Особенности создания декоративных инфракрасных обогревателей с токопроводящим покрытием на основе графита

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена технологии создания дизайнерских инфракрасных обогревателей. Рассмотрены варианты нанесения декоративного покрытия, с помощью автоматизированных средств и способом ручной росписи. Приведены результаты эксперимента по определению особенностей работы декоративных покрытий в составе инфракрасного обогревателя.

ABSTRACT

The article is dedicated to creation technology of designer infrared heaters. Varieties of decorative coating applying, by using of automated means and hand painting method are discussed. The experiment results of decorative coatings work characteristic features for infrared heaters are presented.

Современные тенденции в мире дизайна оказывают огромное влияние на потребности пользователей, вызывая растущий интерес к уникальным и нестандартным решениям элементов интерьера. Спрос на индивидуальность и оригинальность, а также, потребность в создании комфортного и мягкого отопления жилых и офисных пространств формирует новые ценностные характеристики приборов.

В настоящее время дизайн отопительных приборов считается достаточно молодым направлением в отрасли [3]. Оригинальность и комфорт, которые могут привносить такие современные обогреватели в пространство интерьера – неоценимы. Современное направление дизайнерского отопления – это быстро развивающаяся и очень перспективная отрасль с широкими возможностями создания уникального обогревателя для каждого клиента с учетом его пожеланий и возможностей. Эстетический аспект постепенно выходит на одну позицию с эксплуатационными характеристиками и уровнем теплоотдачи обогревателя [1]. Дизайнерский обогреватель сразу же обращает на себя внимание, вызывает удивление, восхищение и воспринимается как произведение искусства. Отопительные приборы становятся не похожи на стандартные и являются элементом проявления индивидуального и изысканного вкуса в дизайне интерьера. Уникальное индивидуальное дизайнерское решение – это залог рыночного успеха изделия.

На рынке все активнее заявляют о себе инфракрасные отопительные устройства. Они действуют подобно солнцу, которое излучает в основном не свет, а тепловые — инфракрасные (ИК) волны. Они свободно проходят сквозь воздух, не повышая его температуры, но поглощаются находящимися в их зоне действия предметами. В случае солнца — это поверхность земли и океана, в случае ИК обогревателей – стены, потолок, пол, мебель квартиры или дома, которые потом отдают тепло в окружающее пространство. Процесс обогрева при этом идет очень быстро и с минимальными затратами электроэнергии. По подсчетам специалистов, ИК обогреватели почти на 20% экономичнее прочих отопительных устройств, а их КПД составляет не менее 80%. Применять их можно практически везде – в городских квартирах и загородных домах, общественных учреждениях (кафе и рестораны, детские сады и школы, спортзалы и бассейны) и т.д. [2]. Стандартные конструкции отопления не красят помещение, поэтому их стараются всячески декорировать, что может приводить к потерям тепла (приблизительно 25 % номинального тепла) [3], возникновению пожароопасных ситуаций и выходу из строя прибора.

На основе анализа конструкций современных ИК обогревателей основных производителей, как в России, так и за рубежом, была разработана, так называемая, «послойная» конструкция прибора, позволяющая создавать декоративные инфракрасные обогреватели. Они отличаются оригинальностью форм и разнообразием исполнений, хорошо вписываются в интерьер, как на этапе проектирования, так и в готовое помещение. Для токопроводящего покрытия был разработан состав на основе графита и других экологически чистых веществ. Использование основы без декоративного покрытия показывает хорошие результаты, так как состав обладает хорошей адгезией с базовой основой и зависимость характеристик установлена. При нанесении декоративного покрытия на стекло вводится дополнительный слой, который обладает определенными свойствами, что влечет за собой изменение характеристик всего прибора. В связи с этим, была выявлена необходимость проведения исследований материалов и их взаимодействия в составе декоративного покрытия и разработке принципиально новой структурной схемы обогревателя.

Устройство ИК обогревателя, «послойной» конструкции можно упрощено описать следующем образом: на основание, которое выступает в роли декоративного элемента, наносится токопроводящее покрытие, которое покрывается защитным слоем, и устанавливаются термодатчики. С задней стороны весь прибор закрывается теплоизоляционной стенкой. В качестве декоративной основы могут использоваться такие материалы, как закаленное стекло, мрамор, керамика и т.д. Конструкция позволяет наносить на стекло практически любое изображение или роспись.

Рисунок 1 – Структурная схема декоративного ИК обогревателя

Рисунок 2 – Примеры изображений на стеклянной основе

В конструкции обогревателя применяются недорогие, доступные и, высокоэффективные для данной задачи, материалы, обладающие высоким коэффициентом преобразования электрической энергии при низких температурах и не требующие высокотехнологичного оборудования, в отличии от современных изделий. Большие возможности по декоративному оформлению обогревателя, с использованием современных красочных материалов для ручной росписи и методов фотопечати, создают широкий спектр применения готового изделия в интерьере.

Рисунок 3 – Применение в интерьере

Рисунок 4 – Применение в интерьере

Отсутствие необходимости работы с высокотехнологичным оборудованием позволяет работать с такими материалами, как искусственный камень, мрамор, агломерат и керамика.

Рисунок 5 – Примеры каменных основ – мрамор и кварцевый агломерат

Рисунок 6 – Применение в интерьере

Токопроводящее покрытие изготовляется с применением экологически чистых материалов, излучение которых наиболее близко по спектру и длине волны к естественному инфракрасному излучению. К таким материалам относятся: стекло, сажа, керамика, графит и др.

Рисунок 7 – Фото основы с оборотной стороны

Наиболее оптимальным основанием, для декоративного оформления, служит закаленное стекло толщиной от 5 до 10 мм, на которое наносится изображение способом ручной росписи или методом фотопечати. В качестве основных требований, предъявляемых к декоративному покрытию необходимо выделить следующие:

• устойчивость покрытия к температурному нагреву до 120°С;
• устойчивость к циклическому перепаду температур;
• отсутствие в составе веществ, испаряющихся при нагреве;
• хорошая адгезия со стеклом;
• устойчивость в условиях повышенной влажности.

Современное развитие технологий и художественного ремесла позволяет нанести декоративное покрытие на стекло, отвечающее поставленным требованиям, двумя основными способами: методом фотопечати и способом ручной росписи.

Нанесение полноцветных изображений на поверхность стекла методом фотопечати позволяет максимально персонализировать изделие в соответствии с пожеланиями заказчика. Выбор изображения для нанесения на стекло ограничивается лишь воображением клиента или дизайнера. Фотографическая точность изображения, наносимого методом фотопечати, дает возможность реализовать на стекле любые, в том числе портретные, изображения.

Из имеющихся способов печати на стекле наибольшее распространение получили: ультрафиолетовая печать (УФ), печать экосольвентными чернилами и покраска керамическими красками.

УФ-печать представляет собой нанесение изображения на поверхность специальными УФ-отверждаемыми чернилами, полимеризующимися под воздействием УФ-ламп или УФ-светодиодов. В отличие от других видов печати, технология УФ-печати позволяет работать с любыми поверхностями, твердыми или гибкими, в том числе рельефными, прозрачными или бесцветными.

Рисунок 8– Пример изображения, нанесенного методом УФ печати

Экосольвентные чернила позиционируется производителями как наиболее безопасные во всей группе сольвентных чернил. Качество картинки на любой печатной продукции неизменно высокое, разрешение изображения может достигать 1440 точек на дюйм. Конечно, здесь многое зависит от исходного дизайн- макета, качества фотографии и качества плоттеров.

К недостаткам можно отнести то, что отпечатки неустойчивы к абразивному воздействию и стираются под давлением. Для обеспечения устойчивости к истиранию поверх рисунка наносится слой белой полиуретановой краски. Существуют еще некоторые технологические особенности, которые становятся незначительными после высокотемпературного обжига в печи.

Рисунок 9 – Пример изображения, нанесенного с помощью экосольвентных красок

Технология печати на стекле керамическими красками – это новое слово в декорировании и создании уникальных интерьеров. На стекло керамическими красками наносятся нестираемые рисунки, близкие по качеству и точности к стандартному цифровому фото. Эти изображения способны выдержать механические повреждения, ультрафиолетовое излучение, реакцию на агрессивную среду. Основным элементом керамических красок является мелко измельченная стеклянная пудра, называемая фритом. Эта мелкодисперсная керамика спекается со стеклом при нагреве до температуры его размягчения в закалочных печах. Там она становится неотделимой частью стекла, что обеспечивает исключительные прочностные качества изображения, полученного керамическими красками. Температура для закаливания выбирается в зависимости от толщины стекла, средний режим порядка 650°С.

Однако, печать керамическими красками имеет не самое высокое качество и ограниченные размеры возможных основ. Применение, в основном, находят одноцветные стекла и узоры в виде разнообразных сплайнов. Степень прозрачности рисунка может значительно различаться, поскольку плотность нанесения чернил может изменяться.

Нанесение декоративного покрытия вручную позволяет создавать индивидуальный дизайн обогревателя с учетом пожеланий заказчика. Рисунок на стекле не только оживит интерьер и добавит ему оригинальности, но и станет тонким штрихом к портрету хозяина дома. Он может быть выполнен в самых разных техниках. На сегодняшний день возможно использование следующих красок:

• краски по стеклу и керамике Lefranc & Bourgeois "Glass & Tile", Франция;
• краска по керамике Pebeo Ceramic, Франция;
• витражные краски фирмы Pebeo серия Vitrail;
• Fantasy Prism «Калейдоскоп»;
• Fantasy Moon «Лунные фантазии»;

Для определения работоспособности декоративного покрытия, нанесенного различными способами, в составе ИК обогревателя, выявления особенностей взаимовлияния декоративного и токопроводящего покрытий, возможного изменения температурного режима работы обогревателя, были проведены экспериментальные работы. С этой целью были изготовлены следующие образцы:

№ 1. 500х500х5 мм без декоративного покрытия;

№ 2. 500х500х5 мм с печатью керамическими красками (черный цвет);

№ 3. 500х500х5 мм с печатью УФ красками;

№ 4. 500х500х5 мм с ручной росписью красками по стеклу и керамике Lefranc & Bourgeois "Glass & Tile", Франция;

№ 5. 500х500х5 мм с ручной росписью красками Pebeo Ceramic, Франция;

№ 6. 500х500х5 мм с ручной росписью красками Pebeo, серия Vitrail;

№ 7. 500х500х5 мм с ручной росписью красками Fantasy Prism «Калейдоскоп»;

№ 8. 1000х500х5 мм без декоративного покрытия;

№ 9. 1000х500х5 мм с фотопечатью экосольвентными чернилами.

                                   в                                                                                  г

Рисунок 10 – Лабораторные образцы:

а – без декоративного покрытия; б – печать керамическими красками;

в – печать экосольвентными чернилами; г – ручная роспись

На все образцы нанесено токопроводящее покрытие одинакового состава и установлены датчики, ограничивающие нагрев температуры поверхности более 85°С. Фотография распределения температуры по поверхности стекла, полученная с помощью визуального инфракрасного термометра, представлена ниже, на рисунке 11. Для получения более точных результатов влияния декоративного покрытия изначально было замерено сопротивление каждого образца. Результаты замеров приведены в таблице 1. Далее, проводилось измерение параметров обогревателя после 75 часов работы. Если образец необходимо было выключить, то ему давали остыть до комнатной температуры, включали питание и продолжали замеры после одного часа работы. Список параметров, которые контролировались в течение опыта, представлены в сводной таблице 1. График изменения температуры поверхности, при начале работы показан на рисунке 14.

Рисунок 11 – Распределение температуры на поверхности излучающего элемента

Таблица 1.

Результаты эксперимента

Как видно из таблицы, декоративное покрытие немного изменяет сопротивление токопроводящего слоя, следовательно, влияет и на мощность прибора. Керамические краски в наименьшей степени влияют на характеристики прибора, наибольшее влияние оказывают французские краски Pebeo Ceramic. Полученные результаты учтены, при разработке технологии для будущих изделий в виде поправочных коэффициентов. Состав будет рассчитываться на большую мощность, чем заявленная. Хотя, разброс мощностей не столь велик.

В процессе работы были выявлены некоторые особенности некоторых декоративных покрытий. При нанесении изображения способом ручной росписи нужно учитывать высокие неровности, которые возникают при работе художественным инструментом. Слишком острые и выступающие неровности служат концентраторами, в результате чего на их месте возникает локальный перегрев и разрушение стекла. Подобное произошло с образцом № 4, который был создан способом ручной росписи по стеклу красками Lefranc & Bourgeois "Glass & Tile"

Рисунок 12 – Место дефекта до разрушения

Декоративное покрытие образцов № 6 и 7 после 40 часов работы расплылось, после чего произошло короткое замыкание и разрушение образцов. Исходя из этого, мы заключили, что витражные краски Pebeo серии Vitrail, Fantasy Prism «Калейдоскоп» и Fantasy Moon «Лунные фантазии» не будут в дальнейшем использоваться при изготовлении декоративных ИК обогревателей.

Интересным оказалась работа образца с фотопечатью экосольвентными чернилами. По технологии печати, после изображения наносится слой защитной краски, которая обладает низким свойством адгезии. В результате, после 23 часов работы, токопроводящее покрытие начало отслаиваться от стеклянного основания. 

Рисунок 13 – Место отслаивания токопроводящего покрытия

Проанализировав технологию печати экосольветными чернилами, было решено заменить защитную полиуретановую краску на термостойкую акриловую. Печать УФ чернилами, также, требует покрытия декоративного слоя акриловой термостойкой краской, т.к. при непосредственном нанесении на нее токопроводящего покрытия некоторое время выделяется неприятный запах.

Рисунок 14 – Графики изменения температуры излучающей поверхности образцов

Как видно из рисунка, динамика нагрева у всех обогревателей практически одинакова. Поэтому, можно сделать вывод, что, не смотря на изменение сопротивления, декоративное покрытие слабо влияет на скорость нагрева излучающей поверхности.

Таким образом, можно заключить, что для нанесения декоративного покрытия на стекло, в составе ИК обогревателя, подходят: метод печати керамическими красками, УФ печать, печать экосольвентными чернилами и способы ручного нанесения изображений при помощи красок по стеклу и керамике Lefranc & Bourgeois "Glass & Tile" и по керамике Pebeo Ceramic, производства Франции. Приведенные способы дают широкий спектр возможностей для декорирования ИК обогревателей и создания индивидуального дизайна интерьера.