CC BY
9
УДК 533.9.01
И. Ш. Абдуллин, Д. А. Зинатуллин
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И ДЕКОРАТИВНЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ МИНЕРАЛОВ НА ОСНОВЕ КАЛЬЦИТА ВСЛЕДСТВИЕ ОБРАБОТКИ ВЧ РАЗРЯДАМИ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ В СРЕДЕ ИНЕРТНОГО ГАЗА
Ключевые слова: минералы на основе кальцита, механическая и химическая обработка поверхности, ВЧ разряд пониженного давления, шероховатость поверхности.
Обоснована актуальность исследовательской работы, изложен анализ показателей качества поверхности минералов и факторов, влияющих на эти показатели. Рассмотрены основные причины возникновения дефектов поверхности природного камня, а также приведены механизмы разрушений. Определены режимы обработки поверхности минералов, позволяющие повысить эксплуатационные свойства минерала и улучшить декоративный вид.
Keywords: based minerals calcite, mechanical and chemical surface treatment, high-frequency discharge of low pressure, surface roughness.
The urgency of the research work is presented the analysis of indicators of quality of surface minerals and factors affecting these indicators. The main causes of surface defects of natural stone, and provides mechanisms for destruction. Modes of surface treatment of minerals that improve operational properties of mineral and improved decorative appearance.
Введение
Вследствие широкого использования природного камня в строительстве, архитектуре и скульптуре неизменность прочностных характеристик и эстетики в процессе эксплуатации природного камня является приоритетным фактором. Материалы на основе таких минералов как мрамор, гранит, доломит, состоящие преимущественно из кальцита (СаСО3), могут подвергаться медленному разрушению под действием внешних механических и химических воздействий и терять декоративный вид. Характер и степень разрушения природного камня в большей степени зависит от природных условий, в которых он эксплуатируется. Например, под действием резких изменений температур на поверхности минерала образуются микротрещины. Замерзание воды в порах и трещинах сопровождается шявлением в материале больших внутренних напряжений [1, 3]. Разрушение усугубляется, если материал при этом испытывает нагрузку. Материалы на основе кальцита также подвергаются химическому разрушению. «Кислотные» дожди, а также щелочи и кислоты, образованные вследствие процессов метаболизма микроорганизмов в мхах, лишайниках или в почве способствуют образованию на поверхности минералов водорастворимых соединений. Самые распространенные химические реакции разрушения кальцита:
CaCO3 + ТО2 + H2O = Ca(HCO)2 - растворимый СаСО3 + 2Н2О + 2SО2 = 2(СаSО4* 2Н2О) + 2СО2
СаСО3 + 2NaOH = №Ш3 + Ca(ОH)2
Хлороводород также оказывает губительное действие на кальцит:
CaCOз + 2Ж1 = Caa2 + H2O + ТО2 Т CaCOз + 2Н+ + 2а- = Ca2+ + 2а- + H2O + ТО2 Т CaCOз + 2Н+ = Ca2+ + H2O + ТО2
Выше перечисленные природные факторы подвергают минералы к потере декоративного вида, а также к снижению их срока службы. Продлить срок службы и сохранить декоративные свойства возможно путем качественной обработки поверхности минерала. Однако современные методы обработки поверхности не обеспечивают защиту минералов в достаточной степени и имеют ряд недостатков. Механическая обработка поверхности природного камня (шлифовка, полировка) хоть и повышает декоративный вид, а более глубокая шлифовка удаляет трещины, но обеспечивает защиту временно, так как вследствие полировки на поверхности образуется трещиноватый слой. Наличие трещиноватого слоя поверхности является главной причиной разрушения минерала, эксплуатируемого в природных условиях. Химические же способы обработки камня защищают поверхность временно и также имеют ряд недостатков. Вытравливая трещиноватый слой поверхности минерала, кислота проникает и протравливает пограничный слой между поверхностью и продуктами реакции. Это приводит к частичному разрушению поверхностного слоя. Другой аспект, в результате реакции кислот и щелочей образуются соли, удалить которые крайне затруднительно. Если в составе минерала содержаться соединения железа в значительной мере, то на поверхности могут образовываться разводы, ухудшающие внешний вид.
Учитывая существенные недостатки современных методов обработки поверхности минералов, требующие дорогостоящий уход на поддержание и восстановление декоративных свойств, актуальность проблемы по созданию перспективных методов защиты поверхности минералов бесспорна. Решением данной проблемы является применение плазменных технологий, а именно: обработка поверхности минералов ВЧ разрядами пониженного давления в атмосфере инертного газа, позволяющая создавать поток ионов, обладающих
энергией 10-100 эВ, при которой происходит избирательная обработка поверхности.
Экспериментальная часть
В качестве объектов исследований выбраны образцы мрамора белого. Перед проведением экспериментов образцы были напилены до приобретения квадратной формы площадью 1 см2 и толщиной 0,5 см с последующей шлифовкой и полировкой пастой ГОИ. Анализ поверхности минерала белого мрамора проводился до и после обработок в плазме ВЧ-разряда: измерение шероховатости поверхности методом конфокальной лазерной микроскопии, сканирование рельефа поверхности. Оценка свойств проводилась при помощи конфокального лазерного сканирующего микроскопа ОЬУМРИБ ЬБХТ 4000. Результаты исследований приведены на рисунках 1 - 2.
а б
в г
Рис. 1 - Фотографии поверхности образца белого мрамора, снятые на микроскопе OLYMPUS LEXT 4100 при увеличении х20: а - до обработки, б - после обработки в плазме 60 мин, в - после обработки в плазме 90 мин, г - после обработки в плазме 120 мин
Результаты исследований на микроскопе свидетельствуют о развитии трещиноватого слоя поверхности мрамора после 60 минут (рис.1б) обработки в плазме пониженного давления в выбранных режимах (таблица 1) [2]. Начинается проявление однонаправленных следов механической полировки. Из рисунка 1в видно, что дальнейшая обработка постепенно удаляет трещиноватый слой. Режимы обработки подобраны таким образом, что в результате достигнута избирательная обработка поверхности камня (при энергиях от 10 эВ до 100 эВ) [3], и при 120 минут обработки (рис.1 г) очевидно наблюдается значительное удаление трещиноватого слоя и проявление истинной структуры поверхности. Анализ рисунка 1г показал, что поверхность становится более
однородной и обладает повышенными декоративными свойствами. Значительное количество царапин и других следов заметно исчезло.
Таблица 1 - Режимы обработки минералов ВЧ-разрядами пониженного давления
Параметры обработки Показатели
Напряжение анодное, стабилизированное, кВ 5
Анодный ток, А 0,45
Расход газа, г/с 0,04
Рабочее давление в разрядной камере, Па 24,4
Рабочий газ Аг
Тип разряда Емкостной
Продолжительность обработки, мин 60 90 120
Увеличение продолжительности обработки приводит к изменению параметра шероховатости. Зависимость средней шероховатости поверхности белого мрамора приведена в таблице 2.
Таблица 2 - Зависимость параметра шероховатости поверхности белого мрамора от продолжительности времени обработки
Показатель Продолжительность времени обработки, мин
0 60 90 120
Параметр шероховатости Ra, мкм 0,616 0,245 0,543 0,134
Из таблицы 2 видно, что при обработке белого мрамора в приведенных режимах продолжительностью 120 минут, достигается минимальное значение параметра шероховатости поверхности (Яа 0,134 мкм), достичь которого существующими механическими методами не является возможным.
Выводы
1. Обработка поверхности белого мрамора ВЧ разрядами пониженного давления в среде аргона после финишной механической полировки позволяет снизить шероховатость поверхности в 4 - 5 раз, повысить стойкость поверхности к воздействию внешних факторов за счет удаления трещиноватого слоя, достичь более однородную структуру поверхности, повысив тем самым декоративные свойства минерала, значительно продлить срок эксплуатации минерала, сэкономить на затратах по
уходу за минералом и восстановлению внешнего вида.
2. Отсутствие трещиноватого слоя и высокая чистота поверхности позволяет утверждать, что увеличивается сток влаги с поверхности минерала, а следовательно, увеличивается морозостойкость минерала, повышается биологическая стойкость, вследствие меньшего проникания в поверхность мрамора агрессивных сред через поры материала.
Работа выполняется при поддержке Ми-нобрнауки РФ, проект № 1779.
Литература
1. Проблемы биологического повреждения материалов/АН СССР, Науч. совет по биоповреждениям, Ин-т эволюц. морфологии и экологии животных им. А. Н. Северцова и др. [Ред.-сост. В. Д. Ильичев и др.]. - 1988. - 118с.
2. Хубатхузин А.А., Абдуллин И.Ш., Христолюбова В.И., Лосев А.В. // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. -№17. - С. 187-189.
3. Зинатуллин Д.А., Абдуллин И.Ш., Нургалиев Р.К. // Вестник Казанского технологического университета. -2014. -№20. - С. 48-49.
© И. Ш. Абдуллин - д.т.н., проф. каф. ПНТВМ КНИТУ; Д. А. Зинатуллин - асп. каф. ПНТВМ КНИТУ, damir.zinatullin@gmail.com.
© 1 Sh. Abdullin - Doctor of technology, Professor of Department Plasma-chemical and high-molecular nanotechnology materials Kazan National Research Technology University; D. A. Zinatullin - Post-graduate student of Department Plasma-chemical and high-molecular nanotechnology materials Kazan National Research Technology University, damir.zinatullin@gmail.com.
