Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние технологии художественной обработки камня 10
1.1 Художественные изделия из камня и их свойства 10
1.2 Природный камень и его практическая ценность 27
1.3 Современные технологии обработки натурального камня 32
1.4 Дизайн природного камня 38
2. Разработка технологии создания декоративных минералсодержащих покрытий с учетом особенностей стилизации и трансформации природных объектов 43
2.1 Принципы и методы стилизации природных форм при создании художественного образа 43
2.2 Особенности стилизации и трансформации природных объектов 49
2.3 Специфика проектирования изделий и роль материала в стилизованном изображении 57
2.4 Влияние декоративной композиции на моделирование художественных изделий из камня 60
2.5 Метод создания декоративных минералсодержащих покрытий 66
2.6 Решение задач цветового проектирования применительно к вопросам дизайна декоративных композитных покрытий и разрабатываемых фракционных минералсодержащих составов 78
3. Исследование физико-механических свойств и цветовых характеристик фракционных минеральных составов и анализ возможностей их применения для декоративных композитных покрытий
3.1 Исследование микроструктуры срезов фракционных минеральных составов 84
3.2 Исследование микротвёрдости фракционных минеральных составов 88
3.3 Исследование прочности и пластичности фракционных минеральных составов 91
3.4 Исследование колориметрических характеристик фракционных минеральных составов 95
3.5 Выбор материалов и их композиций для создания декоративных покрытий с учетом их технологических и декоративных свойств 106
4. Влияние технологических параметров на свойства фракционных составов из цветного камня 111
4.1 Влияние технологических параметров на физико-механические свойства минералсодержащего покрытия 111
4.2 Влияние технологических параметров на оптико-декоративные свойства минералсодержащего покрытия 116
4.3 Выбор технологических параметров и количественных соотношений исходных материалов в композициях фракционных составов 120
4.4 Разработка технологических параметров по применению фракционных минеральных композиционных составов для изготовления художественных изделий из камня 121
Заключение 129
Список использованных источников 131
Список иллюстративного материала
- Природный камень и его практическая ценность
- Специфика проектирования изделий и роль материала в стилизованном изображении
- Исследование прочности и пластичности фракционных минеральных составов
- Влияние технологических параметров на оптико-декоративные свойства минералсодержащего покрытия
Природный камень и его практическая ценность
Шлифовка и полировка осуществляются на шлифовально-полировальных станках, в качестве стачивающего и шлифующего материала применяется наждак и карборунд, в качестве полировального материала — крокус, танердэ, трепел.
Изделия из твердого и полутвердого камня чаще всего бывают очень несложными по форме, потому что ровная, гладкая, дополнительно ничем не украшенная поверхность хорошо отполированного изделия из твердого камня сама по себе производит яркое художественное впечатление. При полировке отчетливо выделяется природный узор камня, проступают тонкие цветовые переходы, становятся видны темные и светлые прожилки и кристаллические включения, образующие все вместе причудливые, никогда не повторяющиеся фантастические узоры.
Обработка мягкого камня значительно проще. Он легко распиливается поперечной или циркулярной пилой, а резка художественных изделий осуществляется вручную при помощи стамесок, рашпилей и других несложных инструментов из закалённой стали. Красочный и легко поддающийся обработке мягкий камень более пригоден для изготовления скульптуры малых форм и мелких бытовых, преимущественно настольных предметов. Небольшие изделия чаще всего целиком вырезаются на токарном станке, а затем дополнительно украшаются вручную орнаментальной прорезкой (гравировкой). Скульптура вырезается вручную после предварительной обточки камня на токарном станке. Готовые изделия из мягкого камня шлифуются и полируются на станках, с помощью бормашины или вручную при помощи войлочных, кожаных или матерчатых кругов с применением полировочных паст типа Гойя.
Скорее всего, каждый согласится, что все изделия из натурального камня смотрятся естественно и гармонично, и вряд ли кто может с этим поспорить. К тому же область применения этого природного материала самая разнообразная: от изготовления сувениров до применения в строительстве. В настоящее время уже появились современные материалы, которые могут практически в точности имитировать природные свойства натурального камня благодаря инновационным технологиям. Однако, натуральный камень превосходит искусственные аналоги по многим параметрам. Это подтверждает тот факт, что люди по большему счету предпочитают именно природный материал, несмотря на то, что он существенно дороже искусственной альтернативы. В некоторой степени это позволяет сохранить связь с природой, возможно по этой причине природный камень никогда не утратит своей популярности.
Камень натурального происхождения не содержит никаких вредных веществ, которые могут нанести серьёзный вред здоровью. Также в нём отсутствуют и легко воспламеняющиеся вещества, которые могут привести к возникновению пожара, что не всегда можно сказать об искусственных камнях. Все это можно отнести к основным преимуществам природного камня [7].
Поскольку в данной научной работе основное внимание уделено разработке фракционных минеральных составов на основе дроблёной каменной крошки, которые предполагается использовать в качестве декоративного минерального покрытия, краткое изложение характеристик цветных поделочных камней дано применительно к этой технике. Также, в исследовании свойств минералов основное внимание уделяется тем из них, которые имеют наибольшее значение в составлении минеральных композитов для фракционных покрывных составов.
Основные критерии оценки художественных камней определяются следующими параметрами: цвет, прозрачность, преломление, блеск, структура, плотность, хрупкость, упругость и пластичность, твёрдость, спайность, отдельность, излом, стойкость (химическая, термическая) [8].
Цвет - это одно из важнейших свойств камня, определяющее его красоту и ценность. Гамма окраски камней безгранична. Различают окраску по следующим показателям: - камни густо окрашенные, - слегка окрашенные, - комбинированно окрашенные (полосами, пятнами, волнами, струями, прожилками и т.п.), таковыми являются яшма, амазонит, змеевик, мрамор. Тот или иной цвет обусловлен наличием в составе каменной массы тех или иных хромофоров. Хромофор — элемент носителя цвета. Хромофорами являются железо (его окислы), титан, хром, марганец, медь (окись), кобальт, никель, слюда, известь, пирит, графит, антрацит (его пыль). Содержание в минерале хромофоров в большом количестве определяет интенсивность (яркость) его цвета. Если хромофоров в камне мало, то он слабо окрашен. Полное отсутствие носителей цвета делает минералы бесцветными.
Цвет, или окраска цветного камня — одно из важных свойств, имеющее особое значение при изготовлении художественных изделий. Окраска камня зависит от поглощения и отражения лучей белого света и в основном связана с особенностями и тем расположением электромагнитных клубков, которые мы называем атомами [7].
Цвет камня в большой степени определяет назначение изделия и его ценность. От разнообразия цветов или окраски зависит и расширение ассортимента изготавливаемых изделий. Палитра цветных камней очень разнообразна. Необходимо различать: цвет — оттенок; тон — интенсивность окраски; цветовой рисунок. Причины окраски минералов еще не достаточно изучены и зависят от сочетания многих факторов.
Только небольшая часть минералов имеет всегда определенный цвет. Эта окраска как бы неотъемлема от данного химического соединения — это его собственная, или так называемая идиохроматическая окраска (от греческих слов «идиос» — собственный, «хрома» — цвет, окраска); таким примером может служить малахит [8].
Специфика проектирования изделий и роль материала в стилизованном изображении
Стилизация в изобразительном искусстве известна с древнейших времён и как метод художественного творчества достигла высокого уровня в древнеегипетских и древнегреческих орнаментах, в которых одновременно с геометрическими линиями и узорами очень часто использовались стилизованные с высоким художественным вкусом объекты флоры и фауны: ветви, листья, цветы, плоды, образы животных. В наши дни орнаментальные композиции с элементами стилизации находят широкое применение в настенных росписях, лепных и резных украшениях, вышивке, расцветке тканей [21].
Наряду с творческой стилизацией существует её более низкий уровень, так называемая подражательная стилизация, которая предполагает наличие готового образца для подражания и заключается в подражании стилю той или иной эпохи, известным художественным течениям, манерам знаменитых мастеров, приёмам творчества того или иного народа. И все же, несмотря на уже имеющийся образец подражательная стилизация не должна иметь характер прямого копирования. Подражая тому или иному стилю, создатель стилизованного произведения должен стремиться внести в него, насколько это возможно, свою индивидуальность, например, избранным сюжетом, новым видением колорита или общим композиционным решением. Именно степень этой художественной новизны и будет, как правило, во многом определять ценность стилизованного произведения [22].
В целом, стилизация, в первую очередь творческая, является одним из плодотворных методов изобразительного искусства, который основан на другом, отличном от реалистического, способа реальной интеграции, при осмыслении и отражении окружающей жизни [23].
При создании декоративных композиций чаще всего используется метод творческой стилизации. Более удачным названием этого художественного метода могло бы быть не стилизация, а интерпретация, которое более точно передаёт сущность и особенность данного творческого процесса: художник смотрит на объект, интерпретирует его и эмоционально предает так, как он его чувствует, ощущает. Другими словами, он как бы заново создаёт этот натуральный объект, но уже в виде художественного символа. При этой интерпретации лучше всего следовать творческому принципу триады: «познать, оценить и улучшить». Этот теоретический принцип не имеет конкретного автора, но он был хорошо известен уже много веков назад [21]. В этом наставлении художнику предлагается творчески переосмыслить реально существующие объекты природы. Поэтому стилизацию любого объекта окружающего мира, в частности природы и природных форм, нужно рассматривать не в качестве одного из оригинальных художественных приёмов и средств выражения, а считать основным творческим методом и выразительным средством декоративно-прикладного искусства [22]. Отсюда возникает общее понятие декоративной композиции.
Декоративная композиция - это композиция с высокой степенью выразительности и явными признаками декоративности, имеющая модифицированные, стилизованные или абстрактные элементы, которые, придавая ей декоративный вид, усиливают её чувственное восприятие. Таким образом, главной целью декоративной композиции является достижение ею максимальной выразительности и эмоциональности с частичным или полным (в беспредметных композициях) отказом от достоверности, которая становится излишней или даже мешающей [23].
Основные общие черты, возникающие в процессе стилизации объектов и элементов декоративной композиции, - простота форм, их обобщенность и символичность, эксцентричность, геометричность, красочность, чувственность.
В первую очередь декоративной стилизации свойственны обобщённость и символичность изображаемых объектов и форм. Этот художественный метод подразумевает сознательный отказ от полной достоверности изображения и его подробной деталировки. Метод стилизации требует отделить от изображения всё лишнее, второстепенное, мешающее чёткому визуальному восприятию, чтобы раскрыть сущность изображаемых объектов, отобразить в них самое главное, привлечь внимание зрителя к скрытой до этого красоте и вызвать у него соответствующие яркие эмоции [24].
Высшей формой отказа от изображения несущественных реалистических деталей объектов декоративной композиции с одновременной заменой их абстрактными элементами является абстрактная стилизация, которая существует в двух видах: абстракция, имеющая реалистический образец в окружающем мире, и абстракция, не имеющая такого образца, - воображаемая (беспредметная) абстракция [24].
В декоративной композиции важную роль играет то, насколько творчески художник может переработать окружающую действительность и внести в неё свои мысли и чувства, индивидуальные оттенки. Это и называется стилизацией. Стилизация как процесс работы представляет собой декоративное обобщение изображаемых объектов (фигур, предметов) с помощью ряда условных приёмов изменения формы, объёмных и цветовых отношений. В декоративном искусстве стилизация - метод ритмической организации целого, благодаря которому изображение приобретает признаки повышенной декоративности и воспринимается своеобразным мотивом узора [25]. Стилизацию можно подразделить на два вида: - внешняя поверхностная, не имеющая индивидуального характера, предполагающая наличие готового образца для подражания или элементов уже существующего стиля (например, декоративное панно, выполненное с использованием приёмов хохломской росписи); - декоративная, в которой все элементы произведения подчинены условиям уже имеющегося художественного ансамбля (например, декоративное панно, подчинённое среди интерьера, сложившегося ранее). Декоративная стилизация отличается от стилизации вообще своей связью с пространственной средой. Поэтому для полной ясности стоит рассмотреть понятие декоративности. Под декоративностью принято понимать художественную ценность произведения, которое возникает в результате осмысления автором связи его произведения с предметно - пространственной средой, для которой оно предназначено. В этом случае отдельное произведение задумывается и осуществляется как элемент более широкого композиционного целого [24].
Можно сказать, что стиль - это художественное переживание времени, а декоративная стилизация - художественное переживание пространства [26].
Для декоративной стилизации характерно абстрагирование - мысленное отвлечение от несущественных, второстепенных с точки зрения художника признаков с целью заострения внимания на более значимых, отражающих суть объекта деталях. То есть, чтобы яснее отобразить сущность стилизуемого объекта, от него отделяется и из него убирается всё лишнее и второстепенное.
Исследование прочности и пластичности фракционных минеральных составов
Анализ результатов показал, что средние значения микротвёрдости для фракционных композиционных составов составляют 70-130 МПа, а для их компонентов (цельных каменный пород) - 100-160 МПа. Таким образом, твёрдость композитов примерно на 35 % меньше твёрдости цельного камня. Такая разница в значениях твёрдости связана с наличием в композиционном составе полимерного связующего - эпоксидного клея. Тем не менее, некоторые фракционные составы лежат в одном диапазоне твёрдости со значениями твёрдости цельного камня, это объясняется наличием в минеральном составе фракций металла, стекла, фарфора. В целом композиционный материал уступает по твёрдости цельному камню, однако, это обеспечивает более лёгкую обрабатываемость материала при шлифовании и полировании с целью придания композиту необходимые качества поверхности.
Исследование прочности и пластичности фракционных минеральных составов осуществлялось с целью выявления значений деформации, которую будет испытывать будущее изделие при обработке и эксплуатации.
Изучение прочности и пластичности фракционных минеральных составов производилось с помощью универсальной установки Instron 1122, представленной на рисунке 18. Скорость - 5 мм/ мин, база - 50 мм, погрешность измерения 10-15 %.
При оценке прочностных характеристик испытывались образцы размером 15x150 мм и толщиной 3 мм, с размером минеральной фракции мрамора 0,02 и 2 мм и процентным содержанием связующего 10, 20, 30 и 100 %. Далее образцы были испытаны [62,63]. Диаграммы растяжения некоторых из них представлены на рисунках 19 и 20. 50 го 40 (D I 7Ь
Из диаграмм растяжения были получены значения прочности и относительного удлинения при разрыве. На рисунке 21 представлена зависимость прочности композитов содержащих крупную и мелкую фракцию от процентного содержания минерального наполнителя, а также значение разрывной прочности чистого эпоксидного связующего. -#- крупная фракция -D- мелкая фракция
Анализ результатов исследования показал, что при нулевом содержании наполнителя прочность образца, состоящего только из эпоксидного связующего составляет 56,6 МПа, и с увеличением количества минеральной крошки прочность падает. Установлено, что введение 70% наполнителя приводит к снижению прочности в 2-2,5 раза, по сравнению с 100% связующим. Снижение прочности объясняется тем, что дисперсные минеральные наполнители воспринимаются эпоксидной матрицей как дефекты [48]. При этом размер фракции наполнителя существенно не влияет на прочностные свойства данных образцов.
Полученные результаты также позволили оценить прочность адгезионного взаимодействия композитов с максимально допустимым содержанием минерального наполнителя в эпоксидном связующем в количестве 90 %, которая составила 5-10 МПа.
Относительное удлинение характеризует пластичность материала. На рисунке 22 показано, что при 100% содержании эпоксидного связующего значения разрывных деформаций максимальны, далее значения постепенно снижаются и становятся равны 2,5 - 5 %, в зависимости от размера фракции, при содержании наполнителя 80%.
Однако, снижение пластичности у образцов с крупной и мелкой фракцией происходит не одинаково. Композиты с содержанием крупной минеральной фракции при 70% наполнителя превышают по своим значениям образцы с содержанием мелкой фракции в 2 раза, вероятно, это связано с большим количеством связующего между крупными частицами фракции [42]. Таким образом, чем больше размер фракции, тем больше устойчивость композита к деформации.
Введение минерального наполнителя приводит к снижению прочности образцов в 2-2,5 раза, по сравнению с 100% эпоксидным связующим. Эластичность образцов снижается аналогичным образом. Размер фракции при этом не существенно влияет на прочность и относительное удлинение.
Показано, что образцы, содержащие 10% связующего обладают низкими механическим свойствами, а именно высокой хрупкостью. Это объясняется тем, что концентрация наполнителя превышает максимально допустимую для данного вида композитного состава. 3. Установлено, что образцы с содержанием 30% связующего обладают максимальными значениями прочности и эластичности, по сравнению с другими образцами, однако декоративный эффект значительно снижается, т.к. между частицами наполнителя имеются достаточно большие промежутки.
Выявлено, что формирование композита с высокими механическими свойствами происходит при процентном соотношении наполнителя и связующего 80:20, что подтверждают результаты предварительного исследования по определению соотношений компонентов. Также, композиты с данным процентным соотношением компонентов обладают необходимыми декоративно-эстетическими и органолептическими свойствами при визуальной оценке, что имеет важное значение при создании изделий.
Были исследованы координаты цветности большинства предполагаемых к использованию фракционных каменных составов на основе одно- двух- и трёхкомпонентных минералсо держащих композиций. Измерения проводились в системе LCh, определяющей значение цвета по трем параметрам: светлота, насыщенность, и цветовой тон, на образцах фракционного состава исследуемого цвета диаметром 25 мм. Каждое измерение проводилось пятикратно на различных участках образца. Условия эксперимента: стандартный источник излучения D65, с угол обзора - 2. В таблице 7 даны показания прибора по трём измерениям и среднее арифметическое значение показаний (а).
Влияние технологических параметров на оптико-декоративные свойства минералсодержащего покрытия
Используя различные свойства, как связующих, так и наполнителей, можно получать самые разнообразные по своим характеристикам композиты. Композиционные материалы создаются для объединения одинаковых или различных компонентов, чтобы получить материал с новыми заданными характеристиками и свойствами, которые отличаются от характеристик и свойств начальных составляющих. Благодаря появлению подобных материалов появилась возможность избирательного выбора качеств композитов, нужных для целей определенной сферы применения [47].
По оценкам специалистов, в некоторых случаях получение реактопластов обходится дешевле, чем изготовление термопластов, но, с другой стороны, вторичная переработка реактопластов бывает достаточно сложной. В настоящее время отечественная и зарубежная промышленность выпускают различные виды реактопластов на основе фенолформальдегидных смол, а также различных видов эпоксидных материалов.
Основные виды термопластов. Среди термопластов наиболее разнообразно применение полиэтилена, поливинилхлорида и полистирола, преимущественно в виде гомогенных или эластифицированных материалов, реже газонаполненных и наполненных минеральными порошками или синтетическими органическими волокнами. Основные виды реактопластов. После окончания формования изделий из реактопластов полимерная фаза приобретает сетчатую (трёхмерную) структуру. Благодаря этому отверждённые реактопласты имеют более высокие, чем термопласты, показатели по твёрдости, модулю упругости, теплостойкости, усталостной прочности, более низкий коэффициент термического расширения, при этом свойства отвержденных реактопластов не столь резко зависят от температуры [44].
Смола в реактопластах может отверждаться самопроизвольно (чем выше температура, тем больше скорость) или с помощью полифункционального низкомолекулярного вещества — отвердителя. Реактопласты с любым наполнителем изготавливают, применяя в качестве связующего феноло-альдегидные смолы и эпоксидные смолы [48].
Эпоксидные смолы считаются наиболее подходящим термореактивным связующим для изготовления многих композитов. Это обусловлено следующими причинами: - высокая адгезия эпоксидных смол к множеству наполнителей, подложек и армирующих составляющих; - возможность получать материалы с большим многообразием свойств, для широкого спектра технологий, благодаря широкому выбору эпоксидных смол и отвердителей.
В процессе реакции между отвердителем и эпоксидной смолой отсутствует выделение воды. Эпоксидные смолы после отверждения обладают высокими электроизоляционными показателями и химической стойкостью [46].
Стойкость к воздействию кислот влаги и щелочей одна из особенностей эпоксидных смол, благодаря которой их возможно использовать для капсулирования и герметизации. Для эпоксидных смол характерна относительно низкая усадка, а также высокое объёмное сопротивление и отсутствие деформирования при нагреве. Для материала характерна высокая механическая прочность и хорошая совместимость с различными наполнителями, возможность применять для соединения деталей склеиванием, для защиты от внешних атмосферных и прочих воздействий, в качестве связующего компонента вместе с наполнителем [48].
Благодаря лёгкости введения армирующих наполнителей можно снизить стоимость и увеличить стабильность размеров конечного изделия. Эти и некоторые другие факторы сделали эпоксидные смолы более предпочтительными металлам. В частности экономичность, и в случае надобности более быстрая модификация изделия.
К недостаткам эпоксидных связующих веществ относят необходимость специальной защиты во время работы с материалами. Производственные помещения должны хорошо проветриваться. Однако, отвердевший состав, по мнению специалистов, не представляет опасности для здоровья [49].
Учитывая все вышеперечисленное, можно сказать, что композиты на основе эпоксидных смол обладают наиболее высокими физико-механическими характеристиками, сравнительно с другими связующими смолами. Они отлично сохраняют размер и форму, наиболее предпочтительны в изготовлении требовательных к прочности и лёгкости конечных изделий.
Понятие «композиционные материалы», содержат в современной форме идею о том, что совместная работа разных материалов дает результат, равнозначный созданию нового материала, у которого свойства качественно и количественно отличаются от свойств каждого из его составляющих [50].
В данной работе, в качестве полимерного материала был выбран эпоксидный клей марки ЭДП (быстрого отверждения), т.к. по ряду перечисленных свойств данный полимер является наиболее подходящим для осуществления технологического процесса изготовления декоративного композитного покрытия. Выбор связующего осуществлялся с учетом высокой адгезии к наполнителям и основам, небольшим временем отверждения, экономическим фактором, а также чтобы связующее не оказывало значительного влияния на изменение цвета фракционного наполнителя.
Подготовка поверхности основы. Исследование физико-технологических и механических свойств фракционных минеральных составов производилось на образцах диаметром 2,5 мм, размером 15/150 и толщиной не более 3 мм, нарезанных с помощью стеклореза известным способом.
С целью улучшения сцепления фракционного композита с основами из стекла, оргстекла, керамической плитки и пластинами натурального камня, поверхность основы образцов с одной стороны матировалась с помощью абразивного шлифовального круга. Для дополнительного укрепления места соединения состава с основой на поверхность основы образца наносился слой эпоксидного клея, и сверху через сито насыпался слой речного песка, примерно до середины высоты перегородок. Песок в соединении с эпоксидным клеем уплотнялся, не приклеившийся песок ссыпался с поверхности. Нанесенный таким способом первичный слой значительно укрепляет соединение композита со стеклом и сокращает расход цветных минералов.
