Adhézia náterových filmov na poveternostne starnutom dreve
© Fotolia.com
Cieľom príspevku je prezentovať výsledky výskumu v oblasti adhézie náterových filmov na prirodzene poveternostne starnutom dreve. Skúmaný bol vplyv krátkodobého starnutia po dobu 30 a 90 dní na adhéziu polyuretánovej a olejovej povrchovej úpravy. Skúmaným materiálom bolo borovicové drevo. Súčasne sa hodnotil vplyv beľovej a jadrovej časti dreva na adhéziu. Výsledky sú uvedené a popísané v predkladanom článku.
Úvod
Dôležitou vlastnosťou povrchovej úpravy je adhézia k podkladu, v našom prípade k drevu. Na adhéziu významne vplývajú interakcie medzi podkladom a náterovou látkou v kvapalnom aj tuhom skupenstve. Predpokladáme, že zmeny vzniknuté na povrchu dreva poveternostným vplyvom môžu, ale aj nemusia, prispieť k zmene adhézie povrchových úprav. Po vytvrdnutí náterovej látky stabilita systému drevo – náterový film je podmieňujúcim faktorom vzniku rôznych defektov povrchovej úpravy v čase používania výrobku, ktoré majú dopad na životnosť náterového filmu (Bulian - Graystone 2009, Slabejová 2016). Vplyv druhu náterovej látky na adhéziu náterového filmu na dreve študovali Delpech - Coutinho (2000) a Jaic - Zivanovic (1997). V niekoľkých prácach sa skúmal vplyv časti dreva, vlhkosti, ako aj procesu predúpravy povrchu na adhéziu (Cool - Hernández 2016, Ugulino - Hernández 2016, Tolvaj a kol. 2014, Podgorski a kol. 2010, De Meijer - Militz 1998). Vplyv poveternostného starnutia dreva, t. j. poveternostné starnutie povrchu dreva pred nanesením povrchovej úpravy sledovali Jirouš-Rajkovič a kol. 2007, Gindl a kol. 2004, Williams a kol. 2002, Williams - Feist 2001, Evans a kol. 1996, Kleive 1986, Underhaug a kol. 1983.
Materiál a metodika
V experimentálnych skúškach bolo použitých 12 jadrových a 12 beľových skúšobných telies z dreva borovice lesnej (Pinus sylvestris L.) o rozmeroch 150 ± 2 mm × 74 ± 1 mm × 16 ± 1 mm, s vlhkosťou 14 ± 2% s radiálno-tangenciálnymi plochami. Povrch dreva pred expozíciou starnutia bol opracovaný brúsením na pásovej brúske postupne s brúsnym papierom so zrnitosťou číslo P60, P80 a P120. Čelá skúšobných telies boli ošetrené silikónovým tmelom, aby sa zabránilo nežiaducim zmenám ich vlhkosti cez tieto plochy.
Prirodzené poveternostné starnutie povrchu dreva sa uskutočnilo pod 45° uhlom pri expozícii na juh po dobu 30 a 90 dní (obrázok 1), od decembra do marca.
Obrázok 1 Povrch borovicového dreva vystavený poveternostnému starnutiu.
Drsnosť povrchu dreva (STN EN ISO 4287) sa merala kontaktným profilometrom Pocket Surf, značky Mahr s polomerom snímača nerovnosti r = 0,005 mm. Bola meraná stredná aritmetická odchýlka Ra [μm] posudzovaného profilu, na základnej dĺžke merania aj vyhodnocovania 0,8 mm (obrázok 2), a to na 10 miestach vzorky, na jarnom dreve. Drsnosť dreva sa experimentálne zisťovala v smere rovnobežnom a kolmom na priebeh vlákien po 24 hodinovej klimatizácii telies v prostredí s teplotou 20 ± 2 °C a vlhkosťou vzduchu 65 ± 5 %.
Obrázok 2 Stredná aritmetická odchýlka Ra.
Povrchová úprava dreva
Povrchová úprava na starnutom a nestarnutom povrchu dreva bola vytvorená po 30 dňovej klimatizácii telies v prostredí s teplotou 20 ± 2 °C a vlhkosťou vzduchu 65 ± 5 %. Povrchová úprava bola vytvorená náterovými látkami určenými do exteriéru, a to nanášaním štetcom podľa odporúčania v technickom liste:
- povrchová úprava – alkydová (obrázok 3):
- základná impregnačná rozpúšťadlová náterová látka – Pullex Imprägnier-Grund (bezaromatická impregnačná ochrana dreva do exteriéru s obsahom biocídov, poskytuje ochranu proti zamodraniu, drevokazným hubám a hmyzu) – nános 80 g/m2, natierané štetcom 1×.
- vrchná tenkovrstvá lazúra – Pullex Top Lasur (tmavohnedá lazúra na báze olejnatej alkydovej živice, ktorá zabezpečuje dlhodobú ochranu proti poveternostným vplyvom) – nános 100 g/m2, natierané štetcom 2×.
- povrchová úprava – olejová (obrázok 4):
- olejová rozpúšťadlová náterová látka základná aj vrchná – Pullex Bodenöl (pigmentovaný olej, ktorý chráni listnaté aj ihličnaté drevo v exteriéri proti vlhkosti a ušpineniu) – nános 70 g/m2, natierané štetcom 2×.
Obrázok 3 Alkydová povrchová úprava dreva.
Obrázok 4 Olejová povrchová úprava dreva.
Adhézia povrchovej úpravy (STN EN ISO 4624) bola stanovená zariadením PosiTest AT-Pull-Off Adhesion Testers na 7. deň po vytvrdnutí povrchových úprav. Kovové terčíky s priemerom 20 mm boli nalepené na povrchovú úpravu dvojzložkovým epoxidovým lepidlom (Pattex Repair Epoxy). Následne po 24 hodinách vytvrdzovania lepidla (pri 20 ± 2 °C a relatívnej vlhkosti vzduchu 60 ± 5 %) sa okolo terčíka vyfrézovala až do podkladu drážka (kružnica). Ťahová rýchlosť bola 1 mm/min a ťah pôsobil až do doby, kedy došlo k oddeleniu terčíka od povrchu.
Miesto porušenia po odtrhnutí sa hodnotilo vizuálne. Klasifikácia miesta porušenia (drevo – náterový film – lepidlová škára – kovový terčík) je znázornená na obrázku 5.
Obrázok 5 Klasifikácia miesta porušenia pri stanovovaní adhézie.
Výsledky a diskusia
Rozdiely v drsnosti v smere rovnobežne a kolmo na priebeh vlákien (obrázok 6) sú dané tým, že povrch borovicového dreva je hlavne tvorený pozdĺžne prerezanými cievicami jarného a letného dreva a priečne prerezanými stržňovými lúčmi, prípadne aj živicovými kanálikmi.
Rozdiely v drsnosti medzi beľou a jadrom neboli významné a namerané hodnoty sa líšili len náhodným vplyvom. Morfológia brúseného povrchu bola do značnej miery určená veľkosťou brúsneho zrna (Kúdela a kol. 2018). Pri brúsení dochádza k vytrhávaniu drevných vlákien a ďalších bunkových elementov, ich mechanickému poškodzovaniu až drveniu. Tieto sa spolu s drevným prachom zatláčajú do pórov, výsledkom čoho môže byť zníženie drsnosti. Na druhej strane uvoľnené vlákna vplyvom poveternostného starnutia napúčajú a zvyšujú spätne drsnosť.
Rozdiely v drsnosti medzi nestarnutým a starnutým drevom neboli významné a namerané hodnoty sa tiež líšili len náhodným vplyvom. Mierne zväčšenie drsnosti v smere kolmo na priebeh vlákien na povrchu po 30 dňoch by mohlo súvisieť so zmenami komponentov v bunkovej stene v dôsledku zvetrávania. Kerber a kol. (2016) uvádzajú, že dažďová voda a slnečné žiarenie spôsobujú vyplavenie vrstvy foto-oxidovaného materiálu a môže to mať za následok zvýšenie drsnosti alebo tvorbu trhlín. Túto hypotézu potvrdzuje poveternostné starnutie do 30 dní. Po 90 dňoch poveternostného starnutia drsnosť mierne klesla v smere pozdĺžnom aj kolmom. Pri experimentálnom starnutí do 90 dní, mohlo dochádzať na povrchu dreva k usádzaniu nečistôt, ktoré zaplnili nerovnosti a tým zmenšili drsnosť povrchu.
Obrázok 6 Drsnosť povrchu pred a po poveternostnom starnutí.
Oblak a kol. (2006) vo svojom výskume adhézie ukázali, že s nameranou hodnotou adhézie približne 2 MPa alebo menej sa polyuretánové náterové systémy odlupujú od podkladu v relatívne krátkom časovom období bez vonkajšieho alebo vnútorného zaťaženia na základe negatívneho účinku času na veľkosť vnútorných napätí v systéme náterov.
Z obrázka 7 vidíme, že adhézia alkydovej povrchovej úpravy sa vyznačovala dobrou priľnavosťou k podkladu (viac ako 3 MPa až 5 MPa). Adhézia na poveternostne starnutom beľovom dreve bola porovnateľná s adhéziou povrchovej úpravy na povrchu dreva bez poveternostného starnutia. Na jadrovom dreve poveternostne starnutom bola adhézia nepatrne väčšia ako na dreve nestarnutom. Priemerná adhézia alkydovej povrchovej úpravy na dreve poveternostne starnutom 30 dní bola väčšia na jadrovom ako na beľovom dreve. Tento rozdiel nebol štatisticky významný.
Adhézia olejovej povrchovej úpravy na nestarnutom dreve sa vyznačovala dobrou priľnavosťou k podkladu (viac ako 3 MPa). Adhézia na poveternostne starnutom beľovom dreve 30 dní bola významne väčšia ako na dreva bez poveternostného starnutia. Na jadrovom dreve poveternostne starnutom 30 aj 90 dní bola adhézia nepatrne väčšia ako na dreve nestarnutom. Olejová povrchová úprava na beli po 90 dňoch poveternostného starnutia mala adhéziu povrchovej úpravy porovnateľnú, prípadne menšiu ako adhézia na nestarnutom dreve. Pri poveternostnom starnutí dreva sa menila a oslabovala štruktúra povrchovej vrstvy. K porušeniu pri ťahu terčíka na olejovej povrchovej úprave dochádzalo v oslabených impregnovaných povrchových vrstvách dreva a predpokladáme, že na rozhraní prvého a druhého náteru. Z výsledkov vidíme, že olejová povrchová úprava dokázala spevniť povrchové vrstvy dreva starnutého 30 dní a zväčšiť ich kohéziu v porovnaní s nestarnutým drevom. Napriek tomu kohézia impregnovaných povrchových vrstiev dreva bola menšia ako adhézia olejovej povrchovej úpravy k drevu.
Obrázok 7 Adhézia povrchových úprav na nestarnutom a prirodzene poveternostne starnutom dreve.
Počas prvých fáz poveternostného starnutia (30 dní) sa hydrofóbny lignín rozkladal UV ožarovaním a vylúhoval sa z povrchu dreva dažďovou vodou spolu s celulózami a hemicelulózami (Reinprecht 2008), čo by mohlo zvýšiť zmáčavosť dreva (Oberhofnerová - Pánek 2016).
Pri vyhodnocovaní adhézie je veľmi dôležité správne stanoviť miesto porušenia na ploche pod terčíkom. Liptáková - Kúdela (2002) špecifikovali, že počas skúšky môžu nastať rôzne typy porušenia v systéme drevo – náterový film: v dreve, na rozhraní povrchovej vrstvy dreva / náterového filmu alebo vo vnútri náterového filmu.
Na alkydovej povrchovej úprave dochádzalo k porušeniu v povrchových vrstvách dreva a na rozhraní dreva s náterovým filmom (obrázok 8). K takémuto porušeniu dochádzalo na nestarnutých aj poveternostne starnutých telesách, častejšie na beľovom dreve. Pri porušení v povrchovej vrstve dreva môžeme predpokladať, že adhézia je väčšia ako kohézia povrchových vrstiev dreva. Na jadrovom dreve dochádzalo častejšie k adhéznemu zlomu (obrázok 9).
Na telesách poveternostne starnutých aj nestarnutých a povrchovo upravených olejovou povrchovou úpravou dochádzalo k porušeniu na rozhraní prvého a druhého náteru a zároveň aj v povrchových vrstvách dreva, ktoré boli impregnované touto olejovou náterovou látkou (obrázok 8). Svetlohnedé sfarbenie náterového filmu bolo voľným okom viditeľné na ploche odtrhnutého terčíka aj na ploche dreva (obrázky 8 a 9). Na základe tejto analýzy môžeme konštatovať, že kohézia dreva pod impregnovanou vrstvou je väčšia ako kohézia dreva impregnovaného olejovou povrchovou úpravou. Poškodenie, ktoré nastalo pri stanovovaní adhézie náterového filmu na dreve sa líšilo od typu povrchovej úpravy. V práci Slabejová (2012) sa uvádza, že náterový film vytvorený ako systém povrchovej úpravy mal väčšiu adhéziu v porovnaní s jednoduchým náterovým filmom. Štúdie Jaic - Zivanovic (1997) a Williams a kol. (2002) potvrdili významný vplyv rôznych typov povrchových úprav na adhéziu k rôznym poveternostne starnutým druhom dreva. V iných štúdiách Williams - Feist (1994) a Jirouš-Rajkovič a kol. (2007) sa pre borovicové drevo nezistili výrazné rozdiely v adhézii náterových filmov na povrchu dreva poveternostne starnutého.
Obrázok 8 Povrchy dreva a terčíkov po odtrhnutí náterového filmu na beľovom dreve o poveternostnom starnutí 30 dní.
Obrázok 9 Povrchy dreva a terčíkov po odtrhnutí náterového filmu na jadrovom dreve po poveternostnom starnutí 30 dní.
Záver
Po krátkodobom poveternostnom starnutí 30 a 90 dní počas zimných mesiacov na povrchu borovicového dreva sa mierne zhoršila povrchová drsnosť na beľovom aj jadrovom dreve. Drsnosť Ra bola väčšia v smere kolmo na priebeh vlákien ako v smere rovnobežne s priebehom vlákien.
Po povrchovej úprave poveternostne starnutého dreva boli zaznamenané nasledovné výsledky:
- Systém povrchovej úpravy na báze alkydovej živice vykazoval v priemere menšiu pevnosť v ťahu na beľových telesách ako na jadrových. K porušeniu dochádzalo v povrchových vrstvách dreva alebo na rozhraní dreva a náterového filmu.
- Povrchová úprava na báze oleja vykazovala v priemere menšiu pevnosť v ťahu na beľových telesách bez zvetrania ako alkydová a k porušeniu dochádzalo v povrchovej úprave a teda v penetrovanej povrchovej vrstve dreva.
- Väčšia variabilita pevnosti v ťahu beľových telies zvetrávaných 90 dní s olejovou povrchovou úpravou sa vyskytla pravdepodobne v dôsledku väčšej degradácie povrchu a následne zníženej kohéznej pevnosti povrchovej vrstvy dreva a zníženej kohéznej pevnosti olejovej povrchovej úpravy.
- Krátkodobé poveternostné starnutie výrazne neovplyvnilo adhéziu povrchových úprav.
Literatúra
- BULIAN F., GRAYSTONE J. 2009. Wood coatings: Theory and practice. Elsevier. 319 s.
- COOL, J., HERNÁNDEZ, R. E. 2016. Impact of three alternative surfacing processes on weathering performance of an exterior water-based coating. Wood and Fiber Science, 48(1): 43–53.
- DELPECH, M. C., COUTINHO, F. M. B. 2000. Waterborne anionic polyurethanes and poly(urethaneurea)s: influence of the chain extender on mechanical and adhesive properties. Polymer Testing, 19(8): 939–952.
- DE MEIJER, M., MILITZ, N. 1998. Wet adhesion measurements of wood coatings. European Journal of Wood and Wood Products, 56(5): 306.
- EVANS, P. D., THAY, P. D., SCHMALZL, K. J. 1996. Degradation of wood surfaces during natural weathering. Effects on lignin and cellulose and on the adhesion of acrylic latex primers. Wood Science and Technology, 30(6): 411–422.
- GINDL, M., REITERER, A., SINN, G., STANZL-TSCHEGG, S., E., 2004. Effects of surface ageing on wettability, surface chemistry, and adhesion of wood. Holz Roh Werkst, 62:273–280.
- JAIC, M., ZIVANOVIC, R. 1997. The influence of the ratio of the polyurethane coating components on the quality of finished wood surface. European Journal of Wood and Wood Products, 55(5): 319–322.
- JIROUŠ-RAJKOVIČ, V., BOGNER, A., MIHULJA, G., VRSALJKO, D. 2007. Coating adhesion and wettability of aged and preweathered fir wood and pine wood surfaces. Wood Research, 52(2): 39–48.
- KERBER, P. R., STANGERLIN, D. M., PARIZ, E., MELO, R. R., SOUZA, A. P., CALEGARI, L. 2016. Colorimetry and surface roughness of three amazon woods submitted to natural weathering. Nativa, Sinop, 4(5): 303–307.
- KLEIVE, K. 1986. Weathered wooden surfaces: their influence on the durability of coating systems. Journal of Coatings Technology, 58(740): 39–43.
- KÚDELA J., MRENICA L., JAVOREK Ľ. 2018. Influence of milling and sanding on wood surface morphology. Acta Facultatis Xylologiae Zvolen, 60(1): 71−83.
- LIPTÁKOVÁ, E., KÚDELA, J. 2002. Study of the system wood – coating material. Holzforschung, 56(5): 547−557.
- OBERHOFNEROVÁ, E., PÁNEK, M. 2016. Surface wetting of selected wood species by water during initial stages of weathering. Wood research, 61(4): 545–552.
- OBLAK, L., KRICEJ, B., LIPUSCEK, I. 2006. The comparison of the coating systems according to the basis criteria. Wood research, 51(4): 77-86.
- PODGORSKI, L., GRÜLL, G., TRUSKALLER, M., JEAN-DENIS LANVIN, J.- D., GEORGES, V., BOLLMUS, S. 2010. Wet and dry adhesion of coatings on modified and unmodified wood: comparison of the cross-cut test and the pull-off test. IRG 41, Biarritz, France 9-13. máj 2010.
- REINPRECHT, L. 2008. Ochrana dreva. Zvolen: TU vo Zvolene, 453 s.
- SLABEJOVÁ, G. 2016. Drsnosť a adhézia pri povrchovej úprave bukového dreva vodou riediteľnými náterovými látkami. Zvolen: TU vo Zvolene, 64 s.
- SLABEJOVÁ, G. 2012. Vplyv vybraných faktorov na stabilitu systému drevo – tuhý náterový film. Acta Facultatis Xylologiae Zvolen, Zvolen: TU vo Zvolene, 54(2): 57–65.
- TOLVAJ, L., MOLNAR, Z., & MAGOSS, E. 2014. Measurement of photodegradation-caused roughness of wood using a new optical method. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 134, 23–26.
- UGULINO, B., HERNÁNDEZ, R.E. 2016. Analysis of sanding parameters on surface properties and coating performance of red oak wood. Wood Material Science and Engineering, 1–9.
- UNDERHAUG, A., LUND, T. J., KLEIVE, K. 1983. Wood protection – the interaction between substrate and product and the influence on durability. Journal of the Oil and Colour Chemists' Association, 66(11): 345–350.
- WILLIAMS, R. S., FEIST, W. C. 1994. Effect of preweathering, surface roughness, and wood species on the performance of paint and stains. J. Coatings Tech. 66 (828):109–121.
- WILLIAMS, R. S., FEIST, W. C. 2001. Duration of wood preweathering: effect on the service life of subsequently applied paint. Journal of Coatings Technology, 73(920): 65–72.
- WILLIAMS, R. S., WINANDY, J. E., SOTOS, P. G., FEIST, W. C. 2002. Correlation of adhesive strength with service life of paint applied to weathered wood. Paper, 161, 17–20.
Poďakovanie
Autori vyjadrujú poďakovanie Ministerstvu školstva SR na základe projektu VEGA 1/0822/17, VEGA 1/0729/18 a Agentúre pre podporu výskumu a vývoja SR, projekt č. APVV-16-0177.
Treatment of wood surfaces with various finish coating materials is recommended for long term protection of wood products exposed outdoor. Due to natural weathering, the colour and the surface roughness of uncoated wood is changed. However, in practice it can happen that wood in constructions has been weathered before to application of a finish. In this work, selected properties of sapwood and heartwood of pine (Pinus sylvestris, L.) surface such as surface roughness and adhesion of coating film were investigated on the surfaces of previous naturally weathered wood Two coating materials useable for wooden constructions in exterior conditions were used: dark brown polyurethane-based system and light brown oil-based surface treatment. The results of pull-off test for adhesion showed that the polyurethane coating film showed the weakest point in the pre-weathered layer of wood substrate and also at the wood/coating interface. The oil-based surface treatment had the weakest place inside the coating film or in the coating penetration layer in the wood substrate. Pre-weathering did not significantly affect the adhesion the coating film on wood. The result of the pull-off test for adhesion of both surface treatments was significantly greater on the heartwood surfaces than on the sapwood surfaces of the sound wood.