Химия и технология лакокрасочных покрытий

ЗАЩИТА ДРЕВЕСИНЫ ЛАКОКРАСОЧНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

Для окрасочных работ по древесине в нашей стране использует­ся до 15 % лакокрасочных материалов промышленного и 50 % ма­териалов бытового назначения. Получают прозрачные (лаковые) и непрозрачные (кроющие) покрытия.

Лакокрасочные материалы применяют:

- для наружного окрашивания строительных деревянных кон­струкций;

- для лакирования и окрашивания мебели;

- для лакирования паркета и окрашивания дощатых полов;

- специального (целевого) использования.

Объем их потребления по этим группам в Европе в 2003 году составил соответственно 28, 56, 15 и 1,0%. В России наибольшее потребление лакокрасочных материалов также приходится на ме­бельное производство (около 50 %). Окрасочные работы выполня­ются в соответствии с ГОСТ 20022-80 "Защита древесины".

Окрашивание наружных конструкций. Для наружной отделки строительных конструкций (фасадов деревянных домов, заборов, оконных переплетов и др.) применяют преимущественно пигмен­тированные составы - краски, эмали, мастики. Не исключается применение лаков, однако непигментированные покрытия по ат- мосферостойкости значительно уступают пигментированным. До­пускается к окрашиванию древесина с влажностью не более 20 %.

К покрытиям предъявляются следующие требования. Они долж­ны обеспечивать хорошую химическую и биологическую защиту, максимально отражать УФ-излучение, быть проницаемыми для водяных паров и одновременно слабо пропускать капельную влагу. Как правило, более долговечны эластичные (ненапряженные) по­крытия, длительно сохраняющие эти свойства в процессе эксплуа­тации.

Долгое время в нашей стране для защиты древесины в атмо­сферных условиях применяли алкидные эмали и масляные краски (ПФ-115, МА-15), а также олифы в качестве грунтовочного материа­ла. Многолетний опыт использования таких покрытий показал их крайне низкое качество; срок эксплуатации, особенно в местах по­вышенной солнечной радиации, не превышает 2-3 лет. Причина - быстрое старение и, как результат, высокая твердость, хрупкость и низкая паропроницаемость покрытий.

Современные материалы лишены указанных недостатков. При­меняют как органорастворимые, так и водоразбавляемые материалы. Пленкообразователями в органорастворимых материалах служат жирные алкиды, полиуретаны, полиакрилаты, полистирол. Другие компоненты, обычно присутствующие в составах: пигменты, гидро - фобизаторы, тиксотропирующие добавки, светостабилизаторы, рас­творители, - выполняют функции обычных лакокрасочных мате­риалов.

Наиболее важный компонент составов - биоцидная добавка. К биоцидным средствам предъявляются следующие требования: со­вместимость с компонентами состава, нерастворимость в воде, неле­тучесть, светостойкость, низкая токсичность, отсутствие запаха. Наи­большее применение в качестве биоцидов получили "Цимид" (№- циклогексилимид), средство "Биокор", "Нистатин", "Фосфопаг" (фос­фат полигексаметиленгуанидина), метаборат бария, "Агидол" (наф - тенат цинка). Пригодны также многие другие ранее описанные веще­ства, используемые при антисептировании древесины.

Отличительная особенность органорастворимых составов - низ­кое (не более 10 %) содержание пленкообразователей и, соответствен­но, вязкость, высокая степень диспергирования пигментов. При окра­шивании они не образуют сплошной поверхностной пленки, а прак­тически полностью впитываются в поры и капилляры древесины, придавая ей требуемый вид при сохранении высокой проницаемости.

Примером таких составов могут служить лакокрасочные мате­риалы "Пинотекс", "Биотекс", "Биокрон", ПФ-11 - на алкидных плен - кообразователях, "Пигматекс" - на полистироле. На их основе можно получать покрытия цветные (окрашенные в разные цвета), лесси­рующие (полупрозрачные) и лаковые (прозрачные). Несмотря на достаточно хорошую защитную способность покрытий (3-5 лет) эти материалы имеют существенный недостаток - большое содержание (до 70-80 % масс.) растворителей (уайт-спирит, ксилол и др.).

Этого недостатка лишены водоразбавляемые лакокрасочные ма­териалы, которые завоевывают все большее признание при защите древесины в атмосферных условиях. Наибольшее применение полу­чили пигментированные полиакрилатные дисперсии (в основном на сополимерах н-бутил - или н-гексилакрилата с метил метакрилатом), алкидные дисперсии, смеси тех и других, а также дисперсии полиуре­танов. Покрытия из водных дисперсий имеют в 1,5-2 раза большую паропроницаемость, чем алкидные, что позволяет их наносить более толстыми слоями. При эксплуатации они незначительно изменяют Гс, что делает их более стойкими к растрескиванию.

Для обеспечения биостойкости древесины воднодисперсионные составы обычно наносят по слою впитываемой алкидной или масля­ной грунтовки, содержащей биоцидную добавку.

Имеется несколько вариантов получения непрозрачных (крою­щих) покрытий:

I - грунтовка алкидная (1 слой) + краска полиакрилатная водо­разбавляемая (2 слоя);

II - грунтовка алкидная (1 слой) + краска алкидно-полиакри - латная водоразбавляемая (2‘слоя);

III - грунтовка алкидная (2 слоя) + краска полиакрилатная водо­разбавляемая (2-3 слоя).

Ориентировочный срок эксплуатации покрытий по первым двум вариантам - 5 лет, по третьему - 7-10 лет.

Лакокрасочные материалы наносят на свежестроганную, очи­щенную от загрязнений (лучше циклеванную или шлифованную) поверхность при температуре не ниже 5 °С Пораженную плесенью, грибками и синевой поверхность предварительно обрабатывают моющим составом, например раствором гипохлорида натрия. Тор­цевые поверхности защищают мастиками или шпатлевками - эпок­сидной, тиоколовой, алкидной.

Способы нанесения жидких материалов - пневматическое рас­пыление, валиками, кистью. Последний способ более предпочтите­лен для нанесения первого слоя покрытия. Каждый слой наносят на предварительно высушенный (отвержденный) предыдущий.

Лакирование и окрашивание мебели. Отделка мебельных изде­лий предъявляет повышенные требования к качеству покрытий, осо­бенно с точки зрения эстетики и внешнего вида. Не менее важное значение имеют и технические показатели покрытий: твердость, ус­тойчивость к механическим воздействиям, химическая и теплостой­кость, легкость реставрации.

Наибольшее применение имеют Прозрачные покрытия, получае­мые при так называемой столярной отделке (лакирование и полиро­вание); они не закрывают, а наоборот, подчеркивают текстуру древе­сины. Такие покрытия применяются в основном для отделки ценных пород (красное дерево, орех, клен, ясень, палисандр, карельская бере­за, бук, дуб и др.), служащих для изготовления домашней и офисной мебели, струнных и клавишных музыкальных инструментов, футля­ров часов, а также некоторых строительных изделий. По внешнему виду прозрачные покрытия подразделяют на три категории. Наибо­лее высокой - I категории соответствует, например, отделка гарни­турной мебели, изготовленной из ценных древесных пород.

Непрозрачные (кроющие) покрытия применяют для отделки из­делий из хвойных или недорогих лиственных пород, древесина ко­торых не имеет красивого рисунка. Это школьная, кухонная, боль­ничная и садовая мебель, деревянные части сельскохозяйственных машин, вагонов, строительные и другие изделия. Кроющие покры­тия могут быть высококачественными (отделка роялей, деревянных панно) и рядовыми, выполняющими лишь защитные функции.

Как и в случае металлов, основными операциями при отделке мебели являются подготовка поверхности и собственно окрашива­ние - лакирование, полирование.

Различают столярную и отделочную подготовку древесины. За­дачей столярной подготовки является устранение пороков древесины, обеспечение ровной и гладкой поверхности. Предусмат­риваются заделка сучков, трещин и других дефектов, циклевание,

Шлифование, проклейка торцов. При отделке мебели эти операции проводятся в станочном и сборочном отделениях цеха. В случае ря­довой окраски столярная подготовка может быть упрощена или ис­ключена совсем.

Отделочная подготовка предшествует непосредственно окрашиванию и лакированию. Для прозрачных покрытий она вклю­чает следующие операции: обессмоливание (для хвойных пород), отбеливание, удаление ворса, крашение, грунтование. При укрыви - стой отделке обычно ограничиваются обессмоливанием и грунтова­нием поверхности.

Крашение древесины проводят с целью имитации цен­ных пород, затемнения, усиления или выравнивания тона. Приме­няют в основном поверхностное крашение (глубина не более 0,2 мм) водными растворами органических красителей или протрав (мо­рилок).

Грунтование и порозаполнение - операции по нане­сению соответствующих составов - грунтовок и порозаполнителей. Столярные грунтовки используются в основном при отделке древе­сины мелкопористых пород, порозаполнители - крупнопористых. Первые, как правило, не содержат минеральных наполнителей; они представляют собой растворы или эмульсии пленкообразователей. При их нанесении увеличивается поверхностная твердость древеси­ны, повышается адгезия покрытий. Порозаполнители выполняют в основном те же функции, что и грунтовки, но в отличие от них со­держат значительное количество лессирующего наполнителя (тяже­лый шпат, каолин, мел, тальк, измельченная пемза и др.), который способствует лучшему заполнению пор, не закрывая и не вуалируя при этом текстуру древесины. Применяют грунтовки и порозапол­нители на разных пленкообразователях: нитратцеллюлозные, карба - мидные, казеиновые и др.

Подготовленная поверхность служит основой для нанесения верхних прозрачных и непрозрачных покрытий.

Получение прозрачных покрытий. Из прозрачных покрытий наибольшее применение имеют полиэфирные, полиуретановые, нит­ратцеллюлозные, в меньшей степени мочевиноформальделидные и алкидные.

Полиэфирные покрытия особенно хорошо зарекомендовали себя при отделке мебели благодаря комплексу ценных свойств: высокая твердость, свето-, водо - и теплостойкость, стойкость к истиранию, хороший устойчивый блеск. Широкому их применению способство­вала также разработка эффективных способов отверждения - УФ и электронного.

Для получения покрытий применяют в основном жидкие безрас- творительные лаки на основе ненасыщенных полиэфиров (поли - эфирмалеинатов, полиэфиракрилатов, эпоксиакрилатов, полиуретан - акрилатов, силиконакрилатов) теплового и УФ-отверждения. В каче­стве активных растворителей (сомономеров) в них служат стирол и различные полифункциональные эфиры акриловой кислоты. Лаки содержат инициатор и ускоритель полимеризации, а также необхо­димые целевые добавки - матирующий агент, смолы-модификаторы и др. Лаки естественного отверждения - двухупаковочные, УФ - и электронного отверждения - одноупаковочные.

Полиэфирные лаки (ПЭ-246 и др.) наносят на поверхность спо­собами налива и распыления. Хорошо очищенную и отшлифован­ную поверхность древесины обычно не грунтуют. Лаки наносят тол­стыми слоями в два приема с интервалом во времени, определяемым продолжительностью желатинизации лака. Отверждение покрытий проводят в естественных условиях в течение 3-18 ч, при нагревании (температура 60-80 °С, продолжительность 1,5-3 ч) или при воздей­ствии УФ-лучей и ускоренных электронов (время отверждения 0,5-

5 мин). Получаемые при этом относительно толстые покрытия (300- 600 мкм) шлифуют на ленточных станках сначала крупной, затем более тонкой (микронной) шкуркой, после чего полируют пастами на барабанных или других станках.

Отделанные полиэфирными лаками мебель, пианино, корпуса телевизоров и другие изделия выглядят изящно и красиво. Недостат­ками этих покрытий являются повышенная хрупкость, возможность скалывания при ударе и растрескивания на морозе из-за высоких внутренних напряжений.

Покрытия, получаемые УФ-отверждением порошковых лаков (см. раздел 8.4), наносят более тонкими слоями. Их не шлифуют. По своим показателям они нередко превосходят покрытия из жидких лаков.

Полиуретановые покрытия в мебельном производстве большин­ства стран занимают лидирующее положение. Это связано с их осо­быми свойствами: стойкостью к истиранию, химической и морозо­стойкостью, длительным сроком службы. Полиуретановые покры­тия не вуалируют текстуру древесины, пригодны для защиты как мелкопористых, так и крупнопористых пород.

Традиционно для получения покрытий используют двухупако­вочные мебельные лаки на основе гидроксилсодержащих полиэфи­ров и полиакрилатов. Отвердителями служат полиизоцианаты - ди­меры, тримеры, их аддукты со спиртами, полиизоцианатбиуреты, а растворителями - как правило, смеси эфиров уксусной кислоты (аце­таты) с ароматическими углеводородами. Для ускорения процесса отверждения применяют катализаторы - оловоорганические соеди­нения, третичные амины. Примером таких составов для получения глянцевых и матовых покрытий могут служить мебельные лаки УР - 19, УР-277, УР-277М, УР-293, "Эстераль" и др. Их наносят на подго­товленную поверхность мебельных изделий способом налива или распылением. Жизнеспособность лака УР-277 после смешения ком­понентов 8 ч, продолжительность отверждения при комнатной тем­пературе 1,5 ч, при 60 °С - 40-50 мин.

Новым достижением в области полиуретановых покрытий явля­ется разработка водных дисперсий полиуретанов с содержанием рас­творителей не более 10 %. Сначала путем диспергирования полиуре­танового преполимера (продукта взаимодействия диизоцианата с многоатомными спиртами) в воде в присутствии диаминов получа­ют водную дисперсию полиуретана. Далее в полученной дисперсии полимеризуют акриловый мономер. Образуются привитые сополиме­ры - гибриды, в которых цепи полиуретана и полиакрилата присутст­вуют в одной полимерной молекуле и частице (частицы до 100 нм).

Для получения прозрачных покрытий дисперсию наносят на по­верхность изделия, высушивают от воды и отверждают нагреванием в присутствии катализатора полимеризации. По другому варианту в дисперсию перед нанесением вводят фотоинициатор и после удале­ния воды проводят фотоотверждение при 100 °С в течение 20 мин. Получают покрытия толщиной 20-25 мкм, пригодные для эксплуа­тации.

Нитратцеллюлозные покрытия. Совсем недавно нитратцеллю - лозные покрытия были самым распространенным видом покрытий по древесине. С появлением полиэфирных и полиуретановых лаков их потребление заметно снизилось. Тем не менее они еще в доста­точно большом количестве применяются не только в России, но и во многих европейских странах.

Мебельные нитратцеллюлозные лаки представляют собой рас­творы низковязкого нитрата целлюлозы в летучих растворителях с добавлением олигомерных пленкообразователей (алкидных, моче - виноформальдегидных, эфиров и аддуктов канифоли и др.). Про­мышленностью выпускаются мебельные нитратцеллюлозные лаки холодного и горячего нанесения (НЦ-218, НЦ-241М, НЦ-243, НЦ - 251, НЦ-2105 и многие другие). Их наносят на поверхность распыле­нием, реже окунанием, наливом, с помощью ручного инструмента.

Пользуясь нитратцеллюлозными лаками, можно получать покры­тия любой категории, включая первую. Технологический процесс от­делки щитовой мебели по I категории состоит из следующих опера­ций: подготовка поверхности, в том числе грунтование или пороза - полнение, четырехкратное лакирование нитратцеллюлозным лаком (НЦ-218, НЦ-243 или др.) с промежуточной сушкой каждого слоя при 45-50 °С в течение 15-35 мин и окончательная сушка при 50-60 °С в течение 55 мин, мокрое шлифование и полирование. Нередко преду­сматривают промежуточное шлифование, например после нанесения первого или второго слоя лака. Высокоглянцевая полированная по­верхность может быть получена не только действием абразивных ма­териалов, но и обработкой покрытия разравнивающими жидкостями, представляющими собой смеси растворителей разной степени актив­ности (иногда с добавлением 1-3 % пленкообразователей).

Правильно изготовленные нитратцеллюлозные покрытия имеют красивый внешний вид, устойчивый блеск; они тверды и достаточно водостойки, но горючи и неатмосферостойки. Наиболее существен­ные недостатки отделки нитратцеллюлозными лаками - высокий расход растворителей (сухой остаток готовых к применению лаков холодного нанесения не превышает 25 %), необходимость нанесения большого числа слоев лака, повышенная пожаро - и взрывоопасность производства.

Прочие виды покрытий. Для лакирования мебели невысокой ка­тегории отделки (И-Ш) могут быть использованы и другие лаки: мо - чевиноформальдегидные (МЧ-52, 59-3-94 и др.), алкидные (ПФ-231), алкидностирольные (МС-25), алкидноуретановые ("Эстераль"). Они образуют водостойкие покрытия с хорошими механическими свой­ствами. Некоторые из них (ПФ-231, МС-25) допускают шлифование и полирование, чем достигается повышение категории отделки. Не­достаток всех указанных материалов - повышенное содержание рас­творителей (50 % и более) и относительно длительное отверждение в естественных условиях - от 4 до 24 ч (кроме лака "Эстераль" -1ч).

Получение непрозрачных покрытий. Высокодекоративные пиг­ментированные покрытия на мебельных изделиях получают в ос­новном с применением полиэфирных (ПЭ-225, ПЭ-276), полиурета­новых и нитратцеллюлозных (НЦ-11 и др.) эмалей. Технологический процесс отделки кухонной мебели белой полиэфирной эмалью ПЭ-225 по I категории отделки включает следующие операции:

1) зачистка поверхности шлифованием;

2) выравнивание поверхности шпатлеванием (шпатлевка ПЭ-0024 или ПЭ-0025) с последующим отверждением и шлифованием по­крытия;

3) нанесение двух слоев эмали с промежуточной выдержкой 20- 30 мин при комнатной температуре и окончательным отверждением покрытия при 60-70 °С в течение 2-3 ч;

4) шлифование и полирование покрытия абразивными материа­лами и пастами;

5) глянцевание покрытия (удаление следов пасты с помощью воскового состава).

При отделке нитратцеллюлозньши эмалями на предварительно подготовленную, загрунтованную и выровненную нитратцеллюлоз - ной шпатлевкой поверхность наносят 3-6 слоев эмали. При необхо­димости предусматривают промежуточное (межслойное) и оконча­тельное шлифование и полирование поверхности до получения зер­кального блеска.

За рубежом для окрашивания кухонной мебели также достаточ­но широко применяют карбамидоформальдегидные эмали кислот­ного отверждения и полиуретановые изоцианатного отверждения; те и другие двухупаковочные, органорастворимые.

Окрашивание деревянных полов и паркета. К покрытиям для защиты указанных объектов предъявляются примерно одинаково высокие требования: устойчивость к истиранию, водостойкость, стойкость к моющим средствам, красивый внешний вид.

Для окрашивания паркета служат лаки, для дощатых полов - краски и эмали, т. е. пигментированные составы. И в том, и в другом случае преобладают органорастворимые составы, однако общая тен­денция их развития идет в направлении водоразбавляемых.

Для защиты паркета все еще достаточно широко используют ла­ки - алкидные (ПФ), алкидноуретановые (АУ), эпоксиэфирные (ЭФ), мочевиноформальдегидные (МЧ), полиуретановые (ПУ).

Первые три типа лаков привлекают внимание удобством приме­нения: они одноупаковочные, легко наносятся, отверждаются с уча­стием кислорода воздуха. По устойчивости к истиранию получаемые покрытия располагаются в следующий ряд: АУ > ЭФ > ПФ. Недоста­ток лаков - длительное отверждение, твердость покрытий нарастает во времени.

Лаки МЧ и ПУ - двухупаковочные, с ограниченным сроком жиз­ни после смешения компонентов. Они в более короткое время фор­мируют твердые, эксплуатационно-способные покрытия, но более тре­бовательны при проведении окрасочных работ. Мочевиноформальде­гидные лаки неудобны еще и тем, что процесс отверждения покрытий сопровождается выделением формальдегида. Это вынуждает прово­дить окрасочные работы при хорошей вентиляции помещений или в противогазе. Покрытия из лаков МЧ и ПУ водостойки, тепло - и мо­розостойки, устойчивы к истиранию и абразивному износу.

Новое поколение паркетных лаков - составы, не содержащие ор­ганических растворителей: воднодисперсионные, жидкие со 100 %-м сухим остатком и порошковые УФ-отверждения. Воднодисперсион­ные лаки "Аква-Паркет", "Аква-Лак", "Балет-Плюс" и др. для глянце­вых, матовых и полуматовых покрытий широко производятся оте­чественными предприятиями. Их применение, однако, требует более тщательной подготовки поверхности (грунтования) и большего чис­ла наносимых слоев (из-за повышенного впитывания) по сравнению с лаками на органических растворителях.

Для отделки дощатых полов преимущественно служат эмали ал - кидно-уретановые, алкидные (ПФ-266), эпоксидные (ЭГ1-1255).