Физико-химические основы процессов отделки методические указания по изучению курса и выполнению контрольной работы для студентов направления подготовки 35.03.02
.pdfМинистерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени С. М. Кирова»
Кафедра технологии и оборудования деревообрабатывающих производств
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ОТДЕЛКИ
Методические указания по изучению курса и выполнению контрольной работы
для студентов направления подготовки 35.03.02
Санкт-Петербург
2018
Рассмотрены и рекомендованы к изданию Институтом ландшафтной архитектуры, строительства и обработки древесины
Санкт-Петербургскогогосударственноголесотехническогоуниверситета 26 февраля 2018 г.
Составители:
доктор технических наук, профессор Ю. И. Цой, старший преподаватель И. В. Коваленко
Отв. редактор кандидат технических наук, доцент Ф. С. Стовпюк
Рецензент
кафедра технологии и оборудования деревообрабатывающих производств СПбГЛТУ
Физико-химические основы процессов отделки: методические указания по изучению курса и выполнению контрольной работы для студентов направления подготовки 35.03.02 / сост.: Ю. И. Цой, И. В. Коваленко. – СПб.: СПбГЛТУ, 2018. – 20 с.
В методических указаниях приведены задания на контрольную работу и указания по ее выполнению для студентов направления подготовки35.03.02заочногоотделения.Развитиедеревообрабатывающей и мебельной промышленности предполагает совершенствование техникиитехнологииотделкидревесинысиспользованиемсовременных прогрессивных лакокрасочных материалов. В связи с этим, важным являетсязнаниеразличныхфизико-химическихпроцессов,имеющих место при защитно-декоративной отделке изделий из древесины.
Темплан 2018 г. Изд. № 109.
ВВЕДЕНИЕ
Повышение потребительских свойств и эстетического уровня различныхизделийиздревесины,расширениеихассортиментаневозможнобезтехническогоперевооруженияпредприятийнаосновевнедрения передовых технологий, применения высокопроизводительного обо рудования, эффективных современных полимерных материалов.
Отделка мебели является одним из решающих факторов, определяющих качество изделий, и поэтому ей уделяется особое внимание.
Внастоящее время для отделки мебели широко применяются различные отделочные материалы, как традиционные, так и новые полимерные лакокрасочные и пленочные материалы, обеспечивающие высокие эксплуатационные и декоративные свойства покрытий.
Повышениекачествалакокрасочныхпокрытийдостигаетсянетолько применением новых лакокрасочных материалов с улучшенными свойствами, повышением качества исходных лакокрасочных составов путем их модификации, но и разработкой прогрессивных принципов получениялакокрасочныхпокрытийсучетоммалостадийности,высокой производительности процессов отделки, экономии лакокрасочных материалов.
Реализация всех этих задач требует значительных сдвигов не только
вдеятельности предприятий, технике и технологии деревообра батывающего производства, но и широкого внедрения инженерного инаучногоподходакрешениюзадачсовременногопроизводства,базирующихся на фундаментальных физико-химических законах, характеризующих процесс защитно-декоративной отделки древесины.
Всвязи с этим можно сказать, что совершенствование и разработка новыхтехнологическихпроцессоввдеревообрабатывающейимебельной промышленности требует физических и химических знаний как об исходных материалах, используемых для их производства, так и о различных процессах, имеющих место при их изготовлении.
Все это требует подготовки высококвалифицированных специа листов, обладающих глубокими профессиональными знаниями в области физико-химии древесины, химии высокомолекулярных соединений, термодинамики, молекулярной физики, древесиноведения и т. д.
3
Цель преподавания дисциплины «Физико-химические основы процессов отделки» – дать студенту необходимые знания по анатомии древесины различных пород, физико-химическим явлениям и процессам, протекающих при защитно-декоративной отделке древесины и древесных материалов.
Настоящиеметодическиеуказаниянаписаныдляоказанияпомощи студентам заочного отделения направления подготовки 35.03.02, самостоятельно изучающим материал и выполняющим контрольную работу по дисциплине «Физико-химические основы процессов отделки».
ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ
Дисциплина«Физико-химическиеосновыпроцессовотделки»изуча- ется студентами 4-го и 5-го курса дневного и заочного обучения по направлению подготовки 35.03.02 Института ландшафтной архитектуры, строительства и обработки древесины.
Материал курса студенты-заочники изучают самостоятельно, пользуясьрекомендованнойвнастоящихметодическихуказанияхлитературой и в соответствии с утвержденной программой.
Самостоятельная проработка включает в себя следующие этапы:
•изучение теоретического раздела;
•выполнение контрольной работы.
Теоретический раздел изучается на основе настоящих методических указаний по отдельным его темам.
Успешному усвоению материала помогает ведение конспекта, содержащеготекстовойматериал,схемы,рисункиит.д.Конспектследует составлять достаточно полно и компактно, целесообразно освещать основные положения изучаемой темы в удобной для использования форме.
Впроцессе самостоятельного изучения курса у студента могут возникнуть затруднения по каким-либо вопросам программы, в таких случаяхследуетобращатьсяписьменноилиполучитьустнуюконсультацию на кафедре технологии и оборудования деревообрабатывающих производств.
Впериод сессии студенты слушают лекции по отдельным, наиболее трудным для усвоения темам.
Параллельно выполняют практические и лабораторные работы. Довыходанаочнуюсессиюстудентдолженвыполнитьконтрольную
работу.Выборвариантовконтрольнойработыосуществляетсясогласно табл. 1. Выполненную контрольную работу студент оформляет
вустановленном порядке и высылает на рецензирование в вуз до
4
начала очной сессии. В случае отрицательной рецензии работа возвращаетсядляисправления.Кэкзаменамдопускаютсялишьтестуденты, которые имеют зачтенную контрольную работу и зачет по лабораторным работам.
В результате изучения дисциплины студент должен знать:
• основные физико-химические свойства исходных материалов иметь представление о диапазоне их изменения в зависимости от влияющих факторов;
•фундаментальные законы основных физико-химических процес- сов,имеющихместопризащитно-декоративнойотделкеразличных изделий из древесины;
•методики обоснования параметров режимов отделки древесины, зависящих от физико-химического состояния исходных материалов и условий их формирования.
Для успешного освоения данной дисциплины студенту необходимы знаниявобластидревесиноведения,высокомолекулярныхсоединений, молекулярной физики и термодинамики, высшей математики.
УКАЗАНИЯ ПО ТЕМАМ КУРСА
Тема 1. Введение. Предмет дисциплины, ее содержание и связи
со смежными курсами.
Изучениекурсастудентуследуетначатьсознакомствассовременным уровнем научных и технологических достижений в области физико-хи- мических процессов деревообработки.
Тема 2. Древесина как объект защитно-декоративной отделки.
Изучениеэтойтемырекомендуетсяначатьсознакомлениясфизикохимическим составом и строением древесины. Уяснить существенные различияхвойныхилиственныхпороддревесины,влияющие натехнологию их отделки. Древесина – это природный высокополимер.
Следует изучить анатомическое строение целлюлозных фибрилл, виды сил межмолекулярного взаимодействия, имеющих место между макромолекулами целлюлозы. Ознакомиться с физико-механическими и физико-химическими свойствами древесины и с их влиянием на ее защитно-декоративную отделку.
Литература: [1–3].
Тема 3. Адгезивы и их свойства.
Приизученииэтойтемыстудентуследуетознакомитьсясосновными видамиадгезивов,применяемыхдляотделкидревесины,ихназначением и основными требованиями , предъявляемыми к ним. Рассмотреть
5
иуяснить физико-химическую природу адгезивов, применяемых для защитно-декоративной отделки древесины.
Необходимо также изучить физико-химические свойства лаков
икрасок; особенности их применения при отделке древесины. Студенту следует обратить внимание на механизм отверждения адгезивов; стадии отверждения; знать, что описывают кривые Шайбера.
Студенту следует знать, что получение лакокрасочных покрытий представляетсобойсложныйфизико-химическийкомплекстехнологи- ческих операций, включающий такие стадии, как нанесение лакокрасочныхматериаловнаповерхностьподложки,растеканиелакокрасочных материалов по поверхности и установление прочного адгезионного контакта между субстратом и адгезивом, отверждение покрытия в ре- зультатефизико-химическихпревращений(дляпревращаемыхматери- алов),полногоиспарениярастворителей(длянепревращаемыхматериалов), охлаждения расплавов (для порошковых термопластов).
На всех стадиях формирования защитно-декоративного покрытия протекаютфизическиепроцессы,изменяющиеформуипространственное расположение цепей макромолекул, т. е. происходит образование надмолекулярныхструктурразличнойстепениупорядоченности.Химическиепревращенияхарактернытолькодлятехлакокрасочныхматериалов,вкоторыхмакромолекулыадгезиваобладаютбольшимколичеством функциональных реакционноспособных групп и связей.
Надотакжезнать,чтовпроцессестарениялакокрасочныхпокрытий химическим изменениям (окислению и деструкции) подвержены все виды пленкообразователей. Следует также иметь в виду, что на первой
ивторойстадияхформированиялакокрасочногопокрытияадгезивдолженобладатьопределеннойподвижностью,т.е.студентуследуетобратить вниманиенавопросырастеканияисмачиванияадгезивомповерхности подложки. Для получения необходимых декоративных и защитных свойств покрытия требуется физико-химическое взаимодействие жидкого адгезива с поверхностью субстрата.
Скорость достижения необходимого контакта зависит от характера поверхностиисвойствконтактирующихматериалов.Так,волнообразный рельеф поверхности существенно увеличивает площадь контакта, что приводиткобразованиюболеепрочногоадгезионногосцеплениялакокрасочного материала с твердой подложкой, т. е. студенту необходимо уделитьвниманиенаособенностирастеканияисмачиванияадгезивапо шероховатой поверхности.
Кроме этого, на растекание и смачивающую способность лакокрасочных материалов оказывает влияние не только характер поверхности
6
подложки, но и такие технологические факторы, как вязкость лакокрасочныхматериалов,егоструктурныесвойства(тиксотропия),жизнеспособность адгезива и др.
Всеэтифакторывомногомзависятотвидаиналичиярастворителей, специальныхдобавок,поверхностно-активныхвеществ(ПАВ),поэтому студентуследуеттщательноизучитьэтивопросысточкизренияфизикохимии.
Далее следует изучить вопросы модификации лакокрасочных материалов: способы модификации и виды модификаторов. Затем следует познакомиться с основными требованиями к лакокрасочным материалам.Знатьосновныекомпонентылаковикрасок,ихназначение.Уяснить природупленкообразователей,изучитьихосновныефизико-химические свойства; способы их регулирования.
Литература: [4;5].
Тема 4. Теоретические основы адгезии
Рассматриватьтеоретическиеосновыадгезиистудентуследуетначать с ознакомления с понятиями – что такое адгезия, когезия, аутогезия. Ознакомиться с основными видами межмолекулярных сил взаимодействия, возникающих в системе адгезив–субстрат. Далее необходимо перейти к оценке поверхностной энергии древесины, лакокрасочных материалов,рассмотретьфакторы,влияющиенаповерхностнуюактивность как адгезива, так и субстрата.
Следует также знать, что такое адсорбция, абсорбция, смачивание, критическоеповерхностноенатяжение,методЦисмана,работаадгезии, особенностисмачиванияирастеканияадгезивапошероховатойповерхности.
Наосновеполученныхзнанийстудентдолженприступитькизучению современных теорий адгезии: механическая, молекулярно-ад сорбционная, диффузионная, электрическая, химическая, электрорелаксационная. Ознакомиться с их достоинствами и недостатками.
Литература: [6–12].
Тема 5. Тепло- и массоперенос, имеющий место при защитно-деко-
ративной отделке древесины и древесных материалов.
Изучениеэтойтемыстудентуследуетначатьсознакомлениясосновнымипонятиямииопределениямимолекулярнойфизикиитермодинамики.
Рассмотрение вопросов тепло- и массопереноса целесообразно начинатьснанесенияадгезиванасубстрат,затемрастеканияисмачивания лакокрасочнымматериаломпоповерхностиподложки,проникновения адгезива в поры и каналы субстрата.
7
Необходимо разобраться в существенных отличиях переноса тепла
имассы в капиллярно-пористых телах. Затем следует приступить к изучению физико-химических аспектов кинетики сушки лакокрасочных материаловдляокончательногоформированиизащитно-декоративных покрытий.
Необходимо рассмотреть основные способы сушки лакокрасочных покрытий: конвективная сушка, сушка инфракрасными лучами, УФ-сушка,импульсно-лучеваясушка,сушкаэнергиейбыстрыхэлектро- нов. Следует познакомиться с их основными особенностями, достоинствами и недостатками.
Такженеобходиморассмотретьматематическоеописаниепроцессов тепло- и массопереноса. Знать,что является движущей силой тепло-
имассопереноса.
Отверждение лакокрасочных покрытий, как известно, представляет собой сложный комплекс физических (тепло- и массоперенос) и химических (реакции структурирования с образованием трехмерной пространственной структуры) процессов.
Студенту следует уяснить, что первый процесс связан с переносом теплаиизлученийвпленке,атакжесиспарениемрастворителейидругих компонентов, выделяющихся при отверждении покрытия, и изменением формы макромолекулярных цепей.
Второйпроцесссвязансростоммакромолекулиобразованиемтрехмернойпространственнойструктурыврезультатехимическоговзаимодействия реакционноспособных групп в основной и боковых цепях взаимодействующих макромолекул субстрата и адгезива. Студенту следует знать, что характер процессов, протекающих при формировании пленки,оказываетсущественноевлияниенавыборметодаотверждения покрытия(конвекция,инфракрасноеизлучение,ультрафиолетоваяили импульсно-лучевая сушка и т. д.).
Многообразие точек зрения по вопросу о том, какой способ сушки лакокрасочных покрытий является лучшим, связано как с разнообразием химической природы лаков и эмалей, так и с различием физико-химических особенностей получаемых лакокрасочных по крытий.
Можно сказать, что не существует какого-либо одного наилучшего способа термической обработки лаков и эмалей после их нанесения на подложку, а для каждой эмали или, точнее, группы эмалей и лаков, характеризующихся общностью химической структуры, свойствен свой предпочтительный метод сушки.
Литература: [13–15].
8
ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ
Задание на контрольную работу
Задание на контрольную работу состоит из 3-х вопросов.
Для установления перечня вопросов студент должен написать свою фамилиюиподпервымитремябукваминаписатьвпорядкевозрастания номер группы вопросов (табл. 1).
Например, студент Сидоров выбирает контрольные вопросы следующим образом:
Сидоров
1 2 3
При этом следует учесть, что первая буква фамилии, обозначенная цифрой 1, означает, что нужно выбрать вопрос из 1-й группы; буква фамилии,обозначеннаяцифрой2,требуетвыборавопросаиз2-йгруп- пы и т. д.
Затем в соответствующих группах вопросов напротив первых трех букв своей фамилии находит номера вопросов.
Например, студент Сидоров должен ответить на вопросы 5; 10; 18. В табл. 1 эти вопросы выделены.
Таблица 1
Буквы |
Группа вопросов |
Буквы |
Группа вопросов |
||||
фамилии |
1-я |
2-я |
3-я |
фамилии |
1-я |
2-я |
3-я |
А |
7 |
1 |
22 |
М, Ч |
2 |
13 |
8 |
Б |
6 |
2 |
21 |
Н, Щ |
1 |
14 |
7 |
В |
5 |
3 |
20 |
П |
7 |
15 |
6 |
Г |
4 |
4 |
19 |
Р, Ы |
6 |
16 |
5 |
Д |
3 |
5 |
18 |
С, Ь |
5 |
17 |
4 |
Е |
2 |
6 |
16 |
Т, Э |
4 |
18 |
3 |
Ж |
1 |
7 |
15 |
Ф |
3 |
19 |
2 |
О |
6 |
8 |
14 |
Ю |
2 |
20 |
1 |
З |
7 |
9 |
12 |
Ш, Й |
1 |
21 |
13 |
И, У |
3 |
10 |
11 |
Я, Ё |
7 |
22 |
17 |
К, Х |
4 |
11 |
10 |
|
|
|
|
Л, Ц |
5 |
12 |
9 |
|
|
|
|
9
Первая группа вопросов
Первый вопрос носит теоретический характер. Студенту следует согласно выбранному варианту вопроса дать критический анализ его существа.
1.Описать основные анатомические и физико-химические характеристики древесины хвойных и лиственных пород древесины. Описать существенныеихразличия,влияющиенатехнологиюихзащитно-деко- ративнойотделки.Датьхарактеристикуихосновныхфизико-механиче- ских свойств.
2.Датькраткуюхарактеристикуосновныхлакокрасочныхматериалов, применяемыхвзащитно-декоративнойотделкедревесиныиизделийиз древесины. Описать их достоинства и недостатки. Описать механизм отверждения термопластичных и термореактивных лакокрасочных материалов, отметить их физико-химическое различие и связь этих различий с технологией отделки древесины.
3.Рассмотреть вопросы модификации лакокрасочных материалов, их назначение, основные способы регулирования физико-химических свойств адгезивов. Дать характеристику основных модификаторов, механизм их действия. Дать характеристку ПАВ, виды и механизм модификации свойств адгезивов.
4.Датькритическийанализфизико-химическихпроцессов,имеющих место при нанесении адгезива на поверхность подложки. Рассмотреть вопросы смачивания и растекания жидкого адгезива по гладкой и шероховатой поверхности, диффузии адгезии в поры материала, отметить различие и особенности этих процессов. Рассмотреть возможность образования различных видов межмолекулярных сил взаимодействия между адгезивом и субстратом.
5.Датькритическийанализкинетикиконвективнойсушкилакокрасочных покрытий. Рассмотреть основные этапы сушки лакокрасочных материалов: раскрыть их физико-химическую сущность, отметить их достоинства и недостатки.
6.Дать критический анализ кинетики инфракрасной сушки лакокрасочных покрытий. Рассмотреть основные особенности инфракрасных лучей, используемых для сушки лакокрасочных материалов, источники инфракрасныхлучей,раскрытьфизико-химическуюприродуотверждения лаков инфракрасными лучами, отметить их достоинства и недостатки.
7.Датькритическийанализкинетикиультрафиолетовойиимпульснолучевойсушкилакокрасочныхпокрытий.Рассмотретьосновныеособенностисушкилакокрасочныхматериаловприиспользованииэтихлучей, источникиэтихлучей,раскрытьфизико-химическуюприродуотвержде- ния лаков этими лучами, отметить их достоинства и недостатки.
10