Что такое неметаллические материалы

Материаловедение

Неметаллические конструкционные материалы

Понятие неметаллические материалы включает большой ассортимент материалов таких, как пластические массы, композиционные материалы, резиновые материалы, клеи, лакокрасочные покрытия, древесина, а также силикатные стекла, керамика и др.

Неметаллические материалы обладают высокой механической прочностью, низкой плотностью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Особо следует отметить технологичность неметаллических материалов.

Применение неметаллических материалов обеспечивает значительную экономическую эффективность.

Полимеры

Основой неметаллических материалов являются полимеры.

Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры.

Природные полимеры – натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест.

Однако ведущей группой являются синтетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений.

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают. этот процесс обратим, т. е. никаких дальнейших химических превращений материал не претерпевает.
Представителями термопластов являются полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.

Термореактивные полимеры при нагревании размягчаются, затем вследствие протекания химических реакций затвердевают и в дальнейшем остаются твердыми.

Отвержденное состояние полимера называется термостабильным.
Примером термореактивных полимеров могут служить фенолоформальдегидная, глифталевая и другие смолы.

Пластмассы

Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. В состав пластмасс входят связующее, наполнители, красители и пластификаторы. В зависимости от природы связующего переход отформованной массы в твердое состояние совершается или при дальнейшем ее нагревании, или при последующем охлаждении.

В качестве связующих для большинства пластмасс используются синтетические смолы, реже применяются эфиры целлюлозы.

Многие пластмассы, главным образом термопластичные, состоят из одного связующего вещества, например, полиэтилен, органическое стекло и др.

В качестве наполнителей используются порошкообразные, волокнистые и другие вещества как органического, так и неорганического происхождения. После пропитки наполнителя связующим получают полуфабрикат, который спрессовывается в монолитную массу. Наполнители повышают механическую прочность, снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные специфические свойства (фрикционные, антифрикционные и т. д.).

Для повышения пластичности в полуфабрикат добавляют пластификаторы (органические вещества с высокой температурой кипения и низкой температурой замерзания, например олеиновую кислоту, стеарин, дибутилфталат и др.). Пластификатор сообщает пластмассе эластичность, облегчает ее обработку.
Наконец, исходная композиция может содержать отвердители (различные амины) или катализаторы (перекисные соединения) процесса отверждения термореактивных связующих, ингибиторы, предохраняющие полуфабрикаты от их самопроизвольного отверждения, а также красители (минеральные пигменты и спиртовые растворы органических красок, служащие для декоративных целей).

Термопласты удобны для переработки в изделия, дают незначительную усадку при формовании (1…3%). Материал отличается большой упругостью, малой хрупкостью и способностью к ориентации. Обычно термопласты изготовляют без наполнителя. В последние годы стали применять термопласты с наполнителями в виде минеральных и синтетических волокон (органопласты).

Термореактивные полимеры после отверждения и перехода связующего в термостабильное состояние хрупки, часто дают большую усадку (до 10…15%) при их переработке, поэтому в их состав вводят усиливающие наполнители.

По виду наполнителя пластмассы делят на следующие виды:

Пластмассы по своим физико-механическим и технологическим свойствам являются наиболее прогрессивными и часто незаменимыми материалами для машиностроения.

Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость, низкие модуль упругости и ударная вязкость по сравнению с металлами и сплавами, а для некоторых пластмасс – склонность к старению.

Источник

Неметаллические материалы. Материаловедение

Главная > Книга >Промышленность, производство

В пособии подробно описаны основные характеристики неметаллических материалов, с точки зрения возможности их использования в качестве конструкционных. Приведены контрольные вопросы по разделу Неметаллические материалы и варианты тестовых заданий

Введение

Неметаллические материалы – это органические, и неорганические полимерные материалы: различные виды пла­стических масс, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные по­крытия, а также графит, стекло, керамика. В качестве конструкционных материалов они служат важным дополне­нием к металлам, в некоторых случаях с успехом заменяют их, а иногда сами являются незаменимыми. Достоинством неметаллических материалов являются такие их свойства, как достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химиче­ская стойкость, диэлектрические свойства, делают эти материалы часто незаменимыми. Также следует отметить их технологичность и эффективность при использовании. Трудоемкость при изготов­лении изделий из неметаллических материалов в 5–6 раз ниже, они в 4–5 раз дешевле по сравнению с металлическими. В связи с этим непрерывно возрастает использование неметаллических ма­териалов в машиностроении автомобилестроении, авиационной, пищевой, холодильной и криогенной технике и др.

Двигатели внутреннего сго­рания из керамики обходятся без водяного охлаждения, что не­возможно при изготовлении их из металла; обтекатели ракет дела­ют только из неметаллических материалов (графит, керамика). Труд­но представить домашнюю утварь, аудио- и видеотехнику, компью­теры, спортивное снаряжение, автомобили и другую технику без неметаллических материалов – пластмассы, ламината, керамики, резины, стекла и др.

Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические. Создателем структурной теории химического строения органических соединений является А. М. Бутлеров (1826–1886 гг.). Промышленное производство пер­вых пластмасс (фенопластов) – результат работ, проведенных Г. С. Петровым (1907–1914 гг.). С. В. Лебедевым впервые в мире осуществлен промышленный синтез каучука (1932 г.). Н. Н. Семеновым разработана теория цепных реакций и распространена на механизм цепной полимеризации. Успешное развитие химии и физики полимеров связано с именами видных ученых: П. П. Кобеко, В. А. Каргина, А. П. Александрова, С. С. Медведева, С. Н. Ушакова, В. В. Коршака и др. Развитие термостойких по­лимеров связано с именем К. А. Андрианова.

В области создания полимерных материалов большой вклад внесен зарубежными учеными: К. Циглером (ФРГ), Д. Наттом (Италия) и др.

Изложенные в пособии материалы описывают наиболее популярные неметаллические материалы, используемые в качестве конструкционных.

ПОЛИМЕРЫ

Полимерами называются высокомолекулярные химические соединения, состоящие из многочисленных элементарных звеньев (мономеров), представляющих собой одинаковую группу атомов и связанных между собой химическими связями.

Макромолекулы представляют со­бой длинные цепи из мономеров, что определяет их большую гиб­кость. Отдельные атомы в мономерах соединены между собой до­вольно прочными ковалентными химическими связями. Между макромолекулами полимеров действуют значительно более слабые физические связи. Молекулярная масса их составляет от 5000 до 1000000. При таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не только химическим составом этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.

Классификация полимеров

Классифицируются полимеры по различным признакам: составу, форме макромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву и т.д.

По способу получения полимеры делят на полимеризационные и поликонденсационные.

Полимеризация – процесс химического соединения большого числа молекул мономера в одну большую молекулу полимера без изменения элементарного состава мономера. В процессе полимеризации не происходит выделения побочных продуктов реакции. По элементному составу полимер и мономер идентичны.

Поликонденсация – процесс образования полимера из молекул разных мономеров в результате химических реакций с выделением побочных продуктов реакции. Элементный состав полимера отличается от состава участвовавших в реакции поликонденсации мономеров.

Схематически формулу полимера записывают в виде [М] n где М – химическое строение мономера; n – показатель, характеризующий степень полимеризации.

Органические полимеры составляют наиболее обширную группу соединений. Если основная молекулярная цепь таких соединений образована только углеродными атомами, то они называются карбоцепными полимерами. В гетероцепных полимерах атомы других элементов, присут­ствующие в основной цепи, кроме углерода, существенно изме­няют свойства полимера. Так, в макромолекулах атомы кислорода способствуют повышению гибкости цепи, атомы фосфора и хлора повышают огнестойкость, атомы серы придают газонепроницае­мость, атомы фтора, сообщают полимеру высокую химическую стойкость и т. д. Органическими полимерами являются смолы и каучуки.

К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла, керамика, слюда, асбест. В составе этих соединений углеродного скелета нет. Основу неорганических материалов составляют оксиды кремния, алюминия, магния, бора, фосфора, кальция и др. Органические радикалы в составе неорганических полимеров отсутствуют. К неорганическим относятся и полимеры, основное молекулярное звено которых, как и в случае органических полимеров, состоит из атомов углерода, как, например, графит и алмаз, причем графит содержит и незначительное количество атомов водорода. Однако в отличие от органических полимеров, образующих основное молекулярное звено преимущественно в виде линейных цепей, графит и алмаз образуют пространственные структуры. Это придает им свойства, резко отличающиеся от свойств органических полимеров. Графит является единственным веществом, остающимся в твердом состоянии при температуре свыше 4000 °С, а алмаз является самым твердым веществом.

Гибкие макромолекулы с высокой прочностью вдоль цепи и слабыми межмолекулярными связями обеспечивают эластичность материала, способность его размягчаться при нагреве, а при охлаждении вновь затвердевать (полиэтилен, полиамиды и др.).

Разветвленные макромолекулы (рис. 1, б), являясь также линейными, отличаются наличием боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковке (полиизобутилен).

Макромолекула лестничного полимера (рис. 1, в) состоит из двух цепей, соединенных химическими связями. Лестничные полимеры имеют более жесткую основную цепь и обладают повышенной теплостойкостью, большей жесткостью, они нерастворимы в стандартных органических растворителях (кремнийорганические полимеры).

Источник

1. Неметаллические материалы

1. Неметаллические материалы

Еще во второй половине XX в. в нашей стране уделялось большое внимание применению неметаллических материалов в различных отраслях промышленности и народного хозяйства в целом. Было налажено и постоянно наращивалось производство самых различных неметаллических материалов: синтетических смол и пластмасс, синтетических каучу—ков, заменяющих натуральный каучук, высококачественных полимеров с заданными техническими характеристиками, включая армированные и наполненные пластмассы.

Пластические массы и другие неметаллические материалы обладают рядом превосходных физико—химических, механических и технологических свойств, что обусловило их широкое распространение в различных отраслях промышленности – машиностроении, электротехнике, электронике и др. Как конструкционный материал пластические массы все более вытесняют дорогостоящие металлы. Применение пластических масс дает возможность постоянно совершенствовать конструкции. Оснащение машин и оборудования, а также частичная комплектация различных узлов позволяют снизить их массу, улучшить надежность и долговечность работы, повысить производительность. Для производства пластмасс требуется в 2–3 раза меньше капитальных вложений, чем для производства цветных металлов. Исходными материалами для получения пластических масс служат дешевые продукты переработки каменного угля, нефти и природного газа. Пластмассы подвергают армированию для улучшения механических свойств. Для изготовления различных деталей, работающих в механизмах трения (скольжения) с небольшими нагрузками и скоростями, применяются такие неметаллические материалы, как антифрикционные полимерные и пластмассовые материалы. Эти материалы обладают небольшим коэффициентом трения, высокой износостойкостью, химической стойкостью, могут работать без смазки. Однако низкая теплопроводность, значительный (в десятки раз больше, чем у металлов) коэффициент термического расширения, небольшая твердость и высокая податливость ограничивают возможности их широкого использования. Более эффективно они применяются в комбинации с другими материалами, металлами и пластмассами.

Кроме того, в качестве фрикционных неметаллических материалов применяются тормозные тканые асбестовые ленты и фрикционные асбестовые накладки – формованные, прессованные, тканые, картонно—бакелитовые и спирально—навивные, которые могут эксплуатироваться во всех климатических зонах. Фрикционные асбестовые накладки применяются для узлов трения автомобилей, самолетов, тракторов, металлорежущих и текстильных станков, подъемно—транспортного оборудования и тепловозов. Ресурс таких неметаллических накладок, работающих в узлах трения, достаточно высок. Например, для автомобилей с дизелями он составляет 6000 моточасов, легковых автомобилей – 125 000 км, грузовых автомобилей – 75 000 км. Тормозные тканые асбестовые ленты применяются в качестве накладок в тормозных и фрикционных узлах машин и механизмов с поверхностной температурой трения до 300 °C.

Неметаллические материалы широко применяются в различных отраслях промышленности и хозяйства в целом.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

Материалы

Материалы Невозможно точно определить, какой из материалов является главным, а какой — второстепенным. Здесь важно все. Неправильный подбор плитки может сказаться на эстетической стороне, а неправильный подбор клеящей прослойки (подстилающего слоя) — на

Материалы

Материалы Для ковки в условиях небольшой кузницы можно использовать довольно большое число различных металлов и сплавов. Большинство изделий выполняется из стали всевозможных марок.СтальКак говорилось ранее, для ручной ковки наиболее пригодна так называемая

Материалы

Материалы Формовочные материалыПри наличии всевозможных инструментов и приспособлений, модели и песчаной смеси, которую называют формовочной, можно изготовить литейную форму. В нее заливается металл. Этот процесс и есть получение отливки. Процесс изготовления

Пьезоэлектрические материалы

Пьезоэлектрические материалы Существует большое количество разнообразных пьезоэлектрических датчиков. Пьезоэлектрические датчики могут регистрировать вибрации, толчки и тепловое излучение. Компания Pennwall производит уникальный продукт, названный пьезоэлектрической

2. Сверхтвердые материалы

2. Сверхтвердые материалы Для изготовления различного режущего инструмента в настоящее время в различных отраслях промышленности, в том числе в машиностроительной, применяются три вида сверхтвердых материалов (СТМ): природные алмазы, поликристаллические синтетические

1. Неметаллические материалы

1. Неметаллические материалы Еще во второй половине XX в. в нашей стране уделялось большое внимание применению неметаллических материалов в различных отраслях промышленности и народного хозяйства в целом. Было налажено и постоянно наращивалось производство самых

4. Композиционные материалы

4. Композиционные материалы В различных отраслях хозяйства страны, в том числе и в строительстве, широко используются различные композиционные материалы на основе измельченной древесины: древесно—стружечные, древесно—волокнистые плиты, арболит, фибролит, плиты

3. Гидроизоляционные материалы

3. Гидроизоляционные материалы В строительстве, системе ЖКХ широко применяются различные гидроизоляционные материалы, которые предназначены для защиты строительных конструкций, зданий и сооружений от вредного воздействия воды и химически агрессивных жидкостей –

4. Электроизоляционные материалы

4. Электроизоляционные материалы В условиях большой распространенности различных электроустановок практически во всех отраслях промышленности и хозяйства страны в целом электроизоляционные материалы получили повсеместное применение. Самая важная характеристика

5. Смазочные материалы

5. Смазочные материалы В соответствии со стандартом смазочные материалы классифицируют по происхождению, физическому состоянию, по наличию присадок, по назначению, по температуре применения.По происхождению или исходному сырью смазочные материалы подразделяют

Сырьевые материалы

Сырьевые материалы Сырьевые материалы, используемые для производства стеклоизделий, условно подразделяются на две группы: главные и вспомогательные.К главным сырьевым материалам относятся вещества, с которыми в стекломассу вводятся кислотные, щелочные и

8.2.4.3.2 Сопутствующие материалы

8.2.4.3.2 Сопутствующие материалы Должны быть установлены правила размещения материалов, связанных с электронной документацией, и их

П.2. Материалы для моделей

П.2. Материалы для моделей В практике ювелирного литья применяются только воскоподобные модельные материалы с температурой плавления ниже 100 °C. Это позволяет удалять их горячей водой, паром или в термическом воздушном шкафу.Такие воскоподобные составы используются для

§ 21. Металлические материалы

§ 21. Металлические материалы В судостроении применяются черные металлы, в первую очередь углеродистые стали, обладающие пластичностью, хорошо свариваемые и противостоящие коррозии от воздействия соленой воды.Стали. Применяют углеродистые судостроительные стали марок

Источник

Неметаллические материалы

1. Классификация неметаллических материалов

Неметаллические конструкционные (и иные) материалы — это большая группа материалов, изготовленных из органического и неорганического (минерального) сырья. К органическому сырью относятся древесина и продукты из нее, шерсть, волокна, кость, каучук и др., к неорганическому сырью — газ, нефть, воздух, вода, алмаз, глина, кварц, мрамор и различные горные породы.

Из каждого вида сырья производится большая группа неметаллических конструкционных материалов, применяемых в различных отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте, в медицине, культуре, пищевой промышленности, быту и др.: пластмассы, слоистые пластики, стекло, красители, клеи, лаки, бумага, картон, шерстяные и хлопчатобумажные нити и ткани, строительные конструкции из древесины, заготовки для мебели, фанера, художественные изделия из кости и рога и др.

По способу производства (переработки) неметаллические конструкционные материалы подразделяются на следующие группы:

Неметаллические материалы обладают большой гаммой физических, химических, механических, технологических и эксплуатационных свойств. Из-за широкого диапазона свойств неметаллические материалы находят все большее применение (в технике, быту, медицине, судо- и автомобилестроении и т. д.), в одних случаях как незаменимый конструкционный материал, в других — как режущий абразивный инструмент, в-третьих — как химические (кислоты, реактивы и т. д.) и технологические жидкости, лаки, клеи, смазки, минеральное топливо и др.

Неметаллические материалы, полученные химической технологией, подразделяются на две группы: полимерные материалы (волокна и ткани, полиэтилен, полиамиды, пластмассы, смолы, клеи, краски) и химические жидкости и продукты (реактивы, медицинские препараты, взрывчатые вещества, продукты нефтехимии).

Путем термической и термомеханической технологий получают следующие материалы на основе минералов: графит, алмаз искусственный, абразивы, асбест, графитоуглеродные материалы, керамика и ситаллы, огнеупоры, каменное литье, стекло, волокна и искусственные ткани.

2. Пластмассы

Общие сведения. Пластмассы — это композиционные материалы, получаемые на основе природных и синтетических полимеров. В машиностроении, приборостроении и во многих других отраслях промышленности пластмассы широко применяются как конструкционные материалы, а также для производства клеев, лаков и красок. Пластмассы имеют низкий удельный вес, высокую химическую стойкость, диэлектрические свойства и низкую теплопроводность и много других ценных свойств. Удельная прочность некоторых пластмасс значительно выше сталей.

Полимеры — основа пластмасс. Это вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев.

Различают линейное, линейно-разветвленное, сетчатое и пространственное строение молекул полимеров (рис. 1).

По происхождению полимеры подразделяют на природные и синтетические. Синтетические полимеры получают двумя способами: полимеризацией и поликонденсацией.

Рис. 1. Строение молекул полимеров: а — линейное; б — линейно-разветвленное; в — сетчатое; г — пространственное

Полимеризация — химический процесс, при котором из низкомолекулярного вещества (мономера) в результате раскрытия кратных связей (под воздействием температуры, давления и гамма-излучения) образуется высокомолекулярное соединение без выделения побочных продуктов (воды, газов).

Поликонденсация — химический процесс, при котором в реакцию вступают низкомолекулярные вещества и за счет необратимого превращения (воздействие температуры, давления и др.) образуют полимерные соединения с выделением побочных продуктов (воды, газа и др.).

В названии некоторых пластмасс корень слова указывает на исходное вещество, а приставка «поли» — на то, что этот вид пластмасс получен реакцией полимеризации. Как правило, это материал термопластичный (вторично обратимый): полиэтилен, полистирол, полиметилметакрилат и др.

Виды и состав пластмасс. Полимерные соединения (смолы) являются основным компонентом пластмасс — связующим веществом. Пластмассы, состоящие из синтетических смол с небольшим количеством специальных добавок (смазок, стабилизаторов, пластификаторов и др.), называются ненаполненными (винипласт, органическое стекло и др.).

Пластмассы, в состав которых кроме смолы с целью получения заданных свойств вводятся различные виды наполнителей и другие специальные вещества (смазки, отвердители, красители и др.), называются наполненными (фенопласты, стеклопластики, гетинакс и др.). В состав наполненных пластмасс кроме связующей смолы (40 … 60 %) допускается ввод наполнителей (до 60 %). Большое количество наполнителей не допускается, так как, например, для группы фенопластов превышение количества наполнителей свыше 60 % ведет к ухудшению физико-механических и химических свойств этих пластмасс. Однако, учитывая то, что наполнители в несколько раз дешевле смол, их вводят в максимально допускаемом количестве, так как это уменьшает стоимость пластмасс.

Пластмассы, в состав которых вводят пластификаторы (до 5 %), придающие материалу гибкость, эластичность, называют пластифицированными.

Существует две группы пластмасс: сырьевые и поделочные. Сырьевые пластмассы выпускаются в виде пресс-порошков, крошки, гранул различной формы и размеров; поделочные пластмассы — в виде листов, блоков, пленок и т. д. (например, текстолит, эбонит, органическое стекло и др.).

В зависимости от способов получения и вида связей между молекулами полимеров, а также их свойств различают три класса пластмасс: термореактивные, термопластичные и пресс-материалы. Термореактивные пластмассы (реактопласты) — это материалы, которые под воздействием теплоты и давления переходят в неплавкое и нерастворимое состояние, могут перерабатываться только один раз методом прессования на прессах, при повторном нагревании теряют способность к формованию. К реактопластам относятся аминопласты, фторопласты, фенопласты и др.

Термопластичные пластмассы (термопласты) — это материалы, которые неоднократно перерабатываются литьем под давлением. Термопласты вторично обратимы. Это — полиэтилен, полистирол, капрон и др.

Пресс-материалы — это сложные по составу смеси, состоящие из синтетических смол (связующих), наполнителей, отвердителей, смазывающих веществ, красителей и др.

Характеристика компонентов, входящих в состав пластмасс. На основе фенолформальдегидных смол получают самое большое количество пластмасс. Фенолформальдегидная смола получается путем поликонденсации фенола и формальдегида. Фенолформальдегидные смолы подразделяются на новолачные 1 и резольные. Новолачные смолы термопластичные, а резольные — термореактивные. Новолачные смолы, идущие на производство лаков, называются идитолами. При введении в состав новолачной смолы отвердителя (уротропина) смола становится термореактивной. На основе новолачных смол получают пресс-материалы и пресс-порошки К-18-2, К-17-2, К-17-56, которые идут на изготовление волокнитов, клеев, лаков и др.

1 Название смолы получилось от нового лака, который стали выпускать из фенолформальдегидной смолы вместо природного вещества шеллака.

На основе резольных фенолформальдегидных смол получают пресс-материалы типа К-214-42, К-211-2. Эти смолы обладают высокими диэлектрическими свойствами. Из пресс-порошков на их основе выпускают электроизоляционные детали (корпуса электросчетчиков, электроарматуру, электровыключатели, электророзетки и др.), а также волокниты, слоистые пластики, клей типа БФ и др. Спиртовой раствор резольной фенолформальдегидной смолы называется бакелитовым лаком, который широко применяется для пропитки обмоток электродвигателей.

Фенолфурфурольные смолы — это смолы, полученные путем реакции поликонденсации фенола с фурфуролом. На их основе получают пресс-материалы, которые обладают более высокой текучестью и однородностью, чем фенолформальдегидные смеси. Фенолфурфурольные смолы используются при изготовлении изделий сложной конфигурации в тех же областях, где применяются изделия на основе фенолформальдегидных смол.

Карбамидные смолы получают путем поликонденсации карбамида (синтетической мочевины) или меланина и некоторых других соединений с формальдегидом. Карбамидные смолы бесцветны, поэтому пресс-порошки на их основе можно окрашивать в любые цвета. Карбамидные смолы не токсичны, и поэтому изделия из них могут использоваться при изготовлении посуды, тары и товаров народного потребления. Материалы на основе этих смол достаточно жаростойкие, их применяют для изготовления абажуров для ламп, светильников, а также для декоративной отделки помещений.

На основе мочевинофурфурольной смолы выпускаются пресспорошки с общим названием аминопласты. В промышленности применяются аминопласты марки А, идущие на изготовление просвечивающих изделий, и марки Б — для непрозрачных изделий.

Эпоксидные смолы выпускаются твердыми и жидкими. Более распространены жидкие смолы, так как их легко перерабатывать в изделия. При отверждении жидких эпоксидов требуется добавка отвердителей. Эпоксидные твердые смолы отвердевают только при повышенных (120 … 200 °С) температурах и применяются в виде шпатлевок и др. Жидкие эпоксидные смолы отвердевают при введении отвердителя как при нагреве, так и при охлаждении, применяются в виде клеев и связующего при производстве стеклопластиков. Эпоксидная смола, применяемая для склеивания материалов (например, стали), создает высокую прочность деталей на разрыв и изгиб. В промышленности наибольшее распространение получили жидкие эпоксидные смолы марок ЭД-5, ЭД-6.

Полиэфирные смолы — это полимеры, получаемые методом поликонденсации многоатомных спиртов (глицерина, этиленгликоля и др.) с двухили многоосновными кислотами (фолиевой, адипиновой и др.). Эти смолы химически стойки, обладают высокими диэлектрическими свойствами. Жидкие полиэфирные смолы затвердевают при небольшой температуре (до 60 °С) без значительного давления. На их основе изготавливаются жаростойкие мебельные лаки, большой ассортимент изделий из стеклопластиков (трубы, листовой материал, крупногабаритные изделия — корпуса яхт, лодок и т. д.).

Наполнители — это природные дешевые, доступные материалы, которые добавляют в пресс-материалы с целью придания специальных свойств и снижения стоимости получаемых изделий. Наполнители бывают органические (лигнин, древесная мука и др.) и неорганические (слюда, тальк, графит и др.). Наполнители подразделяются на порошковые (тальк, каолин, древесная мука, графит), крошкообразные (опилки, бумажная, текстолитовая, асбестовая крошка и др.), волокнистые (стекловолокно, асбестовое волокно, вата).

Пластмассы, выпускаемые с наполнителем в виде волокон, называются волокнитами. Пластмассы, выпускаемые со слоистым наполнителем, называются слоистыми пластиками (текстолит, гетинакс, асботекстолит и др.). В качестве наполнителя в слоистых пластиках применяют ткани (асбестовые, хлопчатобумажные, синтетические, стекловолокнистые), бумагу, древесину и др.

Отвердители — вещества, применяемые для ускорения процесса поликонденсации (реакции отвердения). Для каждого вида смолы применяется определенный вид отвердителя. Например, для отверждения новолачной смолы при изготовлении изделий из пресс-порошков в качестве отвердителя применяется уротропин.

Некоторые смолы (фенолформальдегидные, фенолфурфурольные, кремнийорганические и др.) могут отвердевать при повышенной температуре без добавок отвердителя.

Стабилизаторы — это различного рода органические и минеральные вещества, добавляемые для стабилизации свойств материала, увеличения их службы.

Смазывающие вещества увеличивают текучесть пресс-материала, уменьшают трение между составными частями композиции пресс-порошка, исключают прилипание пресс-материала к прессформам. В качестве смазывающих веществ применяют стеариновую и олеиновую кислоты.

Красители могут быть неорганического и органического происхождения. Неорганические красители (пигменты) — это оксиды металлов (свинца, хрома, цинка), органические — жаростойкие пигменты, лаки и др.

3. Термопласты

Основные свойства термопластов. Термопласты — это класс материалов, которые в результате нагрева плавятся под давлением, заполняют полости литьевой формы и при охлаждении сохраняют полученную форму. Термопласты могут перерабатываться неоднократно, в основном методом литья под давлением и экструзией, сохраняя при этом свои физико-химические, механические и технологические свойства. Это — полиэтилен, капрон, полистирол, полиамид и другие полимеры.

Переработка термопластов существенно отличается от переработки реактопластов из-за различия их свойств. Характерное отличие процесса переработки термопластов от реактопластов заключается в том, что литьевая форма при получении изделий из термопласта охлаждается, а при получении изделий из реактопластов пресс-форма нагревается.

Виды термопластов. Полиэтилен — это эластичный материал белого цвета, полученный из этилена (бесцветного газа) реакцией полимеризации. В зависимости от степени давления при реакции полимеризации различают полиэтилен высокого, среднего и низкого давления.

Полиэтилен высокого давления имеет низкую плотность, твердость, меньший предел прочности и низкую термостойкость. При температуре 115 °С кристалличность уменьшается и полиэтилен становится аморфным. Усадка при охлаждении полиэтилена высокого давления примерно 5 %. Полиэтилен среднего и низкого давления обладает высокой кристалличностью, термостойкостью, плотностью, пределом прочности, он более стоек против кислот и растворителей и менее газопроницаем. При охлаждении усадка составляет 1,0 … 2,5 %. Полиэтилен обладает высокими диэлектрическими свойствами.

Полиэтилен перерабатывается в изделия методом экструзии, литьем под давлением, прессованием и штамповкой.

Широкое применение нашли также термопласты на основе полимеров и сополимеров хлорида винила.

Поливинилхлорид (ПВХ) получается полимеризацией хлорида винила. При термической обработке на вальцах или этажных прессах получается твердый материал — листовой винипласт. Экструзией из винипласта получают трубы и листовой или блочный материал.

Винипласт обладает высокой механической прочностью и большой химической стойкостью. Винипласт идет на футеровку (облицовку) емкостей электролизных и травильных ванн, трубопроводов, работающих с агрессивными веществами (кислотами, щелочами). Из винипласта изготавливаются клапаны, аккумуляторные банки и др.

Пластифицированный ПВХ называется пластикатом, который идет на изготовление стойкого к истиранию линолеума и применяется для изготовления оболочек электрических кабелей, галантерейных товаров и др.

Листовой пластикат — продукт полимеризации стирола с метилметакрилатом. Имеет высокую прозрачность, бензо- и водостойкость, окрашивается в различные цвета и оттенки, перерабатывается в изделия методом литья под давлением. Из листового пластиката изготавливают прозрачные детали к автомашинам: шкалы приборов, подфарники, стекла и другие изделия.

Литьевой пластикат — сополимер стирола с метилметакрилатом и акриловой кислотой. Он стоек к бензину, маслам, легко окрашивается в различные цвета и перерабатывается методом литья под давлением. Из литьевого пластиката делают детали авторучек, карандашей, фломастеров, канцелярские изделия, игрушки и т. д.

Сополимер стирола — продукт полимеризации стирола и акриловой кислоты. Этот материал прозрачен, имеет высокую стойкость к щелочам, легко окрашивается в различные цвета, имеет глянцевую поверхность, обладает диэлектрическими свойствами. Из него изготавливают смотровые стекла в химических аппаратах, телефонные аппараты, детали для радиоприемников, телевизоров, выключатели и др.

Сополимер СПН — продукт сополимеров стирола, акриловой кислоты с искусственным каучуком, обладает высокой прочностью, кислотостойкостью, бензо- и маслостойкостью, окрашивается в различные цвета. Сополимер СПН выпускается в виде гранул и листов различных марок, перерабатывается экструзией, литьем под давлением, прессованием. Из него изготавливают корпуса телефонных аппаратов, радиоприемников, телевизоров, игрушки и различные галантерейные товары.

Фторопласты — продукт полимеризации фторопроизводных этилена. В зависимости от свойств выпускают фторопласт-3 и фторопласт-4.

Фторопласт-3 — роговидный, прозрачный в тонких слоях материал (в зависимости от толщины) от бесцветного до темно-коричневого цвета. Он имеет высокую твердость, ударную вязкость, температуру плавления 210 °С, высокие диэлектрические свойства, химически стоек, не растворяется ни в одной кислоте или щелочи. Фторопласт-3 перерабатывается в изделия методом прямого прессования, экструзией и штамповкой и применяется в электротехнической, химической, авиационной, пищевой и медицинской промышленностях. При введении во фторопласт асбеста, стекловолокнита, фольги и металлических порошков значительно повышаются его физико-механические свойства.

Фторопласт-4 — порошкообразный материал белого цвета. Порошок фторопласта-4 таблетируют прессованием при комнатной температуре и высоком давлении. Изделия из него обладают высокой хладотекучестью, влагоустойчивостью, кислотостойкостью и химической стойкостью. Фторопласт-4 применяется как изоляционный материал в виде листов, лент, дисков. В химической промышленности из него делают трубы, гибкие шланги, прокладки, уплотнители, манжеты и т. д. Из фторопластов делают различные суспензии, которые применяют для покрытия проводов и различных изделий.

4. Слоистые пластмассы

Общая характеристика. Слоистые пластмассы составляют особую группу. Технология их получения существенно отличается от получения других видов пластмасс. Процесс получения слоистого материала заключается в следующем. Набираются пакеты из листового материала и связующих смол (в виде пропитки или порошка), затем их загружают на плиточные этажные прессы и прессуют при высоком давлении и температуре.

Этим способом получают слоистые пластики, наполнителем в которых являются волокнистые материалы. Под воздействием теплоты и давления при определенной выдержке из рыхлых материалов получается монолитный листовой материал. Таким способом получают как наполненные (текстолит, гетинакс, стеклотекстолит, асботекстолит), так и ненаполненные пластмассы (листовой винипласт, листовой полистирол, полихлорвинил и др.). В качестве наполнителей применяются рулонная бумага, хлопчатобумажные, синтетические, асбестовые ткани, вата, нити и другие листовые и нитевидные материалы.

Пластмассы с наполнителем из этих материалов изготавливаются иным способом.

Пропитывание тканей жидкой смолой производится на шахтных пропиточно-сушильных агрегатах. Ткань с рулона поступает в пропиточную ванну, в которой находится смола в жидком виде (водная эмульсия, спиртовый раствор формальдегидной или полиэфирной смол). Пропитанная ткань проходит через отжимные валики, где удаляется избыток смолы, подсушивается, охлаждается, раскраивается на куски, из которых формируются пакеты и затем прессуются на этажных гидравлических прессах. В результате переработки получается листовой материал, блоки, монолиты. Свойства и область применения листовых пластмасс. Текстолит — слоистый пластик на основе хлопчатобумажной ткани и фенолформальдегидной смолы. Текстолит имеет высокую прочность, водостойкость, теплостойкость до температуры 125 °С, низкий коэффициент трения в паре со сталью, высокую износостойкость. Эти его свойства используются для изготовления бесшумных и долговечных подшипников скольжения, выдерживающих большие нагрузки. Например, из текстолита изготавливают подшипники скольжения для прокатных станов в металлургии, различного вида шестерни, которые при работе бесшумны и не требуют смазки. Текстолит обладает высокими электроизоляционными свойствами, поэтому широко применяется в качестве диэлектрика при изготовлении электротепловых приборов, панелей, электроприборов, корпусов и др.

Текстолит выпускается в виде листов и плит различной толщины от 0,3 до 70 мм. Текстолит толщиной до 8 мм называется листовым, а свыше — блочным.

Асботекстолит — конструкционный материал на основе асбестовой ткани и фенолформальдегидной смолы, кислотостоек, теплостоек до 250 °С. Применяется как фрикционный материал в тормозных колодках, дисках сцепления, идет на изготовление термостойких прокладок и т. д.

Гетинакс — конструкционный материал на основе бумаги, пропитанной фенолформальдегидной смолой. По своим качествам (электроизоляционным свойствам) гетинакс превосходит текстолит, но более хрупок, широко используется при изготовлении масляных трансформаторов, так как маслостоек. Выпускается в виде листов толщиной 0,5 … 50,0 мм, стержней, трубок. Используется

также как конструкционный и отделочный материал при производстве кухонной мебели, бытовых электроприборов, лабораторных столов и т. д.

Древесно-слоистые пластики — конструкционные материалы на основе древесных листов (шпона), пропитанных резольной фенолформальдегидной смолой.

Выпускаемые на этой основе пластики имеют специальные названия. Дельта-фанера применяется для получения легких жестких конструкций. Из нее изготавливали во время Великой Отечественной войны корпуса торпедных катеров, легких самолетов типа У-2. Листовые материалы из стружки или волокон на основе фенолформальдегидной и фенолфурфурольных смол подразделяются на древесно-стружечные и древесно-волокнистые плиты. Эти листовые материалы широко применяются при изготовлении корпусной мебели в качестве теплоизоляционных и отделочных деталей.

Стеклопластики. Особую группу представляют сравнительно недавно полученные конструкционные материалы на основе полимеров на стекловолокнистой или стеклотканевой основе под общим названием стеклопластики. В зависимости от типа связующего и наполнителя, технологических режимов, свойств и методов переработки материала в изделия стеклопластики подразделяются на две группы. Первая группа — стеклопластики на основе фенолформальдегидных, кремнийорганических, карбомидных и других смол, требующие для переработки в изделия высоких температур (180 °С и выше) и давления (250 … 1 000 МПа (25 … 100 кг/см2)). Этот тип стеклопластиков выпускается в основном в виде листов, шифера, деталей с небольшими габаритными размерами, так как требуется сложная оснастка, крупногабаритные прессы и высокое давление.

Другая группа стеклопластиков на основе ненасыщенных полиэфирных и эпоксидных смол получается с помощью «холодного» отверждения при обычных температурах контактным методом без давления.

Контактный метод получения изделий из стеклопластиков заключается в следующем. Сначала изготавливают нестандартную форму из дерева, гипса или другого материала, которому можно легко придать любую форму, даже сложной конфигурации. На эту форму накладывается лист стеклоткани, производятся пропитывание или наполнение полиэфирными или другими смолами «холодного» отверждения, затем накладывается следующий слой ткани и т. д. Таким методом можно получить изделие заданной формы с любой толщиной, например маломерные прогулочные лодки и т. п.

Контактный метод применяется также при изготовлении крупногабаритных конструкций, например корпусов яхт, катеров, индивидуальных, разовых изделий крупных размеров (корпуса спортивного гоночного автомобиля, корпуса обтекателя метеорологических ракет и т. п.).

При массовом изготовлении конструкций больших размеров (автоцистерн, железнодорожных цистерн, емкостей для хранения и перевозки муки и других продуктов и т. д.) допускается небольшой подогрев материала в процессе их изготовления. Это позволяет сократить время отверждения материала и увеличить прочность изделия.

5. Резины

Общие сведения. Изделия из резины обладают специфическими свойствами: высокой эластичностью, большими обратными деформациями (упругость), стойкостью к воздействию масел, растворителей, кислот, щелочей, незначительной водо- и газопроницаемостью, хорошими диэлектрическими свойствами, высокой прочностью, износостойкостью, способностью работать при пониженных и повышенных температурах. Все это обусловило ее широкое использование в различных областях промышленности. Основными потребителями резиновых изделий являются современный транспорт, электротехническая промышленность, горнодобывающая и угольная отрасли, сельскохозяйственные машины. Резина идет на изготовление игрушек, одежды, предметов гигиены, санитарии и др.

Резина изготавливается на основе каучука с добавлением 10 — 15 разнообразных веществ (ингредиентов) и представляет собой многокомпонентную систему. В конце цикла производства резина приобретает ценные технические свойства в результате вулканизации, т. е. нагрева резиновой смеси с серой. Технические свойства резин зависят главным образом от применяемого типа каучука и ингредиентов.

В процессе эксплуатации резиновые детали соприкасаются с растворителями, бензином, маслами, агрессивными средами, подвергаются низким и высоким температурам и т. д., поэтому создание резин, обладающих стойкостью к вышеуказанным факторам, весьма важная задача. Это стало возможным благодаря применению синтетических каучуков, а введением различных ингредиентов в состав резин на основе натуральных каучуков лишь частично удается уменьшить набухание резины.

Масло- и бензостойкие резиновые изделия изготавливаются на основе бутадиен-нитрильных или хлоропреновых каучуков, теплостойкие резиновые детали — на основе силаксановых и фторсодержащих полимеров. Сопротивление динамическим деформациям и износу автомобильных шин достигается применением натуральных, изопреновых и бутадиеновых, а также бутадиен-стирольных каучуков.

Натуральный каучук. Каучук, полученный из растений, называется натуральным. Каучуковые деревья произрастают в странах с тропическим климатом: Индонезии, Индии, Бразилии, Шри-Ланке. Высота бразильской гевеи достигает 30 м и более. Кора дерева надрезается, и из млечных сосудов вытекает слабощелочной сок — натуральный латекс, в котором имеются мельчайшие частицы каучука — глобулы. При воздействии на латекс водой, уксусной или муравьиной кислотой оболочка глобул разрушается, образуя каучук. Этот процесс называется коагуляцией латекса. Полученный каучук промывают водой, отжимают, листуют на вальцах, сушат и прессуют в кипы массой до 114 кг.

Натуральный каучук выпускается двух видов: смокед-шитс и светлый креп. Основными свойствами натурального каучука являются пластичность и эластичность.

Пластичность — свойство материала сохранять часть деформации после прекращения внешних воздействий на сырую, невулканизированную резину. При этом за счет пластичности можно изготовить заготовки различной формы и размеров.

Эластичность — это способность уже вулканизированных деталей изменять свою форму под действием внешней нагрузки и моментально восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки.

Резиновая смесь. Любая резиновая смесь состоит из каучука и других компонентов, называемых ингредиентами. Содержание в резиновой смеси каучука колеблется в очень широких пределах от 6 до 92 %. Введение ингредиентов в состав резиновой смеси и вулканизация существенно изменяют свойства каучука. Ингредиенты в зависимости от их назначения подразделяются на следующие группы:

При изготовлении резиновых смесей применяются также вещества, которые облегчают обработку каучука и ингредиентов, — диспергаторы, активаторы, повышающие клейкость смесей, пропиточные материалы, повышающие клейкость смесей с тканями.

Эбонит. Эбонит, или твердая резина, — это жесткий, вязкий материал, обладающий некоторой эластичностью и гибкостью. В эбонитах содержится значительно больше серы, чем в мягких резинах, поэтому процесс вулканизации протекает при меньших температурах и времени. Эбонит высокого качества — это смесь натурального каучука и серы. Для повышения прочности эбонита, кислотостойкости и тепло- и маслостойкости, а также улучшения диэлектрических свойств в смесь вводят различные компоненты.

Наполнителями эбонитовых смесей служат эбонитовая или угольная пыль, пластификатором — вазелиновое масло. Сажу вводят в ограниченном количестве (3 … 5 %), так как она ухудшает диэлектрические свойства. Являясь хорошим диэлектриком, химически инертным, водостойким, эбонит используется в автотракторной, химической, радио- и электротехнической промышленности. Из него изготавливают эбонитовые стержни, пластины, аккумуляторные емкости и комплектующие детали к ним.

Источник