Защита древесины от влаги

Автор: К.Рулисон

Обработка лиственных деревьев под давлением (Фото: д-ра Вульмана)

Около 80 лет доктор Карл Вульман разрабатывал метод пропитки образца под давлением для защиты древесины. Благодаря этой технологии активные вещества глубоко и равномерно проникают в древесину, что на длительный период предохраняет ее от паразитов и грибов и позволяет использовать для наружной облицовки. Древесина, обработанная под давлением, различается в зависимости от количества адсорбированного активного вещества на кубический метр, и, как следствие, может применяться в различных условиях.

При изучении влияния эрозии на древесину, пропитанную под давлением водным раствором смеси щелочного медного комплекса и четверичного аммония (ACQ), было обнаружено, что при небольшом количестве ACQ лак А показывает худший результат, чем лак В. Хотя производитель древесины на основе покрытия А занимал довольно большую часть рынка древесины для судостроения, он отставал от своего конкурента, использовавшего покрытие В и занимавшего еще большую часть рынка древесины для строительства домов. Раз-ницу в свойствах обоих покрытий можно было понять после изучения их поверхностного и межфазного натяжения. Согласно английской классификации, обработанная древесина делится на группы в зависимости от концентрации

Рассматривая защиту древесины от влажности на длительный период, следует учесть два параметра: краевой угол смачивания по-верхности водой и межфазное натяжение между покрытием и древесиной. Чем больше краевой угол, тем лучше проявляются водооттал-кивающие свойства. Последние исследования межфазного взаимодействия вода-дерево и дерево-покрытие показали тенденцию к заме-щению фаз, т.е. к разрыву связей дерево-покрытие под действием влаги, что выгодно с точки зрения термодинамики.

Были проведены исследования защитных свойств лаков А и В для древесины с различной концентрацией активного вещества, в ка-честве контрольного образца использовали древесину без пропитки. Краевой угол смачивания определяли с помощью прибора DSA100, результаты приведены в таблице.

Из таблицы видно, что краевой угол на покрытии А на 5-6° больше, чем на покрытии В, однако, оба покрытия дают угол больше 90°, т.е. полностью не смачиваются. Что означает, что пропитка древесины под давлением не имеет существенных различий в краткосрочном периоде. Это также означает, что знаний о смачиваемости недостаточно для оценки качества покрытия. Для того чтобы оценить, на-сколько прочны связи между покрытием и древесиной, необходимо также определить поверхностную и межфазную энергию системы.

Сначала была определена свободная энергия поверхности (СЭП) деревянных (еловых) образцов без пропитки и с пропиткой, со-гласно четырем вышеприведённым классам. Измерения проводились по методу лежащей капли на приборе DSA100, в качестве тести-рующих жидкостей использовали воду и этилен-гликоль. При выборе жидкостей учитывалась возможность адсорбции жидкости после формирования капли: 98% первоначального объёма капли должны были быть видными в ходе исследования. На каждом образце было сформировано 10 капель, среднее значение приведено в таблице ниже. По данным краевых углов была рассчитана СЭП по методу Фоук-са (см. табл.).

Как показало исследование, свободная энергия и полярность дерева без покрытия уменьшается при увеличении содержания актив-ного вещества в нем (пропитки).

С помощью тензиометра K100MK2 было определено поверхностное натяжение жидких покрытий А и В по методу пластины Виль-гельми. С помощью данного прибора также был измерен краевой угол смачивания этими покрытиями тефлоновой пластины. Свободная поверхностная энергия (= поверхностное натяжение для жидкостей) и ее составляющие были рассчитаны по методу Фоукса, данные расчета сведены в таблицу:

В результате проведенных исследований видно, что полярность покрытия В выше, чем у покрытия А и у деревянных образцов без покрытия, кроме того, полярность покрытия А минимальна среди всех образцов. В результате сопоставления данных можно сделать вы-вод, что покрытие А будет лучше взаимодействовать с деревом, содержащим более высокую концентрацию активного компонента. И наоборот, покрытие В будет лучше наноситься на дерево с минимальным количеством пропитки. Данное заключение было подтверждено на практике (см. начало статьи).

Межфазное натяжение - это силы сцепления (работа адгезии), которые возникают между покрытием и поверхностью. Если покры-тие рассчитано на длительную службу, то межфазное натяжение должно быть как можно меньше (в большинстве случаев, работа адге-зии менее 1 мН/м), в противном случае образуются нестабильные связи.

Для сравнения работы адгезии между покрытиями и древесиной было рассчитано межфазное натяжение по методу Фоукса, кроме того, была рассчитана работа адгезии между водой и древесиной.

При увеличении концентрации активного вещества межфазное натяжение с покрытием А - уменьшается, что сопоставимо с низкой полярностью данного покрытия. С другой стороны, покрытие В показывает минимальное межфазное натяжение при небольших концен-трациях пропитки.

Межфазное натяжение для обоих покрытий не превышает порог в 1 мН/м, поэтому оба они подходят для длительного использова-ния. Однако более веским критерием применения покрытия во влажных условиях является то, что работа адгезии покрытие-дерево должна быть в сотни раз меньше, чем работа адгезии вода-дерево. Только в этом случае риск разрушения связей между покрытием и деревом минимален.

Как видно из таблицы, для покрытия В порог в 100 единиц не преодолим только для судостроительной древесины (с высоким со-держанием пропитки), во всех остальных случаях покрытие В будет себя лучше показывать, чем покрытие А. Эти данные сопоставимы с выводами по работе адгезии.

Были изучены свойства 5 образцов древесины с различной степенью обработки (пропитки под давлением); увеличение активного компонента (пропитки) приводит к снижению СЭП и полярности поверхности древесины. В результате комплексного подхода к поверхно-стным свойствам (изучению смачиваемости, полярности, межфазного натяжения) можно подобрать стабильные покрытия для древесины различного качества. Пористость древесины также влияет на адсорбцию покрытия и на его свойства, но этот вопрос пока изучается.