Исследование водопоглощения подложек из древесины твёрдых и мягких пород с защитно-декоративным покрытием

Древесина является гигроскопичным материалом, который может не только поглощать, но и отдавать воду. За счёт этого влажность древесины варьируется при изменении относительной влажности и температуры окружающего воздуха [1].

Вследствие пористого строения при непосредственном контакте с капельножидкой влагой древесина способна увеличивать свою влажность. Это свойство древесины называется водопоглощением, которое необходимо учитывать при выборе защитно-декоративного покрытия. Водопоглощение зависит от влажности древесины, и чем она выше, тем меньше жидкости древесина впитывает. Абсолютно сухая древесина в сутки может впитать более 30 % воды [1], [2].

Исследования, проведённые ранее, показывают, что повышение температуры увеличивает скорость проникновения жидкости и даёт возможность в определённых пределах регулировать процесс пропитки. Результаты опытно-экспериментальных работ Е. В. Харук, А. Д. Ломакина и других исследователей показали, что высокотемпературная обработка древесины увеличивает её проницаемость только в нагретом состоянии. После охлаждения древесина вновь становится практически непроницаемой поперёк волокон. Наилучшие результаты получены при нагреве древесины до 120—130 °С. Более высокая температура не только не вызывает дальнейшего увеличения глубины пропитки, но даже приводит к её уменьшению. Кроме того, повышение температуры приводит к снижению прочности древесины. Очень важным фактором, увеличивающим проницаемость древесины при высокой температуре (выше 100 °С), является расплавление при этой температуре смолы [3], [4].

Порода древесины и её строение также оказывают влияние на проницаемость древесины защитно-декоративными составами [2], [5], [6]. Экспериментально было установлено, что с увеличением процентного содержания поздней древесины наблюдается некоторое повышение проникающей способности для сосны, пихты и кедра. Особенно чётко это выражено для сосны: с увеличением ширины годичных слоёв коэффициент проницаемости резко возрастает [4].

Водопоглощение достаточно интенсивно меняется в зависимости от формы и размеров образца. Это имеет существенное значение для скорости поглощения. Скорость проникновения жидкости в древесину в значительной степени зависит от направления волокон при впитывании. Наибольшая скорость поглощения наблюдается с торцов (вдоль волокон), она во много раз превосходит скорость поглощения поперёк волокон. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе методов и режимов нанесения защитно-декоративных составов, а также определения качества пропитки [1], [2].

Древесина для изготовления изделий с повышенной добавленной стоимостью (музыкальные инструменты, сувенирная продукция, детские развивающие игры и др.) должна быть экологически чистой и качественной (с минимальными пороками). Также для данного вида продукции особое значение приобретает выбор защитно-декоративных покрытий, где необходима сочетаемость эстетических и защитных (в т. ч. влагозащитных) свойств материалов. Прежде всего, к таким изделиям относятся музыкальные инструменты. Они, как правило, эксплуатируются в помещениях различной степени влажности, а также на открытом воздухе.

На фото 1 представлен струнный щипковый карело-финский народный музыкальный инструмент — кантеле, основными конструктивными элементами которого являются: 1 — корпус, 2 — верхняя дека, 3 — нижняя дека, 4 — струнодержатель.

Фото 1. Струнный народный музыкальный инструмент — кантеле [фото авторов]

Photo 1. Stringed folk musical instrument — kantele

Проведённая опытно-экспериментальная работа, а также анализ научных публикаций в области проектирования и изготовления струнных музыкальных инструментов показали, что наиболее приемлемая порода древесины для дек — ель [7]. Для изготовления нижней деки может применяться сосна (фанера). Силовые элементы инструментов (например, струнодержатели) изготавливают из древесины твёрдых лиственных пород (берёзы, клёна, красного дерева и др.) [8].

В качестве защитно-декоративных материалов для деталей и узлов струнных музыкальных инструментов могут быть использованы различного вида лаки, а также масла, воски и пропитки для дерева.

Исследования, связанные с технологиями обработки древесины защитно-декоративными материалами, представлены в научных трудах А. А. Барташевича, В. И. Онегина, Б. М. Рыбина, A. M. Aytin, E. Basri, K. Kılıç A. Mihăilă, Han Ya и других авторов [4—6], [9— 19]. Однако вопросы, связанные с выбором защитно-декоративных покрытий по различным критериям в соответствии с предъявляемыми требованиями для музыкальных инструментов, освещены недостаточно.

В работе представлены результаты исследований по определению водопоглощения массива древесины ели, сосны, берёзы, а также древесного материала — берёзовой фанеры (семислойной) ФК (связующее — карбамидоформальдегидный клей) с нанесёнными защитно-декоративными покрытиями, которые могут быть применены при изготовлении струнных народных музыкальных инструментов.

Объектом исследования выступает процесс водопоглощения древесины и древесных материалов. Предметом исследования является определение водопоглощения образцов из твёрдых и мягких пород древесины и древесных материалов, обработанных защитнодекоративными покрытиями.

Целью исследования является определение оптимального варианта защитнодекоративных покрытий для струнных народных музыкальных инструментов по критериям «водопоглощение — внешний вид».

В соответствии с поставленной целью, выделенными объектом и предметом в ходе исследовании решались следующие основные задачи:

• ■    определить показатели водопоглощения (в процентах) для образцов из ели, сосны, берёзы, фанеры, обработанных полиуретановым, акриловым, нитроцеллюлозным лаками, маслом-воском, морской солью, активированным углëм (с вазелиновым маслом);

• ■    оценить внешний вид (изменение цвета, контрастности текстуры) древесины образцов после обработки представленными защитно-декоративными материалами;

• ■    выявить оптимальные варианты защитно-декоративных покрытий по критериям «водопоглощение — внешний вид» для деталей (корпусов, дек и струнодержателей) струнных народных музыкальных инструментов.

2.    Материалы и методы

Определение водопоглощения производилось по ГОСТ 11488-65.

Сушка пиломатериалов (досок) из древесины ели, сосны, берёзы, из которых в дальнейшем были изготовлены образцы, производилась естественным путëм в два этапа.

• ■    1-й этап: естественная сушка в складском помещении до влажности древесины 20—22 % (в течение 8 недель);

• ■    2-й этап: естественная сушка при комнатной температуре до параметров влажности 10—12 % (3 недели). Данное значение влажности древесины является оптимальным для изготовления конструктивных элементов музыкальных инструментов.

Для проведения опытно-экспериментальной работы по определению водопоглощения были изготовлены образцы из массива древесины ели, сосны, берёзы и древесного материала — фанеры размером 30 × 30 × 10 мм без видимых пороков (фото 2).

Образцы покрывались различными защитно-декоративными составами: акриловым, полиуретановым и нитроцеллюлозным лаками, маслом-воском, активированным углём (с вазелином), а также морской солью. Нанесение покрытий проводилось в два слоя с промежуточным шлифованием между слоями с целью удаления ворса.

Покрытие лаками осуществлялось вдоль волокон при помощи губки. После нанесения первого слоя проводились сушка (продолжительностью не менее 3—4 ч), последующее шлифование, а затем наносился второй слой лака.

Фото 2. Образцы для исследования (из древесины ели, сосны, берёзы, фанеры) [фото авторов]

Photo 2. Samples for research (from spruce, pine, birch, plywood)

Масло-воск для дерева втиралось ветошью из хлопчатобумажной ткани равномерно тонким слоем по всей поверхности обрабатываемой площади образца. Излишки масла удалялись с помощью салфетки.

В случае использования активированного угля он был измельчён до фракции порошка, высыпан на поверхность образца и затем втирался в поры древесины. После этого поверхность шлифовалась и наносилось вазелиновое масло (сухой способ). Возможен вариант предварительного смешения угля и масла с последующим нанесением двухкомпонентного состава на поверхность древесины (мокрый способ) и окончательным шлифованием.

При способе нанесения покрытия морской солью её разводили в кипящей воде из расчёта 1 кг на 5 л с добавлением 50 г борной кислоты и покрывали этой смесью поверхности образцов при помощи кисти.

После полного высыхания защитно-декоративных покрытий образцы взвешивались в абсолютно сухом состоянии, а затем выдерживались в ванне с дистиллированной водой (фото 3).

Фото 3. Образцы, помещённые в ванну с дистиллированной водой [фото авторов]

Photo 3. Samples placed in a bath of distilled water

Образцы взвешивали через 2 ч после начала выдерживания, а затем через сутки, 2, 4, 7, 12, 20 и 30 суток. Взвешивание производилось на электронных весах. По результатам периодических взвешиваний и известной массе образцов в абсолютно сухом состоянии определяли текущую влажность в процессе водопоглощения по формуле v = ml-m* 100%i где V — водопоглощение (влажность), %; m1 — масса образца после выемки из ванны, г; m — масса абсолютно сухого образца, г.

Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась на персональном компьютере с использованием пакета прикладных программ Excel.

3.    Результаты

На основе полученных данных были построены диаграммы водопоглощения в координатах «влажность древесины — продолжительность выдерживания» (рисунки 1—6). Показателем водопоглощения являются диаграмма и максимальная влажность древесины (в процентах), соответствующая 30-суточному (720 ч) выдерживанию образцов в воде.

Рисунок 1. Водопоглощение образцов, покрытых полиуретановым лаком [рисунок авторов]

Figure 1. Water absorption of samples coated with polyurethane varnish

Рисунок 2. Водопоглощение образцов, покрытых нитроцеллюлозным лаком [рисунок авторов]

Figure 2. Water absorption of samples coated with nitrocellulose varnish

Resources and Technology 22 (2): 67-83, 2025 ISSN 2307-0048

Рисунок 3. Водопоглощение образцов, покрытых акриловым лаком [рисунок авторов]

Figure 3. Water absorption of samples coated with acrylic varnish

Рисунок 4. Водопоглощение образцов, обработанных маслом-воском [рисунок авторов]

Figure 4. Water absorption of samples treated with oil-wax

Рисунок 5. Водопоглощение образцов, обработанных морской солью [рисунок авторов]

Figure 5. Water absorption of samples treated with sea salt

Рисунок 6. Водопоглощение образцов, обработанных углём и вазелином [рисунок авторов]

Figure 6. Water absorption of samples treated with coal and vaseline

Анализ представленных выше диаграмм показывает, что наиболее приемлемый вариант для древесины ели — это покрытие солью (водопоглощение 62 %), для сосны — полиуретановый лак и соль (75 %). Древесина берёзы показала примерно одинаковый процент водопоглощения для всех видов покрытий (около 80 %), кроме обработки морской солью (125 %). Наилучший показатель для фанеры — нитроцеллюлозный лак (50 %). Для всех рассматриваемых пород древесины и древесных материалов оптимален полиуретановый лак.

4.    Обсуждение и заключение

Используемые в экспериментальной работе защитно-декоративные покрытия условно разделены на два вида. Это традиционные современные покрытия лаками и маслами для древесины, широко используемые на производстве и в быту, и нетрадиционные способы обработки: активированным углём и морской солью.

Среди основных особенностей полиуретанового лака следует отметить, что он равномерно распределяется по древесине, хорошо проникает в поры, создавая при этом тонкую и прочную плëнку. Цвет древесины после лакирования без видимых изменений. Полиуретан более эластичен, это предотвратило растрескивание плёнки. Данный лак не «состаривается», его качества не ухудшаются со временем. Однако полиуретановые лаки сложнее в применении, имеют жёлтый оттенок (но не такой выраженный, как у нитролаков, со временем желтеют не так сильно) и меньший сухой остаток по сравнению с полиэфирными лаками. Среди достоинств следует отметить также большую химическую и механическую стойкость по сравнению с нитролаками, относительную простоту применения (по сравнению с полиэфирными лаками), хорошую адгезию, эластичность и меньшее (по сравнению с акриловыми лаками) время полной полимеризации [20].

Нитроцеллюлоза (НЦ) до конца не высыхает, она менее жёсткая и не стягивает дерево в отличие от других покрытий, что очень хорошо отражается на резонансе инструмента. Хотя для звука это плюс, для надёжности это минус. К недостаткам использования лака НЦ можно отнести резкий запах растворителя. Нитролак склонен к пожелтению, растрескиванию. Покрытие не устойчиво химически, что усложняет уход за ним [20]. По результатам исследований нитролак показал низкий уровень водопоглощения для фанеры и берёзы.

Акриловый лак обычно используют для покрытия электрогитар. Акрил хорошо впитывается в древесину и даёт эластичную тонкую плёнку. Акриловый лак не имеет цвета, он абсолютно прозрачен (в отличие от нитроцеллюлозных и полиуретановых лаков). Однако основной недостаток данного лака в том, что полная полимеризация занимает около двух месяцев. Во время нанесения покрытия необходимо обращать внимание на присутствие пыли в помещении, наличие которой крайне не приветствуется [20]. По критерию «водопоглощение» акриловый лак сопоставим с покрытием маслом-воском.

Нанесённое на образцы масло-воск подчеркнуло текстуру древесины, придало блеск деревянным поверхностям. Масло-воск достаточно хорошо защищает древесину от пересыхания, влаги и грязи, что значительно «продлевает жизнь» музыкальным инструментам. Однако такое покрытие требует более частого обновления по сравнению с лаками.

В настоящее время существует большой ассортимент экологически чистых масел для древесины: минеральное, тиковое, тунговое, льняное, лимонное и др. Лимонное масло предназначено специально для обработки деревянных поверхностей струнных музыкальных инструментов (например, гитар). Однако все они уступают лакам по твёрдости и износостойкости покрытий.

В случае покрытия активированным углём угольная пыль попадает в поры древесины и в результате получается контрастно-выраженная текстура. Водопоглощение сопоставимо с показателями при обработке морской солью.

При обработке морской солью анализ экспериментальных данных показал примерно одинаковый показатель водопоглощения, что и традиционными лаками (80—120 %). Это говорит о том, что представленный вид обработки может быть применён с целью необходимости сохранения первоначального цвета и текстуры древесины с достаточно высокой степенью влагостойкости.

Таким образом, проведённое исследование позволило сделать следующие выводы:

• 1.    При выборе защитно-декоративных материалов для корпусов, дек и силовых элементов струнных музыкальных инструментов, наряду с такими показателями, как скорость отверждения, твёрдость плёнки, износостойкость покрытия, адгезия и др., немаловажное значение имеет показатель влагозащищëнности.

• 2.    С целью защиты музыкальных инструментов от влаги наиболее приемлемым вариантом традиционной защитно-декоративной отделки для всех рассматриваемых пород древесины и древесных материалов выступает полиуретановый лак.

• 3.    В связи с достаточно высокой экологичностью масло-воск может быть применено на детских музыкальных инструментах. При этом такое покрытие достаточно хорошо защищает от влажности, но чаще требует обновления по сравнению с лаками.

• 4.    Несмотря на то что покрытие морской солью служит, прежде всего, для защиты древесины от гнили и грибковых поражений, целесообразно использовать данный вид покрытия также и в случае необходимости сохранения текстуры и цвета древесины при достаточно высокой водоотталкивающей способности.

• 5.    Для обеспечения наиболее выраженной текстуры и контрастности древесины с сохранением водоотталкивающих свойств рекомендуется использовать покрытие активированным углём и маслом (например, вазелиновым).

• 6.    Масла, воски и пропитки для древесины могут найти своё применение при отделке выставочных образцов музыкальных инструментов, а также при изготовлении их уменьшенных сувенирных копий.

Представленные рекомендации могут стать основой для дальнейших научных исследований в области выбора защитно-декоративных материалов для музыкальных инструментов.