Слоистые пластмассы получают прессованием (или намоткой) слоистых наполнителей, пропитанных смолой. Они обычно выпускаются в виде листов, плит, труб, из которых механической обработкой получают различные детали.
Текстолит — это материал, полученный прессованием пакета кусков хлопчатобумажной ткани, пропитанной смолой. Обладает хорошей способностью поглощать вибрационные нагрузки, электроизоляционными свойствами. Теплостоек до 80°С. Стеклотекстолит отличается от текстолита тем, что в качестве наполнителя используется стеклоткань. Более прочен и теплостоек, чем текстолит, имеет лучшие электроизоляционные свойства. В асботекстолите наполни ivjicm является асбестовая ткань. Кроме электроизоляционных, ни имеет хорошие теплоизоляционные и фрикционные свойства. Гетинакс представляет собой материал, полученный прессованием нескольких слоев бумаги, пропитанной смолой. Он обладает электроизоляционными свойствами, устойчив к действию химикатов, может применяться при температуре до 120-140°С. Стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ) получают прессованием листов стеклошпона, пропитанных смолой. Стеклошпон изготовляется из стеклянных нитей, которые склеиваются между собой сразу после изготовления. Листы стеклошпона располагаются в материале так, чтобы волокна соседних листов располагались под углом 90°. СВАМ обладает высокой прочностью, хорошими электроизоляционными свойствами, теплостоек до200-400°.
Волокнистые пластмассы представляютсобой композиции из волокнистого наполнителя, пропитанного смолой. Они делятся на волокниты, асбоволокниты и стекловолокниты.
В волокнитах в качестве наполнителя применяется хлопковое подокно. Они используются для относительно крупных деталей обще-технического назначения с Повышенной стойкостью к ударным нагрузкам. Асбоволокниты имеют наполнителем асбест — волокнистый минерал, расщепляющийся на тонкое волокно диаметром 0,5 мкм. Обладают теплостойкостью до 200°С, устойчивостью к ударным воздействиям, химической стойкостью, электроизоляционными и фрикционными свойствами. Стекловолокниты имеют в качестве наполнителя короткое стекловолокно или стеклонити. Прочность, электроизоляционные свойства и водостойкость стекловолокнитов выше, чем у волокнитов. Применяются для изготовления деталей, обладающих повышенной прочностью.
Порошковые пластмассы в качестве наполнителя используют органические порошки (древесная мука, порошкообразная целлюлоза) и минеральные порошки (молотый кварц, тальк, цемент, графит). Эти пластмассы обладают невысокой прочностью, низкой ударной вязкостью, электроизоляционными свойствами. Пластмассы с органическими наполнителями применяются для ненагруженных деталей общетехнического назначения — корпусов приборов, рукояток, кнопок. Минеральные наполнители придают порошковым пластмассам химическую стойкость, водостойкость, повышенные электроизоляционные свойства.
Рассмотренные выше пластмассы со слоистыми, волокнистыми и порошковыми Наполнителями имеют чаще всего термореактивные связующие, ХОТЯ имеются пластмассы с термопластичными связующими.
Пластмассы без наполнителя чаще всего являются термопластичными материалами. Рассмотрим наиболее важные из них.
Полиэтилен (-СН2-СН,-)n - продукт полимеризации бесцветного газа — этилена. Один из самых легких материалов (плотность 0,92 г/см3), имеет высокую эластичность, химически стоек, морозостоек. 11едостатки — склонность к старению и невысокая теплостойкость (до 6ОС). Используется для изготовления пленки, изоляции проводов, изготовления коррозионно-стойких труб, уплотнительных деталей. Занимав! норное место в общем объеме производства пластмасс.
Полипропилен (-CH2-CHC6H5-)n — продукт полимеризации газа пропилена. По свойствам и применению аналогичен полиэтилену, но более теплостоек (до 150°С) и менее морозостоек (до -10°С).
Поливинилхлорид (-СН2-СНС1-)n используется для производства винипласта и пластиката. Винипласт представляем' собой твердый листовой материал, полученный из поливинилхлорида без добавки пластификаторов. Обладает высокой прочностью, химической стойкостью, электроизоляционными свойствами. Пластикат получают при добавлении в поливинилхлорид пластификаторов, повышающих его пластичность и морозостойкость.
Полистирол (-СН2-СНС6Н5-)n — твердый, жесткий, прозрачный полимер. Имеет очень хорошие электроизоляционные свойства. Его недостатки — низкая теплостойкость, склонность к старению и растрескиванию. Используется в электротехнической промышленности.
Органическое стекло — прозрачный термопластичный материал на основе полиакриловой смолы. Отличается высокой оптической прозрачностью, в 2 раза легче минеральных стекол, обладает химической стойкостью. Недостатки — низкая твердость и низкая теплостойкость. Используется для остекления в автомобиле- и самолетостроении, для прозрачных деталей в приборостроении.
Фторопласты имеют наибольшую термическую и химическую стойкость из всех термопластичных полимеров. Фторопласт-4 (-CF2-CF2-)n водостоек, не горит, не растворяется в обычных растворителях, облачает электроизоляционными и антифрикционными свойствами. Применяется для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах при высокой температуре, электроизоляции и др. Фторопласт-3 (-CF2-CFCl-)n по свойствам и применению аналогичен фторопласту-4, уступая ему по термо- и химической стойкости и превосходя по прочности и твердости.
Газонаполненные пластмассы представляют собой материалы на основе синтетических смол, содержащие газовые включения. В винипластах поры, заполненные газом, не соединяются друг с другом и образуют замкнутые объемы. Они отличаются малой плотностью (0,02-0,2 г/см3), высокими тепло-, звуко- и электроизоляционными свойствами, водостойкостью. Недостатки пенопластов — низкая прочностьи низкая теплостойкость (до 60°С). Используются для теплоизоляции и звукоизоляции, изготовления непотопляемых плавательных средств, в качестве легкого заполнителя различных конструкции. Мягкие виды пенопластов используются для изготовления мебели, амортизаторов и т.п.
Поропласты это газонаполненные пластмассы, поры которых сообщаются между собой. Их плотность составляет 0,02-0,5 г/см3. Они представляют собой мягкие эластичные материалы, обладающие водопоглощением.
Резиновые материалы
Резина представляет собой искусственный материал, получаемый в результате специальной обработки резиновой смеси, основным компонентом которой является каучук. Каучук — это полимер, отличительной особенностью которого является способность к очень большим обратимым деформациям при небольших нагрузках. Это свойство объясняется строением каучука. Его макромолекулы имеют вытянутую извилистую форму. При нагрузке происходит выпрямление макромолекул, что и объясняет большие деформации. При разгрузке макромолекулы принимают исходную форму. Различают натуральный и синтетический каучук. Натуральный каучук добывают из некоторых видов тропических растений в незначительных количествах. Поэтому производство резины основано на применении синтетических каучуков. Сырьем для производства синтетического каучука служит спирт, на смену которому приходит нефтехимическое сырье.
Резину получают из каучука путем вулканизации, т.е. в процессе химического взаимодействия каучука с вулканизатором при высокой температуре. Вулканизатором чаще всего является сера. В процессе вулканизации сера соединяет нитевидные молекулы каучука и образуется пространственная сетчатая структура. В зависимости от количества серы получается различная частота сетки. При введении 1-5% серы образуется редкая сетка и резина получается мягкой. С увеличением содержания серы сетка становится все более частой, а резина более твердой. Приблизительно при 30% серы получается твердый материал, называемый эбонитом.
Кроме каучука и вулканизатора в состав резины входит ряд других веществ. Наполнители вводят в состав резины от 15 до 50% к массе каучука. Активные наполнители (сажа, оксид цинка и др.) служат для повышения механических свойств реши. Неактивные наполнители (мел, тальк и др.) снижают стоимость резиновых изделий. Пластификаторы (парафин, вазелин, стеариновая кислота, мазут, канифоль, и др.) предназначены для облегчения переработки резиновой смеси, повышения пластичности и морозостойкости резины. Противостарители служат для замедления процесса старения резины, приводящего к ухудшению ее эксплуатационных свойств. Красители служат для придания резине нужного цвета. В резину также добавляются регенераты — продукты переработки старых резиновых изделий и отходы резинового производства. Они снижают стоимость резин.
Основное свойство резины — очень высокая эластичность. Резина способна к большим деформациям, которые почти полностью обратимы. Кроме того, резина характеризуется высоким сопротивлением разрыву и истиранию, газо- и водонепроницаемостью, химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, небольшой плотностью, малой сжимаемостью, низкой теплопроводностью.
По назначению резины подразделяются на резины общего и специального назначения. Из резин общего назначения изготовляются автомобильные шины, транспортерные ленты, ремни ременных передач, изоляция кабелей, рукава и шланги, уплотнительные и амортизационные детали, обувь и др. Резины общего назначения могут использоваться в горячей воде, слабых растворах щелочей и кислот, а также на воздухе при температуре от -10 до +150°С.
Резины специального назначения подразделяются на теплостойкие, которые могут работать при температуре до 250-350°С; морозостойкие, выдерживающие температуру до -70°С; маслобензостойкие, работающие в среде бензина, других топлив, масел и нефтепродуктов; светоозоностойкие, не разрушающиеся при работе и атмосферных условиях в течении нескольких лет, стойкие к действию сильных окислителей; электроизоляционные, применяемые для изоляции проводов и кабелей; электропроводящие, способные проводить электрический ток.
Обозначение неметаллических материалов:
Текстолит марки ПТК, толщиной 20 мм – Текстолит ПТК-20 ГОСТ 5-78
Литьевой сополимер полиамида – Сополимер полиамида литьевой АК-80/20 ГОСТ 19459-87
Фторопласт - Фторопласт-4П ГОСТ 10007-80
Резиновые (тип 1) и резинотканевые (тип 11)
пластины тип 1 толщиной 3 мм – Пластина 1Ф-1-ТМКЩ-С-3 ГОСТ 7338-90
-Пластина 1Ф-11-АМК-С-25 ГОСТ 7338-90
Стекло
Полтораста лет назад стекло варили только в огнеупорных горшках. В них засыпали вручную шихту, состоящую из кварцевого песка, соды, мела, доломита и других материалов. Шихта при высокой температуре превращалась в прозрачную массу. Из жидкой стекломассы стеклодувы выдували различные сосуды, бутылки, посуду, цилиндры, из которых затем получали листы стекла. Это был тяжелейший труд. В 30-х гг. прошлого столетия в России появились первые ванные печи для промышленного производства стекла. Потребность в нем росла очень быстро. Один за другим возводились стеклоделательные заводы. И на каждом — одна или несколько ванных печей, выпускающих за сутки несколько тонн стекла.
Современные ванные печи — большие сооружения. Длина печи для производства оконного стекла — несколько десятков метров. Шихту в печь загружают непрерывно по 10—15 т в час с помощью механических устройств. Печь вмещает более 2500 т стекломассы и дает в сутки 350 т стекла и больше.
Даже при высокой температуре стекломасса обладает очень большой вязкостью, в десятки тысяч раз большей, чем вода. Поэтому в ней надолго задерживаются пузырьки газов, выделяемых содой, мелом и другими компонентами шихты. Кроме того, сотни тонн вязкой стекломассы трудно перемешать и сделать однородной. Все эти процессы требуют много времени.
Чем больше ванная печь и чем выше температура варки стекла, тем производительнее работает печь. Повысить температуру варки стекла можно, если не только обогревать печь газом или жидким топливом, но и использовать еще и электротермический эффект в самой стекломассе. Ведь расплав стекла при высокой температуре проводит электрический ток. Сейчас температуру ванных печей повышают до 1580— 1600° С и широко применяют электрообогрев.
Каждый год мы выпускаем сотни миллионов квадратных метров оконного стекла. Мало того, из стекла научились делать прочные трубы, стекловолокно, стеклопластик, бронестекло пустотелые строительные блоки, сложную, термостойкую лабораторную посуду. Стекло успешно конкурирует с металлом. Это очень перспективный материал в самых различных отраслях народного хозяйства.
Огромно значение Стекла и в нашем быту — это различная посуда, вазы, зеркала... Да разве все перечислишь. Можно только сказать, что почти каждый из нас знакомится со стеклом еще с пеленок, с бутылочки, в которой дают наш первый «обед».
Стекло — это не только различная посуда, вазы, зеркала, но и прочные трубы, изоляторы, строительные блоки, витраж
Рис. 64. Изделия из стекла
Керамика
Керамика — это и фарфор, и фаянс, и майолика, и многие другие материалы и изделия из них. Что же такое керамика? Что же объединяет все эти материалы и изделия? В современном понимании керамика — изделия и материалы, получаемые спеканием до камневидного состояния природные глин и их смесейс минеральными добавками, а также оксидов и других неорганических соединений (слово «керамика» происходит от греческого «керамикос»— «глиняный», «гончарный»).
Пластичность глины была известна человеку еще на заре его существования. Обжиг, который придает глиняной массе твердость, водостойкость, жаропрочность, начал применяться человеком около 7 тыс. лет тому назад.
Широкому распространению керамики способствовала относительная простота ее производства: глины, которые имеются почти повсюду, обжигают на огне. Первоначально керамику использовали в основном для изготовления посуды и делали ее вручную. Около 6 тыс. лет назад в Шумере появился гончарный круг, что облегчило процесс формования посуды. Около 5 тыс. лет назад в Египте, Вавилонии и странах Ближнего Востока керамику научились покрывать глазурью (тонкий слой специальных составов, которые при обжиге приобретают вид стекла и защищают керамику от размокания, делают изделия более красочными). В это же время и там же научились делать кирпич.
В зависимости от требований к будущему изделию в состав глинистой массы вводят кварц, оксиды алюминия, титана и других металлов. Наибольшее распространение в керамической промышленности получил метод пластического формования. Заключается jh в следующем. Глину дробят и перемешивают с добавками (если в них есть необходимость), добавляют воду и «проминают» полученную массу до получения однородного пластичного теста требуемой густоты. Затем либо формуют изделия на специальных прессах (см. Ковка, штамповка, прессование), либо разливают тесто в гипсовые формы. Далее массу обрабатывают в вакууме для удаления из нее воздуха, что улучшает пластические свойства массы и качество получаемой керамики. После этого массу сушат и обжигают.
В процессе обжига из массы удаляется вода и происходит разложение глинистого вещества с образованием стекловидного расплава, который при остывании связывает частицы более тугоплавких составных частей в прочное камневидное тело. В зависимости от того, какие исходные материалы используются и какое изделие требуется получить, обжиг ведется при температуре от 900° С (например, для изготовления строительного кирпича) до 2000° С (при производстве огнеупорных изделий). Продолжительность обжига составляет от 2—3 ч для мелких изделий до нескольких суток для крупных.
«Обычная», не имеющая специального названия керамика — это и обычный кирпич, и кирпич огнеупорный, и покрытые химически стойкими глазурями канализационные трубы, ' и плитка для полов, в том числе так называемая метлахская плитка, и электрические изоляторы, и многое другое. Свойства, исходный состав, режимы обжига «обычной» керамики очень разнообразны. Неглазурованная, пористая керамика, так называемая терракота, используется в основном для отделки зданий и изготовления художественных изделий; покрытая особыми прозрачными или непрозрачными (глухими) глазурями майолика используется для декоративной отделки.
Из других разновидностей керамики наибольшей известностью пользуется фарфор — изделия из керамики, имеющие непроницаемый для воды, белый, звонкий, просвечивающий в тонком слое черепок без пор.
Фарфор впервые появился в Китае в VI—VII вв.. Объясняется это скорее всего тем, что составной частью фарфора является каолин — глинистый материал, впервые найденный в местности Китая Каолин.
В Европе долгое время не могли разгадать секрета фарфора. Только в конце XVI в. в Италии был получен «мягкий» фарфор (без каолина), и лишь в начале XVIII в. был создан твердый фарфор.
В России еще Петр I положил начало длительным поискам секрета фарфора. Над загадкой фарфора работал М.В.Ломоносов, но лишь в 1744 г. Д. И. Виноградову удалось определить состав фарфора и научно обосновать его технологию.
По составу и условиям обжига различают 2 вида фарфора: твердый и мягкий (отметим, что слова «мягкий» и «твердый» характеризуют не твердость фарфора — мягкий может быть тверже,— а температуру обжига). Наиболее ценен твердый. В его состав входят лишь глинистые вещества (беложгущиеся глины и каолин), кварц и полевой шпат и в виде исключения оксид кальция. Обжигается он при температуре до 1450° С. Мягкий фарфор более разнообразен по составу, а температура его обжига ниже— 1300° С. Технология подготовки массы обычная для керамики, но для получения фарфора высокого качества массу перед формованием выдерживают в темном сыром помещении. Раньше эта выдержка длилась годами, внедрение вакуумной обработки массы позволило сократить этот срок до двух недель. Как и любая керамика, фарфор бывает глазурованный и неглазурованный (в этом случае его называют бисквитом).
Многие из нас любовались в музеях посудой и художественными изделиями из фарфора (см. рис.). Но кроме этого, фарфор, обладающий химической стойкостью, твердостью, хорошими диэлектрическими свойствами, используется во многих областях науки и техники — в химии, электротехнике, электронике и др.
Рис. 65. Изделия из керамики
Близкий родственник фарфора — фаянс. Он отличается от фарфора в основном пористостью, из-за чего его выпускают лишь глазурованным. История возникновения фаянса относится к Древнему Египту. Фаянс используется для изготовления столовой и чайной посуды, а в строительстве — для изготовления облицовочных плиток, умывальников и другого санитарно-технического оборудования.
Трудно найти область человеческой жизни и деятельности, где керамика не используется. В быту и ракетостроении, радиотехнике и металлообработке, медицине, химии, физике,— наверное, всюду. Изделия из керамики украшают наш быт — приятно пить чай из легкой, почти прозрачной фарфоровой чашки, а керамические резцы успешно конкурируют и часто превосходят резцы, изготовленные из самых жаропрочных и твердых сплавов. Керамика позволяет укротить высокие температуры и не боится самых агрессивных химических веществ.
ГЛОССАРИЙ
- Материаловедение — наука о связях между составом, строением и свойствами материалов и закономерностях их изменений при внешних физико-химических воздействиях.
- Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий от 2,14 до 6,67% углерода.
- Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором углерода содержится не более 2,14%.
- Легированной называют сталь, содержащую специально введенные внее с целью изменения строения и свойств легирующие элементы.
- Конструкционные стали – стали, идущие на изготовление деталей машин, конструкций и сооружений.
- Теплостойкость — это способность сохранять высокую твердость и режущие свойства при длительном нагреве.
- Быстрорежущие стали – стали, предназначенные для работы при высоких скоростях резания.
- Металлокерамические твердые сплавы представляют собой спеченные порошковые материалы, основой которых служат карбиды тугоплавких металлов, а связующим — кобальт.
- Коррозией называется разрушение металла под действием внешней агрессивной среды в результате ее химического или электрохимического воздействия.
- Жаростойкими стали - стали, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности при высокой температуре (свыше 550°С).
- Доменная печь, или, как ее часто называют, домна, предназначена для выплавки железа из железной руды.
- Кислородный конвертор - стальной сосуд, отдаленно напоминающий грущу, выложен внутри огнеупорным кирпичом.
- Мартеновская печь - предназначена для выплавки стали из доменного чугуна.
- Алюминий — металл серебристого цвета, характеризующийся низкой плотностью (2,7 г/см3), высокой пластичностью (8 = 40%), низкими прочностью (σв= 80МПа) и твердостью (НВ 25).
- Медь — металл красно-розового цвета, плотностью 8,94 г/см3, температурой плавления — 1О83°С.
- Латунями называют сплавы меди с цинком.
- Бронзами называются сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом и другими элементами, среди которых цинк не является основным.
- Магний — самый легкий металл, используемый в промышленности (плотность - 1,74 г/см3).
- Титан — легкий (плотность 4,5 г/см3) и пластичный металл серебристо-белого цвета.
- Баббиты — это легкоплавкие подшипниковые сплавы, применяемые для вкладышей подшипников скольжения.
- Пластическими массами (пластмассами) называются материалы, получаемые на основе природных или синтетических полимеров.
- Текстолит — это материал, полученный прессованием пакета кусков хлопчатобумажной ткани, пропитанной смолой.
- Гетинакс представляет собой материал, полученный прессованием нескольких слоев бумаги, пропитанной смолой.
- Стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ) получают прессованием листов стеклошпона, пропитанных смолой.
- Волокнистые пластмассы представляютсобой композиции из волокнистого наполнителя, пропитанного смолой.
- Порошковые пластмассы - в качестве наполнителя используют органические порошки (древесная мука, порошкообразная целлюлоза) и минеральные порошки (молотый кварц, тальк, цемент, графит).
- Полиэтилен (-СН2-СН,-)n - продукт полимеризации бесцветного газа — этилена.
- Полипропилен (-CH2-CHC6H5-)n — продукт полимеризации газа пропилена. По свойствам и применению аналогичен полиэтилену, но более теплостоек (до 150°С) и менее морозостоек (до -10°С).
- Поливинилхлорид (-СН2-СНС1-)n используется для производства винипласта и пластиката.
- Винипласт представляет собой твердый листовой материал, полученный из поливинилхлорида без добавки пластификаторов.
- Пластикат получают при добавлении в поливинилхлорид пластификаторов, повышающих его пластичность и морозостойкость.
- Полистирол (-СН2-СНС6Н5-)n — твердый, жесткий, прозрачный полимер.
- Органическое стекло — прозрачный термопластичный материал на основе полиакриловой смолы.
- Фторопласты имеют наибольшую термическую и химическую стойкость из всех термопластичных полимеров.
- Газонаполненные пластмассы представляют собой материалы на основе синтетических смол, содержащие газовые включения.
- Поропласты это газонаполненные пластмассы, поры которых сообщаются между собой.
- Резина представляет собой искусственный материал, получаемый в результате специальной обработки резиновой смеси, основным компонентом которой является каучук.
- Каучук — это полимер, отличительной особенностью которого является способность к очень большим обратимым деформациям при небольших нагрузках.
- Древесина — это органический материал растительного происхождения, представляющий собой сложную ткань древесных растений.
- Древесный шпон — это широкая ровная стружка древесины, получаемая путем лущения.
- Древесноволокнистые плиты изготовляют путем прессования древесных волокон при высокой температуре, иногда с добавлением связующих веществ.
- Модифицированная древесина представляет собой материал, полученный при обработке древесины каким-либо химическим веществам (смолой, аммиаком и др.) с целью повышения механических свойств и придания водостойкости.
- Древесностружечные плиты изготовляют прессованием древесной стружки со связующим.
- Прессованная древесина — это материал, получаемый при горячем прессовании брусков, досок и других заготовок поперек волокон под давлением до 30 МПа.
- Текстурой называется естественный рисунок на обработанной поверхности древесины, который получается вследствие перерезания ее волокон, годичных слоев и сердцевинных лучей.
- Теплопроводность — теплообмен, при котором перенос энергии в форме теплоты в неравномерно нагретой среде имеет атомно-молекулярный. характер (не связан с макроскопическим движением среды).
- Усушка - уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании.
- Разбуханием древесины называют увеличение ее размеров и объема при увлажнении.
- Коробление - изменение заданной формы пиломатериалами и заготовками при сушке, а также выпиловке и хранении.
- Деформация - изменение формы и размеров тел под действием внешних сил.
- Твердостью древесины называют ее способность сопротивляться проникновению другого твердого тела.
- Упругостью древесины называют ее способность принимать первоначальную форму и размеры после прекращения действия силы.
- Прочностью древесины называется ее способность сопротивляться разрушению от механических усилий.
- Керамика — это и фарфор, и фаянс, и майолика, и многие другие материалы и изделия из них.