Разработка методики дополнительного способа переработки стеклобоя и создание имитации полудрагоценных камней

XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель
  • Главная
  • Список секций
  • Химия
  • Разработка методики дополнительного способа переработки стеклобоя и создание имитации полудрагоценных камней

Разработка методики дополнительного способа переработки стеклобоя и создание имитации полудрагоценных камней

Федорова Э.Д. 1Щетинина В.А. 1
1МБОУ СОШ №9
Зиятдинова Зиннуровна Мариям 1Букина И.А. 2
1РХТУ им. Менделеева
2МБОУ СОШ №9
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Аннотация

Данная работа посвящена созданию методики дополнительного способа переработки стеклобоя цветного стекла и созданию срезов полудрагоценных камней. Были изучены свойства стеклобоя цветных стёкол, полудрагоценных камней и связующих компонентов. Проведено три эксперимента: без связующих компонентов, с клеем ПВА, со спиртом. После анализа результатов был создан контрольный срез с применением клея ПВА, так как этот связующий компонент вместе со стеклом показал лучший результат. По окончании практической части была создана методика переработки стеклобоя в срез полудрагоценных камней, которую можно использовать на малых предприятиях для создания художественных изделий. Дополнительная методика переработки стеклобоя в имитацию срезов полудрагоценных камней поможет снизить количество стеклобоя в окружающей среде.

  1. Введение

В последнее время люди всё чаще начинают задумываться об экологии нашей планеты, так как постоянно сталкиваются с загрязнёнными территориями. Существуют отходы, которые могут подлежать вторичной переработке, одним из них является стекло. Оно также является одним из самых долго разлагаемых отходов: ему требуется для возвращения в природу более тысячи лет.[1] Стекло наносит большой вред природе, особенно стеклобой, который редко принимают на переработку.[2] Причина заключается в том, что во вторичной переработке чаще всего используют прозрачное, коричневое и зеленное стекла.[3] И прозрачное стекло всё также остаётся более востребованным, чем цветные стёкла. На данный момент проблема с переработкой мусора и защита планеты от него стоит на глобальном уровне, поэтому необходимо найти способ переработки цветного стекла и стеклобоя, чтобы уменьшить его количество в природе в виде мусора.

Во время работы на кафедре стекла в РХТУ имени Менделеева были изучены различные способы переработки данного материала. После изучения темы появилась идея: создать имитацию срезов полудрагоценных камней при помощи стеклобоя, так как в настоящее время этот способ переработки не используется.

В промышленности сейчас встречается большое многообразие цветной стеклянной тары: от обычных бутылок, до всевозможных декоративных украшений. Следовательно, при таком многообразии боя цветного стекла создаётся возможным получение различных срезов полудрагоценных камней.

Цель работы: разработка методики дополнительного способа переработки стеклобоя и создание имитации срезов полудрагоценных камней.

Задачи:

  1. Собрать и изучить информацию о стекле, полудрагоценных камнях и переработке стеклобоя.

  2. Получить срезы полудрагоценных камней из разных фракций собранного стеклобоя.

  3. Визуально проанализировать качество полученных срезов.

  4. Создать методику имитации срезов полудрагоценных камней из стеклобоя

Гипотеза: Имитацию срезов полудрагоценных камней можно будет изготавливать на малых предприятия, чтобы понизить количество стеклобоя в окружающей среде.

  1. Литературный обзор

Что из себя представляет материал стекло? Какими свойствами он обладает и где применяется? Что такое стеклобой?

1.1 Стекло — материал-рекордсмен по сроку даже не разложения, а распада. В природных условиях этот процесс занимает более тысячи лет. Примерно 55 веков назад на территории Древнего Египта появилось первое стекло. Первыми изделиями стали небольшие шарики правильной формы. Первое стекло отличается своей непрозрачностью и тёмным, почти чёрным цветом.[7] Перед тем как появилось стекло в прозрачном виде, древние египтяне практиковали изготовление цветных стёкол. Цветное стекло изначально было двух цветов: синее и зелёное. Для его изготовление брали песок, добавляли известь и щелочные компоненты (золу или соду), а подкрашивали их с помощью меди, марганца или железа.[8]

К 15 в. до н.э. стекло массово производилось уже не только в Египте, но и в Азии, особенно в Китае. В каждом регионе существовали свои особенности производства стекла.В те времена обжиг глиняных изделий происходил в обычных ямах, вырытых в песке, а топливом служила солома или тростник. Образующаяся при сгорании зола, то есть щелочь, при высокотемпературном контакте с песком давала стекловидную массу. Предположение немецкого ученого Вагнера, который связывает появление стекла с получением металлов, кажется наиболее вероятным. В процессе плавления меди и железа образовывались шлаки, которые могли под действием тепла превращаться в стекло. Сейчас трудно установить, как именно было изобретено стекло, но без сомнений это открытие было случайным.

В XVI веке вся Европа сходила с ума по привозимым из Венеции драгоценным изделиям из так называемого льдистого или льдяно-цветочного стекла. В процессе изготовления раскалённую заготовку погружали в холодную воду, отчего на поверхности появляется сеть мелких трещинок, а стекло мутнеет. Затем процесс выдувания продолжают, в результате чего острые края трещинок заглаживаются. Получается стеклянный сосуд, украшенный неповторимым узором. А уже в XV веке стеклодув Анджело Баровьер опытным путем открыл технологию производства абсолютно прозрачного стекла. Успех был грандиозным: вся Европа восторгалась этим уникальным свойством муранских изделий.[9]

1.2 Стекло́ (где stikls — «кубок, рог для питья») - природный или искусственный твёрдый материал, обычно прозрачный в той или иной области оптического диапазона (в зависимости от состава). В природе стекло встречается в виде бесформенных непрозрачных кусков вулканического стекла.[10]

Формула стекла:

Na2O·CaO·6SiO2

Свойства стекла:

Стекло обладает наименьшими показателями прочности, высокой хрупкостью, термостойкостью и хорошо противостоит действию воды, щелочей.

Применение стекла различных областях человеческой деятельности:

  1. Художественное стекло

  2. Техническое стекло

  3. Бытовое стекло

  4. Строительное стекло

В связи с высокой хрупкостью большое количество готовых изделий бьётся. И маленький процент приходит на переработку. Хотя это материал возможно подвергнуть вторичной переработке. В этом случае всё битое стекло называется стеклобой.

1.3 Стеклобой (битое стекло, стеклянный лом) — непригодные для прямого использования изделия или части изделий из стекла, которые потеряли эксплуатационную ценность, а также изделия c непоправимым недостатком. Стеклобой используют как особо ценное вторичное сырьё для производства стекла.

Свойства стеклобоя

Стеклобой обладает более низким температурным порогом при плавлении, чем у обычного стекла и высокой устойчивостью к истиранию и химической устойчивостью.

Возможное применение стеклобоя

  1. Производство стеклянной тары

  2. Изготовление кирпичей

  3. Изготовление облицованных бетонных блоков

  4. Производство тепло и звукоизоляционных и композиционных строительных материалов

  5. Производство декоративных панелей

  6. Производство красок, моющих и чистящих средств [5].

2.1 Полудрагоценные камни

Ещё в древности люди видели в стекле полудрагоценные камни, поэтому они часто применяли стекло в качестве материала для изготовления каких-либо изделий, заменяя им драгоценные или полудрагоценные камни. И это не спроста, ведь из некоторых минералов (полудрагоценных камней) изготавливают стекло.

По мнению русских ювелиров Полудрагоценные камни это те горные породы, которые традиционно используемые как в качестве вставок в ювелирные украшения и камнерезных изделий. А также в РФ существует чёткий закон от 26 марта 1998 г. N 41-ФЗ «О драгоценных металлах и драгоценных камнях» (статья 1). В нём поясняется, какие камни относят к драгоценным, а именно: природные алмазы, изумруды, рубины, сапфиры и александриты, а также природный жемчуг в естественном и обработанном виде. Все остальные камни, кроме вышеперечисленных, относятся к полудрагоценным камням.[15]

2.2 Свойства полудрагоценных камней:

  • Высокая твердость (чем тверже, тем драгоценнее)

  • Прозрачность

  • Низкая прочность

2.3 Применения: В ювелирных и художественных изделиях и украшении интерьера

Представляется возможным ещё одно применение переработанного стеклобоя в имитацию срезов полудрагоценных камней.

3.2Срез камня — это спил породы, натуральный камень, разрезанный на пластины разных размеров.

Свойство срезов:

Уникальность (Срез никогда в природе не повторится. На каждом срезе можно разглядеть свой уникальный узор) [2]

Применения срезов полудрагоценных камней:

1) В качестве элемента декора

2) Для создания украшений

После анализа свойств стекла, стеклобоя, способов его переработки и свойств полудрагоценных камней представляется возможным создать методику создания имитации срезов полудрагоценных камней.

4.1 Связующие компоненты.

При изучении различных связующих компонентов были взяты во внимание вещества, которые подходили по своим свойствам для скрепления стеклобоя. Наиболее подходящими были выбраны ПВА и этиловый спирт. Также рассмотрен вариант создания имитации без связующих компонентов.

Свойства ПВА:

  1. пожаробезопасность/взрывобезопасность

  2. нетоксичный состав

  3. устойчивость к повышенному уровню влаги/водонепроницаемость

  4. образование тонкой прочной пленки после застывания

  5. в процессе высыхания происходит минимальная усадка и заполнение просветов

Свойства спирта:

Свойства спирта, необходимые для скрепления, включают его способность проникать в мелкие детали и равномерно распределяться по поверхности изделия.

Было принято решение использовать три метода для формования срезов полудрагоценных камней: с ПВА, со спиртом и без связующих компонентов

  1. Практическая часть.

Ход эксперимента:

1. Собрать стеклянную тару и стеклобой разных цветов.

2. Измельчить собранное стекло до порошкообразного состояния

3. Получить срез полудрагоценных камней при помощи разных связующих компонентов

4. Проанализировать полученные срезы на толщину и равномерность, на эстетичность.

В начале практической части был собран стеклобой различного вида и очищен от грязи и этикеток – для получения чистого среза.

Необходимо размельчить очищенное стекло до порошкообразного состояния размером менее 0,5 мм. Для этого в условиях лаборатории стеклянная бутылка была завёрнута в бумагу, чтобы предотвратить разлёт осколков, и разбита молотком до мельчайших осколков. Осколки были переложены в керамическую ступку и размельчены. Полученный материал просеян через лабораторное сито с несколькими отделениями. В результате просеивания были получены фракции стекла менее 0.5 мм; от 0,5 до 1 мм; более 1 мм. В поддоне сита собиралось порошкообразное стекло, которое использовалось в дальнейшем.(Фото 1, 2)

Получилось несколько фракций стекла разных размеров и цветов, которое в ходе процесса распределялось по пластиковым стаканчикам.

Следующий шаг: определить какой именно делается срез, конкретно какие фракции стекла используются и с какими связующими компонентами работаем.

  1. Использование фракции стекла менее 0.5 мм и от 0.5 до 1мм без связующих компонентов.

Определиться с серединой среза (сам срез будет округлой формы), после чего деревянной лопаткой выкладывать кругообразными слоями на керамическую бумагу. Чередовалось порошкообразное стекло с более крупным. После полученного рисунка, убрать работы в муфельную печь. Температура запекания 750°, 100 минут. Выдержка. Нагрев за 90 минут, охлаждение 730 минут.(Фото 3)

Результат: из-за неплотного наложения фракций стекла и отличия по размеру, срез получился прозрачным и недостаточно плотным. Более крупные фракции плохо смешивались с порошкообразным стеклом, создавая неравномерные переходы и текстуру. Данный метод оказался неподходящим для получения среза полудрагоценных камней. (Фото 4;5)

  1. Использование стекла менее 0.5 мм с добавлением ПВА.

Было решено сделать небольшие образцы срезов, смешивая разные цвета стекла размером менее 0.5 мм стекла в объемных частях 1:1, чтобы проверить – получиться ли равномерный градиент при таком способе.(Фото 6)

Были смешаны синие, зелёные и белые фракции стекла для получения бирюзового цвета.

В отдельной выпаривательной чаше было смешано необходимое количество порошкообразного стекло с ПВА до густоты сметаны или чтобы по внешнему виду материал напоминал кинетический песок. Это будет влиять на удобство работы с полученным материалом.

Выкладывать данную смесь деревянной лопаткой на керамическую бумагу.

таким же способом, как и в пункте 1.

После высыхания работа была поставлена в муфельную печь.

Результат: в основном срезы получились равномерными, непрозрачными и без просветов. При смешении какого-либо цвета с белой фракцией стекла в объемных частях 1:1 цвет получался более тусклым. Переходы возможно получить, как и новые цвета при смешении нескольких фракций стекла, главное, чтобы они были одного размера.

3. Использование фракций размером 0.5 мм с добавлением спирта.

При работе со спиртом были использованы квадратные формы, поэтому сам срез получился поперечным, но также в ходе работы, была сделана круглая форма среза, как в предыдущих работах.

Вначале при помощи шприца был набран спирт и им смочена керамическая бумага, после чего сделаны подложки из прозрачного и коричневого стекла (фото 7).

Осторожно была приподнята форма, чтобы стряхнуть те крупицы, которые не соединились со спиртом. Перед тем как был выложен новый слой, подложка ещё раз была смочена спиртом. После проделанной работы ещё раз было смочено всё спиртом, чтобы работа не развалилась, и отправлена в муфельную печь, где запекалась по графику способа №1.

Результат: срезы получились не равномерными и со множеством дефектов. Работа получилась неудовлетворительной.

4. Контрольный срез с ПВА.

Так как работа, которая была сделана при помощи ПВА, больше всего подходил под критерии среза полудрагоценных камней, было решено сделать контрольный срез.

В отдельной выпаривательной чаше было смешено необходимое количество порошкообразного стекла с ПВА до густоты сметаны. Данная смесь была выложена деревянной палочкой таким же способом, как и в пункте 1. После высыхания работа была положена в муфельную печь, где выпекалась по методу способа №1.

Результат:срез получился плотным, без дефектов. Данный связующий компонент даёт возможность делать переходы между цветами и создавать градиент. Полученный продукт полностью соответствует эстетическим критериям. Что подтверждает выбор связующего компонента.

5. Вывод из практической части

По итогам проведённой работы было принято решение включить в методику в качестве связующего компонента ПВА, так как срез получался плотным, без дырочек, дефектов. Данный связующий компонент даёт возможность делать переходы между цветами и создавать градиент. Остальные срезы были неудовлетворительными из-за того, что срезы получались не плотными, с просветами и переходы получались не равномерными. (фото 8)

6. Вывод

  1. В проектной работе был собран соответствующий теоретический материал, изучена информация о стекле, способах его вторичной переработки и полудрагоценных камнях.

  2. Были получены имитации срезов при помощи стеклобоя.

  3. Создана методика

7. Методика

  1. Собрать стекло и очистить его от этикеток и грязи.

  2. Размельчить стекло до порошкообразного состояния (менее 0.5 мм или 0.5 мм.) Для этого взять стеклянную тару, завернуть её в бумагу и разбить молотком. Мелкие осколки переложить в керамическую ступу и размельчить. После просеять через лабораторное сито и распределить по фракциям (на определенный размер и цвет один пластиковый стаканчик).

  3. Получить различные цвета при помощи смешения фракций одного и того же размера. В объёмных частях 1:1.

  4. Взять клей ПВА и одну фракцию стекла, смешать их в выпаривательной чаше до состояния сметаны.

  5. Сформовать на керамической бумаге нужный срез

  6. Полученный срез рисунка положить в муфельную печь. Температура запекания 750°C, 100 минут. Выдержка. Нагрев за 90 минут, охлаждение 730 минут.

8. Заключение

В данной исследовательской работе разработана методика дополнительного способа переработки стеклобоя и создание имитации полудрагоценных камней.

Данный способ поможет уменьшить количество стеклобоя в окружающей среде и позволит использовать любые цвета стеклобоя. Данная методика позволяет создавать имитированные срезы полудрагоценных камней, которые возможно изготавливать на малых предприятиях для использования в декоре.

9. Список использованных источников и литературы

1)https://utilit.ru/razlozhenie-othodov-2/ (интернет-ресурс)

2)https://ecologyofrussia.ru/lifehack/utilizatsiya-stekla/ ( интернет-ресурс)

3)https://green.reo.ru/newyear/tpost/gectk71v01-beskonechnaya-zhizn-butilok-kak-pereraba (интернет-ресурс, Как перерабатывается стекло в России)

4) https://www.mdpi.com/2075-5309/13/8/1992 (интернет-ресурс, применение стеклобоя в бетоне)

5) https://akmestr.ru/product/other/steklop/ (интернет-ресурс)

6) https://gufo.me/dict/bse/Стекло

7) https://www.papacarlo.biz/history-of-glass

8)https://zavodstekol.ru/news/istoriya-stekla/

9)https://kartaslov.ru/книги/Сергей_Песков_История_стекла_От_стеклянного_оружия_до_стекол_иллюминаторов/2

10)https://bigenc.ru/c/steklo-3f164c

11)https://prglass.ru/svojstva-stekla-i-oblasti-primeneniya/

12)https://chk-jewelry.ru/kamnereznoe-iskusstvo-skvoz-tysjache/

13) https://www.livemaster.ru/topic/307395-krasota-i-primenenie-srezov-kamnej

14) Г.Смит «Драгоценные камни» стр. 207-213

15) https://www.alltime.ru/blog/?page=post&blog=watchblog&post_id=chto-takoe-poludragotsennye-kamni

Просмотров работы: 7