VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Холодный фарфор
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В настоящее время интенсивно развиваются исследования свойств крахмала и поиски путей получения на его основе экологически безопасных полимерных материалов. Одним из таких материалов является так называемый «Холодный фарфор». Холодным фарфором называют особую смесь из кукурузного крахмала, клея и глицерина, которая используется для художественной лепки. Холодный фарфор на сегодняшний день является абсолютно безвредным, удобным и весьма дешевым материалом для лепки. Из-за очень гладкой и однородной текстуры, замечательной пластичности он очень удобен в использовании.
История этого материала для лепки берет свое начало в первых годах 19 века, именно тем временем датируются записи о нем и первые изделия. Согласно данным, холодный фарфор был изобретен аргентинцами, но точных сведений о его происхождении и истории его изобретения нет. Гораздо больше информации о русском мастере Ивановом Петре, который работал на императорским фарфором заводе и уже в начале 19 века создавал уникальные изделия из особого вида фарфора. Если верить архивным документам этого Петербургского завода, именно Петр Ульянович создал первые цветы из холодного фарфора. Предназначались они для украшения флаконов для духов и парфюмерной воды, которая поставлялась императору и его семье.
Он быстро завоевал популярность среди любителей заниматься лепкой. Единственным минусом этого материала является, пожалуй, то, что хорошо из него лепятся только тонкие детали. Более толстые детали при высыхании покрываются трещинами, теряя свой первоначальный вид.
До настоящего времени существовало множество публикаций о «Холодном фарфоре». В основном это неупорядоченные электронные ресурсы, в которых компоненты смеси подбираются интуитивно.
Цель работы: изучить состав смеси «холодный фарфор», слепить фигурку в форме цветка, определить твёрдость материала.
Задачи:
изучить каждый материал смеси «холодный фарфор»;
понять какова роль каждого материала в смеси «холодный фарфор»;
сделать вывод о перспективах применение «холодного фарфора» в производстве;
изучить условия существования «холодного фарфора»;
по Бринеллю определить твёрдость полученной смеси;
I.Теоретическая часть
1.1. Крахмал
Рис.1 Структурная формула крахмала
Крахмал – это полисахарид, накапливаемый в процессе жизнедеятельности растений в их клубнях, семенах, стеблях и листьях. Основными источниками для промышленного получения крахмала являются картофель, пшеница, кукуруза, рис. Крахмал состоит из двух полимерных компонентов – амилозы и амилопектина, цепи которых построены из остатков α-D-глюкопиранозы, но структурно и функционально различаются. Содержание амилозы в крахмале обычно колеблется от 20 до 30 % от всей массы, большую часть крахмала (до 70%) составляет амилопектин. Соотношение амилозы и амилопектина в крахмале зависит от вида растения и стадии его развития. Например, содержание амилозы в крахмале из клубней картофеля составляет в среднем 22 %. В крахмале из молодых побегов картофеля амилоза равна 46 %. В крахмале из зерна обычной кукурузы содержится 22 % амилозы, а в восковидной – амилоза отсутствует полностью
Амилоза– это линейный полимер, состоящий из α-(1,4)-D-глюкопиранозидных звеньев со средней молекулярной массой 100-1000 кг*моль^-1. Свёрнутые в спирали цепи молекул амилозы в клеточном крахмале комплексно связаны с липидами.
Рис.2 Строение полимерной цепи амилозы.
Амилопектин состоит из α-(1,4)- и α-(1,6)-связанных глюкозидных остатков. Связи α-(1,4)- образуют линейные вытянутые цепи, которые содержат множество более коротких разветвлений через связи α-(1,6).
Рис.3 Строение полимерной цепи амилопектина
Крахмал – безвкусный аморфный порошок белого цвета, при сжатии издаёт характерный скрип, вызванный трением частиц. Практически нерастворим в 95% спирте, растворим в кипящей воде с образованием прозрачного раствора, не застывающего при охлаждении. Растворимость в воде компонентов крахмала неодинакова. Амилоза хорошо растворяется в тёплой воде, а амилопектин – плохо. Он образует коллоидные растворы. На различной растворимости в воде основан метод разделения компонентов крахмала.
Плотность абсолютно сухого картофельного крахмала в зависимости от его происхождения, по данным разных исследователей, равна 1633-1648, кукурузного – 1591-1932 кг/м3. Плотность воздушно-сухого картофельного крахмала — 1500-1503, кукурузного – 1528-1530 кг/м3.
Насыпная масса \1 м3 картофельного крахмала с влажностью 20% (в холодном состоянии) принята равной 650 кг, влажностью 50% - 1250 кг.
Крахмал, высушенный при температуре 100-1100С, очень гигроскопичен. Крахмальные зерна картофельного крахмала при температуре 17-200С поглощают в среднем из воздуха 10,3% воды при относительной влажности окружающего воздуха 75% и 20,9% воды при относительной влажности воздуха 100%. Поэтому товарный сухой картофельный крахмал выпускается влажностью 20%, кукурузный и пшеничный – 13%
1.2. Вазелин
В настоящее время широко используют минеральные жировые и жироподобные основы твердой и жидкой консистенции. К твердым основам относят вазелин и твердый парафин, а к жидким — вазелиновое масло (жидкий парафин), минеральные масла и пропиленгликоль.
Вазелин является смесью твёрдых и жидких углеводородов, получаемой при фракционной дистилляции нефти, и представляет собой белое, вязкое, липкое маслообразное вещество, не имеющее запаха. Это вещество мало аллергенно, хорошо смягчает и увлажняет кожу за счет плёнкообразующего эффекта. По выраженности эксклюзивного эффекта вазелин считают «золотым стандартом» по отношению к другим веществам. Так, известно, что он уменьшает трансэпидермальную потерю воды в 170 раз больше, чем оливковое масло. В дерма косметологии более часто применяют белый вазелин, отличающийся высокой степенью очистки по сравнению с желтым.
1.3. Парафин
Парафины представляют собой очищенные фракции нефти. Искусственный вазелин — смесь твёрдого парафина, жидкого парафина и воска. Эта смесь используется как уплотнитель. Воски — собирательная группа жироподобных аморфных веществ, разных по составу и происхождению. Различают воски животные (пчелиный, ланолин, спермацет и др.), растительные (японский, карнаубский, канделильский и др.), ископаемые (озокерит, церезин, монтан-воск) и искусственные. Растительные и животные воски состоят главным образом из сложных эфиров жирных кислот и одноатомных спиртов. Ископаемые воски представляют собой смесь предельных углеводородов. Искусственные воски получают из продуктов нефтепереработки (парафина, низкомолекулярного полиэтилена), их еще называют воскоподобными веществами. Воски обладают химической устойчивостью, не подвержены окислению, водостойки, имеют достаточную твердость и высокую температуру плавления. В различных косметических средствах (эмульсионные кремы, губные помады, блеск для губ, декоративные карандаши и др.) они выполняют роль структурообразующих компонентов, влияющих на плотность и термостойкость изделий. Так, белый воск часто используется в качестве сгущающей основы для различных кремов и помад.
1.4. Глицерин
Рис.4 Структурная формула глицерина
Глицерин — бесцветная, вязкая, очень гигроскопичная жидкость, смешивается с водой в любых пропорциях. Сладкий на вкус, отчего и получил своё название (др.-греч. γλυκός — сладкий). В соединении с пропиленгликолем становится менее текучим при понижении температуры до близкой к нулю градусам Цельсия.
Область применения глицерина разнообразна: пищевая промышленность, табачное производство, электронные сигареты, медицинская промышленность, производство моющих и косметических средств, сельское хозяйство, текстильная, бумажная и кожевенная отрасли промышленности, производство пластмасс, лакокрасочная промышленность, электротехника и радиотехника (в качестве флюса при пайке).
Глицерин относится к группе стабилизаторов, обладающих свойствами сохранять и увеличивать степень вязкости и консистенции пищевых продуктов. Зарегистрирован как пищевая добавка Е422, и используется в качестве эмульгатора, при помощи которого смешиваются различные несмешиваемые смеси.
Поскольку глицерин хорошо поддается желированию и горит без запаха, его используют для изготовления высококачественных прозрачных свечей.
Также глицерин используется при изготовлении динамита.
1.5. Лимонная кислота
Рис.5 Структурная формула лимонной кислоты
Лимонная кислота́ — трёхосновная карбоновая кислота. Кристаллическое вещество белого цвета, температура плавления 153 °C. Хорошо растворима в воде, растворима в этиловом спирте, мало растворима в диэтиловом эфире. Слабая кислота. Соли и эфиры лимонной кислоты называются цитратами.
Сама кислота, как и её соли (цитрат натрия, цитрат калия, цитрат кальция, дицитрат трикалия висмута), широко используется как вкусовая добавка, регулятор кислотности и консервант в пищевой промышленности (пищевые добавки E330—Е333), для производства плавленых сыров, напитков, сухих шипучих напитков.
Применяется в медицине, в том числе в составе средств, улучшающих энергетический обмен (в цикле Кребса).
В косметике используется как регулятор кислотности, буфер, хелатирующий агент, для шипучих композиций (ванны).
В нефтяной промышленности при бурении нефтяных и газовых скважин используется для нейтрализации высокого уровня pH бурового раствора (после щелочных ванн).
В строительстве лимонную кислоту применяют в качестве добавки к цементу и гипсу вяжущему для замедления схватывания.
Получение:
Рис.6 Получение лимонной кислоты
1.6. Клей ПВА
Клей ПВА — эмульсия поливинилацетата в воде, со специальными добавками. Обладает характерным слабым запахом. Применяют для склеивания различных материалов друг с другом.
В далеком 1912 году немцу Клатту удалось из газа ацетилена получить винилацетат. Новое вещество в результате полимеризации становилось клейким. Но только перед Второй мировой войной американец Фарбен наладил промышленное производство клея ПВА.
Хорошая клеящая способность. Нетоксичен, пожаро- и взрывобезопасен.
Разводится водой. После полимеризации - набухает, но не растворяется. Растворим в уксусной кислоте и многих органических растворителях: ацетоне, метаноле, этилацетате, бензоле, дихлорметане и др.
II.Экспериментальная часть
2.1 Материалы для приготовления смеси
1. Кукурузный крахмал «Гарнец» высший сорт.
Состав: крахмал кукурузный 100%.
Производитель: ООО «Гарнец», Россия.
ГОСТ 32159-2913
2. Косметический вазелин «Норка» с норковым жиром.
Производитель: ООО «ФИТОКОСМЕТИК», Российская Федерация.
Состав: vaseline oil, Ceresin, Oleume Mustelae, Parfum.
ГОСТ 3582-84
3. Парафин косметический «Марина Люпен»
Производитель: ПК «Сириус» по заказу ООО «ФАРМ-ЭФФЕКТ», Россия. ТУ-9158-021-86726278-10
Состав: парафин, вазелин, растительное масло.
ГОСТ 23683-89
4. Пищевой краситель «MAGIC TREE»
Производитель: ООО «Промикс», Россия
Состав: красители пищевые – красный (Е 171, Е 172, Е 124), зеленый (Е 171, Е 172, Е 102, Е 133).
ГОСТ 32745-2014
5. Глицерин
Состав: глицерин, дистиллированный марки ПК-94 (ПК-94 - для фармакопейных целей, а также для пищевой и косметической промышленности), вода очищенная- для получения глицерина с плотностью 1,223-1,233.
Производитель: ОАО «Тверская фармацевтическая фабрика», Россия.
ГОСТ 6824-96.
6. Лимонная кислота пищевая
Состав: кислота лимонная пищевая (Е 330).
Производитель: ООО «Распак», Российская Федерация
ГОСТ 908-2004.
7. Клей ПВА «Строитель»
Состав: водная дисперсия ПВА, пластификатор, гидроксиэтилцеллюлоза, консервант, пеногаситель.
Производитель: ООО «ЛАКРА СИНТЕЗ», Россия
ГОСТ 18992-80
Содержание ПВА повышает адгезию, придает пластичность, увеличивает прочность «холодного фарфора».
8. Крем «NIVEA», Производитель: Beiersdorf AG
2.2 Роль каждого реагента в смеси
Крахмал является основным компонентом, входящим в состав «холодного фарфора», используется как склеивающий агент.
Вазелин, парафин применяются как пластификаторы.
Глицерин относится к группе стабилизаторов, используется в качестве пластификатора, загустителя.
Лимонная кислота является естественным консервантом.
Содержание ПВА повышает адгезию, придает пластичность, увеличивает прочность «холодного фарфора».
Крем придает «холодному фарфору» пластичность на предварительном этапе, гладкость – на конечном.
Пищевой краситель придает цвет.
2.3. Методика изготовления
Методов изготовления «холодного фарфора» в зависимости от его состава на данный момент известно очень много, однако все их можно разделить на две группы: с применением нагревания и без применения (при комнатной температуре).
В данном исследовании выбор пал на методику с использованием нагревания.
Методика
Для приготовления «холодного фарфора» использовали:
- мерные цилиндры на 10, 150 мл;
- аналитические весы;
- материальная склянка, объемом 500 мл;
- термостойкая ёмкость, объемом 500 мл;
- микроволновая печь, мощностью 800Вт.
2.4. Ход работы
В материальную склянку поочередно добавили заранее отмеренное количество компонентов смеси и тщательно перемешали до образования однородной массы.
Далее поместили получившуюся смесь в термостойкую ёмкость и поставили в микроволновую печь на 30 секунд. Затем извлекли и тщательно перемешали. Поставили ещё два раза по 30 секунд, каждый раз перемешивая. Масса с каждым разом становится более густой. Далее поставили на 15 секунд, перемешали. Повторяли процедуру до образования одного упругого комка. Затем перенесли получившийся «холодный фарфор» на смазанную кремом поверхность и тщательно перемешали до образования однородной консистенции. После слепили цветок, листик, стебель и оставили на воздухе. Через сутки фигурка затвердела.
2.5. Итог работы
|
1 |
Кукурузный крахмал – 50 г, Клей ПВА «Строитель» универсальный – 100 мл, Глицерин – 20 мл, Вазелин – 10 г, Лимонная кислота – 5 г, Крем Nivea – 2 г, Зеленый пищевой краситель – 3 г. |
|
2 |
Клей ПВА – 150 мл, Парафин – 5 г, Кукурузный крахмал – 100 г, Лимонная кислота – 10 г, Глицерин – 10 мл, Крем Nivea – 4 г, Красный пищевой краситель – 3 г. |
2.6. Хранение изделий из холодного фарфора
Хранить их или устанавливать необходимо вдали от влаги и прямых солнечных лучей. Нужно понимать, что холодный фарфор – это полимерная глина, которая способна впитывать влагу и раскисать, терять цвет от воздействия солнечного света. Вазы с лепниной, цветы и другие украшения из холодного фарфора нельзя ставить на окно или рядом с источником воды.
В помещениях, где находятся предметы из этого материала, должен соблюдаться оптимальный для них температурный режим. Если воздух будет холоднее 10º С, то структура будет разрушаться, так как частички влаги в составе кристаллизуются. Высокие температуры так же разрушают холодный фарфор – он попросту иссыхает и рассыпается.
Продлить «жизнь» изделиям из холодного фарфора можно при помощи лаковых покрытий. Они не только защитят от влаги, но и помогут сохранить форму, цвет и блеск поверхности.
2.7. Метод определения механических свойств полимерных материалов.
2.7.1. Методика работы на твердомере для определения твердости по Бринеллю
Метод измерения твердости по Бринеллю регламентирован ГОСТ 9012.
При определении твердости этим методом стальной шарик определенного диаметра D вдавливают в тестируемый образец под действием нагрузки Р, приложенной перпендикулярно к поверхности образца, в течение определенного времени (Рис.7). После снятия нагрузки измеряют диаметр отпечатка d. Число твердости по Бринеллю обозначается буквами НВ, и его определяют путем деления нагрузки Р на площадь поверхности сферического отпечатка F.
1-стальной шарик;
2-образец;
3-стол прибора;
Рис.7 Схема определения твердости по Бринеллю.
Материалы:
Образец – пластинка, диск из «холодного фарфора» толщиной не менее 5 мм с поверхностью без вздутий, трещин и других дефектов.
Ход работы:
Образец в виде плоскопараллельной пластинки или диска устанавливали на столик прибора. Сверху прикреплен стальной шарик диаметром d=15.45 мм. С заданной массой, регулированной при помощи прикрепленных грузов. Как только шарик опускался на образец, ожидали 60 секунд, а затем измеряли диаметр отпечатка на пластинке, результат заносили в протокол испытаний.
Число твердости по Бринеллю определяли по формуле:
(кгс/мм^2)
где Р — приложенная нагрузка, Н;
D — диаметр шарика, мм;
d — диаметр отпечатка, мм.
Вычисления:
P = m(кг) ∙g(Н/кг) = 0,216∙9,81 = 2,12Н
HB= (2∙2,12)/ (3,14∙16(16-√ (16^ (2)–8,05^2))) =23,03 НВ∙10^ (-3) Мпа
Диаметр шарика и нагрузку выбирали так, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах 0,25D <d <0,6D. При несоблюдении этих требований необходимо изменить условия испытаний (D и Р).
Нельзя определять твёрдость очень мягких (НВ < 8) и очень твёрдых материалов (НВ > 450). В мягких материалах шарик погрузится очень глубоко, диаметр отпечатка будет близок к диаметру шарика D и перестанет служить критерием твёрдости. Наоборот, если твёрдость материала будет очень большой, величина отпечатка получится маленькой и края его будут столь нечёткими, что не удастся точно измерить диаметр отпечатка, к тому же шарик может получить остаточную деформацию, искажающую результаты испытания.
Заключение
Из этого материала можно лепить все – от женских украшений, до небольших предметов интерьера. Очень оригинально смотрятся заколки для волос, украшенные цветами из этого материала. Для детей, вместе с детьми можно слепить сказочных персонажей, героев их любимых мультфильмов, которые украсят их комнату.
Многие творческие хозяйки украшают горшки комнатных растений лепниной из холодного фарфора, рамки, лампы и вазоны
Уникальным украшением интерьера станут гирлянды цветов, зелени, фигурки животных или домовят, тематические композиции из холодного фарфора. Кроме этого, можно сделать оригинальный и недорогой подарок для друзей или близких.
Выводы:
Холодный фарфор не нужно запекать, он застывает сам. По прочности готовые изделия мало отличаются от запекаемой пластики.
Для лепки цветов, холодному фарфору нет равных. Лепестки и листья получаются очень тонкими и изящными, словно живыми. Хотя, для фигурок животных или пупсов, с большим количеством мелких деталей, требующих долгой проработки, больше подходит пластика.
Материал, изготовленный самостоятельно, значительно дешевле и его запасы можно пополнить в любое время дня и ночи.
Список литературы
http://hmhome.ru/2014/04/08/xolodnyj-farfor-prostoj-i-dostupnyj-recept/
https://ru.wikipedia.org/wiki/Клей_ПВА
http://stroi-specialist.ru/izgotovlenie-mebeli/klej-pva-sostav-texnicheskie-xarakteristiki-primenenie.html#i
http://stroi-specialist.ru/izgotovlenie-mebeli/klej-pva-sostav-texnicheskie-xarakteristiki-primenenie.html
https://ru.wikipedia.org/wiki/Лимонная_кислота
https://ru.wikipedia.org/wiki/Глицерин
http://fb.ru/article/217687/glitserin---chto-eto-takoe-sostav-glitserina-primenenie-v-meditsine
http://hmhome.ru/2014/04/08/xolodnyj-farfor-prostoj-i-dostupnyj-recept/
https://1igolka.com/rukodelie/holodnyiy-farfor
https://ru.wikipedia.org/wiki/Вазелин
http://fb.ru/article/135454/vazelin-dlya-chego-ispolzuyut-sostav-vazelina-kak-ispolzovat-vazelin-dlya-litsa
https://ru.wikipedia.org/wiki/Парафин
https://ru.wikipedia.org/wiki/Крахмал
http://mfina.ru/kraxmal
https://ru.wikipedia.org/wiki/Амилоза
http://cozyhomestead.ru/Rastenia_77469.html
http://metally-flower.com/vse-o-gline/kak-i-gde-xranit-xolodnyj-farfor.html
https://www.babyblog.ru/theme/kak-hranit-holodnyi-farfor
https://studfiles.net/preview/1493387/page:2/