Введение к работе
Актуальность темы. В технологических процессах отделки древесины широкое применение находят жидкие лакокрасочные материалы. Покрытия, образованные ими, выполняют защитные и декоративные функции и являются одним из важнейших компонентов, определяющих потребительскую ценность изделий из древесины.
Вопросам совершенствования технологических процессов отделки древесины сегодня уделяется внимание практически во всех промышленноразвитых странах.
Основной задачей в этой области является разработка таких технологий, которые бы комплексно и универсально позволяли регулировать физико-механические свойства покрытий. Управление технологическим процессом отделки с целью получения покрытий с заданными свойствами является одной из актуальных задач.
Среди широкого спектра свойств защитно-декоративных покрытий особое место занимает долговечность. Она определяет длительность сохранения изделием своих функций и прямым образом связана с проблемой ресурсосбережении, рационального и комплексного использования древесины. В настоящее время, в связи с развитием вычислительной техники и теории прогнозирования, представляется возможным более глубокое изучение явлений формирования и эксплуатации покрытий на древесине с позиций их долговечности. Изучение этих процессов и усовершенствование теоретических подходов в расчете и прогнозировании долговечности представляется нам актуальной задачей в области технологии отделки древесины.
Цель и задачи исследования. Основная цель исследований заключается в выработке последовательного подхода к построению научно обоснованных принципов расчета и прогнозирования долговечности покрытий на древесине, исходя из следующих положений:
-
- древесина, как ярковыраженный анизотропный материал, находясь в адгезионном контакте с полимерным покрытием, неизбежно вызывает в нем развитие внутренних напряжений, как в процессе формирования покрытия, так и в процессе эксплуатации, под воздействием различных факторов внешней среды (влажностных, температурных и механических полей), причем, в виду неоднородности структуры поверхности древесины, эти напряжения имеют точки концентрации;
-
- покрытие, находящееся в постоянном напряженном состоянии, релаксирует часть напряжений и сохраняет свою целостность, но структура и свойства полимера постоянно меняется в процессе старения и наступает момент, когда происходит разрыв связей в по-
крытии и образование микротрещин от одного из концентраторов напряжения, что является началом процесса разрушения;
3 - запас прочности (долговечности) лакокрасочного покрытия от момента его формирования постоянно теряется; повысить его можно на начальной стадии путем подготовки древесины и регулированием режимов отделки, создавая покрытия с повышенным запасом долговечности или уменьшая динамику изменения собственных реологических свойств покрытия.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Разработать методы определения основных физико-
механических показателей поверхности древесины и покрытий на
древесине, позволяющие проводить научно-исследовательские ра
боты, а также осуществлять оперативный контроль технологическо
го процесса.
-
Исследовать физико-механические свойства поверхности древесины, как компонента системы, ответственного за образование структурных неоднородностей в покрытии и развитие внутренних напряжений в процессе эксплуатации отделанных изделий.
-
Исследовать физико-механические свойства (твердость, стойкость к царапанию, внутренние напряжения, модуль упругости, модуль высокоэластичности, модуль ползучести, адгезия, реологические коэффициенты, долговечность) защитно-декоративных покрытий на различных стадиях их формирования и эксплуатации, и установить влияния параметров технологического процесса и условий эксплуатации на кинетику развития этих свойств.
-
Усовершенствовать теорию расчета и прогнозирования долговечности с учетом особенностей строения и свойств защитно-декоративных покрытий на древесине.
-
Разработать модель управления технологическим процессом отделки для получения покрытий с заданной длительной прочностью.
6. Разработать направления совершенствования технологии
отделки древесины на базе результатов теоретических и эксперимен
тальных исследований.
Научная новизна. Впервые предложен комплексный подход к теоретическому процессу формирования ресурса долговечности лакокрасочных покрытий на древесине и описан процесс разрушения, состоящий в объединении механического, термодинамического, кинетического и статистического подходов на основе физики полимеров, учитывающий особенности структуры древесины и самого покрытия, их влияние на кинетику процесса разрушения, а также влияние внутренних напряжений и физико-механических свойств полимера на долговечность. В результате было установлено, что за-
дача расчета долговечности покрытий на древесине, а также их основных прочностных характеристик, сводится к следующим проблемам:
-
установлению локальных значений внешних и внутренних параметров, определяющих процесс разрушения, с учетом общего напряженно-деформированного состояния материала;
-
описанию кинетики процесса разрушения с помощью соответствующего кинетического уравнения, учитывающего изменение во времени указанных параметров и структуры покрытия;
-
определению частот элементарных актов процесса разрушения, исходя из представлений о механизме их реализации в нагруженном материале;
-
построению плотности распределения вероятностей значений долговечности, исходя из вида функции распределения, описывающей стохастичность кинетики процесса разрушения в результате развития микротрещин в нагруженном покрытии.
Практическая значимость работы заключается в решении вопросов управления технологическим процессом отделки древесины и создании механизма, позволяющего осуществлять корректирующие воздействия на этапе формирования покрытия для получения изделий с гарантированным сроком службы. Помимо этого, полученные результаты экспериментальных и теоретических исследований могут быть использованы для разработки нормативов ряда важных эксплуатационных параметров (твердости, адгезии, внутренних напряжений, прочности и др.), а также для разработки требований к условиям эксплуатации отделанных деталей и разработки способов повышения длительной прочности покрытий на древесине.
На защиту выносятся:
-
Анализ основных закономерностей процессов формирования лакокрасочных покрытий на древесине по результатам экспериментальных и теоретических исследований, определяющий физическую сущность понятия долговечности в рамках кинетической теории разрушения полимерных материалов.
-
Методы определения твердости, стойкости к царапанию, реологических показателей и стойкости к циклическому воздействию знакопеременных температур (ускоренные испытания на долговечность).
-
Структурный анализ поверхности древесины, граничного слоя и лакокрасочного покрытия, раскрывающий механизм зарождения и развития дефектов и микронеоднородностей в условиях адгезионного контакта.
-
Вывод кинетического уравнения, описывающего развитие трещины разрушения в лакокрасочном покрытии с учетом частот
разрыва и восстановления связей в ее вершине и стохастического характера этого процесса.
-
Вывод обобщенного выражения средней долговечности покрытий на древесине в области действия внутренних напряжений, где существенно восстановление разорванных связей на основе физико-кинетической трактовки критерия Гриффита и расчета предельных характеристик и параметров процесса разрушения по значениям, определяемым эмпирическим путем.
-
Статистический анализ долговечности покрытий с учетом концентраторов напряжения в структуре и кинетики развития очага разрушения и получение на его основе аналитических выражений для плотности распределения вероятностей значений долговечности.
7. Зависимости, устанавливающие взаимосвязь физико-
механических параметров древесины в целом и отдельных структур
ных элементов.
-
Зависимости, устанавливающие влияние технологических и эксплуатационных факторов на основные физико-механические показатели покрытий на древесине, в том числе и на долговечность.
-
Модель управления технологическим процессом отделки древесины с использованием обобщенного выражения средней долговечности и критерия гарантированного срока службы для получения покрытий с заданной длительной прочностью.
10. Создание вариантов технологии отделки древесины на базе
результатов теоретических и экспериментальных исследований, по
зволяющих решить вопросы повышения долговечности покрытий
путем снижения внутренних напряжений и регулирования баланса
реологических свойств покрытий на древесине.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы доложены и обсуждались на:
- I и II Международных симпозиумах "Строение, свойства и
качество древесины" в 1990, 1996 г. (г. Москва);
' - научно-технической конференции "Перспективные материалы, конструкции и технологии в производстве мебели и столярно-строительных изделий" в 1988 г. (НРБ, г. Стара-Загора);
постоянно действующих семинарах по проблемам древесиноведения в 1988 г. (г. С.-Петербург), в 1989 г. (г. Москва);
конференциях "Научно-технический прогресс в лесной и деревообрабатывающей промышленности" в 1983 г. и 1989 г. (г. Киев).
конференции "Ученые вузов - народному хозяйству" в 1989 г. (НРБ, г. София);
- Всесоюзных научно-технических конференциях "Комплексное и рациональное использование лесных ресурсов" в 1987 г. (г. Пермь), в 1988 г. (г. Рига).
экспертных советах по качеству древесины и изделий экспортируемых из России, в 1990 г. (ГДР, г. Маркнойкирхен), в 1992 г. (Бельгия, г. Брюссель), в 1993, 1994 г. (Германия, г. Мюнхен), 1994, 1995, (Швейцария, г. Цюрих), 1997 г. (Лихтенштейн, г. Вадуц);
региональном съезде работников лесного хозяйства провинции Гвань-Джоу в 1989 г. (Китай, г. Шанхай);
- научно-технических советах ВПКТИМ - 3985 г., ВНПО
"Мебельпром" - 1986-1988 г., НИИКТИМП - 1988-1989 г., НПО
"Научстандартдом" -1991-1993 г.,
- ежегодных научно-технических конференциях профессорско-
преподавательского состава и аспирантов Московского государ
ственного университета леса -1981-1997 г.г.
Реализация результатов работы.
Результаты работы использовались для создания руководящего технического материала "Детали и изделия из древесины и древесных материалов. Метод определения твердости защитно-декоративных покрытий" и при внесении изменений в новую редакцию ГОСТ 16838-71 (86) "Детали и изделия из древесины и древесных материалов. Метод определения твердости лакокрасочных покрытий". Разработанный РТМ проверен на ряде мебельных предприятий Минлесбумпрома СССР и внедрен на Таганрогском мебельном комбинате ВПО "Югмебель".
Результаты исследований нашли отражение в СТ СЭВ 5093-85 (ГОСТ 27326-87) "Детали и изделия из древесины и древесных материалов. Метод определения твердости защитно-декоративных покрытий царапанием".
Приведенные в диссертации данные нашли отражение в 28 научных отчетах, которые были выполнены в рамках:
Государственной научно-технической программы на период до 2000 года "Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья" 1995-1997 г.г.
Государственных заказов:
-
Разработка ресурсосберегающей технологии производства изделий из нетрадиционных видов древесного сырья с использованием эффективных способов модификации.
-
Разработка и издание нормативно-технической документации по проблемам строения, свойств и качества древесины.
- Заказов предприятий и организаций лесной отрасли 1980-
1995 г.г.
Результаты работы внедрены на Таганрогском мебельном комбинате, на Московской мебельной экспериментальной фабрике, на предприятиях А/О "Средуралмебель", А/О "Кареллеспром" на ряде других предприятий.
Разработанные методы контроля покрытий на древесине были удостоены серебряной и бронзовой медалями ВДНХ СССР, а также дипломом первой степени международной выставки НТТМ.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 42 печатных работах, их новизна отражена в 3-х ГОСТах и 4-х заявках на авторские свидетельства.
Объем. Диссертационная работа общим объемом 435 страниц состоит из введения, шести глав, выводов, заключения, списка использованных источников и приложений, включая 20 таблиц, 142 рисунка, библиографию из 268 наименований и приложения на 10 страницах.
