ЛЕКЦІЯ № 12. Властивості неметалічних матеріалів. Матеріалознавство

29.09.2015

ЛЕКЦІЯ № 12. Властивості неметалічних матеріалів

1. Неметалеві матеріали

Ще у другій половині XX ст. в нашій країні приділялася велика увага застосування неметалічних матеріалів в різних галузях промисловості і народного господарства в цілому. Було налагоджено і постійно нарощувалося виробництво самих різних неметалевих матеріалів: синтетичних смол і пластмас, синтетичних каучу—ків, замінюють натуральний каучук, високоякісних полімерів із заданими технічними характеристиками, включаючи армовані і наповнені пластмаси.

Пластичні маси і інші неметалеві матеріали володіють рядом чудових фізико—хімічних, механічних і технологічних властивостей, що зумовило їх широке поширення в різних галузях промисловості – машинобудуванні, електротехніці, електроніці та ін. Як конструкційний матеріал пластичні маси все більше витісняють дорогі метали. Застосування пластичних мас дає можливість постійно удосконалювати конструкції. Оснащення машин і обладнання, а також часткова комплектація різних вузлів дозволяють знизити їх масу, покращити надійність та довговічність роботи, підвищити продуктивність. Для виробництва пластмас потрібно в 2-3 рази менше капітальних вкладень, ніж для виробництва кольорових металів. Вихідними матеріалами для отримання пластичних мас служать дешеві продукти переробки кам’яного вугілля, нафти і природного газу. Пластмаси піддають армуванню для поліпшення механічних властивостей. Для виготовлення різних деталей, що працюють в механізмах тертя (ковзання) з невеликими навантаженнями і швидкостями, застосовуються такі неметалічні матеріали як антифрикційні полімерні та пластмасові матеріали. Ці матеріали володіють невеликим коефіцієнтом тертя, високою зносостійкістю, хімічною стійкістю, можуть працювати без змащення. Однак низька теплопровідність, значний (у десятки разів більше, ніж у металів) коефіцієнт термічного розширення, невелика твердість і висока податливість обмежують можливості їх широкого використання. Більш ефективно вони застосовуються в комбінації з іншими матеріалами, металами і пластмасами.

Крім того, в якості фрикційних неметалічних матеріалів застосовуються гальмівні ткані азбестові стрічки і фрикційні азбестові накладки – формовані, пресовані, ткані, картонно—бакелітові і спірально—навивні, які можуть експлуатуватися в усіх кліматичних зонах. Фрикційні азбестові накладки застосовуються для вузлів тертя автомобілів, літаків, тракторів, металоріжучих та текстильних верстатів, підйомно—транспортного обладнання та тепловозів. Ресурс таких неметалевих накладок, що працюють у вузлах тертя, досить високий. Наприклад, для автомобілів з дизелями він становить 6000 мотогодин, легкових автомобілів – 125 000 км, вантажних автомобілів – 75 000 км. Гальмівні ткані азбестові стрічки застосовуються як в гальмівних накладок і фрикційних вузлах машин і механізмів з поверхневою температурою тертя до 300 °C.

Неметалеві матеріали широко застосовуються в різних галузях промисловості і господарства в цілому.

2. Полімери: будова, полімеризація і поліконденсація, властивості

В даний час важко уявити собі медицину без полімерних систем для переливання крові, медичну апаратуру – без прозорих полімерних трубок, предмети догляду за хворими без гумових грілок, міхури для льоду і т. д. Значно збагатити асортимент матеріалів, застосовуваних у медицині, дозволили синтетичні полімери.

Полімери істотно відрізняються від металів і сплавів: їх молекули витягнуті в довгі ланцюжки, в результаті чого полімери мають високу молекулярну масу. Молекули полімерів отримують з вихідних низькомолекулярних продуктів – мономерів – полімеризацією і поліконденсацією. До полімерів поліконденсаційного типу відносяться фенолформальдегідні смоли, поліефіри, поліуретани, епоксидні смоли. До високомолекулярним сполукам полімеризаційного типу відносяться полівінілхлорид, поліетилен, полістирол, поліпропілен. Високополімерні і високомолекулярні сполуки є основою органічної природи – тварин і рослинних клітин, що складаються з білка.

Для виготовлення багатьох медичних виробів широко застосовують як полімерні матеріали, в основі яких лежить природна сировина, так і штучні – синтетичні і полімерні матеріали. З полімерних матеріалів природного походження виготовляють більшість перев’язувальних засобів: вату, марлю та вироби з них, алигнин, а також нитки шовних матеріалів (хірургічний шовк). Полімери є основою пластмас, що використовуються при виготовленні різних інструментів, частин медичної апаратури і обладнання.

Широке застосування в різних галузях промисловості і господарства в цілому знайшли такі полімери, як фенолформальдегідні рідкі і тверді смоли. Фенол—формальдегідні рідкі смоли резольного типу – продукт поліконденсації фенолу і формальдегіду в присутності каталізатора з добавкою модифікуючих і стабілізуючих речовин або без них – поставляються у вигляді однорідної прозорої рідини від червонувато—коричневого до темно—вишневого кольору з середньою густиною 1,2 г/см 3. Застосовуються при виробництві теплозвукоізоляційних виробів, фанери, деревостружкових і деревоволокнистих плит, абразивних інструментів на гнучкій основі, склопластиків, асботехничних і асбофрикционных виробів, углепласта для шахтних кріплень та ін Марки смол: СФЖ–303, СФЖ–305 і т. д.

Тверді фенолформальдегідні смоли новолачние і ре—зольного типів – продукти поліконденсації фенолів (або їх фракцій) та формальдегіду в присутності каталізатора з добавкою модифікуючих речовин або без них. Випускаються у вигляді порошку, лусочок і крихти. Застосовуються для одержання гумових сумішей, пресувальним мас, шаруватих пластиків, лакових струмопровідних суспензій, антикорозійних лакофарбових матеріалів і клеїв, в якості зв’язуючих для абразивних виробів і оболонкових форм, при виготовленні поропласту, при виробництві олійних лаків для лакофарбової та харчової промисловості. Випускаються такі марки смол: СФ–010А, СФ–010, СФ–010М (модифікована), СФ–014 і т. д.

3. Пластмаси: термопластичні, термореактивні, газонаповнені

Пластмаси – пластичні маси – це матеріали, отримані на основі високомолекулярного органічного з’єднання – полімеру, що виконує роль сполучного і визначає основні технічні властивості матеріалу В залежності від еластичності пластмаси поділяють на три групи: жорсткі, модуль пружності 700 Мпа, до 70 МПа Пластмаси випускаються монолітними у вигляді термопластичних і термореактивних і газонаповненими – комірчастої структури. До термопластичним пластмас відносять поліетилен низького тиску, поліпропілен, ударостійкий полістирол, АБС—пластики, полівінілхлорид, склопластики, поліаміди та ін

До термореактивною пластмас належать: жорсткі пінополіуретани, амінопласти та ін

газонаповненим пластмас відносяться пінополіуретани – газонаповнений надлегкий конструкційний матеріал.

Термопластичная пластмаса – поліетилен низького тиску – продукт полімеризації етилену, що отримується при низькому тиску з використанням комплексних металлоор—органічних каталізаторів. Базові марки цього поліетилену: 20108-001, 20208-002, 20308-005 і т. д. Густина поліетилену – від 0,931 до 0,970 г/см 3 .

Ударостійкий полістирол – продукт кополімеризації стиролу з каучуком або іншим пластифікатором, що володіє більш високими механічними властивостями, ніж полістирол загального призначення. Він володіє високою твердістю, міцністю до ударних навантажень, еластичністю, опором на розрив, стійкий до дії температури в межах від +65 до–40 °C.

Амінопласти – термореактивні пластмаси – пресувальної карбамідо—і меламиноформальдегидные маси, одержувані на основі аминосмол з використанням наповнювачів (органічних, мінеральних або їх поєднання), фарбуючих і модифікуючих речовин. Їх теплостійкість по Мартену становить не менш 100-180 °C, ударна в’язкість – 3,9—29,4 КДж/м 2 (4-30 кгс ? см/см 2 ), усадка – 0,2–0,8 %, питомий об’ємний електричний опір – 1? 10 11 -1. 10 12 Ом. див. З аминопластов шляхом гарячого пресування виготовляють вироби побутового, технічного та електротехнічного призначення. Всього випускається 11 марок аминопластов: КФА–1, КФБ–1 і т. д.

Пінополіуретани – газонаповнені пластмаси – надлегкий конструкційний матеріал. Вихідними для їх отримання є прості і складні поліефіри, ізо—цианаты, каталізатори і емульгатори. Еластичні пінополіуретани (ППУ) мають закриті, несообщающиеся газонаповнені клітинки (пінопласти) і сполучені клітинки (поропласти). Часто застосовується загальний термін – «пінопласти». Еластичний поропласт містить 70 % повітряних сполучених пір. Він має щільність 25-29 кг/м 3. добре протистоїть гниттю, речовин, що застосовуються при хімічному чищенні виробів, його межа міцності при розтягуванні – 0,07—0,11 МПА.

Еластичний пінополіуретан застосовується у виробництві м’яких меблів, сидінь автомобілів, тракторів і інших виробів. Жорсткий пінополіуретан застосовується для виготовлення корпусів крісел, декоративних елементів, в якості тепло—і звукоізоляційних матеріалів. Широке поширення в останні роки отримали наповнені пінопласти (ППУ).

4. Еластомери

Термін «еластомери» був введений замість назви «синтетичні каучуки», а також «натуральний каучук». Еластомерами називають полімери, що володіють у широкому температурному інтервалі високу еластичність – здатність піддаватися значним (від кількох сотень до 1000 % і більше) оборотним деформаціям при порівняно невеликих діючих навантаженнях. Першим еластичним матеріалом такого роду був натуральний каучук, який і в даний час не втратив свого значення у виробництві еластомерів, в тому числі і для медичних виробів, завдяки своїй нетоксичність. Каучук одержують з латексу (молочний сік бразильської гевеї), що складається більш ніж наполовину з води, в якій розчинено 34-37 % каучуку, 2-2,7 % білка, 1,65—3,4 % смол, 1,5–4,92 % цукру. На плантаціях, де готують натуральний каучук як промислова сировина, латекс коагулюють з допомогою органічних кислот, прокочують у рифлені листи і коптять в камерах з димом при температурі +50 °C. Складові речовини диму відіграють роль антисептиків і стабілізаторів окислення каучуку. Такі листи товщиною 2,5–3 мм з вафельним малюнком поверхні називають «смокетшит». Вони служать найбільш вживаною формою сирого плантаційного каучуку Дані елементного аналізу очищеного каучуку відповідають емпіричною формулою C5H8 (ізопрен).

Синтетичні каучуки (еластомери) одержують шляхом полімеризації з мономерів з участю каталізаторів (прискорювачів процесу). Перший радянський синтетичний каучук був отриманий С. Д. Лебедєвим з технічного спирту. В даний час випускають кілька видів синтетичних каучуків (еластомерів), у тому числі ізопрена, мало відрізняється від натурального. Для виробів медичного призначення застосовується салоксановый (силіконовий) каучук, основна полімерна ланцюг якого складається з атомів кремнію та кисню. Він термостійкий та фізіологічно інертний. Сировиною для виготовлення синтетичних каучуків служать нафту, природний газ, кам’яне вугілля.

Перетворення каучуку або «сирої» ґумової суміші в еластичну гуму (матеріал з необхідними експлуатаційними властивостями) здійснюють шляхом вулканізації. Вулканізація, подібно термообробці металів і сплавів, призводить до зміни структури каучуку. При вулканізації здійснюється з’єднання (зшивання) молекул еластомеру хімічними зв’язками в просторову тривимірну сітку, в результаті чого отримують матеріал, володіє необхідними еластичними і міцнісними властивостями (міцність, пружність, твердість, опір розриву і т. д.). Основним вулканизирующим речовиною служить сірка; застосовують також теллур і селен. Чим більше до каучуку додають сірки, тим більше твердим і менш еластичним виходить еластомер. В сучасному виробництві, крім вулканізаторів, широко застосовують органічні прискорювачі, наявність яких знижує кількість сірки (до 2 % замість 10 %) і температуру вулканізації. Існують ультраускорители, завдяки яким вулканізація замість температури в +130-150 °C протікає при кімнатній температурі.

5. Гуми

Гуми різних видів і марок належать до групи еластичних матеріалів – еластомерів. Гуми поділяються на формові і неформові. До неформовым відноситься велика група так званих сирих гум. Сирі гуми випускаються під номерами (10, 11, 14 і т. д.) у вигляді разнотол—щинных пластин, покритих тальком (для запобігання злипання), або у вигляді рулонів з тканинної прокладкою (з міткалю), яка також захищає гуму від злипання.

Неформовая сира гума виходить шляхом вулканізації гумових сумішей, виготовлених на основі синтетичних каучуків або натурального. Основним вулканизирующим речовиною є сірка, але ще застосовують селен і телур. Залежно від марок сира гума використовується для отримання різних формових виробів з певними властивостями. Наприклад, із сирої гуми отримують технічну листову гуму декількох типів: кислотощелочестой—кую, теплостойкую, морозостойкую, харчову і т. д. Морозостійка гума зберігає свої властивості при температурі до -45 °C. Технічну листову гуму завтовшки 3-4 мм застосовують для виготовлення ущільнювальних прокладок у фланцевих з’єднаннях трубопроводів, що транспортують холодну воду, а гуму з тканинної прокладкою (із синтетичної тканини) – і при транспортуванні гарячої води з температурою до +100 °C.

З сирих гум отримують різні гумові вироби – муфти, кільця, клапани, різні прокладки і т. д. застосовуючи такі методи формування: пресування, видавлювати і лиття під тиском. Процес пресування гумових виробів проходить в вулканізаційних гідравлічних пресах під тиском 100-300 атм. і при температурі 140-160 °C.

При виробництві м’яких меблів широко застосовується пінорезина, що представляє собою матеріал на основі синтетичного або натурального каучуку. Для виготовлення пінорезини використовують латексну суміш, яку витримують 18-21 год, спінюють і вулканизируют з наступним сушінням. Пенорезину випускають у вигляді листів або формованих елементів меблів. За показниками еластичності пружності, залишкової деформації пінорезина є ідеальним матеріалом для м’яких меблів. Пінорезина самовентіліруется і охолоджується за рахунок проходження повітря через сполучені пори. Для зниження ваги меблевих елементів з пенорезны їх роблять з порожнечами, але щоб при цьому зберігалася здатність витримувати значні навантаження, обсяг порожнеч не повинен перевищувати 40 % обсягу всього елемента.

гум, призначеним для виготовлення окремих груп виробів, висувають додаткові вимоги, які забезпечують виконання виробами їх функціонального призначення і надійність в роботі. В даний час промисловість випускає листову гуму трьох марок: тепломорозокислотощелочестойкую (ТМКЩ); обмеження ченномаслобензостойкую (ОМБ); повышенномаслобензо—стійку (ПМБ), які у свою чергу підрозділяються по твердості застосовується гуми: м’яка (М) для роботи при температурах від–45 °C до +90 °C; середньої твердості (З) – при температурах від -60 °C до +80 °C, підвищеної твердості (П) – при температурах від -60 °C до +80 °C.

6. Герметики

Герметики (герметизуючі склади) застосовуються практично повсюдно – у будівництві, системі ЖКГ, машинобудуванні, меблевому виробництві, в побуті, при різних ремонтних роботах. Герметики являють собою полімерні композиції у вигляді паст, мастик або рідин, які після нанесення на поверхню відразу або через деякий час густішають в результаті вулканізації полімерної основи.

Для приготування герметиків застосовують рідкі синтетичні каучуки і спеціальні добавки. Промисловістю випускаються герметики різних видів: будівельні фасадні, шовно—тіоколові і акрилатні, будівельні каучукосиликоновые, акрилові. В скляних роботах для герметизації стиків в основному застосовують тіоколові герметики 7—30М і УТ–31, які вулканізуються при температурі від +18 °C до +30 °C. В системі ЖКГ широко застосовується силіконовий герметик КЛТ–30 для ущільнення різьбових з’єднань, що працюють в інтервалі температур від -60 °C до +200 °C.

В останні роки в Росії завозиться безліч марок герметиків, вироблених іноземними фірмами: DAP, KVADRO, KIMTEC, KRASS.

У порівнянні з іншими аналогічними матеріалами герметики мають вологостійкістю, газонепроницаемостью, довговічністю. Герметики на основі поліізобутилену використовуються для ущільнення зовнішніх швів між елементами збірних великопанельних будинків. Герметики, так само як і гуми, відносяться до групи еластомерів.

Найбільш широко застосовуються тіоколові герметики, для яких характерна універсальність. Промисловість Росії випускає наступні марки тиоколовых герметиків:

1) У–30М. Поставляють комплектно в складі пасти—герме—тика чорного кольору–30, вулканизатора № 9 і прискорювача вулканізації – дифенилгуанидина, змішуються безпосередньо перед вживанням в співвідношенні 100: 7: 0,35 масових частин. Призначений для герметизації металевих (крім латунних, мідних, срібних) та інших сполук, що працюють у середовищі розбавлених кислот і лугів, рідкого палива і на повітрі в усіх кліматичних умовах при температурах від -60 °C до + 130 °C;

2) УТ–31 – світло—сіра паста У–31, вулканізатор № 9 і прискорювач вулканізації, застосовується для герметизації металевих (крім латунних, мідних, срібних) та інших сполук, що працюють на повітрі і в середовищі рідких палив при температурах від -60 °C до +130 °C до + 150 °C короткочасно на повітрі; 3) 51–УТ–36А (з адгезивом) і 51–УТ–36Б (без адгезиву) – темно—сіра замазкообразная паста В–36, епоксидна смола Е–40 (для 51–УТ–36Б) і двухромовый натр як вулканизатора; застосовуються в приладобудуванні. Для герметизації різних з’єднань, швів, що працюють при температурах від +200 °C до +300 °C, призначені теплостійкі силоксанові герметики, які виготовляються на основі рідких силоксанових каучуків. Марки силокса—нових герметиків наступні: еластосіл 11-01, силпен. ТВП–2Л, КЛ–4, КЛТ–30, КЛСЕ, ВГО–2, КЛВАЕ та ін. Випускаються також теплотопливостойкие герметики, які виготовляються на основі фторовмісних каучуків, наступних марок: ВГФ–1, ВГФ–2, 51–Г–1 та ін

Короткий опис статті: термореактивні пластмаси

Джерело: ЛЕКЦІЯ № 12. Властивості неметалічних матеріалів / Матеріалознавство: конспект лекцій

Також ви можете прочитати