Физико-химические основы процессов отделки методические указания по изучению курса и выполнению контрольной работы для студентов направления подготовки 35.03.02

Министерство 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

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