Производство окон из древесины: современные стандарты и технологии

Производство окон из древесины: современные стандарты и технологии

Все мы привыкли к деревянным вещам: деревянным домам, деревянным окнам. Да и мебель из натурального дерева гораздо желаннее и дороже, чем из его заменителей. Так почему же у большей части населения пластмассовое окно вызывает больше доверия, чем деревянное? Основная причина этого в том, что дерево хоть и является доступным и удобным материалом для строительства, в то же время подвержено разрушающим действиям атмосферы.

В этой статье мы рассмотрим вопросы, которые возникают перед производителями деревянных окон в процессе производства и отделки своих изделий лаками и красками.

До недавнего времени для защиты и склейки деревянных строительных элементов применялись обычные лакокрасочные материалы, не предназначенные специально для этой цели. Так как дерево - особенный материал (изменяет размеры в зависимости от температуры и влажности), то клеи и лакокрасочные покрытия должны учитывать это.

Как же происходит разрушение покрытия деревянного окна?

Окно - один из самых высоконагруженных элементов. В сухую жаркую погоду оно подвергается воздействию солнечных лучей, а значит – УФ излучению и нагреву, который достигает 7080°С. Если учесть, что температура в зимнее время может достигать 30°С и ниже, то интервал температур, при которых работает окно, составляет ~ 100°С. Такое изменение температуры вызывает изменение размеров деталей рамы. Следует отметить, что коэффициент расширения древесины вдоль волокон гораздо меньше, чем поперёк волокон. Поэтому на линии стыка происходят различные изменения размеров деталей. Можно часто наблюдать, что у окрашенных обычными материалами окон уже через год или ранее образуются трещины лакокрасочного покрытия в местах сочленения деталей створок и рам.

После появления трещин (даже в небольшом количестве) влажность древесины изменяется с изменением влажности окружающей среды. Под воздействием влажности древесина ещё больше изменяется в размерах (особенно поперёк волокон), и появляются трещины уже по всей поверхности окна. В регионах, где возможны отрицательные температуры, растрескивание и отслоение краски происходит ещё интенсивнее. Это объясняется тем, что влага, находящаяся в древесине, при разных температурах внутри помещения и снаружи, конденсируется. При температуре 0°С за окном влага конденсируется, образуя "водяной мешок" в точке росы, которая находится под лакокрасочным покрытием. При понижении температуры "водяной мешок", замерзая, отделяет покрытие от древесины. В жаркое время года вздутие покрытия происходит по причине давления нагревшейся влаги, накопившейся за зимний период, в древесине.

Как же избежать и минимизировать все эти негативные факторы?

Выбор древесины

Различают древесину двух видов - хвойную и лиственную.

Требования к качеству древесины определены в DIN EN942 "Применение древесины в столярных работах".

Для производства окон лучше всего подходит древесина, срубленная зимой или в сухой период. В это время у нее более закрытые каналы, поэтому сопротивление такой древесины проникновению воды увеличивается. При этом свежесрубленная древесина должна быть покрыта в местах разреза пропиткой для защиты от проникновения воды. Нельзя обтесывать кору до тех пор, пока древесина не будет высушена.

По возможности для окон необходимо выбирать древесину без дефектов. От этого в значительной степени зависит стойкость и долговечность окна. Если древесина имеет внешние дефекты, то при ее покрытии желательно применять непрозрачную отделку. Необходимо также определиться с оттенком покрывного слоя, темным или светлым, до выбора древесины. Это связано с тепловой нагрузкой на покрывной слой и различной реакцией пород дерева на это.

Следующим основанием для выбора древесины служит плотность. С увеличением плотности древесины увеличивается и ее прочность. Необходимая для производства окон минимальная плотность древесины хвойных лесоматериалов - от 350 кгм3, плотность древесины лиственных пород – от 450 кг м3.

Для древесины характерна выносливость при переменных климатических условиях. Решающими условиями при этом являются скорость изменения влажности древесины и отношение тангенциальной к радиальной величине набухания.

Так как направления волокон влияют на выносливость, неподходящие части древесины (с большими зонами возрастания и отклонения волокон) необходимо исключать.

Следующим важным условием является способность древесины противостоять поражению грибком. Классы сопротивления для отдельных разновидностей древесины определены в DIN EN 350 2.

Влажность древесины

Древесное волокно состоит из клеток, содержащих в определенных соотношениях воздух и воду (в зависимости от вида древесины). Эти клетки могут дополнительно впитывать большое количество воды до определенного предела -точки насыщения волокна, что может привести к расширению древесины и повлиять на качество покрытия.

Влажность древесины перед покрытием должна быть в пределах 1214%. Это связано с тем, что древесина в любом случае наберет недостающую влагу и остановится в этих пределах. В случае, если покрытие наносится на древесину с пониженной или повышенной влажностью, создается дополнительная нагрузка на покрытие. Кроме того, дереворазрушающие грибки развиваются только при влажности древесины более 20%, поэтому следует избегать нахождения древесины в сырых помещениях или же применять специальную химическую защиту.

Для распила обычно отбираются деревья из глубины леса, а не с его окраины. Для оконных брусков используется комлевая часть, так как на ней меньше сучков. Расстояние между годовыми кольцами - не более 6 мм.

Для производства окон наибольший интерес представляют рифты и полурифты. Если внешней поверхностью окна оказался фладдер, то при воздействии разных погодных условий его поверхности потрескаются. Рифты и полурифты более устойчивы к погодным изменениям. Однако фладдер, или, так называемая, боковая доска используется в качестве средней лаги при склейке оконных брусков.

Второй этап в производстве деревянных окон - это процесс склейки сырьевой древесины для получения клееных заготовок. Рассмотрим некоторые требования Института оконной техники и технологии (Розенхайм, Германия) к производству клееных заготовок дляокон.

Клееные заготовки для оконного производства обычно бывают 2-х категорий:
1. Клееные из трех частей; все три слоя клееные по длине("на шип"), длина 6000 мм, не допускаются дефекты древесины (посинение, остатки смолы, сучки и т.д.).Минимальная длина каждого элемента при склеивании по длине около 200 мм.
2. Клееные из трех частей; средняя часть бруска клееная по длине ("на шип"),верхний и нижний слои цельные, без дефектов (посинений, остатков смолы, сучков и т.д.).

Для производства заготовок чаще всего используется сосна, а также дерево твердолиственных пород (по нормам DIN68360 раздел 1). Влажность древесины должна быть в пределах 12% + 2%. Очень важно, чтобы разница во влажности между склеиваемыми ламелями не превышала 2%. Сушка древесины должна производиться строго по технологии, чтобы высушенный материал не имел внутренних напряжений и трещин. Качество древесины должно соответствовать требованиям по нормам DIN68360 раздел 1. Используется только первый рез, сердцевина дерева не используется. Распил бревен на ламели - только радиальный. В производстве заготовок преимущественно используется белый клей ПВА группы D4.

Классификация белых клеев по DIN EN 204:
- по скорости работы;
- по цели применения;
- по конечной прочности.

Выбор продукта происходит в пределах группы, исходя из таких критериев, как:
- простота обработки;
- вязкость;
- скорость работы;
- открытое время;
- скорость схватывания;
- порода древесины.

Обязательно следует придерживаться указаний изготовителя клея. Клееная заготовка в разрезе должна быть симметричная. По разрезу должно быть минимум 3 слоя. Склеиваемые элементы должны быть одинаковой структуры и иметь одинаковую влажность. Минимальная толщина склеиваемого элемента - 15 мм. Наилучшее качество достигается тогда, когда наклон годичных колец к поверхности находится в пределах 6090° (этим достигается лучшая стабильность формы). Температура в помещении, где производится склеивание, а также температура самих ламелей должна быть в пределах 1520°С. При более высокой температуре меняется "открытое время" клея, а также время начала полимеризации клея. Склеивание должно производиться не позднее 24х часов после строгания. Для сортов древесины с повышенным влагосодержанием (к ним относится и сосна) это время должно быть минимальным. При использовании клея должны строго соблюдаться все указания изготовителя, особенно те, которые касаются времени прессования и силы прижима. Пресс должен иметь возможность регулирования силы прижима, т. к. последняя должна соответствовать сорту древесины. В целях выравнивания внутренних напряжений и разницы по влажности, склеенная заготовка должна обрабатываться не ранее, чем после 23дней складирования в отапливаемом помещении (1520°С).

Теперь более подробно ознакомимся с самым важным процессом при производстве деревянного окна - это процесс отделки. Для начала давайте рассмотрим основные виды лакокрасочных материалов, используемых для отделки, и виды отделки деревянных окон.

Для покрытия окон рекомендуются следующие виды отделок:
- транспарентная (лазирующая) отделка - это отделка, при которой текстура древесины видна из под покрытия, она только изменяет свой цвет. При этом возможно достижение различных эффектов имитации разных пород дерева.
- Непрозрачная (укрывистая) отделка заключается в нанесении на поверхность древесины пигментированных непрозрачных материалов, которые создают на поверхности покрытие, полностью скрывающее текстуру и цвет древесины.

По видам лакокрасочные материалы для отделки деревянных окон делятся на две большие группы:

- алкидные (сольвентные).
К этой группе относятся лакокрасочные материалы, растворяемые в уайтспирите (сольвенте). Это очень большая группа материалов на разных смолах и маслах. Ей свойственно длительное время высыхания, довольно прочная пленка, хорошая адгезия с различными породами древесины, морозостойкость, стойкость к воде, простота обработки.

Со временем люди начали понимать, что материалы на основе растворителя являются очень вредными для окружающей среды, и ученые предложили материалы на основе водной дисперсии. Так, на рынке Европы в начале 80х годов появился новый покрывной материал для окон.

- Акриловая (водная) группа.
К этой группе относятся лакокрасочные материалы, содержащие высокотехнологичные полимеры со свето- и погодоустойчивыми пигментами.

Их особенностями являются:
- водная основа, безопасность, экологичность;
- асептическая защита древесины;
- высокая светостойкость;
- высокая эластичность покрытия;
- встроенная защита от механических повреждений (эффект самоизоляции от воды повреждённых мест);
- покрытие хорошо "дышит", но обладает при этом ярко выраженными водоотталкивающими свойствами;
- эффект "самоочищения" (покрытие не грязнится);
- высокая морозостойкость (испытана при 55°C);
- высокая атмосферостойкость;
- быстрая сушка;
- устойчивость против слипания;
- длительные межремонтные сроки, значительная экономия времени и средств.

Современные водные системы состоят в основном из двух-трех составляющих: пропитки, грунта и лазури (лака).

Химическая защита-пропитка

При применении хвойного лесоматериала рекомендуется применять химическую защиту древесины (согласно DIN 68800 части 3) против: сине-образующих грибков (испытания грибка синей гнили согласно EN 152.1), дереворазрушающих грибков (испытания грибка гнили согласно EN 113).

Используйте химическую защиту древесины только в том случае, если это необходимо. Для лиственных пород древесины нет необходимости применять пропитку.

Грунтование

Грунтование заготовок, как фундамент последующего окрашивания, требует большого внимания. Оптимальные составы, скомбинированные с надлежащим применением, создают требуемую основу. Грунтовка образует возможность сцепления между сырой древесиной и лаком. Она может иметь в своём составе вещества для защиты древесины (если согласно DIN 68800 Т 3 требуется химическая защита) и должна в этом случае демонстрировать способность проникновения в глубокие слои древесины. Она может иметь пигменты, чтобы придать основе цветовое оформление. Использование подходящих вяжущих веществ можно увидеть в применении гибридов, которые как "подогнанные" акрилаты демонстрируют подобное хорошее наполнение пор. Грунт благодаря смолам и маслам проникает в глубину древесины, то есть имеет особое пропитывающее действие, и образует акриловый слой на поверхности. Благодаря этому акриловая толстослойная лазурь держится на поверхности очень надёжно.

Величина частиц акрилатов так относится к частицам алкидов, как теннисный мяч к вишне. В связи с этим заполнение пор у акриловых материалов незначительное, и возникают трудности с сцеплением поверхностного слоя с древесиной. Грунтовки на базе акрилатов могут способствовать образованию пузырей в последнем слое (из-за неполного наполнения пор лаком). В связи с этим было предложено компромиссное решение – акрилово-алкидная комбинация (гибриды).

Толстослойная лазурь медленно проникает в поры. Воздух улетучивается и открывает "кратер". Поверхность лазури уже не может растечься, поэтому остаётся кратер, в результате чего возможно появление микротрещин.

Кристалл-грунт закрывает поверхность пор, пропитывается в глубину, вытесняет воздух. Толстослойная лазурь может быстро затекать в поры. Остающийся воздух может сразу же улетучиваться. "Кратеры" и пузырьки не образуются.

Для того, чтобы древесина смогла впитать в себя требуемое количество грунтовочного материала, вначале необходимо открытие пор древесины. При этом маленькие волокна обволакиваются краской так, что при высыхании они склеиваются друг с другом, и это приводит к образованию более гладкой поверхности. Исследования показали, что шлифованная поверхность сырой древесины имеет наилучшие предпосылки для профессионального грунтования, поэтому мы рекомендуем перед шлифованием немного сбрызгивать поверхность водой.

У водных грунтовок существует проблема относительно реакции с дубильными веществами, которые содержатся в лиственных породах древесины. Вода вступает в реакцию с этими веществами, и на поверхности древесины появляются маленькие черные точки. Такой древесины немного, в основном это дуб, который растет в болотистой или увлажненной местности.

Для предотвращения этого явления можно использовать алкидную грунтовку, которая не вступает в реакцию с дубильными веществами.

Эти виды лакокрасочных материалов успешно используют при грунтовании поверхности, где необходимо иметь небольшой размер для глубокого проникновения, хорошую эластичность и повышенную защиту от ультрафиолета.

Основная цель грунтовки - проникнуть во все поры обрабатываемого изделия. Лучше всего этот эффект достигается при окунании. Окна, прогрунтованные окунанием (по классификации Института окон и фасадов), - более стойкие к воздействиям окружающей среды. Грунтовку нет необходимости крыть два-три раза (кроме укрывистого покрытия), но и не запрещается. Необходимо только придерживаться условия, что толщина сухой пленки не должна быть более 30 мк, но нельзя допускать и слишком тонкий слой, так как могут появиться проблемы из-за недостаточного закрытия пор древесины. Если наносится плёнкообразующий слой, то по причине своей вязкости этот слой не проникает в поры, а только покрывает их. Так как сразу после нанесения краски внешняя поверхность начинает образовывать пленку, запертый в порах воздух не может выйти наружу. В этом состоянии эти пузыри высыхают и могут быть механически повреждены, вследствие этого появляются повреждения верхнего слоя.

Современные грунты имеют замечательное глубинное действие и одновременно придают цвет изделию.

С профилактическим действием (химическая защита древесины).

Системы с небольшой глубиной проникновения можно ремонтировать, если в качестве первого покрытия применяется прозрачный грунт для защиты от синевы.

Только первая грунтовка проникает в глубину! Многократное грунтование не улучшает глубину проникновения.

Кристалл-грунт даёт:
- лучшие качественные результаты;
- сокращение затрат рабочего времени;
- долговременное защитное действие.

Факторы, влияющие на стойкость лакокрасочных покрытий

От покрывного слоя ожидают многого, при этом на первое место ставится долговечность покрытия и ее эстетический вид. Стойкость покрывных слоев на древесине зависит не только от качества лакокрасочных систем. Она зависит и от следующих факторов:
- качества древесины;
- влажности древесины;
- конструктивных особенностей окна;
- обработки;
- химической защиты (пропитки);
- шпаклевания;
- грунтовки;
- покрывного слоя;
- системы покрывного слоя;
- способов нанесения;
- сушки;
- установки окон;
- технического обслуживания

Пример проникновения грунтовки в поры древесины.