МОДЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
MODEL MATERIAL

Предлагаемые для рассмотрения материалы заявки относятся к области композиционных материалов, применяемых для изготовления моделей, а также при отделочных, строительно-декоративных, скульптурно-оформительских работах, при реставрации архитектурных и интерьерных объектов.
Известно большое количество различных материалов для лепных реставрационных работ, ведущее место среди которых традиционно занимают гипсоводные смеси различного состава. Однако такие материалы имеют плохую адгезию к большинству материалов строительно-конструкционного назначения. Они имеют ограниченный диапазон времени схватывания, небольшой арсенал средств влияния на прочностные свойства. Помимо ограниченной механической прочности материалы обладают недостаточной теплостойкостью и влагостойкостью.
В частности известен относительно прочный материал на основе двуводного вторичного гипса, извести и воды с добавкой шлакопортландцемента, основным недостатком которого является его низкая водостойкость (пат. РФ №2203235).
Известна смесь на основе фосфогипса, которая также обладает при относительной прочности в отвержденном состоянии низкой влаго- и водостойкостью (пат. РФ №2052416).
Повышения влагостойкости и водостойкости можно добиться применением специальных жировых добавок (пат. РФ №2246460), но в ущерб прочностным свойствам и монолитности материалов.
Водостойкость также улучшена в смеси на основе гипса, которая содержит парафин, глицерин и высшие жирные кислоты (пат. Германии №3238090). Недостатком является сложность состава при наличии в нем ряда гидрофобных составляющих, которые препятствуют кристаллизационным процессам, нарушают однородность гипсового материала и неизбежно приводят к замедлению схватывания. Изготовление качественных моделей и выполнение работ на сложных поверхностях в этих условиях невозможно.
Известен скульптурный материал (пат. РФ №2409530), который содержит кроме гипса и воды «затворения» молотый мел и крахмал. В патенте отмечено улучшение четкости получаемых отливок. Однако внесение указанных добавок должно замедлять процесс структурообразования, снижать водо- и влагостойкость, механическую прочность выполняемых изделий. Все это препятствует применению материала как для изготовления моделей, так и для других технологических целей.
Известен материал для скульптурно-декоративных работ (пат. РФ №2417180), выбранный в качестве прототипа. В данном материале удается достигнуть повышения прочности, улучшения адгезионных свойств, возможности получения изделий любой формы за счет повышенной пластичности.
К недостаткам материала следует отнести относительно высокую плотность (удельный вес), а также недооценку роли водной составляющей в общем балансе состава, вследствие чего в предельном случае материал становится практически эпоксидным составом, а гипсовое вяжущее выполняет роль неактивного упрочняющего наполнителя. Кроме того, в состав не всегда обязательно включен основной упрочняющий компонент - диоксид кремния. Это приводит к охрупчиванию некоторых вариантов материала и заведомо сужает диапазон технологических и конструкционных возможностей. Из примеров получения материала следует, что компоненты смешивают в определенной последовательности напрямую, что уменьшает возможности регулировать процесс по времени. Хотя указано, что компоненты могут заготавливаться заранее и вводиться в контакт в момент применения, но и в этом случае ограничен временной диапазон отверждения материала.
Технической задачей предлагаемой заявки является разработка модельного материала с уменьшенным удельным весом и повышенной прочностью.
Технический результат достигается за счет того, что модельный материал, содержащий гипсовое вяжущее, эпоксидную смолу, диоксид кремния, сложноэфирный пластификатор и полиэтиленполиамин: ПЭПА (аминный отвердитель эпоксидной смолы), дополнительно содержит в качестве наполнителя полые сферы из неорганического материала, размером 15-200 мкм, воду и диоксид кремния, в качестве отдельного компонента входящие в два заранее подготовленных состава (состав 1 и состав 2), взятых при смешении входящих компонентов в весовой пропорции от 1:1 до 5:1 в следующем соотношении масс.ч:
Состав 1:
Гипсовое вяжущее
100
Смола эпоксидная
20-80
Сложноэфирный пластификатор
5-40
Диоксид кремния
5-20
Состав 2:
Вода
40
Полиэтиленполиамин (ПЭПА)
5-40
Микросферы неорганических материалов
50-150
При этом смешивают состав 1 и состав 2 непосредственно перед применением модельного материала в массовых соотношениях от 1:1 до 5:1.
В заявляемом модельном материале используют следующие компоненты:
Гипсовое вяжущее - ГОСТ 4.204-79
Эпоксидная смола - ГОСТ 10587-84
Полиэтиленполиамин - ГОСТ 8728
Диоксид кремния - ГОСТ 18307-78
Дибутилфталат - - ГОСТ 8728-88
Диметилфталат - - ГОСТ 8728-88
Диоктилфталат - - ГОСТ 8728-88
Микросферы МС ТУ 6-48-108-94 или
Микросферы ТУ 5951-033-00204990-2010.
3
Микросферы могут состоять из стекла, кварца, керамики, природных минералов, иметь размеры 15-200 мкм, насыпную плотность 0,2-0,5 г/см.
Внесение микросфер в полимерную композицию позволяет снизить общую вязкость материала, его плотность (удельный вес).
Благодаря сферической форме микросфер снижен удельный расход полимера и улучшены условия смешения компонентов, снижена суммарная рабочая вязкость исходной смеси, улучшены прочностные характеристики материала при сохранении необходимой начальной вязкости.
При содержании микросфер в составе 2 в количествах менее 10 масс.ч. сфер не достигается заметного упрочнения и уменьшения удельного веса модельного материала.
При внесении микросфер в количестве больше 150 масс.ч. наблюдается ухудшение технологических условий необходимых при формировании изделий и условий механической обработки изделий.
Модельный материал получают следующим способом.
Компоненты, входящие в состав 1, соединяют в определенной последовательности: в эпоксидную смолу вносят сложноэфирный пластификатор и после смешения в течение 2-3 минут по частям, продолжая смешение, вносят гипсовое вяжущее. Перемешивают еще 5-10 минут. Затем при перемешивании вносят диоксид кремния и тщательно перемешивают до полной однородности состава, примерно 10-15 минут. Полученную смесь - состав 1 помещают в закрываемую тару и хранят до соединения с составом 2.
Компоненты, входящие в состав 2, соединяют в следующей последовательности: в емкость с микросферами вносят воду и перемешивают до образования равномерной суспензии (5-10 минут). Затем добавляют полиэтиленполиамин и перемешивают 3-4 минуты. Полученную смесь - состав 2 помещают в закрываемую тару и хранят до соединения с составом 1.
Предлагаемые составы 1 и 2 смешивают в пропорции от 1:1 до 5:1 масс.ч. Широкий диапазон количеств состава 1 от 1 до 5 по отношению к составу 2 позволяет регулировать скорость отверждения заявляемого материала, а также сочетание его вязкостных и прочностных свойств.
При смешении составов в пропорции 1:1 достигается ускоренное отверждение заявляемого материала за счет отверждения как гипсовой, так и эпоксидной составляющей.
При смешении составов в пропорции 5:1 достигается возможность повышения равномерности состава.
В Таблице 1 приведены данные по составу 1.
В Таблице 2 приведены данные по составу 2.
В Таблице 3 приведены данные по составу и свойствам заявляемого материала по сравнению с прототипом.
Получение модельного материала заявляемого состава приведено в соответствующих примерах 1-4.
Пример 1
Приготовление состава 1.
К 80 г смолы ЭД-22 добавляют 25 г диоктилфталата, смешивают 2-3 мин. По частям, продолжая перемешивание, вносят 100 г гипсового вяжущего: скульптурный гипс ГВВС-16. По окончании внесения и перемешивания добавляют 20 г диоксид кремния. Тщательно перемешивают 10-15 минут до полной внешней однородности состава. Полученный состав 1 помещают в закрытую тару для хранения.
Приготовление состава 2.
В емкость со стеклянными микросферами размером 15 мкм в количестве 70 г вносят 40 г воды и перемешивают 5-10 минут до образования равномерной суспензии. Затем вносят полиэтиленполиамин (ПЭПА) в количестве 35 г. Перемешивают еще 3-4 минуты. Полученный состав 2 помещают в закрытую тару для хранения.
100 г состава 1 смешивают с 50 г состава 2-3 минуты в емкости состава 1 или в отдельной емкости.
Смесь передают для технического применения.
Пример 2
Приготовление состава 1.
К 20 г смолы ЭД-20 добавляют 10 г дибутилфталата, смешивают 2-3 мин. По частям, продолжая перемешивание, вносят 100 г гипсового вяжущего: гипс марки Г-5. По окончании внесения и перемешивания добавляют 5 г диоксида кремния. Тщательно перемешивают 10-15 минут до полной внешней однородности состава. Полученный состав 1 помещают в закрытую тару для хранения.
Приготовление состава 2.
В емкость со стеклянными микросферами размером 150 мкм в количестве 100 г вносят 40 г воды и перемешивают 5-10 минут до образования равномерной суспензии. Затем вносят полиэтиленполиамин (ПЭПА) в количестве 10 г. Перемешивают еще 3-4 минуты. Полученный состав 2 помещают в закрытую тару для хранения.
50 г состава 1 смешивают с 50 г состава 2-3 минуты в емкости состава 1 или в отдельной емкости.
Смесь передают для технического применения.
Пример 3
Приготовление состава 1.
К 20 г смолы ЭД-22 добавляют 15 г диметилфталата, смешивают 2-3 мин. По частям, продолжая перемешивание, вносят 100 г гипсового вяжущего: гипс марки Г-6. По окончании внесения и перемешивания добавляют 10 г диоксид кремния. Тщательно перемешивают 10-15 минут до полной внешней однородности состава. Полученный состав 1 помещают в закрытую тару для хранения.
Приготовление состава 2.
В емкость со стеклянными микросферами размером 50 мкм в количестве 120 г вносят 40 г воды и перемешивают 5-10 минут до образования равномерной суспензии. Затем вносят полиэтиленполиамин (ПЭПА) в количестве 15 г. Перемешивают еще 3-4 минуты. Полученный состав 2 помещают в закрытую тару для хранения.
100 г состава 1 смешивают с 20 г состава 2-3 минуты в емкости состава 1 или в отдельной емкости.
Смесь передают для технического применения.
Пример 4
Приготовление состава 1.
К 60 г смолы ЭД-20 добавляют 40 г дибутилфталата, смешивают 2-3 мин. По частям, продолжая перемешивание, вносят 100 г гипсового вяжущего: гипс марки ГВВС-13. По окончании внесения и перемешивания добавляют 15 г диоксид кремния. Тщательно перемешивают 10-15 минут до полной внешней однородности состава. Полученный состав 1 помещают в закрытую тару для хранения.
Приготовление состава 2.
В емкость со стеклянными микросферами размером 70 мкм в количестве 50 г вносят 40 г воды и перемешивают 5-10 минут до образования равномерной суспензии. Затем вносят полиэтиленполиамин (ПЭПА) в количестве 25 г. Перемешивают еще 3-4 минуты. Полученный состав 2 помещают в закрытую тару для хранения.
150 г состава 1 смешивают с 50 г состава 2-3 минуты в емкости состава 1 или в отдельной емкости.
Смесь передают для технического применения.
Вода является обязательным компонентом, входящим в состав 2, заявляемого материала. С момента соединения воды состава 2 с гипсовым вяжущим состава 1 начинается процесс «затворения». Благодаря его экзотермическому характеру ускоряются остальные процессы, в том числе и процесс отверждения эпоксидной составляющей.
Таблица 1
Состав 1
Компонент
Содержание масс.ч.
1
2
3
4
5
6
7
8
Гипсовое вяжущее
100
100
100
100
100
100
100
100
Смола эпоксидная ЭД-20
20
40
60
80
Смола эпоксидная ЭД-22
-
-
-
20
40
80
60
Дибутилфталат
10
15
40
-
-
-
-
-
Диметилфталат
-
-
-
30
5
20
-
-
Диоктилфталат
-
-
-
-
-
-
25
35
Диоксидкремния (сажа белая)
5
10
15
20
10
5
20
10
Цемент
-
-
5
10
-
5
8
10
Таблица 2
Состав 2
Компонент
Содержание масс.ч.
1
2
3
4
5
6
7
8
Вода
40
40
40
40
40
40
40
40
Полиэтиленполиамин (ПЭПА)
5
10
35
10
20
40
25
15
Микросферы, стекло размер ср. 0,015 мм (15 мкм)
-
-
70
100
-
-
-
-
Микросферы, стекло размер ср. 0,2 мм (200 мкм)
60
50
-
-
-
-
-
-
Микросферы, керамика размер ср. 0,1 мм (100 мкм)
-
-
-
-
150
70
-
-
Микросферы, керамика размер ср. 0,05 мм (50 мкм)
-
-
-
-
-
-
50
-
Микросферы, оксид алюминия размер ср. 0,05 мм (50 мкм)
-
-
-
-
-
-
-
120
Таблица 3
Состав и свойства заявляемого материала
№ композции
состав 1
состав 2
Массовое соотношение состава 1 к составу 2
Время схватывания, мин
Нагревание перед смешиванием
Достигаемая прочность,
Плотность кг/дм<sup>3</sup>
Обрабатываемость инструментом,
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
1
4
1:1
20
-
+
0,7
+
2
2
5
2:1
25
-
+
0,65
++
3
4
6
3:1
50
-
++
0,85
++
4
3
7
4:1
80
-
++
1,4
+
5
5
8
5:1
55
-
+
1,15
+
6
6
2
1:1
30
+
+
0,85
+
7
7
3
2:1
35
+
+
1,1
+
8
№1 прототипа
140
-
+
1,55
+
9
№2 прототипа
110
-
+
1,5
+
10
№3 прототипа
200
-
+
1,6
+
Разработанный модельный материал нашел применение при изготовлении различных моделей, отличающихся степенью сложности, габаритами, характером последующей обработки. Материал пригоден также для изготовления готовых декоративно-строительных изделий при отделочных, скульптурно-оформительских, реставрационных работах, для комплектования архитектурных и интерьерных композиций.
При испытаниях в различных условиях, под воздействием влаги, повышенных и пониженных температур, при использовании в натурных условиях заявляемый материал показал необходимый уровень технологичности и универсальности, удобство применения, стабильности результатов, а также широкую возможность регулировать условия отверждения и свойства в отвержденном состоянии.
Отвержденный материал обладает необходимыми прочностными свойствами, не крошится, не расслаивается, хорошо обрабатывается инструментом. При этом достигается необходимая чистота поверхности и проработанность деталей произведения.
Эксплуатационные свойства заявляемого материала лучше, чем у прототипа. Преимуществом предлагаемого материала является более быстрое схватывание и отверждение, что предотвращает оползание и частичное деформирование материала на получаемой модели или формуемом участке поверхности. При этом ускоряется операция формования и отпадает необходимость в частичном деформировании в период схватывания и отверждения.
Таким образом, достигнута возможность регулирования скорости отверждения материала за счет предложенного соотношения компонентов, способа их подготовки и совмещения.
Реализуется возможность повышения равномерности и качества материала за счет подготовки в виде двух заранее приготовленных составов, вводимых в контакт непосредственно перед началом работ по формованию. При этом обеспечивают удобство технического применения заявляемого материала при различных условиях.
Заявляемый материал был разработан и испытан в ОАО «Технологическое оснащение» г.Санкт-Петербурга при изготовлении технических моделей и проведении строительно-декоративных работ, связанных с полимерным формообразованием.