Способ изготовления блочного композиционного материала на основе мамонтовой кости
METHOD FOR MANUFACTURING A BLOCK COMPOSITE MATERIAL BASED ON MAMMOTH IVORY

Изобретение относится к изготовлению композиционных материалов с наполнителем из мамонтовой кости для использования в производстве художественно-декоративных изделий.
Кость, как наиболее устойчивое из органических соединений, издавна нашла огромные практические применения, как для изготовления поделок домашнего обихода, так и для предметов украшения. При этом бивень мамонта это единственный высокоценный костный материал, разрешенный к добыче и использованию. Физические качества массива мамонтового бивня уникальны и современными технологиями не удается искусственно полностью воссоздать свойства натуральной кости мамонта. Между тем, мамонтовая кость ограничена в объемах, из года в год ее добывают в более сложных условиях, что приводит к удорожанию производства декоративных изделий с использованием костного материала.
Для изготовления изделий из бивня мамонта, прежде всего, используются кости однородной структуры, обладающие равномерностью окраса массива, с отсутствием трещин и иных дефектов. При этом производство сопровождается с выделением значительного количества костных отходов, объемы которых, по некоторым оценкам, могут достигать до 60-80% в зависимости от изначального качества костного сырья.
Из уровня техники известны решения, предусматривающие, в основном, использование природных минералов, и не предназначены для изготовления декоративных изделий с применением костного материала, а направлены на утилизацию минеральных отходов производства, например, путем их использования в качестве наполнителей.
Так, по способу изготовления плитки для декоративно-живописного панно (см. SU №473624, кл. B44C 5/04, опубл. 15.06.1975) в форму с глянцевым дном (например, из оргстекла), заливают слой прозрачной смолы, который присыпают вермикулитом крупных фракций с размером 10-15 мм, затем заливают слоем смеси смолы с вермикулитом фракций 10 мм и присыпают мелким сухим вермикулитом для создания шероховатой поверхности плитки. После отвердения плитку вынимают из формы. Кроме того, по способу изготовления декоративных изделий с использованием наполнителя, изготовленного из янтаря (см. RU №2151700, кл. В44С 5/00, C04B 26/18, опубл. 27.06.2000), получают декоративный композиционный материал на основе полимерного связующего и наполнителя из янтаря низкого качества или отходов янтарного производства.
Известен способ получения декоративного композиционного материала на основе мамонтовой кости (см. RU №2738690, кл. В44С 5/00, опубл. 15.12.2020), характеризующийся тем, что в качестве наполнителя используют куски бивня, а матрицы – синтетическое связующее, для чего, приготавливают формовочную массу путем совмещения со связующим в смесителе при частоте оборота барабана не более 20 об/мин в течение 5-10 мин и получают композиционный материал в пресс-форме путем холодного прессования при удельном давлении прессования 0,6-0,8 МПа, температуре прессования 25-30°С и выдержке под давлением в течение 20-24 часов, при следующем соотношении компонентов, мас.%: наполнитель из кусков бивня – 85-90, синтетическое связующее – 10-15.
Однако известное решение не способствует получению прочного и монолитного блока декоративного композиционного материала, т.к. при совмещении путем смешивания и холодном прессовании не исключены внутренние полости, заполненные воздухом, остающиеся внутри массива блока. В результате получают материал, в котором связующее после отверждения имеет пузырчатую структуру, а при распиле блоков раскрываются пустоты. Подобные заготовки отбраковываются в процессе производства изделий.
Задача, на решение которой направлено заявленное решение, заключается в повышении качества композиционного материала на основе мамонтовой кости, характеризующегося высокими декоративными и прочностными свойствами.
Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в утилизации отходов косторезного производства, расширении ассортимента композиционных материалов декоративного назначения. При этом помимо декоративности, новый материал обладает высокой плотностью, хорошей объемной монолитностью, необходимой для последующего изготовления резных изделий на его основе.
Для решения поставленной задачи способ изготовления блочного композиционного материала, содержащего в качестве наполнителя измельченные куски бивня мамонта, матрицы - синтетическое связующее, в качестве которого используют эпоксидную или полиэфирную смолу, включающий предварительную сортировку кусков бивня мамонта по текстуре, оттенку и по размерам, приготовление формовочной массы путем совмещения наполнителя со связующим и последующее холодное прессование в пресс-форме, отличается тем, что прессование проводят при удельном давлении 10-14 МПа в течение 5-10 минут, после чего, дополнительно выполняют дегазацию материала циклическим вакуумированием в пресс-форме при давлении -1,0 атм и продолжительности каждого цикла по 40-45 минут, причем, общее время вакуумирования составляет 2,0-2,5 часа, при следующем соотношении компонентов, мас. %: наполнитель из кусков бивня мамонта – 50-60, синтетическое связующее (эпоксидная или полиэфирная смола) – 40-50.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с известными признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков изобретения обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, получение нового декоративного композиционного материала с использованием костных кусков из бивня мамонта, в котором сохраняются особенные достоинства декоративных и физико-механических свойств, присущие для мамонтового бивня, в частности, эффект внутреннего свечения, теплые оттенки живого тела, непревзойденная пластичность мельчайших деталей и др.
По заявленному решению композиционный декоративный материал представляет собой заготовку в виде блока, полученную путем формования и прессования композиционной смеси на основе синтетического полимера и наполнителя из кусков мамонтовой кости.
Таким образом, технологический процесс изготовления композиционного материала включает следующие основные этапы:
- подготовка матрицы (связующего);
- подготовка наполнителя;
- совмещение компонентов при загрузке первой порции связующего;
- формование брикета в пресс-форме;
- холодное прессование блока;
- загрузка второй порции связующего;
- дегазация материала вакуумированием в камере;
- технологическая выдержка материала в пресс-форме;
- распалубка пресс-формы;
- заключительная механическая обработка полученных блоков, упаковка и складирование.
В качестве связующего используются синтетические смолы, обеспечивающие высокопрочное, водостойкое, долговечное и прозрачное соединение. Для экспериментальных работ были исследованы образцы на основе эпоксидной и полиэфирной смол. С точки зрения безопасности, экологичности и показателей эксплуатационных свойств, наиболее приемлемыми были определены материалы на основе эпоксидной смолы.
Известно, что бивень мамонта условно делится на пять видов сортов (см. http://koptelovy.ru/mammoths/klassifikaciya-bivnya-mamonta): коллекционный, первый, второй, третий и четвертый сорта. Если из них для косторезного производства, в основном, пригодны бивни с первого по третий сорта, то к четвертому сорту, как правило, относят щепу, т.е. бивень, содержащий множество трещин, годный для изготовления небольших изделий. Из них получают наибольшее количество отходов в виде кусков, коры разных размеров.
Для изготовления композиционного материала используют куски мамонтовой кости разных размеров и оттенков, полученные из любого сорта бивня, например, некондиционные отходы производства. При этом куски могут быть специально подобраны, исходя из замысла о будущей композиции на основе данного материала, либо специально изготовлены дроблением.
Заявленное решение реализуется следующим образом.
Куски бивня мамонта предварительно промывают и сортируют по размерам, текстуре, оттенкам и просушивают при естественных условиях в течение 48-72 часов или с некоторым подогревом в сушильной камере с принудительной циркуляцией воздуха при температуре не выше 35-36°С в течение 40-48 часов.
Отобранные сухие куски взвешивают и помещают в смесительное оборудование, в качестве которого используют стандартные барабанные смесители, например, типа СБН «Гамбит» (см. https://gambitmarket.ru) с регулируемой частотой оборота барабана. В целях исключения дополнительного измельчения кусков мамонтовой кости во время смешивания и упрощения обслуживания оборудования, внутренняя поверхность барабана смесителя может быть оборудована (обшита) пластиковой накладкой.
В зависимости от общего веса загружаемых в барабан смесителя костных кусков отвешивают требуемое количество связующего, которое подается двумя равными порциями, каждая из которых составляет 20-25% от общего веса наполнителя. В качестве связующего используют эпоксидную смолу, например, типа ЭД или Epoxy, с отвердителем, используемым согласно инструкции к смоле. Для придания дополнительных декоративных свойств в смолу может быть добавлен определенный краситель.
При медленном вращении барабана (не более 20 об/мин) в смеситель через загрузочное окно постепенно подают первую порцию раствора связующего и проводят смешивание компонентов в течение не более 5-10 мин. Готовую смесь выгружают в поддон или емкость.
Для формования заготовки используют пресс-формы известной разборной конструкции. Размеры внутренней полости пресс-формы определяют размеры прессуемого блока композиционного материала. Перед помещением смеси внутренние стенки пресс-формы покрывают защитным антиадгезионным слоем, например, для этого используют пленки на основе ПЭТФ. Кроме того, защитная пленка также частично предотвращает вытекание жидкой смолы в процессе формования и прессования.
Загрузку смеси в пресс-форму осуществляют вручную или выполняют на вибрационной площадке. Ручной способ удобен тем, что формовщик может специально определить расположение кусков в массе блока. Как правило, куски бивня мамонта располагают параллельно друг другу, например, вдоль волокон.
В зависимости от объема блока (главным образом, толщины блока) формование может быть выполнено с послойным уплотнением массы, для чего, в пресс-форму помещают первый слой толщиной, например, 15-20 мм, далее слой покрывают пленкой и осторожно уплотняют подпрессовкой в прессе, удельное давление прессования при этом составляет не более 0,3-0,4 МПа.
После подпрессовки первого слоя снимают защитную пленку и аналогичным способом накладывают следующий слой массы и подпрессовывают известным способом. При подпрессовке исключают чрезмерное измельчение костных кусков.
По достижению определенной толщины массы в пресс-форме пакет покрывают защитной пленкой, помещают в холодный пресс периодического действия и выполняют прессование заготовки при следующих режимах: удельное давление 10-14 МПа, температура 20-25°С, продолжительность 5-10 минут.
Далее снимают давление и в пресс-форму с блоком композиционного материала доливают вторую порцию связующего из расчета 20-25 % от общего веса наполнителя и направляют на вакуумирование, для чего, пресс-форму с материалом помещают в вакуумную камеру известной конструкции. Инфузия путем дегазации проходит при -1,0 атм, например, в 3 цикла. Каждый цикл вакуумирования продолжается по 40-45 минут и завершается с впуском воздуха в камеру. Общее время вакуумирования - 2,0-2,5 часа.
Во время прессования и вакуумирования в пакете происходит окончательное упрессовывание массы в пресс-форме, при этом жидкая смола за счет избыточного количества заполняет пустоты между кусками мамонтовой кости, полностью обволакивая их и вытесняя остатки воздуха, придает монолитность по объему и поверхности изготавливаемого блока. В результате вакуумирования удаляются остатки воздуха из запрессованного материала. После схватывания полимерное связующее не подвергается усадке, поверхность материала получают ровной и гладкой без следов от пузырей.
После вакуумирования готовые блоки выдерживают в нормальных условиях в течение 1-2 суток. По завершению этапа технологической выдержки выполняют распалубку пресс-формы, стенки которой освобождают от защитной пленки, и после очистки направляют на повторное использование.
Полученный блок декоративного композиционного материала осматривают на предмет наличия повреждений, очищают от неровностей склеивания, при необходимости, направляют на заключительную механическую обработку (циклевание, шлифование, обрезка), далее упаковывают и складируют.
Пример осуществления заявленного способа получения декоративного композиционного материала на основе мамонтовой кости.
Для экспериментальных работ был изготовлен блок с размерами по длине, ширине и толщине, соответственно: 350×350×200 мм.
В качестве связующего использовали эпоксидную смолу марки Epoxy 520 с отвердителем и без добавления красителя.
В качестве наполнителя были отобраны сухие куски бивня мамонта примерно одинакового размера (длина до 50 мм, ширина до 30 мм, толщина до 20 мм), отличающиеся текстурой и оттенками. Для заданного размера блока расчетное количество наполнителя составило около 20-21 кг, исходя из которого определили потребное количество смолы в 4,5 кг.
Отобранные костные куски поместили в смеситель барабанного типа и при частоте оборота барабана 20 об/мин постепенно залили первой порцией эпоксидной смолы. Смешивание проводили в течение 5-10 мин. Готовую смесь выгружали в чистую емкость, откуда поместили в предварительно собранную пресс-форму с защитной пленкой, где сформировали брикет в несколько слоев, применяя периодическую подпрессовку.
При формовании куски мамонтовой кости располагали вдоль волокон, причем, для придания декоративных свойств некоторые из них чередовали по внешним оттенкам.
Загруженную пресс-форму помещали в межплитное пространство гидравлического пресса периодического действия типа П-100 и выполняли прессование при удельном давлении прессования 12,5 МПа в течение 10 минут при температуре в помещении 25±2°С.
3
После снятия давления прессования в пресс-форму с блоком композиционного материала долили вторую порцию связующего в количестве 4,5 кг и загрузили в вакуумную камеру, где создавали разряжение до -1,0 атм и выдерживали по 40 минут в 3 цикла, по завершению каждого цикла впускали воздух в камеру для удаления пузырей воздуха на поверхности смолы. Готовый блок в пресс-форме направляли на технологическую выдержку в течение 2 суток при температуре воздуха 24±2°С. После чего, выполняли распалубку пресс-формы и выгружали склеенный блок материала. При оценке внешних свойств были отмечены уникальные декоративные свойства монолитного материала, обусловленные характерным сочетанием натурального компонента из бивня и синтетического камня из эпоксидной смолы. Плотность получаемого материала составила в среднем 1250-1350 кг/м.
Таким образом, полученный композиционный материал, обладая уникальными декоративными свойствами, достаточно плотен и монолитен, что способствует долговечности, материал не подвергается влиянию УФ-лучей и удобен для последующей обработки и изготовления изделий. При этом, заявленное техническое решение позволяет утилизировать значительное количество производственных отходов мамонтовой кости, расширяя ассортимент продукции на ее основе.