Описание способа обработки природных изумрудов, и камнесамоцветного сырья, применяемого ИП Боголюбовым В.И.

Обзор

Во всем мире и в России, в частности, изумруды обрабатываются двумя основными способами. Камни либо пропитываются различными составами для скрытия трещин и дефектов, либо этого не делается.

Причем автор за последние несколько лет на всемирных ярмарках в Бангкоке не встретил ни одного изумруда позиционируемого продавцом как не подвергшийся пропитке тем или иным составом.

Способов пропитки (заполнение трещин и полостей в камне) существует множество. Но все многообразие можно свести к нескольким стандартным приемам:

1. различные методы предварительной очистки трещин, а именно извлечение включенных минералов, технологических загрязнений и т.д.;

2. вакуумирование , либо иные способы извлечения газов, заполняющих трещины; это может быть растворение газов в промежуточных растворителях (спирт, ацетон, эфир и т.п.), нагрев в пропитывающем составе, во время которого газы расширяясь выходят, а их место, при охлаждении, заполняет пропитывающий состав, или комбинация этих способов;

3. заполнение трещин пропитывающем составом при атмосферном давлении (для составов с очень низкой вязкостью и высокой смачиваемостью) или под давлением;

4. отверждение составов: либо в объеме (эфиры метакриловой кислоты, стирола и т.п.), либо тонкого слоя снаружи (эпоксидные смолы «Оптикон» и подобные).

Технические характеристики различных заполнителей отличаются значительно, но можно выделить общие особенности:

1. практически все масла и природные смолы со временем высыхают, либо вытекают, что приводит к потускнению камня. Трещины становятся белесые, либо белые непрозрачные. Этот недостаток частично можно маскировать осторожным нагревом (особенно эффективно для природных смол (кедровая, пихтовая и т.д.)). Но действует этот метод только несколько раз и каждый раз качество ухудшается из-за остающихся в объеме смолы пузырьков воздуха. Кроме того, если в камне не смола, а например полиметилметакрилат (оргстекло), то камень будет просто испорчен, вплоть до разрушения выделяющимися газами;

2. эпоксидные смолы и сополимеры эфиров стирола, метакриловой кислоты и т.д. к сожалению, не выдерживают даже умеренного нагрева до температур ~ 800 град. С-1150 град. С. У них начинается сильное газовыделение, что приводит к помутнению камня, а иногда к его разрушению. Разовый нагрев «Оптикона» внешне может быть почти не заметен, но наружный отвержденный тонкий слой при этом разрушается. В результате смола легко вымывается органическими растворителями, либо вытекает и высыхает;

3. реакция практически всех известных заполнителей с органическими растворителями приводит к растворению заполнителей и освобождению трещин. Причем растворителями могут выступать самые обычные «бытовые» реактивы, такие как : спирты, кетоны (ацетон), эфиры, керосин, скипидар, бензин, моющие средства со свободным хлором или кислородом («Ферри», стиральные порошки и т.д.), растворители для лаков и красок и многое другое;

4. практически все составы не склеивают камень по трещинам, а лишь заполняют сами трещины. В результате камень, имея трещины, потенциально менее стоек, но закрепщик и владелец не могут адекватно с ним обращаться, не видя реальных дефектов.;

5. коэффициенты преломления заполнителей редко достигают значения 1,54, а чаще находятся еще ниже. Этого явно недостаточно для изумруда.

Выводы по обзору можно сделать следующие :

1. 100% изумрудов на мировом рынке – это камни с заполненными трещинами. Исключения крайне редки;

2. заполнители очень не стойки, даже к обычным условиям эксплуатации: умеренная температура, влажность, ультрафиолет, условия чистки и т.д.;

3. дефекты, могущие привести к разрушению камня, не только не устраняются, но и становятся опаснее будучи замаскированными;

4. неремонтопригодность пропитанных камней из-за нестойкости к температуре и замаскированности дефектов.

Для ремонта необходимо сначала полностью освобождать камень от прежней пропитки, что уже представляет непростую техническую задачу. Потом принять решение о принципиальной возможности ремонта, после которого надо камень заново пропитывать. Причем новый состав может не сочетаться с остатками старого, что приведет к неустранимому браку, т.е. к потере камня.

Описание обработки изумрудов, применяемой ИП Боголюбовым В.И.

Поставка   задачи

Автором в течение ~ 15 лет проводились работы по созданию пропитывающих и проклеивающих составов для различных минералов. Целью работ являлось повышение качественных и коммерческих характеристик минеров.

В качестве определяющих характеристик пропитывающих составов были выделены следующие :

1) коэффициент преломления должен максимально точно соответствовать выбранному минералу (среднее между min и max для анизатропных минералов и точно соответствовать коэффициенту преломления изотпропных);

2) составы должны быть стойкими в условиях эксплуатации: освещенность, ультрафиолет, вода, растворители, моющие средства, температура;

3) состав должен быть клеем с хорошей адгезией для упрочнения дефектов, а не для их «косметического» скрытия;

4) так как невозможно подобрать минеральный состав заполнителя точно соответствующий по своим физическим характеристикам заполняемому кристаллу (например коэффициент линейного термического расширения анизотропного кристалла различен в разных направлениях, а у изотропных стекол он постоянен, что при колебании температуры приводит к медленному разрушению по границе контакта), в качестве заполнителя исследовались различные органические (углерод либо кремний – органика) составы;

5) проклеенный камень должен быть ремонтопригоден.

2.2. Описание свойств пропитывающего состава для изумрудов.

В результате патентных поисков и собственных экспериментов была найдена комбинация полимеров со следующими свойствами :

1) коэффициент преломления = 1,59;

2) температурная стойкость > 2700С без следов газовыделения и диструкции;

3) адгезия к изумруду > 450 кГс/см2;

4) усилие на разрыв клеевогошва > 450 кГс/см2;

5) нерастворимость в воде, кетонах, спиртах, ароматических углеводородах (бензол, толуол), стойкость к перекисным соединениям (перекись водорода, трет – бутилпероксид - компонент стиральных порошков с активным кислородом) в органических и разбавленных минеральных кислотах и основаниях;

6) стойкость к ультрафиолету;

7) стойкость к пониженным

температурам до – 500 град. С;

8) Текучесть, позволяющая проникать в самые тонкие капилляры;

9) Растворимость. во многих органических растворителях в неполимеризованном состоянии, что позволяет контролировать весь процесс пропитки и, при необходимости «отыграть» назад;

10) Прозрачность.

Для синтезированного состава был разработан процесс проклейки, включающий в себя следующие операции:

1. вскрытие трещин на кристаллах, разборка кристаллов по «живым» трещинам;

2. очистка сырья от органики и иных загрязнителей;

3. вакуумирование;

4. пропитка сырья полимером под давлением и с повышенной температурой;

5. полимеризация (может быть совмещена с пропиткой).

При дальнейшей обработке по мере вскрытия внутренних незаполненных трещин этот цикл повторяется.

Этот же цикл повторяется в качестве финишной операции после огранки камня.

Описание результатов применение технологии.

Основных результатов – четыре:

1) Увеличение прозрачности.

2) Усиление цвета.

3) Упрочнение камня.

4) Увеличение выхода готовых вставок (как линейных размеров, так и суммарного веса).

Опишем вкратце каждый из них:

Увеличение прозрачности – это следствие увеличения длины пути беспрепятственного прохождения света через камень – см. рис.1. При заполнении трещин А, Б, В прозрачным клеем с коэффициентом преломления, равным коэффициенту преломления камня, весь объем камня (за исключением включений, которые не могут быть заполнены, а именно – пузыри, посторонние минералы и т.д.) становится оптически однородным, т.е. прозрачным.

Рис. 1.

Усиление цвета не связано ни в коем случае с применением красителей. Данный эффект также поясняется рис.1. Луч света возвращается из камня, отразившись не от ближайшей трещины А, а от противоположного края камня. В результате суммарный путь света через камень становится значительно длиннее и во столько же раз усиливается цвет камня.
По поводу упрочнения необходимо отметить следующее: трещины в камнях не появляются просто так. Это всегда результат действия внутренних напряжений, вызванных неоднородностью кристалла, посторонними включениями и иными причинами внутреннего характера. Только в редких случаях причиной является внешнее воздействие (удар). Внутреннее напряжение, разрывая камень, делает это с усилием большим, чем прочность камня. Разорвав камень и образовав трещину, напряжение снимается. Но снимается только та часть напряжения, которая больше прочности камня, а напряжения, равные прочности камня и меньшие остаются в кристалле. В результате устанавливается равновесие между напряжением в кристалле и прочностью кристалла. В этих условиях достаточно незначительного внешнего воздействия, усиливающего напряжение, чтобы разрушение было продолжено, т.е. трещина увеличилась. Если же образовавшуюся трещину заполнить клеем с прочностью (на разрыв и на отрыв от поверхности трещины), значительно превышающей прочность камня, то, чтобы разрушить камень, нужно приложить усилие большее усилия разрушения камня. В итоге имеем следующую картину: если к непроклеенному камню для его разрушения достаточно приложить совсем небольшое усилие, а остальное доделают остаточные напряжения в камне, то в проклеенном камне остаточные напряжения нейтрализованы клеем, заполнившим трещины камня и не позволяющим внешним усилиям складываться с внутренними напряжениями. Данный эффект позволяет работать с изумрудом так же, как с любым не напря-женным камнем.

Например, при закрепке проклеенные изумруды ломаются крайне редко (за шесть лет - 2-3 случая). И, кроме того, из проклеенных камней можно вырезать любые фигурки, камеи, геммы с любым качеством проработки самых мелких деталей, на какое только способен резчик (см. фото 1,2). Художественная резьба по изумруду – это практический результат применения разработанной мною технологии проклейки, которого до сих пор никто в мире не достиг.

Фото 1.

Фото 2.

Выход готовых вставок возрастает по следующей причине: непроклеенный камень перед огранкой разбирают по трещинам. И чем большее количество трещин в сырье, тем большее количество кусков (обломков) сырья получается. Суммарная площадь их поверхности при этом возрастает пропорционально квадрату количества обломков. А в проклеенном виде – это один целый кусок сырья, и площадь его поверхности – минимальна. Если принять, что в процессе огранки любого куска с его поверхности сошлифовывается одинаковая толщина, то, перемножив площадь поверхности на толщину – получим объем безвозвратных потерь. Так как суммарная поверхность разобранных по трещинам обломков больше поверхности исходного куска – то объем безвозвратных потерь тоже больше. Это при условии. Что все обломки годятся в огранку, что далеко не так: часть обломков просто не пригодна для огранки, и это так же увеличивает потери.

Сумма четырех основных эффектов дает следующий результат:

После проклейки разработанным мною составом значительно (на 1 - 2 единицы) повышаются цветовые и качественные характеристики вставок (за счет увеличения прозрачности и линейных размеров готовых вставок). При этом также возрастают средний вес и размеры обработанных вставок. Ограничены они только весом и размером исходного сырья.
Т.е изготовление вставок в сотни карат становится вполне доступным делом. Кроме того, сырье, ранее классифицированное по действующему ТУ как «зеленый берилл», после проклейки может быть определено как «изумруд» за счет улучшения качественно-цветовых характеристик. Разработана также технология обработки низкокачественного берилла, включающая в себя высокотемпературный нагрев сырья и последующую проклейку, что дает на выходе камни с ярким «лунным» эффектом. Данная технология , примененная к несортовому аквамарину, дает многократное усиление цвета за счет отжига (без проклейки отжиг приводит к разрушению камня, без отжига камень имеет бледный невыразительный цвет) и вводит в ювелирный оборот практически неограниченное количество (с учетом запасов Забайкалья) аквамарина.

Кроме того технология позволяет работать с такими камнями как турмалины (только в Забайкалье количество проявлений и месторождений от сотен до тысяч, главный недостаток – дефектность, не позволяющая что-либо из них сделать), «солнечный камень» - очень красивая ювелирная разновидность полевого шпата (месторождения на южном Урале, большое количество трещин не позволяет изготавливать ювелирные вставки), празем- разновидность кварцевого кошачьего глаза, месторождения на среднем Урале, и многие, многие другие.

Экономические результаты

Затраты на оборудование зависят от масштаба производства, размеров исходного сырья, названия исходного сырья и т.д. На небольшое предприятие на двух- трех человек, занимающееся только проклейкой, стоимость оборудования может составлять менее 10.000 долларов США, на небольшое предприятие на десять-двадцать человек, проклеивающих и обрабатывающих камни, затраты могут быть до 250.000 долларов США, остальное полимер, зарплата и исходное сырье.

Стоимость полимера для дорогих камней, например изумруда, порядка пяти – шести долларов США за грамм. Более дешевые варианты для дешевых камней – до 0,5 долларов США за грамм.

Затраты полимера на один килограмм сырья около 0,35-0,5 килограмма, т.е. проклейка одного килограмма дешевого сырья обходится 170-250 долларов США. Получается, что за 200-300 долларов США возможно получить килограмм камнесамоцветного сырья великолепного качества с выходом готовой продукции (кабошоны, бусы и т.д.) 30-40%. Стоимость сравнимого по качеству сырья аквамарина на мировом рынке в 5-10 раз выше и при этом выход годного – 3-10%, т.е. разница в цене в 50 раз.

Применение технологии проклейки к изумрудам дает следующие результаты : все затраты по облагораживанию на один грамм не более 5 долларов США на грамм, при этом цветовые и качественные характеристики (одновременно) улучшаются на 2-3 единицы, по ТУ ГОХРАНа. Т.е. часть 3-его сорта становится 2-ым и даже 1-ым, и часть 3-его и 2-го цвета переходит во 2 и 1 цвет. Точные проценты, сколько сырья каким станет, сказать заранее нельзя. Это всегда зависит от конкретного сырья. Но определенная статистика на моем производстве наработана. Около 50% камней улучшают качество вверх на единицу, и около 5-10% на две единицы. По цвету: третий цвет усиливается и приблизительно 10-15% переходит во второй, из второго цвета до 40% переходит в первый. Незначительная часть третьего цвета, и даже бериллов, может перейти во второй, и даже первый цвет. Это те области камня, которые изначально были закрыты мутной «рубашкой» или прикрыты сопутствующими минералами, а благодаря проклейке вскрылись. К тому же, слишком большая разница в цвете в подобном сырье создает по границе перехода цвета сильные напряжения и, как следствие, трещины в кристалле, поэтому без проклейки такие камни обычно не пригодны к работе. Выход годного на моем предприятии около 12% . Для сравнения в «Малышевском Рудоуправлении» и «Изумрудных Копях Урала» - от 1,5 до 2,5%, в «Эмурале» на отборнейшем сырье с применением высокотехнологичных ограночных роботов до 7%.

Если цифры усреднить, то имеем: улучшение на одну единицу цвета или качества увеличивает цену сырья приблизительно в пять раз. Если в среднем 50% камней улучшают качество на единицу, то сырье становится дороже в 3 раза. Если, кроме того, 20% камней улучшают цвет на единицу, то они становятся дороже еще в 1,8 раза. Выход годного увеличивается примерно в 5 раз. Итого в 3,0 х 1,8 х 5,0= 27 раз увеличивается стоимость готовой продукции. Кроме того, за счет увеличения размеров готовой продукции также возрастает цена, примерно в пять раз. Итого увеличение стоимости готовой продукции в 135 раз. В реальности эта цифра еще значительно выше. За счет вовлечения в оборот ранее не использовавшегося низкосортного сырья, части сырья улучшевшего свои характеристики на две единицы и возможности массового получения готовых камней весом значительно более 5 карат (до 300).

В результате на фоне постоянного дефицита изумрудов на мировом рынке (в учебно-методических материалах GIA на эту тему прямо говорится, что без различных методов пропитки и облагораживания мирового рынка изумрудов просто бы не существовало), учитывая запасы месторождений на Урале (только в радиусе 15 км от поселка Малышева – 17 месторождений). Россия легко может превратиться в мирового лидера по производству изумрудов.

  Недостатки метода

К отрицательным моментам предлагаемой технологии следует отнести следующее: данный полимер в присутствии влаги химически взаимодействует с одним из вторичных минералов, предположительно бавенитом, присутствующих в кристаллах с месторождений Урала. Это приводит к вспучиванию и разрыванию на части проклеенного кристалла. Среди сырья высших сортов подобных камней практически не встречается ( менее 0,1% ). Для сырья низших сортов данная проблема стоит более остро. Доля низкосортных кристаллов заражённых этим минералом может составлять до 15%. Но это то сырьё, которое без проклейки использовать невозможно, а в разрушенном виде получаются прекрасные проклеенные куски. Кипячение в воде в течение нескольких часов выявляет все проблемные камни.

  Выводы

В связи с необходимостью борьбы с кризисом, а собственно по этому поводу данная записка и написана, важные следствия из возможности применения данной технологии следующие;

С одной стороны себестоимость готовой продукции ( кабошоны, бусины, огранённые камни ) понижается вплоть до стоимости синтетических камней, что необычайно расширяет рынок сбыта.

С другой стороны вовлечение в ювелирный оборот больших объёмов несортового цветного камня создаёт большое количество рабочих мест.

Отсутствие аналогичной технологии за рубежом позволит немалую часть продукции экспортировать. Определённый интерес проявлен в Индии, Таиланде и Южной Америке.

Но необходимо определиться для чего, для какой конечной цели применять и развивать данную технологию. Если для обогащения одной конкретной компании – ни к чему всё это писать и огород городить. Если же для развития рабочих мест – то возникает чисто русская проблема не имеющая аналогов за рубежом. Это полная недоступность недр для частных лиц и контроль оборота драгкамней ( 191 статья УК ).

Дело в том, что в свободном и законном обороте в России в данный момент находятся тонны ( возможно десятки тонн ) рудоразборного, в том числе зелёного, берилла. При совершенно неопределённых прогнозах по качеству и цвету результатов облагораживания бериллов ( не изумрудов, но могущих ими стать ), возникает проблема декларации этих результатов, учёта, законности владения и оборота. Автору, например, удалось из рудоразборного берилла, проверенного контролёрами за 20 лет неоднократно, выделять ювелирные изумруды различного качества ( о чём имеются акты ). При очень высокой химической и температурной стойкости полимера возможности освободить проклеенный им камень очень ограничены: это высокотемпературный отжиг по длительной и точной программе, в результате которого проклеенный камень частично теряет цвет и качество. Экспертная оценка полученного отжигом «исходного» сырья крайне затруднена, что превращает попытку применения 191 статьи УК в просто волюнтаристский акт, основанный на настроении, либо предвзятом мнении судьи. Рекомендации Пробирной палаты этих проблем не решают и даже не предполагают попыток их решения. А ведь данная технология это только начало, пусть и уникальное по качеству результатов, пути по которому весь мир ушёл уже очень далеко. Даже у автора этой записки есть ещё масса наработок в этой области; от высокотемпературной обработки и пропитки корундов, до получения компаундов с заданными наперёд свойствами при помощи модификации полимеров (не обязательно углеродных) наноразмерными кластерами галогенидов тяжёлых металлов.

При возрастании количества людей занятых переработкой камнесамоцветного сырья возрастает и количество попыток его облагораживания. Не думаю, что простые запреты и уголовное преследование смогут эти проблемы разрешить. Просто те же самые рабочие места будут создаваться за границей, ведь низкосортное сырьё вывозить не запрещено.

Автор видел несколько сейфовых комнат в Джайпуре забитых до отказа тоннами Уральских изумрудов, купленных по 0,19-0,60 $/грамм. Целый регион России много лет мог бы гранить эти камни, и изготавливать из них ювелирку, и неплохо зарабатывать, и хорошо жить. Сейчас всё это делают индусы.

И отдельно хотелось бы добавить пару слов по поводу рассуждений о «ненужности и аморальности производства предметов роскоши во время кризиса». Кризис называют кризисом ликвидности т. е. нежелания людей тратить деньги. А ведь предметы «роскоши» как раз и являются механизмом возврата денег в экономику. И возвращают эти деньги в экономику люди совсем не в силу культурных традиций, воспитания и прочих влияний внешней среды. На земле нет ни одного самого мелкого и дикого племени представители которого не украшали бы себя. Просто каждый мужчина на Земле мечтает убить мамонта. А каждая женщина мечтает выйти замуж за мужчину убившего мамонта. И чтобы отвлечь мужчину от настоящего дела нужно очень яркое пятно. Это забито в наши гены задолго до появления первого человека на земле. Так что ювелирная промышленность удовлетворяет одну из древнейших, базовых и генетически заданных потребностей человека.