Результаты эксперимента показывают, что предельное влагосодержание уменьшается в присутствии покрытия. Наилучшим защитным покрытием из всех использованных вариантов является смола ЭД-20 с отвердителем АФ-2. Установлено, что для всех пород деревьев, кроме березы и дуба, покрытия увеличивают коэффициент диффузии в 1,5-2 раза, что не является существенным эффектом.
На последующем этапе исследований после проведенной стадии предварительной сушки будет выполнен полный цикл «увлажнение-сушка», благодаря которому будут уточнены полученные показатели влагопереноса с учетом пластификации и структурной релаксации древесины. Окончательные выводы о влиянии модифицирующих полимерных добавок на влагоперенос в древесине будут сделаны после аналогичных экспериментов с образцами, экспонированными в открытых климатических условиях в течение года.
Значения коэффициента диффузии и предельного влагосодержания, рассчитанные по формулам (2), (3)
|
Значение |
Древесина |
Без обработки |
ЭД-20 + АФ-2 |
ЭД-20+ ПЭПА |
ЭД-20 + ПЭПА + Тефлекс |
ЭД-20 + АФ2 + Бутанол |
ПН-609-21М + УНК-2 + Бутанокс |
|
Коэффициент диффузии D, мм2/сут |
Береза |
9,3 |
4,2 |
4,4 |
5,2 |
||
|
Дуб |
2,3 |
2,8 |
3,1 |
2,9 |
2,3 |
2,2 |
|
|
Клен |
2,0 |
3,4 |
3,1 |
3,9 |
|||
|
Липа |
1,9 |
3,5 |
4,4 |
3,2 |
|||
|
Осина |
1,8 |
3,4 |
4,0 |
4,5 |
|||
|
Сосна |
1,9 |
3,4 |
3,8 |
4,1 |
|||
|
Ясень |
1,8 |
3,1 |
3,1 |
3,4 |
|||
|
Предельное влагосодержание M0, % |
Береза |
6,3 |
4,6 |
4,4 |
5,6 |
||
|
Дуб |
7,0 |
4,5 |
4,5 |
5,5 |
6,1 |
6,1 |
|
|
Клен |
6,2 |
4,3 |
4,4 |
5,5 |
|||
|
Липа |
6,3 |
3,7 |
3,7 |
4,7 |
|||
|
Осина |
5,1 |
3,6 |
3,6 |
4,3 |
|||
|
Сосна |
7,2 |
3,4 |
4,5 |
4,3 |
|||
|
Ясень |
6,7 |
4,4 |
5,0 |
5,5 |
Работа выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 13-08-12097 «Исследование механизмов климатического старения и биодеструкции полимерных композитов на основе древесины методами динамической механической спектрометрии».
Рецензенты:
Гагарин В.Г., д.т.н., профессор, член-корреспондент РААСН, заведующий лабораторией строительной теплофизики НИИ строительной физики РААСН, г. Москва;
Римшин В.И., д.т.н., профессор, член-корреспондент РААСН, директор Института жилищно-коммунального комплекса, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», г. Москва.
Работа поступила в редакцию 01.04.2014.