Слоистый композиционный материал и изделие, выполненное из него

Настоящая группа изобретений относится к области слоистых композиционных материалов и может быть использована для получения стеклопластиковых профильных изделий, изготовляемых в матрице, в частности в производстве архитектурно-строительных и декоративных изделий, используемых для внешней отделки и интерьера церковных сооружений, например для изготовления церковных куполов, купольных крестов, иконостасов и др.

Для изготовления изделий внешнего и внутреннего убранства церковных сооружений в настоящее время используют различные конструкционно-отделочные материалы.

Так, при изготовлении церковных куполов используют защитно-декоративное покрытое из нитрида титана. Применяются такие способы нанесения этого покрытия, как конденсация с ионной бомбардировкой, электронно-лучевое испарение, газофазовое осаждение, магнетронное распыление и др. (см., например, «Журнал Московской Патриархии» № 4 апрель 2014г./2 июня 2014г. http://e-vestnik.ru/science/kupola_nitrid_titana_8030, патент на изобретение RU 2334826 С2, опубликовано 27.09.2008г.).

Известен многослойный материал на основе алюминиевой фольги с нанесенным на нее защитно-декоративным слоем, при этом защитно-декоративный слой выполнен из нитрида титана, между слоем нитрида титана и алюминиевой фольгой расположен адгезионный подслой титана, а на обратной стороне алюминиевой фольги нанесен липкий слой, поверх которого расположен защитный слой (патент на изобретение RU 2141406 С1, опубликовано 20.11.1999г.).

Однако нанесение покрытия из нитрида титана является энергоемким, достаточно длительным процессом, при этом покрытия не обладают достаточно хорошими физико-механическими свойствами.

Для изготовления кровли, крестов, куполов церквей, внешней отделки, интерьера церковных зданий и мебели используются многослойные материалы с декоративным покрытием из металлов и сплавов, например сусального золота, серебра, потали.

Известен многослойный материал, содержащий предохранительный, липкий и декоративный металлический слои, выполненный в виде фольги, причем предохранительный слой выполнен в виде пленки из синтетических полимеров, липкий слой – в виде слоя термоплавкого клея или слоя клея, полученного смачиванием с растворителем или отвердителем, или слоя клея на основе сополимера бутилакрилата, декоративный слой выполнен из меди, серебра, золота, цинка, кадмия, алюминия, индия, олова, свинца, сурьмы, висмута, хрома, молибдена, вольфрама, железа, кобальта, никеля, родия, иридия, палладия, платины или их сплавов (например, патент на изобретение RU 2232077 С1, опубликовано 10.07.2004г.).

Известен многослойный материал, содержащий несущий и декоративный слои, при этом несущий слой выполнен из диэлектрической пленки, бумаги или алюминиевой фольги, причем в качестве пленкообразующего материала несущего слоя использованы полимеры, а декоративный слой выполнен, по меньшей мере, в один слой из металлов и их сплавов, выбранных из группы золото, серебро, родий, медь, хром, никель, титан, алюминий, олово (патент на изобретение RU 2247660 С1, опубликовано 10.03.2005г.).

Основным недостатком фольговых конструкционно-отделочных материалов является неудовлетворительные эксплуатационные характеристики, в частности невысокие коррозионные свойства и износостойкость, связанные с тем, что, как правило, подложка у куполов выполняется на основе медных или железных кровельных листов, которые под воздействием атмосферы окисляются, а коррозийные окислы разрушают декоративное фольговое покрытие из металлов и их сплавов.

Для церковного строительства, реконструкции и отделки используют и композиционные слоистые стеклопластиковые материалы, которые содержат слои стекловолокнистого наполнителя, пропитанного связующим, и декоративные металлические слои. Стеклопластик атмосфероустойчив, имеет необходимый глянец поверхности, коэффициент линейного температурного расширения стеклопластика схож с коэффициентом линейного расширения золота и потали как материалов декоративного слоя, поверхность стеклопластика химически нейтральная и не производит разрушающее воздействие на сусальное золото или поталь (например, http://hram-grant.ru/statsview.php?id=4, патенты на изобретения RU 2260642 С2, опубликовано 20.09.2005г., RU 2668030 С1, опубликовано 25.09.2018г.).

Общими недостатками известных композиционных материалов и изделий на их основе являются неудовлетворительная адгезия, низкая морозостойкости и прочность.

Наиболее близким к заявляемой группе изобретений является принятый за прототип слоистый композиционный материал, содержащий, по меньшей мере, один слой стекловолокнистого наполнителя, пропитанного связующим и декоративный слой, выполненный из, по меньшей мере, одного металла или сплава металлов, выбранных из группы: золото, серебро, родий, медь, хром, никель, титан, алюминий, олово (http://gold-kupol.ru/tekhnologii/29-zolotye-kupola-novye-tekhnologii ).

Недостатком ближайшего аналога, как и других известных стеклопластиков и изделий на их основе, является низкое качество получаемых изделий вследствие невысоких прочностных характеристик.

Задачей настоящей группы изобретений является разработка слоистого композиционного стеклопластикового материала, применяемого в качестве основы изделия, внешнего покрытия сусального золота или потали и размещенными между ними слоев грунта, лака и клеевого слоя. Предложенная совокупность слоев позволяет улучшить такие физико-механические характеристики готовых изделий, как устойчивость к атмосферным воздействиям, в том числе к циклическим температурным изменениям.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая группа изобретений, заключается в повышении качества получаемых из композиционных материалов изделий за счет повышения прочностных свойств внешнего (декоративного) материала, уменьшения его истираемости и, как следствие, увеличение срока службы таких изделий, как церковные купола, купольные кресты, иконостасы и другие элементы внешнего и внутреннего церковного убранства.

В соответствии с пунктом 1 формулы изобретения технический результат достигается тем, что слоистый композиционный материал, сформированный из, по меньшей мере, одного слоя стекловолокнистого наполнителя, пропитанного связующим, и внешнего слоя, выполненного из, по меньшей мере, одного металла или сплава металлов, согласно изобретению дополнительно содержит слой гелькоута, расположенный на одном из крайних слоев наполнителя, расположенный на слое гелькоута, по меньшей мере, один слой грунта, по меньшей мере, один слой лака и, по меньшей мере, один клеевой слой, причем слой лака расположен на слое грунта, а клеевой слой расположен на слое лака, при этом указанные металлы выбраны из группы: золото, серебро, родий, медь, хром, никель, титан, алюминий, олово, палладий, цинк, кадмий, магний.

При этом согласно изобретению внешний слой может быть выполнен в виде листов.

При этом согласно изобретению грунт может быть выполнен эпоксидным или акриловым.

При этом согласно изобретению грунт может быть выполнен двухкомпонентным адгезивным.

При этом согласно изобретению лак может представлять собой алкидно-уретановый лак.

При этом согласно изобретению клеевой слой может быть выполнен масляным лаком.

При этом согласно изобретению на внешний слой может быть нанесен дополнительный слой лака.

При этом согласно изобретению дополнительный слой лака может быть выполнен на основе шеллака или лака на нитроцелюлозной основе.

В соответствии с пунктом 9 формулы изобретения технический результат достигается тем, что в изделии из слоистого композиционного материала согласно изобретению последний выполнен по любому из пунктов 1-8 формулы изобретения.

Технический результат настоящей группы изобретений достигается в случае применения различных смол, а также материалов для армирования (стеклоткани различного переплетения и разрывной нагрузки, стекломаты), катализаторов отвердевания и других компонентов связующих и гелькоутов, поскольку повышение прочностных свойств и уменьшения истираемости изделий достигается сочетанием слоев пропитанного стекловолокнистого наполнителя, грунта, лака, клеевого слоя и внешнего декоративного слоя.

Согласно изобретению, получение слоистого композиционного материала и изделия на его основе осуществляют следующим образом.

Для изготовления стеклопластика могут быть использованы стеклоткани различных марок с разной поверхностной плотностью «ТР-0,7(100), ТР-0,3(100)» (ТУ 5952-003-99544202-2011), JUSHI EWR300-1250, JUSHI EWR500-1250, JUSHI EWR600-1250, JUSHI EWR800-1250, ORTEX 720 1000 (ТУ 5952-006-52788109-2016), ORTEX 360 00 1000 (ТУ 5952-006-52788109-2016), а также стекломат JUSHI EMC600-1250-E, стекломат JUSHI EMC400-1250-E, стекломат JUSHI EMC300-1250-E и др. стекловолокнистые наполнители.

Например, в качестве армирующего наполнителя для кровельного (купольного) каркаса могут быть использованы ровинговые стеклоткани марок ТР-07, ТР-03, ТР-056, которые используются для основы корпуса и быстрого утолщения стенок, и конструкционные стеклоткани марок Т-11, Т-13, использующиеся для локального усиления отдельных участков.

В качестве связующего могут быть использованы полиэфирные, винилэфирные, эпоксидные смолы марок «ЭД-20», «Epikote 828», «SM-828», «KER828», Radopol A301PLCTE, СПЭФ-ST-10 (ТУ 2257-017-86641487-2012) «ДЕПОЛ» и др.

Изготовление стеклопластиковых изделий осуществляется методом ручного формования.

Поверхность матрицы будущего изделия очищают, обезжиривают и наносят слой антиадгезионного материала, например воска. Этот слой не позволит связующему приклеиться к поверхности формы, т.е. будет служить разделителем. На матрицу наносят гелькоут предпочтительно белого цвета. Гелькоут формирует наружную поверхность будущего изделия, задавая цвет и обеспечивая защиту от воздействия внешних факторов (ультрафиолет, вода, химические реагенты и пр.). Наносить гелькоут можно мягкой лакировочной кистью или пульверизатором.

После высыхания гелькоута переходят к следующему этапу - формовке. В матрицу на слой гелькоута укладывается предварительно раскроенная стеклоткань или другой тип армирующего наполнителя. Затем на стеклоткань, например, при помощи кистей или валиков, наносится связующее.

На пропитанную стеклоткань накладывается следующий слой стеклоткани, который затем пропитывается связующим. И, таким образом, последовательно наносится необходимое количество слоев стеклоткани, каждый из которых пропитывается связующим. Количество слоев и вид стекловолокнистого наполнителя зависят от вида изделий, от их размера и технических особенностей.

После отверждения готовое изделие извлекается из формы и подвергается механообработке: обрезка излишков стеклопластика по краям, высверливание отверстий и пр. Подготовленное изделие обезжиривают и покрывают грунтом. Грунт сушат, а поверхность изделия обрабатывают абразивным материалом. Покрытое грунтом изделие покрывают слоем лака, например, алкидно-уретановым лака, затем наносят клеевой слой, например, слой масляного лака. После того, как масленый лак на куполе набрал нужный отлип, поверхность купола покрывают внешним (декоративным) слоем, в частности сплавами металлов, выполненных в виде листов, например сусального золота или потали, или с использованием для изготовления внешнего слоя других материалов. В случае сусального золота его листы прикатывают к поверхности изделия и производят полировку золота. В некоторых вариантах исполнения настоящего изобретения, например, в случае применения потали, внешний слой дополнительно покрывают одним или несколькими слоями лака.

Пример 1. Изготовление золотого церковного купола с внешним слоем из сусального золота.

Сусальное золото представляет собой тончайшие (около 100 нм) листы золота. Кроме самого золота, в сплав могут входить серебро, медь, палладий, кадмий, цинк, никель.

В подготовленную матрицу купола диаметром 600 мм наносится эпоксидный гелькоут предпочтительно белого цвета. Далее укладывается ткань ровинговая плотностью 300 гр. на 1 м² в три-четыре слоя и пропитывается эпоксидной модифицированной смолой с ранее введенным в нее отвердителем. После полного отверждения смолы изделие извлекается из матрицы.

После извлечения купола из матрицы изделие обезжиривается кислотными и щелочными растворами, удаляется стеклопластиковый облой, обрабатывается абразивными материалами с величиной зерна Р80, Р150, Р500 (Маркировка по ISO-6344). Имеющиеся нарушения на поверхности (сколы, отпечаток технологического стыка матриц и т.п.) шпаклюют выравнивающей полиэфирной или эпоксидной шпаклевкой, прошкуривают, тем самым доводя поверхность изделия до гладкого состояния.

Подготовленное изделие обезжиривают и покрывают двухкомпонентным адгезивным эпоксидным грунтом, например, бежевого цвета, максимально приближенного к цвету золота. Грунт сушат при температуре 25-60°С в течении 12 часов. После отверждения грунта поверхность изделия обрабатывают абразивным материалом с величиной зерна не крупнее Р500. Если на поверхности изделия выявляют недочеты, визуально заметные проплешины, недокрасы и т.п., то их шпаклюют выравнивающей полиэфирной или эпоксидной шпаклевкой, прошкуривают, и повторно покрывают адгезивным грунтом, а затем снова прошкуривют абразивными материалами с размером абразивного зерна не крупнее Р500.

Покрытое адгезивным грунтом изделие обезжиривают и покрывают слоем алкидно-уретановым лака. Предпочтительный метод нанесения лака на поверхность купола с помощью краскопульта с дюзой диаметром 1,6-2,5 мм. Перед нанесением лак предварительно разбавляют растворителем в соответствии с пропорциями, указанными производителем. Лак наносят в два-три слоя с промежуточной просушкой 4 часа.

Перед нанесением клеевого слоя масляного лака (например, марки МА-594) изделие также обезжиривают и просушивают. Перед нанесением масляный лак разводится скипидаром живичным в пропорции 4 доли лака и одна доля растворителя. Масляный лак может наноситься кистью, после чего растягивается и растирается ветошью по поверхности купола. Масленый лак должен быть равномерно нанесен тонким слоем толщиной 0,05 мкм. После нанесения масленого лака купол помещают в стерильное помещение (без доступа пыли) с температурой 20-24°С. Через 8-12 часов масленый лак частично отвердевает и на его поверхности появляется устойчивый отлип, который хорошо чувствуется на ощупь.

После того, как масленый лак на куполе набрал нужный отлип, на поверхность купола укладывают листочки сусального золота с минимально возможным перехлестом. Листочки сусального золота прикатывают к поверхности ворсовой ветошью или ватным тампоном. После того как на всю поверхность купола будет уложено золото, производят полировку золота мягкой ветошью.

По окончании золочения купол оставляют в помещении с температурой не ниже 20°С на время 35-45 суток. Это требуется для того, чтобы масляный лак окончательно отвердел и набрать прочность. После того, как клеевой лак наберет необходимую твердость, изделие может эксплуатироваться. В противном случае сусальное золото слабо держится на неотвержденном масляном лаке, его можно повредить, стереть.

Пример 2. Изготовление иконостаса с внешним слоем из потали.

Поталь представляет собой листы металлов (например, алюминий, медь) или сплавов (например, меди с цинком).

В подготовленную матрицу декоративного элемента иконостаса (арки, карниза, колонны и т.п.) наносится эпоксидный гелькоут предпочтительно белого цвета. Далее укладывается стеклоткань Э3/1-100(200) в один слой и ткань ровинговая плотностью 300 гр. на 1 м² в один-два слоя и пропитывается эпоксидной модифицированной смолой с ранее введенным в нее отвердителем. После полного отверждения смолы изделие извлекается из матрицы.

После извлечения из матрицы изделие обезжиривается кислотными и щелочными растворами, удаляется стеклопластиковый облой, обрабатывается абразивными материалами с величиной зерна Р250, Р500. Имеющиеся нарушения на поверхности (сколы, отпечаток технологического стыка матриц и т.п.) шпаклюют выравнивающей полиэфирной или эпоксидной шпаклевкой, прошкуривают, тем самым доводя поверхность изделия до гладкого состояния.

Подготовленное изделие обезжиривают и покрывают двухкомпонентным адгезивным акриловым грунтом, например, бежевого цвета, максимально приближенного к цвету золота. Грунт сушат при температуре 25-60°С в течении 12 часов. После отверждения грунта поверхность изделия обрабатывают вспененным абразивным материалом (аналог Скотч-Брайт) с величиной зерна не крупнее Р500. Если на поверхности изделия выявляют недочеты, визуально заметные проплешины, недокрасы и т.п., то их шпаклюют выравнивающей полиэфирной или эпоксидной шпаклевкой, прошкуривают, и повторно покрывают адгезивным грунтом, а затем снова прошкуривют абразивными материалами с размером абразивного зерна не крупнее Р500.

Покрытое адгезивным грунтом изделие обезжиривают и покрывают слоем алкидно-уретановым лака. Предпочтительный метод нанесения лака на поверхность декоративного элемента иконостаса с помощью краскопульта с дюзой диаметром 1,4-1,6 мм. Перед нанесением лак предварительно разбавляют растворителем в соответствии с пропорциями, указанными производителем. Лак наносят в два-три слоя с промежуточной просушкой 4-8 часов.

Перед нанесением клеевого слоя масляного лака (например, марки МА-594) изделие также обезжиривают и просушивают. Перед нанесением масляный лак разводится скипидаром живичным в пропорции одна доля лака и одна доля растворителя. Масляный лак может наноситься кистью, после чего растягивается и растирается кистью по поверхности изделия. Масленый лак должен быть равномерно нанесен тонким слоем толщиной 0,25 мкм. После нанесения масленого лака элемент иконостаса помещают в стерильное помещение (без доступа пыли) с температурой 20-24°С. Через 8-12 часов масленый лак частично отвердевает и на его поверхности появляется устойчивый отлип, который хорошо чувствуется на ощупь.

После того, как масленый лак на изделии набрал нужный отлип, на поверхность декоративного элемента иконостаса укладывают листочки потали с минимально возможным перехлестом. Листочки потали прикатывают (прибивают) к поверхности плотными кистями. После того как на всю поверхность декоративного элемента иконостаса будет уложена поталь, изделию дают выстоятся 24 часа, после чего производят полировку потали кистью и сметают кусочки потали от перехлестов.

По окончании золочения поталью изделие оставляют в помещении с температурой не ниже 20°С на время 2-5 суток. Это требуется для того, чтобы масляный лак окончательно отвердел и набрал прочность. После того, как клеевой лак наберет необходимую твердость, внешний слой потали покрывается в 3-4 слоя защитным лаком на основе шеллака или лака на нитроцелюлозной основе (Цапонлак). Метод нанесения защитного лака кистью или краскопультом.

После отверждения защитного лака, ориентировочно через 24 часа, изделие может эксплуатироваться.