بررسی عملکرد پوشش پلی‌اورتان پایه آب لایه نشانی شده به وسیله پوشش دهی دورانی در ضخامت‌های مختلف روی چوب راش تحت کهنگی تسریع شده

حسن زاده فرد, فاطمه; جنوبی, مهدی; احمدی, پیمان

doi:10.22092/ijwpr.2026.371631.1822

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشجوی کارشناسی ارشد گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

² استاد، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

³ پژوهشگر فوق دکتری، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

10.22092/ijwpr.2026.371631.1822

چکیده

بیان مسئله و اهداف: پوشش‌دهی سطح چوب نقش مهمی در افزایش دوام، پایداری ابعادی و مقاومت آن در برابر عوامل محیطی دارد. در این میان، پوشش‌های پلی‌یورتان پایه آب (WBPU) به دلیل سازگاری زیست‌محیطی و عملکرد مناسب، به‌عنوان جایگزینی پایدار برای سامانه‌های پایه حلال موردتوجه قرارگرفته‌اند. بااین‌حال، عملکرد این پوشش‌ها به‌شدت تحت تأثیر روش اعمال و ضخامت فیلم قرار دارد. باوجود اهمیت این عامل، بررسی نظام‌مند اثر ضخامت پوشش، به‌ویژه هنگام اعمال با روش‌های نوین مانند ‌روش اسپین‌کوتینگ، در شرایط کهنگی تسریع‌شده محدود است. در این پژوهش، ‌روش اسپین‌کوتینگ به‌عنوان رویکردی نوآورانه برای پوشش‌دهی چوب معرفی‌شده و اثر ضخامت‌های مختلف پوشش WBPU بر عملکرد سطحی و مکانیکی چوب راش (Fagus orientalis) ارزیابی می‌شود. هدف اصلی، تعیین ضخامت بهینه‌ای است که تعادل مناسبی میان آب‌گریزی، چسبندگی، ثبات ظاهری و دوام در برابر کهنگی ایجاد کند.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش، نمونه‌های چوب راش با استفاده از یک پوشش پلی‌یورتان پایه آب آکریلیکی تجاری، به‌روش اسپین‌کوتینگ و در چهار سطح (۳، ۶، ۹ و ۱۲ دور پوشش) تیمار شدند. در هر دور، سرعت چرخش ۲۰۰۰ دور بر دقیقه و زمان اعمال ۳۰ ثانیه بود. ضخامت نهایی فیلم‌ها با استریو میکروسکوپ و پردازش تصویری اندازه‌گیری شد. مجموعه‌ای جامع از آزمون‌های فیزیکی و سطحی، قبل و بعد از کهنگی تسریع‌شده، بر روی نمونه‌ها انجام گرفدید؛ ازجمله جذب آب، زبری سطح، زاویه تماس قطره آب و تغییر رنگ (ΔE) چسبندگی کششی و چسبندگی خراشی. کهنگی تسریع‌شده از طریق قراردهی در محفظه‌ دما-رطوبت انجام شد. در ادامه، برای یافتن ضخامت بهینه، از بهینه‌سازی چندمعیاره با استفاده از ابزار Response Optimizer نرم‌افزار Minitab استفاده شد.
نتایج: نتایج نشان داد که افزایش تعداد لایه‌ها، ضخامت پوشش را به‌صورت تقریباً خطی از ۷۵ تا ۲۸۶ میکرومتر افزایش داد. پوشش‌های ضخیم‌تر، جذب آب کمتری نشان دادند و زاویه تماس قطره آب در آن‌ها بیش از ۹۰ درجه بود که بیانگر افزایش خاصیت آب‌گریزی است. پس از کهنگی، تغییر رنگ نمونه‌ها در پوشش‌های ضخیم‌تر کاهش یافت؛ به‌طوری‌که تیمار ۹ دور بهترین تعادل را ازنظر ثبات رنگ (84/7). زبری پایین و حفظ براقیت داشت. این تیمار بالاترین چسبندگی کششی را پیش از کهنگی (99/2 مگاپاسکال) نشان داد و پس از کهنگی نیز چسبندگی قابل‌توجهی حفظ شد که بیانگر اتصال بین سطحی قوی و ساختار پایدار بود. در مقابل، تیمار ۱۲ دور باوجود مقاومت رطوبتی بالاتر، افت چسبندگی قابل‌ملاحظه‌ای داشت که احتمالاً ناشی از تنش‌های داخلی یا ایجاد ریزترک در لایه‌های ضخیم بود. چسبندگی خراشی در همه تیمارها در شرایط اولیه در سطح (5B) باقی ماند، ولی در تیمارهای ضخیم‌تر پس از کهنگی کمی کاهش یافت. فرایند بهینه‌سازی چندمعیاره نشان داد که ضخامت حدود ۲۰۶ میکرومتر (مطابق با تیمار ۹ دور)، بالاترین امتیاز مطلوبیت ترکیبی (94/0) را در میان تمامی پارامترهای ارزیابی‌شده کسب می‌کند. این یافته تأیید می‌کند که افزایش ضخامت از یک مقدار بهینه، لزوماً بهبود عملکرد را در پی ندارد، حتی ممکن است به افت چسبندگی یا یکنواختی ظاهری به علت تنش مکانیکی در فرایند خشک شدن یا طی عمر مفید منجر شود.
نتیجه‌گیری: می‌توان نتیجه گرفت که اسپین‌کوتینگ روشی مؤثر و نوآورانه برای اعمال پوشش‌های یکنواخت و باضخامت کنترل‌شده پلی‌یورتان پایه آب بر روی زیر لایه‌های چوبی است. ضخامت پوشش، عامل تعیین‌کننده‌ای در بهبود مقاومت رطوبتی، کیفیت سطح، ثبات رنگ و چسبندگی نهایی به‌شمار می‌رود. ضخامت میانه در حدود ۲۱۰ میکرومتر، بهترین عملکرد ترکیبی را ارائه می‌دهد و برای کاربردهای عملی در مبلمان داخلی، اجزای معماری و حفاظت از آثار چوبی پیشنهاد می‌شود. این پژوهش مبنایی مناسب برای توسعه‌ سامانه‌های پوشش‌دهی پایدار و مهندسی‌شده در صنعت چوب فراهم می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

حفاظت و اصلاح چوب

مراجع

-Cogulet, A., Blanchet, P. and Landry, V., 2018. The multifactorial aspect of wood weathering: a review based on a holistic approach of wood degradation protected by clear coating. BioResources, 13(1):2116-2138. https://doi.org/10.15376/biores.13.1.Cogulet

-Chang, H., Tu, K., Wang, X. and Liu, J., 2015. Fabrication of mechanically durable superhydrophobic wood surfaces using polydimethylsiloxane and silica nanoparticles. Rsc Advances, 5(39), 30647-30653.‏ https://doi.org/10.1039/C5RA03070F

-Derome, D., Rafsanjani, A., Patera, A., Guyer, R. and Carmeliet, J., 2012. Hygromorphic behaviour of cellular material: hysteretic swelling and shrinkage of wood probed by phase contrast X-ray tomography. Philosophical Magazine, 92(28-30), 3680-3698. ‏https://doi.org/10.1080/14786435.2012.715248

-Erdinler, E. S., Koc, K. H., Dilik, T. and Hazir, E., 2019. Layer thickness performances of coatings on MDF: Polyurethane and cellulosic paints. Maderas. Ciencia y tecnología, 21(3), 317-326.‏ https://doi.org/10.4067/S0718-221X2019005000304

-Francis, R. A., 2019. Dry Film Thickness: Is More Coating Always Better?. In Coatings+ 2019 (pp. 1-8). Association for Materials Protection and Performance.‏ https://doi.org/10.5006/S2019-00019

-Gibbons, M. J., Nikafshar, S., Saravi, T., Ohno, K., Chandra, S. and Nejad, M., 2020. Analysis of a wide range of commercial exterior wood coatings. Coatings, 10(11), 1013. ‏ https://doi.org/10.3390/coatings10111013

-Gupta, S., John, A. and Kumar, V. S., 2016. Studies on effect of coat thickness on the moisture uptake by a hardwood substrate. Maderas. Ciencia y tecnología, 18(3), 443-456.‏ https://doi.org/10.4067/S0718221X2016005000040

-Hon, D. N. S., Chang, S. T. and Feist, W. C., 1985. Protection of wood surfaces against photooxidation. Journal of Applied Polymer Science, 30(4), 1429-1448.‏ https://doi.org/10.1002/app.1985.070300410

-Jabbar, M., Adnan, M., Shaker, K., Abdullah, T., Nawab, Y., Hussain, R. and Malik, A. U., 2023. Strength and durability that last Mechanical properties of polyurea and polyurethane coated composites. Polymer Composites, 44(7), 4324-4335.‏ https://doi.org/10.1002/pc.27412

-Karbalaei, H., Taremiyan, A., Rasouli, D. and Pourmahdian, S., 2021. The use of UV curing epoxy-acrylate and urethane-acrylate coatings for improving the weathering resistance of wood. Journal of Wood and Forest Science and Technology, 28(1), 115-132.‏ https://doi.org/10.22069/jwfst.2021.18638.1903

-Li-ying, W. A. N., Bo, Z. H. A. N. G., Qing, Z. H. A. O., Yun-ying, W. A. N. G., & Jiang-yan, M. E. N. G. (2007). Study on the artificially-accelerated aging behavior of PU coating. Journal of Nanchang Hangkong University (Natural science edition), 21(1), 52-56.

-Liu, C. and Xu, W. 2022. Effect of Coating Process on Properties of Two-Component Waterborne Polyurethane Coatings for Wood. Coatings, 12(12), 1857.‏ https://doi.org/10.3390/coatings12121857

-Liu, X., Hong, W. and Chen, X., 2020. Continuous production of water-borne polyurethanes: A review. Polymers, 12(12), 2875.‏ https://doi.org/10.3390/polym12122875

-Madhavi, G., Kishan, N. and Raghavendra, C. R., 2022. A review on recent approaches in the field of surface coating. Materials Today: Proceedings, 52, 403-406.‏ https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.09.075

-Marais, B. N., Brischke, C. and Militz, H., 2022. Wood durability in terrestrial and aquatic environments–A review of biotic and abiotic influence factors. Wood Material Science & Engineering, 17(2), 82-105. https://doi.org/10.1080/17480272.2020.1779810

-Mastouri, A., Efhamisisi, D., Tarmian, A., Esposito Corcione, C. and Gholinejad Pirbazari, A., 2025. Silanes for conservation of archaeological woods using modeled birch wood: antifungal, physical-chemical and TGA studies. Scientific Reports, 15(1), 28815. https://doi.org/10.1038/s41598-025-14167-w

-Molina, M. T., Cano, E. and Ramírez-Barat, B., 2023. Testing protective coatings for metal conservation: the influence of the application method. Heritage Science, 11(1), 94.‏ https://doi.org/10.1186/s4049402300937-0

-Mucci, V. L., Hormaiztegui, M. E., Amalvy, J. I. and Aranguren, M. I., 2024. Formulation, structure and properties of waterborne polyurethane coatings: a brief review. Journal of Adhesion Science and Technology, 38(4), 489-516.‏ https://doi.org/10.1080/01694243.2023.2240587

-Mustafa, H. A. M. and Jameel, D. A., 2021. Modeling and the main stages of spin coating process: A review. Journal of Applied Science and Technology Trends, 2(02), 119-123.‏ https://doi.org/10.38094/jastt203109

-Ozdemir, T. and Hiziroglu, S., 2009. Influence of surface roughness and species on bond strength between the wood and the finish. Forest Products Journal, 59(6), 90-95.‏ https://doi.org/10.1080/17480272.2023.2269138

-Özgenç, Ö, Durmaz, S., Kuştaş, S. and Bilici, E., 2021. Durability in outdoor conditions of coating systems based on waterborne acrylic resin with commercial UV absorber and tree bark extract. Drewno. Prace Naukowe. Doniesienia. Komunikaty, 64(207), 111-124.‏ https://hdl.handle.net/20.500.12809/9432

-Ružinská, E., Mitterová, I. and Zachar, M., 2014. Evaluation of thermal degradation of wood with environmentally problematic application of coatings. Advanced materials research, 1001, 300-305.‏ https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1001.300

-Sahin, S., Esteves, B., Can, A., Sivrikaya, H., Domingos, I., Ferreira, J. and Ayata, Ü, 2023. Effects of artificial weathering on the surface properties of coated radiata pine. Maderas. Ciencia y tecnología, 25.‏ https://doi.org/10.4067/S0718-221X2023000100429

-Scrinzi, E., Rossi, S., Deflorian, F. and Zanella, C., 2011. Evaluation of aesthetic durability of waterborne polyurethane coatings applied on wood for interior applications. Progress in Organic Coatings, 72(1):81-87.‏ https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2011.03.013

-Scriven, L. E., 1988. Physics and applications of dip coating and spin coating. MRS Online Proceedings Library, 121(1), 717-729.‏ https://doi.org/10.1557/PROC-121-717

-Slabejová, G., Vidholdová, Z. and Šmidriaková, M., 2023. Effect of Two Different Ageing Exposures on the Colour Stability of Transparent Polyurethane Finishing. Polymers, 15(15), 3313.‏ https://doi.org/10.3390/polym15153313

-Šmidriaková, G. and Slabejová,  G, 2022. The effect of coating film thickness on the quality of surface finish on lightweight plywood. Acta Facultatis Xylologiae Zvolen, 64(1):39‑58. https://doi.org/10.17423/afx.2022.64.1.04

-Tirumkudulu, M. S. and Punati, V. S., 2022. Solventborne polymer coatings: Drying, film formation, stress evolution, and failure. Langmuir, 38(8), 2409-2414.‏ https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c03124

-Tomar, B. S., Shahin, A. and Tirumkudulu, M. S., 2020. Cracking in drying films of polymer solutions. Soft Matter, 16(14), 3476-3484.‏ https://doi.org/10.1039/C9SM02294E

-Turgut, S., Bağış, B., Korkmaz, F. M. and Tamam, E., 2014. Do surface treatments affect the optical properties of ceramic veneers? The Journal of prosthetic dentistry, 112(3), 618-624.‏ https://doi.org/10.1016/j.prosdent.2014.04.001

-Viitanen, H. and Ritschkoff, A. C., 2011. Coating and surface treatment of wood. In Fundamentals of mold growth in indoor environments and strategies for healthy living (pp. 463-488). Wageningen Academic.‏ https://doi.org/10.3920/978-90-8686-722-6_17

-Yong, Q., Chang, J., Liu, Q., Jiang, F., Wei, D. and Li, H., 2020. Matt polyurethane coating: correlation of surface roughness on measurement length and gloss. Polymers, 12(2), 326

تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران

بررسی عملکرد پوشش پلی‌اورتان پایه آب لایه نشانی شده به وسیله پوشش دهی دورانی در ضخامت‌های مختلف روی چوب راش تحت کهنگی تسریع شده

مراجع

مراجع

دوره 41، شماره 1 - شماره پیاپی 94
فروردین 1405
صفحه 69-91

بررسی عملکرد پوشش پلی‌اورتان پایه آب لایه نشانی شده به وسیله پوشش دهی دورانی در ضخامت‌های مختلف روی چوب راش تحت کهنگی تسریع شده

مراجع

مراجع

دوره 41، شماره 1 - شماره پیاپی 94فروردین 1405صفحه 69-91

دوره 41، شماره 1 - شماره پیاپی 94
فروردین 1405
صفحه 69-91