CC BY
178
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Материаловедение и технологии материалов
D0l.org/10.5281/zenodo.399046 УДК 620.22
А.А. Назаренко, Е.Г. Лапо, В. А. Пименов, Ю.Н. Мансуров, Д. В. Моисеенко
НАЗАРЕНКО АНЖЕЛА АЛЕКСАНДРОВНА - магистрант, e-mail: the_sum_of_ideals@mail.ru ЛАПО ЕВГЕНИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ - доцент, e-mail: Lapo_e@mail.ru ПИМЕНОВ ВАДИМ АЛЕКСАНДРОВИЧ - ассистент, e-mail: melki3333@mail.ru МАНСУРОВ ЮЛБАРСХОН НАБИЕВИЧ - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой, e-mail: yulbarsmans@gmail.com
МОИСЕЕНКО ДЕНИС ВАЛЕРЬЕВИЧ - старший преподаватель, e-mail: wooden68@yandex.ru
Кафедра материаловедения и технологии материалов Инженерной школы Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690950
Разработка технологии нанесения покрытий на керамическую основу способом многослойного глазурования
Аннотация: Глазури используют в различных отраслях промышленности, в том числе для производства художественных изделий. Существует множество составов глазурей, методов их нанесения и обжига, которые постоянно совершенствуются. В статье представлена авторская технология получения декоративного покрытия на керамической поверхности с использованием местного сырья Приморского края. Эта инновационная технология, по мнению авторов, найдет применение в малом и среднем бизнесе.
Ключевые слова: керамика, декоративное покрытие, состав глазури, ангоб, цветовой отклик, метод нанесения, режим обжига, технологический процесс.
Введение
Керамические глазури, появившись около 5000 лет до н.э., широко применяются и сегодня. Техники глазурования постоянно усовершенствуются. Начиная с первой половины XX века многие керамисты экспериментировали с каменной массой, фаянсом и фарфором, создавая изделия с выразительным декором [3, 9, 12]. И до сегодня тенденция современного искусства, в том числе в области керамических изделий, - стремление разнообразить используемые материалы и технологии.
Существует целый ряд работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных развитию и созданию керамических изделий [5-8, 13, 14]. Проанализировав эти и другие источники, мы предположили, что интересный декоративный эффект можно получить при помощи нанесения графики с использованием турецкой техники эбру.
Эбру - это рисунок одной жидкостью на поверхности другой, его можно выполнить лишь при условии, если у этих жидкостей разное поверхностное натяжение [1, 11]. Мы полагаем, что для создания новой продукции из керамики представляет интерес перенос рисунка, полученного с использованием данной техники, на твердую поверхность.
© Назаренко А.А., Лапо Е.Г., Пименов В.А., Мансуров Ю.Н., Моисеенко Д.В., 2017
О статье: поступила: 28.02.2017; принята к публикации: 06.03.2017; финансирование: бюджет ДВФУ.
Целью данной статьи является разработка технологии нанесения декоративного покрытия на твердую керамическую основу методом многослойного глазурования с использованием потёч-ных глазурей и техники эбру. Мы считаем, что применение данной технологии будет востребовано малым и средним бизнесом.
Для достижения поставленной цели нам необходимо было решить следующие задачи: определить материал подложки покрытия; определить цветовые отклики добавки оксида меди в составе многослойных глазурных покрытий; разработать составы глазурей с эффектом потёчно-сти; перенести графический рисунок на поверхность керамического изделия при помощи техники эбру; определить необходимые режимы обжига.
Материалы и методы исследования
Для нанесения покрытий были использованы керамические пробники, изготовленные из сырья двух глиняных месторождений Приморского края: Меркушевского и Озерковского [6]. Составы керамических масс для изготовления пробников представлены в табл. 1.
Таблица 1
Составы керамических масс, применяемых для изготовления пробников
Керамическая масса Состав
Глина, % Шамот, %
Меркушевская (Спасская) 65 35
Озерковская 60 40
Для создания декоративного покрытия на керамической основе были использованы следующие материалы, произведённые в России [1]:
1. Глухая белая боросиликатная глазурь S-0017 ^-2017) с интервалом обжига от 950 до 1230 °С. Формула Зегера для данной глазури имеет вид:
0,192 Na2O 0,094 К20 0,015 MgO 0,463 CaO 0,236 ZnO
0,486 B2Oз 0,301 Al2O3
2,923 8Ю2 0,243 ZrO2
SiO2:Al2Oз = 9,711 (SiO2+B2Oз):Al2Oз = 11,326 КТР расчетный = 56,1 Ю"7^1
КТР заявленный = 55-65 10" С
7^-1
2. Бесцветная прозрачная боросиликатная глазурь S-0119 ^-2119) с интервалом обжига 950-1200 °С. Формула Зегера для данной глазури:
0,066 N20 0,178 К2О 0,066 Mg0 0,192 СаО 0,355 Sr0 0,008 ВаО 0,123 Zn0
0,837 В2О3 0,418 А12О3
3,46 Si02
Si02:Al20з = 8,27 ^Ю2+В203):АЬ03 = 10,506 КТР = 55,4 10-7С-1
3. Бесцветная прозрачная борнощелочная керамическая фритта № 100 с интервалом плавления 650-выше 1000 °С.
4. Прозрачный стронциевый флюс № 200 с температурой применения 600-800 °С.
5. Прозрачный фарфоровый флюс № 45 с температурой применения 700-900 °С.
6. Белый фарфоровый ангоб (85% фарфора, 15% малосвинцовой фритты 3090).
7. Соединения меди: медь (II) углекислая CuCO3xCu(OH)2 и оксид меди (II) CuO (производитель ЗАО «Лаверна»).
8. Чёрный пигмент ПК 0119, содержащий Fe2O3, CrO3, CoO.
9. Растворители: бензин, керосин, изопропиловый спирт и скипидар.
10. Клей ПВА строительный компании «Текс». В состав данного клея входят поливинила-цетатная дисперсия, загуститель целлюлозного ряда, технологические добавки и вода.
Слои покрытий наносились на пробник в различной последовательности, разными способами: 1) ручное нанесение кистью; 2) окунанием; 3) аэрографей.
Для приготовления глазурного и ангобного шликера заданного состава использовали ювелирные весы ML Scale-E и ареометр для определения плотности. Наиболее часто применяемые плотности ангобов и глазурей представлены в табл. 2 [10].
Таблица 2
Наиболее часто применяемая плотность ангобов и глазурей
Шликер Плотность, г/см3
Ангобный 1,55-1,60
Глазурный 1,40-1,50
Нанесение покрытий методом аэрографии выполняли в вытяжном шкафу с размером рабочей зоны 600^600x900 мм при помощи краскораспылительного пистолета фирмы Кратон, модель - HP-03G с диаметром сопла 1,5 мм, подсоединённого к компрессору с давлением воздуха 3,6-4,2 МПа.
Режимы обжига покрытий отрабатывали в электрической печи шахтного типа с максимальной температурой обжига 1280 оС.
Для декорирования керамических образцов при помощи техники эбру на поверхности раствора формировали рисунок при помощи кисти, цыганской иглы и гребня, после чего переносили его на подготовленную поверхность методом окунания.
Результаты и их анализ
Первоначально проводили эксперименты с переводом графики с поверхности воды на бумагу. Результаты этих экспериментов представлены на рис. 1.
Рис. 1. Фрагменты графического рисунка, полученного на бумаге.
После получения оригинального визуального эффекта на бумаге данный эксперимент проводили с керамическими образцами. В дополнение были разработаны несколько составов потёч-ных глазурей, чтобы добавить цветовое пятно и подчеркнуть полученный эффект застывшего движения.
Разработка технологии нанесения покрытий на керамическую основу
Для маскировки цвета черепка и получения белой подложки под покрытия на образцы, прошедшие утильный обжиг, методом аэрографии наносили белый фарфоровый ангоб и глухую белую боросиликатную глазурь S-0017.
Разработка составов глазурей
Целью экспериментов с глазурями было выявить, как поведёт себя покрытие на различных подложках, а также определить цветовые отклики добавки различных концентраций оксида меди в составе многослойных глазурных покрытий и добиться потёчности (низкой вязкости в расплавленном состоянии) глазури.
Использовали следующие способы достижения потёчности глазури:
1) послойное нанесение глазурей (увеличение толщины глазурного слоя);
2) добавление в состав глазурей флюсов, снижающих температуру их плавления;
3) обжиг глазурей на более высокую, чем это рекомендуется, температуру [4].
Цветные глазури наносили на образцы кистью вручную. Разработанные составы глазурей
представлены в таблицах 3 и 4.
Таблица 3
Составы глазурей на основе фритты № 100
Глазурь, № Состав, %
Фритта № 100 Флюс № 200 ^0
1.1 74 25 1
1.2 73 25 2
1.3 72 25 3
1.4 71 25 4
1.5 70 25 5
2.1 49 50 1
2.2 48 50 2
2.3 47 50 3
2.4 46 50 4
2.5 45 50 5
Схема нанесения покрытий на первую группу образцов представлена на рис. 2.
Керамический черепок
Рис. 2. Схема нанесения покрытий на первую группу образцов.
Обжиг проводили при температуре 1020 оС с конечной выдержкой 60 минут. Образцы покрытий, полученных в результате обжига, изображены на рис. 3.
Рис. 3. Цветовые отклики CuO в составе многослойных глазурных покрытий.
В результате обжига при температуре, на 370 оС превышающей температуру начала плавления фритты № 100, и добавления в состав глазури стронциевого флюса № 200 удалось достичь эффекта потёчности, который особенно хорошо проявился на рельефных пробниках. С увеличением процентного содержания оксида меди насыщенность цвета увеличилась. Однако, как можно заметить на рис. 3, более высокая концентрация флюса в глазури ведёт к некоторой потере цвета. Для проведения дальнейших экспериментов выбрали содержание меди в глазури в количестве 3% по массе как наиболее оптимальное.
Таблица 4
Составы глазурей на основе бесцветной прозрачной боросиликатной глазури 8-0119
№ глазури Состав, %
8-0119 Флюс № 200 Флюс № 45 ^0
3 72 25 - 3
4 72 - 25 3
5 Смесь глазури № 3 с глазурью № 4 в соотношении 1:1
Схема нанесения покрытий на вторую группу образцов представлена на рис. 4.
Рис. 4. Схема нанесения покрытий на вторую группу образцов.
Обжиг проводили при температуре 1000 оС с конечной выдержкой 60 минут. Образцы покрытий, полученных в результате обжига, изображены на рис. 5.
№ 3 № 4 № 5
Рис. 5. Цветовые оклики оксида меди в составе глазурных покрытий на разных подложках.
Подложка из глухой белой боросиликатной глазури S-0017 привела к образованию дефектов в виде характерных пятен на поверхности образцов из-за перемешивания с нанесённой поверх неё цветной глазурью в процессе обжига. Более высокая однородность цвета и визуальная глубина слоя покрытия наблюдалась на подложке из белого фарфорового ангоба.
Нанесение графического рисунка с использованием техники эбру
Нанесение рисунка выполняли на следующие подложки: необожжённая глухая белая боро-силикатная глазурь S-0017, обожжённая глухая белая боросиликатная глазурь S-0017, необожжённый фарфоровый ангоб и обожжённый фарфоровый ангоб. Обжиги подложек проводили при температуре 1000 оС, с конечной выдержкой 60 минут.
Первоначально рисунок создавали на поверхности раствора клея ПВА в воде, после чего способом окунания переносили его на подготовленную поверхность образцов. Количество клея, добавляемого в воду, составляло 15% по массе.
Чтобы пигмент удерживался на рабочей поверхности, его растворяли в жидкостях, имеющих плотность меньшую, чем плотность воды: бензин, керосин, изопропиловый спирт и скипидар (табл. 5).
Таблица 5
Плотность веществ, применяемых в данной работе для создания графического рисунка при помощи техники эбру
Вещество Плотность, г/см3
Клей ПВА > 1,2
Вода 0,998
Скипидар 0,855-0,877
Керосин 0,800
Изопропиловый спирт 0,785
Бензин 0,750
В бензине и керосине пигмент растворить не удалось. Пигмент, растворённый в изопропи-ловом спирте, на поверхности воды был малопластичным, что затрудняло создание направленного рисунка. Опытным путём установили, что лучший результат получается при растворении от 10 до 15% по массе пигмента в скипидаре: раствор хорошо удерживался на поверхности воды, т.е. являлся пластичным.
Схема нанесения покрытий для данной группы образцов представлена на рис. 6.
Рис. 6. Схема нанесения покрытия на образцы с использованием техники эбру.
Обжиг производили при температуре 1020 0С с конечной выдержкой 60 минут. Общий вид покрытия, полученного в результате обжига, представлен на рисунках 7 и 8.
Подложка - необожженный фарфоровый ангоб
Подложка - обожженный фарфоровый ангоб
Рис. 7. Графический рисунок, полученный при помощи техники эбру, на подложке из белого
фарфорового ангоба.
Подложка - необожженная глазурь 8-0017
Подложка - обожженная глазурь 8-0017
Рис. 8. Графический рисунок, полученный при помощи техники эбру, на подложке из белой
боросиликатной глазури S-0017.
В результате данного эксперимента установлено, что лучшая адгезия пигмента, растворённого в скипидаре и находящегося на поверхности воды с добавкой клея ПВА, достигается с подложками из обожжённого белого фарфорового ангоба и необожжённой белой боросиликатной глазури S-0017. Это происходит за счёт того, что их водопоглощение намного выше, чем у обожжённой глазури S-0017 (здесь оно отсутствует вследствие образования стекловидного покрытия) и у необожжённого белого фарфорового ангоба, поверхность которого была влажной из-за того, что он активно поглощает влагу из воздуха. Так как в результате предыдущих экспериментов лучшая однородность цвета и визуальная глубина покрытия получена на подложке из белого фарфорового ангоба, в процессе проведения последующих экспериментов было признано целесообразным использовать именно фарфоровый ангоб в качестве материала подложки. При этом для устранения газообразования в глазурном слое и улучшения адгезии с графическим рисунком покрытия должны наноситься на предварительно обожжённый фарфоровый ангоб [2].
Так как 15-процентный раствор клея ПВА в воде обладает сильной подвижностью и не позволяет в достаточной мере контролировать получаемый графический рисунок, в следующем эксперименте по переносу этого рисунка на образцы мы увеличили процентное содержание клея ПВА в воде до 50% по массе.
Чёрная графика, которую получили в результате на поверхности образцов, представлена на
рис. 9.
Рис. 9. Графический рисунок, полученный при помощи техники эбру на поверхности 50-процентного раствора клея ПВА в воде, и перенесённый на образцы.
Очевидно, что 50-процентная концентрация ПВА в воде является оптимальной, так как позволяет создавать направленные тонкие графические линии в сочетании с мягкими цветовыми растяжками и переходами.
На заключительном этапе работы производили совмещение цветных глазурей с полученным графическим рисунком. Общий вид полученных покрытий представлен на рис. 10.
Рис. 10. Общий вид декоративных покрытий.
Температурные режимы обжигов
Оптимальной для обжига глазурей является температура, на 20 оС превышающая нижнее значение интервала плавления [7, 8].
Для глухой белой боросиликатной глазури S-0017 и для бесцветной прозрачной боросили-катной глазури S-0119 оптимальная температура обжига составляет 970 оС, а для бесцветной прозрачной борнощелочной керамической фритты № 100 - 670 оС.
В экспериментах применяли обжиги при 1000 оС, 1020 оС, 1050 оС и 1080 оС с целью увеличения потёчности глазурей. Однако эффект потёчности, полученный в результате обжига при 1000 визуально не отличался от эффекта, полученного при 1080 оС. Поэтому с экономической точки зрения выгоднее использовать для получения декоративного покрытия на керамической поверхности обжиг при температуре 1000 оС.
Графики проведенных обжигов, представлены на рис. 11.
^ 800
бОО
Время, мня
Рис. 11. Графики обжигов при Т, оС: 1 - 1080; 2 -1050; 3 - 1020; 4 - 1000. Выдержка при температуре
обжига - 60 минут.
Выводы
В результате проведенных исследований разработаны составы глазурей и технология их нанесения на керамические материалы, основанная на технике эбру.
Белый фарфоровый ангоб экспериментально подобран в качестве материала подложки для нанесения покрытий. Составы цветных глазурей на основе прозрачной бесцветной боросиликат-ной глазури S-0119 и бесцветной прозрачной бессвинцовой борнощелочной фритты № 100 включают 25% по массе стронциевого флюса № 200 или фарфорового флюса № 45 и 3% по массе оксида меди. Получен чёрный графический рисунок с применением техники эбру и декоративное покрытие с высокими эстетическими свойствами, которое в дальнейшем может с успехом применяться для декорирования керамических изделий.
В результате проведённой работы установлена возможность декорирования керамических изделий многослойным нанесением покрытия на основе техники эбру. Разработанная технология, позволяющая получать оригинальные визуальные эффекты, является перспективной для изготовления керамических изделий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Безсвинцовые прозрачные керамические флюсы. Сер. 7 02. URL: http://www.dkz.ru/prfk03 (дата обращения: 13.01.2017).
2. Блюмен Л.М. Глазури. М.: Гос. изд-во лит-ры по строительным материалам, 1954. 171 с.
3. Буббико Дж., Крус Х. Керамика. Техники. Материалы. Изделия. М.: Ниола-пресс, 2006. 127 с.
4. Каплан Дж. Рецепт потёчной голубой глазури. Приемы получения декоративных эффектов глазурованной поверхности. URL:
http://www.keramika.peterlife.rU/enckeramiki/83948.html#.WLWMNs5uLIU (дата обращения: 13.01.2017).
5. Малолетков В.А. Декоративная керамика стран Западной Европы (70-90-х гг. XX века) // Декоративное искусство и предметно-пространственная среда: сб. науч. тр. МГХПУ им. С.Г. Строганова. Вып. 1. М., 2009. С. 57.
6. Малолетков В.А. Тенденции развития мировой декоративной керамики последней трети ХХ-начала XXI вв.: дис. ... д-ра искусствоведения. М., 2010.
7. Пименов В.А., Лапо Е.Г., Мансуров Ю.Н. Разработка технологии изготовления керамического панно // Вестник Инженерной школы Дальневост. федерал ун-та. 2014. № 2(19) . С. 70-76.
URL: https://www.dvfu.ru/vestnikis/archive-editions/2-19/9/ (дата обращения: 20.01.2017).
8. Пименов В.А., Мансуров Ю.Н. Применение кварцитов и глинистых сланцев месторождений Приморского края с механоактивированной добавкой // Огнеупоры и техническая керамика. 2014. № 9. С. 35-38.
9. Поверин А.И. Гончарное дело: энциклопедия. М.: Аст-пресс, 2007. 168 с.
10. Рос Д. Керамика. Техника. Приёмы. Изделия: энциклопедия. М.: Аст-пресс, 2003. 143 с.
11. Технология традиционного эбру. URL: http://ebru-art.ru/techniq.html (дата обращения: 13.01.2017).
12. Фёдорова З.С., Мусина Р.Р. История художественной керамики / МГХПУ им. С.Г. Строганова. М., 2010. 376 с.
13. Drawing Through Clay, ed. Rachel Dickson. Ceramics Now, 2014, October. URL: http://www.ceramicsnow.org/post/100080727916/drawing-through-clay-article-by-rachel-dickson (дата обращения: 20.01.2017).
14. Experiments in peach boom, ed. John Britt. Ceramics Monthly, 2010, October, р. 40-45.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE THE NEXT PAGE
Materials Science and Technology of Materials
D0l.org/10.5281/zenodo.399046
Nazarenko A., Lapo E., Pimenov V., Mansurov Yu., Moiseenko D.
ANGELA NAZARENKO, MA Student, e-mail: the_sum_of_ideals@mail.ru EVGENY LAPO, Associate Professor, e-mail: Lapo_e@mail.ru VADIM PIMENOV, Department Assistant, e-mail: melki3333@mail.ru YULBARSKHON MANSUROV, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of the Department, e-mail: yulbarsmans@gmail.com DENIS MOISEENKO - Senior Lecturer, e-mail: wooden68@yandex.ru Department of Materials Science and Technology, School of Engineering Far Eastern Federal University 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690950
The development of the technique of coating ceramics by multilayer glazing
Abstract: Glazes are used in various industries including the production of art works. Numerous are glaze formulations as well as the procedures of glaze applying and firing. The author's technique of obtaining the decorative coating on a ceramic surface with the use of the local raw materials is presented in the article. The innovative technique, in the authors' opinion, may be claimed by small and medium size business.
Key words: ceramics, decorative covering, glaze formulation, engobe, colour response, application methods, firing mode, engineering procedure.
REFERENCES
1. Lead-free transparent ceramic fluxes. Series 7 02. URL: http://www.dkz.ru/prfk03 - 13.01.2017.
2. Blyumen L.M. Glazes. M., State publishing house of literature on construction materials, 1954. 171 p.
3. Bubbiko Dzh., Cruz H. Ceramics. Techniques. Materials. Products. M., Niola-press, 2006, 127 p.
4. Kaplan G. The floating blue glaze recipe. The methods of obtaining decorative effects on glazed surface. URL: http://www.keramika.peterlife.ru/enckeramiki/83948.html#.WLWMNs5uLIU - 13.01.2017.
5. Maloletkov V.A. Decorative ceramics of Western Europe countries (70-90th of the 20th century). Decorative art and objective-spatial environment: collection of scientific works MGHPU of S.G. Stroganov. Issue 1. M., 2009, p. 57.
6. Maloletkov V.A. Tendencies of development of world decorative ceramics of the last third of the 20-beginning of the 21st centuries. Dis. of Dr. of Art. M., 2010.
7. Pimenov V.A., Lapo E.G., Mansurov Yu.N. The development of the production technology for ceramic panel pictures. FEFU: School of Engineering Bulletin. 2014;2(19):70-76.
URL: https://www.dvfu.ru/vestnikis/archive-editions/2-19/9/ - 20.01.2017.
8. Pimenov V.A., Mansurov Yu.N. Use of quartzites and clay shales of fields of Primorsky Krai with the mecha-noactivated additive. Refractories and technical ceramics. 2014;9:35-38.
9. Poverin A.I. Pottery: Encyclopedia. M., Ast-press, 2007, 168 p.
10. Ros D. Ceramics. Technique. Methods. Products: Encyclopedia. M., Ast-press, 2003, 143 p.
11. Technology of traditional ebru. URL: http://ebru-art.ru/techniq.html -13.01.2017.
12. Fyodorova Z.S., Mussina R.R. History of art ceramics. MGHPU of S.G. Stroganov, 2010, 376 p.
13. Drawing Through Clay, ed. Rachel Dickson. Ceramics Now, 2014, October.
URL: http://www.ceramicsnow.org/post/100080727916/drawing-through-clay-article-by-rachel-dickson -20.01.2017.
14. Experiments in peach boom, ed. John Britt. Ceramics Monthly, 2010, October, p. 40-45.
