Неметаллические материалы. Получение и классификация. Пластические массы

Неметаллические материалы

Достоинства: достаточная прочность, жесткость, эластичность при низкой плотности, хим. стойкость во многих агрессивных средах, уровень диэлектрических свойств, технологичность.

Виды: природные, искусственные и синтетические.

- Природные: натуральный каучук, древесина, смолы (янтарь, канифоль), хлопок, шерсть, лен и др. Графит, асбест, слюда и некоторые горные породы.

- Искусственные: органические – из природных полимерных продуктов (вискозное волокно, целлофан, сложные и простые эфиры, целлюлозы).
- Синтетические получают из простых низкомолекулярных соединений. Эти материалы вытесняют природные и являются наиболее распространенными.

 

 

1. Полимеры

Полимеры – вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся элементарных звеньев, представляющих собой одинаковую группу атомов. Молекулярная масса таких молекул составляет от 500 до 1000000. Макромолекулы большинства полимеров – это длинные, тонкие и гибкие цепи атомов.

Схемы строения молекул полимеров

 

Макромолекулы полимеров могут иметь линейную форму, разветвленную и пространственную (сшитую).

Линейные макромолекулы (рис. а) имеют форму цепей, в которых атомы соединены между собой ковалентными связями. Отдельные цепи связаны межмолекулярными силами, в значительной степени определяющими свойства полимера.

Наличие в цепях разветвлений (рис.б) приводит к ослаблению межмолекулярных сил и тем самым к снижению температуры размягчения полимера.

Пространственные структуры (рис.в) получаются в результате химической связи (сшивки) отдельных цепей полимеров, либо в результате поликонденсации или полимеризации. Если частота поперечных связей редкая, то образуется полимер с сетчатой структурой, если частота поперечных связей большая, полимер становится практически не растворимым и не плавким.

Полимеры в зависимости от расположения и взаимосвязи макромолекул могут находиться в аморфном (с неупорядоченным расположением молекул) или кристаллическом (с упорядоченным расположением молекул) состоянии. При переходе полимеров из аморфного состояния в кристаллическое повышаются их прочность и теплостойкость.

Значительное влияние на полимеры оказывает теплота. Термопласты (имеют линейную или разветвленную структуру молекул) – при нагреве размягчаются и расплавляются и при охлаждении вновь восстанавливают свои свойства. Нагрев и охлаждение термопластов может неоднократным без изменения химического состава.

Реактопласты при нагреве в результате химических реакций (отверждения) переходят в необратимое состояние. Отвержденные реактопласты нельзя повторным нагревом перевести в вязкотекучее состояние. В процессе полимеризации под действием указанных факторов линейная структура полимера превращается в пространственную.

Материалы на основе полимеров: пластмассы, каучуки и резины; лаки, эмали и пленки; синтетические клеи и герметики; композиционные материалы.

 

Пластмассы

Пластмассы представляют собой органические материалы на основе полимеров, способные при нагреве размягчаться и под давлением принимать определенную устойчивую форму.

Простые (полиэтилен, полистирол и др.) состоят из одного компонента (хим. полимера) – синтетической смолы; композиционные (сложные – фенопласты, аминопласты и др.) – из нескольких составляющих:

1. связующего (смола);

2. наполнителей (различного происхождения для повышения механической прочности, теплостойкости, уменьшения усадки и снижения стоимости композиции); органические наполнители – древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза, х/б ткань, бумага, древесный шпон и др.; неорганические – графит, асбест, кварц, стекловолокно, стеклоткань, волокна углерода, бора и др.;

3. пластификаторы (дибутилфталат, касторовое масло и др.), увеличивающие эластичность, текучесть, гибкость и уменьшающие хрупкость пластмасс;

4. смазочные вещества (стеарин, олеиновая кислота и др.), увеличивающие текучесть, уменьшающие трение между частицами композиции, устраняющие прилипание к поверхностям пресс-форм;

5. катализаторы (известь, магнезия и др.), ускоряющие процесс отверждения материала;

6. красители (сурик, нигрозин и др.), придающие нужный цвет изготовляемым деталям.

Термопластичные – изготовляют из термопластичных полимеров без наполнителя: полиэтилен, поливинилхлорид, полиамиды (нейлон, капрон), полистирол, органическое стекло, фторопласт-4. Из термопластов изготовляют литьевые, пленочные, листовые изделия, которые обладают хорошими эл. изоляционными свойствами, химической стойкостью к агрессивным средам, атмосферным воздействиям, стойкостью к истиранию, вибрации. Однако термопласты обладают хладотекучестью, поэтому изделия из них не могут долго работать под напряжением вследствие понижения их прочности.

Термореактивные пластмассы производят на основе термореактивных смол: фенолформальдегидных, аминоальгидных, эпоксидных, полиамидных, кремнийорганических, ненасыщенных полиэфиров. Реактопласты характеризуются отсутствием хладотекучести, большой теплостойкостью и нерастворимостью в обычных растворителях.

В зависимости от формы частиц наполнителей реактопласты бывают порошковые, волокнистые и слоистые.

В качестве порошковых наполнителей применяют древесную муку, молотый кварц, слюду, асбест и др. Порошковые пластмассы применяют для несиловых конструкционных и электроизоляционных деталей.

К пластмассам с волокнистыми наполнителями относятся волокниты, асбоволокниты, стекловолокниты. Волокниты применяют для деталей общего технического назначения (рукоятки, фланцы, шкивы и др.), асбоволокниты используют в качестве материала тормозных устройств, стекловолокниты – для изготовления силовых эл. технических деталей, деталей машиностроения.

Слоистые пластмассы являются силовыми конструкционными и поделочными материалами. К ним относятся: гетинакс, текстолит, древеснослоистые пластики (ДСП), асботекстолит, стеклопластики. Текстолит используют для зубчатых колес, вкладышей подшипников, гетинакс – для внутренней облицовки пассажирских кабин самолетов, ж/д вагонов, кают судов, в строительстве.

Древеснослоистые пластики имеют высокие физико-механические свойства, низкий коэффициент трения и с успехом заменяют текстолит, а также цветные сплавы. Асботекстолит является конструкционным, фрикционным и термоизоляционным материалом: фрикционные диски, тормозные колодки, лопатки ротационных бензонасосов.

Промышленность выпускает большое количество марок стеклопластиков в зависимости от применяемых наполнителей (стеклоткань или стеклянный шпон) и типа связующего. Они отличаются большим разнообразием свойств, однако, все обладают высокой прочностью, незначительной плотностью, негорючестью, высокими электро-, тепло- и звукоизоляционными свойствами, химической стойкостью. Их применяют для силовых изделий в различных отраслях техники: несущие детали летательных аппаратов, автоцистерны, ж/д вагоны, корпуса лодок и др.

К газонаполненным пластмассам относятся пенопласты, поропласты и сотопласты. Они обладают чрезвычайно малой массой и высокими теплозвукоизоляционными характеристиками.

Газонаполненные пластмассы используют в качестве теплоизоляционных материалов при строительстве цельнометаллических пассажирских и рефрижераторных вагонов, для звукоизоляции кабин тракторов, экскаваторов и др. машин, как амортизационный материал для сидений в вагонах, автомобилях.

Экономическая эффективность применения пластмасс в производстве выражается в снижении себестоимости, массы и уменьшении затрат на материал (материалоемкости), уменьшении трудоемкости изготовления деталей из пластмасс по сравнению с металлическими, сокращении производственного цикла.

 

Резины

Резины – пластмассы с редкосетчатой структурой, в которых связующим является полимер, находящийся в высокопластичном состоянии. В резинах связующим являются каучуки натуральные (НК) или синтетические (СК). Натуральные каучуки не нашли широкого применения, т.к. сырьем для их получения является каучукосодержащий сок (латекс) отдельных сортов растений (каучуковых деревьев). Сырьем для получения синтетических каучуков являются нефть, нефтепродукты, природный газ, древесина. Каучук в чистом виде в промышленности не применяют. Каучук превращают в резину вулканизацией. В качестве вулканизирующего вещества обычно используют серу. Количество серы определяет эластичность резиновых деталей. Например, мягкие резины содержат 1…3% серы, твердые (эбонит) до 30%. Процесс вулканизации происходит под температурным воздействием (горячая вулканизация) или без температурного воздействия (холодная вулканизация).

Для улучшения физико-механических и эксплуатационных свойств резиновых технических деталей и снижения расхода каучука в состав резиновых смесей вводят различные компоненты (ингредиенты):

- ускорители вулканизации – оксид цинка, свинцовый глет и др.;

- наполнители уменьшают расход каучука: активные – существенно изменяющие свойства резины (порошкообразные – каолин, сажа и др. – повышают прочность, износостойкость, сопротивление задиру резин) и неактивные – порошковидные (мел, тальк) – не улучшают свойства резины, а только удешевляют стоимость изделий из нее; в некоторых случаях для повышения прочности деталей их армируют стальной проволокой или сеткой, стеклянной или капроновой тканью;

- пластификаторы – вещества, предназначенные для увеличения пластичности резиновых смесей при их переработке (формировании) в изделия. В качестве пластификаторов используются продукты переработки нефти – мазут, гудрон, масло и др.;

- противостарители – вещества, противодействующие старению резины (замедляют процесс окисления). Некоторые из них (парафин, воск, вазелин, ароматические амины и др.) создают на поверхности резины защитный слой, предохраняющий ее от воздействия кислорода, озона, влаги.

- красители – сажа, охра, пятисернистая сурьма, ультрамарин и др. – вводят в смесь в количестве до 10% от массы каучука.

Высокая эластичность, способность к большим обратимым деформациям, стойкость к действию активных химических веществ, малые водо- и газопроводность, хорошие диэлектрические и др. свойства резины обусловили ее применение во всех отраслях народного хозяйства. В машиностроении применяют разнообразные резиновые технические детали: шины, ремни для шкивов, шланги и напорные рукава – для передачи жидкостей и газов под давлением; сальники, манжеты, прокладочные кольца и уплотнители – для уплотнения подвижных и неподвижных соединений; муфты, амортизаторы – для гашения динамических нагрузок; транспортерные ленты и т.д.