Классификация полимеров по структуре.

Полимеры. Основные понятия.

Полимеры – синтетические или природные высокомолекулярные, преимущественно органические, соединения. Их главная особенность состоит в специфическом – цепном строении молекул, состоящих из многократно повторяющихся структурных группировок – звеньев.

Звенья – низко молекулярные вещества, мономеры, молекулы которых способны в определенных условиях к последовательному соединению друг с другом в результате химической реакции синтеза. Таким образом, между собой звенья соединены химическими связями.

Макромолекулой принято называть молекулу полимера, молекулярная масса (ММ) которой определяется степенью полимеризации мономеров, т.е. числом (n) мономерных звеньев с молекулярной массой М в единичной цепи: nхМ=ММ

В зависимости от значений М и n молекулярная масса полимеров может изменяться в весьма широких пределах от 3х10² до 2х10⁶ единиц.

Классификация полимеров по структуре.

По физической организации макромолекулы подразделяются на линейные, схематически обозначаемые -А-А-А-А-А-, например

и разветвленные, имеющие боковые ответвления

-А-А-А-

-А-А-А-А-А-А-А-А-

-А-А-А-А-А-А-.

Разветвленность характеризуется числом ветвлений на 1000 атомов основной макроцепи и оказывает значительное влияние на свойства полимера. Так, если основная макроцепь полиэтилена содержит 20-40 ветвлений на 1000 углеродных атомов, то это приводит к разрежению физической структуры, снижению прочности, теплостойкости, понижению температуры плавления и уменьшению плотности. (Например, полиэтилен низкой плотности. Если число ветвлений уменьшается до 3-10, то образуется более плотный и прочный полиэтилен высокой плотности, свойства которого близки к конструкционным).

Если соседние макромолекулы соединены химическими связями, или цепями по схеме:

то такая структура называется сетчатой или сшитой. Пример – отвержденные глифталевые и эпоксидные смолы, фенолоформальдегидные смолы (резит). Трехмерные полимеры неплавки и нерастворимы.

Соответственно полимеры с той или иной физической организацией макромолекул называются линейными, разветвленными или сетчатыми.

Физическая организация макромолекул полимеров (структура полимеров) формирует важные понятия, определяющие доминантные особенности полимеров, а именно термопластичность и термореактивность.

Классификация полимеров по молекулярной массе.

Принято следующее, в определенной мере условное, разделение полимеров по величине молекулярной массы:

Олигомеры – это полимеры с ММ < 5х10³.

Полимеры – имеют молекулярную массу 5х10³ < ММ < 5х10⁵. К этой группе принадлежит абсолютное большинство разновидностей полимеров.

Сверхвысокомолекулярные полимеры имеют ММ > 5х10⁵.

Свойства олигомеров существенно зависят от молекулярной массы и, следовательно, от степени полимеризации. Основные физические параметры полимеров (прочность, теплопроводность, дилатометрические характеристики, характеристические температуры) остаются практически постоянными. Молекулярная масса полимеров влияет на реологические показатели их расплавов, на термодеформационные и ряд эксплуатационных свойств. ММ существенно зависит от способа получения полимеров, то есть от оборудования и технологии их синтеза. Молекулярно-массовое распределение (ММР) отражает неоднородность полимера по размерам цепей и, следовательно, по молекулярной массе составляющих его макромолекул. Значение ММР зависит от технологии производства полимера, характеризующейся энергетическими различиями условий химической реакции соединения мономерных звеньев (не одинаковая на разных участках аппарата синтеза температура, длительность реакции, давление). Любой промышленный полимер представлен набором отдельных фракций, состоящих из макромолекул, отличающихся молекулярной массой

Типология полимеров.

Полимеры представляют собой синтетические или природные высокомолекулярные, преимущественно органические, соединения. Их главная особенность состоит в специфическом – цепном строении молекул, состоящих из многократно повторяющихся структурных группировок – звеньев.

Звенья представляют собой низко молекулярные вещества, мономеры, молекулы которых способны в определенных условиях к последовательному соединению друг с другом в результате химической реакции синтеза. Таким образом, между собой звенья соединены химическими связями.

Макромолекулой принято называть молекулу полимера, молекулярная масса (ММ) которой определяется степенью полимеризации мономеров, т.е. числом (n) мономерных звеньев с молекулярной массой М в единичной цепи: n*М=ММ

В зависимости от значений М и n молекулярная масса полимеров может изменяться в весьма широких пределах от 3*102 до 2*106 единиц.

Принято следующее, в определенной мере условное, разделение полимеров по величине молекулярной массы:

Олигомеры — это полимеры с ММ < 5*10³.

Полимеры — имеют молекулярную массу 5*10³< ММ < 5*10⁵. К группе принадлежит абсолютное большинство разновидностей полимеров.

Сверхвысокомолекулярные полимеры имеют ММ >5*10⁵.

Понятие о сополимерах.

Сополимеры содержат в основной макроцепи звенья из двух или более различных мономеров.

Если звенья, например, двух мономеров А и В соединены в макроцепи беспорядочно -А-В-А-В-В-В-А-, то такой полимер называется статистическим.

Если звенья мономеров А и В сгруппированы в отдельные чередующиеся блоки -А-А-А-В-В-В-А-А-А-В-В-В-, то такой сополимер называется блоксополимером (блоксоолигомером).

Если блоки одного из мономеров присоединены в виде ветвлений к макроцепи, составленной из другого мономера,

-В-В-В- -В-В-В

-А-А-А-А-А-А-А-А-А-,

-В-В-В-В

то такой сополимер называется привитым. Сополимеризация позволяет изменять свойства получаемых полимеров в широких пределах. Например, введение в макроцепь фторолефина, звеньев или блоков этилена приводит к получению продукта, который в отличие от фторопласта приобретает способность плавиться и, следовательно, перерабатываться в изделия подобно полиэтилену. Примером более сложного сополимера является АБС-пластик, получаемый сополимеризацией стирола с акрилонитрилом и бутадиеном.

Термопластичные полимеры. Примеры

Термопластичные полимеры состоят из макромолекул, соединенных между собой только физическими связями. Энергия разрыва физических связей невелика и составляет от 12 до 30 кДж/моль. При нагревании физические связи исчезают, при охлаждении, восстанавливаются. Энергия разрыва химических связей, соединяющих мономерные звенья в цепную макромолекулу, многократно превышает указанные значения, составляя 200-460 кДж/моль. Поэтому при нагревании термопластичных полимеров до температуры плавления физические связи исчезают, а химические – ковалентные – сохраняются и, следовательно, сохраняется неизменным химическое строение полимера. При охлаждении и затвердевании такого расплава физические связи и основные физические свойства термопластичного полимера восстанавливаются. Таким образом, термопласты, во-первых, допускают формование изделий из расплава с последующим его охлаждением и отверждением, во-вторых, могут перерабатываться многократно. Это в свою очередь позволяет возвращать в производственный цикл отходы производства, брак, изделия, утратившие потребительскую ценность.

Термореактивные полимеры. Примеры.

Термореактивные полимеры состоят из макромолекул, соединенных поперечными ковалентными, то есть химическими связями. Такая сетчатая химическая структура необратима. Нагревание сетчатых полимеров приводит не к расплавлению, а к разрушению пространственной сетки, сопровождающемуся деструкцией. С точки зрения практической физики, это означает, что реактопласты допускают лишь однократную переработку в изделия, которые формируются в результате химической реакции отверждения. Технологические и иные отходы производства не рециклируются. Вместе с тем сетчатая молекулярная структура придает полимерам ряд особых свойств, не наблюдаемых у термопластов. Так, густосетчатые термореактивные полимеры, например, полиэпоксиды, характеризуются повышенными значениями жесткости, модуля упругости, теплостойкости; редкосетчатые реактопласты, основными представителями которых являются резины, обладают высокой деформативностью, стойкостью к истиранию, повышенным коэффициентом трения. Пример: (фенолформальдегидные, эпоксидные и полиэфирные смолы).

ПЭНП и ПЭВП.

Полиэтилен (ПЭ) получают полимеризацией мономера этилена. Общая структурная формула полиэтилена (–СН2 – СН2–)n.

Полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) получают при высоком (до 350 МПа) давлении, поэтому по устаревшей отечественной номенклатуре он называется полиэтиленом высокого давления (ПЭВД). Плотность 910-935 кг/м3; ММ=30-500 тыс. Выпускается, как правило, стабилизированным в виде гранул. Главная особенность молекулярной структуры – разветвленность строения. Поэтому имеет рыхлую аморфно-кристаллическую структуру.

Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) получают с использованием катализаторов Циглера-Натта при сравнительно низком давлении (0,3-4,0 МПа), а также газофазным методом при среднем давлении, что является основанием для обозначения этого продукта также вносящими путаницу отечественными аббревиатурами ПЭНД и ПЭСД. Температура плавления 125-132°С; ММ=(70-350) тыс.; плотность 945-975 кг/м3. Выпускается стабилизированным в виде гранул или зернистого порошка.

Структурная особенность ПЭВП состоит в линейности его молекулярной организации. Поэтому содержание кристаллической фазы в ПЭВП достигает 80%.

10. Поливинилхлорид (ПВХ) получают полимеризацией газообразного хлорсодержащего этилена. Общая структурная формула полиэтилена (–СНCl – СН2–)n.

Поливинилхлорид содержит до 60% атомов хлора, что придает ему негорючесть. Плотность ПВХ превышает в 1,5 раза плотность полиэтилена. Для облегчения переработки полимера в изделия в него вводят пластификаторы. Поливинилхлорид, смешанный с пластификатором, называют пластикат ПВХ. Высокая пластичность пластиката ПВХ позволяет формовать из него детали интерьера автомобиля, получать искусственную кожу, использовать в производстве линолеума.

Пластикат ПВХ имеет хорошую морозостойкость и обладает высокой стойкостью к воздействию кислот, щелочей, спирта, бензина, смазочных масел и воды. Поэтому его широко применяют для изготовления труб, используемых в водоснабжении и канализации, а также технологических трубопроводов. Основным недостатком пластиката ПВХ является резкое снижение его прочности при температуре свыше 60 °С и необратимая деформация при длительном воздействии нагрузки.

11. Полистирол (ПС) получают путем полимеризации стирола.

Полистирол – твердое прозрачное вещество с плотностью, близкой к плотности воды. Хорошо растворяется во многих органических растворителях, но химически стоек в среде большинства кислот и щелочей. Безвреден, поэтому он широко применяется в строительстве в качестве внутренней облицовки жилых помещений. Массовое применение получил пенополистирол для теплоизоляции зданий и сооружений. Однако изделия из него работоспособны при нагреве только до 60 °С. При нагреве до более высоких температур, например при пожаре, происходит выделение ядовитых продуктов его термического разложения.

Основной недостаток полистирола является его хрупкость. Для устранения хрупкости стирол совмещают с другими полимерами. Продукты сополимеризации полистирола с другими полимерами – АБС сополимеры (АБС – аббревиатура акрилонитрил-бутадиеновый каучук-стирол). АБС сополимеры ударостойки, стойки к воздействию бензина и смазочных масел, допускают эксплуатацию при температуре свыше 80 °С. Они также обладают высокой пластичностью и хорошо перерабатываются в изделия методами обработки давлением. Широко используются в конструкции автомобиля для изготовления приборных панелей и облицовки салона. Недостаток АБС сополимеров – высокая стоимость.

12. Полиметилметакрилат ПММА (органическое стекло) – продукт полимеризации эфиров метакриловой кислоты. Наибольшее применение получило органическое стекло на основе полиметилметакрилата.

Это прозрачный бесцветный полимер, устойчивый к воздействию света и атмосферной среды. Органическое стекло пропускает свыше 70% ультрафиолетовых лучей, в то время как обычное силикатное стекло – менее 1%.

При температуре свыше 90 °С органическое стекло становится пластичным и легко поддается обработке методами обработки давлением, что позволяет использовать его для изготовления крупногабаритных прозрачных деталей, например, в авиационной промышленности.

Детали из органического стекла легко склеиваются клеем, состоящим из его раствора в органическом растворителе, например, в дихлорэтане. Детали из органического стекла могут быть сварены одна с другой путем приложения давления на соединяемые поверхности, предварительно нагретые до 150 °С. Эти свойства органического стекла открывают дополнительные возможности для изготовления из него крупногабаритных изделий и конструкций любой сложной формы.

13. Фенолформальдегидные полимеры (ФФП) получают поликонденсацией фенола и формальдегида. В зависимости от технологических параметров процесса поликонденсации могут быть получены как термопластичные (новолачные), так и термореактивные (резольные) разновидности фенолформальдегидных полимеров.

В зависимости от вида наполнителей, ассортимент которых чрезвычайно разнообразен, фенопласты могут быть порошкообразными (пресс-порошки), волокнистыми (волокнит, асбоволокно, фаолит) или слоистыми (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, асботекстолит, органотекстолит и др.).

Композиционные материалы на фенолформальдегидном связующем называют фенопластами. К недостаткам фенолформальдегидных полимеров следует отнести их хрупкость и недостаточную химическую стойкость в окислительных и щелочных средах.

14. Эпоксидные полимеры (ЭП) получают поликонденсацией фенола и продукта химического взаимодействия глицерина с пропиленом. ЭП относятся к низкомолекулярным полимерам, которые под действием веществ, химически с ними взаимодействующих (отвердителей) способны переходить из термопластического в термореактивное состояние, превращаясь в неплавкие нерастворимые продукты. ЭП содержат, как правило, по концам своих олигомерных макромолекул две или более эпоксидных группы.

 

В зависимости от ММ эпоксидные смолы при Т=20°С могут быть жидкими, вязкими или твердыми. ЭП могут модифицироваться другими олигомерами, а также эластомерами и полимерами, отверждаться как при нагревании, так и на холоду.

В неотвержденном состоянии самостоятельных потребительских свойств ЭП не имеют. Без наполнителей используются главным образом в качестве клеев. В отвержденном состоянии сочетают высокие прочностные характеристики с высокой химической стойкостью при высокой теплостойкости: в зависимости от вида отвердителя они работоспособны до 150 °С.

К конструкционному недостатку эпоксидных смол следует отнести их хрупкость, что успешно преодолевается путем модифицирования эпоксидных смол другими полимерами.

15. Полиэфиры (ПЭ) (в основной цепи их макромолекул содержатся регулярно повторяющиеся сложноэфирные группы – СО – О –) получают путем поликонденсации спиртов и кислот. В зависимости от исходного сырья и технологических параметров процесса могут быть получены как термопластичные, так и термореактивные разновидности полиэфирных смол. Наиболее широко используемый вид полимеров на основе полиэфирных смол – лавсан (полиэтилентерефталат). Его применяют для производства синтетических волокон, гибких пленок, высокопрочной электроизоляции проводов и др. В отвержденном состоянии полиэфиры обладают высокой водостойкостью, хорошо противостоят воздействию масел, кислот и многих органических растворителей. Полиэфиры являются хорошими диэлектриками.

Рабочая температура эксплуатации полиэфиров не превышает 100 °С. Поэтому стеклопластики на полиэфирном связующем используются преимущественно в строительстве в качестве несиловых конструкций и для изготовления деталей электротехнического назначения. Технология отверждения полиэфирных смол достаточно сложна. Для их отверждения необходим ускоритель процесса и другие добавки.

16. Полиуретаны (ПУ) получают путем поликонденсации изоцианатов с многоатомными спиртами и с простыми или сложными полиэфирами.

ПУ отличаются большим разнообразием свойств. В зависимости от вида исходного сырья и технологических параметров процесса поликонденсации могут быть получены термопластичные и термореактивные разновидности полиуретанов. Свойства полиуретанов могут быть изменены от эластичных до жестких, они могут быть изготовлены мягкими и твердыми.

Общими свойствами для всех разновидностей полиуретанов являются стойкость к вибрации, хорошая демпфирующая способность, бензо- и маслостойкость, низкое водопоглощение. Полиуретаны могут эксплуатироваться в широком диапазоне температур –60...+150 °С.

Широкое применение получили пенополиуретаны. Жидкий пенополиуретануретан может быть закачан в любые полости, где после затвердевания он обеспечивает хороший уровень тепло- и шумоизоляции. Его можно напылить на поверхности любой формы слоем практически любой толщины. Другим крупным потребителем пенополиуретанов является строительная индустрия, где их используют для герметизации и теплоизоляции стыков строительных конструкций.

17. Полиамиды (ПА) получают в процессе поликонденсации капролактама, который, в свою очередь, получают из фенола.

Наибольшую известность и широкое применение получили полиамиды под названием капрон и нейлон. Из них производят высокопрочные синтетические волокна, которые широко применяются для изготовления тканых изделий промышленного и бытового назначения. Полиамидные волокна используют в производстве шинного корда, буксирных канатов, рыболовецкой снасти и изделий широкого потребления.

Полиамиды имеют высокую прочность, хорошо противостоят ударным и вибрационным нагрузкам, имеют хорошие антифрикционные и диэлектрические свойства, химически стойки в щелочной среде, стойки к воздействию масел, бензина, спиртов, могут работать в тропических условиях. Отмеченные свойства полиамидов используются в изделиях из них, таких как шестерни, приводные ремни, детали ткацких станков, масло- и бензопроводы, роторы насосов и турбобуров, детали узлов трения, детали электротехнического и медицинского назначения и др.

Эксплуатационные свойства полиамидов резко улучшаются при их использовании в составе композиционных материалов в качестве матрицы. К недостаткам полиамидов следует отнести их подверженность старению.

18. Полифторэтилен является продуктом полимеризации фторсодержащего полиэтилена. Иногда его называют фторопласт или тефлон. Фторопласт представляет собой мягкий, скользкий на ощупь полупрозрачный полимер сероватого цвета, обладающий необычно высокой для органического полимера теплостойкостью. Изделия из него выдерживают нагрев до 250 °С. Фторопласт обладает исключительно высокой химической стойкостью, на него не действуют любые кислоты и щелочи, он абсолютно негорюч, не смачивается и не поглощает воду и другие жидкости, является одним из лучших диэлектриков, что используется в электротехнической и электронной промышленности. Фторопласт имеет низкий коэффициент трения, что служит основанием для машиностроительного применения фторопласта в конструкции узлов трения скольжения.

Наибольшее применение получил фторопласт-4 на основе политет-рафторэтилена (ПТФЭ), в макромолекуле которого атомы фтора замещают ненасыщенные связи углеродной цепочки:

 

Понятие о пластмассах.

Примерно 90% общего производства пластмасс приходится на десять групп полимеров, а именно (в порядке убывания) полиэтилены низкой и высокой плотности, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол и сополимеры стирола, полиакрилаты, полиамиды, простые и сложные полиэфиры, фено- и аминопласты, полиэпоксиды и кремнийорганические полимеры. Ниже будет дана краткая характеристика перечисленных пластиков с позиций их структурных особенностей и физических свойств.

Пластические массы (пластмассы) — материалы на основе полимеров, которые при формовании изделий находятся в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации — в стеклообразном или кристаллическом. Для придания требуемых свойств и облегчения переработки в полимер вводят различные добавки. Пластмассы характеризуются высокой технологичностью. При нагревании под давлением они способны приобретать заданную форму и устойчиво сохранять ее после охлаждения. При всех способах переработки из пластмасс получают изделия, не требующие дополнительной отделки.

Аморфные полимеры. Примеры.

В них кристаллическая НМС либо отсутствует полностью, либо ее содержание измеряется единицами процентов.

Полимеры с высокой подвижностью линейных макроцепей образуют кристаллическую структуру. Это, например, полиэтилен высокой плотности, полипропилен, фторопласт, некоторые виды полиамидов, полиформальдегид. Полимеры с разветвленным строением макромолекул образуют аморфно-кристаллическую структуру. Например, полиэтилен низкой плотности, в главных цепях которого присутствуют многочисленные ответвления, может содержать до 70% аморфной фазы.

Графен. Фуллерены.

Этим термином обозначили моноатомарный слой кристаллической решетки графита, впервые корректно отделенный от монокристалла и исследованный А. К. Геймом и К. С. Новосёловым.

Эта углеродная пленка толщиной в один атом обладает рядом уникальных свойств: она гибкая и эластичная, обладает высокой тепло- и электропроводностью, а по подвижности электронов превосходит все известные твердые вещества.

Уникальные свойства графена могут найти применение для создания чипов с рабочей частотой в 1000 раз большей, чем у существующих кремниевых микропроцессоров, а также в качестве электропроводящих покрытий дисплеев мобильных телефонов, элементов солнечных батарей и высокочувствительных сенсоров для химического анализа газов и жидкостей.

При сворачивании графена в трубку или сферу получают соответственно углеродные нанотрубки и фуллерены.

Фуллерены. Молекулы фуллеренов представляют собой очень устойчивую объемную конструкцию, состоящую из атомов углерода, соединенных между собой в плоские пяти- и шестиугольные кольца. Данные молекулы могут иметь форму сфер с разным числом составляющих атомов углерода в вершинах, удерживаемых между собой валентными связями в направлении ребер. По аналогии формы первого синтезированного образца фуллерена со сферическим куполом павильона США на Всемирной выставке ЭКСПО-67 в Монреале, созданным по проекту американского архитектора Р. Б. Фуллера, весь класс таких молекул предложено называть фуллеренами. Архитектор прославился своими конструкциями ячеистых куполов и оболочек, состоящих из шести- и пятиугольников, которые оказались очень жесткими и способными выдерживать значительные нагрузки.

Впервые фуллерены были обнаружены астрофизиками в межзвездном пространстве, затем они были выделены из продуктов испарения графита под воздействием лазерного луча, а позже были найдены в шунгите – природном углеродном материале (получил название, одноименное с местностью в Карелии, где расположено месторождение).

В настоящее время фуллерены получают искусственным путем. Вначале, в 1985 г., американскими учеными был синтезирован фуллерен, полая молекула которого состояла из пяти- и шестиугольников, в вершинах которого находятся 60 атомов. Его обозначили С60. В настоящее время известны фуллерены С24 - С270.

Перспективы создания и практического применения разнообразных представителей нового класса материалов на основе фуллеренов оценены присуждением Нобелевской премии в 1996 г. ученым США.

Слюда. Асбест.

Слюды – это природные водные алюмосиликаты щелочных и щелочно-земельных металлов. Представляют собой кристаллы, характерной особенностью которых является способность легко расщепляться на тонкие пластины.

Слюды анизотропны: их свойства вдоль и поперек плоскостей спайности кристалла резко различаются. Плотность их колеблется в пределах 2,7... 3,2 г/см3, цвет разнообразен. В тонких пластинках все слюды прозрачны. Слюда практически не стареет.

Основное техническое применение слюд основано на их высоком электрическом сопротивлении, они используются в электротехнической и радиоэлектронной промышленности для производства электроизоляционных деталей. Наиболее широкое применение из слюд получили мусковит и флогопит. Штампованные пластинки называют конденсаторной слюдой. Слюды сохраняют свои электротехнические и механические свойства при нагреве выше 180 °С, что является критерием для отнесения их к электроизоляционным материалам высшего класса нагревостойкости.

Миканит представляет собой листовой или рулонный материал, склеенный из щипаной слюды на бумажной или тканой подложке. Миканит используют для электроизоляции токонесущих деталей электро- и радиотехнических устройств.

Асбест – природный силикатный минерал, который состоит из водных силикатов кальция, магния и других элементов. Отличительной особенностью асбестов является их способность расщепляться на тонкие гибкие волокна.

Из большого числа разновидностей асбеста основное промышленное применение получил хризотил-асбест, на долю которого приходится свыше 95% промышленной продукции.

Техническое применение асбеста основано на его огнестойкости. Кроме того, асбест хороший тепло-, звуко- и электроизолятор. Он также имеет высокое значение удельной поверхности и является хорошим адсорбентом.

Асбест хорошо противостоит щелочным средам, но не обладает кислотоупорными свойствами.

Обширной областью применения асбеста является также производство асбоцемента. Асбоцемент в виде листов, панелей и труб широко применяется в строительстве.

Асбестовые материалы применяют для теплоизоляции горячих поверхностей паропроводов, наиболее известен паронит, который состоит из асбеста с добавкой каучука и наполнителей.

Основным препятствием при расширении областей применения асбеста являются его санитарно-гигиеническая опасность, асбестовая пыль вызывает профессиональное заболевание дыхательных путей и легких – силикоз.

Порошковые графиты.

Основное количество конструкционных графитов получают традиционными методами керамического производства и называют порошковыми графитами.

Порошковые графиты производят из смеси углеродного порошка, получаемого из кокса, с каменноугольным пеком. Из приготовленной смеси формуют заготовки, которые затем подвергают двухстадийной термической обработке. температурах соответственно и.

На первой стадии термической обработки при 1000 °С, которую называют обжигом, происходит пиролиз каменноугольного пека с выделением летучих веществ, что приводит к формированию пористого углеродного каркаса между зернами наполнителя.

Вторая стадия термической обработки при 2500 °С и выше называется графитация (не путать с процессом графитизации – выделением графита в железоуглеродистых сплавах). В условиях высоких температур происходит кристаллизация углерода с формированием в нем кристаллитов графита.

Керамика. Огнеупоры.

К огнеупорам относят керамические материалы, обладающие высокими показателями жаропрочности и жаростойкости.

Основным показателем возможности использования керамического материала в качестве огнеупора служит его способность оставаться при высоких температурах в твердом состоянии, сохранение механических свойств при этом не играет решающей роли.

Огнеупоры изготовляют из сложной смеси разных компонентов, которая не имеет определенной температуры плавления. При нагреве огнеупоры размягчаются, а затем в некотором интервале температур переходят из твердого состояния в жидкое. Жаропрочность огнеупоров (способность выдерживать без разрушения механические нагрузки при высоких температурах) оценивают по температуре размягчения керамических изделий, т. е. по их огнеупорности.

К огнеупорам относят керамические материалы, имеющие температуру размягчения не ниже 1600 °С.

Работоспособность огнеупоров в условиях высоких температур зависит не только от их жаропрочности, но и от характера рабочей среды, в которой они эксплуатируются. Поэтому в характеристику огнеупоров входит также их жаростойкость в разных средах.

Огнеупоры классифицируют по минералогическому составу исходного сырья. Наиболее широкое применение получили шамотные, динасовые и алюмосиликатные огнеупоры.

Шамотные огнеупоры получают из огнеупорных глин. Порошок обожженной огнеупорной глины называют шамот. Шамот спекают с необожженной огнеупорной глиной. Огнеупорные свойства шамоту придает наличие в нем оксида алюминия Аl2O3. Огнеупорность шамота 1400 °С, он хорошо противостоит термическому удару, выдерживает резкие перепады температуры, имея повышенные пористость и газопроницаемость.

Динасовые огнеупоры получают путем обжига различных видов кремнезема (кварцевый песок, кварциты и др.). Они содержат не менее 90% SiO2. Огнеупорность динаса 1700 °С, он обладает высокой стойкостью к воздействию кислот, т.е. является кислотоупорным огнеупором.

Алюмосиликатные огнеупоры получают из кремнезема и огнеупорной глины. В процессе их технологической переработки образуется муллит, вследствие чего алюмосиликатные огнеупоры часто называют муллитовыми огнеупорами. Огнеупорность алюмосиликатов зависит от содержания в них глинозема и при его содержании 45 % достигает 1700 °С. Наличие муллита придает алюмосиликатным огнеупорам хорошую сопротивляемость воздействию кислот, а также расплавленных шлаков и стекла.

37.Строительная керамика.

Основным сырьем для производства строительной керамики служат разновидности глины, которые представляют собой водные алюмосиликаты. При замешивании с водой они образуют тестообразную массу, из которой формуют изделия, которые после обжига переходят в камневидное состояние.

Глиняный кирпич является основным строительным материалом, он получил наиболее широкое применение в строительстве.

Кирпич имеет стандартную форму и размеры 25012965 мм. По величине предела прочности на сжатие кирпич маркируют в пределах 70…300, что соответствует сж = 7...30 МПа.

Кирпич применяют преимущественно для кладки стен зданий, печей и дымовых труб.

Силикатный кирпич получают безобжиговым способом из смеси песка и извести. Смесь прессуют, затем подвергают автоклавной обработке в среде водяного пара, в результате которой кирпич твердеет.

Силикатный кирпич имеет такую же прочность и применяется для тех же целей, что и глиняный кирпич. Однако силикатный кирпич менее влагостоек и поэтому не рекомендуется для подвальных помещений и для других сооружений, контактирующих с водой. Кроме того, он не теплостоек и поэтому не используется для кладки труб и печей.

Производство силикатного кирпича, в отличие от глиняного, не требует высокотемпературного обжига, поэтому силикатный кирпич до 40% дешевле глиняного. Это является основным преимуществом силикатного кирпича перед глиняным.

Стеновые панели изготовляют в заводских условиях. Панель представляет собой облицованную кирпичом или другим видом керамики готовую строительную конструкцию.

Монтаж панелей по сравнению с кирпичной кладкой значительно ускоряет строительство и по крайней мере вдвое снижает трудовые затраты.

Керамическую плитку используют для облицовки фасадов, внутренней облицовки стен и покрытия полов.

Глиняная черепица является одним из старейших долговечных и огнестойких кровельных материалов. Однако ее производство трудоемко, поэтому производство черепицы не получило широкого развития. Черепичные покрытия крыш получили распространение в западных странах.

Фарфор и фаянс используют преимущественно для изготовления санитарно-технических изделий. Фарфор имеет плотную структуру, он практически беспорист, в отличие от фаянса, который имеет пористость.

Для придания поверхности керамических изделий плотности, твердости, гладкости и блеска их покрывают глазурью. Для ее получения на поверхность керамики наносят легкоплавкие силикаты, которые при обжиге образуют стекловидное покрытие.

Каменное литье получают переплавкой горных пород, а также металлургических шлаков и других минеральных отходов промышленных производств. Литейная технология исключает трудоемкую операцию механической обработки по приданию необходимой формы природному камню. Отливки имеют высокую прочность, непроницаемы для жидкостей, морозостойки, обладают высокой химической стойкостью и износостойкостью. В промышленном строительстве каменное литье используют в виде химически стойких плит для пола и облицовки стен зданий и сооружений, из него изготавливают детали химической аппаратуры, а также абразивостойкие трубы и желоба для химически активных сред, а также применяют в качестве электроизоляторов.

Стекло. Состав, структура.

Стекло – аморфное вещество, получаемое путем быстрого охлаждения расплава силикатов сложного состава.

Силикаты – это соли кремниевых кислот, имеющих общий состав mSiO2Н2O. В широко встречающихся в минералах – ортосиликатах SiO22Н2O силикат-ионы SiO4–4 имеют строение правильного тетраэдра ограниченного размера.

Тетраэдры SiO4 могут быть соединены в вершине через атом кислорода. Число тетраэдров, соединенных вершинами, может увеличиваться, при этом образуются более крупные ионы. На рис. показан силикат-ион Si2O7 из двух одинаковых тетраэдров [SiO4]. Тетраэдры при объединении образуют в твердом состоянии устойчивую кристаллическую решетку с ионным типом связи между атомами.

Характерной особенностью структуры аморфного (стеклообразного) состояния является наличие лишь небольших участков упорядоченного расположения атомов, т.е. ближнего порядка в расположении атомов при отсутствии дальнего порядка, характерного для кристаллических веществ. Этим структура стекла отличается как от структуры жидкости, где атомы расположены хаотично, так и кристаллических веществ с упорядоченным расположением атомов. Стекла по структуре занимают промежуточное положение между этими двумя крайними состояниями вещества, а по составу представляют собой смесь разных (преимущественно натриевых) силикатов.

Если расплавы металлов и сплавов очень быстро охлаждать, то будет получена аналогичная структура, то есть аморфный металлический материал. Для получения стекла сверхвысокие скорости охлаждения не требуются, так как расплавы обладают очень высокой вязкостью, которая тормозит процессы формирования упорядоченного расположения атомов.