کاربرد پوشش‌های اپوکسی‌اکریلات و یورتان‌اکریلات قابل پخت با امواج فرابنفش برای بهبود مقاومت چوب در برابر هوازدگی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی‌ارشد ،گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران،

2 دانشیار ، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران،

3 استادیار، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران،

4 دانشیار ، گروه مهندسی پلیمر و تکنولوژی رنگ، دانشگاه امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

سابقه و هدف: یکی از مؤثرترین روش‌ها برای حفاظت چوب در برابر هوازدگی استفاده از پوشش‌ها است. در بین انواع پوشش‌ها، پوشش‌های تابش پخت به دلیل سرمایه‌گذاری کم، هزینه و مصرف انرژی کم، مقدار ماده جامد بالا و نبود حلال، گیرایی سریع و راندمان بالا و غیره مورد توجه و استفاده پژوهشگران قرار گرفتند. در این پژوهش، اثر دو نوع پوشش شفاف UV پخت (اپوکسی‌اکریلات و یورتان‌اکریلات) بر مقاومت به هوازدگی چوب نوئل بررسی شد.
مواد و روش‌ها: پوشش‌ها (اپوکسی اکریلات و یورتان اکریلات) به کمک فیلم‌کش با ضخامت 200 میکرون بر روی نمونه‌های چوب نوئل اعمال شدند. سپس، عملیات پخت پوشش‌های یورتان اکریلات و اپوکسی اکریلات در دستگاه پخت UV به ترتیب برای مدت 5 و 40 ثانیه انجام شد. پس از پخت، نمونه‌های پوشش‌خورده و بدون پوشش (کنترل) به مدت شش ماه در معرض هوازدگی طبیعی قرار گرفتند. در نهایت، با استفاده از طیف سنجی مادون قرمز (ATR-FTIR)، مطالعات استریومیکروسکوپ، میکروسکوپ الکترونی SEM، رنگ‌سنجی، اندازه‌گیری زبری سطح، زوایه تماس دینامیک آب و چسبندگی خراشی، تاثیر هوازدگی بر عملکرد هر یک از انواع پوشش‌ها مورد بررسی قرار گرفت.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که چوب بدون پوشش در اثر هوازدگی دچار تغییررنگ شده و بر زبری سطح آن‌ افزوده شد. بعد از هوازدگی، در چوب بدون پوشش، ترک‌های سطحی زیادی رخ داد. همچنین، ترک‌های زیادی در سطح پوشش داده شده توسط یورتان‌اکریلات ایجاد شد، درحالی که در پوشش اپوکسی‌اکریلات آثاری از ترک‌های سطحی مشاهده نشد. شدت تغییررنگ ناشی از هوازدگی در نمونه شاهد بیشتر از نمونه‌های پوشش‌خورده بود. مقاوم‌ترین پوشش در برابر تغییرات رنگی ناشی از هوازدگی، پوشش اپوکسی‌اکریلات بود. تغییرات مقدار زاویه تماس در اثر هوازدگی علاوه بر تغییرات شیمی سطح چوب متاثر از وقوع ترک‌های سطحی و افزایش زبری سطح بود. نتایج ATR-FTIR نیز نشان داد که کاهش شدت پیک در اعداد موجی cm-1 1740 (ارتعاش کششی C=O) و cm-1 1504 و 1595 (ارتعاش C=C در حلقه آروماتیک لیگنین) حاکی از تخریب همی‌سلولزها و تشکیل ترکیبات کربونیل جدید و تخریب لیگنین در اثر هوازدگی چوب است. کاهش شدت پیک در اعداد موجی cm-11510 (ارتعاش گروه‌های یورتانی CO-NH) و cm-1 1248 (ارتعاش کششی C-O-C ) در نمونه‌های پوشش‌خورده با پوشش یورتان‌اکریلات حاکی از گسیختگی زنجیر یورتانی در اثر تابش امواج UV است. نتایج همچنین نشان داد که پوشش یورتان‌اکریلات چسبندگی کم‌تری در مقایسه با پوشش اپوکسی اکریلات داشت و در اثر هوازدگی چسبندگی هر دو نوع پوشش کاهش یافت.
نتیجه‌گیری: به طور کلی هر دو نوع پوشش موجب بهبود مقاومت به هوازدگی چوب شدند. با این وجود، پوشش اپوکسی‌اکریلات در مقایسه با پوشش یورتان‌اکریلات عملکرد مطلوب‌تری داشته و در برابر هوازدگی مقاوم‌تر بود، به طوری که چسبندگی و رنگ آن کم‌تر تحت‌تاثیر هوازدگی قرار گرفت و عاری از ترک‌های سطحی بود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

The use of UV curing epoxy-acrylate and urethane-acrylate coatings for improving the weathering resistance of wood

نویسندگان [English]

  • Homa Karbalaei 1
  • Asgar Taremiyan 2
  • Davood Rasouli 3
  • Saeed Pourmahdian 4
1 Department of Wood and Paper Science & Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj,
2
3 Department of Wood Engineering and Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan
4 Department of Polymer Engineering and Color Technology, Amirkabir University of Technology, Tehran,
چکیده [English]

Background and objective: One of the most effective methods to protect wood against weathering is the use of coating. Among different coatings, light-curing ones have been attracted much attention due to less investment, low energy consumption, low cost, high solid content and solvent-free, high speed curing and yield, etc. In this study, the effect of two transparent UV-curing coatings, including epoxy acrylate and urethane acrylate on the weathering resistance of spruce wood was investigated.
Materials and methods: 200 mm-thick coating layers were applied on the surface of wood using a film applicator followed by UV-curing process of epoxy acrylate and urethane acrylate each for 5 and 40 seconds, respectively. Then, the coated specimens and control one were exposed to 6 months weathering. Finally, the effect of weathering on the specimens were tested using ATR-FTIR, stereo microscope, SEM, calorimetry, roughness, water-droplet contact angle and cross-cut adhesion.
Results: Results showed that the color of uncoated wood specimens changed and their roughness increased due to weathering. Many surface cracks occurred in the uncoated wood after weathering. Many cracks were also developed on the surface of urethane-acrylate coating, while no surface cracks were observed in the epoxy-acrylate coating. The discoloration level caused by weathering was higher in the control sample compared to that of the coated samples. The most resistant coating to the weathering discoloration was epoxy acrylate. The contact angle of weathered samples was affected by the surface cracks and roughness values in addition to changes on the surface chemistry. ATR-FTIR results showed a reduction in the intensity of peaks at wavenumbers of 1740 cm-1 (vibration of C=O) and 1504 and 1595 cm-1 (vibration of C=C in aromatic ring of lignin) which indicates the degradation of hemicelluloses and formation of new carbonyl compounds and lignin degradation in specimens due to the weathering. Reduction in the intensity of peaks at wavenumbers of 1510 cm-1 (vibration of CO-NH) and 1248 cm-1 (vibration of C-O-C) in wood samples coated by urethane acrylate showed the cleavage of urethane chains due to UV radiation. Results also showed that urethane acrylate had lower adhesion strength than epoxy acrylate, and the strength was reduced for both coatings as the result of weathering.
Conclusions: In general, both epoxy-acrylate and urethane acrylate coatings increased the resistance of wood against weathering. However, epoxy acrylate had much better performance compared to urethane acrylate. The adhesion strength and color of the epoxy-acrylate coating with no surface cracks were less affected by the weathering.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Spruce wood
  • epoxy acrylate
  • urethane acrylate
  • weathering

مراجع

1.Akbarnegad, M. 2014. Use of nanocellulose to increase the weathering resistance of acrylic coating used on beech surface. M.Sc. thesis. Groan University of Agricultural Sciences and natural Resources, Groan, Iran. 75p.(In Persian)
2.Akhtar, M. 2010. Investigation of microscopic structure and chemical changes in beech wood during weathering process. J. of Wood and Forest Science and Technology. 17: 3. 113-124.(In Persian)
3.Ansari, F., Lindh, E.L., Furo, I., Johansson, M.K., and Berglund,L.A., 2016. Interface tailoring through covalent hydroxyl-epoxy bonds improves hygromechanical stability in nanocellulose materials. Composites Science and Technology. 134: 175-183.
4.Bongiovanni, R., Montefalco, F., Priola, A., Marchionni, N., Lazzara, S., Suozzi, L., and Amador, B. 2002. High performance UV-cured coatings for wood protection. Progress in Organic Coatings. 45: 359-363.
5.Chang, S.T., and Chou, P.L. 1999. Photo-discoloration of UV-curable acrylic coatings and the underlying wood. Polymer Degradation and Stability.63: 3. 435-439.
6.Chavoshi, N., Rostami, M., Ghahari, M., and Najafi, F. 2003. UV-curable silica-novolac epoxy methacrylate hybrid resin for surface coating: synthesis and characterization. Color Science and Technology. 8: 295-305.
7.Chehreh, F., and Mastari Farahani, M. 2015. Surface droplet contact angle and colour characteristics of eastern cottonwood treated with nano-copper oxide and exposed to natural weathering. J. International Wood Products. 6: 2. 69-
8.Choi, J.H., and Kim, H.J. 2006. Three hardness test methods and their relationship on UV-curable epoxy acrylate coatings for wooden flooring systems. J. of Industrial and Engineering Chemistry. 12: 3. 412-417.
9.Dawson, S.W., Singh, A.P., Kroese, H.W., Schweitzer, M.A., Gallagher, S., Riddiough, S.J., and Wu, S. 2008. Enhancing exterior performance of clear coatings through photo stabilization of wood Part 2: coating and weathering performance. J. of Coatings Technology and Research. 5: 2. 207-219.
10.Decker, C., Masson, F., and Schalk, R. 2004. Weathering resistance of water-based UV-cured polyurethane-acrylate coatings. Polymer Degradation and Stability. 83: 2. 309-320.
11.Decker, C., Moussa, K., and Bedikah, T. 1991. Photodegradation of UV‐cured coatings II. Polyurethane–acrylate networks. J. of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. 29: 5. 739-747.
12.Evans, P.D. 2012. Weathering of wood and wood composites. P 151-216. In: R.M. Rowell (ed). Handbook of wood chemistry and wood composites. CRC press. Boca Raton, USA.
13.Goleman, H. 2019. The effect of alkyd coatings on the color changes and adhesion strength in parallel and perpendicular to fibers of date palm trees. Forest and Wood Products.72: 1. 67-77.
14.González, M.G., Cubanelles, J.C., and Baseload, J. 2012. Applications of FTIR on epoxy resins-identification, monitoring the curing process, phase separation and water uptake. P 261-284. In: T. Theophile (ed). Infrared spectroscopy-materials science, engineering and technology. InTech. Madrid.
15.Hardies, R., Jessop, J.L., Peters, F.E., and Kessler, M.R. 2013. Cure kinetics characterization and monitoring of an epoxy resin using DSC, Raman spectroscopy, and DEA. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 49: 100-108.
16.Izee, S., Yousefi, H., Mashkour, M., and Rasouli, D. 2020. Fabrication and properties evaluation of three layered transparent nanocomposite reinforced with cellulose and chitin nanofibers.J. of Wood and Paper Industries.10: 4. 495-505.
17.Kenong, D., Kenong, N., and Akepiro, S. 2011. Curing behavior of a UV-curable coating based on urethane acrylate oligomer: the influence of reactive monomers. J. of Science and Technology. 3: 2. 201.
18.Lebow, S., and Groenier, S. 2006. Preservative treated wood and alternative products in the forest service. Forest Service USDA. 9: 3. 257-277.
19.Macleod, I.T., Scully, A.D., Ghiggino, K.P., Ritchie, P.J.A., Paravagna, O.M., and Leavy, B. 1995. Photo degradation at the wood clear coat interface. Wood Science and Technology. 29: 9. 183-189.
20.Mirabedini, S.M., Sabzi, M., Zohuriaan-Mehr, J., Atai, M., and Behzadnasab, M. 2011. Weathering performance of the polyurethane nanocomposite coatings containing silane treated TiO2 nanoparticles. Applied Surface Science. 257: 9. 4196-4203.
21.Ramesh, K., Nor, N.M., Ramesh, S., Vengadaesvaran, B., and Arof, A.K. 2013. Studies on electrochemical properties and FTIR analysis of epoxy polyester hybrid coating system. International. J. of Electrochemical Science. 8: 8422-8432.
22.Sow, C., Riedl, B., and Blanchet, P. 2011. UV-waterborne polyurethane-acrylate nanocomposite coatings containing alumina and silica nanoparticles for wood: mechanical, optical, and thermal properties assessment. J. Coating Technology and Research. 8: 2. 211-221.
پژوهش‌های علوم و فناوری چوب و جنگل
دوره 28، شماره 1
خرداد 1400
صفحه 115-132

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار