Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор литературы
1.1. Современные способы декорирования стеклоизделий
1.2. Факторы, формирующие качество традиционных декоративных покрытий на основе силикатных стекол...
1.2.1. Влияние свойств стекла на особенности декорирования изделий силикатными красками
1.2.2. Влияние технологических факторов на качество традиционных покрытий на основе силикатных красок...
1.3. Факторы, формирующие качество плазменных покрытий
1.4. Выводы по обзору литературы
ГЛАВА2. Объекты и методы исследования
2.1. Выбор и обоснование объектов исследования
2.2. Методики исследований
.3. Устройства для получения низкотемпературной плазмы и характеристика установок
ГЛАВА 3. Экспериментальная часть
3.1. Исследование факторов, формирующих качество плазменных декоративных покрытий на стеклянной бытовой посуде
3.1.1. Определение параметров низкотемпературной плазмы для декорирования стеклянной бытовой посуды
3.1.2. Исследование свойств стеклопорошков, используемых для плазменного декорирования
3.2. Исследование влияния технологических факторов декорирования плазменным напылением стеклопорошков на потребительские свойства стеклянных бытовых товаров
3.3. Исследование потребительских свойств стеклянных бытовых товаров, декорированных плазменным напылением стеклопорошков и традиционными способами
3.3.1. Выбор номенклатуры потребительских свойств стеклянных бытовых товаров для исследования
3.3.2. Исследование свойств надежности и безопасности декорированных стеклянных бытовых товаров
3.3.2.1. Исследование термостойкости стеклянных бытовых товаров..
3.3.2.2. Исследование водостойкости стеклянных бытовых товаров
3.3.2.3 Исследование кислотостойкости стеклянных бытовых товаров
3.3.2.4 Исследование микротвердости декоративных покрытий..
3.3.2.5 Исследование влияния толщины декоративных покрытий на потребительские свойства стеклянных бытовых товаров
3.3.2.6 Исследование прочности сцепления декоративных покрытий на стеклянных бытовых товарах
3.3.2.7 Исследование влияния напряжений на потребительские свойства стеклянных бытовых товаров
3.3.3. Исследование макро- и микроструктуры декоративных покрытий на стеклянных бытовых товарах, полученных методом плазменного напыления стеклопорошков
3.3.4. Исследование эстетических свойств стеклянных бытовых товаров, декорированных методом плазменного напыления стеклопорошков и традиционными способами
3.3.5. Классификация стеклянных бытовых товаров, декорированных в «холодном состоянии»
ГЛАВА 4. Оценка качества и конкурентоспособности стеклянных бытовых товаров, декорированных методом плазменного напыления ...
4.1. Методы оценки качества и конкурентоспособности продукции
4.2. Оценка уровня качества стеклянных бытовых товаров, декорированных методом плазменного напыления
4.3. Оценка конкурентоспособности стеклянных бытовых
Выводы
Литература..
- Влияние свойств стекла на особенности декорирования изделий силикатными красками
- Устройства для получения низкотемпературной плазмы и характеристика установок
- Исследование влияния технологических факторов декорирования плазменным напылением стеклопорошков на потребительские свойства стеклянных бытовых товаров
- Оценка уровня качества стеклянных бытовых товаров, декорированных методом плазменного напыления
Влияние свойств стекла на особенности декорирования изделий силикатными красками
В диссертационной работе исследуется влияние высокоэффективной, экономически целесообразной и экологически чистой плазменной технологии получения декоративных покрытий на стеклянной сортовой посуде на основе силикатных стекол. В связи с этим, в работе не рассматриваются факторы, формирующие качество стеклянных бытовых товаров, декорированных: 1) механической обработкой (валовое, номерное и матовое шлифование, пескоструйная обработка, широкополосное гранение, алмазная резьба, гравирование); 2) химической обработкой (полирование, матирование, декоративное травление); 3) термической обработкой (аэрозольные напыления, иризация, покрытия из люстровых красок, пленки драгоценных металлов, протравное окрашивание), т.е. при выполнении которых не используются легкоплавкие стекла и краски.
Свойства стеклоизделий, декорированных плазменным напылением, сопоставлялись со свойствами стеклоизделий, декорированных в холодном состоянии путем нанесения на их поверхность легкоплавких стекол или силикатных красок. К ним относят: трафаретную шелкографию, декалькоманию, живопись по стеклу и аэрографию. Основным способом декорирования стеклянных бытовых товаров в горячем состоянии путем нанесения стеклянных порошков является "насыпь".
Как известно, при нагревании стекол различают две температурные характеристики: Т% и Т . Т% - это температура, ниже которой стекло приобретает хрупкость. При этой температуре вязкость стекла составляет 1012 Па-с. 7}.- это температура, выше которой в стекле начинают проявляться свойства, типичные для жидкого состояния. Этой температуре соответствует вязкость, равная приблизительно 108 Па-с. При этой температуре из размягченного стекла можно вытягивать тонкие нити [51]. Величина температурного интервала Т% - ТІ определяется химической природой стекла и для различных стекол колеблется от нескольких десятков до сотен градусов [50].
Традиционные способы декорирования стеклоизделий в холодном состоянии предусматривают нанесения легкоплавких стекол (флюсов, эмалей, глазурей) с Tg не превышающей Tg подложки. В противном случае в процессе отжига, который необходим для закрепления декоративного покрытия, изделия будут деформироваться. Это является основным требованием к стеклопорошкам, так как при использовании стеклопорошков с Ts Tg подложки получить прочное декоративное покрытие в условиях современной традиционной технологии невозможно.
Другим важным фактором, формирующим качество декоративного покрытия, является согласование термического коэффициента линейного расширения к (ТКЛР) покрытия и подложки. При традиционных способах декорирования показатели ТКЛР силикатной краски и ТКЛР стеклоизделия должны различаться не более чем на 5% [50].
При плазменном напылении на стеклоизделие можно наносить покрытие из стекол того же состава, что и само изделий, а следовательно, с такой же величиной ТКЛР.
Так как в процессе декорирования при термической обработке стекла переходят в размягченное и вязкотекучее состояние, вязкость подложки и покрытия также оказывает существенное влияние на формирование качества стеклоизделий, в том числе и силикатных декоративных покрытий.
Все стекла условно подразделяют на "короткие" - быстротвердеющие и "длинные" - медленнотвердеющие. При непрерывной выработке труб, дрота, листового, узорчатого и армированного стекла на высокопроизводительных линиях необходимы быстротвердеющие составы стекол. Для выработки сортовой посуды сложной формы и больших размеров методом прессования, прессовыду-вания и выдувания используется стекло, которое медленно твердеет. Следует также учитывать, что на скорость затвердевания влияет как форма и размеры изделия, так и первоначальная температура стекла, при которой оно вырабатывается. Крупные изделия с небольшой поверхностью остывают медленнее аналогичных с большей поверхностью. Стекло тем быстрее твердеет, чем выше пер- воначальная температура его выработки [156].
Легкоплавкие стекла, используемые для декорирования традиционными способами, должны быть "короткими", так как большинство из них пдвергается термообработке при температурах 773-823 К. В данном температурном интервале они должны расплавиться и иметь достаточно высокую вязкость, чтобы не стекать с поверхности стеклоизделия. Именно низкая вязкость силикатных красок может быть причиной таких дефектов декорирования, как потеки.
Интервал вязкости стекломассы при выдувании мелких изделий определяется в границах 5-102-10б Па-с, а для крупных 5102-108 Па-с [51]. В зависимости от способа формования, подача капли осуществляется при вязкости lg rj=2,0-3,7 [43, 52]. В работе приводится обобщенная формула для расчета средней вязкости на этапе подачи капли [167]: lg 7р2,48+0,00042 М±0,13, (1) где М- масса изделия в граммах. Ориентировочные данные по рабочим интервалам вязкости и температурным интервалам формования для наиболее распространенных способов формования стеклоизделий приведены в табл. 1 [5,43, 52, 53,166,167].
Устройства для получения низкотемпературной плазмы и характеристика установок
В качестве объектов исследований были выбраны стеклянные бытовые товары (сортовая посуда) на основе цветных и бесцветных натрий-кальций-силикатных стекол, свинцовых и бариевых хрусталей. Химический состав исследуемых в работе стекол для получения стеклопорошков представлен в табл. 2.
Для декорирования использовали стеклянные бытовые товары ОАО "Стекольный завод "Красный Май"" Тверской обл. и ОАО "Дятьковский хрусталь" Брянской обл.
Для плазменного напыления применяли стеклопорошки, полученные из отходов производства и боя стеклянных изделий. Стеклопорошки готовили путем помола в фарфоровых шаровых мельницах с уралитовыми шарами с последующим просевом на ситах с размером ячеек, соответствующих условиям плазменного напыления. Зерновой состав стеклопорошков, используемых для напыления, описан в главе 3.
Перед напылением поверхность стеклянных подложек обезжиривали протиранием тампоном, смоченным в ацетоне или метаноле. Трафарет для получения необходимого рисунка изготовляли из медной или алюминиевой гибкой фольги.
Образцы для дилатометрии, определения микротвердости и петрографических исследований изготовляли по стандартным методикам, описанным в соответствующем разделе диссертации.
Сортовое молочное стекло (селеновый рубин) - 0,5 и 0,5% соответствен но; содержание Оа#з в сортовом зеленом стекле - 0,5%. Выбор для исследования изделий из бесцветного сортового стекла обусловлен тем, что декорирование таких изделий проводится преимущественно: трафаретной шелкографией, аэрографией, насыпью, художественной росписью - и поэтому они в наибольшей мере пригодны для сопоставления свойств с изделиями, обработанными термодекорированием. Кроме того из бесцветного стекла вырабатывают полые изделия - стаканы, фужеры, бокалы и рюмки, которые удобно декорировать плазменным напылением Оценка потребительских свойств и конкурентоспособности контрольных и исследуемых образцов проводился на изделиях этой группы.
Из сортового стекла - селеновый рубин, также в основном, вырабатываются рюмки, фужеры и вазы различного назначения. Данные изделия выпускаются как без декоративных покрытий, так и с декоративными покрытиями. Наиболее распространенные способы декорирования изделий из селенового рубина - отводка золотом и трафаретная шелкография. Накладное селеновое стекло в основном подвергается алмазному гранению и другим видам механической обработки. В работе исследованы свойства изделий из сортового стекла селеновый рубин, декорированныеч методом трафаретной шелкографии.
По этим же соображениям, нами выбраны сортовые зеленые и синие стекла, окрашенные соответственно хромом и кобальтом. Из данных сортовых стекол в основном вырабатываются рюмки, фужеры, бокалы и комплектные наборы для воды, пива, молока, а также вазы декоративного и декоративно-утилитарного назначения. Эта группа изделий использована в качестве объекта исследований из-за того, что основным видом декорирования является нанесение деколи и отводки золотом. Из данных сортовых стекол вырабатываются также различные сувениры (в частности медали к юбилейным торжествам, сувениры, малые скульптуры и эксклюзивные высокохудожественные изделия), которые не являются объектом исследований.
Из молочных (заглушённых) стекол выпускают вазы декоративного и декоративно-утилитарного назначения, декорированных деколью, художественной росписью, отводкой и росписью золотом. В связи с этим изделия из молочного стекла выбраны нами в качестве объектов исследований.
Свинцовые и бариевые хрустали выбраны в качестве объектов исследований по следующим причинам. Во-первых, в настоящее время вырабатывается хрустальная тонкостенная сортовая посуда (стаканы, рюмки, фужеры, бокалы, комплектные изделия, сувениры и др.), декорированная отводкой и росписью золотом, насыпью, художественной росписью, трафаретной шел-кографией. Во-вторых, нанесение традиционных декоративных покрытий на изделия из хрусталя требует специальных технологических режимов термообработки с целью закрепления декоративного покрытия, поскольку данные сортовые стекла имеют Tg и Т/ ниже, чем бесцветные и цветные сортовые. стекла. В третьих, для декорирования изделий из свинцовых и бариевых хру-сталей необходимо подбирать составы стекол для декорирования с более низкими значениями TgnT/, чем для бесцветных и цветных сортовых стекол, а также корректировать ТКЛР наносимого на подложку стекла с ТКЛР бариевых и свинцовых хрусталей. В-четвертых, прочность и долговечность декоративных покрытий на бариевых и свинцовых хрусталях ниже по сравнению с бесцветными и цветными стеклами из-за более низких температур отжига хрусталей с декоративными покрытиями, а также изделия имеют более низкую химическую стойкостью (водостойкость, кислотостойкость), а также более низкую микротвердость, что способствует более быстрому разрушению декоративного покрытия в точке контакта с подложкой. Свойства толстостенных изделий из свинцовых и бариевых хрусталей с алмазной гранью в диссертащюнной работе не рассматриваются.
Современная технология производства бытовых стеклянных товаров рекомендует использование определенных видов декорирования для конкретной номенклатуры изделий. Так, трафаретная шелкография и аэрография в основном используется для декорирования стаканов различных форм из бесцветных сортовых стекол. Декалькомания применяется как для бесцветных, так и для цветных сортовых стекол, свинцовых и бариевых хрусталей, из которых вырабатывают стаканы, рюмки, фужеры, бокалы, вазы, комплектные изделия и др. Насыпь применяется в основном для декорирования изделий из бесцветных сортовых стекол, из которых вырабатываются рюмки, стаканы, фужеры, бокалы, вазы, комплектные изделия и др. Художественная роспись в основном используется для декорирования сортовых бесцветных стекол, из которых вырабатываются вазы, комплектные изделия, фужеры, бокалы и др.
Исследование влияния технологических факторов декорирования плазменным напылением стеклопорошков на потребительские свойства стеклянных бытовых товаров
В отечественной и зарубежной литературе приводится описание влияния плазменного напыления при образовании защитных и декоративных покрытий на изделиях из технической керамики, ситаллов и сплавов [8, 9, 23, 27,55,58,76,145,151,168,169].
Однако сведений по нанесению стекловидных декоративных покрытий на изделия, относящиеся к группе бытовой стеклянной посуды, методом плазменного напыления крайне мало [14, 17,18, 86, 87, 88].
Анализ работ показал, что для образования декоративного или защитного покрытия используются материалы в виде стеклянных порошков с диаметром частиц 20-250 мкм, стержни (прутки) из силикатных материалов и металлическая проволока.
В нашей работе для образования декоративного плазменного покрытия на стеклянной бытовой посуде использованы стеклянные порошки, которые по своему химическому составу близки к составу стекломассы, из которой формуются готовые изделия.
Нанесение плазменного декоративного покрытия производилось на плазмотроне УПУ-8М. В качестве плазмообразующего газа использовали аргон. Использование аргона позволяет получить высокую температуру плазмы при относительно небольших напряжении дуги и энергии, подводимой к дуге, что обеспечивает экономию электроэнергии. Кроме того, аргон является наименее дефицитным и относительно дешевым из инертных газов.
В работе исследовано влияние режимов работы плазмотрона на качество плазменного декоративного покрытия. С этой целью параметры работы плазмотрона изменяли в интервалах: сила тока 200-450 А, напряжение 30-32 В, расход аргона при давлении 0,25 МПа - 1,8 м3/час.
В табл. 5 представлена характеристика режимов работы плазмотрона при нанесении декоративных покрытий на стеклоизделия. Таблица 5
Из табл. 5 видно, что с увеличением силы тока температура плазмы растет. При увеличении силы тока до 600 А среднемассовая температура достигает 15000 К. Это приводит к быстрому разрушению катода и анода плазменной горелки и существенно снижает время ее работы. Уменьшение силы тока до 300-350 А снижает температуру плазмы до 5000-7000 К, что увеличивает время расплавления стеклопорошков в факеле плазмы.
Оптимальными параметрами работы плазмотрона для напыления стеклопорошков являются: сила тока 400 А, напряжение 30-32 В, расход плазмо-образующего газа 1,8 м3/час. В этих условиях среднемассовая температура плазмы составляет 8644 К.
При плазменной обработке стеклоизделий стеклопорошки, используемые для напыления, подвергаются интенсивному нагреву. Время пребывания частиц стеклопорошка в плазменном факеле составляет 2,5-Ю"4 [55].
Однако, даже за такой короткий период времени пребывания частиц стеклопорошка в плазме из-за высокой температуры последней (порядка 5000-10000К) они плавятся. Кроме того, как установлено экспериментами под действием динамического напора плазмообразующего газа более крупные частицы имеют скорость более высокую, чем. мелкие, догоняют последних и сливаются с ними до размеров 200 мкм [55].
В результате этого происходит частичное испарение ингредиентов стекол. Различные оксиды в процессе плазменной обработки испаряются по различным механизмам. Это в значительной степени зависит и от наличия в составе стекол поверхностно-активных веществ.
В работе исследовано влияние" плазменного нагрева на стеклопорошки из сортового стекла. Усредненный зерновой состав стеклопорошков составлял 50-150 мкм.
Напыление стеклопорошков производили по следующей схеме. Порошковым питателем стеклопорошок подавался в плазменную горелку ГН-5р плазмотрона УПУ-8М и затем потоком плазмообразующего газа в конический сборник с корундовым тиглем на торце. В тигле стеклопорошок, прошедший плазменную обработку, накапливался для последующего анализа. Параметры работы плазмотрона были следующие: рабочее напряжение 30 В, сила тока 400 А. Плазмообразующим газом служил аргон, расход которого составлял 1,8 м3/час при давлении 0,25-0,27 МПа. Авторами [10, 36, 37, 39] установлено, что в поверхностном слое силикатных стекол происходит разложение силикатов, В первую очередь испаряются оксиды щелочных металлов. При обработке боросиликатного стекла первоначально испаряются бораты металлов [10]. В результате плазменной резки листового стекла в слое глубиной до 100 мкм в зависимости от скорости обработки происходит перераспределение оксидов кальция и железа [36]. При обработке струей азотной плазмы силикатных стекол показано, что при скорости прохождения факела плазмы 5 м/мин содержание оксида калия уменьшается в два раза, а при скорости прохождения факела плазмы 20 м/мин содержание оксида калия увеличивается
Оценка уровня качества стеклянных бытовых товаров, декорированных методом плазменного напыления
Предложенная нами технология плазменного напыления стеклопорошков на стеклянные бытовые товары включает несколько основных стадий: подготовка стеклопорошка, обезжиривание поверхности стеклоизделия, подготовка трафарета, наложение на изделие трафарета и при необходимости его предварительный подогрев, установка стеклоизделия на вращающуюся тур-нетку, плазменное напыление стеклопорошков, снятие трафарета (рис. 6, 7).
Нами изучено влияние отдельных технологических операций декорирования стеклоизделий методом плазменного напыления на их потребительские свойства.
При подборе зернового состава стеклопорошков для плазменного напыления необходимо учитывать, что расплавленная в плазменном факеле частица стеклопорошка должна приносить в точку контакта с поверхностью стеклоизделия количество теплоты, достаточное для размягчения поверхностного слоя изделия. Однако, при контакте с подложкой в ней не должны возникать микротрещины. Поэтому для плазменного напыления зерновой состав стеклопорошков должен быть строго определенным.
Эксперименты показали, что для напыления на поверхность стеклоизделий пригодны стеклопорошки с размером зерен от 0,08 до 0,32 мм. Более мелкие частицы стеклопорошка не пригодны для плазменного напыления по следующим причинам.
Во-первых, при соударении мелкие частицы незначительно размягчают поверхность подложки и вследствие этого имеют невысокую прочность сцепления с подложкой (1,5-2,0 МПа).
Во-вторых, часть мелкой фракции стеклопорошка уносится потоком плазмообразующих газов и не контактирует с поверхностью стеклоизделия.
Фракции стеклопорошков размером более 0,32 мм непригодны для плазменного напыления вследствие того, что при соударении о стеклянную подложку существенно размягчают последнюю. Это приводит к тому, что при быстром самопроизвольном остывании изделия в нем могут возникнуть микротрещины, снижающие прочность сцепления декоративного слоя с подложкой. Обезжиривание декорируемой поверхности стеклоизделия
Как показали экспериментальные производственные испытания на прочность сцепления декоративного покрытия, полученного плазменным напылением, оказывает влияние степень обезжиривания подложки. Прочность сцепления покрытия с подложкой повышается после ее обезжиривания.
Обезжиривание поверхности стеклоизделий производили Путем протирания ватным тампоном, смоченным в ацетоне или метаноле.
При плазменном напылении стеклопорошков можно получать декоративное покрытие площадью до 90-100 см2. В качестве трафарета использовали гибкую медную или алюминиевую фольгу с перфорацией определенной конфигурации.
Для определения оптимального расстояния декорируемого стеклоизде-лия от среза плазменной горелки определяли температурно-временное поле в потоке плазмообразующих газов при оптимальных температурах работы плазмотрона.
Установлено, что чем выше толщина стенок, тем ниже критическая температура термического расширения изделия при плазменном напылении. Экспериментально установлено, что для получения качественных стеклоизделий, декорированных плазменным напылением, расстояние от среза горелки до поверхности стеклоизделий должно составлять 200-500 мм, а температура должна быть не выше 623 К.
С целью изучения темпа нагрева стекол различной толщины в потоке плазмообразующих газов, интенсивно смешивающихся с воздушной атмосферой, в них впаивали Х4-термопары. Для опыта были взяты стекла (на основе сортовых бесцветных стекол) толщиной 0,5 мм, 1,0 мм и 2,0 мм. Перед проведением эксперимента стекла закрепляли в лабораторном штативе. Штатив размещали в вытяжном шкафу таким образом, чтобы поверхность исследуемых образцов была перпендикулярна оси напыления стеклопрошков. -Расстояние от среза плазменной горелки до поверхности образца составляло 300±5 мм. Х4-термпары располагались с тыльной стороны пластин стекла и фактически фиксировали температуру прогрева образца на всю толщину. После зажигания дуги плазмотрона фиксировали подъем температуры через каждые 2 с. Результаты эксперимента представлены на рис. 10.
Как видно из рис. 10, пластины стекла толщиной 0,5 мм в газовой ат мосфере нагревались по всей толщине в среднем до 380-390 К за 30 с, а пла стины толщиной 1,0 мм и 2,0 мм за 42 и 56 с соответственно. В связи с тем, что стекла в воздушной атмосфере могут выдерживать нагрев без разруше ния 600-700 К, а время декорирования одного стеклоизделия не превышает 30 с, данные параметры нагрева стекол при декорировании в потоке плазмо образующих газов являются безопасными.
