Техника «Витраль»: тонкие плёнки из УФ-смолы в металлической рамке вместо стекла

Что это за метод

Классический витраж собирают из кусочков стекла: каждый вырезают по шаблону, обтачивают кромку, оборачивают фольгой и впаивают в контур. Операция долгая, требует навыка и даёт брак на резке.

В технике «Витраль» стекло заменяет плёнка из УФ-смолы. Готовый металлический контур с перегородками либо окунают в смолу, либо заполняют ячейки по одной – и состав сам растягивается внутри каждой замкнутой ячейки ровной плёнкой. Остаётся облучить лампой, и в контуре оказывается твёрдая прозрачная вставка той же формы, что и ячейка.

Название закрепилось за витражной техникой, но сам метод шире: плёнка образуется в любом замкнутом контуре – в рамке, в проволочной петле, в вырезе пластиковой детали. Именно поэтому одним составом делают и витражные панно, и крылышки рыболовных мушек, и лепестки цветов.

Почему плёнка вообще держится

Жидкость в замкнутом контуре удерживается поверхностным натяжением: молекулы на поверхности притягиваются внутрь, и плёнка стремится сократить площадь, натягиваясь как мембрана. Против этого работает сила тяжести, которая тянет жидкость вниз и утончает плёнку в верхней части.

Соотношение этих двух сил задаёт капиллярную длину:

a = √( γ / ρg )

где γ – поверхностное натяжение, ρ – плотность, g – ускорение свободного падения. Для акрилатной смолы с поверхностным натяжением около 37 мН/м и плотностью порядка 1,1 г/см³ получается:

a = √(0,037 / (1100 × 9,81)) ≈ 1,9 мм

Это масштаб, на котором тяжесть начинает спорить с натяжением. Из него следуют три практических правила:

• Мелкие ячейки держат плёнку сами. В ячейке до 2–3 мм натяжение преобладает, и плёнка стоит ровно сколько угодно.
• Крупные ячейки держатся за счёт вязкости. Плёнка в них начинает стекать, но 3000 мПа·с замедляют это настолько, что времени до засветки хватает с запасом. Маловязкая смола в такой ячейке провиснет и порвётся.
• Контур держат горизонтально. В вертикальном положении тяжесть работает вдоль плёнки, и она утончается сверху и утолщается снизу. Это единственное положение, в котором приём работает предсказуемо.

Почему нужна смола без липкого слоя

Это ключевой момент, который отличает задачу от обычной заливки, и стоит разобрать его до конца.

Радикальные системы отверждаются хуже там, где есть контакт с воздухом: кислород перехватывает радикалы, и приповерхностный слой остаётся недоотверждённым. Это кислородное ингибирование, и в обычной работе оно даёт знакомый липкий слой на открытой поверхности.

В обычной заливке этот слой – доли процента от толщины детали, и его просто протирают спиртом. В плёнке ситуация другая: воздух касается её с обеих сторон.

Когда затронуто 20–40 % толщины с двух сторон, протирать нечего: липкой оказывается сама плёнка, а вытереть её насквозь невозможно. Изделие собирает пыль, слипается при хранении и выглядит мутным.

Отсюда и требование к составу. У V301 отверждение идёт без внешнего липкого слоя, и плёнка выходит из-под лампы готовой – без протирки спиртом, без перекрытия плёнкой, без дозасветки в инертной среде. Общий разбор явления – в статье «Сушка липкого слоя УФ-полимеров».

Что делают этим методом

Список шире, чем кажется на первый взгляд: везде, где нужна тонкая прозрачная перепонка в контуре.

Что объединяет все строки: во всех нужна перепонка в замкнутом контуре. Как только контур разомкнут, плёнке не за что держаться, и приём не работает – смола просто стечёт.

Из чего делают контур

Про сцепление с контуром. Тонкая плёнка нагружена по периметру, и держится она ровно настолько, насколько состав сцепился с рамкой. На металле сцепление механическое и слабее, чем на пластике: у полимера нет химического сродства к металлу, он лишь зацепляется за микрорельеф. Отсюда практика: полированный металлический контур перед работой матируют, а при высоких требованиях применяют силановый праймер. Разбор – в статье «Какие праймеры и адгезивы применять».

Два способа заполнения

Погружной

Контур окунают в смолу целиком и плавно вынимают – плёнка остаётся в каждой замкнутой ячейке сразу. Способ быстрый и удобен для изделий с множеством одинаковых ячеек: филиграни, витражных панно, крыльев.

Толщина плёнки при этом задаётся скоростью извлечения, и зависимость описывается уравнением Ландау и Левича:

h ∝ (η U)^2/3

где h – толщина плёнки, η – вязкость состава, U – скорость извлечения. Вывод для практики простой и неочевидный: чем быстрее вынимаешь контур, тем толще плёнка.

Отсюда способ управлять результатом: нужна тонкая прозрачная перепонка – вынимать медленно; нужна плотная плёнка с выраженным цветом – быстрее. И отсюда же требование к повторяемости: в серии контур вынимают с одинаковой скоростью, иначе изделия получаются разной толщины и разного оттенка.

Нанесение по ячейкам

Смолу подают кистью, иглой-дозатором или шприцем в каждую ячейку отдельно, и состав сам растекается до границ контура. Способ медленнее, но даёт то, чего не даёт погружной:

• Разный цвет в соседних ячейках. Главная причина выбрать этот способ: витраж без разноцветных ячеек смысла не имеет.
• Разная толщина по участкам – например, плотнее в центре цветка и тоньше к краю лепестка.
• Контроль над каждой ячейкой. Пропуски и пузыри видно сразу, и их исправляют до засветки.

На практике способы комбинируют: крупные однотонные участки делают погружением, цветные акценты дорабатывают вручную.

Порядок работы

• Подготовить контур. Обезжирить изопропиловым спиртом, с припоя снять остатки флюса, полированный металл заматировать.
• Закрепить горизонтально. Поверхностное натяжение держит плёнку ровно только в этом положении.
• Подготовить состав. При необходимости ввести пигментную пасту – до 5 % по массе – и перемешать медленно, чтобы не вогнать воздух.
• Заполнить ячейки погружением или по одной, в зависимости от задачи.
• Убрать избыток. Кисточкой или коротким поддувом сжатого воздуха выровнять плёнку и снять наплывы на контуре.
• Проверить на просвет. Пузыри и пропуски видны до засветки, и на этом этапе их ещё можно исправить.
• Облучить с двух сторон. Схватывание до 20 секунд, полное отверждение до 5 минут.
• Осмотреть готовое изделие. Плёнка должна быть твёрдой и сухой на ощупь по всей площади.

Почему засветка обязательно двусторонняя. Плёнка тонкая, и казалось бы, одной стороны хватит. Но кислород действует с обеих поверхностей, и сторона, обращённая от лампы, получает и меньшую дозу, и полноценное ингибирование. Облучение с двух сторон выравнивает отверждение по толщине. На крупных панно для этого ставят две лампы либо переворачивают изделие. Также еще есть вариант установки напротив лампы зеркала, от которого будет облучаться другая сторона изделия. 

Источники 395 нм

Диапазон выбран не случайно. Плёнку почти всегда подкрашивают, а красочный слой поглощает ультрафиолет тем сильнее, чем короче волна. На 395 нм пигмент мешает меньше, и плёнка прорабатывается равномерно даже при плотном цвете.

Цвет и эффекты

Прозрачная плёнка – это основа. Основную выразительность даёт то, что в неё вводят.

Пигментные пасты

Пигментные пасты задают цвет и имитируют цветное витражное стекло. Правила ввода:

• До 5 % по массе. Верхняя граница не условность: выше начинаются проблемы с отверждением в глубине.
• Начинать с десятых долей процента. Плёнка тонкая и работает на просвет, поэтому цвет в ней проявляется сильнее, чем в объёмной заливке. Доля, которая в молде дала бы лёгкий оттенок, в плёнке даст насыщенный цвет.
• Перемешивать медленно. Пузырь в тонкой плёнке заметнее, чем в толстой детали, и вывести его сложнее.
• Подбирать на пробной ячейке. Готовую плёнку из контура не извлечь, не повредив изделие.

Декоративные пигменты

Ограничение, общее для всех непрозрачных добавок: они мешают ультрафиолету доходить до глубины. В тонкой плёнке это не так критично, как в объёмной заливке, но при плотном цвете выдержку увеличивают, а засветку с двух сторон делают обязательно.

Подробно о поведении пигментов в УФ-составах – в статье «Пигменты в УФ-отверждаемых покрытиях».

Расчёты

Расход на изделие

V = S × h, где S – суммарная площадь ячеек, h – толщина плёнки.

Расход в этой технике ничтожен, и экономия материала здесь не тема для обсуждения. Значение имеет другое – повторяемость толщины: именно от неё зависит, будут ли изделия серии выглядеть одинаково.

Доза облучения

H = E × t, где E – облучённость на поверхности, t – время. При двусторонней засветке каждая сторона получает свою дозу, и складывать их напрямую нельзя: излучение ослабевает по толщине, и середина плёнки прорабатывается вкладом с обеих сторон.

Облучённость падает пропорционально квадрату расстояния:

E₂ = E₁ (r₁ / r₂)²

Для мелкой работы фонарь держат близко, и доза набирается за секунды. Для панно источник отодвигают, чтобы пятно перекрыло изделие целиком, и выдержку увеличивают пропорционально.

Частые ошибки

• Держат контур вертикально. Плёнка утончается сверху и утолщается снизу, а в крупной ячейке рвётся. Положение только горизонтальное.
• Берут маловязкую смолу. В ячейке больше пары миллиметров она провисает и стекает до засветки.
• Берут состав с липким слоем. В плёнке воздух действует с обеих сторон, липкой оказывается вся толщина, и протереть её невозможно.
• Светят с одной стороны. Обратная сторона получает меньшую дозу и полноценное ингибирование.
• Работают по разомкнутому контуру. Плёнке не за что держаться, состав стекает.
• Не снимают флюс с припоя. Остатки мешают и смачиванию, и сцеплению по периметру.
• Клеят на полированный металл без подготовки. Сцепление с металлом и так механическое, а на полировке зацепиться не за что.
• Перебирают с пигментом. Выше 5 % по массе страдает отверждение, а в тонкой плёнке цвет и так проявляется сильнее, чем в заливке.
• Вынимают контур из смолы рывками. Толщина плёнки зависит от скорости извлечения, и в серии изделия выйдут разными.
• Перемешивают пигмент резко. Пузырь в тонкой плёнке виден насквозь и не выводится.
• Подбирают цвет прямо в изделии. Отверждённую плёнку из контура не извлечь, не испортив работу.
• Берут крупный глиттер. В плёнке 0,1–0,2 мм частица торчит из поверхности и цепляется.

Почему нужно применять УФ-смолы «Спектр»?

НИПГ «Спектр» с 2005 года разрабатывает и производит УФ-отверждаемые материалы. Под эту технику рассчитана УФ-смола V301: вязкость 3000 мПа·с, высокое поверхностное натяжение, твёрдость 65 по Шору D, усадка 0,01 % и отверждение без липкого слоя. В линейке смол у неё своя ниша: R1 и R2 рассчитаны на покрытия и заливку в молды, R7 – на крупные объёмные линзы, R5 – на гибкие соединения, а V301 – именно на плёнки без подложки.

Цвет и эффекты дают красители и пигменты, источники подбираются по размеру изделия – от фонаря на батарейках до линейной лампы. Весь ассортимент – в разделах УФ-смолы и УФ-лампы.

Часто задаваемые вопросы

Что такое техника «Витраль»?
Приём, при котором внутри замкнутого металлического контура формируют тонкую плёнку из УФ-смолы и отверждают её на месте, вместо того чтобы вырезать и вставлять кусочки стекла. Плёнку удерживает поверхностное натяжение. Тем же способом делают не только витражи, но и крылышки рыболовных мушек, лепестки цветов, филигрань и крылья насекомых.

Какая смола нужна?
V301: вязкость 3000 мПа·с, высокое поверхностное натяжение и отверждение без липкого слоя. Последнее здесь решающее: плёнку касается воздух с обеих сторон, и состав с липким слоем остался бы липким по всей толщине.

Почему обычная смола не подходит?
По двум причинам. Маловязкая провисает и стекает из ячейки до засветки. А состав, дающий липкий слой, в тонкой плёнке даёт его с обеих сторон: при толщине 100 мкм и ингибированном слое 10–20 мкм затронуто от 20 до 40 % толщины, и протереть такую плёнку невозможно.

Какого размера ячейку можно заполнить?
Мелкие ячейки до 2–3 мм держат плёнку за счёт одного лишь поверхностного натяжения. Крупные держатся за счёт вязкости: 3000 мПа·с замедляют стекание настолько, что времени до засветки хватает. Предел зависит от формы ячейки и от того, насколько быстро вы успеваете отсветить.

Почему контур нужно держать горизонтально?
Потому что в вертикальном положении сила тяжести работает вдоль плёнки: она утончается сверху и утолщается снизу, а в крупной ячейке рвётся. Соотношение натяжения и тяжести задаёт капиллярная длина, для этой смолы она около 1,9 мм.

Как управлять толщиной плёнки?
При погружном способе – скоростью извлечения контура: чем быстрее вынимаете, тем толще плёнка. Зависимость нелинейная, вдвое быстрее даёт примерно в 1,6 раза толще. В серии скорость выдерживают одинаковой, иначе изделия получатся разной толщины и разного оттенка.

Обязательно ли облучать с двух сторон?
Да. Кислород действует с обеих поверхностей плёнки, а сторона, обращённая от лампы, получает вдобавок меньшую дозу. Двустороннее облучение выравнивает отверждение по толщине. На крупных панно ставят две лампы либо переворачивают изделие.

Какую лампу выбрать?
395 нм, мощность по размеру изделия: фонарь 1 Вт для филиграни и мушек, 3 Вт для украшений и небольших серий, лампа 15 Вт для стационарной работы, линейные лампы 30 и 56 см для панно. Диапазон 395 нм выбран потому, что пигмент в плёнке поглощает коротковолновое излучение сильнее.

Сколько пигмента добавлять?
До 5 % по массе, а начинать с десятых долей процента. Плёнка тонкая и работает на просвет, поэтому цвет в ней проявляется заметно сильнее, чем в объёмной заливке: доля, дающая в молде лёгкий оттенок, в плёнке даст насыщенный цвет.

Какие эффекты можно получить?
Перламутровые пигменты дают мягкий перелив, зеркальные – металлический блеск, флуоресцентные светятся под ультрафиолетом, люминофоры дают послесвечение в темноте, термохромные меняют цвет от тепла, фотохромные проявляются на солнце, «хамелеон» меняет оттенок от угла обзора. Глиттеры берут мелкой фракции: крупная в плёнке 0,1–0,2 мм торчит из поверхности.

Держится ли плёнка на металлическом контуре?
Держится, но сцепление с металлом механическое и слабее, чем с пластиком: у полимера нет химического сродства к металлу, он зацепляется за микрорельеф. Поэтому полированный контур матируют, а при высоких требованиях применяют силановый праймер.

Нужно ли протирать изделие после засветки?
Нет. V301 отверждается без внешнего липкого слоя, и плёнка выходит из-под лампы готовой к использованию.

Обращайтесь, если необходима помощь с подбором состава под конкретную задачу – детально проконсультируем по возникшим вопросам.

E-mail: market@nipg.ru
Тел.: +7 (831) 414-01-71, 8 (800) 600-76-32
Мессенджеры: WhatsApp, Telegram, МАХ

Материал подготовлен техническим специалистом ООО НИПГ «Спектр». При полном или частичном копировании материалов ссылка на источник обязательна.