Учебно-исследовательская работа "Ювелирные украшения из эпоксидной смолы"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Лицей г. Отрадное»

Учебно-исследовательский проект

ЮВЕЛИРНЫЕ УКРАШЕНИЯ ИЗ ЭПОКСИДНОЙ СМОЛЫ

Выполнила: ученица 10 класса Череватова Елизавета Руководитель: учитель химии, Кузнецова О.А.

Отрадное

 2023

Оглавление

Введение        3

Глава 1. Эпоксидная смола        5

1.1. Зарождение и применение эпоксидной смолы        5

1.2. Химические-физические свойства эпоксидной смолы        8

1.3. Различия эпоксидной смолы и эпоксидного клея        8

1.4. Вредна ли эпоксидная смола для здоровья человека?        13

Требования к безопасности        14

Глава 2. Практическая часть        16

Выводы        17

Заключение        18

Список литературы        19

Введение

В наше время украшения являются изюминкой женского образа. История украшений развивалась наравне с историей человечества, об этом свидетельствуют находки археологов. Раньше их создавали из различных материалов таких как: ракушек, семян растений, засушенных ягод и перьев. Постепенно люди развивались и создавали новые аксессуары для себя. Уже не было таких легких и скромных украшений, они более прочные и тяжелые. При этом наличие изделий из блестящих и редких материалов символизировали достаток и благосостояние обладательниц «драгоценностей». Только в 1891 году русский химик Александр Павлович Дианин- современник Менделеева открыл эпоксидную смолу. После этого открытия люди стали носить невероятно красивые аксессуары, которые были достаточно прочные и не были такими тяжелыми.

Сейчас в 21 веке люди по-прежнему создают различные изделия из эпоксидной смолы. В различных приложениях мы можем увидеть, как сделать в домашних условиях себе аксессуар, какие нужны красители, препараты, формы для наших изделий. В 2020 году я начала заниматься эпоксидной смолой, но одно дело создавать, а другое знать историю, открытие и пользу этих изделий. Я постараюсь воссоздать ювелирные изделия и узнать вредна ли эпоксидная смола на здоровье человека.

Цель: создать ювелирные изделия из эпоксидной смолы

Задачи:

1. узнать состав эпоксидной смолы
2. изучить способы, с помощью которых мы изготавливаем украшения
3. узнать различия эпоксидной смолы и эпоксидного клея
4. узнать наносит ли эпоксидная смола вред для человека
5. приготовить ювелирные изделия

Объект исследования: эпоксидная смола

Предмет: использование эпоксидной смолы при изготовление ювелирных изделий

Проблема: если ювелирные украшения из эпоксидной смолы более безвредные и экологичные по сравнению с металлическими, то почему они не настолько распространённые

Гипотеза: работы из эпоксидной смолы безвредные и более экологичные, чем металлические украшения

Глава 1. Эпоксидная смола

1.1. Зарождение и применение эпоксидной смолы

В былые времена эпоксидная смола использовалась преимущественно в промышленности, где данный состав применялся для склеивания различных поверхностей. Раньше «эпоксидка» считалась достойной альтернативой шурупам, гвоздям, сварке и прочим средствам соединения деталей. В наше время эпоксидная смола обрела еще большую популярность, и сегодня используется повсеместно, в том числе и в частном строительстве, где ею покрывают столешницы и деревянные подоконники, применяют для герметизации швов и используют для изготовления наливных полов. [8]

Эпоксидная смола — это химическое соединение, которое после добавления отвердителя превращается в очень прочный материал. С точки зрения химии эпоксидная смола представляет собой олигомеры, которые под воздействием отвердителей способны образовывать полимеры. Олигомеры –это низкомолекулярные полимеры, содержащие небольшое количество повторяющихся звеньев, физические свойства которых существенно зависят от длины цепи. [2] Данный полимер имеет удивительные способности, благодаря которым склеивает практически любые материалы – кожу, дерево, стекло, металл и т.д. По сути, эпоксидная смола представляет собой сильнейший двухкомпонентный клей на синтетической основе, который внешне напоминает смолу. Ее цвет может варьироваться от белого до темно-оранжевого, хотя чаще всего приходится работать с желтой прозрачной жидкостью, похожей на жидкий мед или древесную смолу.

История возникновения этого вещества началась в начале прошлого века. Так в 1906 году в лаборатории русского ученого-химика Н. А. Прилежаева был получен низковязкий материал, способный при добавлении отвердителя переходить в нерастворимое состояние с изменением своей структуры. Шло время, а с ним совершенствовалась и технология получения вещества, и, как следствие, его характеристики. В этом была заслуга в свое время и немецких, и швейцарских и американских ученых. Промышленное производство эпоксидной смолы было начато в середине сороковых годов сначала за океаном, а затем и в странах Европы. Российскую прописку вещества из эпоксидной смолы получили лишь в конце шестидесятых годов, но уже через несколько лет объемы их выпуска стабильно стали занимать лидирующие позиции в мире. [3]

В настоящее время существует пять классов и более десятка подклассов и типов данных смол. Из наиболее популярных можно выделить:
1.Алифатические;
2.Бисфеноловые;
3.Новолачные;
4.Глицидиловые;
5. Акрил эпоксидные.

Основные формы выпуска вещества — камнеподобные, полужидкие и вязкие. Помимо чисто промышленного применения «эпоксидка» сегодня активно используется мастерами и строителями, художественными и модельными студиями, а также реставраторами. Активно используется она при строительстве судов и лодок самой разной вместимости. Сегодня трудно представить отсутствие эпоксидки в производстве клеев и герметиков. Практически ни один масштабный по площади наливной пол не обходится без этого вещества. Большая доля производимых смол находит применение при производстве лаков и красок. Эффективность их при ремонтно-восстановительных работах была давно отмечена и широко применяется бригадами в ЖКХ и практически на каждом рем участке предприятий.

Классическая (стандартная) эпоксидная смола представляет собой прозрачную желтоватую жидкость, по консистенции напоминающую всем известный мед. В чистом виде эпоксидная смола используется разве что в лабораториях. В строительстве, быту и промышленности применяют растворы, качественный состав которых определяется целевым предназначением. Смола для заливки — прозрачная. Самое популярное ее применение — в составе смесей, растворов и композиций, где на долю добавок может приходиться до 40% общей массы. Помимо основного вещества (эпоксида) в рецептуре рабочих растворов могут находится:
1. Мел, цемент, алебастр — для придания прочности и определенной плотности;
2. Хлопковые и стеклянные волокна — для повышения вязкости;
3. Микросферы — микрошарики, придающие раствору воздушности;
4. Графит, двуокись титана и другие пигменты — для придания конечному продукту определенного цвета;

5. Пластификаторы — для повышения пластичности (понижения хрупкости).

Само понятие «эпоксидная смола» пошло от названия технологического процесса получения данного продукта. Суть его заключается в поликонденсации (выделения жидкой фракции) методом осадки смеси эпихлоргидрина и фенола. Иногда фенол может быть замещен органическими маслами. В химии такой процесс называется «эпоксидирование». В итоге получается продукт весьма устойчивый к затвердеванию (процесс высыхания может растянуться на месяцы). Ускорить данную стадию становления призваны отвердители. Их роль при работе со смолой играют амины, различные ангидриды или специальные кислоты. Таким образом, соединение смолы с отвердителем является единственным основанием для получения практически нерастворимого состава с достаточной пластичностью, минимальной гигроскопичностью и отменной прочностью.

На сегодняшний день на территории России существует целый ряд достаточно мощных производителей данного продукта неорганической химии. Сегодня, в эпоху активного развития внешней торговли на рынке можно встретить образцы эпоксидной смолы импортного или совместного производства. 

1.2. Химические-физические свойства эпоксидной смолы

Эпоксидно-диановая смола с помощью которой можно делать композиты, заливать самые разные поверхности и создавать ювелирные изделия. [10] Из всех средств этого вида особенно выделяется смола ЭД-20. Это вещество имеет светло-желтый оттенок. Оно отличается высокой термопластичностью, так как при воздействии отвердителя на смолу ЭД-20, она начинает приобретать высокую плотность, превращается в твердые полимерные соединения. 

Такие физические свойства помогают в процессе герметизации или склеивания каких-либо материалов. Кроме того, затвердевать это вещество может при температуре +18...+20 градусов Цельсия. Широкое применение смолы ЭД-20 обусловлено ее склеивающими свойствами, но стоит отметить, что данный клей имеет:

1. малую эластичность;
2. высокую токсичность;
3. высокую вязкостью.

Чтобы уменьшить вязкость, производители добавляют в ее состав растворители. Также необходимо учитывать и тот факт, что применение только эпоксидной смолы и отвердителя, может спровоцировать трещинообразование. Но главными плюсами этого материала считаются:

1. хорошее взаимодействие с различными материалами (металл, керамика, текстиль, бумага, пластик);
2. высокая плотность;
3. устойчивость к кислотам, маслу, бензину, щелочам;
4. отсутствие коррозии между обрабатываемыми материалами.

1.3. Различия эпоксидной смолы и эпоксидного клея

Стоит сказать, что многие путают понятие эпоксидного клея и эпоксидной смолы. Смола представляет собой синтетический полимер, но чтобы эта субстанция приносила пользу, ее необходимо смешать с отвердителем. В качестве отвердителя могут применяться третичные амины или различные фенольные соединения. От выбора конкретных компонентов зависит конечный продукт, который мы желаем получить. Это может быть смола, по твердости не уступающая металлу, а может быть смола, напоминающая резину. Да и по цвету они могут серьезно отличаться.

Эпоксидная смола, как синтетическое соединение-олигомер в полной мере раскроет свои свойства только после соединения с отвердителем. В основном в качестве этих веществ применяют третичные амины и фенолы. Первые работают эффективнее, но их применение таит в себе опасность нагрева массы эпоксидной смолы, если она превысит какую-то критическую. Какую, зависит от свойств отвердителя и самой смолы, а ее не один десяток видов. Интересно, что способности к саморазогреву вплоть до закипания и даже самовозгорания зависят не только от количества смолы в смеси с отвердителем, но и от формы сосуда, в котором разводят эту смесь. Чем ближе она к кубу, а тем более к шару, то есть принимает наиболее компактную форму при одном и том же объеме, тем сильнее и быстрее разогрев. В этом отношении эпоксидка похожа на плутоний с его критической массой ядерной реакции, которая быстрее всего наступит, если плутониевая отливка будет сделана в форме шара. Но если изготовленная и тщательно перемешанная масса эпоксидной смолы с отвердителем разлита по большой плоской поверхности, то саморазогрева не случается, сколько бы по весу и общему объему той смолы ни было. Имея в виду это свойство аминовых отвердителей, объемные отливки в виде кубов, трапеций, шаров, параллелепипедов отливаются в несколько этапов или для их создания используют эпоксидные смолы, где в качестве аминов применяют фенольные отвердители не такие критичные в плане саморазогрева к принимаемой смолой форме и объему. Преимущества эпоксидных смол в работе с ними в домашних условиях:

1. Нетоксичны после полной полимеризации.
2. Свойства как гидроизолятора после полного застывания безупречны.
3. Почти не подвержены абразивному воздействию в обычных условиях эксплуатации.
4. Обладают микроскопической усадкой.
5. Прочность соединений с нею, вызванная высокой адгезией.

Отлитые из эпоксидной смолы изделия не боятся почти никаких агрессивных веществ. По крайней мере, любая концентрация сильных кислот в виде соляной, азотной, плавиковой или серной, и щелочей в виде едкого натра и едкого кали им не страшна. Однако на ацетон и эфир реакция будет однозначной – растворение. После полного застывания (полимеризации), которая наступает не позже чем через 48 часов, а часто и раньше, выход любых вредных веществ из застывшей массы прекращается. Усадки в процессе полимеризации и после ее окончания не происходит или она настолько мала (доли процента), что ее можно пренебречь. [4]

Эпоксидный клей – это один из вариантов соединения синтетического полимера с отвердителем. Он создан в одном варианте и изначально использовался только для склеивания деталей. Сегодня же эпоксидный клей применяют во многих сферах производства и в быту. Выпускается данный продукт в тубах 30-70 мл, а также в строительных шприцах, флаконах, строительных ведрах и даже в промышленных бочках (от 15 до 19 кг). Большие объемы эпоксидного клея, как правило, применяются для изготовления наливных полов. [9]

В составе клея, в отличие от мономерной смолы, находятся:

1. Какой-нибудь растворитель в очень небольшом количестве (кселол, спирт или, чаще, ацетон).
2. Пластификатор в виде эфира фосфорной или фталиевой кислоты.
3. Аминовый отвердитель.

Кроме этих компонентов для склеивания в смесь мономера и отвердителя добавляют наполнители: стеклоткань, полимерную ткань вроде пропиленового текстиля, углеродные волокна и металлические порошки — железный сурик, алюминиевая пудра, что дает на выходе вещества под названием «холодная сварка». Эпоксидные клеи обладают хорошей для бытовых условий термостойкостью до плюс 250°С. Впрочем, такой верхний температурный предел вполне приемлем не только для бытовых условий, трещину в блоке головки цилиндров на автомобиле тоже вполне можно заклеить таким составом и дотянуть на таком двигателе до дома или СТО. Особенно если добавить в клей при застывании алюминиевую пудру. Из-за введения в состав эпоксидных клеев пластификаторов разного состава у застывших клев сохраняется высокая пластичность, что позволяет, например, заклеить подошву обуви без риска растрескивания и выпадения клеевого слоя. Главное, обеспечить чистоту склеиваемой поверхности, для чего стоит обезжирить ее чистым авиабензином, ацетоном и зачистить места склеиваемой поверхности наждачной шкуркой. Впрочем, зачистки и обезжиривания требуют все склеиваемые поверхности. Еще одно условие для склеивания поверхностей вроде подошвы обуви, то есть таких поверхностей, где есть постоянные нагрузки с переменным вектором воздействия. Обязательно добавляется дополнительный пластификатор вдобавок к тем, что имеется в самой основе эпоксидного клея. Отличные качества, придающие такому клею гибкость, может придать добавление в эпоксидную основу клея небольшого количества касторового масла (в пропорции 1 часть масла на 50 частей смеси эпоксидки с отвердителем).

Присутствуют и определенные недостатки:

1. В первую очередь это невозможность склеивания изделий из полиэтилена, покрытых тефлоном и из силикона, из-за нулевой адгезии в эти материалы. Для соединения деталей из таких материалов применяют термоклеи с возможностью изменения свойств склеиваемых поверхностей.
2. Вторым недостатком будет плохая смываемость с кожи и чересчур быстрое застывание, что не дает возможности склеить без воздушных каверн обширные и сложные по рельефу поверхности. Приходится мириться с наличием в них пузырей.

Главное отличие между эпоксидной смолой и эпоксидным клеем, пожалуй, в том, что, варьируя количество отвердителя при смешивании его с эпоксидной смолой, можно увеличивать или уменьшать время олимеризации вещества до полного его застывания.

С эпоксидным клеем такой номер не пройдет: смешивать эпоксидную основу и отвердитель нужно строго в рекомендованной пропорции. Избыток отвердителя даст знать о себе его выделением вовне из застывшего состава в виде липкой жирной пленки. Недостаток же вызовет неудовлетворительное качество застывания, опять-таки с выделением из застывшей массы несвязанной полимеризацией эпоксидной основы.

1. Эпоксидные смолы после застывания меняют свой цвет или приобретают желтоватый оттенок спустя очень длительное время. Клей же на эпоксидной основе быстро приобретает янтарно-желтый или даже оранжевый оттенок.
2. Из эпоксидного клея невозможно сделать никаких изделий художественных промыслов: застывшая масса теряет цвет и «товарный вид», подвергается быстрому абразивному износу.
3. Эпоксидный клей именно клеит, использовать его не по прямому назначению нет смысла как с эстетической, так с практической точки зрения.
4. Во время застывания эпоксидные смолы пластичны во всей своей массе и толщине, что позволяет до какого-то времени производить с ними определенные манипуляции в виде формовки, изменения формы отливки. С эпоксидным клеем это проделать невозможно, т.к. схватывание идет быстро, по всему объему смеси эпоксидной основы и отвердителя.
5. Клеевая эпоксидная основа смешивается только с приданным к ней в комплекте отвердителем. Применение других нежелательно из-за изменения не в лучшую сторону клеящих свойств. С эпоксидной смолой же возможно использование разных отвердителей, в корне меняющих их физические свойства.

Эпоксидной смолой, если в нее добавить пластификаторы и наполнители, вполне можно склеить любые поверхности кроме тефлона, полиэтилена или покрытые силиконом. С клеем произвести те же манипуляции, что и с эпоксидной смолой, невозможно: быстрое застывание, изменение цвета и общий неэстетичный вид сведут к нулю все попытки изготовить те же вещи, которые доступны с применением эпоскидных смол.

1.4. Вредна ли эпоксидная смола для здоровья человека?

На мой взгляд, объективную картину можно получить только в том случае, если спросить о вреде эпоксидки самих производителей плюс перепроверить эти данные экспертизой. Начнём с того, что производители указывают класс опасности только для незатвердевшего компаунда (который ещё не является готовым, финишным изделием). Все производители импортной эпоксидной смолы заявляют для всех не строительных эпоксидных смол (в том числе ювелирных) второй либо первый класс опасности. Для здоровья человека контакт с жидкой эпоксидкой может вылиться в следующие сюрпризы:

1. повреждения кожи;
2. аллергические реакции;
3. повреждения роговицы глаз и слепота;
4. токсическое отравление;
5. термические ожоги.

Иметь в виду, что полностью безопасных материалов не существует, вроде привычного бытового стирального порошка, который безвреден, если не мыться им, как мылом, и не есть ложками. [1] Так же и с эпоксидкой, даже самой безопасной, которая до завершения реакции отверждения в обязательном порядке выделяет не самые полезные для здоровья вещества в виде фенолов и формальдегидов, и наличие на лице респиратора, особенно если работа с эпоксидкой связана с большими объемами заливок – насущная необходимость. Как, впрочем, и одноразовые перчатки, и одежда с длинными рукавами и штанинами. Ведь капля смеси компонентов А и Б может полететь куда угодно, а опасны именно рабочие смеси обоих компонентов в стадии вступления их в реакцию полимеризации и во время самого этого процесса.

Требования к безопасности

Эпоксидный компаунд и отвердители токсичны по-разному. Если сами смолы в подавляющем большинстве малотоксичных или вообще безопасны в небольших дозах (изготовление ювелирки и бижутерии, мебели или проведения ремонтных работ, когда из смолы самостоятельно делают клеи), то об отвердителях этого сказать нельзя. Притом тип отвердителя может быть любым. [6]

1. Аминным. С входящими в его состав аминами, полиаминами, диаминами и т.д. Такие отвердители, с их не совсем приятным, но все же терпимым запахом, применяются в быту и имеют холодный тип отверждения. Процессы полимеризации в них протекают при обычной комнатной температуре, в условиях реакции по умолчанию имеется в виду температура в 23°C градуса. Усиление запаха, а следовательно, и повышение токсичности материала происходит обычно во время реакции полимеризации, которая по своей сути является экзотермической, то есть протекающей с выделением значительного количества тепла, а из разогретой эпоксидной смеси летучие вещества выделяются гораздо активнее, чем из холодной.
2. Кислотным. В бытовых условиях кислотным отвердителями почти не пользуются. В основном из-за того, что главным условием их работы выступает нагрев эпоксидки с введенными в нее кислотными отвердителями до 100°C или даже 200°C градусов. В домашних условиях такой разогрев возможен только в компактных керамических печах для отливок небольшого объема. Но и токсичность у таких отвердителей гораздо выше, чем у аминных, да и сам нагрев провоцирует выделение вредных газов в разы больше.

Кроме того, в качестве отвердителей могут иногда использовать нестандартные составы, вроде «сухого спирта», который представляет собой с торговым названием уротропин, смешанный с парафином. В кислой среде распадается с образованием формальдегида, так что токсичность и этого отвердителя не вызывает сомнений.

На упаковке эпоксидной смолы ЭД-20, которую чаще всего можно встретить в свободной продаже российских супермаркетов, среди рекомендаций по использованию и описаний режимов работы есть и короткая памятка по технике безопасности при работе с этой смолой. Суть ее сводится к тому, что при работе на больших площадях нужно пользоваться респиратором с классом защиты «от пыли и дыма» как минимум, а также защитным прозрачным очками, перчатками и спецодеждой. При создании или использовании эпоксидной смолы нужно иметь некоторые вещи для защиты вредных веществ:

1. Респиратор.  Естественно, такие меры защиты нужны только при работе, когда заливаются обширные плоскости в десятки квадратных метров, и выход газов при этом может оказать раздражающее воздействие на глаза или дыхательную систему. В качестве альтернативы таким защитным для органов дыхания средств можно также предложить старый добрый армейский противогаз.
2. Защитная одежда. Тоже не лишний атрибут, когда дело касается заливок площадей, и речь не обязательно может идти о полах – работа с большими столешницами тоже чревата разбрызгиванием материала и попадание его на кожу или в глаза, а в связи с последним, потребуются также очки.
3. Защитные очки. Попадание капель или даже паров на конъюнктиву глаз, тоже процедура не из самых приятных. Вязкость материала не позволит смыть капельку сразу, да вода тоже не является самым лучшим растворителем эпоксидки. Чаще всего при таких попаданиях приходится обращаться к офтальмологу. [5]

Глава 2. Практическая часть

Выводы

В ходе работы я узнала много интересных фактов про эпоскидную смолу:

1. Смогла узнать из чего состоит эпоксидная смола
2. Изучила способы, помогающие нам изготовить украшения
3. Сумела найти различие между эпоксидной смолой и эпоксидным клеем
4. Собрала информацию о том, наносит ли эпоксидная смола вред человеку и как при создании или использовании эпоксидной смолы защитится от вредных веществ
5. Провела эксперимент, с помощью которого создала ювелирные изделия
6. На основе литературных данных узнала об разновидностях эпоксидных смол и каким методом их получают

Заключение

Главная цель проекта достигнута. Изучив состав эпоксидной смолы, я смогла провести эксперимент входе которого получились ювелирные изделия. Соединение смолы с отвердителем является основанием для получения вещества с достаточной прочностью.

Мой проект даёт нам понять, что эпоксидная смола- это не только клей, которым мы можем склеивать разные вещи, но и компонент для создания ювелирных изделий и бытовых вещей. Этот материал получает всё больше популярности в наше время среди любителей творческих людей и тем, кто этим заинтересован.

В процессе практической части я старалась выполнить изделия очень качественно, соблюдая технику безопасности с едкими веществами. Я смогла узнать, что эпоксидная смола может нанести вред только в жидком состоянии, а при её затвердевании она является безопасным продуктом.

Список литературы

Вред эпоксидной смолы на человека. —  Режим доступа URL:https://dzen.ru/media/steklo_skazka/naskolko-vredny-izdeliia-iz-epoksidnoi-smoly-5df244bfe4fff000af17f143 (дата обращения 08.11.2022)   

Всё про творчество и химию. —  Режим доступа URL:https://artline-shop.ru/blog/ (дата обращения 08.11.2022)   

История возникновения эпоксидной смолы. —  Режим доступа URL:https://stroitelinfo.ru/materialy/epoksidnaya-smola (дата обращения 08.11.2022)   

Отличие эпоксидного клея от эпоксидной смолы. —  Режим доступа URL:https://stroyka-gid.ru/supplies/epoksidnaya-smola.html  (дата обращения 08.11.2022)   

Работа с эпоксидной смолой. —  Режим доступа URL:https://practeco.ru/vidy/epoksidnaya-smola.html  (дата обращения 08.11.2022)   

Токсичные вещества в эпоксидной смоле. —  Режим доступа URL:https://practeco.ru/tekhnologiya/vredna-li-epoksidka.html  (дата обращения 09.11.2022)   

Химический состав эпоксидной смолы. —  Режим доступа URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/Эпоксидная_смола (дата обращения 08.11.2022)   

Что такое эпоксидная смола. —  Режим доступа URL:https://dzen.ru/media/id/5e4a17e1b7ff5817661de4b4/chto-takoe-epoksidnaia-smola-i-kak-ee-pravilno-primeniat-5e5f30613f8d4a2b01fd24d2 (дата обращения 05.11.2022)   

Эпоксидный клей. —  Режим доступа URL:https://dzen.ru/media/valles_ru/razlichiia-epoksidnoi-smoly-i-epoksidnogo-kleia-5e09c7c90be00a00ae6ffad1 (дата обращения 06.11.2022)   

Ювелирные изделия. —  Режим доступа URL:https://kraska.guru/klej/smoly/yuvelirnaya.html (дата обращения 09.11.2022)