Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Waterborne Coatings for Pre-Treated Pine Substrates - Adhesion Performance and Durability
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE).
2014 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Vattenbaserade Lasyrer för Förbehandlade Tallsubstrat - Vidhäftningsförmåga och Hållbarhet (Swedish)
Abstract [en]

Coatings designed for exterior wood constructs have the important functions to give an aesthetically acceptable surface appearance and provide a long-term protection protective against environmental factors. The most important criterion for long-term performance of these coatings is good adhesion to its wooden substrate. The adhesion performance of a coating depends on its ability to mechanical and chemical adhere to the wood substrate. The chemical adhesion is primarily dependent on the chemical nature of the binder system in the coating formulation and its ability to form chemical interactions between the coating and the wood surfaces. In contrast, the mechanical adhesion is primarily dependent on the penetration ability of the coating into micro-pores and irregularities of the surface of the wood. Thus, the mechanical adhesion is often referred to as the mechanical interlocking effect, or the mechanical anchoring effect. An assessment of the impact of these on the adhesion performance of wood coatings is of great importance. Such an assessment has been issued by the Swedish-based company OrganoClick located in Täby, Sweden. Previous observations made by the company has indicated that waterborne coatings are prone to adhesion failure prior to the expected service life when applied to impregnated pine substrates. For this assessment, five waterborne coatings based on four different polymeric binder systems were prepared; two acrylic-based binders, a polyurethane-acrylic-based binder, and an alkyd-based binder. The chemical composition of these four binder systems was determined by Fourier transform infrared spectrometry. The experiment showed that the chemical adhesion of the waterborne coatings most likely was dependent on secondary interactions, in particularly hydrogen bonding between carbonyl groups in the backbone structures of these resins, and the high abundance of surface exposed hydroxyl groups of the pine substrate. Fourier transform infrared spectrometry showed the presence of X on the surface of the impregnated pine substrates. These substrates were then further investigated with scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectrometry, which showed the presence of an X-containing residue filling the voids of the near-surface tracheids in these pine substrates. This confirmed the finding from the Fourier transform infrared spectrometry i.e. that the residue on the surfaces of these impregnated pine substrates was X. Consequently, the waterborne coatings could not penetrate into the voids of the near-surface tracheids and establish mechanical adhesion to their pine substrates through mechanical interlocking/anchoring. However, the acrylic-based coating X showed some degree of penetration into the tracheids of the impregnated pine substrate. 

The adhesion performance and durability of the five waterborne coatings were evaluated by means of a four month long natural weathering experiment (28/4 – 12/9). The result from the natural weathering experiment of the coated impregnated pine substrates was compared with the results from a second natural weathering experiment performed in parallel. This second natural weathering experiment included coated untreated substrates, coated detergent post-treated substrates, and coated pine substrates which had been subjected to an accelerated aging process (EN 84:1997). The polyurethane-acrylic coating demonstrated poor overall adhesion performance on all pine substrate types, except the post-treated substrate, as it delaminated from its pine substrates. Delamination was especially evident on the impregnated substrate. This was likely to be a combined consequence of inhomogeneous pigment distribution of titanium dioxide particles and pigment agglomeration, the presence of extensive cratering surface defects, and the lack of mechanical adhesion of the coating to its pine substrate. The presence of extensive cratering defects was believed to have the greatest negative impact on the overall adhesion performance of this waterborne coating since the cratering defects significantly increase the risk of moisture penetration through the coating layers. Additionally, the hydrophilic character of the urethane linkage was believed to further intensify this effect. However, the coated detergent post-treated pine substrates demonstrated significantly better adhesion performance compared to the other coated substrate types. Thus, the detergent wash had a positive effect on the adhesion performance of the coating by removing a significant portion of the X residues from the surface of the impregnated pine substrates. The acrylic-based reference coating based on the polymeric binder had extensive pinhole defects on the surface of its coating film. This defect was believed to have a similar negative effect on the adhesion performance of this coating as the effects from the cratering defects found on the polyurethane-acrylic coating. In contrast, the two acrylic-based coatings and the alkyd-based coating demonstrated good adhesion performance on all pine substrate types up to the specified point of exposure to natural weathering. A plausible explanation of this difference in adhesion performance was most likely the absence of extensive surface coating defects. However, the lack of mechanical adhesion will likely lead to adhesion failure of these waterborne coatings from their impregnated pine substrates after a longer exposure to natural weathering.

Abstract [sv]

Lasyrer designade för träkonstruktioner i utomhusmiljöer har dom viktiga funktionerna att ge en estetiskt tilltalande ytabeläggning och samtidigt ge ett långtsiktigt skydd mot miljöfaktorer. Det viktigaste kriteriet för långsiktig beständighet av lasyrer är god vidhäftning till dess träsubstrat. Lasyrens vidhäftningsförmåga beror både på den mekaniska och kemiska vidhäftningen till träunderlaget. Den kemiska vidhäftningen är främst beroende på bindemedlets kemiska karaktär och dess förmåga att bilda kemiska interaktioner mellan lasyrens och träets angränsande ytor. Den mekaniska vidhäftningen beror huvudsakligen på penetrationsförmågan av lasyren in i mikroporer och ojämnheter i träunderlaget. Den mekaniska adhesionen refereras därför ofta som den mekaniska förankringseffekten. En utvärdering av dessa vidhäftningsparametrar och deras betydelse på lasyrernas vidhäftningsförmåga är av stor betydelse. En sådan utvärdering har utfärdats av det svenskbaserade företaget OrganoClick som ligger i Täby, Sverige. Tidigare observationer som har gjorts av företaget har visat att vattenbaserade lasyrer är benägna att delaminera från impregnerade tallsubstrat innan den förväntade livslängden är uppnådd. För denna utvärdering förberedes fem vattenbaserade lasyrer som är baserade på fyra olika polymera bindemedel; två akryliska bindemedel, ett polyuretan-akryliskt bindemedel, och ett alkydbaserat bindemedel. Den kemiska sammansättningen av dessa fyra bindemedel bestämdes genom Fourier transform infraröd spektrometri. Experimentet visade att den kemiska vidhäftningen av lasyrerna med stor sannolikhet var beroende av sekundära kemiska interaktioner, i synnerhet vätebindningar mellan karbonylgrupper som finns i strukturena av de fyra bindemedlen och den höga förekomsten av ytexponerade hydroxylgrupper i tallsubstratet. Samma experiment visade också på närvaro av X på ytan av de impregnerade tallsubstraten. Dessa substrat undersöktes sedan vidare med svepelektronmikroskopi och energiröntgen spektrometri, vilket visade på att det fanns X som fyllde tomrummen i de ytnära trakeiderna i dessa tallsubstrat. Detta bekräftade resultatet från Fourier transform infraröd spektrometrin dvs. att det var X som fanns på ytan av de impregnerade tallsubstraten. Följaktligen kunde inte lasyrerna tränga in i håligheterna av de ytnära trakeiderna och etablera mekanisk vidhäftning till dessa tallsubstrat genom mekanisk förankring.

Beständigheten av de fem vattenbaserade lasyrerna utvärderades med hjälp av ett naturligt vittringsexperiment som varade under en period av totalt fyra månader (28/4 – 12/9). Resultatet från den naturliga vittringen av de lasyrbestrukna impregnerade tallsubstraten jämfördes med resultaten från ett andra naturligt vittringsexperiment som utförts parallellt. I det andra naturliga vittringsexperimentet ingick obehandlade lasyrbestrukna tallsubstrat, efterbehandlade lasyrbestrukna tallsubstrat och även lasyrbestrukna tallsubstrat som hade utsatts för en accelererad föråldringsprocess (EN 84: 1997). Den polyuretan-akryliska lasyren uppvisade den sämsta vidhäftningen på alla tallsubstrattyper, med undantag det efterbehandlade substratet, då lasyren delaminerade från dessa substrat. Delaminering var speciellt tydligt på det impregnerade tallsbstratet. Detta var sannolikt en kombinerad konsekvens av inhomogen pigmentfördelning av titandioxidpartiklar och pigment agglomerering, förekomsten av omfattande kraterdefekter på lasyrytan, samt brist på mekanisk vidhäftning av lasyren till sina tallsubstrat. Förekomsten av omfattande kraterdefekter ansågs ha störst negativ inverkan på denna lasyrs vidhäftning eftersom dessa defekter avsevärt ökar risken för fuktinträngning genom beläggningsskikten. Vidare ökar den hydrofila karaktären av uretanbindningen med stor sannolikhet denna effekt. Dock uppvisade de lasyrbestrukna efterbehandlade tallsubstraten signifikant bättre vidhäftning i jämförelse med de andra lasyrbestrukna substrattyperna. Således hade detergentlösningen en positiv effekt på lasyrens vidhäftning genom att tvätta bort en stor del av de X som fanns på ytan av de impregnerade tallsubstraten. Den akrylbaserade referenslasyren som var baserad på det polymera bindemedlet hade omfattande nålhålsdefekter på ytan av dess film. Denna defekt tros ha en liknande negativ effekt på vidhäftningen som kraterdefekterna tros ha på den polyuretan-akryliska lasyren. Däremot uppvisade de två akrylbaserade lasyrerna och den alkydbaserade lasyren god vidhäftning på samtliga tallsubstrat fram till och med den specifierade exponeringspunkten av naturlig vittring. En trolig förklaring till denna skillnad i resultat är med stor sannolikhet avsaknaden av omfattande ytbeläggningsdefekter. Dock kommer avsaknaden av mekanisk vidhäftning sannolikt att leda till delaminering av dessa vattenbaserade lasyrer från sina impregnerade tallsubstrat efter en längre exponering av naturlig vittring.

 

Place, publisher, year, edition, pages
2014.
Keyword [en]
Waterborne coatings, adhesion, binders, microscopy, impregnated pine substrate
Keyword [sv]
lasyrer, vidhäftning, bindemedel, förbehandlat trä, mikroskopi
National Category
Polymer Technologies
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-159175OAI: oai:DiVA.org:kth-159175DiVA: diva2:782796
Available from: 2015-01-22 Created: 2015-01-22 Last updated: 2017-08-31Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

By organisation
School of Chemical Science and Engineering (CHE)
Polymer Technologies

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 2 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf