Неметаллические материалы

ЛЕКЦИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Пластические массы Пластические массы (пластмассы) —- неметаллические композиционные материалы на основе полимеров (смол), способные под влиянием нагревания и давления формироваться в изделия и устойчиво сохранять в результате охлаждения или отверждения приданную им форму. Достоинства: малая плотность, высокая устойчивость против коррозии, низкий коэффициент трения, высокие электроизоляционные, теплоизоляционные и демпфирующие свойства, декоративность. Недостатки: низкие теплостойкость и теплопроводность, гигроскопичность, склонность к старению и снижению прочностных свойств под воздействием температуры; времени и различных сред. Для замедления процесса старения в пластмассы добавляют различные стабилизаторы органические вещества. Основу пластмасс составляют полимеры, от типа и количества которых зависят физические, механические и технологические свойства пластмасс. Полимеры - это высокомолекулярные соединения, имеющие линейную, разветвленную или пространственную структуру. Классификация пластмасс В зависимости от вида связей между молекулами полимеров и их поведения при повышенных температурах пластмассы разделяют разделяют на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактоплсты). Термопласты получают на основе полимеров, молекулы которых связаны слабыми межмолекулярными силами. Наличие таких связей позволяет полимеру много раз размягчаться при нагревании и твердеть при охлаждении, не теряя свои первоначальных свойства. К термопластам относят полиэтилен, капрон, полиамиды, поливинилхлорид, винипласты, фторопласты, органическое стекло и д.р. Реактопласты получают на основе полимеров, молекулы которых наряду с межмолекулярными силами могут связываться химически. Возникновение прочных химических связей в полимерах происходит при нагревании или при введении отверждающих добавок — отвердителей. Отвердители- вещества, которые в количестве нескольких процентов вводят в реактопласты для соединения полимерных молекул химическими связями. Примером реактопластов могут служить эпоксидные и полиэфирные смолы, фенопласты и другие полимеры. Пластмассы разделяют на пластики и эластики. Первые называют жесткими, они имеют незначительное относительное удлинение, вторые — мягкими, они имеют большое относительное удлинение и малую упругость. По составу пластмассы разделяют на две группы — ненаполненные и наполненные (композиционные). Ненаполненные пластмассы — это полимеры в чистом виде, например полиэтилен, полиамид, органическое стекло и др. Наполненные пластмассы — это сложные композиции, содержащие кроме полимера различные добавки. Добавки позволяют изменять свойства 1 полимера в нужном направлении. К добавкам относят наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, катализаторы, красители, отвердители и специальные добавки. Наполнители упрочняют материал, удешевляют его и придают ему специальные свойства, например повышают теплостойкость, уменьшают усадку и т. д. В качестве наполнителей используют древесную муку, целлюлозу, хлопковые очесы, хлопчатобумажную ткань, древесный шпон, бумага и т. д. В пластмассе может содержаться до 70% наполнителей. Пластификаторы облегчают переработку пластмасс и делают их более эластичными. Кроме того, пластификаторы увеличивают гибкость, уменьшают хрупкость и улучшают формуемость пластмасс. Стабилизаторы — различные органические вещества, способствуют предотвращению старения пластмасс и сохранению их полезных характеристик. Отвердители ускоряют процессы отвердения смол и получения пластмасс. Катализаторы — вещества (известь, магнезия и др.), ускоряющие отвердение пластмасс. Красители—вещества, (сурик, мумия, нигрозин и др.), придающие пластмассам требуемый цвет. Специальные добавки — вещества, которые служат для изменения или усиления какого-либо свойства. К ним относят смазывающие вещества (стеарин, олеиновая кислота и др.), которые увеличивают текучесть, уменьшают трение между частицами композиций и устраняют прилипание к пресс-формам, вещества для уменьшения статических электрических зарядов, уменьшения горючести, защиты от плесени и т. д. Термопластичные полимеры и пластмассы Полиэтилен - влаго- и газонепроницаем, не набухает в воде, эластичен в широком интервале температур, устойчив к действию кислот и щелочей, обладает очень хорошими диэлектрическими свойствами. Полиэтилен выпускают высокого давления (ВД) и низкого давления (НД), различающиеся методом изготовления и физико-химическими свойствами. Полиэтилен ВД имеет температуру плавления 115°С, а полиэтилен НД — 120— 135°С. Полиэтилен НД обладает большей механической прочностью и жесткостью, чем полиэтилен ВД, и используется для изготовления труб, шлангов, листов, пленки, деталей высокочастотных установок и радиоаппаратуры, различных емкостей.. Полиэтилен ВД применяют как упаковочный материал в виде пленки или в виде небьющейся химической посуды. Основной недостаток полиэтилена — его невысокая теплостойкость, изделия из него рекомендуется использовать при температуре не выше 80°С. Полиэтилен хорошо обрабатывается и перерабатывается всеми известными способами. Поливинилхлорид. Пластифицированный поливинилхлорид называют пластиком, непластифицированный твердый листовой материал— винипластом. Пластмассы на основе поливинилхлорида обладают хорошими 2 диэлектрическими и механическими свойствами. Однако они имеют невысокую термостойкость: до 60°С. Поливинилхлорид не стоек к действию ароматических и хлорированных углеводородов, кислот. Винипласт при пониженных температурах становится хрупким; при резких изменениях температуры коробится, а при нагреве до 40—60°С разупрочняется и теряет жесткость. Он не горит, но при температуре 120— 140°С начинает размягчаться, что используется для сварки отдельных листов между собой. В пламени обугливается; температура разложения 160—200°С. Склонен к старению под влиянием атмосферы и химических реагентов. Из винипласта изготовляют емкости в химическом машиностроении, аккумуляторные баки и сепараторы для аккумуляторов, вентили, клапаны, фитинги для трубопроводов, крышки, пробки, плитки для футеровки электролизных и травильных ванн, детали насосов и вентиляторов. Пластикаты применяют для изоляции и оболочек проводов и кабеля, для производства медицинских изделий, в строительной промышленности. Пасты из поливинилхлорида с пластификатором используют для защиты металлов от коррозии. Полиамиды. Они отличаются сравнительно высокой прочностью и низким коэффициентом трения. Наибольшее распространение из полиамидов получил капрон как относительно дешевый и наименее дефицитный материал. Его износостойкость в несколько раз выше, чем стали, чугуна и некоторых цветных металлов. Наилучшими антифрикционными свойствами обладает капрон с добавлением 3—5% графита. Капрон отличается удовлетворительной химической стойкостью, а также стойкостью к щелочам и большинству растворителей. Полистирол. Это бесцветный прозрачный материал, обладающий абсолютной водостойкостью, высокими электроизоляционными свойствами, светостойкостью и твердостью. Полистирол стоек к плесени, к щелочным и кислым средам, растворяется в ароматических и, хлорированных углеводородах. Недостаток: малая теплостойкость, хрупкость, подверженность к старению и растрескиванию. Из полистирола изготовляют антенны, панели, катушки, лабораторную посуду. Фторопласты - состоят из углерода и фтора. Наибольшее применение в промышленности получили непрозрачные для света фторопласт-4 и фторопласт-3. Фторопласты широко применяются для изготовления уплотнительных деталей — прокладок, набивок, работающих в агрессивных средах, деталей клапанов кислородных приборов, мембран, химически стойких деталей (труб, гибких шлангов, кранов и т. д.), самосмазывающихся вкладышей подшипников, тары пищевых продуктов, используют в восстановительной хирургии. Пенопласт. Это полимер, отличающийся химической стойкостью и атмосферостойкостью. По водостойкости пенопласт аналогичен фторопластам, полиэтилену и полистиролу. Из пенопласта изготовляют химически стойкие трубы, клапаны, вентили, сепараторные кольца, подшипники, детали часовых механизмов. Термореактивные полимеры и пластмассы 3 Фенопласты. Их изготовляют на основе фенолоформальдегидных смол, широко распространены благодаря простому и дешевому способу получения сырья и его переработки, а также возможности изготовления из этих материалов сложных изделий. Фенопласты отличаются высокой прочностью, теплостойкостью, стойкостью к кислотам, щелочам и органическим растворителям, а также наличием диэлектрических свойств. Из фенолоформальдегидных смол с добавкой наполнителей изготовляют пресспорошки, волокнистые и слоистые пластики. Текстолит. Это слоистая пластмасса, где в качестве наполнителя используется хлопчатобумажная ткань, в качестве связующего — фенолоформальдегидная смола. Текстолит обладает относительно высокой механической прочностью, малой плотностью, высокими антифрикционными свойствами, высокой стойкостью к вибрационным нагрузкам, износоустойчивостью, хорошими диэлектрическими свойствами. Текстолит применяют как заменитель цветных металлов для вкладышей подшипников прокатных станов в металлургической промышленности; для изготовления шестерен в автомобилях. Гетинакс. Это слоистая пластмасса на основе фенолоформальдегидной смолы и листов бумаги. Гетнаакс выпускают под марками А, Б, В, Г. Гетинакс применяют главным образом как электроизоляционный материал. Выпускают также декоративный гетинакс для отделочных работ.. Резиновые материалы и клеи Резина - продукт химического превращения (вулканизации) синтетического и натурального каучуков. Взаимодействуя с вулканизирующими веществами, каучуки претерпевают внутренние химические изменения, в результате которых образуется резина. Резина обладает высокой эластичностью, что позволяет изделиям из нее выдерживать значительные деформации. Эластичность сочетается с высоким сопротивлением разрыву, истиранием, способностью поглощать колебания, газо- и водонепроницаемостью, химической стойкостью и ценными диэлектрическими свойствами. Резина — это смесь различных компонентов. Свойства резиновых изделий определяются их различным соотношением. К составляющим резиновых смесей относятся каучук, вулканизирующие вещества, ускорители вулканизации, активаторы, ускорители, наполнители, противостарители, смягчители и красители. Основой резиновых смесей служит натуральный или искусственный каучук. Каучук подвергают вулканизации — горячей или холодной для придания материалу требуемой прочности, упругости и т. д. В качестве вулканизирующего вещества в каучук вводят 2—3% серы. Так как вулканизация — длительный процесс, то для его ускорения вводят 0,5—1,5% ускорителей вулканизации (окись магния, окись цинка В качестве активаторов ускорителя применяют цинковые белила и магнезию. Для придания необходимых физико-механических свойств резиновым изделиям в композицию вводят наполнители. Наполнители делят на порошкообразные и ткани. К порошкообразным наполнителям относят сажу, 4 каолин, углекислый марганец, мел, тальк, сернокислый барий и др. Тканевыми силовыми наполнителями служат рукавные ткани. При окислении каучука резины стареют, теряют эластичность, становятся хрупкими, т. е. при старении необратимо изменяются физикомеханические свойства. Поэтому в состав резиновых смесей вводят противостарители: вазелин, воск, парафин, ароматические амины и др. Для облегчения совмещения каучука с порошкообразным наполнителем и придания необходимой мягкости добавляют мягчители: стеариновую и олеиновую кислоты, канифоль, парафин, сосновую смолу. Красители — охру, ультрамарин и пр. вводят в количестве до 10% массы каучука. При изготовлении резины вначале получают сырую резину, представляющую собой смесь каучука с наполнителями и вулканизирующими веществами. Сырую резину вулканизируют, нагревая до 145—150°С. Горячую вулканизацию производят в специальных котлах в атмосфере насыщенного водяного пара при небольших давлениях либо в горячей воде или в горячем воздухе. Если процесс формования резиновых изделий выполняют в металлических формах, то пресс-формы нагревают для совмещения формообразования с вулканизацией. При вулканизации каучук вступает в химическое взаимодействие с вулканизирующими веществами, образуется эластичная резина. Нейритовые резины обладают высокой прочностью, теплостойкостью до 110—120°С, малой набухаемостью в бензинах и маслах, достаточной атмосферостойкостью и химической устойчивостью. Они применяются преимущественно для изготовления маслоупорных и бензоупорных, а также термостойких изделий: спецодежды, обкладки для химической аппаратуры и валов, транспортных лент, оболочки аэростатов, оболочки электрических кабелей, различных клеев и заменителей кожи. Полисульфидные резины имеют невысокую прочность, морозостойкость и теплостойкость, повышенную бензо- и маслостойкость, высокую газонепроницаемость и применяются для изготовления шлангов, труб, рукавов, прокладок для бензина, масла и бензола. Изопреновые резины обладают высокой прочностью при растяжении и при истирании, эластичностью и морозостойкостью, ограниченной теплостойкостью (80—100°С), повышенной окисляемостью, набухаемостью в бензинах и маслах, ограниченной химической стойкостью. Эбонит. При содержании в сырой резине более 25% вулканизирующих веществ после ее вулканизации получается эбонит (твердая резина). Эбонит обладает высокой химической стойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами, легко обрабатывается, но имеет низкую теплостойкость. Применяют для производства деталей слаботочной аппаратуры, в химическом машиностроении и т. д. 5