К вопросу оценки адгезии лакокрасочных покрытий на древесине и древесных материалах методом решетчатых надрезов

Аннотация: В работе рассматриваются вопросы оценки адгезии лакокрасочных покрытий на древесине и древесных материалах методом решетчатых надрезов. В качестве оценки адгезии используем образцы с нитроцеллюлозным, меламиновым, полиэфирным, полиуретановым покрытием.

Для определения адгезии методом решетчатых надрезов используем прибор «Адгезиметр РН». Для определения адгезии методом решетчатых надрезов используем прибор «Адгезиметр РН». Режущий инструмент имеет шесть режущих кромок, расположенных на расстоянии 1, 2 и 3 мм друг от друга. Режущая часть инструмента делает разрез V- образной формы через всю толщину покрытия. Результаты испытания сравниваем с рисунками, которые приведены в таблице по стандарту.

Адгезия – свойство лакокрасочных покрытий, представляющие собой поверхностное физико-химическое явление, возникающее при взаимодействии между двумя разнородными контактирующими телами, одним из которых является лакокрасочное покрытие, другим – поверхность древесины или древесного материала.

Существует значительное количество методов определения адгезии: неравномерного отрыва, равномерного отрыва, сдвига, динамические методы, прочие косвенные, к которым относят метод решетчатых надрезов и др.

Методы неравномерного отрыва позволяют выявить величину адгезии на отдельных участках испытуемого образца. Они дают хорошую воспроизводимость результатов и отличаются простотой.

Метод равномерного отрыва измеряет величину усилия, необходимого для отделения адгезива от субстрата одновременно по всей площади контакта [1]. При этом усилие прикладывается перпендикулярно плоскости адгезионного соединения, а величина адгезии характеризуется силой, отнесенной к единице площади контакта.

Метод сдвига определяет касательные напряжения в адгезионных соединениях, которые создаются растяжением или сжатием. При увеличении длины образца разрушающая нагрузка стремится к постоянной величине. Причина заключается в концентрации напряжений на концах образца, вызванной разностью деформаций склеенных элементов и их изгибов [1].

Динамические методы определяют работоспособность изделий, характеризуется числом деформаций до разрушения. Если разрушения добиться не удается, то после приложения некоторого числа циклов деформации определяется адгезия принятым статическим методом. Динамические методы испытания соединений проводят при сдвиге, неравномерном и равномерном отрывах. Для проведения испытаний применяют испытательные машины, обеспечивающие воздействующие напряжения с частотой 500-3000 циклов в минуту.

Метод решетчатых надрезов устанавливает оценку адгезии покрытия при прорезании его насквозь до подложки многолезвенным инструментом (рис. 1) с расстоянием между лезвиями 1 мм, 2 мм и 3 мм. Чем тоньше покрытие, тем меньше расстояние между лезвиями. В основе метода лежит воздействие касательной силы, сдвигающей торцевую поверхность разрушенной кромки, вдоль границы раздела покрытие-подложка.  

Методика осуществления решетчатых надрезов предусматривает, что торец режущего инструмента располагается нормально к поверхности образца с покрытием. Давление на режущий инструмент должно быть постоянным, без резких движений. Надрез производится до поверхности подложки строго прямолинейно в выбранном направлении. Надрез повторяется под углом 90 ̊ к первому надрезу так, чтобы образовался решетчатый рисунок.

Рис. 1. Ручной многолезвийный инструмент

Оценка результатов измерений проводится по шкале, которая представлена в приложении.

На рис. 2 приведена схема внедрения резца многолезвийного инструмента в лакокрасочное покрытие при получении надреза.

Рис. 2. Схема внедрения резца в лакокрасочное покрытие 
1 – резец; 2 – лакокрасочное покрытие; 3 - древесина

Исходя из приведенной схемы, ширину разрушения  верхней границы покрытия (Х) можно определить по следующей формуле:

                                                                        (1)

где Н – высота покрытия, мкм

α – угол заточки режущей кромки фрезы, град.

На рис. 3 приведен график зависимости ширины разрушения верхней границы от толщины покрытия.

По графику видно, что при увеличении толщины покрытия, увеличивается ширина разрушения верхней границы.

В исследовании приводились сравнительные определения ширины разрушенной верхней границы покрытия по значениям, полученным по графику и экспериментальным путем. Для этого используется методика по ГОСТ 13639-2013[1].

Ширина полосы разрушения контролировалась с помощью микроскопа МПБ – 2. В поле зрения микроскопа наблюдается полоса разрушения, которую легко определить. Данные приведены в табл.1

Таблица 1

Ширина разрушенной верхней границы для различных покрытий

Как видно значения ширины разрушения верхней границы по графику отличается от значений определенных по микроскопу. Это объясняется возникновением хрупких и пластических явлений, возникающих при разрушении, особенно верхнего слоя покрытия. Так полиэфирное покрытие в процессе отверждения приобретает стеклообразное состояние, поэтому при его резании в верхнем слое происходит непроизвольное разрушение в виде появление осколков произвольной формы. Это приводит к увеличению ширины разрушенной верхней границы покрытия.

Три других покрытия в процессе отверждения сохраняют пластические свойства, что приводит в процессе резания смятия верхнего слоя, поэтому по микроскопу измеренные расстояния меньше, чем по графику.

На рис. 4 представлена схема силовых характеристик при разрушении покрытия методом решетчатых надрезов[2].

 

Рис. 4. Схема силовых характеристик при разрушении покрытия клиновым резцом адгезиметра
1 – резец; 2 – лакокрасочное покрытие; 3 – древесина

Главное усилие Р, прикладываемое на резец в процессе резания по условиям эксперимента не может быть более 15 кг. Перенесем главное усилие Р в т.D по правилу уравновешивания нагрузки ± Р. В т.D возникает сила Р направленная вниз на покрытие и момент созданный переносом силы. Раскладываем силу Р, направленную вниз, на составляющие по правилу параллелограмма и находим силу обозначенную F2 по следующей формуле:

                                                                                   (2)

Затем разложим силу F2 на две составляющие F3 и F4. Сила F3, являющая касательной к поверхности покрытия, находим как:

                                                                                                      (3)

Учитывая формулу (2) найдем значения силы F3 по следующей формуле:

                                                                                                          (4)        

При подстановке значений Р = 15 кг и α = 30^о  в формулу (4) получим значения силы F3 = 32,25 Н.

Определим касательные напряжения из расчета площади отрыва покрытия при получении решетчатого надреза. При расположении резцов на расстоянии 1; 2 и 3 мм площадь отрыва соответственно будет 1; 4 и 9 мм².

Учитывая касательную силу разрушения F3 = 32,25 Н, касательные напряжения при различной шкале расположенных резцов соответственно будут равны 32,25; 8,06; 3,58 МПа.

Адгезионная прочность покрытия, при использовании разрушающих методов, должна соответствовать величине не более 2МПа. Полученные значения перекрывают этот диапазон [2].

Отсюда предлагаемый способ оценки адгезии покрытий может быть использован с применением количественной характеристики помимо качественной оценки в баллах.

Список литературы
1. Берлин А.А. Основы адгезии полимеров. Учебное пособие / А.А. Берлин, В.Е. Басин // Москва: Издательство «Химия», 1969. – 318 с.
2. Зотов А.А. Управление физико-механическими свойствами покрытий древесины. Учебное пособи / А.А. Зотов, В.Г. Крисанов, В.Г. Санаев, Е.Е. Овчаренко // Москва: Издательство «Московский Государственный Университет Леса», 1998. – 218 с.
3. Разрушающие методы определения адгезионной прочности [Электронный ресурс] // POZNAYKA.ORG. 2016. Режим доступа: https://poznayka.org/s94125t1.html (дата обращения: 11.04.2019).

Материал поступил в редакцию 28.04.2019
© Чиркова Д.О., Рыбин Б.М., 2019