|
|
Сущность химической обработки
стекла.
В основу химического способа декорирования художественных
изделий положена способность стекла реагировать с фтористым водородом,
фтористой кислотой, ее солями и фтористоводородной кислотой в комбинации с
другими кислотами. Реакции представляют собой сложный химический процесс. При
этом фтористый водород HF реагирует со щелочными компонентами ШО, К2О, L12O,
стабилизаторами CaO, MgO, ВаО, РЮ, ZnO и с оксидом кремния ЭЮг, являющимся
основным компонентом большинства стекол. В результате реакций, называемых
травлением, происходит разрушение кристаллической решетки, наглядно
выражающееся в разрушении поверхностного слоя стекла.
Травлением можно получать как матовую, так и
блестящую поверхность стекла, причем последняя положена в основу химического
полирования. Химический способ декорирования позволяет получать изображения
на стекле высокой худоя{ественной ценности. Химические реагенты и действие их
на стекло. Фтористый водород представляет собой дымящуюся на воздухе
бесцветную жидкость. Плотность 0,988, закипает при 19,5°С, сильно поглощает
влагу из воздуха. При добавлении воды образуется фтористоводородная кислота.
При обычной температуре насыщенная кислота обычно содержит 40—70% HF и имеет
плотность 1,213. Травление основано на свойстве фтористого водорода вступать
в соединение с кремнеземом: Si02+4HF=2H20 + SiF4, при зтом SiF4 выделяется в
виде паров, которые частично улетучиваются, а частично растворяются в воде,
образуя кремнийфтористоводородную кислоту. Образующиеся при этом соли
кремний- фтористого калия и кремнийфтористого бария нерастворимы в воде. С
разложением стекла образуются соли фтористой кислоты KF (фторид калия) и NaF
(фторид натрия), растворимые в воде, и менее растворимые в воде фториды. Эти
соли отлагаются на поверхности изделий в виде кристаллов, вызывающих
рассеивание лучей света, падающих на стекло, вследствие чего поверхность его
приобретает непрозрачный, матовый вид.
Образовавшийся поверхностный слой солей защищает стекло от
дальнейшего действия кислоты, но если эти соли смыть, то изделие приобретает
прозрачный вид. Для этого стекло ополаскивают чистой водой с добавлением серной
кислоты H2SO4, которая, вытесняя из солей фтористую кислоту, переводит их в
более легкорастворимые вещества. И наоборот, для получения матовой
поверхности необходимо быстрое образование нерастворимых фторидов, которые,
осаяедаясь на стекло, препятствовали бы дальнейшему действию HF на стекло.
Нерастворимость фторидов увеличивают за счет добавления насыщенных фторидов,
которые получают, нейтрализуя фтористоводородную кислоту солями калия,
например поташем (К2СО3).
С повышением концентрации химических продуктов в
травильной ванне замедляется процесс осаждения на поверхность стекла мелких
нерастворимых кристаллов фторидов и фторосиликатов, препятствующих
дальнейшему воздействию их на стекло.
Этим процессом можно управлять, меняя состав травильного
раствора и характер протравленной поверхности;образование этих веществ может
быть замедлено или ускорено. Чем выше концентрация кислоты или ее
температура, тем быстрее процесс разложения стекла, грубее получаемая матовая
поверхность. При очень высокой температуре и повышенной концентрации кислоты
поверхность становится неровной, поэтому в соответствии с концентрацией
кислоты необходимо изменять и ее температуру. Когда концентрация велика,
темпертура должна быть ниясе (17— 18°С), по мере сниясения концентрации температуру
надо повышать, доводя в отдельных случаях до 60°С и выше. Процесс травления
ускоряется, если изделие перемещается в кислоте, это происходит за счет
быстрого смывания разрушенных частиц стекла, при этом поверхность стекла,
подвергаясь травлению, становится более ровной и шелковистой. Ополаскивание
изделия в воде, погружая его в раствор соды прекращает полностью процесс
травления. Стекла, применяемые при травлении. Химическое травление
применяется как на бесцветном, так и на цветном стекле. При травлении в одном
и том же травильном растворе различных по составу стекол обрузуются и
различные фториды, поэтому если натриевое стекло будет иметь матовую
поверхность после травления, то калийные стекла — более шелковистую и
прозрачную. Это связано с тем, что NaF менее растворим в воде, чем KF. Легче
всего травятся свинцовые стекла.
Художественный эффект повышается при употреблении
накладпы\ стекол, когда стравливается кислотами верхний накладной слой стекла
и тем самым создается переход от цветного стекла к бесцветному.
Нанесение рисунка на защитное покрытие, Для нанесения
рисунка вручную обычно используют остроотточенные предметы вроде иглы, шила,
медицинского скальпеля или перочинного ножа (для удобства работы иглу острым
концом вставляют в деревянную палочку). Этими инструментами процарапывают
слой защитного покрытия на стекле, создавая тем самым участки, подлежащие
протравливанию.
Нанесение рисунка на защитные покрытия производят
механическим путем с помощью специальных устройств, называемых гильоширной
машиной и пантографом . Их устройство сходно, однако пантограф позволяет
получать более сложные рисунки, чем гильошир- ная машипа ( 124). Основным
узлом этих машин является горизонтальный или вертикальный параллелограмм.
Четыре звена параллелограмма, соединенные между собой, позволяют получать
различные вертикальные, горизонтальные прямо- и криволинейные движения.
Сочетание движений резца с вращением изделия и определяет характер рисунка (
125). Рисунки на защитном покрытии выполняют металлической иглой (резцом). На
первом звене параллелограмма имеется направляющая с неподвижной осью
вращения, относительно которой звено может перемещаться. На втором
устанавливается резец. На конце третьего звена имеется штифт, перемещающийся
по рисунку, выполненному на шаблоне.
Таким образом, движения штифта, получаемые от шаблона,
передаются резцу, который и процарапывает соответствующий рисунок на
покрытии. При этом рисунок на покрытии получается в уменьшенном виде. Его
масштаб устанавливают по шкалам первого и второго звеньев. Шаблон
представляет собой металлическую плиту, на которую методом гравировки
перенесен рисунок в увеличенном масштабе. Рисунок представляет собой ряд
углубленных в толщину металла канавок, которые и являются направляющими
движения штифта. Изделие, на которое наносится рисунок, устанавливается
неподвижно на вращающемся станке. На гильоширных машинах обрабатывают до 8
изделий. Для изделий больших размеров применяют одноместные машины. Более
сложные рисунки наносятся на мпогоместных машинах, пантографах. Эти машины
имеют до 24 вращающихся столиков. Против каждого столика закреплены
гравировальные резцы, поэтому рисунок получается по всей окружности изделия.
Производительность пантографов достигает 3000— 3500 шт. стаканов в смену. В
настоящее время пантографы и гильоширные машины применяют редко. Оборудование
травильной мастерской. Выполнение художественных работ травильной мастерской
сопряжено с большой опасностью отравления работающего парами кислот или
получения ожога за счет попадания на кожу кислоты.
Помещение травильной мастерской должно быть изолировано и
сообщаться с соседними помещениями через двойные двери.
Травление должно производиться только в специальных
травильных шкафах, оснащенных фильтром для улавливания паров плавиковой
кислоты и специальными плотнозакрывающимися дверцами ( 126). Дверцы шкафа
открываются только в момент помещения или подъема изделия из рабочей камеры.
Во избежание сброса остатков кислоты в городскую
канализацию рабочие камеры должны быть снабжены нейтрализующими известковыми фильтрами.
Кроме вытяжной вентиляции травильная мастерская должна быть оборудована и
принудительной приточной вентиляцией.
Бапночки, употребляемые в качестве сосуда, лучше всего
изготовлять из свинца, который не подвергается разрушающему действию кислоты.
Однако они являются не только дорогими, но и не совсем удобными в связи с их
большой массой.
Поэтому за последнее время чаще всего употребляют ванйочки
из полиэтилена, винипласта, поливинилхлорида, выпускаемые промышленностью для
фото дела.
Для декорирования изделий больших размеров используют
ванночки, сваренные из указанных видов пластмасс, железобетонные п
деревянные. Железобетонные ванны покрываются в несколько слоев защитной
краской или лаком. Иногда для изоляции бетона от кислоты употребляют выкладывание
внутренней полости ванны пластмассовыми плитами.
Для изготовления ванн из дерева обычно берут сухие
смолистые сосновые доски толщиной около 50 мм. Соединяют доски по углам в лпгип» и снаружи стягивают железными обручами («стяжками»), Снаружи стыки досок
обмазывают асфальтовым лаком или смолой. Предварительно доски пропитывают
кислотоупорными покрытиями: битумом, асфальтовым лаком, парафином, дегтем и
т. д. Покрытия наносят на сухие, хорошо прогретые доски, что дает возможность
достичь большой связи покрытия с деревом. Возможно употребление для этих
целей резиновых сосудов.
Особые санитарно-гигиенические требования предъявляются к
условиям хранения кислот. Лучше всего хранить кислоты в хорошо проветриваемых
помещениях. Сосуды, в которых хранится кислота, должны быть тщательно
закупорены. Особую опасность представляет переливание кислоты из больших
емкостей в меньшие, поэтому сосуды долж- ны быть удобными, иметь ручки и не
затруднять переливания. При этом рабочий обязательно должен одевать защитные
очки, резиновые перчатки и специальную одежду. Приготовление травильных
составов должно происходить в специальном травильном шкафу.
Защитные покрытия употребляют для защиты поверхности
стекла от разрушения кислотой. Они должны плотно приставать к поверхности
стекла, при высыхании сохранять эластичность, позволять процарапывать рисунок
любой сложности. Защитный слой предохраняет поверхность стекла от подтеков, а
после окончания травления легко удаляется с поверхности стекла. Лучше всего
этим требованиям удовлетворяет пчелиный воск с добавлением 10.. .15%
парафина, который способствует ускорению отвердения. Для покрытия изделия
мастикой воск и парафин отдельно разогревают, затем сливают вместе в одну
посуду, перемешивают и окунают в нее предварительно разогретое до 40...50°С
изделие. Подогревание изделия препятствует растрескиванию его при погружении
в горячую мастику и, кроме того, дает ровный слой, отличающийся хорошим
сцеплением со стеклом. Излишки мастики и мастика, снятая с изделия после
травления, могут быть использованы многократно. На основе пчелиного воска
изготавливают и более сложные мастики ( 5).
Существуют и другие рецепты, применяемые в СССР и за
рубежом. За неимением пчелиного воска мастику изготавливают из смолы (50%) и
парафина (50%) или озокерита (60...70%) и парафина (30—40%). Перед
употреблением мастику разогревают до 70... 80°С.
В качестве защитного покрытия часто употребляют битумный
лак № 350, асфальтовый и другие лаки. Способы нанесения защитного покрытия
могут быть разными: погружение изделия в мастику (окунание), нанесение
кистью, с помощью шелкотрафарет- ной печати, путем разбрызгивания (с
использованием трафаретов), аэрографом и др. Кистью чаще всего пользуются при
нанесении в качестве защитного покрытия различного рода лаков в холодном состоянии.
При этом необходимо, чтобы лак хорошо сходил с кисти и давал бы ровное без
подтеков покрытие.
Для получения рисунка с помощью шелкотрафаретной печати
употребляют обычно асфальтовый лак без добавок, так как он разъедает слой
поливинилового спирта на сетке. Печать проводят непосредственно на стекле или
на передающую бумагу, с которой рисунок переносится на стекло. При прямой
печати лак несколько прогревают, чтобы увеличить его проника- емость через
отверстия сетки. Иногда для нанесения защитного покрытия употребляют печатки,
выполненные из пластических материалов: резины, пластмассы, каучука.
Поверхность печатки покрывается мастикой, которую тиснением переносят на
стекло. Особым видом покрытия является покрытие аэрографом с употреблением
трафаретов из бумаги. Оно позволяет получать изделия высокого художественного
качества простыми средствами. Процесс протравливания стекла. Травление можно
производить парами неразбавленной или разбавленной плавиковой кислоты. Парами
выполняют обычно мерные и тонкие линии. Этот метод, как правило, используется
в техническом стеклоделии для нолучения всевозможных линий разметок в
оптических приборах. Чтобы получить такие линии, их процарапывают пантографи-
ческими машинами на защитном покрытии, а после этого протравливают в камере,
насыщенной парами. Неразбавленную плавиковую кислоту HF употребляют для травления
чрезвычайно редко, так как она быстро испаряется, заполняя тем самым камеру
парами HF. Концентрированную кислоту употребляют для протравливания небольших
участков стекла чаще всего путем нанесения кистью и выдерживая стекло нод ее
действием в течение 1 мин. Увеличение времени действия кислоты, например до 3
мин, приводит к образованию на поверхности стекла нерастворимых солей. В
зависимости от концентрации можно получить протраву тусклого цвета и светлую
с блестящей поверхностью.
Время действия кислоты на стекло от 10 до 30 мин в
зависимости от глубины протравы. Для увеличения блеска протравленного рисунка
в травильный раствор добавляют серную кислоту. При этом травильный состав
представляет собой 1ч. HF, 3 ч. воды и 0,1 ч. H2S04.
В травильном процессе изделия проходят ряд операций,
следующих друг за другом: погружение изделия в кислоту, выдержка в кислоте,
извлечение изделия из кислоты, обмывание его холодной водой, снятие защитного
слоя (в горячей воде, если восковые покрытия, в скипидаре, если лаковые),
промывание в щелочном растворе и окончательная просушка. В некоторых случаях
готовые изделия вместо промывания в щелочном растворе протирают древесными
опилками. Плавиковая кислота в процессе действия ее на стекло постепенно
улетучивается из раствора, крепость ее ослабевает. В то же время на дне ванны
собирается осадок кристаллов солей, которые смываются с разрушенной
поверхности стекла. Через определенные промежутки времени приходится менять
кислоту и очищать резервуар от осадков. Удобнее всего собирать осадок широкой
лопаткой. Для этого раствор взбалтывают деревянной лопаткой, на дно ванны
ставят другую ванночку высотой в 3...4 см, полностью закрывающую собой ванну
с раствором. Поднявшиеся во время взбылтывания частички разложившегося стекла
начнут осаждаться во вторую ванночку, которую затем осторожно вынимают вместе
с осадками. Удаление разложившихся частичек стекла можно производить и
кистью, но при этом необходимо строго соблюдать технику безопасности. В
лаборатории изделие помещают в ванночку с кислотой.
В производственных условиях изделия прикрепляют дном к
деревянной доске при помощи того же защитного покрытия, которое было
применено для изоляции изделия.
Прикрепленные к доске изделия опускают в ванну с кислотой.
Иногда для этих целей употребляют специальные корзинки, выполненные из медной
проволоки. Они устроены таким образом, чтобы изделия, находящиеся в них, не
соприкасались друг с другом и со стенками корзинки. Изделия опираются на
проволоку лишь в 4 точках. Чтобы в этих точках стекло разлагалось в
достаточной степени, изделие переворачивается вокруг своей оси 2—3 раза.
Корзины выполняют размером 50X80 см высотой 20—30 см из медной проволоки
диаметром 3—6 мм. Для поддержания постоянной концентрации кислоты применяют
специальные химические анализаторы.
Светлое травление и полирование стекла. Светлое травление
в отличие от матового дает возможность получать рисунок, отличающийся
прозрачностью и блеском. Оно производится смесью плавиковой и серной кислот,
которая не только разрушает стекло, но и хорошо удаляет с его поверхности
слой образующихся при этом кристаллов. Па заводах применяют разные составы,
мае. ч: I. Плавиковая кислота (35%)—16,7; серная кислота (80%)—22,6; вода —
60,7; II Плавиковая кислота (35%) — 100; серная кислота (80%) —40; вода — 60.
В зависимости от сорта стекла, температуры травильного
состава, от глубины рисунка время действия кислоты может колебаться в
довольно больших пределах — от 2 до 30 мин. На основе светлого травления
разработана технология химического полирования изделий из стекла. Например,
мае. ч: плавиковая кислота (60... 65%)—-25; серная кислота (80%) — 50; вода —
25. Как мы видим, по сравнению с раствором, применяющимся при светлом
травлении, при полировке доля серной кислоты возрастает с 40 мае. ч. до 50.
Это делается для того, чтобы повысить растворимость и смываемость
образующихся солей. Для этой цели изделие после 15...30 с химической
обработки опускают в теплую воду, которая и смывает соли с поверхности
стекла. Переменное погружение может повторяться 3...4 раза. Возможен и другой
ритм травления, а именно 8—10 погружений продолжительностью по 5 с.
Температура ванны должна поддерживаться на уровне 40—50°С.
Кислотная полировка дает хорошие результаты на свинцовых и калиевых стеклах,
натриевые же стекла полируются гораздо медленнее и имеют менее значительный
блеск. Для свинцовых стекол используют следующую смесь, мае. ч: плавиковая
кислота (75%) — 1...2; серная кислота (80%) — 1,5...2; вода — 1,5...2.
После употребления смеси в течение 1 — 3 ч в нее добавляют
дополнительно HF и H2SO4 в соотношнии 1 : 2 (на Юл раствора достаточно
добавить 0,5 л норой смеси).
По окончании полировки изделие должно быть тщательно
промыто в теплой воде, в противпом случае рисунок, а иногда и поверхность
изделия в отдельных местах получаются матовыми. Это происходит не только от
небрежного мытья, но и от несвоевременности промывки, так как оставшаяся на
его поверхности кислота продолжает разъедать поверхность.
Химическая полировка изделий не только улучшает
блеск изделия, но и повышает в 3—4 раза производительность труда по сравнению
с механической полировкой. Но при этом изделие лишается своего естественного
блеска, получающегося в процессе огневой полировки слоя, что значительно
снижает его механическую прочность. Кроме того, эта работа требует
чрезвычайно строгого соблюдения правил техники безопасности.
Матовое травление позволяет получать светорассеивающую
поверхность стекла. В зависимости от вида стекла применяют различные составы.
Все они в своей основе имеют раствор фтористого аммония в плавиковой, серной
кислоте. Для матирования свинцово-калиевых стекол рекомендуются следующие
составы: I. Фтористый аммоний — 125 г; плавиковая кислота — 150 мл; вода
дистиллированная— 250 мл; И. Фтористый аммоний — 250 г; серная кислота — 50 мл;
сульфат аммония — 25 г; вода дистиллированная — 250 мл; III. Кремне- фтористый калий — 250 г; соляная кислота — 250 г; сульфат калия — 140 г; вода дистиллированная — 1000 мл; IV. Кремнефтористый аммоний — 160 г; сернокислый барий — 200...220 г.; вода дистиллированная — 200 мл. Часто для усиления
образования солей на протравливаемой поверхности и получения более
равномерного матового слоя к основному составу добавляют соли K2SO4, ZiiCl и
др. Наиболее тонкая матовая поверхность получается при помощи солей калия.
Натриевые соли, хотя и быстрей действуют на поверхность изделия, но образуют
неровно-грубоватую поверхность. Аммониевые соли делают поверхность более
тонкой.
Характер матовости зависит от температуры раствора и
продолжительности процесса. Температура колеблется от 15 до 30°С,
нродолжительность от i до 15 мин.
Иногда матировать изделие удобнее не раствором, а густой
пастой. Для получения матирующих паст употребляют индифферентные вещества
(загустители) : декстрин, крахмал, муку, казеин, фторит, криолит и др. В связи
с тем что при протравливании пастами любое их движение исключено, получают
более зернистую и грубую поверхность. Если в матирующий состав добавить соли
калия (KF) или К2СО3, KCI, K2SO4, то это придаст поверхности стеклоизделий
более мягкую и ровную фактуру. Примерный состав пасты: фтористый аммоний—10
г; плавиковая кислота (50%) — 10 мл; сульфат бария — 25 г. При соотношении пасты и загустителя 1 : 1 матирование продолжается 5... 10 мин. Если к пасте
добавить небольшое количество глицерина, то ею можно писать при помощи пера.
Для усиления действия пасты добавляют XU плавиковой кислоты. При
протравливании небольшого участка стекла, чтобы паста не расползалась в
стороны, ее окружают небольшим валиком из воска, парафина пли пластилина.
Рисунок можно нанести при помощи резинового штемпеля. Для этого употребляют
жировые вещества, на которые затем припудривают соли фтористого аммония. Для
проведения более интенсивной реакции изделие нагревают до 30...40°С. Этим же
штемпелем можно отпечатать рисунок из защитного материала, тогда рисунок
будет блестящим, а фон матовым. Припудривание солями фтористого аммония
хорошо производить на клеевую основу, нанесенную при помощи шелкотрафаретной
сетки.
Глубокое травление является наиболее выразительным
средством декорирования изделий из стекла химическим путем. Оно выполняется
чаще всего на изделиях из накладного стекла, где нижний слой бесцветный, а
верхний цветной. Путем снятия кислотой соответствующих участков цветного
стекла на разную глубину достигается различное ослабление его тона. Для того
чтобы получить изображение, на поверхность изделия первоначально кисточкой
наносят по определенному рисунку слой защитного покрытия (обычно это цветы,
листья растений, пейзажи, памятники, портреты и т.д.). Изделия подвергают
травлению, после которого защитное покрытие снимается н вторично покрываются
меньшие участки поверхности изделия и вновь протравливаются, в результате
чего один участок стекла протравливается один раз, другой два раза и т. д.
Чем больше планов имеет рисунок, тем он сложнее, тем выше его стоимость.
Чтобы облегчить процесс нанесения защитного покрытия на изделие, используют
папиросную бумагу. Для этого по заданному рисунку покрытие наносят па бумагу,
при этом рисунок получается в зеркальном отображении. После того как покрытие
высохнет, бумагу снимают, а изделие подвергают травлению. Доработку изделия
производят, нанося кислоту кистью.
|