Реферати

Дипломна робота: Неметалічні матеріали

Тема голосу в поезії Маяковського: паралелі і метаморфози. Дослідження про роль "голосових" метафор у поезії Маяковського. Трагедія Володимира Маяковського - це трагедія зривистого голосу, трагедія розщеплення поетичного суб'єкта в спробі виговоритися.

Податкова політика і її вплив на формування дохідної бази бюджету. Податки як одна з форм наповнення бюджетів. Аналіз діяльності ряду держав в області оподатковування. Суб'єкти податкових правовідносин. Розрахунок суми ПДВ, що підлягає сплаті в бюджет; податку на прибуток; компонентів єдиного соціального податку.

Теорія фінансів. Перевірка засвоєння студентами знань в області теорії фінансів. Структурні елементи курсової роботи, методологічний апарат, зміст етапів підготовки. Вимоги по оформленню, перелік тим, практичні рекомендації з виконання курсової роботи.

Аналіз ліквідності платоспроможності банку. Теоретичні аспекти аналізу ліквідності банківського балансу і платоспроможності банку. Поняття ліквідності і платоспроможності балансу комерційного банку. Аналіз структури і динаміки доходів і витрат, прибутку банку і банківської маржі банку.

Види і роль емоцій у житті людини. Емоції - особливий клас суб'єктивних психологічних станів, що відбивають у формі безпосередніх переживань, відчуттів приємні чи неприємного, відносини людини до світу і людей, процес і результати його практичної діяльності.

Ніжнекамський Химіко-Технологічний Інститут

2005 р.

1. Загальні відомості про неметалічні матеріали

Поняття неметалічні матеріали включає великий асортимент матеріалів таких, як пластичну масу, композиційні матеріали, гумові матеріали, клеї, лакофарбні покриття, деревина, а також силікатне скло, кераміка і інш.

Неметалічні матеріали є не тільки замінниками металів, але і застосовуються як самостійні, іноді навіть незамінні матеріали. Окремі матеріали володіють високою механічною міцністю, легкістю, термічною і хімічною стійкістю, високими електроизоляционними характеристиками, оптичною прозорістю і т. п. Особливо потрібно відмітити технологічність неметалічних матеріалів.

Застосування неметалічних матеріалів забезпечує значну економічну ефективність.

Основою неметалічних матеріалів є полімери, головним чином синтетичні. Творцем структурної теорії хімічної будови органічних сполук є великий російський хімік А. М. Бутлеров. Промислове виробництво перших синтетичних пластмас (фенопластов) з'явилося результатом глибоких досліджень, проведених Г. С. Петровим (1907-' 1914 рр.). Блискучі дослідження дозволили С. В. Лебедеву уперше в світі здійснити промисловий синтез каучуку (1932 р.). Н. Н. Семеновим розроблена теорія ланцюгових реакцій (1930-1940 рр.) і поширена на механізм ланцюгової полімеризації.

Успішний розвиток хімії і фізики полімерів пов'язаний з іменами видних вчених: П. П.. Кобеко, В. А. Каргина, А. П. Александрова, С. С. Медведева, С. Н. Ушакова, В. В. Коршака і інш. Важливий внесок внесений К. А. Андріановим в розвиток хімії кремнийорганических полімерів, широко вживаних як термостійкі матеріали.

1.1. Поняття про неметалічні матеріали і класифікація полімерів

Полімерами називають речовини, макромолекули яких складаються з численних елементарних ланок (мономеров) однакової структури. Молекулярна маса їх складає від 5000 до 1000 000. При таких великих розмірах макромолекул властивості речовин визначаються не тільки хімічними складами цих молекул, але і їх взаємним розташуванням і будовою.

Макромолекули полімеру являють собою ланцюжки, що складаються з окремих ланок. Поперечний перетин ланцюга декілька ангстрем, а довжина декілька тисяч ангстрем, тому макромолекулам полімеру властива гнучкість (яка обмежена розміром сегментів - жорстких дільниць, що складаються з декількох ланок). Гнучкість макромолекул є однією з відмітних особливостей полімерів.

Атоми, вхідні в основний ланцюг, пов'язані міцним хімічним (ковалентной) зв'язком. Енергія хімічних зв'язків (в ккал/моль) складає вдовж ланцюга 80 для З - З, 79 для З - О, 66 для З - N. Сили міжмолекулярної взаємодії, що мають звичайно фізичну природу, значно (в 10 - 50 разів) менше. Наприклад, міцність міжмолекулярних зв'язків електростатичного характеру не перевищує 9 ккал/моль. Однак в реальних полімерах такі сумарні сили мають значення внаслідок великої протяжності цепевидних макромолекул. Найбільш сильні міжмолекулярні взаємодії здійснюються за допомогою водневих зв'язків (тільки в 4-10 раз слабіше за ковалентних). Таким чином, молекули полімерів характеризуються міцними зв'язками в самих макромолекулах і відносно слабими між ними. У деяких полімерах між ланками, вхідними до складу сусідніх макромолекул, діють сили хімічного зв'язку. Такі речовини характеризуються високими властивостями у всіх напрямах.

Макромолекули полімерів, маючи однаковий хімічний склад, звичайно відрізняються по розмірах. Це явище, зухвале розсіяння фізико-механічних характеристик матеріалу, називається полидисперсностью.

Макромолекули можуть бути побудовані з однакових по хімічній будові мономеров або різнорідних ланок. У першому разі з'єднання називаються гомоиолимерами (або полімерами), у другому - сополимерами. Іноді макромолекула речовини складається з великих хімічно однорідних відрізків (блоків) різного складу, що чергуються (блок-сополимери).

Можна в процесі синтезу до головного молекулярного ланцюга, що складається з одних мономеров, «прищепити» відрізки з інших мономеров, тоді отримують так звану прищеплену сополимери.

Коли основний ланцюг побудований з однакових атомів, полімер називають гомоцепним, з різних гетероцепним. Велике значення має стереорегулярность полімеру, коли всі ланки і заступники розташовані в просторі в певному порядку. Це додає матеріалу підвищені фізико-Механічні властивості (в порівнянні з нерегулярними полімерами).

Полімери зустрічаються в природі - натуральний каучук, целюлоза, слюда, азбест, природний графіт. Однак ведучою групою є синтетичні полімери, що отримуються в процесі хімічного синтезу з низкомолекулярних з'єднань. Можливості створення, нових полімерів і зміни властивостей вже існуючих дуже великі. Синтезом можна отримувати полімери з різноманітними властивостями і навіть створювати матеріали із зазделегідь заданими характеристиками.

Класифікація полімерів. Для зручності вивчення зв'язку складу, структури з властивостями полімерів їх можна класифікувати по різних ознаках (складу, формі макромолекул, фазовому стану, полярності, відношенню до нагріву). По складу всі полімери поділяють на органічні, елементоорганические, неорганічні.

Органічні полімери складають найбільш обширну групу з'єднань. Якщо основний молекулярний ланцюг таких з'єднань освічений тільки вуглецевими атомами, то вони називаються карбоцепними полімерами. Вуглецеві атоми сполучені з атомами- водня або органічними радикалами.

У гетероцепних полімерах атоми інших елементів, присутні в основному ланцюгу, крім вуглеводу, істотно змінюють властивості полімеру. Так, в макромолекулах атоми кисня сприяють підвищенню гнучкості ланцюга, що приводить до збільшення еластичність полімерів (наприклад, для волокон, плівок), атоми фосфору і, хлора підвищують вогнестійкість, атоми сірки додають газонепроницаемость (для герметиків, гум), атоми фтору, навіть у вигляді радикалів, повідомляють полімеру високу хімічну стійкість і т. д.

Деякі карбоцепние і гетероцепние полімери можуть мати зв'язану систему зв'язків, наприклад:

... сн = сн - сн = сн - сн = сн. ..

Енергія зв'язаного зв'язку 100 - 110 ккал/моль вище одинарної,. тому такі полімери більш стійкі при нагріві.

Органічними полімерами є смоли і каучуки. Елементоорганические з'єднання містять в складі, основному ланцюгу неорганічні атоми кремнію, титана, алюмінію і інших елементів, які поєднуються з органічними радикалами (метальний, фенильний, етильний). Органічні радикали додають матеріалу міцність і еластичність, а неорганічні атоми повідомляють підвищену теплостойкость. У природі таких з'єднань не зустрічається. Представниками цієї групи є кремнийорганические з'єднання, розроблені радянським вченим До.. А. Андріановим. Будова цих з'єднань в основному має вигляд

RR

II

- Si-Про - Si- -

II

RR

Між атомами кремнію і кисня існує міцний хімічний зв'язок; енергія силоксановой зв'язку Si - Про рівна 89,3 ккал/моль. Звідси і більш висока теплостойкость кремнийорганических смол, каучуків, хоч їх пружність і еластичність менше, ніж у органічних. Полімери, вмісні в основному ланцюгу титан і кисень, називаються полититаноксанами.

До неорганічних полімерів відносяться силікатне скло, кераміка, слюда, азбест. У складі- цих з'єднань вуглецевого скелета немає. Основу неорганічних матеріалів складають оксиди кремнію, алюмінію, магнію, кальцію і інш.

У силікатах існують два типи зв'язків: атоми в ланцюгу сполучені ковалентними зв'язками (Si - ПРО), а ланцюги між собою - іонними зв'язками. Властивості цих речовин можна змінювати в широких межах, отримуючи, наприклад, з мінерального скла волокна і еластичні плівки. Неорганічні полімери відрізняються більш високою густиною, високою тривалою теплостойкостью. Однак скло і кераміка крихкі, погано переносять динамічні навантаження. До неорганічних полімерів відноситься також графіт, що являє собою карбоцепной полімер.

У конкретних технічних матеріалах використовуються як окремі види полімерів, так і поєднання різних груп полімерів; такі матеріали називають композиційними (наприклад, стеклопластики).

Своєрідність властивостей полімерів зумовлена структурою їх макромолекул. За формою макромолекул полімери діляться на лінійні (цеповидние), розгалужені, плоскі, стрічкові (драбинні), просторові або сітчастих. Лінійні макромолекули полімеру являють собою довгі зигзагоподібні або закручені в спіраль ланцюжки (мал. 1 а).

Гнучкі макромолекули з високою міцністю вдовж ланцюга і слабими міжмолекулярними зв'язками забезпечують еластичність матеріалу, здатність його розм'якшуватися при нагріванні, а при охолоджуванні знову затвердівати. Багато які такі полімери розчиняються в розчинниках. На фізико-механічні і хімічні властивості лінійного полімеру впливає густина упаковки молекул в одиниці об'єму. При щільній упаковці виникає більш сильне міжмолекулярне тяжіння, що приводить до підвищення густину, міцності, температури розм'якшення і зменшенню розчинності.

Ріс.1а

рис1 м. д

Лінійні полімери є найбільш відповідними для отримання волокон і плівок (наприклад, поліетилен, полиамиди і інш.).

Розгалужені макромолекули полімеру, будучи також лінійними відрізняються наявністю бічних ответвлений. Ці відгалуження перешкоджають зближенню макромолекул, їх щільній упаковці. Подібна форма макромолекул зумовлює знижену міжмолекулярну взаємодію і, отже, меншу міцність і підвищену плавкість і розчинність (полиизобутилен). До розгалужених відносяться і при полімери, що виються, в яких склад основного ланцюга і рідко розташовані бічні ответвлений неоднаковий.

Просторові або сітчасті полімери утворяться при з'єднанні («сшивке») макромолекул між собою в поперечному напрямі міцними хімічними зв'язками безпосередньо або через хімічні елементи або радикалів. Внаслідок такого з'єднання макромолекул утвориться сітчаста структура з різною густиною сітки (мал. 1 г). Редкосетчатие (сітчасті) полімери втрачають здатність розчинятися і плавитися, вони володіють пружністю (наприклад, м'які гуми). Густосетчатие (просторові) полімери відрізняються твердістю, підвищеною теплостойкостью, нерозчинністю. Іноді утворення просторової структури супроводиться навіть виникненням крихкості (смола в стадії резит). Просторові полімери лежать в основі конструкційних неметалічних матеріалів. До сітчастих полімерів відносяться також пластинчаті полімери, які мають площинну двомірну будову. Прикладом такого полімеру є графіт. Пластинчата (паркетна) структура показана на мал. 1, д.

За фазовим станом полімери поділяють на аморфні і кристалічні.

Внаслідок рентгенографічного і електронно-мікроскопічних досліджень, проведених В. А. Каргиним, А. І. Китайгородським і Г. Л. Слонімським, макромолекули в полімерах, як правило, розташовані не хаотично, а мають впорядковане взаємне розташування. Структури, виникаючі внаслідок різного укладання молекул, називають надмолекулярними. Впорядкованість в структурообразованії визначається гнучкістю лінійних і розгалужених (з короткими ответвлениями) макромолекул, здатністю їх міняти форму, переміщатися по частинах; великий вплив надають жорсткість ланцюга і сили міжмолекулярного тяжіння.

Аморфні полімери однофазни і побудовані з ланцюгових молекул, зібраних в пачки. Пачка складається з багатьох рядів макромолекул, розташованих послідовно один за одним. Пачки здатні перемещатьсяотносительно сусідніх елементів, оскільки вони є структурними- елементами.

Аморфні полімери можуть, бути також побудовані із згорнених в клубки ланцюгів, так званих глобул. Глобулярна структура полімерів дає невисокі механічні властивості (крихке руйнування по грані-дам глобул). При підвищених температурах глобула розвертається в лінійні освіти, сприяючі підвищенню механічних властивостей полімерів.

Питання про надмолекулярних структури некристаллизующихся полімерів мало розроблене. Структури в цих полімерах є флуктуаційними, термодинамічний нестабільними і характеризуються відносно невеликим часом життя.

Кристалічні полімери утворяться в тому випадку, якщо їх макромолекули досить гнучкі і мають регулярну структуру. Тоді при відповідних умовах можливі фазовий перехід всередині пачки і утворення просторових граток кристалів.

Гнучкі пачки складаються в стрічки шляхом багаторазового повороту пачок на 180°С. Затем стрічки, сполучаючись один з одним своїми плоскими сторонами, утворять пластини (мал. 186, а). Ці пластини нашаровуються, внаслідок чого виходять правильні кристали.

У тому випадку, коли утворення з більш дрібних структурних елементів правильних об'ємних кристалів утруднене, виникають сферолити. 'Сферолити складаються з променів, освічених чергуванням кристалічних і аморфних дільниць. У процесі орієнтації гибкоцепних полімерів виходять фибриллярние структури, що складаються з микрофибрилл (мал. 186, е). Між кристаллитами знаходяться аморфні дільниці [1]. Кристалічні структури є дискретними, організованими, термодинамічний стабільними. У відсутності зовнішніх силових полів їх час життя т- > зі. Кристаллизующимися полімерами є поліетилен, полипропилен, полиамиди і інш. Кристалізація здійснюється в певному інтервалі температур. У звичайних умовах повної кристалізації не відбувається. У зв'язку з цим в реальних полімерах структура звичайно двофазна: нарівні з кристалічною фазою є і аморфна. Кристалличность додає полімеру підвищену. теплостойкость, велику жорсткість і міцність. Через надмолекулярную структуру передаються механічні і фізичні властивості полімерів. При переробці, а також в умовах тривалого зберігання і експлуатації надмолекулярние структури можуть мимовільно або вимушено зазнавати змін.

По полярності полімери поділяють на полярні і неполярні. У неполярної молекули електронна хмара, що скріпляє атоми, розподілено між ними в однаковій мірі; у таких молекул центри тягаря різнойменних зарядів співпадають. У полярної молекули загальна електронна хмара здвинута у бік більш електронегативного атома; центри тягаря різнойменних зарядів не співпадають. Полярність речовини оцінюється дипольним моментом і., рівним твору елементарного заряду (заряд електрона) q на відстань / між центрами тягаря всіх позитивних і всіх негативних зарядів. Таким чином, (.i = q-l. Заряд електрона q = 4,8-10.-ст. одиниць; відстань l порядку 10-18см (1 А). Значення дипольного моменту мають порядок 10-18ел.- ст. единиц-см. Цю величину іноді називають одиницею Дебая (Д). Наприклад, для зв'язків З - Н, З - N, З - О, З - F, З - С1 m рівне відповідно 0,2; 0,4'; 0,9; 1,83; 2,05 Неполярні полімери мають симетричне розташування функціональних груп, і тому дипольні моменти зв'язків атомів взаємно компенсуються, наприклад:

1) неполярні:

поліетилен [ - СН2- СН2- ]" - молекула симетрична;

полипропилен [ - СН2- СНСН3- ]" - дипольні моменти З - Н і З -

- СН3равни;

фторопласт-4 [ - CF2- CF2- ]" - дипольний момент зв'язку З - F значний, сума моментів рівна нулю, оскільки вони компенсують друг. друга.

2) полярні:

поливинилхлорид [ - СН2- СНС1 - ]" - молекула несиметрична, дипольні моменти З - Н (0,2 Д) і З - Про (2,05 Д) взаємно не компенсуються.

Полярність сильно впливає на властивості полімерів. Так; неполярні полімери (в основному на основі углеводородов) є високоякісними високочастотними діелектриками. Фізико-механічні властивості, а у неполярних полімерів при низьких температурах гіршають трохи, такі матеріали володіють хорошою морозостійкістю (наприклад, поліетилен не охрупчивается до температури - 70°З). Полярність, збільшуючи сили міжмолекулярного тяжіння, додає полімеру жорсткість, теплостойкость. Однак діелектрики на основі полярних полімерів можуть працювати без втрат тільки в обмеженій області частот (є низькочастотними). Крім того, полярні полімери характеризуються низькою морозостійкістю (наприклад, полихлорвинил до температури -10- -20°З).

Всі полімери по відношенню до нагріву поділяють на термопластичние і. термореактивние.

Термопластичние полімери при нагріванні розм'якшуються, навіть плавляться, при охолоджуванні затвердівають; цей процес звернемо, т. е. ніяких подальших хімічних перетворень матеріал не зазнає. Структура макромолекул таких полімерів лінійна або розгалужена. Представниками термопластов є поліетилен, полістирол, полиамиди і інш.

Термореактивние полімери на першій стадії освіти мають лінійну структуру і при нагріванні розм'якшуються, потім внаслідок протікання хімічних реакцій затвердівають (утвориться просторова структура) і надалі залишаються твердими. Отвержденное стан полімеру називається термостабильним. Прикладом термореактивних смол можуть служити фенолоформальдегидная, глифталевая і інші смоли.

1.2. Особливості властивостей полімерних матеріалів

Особливості будови полімерів впливають великий чином на їх фізико-механічні і хімічні властивості. Внаслідок високої молекулярної маси вони не здатні перейти в газоподібний стан, при нагріванні утворювати низковязкие рідини, а деякі, володіючі термостабильной просторовою структурою, навіть розм'якшуватися. З підвищенням молекулярної маси меншає розчинність. При молекулярній масі (300 -400)*103и низької полярності полімери розчинні в розчинниках, процес протікає повільно: через стадію набухання з утворенням дуже в'язких розчинів. Якщо молекулярна маса дуже велика або присутні високополярние групи, то полімер стає нерозчинним ні в одному з органічних розчинників.

Полидисперсность, властива полімерам, приводить до значного розкиду показників при визначенні фізико-механічних властивостей полімерних матеріалів. Механічні властивості полімерів (пружні, прочностние) залежать від їх структури, фізичного стану, температури і т. д. Полімери можуть знаходитися в трьох фізичних станах: в стеклообразном, високоеластическом і вязкотекучем.

Стеклообразное стан - твердий, аморфний (атоми, вхідні до складу молекулярного ланцюга, здійснюють коливальний рух біля положення рівноваги; руху ланок і переміщення макромолекул не відбувається).

Високоеластическое стан властивий тільки високополимерам, характеризується здатністю матеріалу до великих оборотних змін форми при невеликих навантаженнях (коливаються ланки, і макромолекула придбаває здатність згинатися).

Вязкотекучее стан нагадує рідкий стан, але відрізняється від нього дуже великою в'язкістю (жвава вся макромолекула). З зміною температури лінійний або розгалужений полімер може перейти з одного фізичного стану в інше.

Полімери з просторовою структурою знаходяться тільки в стеклообразном стані. Редкосетчатая структура дозволяє отримувати полімери в стеклообразном і високоеластическом станах. Різні фізичні стану полімеру виявляються при зміні його деформації з температурою. Графічна залежність деформації, що розвивається за певний час при заданому напруженні від температури, називається термомеханической кривої.. Середні температури перехідних областей називаються температурами переходу. Так, температура переходу з стеклообразного у високоеластическое стан (і зворотно) називається температурою скловання (tc); температура переходу з високоеластического стану у вязкотекучем (і зворотно) - температурою текучості (tт)-

Точка txp, лежача нижче за точку tc, є температурою крихкості. При температурі нижче за txpполимер стає крихким, т. е. руйнується при дуже малій величині деформації. Руйнування відбувається внаслідок розриву хімічних зв'язків в макромолекуле (наприклад, для полиметилметакрилата tc=100°З, txp=+10'C; для полістиролу tс=100сС і txp= 9O°З; для поливинилхлорида tc= 81°З, txp= -90°З; для гуми на основі натурального каучуку tс= - 62°З, txp= - 80°З). З підвищенням температури збільшується енергія теплового руху молекул, і температура стає достатньою для вияву гнучкості молекул. Невеликі напруження спричиняють переміщення окремих сегментів макромолекул і їх орієнтацію в напрямі діючої сили. Після зняття навантаження молекули в результаті дії міжмолекулярних сил приймають первинну рівноважну форму. Високоеластическое стан характеризується значними оборотними деформаціями (сотні відсотків). У області, відповідній цьому стану, розвиваються пружна і високоеластическая деформації. Біля точки tTкроме пружної і високоеластической деформації виникає і пластична.

Кристалічні полімери нижче за температуру плавлення - кристалізації tк- є твердими, але мають різну жорсткість внаслідок наявності аморфної частини, яка може знаходитися в різних станах. При tKкристаллическая частина плавиться, і термомеханическая крива майже стрибкоподібно, і відповідає високоеластической деформації, як у некристалічного полімеру.

Вузли сітки редкосетчатого полімеру перешкоджають відносному переміщенню полімерних ланцюгів.. У зв'язку з цим при підвищенні температури в'язкої течії не наступає, розширяється високоеластическая область і її верхньою межею стає tx(хімічне розкладання полімеру).

Розглянуті температурні переходи (tcи tт) є одними з основних характеристик полімерів і мають велике значення. Наприклад, при використанні волокон, плівок, лаків в промисловості, де необхідна висока міцність, лежачі в їх основі полімери повинні знаходитися в стеклообразном стані. Гумовій промисловості необхідні високоеластические полімери, що зберігають свої властивості в широкому діапазоні температур. Процес технологічної переробки полімерів відбувається в області вязкотекучего стану.

Залежність напруження від деформації для лінійних і сітчастих полімерів різна. Лінійні полімери в стеклообразном стані володіють деякою рухливістю сегментів, тому полімери не так крихкі, як неорганічні речовини.

При дії великих напружень в стеклообразних полімерах розвиваються значні деформації, які за своєю природою близькі до високоеластическим. Ці деформації були названі А. П. Александровим вимушено-еластичними, а саме явище - вимушеною еластичністю. Вимушено-еластичні деформації виявляються в інтервалі температур txp-tc, а при нагріванні вище за tcони оборотні, т. е. зразок повністю відновлюється до первинного розміру. Діаграма розтягнення стеклообразного полімеру показана па мал. 2.1. Область / є областю утворення пружної деформації, а в області II відбувається процес високоеластической деформації. Максимум на кривій відповідає умові dQ/dE = 0 і називається межею вимушеної еластичності Qвин. Ел.- Нижче за tхрполимер придбаває щільну структуру з міцними міжмолекулярними зв'язками, втрачає всі переваги, зумовлені гнучкістю ланцюгів, і руйнується крихко.

У інтервалі температур tc- tT, коли полімер знаходиться у високоеластическом стані, діаграма напруження - деформація має вигляд плавної S-образної кривої. Залежність напруження від деформації для аморфного термопласта (полиметилметакрилат, полістирол, поливинилхлорид і інш.) при різних температурах і постійній швидкості розтягнення дана на мал. 2.2.

2.1 2.2

Рис. 2.1. Діаграма розтягнення стеклообразного полімеру

(Qвин. ел- межа вимушеної еластичності):

/ - область пружних деформацій;

Деформація

Деформація

//-область високоеластической деформації

Рис. 2.2. Вплив температури на характер кривих напруження - деформація аморфного термопласта t1 <t2 <t3

Орієнтационноє зміцнення. Полімери як в кристалічному, так і в стеклообразном стані можуть бути орієнтовані. Процес здійснюється при повільному розтягненні полімерів, що знаходяться у високоеластическом або вязкотекучем стані. Макромолекули і елементи надмолекулярних структур орієнтуються в силовому полі, придбавають впорядковану структуру в порівнянні з неорієнтованими. Після того як досягнута бажана міра орієнтації, температура знижується нижче за tс, і отримана структура фіксується.

У процесі орієнтації зростає міжмолекулярна взаємодія, що приводить до підвищення tc, зниження tхри особливо до підвищення механічної міцності. Властивості матеріалу виходять анізотропними. Розрізнюють одноосную орієнтацію, вживану для отримання волокон, плівок, труб, і многоосную, вироблюваної одночасно в декількох напрямах (наприклад, в процесі отримання плівок).

Міцність при розриві в напрямі орієнтації збільшується в 2-5 раз, в перпендикулярному напрямі міцність меншає і становить 30-50% міцності висхідного матеріалу. Модуль пружності в напрямі одноосной орієнтації збільшується приблизно в 2 рази. Висока міцність поєднується з достатньою пружністю, що характерно тільки для високополимеров (ланки макромолекул можуть оборотно переміщатися без руйнування матеріалу).

Деякі властивості орієнтованих аморфних і кристалічних полімерів однакові, однак вони розрізнюються фазовим станом, тому з течією часу у кристалічних полімерів поліпшується їх структура, а аморфні орієнтовані полімери частіше за все надалі дезорієнтуються (особливо при нагреваний).

Релаксационние властивості полімерів. Механічні властивості полімерів залежать від часу дії і швидкості додатку навантажень. Це зумовлене особливостями будови макромолекул. Під дією прикладених напружень відбувається як розпрямлення і розкручення ланцюгів (міняється їх конформация), так і переміщення макромолекул, пачок і інших надмолекулярних структур. Все це вимагає певного часу, і встановлення рівноваги (релаксація) досягається не відразу. Наприклад, для полімеру у високоеластическом стані час релаксації при конформационних змінах дорівнює 10-4- 10-6с, а час релаксації при переміщенні самих макромолекул і надмолекулярних структур дуже великий і складає доби і місяці. Прикладом може служити волокно, що є орієнтованим полімером. У звичайних умовах його молекули дуже довго не переходять в рівноважний неорієнтований стан; тому такі процеси релаксації звичайно не враховуються. Однак це волокно досить пружне, оскільки при розтягненні і скороченні виявляються швидкі релаксационние процеси зміни конформаций. Кінетика релаксационного процесу виражається формулою:

∆X=(∆)(X)0e-(τ / τp)

де ∆ х і (∆ х)0- відхилення величини, що вимірюється від рівноважного значення в даний момент часу т і в початковий момент т = 0; т" - час релаксації (для простих релаксирующих систем величина постійна). При τ = τ р величина ∆ х = (∆ х)0/е (т. е. за час релаксації ∆ х меншає в 2,72 рази). По величині τ робично судять про швидкість релаксационних процесів.

Для еластичних полімерів характерне явище гистерезиса. У цих матеріалів крива залежність деформації від напруження при навантаженні і розвантаженні зразка не співпадає (відбуваються релаксационние процеси). Релаксація деформації - це зміна відносного подовження (або стиснення) зразка при постійному напруженні у часі. При додатку сили зразок знаходиться в нерівновагий стані, і згодом починається релаксація; через якийсь час деформація досягає рівноважного значення (рівновага між а = const і тепловим рухом). Після зняття навантаження зразок починає відновлювати свою первинну форму (пружна післядія). Подовження відбувається внаслідок розпрямлення, розкручення ланцюгів (високоеластической деформації) і переміщення макромолекул один відносно одного (в'язкої течії). Чим більше час випробування, тим більше в'язка течія.. Деформація в цьому випадку складається з оборотної і безповоротної. Ці повільно протікаючі процеси зміни форми зразка називають повзучістю.

Рис. 3. Вплив швидкості (W) додатку навантаження на характер кривих розтягнення (W1 > W2 > W3)

Деформація

Релаксацією напруження називається зменшення напруження до рівноважного значення при умові незмінності деформації. З течією часу величина прикладеного первинного напруження буде поступово меншати, оскільки в зразку під дією теплового руху почнеться мимовільна конформационная перебудова, а в лінійному полімері буде відбуватися переміщення макромолекул. Для сітчастих полімерів співвідношення вказаних процесів буде залежати від частоти сітки.

Для всіх полімерів характерне підвищення межі міцності із збільшенням швидкості навантаження (мал. 3). При цьому меншає вплив непружних деформацій. З зменшенням швидкості навантаження вплив непружних деформацій зростає.

С. Н. Журковим розроблена флуктуаційна теорія міцності полімерів, згідно з якою розрив полімерного матеріалу під дією зовнішніх сил є процесом, що протікає в залежності від часу. Швидкість його визначається співвідношенням енергії міжмолекулярних зв'язків і теплових флуктуації. Розрив відбувається внаслідок теплових флуктуації, а розтягуюча напруга сприяє флуктуаційному процесу. Розрив завжди відбувається по хімічних зв'язках. Будь-яке зміцнення структури полімеру приводить до більш узгодженого опору лінійних молекул їх розриву, тому, наприклад, при орієнтації міцність матеріалу підвищується. При деформації полімерні матеріали так само, як і метали, володіють статичною і динамічною витривалістю.

Отже, чим вище напруження або температура, тим менше Довговічність.

Температурно-тимчасова залежність міцності для полімерних матеріалів виражена сильніше, ніж для металів, і має велике значення при оцінці їх властивостей.

Старіння полімерів. Під старінням полімерних матеріалів розуміється мимовільна безповоротна зміна найважливіших технічних характеристик, що відбувається внаслідок складних хімічних і фізичних процесів, що розвиваються в матеріалі при експлуатації і зберіганні. Причинами старіння є світло, теплота, кисень, озон і інші немеханічні чинники. Старіння прискорюється при багаторазових деформаціях; менш істотно на старіння впливає, волога. Розрізнюють старіння теплове, світлове, озонное і атмосферне.

Випробування на старіння проводиться як в природних умовах, так і штучними прискореними методами. Атмосферне старіння проводиться в різних кліматичних умовах протягом декількох років. Теплове старіння відбувається при температурі на 50°З нижче за температуру плавлення (розкладання) полімеру. Тривалість випробування визначається часом, необхідним для зниження основних показників на 50% від початкових.

Суть старіння полягає в складній ланцюговій реакції, що протікає з утворенням вільних радикалів (рідше за іони), яка супроводиться деструкцией і структуруванням полімеру. Звичайно старіння є результатом окислення полімеру атмосферним киснем. Якщо переважає деструкция, то полімер розм'якшується, виділяються летучі речовини (наприклад, натуральний каучук); при структуруванні підвищуються твердість, крихкість, спостерігається втрата еластичності (бутадиеновий каучук, полістирол). При високих температурах (200 - 500°З і вище) відбувається термічне розкладання органічних полімерів, причому пиролиз полімерів, що супроводиться випаровуванням летучих речовин, не є поверхневим явищем (як при простому випаровуванні неполімерних речовин); у всьому об'ємі зразка утворяться молекули, здатні випаровуватися.

Пластична маса

Пластмасами (пластиками) називає штучні матеріали, що отримуються на основі органічних полімерних зв'язуючих речовин. Ці матеріали здатні при нагріванні розм'якшуватися, ставати пластичними, і тоді під тиском ним можна додати задану форму, яка потім зберігається. У залежності від природи зв'язуючого перехід отформованной маси в твердий стан здійснюється або при подальшому її нагріванні, або при подальшому охолоджуванні.

I. Состав, класифікація і властивості пластмас

Обов'язковим компонентом пластмаси є зв'язуюча речовина. Як зв'язуючі для більшості пластмаси використовуються синтетичні смоли, рідше застосовуються ефіри целюлози. Багато які пластмаси, головним чином термопластичние, складаються з однієї зв'язуючої речовини, наприклад поліетилен, органічне скло і інш.

Іншим важливим компонентом пластмас є наполнитель (порошкоподібні, волокнисті і інші речовини як органічного, так і неорганічного походження). Після просочення наполнителя зв'язуючим отримують напівфабрикат, який спресовується в монолітну масу. Наполнители підвищують механічну міцність, знижують усадку при. пресуванні і. додають матеріалу ті або інакші специфічні властивості (фрикційні, антифрикційні і т. д.). Для підвищення пластичності в напівфабрикат додають пластификатори (органічні речовини з високою температурою кипіння і низькою температурою замерзання, наприклад олеиновую кислоту, стеарин, дибутилфталат і інш.). Пластификатор повідомляє пластмасі еластичність, полегшує її обробку. Нарешті, початкова композиція може містити отвердители (різні амини) або каталізатори (перекисние з'єднання) процесу отверждения термореактивних зв'язуючих, ингибитори, що оберігають напівфабрикати від їх мимовільного отверждения, а також барвники (мінеральні пігменти і спиртові розчини органічних фарб, службовці для декоративних цілей).

Властивості пластмас залежать від складу окремих компонентів, їх поєднання і кількісного співвідношення, що дозволяє змінювати характеристики пластик в досить широких межах.

По характеру зв'язуючої речовини пластмаси поділяють на термопластичние (термопласти), що отримуються на основі термопластичних полімерів, і термореактивние (реактопласти) - на основі термореактивних смол. Термопласти зручні для переробки у вироби, дають незначну усадку при формуванні (1-3%). Матеріал відрізняється великою пружністю, малою крихкістю і здібністю до орієнтації. Звичайно термопласти виготовляють без наполнителя. У останні роки стали застосовувати термопласти з наполнителями у вигляді мінеральних і синтетичних волокон (органопласти).

Термореактивние полімери після отверждения і переходу зв'язуючого в термостабильное стан (просторова структура) крихкі, часто дають велику усадку (до 10-15%) при їх переробці, тому в їх склад вводять посилюючу наполнители.

На вигляд наполнителя пластмаси ділять на порошковие (пресс-порошки) з наполнителями у вигляді деревної муки, сульфитной целюлози, графіту, тальку, подрібнених скла, мармуру, азбесту, слюди, що просочилося зв'язуючими (часто їх називають карболитами); волокнисті з наполнителями у вигляді очесов бавовни і льону (волокнити), скляного волокна (стекловолокнити), азбесту (асбоволокнити); шаруваті, вмісні листові наполнители (листи паперу в гетинаксе, бавовняні, скляні, азбестові тканини в текстолите, стеклотекстолите і асботекстолите, деревна шпона в древеснослоистих пластиках); крошкообразние (наполнитель у вигляді шматочків тканини або деревної шпони, що просочилися зв'язуючим); газонаполненние (наполнитель - повітря або нейтральні гази). У залежності від структури останні поділяють на пенопласти і поропласти.

Сучасні композиційні матеріали містять як наполнителей вугільні і графітові волокна (карбоволокнити); волокна бора (бороволокнити).

По застосуванню пластмаси можна поділити на силові (конструкційні, фрикційні і антифрикційні, електроизоляционние) і несидовие (оптично прозорі, хімічно стійкі, електроизоляционние, теплоизоляционние, декоративні, уплотнительние, допоміжні). Однак це ділення умовне, оскільки одна і та ж пластмаса може володіти різними властивостями: наприклад, полиамиди застосовують як антифрикційні і електроизоляционних матеріали і т. д.

Пластмаси по своїх фізико-механічних і технологічних властивостях є найбільш прогресивними і часто незамінними матеріалами для машинобудування.

Недоліками пластмас є невисока теплостойкость, низькі модуль пружності і ударна в'язкість в порівнянні з металами і сплавами, а для деяких пластмас схильність до старіння.

2. Термопластичние пластмаси

В основі термопластичних пластмас лежать полімери лінійної або розгалуженої структури, іноді до складу полімерів вводять пластификатори. Термопластичние пластмаси застосовують як прозоре органічне скло, високо- і низькочастотних діелектриків, хімічно стійких матеріалів; з цих пластмас виготовляють тонкі плівки і волокна. Деталі, виконані з таких матеріалів, мають обмежену робочу температуру. Звичайно при нагріві вище за 60-70°З починається різке зниження їх фізико-механічних характеристик, хоч більш теплостійкі пластмаси можуть працювати при температурі 15О-25О°С. Термостойкиє полімери з жорсткими ланцюгами і циклічні структури стійкі до 400-600° До неполярних пластик відносяться поліетилен, полипропилен, полістирол і фторопласт-4.

Поліетилен (- СН2- СН2-)" - продукт полімеризації безбарвного газу етилена, що відноситься до кристаллизующимся полімерів.)(

По густині поліетилен поділяють на поліетилен низької густини, що отримується в процесі полімеризації при високому тиску (ПЕВД), вмісному 55-65% кристалічних фази, і поліетилені високої густини, що отримується при низькому тиску (ПЕНД), що має кристалличность до 74 - 95%.)(

Чим вище густина і кристалличность поліетилену, тим вище механічна міцність і теплостойкость матеріалу..)( Теплостойкость поліетилену невисока, тому тривало його можна застосовувати при температурах до 60-100°С. Морозостойкость поліетилену досягає - 70°З і нижче.)( Поліетилен хімічно стійкий, і при кімнатній температурі нерозчинний ні в одному з відомих розчинників.)( При нагріванні стійкий до води, до ацетону, до спирту.)(

Недоліком поліетилену є його схильність старінню.)( Для захисту від старіння в поліетилен вводять стабілізатори і ингибитори (2-3% сажі вповільнюють процеси старіння в 30 раз).)(

Під дією радіоактивного опромінювання поліетилен твердне, придбаває велику міцність і теплостойкость.)(

Поліетилен застосовують для виготовлення труб, що ллються і пресованих несилових деталей (вентилі, контейнери і інш.), поліетиленових плівок для ізоляції проводів і кабелів, чохлів, скління парників, облицювання водоймищ;)( крім того, поліетилен служить покриттям на металах для захисту від корозії, вологи, електричного струму і інш.

Поліпропілен (- СН2- СНСН3-),, - є похідною етилена.)( Застосовуючи металоорганічні каталізатори, отримують полипропилен, вмісний значну кількість стереорегулярной структури.)( Це жорсткий нетоксичний матеріал з високими фізико-механічними властивостями.)( В порівнянні з поліетиленом цих пластик більш теплостійкі:)( зберігає форму до температури 150°С. Поліпропіленовие плівки міцні і більш газонепроникні, ніж поліетиленові, а волокна еластичні, міцні і хімічно стійкі.)( Нестабілізований полипропилен схильний до швидкого старіння.)( Недоліком пропилена є його невисока морозостійкість (- 10 - 20°З).)(

Полипропилен застосовують для виготовлення труб, конструкційних деталей автомобілів, мотоциклів, холодильників, корпусів насосів, різних ємностей і інш. Плівки використовують в тих же цілях, що і поліетиленові.)(

Полістирол (- СН2- СНС6Н5-) "- твердий, жорсткий, прозорий, аморфний полімер.)( За діелектричними характеристиками близький до поліетилену, зручний для механічної обробки, добре забарвлюється.)(

Будучи неполярним, полістирол розчиняється в багатьох неполярних розчинниках (бензол), в той же час Він хімічно стійкий до кислот і лугів;)( нерозчинний в спиртах, бензині, маслах, воді.)( Полістирол найбільш стійкий до радіоактивного опромінювання в порівнянні з іншими термопластами (присутність в макромолекулах фенильного радикала С6Н5).)(

Недоліками полістиролу є його невисока теплостойкость, схильність до старіння, утворення тріщин.)(

Ударостійкий полістирол являє собою блоксополимер стиролу з синтетичним каучуком.)( Такий матеріал має в 3 - 5 разів більш високу міцність на удар і в 10 раз більш високе відносне подовження в порівнянні із звичайним полістиролом (мал. 199).)( Високоміцні АБС-пластики (акрилонитрилбутадиенстирольние) відрізняються підвищеною хімічною стійкістю і ударною міцністю, мають Ơ)( в= 3,5 - 6,5 кгс/мм2, Ївши= 100 - 250 кгс/мм2и теплостойкость по Віку 100-125°З).)( Однак діелектричні властивості таких сополимеров нижче в порівнянні з чистим полістиролом.)( З полістиролу виготовляють деталі для радіотехніки, телебачення і приладів, деталі машин (корпусу, ручки і інш.), судини для води і химикатов, плівки стирофлекс для електроизоляції, а АБС-пластики застосовуються для деталей автомобілів, телевізорів, човнів, труб і т.)( д.)(

Фізико-механічні властивості неполярних термопластовТаблица 1

Матеріал

Густина, г/см 3

Робоча температура, °З

Межа міцності, кгс/мм 2

максимальна

мінімальна

при рас-. тяжении

при стисненні

при статичному згині

Поліетилен:)(

ПЕВД

ПЕНД Поліпропілен Полістирол Фторопласт-4

0,918-0,93 0,949-0,96 0,9-0,92 1,05-1,1

2,15-2,35

105-108 120-125 150

80

250

- 40,-70 і нижче

- 70 і нижче

- 15

- 20

- 269

0,84-1,75 1,95-4,5

2,5

3.5-4 1,4-3,5

1,25-2,

1 2-3,6

6

10

2

1.2-1,7 2 - 3,8 7-8

5-10 1,1-1,4

Матеріал

Відносне подовження при розриві,

Ударна в'язкість а, кгс -

- см/см-Диелектрическая

проникність

Питомий об'ємний опір Ом - см

Тангенс кута діелектричних втрат при 106 Гц, 10" 4

Електрична міцність,

кВ/мм

Поліетилен):)(

ПЕВД

ПЕНД

Поліпропілен Полістирол Фторопласт-4

150-600

100-900

100-400

0,4-3,5

250-350

Не ламається

33 - 80

10-22

100

2,2-2,3 2,1-2,4 2 2 2,5-2,7 1,9-2,2

10 17

10 17

10 16

10 15

10 18

2-3

2-5

2-5

3-4

2-2,5

45-60 45-60 28-40 20-25 35-40

Фторопласти (вітчизняна назва пластик фторопласт-4, фторлон-4) є термічно і хімічно стійкими матеріалами.)( Основним представником фторсодержащих полімерів є политетрафторетилен (- CF2- CF2-),,.)( Це насичений полімер з макромолекулами у вигляді зигзагоподібних спіралей.)( До температури 250°З швидкість кристалізації мала і не впливає на його механічні властивості, тому тривало експлуатувати фторопласт-4 можна до температури 250сС.)( Руйнування матеріалу відбувається при температурі вище за 415°С. Аморфная фаза знаходиться у високоеластическом стані, це додає фторопласт-4 (фторлону-4) відносну м'якість.)( Температура скловання - 120°З, але навіть при вельми низьких температурах (до - 269°З) пластик не охрупчивается.)( Висока термостійкість фторопласт-4 зумовлена високою енергією зв'язку З - F. Кроме того, внаслідок невеликого розміру атоми фтору утворять щільну оболонку навколо ланцюга С-С і захищають останню від хімічних реагентів.)( Фторопласт-4 стійкий до дії розчинників, кислот, лугів, окислювачів.)( Практично фторлон-4 руйнується тільки під дією розплавлених лужних металів (калій, натрій) і елементарного фтору, крім того, вода пластик не змочує.)( Политетрафторетилен малоустойчив до опромінювання.)( Це найбільш високоякісний діелектрик, і його діелектричні властивості мало змінюються в широкому діапазоні температур.)( Фторопласт-4 володіє дуже низьким коефіцієнтом тертя (/= 0,04), який не залежить від температури (до 327°З коли починає плавитися кристалічна фаза).)( Недоліками фторопласт-4 є хладотекучесть (результат рекристалізації), виділення токсичного фтору при високій температурі і трудність його переробки (внаслідок відсутності пластичності).)(

Фторопласт-4 застосовують для виготовлення труб для химикатов, деталей (вентилі, крани, насоси, мембрани), уплотнительних прокладок, манжет, сильфонов, електрорадиотехнических деталей, антифрикційних покриттів на металах (підшипники, втулки).)(

Різновидом фторопласт є фторопласт-4Д, відмінний формою і розміром частинок, меншою молекулярною масою.)( Це полегшує переробку матеріалу у вироби.)( Фізико-механічні властивості однакові з фторопласт-4.)(

Волокно і плівку фторлон виготовляють з фторопласт-42.)( Фторлоновая тканина не горить, хімічно стойка, застосовується для ємностей, рукавів, спецодягу,) діафрагм і т.)( д.)(

Фізико-механічні властивості неполярних термопластичних пластмас (термопластов) приведені в табл. 1.)(

Полярні термопластичние пластмаси.)( До полярних пластик відносяться фторопласт-3, органічне скло, поливинилхлорид,.)( полиамиди, полиуретани, полиетилентерефталат, полікарбонат, полиарилати, пентапласт), полиформальдегид.

Фторопласт-3 (фторлон-3) - полімер трифторхлоретилена, має формулу (- CF2- CFC1 -)" і є кристалічним полімером.)(

Введення атома хлора порушує симетрію ланок макромолекул, матеріал стає полярним.)( Діелектричні властивості знижуються, але з'являється пластичність і полегшується переробка матеріалу у вироби.)( Фторопласт-3, повільно охолоджений після формування, має кристалличность біля 80 - 85%, а загартований - 30 - 40%.)( Інтервал робочих температур від - 105 до + 70°С. Прі температурі 315°З починається термічне руйнування.)( Хладотекучесть полімеру виявляється слабіше, ніж у фторопласт-4.)( По хімічній стійкості поступається политетрафторетилену, але все ж володіє високою стійкістю до дії кислот, окислювачів, розчинів лугів і органічних розчинників.)(

Модифікований политрифторхлоретилен, що випускається під назвою фторопласт-ЗМ, володіє більшою теплостойкостью (робоча - температура 150-170°З), він більш еластичний і легше формується, ніж фторопласт-3.)(

Фторопласт-3 використовують як низькочастотний діелектрик, крім того, з нього виготовляють труби, шланги, клапани, насоси, захисні покриття металів і інш.

Органічне скло - це прозорий аморфний термопласт на основі складних ефірів акриловой і метакриловой кислот.)( Частіше за все застосовується полиметилметакрилат, іноді пластифицированний дибутилфталатом.)( Матеріал більш ніж в 2 рази легше мінерального скла (р = 4=1,18 г/см3), відрізняється високої атмосферостойкостио, оптично прозорий (светопрозрачность 92%), пропускає 75% ультрафіолетових променів (силікатні - 0,5%).)( При температурі 80°З органічне скло починає розм'якшуватися;)( при температурі 105 -150°З з'являється пластичність, що дозволяє формувати з нього різні деталі.)( Механічні властивості органічного скла залежать від температури.)( Критерієм, що визначає придатність органічного скла для експлуатації, є не тільки їх міцність, але і поява на поверхні і всередині матеріалу дрібних тріщин, так званого «срібла».)( Цей дефект знижує прозорість і) міцність скла. Причиною появи срібла є внутрішні напруження, виникаючі в зв'язку з низькою теплопровідністю і високим температурним коефіцієнтом лінійного розширення матеріалу.

Органічне скло стійке до дії розбавлених кислот і лугів, вуглеводневих топлив і змазок, розчиняється в ефірах і кетоні, в органічних кислотах, ароматичних і хлорованих углеводородах. Старіння органічного скла в природних умовах протікає повільно.

Недоліком органічного скла є невисока поверхнева твердість.

Збільшення термостійкості і ударної в'язкості органічного скла досягається витяжкою його в пластичному стані в різних напрямах (орієнтоване скло; при цьому збільшується в декілька разів міцність на удар і стійкість до «сріблення»); сополимеризацией або прищепленою полімеризацією полиметилметакрилата з іншими полімерами, що підвищує поверхневу твердість і теплостойкость; отриманням частково зшитої структури (термостабильние стікти); застосуванням багатошарового скла («триплексів») на основі органічного скла, склеєного прозорою плівкою (наприклад, з поливинилбутираля).

Органічне скло використовують в самолетостроенії, автомобілебудуванні. З органічного скла виготовляють светотехнические деталі, оптичні лінзи і інш. На основі полиметилметакрилата отримують самоотверждающиеся пластмаси:-ACT, стиракрил, АКР. Вказані матеріали застосовують для виготовлення штампів, ливарних моделей і абразивного інструмента.

Поливинилхлорид є полярним аморфним полімером з хімічною формулою (- СН2- СНС1 -)".)( Пластмаси на основі поливинилхлорида мають хороші електроизоляционние характеристики, стойки до химикатам, не підтримують горіння, атмосферостойкие.)( Непластифицированний твердий поливинилхлорид називається винипластом.)( Винипласти мають високу механічну міцність і пружність.)( З винипласта виготовляють труби для подачі агресивних газів, рідин і води, захисні покриття для електропроводки, деталі вентиляційних установок, теплообмінників, захисні.)( покриття для металевих ємностей, будівельні облицювальні плитки.)( Крім того, винипластом облицьовують гальванічні ванни.)( Недоліками цього матеріалу є низька тривала міцність і низька робоча температура під навантаженням (не понад 60 - 70сС), великий коефіцієнт лінійного розширення (6,5 - 8) - 10-51/°З, крихкість при низьких температурах (tхр= - 10°З), tв - = 90 - 95°З).

При введенні пластификатора отримують полихлорвиниловий пластикат, що має морозостійкість - 15 - 50° З і температуру розм'якшення 160-195° З пластиката отримують труби, друкарські валики, уплотнительние прокладки; використовують для покриття тканин (наприклад, конвейєрні стрічки).

Полиамиди - це група пластмас з відомими назвами: капрон, нейлон, анид і інш. У складі макромолекул полімеру присутній амидная група - NH - ЗІ -, а також метиленовие групи - СН2-, що повторюються від 2 до 10 разів. Загальна формула полиамидов має вигляд

- NH - ЗІ - (СН2)", - NH - ЗІ - (СН2)"

Поліаміди - кристаллизующиеся полімери. Окремі ланцюжки макромолекул розташовуються таким чином, що між групами ЗІ і NH, належними різним ланцюжкам, виникає водневий зв'язок, що підвищує температуру плавлення до 210-264°З і сприяюча утворенню регулярної структури. При одноосной орієнтації виходять полиамидние волокна, нитки, плівки.

Властивості різних видів полиамидов досить близькі. У них низька густина; межа міцності при розриві 5 - 11 кгс/мм2, відносне подовження від 10-100 до 200 - 350%, міцність волокон 60 кгс/мм2. Полиамиди мають низький коефіцієнт тертя (f < 0,05), тривалий час можуть працювати на стирання; крім того, полиамиди ударопрочний і здатні поглинати вібрацію. Вони стійкі до лугів, бензину, спирту; стійкі в тропічних умовах.

До недоліків полиамидов відноситься деяка гигроскопичность і схильність старінню внаслідок окисляемости (особливо при переробці смол). Водопоглинання залежить від змісту амидних груп і структури і складає від 1,75% (полиамид П-12) до 11 - 12% (капрон, П-54). Стійкість полиамидов до світла підвищується введенням стабілізатора, а антифрикційні властивості - введенням наполнителя - графіту і інш.

З полиамидов виготовляють шестерні, втулки, підшипники, болти, гайки, шківи, деталі ткацьких станків, маслобензопроводи, уплотнители гидросистем, колеса відцентовий насосів, турбін, турбобуров, буксирние канати і т. д. Полиамиди використовують в електротехнічній промисловості, медицині і, крім того, як антифрикційні покриття металів.

Полиуретани містять уретановую групу - NH - СОО -. Кисень в молекулярному ланцюгу повідомляє полімерам гнучкість, еластичність; ним властива висока атмосферостойкость і морозостійкість (- 60-:-70° З). Верхня температурна межа становить 120-170°З (при високій вогкості - до 100-110°З). Властивості полиуретана в основному близькі до властивостей полиамидов. З полиуретана виробляють плівкові матеріали і волокна, яку малогигроскопични і хімічно стойки.

У залежності від початкових речовин, вживаних при отриманні полиуретанов, вони можуть володіти різними властивостями, бути твердими, еластичними і навіть термореактивними.

Полиетилентерефталат - складний полиефир з хімічною формулою

- CH2- СН2- ОСО - < = > - С0-0-. ..

У Росії випускається під назвою лавсан, за рубежем - майлар, терилен. Полиетилентерефталат є кристалічним полімером; при швидкому охолоджуванні розплаву можна отримувати аморфний полімер, який при нагріванні понад 80°З починає кристаллизоваться.

Присутність кисня в основному ланцюгу повідомляє хорошу морозостійкість (- 70сС). Бензольное кільце підвищує теплостойкость (температура плавлення 255 -257°З). Механічна міцність при розтягненні 1,75 кгс/мм2, модуль пружності 352 кгс/мм2, при орієнтації міцність зростає. Полиетилентерефталат є діелектриком і володіє порівняно високою хімічною стійкістю, стійкий в умовах тропічного клімату. З полиетилентерефталата виготовляють шестерні, Кронштейни, канати, ремені, тканини, плівки і інш.

Полікарбонат - складний полиефир, вугільної кислоти; випускається під назвою дифлон. Це кристалічний полімер, якому при плавленні і подальшому охолоджуванні можна додати аморфну структуру. Такий матеріал стає стеклообразним і прозорим. Властивості поликарбонатов своєрідні - їм властиві гнучкість і одночасно. міцність і жорсткість. По міцності при розриві матеріал близький до винипласту і відрізняється високою ударною в'язкістю, він не хладотекуч. При тривалому нагріванні, аж до температури розм'якшення, зразки зберігають свої розміри і залишаються еластичними при низьких, температурах.

Полікарбонат хімічно стійкий до розчинів солей, розбавлених кислотам і лугам, паливу, маслам; руйнується міцними лугами. Витримує светотепловакуумное старіння і теплові удари. Тропікостоєк. Полікарбонат має обмежену стійкість до іонізуючих випромінювань.

З полікарбонату виготовляють шестерні, підшипники, автодетали, радиодетали і т. д, Його можна використати в кріогенній техніці для роботи в середовищі рідких газів. Дифлон застосовується також у вигляді гнучких, міцних плівок.

Полиарилати - складні гетероцепние полиефири. Полиарилатам властиві висока термічна стійкість і морозостійкість (до - 100°З), хороші показники механічної міцності і антифрикційні властивості. Полиарилати радиационностойки і хімічно стойки. Полиарилати застосовуються для підшипників, працюючих в глибокому вакуумі без змазки, як уплотнительних матеріали в буровій техніці.

Пентапласт є хлорованим простим полиефиром, відноситься до повільно кристаллизующимся полімерам. Пентапласт більш стійкий до нагрівання в порівнянні з поливинилхлоридом (отщепления хлористого водня під дією температури не відбувається). Міцність пентапласта близька до міцності винипласта, по він витримує температуру 180сС і добре формується, нехладотекуч, стойок до стирання. Пентапласт, будучи речовиною полярною, володіє задовільними електроизоляционними властивостями. Крім того, він водостійкий. По хімічній стійкості займає проміжне положення між фторопласт і винипластом. З пентапласта виготовляють труби, клапани, деталі насосів і точних приладів, ємності, плівки і захисні покриття на металах.

Полиформальдегид - простий полиефир - лінійний полімер, що має в ланцюгу кисень (- СН2- ОБ -)".)( Підвищена кристалличность (75%) і надзвичайно щільна упаковка кристалів дають поєднання таких властивостей, як жорсткість і твердість, високу ударопрочность і пружність.)( Температурний інтервал застосовності полімеру від -40 до 130 З;)( ой водостійкий, стойок до мінеральних масел і бензину.)( Полиформальдегид використовують для виготовлення зубчатих передач, шестерень, підшипників, клапанів, деталей автомобілів, конвейєрів і т.)( д.)(

Термостійкі пластики.)( В цих полімерах фениленовие ланки чергуються з гнучкими ланками (амидними, сульфидними і др).)( Температура експлуатації їх до 400°С. Кроме полімерів з гнучкими ланками створює ця новий клас полімерів з жорсткими ланцюгами, в які вводяться стійкі гетероцикли.)( Циклічні структури стійкі до 600°З і вище.)( Практичний інтерес представляють ароматичні полиамиди, полифениленоксид, полисульфон і гетероциклические полімери - полиимиди і полибензимидазоли.)(

Ароматичний полиамид - фенилон містить фенильние радикалів, сполучених групами - NH - ЗІ -. )( Це лінійний гетероцепной полімер, здатний кристаллизоваться.)( Тривало може працювати при температурі 250-260°З (tпл= 430°З), морозостійкий (навіть при температурі рідкого азоту), має підвищену стійкість до радіації і хімічну стійкість.)( В порівнянні з капроном, фенилон володіє більш високою втомною міцністю і зносостійкістю (мал. 202).)(

З фенилона виготовляють підшипники, уплотнительние деталі запорних пристроїв, зубчаті колеса, деталі електрорадиопередач.)( З нього отримують плівки, волокна, папір (номекс).)(

Полифениленоксид - простий ароматичний полиефир, аморфний, важко кристаллизуется, по термічній стабільності поступається фенилону.)( Тривало його можна застосовувати до 13О-15О°З;)( володіє хімічною стійкістю, низьким водопоглинанням.)( З полифениленоксида виготовляють деталі обладнання, хірургічні інструменти, ізоляцію на високочастотних установках.)(

Полисульфон - простий ароматичний полиефир, в макромолекулах якого між фениленовими групами) є ланки - SO2- (підвищують стійкість до нагріву), групи - О-, - З (СН3)2- (зменшують жорсткість). Це аморфний, важко кристаллизующийся полімер. Матеріал термічно стабільний, хімічно стойок, по прочностним властивостях близький до полифениленоксиду. Полисульфон застосовують у вигляді плівок, що ллються виробів і покриттів для експлуатації при температурах від - 100 до + 175°З (в інертній атмосфері до 400°З). З нього виготовляють деталі автомобілів, станків, побутових машин, електротехнічних виробів, металлизованних матриць для друкарського кліше.

Полиимиди - ароматичні гетероциклические полімери. Ланцюг макромолекул містить имидние цикли і ароматичні ядра, сполучені гнучкими зв'язками - Об -, - ЗІ -. В залежності від структури полиимиди можуть бути термопластичними і термореактивними. Найбільше практичне застосування отримали лінійні полиимиди. Полиимиди відрізняються високими механічними і електроизоляционними властивостями, широким діапазоном робочих температур (від - 200 до + 300°З), стійкістю до радіації. На основі полиимидов отримують плівки, по міцністю не поступливою лавсановим. Полиимиди стійкі до дії розчинників, масел, слабим кислотам і основам. Руйнуються при тривалому впливі киплячої води і водяних пар. Можуть тривало працювати в глибокому вакуумі при високих температурах. Полиимидние прессовочние добре чинять опір повзучості, стойки до стирання, володіють низьким коефіцієнтом тертя.

Полиимиди застосовують у вигляді плівок для ізоляції проводів і кабелів, друкарських схем, електронно-вакуумної теплової ізоляції. Прес-матеріали використовують для виготовлення виробів конструкційного, антифрикційного і електроизоляционного призначення. Полиимидние зв'язуючі застосовують для наповнених пластик.

Полибензимидазоли є ароматичними гетероциклическими полімерами. У основному ланцюгу макромолекул містяться бензимидазольние ЦИКЛИ.

Більшість полімерів безбарвні, однак полімери з яскраво вираженою системою сполучення в ланцюгу мають темний колір. Полімери можуть мати кристалічну або аморфну будову, бути термопластичними і термореактивними. Зшита структура виходить при введенні зшиваючих агентів.

Полибензимидазоли володіють високою термостійкістю (температура розкладання на повітрі 300-600°З, температура розм'якшення 300-490°З); хорошими прочностними показниками, високими діелектричними властивостями. Волокна вогнестійкі і термостійкі. Композиції на основі поли-бензимидазолов можуть використовуватися як абляционних теплозащитних матеріали. Антифрикційні матеріали - АСП-пластики володіють термостійкістю і самосмазивающимися властивостями.

Полибензимидазоли застосовують у вигляді плівок, волокон, тканин для спеціальних костюмів; з АСП-пластик виготовляють підшипники, шестерні. Полибензимидазоли можуть використовуватися як зв'язуючі для армованих пластик.

Композиційні матеріали

Композиційними називають штучні матеріали, що отримуються поєднанням хімічно різнорідних компонентів. Одним з компонентів є матриця (для полімерів - зв'язуюче), іншим - упрочнители. Родоначальником композиційних матеріалів є армовані стеклопластики. Їх фізична природа, схеми армування і розрахункові особливості переносяться на композиційні полімерні матеріали.

Як матриці використовують полімерні, вуглецеві, керамічні і металеві матеріали. У якості упрочнителей застосовують волокна: скляні, вуглецеві, борні, органічні, на основі ниткоподібних кристалів (оксидів, карбідів, бориду, нитридов і інш.), а також металеві (дроту), що володіють високою міцністю і жорсткістю. Властивості різних волокон, вживаних в якості, упрочнителей, приведені в табл. 2. Вуглецеві волокна на повітрі можуть працювати до температури 450°З, в нейтральному і відбудовному середовищі вони зберігають міцність до 2200°С. Борние і керамічні волокна володіють високою твердістю і мало разупрочняются з підвищенням температури. Органічні волокна можуть працювати до температури 200 - 300° Армуючі зміцнюючі матеріали можуть бути у вигляді волокон, джгутів, ниток, стрічок, багатошарових тканин.

Вміст упрочнителя в орієнтованих матеріалах становить 60-80% об.%, в неорієнтованих (з дискретними волокнами. і ниткоподібними кристалами) - 20 - 30% об.%. Чим вище міцність і модуль пружності волокон, тим вище міцність і жорсткість композиційного матеріалу. Властивості матриці визначають міцність композиції при зсуві і стисненні і опір втомному руйнуванню.

Підвищення адгезії матриці до волокон досягається поверхностной' обробкою останніх. З цією метою застосовують вискеризацию - введення ниткоподібних кристалів в межволоконное простір. Вискеризация здійснюється шляхом осадження ниткоподібних кристалів на поверхню волокон («волохаті» волокна з вирощеними на них перпендикулярно довжині монокристалами - «вусами»). Цим досягається підвищення міцності матеріалу при зсуві в 1,5 - 2 рази, модуля пружності при зсуві і міцності при стисненні на 40 - 50%. По характеру матриці композиційні матеріали поділяють на полімерні, вуглецеві і металевих. По упрочнителю їх можна класифікувати на карбоволокнити (углепласти), вмісні як зміцнюючий матеріал вуглецеві волокна; бороволокнити з упрочнителями у вигляді борних волокон; органоволокнити з синтетичними волокнами; метали, армовані волокнами

Властивості армуючих волокон таблиця 2

Пліт-Межа

Модуль

Віднось-Температура

Тип волокна

ность,

міцно-пружності,

тельное

стабільності.

г/см 3

сти,

10 3

подовження, %

СС

кгс/мм 2

кгс/мм 2

Скляні:

алюмоборосиликатние

2,5-2,6

140-220

6

2-3

700*

високомодульние

2,5-2,6

390-470

9,5-11

4,4-5.

До 870

Вуглецеві високомодульние

1,75-1,95

230-290

28-31

0,7-1

2200

Борні

2,5

280-320

39-40

0,7-0,8

TТразм = 3650) 980

(Т пл = 2200)

Окисел алюмінію

3,97

210

17

-

1000 - 1500

Карбід кремнію

3,18

350

42

_

(Т пл = 2050) 1200 - 1700

Синтетичні:

(Т пл = 2090)

полиамидное (капрон)

1,14

77-85

0,32-0,35

13-17

196-216**

полиефирное (лавсан)

1,38

48-62

1,02-1,1

14-15

235-255**

полиакрилонитрильное (нитрон)

поливинилспиртовое (винол)

1,17

46-56

0,46-0,58

16-17

-

Поливинилспиртовое (винол)

1,26

60-100

2,5

7-12

-

З ароматичного полиамида

1,4

200-280

11-12

2-5

Дроту:

вольфрамова

19,3

220-430

35-42

-

-

молібденова

10.2

215

36

_

_

титанова

4,72

190-200

12

_

стальна

7,9

420

20

-

-

*Температура плавлення.

**Температура деструкции

Перевагою композиційних матеріалів є високі міцність і жорсткість (для карбоволокнитов Ơ в= 65 - 170 кгс/мм2, Е= 12000 - 18 000 кгс/мм2; для бороволокнитов Ơ в= 90 - 175 кгс/мм2, Е = 21400 - 27000 кгс/мм2), хороший опір крихкому руйнуванню, жароміцність і термічна стабільність. Густина композиційних матеріалів складає від 1,35 до 4,8 г/см3.

Композиційні матеріали є перспективними конструкційними матеріалами для різних галузей машинобудування.

1. Карбоволокнити

Карбоволокніти (углепласти) являють собою композиції, що складаються з полімерного зв'язуючого (матриці) і упрочнителей (наполнителей) у вигляді вуглецевих волокон (карбоволокон).

Вуглецеві волокна отримують термообробкою органічних волокон. У залежності від температури термообробки і вуглеводу, що міститься волокна поділяють на частково карбонизованние (900°З, 85-90%), карбонизованние (900-1500°З, 95-99%) і графитированние, (1500 - 3000°З, > 99.%). Два останніх типи мають найбільше значення.

У залежності від форми початкової сировини вуглецеві волокна можуть бути у вигляді ниток, джгутів, повсті, тканин; волокна можна переробляти на звичайному текстильному обладнанні.

Практичне застосування знайшли віскозні кордние волокна (ВК) і полиакрилонитрильние (П АН-віл вікна).

Властивості волокон залежать від термообробки, із збільшенням температури відбувається утворення гексагональних вуглецевих шарів, їх зростання і упорядкування. Структура волокон фибриллярная. Кожна волокнина складається з лентообразних микрофибрилл, розділених вузькими і довгими подовжніми порами.

Внаслідок витяжки досягається орієнтація кристаллитов, що дозволяє отримувати високоміцні і високомодульние вуглецеві волокна.

Звичайні вуглецеві волокна мають Ơ в= 50 - 100 кгс/мм2и Е = = 2000-7000 кгс/мм2; для високоміцних і високомодульних волокон Ơ в > 150 кгс/мм2и Е > 15000 кгс/мм2. По питомих міцність (Ơ/р) і жорсткість (Е/р) остання перевершує всі жаростійкі волокнисті матеріали.

Висока енергія зв'язку З - З вуглецевих волокон дозволяє їм зберігати міцність при дуже високих температурах (в нейтральному і відбудовному середовищах до 2200°З), а також при низьких температурах. Від окислення поверхні волокна оберігають захисними, покриттями (пиролитическими). На відміну від скляних волокон карбоволокна погано змочуються зв'язуючим (низька поверхнева енергія), тому їх піддають труєнню, аппретированию, вискеризації.

Зв'язуючими служать синтетичні полімери (полімерні карбоволокнити); синтетичні полімери, піддані пиролизу (коксовані карбоволокнити); пиролитический вуглевод (пироуглеродние карбоволокнити).

Як полімерні зв'язуючі застосовують епоксидние, фенолоформальдегидние. смоли, полиимиди і інш.

Епоксифенольние карбоволокнити КМУ-1л, зміцнений вуглецевою стрічкою, і КМУ на джгуті, вискеризованном ниткоподібними кристалами, можуть тривало працювати при температурі до 200° Карбоволокнити КМУ-2 і КМУ-2л на основі полиимидного связущего можна застосовувати при температурі до 300°З [43].

Карбоволокнити відрізняються високою статичною і динамічною витривалістю (мал. 215), зберігають цю властивість при нормальній і дуже низькій температурі (висока теплопровідність волокна запобігає саморазогрев матеріалу за рахунок внутрішнього тертя). Вони водо- і хімічно стойки. Після впливу на повітрі рентгенівського випромінювання Ơ ії Ε ипочти не змінюються.

Теплопровідність углепластиков в 1,5-2 рази вище, ніж у стеклопластиков. Вони мають наступні електричні властивості: р" = 0,0024 4- 0,0034 Ом-см (вдовж волокон); Е=10 і tg δ = 0,01 (при частоті 1010Гц).

Карбостекловолокнити містять нарівні з вугільними скляні, волокна, що здешевлює матеріал.

Карбоволокнити з вуглецевою матрицею. Коксовані матеріали виходять із звичайних полімерних карбоволокнитов, підданих пиролизу в інертній або відбудовній атмосфері. При температурі 800-1500°З утворяться карбонизованние, при 2500-3000°З графитированние карбоволокнити. Для отримання пироуглеродних матеріалів упрочнитель викладається за формою - вироби і вміщується в піч, в яку пропускається газоподібний вуглеводень (метан). При певному режимі (1100°З і залишковому тиску 20 мм-рт. ст.) метан розкладається, і пиролитический вуглевод, що утворюється осаждается на волокнах упрочнителя, зв'язуючи їх.

Що Утворюється при пиролизе зв'язуючого кокс має високу міцність зчеплення з вуглецевим волокном. У зв'язку з цим композиційний матеріал володіє високими механічними і абляционними властивостями, стійкістю до термічного удару.

Карбоволокнит на вуглецевій матриці типу КУП-ВМ: по значеннях міцності і ударній в'язкості в 5 -10 разів перевершує спеціальний графіт; при нагріві в інертній атмосфері і вакуумі він зберігає міцність до 2200°З, на повітрі окислюється при 450°З і вимагає захисного покриття. Коефіцієнт тертя одного карбоволокнита з вуглецевою матрицею по іншому високий (0,35-0,45), а знос малий (0,7-1 мкм на гальмування).

Полімерні карбоволокнити використовують в судо- і автомобілебудуванні (кузови гоночних машин, шасі, веслові гвинти); з них виготовляють підшипники, панелі опалювання, спортивний інвентар, частини ЕОМ. Високомодульние карбоволокнити застосовують для виготовлення деталей авіаційної техніки, апаратури для хімічної промисловості, в рентгенівському обладнанні і інш.

Карбоволокнити з вуглецевою матрицею застосовують для теплового захисту, дисків авіаційних гальм, хімічно стійкої апаратури, замінюючи різні типи графіту.

2. Бороволокніти

Бороволокнити являють собою композиції з полімерного зв'язуючого і упрочнителя - борних волокон.

Бороволокнити відрізняються високою міцністю при стисненні, зсуві і зрізі, низькою повзучістю, високими твердістю і модулем пружності, тепло- і електропровідністю.

Борне волокно виходить осадженням бора з газової фази на поверхню розігрітого вольфрамового дроту. Внаслідок дифузії і взаємодії між бором і вольфрамом останній перетворюється в борид вольфраму. Таким чином, зовнішня оболонка волокна складається з металевого бора, сердечник - з кристалічного бориду змінного складу. Борні волокна мають d = 90 - 150 мкм, Ơ" = 280 - 320 кгс/мм2, г = 0,7 - 0,8%, Е = 39000 - 40000 кгс/мм2, випускаються під марками БН і борофил (США). При температурі > 400°З волокна окислюються і вимагають нанесення захисних покриттів (карбіди). Комірчаста мікроструктура борних волокон забезпечує високу міцність при зсуві на межі розділу з матрицею.

Крім безперервного борного волокна застосовують комплексні боростеклонити, в яких декілька паралельних борних волокон обплітаються стеклонитью, що додає формоустойчивость. Застосування боростеклонитей. полегшує технологічний процес виготовлення бороволокнитов.

Як матриці для отримання бороволокнитов використовують модифіковані епоксидние і полиимидние зв'язуючі. Бороволокнити КМБ-1 і КМБ-1к призначені для тривалої роботи при температурі 200°З; КМБ-3 і КМБ-Зк не вимагають високого тиску при переробці і можуть працювати при температурі не понад 100°З; КМБ-2к прецездатний при 300°З.

Бороволокнити володіють високою втомною міцністю (до 35 - 40 кгс/мм2), їх властивості можна змінювати за рахунок різного укладання упрочнителя. Бороволокнити стійкі до впливу проникаючої радіації, до води, органічних розчинників і паливно-мастильних матеріалів.

3. Органоволокніти

Являють собою композиційні матеріали, що складаються з полімерного зв'язуючого і упрочнителей у вигляді синтетичних волокон. Вони стійкі в агресивних середовищах і у вологому тропічному кліматі; діелектричні властивості високі, а теплопровідність низька.

Органоволокнити застосовують як ізоляційний і конструкційний матеріал в електрорадиопромишленности, авіаційній техніці, автостроенії; з них виготовляють труби, ємності.

Гумові матеріали

1. Загальні відомості, склад і класифікація гум

Гумою називається продукт спеціальної обробки (вулканізація) суміші каучуку і сірки з різними добавками.

Гума як технічний матеріал відрізняється від інших матеріалів високими еластичними властивостями, які властиві каучуку - головному початковому компоненту гуми. Вона здібна до дуже великих деформацій (відносне подовження досягає 1000%), які майже повністю оборотні. При кімнатній температурі гума знаходиться у високоеластическом стані і її еластичні властивості зберігаються в широкому діапазоні температур.

Модуль пружності лежить в межах 0,1 - 1 кгс/мм2, т. е. він в тисячі і десятки тисяч разів. менше, ніж для інших матеріалів. Особливістю гуми є її мала стисливість (для інженерних розрахунків гуму вважають нестискуваною); коефіцієнт Пуассона рівний 0,4 - 0,5, тоді як для металу ця величина становить 0,25 - 0,30. Іншою особливістю гуми як технічного матеріалу є релаксационний характер деформації. При кімнатній температурі час релаксації може становити-10 ~4с й більш. При роботі гуми в умовах багаторазових механічних напружень частина енергії, що сприймається виробом, втрачається на внутрішнє тертя (в самому каучуку і між молекулами каучуку і частинками добавок); це тертя перетворюється в теплоту і є причиною гистерезисних втрат. При експлуатації товстостінних деталей (наприклад, шин) внаслідок низької теплопровідності матеріалу наростання температури в масі гуми знижує її працездатність.

Крім відмічених особливостей для гумових матеріалів характерні висока стійкість до стирання, газо- і водонепроникність, хімічна стійкість, електроизолирующие властивості і невелика густина.

У результаті сукупності технічних властивостей гумових матеріалів їх застосовують для амортизації і демпфирования, ущільнення і герметизації в умовах повітряних і рідинних середовищ, хімічного захисту деталей машин, у виробництві тари для зберігання масел і пального, різних трубопроводів (шлангів), для покришок і камер коліс літаків, автотранспорту і т. д. Номенклатура гумових виробів нараховує більше за 40000 найменувань.

Склад і класифікація гум. Основою всякої гуми служить каучук натуральний (НК) або синтетичний (СК), який і визначає основні властивості гумового матеріалу. Для поліпшення фізико-механічних властивостей каучуків вводяться різні добавки (інгредієнти). Таким чином, гума складається з каучуку і інгредієнтів, розглянутого нижче. 1. Вулканизующие речовини (агенти) беруть участь в утворенні просторово-сіткової структури вулканизата. Звичайно як такі речовини застосовують сірку і селем, для деяких каучуків перекису. Для гуми електротехнічного призначення замість елементарної сірки (яка взаємодіє з міддю) застосовують органічні сірчасті сполуки - тиурам (тиурамовие гуми).

Прискорювачі процесу вулканізації: полисульфиди, оксиди свинця, магнію і інш. впливають як на режим вулканізації, так і на фізико-механічні властивості вулканизатов.. Прискорювачі виявляють свою найбільшу активність в присутності оксидів деяких металів (цинку і інш.), званих тому в складі гумової суміші активаторами.

Противостарители (антиоксиданти) вповільнюють процес старіння гуми, який веде до погіршення її експлуатаційних властивостей. Існують противостарители хімічної і фізичної дії. Дія перших полягає в тому, що вони затримують окислення каучуку внаслідок окислення їх самих або за рахунок руйнування перекисей каучуку, що утворюються (застосовуються альдольнеозон Д і інш.). Фізичні противостарители (парафін, віск) утворять поверхневі захисні плівки, вони застосовуються рідше.

Мягчители (пластификатори) полегшують переробку гумової суміші, збільшують еластичні властивості каучуку, підвищують морозостійкість гуми. Як мягчителей вводять парафін, вазелін, стеариновую кислоту, бітуми, дибутилфталат, рослинні масла. Кількість мягчителей 8 - 30% від маси каучуку.

Наполнители по впливу на каучук поділяють на активні (що посилюють) і неактивні (інертні). Посилюючі наполнители (вуглецева сажа і біла сажа - кремнекислота, окисел цинку і інш.) підвищують механічні властивості гум: міцність, опір стиранню, твердість. Неактивні наполнители (крейда, тальк, барит) вводяться для здешевлення вартості гуми.

Часто до складу гумової суміші вводять регенерат - продукт переробки старих гумових виробів і відходів гумового виробництва. Крім зниження вартості регенерат підвищує якість гуми, знижуючи її схильність до старіння.

5. Барвники мінеральні або органічні вводять для забарвлення гум.

Деякі фарбувальні речовини (білі, жовті, зелені) поглинають короткохвильову частину сонячного спектра і цим захищають гуму від світлового старіння.

Будь-який каучук є неграничним високополимерним з'єднанням з двійчастим хімічним зв'язком між вуглецевими атомами в елементарних ланках макромолекули. Молекулярна маса каучуків обчислюється в 400000 - 450000. Структура макромолекул лінійна або слаборазветвленная і складається з окремих ланок, які мають тенденцію згорнутися в клубок, зайняти мінімальний об'єм, але цьому перешкоджають сили міжмолекулярної взаємодії, тому молекули каучуку звивисті (зигзагоподібні). Така форма молекул і є причиною виключно високої еластичності каучуку (під невеликим навантаженням відбувається випрямляння молекул, змінюється їх конформация). По властивостях каучуки нагадують термопластичние полімери. Наявність в молекулах каучуку неграничних зв'язків дозволяє, при певних умовах, переводити його в термостабильное стан. Для цього по місцю двійчастого зв'язку приєднується двовалентна сірка (або інша речовина), яка утворить в поперечному напрямі як би «містки» між ниткоподібними молекулами каучуку, внаслідок чого виходить просторово-сітчаста структура, властива гумі (вулканизату). Процес хімічної взаємодії каучуку з сіркою в техніці називається вулканізацією

В залежності від кількості сірки, що вводиться виходить різна частота сітки полімеру. При введенні 1-5% сірки утвориться рідка сітка, і гума виходить високоеластичной, м'якої. З збільшенням процентного змісту сірки сітчаста структура стає все більш частою, гума більш твердої, і при максимально можливому (приблизно 30%) насиченні каучуку сіркою утвориться твердий матеріал, званий ебонітом]

При вулканізації змінюється молекулярна структура полімеру (утвориться просторова сітка), що спричиняє зміну його фізико-механічних властивостей: різко зросте міцність при розтягненні і еластичність каучуку, а пластичність майже повністю зникає (наприклад, натуральний каучук має Ơ в= 0,10 - 0,15 кгс/мм2, після вулканізації Ơ в= 3,5 кгс/мм2); збільшується твердість, опір зносу. Багато які каучуки розчинні в розчинниках, гуми тільки набухають в них і більш стійкі до химикатам. Гуми мають більш високу теплостойкость (НК розм'якшується при температурі 90°З, гума працює при температурі понад 100еС).

На зміну властивостей гуми впливає взаємодію каучуку з киснем, тому при вулканізації одночасно відбуваються два процеси: структурування під дією вулканизующего агента і деструкция під впливом окислення і температури. Це особливо характерне для гум з НК. Для синтетичних каучуків (СК) процес вулканізації доповнюється полімеризацією: під дією кисня і температури утворяться міжмолекулярні вуглецеві зв'язки, що зміцнюють термостабильную структуру, що дає підвищення міцності.

Термічна стійкість вулканизата залежить від характеру що утворюються в процесі вулканізації зв'язків. Найбільш міцні, а отже, термоустойчивие зв'язку - З - З - (62,7 ккал/моль), найменша міцність у полисульфидной зв'язку - З - S - З - (27,5 ккал/моль).

Сучасна фізична теорія зміцнення каучуку пояснює підвищення його міцності наявністю сил зв'язку (адсорбції і адгезії), виникаючих між каучуком і наполнителем, а також утворенням безперервної цепочно-сітчастої структури наполнителя внаслідок взаємодії між частинками наполнителя. Можливо і хімічна взаємодія каучуку з наполнителем.

За призначенням гуми поділяють на гуми загального призначення і гуми спеціального призначення (спеціальні).

2. Гуми загального призначення

До групи гум загального призначення відносять вулканизати неполярних каучуків - НК, СКБ, СКС, СКИ.

НК - натуральний каучук є полімером изопрена (С5Н8)". Він розчиняється в жирних і ароматичних розчинниках (бензині, бензолі, хлороформе, сероуглероде і інш.), утворюючи в'язкі розчини, вживані як клеї. При нагріванні вище за 80-100°З каучук стає пластичним і при 200°З починає розкладатися. При температурі - 70°З НК стає крихким. Звичайно НК аморфний. Однак при тривалому зберіганні можлива його кристалізація. Кристалічна фаза виникає також при розтягненні каучуку, що значно збільшує його міцність. Для отримання гуми НК вулканизуют сіркою. Гуми на основі НК відрізняються високою еластичністю, міцністю, водо- і газонепроницаемостью, високими електроизоляционними властивостями: р" = 3-1014-23·1018Ом см; е = 2,5.

СКБ - синтетичний каучук бутадиеновий (дивинильний) отримують по методу С. В, Лебедева. Формула полибутадиена (С4Н6)". Він є некристаллизующимся каучуком і має низьку межу міцності при розтягненні, тому в гуму на його основі необхідно вводити посилюючу наполнители (сажу, окисел цинку і інш.). Морозостійкість СКБ невисока (- 40 - 45°З). Він набухає в тих же розчинниках, що і НК. Крім СКБ випускають дивинильние каучуки ВКВ і СКБМ, відмінні підвищеною морозостійкістю, а також стереорегулярний каучук СКД, який по основних технічних властивостях наближається до НК. Дивинильние каучуки вулканизуются сіркою аналогічно натуральному каучуку.

СКС - бутадиенстирольний каучук виходить при спільній полімеризації бутадиена (С4Н6) і стиролу (СН2= СН - С6Н5).

У залежності від процентного змісту стиролу каучук випускають декількох марок: СКС-10, СКС-30, СКС-50. Властивості каучуку залежать від змісту стирольних ланок. Так, наприклад, чим більше стиролу, тим вище міцність, але нижче морозостійкість. З найбільш поширеного каучуку СКС-30 отримують гуми з хорошим опором старінню і добре працюючі при багаторазових деформаціях. По газонепроницаемости і діелектричним властивостям вони рівноцінні гумам на основі НК. Каучук СКС-10 можна застосовувати при низьких температурах (-74; -77°З). При підборі відповідних наполнителей можна отримати гуми з високою механічною міцністю.

СКИ - синтетичний каучук изопреновий - продукт полімеризації изопрена (С5Н8).. Отримання СКИ стало можливим в зв'язку із застосуванням нових видів каталізаторів (наприклад, літію). По будові, хімічним і фізико-механічним властивостям СКИ близький до натурального каучуку. У промисловості випускають, каучук СКИ-3, СКИ-З-П, найбільш близький по властивостях до НК; каучук СКИ-3Д призначений для електроизоляционних гум, СКИ-ЗВ - для вакуумної техніки.

Гуми загального призначення можуть працювати в середовищі води, повітря, слабих розчинів кислот і лугів. Інтервал робочих температур складає від - 35 - -50 до 80-130°С. Із цих гум виготовляють шини, ремені, рукава, транспортерние стрічки, ізоляцію кабелів, різні резинотехнические вироби.

3. Гуми спеціального призначення

Спеціальні гуми поділяються на декілька видів: маслобензостойкие, теплостійкі, светоозоностойкие, зносостійкі, електротехнічні, стійкі до гідравлічних рідин.

Маслобензостойкие гуми отримують на основі каучуків хлоропренового (наирит), СКН і тиокола.

Наирит є вітчизняним хлоропреновим каучуком. Хлоропрену відповідає формула СН2= СС1 - СН = СН2.

Вулканізація може проводитися термообробкою, навіть без сірки, оскільки під дією температури каучук переходить в термостабильное стан. Гуми на основі наирита володіють високою еластичністю, вибростойкостью, озоностойкостио, стійкі до дії палива і масел, добре чинять опір тепловому старінню. (Окислення каучуку сповільнюється екрануючою дією хлора на двійчасті зв'язки). По температуроустойчивости і морозостійкість (- 35ч- 40°З) вони поступаються як НК, так і іншим СК. Електроизоляционние властивості гуми на основі полярного наирита нижче, ніж у гуми на неполярних каучуках. (За рубежем полихлорпреновий каучук випускається під назвою неопрен, пербунан-З і інш.).

СКН - бутадиеннитрильний каучук - продукт спільної полімеризації бутадиена з нитрилом акриловой кислоти:

- СН2- СН = СН - СН2- СН2- CHCN -

В залежності від складу каучук випускають наступних марок: СКН-18, СКН-26,. СКН-40. (Зарубіжні марки хайкар, пербунан, буна і інш.). Присутність в молекулах каучуку групи CN повідомляє йому полярні властивості. Чим вище полярність каучуку, тим вище його механічні і хімічні властивості і тим нижче морозостійкість (наприклад СКН-18 від -50 до, СКН-40 від -26 до -28°З). Вулканізують СКН за допомогою сірки. Гуми на основі СКН володіють високою міцністю (Ơ в= 3,5 кгс/мм2), добре чинять опір стиранню, але по еластичності поступаються гумам на основі НК, перевершують їх по стійкості до старіння і дії розбавлених кислот і лугів. Маслобензостойкие гуми можуть працювати в середовищі бензину, палива, масел в інтервалі

температур від - 30 -= 50 до 100-130°С. Резіни на основі СКН застосовують для виробництва ременів, транспортерних стрічок, рукавів, маслобензостойких гумових деталей (уплотнительние прокладки, манжети і т. п.).

Полисулъфидний каучук, або тиокол, утвориться при взаємодії галоидопроизводних углеводородов з многосернистими з'єднаннями лужних металів:

... - СН2- СН2- S2- S2-. ..

Тіокол вулканизуется перекисями. Присутність в основному ланцюгу макромолекули сірки додає каучуку полярність, внаслідок чого він стає стійким до палива і масел, до дії кисня, озону, сонячного світла. Сірка також повідомляє тиоколу високу газонепроницаемость (вище, ніж у НК), тому тиокол - хороший герметизуючий матеріал. Механічні властивості гуми на основі тиокола невисокі. Еластичність гум зберігається при температурі - 40 -.- 60°С. Теплостойкость не перевищує 60 -70°С. Тіоколи нових марок працюють при температурі до 130°

СКТ- синтетичний каучук теплостійкий, являє собою кремнийорганическое (полисилоксановое) з'єднання з хімічною формулою:

... - Si(CH3)2-O-Si(CH3)2-. ..

Каучук вулканизуется перекисями і вимагає введення посилюючих наполнителей (біла сажа). Присутність в основному молекулярному ланцюгу міцного силоксановой зв'язку додає каучуку високу теплостойкость. Оскільки СКТ слабе полярен, він володіє хорошими діелектричними властивостями. Діапазон робочих температур СКТ складає від -60 до + 250°С. Нізкая адгезія, властива кремнийорганическим з'єднанням (внаслідок їх слабої полярності), робить СКТ водостійким і гидрофобним (наприклад, застосовується для захисту від обмерзання). У розчинниках і маслах він набухає, має низьку механічну міцність, високу газопроникність, погано чинить опір стиранню. При заміні метильних груп (СН3) на інших радикалів отримують інші види силоксанових каучуків. Каучук з винильной групою (СКТВ) стійкий до теплового старіння і володіє меншою текучістю при стисненні, температура експлуатації від - 55 до. + 300°С. Вводя фенильную групу (С6Н5), отримують каучук (СКТФВ), що володіє підвищеною морозостійкістю (- - 80 - 100°З) і опірністю дії радіації. Можна поєднувати різних радикалів, що обрамовують силоксановую зв'язок. Так, фенилвинилсилоксановий каучук має підвищені механічні властивості. Якщо ввести в бічні групи макромолекули СКТ атоми F або - CN, придбавається стійкість до палива і масел. Введення в основний ланцюг атомів бора, фосфору і інш. дає можливість підвищити теплостойкость гум до 350 і збільшити їх клеячу здатність.

Морозостійкими є гуми на основі каучуків, що мають низькі температури скловання. Наприклад, гуми на основі СКС-10 і СКД можуть працювати при температурі до - 600С; НК, СКБ, СКС-30, СКН до - 50°З, СКТ нижче - 75°

Фторсодержащие каучуки отримують сополимеризацией ненасичених фторированних углеводородов (наприклад, CF2= CFC1, СН2= CF2и інш.). Вітчизняні фторкаучуки випускають під марками СКФ-32, СКФ-26; зарубіжні - Кель-еф і Вайтон. Каучуки стійкі до теплового старіння, масел, палива, різних розчинників, навіть при підвищених:

температурах, негорючи. Вулканизованние гуми володіють високим опором стиранню. Теплостойкость тривала (до 300°З).

СКЕП - сополимер етилена з пропиленом - являє собою білу каучукоподобную масу, яка володіє високою міцністю і еластичністю, дуже стійка до теплового старіння, має хороші діелектричні властивості. Крім СКЕП випускають потрійні сополимери СКЕПТ (за рубежем близькі по властивостях каучуки - висталом і. дутрал).

Гуми на основі фторкаучуков і етиленпропилена стійкі до дії» сильних окислювачів (HNO3, H2O2и інш.), застосовуються для уплотнительних виробів, діафрагм, гнучких шлангів і т. д., не руйнуються при роботі в атмосферних умовах протягом декількох років.

Бутилкаучук виходить спільною полімеризацією изобутилена з невеликою кількістю изопрена (2 - 3%).;

У бутилкаучуке мало ненасичених зв'язків, внаслідок чого він володіє стійкістю до кисня, озону і інших хімічних реагентів. Каучук кристаллизующийся, що дозволяє отримувати матеріал з високою механічною міцністю (хоч еластичні властивості низькі). Каучук володіє високим опором стиранню і високими діелектричними характеристиками. По температуростойкости поступається іншим гумам.

Бутилкаучук - хімічно стійкий матеріал. У зв'язку з цим він в. основному призначений для роботи в контакті з концентрованими кислотами і іншими химикатами; крім того, його застосовують в шинному: виробництві.

Зносостійкі гуми отримують на основі полиуретанових каучуков-СКУ.

Полиуретановие каучуки володіють високою міцністю, еластичністю, опором стиранню, маслобензостойкостью. У структурі каучуку немає ненасичених зв'язків, тому він стійкий до кисня і озону, його газонепроницаемость в 10 - 20 разів вище, ніж у НК. Робочі температури гум на його основі складають від - 30 до + 130°С. На основі складних полиефиров виробляють СКУ-7, СКУ-8, СКУ-50; на основі простих полиефиров - СКУ-ПФ, СКУ-ПФЛ. Останні відрізняються високою морозостійкістю (для СКУ-ПФ. tхр= - 75°З, для СКУ-50 txp= = - 35СС) і гидролитической стійкістю. Уретановие гуми стійкі до впливу радіації. Зарубіжні назви уретанових каучуків - адипрен, джентан S, еластотан. Гуми на основі СКУ застосовують для автомобільних шин, для транспортування абразивних матеріалів, взуття.

Морозостійкими є гуми на основі каучуків, що мають низ киї температури скловання. Наприклад, гуми на основі СКС-10 і СКД; можуть працювати при температурі до - 60сС; НК, СКБ, СКС-30, СКН до - 50°З, СКТ нижче - 75°

Фторсодержащие каучуки отримують сополимеризацией ненасичених.;: фторированних углеводородов (наприклад, CF2= CFC1, СН2= CF2и інш.).. гОтечественние фторкаучуки випускають під марками СКФ-32, СКФ-26;; зарубіжні - Кель-еф і Вайтон. Каучуки стійкі до теплового старіння, масел, палива, різних розчинників, навіть при підвищених: температурах, негорючи. Вулканизованние гуми володіють високим опором стиранню. Теплостойкость тривала (до 300°З).

СКЕП - сополимер етилена з пропиленом - являє собою білу» каучукоподобную масу, яка володіє високою міцністю і еластичністю, дуже стійка до теплового старіння, має хороші діелектричні властивості. Крім СКЕП випускають потрійні сополимери СКЕПТ' (за рубежем близькі по властивостях каучуки - висталом і. дутрал).

Гуми на основі фторкаучуков і етиленпропилена стійкі до дії сильних окислювачів (HNO3, H2O2и інш.), застосовуються для уплотнительних виробів, діафрагм, гнучких шлангів і т. д., не руйнуються при роботі в атмосферних умовах протягом декількох років.

Бутилкаучук виходить спільною полімеризацією изобутилена з невеликою кількістю изопрена (2 - 3%).

У бутилкаучуке мало ненасичених зв'язків, внаслідок чого він володіє стійкістю до кисня, озону і інших хімічних реагентів. Каучук кристаллизующийся, що дозволяє отримувати матеріал з високою механічною міцністю (хоч еластичні властивості низькі). Каучук володіє високим опором стиранню і високими діелектричними характеристиками. По температуростойкости поступається іншим гумам.

Бутилкаучук - хімічно стійкий матеріал. У зв'язку з цим він в. основному призначений для роботи в контакті з концентрованими кислотами і іншими химикатами; крім того, його застосовують в шинному виробництві.

Зносостійкі гуми отримують на основі полиуретанових каучуков-СКУ.

Полиуретановие каучуки володіють високою міцністю, еластичністю, опором стиранню, маслобензостойкостио. У структурі каучуку немає ненасичених зв'язків, тому він стійкий до кисня і озону, його газонепроницаемость в 10 - 20 разів вище, ніж у НК. Робочі температури гум на його основі складають від - 30 до + 130°С. На основі складних полиефиров виробляють СКУ-7, СКУ-8, СКУ-50; на основі простих полиефиров - СКУ-ПФ, СКУ-ПФЛ. Останні відрізняються високою морозостійкістю (для СКУ-ПФ' txp= - 75С, для СКУ-50 txp4 = - 35СС) і гидролитической стійкістю. Уретановие гуми стійкі до впливу радіації. Зарубіжні назви уретанових каучуків - адипрен, джентан S, еластотан. Гуми на основі СКУ застосовують для автомобільних шин, транспортерних стрічок, обкладання труб і жолобів для транспортування абразивних матеріалів, взуття і інш.

Електротехнічні гуми включають електроизоляционние і електропровідні гуми. Електроизоляционние гуми, вживані для ізоляції струмопровідної жили проводів і кабелів, для спеціальних рукавичок і взуття, виготовляють тільки на основі неполярних каучуків НК, СКБ; СКС, СКТ і бутилкаучука. Для них рυ. == 1011~ 1015Ом-см, s =- = 2,5-4, tg δ = 0,005 ч-0,01.

Електропровідні гуми для екранованих кабелів отримують з НК, СКН, наирита, особливо з полярного каучуку СКН-26 з введенням до складу вуглецевої сажі і графіту (65 - 70%). Для них pv- 102н-104Ом-см.

Гуму, стійку до гідравлічних рідин, використовують для ущільнення жвавих і нерухомих з'єднань гидросистем, рукавів, діафрагм, насосів; для роботи в маслі застосовують гуму на основі СКН, набухання якої в рідині не перевищує 1-4%. Для кремнийорганических рідин застосовні неполярні гуми на основі НК, СКМС-10 і інш.

4. Фізико-механічні властивості гум і їх застосування

При розтягненні гуми відбувається розрив ланцюгів вулканизационной сітки, при цьому більш слабі і зв'язки, що легко перегруповуються сприяють релаксації перенапруг і полегшують орієнтацію головних ланцюгів. Більш міцні зв'язки зберігають цілісність сітки при великих деформаціях.

Для каучуків і гуми характерні великі деформації при порівняно низьких напруженнях. Напруження залежать від часу дії сили і від швидкості деформування, т. е. є релаксационними. Механічні властивості залежать від співвідношення енергії міжмолекулярної взаємодії і енергії теплового руху ланок. "Релаксація убистряется при нагріванні (енергійніше тепловий рух), тому для гум характерна різко виражена залежність механічних властивостей від температури. Напруження в процесі релаксації досягає рівноважного значення. У зв'язку з цим механічна поведінка гуми визначається її пружними (високоеластическими) властивостями при рівновазі і релаксационними властивостями. Великий вплив на довговічність матеріалу надає старіння.

Гумам властиві дуже високі оборотні деформації порядку 1000% і більше (для сталі < 1%), в них може відбуватися перегрупування структурних елементів в полі міжмолекулярної взаємодії - фізична релаксація і розпад і перегрупування хімічних зв'язків - хімічна релаксація. Гуми на основі полярних каучуків мають уповільнену релаксацію. Мягчители її убистряют (зменшуючи зв'язок між молекулами). Вповільнюють релаксацію активні наполнители внаслідок сорбції молекулярних ланцюгів каучуку на частинках наполнителя, і стан рівноваги не наступає (обмежена рухливість молекул, її жорсткість).

Відновлення являє собою зміну величини деформації у часі після зняття навантаження із зразка; внутрішні сили в гумі приходять в рівновагу повільно, тому пружний наслідок в статичних умовах виявляється тривало. У гумі спостерігається залишкова деформація. Восстанавливаемость гуми характеризує її експлуатаційні якості.

Міцність гуми залежить від регулярності будови полімеру і енергії взаємодії між ланками його молекул. Перехід в кристалічний стан полегшується орієнтацією молекулярних ланцюгів при деформації гуми. Швидко кристаллизуются в процесі деформації НК, бутилкаучук, хлоропрен і СКИ, для них Ơ в== 2 - 3 кгс/мм2, навіть без наполнителей. Крім міцності при розриві, для гум визначається опір раздиру - Важлива характеристика чутливості гуми до концентрації напряжения1.

По гистерезисной діаграмі обчислюється корисна пружність гуми як відношення роботи, поверненої деформованим зразком, до спільної роботи, затраченої на цю деформацію (мал. 4).

Ріс.4. Діаграма напруження - подовження гуми, що отримується в цикле розтягнення - відновлення із заданою швидкістю деформації:

АБВЕА - работарастяжения;

АБВГДА - робота безповоротно розсіяна;

ДГВЕД- повернена робота

ПЕКЛО

В умовах динамічного навантаження (змінні циклічні навантаження) властивості гуми визначаються упругогистерезисними і усталостно-прочностними характеристиками. Ці властивості необхідно враховувати при застосуванні гуми в шинах, муфтах, ресорах, амортизаторах і т.. п., де вони є вирішальними для хорошої працездатності, надійності, довговічності. Гуми з НК (в порівнянні з ВКВ) відрізняються малим внутрішнім тертям, яке визначає вельми сприятливі гистерезисние властивості.

Усталостно-прочностние властивості гум визначаються їх стомленням, коли під дією механічних напружень відбувається руйнування. Стомленню сприяє також вплив світла, теплоти, агресивних серед і т. п. Останні чинники спричиняють старіння. Число циклів навантаження, яке витримує, не руйнуючись, зразок, називається втомною витривалістю. Втомному руйнуванню дуже сприяє дія озону, зухвала розтріскування поверхневого шара, особливо для гум на основі НК, СКИ, ВКВ, СКС і інш. Майже не схильні озонному розтріскуванню гуми на основі бутилкаучука і хлоропренового каучуку. По працездатності при нагріванні гуми з НК внаслідок зниженої хімічної стійкості навіть не перевершують гум з ВКВ. Для забезпечення високої втомної міцності необхідні висока міцність, мале внутрішнє тертя і висока хімічна стійкість гуми. При підвищених температурах (150°З) органічні гуми втрачають міцність після 1 -10 ч нагрівання, гуми на СКТ можуть при цій температурі працювати тривало. Міцність силоксановой гуми при кімнатній температурі менше, ніж у органічних гум, однак при 200°З міцності однакові, а при температурі 250 - 300°З міцність навіть вище. Особливо цінні гуми на СКТ при тривалому нагріванні.

Вплив на гуму негативних температур спричиняє зниження і навіть повну втрату високоеластических властивостей, перехід в стеклообразное стан і зростання її жорсткості в тисячі і десятки тисяч разів.

Старіння гуми спостерігається при зберіганні і експлуатації гумових виробів під впливом немеханічних чинників. Світло, теплота, кисень повітря, озон викликає хімічні реакції окислення і інші зміни каучуку. Механічні напруження можуть активізувати ці процеси. Випробування на старіння проводять як в природних, так і в штучних умовах. Процес старіння по-різному позначається на гумах. Найгірші показники при тепловому старінні мають гуми на хлоропреновом каучуку, у гум з СКТ відбувається деяке зміцнення, не міняється міцність гум з СКЕП; по відносному подовженню краще показники у гум на основі ненасичених каучуків. Потрібно відмітити низьку стійкість до теплового старіння гум з НК.

Фізико-механічні властивості каучуків і гум дані в табл. 3.

Таблиця 3

Фізико-механічні властивості каучуків і саженаполненних гум

Група

за призначенням

Тип

каучуку

Густина

каучуку,

г/см 3

Межа

Прочностіпрірастяженії,

кгс/мм 2

Відносне

подовження %

Остаточноєудліненіє, %

Температура, З

Набухання всмеси

бензин-бензол

за 24 ч, %

робоча

крихкість

Общегоназначенія

НК

0,91-0,92

2,4-3,4

600-700

25-40

80-130

- 40- -55

(-62)

Нестійкі

СКБ

0,9-0,92

1,3-1,6

500-600

50-70

80-150

- 42

(-68)

СКС

0.919- 0,944

1,9-3,2

500-S30

12-20

80-130

-48

СКИ

3,15

710-880

28

130

(-77)

- 58

0,91-0,92

Спеціальні:

Бензомасло-стійкі

Найріт

1,225

2-2,65

600-750

12

100-130

-34

80

СКН

0.943-0.986

2,2-3,30

450-700

15-30

100-130

(до 177)

- 48

(-20)

70-20

Тіокол

1,3 -1,4

0,32-0,42

250-430

40-80

60-130

-40

2,4

хімічно

стійкі

Бутил-каучук

0,92

1,60-2,40

650-800

30-45

До 130.

- 30 - -70

теплостійкі

СКТ

1,7-2

0,35-0,80

360.

4

250-316

-74

180

теплохимическстойкие

СКФ

1,8 -1,9

0,7-2

200-400

_

250-316

-40

-

зносостійкі

СКУ

-

2,1-6

350-550

2-28

130

-21- -50

-

Вживані в машинобудуванні гумові деталі поділяють за призначенням на наступні групи: уплотнительние; вибро- і звукоизолирующие і противоударние; силові (шестерні, корпусу насосів, муфти, шарніри); опори ковзання (резинометаллические підшипники, подпятники; опори, ниппели); гнучкі компенсаційні проставки, труби для транспортування рідини і газу (сильфони, муфти, патрубки і інш.); противоизносние (асфальтоходние черевики, протекторние кільця, катки і інш.); фрикційні деталі і інструменти (шліфувальні диски, фрикційні колеса); несилові і захисні (килими, ручки, педалі і т. д.); декоративні (смуги, шнури).

Представниками гумовотканинних виробів є напірні рукава для палива, масла, води, розчинів кислот і лугів і газів; рукава можуть бути гнучкими трубопроводами повітряних гальм. Для збільшення міцності і стійкості смятию рукава армують металевим дротом. Гумовотканинні привідний ремені бувають плоскими і клиновими, останні виготовляють з кордшнуром або кордтканью в несучому шарі ременя. Транспортерние стрічки застосовують для переміщення вантажів по горизонталі або під невеликим схилом. Шини бувають пневматичними, в яких амортизаційна здатність забезпечується стислим повітрям і частково еластичними властивостями шинних матеріалів, і масивними або цельнорезиновими, в яких використовується тільки еластичність самого гумового матеріалу.

Клеячі матеріали

1. Загальні відомості, склад і класифікація клеїв

Клеями звичайно називають колоїдні розчини пленкообразующих полімерів, здатні при затвердженні утворювати міцні плівки, що добре прилипають до різних матеріалів.

Клейові з'єднання в порівнянні з іншими видами нероз'ємних з'єднань (заклепувальними, зварними і інш.) мають ряд переваг: можливість з'єднання різних матеріалів (металів і сплавів, пластмас, скла, кераміки і інш.) як між собою, так і в різних поєднаннях; атмосферостойкость і стійкість до корозії клейового шва; герметичність з'єднання; можливість з'єднання тонких матеріалів; зниження вартості виробництва; економія маси і значне спрощення технології виготовлення виробів.

Недоліками клейових з'єднань є відносно низька тривала теплостойкость (до 350°З), зумовлена органічною природою пленкообразующего; невисока міцність склеювання при нерівномірному відриві; часто необхідність проведення склеювання з підігріванням; схильність до старіння. Однак є ряд прикладів тривалої експлуатаційної стійкості клейових з'єднань. Нові клеї на основі кремнийорганических і неорганічних полімерів забезпечують роботу до 1000°З і вище, однак більшість з них не володіють достатньою еластичністю плівки.

Міцність склеювання залежить від явища адгезії, когезії і механічного зчеплення плівки з поверхнею матеріалів, що склеюються. Адгезією (прилипаемостью) називається здатність клейової плівки міцно утримуватися на поверхні матеріалів, що склеюються.

Для пояснення фізико-хімічної суті адгезионних явищ запропоновані наступні теорії: адсорбционная, електрична і дифузійна. Адсорбционная теорія розглядає адгезію як чисто поверхневий процес, аналогічний адсорбції; плівка утримується на поверхні матеріалу внаслідок дії міжмолекулярних сил.

У основі електричної теорії (роботи Б. В. Дерягина і Н. А. Кротової) лежать електричні сили. Адгезія - результат дії електростатичних і ван-дер-ваальсових сил. Електростатичні сили визначаються двійчастим електричним шаром, завжди виникаючим при контакті різнорідних тіл.

Дифузійна теорія, що розвивається С. С. Воюцким, передбачає, що при утворенні зв'язку між неполярними полімерами електричний механізм адгезії неможливий, і адгезія зумовлюється переплетенням макромолекул поверхневих шарів в результаті їх взаимодиффузії.

Когезия являє собою власну міцність плівки. Робота когезії - це робота, що затрачується на подолання сил зчеплення між частинками всередині однорідного тіла Крім полярних функціональних груп на клеячі властивості полімерів впливають молекулярна маса і структура макромолекул. Міцність склеювання можна підвищити шляхом механічного зчеплення плівки клею з шероховатой поверхнею матеріалу; для цього перед склеюванням часто поверхні деталей фрезерують; опескоструивают або зачищають наждачним папером.

На процес склеювання впливає природа матеріалів, що склеюються. Так, полярні матеріали вимагають застосування полярних клеїв. Адгезионние властивості металів різні. По мірі убування цих властивостей метали можна розташувати в наступному порядку: сталь, бронза, алюмінієві сплави, мідь, залізо, латунь. При склеюванні пластик кращим клеєм є розчин або розплав цих же пластик. Якщо пластики неполярни і не розчиняються в розчинниках (поліетилен, фторопласт-4, полипропилен), то характер їх поверхні змінюють механічним або хімічним шляхом.

До складу клеячих матеріалів входять наступні компоненти: пленкообразующее речовина - основа клею, яке визначає адгезионние, когезионние властивості клею і основні фізико-механічні характеристики клейового з'єднання; розчинники, що створюють певну в'язкість клею; пластификатори для усунення усадочних явищ в плівці і підвищення її еластичності; отвердители і каталізатори для перекладу пленкообразующего речовини в термостабильное стан; наполнители для зменшення усадки клейової плівки, підвищення міцності склеювання і, отже, можливості менш точної підгонки поверхні і економії клеячих матеріалів.

Як пленкообразующего речовина в основному застосовують синтетичні Смоли, а також каучуки. Найкращі показники досягаються при застосуванні в якості пленкообразующего речовини полярних термореактивних смол (фенолоформальдегидной, епоксидной і інш.). Розчинниками служать спирти, ацетон, бензин і інш., а наполнителями - порошки, волокна, тканини. У термостійкі клеї як наполнителей вводять А1 (порошкоподібний), А12О3і SiO2.

Металеві порошки підвищують теплопровідність клейових з'єднань, а срібло, мідь, нікель і графіт повідомляють плівці токопроводимость.

Класифікація клеїв. Клеї класифікують по ряду ознак. Розрізнюють наступні клеї: по пленкообразующему речовині - смоляние і гумові; по адгезионним властивостях - універсальні, склеюючі різні матеріали (наприклад, клеї БФ) і з виборчою адгезією (білкові, гумові); по відношенню до нагрівання - оборотні (термопластичние) і безповоротні (термостабильние) плівки; по умовах отверждения - холодного склеювання і гарячого склеювання; на зовнішній вигляд - рідкі, пастоподібні і плівкові; за призначенням - конструкційні силові і несилові. Частіше використовують класифікацію по пленкообразующему речовині. Смоляние клеї можуть бути термореактивними і термопластичними. Термореактивние смоли (фенолоформальдегидние, епоксидние і інш.) дають міцні, теплостійкі плівки, вживані для склеювання силових конструкцій з металів і неметалічних матеріалів. Клеї, на основі термопластичних смол (поливинилацетата, акрилатов і інш.) мають невисокі прочностние характеристики, особливо при нагріванні, і застосовуються для несилових з'єднань неметалічних матеріалів.

Гумові клеї, в яких основним пленкообразующим є каучук, відрізняються високою еластичністю і. застосовуються для склеювання гуми з гумою або гуми з металами.

2. Конструкційні смоляние і гумові клеї

Смоляние клеї. Як пленкообразующих речовини цієї групи клеїв застосовують термореактивние смоли, які отверждаются в присутності каталізаторів і отвердителей при нормальній або підвищеній температурі. Клеї холодного склеювання, як правило, володіють недостатньою міцністю, особливо при підвищених температурах. При гарячому склеюванні відбувається більш повне отверждение смоли, і клейове з'єднання придбаває міцність і теплостойкость. Теплостойкость підвищують також введенням мінеральних наполнителей. Термостійкі клеї отримують на основі ароматичних полімерів, вмісних гетероцикли (полибензимидазолов, полиимидов), а також на основі карборансодержащих полімерів. Карборани являють собою борорганические з'єднання загальної формули В'С2Н"+2, по властивостях вони близькі до ароматичних систем. У цей час створені карборансодержащие фенольние, епоксидние, кремнийорганические і інші клеї.

Розглянемо основні види клеїв. Клеї можуть бути отримані на основі чистих смол, наприклад резольной, але враховуючи що той, що утворюється при склеюванні резит крихкий, смолу суміщають з каучуком, термопластами і інш.

Клеї на основі модифікованих фенолоформальдегидних смол. Це клеї застосовують переважно для склеювання металевих силових елементів, конструкцій з стеклопластиков і т. п.

Феноло-каучукові композиції є еластичними теплостійкими плівками з високою адгезією до металів. До цього вигляду відносяться клеї ВК-32-200, ВК-3, ВК-4, ВК-13 і інш. Клейові з'єднання теплостійкі, добре витримують циклічні навантаження, завдяки еластичності плівки забезпечується міцність з'єднання при нерівномірному відриві.

На мал. 5 приведена температурна залежність міцності цих клеїв. Клеї водостійкі і можуть використовуватися в різних кліматичних умовах.

Рис. 5. Залежність межі міцності при зсуві

(-) і рівномірному відриві (- - - -) клеевихсоединений на фенолкаучукових клеях orтемператури

Фенолополівінілацетальовие композиції найбільш широко використовуються в клеях БФ. Клеї БФ-2 і БФ-4 являють собою спиртові розчини фенолоформальдегидной смоли, суміщеної з поливинилбутиралем (бутваром). Клеї БФ-2 і БФ-4 застосовують для склеювання металів, пластмас, кераміки і інших твердих матеріалів, Теплостойкость клейових з'єднань невисока, водостойкость задовільна.

Більш теплостійкий клей ВР-10Т, який відрізняється високими характеристиками тривалої міцності, витривалості і термостабильности при склеюванні металів і теплостійких неметалічних матеріалів.

Фенолокремнийорганические клеї містять як наполнителей азбест, алюмінієвий порошок і інш. Клеї є термостійкими, вони стійкі до води і тропічного клімату, володіють хорошої вибростойкостью і тривалою міцністю. Клеї ВК-18 і ВК-18М здатні працювати при температурі 500~600°С. Клей ВК - 18М застосовують для склеювання інструментів. Він дозволяє збільшити стійкість інструмента в 1,5 - 4 рази.

Клей на основі епоксидних смол. Отверждение клеїв відбувається при допомозі отвердителей без виділення побічних продуктів, що майже не дає усадочних явищ в клейовій плівці.

Отверждение смол можна вести як холодним, так і гарячим способом. Внаслідок полярності епоксидние смоли володіють високою адгезією до всіх матеріалів. До клеїв холодного отверждения відносяться Л-4, ВК-9, КЛН-1, ВК-16, ЕПО. Епоксидние клеї гарячого отверждения ВК-32-ЕМ, До-153, ФЛ-4С, ВК-1 і інш. є конструкційними силовими клеями. Їх застосовують для склеювання металів, стеклопластиков, феритів, кераміки. Клеї ВК-1 і ФЛ-4С використовують в клеесварних з'єднаннях. Епоксидно-кремнийорганические клеї ТКМ-75, ТКС-75, Т-73 застосовують для приклеювання ріжучих частин при виготовленні інструментів.

Для всіх епоксидних клеїв характерна хороша механічна міцність, атмосферостойкость, стійкість до палива і мінеральних масел, високі діелектричні властивості.

Полиуретановие клеї. Композиції можуть бути холодного і гарячого отверждения. До складу клею входять полиефири, полиизоцианати і наполнитель (цемент). При змішенні компонентів, відбувається хімічна реакція, внаслідок якої клей затвердіває. Клеї володіють універсальною адгезією (полярні групи NHCO), хорошою вибростойкостью і міцністю при нерівномірному відриві, стійкістю до нафтовим топливам і маслам. Представниками полиуретанових клеїв є ПУ-2, ВК-5, ВК-11, лейконат. Такі клеї токсичні.

Клеї, модифіковані карборансодержащими з'єднаннями, володіють високою термостійкістю. Клей ВК-20 витримує тривало 350 - 400°З і короткочасно 800°З, має високу тривалу міцність.

Клеї на основі кремнийорганических з'єднань. Ці клеї є теплостійкими. Кремнийорганические полімери не володіють високими адгезионними властивостями внаслідок блокування полярного ланцюга Si - Про органічними неполярними радикалами, тому часто ці з'єднання суміщають з іншими смолами. Багато які клеї містять мінеральну наполнители. Клеї ВК-2, ВК-8, ВК-15 і інш. отверждаются при високій температурі. Клеї стійкі до масла, бензину, володіють високими діелектричними властивостями, не викликаю: корозії металів і застосовуються для- склеювання легованих сталей, титанових сплавів, скло- і асбопластиков, графіту, неорганічних матеріалів.

Клеї на основі поликарборансилоксанов володіють стійкістю до термоокислительной деструкції, здатні тривало працювати при 600°С. короткочасно при 1200°З, мають високу адгезію до різних матеріалів.

Клеї на основегетероциклических полімерів. Полибензимидазольние і полиимидние клеї володіють міцністю, високою стійкістю до термічної, термоокислительной і радіаційної деструкції, хімічно стойки. Клейові з'єднання можуть працювати протягом сотень годин при 300сС, а також при кріогенних температурах. Полибензимидазольний клей випускають під мазкої ПБИ-1K, полиимидний - СП-6. Цими клеями можна склеювати корозійно-стійкі стали, титанові сплави, стеклопластики і різні композиційні матеріали.

Ще більш теплостійкі клеї (фосфатні, силікатні, керамічні, металеві) отримують на основі неорганічних з'єднань. Деякі з них можуть витримувати температуру до 3000°С. Однако по міцності вони поступаються смоляним клеям.

Алюмохромсиликатофосфатние композиції забезпечують достатню міцність з'єднання при 1250 -1500° Гумові клеї призначені для склеювання гуми з гумою і для кріплення гуми до металу, скла і інш. Гумові клеї являють собою розчини каучуків або гумових сумішей в органічних розчинниках.

До складу клеїв гарячої вулканізації входить вулканизующий агент. Склеювання проводять при температурі вулканізації 140-150"С. Соєдіненіє виходить міцним, часом не поступливим міцністю цілого матеріалу.

При введенні до складу клейової композиції активаторов і прискорювачів отримують самовулканизующийся клей (процес вулканізації протікає при нормальній температурі). Для збільшення адгезії вводять синтетичні смоли (приклад такої композиції клей 88Н). З'єднання виходить досить міцне. Недоліком клею 88Н є нестійкість плівки до гасу, бензину і мінеральних масел. Клей 88НП утворить з'єднання, стійке до морської води. Хорошою склеюючою здатністю і стійкістю до дії масел і топлив володіють клеї 9М-35Ф, ФЕН-1 і інш.

У разі необхідності склеювання теплостійких гум на основі кремнийорганического каучуку і приклеювання їх до металів застосовують клеї, вмісні в своєму складі кремнийорганические смоли (клей КТ-15, КТ-30, MAC-IB). Клейові з'єднання можуть працювати при температурах від -60 до 200-300°

3. Властивості клейових з'єднань

Клейові з'єднання найбільш ефективно працюють на зсув (τ = 0,6 - 3 кгс/мм2). У клейових з'єднаннях може відбуватися рівномірний і нерівномірний відрив і віддирання (відшарування) у кромки шва.

У разі нерівномірного відриву міцність з'єднання в декілька разів

менше, ніж при рівномірному відриві. При стисненні міцність клею більше в 10-100 раз, чим при розтягненні.

Міцність склеювання істотно залежить від температури, причому великий вплив надає вигляд клею і характер напруженого стану. Коефіцієнт Пуассона клею μ = 0,3; модуль зсуву G = О, 38Е; модуль пружності Е = 200 - 400 кгс/мм2; подовження отвержденной плівки біля 3,5%.

Теплостойкость клеїв різна. Фенолокаучуковие і епоксидние клеї працюють тривало (до 30000 ч) при температурі 150°З і вище. Полиароматические і елементоорганические клеї витримують температуру 200 протягом 2000 ч; карборансодержащие клеї - до 600°З протягом сотень годин.

Клеячі матеріали згодом «старіють». У умовах експлуатації і при зберіганні склеєних виробів наступає окрихчування клею, яке протікає тим швидше, ніж вище температура. Збільшення жорсткості клею спричиняє зростання концентрації напружень, внаслідок чого міцність падає. Найбільш високої термостабильностью володіють полиимидние і полибензимидазольние клеї. Деякі клеї при дії змінних температур втрачають 8 - 20% міцності.

Витривалість - число циклів до руйнування клейового шва - залежить від вигляду клею. У середньому при несиметричному циклі навантаження число циклів навантаження 106-107.

Таблиця 4

Фізико-механічні властивості конструкційних смоляних клеїв

Тип клею

Пределпрочності, кгс/мм 2

Теплостойкость,

З

Водостойкость (порівняльна)

Температура склеювання, °З

при зсуві

при рівномірному

відриві

при нерівномірному

відриві

Фенолоформальдегидний

1,3-1,5

-

_

60-100

Хороша

20 або

50-60

Фенолкаучуковий

1,4-2,5

1.7-2,0

0,30-0,50

200-350

Відмінна

165-205

Фенолополівінілацетальовие

1,7-1,8

3,6-6

0,08-0,12

200-350

Хороша

180

Фенолополівініл-бутіральний

2,2

3,2-3,5

0,30

60-80

Задовільна

120-140

Фенолокремнійорганічеськиє

1,2-1,7

2,8-3,0

-

250-600

Хороша

180-200

Епоксидний

1-3

1-6

0,1-0,15

60-350

Задовільна

20 або

80-210

Поліуретановий.

1,1-2,0

2,2 - 3,5

0,25 - 0,30

60-100

Хороша

18-25

Поліуретановие карборансодержащие

1,0-2,0

-

_

350-1000

»

або 105

150

Кремнійорганічеський

0,90-1,75

1,5-2,2

0,08-0,20

350-1200

Задовільна

180-270

Карбамідний

1,3

-

-

60

Низька

15-30

Полібензімідазольний

1,5 - 3,0

_

_

350-540

Відмінна

150-400

Поліїмідний

1,5-3,0

-

-

300-375

»

180-260

Лакофарбні матеріали

1. Загальні відомості, склад і класифікація лакокрасочнихматериалов

Лакофарбні матеріали належать до групи пленкообразующих матеріалів Після нанесення в рідкому стані на поверхні, що забарвлюються вони утворять плівки. Висохлі плівки називаються покриттями. Лакофарбні матеріали призначені для захисту металів від корозії, а неметалічних матеріалів (деревини, пластмас і т. д.) - від зволоження і загнивання; вони повідомляють поверхні спеціальні властивості (електроизоляционние, теплозащитние і інші) і додають виробам декоративний зовнішній вигляд.

Захист виробів від впливу зовнішньої середи лакофарбними покриттями є найбільш доступним і широко застосовується в машинобудуванні За допомогою захисних покриттів термін експлуатації апаратури, обладнання різних металоконструкцій збільшується в декілька разів. До лакофарбних матеріалів пред'являються певні вимоги- висока адгезія до поверхонь, що захищаються, теплостойкость і хімічна стійкість, водонепроникність, світлостійкість, гладкість твердість і еластичність плівки, хороші захисні властивості.

Склад і класифікація лакофарбних матеріалів. Компонентами лакофарбних матеріалів є пленкообразующие речовини; смоли для збільшення адгезії, придання плівці твердості і блиску; розчинники (скипидар, спирти, ацетон) і разбавители (бензол) для розчинення пленкообразующего і інших компонентів; пластификатори (дибутилфталат і др) зберігаючі еластичність покриття, що знижують його займистість і поліпшуючі морозостійкість; отвердители термореактивних пленкообразующих (амини); пігменти і барвники - такі, що додають певний колір і що володіють захисними властивостями; наполнители (тальк, каолін) - для підвищення в'язкості матеріалу і зниження блиску покриття; спеціальні добавки для тропикостойкости, стабілізації властивостей

Як пленкообразующих речовини застосовують в основному синтетичні смоли, ефіри целюлози, що рідше висихають рослинні масла.

По складу лакофарбні матеріали поділяють на лаки, емалі, грунти шпатлевки; по пленкообразующему речовині вони можуть бути смоляними, ефироцеллюлозними (нитроцеллюлозние і етилцеллюлозние) і маслосодержащими (битумние, канифольние).

Лаки є розчинами пленкообразующих речовин в розчинниках іноді з добавками пластификаторов, прискорювачів, стабілізаторів (в складі лака обов'язково присутня смола). Лаки призначені для захисту поверхні виробу від впливу зовнішньої середи.

Емалі складаються з лака і пігменту. Для отримання не глянцевих, а матових покриттів в емалі вводять наполнитель. Пігменти додають емалі колір і деякі специфічні властивості, наприклад білі пігменти (ZnO, TiO2) - атмосферостойкость і водоупорность; алюмінієва пудра - стійкість до дії вологи і ультрафіолетових променів; сажа - токопроводимость і т. д.

Грунти захищають метал від корозії і збільшують адгезію подальших шарів. До складу грунту входять лак і пігмент, що володіє захисними властивостями. У залежності від вигляду пігменту грунти поділяють на наступні групи: вмісні солі хромової кислоти, цинковий і стронцієвий крон (створюючі окисние плівки на металі); вмісні свинцевий або залізний сурик (пассивирующие грунти); вмісні цинковий пил (протекторние грунти) і інертні пігменти (з'єднання титана і т. д.), створюючі ізолюючі покриття.

Хроматние грунти застосовують для захисту магнієвих і алюмінієвих сплавів. Свинцевий сурик утворить на поверхні металу гідрат закису заліза. Ці грунти застосовні для захисту стальних деталей.

Захисна дія цинку заснована па його більш електронегативному потенціалі по відношенню до заліза. Ці грунти застосовують для захисту стальних деталей, працюючих у вологих умовах.

Для захисту стальних деталей застосовують також фосфатирующие грунти. Такий грунт реагує з поверхнею стальних деталей і утворить на сталі фосфатно-хроматную плівку складного складу.

Шпатлевки призначені для вирівнювання нерівностей на поверхні виробів перед забарвленням. У склад шпатлевок входять лак, пігмент і наполнитель. Шпатлевки наносять на заздалегідь загрунтованную поверхню.

Для надійного захисту поверхні виробів в більшості випадків застосовують багатошарове покриття, що складається з шарів різного призначення, зване системою покриття.

Безпосередньо на деталь наноситься грунт, потім шпатлевка, далі слідує емаль і покривний лак. Число шарів звичайно становить 2 - 6, а іноді і 14.

Смоляние термопластичние лакофарбні матеріали. З термопластичних смоляних матеріалів набули широкого поширення перхлорвиниловие і акриловие. Перхлорвиниловие емалі (ХВ, ХС) застосовують для забарвлення металів, деревини, бетону. Покриття негорючи, водоустойчиви, хімічно стойки, можуть працювати в контакті з мінеральним маслом і паливом, не піддаються дії тропічних умов, мають хороші електроизоляционние властивості. Нестачі покриттів: невисока адгезія до металів, відсутність глянця, низька теплостойкость (60 - 90°З), неприємний запах.

Матеріали на основі акрилових смол термопластични, але більш теплостійкі і дають покриття еластичні, стійкі до ударних навантажень, з хорошою адгезією до металів. Акриловие емалі (АК і АС) можуть працювати в умовах 98-100% -ний вогкості при температурі 55-60°С. Прі нанесенні на епоксидний грунт покриття зберігає захисні властивості протягом 3 - 6 років.

Покриття на основі термореактивних смол. Алкидние матеріали виробляють на основі глифталевой (ГФ) і пентафталевой (ПФ) смол, часто модифікованій рослинними маслами. Покриття володіють високою твердістю, міцністю, задовільною адгезією до різних матеріалів. При введенні алюмінієвої пудри покриття витримує тривало температуру 120°З і короткочасно температуру до 300°С. К нестачам алкидних покриттів, відноситься схильність до старіння, недостатня стійкість до умов тропічного клімату і лужних серед.

Епоксидние лакофарбні матеріали на основі епоксидних смол і їх модифікацій з різними отвердителями дають покриття ЕП, що володіють хорошою адгезією до металів і неметалічних матеріалів, значною твердістю, хімічною стійкістю до різних серед, в тому числі до лужних і, високими електроизоляционними властивостями. Покриття при сушці не дають усадки і стойок до коливань температури.

Полиефирним покриттям властива велика твердість, сильний блиск, задовільна, міцність на стирання. Однак вони погано чинять опір ударним навантаженням і малоеластични; використовуються головним чином при забарвленні дерев'яних (і бетонних) поверхонь, адгезія полиефирних лаків до металів невисока.

Полиуретановие лаки, емалі, грунти мають дуже хорошу адгезію до різних матеріалів, добре чинять опір стиранню, еластичні, атмосферостойкие, газонепроникні, можуть працювати в контакті з водою, маслами, бензином і розчинниками, є хорошими діелектриками. Недоліком цих матеріалів, що обмежують їх застосування, є токсичность.

Найбільш теплостійкі лакофарбні матеріали на основі кремнийорганических полімерів (ДО). Покриття стойки до вологи, окислення, озону, сонячного світла і радіації, хімічно інертні, хороші діелектрики. Однак вони мають невисоку адгезію до різних матеріалів і вимагають гарячої сушки (200°З). Кремнийорганические лаки і емалі використовують в основному як електроизоляционних матеріали. Модифіковані кремнийорганические лаки і емалі захищають металеві поверхні від тривалого впливу високих температур.

Полиимидние покриття теплостійкі, витримують теплові удари від - 196 до + 340°С. Покритія міцні, стійкі до впливу розчинників і кислот, стойки до радіації і володіють діелектричними властивостями. Отримання цих покриттів вимагає високої температури і ретельного дотримання технології.

2. Порівняльні властивості лакофарбних покриттів

За умовами експлуатації лакофарбні покриття поділяють на стійкі всередині приміщення; атмосферостойкие; хімічно стійкі; водостійкі; термостійкі; масло- і бензостойкие і електроизоляционние. Термостійкість (в°З) різних лакофарбних покриттів приведена нижче:

Нитроцеллюлозние (НЦ) До 80,

Перхлорвініловие (ХВ)80 - 90'

Епоксидние (ЕП) 150-200

Алкидние (ГФ, ПФ) - 150-300

Поліуретановие (УР) 180

Акріловие (АК)180

Кремнійорганічеськиє (ДО)".300-600 (1000, 1 мін)

Поліїмідние300, (400, 2-3 ч)

Деревні матеріали

Деревина з давніх часів використовується як конструкційний матеріал в різних галузях промисловості і застосовується як в натуральному вигляді, так і у вигляді різноманітних деревних матеріалів.

До достоїнств деревини як конструкційного матеріалу відносяться досить висока механічна міцність і невелика об'ємна маса і, отже, висока питома міцність, хороший опір ударним і вібраційний навантаженням. Теплофизические властивості деревини характеризуються малою теплопровідністю і в 2 - 3 рази меншим, ніж у сталі, температурним коефіцієнтом лінійного розширення. Деревина має високу хімічну стійкість до ряду кислот, солей, масел, газів. Важливими властивостями деревини є її здібність до склеювання, можливість швидкого з'єднання цвяхами, шурупами, легкість механічної обробки і гнутья.

Нарівні з вказаними достоїнствами деревина володіє рядом нестач, що обмежують її застосування як конструкційного матеріалу. Можна відмітити наступні недоліки: гигроскопичность, яка є причиною відсутності у деталей з деревних матеріалів стабільності форми, розмірів і прочностних властивостей, змінних із зміною вогкості; схильність до поразки грибковими захворюваннями; відсутність вогнестійкості; низький модуль пружності; анізотропія механічних властивостей, які внаслідок волокнистої будови деревини різні в різних напрямах дії сил; неоднорідність будови, внаслідок якої властивості матеріалу різні не тільки в межах однієї породи; але в межах одного стовбура.

1. Основні відомості про будову деревини

Деревина складається з органічних речовин: 43 - 45% целюлози (С6Н10О5), 19 - 29% лигнина, інше - низкомолекулярние вуглеводи і інші компоненти. Властивості деревини зумовлюються її будовою. Оскільки деревина є волокнистим матеріалом, її будову вивчають по трьох розрізах: торцовому (поперечному), перпендикулярному до волокон; радіальному, що проходить через вісь стовбура, тангентальному, що йде вдовж стовбура на деякій відстані від нього (мал. 6).

Рис. 6. Основні розрізи стовбура дерева:

1 - поперечний або торцовий;

2 - радіальний;

3 - тангентальний

Будова деревини, ширина річних кілець, зміст літньої зони деревини зумовлюють механічну міцність як хвойних, так і листяних порід. На властивості деревних матеріалів впливає наявність в деревині різних вад.

Вадами деревини називаються відхилення від нормальної будови, а також пошкодження микологического і механічного характеру. Вади знижують фізико-механічні властивості деревини. У конструкційних вони допускаються з обмеженнями, передбаченими технічними умовами. На механічні властивості здорової деревини впливають сучки, тріщини, нахил волокон (косослой).

До паразитних вад відносяться грибкові (микологические) пошкодження деревини. Для розвитку грибів потрібно певні умови; найбільш сприятливі для них температура 2, вогкість 30 - 60% і наявність повітря, без якої розвиток гриба неможливий. Внаслідок грибкової поразки деревина руйнується, перетворюючись в труху, гнилизну. При неправильному зберіганні деревини часто виникає синява, яка швидко розповсюджується і проникає в глибочину матеріалу. Синява істотного впливу на фізико-механічні властивості деревини не надає, однак при сильному розвитку може викликати поразки більш небезпечними грибами.

Пошкодження комахами (червоточина) зустрічаються в деревині всіх порід. Наявність червоточини впливає на сортність деревини.

2. Властивості деревини і захист деревини від зволоження, загнивання і запалення

Фізичні властивості. Для деревини як конструкційного матеріалу основне значення мають вогкість, змінність розмірів, форми, об'ємна маса.

Вогкістю деревини називається кількість води, що полягає в ній, виражене у відсотках. Вогкість визначається по формулі

m - mo

W= -·100%,

m0

де m - маса вологого зразка при даній вогкості в г; m0- маса зразка в абсолютно сухому стані в г (за m0принимается маса зразка, висушеного при 100 + 5°З).

Вода, що міститься в деревині, буває двох видів: вільна (капілярна) вода, що заповнює внутрішні пустоти, і пов'язана (гігроскопічна), що знаходиться в клітинних оболонках. Таким чином, вогкість деревини складається з вологи пов'язаної і вільної. При висиханні дерево втрачає спочатку вільну воду, а потім починає втрачати пов'язану воду.

Стан деревини, при якому в ній є тільки пов'язана волога, називається точкою насичення волокон. Для різних деревних порід максимальна кількість пов'язаної вологи коливається від 23 до 30%. Свіжозрубаній деревині відповідає вогкість 50 - 100%; в деревині, що пролежала довгий час на повітрі (повітряно-сухої), встановлюється вогкість 10 - 20%, в кімнатних умовах (кімнатно-суха деревина) - вогкість 7 -10%, а для абсолютно сухої деревини вогкість нульова. Вогкість, що відповідає умовам виробничого приміщення, носить назву виробничої вогкості. За стандартну вогкість деревини прийнята вогкість 15%, яка являє собою середню вогкість повітряно-сухої деревини. Всі властивості деревини для можливості порівняння встановлюються при стандартній вогкості 15%.' Виробнича, вогкість повинна бути рівна експлуатаційної або на 2% нижче (інакше деревина буде усихати).

Зміна розмірів і форми деревини пов'язана із зміною її вогкості. Ці зміни виражаються в усиханні, розбуханні і викривленні. При висиханні деревини з неї спочатку віддаляється вільна волога, при цьому розміри кліток не змінюються (меншає тільки маса); з моменту точки насичення волокна стінки волокон деревини втрачають пов'язану вологу і скорочуються в розмірах.

Усиханням деревини називається зменшення лінійних розмірів і об'єму деревини при висиханні (виражається у відсотках). Усихання залежить від напряму: так, найбільше усихання відбувається в тангентальном напрямі, найменша - вдовж волокон.

Для визначення усихання практично користуються коефіцієнтом усихання До, який являє собою середнє усихання при зміні вогкості на 1%, і визначається по формулі

Y

K= -

W

Для різних порід повне усихання в радіальному напрямі Ур= = 3-5%, в тангентальном Уг= 6 - 10%. Коефіцієнти усихання в радіальному напрямі Kр= 0,09 ~0,31%, в тангентальном Кт= 0,17 - 0,43%; коефіцієнт об'ємного усихання До= 0,32 - 0,7%. Усихання вдовж волокон становить 0,1-0,35% і практично не враховується.

Усихання являє собою негативне явище, по-перше, тому, що її необхідно враховувати при виготовленні деталей, і, по-друге, вона служить причиною появи в деревині внутрішніх напружень, зухвалих тріщини і викривлення (мал. 7).

Деревина різних порід має однаковий хімічний склад, тому густина речовини, створюючої стінки кліток, приймається рівної 1,54 г/см3. Для практичних цілей важливо знати об'ємну масу у, яка залежить від вогкості матеріалу і коефіцієнта об'ємного усихання. Значення у15древесини становить 0,34-0,98 г/см3. Більш легкими породами є сосна, ялина, ялиця, липа, осика, вільха; дуже важкими - граб, груша, самшит. Чим більше об'ємна маса, тим щільніше деревина і тим краще вона чинить опір навантаженням.

Рис. 7. Види викривлення пиломатериалов:

1 - зміна форми поперечного перетину брусків; 2 - поперечне викривлення дошок; 3 -

подовжнє викривлення дошки; 4 - викривлення косослойной дошки

Механічні властивості деревини. Деревина анізотропна, і її властивості залежать від вогкості і інших чинників. У зв'язку з цим показники механічних властивостей для можливості їх порівняння і застосування в розрахунку дерев'яних деталей на міцність відносять до деревини, що не має вад і при однаковій вогкості 15%.

Механічні властивості найбільш поширених порід деревини при W= 15% приведені в табл. 5.

Середні значення меж міцності деревини вдовж волокон знаходяться в межах: Ơ стільники 3,42 до 5,49 кгс/мм2; Ơ ось 7,61 до 16,1 кгс/мм2(в окремих випадках до 27 кгс/мм2); Ơ в- упоперек волокон нижче в 6 - 30 разів, чим вдовж. Опір зсуву в площині волокон, (сколювання) невелико і становить 1/6-1/8 Ơ з (подовжній напрям), Ơ изгв 1,5-2 разу

Таблиця 5

Основні фізико-механічні властивості найбільш поширених порід деревини (при - вогкість 15%)

Порода

Межа міцності, кгс/мм2

Об'ємна маса

при стисненні

вдовж волокон

При розтягненні вдовж волокон

при

статичному згині

при сколюванні

вдовж волокон

Питома робота при ударному

Згині кгс/см2

Твердість, кгс/мм 2

Модуль пружності вдовж волокон, 10 3, кгс/мм-Радиальная

Тан

ген

таль

ная

торцовая

при стисненні

при розтягненні

при згині

ра-ди-аль-ная

Тангена льная

Модрина

0,68

5,4

12,2

9.84

0,94

0,82

0.27

2,80

2,78

4,03

1.40

1,45

1,47

Сосна

0.51

4,1

10,0

7,58

0,69

0,67

0,20

2,17

2 23

2,62

1,17

1,17

1,22

Ялина

0,46

3.9

10.6

7,17

0,6

0,62

0,20

1,73

1,68

2,41

1,42

1,43

1,06

Кедр сибірський

0.44

3,6

8.20

6,48

0,6

0,64

0,14

-

-

2,03

-

-

-

Ялиця

0.39

3,4

7,61

6,07

0,5

0,57

0.14

1,67

1,64

2,48

1,25

1,25

1,01

Листяні

Граб

0,81

5,3

13.4

12,1

1,41

1.77

0,48

7.01

7.17

8,25~

_

_

_

Дуб

0,76

5,1

-

8,91

1.10

1,25

0,46.

5.36

5.68

6,53

1,40

1,40

1.51

Клен

0,70

5,2

_

10,5

1.13

1.29

0.37

5,06

5.37

6,90

-

-

-

Ясен

0,69

4,9

13.9

10,8

1,2

1.22

0.43

5,34

6.09

7,32

1,50

1,40

1.28

Бук

0,68

4,7

11,7

9.53

1,06

1,32

0,39

3,94

4,03

5,56

-

-

-

Береза

0,64

4,6

16,1

9,67

0.. 8

1,02

0,45

3,36

3,00

4,23

1,58

1,81

1.51

Липа

0,50

3,9

11.5

7,75

0,7

0.74

0,28

1,56

1.63

2 34

_

-

-

Осипа

0.50

3,7

12.0

6,86

0.5

0,78

0.41

1,75

1,83

2,41

1,26

1,54

1,10

більше, ніж ас. Модулі пружності при розтягненні і стисненні приблизно рівні, в подовжньому напрямі їх значення в 10 - 30 разів більше, ніж в поперечному. Вдовж волокон £ = = (1,17 ~ 1,58) 103кгс/мм2.

При ударних навантаженнях опір ударному згину в'язких порід (ясена, дуба) в 1,5 - 3 рази вище, ніж крихких хвойних порід (осни, ялини,

ялиця). Міцність деревини залежить від швидкості навантаження: чим повільніше прикладається навантаження, тим менше величина межі міцності. Згодом опір деревини поступово меншає і досягає деякої межі довготривалого опору, при якій дерев'яна деталь може працювати невизначено довгий час (мал. 234). Для всіх видів напруженого стану деревини величина тривалого опору приймається рівної 2/3 межі міцності.

При вібраційний навантаженнях необхідно враховувати втому (або витривалість) деревини. Межа витривалості стевсегда менше статичної межі міцності аст. Відношення ств/стСт при згині складає для різних порід 0,24 - 0,38:

Захист деревини від зволоження, загнивання і запалення. У умовах експлуатації або зберігання деревини на відкритому повітрі її вогкість може значно збільшуватися і спричиняти загнивання дерев'яних елементів. Для боротьби з цим недоліком застосовують гидроизоляционние прокладки, лакофарбні покриття і антисептирование.

Антисептики являють собою водні розчини мінеральних солей (фтористого натрію, хлористого цинку, мідного купоросу і інш.) і спиртові розчини оксидифенила і ртутноорганических з'єднань. Антисептирование проводять шляхом промазки, обприскування, просочення під тиском.

Деревина; легко запалає від вогню (точка запалення 330-470°З). Для підвищення її вогнестійкість (хоч зробити деревину зовсім вогетривкий не можна) застосовує ряд способів. Перший і найбільш ефективний спосіб захисту - просочення хімічними речовинами - антипиренами, другої - забарвлення вогнезахисними фарбами. У якості антипиренов використовують аммониевие солі і солі фосфорної кислоти або борної кислоти. Вогнезахисні фарби повинні бути негорючими і нетеплопровідними. До них відносяться силікатні фарби на основі рідкого скла і перхлорвиниловие лакофарбні покриття.

3. Різновиди деревних матеріалів

Матеріали з натуральної деревини застосовують у вигляді пиломатериалов і заготівель. У залежності від розмірів поперечного перетину розрізнюють брусья, ширина і товщина яких понад 100 мм; бруски шириною не більш двійчастої товщини; дошки при ширині більш двійчастої товщини (тонкі вузькі дошки називаються планками).

Пиломатериали хвойних порід застосовують більш широко, оскільки вони володіють високою міцністю, менше схильні до загнивання, особливо сосна; з листяних порід дуб і ясен добре піддаються гнутью; бук і береза служать їх замінниками. Хвойні і тверді листяні породи застосовують для силових навантажених деталей. М'які породи (липа) є несиловими матеріалами. Хвойні пиломатериали використовують в суднобудуванні, в автотранспорті (деталі вантажних автомобілів), в конструкціях вантажних залізничних вагонів, сільськогосподарських машин і т. д. Заготівлі з деревини використовуються для тих же цілей і моделей.

Шпона - широка рівна стружка деревини, що отримується шляхом лущення або стругання. Товщина листів шпони від 0,55 до 1,5 мм. Шпона є напівфабрикатом для виготовлення фанери, деревних шаруватих пластик і виклейки гнутих деталей. Шпона з красивої текстурой (дуб, бук і інш.) використовується як облицювальний матеріал для виробів з деревини.

Фанера - листовий матеріал, що отримується шляхом склеювання шарів шпони. Товщина фанери від 1 до 12 мм, більш товсті матеріали називають плитами. У залежності від склеюючого шпону клею і міри водостойкости фанера випускається наступних марок: ФСФ на фенолоформальдегидном клеї з підвищеною водостойкостью, ФК - на карбамидном і ФБА на альбуминоказеиновом клеях зі середньою водостойкостью і ФБ на білкових клеях обмеженої водостойкости. Березова фанера має вдовж волокон сорочок Ơ в= 6,5 - г 8 кгс/мм2.

Пресована деревина виходить при гарячому пресуванні брусків, дошок, заготівель, при цьому вона зазнає спеціальної термообробки в ущільненому стані.

Пресована деревина має наступні властивості: об'ємну масу 1,1-1,42 г/см3, межу міцності вдовж волокон при розтягненні 14-23 кгс/мм2, при стисненні 9-13 кгс/мм2, при згині 15-20 кгс/мм2, ударну в'язкість 60-80 кгс-см/см2.

Пресована деревина є замінником чорних і кольорових металів і пластмас. Вона широко застосовується для виготовлення деталей машин, працюючих при ударних навантаженнях (кулачки, сегменти зубчатих передач, підшипники, втулки і т. д.). Вкладиші з деревини в порівнянні з бронзовими мають вдвоє менший знос, знижується витрата мастильного масла.

Древесностружечние плити виготовляють гарячим пресуванням деревної стружки зі зв'язуючим. Плити випускають однослойними (ПС-1, ПТ-1), трехслойними (ПС-3, ПТ-3) і облицованними шпоною, фанерою, папером (ЕС, ЕМ)..

Древесностружечние плити легкі, мають об'ємну масу 0,35-0,45 г/см3, Ơ і= 0,5 кгс/мм2, володіють теплоизоляционними властивостями [λ = = 0,045 ккал/(м · ч°З)]. Для важких і надважких плит об'ємна маса досягає 0,75-1,1 г/см3и Ơ" = 2,1 - 5,3 кгс/мм2. Древесностружечние плити застосовують для підлоги і бортів вантажних машин і причеп, у вагонобудуванні, в будівництві, для виробництва меблів і т. д.

Древесноволокнистие плити виготовляють з деревних волокон (роздрібненої деревини), іноді з добавками зв'язуючих складів. Під дією високої температури і великого тиску деревні волокна спресовуються в равнопрочний матеріал. Плити поділяють на м'які пористі (М-4, М-12, М-20), полутвердие (ПТ-100), тверді (Т-350 Т-400) і сверхтвердие (СТ-500). У позначенні марки плит цифри означають Ơ" в кгс/см2. У промисловості випускають також акустичні плити, що мають коефіцієнт звукопоглощения 0,2-0,3 при частоті коливань 300 Гц і 0,4-0,5 при 1000 Гц. Древесноволокнистие плити застосовують для облицювання пасажирських вагонів, внутрішньої обробки автобусів в радиотехнической промисловості, в будівництві і т. д.

Неорганічні матеріали

Неорганічним матеріалам властиві негорючість, висока стійкість до нагріву, хімічна стійкість, несхильність старінню, велика твердість, хороша опірність стискаючим навантаженням. Однак вони володіють підвищеною крихкістю, погано переносять різку зміну температур, слабо чинять опір розтягуючим і згинаючим зусиллям і мають велику густину В порівнянні з органічними полімерними матеріалами.

Основою неорганічних матеріалів є головним чином оксиди і безкисневі з'єднання металів. Оскільки більшість неорганічних матеріалів - містить різні з'єднання кремнію з іншими елементами, ці матеріали об'єднують загальною назвою силікатні. У цей час застосовують не тільки з'єднання кремнію, але і чисті оксиди алюмінію, магнію, циркония і інш., що володіють більш цінними технічними властивостями, чим звичайні силікатні матеріали.

Неорганічні матеріали поділяють на неорганічне скло, стеклокристаллические матеріали - ситалли і кераміку.

1. Неорганічне скло

Неорганічне скло потрібно розглядати як особливого вигляду затверділий розчин - складний розплав високої в'язкості кислотних і основних оксидів.

Стеклообразное стан є різновидом аморфного стану речовини. При переході скла з розплавленого рідкого стану в тверде аморфне в процесі швидкого охолоджування і наростання в'язкості безладна структура, властива рідкому стану, як би «заморожується;). У зв'язку з цим неорганічне скло характеризується невпорядкованістю і неоднорідністю внутрішньої будови.

Стеклообразующий каркас скла являє собою неправильну просторову сітку, освічену кремнекислородними тетраедрами [SiO4]4-. На мал. 8 (а) показана така сітка кварцового скла. При частковому изоморфном заміщенні кремнію в тетраедрах, наприклад, на алюміній або бор, утвориться структурна сітка алюмосиликатного [SixAlO4]z-~ або боросиликатного [SixBO4]z-скла. Іони лужних (Na, ДО) і лужноземельних (Са, Mg, Ва) металів називаються модифікаторами; в структурній сітці скла вони розташовуються в проміжках тетраедрических угруповань (мал. 8(би)). Введення Na2O або інших модифікаторів розриває міцні зв'язки Si - Про - Si і знижує міцність, термо- і хімічну стійкість скла, одночасно полегшуючи технологію його виробництва. Більшість скла має рихлу структуру з внутрішньою неоднорідністю і поверхневими дефектами.

Рис. 8. Структура неорганічного скла:

а - кварцового;

6 - натрийсиликатного

До складу неорганічного скла входять стеклообразующие оксиди кремнію, бора, фосфору, німеччина, миш'яку, створюючі структурну сітку і модифікуючі оксиди натрію, калію, літію, кальцію, магнію, барію, змінюючі фізико-хімічні властивості стекломасси. Крім того, в склад скло вводить оксиди алюмінію, заліза, свинця, титана, бериллия і інш., які самостійно не утворять структурний каркас, але можуть частково заміняти стеклообразующие і цим повідомляти склу потрібні технічні характеристики. У зв'язку з цим промислове скло є складними багатокомпонентними системами.

Скло класифікує по ряду ознак: по скло створюючій речовині, за змістом модифікаторів і за призначенням.

У залежності від хімічної природи скло створюючої речовини скла поділяють на силікатні (SiO2),

алюмосиликатние (А12О3),

боросиликатние (В2О3- SiO2),

алюмоборосиликатние (А12ОЕ- В2О3- SiO2),

алюмофосфатние (А12О3- РгО5) і інш.

За змістом модифікаторів скло буває лужними (вмісними оксиди Na2O, К2О), бесщелочними і кварцовими. За призначенням все скло поділяє на технічні (оптичні, светотехнические,, електротехнічні, химико-лабораторні, приладові, трубні); будівельні (віконні, витринние, армовані, стеклоблоки) і побутові (склотара, посудні, побутові дзеркала і т. п.).

Технічне скло в більшості відноситься до алюмоборосиликатной групи і відрізняється різноманітністю вхідних оксидів. Скло випускається промисловістю у вигляді готових виробів, заготівель або окремих деталей!

Загальні властивості скла. При нагріванні скло плавиться в деякому температурному інтервалі, який залежить від складу. Для промислового силікатного скла температура скловання te= 425 - 600'С, температура розм'якшення tpлежит в. межах 600 - 800сС. У інтервалі температур між t0и tрстекла знаходяться у високо в'язкому пластичному стані. При температурах вище за tp(1000-1100°З) проводяться всі технологічні процеси переробки стекломасси у вироби.

Властивості скла, як і всіх аморфних тіл, изотропни. Густина коливається від 2,2 до 6,5 г/см3(з оксидами свинця, барію - до 8 г/см3).

Механічні властивості скла- характеризуються високим опором стисненню (50 - 200 кгс/мм-2), низькою межею міцності при розтягненні (3 - 9 кгс/мм2) і згині (5 -15 кгс/мм2).. Модуль пружності високий (4500 до 104кгс/мм2), коефіцієнт Пуассона μ. = 0,184 -0,26. Твердість скла, як і інших неорганічних матеріалів, часто визначається наближеним методом дряпання по мінералогічній шкалі Мооса і рівна 5-7 одиницям (за 10 одиниць прийнята твердість алмаза, за одиницю - тальку). Ударна в'язкість стікти низька, воно крихке {а = 1,54-2,5 кгс-см/см2). Більш високі механічні характеристики мають скло бесщелочного складу і кварцові.

Найважливішими специфічними властивостями скла є їх оптичні властивості: светопрозрачность, відображення, розсіювання, поглинання і заломлення світла. Звичайне незабарвлене листове скло пропускає до 90%, відображає приблизно 8% і поглинає біля 1% видимого і частково інфрачервоного світла; ультрафіолетові промені поглинає майже повністю. Кварцове скло є прозорим для ультрафіолетових променів. Коефіцієнт заломлення скла становить 1,47 - 1,96, коефіцієнт розсіяння (дисперсії) знаходиться в інтервалі від 20 до 71. Скло з великим змістом РЬО поглинає рентгенівські промені.

Термостійкість скла характеризує його довговічність в умовах різних змін температури. Вона визначається різницею температур, яку скло може витримати без руйнування при його різкому охолоджуванні у воді (0°З). Коефіцієнт лінійного розширення а скло складає від 5,6-10"71/°З (кварцове) до 90-10~71/°З (будівельне), коефіцієнт теплопровідності-від 0.57 до 1,3 ккал/(м-ч°З). Для більшості видів скла термостійкість коливається від 90 до 170°З, а для кварцового скла вона становить 800 - 1000°С. Химічеська стійкість скла залежить від створюючих" їх компонентів: оксиди SiO2, ZrO2, TiO2, B2O3, AI2O3, CaO, MgO, ZnO забезпечують високу хімічну стійкість, а оксиди Li2O, Na2O, K2O, BaOu РЬО, навпаки, сприяють хімічній корозії скла. Механічна міцність і термостійкість стікти могут' бути підвищені шляхом гартування і термохимического зміцнення.

Гартування, полягає в нагріві скла до температури вище за tcи подальшому швидкому і рівномірному охолоджуванні в потоку повітря або в. маслі. При цьому опір статичним навантаженням збільшується в 3 - 6 разів, ударна в'язкість в 5 -7 разів. При гартуванні підвищується також термостійкість скла..

Термохимическое зміцнення засноване на глибокій зміні структури скла і властивостей його поверхні. Скло зазнає гартування в підігрітих кремнийорганических рідинах, внаслідок чого на поверхні матеріалу утворяться полімерні плівки; цим створюється додаткове, в порівнянні з результатом звичайного гартування, зміцнення. Підвищення міцності і термостійкості можна отримати труєнням за* розжарюваного скла плавиковою кислотою, внаслідок чого віддаляються поверхневі дефекти, що знижують його якість.

Силікатні триплекси являють собою два листи загартованого скла (завтовшки 2 - 3 мм), склеєні прозорою, еластичною полімерною плівкою. При руйнуванні триплексу негострі уламки, що утворилися утримуються на полімерній плівці. Триплекси бувають плоскими' і гнутими.

Термопан - трехслойное скло, що складається з двох скла і повітряного проміжку між ними. Цей повітряний прошарок забезпечує теплоизоляцию.

Застосування технічного скла. Для скління транспортних засобів використовують переважно триплекси, термопан і загартоване скло.

Оптичне скло, вживане в оптичних приладах і інструментах, поділяє на крони, відмінні малим заломленням, і флинти- з високим змістом окислу свинця і великими значеннями коефіцієнта заломлення. Важкі флинти не пропускають рентгенівські і промені. Светорассеивающие скла містять в своєму складі фтор.

Скління кабін і. приміщень, де знаходяться пульти управління мартенівських і електричних дугових печей, прокатних станів і підіймальних кранів в ливарних цехах, виконується склом, вмісним оксиди заліза і ванадію, які поглинають біля 70% інфрачервоного випромінювання в інтервалі довжин хвиль 0,7 - 3 мкм.

Кварцове скло внаслідок високої термічної і хімічної стійкості застосовують для тиглей, чаш, труб, наконечників, лабораторного посуду. Близьке по властивостях до кварцового скла, але більш технологічне кварцоидное скло використовують для електроколб, форм для точного лиття і т. д.

Електропровідне (напівпровідникові) скло: халькогенидние і оксидні ванадиевие, знаходять широке застосування в якості термисторов, фотосопротивлений.

Теплозвукоизоляционние стекловолокнистие матеріали. Ці матеріали мають рихловолокнистую структуру з великою кількістю повітряних прошарків, волокна в них розташовуються безладно. Така структура повідомляє цим матеріалам малу об'ємну масу (від 20 до 130 кг/м3) і низьку теплопровідність [λ= 0,030-0,0488 ккал/(м-ч-0С)].

Різновидами стекловолокнистих матеріалів є скловата, застосування якої обмежене її крихкістю; матеріали АСИМ, АТИМС, АТМ-3, що складаються з скловолокна, розташованого між двома шарами стеклоткани або стеклосетки, простеганной стеклонитками. Вони застосовуються в інтервалі температур від - 60 до 450 -600°С. Іногда скловолокна поєднують з термореактивной смолою, що додає матам більш стійку рихлу структуру (матеріал АТИМСС), робочі температури - до 150°С. Матеріали, що виробляються з короткого волокна і синтетичних смол, називаються плитами. Коефіцієнт звукопоглощения плит при частоті 200-800 Гц рівний 0,5; при частоті 8000 Гц - 0,65.

Скловата, мати, плити застосовують для теплозвукоизоляції кабін літаків, кузовів автомашин, залізничних вагонів, тепловозів, електровозів, корпусів судів, в холодильній техніці, ними ізолюють різні трубопроводи, автоклави і т. д.

2. Ситалли (стеклокристаллические матеріали)

Ситалли отримують на основі неорганічного скла шляхом їх повної або часткової керованої кристалізації. Термін «ситалли» освічений від слів: скло і кристали. За рубежем їх називають стеклокерамикой, пирокерамами. По структурі і технології отримання ситалли займають проміжне положення між звичайним склом і керамікою. Від неорганічного скла вони відрізняються кристалічною будовою, а від керамічних матеріалів - більш дрібнозернистою і однорідною микрокристаллической структурою.

Ситалли отримують шляхом плавлення скляної шихти спеціального складу з добавкою нуклеаторов (каталізаторів), охолоджування розплаву до пластичного стану і формування з нього виробів методами скляної технології і подальшою ситаллизації (кристалізації). Ситалловие виробу отримують також порошковим методом спікання.

До складу скла, вживаного для отримання ситаллов, входять оксиди LiO2, A12O3, SiO2, MgO, CaO і інш.; каталізатори кристалізації (нуклеатори). До числа останніх відносяться солі світлочутливих металів Аї, Ag, Цим, які є колоїдними барвниками і знаходяться в склі у вигляді найдрібніших колоїдно-дисперсних частинок, а також фтористие і фосфатні з'єднання, ТiO2і інш., що являють собою глушителі, що розподіляються в склі у вигляді погано розчинних частинок.

3. Керамічні матеріали

Кераміка неорганічний матеріал, що отримується отформованних маси в процесі високотемпературного випалення.

Кераміка на основі чистих оксидов. Оксидна кераміка володіє високою міцністю при стисненні в порівнянні з міцністю при розтягненні або згині; більш міцними є мелкокристаллические структури. З підвищенням температури міцність кераміки знижується. Кераміка з чистих оксидов, як правило, не схильна до процесу окислення.

Безкиснева кераміка. Матеріали володіють високою крихкістю. Опір окисленню при високих температурах карбідів і бориду становить 900-1000°З, декілька нижче воно у нитридов. Силіциди можуть витримувати температуру 1300-1700°З (на поверхні утвориться плівка кремнезему).

4. Графіт

Графіт є одним з аллотропических різновидів вуглеводу. Це полімерний матеріал кристалічної пластинчатої будови.

Графіт не плавиться при атмосферному тиску. Графіт зустрічається в природі, а також виходить штучним шляхом.

Пиролитический графіт виходить з газоподібної сировини. Його наносять у вигляді покриття на різні матеріали з метою захисту їх від впливу високих температур.

Пирографит - об'ємна маса 1950-2200кг/м3, пористість 1.5%, модуль пружності 112/70ГПа.

Список літератури

Ю. М. Лахтін, В. П. Леонтьева. Матеріалознавство. М.:² Машинобудування², 1990

Під редакцією С. І. Богодухова, В. А Бондаренко. Технологічні процеси машинобудівного виробництва. Оренбург, ОГУ, 1996