| تعداد نشریات | 282 |
| تعداد نشریات سازمان | 80 |
| تعداد شماره‌ها | 3,272 |
| تعداد مقالات | 36,149 |
| تعداد مشاهده مقاله | 55,713,293 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 94,492,168 |
بررسی عملکرد پوشش پلی‌اورتان پایه آب لایه نشانی شده به وسیله پوشش دهی دورانی در ضخامت‌های مختلف روی چوب راش تحت کهنگی تسریع شده | ||
| تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران | ||
| مقاله 7، دوره 41، شماره 1 - شماره پیاپی 94، فروردین 1405، صفحه 69-91 اصل مقاله (1.01 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22092/ijwpr.2026.371631.1822 | ||
| نویسندگان | ||
| فاطمه حسن زاده فرد1؛ مهدی جنوبی* 2؛ پیمان احمدی* 3 | ||
| 1دانشجوی کارشناسی ارشد گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران | ||
| 2استاد، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران | ||
| 3پژوهشگر فوق دکتری، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران | ||
| 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 | ||
| پلی‌اورتان پایه آب؛ اسپین‌کوت؛ مقاومت چسبندگی؛ کهنگی تسریع‌شده؛ ضخامت لایه؛ بهینه‌سازی چندهدفه | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Evaluation of the Performance of Water-Based Polyurethane Coating Applied by Spin Coating at Different Thicknesses on Beech Wood under Accelerated Aging Conditions | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Fatemeh Hasanzadeh Fard1؛ Mehdi Jonoobi2؛ peyman ahmadi3 | ||
| 1M.Sc. Student, Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran | ||
| 2Professor, Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran | ||
| 3Postdoctoral Researcher, Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| Background and Objectives: Surface coating plays a crucial role in enhancing the durability, dimensional stability, and environmental resistance of wood. In this context, water-based polyurethane (WBPU) coatings have attracted increasing attention as sustainable alternatives to solvent-based systems due to their lower VOC emissions and satisfactory mechanical and aesthetic performance. However, the functional efficiency of these coatings is strongly influenced by the application method and, in particular, by coating thickness. Despite its significance, systematic investigations on the effect of coating thickness especially when applied using advanced techniques such as spin coating under aging conditions remain limited. The present study introduces spin coating as a novel approach for wood finishing and evaluates the influence of different WBPU coating thicknesses on the surface and mechanical performance of beech wood (Fagus orientalis). The main objective is to determine an optimal coating thickness that provides a balanced performance in terms of hydrophobicity, adhesion, visual stability, and resistance to accelerated aging. Materials and Methods: Beech wood specimens were coated using a commercial acrylic-based WBPU applied via spin coating at four different application levels (3, 6, 9, and 12 coating cycles). Each cycle involved a fixed spin speed of 2000 rpm and a duration of 30 seconds. The thickness of the resulting films was measured through stereomicroscopy and image analysis. A comprehensive set of physical and surface tests was conducted both before and after artificial aging, including water absorption (ASTM D5795), surface roughness (SJ-201P profilometer), dynamic water contact angle (ASTM D5946), color variation (CIE-Lab, ΔE), tensile pull-off adhesion strength (ASTM D4541), and scratch adhesion (ASTM D3359). The accelerated aging process simulated environmental degradation through a humidity-temperature chamber, allowing for the assessment of coating durability over time. In addition, multi-objective optimization using Minitab’s Response Optimizer was employed to identify the film thickness that offered the best overall functional performance. Results: Results showed a nearly linear increase in film thickness from 75 µm (3 cycles) to 286 µm (12 cycles). Thicker coatings demonstrated lower water absorption and higher contact angles exceeding 90° indicating enhanced hydrophobic properties. After aging, thicker films also showed reduced color change (ΔE), with the 9-cycle treatment presenting the best balance of aesthetic and mechanical attributes. This treatment exhibited the highest tensile adhesion strength (2.99 MPa) before aging, and it retained significant adhesion after aging, suggesting strong interfacial bonding and structural integrity. In contrast, the 12-cycle treatment, while superior in terms of water resistance, showed a noticeable drop in adhesion, potentially due to internal stresses or micro-cracks caused by excessive film thickness. Scratch adhesion remained high (5B) in all treatments before aging, but minor deterioration was observed in thicker coatings after aging.The multi-criteria optimization revealed that a film thickness of approximately 206 µm corresponding closely to the 9-cycle treatment provided the highest composite desirability score (0.94) across all evaluated parameters. This result confirms that increasing thickness beyond an optimal range does not necessarily improve overall performance and may instead compromise adhesion or visual consistency due to mechanical stress accumulation during drying or exposure. Conclusion: In conclusion, spin coating is demonstrated to be an effective and innovative method for applying uniform, controllable WBPU coatings on wooden substrates. This study confirms that coating thickness is a pivotal factor influencing water resistance, surface quality, color stability, and adhesion. An intermediate thickness (210 µm) offers the most favorable combination of performance attributes, making it suitable for practical use in interior wood products, furniture, and protective applications. The research supports the integration of spin coating into sustainable wood finishing systems and provides a foundation for further exploration of advanced coating technologies in the wood science field. | ||
| کلیدواژه‌ها [English] | ||
| Water-based polyurethane, spin coating, pull-off adhesion, accelerated aging, film thickness, multi-objective optimization | ||
| 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 | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 1,197 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 256 |
||