Основные виды красителей и способы окрашивания древесных частиц. Разработка методики колорирования древесных частиц в виде щепы с принудительным погружением для получения заданных параметров насыщенности и яркости. Определение состава красящего вещества.
Аннотация к работе
Лесопромышленный комплекс России с каждым годом растет и на сегодняшний день составляет около 30 тыс. предприятий, выпускающих ежегодно миллиарды изделий из древесины, из производства которых от 25 до 40 % составляют древесные отходы, которые не используют или сжигают [1]. Целью работы направленной на решение проблемных вопросов является установление методики колорирования древесных частиц для получения заданных показателей качества поверхности с оптимальным режимом окраски водоэмульсионными красителями (колорантами, колерами и водоэмульсионной краской). Использование в производстве изделий из древесины одновременно хвойных или лиственных пород практически не позволяет разделить по породам получаемые отходы, однако, несмотря на это следует проанализировать возможности обоих видов сырья, в целях определения наиболее податливого к окрашиванию. [6], которые на протяжении длительного времени занимались исследованиями по влиянию природного цвета окашиваемого материала, обращая в первую очередь внимание на химическую сторону процесса образования окраски, в результате которых также установили, что: при использовании синтетического красителя окраска полностью зависит от концентрации, расхода красильного раствора, а так же от количества нанесений; Эмульсионные (акриловые, водоэмульсионные, поливинилацетатные, водно-дисперсионные, латексные, силиконовые) экономичны (кроме латексных и силиконовых); для окрашивания деревянных и металлических поверхностей; экологически безопасны; обладают высокой прочностью; быстро высыхают; водоустойчивы; светостойкие; пожаробезопасны; устойчивы к щелочному воздействию; не имеют резкий неприятный запах. не смываются; не обладают способностью нанесения на поверхность, ранее покрашенную глянцевыми и клеевыми красками.
Введение
Россия - одна из богатых стран мира по количеству лесных ресурсов площадью более 8,5 млн. га, занимающих 25 % лесных массивов всей планеты. Лесопромышленный комплекс России с каждым годом растет и на сегодняшний день составляет около 30 тыс. предприятий, выпускающих ежегодно миллиарды изделий из древесины, из производства которых от 25 до 40 % составляют древесные отходы, которые не используют или сжигают [1].
Поскольку сохранение лесов не только национальная, но и глобальная проблема, то для ее решения Правительство РФ и Министерство лесного хозяйства в настоящий момент рассматривает проект нового закона для борьбы с обязательной утилизацией древесных отходов, который в 2022 году официально вступит в силу.
Для решения вопросов, связанных с бережным расходованием лесных ресурсов, рациональным природопользованием, экологической безопасностью производства, развивается новое направление - глубокая комплексная переработка древесных отходов с получением декоративной щепы. Вопросами окрашивания древесины и влиянием декоративной щепы на свойства почвы и рост растений занимались Браунинг Б. Л., Беляев Е.Ю., Ермолин В. Н., Мелешко А. В., Соколов В. Л. [5, 6], Maggar, A. O., Will R. E. [2] и другие.
Окрашенная щепа отлично подходит оформления клумб, небольших детских площадок, прогулочных и спортивных дорожек. Является абсолютно безопасным, мягким и экологически чистым материалом, обладает бактерицидными свойствами [3]. При мульчировании декоративной щепой возможно обновление окрашенных древесных частиц без удаления основы, которая практически не засоряет садовый участок и потому не нуждается в снятии старого слоя мульчи для засыпки нового. Для сохранения декоративности отсыпки достаточно лишь раз в год обновлять покрытие, подсыпая новый слой щепы.
Для большинства деревоперерабатывающих и лесозаготовительных предприятий, не заинтересованных в комплексной переработке древесины, оптимальным и экономически выгодным решением будет получение декоративной щепы на собственном производстве.
Целью работы направленной на решение проблемных вопросов является установление методики колорирования древесных частиц для получения заданных показателей качества поверхности с оптимальным режимом окраски водоэмульсионными красителями (колорантами, колерами и водоэмульсионной краской).
Использование в производстве изделий из древесины одновременно хвойных или лиственных пород практически не позволяет разделить по породам получаемые отходы, однако, несмотря на это следует проанализировать возможности обоих видов сырья, в целях определения наиболее податливого к окрашиванию. Отличительные особенности строения древесных пород представлены в таблице 1 [4].
Таблица 1 Особенности строения лиственных и хвойных пород
№ п/п Особенности древесины Хвойные породы Лиственные породы
1 Набор натомических элементов, % менее 10 от 10 до 55
2 Проводящие элементы Трахеиды Сосуды; Трахеиды
3 Строение проводящих элементов Трахеиды - сильно вытянутые волокна с относительно тонкими стенками (капилляры). Трахеиды - отдельно короткие клетки с широкими полостями и тонкими стенками; Сосуды - трубки разной величины крупные и мелкие.
4 Среднее значение плотности, кг/м3 450 670
5 Содержание от объема древесины смоляных ходов, % 0,7 Отсутствуют
Следует отметить том, что древесина лиственных пород обладает большей степенью декоративности, имеет большую плотность и широкий набор анатомических элементов. Наличие сосудов и трахеид способствуют лучшему распространению красителя по древесине. Способность к окрашиванию у лиственных пород подтверждают и сотрудники Сибирского Государственного Технологического Университета - Беляев Е. Ю., Ермолин В. Н. и др. [6], которые на протяжении длительного времени занимались исследованиями по влиянию природного цвета окашиваемого материала, обращая в первую очередь внимание на химическую сторону процесса образования окраски, в результате которых также установили, что: при использовании синтетического красителя окраска полностью зависит от концентрации, расхода красильного раствора, а так же от количества нанесений;
прослеживается различная глубина проникновения, цвет, равномерность и светостойкость древесины при окрашивании растворами ароматических аминов в присутствии кислот, водными растворами гидранизов и водными растворами солей металлов.
Несмотря на то, что широкое производство лакокрасочных материалов появилось сравнительно недавно, на сегодняшний день существует множество видов красителей, достоинства и недостатки которых представлены в таблице 2 [7].
Таблица 2 Анализ красителей
Вид красителя Достоинства Недостатки
Эмульсионные (акриловые, водоэмульсионные, поливинилацетатные, водно-дисперсионные, латексные, силиконовые) экономичны (кроме латексных и силиконовых); для окрашивания деревянных и металлических поверхностей; экологически безопасны; обладают высокой прочностью; быстро высыхают; водоустойчивы; светостойкие; пожаробезопасны; устойчивы к щелочному воздействию; не имеют резкий неприятный запах. не смываются; не обладают способностью нанесения на поверхность, ранее покрашенную глянцевыми и клеевыми красками.
Алкидные (масляные и подходят для окрашивания деревянных и металлических поверхностей; не токсичны; пожароопасные; не устойчивы к воздействию щелочей. эпоксидные) свето- и водоустойчивы; водонепроницаемы.
Клеевые удобны в обращении; экологичны; хорошо сохраняются при сухом климате. менее устойчивы к влаге; разрушаются при действии углекислого газа и влаги.
Силикатные воздухо- и паронепроницаемы; устойчивы к температурным перепадам. содержат щелочь; не защищают от влаги; не окрашивают металлические, каменные, стеклянные и керамические поверхности; имеют ограниченную цветовую гамму.
Благодаря продвижению химических элементов окрашивающего раствора внутрь древесины по полостям клеток (капиллярам), имеющих трубчатое строение происходит процесс окрашивания. При этом внутренние поверхности полостей клеток окрасятся более интенсивно, чем сами волокна стенок клеток. Мел в сочетании с пигментом придаст окрашивающему составу матовый оттенок, а диспергирующая смола соединит их с клетками древесины [8].
Для колорирования определены красители обладающие высокими характеристиками окраски - прочностью и влагостойкостью это - №1 колер-паста, №2 колорант и №3 водоэмульсионная краска.
Химическая реакция будет проходить по формуле: , где: -мел; - уксусная кислота; - ацетат кальция; - вода; - углекислый газ.
Оценка параметров окрашенной щепы осуществлена по методике «Щепа декоративная. Методика определения насыщенности и яркости».
По полученным результатам построены графики зависимости насыщенности и яркости (рис. 1 - 14), где: Н120 и Н240- насыщенность при выдержке в растворе 120 с и 240 с, балл; С10 и С20 - массовая доля уксусной эсенкции 10 мл /л и 20 мл/л.
Рис. 1 Влияние концентрации раствора коричневого колера на насыщенность окрашенной сухой щепы
Рис. 2 Влияние концентрации раствора красного колера на насыщенность окрашенной влажной щепы
Рис. 3 Влияние концентрации раствора желтого колера на насыщенность окрашенной сухой щепы
По результатам проведенных исследований установлено следующее: для колера марки № 1: насыщенность от 4 до 10 баллов возможно получить для коричневого и желтого цветов с оптимальной концентрацией - 35 мл/л, для красного - 30 мл/л;
2) для колоранта № 2: насыщенность 7-9 баллов у сиреневых и оранжевых оттенков при концентрации 40 мл/л; для желтого цвета насыщенность от 4 до 9 баллов - 50 мл/л;
3) для водоэмульсионной краски марки № 3 красного цвета насыщенность в 8 - 9 баллов наблюдалась при концентрации 15 мл/л.
4) время выдержки и влажность щепы практически не оказали влияния на насыщенность;
Параметры концентрации компонентов и времени выдержки в растворе позволили разработать конструкцию и рассчитать оптимальные характеристики установки для окрашивания щепы с получением патента на полезную модель «Установка для окрашивания щепы» № 165732 [9].
2. Maggar, A. O. Tree-based Mulches influence Soul Properties and Plant Growth // Hortechnology/ A. O. Maggar, R. E. Will, T. C. Hennessey, C. R. MCKINLEY, J. C. Cole. - 2012. - № 3. - С. 353-361.
3. Достоинства и способы применения декоративной мульчи: http://ru-house. net/landshaft/info-l/dekorativnaya-mulcha-svoimi-rukami.html (Дата обращения: 04.05.2017).
4. Уголев, Б. Н., Древесиноведение: учебник для студ. сред. проф. образования / Б. Н. Уголев. - 4-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2011. - 272 с.
5. Беляев, Е. Ю. Крашение древесины /Е. Ю. Беляев, В. Н. Ермолин, А. В. Мелешко, В. Л. Соколов // Химия растительного сырья. -1999. - № 2. http://cyberleninka.ru/article/n/krashenie-drevesiny (Дата обращения: 28.02.2017).
6. Беляев, Е. Ю. Исследование крашения древесины. Крашение водными растворами аминов / Е. Ю. Беляев, А. П. Суходолова, В. Л. Соколов, В. Н. Ермолин // Химия растительного сырья. - 1998. - № 3: http://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-krasheniya-drevesiny-1-krashenie-vodnymi-rastvorami (Дата обращения: 28.02.2017).
7. Классификация ЛКМ, ассортимент и области применения: https://znaytovar.ru/s/Klassifikaciya-lkm-assortiment.html, свободный.- Загл. с экрана. (Дата обращения: 17.02.2017).
8. Браунинг Б. Л., Химия древесного сырья / под ред. Б. Л. Браунинга; пер. с англ. А. В. Оболенской, В. П. Щеголева Москва: Издательство «Лесная промышленность», 1967. - 415 с.
9. Пат. 165732 U1. RU МПК B27L 11/00. Устройство для окрашивания древесных частиц / Заявитель и патентообладатель Тарасова О.Г., Корчин А. И., Таратина Е. А. - № 20161095656, заяв. 16.03.2016 г., опубл. 10.11.2016 г. Бюл. № 31. - 2 с.
11. Maggar, A. O. Tree-based Mulches influence Soul Properties and Plant Growth // Hortechnology/ A. O. Maggar, R. E. Will, T. C. Hennessey, C. R. MCKINLEY, J. C. Cole. - 2012. - № 3. - S. 353-361.
13. Ygolev, B. N., Drevesinovedenie: ychebnik dlya styd. sred. prof. obrazovaniya / B. N. Ygolev. - 4-e izd., ster. - M.: Izdatelskiy tsenter «Akademiya», 2011. - 272 s.
14. Belyaev E. Yu. Krashenie drevesiny / E. Yu. Belyaev, V. N. Ermolin, A. V. Meleshko, V. L. Sokolov // Ximiya rastitelnogo syrya. - 1999. - № 2. http://cyberleninka.ru/article/n/krashenie-drevesiny (Data obrashhenija: 28.02.2017).
15. Belyaev E. Yu. Issledovanie krasheniya drevesiny. Krashenie vodnymi rastvorami aminov / E. Yu. Belyaev, A. P. Syxodolova, V. L. Sokolov, V. N. Ermolin // Ximiya rastitelnogo syrya. - 1998. - № 3: http://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-krasheniya-drevesiny-1-krashenie-vodnymi-rastvorami (Data obrashhenija: 28.02.2017).
16. Klassifikatsiya LKM, assortiment I oblasti primeneniya: https://znaytovar.ru/s/Klassifikaciya-lkm-assortiment.html. (Data obrashhenija: 17.02.2017).
17. Brauning B. L., Ximiya drevesnogo syrya / pod red. B. L. Brauninga; per. s angl. A. V. Obolenskoy, V. P. Schegolova // M. Izdatelstvo «Lesnaya promyslennost», 1967. - 415s.
18. Pat. 165732 U1. RU МПК B27L 11/00.Ystroistvo dlya okrashivaniya drevesnyx chastitch / Zayavitel I patentoobladatel Tarasova O. G., Korchin A. I., Taratina E. A. - № 20161095656, zayav. 16.03.2016 g., opubl. 10.11.2016 г. Byul. № 31. - 2 с.