VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Совершенствование методики изготовления холодного фарфора

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ситникова А.В. 1

---

1МАОУ "Медико-биологический лицей"

Пичугина Г.А. 1

---

1Медико-биологический лицей

Работа в формате PDF

256.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В связи с нефтяным кризисом и проблемами загрязнения окружающей среды, конец 20-го начало 21-го века ознаменовались возобновлением интереса к полимерам, являющихся продуктами жизнедеятельности различных растений и животных. Важное место среди них занимают полисахариды – целлюлоза, крахмал и родственные им соединения. В отличие от синтетических полимеров, получаемых главным образом из нефти, полисахариды, это продукты жизнедеятельности растений или представителей животного мира. Постоянное возобновление в живой природе делает их перспективными объектами для создания новых полимерных материалов.

Одним из новых, но уже достаточно популярным материалом является «холодный фарфор». Этот необычный материал придумали почти 100 лет назад в Аргентине. Вариантов изготовления холодного фарфора много. Но все рецепты имеют ряд общих ингредиентов: крахмал, ПВА, масло или глицерин. Своё название холодный фарфор получил из-за видимости хрупкости, даже некоторой полупрозрачности получаемых изделий. На сегодняшний момент «холодный фарфор» - это, пожалуй, самый дешевый, очень удобный и совершенно безвредный материал, предназначенный для применения в быту в качестве материала для изготовления поделок, произвольного крепежа или других деталей. Одним из самых интересных и полезных его свойств является способность к разложению на безопасные компоненты под воздействием окружающей среды. Этот замечательный материал дает неограниченные возможности для творчества, из него можно слепить всё что угодно, даже настоящие произведения искусства! Однако рецептуры холодного фарфора разрозненны и не опираются на научную базу, оставаясь, в основном, делом энтузиастов-одиночек.

Отсюда изучение строения и свойств холодного фарфора и способов его изготовления в домашних условиях является актуальным.

Цель настоящей работы заключается в разработке оптимальной методики приготовления холодного фарфора на основе его физико-химических свойств.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

На основе анализа научной литературы и информационных источников изучить химическую структуру крахмала и его свойств.

Изучить практическую значимость крахмала.

Провести анализ предлагаемых рецептов по изготовлению холодного фарфора в домашних условиях.

Провести химическое исследование по определению более качественного крахмала для изготовления холодного фарфора.

Разработать оптимальную методику изготовления холодного фарфора в домашних условиях.

Изучение химической структуры и свойств крахмала

1.1. Химическая структура крахмала

Крахмал – важнейший представитель природных углеводов, синтезирующийся в растениях и являющийся основным источником энергии для человеческого организма. Крахмал представляет собой смесь двух гомополисахаридов: линейного – амилозы и разветвленного – амилопектина строения, общая формула которых (С₆Н₁₀О₅)_n. Как правило, содержание амилозы в крахмале составляет 10–30%, амилопектина – 70–90%.

Амилоза – это линейный полимер, цепь амилозы включает 200 – 1000 остатков α-глюкозы (средняя молекулярная масса 160 000) [5-6]. Мономером является молекулы α – D – глюкозы, связанные между собой 1,4- гликозидными связями.

Амилопектин сильно набухает в воде и образует вязкие и стойкие коллоидные растворы. При изготовлении клейстера из крахмала амилопектин препятствует ретроградации амилозы, играя роль защитного коллоида.

1.2 Свойства крахмала

1.2.1 Физические свойства крахмала

Крахмал – безвкусный аморфный порошок белого цвета, при сжатии порошка крахмала он издаёт характерный скрип, вызванный трением частиц. Набухание крахмальных зёрен можно вызвать не только нагреванием суспензии, но и действием на нее растворов щелочей и солей некоторых металлов при комнатной температуре. Как правило, большие крахмальные зерна клейстеризуются при более низкой температуре, чем мелкие.

Таблица 1. Содержание амилозы и температура клейстеризации крахмала.

(Представленные данные взяты из разных источников.)

Как видно из таблицы 1, кукурузный и рисовый крахмал имеют температуру клейстеризации выше, чем, например, картофельный. При изготовлении «холодного фарфора» необходимо обратить на этот факт особое внимание.

2. Экспериментальная часть исследования

2.1 Объекты исследования

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, а также изготовление смеси при комнатной температуре.

Объектом исследования послужили девять образцов различного крахмала с различным составом и методом изготовления. Следует отметить, что крахмал является основным компонентом, входящим в состав «холодного фарфора» и используется как склеивающий агент.

Объекты исследования явились:

Кукурузный крахмал

Образец 1: СТО 53548590, изготовитель ООО «ХЛЕБЗЕРНОПРОДУКТ» Россия.

Образец 2: ГОСТ 32159-2013, изготовитель ООО «ГАРНЕЦ» Россия.

Образец 3: СТО 42450906-001-2014, изготовитель ЗАО «Д-р Оеткер» Россия.

Образец 4: ГОСТ 32159-2013, изготовитель ООО «ПЕЦ-ХААС» Россия.

Образец 5: ГОСТ 32159-2013, изготовитель ООО «Распак» Россия.

Образец 8: IOS 9001:2008 (ГОСТ 9001-2008), изготовитель «VINH THUAN» Вьетнам.

Образец 9:201609032, изготовитель «KINGSFORD’S» Китай

Картофельный крахмал

Образец 6: ГОСТ 7699-78, изготовитель ООО «Распак» Россия.

Рисовый крахмал

Образец 7: IOS 9001:2008 (ГОСТ 9001-2008), изготовитель «VINH THUAN» Вьетнам.

Методика изготовления холодного фарфора

Для приготовления «холодного фарфора» использовали: мерные цилиндры на 10, 150 мл; аналитические весы; склянка, объемом 500 мл; термостойкая ёмкость, объемом 500 мл; микроволновая печь, мощностью 700Вт.

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.

2.2. Определение оптимальной методики изготовления «холодного фарфора» на основе физических свойств кукурузного и картофельного крахмала

С использованием нагревания известно две методики, отличающиеся лишь способом температурной обработки. Вначале эксперимента было проведено сопоставление температуры нагревания для обозначенных объектов. Результаты исследования представлены в таблице № 2

Таблица 2. Состав смеси и температура её нагревания.

С помощью данного способа было изготовлено девять смесей «холодного фарфора» с различным составом.

Для приготовления холодного фарфора использовались:

Клей ПВА «Момент» столяр ТУ, ТШ 2385-003-89589540-2009, изготовитель ООО «Хенкель Рус» Россия. Клей ПВА — эмульсия поливинилацетата в воде, с пластификатором и специальными добавками. Содержание ПВА повышает адгезию, придает пластичность, увеличивает прочность «холодного фарфора».

Глицерин квалификации х. ч. Глицерин относится к группе стабилизаторов, используется в качестве пластификатора, загустителя. Лимонная кислота ГОСТ 908-2004, изготовитель ООО «Русская Бакалейная Компания», Россия. Является естественным консервантом.

Крем «NIVEA», Производитель: «Beiersdorf AG». Придает «холодному фарфору» пластичность на предварительном этапе, гладкость – на конечном.

Вазелин ЛП-000995, производитель ООО «Тульская фармацевтическая фабрика», Россия. Применяется как пластификатор.

Детское масло JOHNSON’S® Baby, ООО «Джонсон &Джонсон», Россия. Применяется как пластификатор, придает более пластичную и однородную структуру «холодному фарфору».

Из каждого образца и перечисленных выше ингредиентов готовилось тесто, которое исследовалось на прочность при растяжении, на твердость, «самоотвердевания». Исследование осуществлялось на базе Института химии Саратовского национального исследовательского университета имени Н.Г. Чернышевского.

При исследовании органолептические свойства образцов (мягкость, эластичность).

2.3 Определение прочности холодного фарфора при растяжении

Материалы: при испытании «холодного фарфора» на растяжение используются образцы в виде пластин (рис. 12)

Рис.12. Образец – пластинка для определения прочности при растяжении:

l– длина сторон АА_1, ВВ₁, СС₁, DD₁, a– длина сторон АD, BC, A₁D_1, B₁C₁, a= 10±5 мм; d – длина сторон АВ, А₁В₁, DC, D₁C₁, d = 2±0,2 мм (от 1 до 3).

Ход работы:

Испытания на растяжение полимерных материалов проводили при температуре 23±25°С   в соответствии с ГОСТ 11262–80 и ГОСТ 9550–81.

Перед испытанием замеряли ширину и толщину образцов в рабочей части с точностью до 0,01 мм не менее чем в трех местах и вычисляли площадь поперечного сечения. В расчет принимали наименьшую площадь поперечного сечения.

Перед испытанием на образец наносили необходимые метки (без повреждения образцов), ограничивающие положение кромок захватов. Образцы закрепляли в зажимы испытательной машины по меткам, определяющим положение кромок зажимов, таким образом, чтобы продольные оси зажимов и ось образца совпадали между собой и с направлением движения подвижного зажима. Зажимы затягивали равномерно, чтобы не было проскальзывания образца в процессе испытания, но при этом не происходило его разрушение в месте закрепления. Далее настраивали прибор для замера деформаций.

Затем образец нагружали возрастающей нагрузкой, величину которой фиксируют по шкале динамометра. Скорость нагружения составляла 25 мм/мин при определении прочности и относительного остаточного удлинения. В момент разрушения фиксировали наибольшее усилие, определяли прочность при растяжении по формуле:

г де F_p – нагрузка, при которой образец разрушился, Н;S₀ = b – начальное поперечное сечение образца, м²; b h – ширина и толщина образца соответственно, м.

Относительное удлинение при разрыве определяли по формуле:

где l₁ - исходная длина пленки, мм; l₂ – длина пленки после деформации, мм.

За результат измерения прочности, относительного удлинения принимают среднее арифметическое значение для всех образцов.

Результаты испытаний заносил в протокол.

На рисунке 13 изображены графики зависимости напряжения G от относительного удлинения Еобразцов «холодного фарфора» изготовленных по трём методикам.

Рис.13.Зависимость напряжения G от относительного удлинения Е.

К ак видно из графика (рис. 13) наиболее прочным оказался образец смеси №5, изготовленный путем нагревания, 65⁰С. При работе с микроволновой печью (образец смеси №4) возникли трудности с контролем температуры при приготовлении «холодного фарфора». Так же образец с составом №5 получился более эластичным, однородным и приятным на ощупь.

В дальнейшем был использован метод изготовления «холодного фарфора» при нагревании.

На рис.14 изображены графики зависимости напряжения G от относительного удлинения Е двух образцов «холодного фарфора», различающихся лишь содержанием различного вида крахмала и температурой нагревания.

Рис.14. Зависимость напряжения G от относительного удлинения Е

Использовалась данная температура исходя из данных по температуре клейстеризации различных видов крахмала. Как правило, крупные крахмальные зерна (картофельные) клейстеризуются при более низкой температуре, чем мелкие (кукурузные). Из графика (рис 14) видно, что образец смеси «холодного фарфора» № 4 с кукурузным крахмалом менее прочный, чем образец №5 с картофельным крахмалом, но более эластичный.

На внешний вид «холодный фарфор» из кукурузного крахмала имеет желтоватый оттенок в отличие от белоснежного картофельного. Однако он оказался более удобный для лепки мелких деталей, его можно раскатать настолько тонко, что образец кажется прозрачным. В дальнейшей работе был использован именно кукурузный крахмал.

Далее было изучено поведение «холодного фарфора» на добавление различного количества пластификатора.

Н а рис.15 изображены графики зависимости относительного удлинения Е от напряжения G образцов «холодного фарфора», состав которых отличается количеством содержания различных добавок – пластификаторов. В качестве пластификаторов, кроме клея ПВА использовались – глицерин, детское масло JOHNSON’S® Baby, крем Nivea, парафин косметический.

Рис.15 Зависимость напряжения G от относительного удлинения Е.

Из графиков (рис.15) видно, что не достаточное количество пластификатора (образец смеси №6), а также его избыток (образец смеси №8) негативно сказывается на качестве «холодного фарфора». Самым оптимальным составом «холодного фарфора» является состав образца смеси №7.

Далее мы изучали такое свойство «холодного фарфора» как «самоотвердевания». На рисунке 16. показана зависимость напряжения G от времени t. Из графика мы видим, что с увеличением времени образец смеси «холодного фарфора» №4 становится более прочным.

Рис. 16. Зависимость напряжения G от времени t.

Н а рисунке 17 показана зависимость относительного удлинения Е от времени t. Из графика мы видим, что с увеличением времени образец смеси «холодного фарфора» №4 становится менее пластичным.

Рис. 17. Зависимость относительного удлинения от времениt.

Сводная таблица результатов измерений прочности «холодного фарфора» при растяжении.

Таблица 3 Протокол измерений прочности при растяжении.

2.4 Определение Crack-свойство «холодного фарфора»

Crack-свойство определялся по методике. Crack-свойство (от англ. Crack-трещина) – свойство «холодного фарфора» покрываться трещинами или «растрескиваться». Образцы исследования наблюдались в течение одного года. Данное свойство характеризовали по шкале «пять баллов»:

1- Трещин нет (образец № 4)

2- Малозаметная деформация (образец № 1)

3- Трещины средней глубины (образец № 5)

4- Глубокие трещины (образец № 2)

5- Очень деформированный «холодный фарфор» (образец № 9)

Результаты исследования представлены на рисунках 18-22

Рис. 18 Рис. 19 Рис. 20 Рис. 21 Рис. 22

Результаты наблюдения показали, что трещин практически не образовалось на образце №4 (рис. 22). Малозаметная деформация имела место в образце №1 (рис. 18). Трещины средней глубины были отмечены на объекте исследования №5 (рис. 20). Самые глубокие трещины имел образец №2 (рис. 19). И очень деформированный холодный фарфор образовался на образце №9 (рис. 21).

2.5 Определение твердости по Бринеллю

Твердость пластмасс оценивали по методу Бринелля, как отношение нагрузки к поверхности сферического отпечатка, образуемого при вдавливании стального шарика (рисунок 23) под действием нагрузки в течение времени.

Рис. 23. Схема определения твердости по Бринеллю: 1 – стальной шарик;

2 – образец; 3 – стол прибора

Материалы:

образцы – пластинки, диски 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=16мм.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:

где Р — приложенная нагрузка, Н;

D — диаметр шарика, мм; 16мм. Время удерживания – 60 секунд

d — диаметр отпечатка, мм.

Расчеты:

P = m(кг)g(Н/кг) = 0,122 9,81 =1,1940 Н

P = m(кг)g(Н/кг) = 0,07172 9,81 =0,7035 Н

P = m(кг)g(Н/кг) = 0,122∙9,81 =1,1940

P = m(кг)g(Н/кг) = 0,07172∙9,81 =0,7035 Н

P = m(кг)g(Н/кг) = 0,07172∙9,81 =0,7035 Н

P = m(кг)g(Н/кг) = 0,122∙9,81 =1,1940

P = m(кг)g(Н/кг) = 0,122∙9,81 =1,1940

P = m(кг)g(Н/кг) = 0,122∙9,81 =1,1940

P = m(кг) ∙g(Н/кг) = 0,122∙9,81 =1,1940

Результаты исследования представлены в таблице № 4.

Таблица 4. Протокол измерений твердости по Бринеллю

Из полученных данных по измерению твердости по Бринеллю можно сделать вывод, что самыми твердыми оказались образцы 6, 7 и 9.

В процессе исследования проводился эксперимент по изучению твердости холодного фарфора при изменении массы пластификаторов и крахмала.

Результаты исследования представлены в таблице №4.

На основе полученных данных приходим к выводу, что для получения холодного фарфора наиболее мягкими и эластичными является образцы крахмала №2, №5, №4 и №9. Эластичного теста практически не получилось из образцов №6 и №7. Эти виды крахмала мы не рекомендуем для приготовления холодного фарфора. Исходный материал получается твердым, быстро застывает, практически не обладает пластичностью.

По различным методикам было изготовлено еще 20 образцов с различным составом и содержанием компонентов:

На начальном этапе исследования оптимизировали содержание крахмала в составе материала система (№1):

Таблица 4– Состав №1 «холодного фарфора».

Таблица 5 – Состав № 2 «холодного фарфора».

Таблица 6 – Состав №3 «холодного фарфора».

Таблица 7 – Состав №4 «холодного фарфора».

Из таблицы видно, что самым твёрдым оказался образец №3, самым мягким – №10.

Полученные результаты позволили сделать следующие выводы:

Результаты исследования образцов кукурузного и картофельного крахмала показали, что наибольшей растяжимостью обладают образцы крахмала, приготовленные согласно ГОСТУ 32159-2013.

На основе исследования органолептических и свойств (измерение твердости по Бринеллю и определение прочности при растяжении) полученных образцов «холодного фарфора» были определены наиболее эластичные и прочные образцы (№ 4 и №5).

На основе полученных данных определено оптимальное содержание крахмала -31масс.%, многоатомных спиртов: глицерина – 6-9масс %, этиленгликоля и полиэтиленгликоля— 3–6 масс.% в исходном составе «холодного фарфора».

В качестве пластификатора можно использовать любой из изученных спиртов, значительной и видимой разницы нет. Учитывая свойство нетоксичности, следует в изготовлении «холодного фарфора» использовать полиэтиленгликоль.

Список литературы

 Шиц Л.А. Крахмальные реагенты в технологии буровых растворов: традиции и перспективы // Крахмал и новые крахмалосодержащие источники – структура, свойства и новые технологии: матер. 1-й московской международ. Конф., 30 октября – 1 ноября. М., 2001. 55 с.

Эфиры целлюлозы и крахмала: синтез, свойства, применение: матер. 10-й Всерос. Науч.-техн. Конф. Смеждунар. Участием, 5–8 мая / под ред. В.А. Бондаря. Суздаль, 2003. 320 с.

А. Алешин, Ю.Т. Панов, З.А. Кудрявцева. Концентрат крахмала для
получения биоразрушаемых полимеров, перерабатываемых экструзией и литьем под давлением. Тезисы докладов международной научной конференции “Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий”. Томск, 2006, С. 189.

Технология крахмала и крахмалопродуктов/Н. Н.Трегубов, Е.Я.Жарова, А.И. Жушман, Е.К. Сидорова/; под ред. Н.Н.Трегубова. – 5-е изд., перераб. И доп. – М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981. – 472 с.

Регулирование молекулярной массы полисахаридов галактанового ряда. Лесничая М. Ш., Александрова Г. П, Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: Материалы 4 Всероссийской конференции, Барнаул, 21-23 апр., 2009. Кн. 1. Барнаул: АлтГУ. 2009, С 115-117. Библ. 6. Рус.

Химия: справочное руководство / Под ред. Н.Р. Либерман. Санкт Петербург: Химия. 1975.

И.Л. Кнунянц, Химия и технология крахмала / Пер. с англ.. 2 изд. М. 1956.

Степаненко Б. Н. Химия и биохимияуглеводов (полисахариды). М. 1978.

Панов В. П., Жбанков Р. Г. Внутри- и межмолекулярные взаимодействияуглеводов. Минск. 1988.

Ряхтер М., Аугустат 3., Ширбаум Ф. Избранные методы исследования крахмала / Пер. с нем. М. 1975.

Технология переработки продукции растениеводства / Под ред. Н. М. Личко. – М.: Колос 2000 Серия «Учебники и учеб. Пособия для студентов ВУЗов».

Патент. RU 2407767 C2 Автор(ы): Йетцингер Франц, Коцих Мартин, ВастинМарникМишель.Патентообладатель(и): АгранаШтерке. Применение крахмалов и его производных вместе с целлюлозой в качестве загустителя в красочных системах, способ приготовления красочных систем(варианты), комбинированный загуститель дисперсной краски и дисперсная краска.

Власов С.В., Ольхов А.А. Биоразлагаемые полимерные материалы//Полимерные материалы. – 2006. - №10. – С. 28-33.

Буряк В.П. Биополимеры – настоящее и будущее//Полимерные материалы. – 2005. - №11. – С. 10-12.

Шериева М.Л., Шустов Г.Б., Бесланеева З.Л. Биоразлагаемые композиции на основе полиэтилена высокой плотности и крахмала//Пластические массы. – 2007. - № 8. – С. 46-48.

Шериева М.Л., Шустов Г.Б., Шетов Р.А. Биоразлагаемые композиции на основе крахмала//Пластические массы. – 2004. - № 10. – С. 29.

Суворова А.И., Тюкова И.С., Труфанова Е.И. Биоразлагаемые полимерные материалы на основе крахмала//Успехи химии. – 2000. – Т.69. №5.– С. 494-502.

URL:http://www.arubon.ru/index.php/home/lepka/kholodnyj-farfor/44-kholodnyj-farfor-i-vse-o-nem (дата обращения 15.12.2019). Холодный фарфор и всё о нем. Яз.рус.

URL: http://nprb.ru/primenenie.html(дата обращения 07.12.2019). Применение крахмала. Яз.рус.

URL :http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=1164 (дата обращения 05.12.19). Биоразлогаемые полимеры в центре внимания. Рус. Яз.

URL :http://www.himhelp.ru/section30/section125/1108.html(дата обращения 08.12.19)Биоразлогаемые полимеры – упаковка будующего. Яз.рус.

Кудрякова Г.Х., Кузнецова Л.С., Шевченко Е.Г., Иванова Т.В.Твёрдые бытовые отходы// Биоразлагаемая упаковка в пишевой промышленности.

URL:http://metally-flower.com/vse-o-gline/xolodnyj-farfor-master-klass-recept.html (дата обращения 02.12.19). Холодный фарфор: мастер класс, рецепт. Рус.яз.

URL:http://anri-irene.blogspot.hu/2015/03/blog-post_64.html(дата обращения 17.12.19). Хороший крахмал для «холодного фарфора». Яз.рус.