ЛЕКЦИЯ № 12. Свойства неметаллических материалов

1. Неметаллические материалы

Еще во второй половине XX в. в России уделялось большое внимание применению неметаллических материалов в различных отраслях промышленности и народного хозяйства в целом. Было налажено и постоянно наращивалось производство самых различных неметаллических материалов: синтетических смол и пластмасс, синтетических каучу-ков, заменяющих натуральный каучук, высококачественных полимеров с заданными техническими характеристиками, включая армированные и наполненные пластмассы.

Пластические массы и другие неметаллические материалы обладают рядом превосходных физико-химических, механических и технологических свойств, что обусловило их широкое распространение в различных отраслях промышленности - машиностроении, электротехнике, электронике и др. Как конструкционный материал пластические массы все более вытесняют дорогостоящие металлы. Применение пластических масс дает возможность постоянно совершенствовать конструкции. Оснащение машин и оборудования, а также частичная комплектация различных узлов позволяют снизить их массу, улучшить надежность и долговечность работы, повысить производительность. Для производства пластмасс требуется в 2-3 раза меньше капитальных вложений, чем для производства цветных металлов. Исходными материалами для получения пластических масс служат дешевые продукты переработки каменного угля, нефти и природного газа. Пластмассы подвергают армированию для улучшения механических свойств. Для изготовления различных деталей, работающих в механизмах трения (скольжения) с небольшими нагрузками и скоростями, применяются такие неметаллические материалы, как антифрикционные полимерные и пластмассовые материалы. Эти материалы обладают небольшим коэффициентом трения, высокой износостойкостью, химической стойкостью, могут работать без смазки. Однако низкая теплопроводность, значительный (в десятки раз больше, чем у металлов) коэффициент термического расширения, небольшая твердость и высокая податливость ограничивают возможности их широкого использования. Более эффективно они применяются в комбинации с другими материалами, металлами и пластмассами.

Кроме того, в качестве фрикционных неметаллических материалов применяются тормозные тканые асбестовые ленты и фрикционные асбестовые накладки - формованные, прессованные, тканые, картонно-бакелитовые и спирально-навивные, которые могут эксплуатироваться во всех климатических зонах. Фрикционные асбестовые накладки применяются для узлов трения автомобилей, самолетов, тракторов, металлорежущих и текстильных станков, подъемно-транспортного оборудования и тепловозов. Ресурс таких неметаллических накладок, работающих в узлах трения, достаточно высок. Например, для автомобилей с дизелями он составляет 6000 моточасов, легковых автомобилей - 125 000 км, грузовых автомобилей - 75 000 км. Тормозные тканые асбестовые ленты применяются в качестве накладок в тормозных и фрикционных узлах машин и механизмов с поверхностной температурой трения до 300 °C.

Неметаллические материалы широко применяются в различных отраслях промышленности и хозяйства в целом.

2. Полимеры: строение, полимеризация и поликонденсация, свойства

В настоящее время трудно представить себе медицину без полимерных систем для переливания крови, медицинскую аппаратуру - без прозрачных полимерных трубок, предметы ухода за больными - без резиновых грелок, пузырей для льда и т. д. Значительно обогатить ассортимент материалов, применяемых в медицине, позволили синтетические полимеры.

Полимеры существенно отличаются от металлов и сплавов: их молекулы вытянуты в длинные цепочки, в результате чего полимеры имеют высокую молекулярную массу. Молекулы полимеров получают из исходных низкомолекулярных продуктов - мономеров - полимеризацией и поликонденсацией. К полимерам поликонденсационного типа относятся фенолформальдегидные смолы, полиэфиры, полиуретаны, эпоксидные смолы. К высокомолекулярным соединениям полимеризационного типа относятся поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол, полипропилен. Высокополимерные и высокомолекулярные соединения являются основой органической природы - животных и растительных клеток, состоящих из белка.

Для изготовления многих медицинских изделий широко применяют как полимерные материалы, в основе которых лежит природное сырье, так и искусственные - синтетические и полимерные материалы. Из полимерных материалов естественного происхождения изготовляют большинство перевязочных средств: вату, марлю и изделия из них, алигнин, а также нити шовных материалов (хирургический шелк). Полимеры являются основой пластмасс, используемых при изготовлении различных инструментов, частей медицинской аппаратуры и оборудования.

Широкое применение в различных отраслях промышленности и хозяйства в целом нашли такие полимеры, как фенолформальдегидные жидкие и твердые смолы.

Фенол-формальдегидные жидкие смолы резольного типа - продукт поликонденсации фенола и формальдегида в присутствии катализатора с добавкой модифицирующих и стабилизирующих веществ или без них - поставляются в виде однородной прозрачной жидкости от красновато-коричневого до темно-вишневого цвета со средней плотностью 1,2 г/см ³. Применяются при производстве теплозвукоизоляционных изделий, фанеры, древесностружечных и древесноволокнистых плит, абразивных инструментов на гибкой основе, стеклопластиков, асботехнических и асбофрикционных изделий, углепласта для шахтных крепей и др. Марки смол: СФЖ-303, СФЖ-305 и т. д.

Твердые фенолформальдегидные смолы новолачного и ре-зольного типов - продукты поликонденсации фенолов (или их фракций) и формальдегида в присутствии катализатора с добавкой модифицирующих веществ или без них. Выпускаются в виде порошка, чешуек и крошки. Применяются для получения резиновых смесей, прессовочных масс, слоистых пластиков, лаковых токопроводящих суспензий, антикоррозионных лакокрасочных материалов и клеев, в качестве связующих для абразивных изделий и оболочковых форм, при изготовлении поропласта, при производстве масляных лаков для лакокрасочной и пищевой промышленности. Выпускаются следующие марки смол: СФ-010А, СФ-010, СФ-010М (модифицированная), СФ-014 и т. д.

3. Пластмассы: термопластичные, термореактивные, газонаполненные

Пластмассы - пластические массы - это материалы, полученные на основе высокомолекулярного органического соединения - полимера, выполняющего роль связующего и определяющего основные технические свойства материала В зависимости от эластичности пластмассы делят на три группы: жесткие, модуль упругости 700 Мпа, до 70 МПа Пластмассы выпускаются монолитными в виде термопластичных и термореактивных и газонаполненными - ячеистой структуры. К термопластичным пластмассам относят полиэтилен низкого давления, полипропилен, ударопрочный полистирол, АБС-пластики, поливинилхлорид, стеклопластики, полиамиды и др.

К термореактивным пластмассам относятся: жесткие пенополиуретаны, аминопласты и др.

К газонаполненным пластмассам относятся пенополиуретаны - газонаполненный сверхлегкий конструкционный материал.

Термопластичная пластмасса - полиэтилен низкого давления - продукт полимеризации этилена, получаемый при низком давлении с использованием комплексных металлоор-ганических катализаторов. Базовые марки этого полиэтилена: 20108-001, 20208-002, 20308-005 и т. д. Плотность полиэтилена - от 0,931 до 0,970 г/см ³.

Ударопрочный полистирол - продукт сополимеризации стирола с каучуком или другим пластификатором, обладающий более высокими механическими свойствами, чем полистирол общего назначения. Он обладает высокой твердостью, прочностью к ударным нагрузкам, эластичностью, сопротивлением на разрыв, стоек к действию температуры в пределах от +65 до-40 °C.

Аминопласты - термореактивные пластмассы - прессовочные карбамидо-и меламиноформальдегидные массы, получаемые на основе аминосмол с использованием наполнителей (органических, минеральных или их сочетания), окрашивающих и модифицирующих веществ. Их теплостойкость по Мартену составляет не менее 100-180 °C, ударная вязкость - 3,9-29,4 КДж/м ² (4-30 кгс x см/см ²), усадка - 0,2-0,8 %, удельное объемное электрическое сопротивление - 1? 10 ¹¹ -1 x 10 ¹² Ом x см. Из аминопластов путем горячего прессования изготовляют изделия бытового, технического и электротехнического назначения. Всего выпускается 11 марок аминопластов: КФА-1, КФБ-1 и т. д.

Пенополиуретаны - газонаполненные пластмассы - сверхлегкий конструкционный материал. Исходными для их получения являются простые и сложные полиэфиры, изо-цианаты, катализаторы и эмульгаторы. Эластичные пенополиуретаны (ППУ) имеют закрытые, несообщающиеся газонаполненные ячейки (пенопласты) и сообщающиеся ячейки (поропласты). Часто применяется общий термин - "пенопласты". Эластичный поропласт содержит 70 % воздушных сообщающихся пор. Он имеет плотность 25-29 кг/м ³, хорошо противостоит гниению, веществам, применяемым при химической чистке изделий, его предел прочности при растяжении - 0,07-0,11 МПА.

Эластичный пенополиуретан применяется в производстве мягкой мебели, сидений автомобилей, тракторов и других изделий. Жесткий пенополиуретан применяется для изготовления корпусов кресел, декоративных элементов, в качестве тепло- и звукоизоляционных материалов. Широкое распространение в последние годы получили наполненные пенопласты (ППУ).

4. Эластомеры

Термин "эластомеры" был введен взамен названия "синтетические каучуки", а также "натуральный каучук".

Эластомерами называют полимеры, обладающие в широком температурном интервале высокой эластичностью - способностью подвергаться значительным (от нескольких сотен до 1000 % и более) обратимым деформациям при сравнительно небольших действующих нагрузках. Первым эластичным материалом такого рода был натуральный каучук, который и в настоящее время не потерял своего значения в производстве эластомеров, в том числе и для медицинских изделий, благодаря своей нетоксичности. Каучук получают из латекса (млечный сок бразильской гевеи), состоящего более чем наполовину из воды, в которой растворено 34-37 % каучука, 2-2,7 % белка, 1,65-3,4 % смолы, 1,5-4,92 % сахара. На плантациях, где приготовляют натуральный каучук как промышленное сырье, латекс коагулируют с помощью органических кислот, прокатывают в рифленые листы и коптят в камерах с дымом при температуре +50 °C. Составные вещества дыма играют роль антисептиков и стабилизаторов окисления каучука. Такие листы толщиной 2,5-3 мм с вафельным рисунком поверхности называют "смокетшит". Они служат наиболее употребительной формой сырого плантационного каучука Данные элементного анализа очищенного каучука соответствуют эмпирической формуле C5H8 (изопрен).

Синтетические каучуки (эластомеры) получают путем полимеризации из мономеров с участием катализаторов (ускорителей процесса). Первый советский синтетический каучук был получен С. Д. Лебедевым из технического спирта. В настоящее время выпускают несколько видов синтетических каучуков (эластомеров), в том числе изопреновый, мало отличающийся от натурального. Для изделий медицинского назначения применяется салоксановый (силиконовый) каучук, основная полимерная цепь которого состоит из атомов кремния и кислорода. Он термостоек и физиологически инертен. Сырьем для изготовления синтетических каучуков служат нефть, природный газ, каменный уголь.

Превращение каучука или "сырой" каучуковой смеси в эластичную резину (материал с необходимыми эксплуатационными свойствами) осуществляют путем вулканизации. Вулканизация, подобно термообработке металлов и сплавов, приводит к изменению структуры каучука. При вулканизации осуществляется соединение ("сшивание") молекул эластомера химическими связями в пространственную трехмерную сетку, в результате чего получают материал, обладающий необходимыми эластическими и прочностными свойствами (прочность, упругость, твердость, сопротивление разрыву и т. д.). Основным вулканизирующим веществом служит сера; применяют также теллур и селен. Чем больше к каучуку добавляют серы, тем более твердым и менее эластичным получается эластомер. В современном производстве, помимо вулканизаторов, широко применяют органические ускорители, присутствие которых снижает количество серы (до 2 % вместо 10 %) и температуру вулканизации. Существуют ультраускорители, благодаря которым вулканизация вместо температуры в +130-150 °C протекает при комнатной температуре.

5. Резины

Резины различных видов и марок относятся к группе эластичных материалов - эластомеров. Резины подразделяются на формовые и неформовые. К неформовым относится большая группа так называемых сырых резин. Сырые резины выпускаются под номерами (10, 11, 14 и т. д.) в виде разнотол-щинных пластин, покрытых тальком (для предохранения от слипания), или в виде рулонов с тканевой прокладкой (из миткаля), которая также предохраняет резину от слипания.

Неформовая сырая резина получается путем вулканизации из резиновых смесей, изготавливаемых на основе синтетических каучуков или натурального. Основным вулканизирующим веществом является сера, но еще применяют селен и теллур. В зависимости от марок сырая резина используется для получения различных формовых изделий с определенными свойствами. Например, из сырой резины получают техническую листовую резину нескольких типов: кислотощелочестой-кую, теплостойкую, морозостойкую, пищевую и т. д. Морозостойкая резина сохраняет свои свойства при температуре до -45 °C. Техническую листовую резину толщиной 3-4 мм применяют для изготовления уплотнительных прокладок во фланцевых соединениях трубопроводов, транспортирующих холодную воду, а резину с тканевой прокладкой (из синтетической ткани) - и при транспортировании горячей воды температурой до +100 °C.

Из сырых резин получают различные резиновые изделия - муфты, кольца, клапаны, различные прокладки и т. д., применяя следующие методы формования: прессование, экструзию и литье под давлением. Процесс прессования резиновых изделий проходит в вулканизационных гидравлических прессах под давлением 100-300 атм. и при температуре +140-160 °C.

При производстве мягкой мебели широко применяется пенорезина, представляющая собой материал на основе синтетического или натурального каучука. Для изготовления пенорезины используют латексную смесь, которую выдерживают 18-21 ч, вспенивают и вулканизируют с последующей сушкой. Пенорезину выпускают в виде листов или формованных элементов мебели. По показателям эластичности упругости, остаточной деформации пенорезина является идеальным материалом для мягкой мебели.

Пенорезина самовентилируется и охлаждается за счет прохождения воздуха через сообщающиеся поры. Для снижения веса мебельных элементов из пенорезны их делают с пустотами, но чтобы при этом сохранялась способность выдерживать значительные нагрузки, объем пустот не должен превышать 40 % объема всего элемента.

К резинам, предназначенным для изготовления отдельных групп изделий, предъявляют дополнительные требования, обеспечивающие выполнение изделиями их функционального назначения и надежность в работе. В настоящее время промышленность выпускает резину листовую трех марок: тепломорозокислотощелочестойкую (ТМКЩ); ограни-ченномаслобензостойкую (ОМБ); повышенномаслобензо-стойкую (ПМБ), которые в свою очередь подразделяются по твердости применяемой резины: мягкая (М) для работы при температурах от-45 °C до +90 °C; средней твердости (С) - при температурах от -60 °C до +80 °C, повышенной твердости (П) - при температурах от -60 °C до +80 °C.

6. Герметики

Герметики (герметизирующие составы) применяются практически повсеместно - в строительстве, в системе ЖКХ, машиностроении, мебельном производстве, в быту, при различных ремонтных работах. Герметики представляют собой полимерные композиции в виде паст, замазок или жидкостей, которые после нанесения на поверхность сразу или спустя некоторое время густеют в результате вулканизации полимерной основы.

Для приготовления герметиков применяют жидкие синтетические каучуки и специальные добавки. Промышленностью выпускаются герметики разных видов: строительные фасадные, шовно-тиоколовые и акрилатные, строительные каучукосиликоновые, акриловые. В стекольных работах для герметизации стыков в основном применяют тиоколовые герметики 7-30М и УТ-31, которые вулканизируются при температуре от +18 °C до +30 °C. В системе ЖКХ широко применяется силиконовый герметик КЛТ-30 для уплотнения резьбовых соединений, работающих в интервале температур от -60 °C до +200 °C.

В последние годы в Россию завозится множество марок герметиков, производимых зарубежными фирмами: DAP, KVADRO, KIMTEC, KRASS.

По сравнению с другими аналогичными материалами герметики обладают влагостойкостью, газонепроницаемостью, долговечностью. Герметики на основе полиизобутилена используются для уплотнения наружных швов между элементами сборных крупнопанельных зданий. Герметики, так же как и резины, относятся к группе эластомеров.

Наиболее широко применяются тиоколовые герметики, для которых характерна универсальность. Промышленность России выпускает следующие марки тиоколовых герметиков:

1) У-30М. Поставляют комплектно в составе пасты-герме-тика черного цвета У-30, вулканизатора № 9 и ускорителя вулканизации - дифенилгуанидина, смешиваемых непосредственно перед употреблением в соотношении 100: 7: 0,35 массовых частей. Предназначен для герметизации металлических (кроме латунных, медных, серебряных) и других соединений, работающих в среде разбавленных кислот и щелочей, жидкого топлива и на воздухе во всех климатических условиях при температурах от -60 °C до + 130 °C;

2) УТ-31 - светло-серая паста У-31, вулканизатор № 9 и ускоритель вулканизации, применяется для герметизации металлических (кроме латунных, медных, серебряных) и других соединений, работающих на воздухе и в среде жидких топлив при температурах от -60 °C до +130 °C и до + 150 °C - кратковременно на воздухе;

3) 51-УТ-36А (с адгезивом) и 51-УТ-36Б (без адгезива) - темно-серая замазкообразная паста У-36, эпоксидная смола Э-40 (для 51-УТ-36Б) и двухромовый натр в качестве вулканизатора; применяются в приборостроении. Для герметизации различных соединений, швов, работающих при температурах от +200 °C до +300 °C, предназначены теплостойкие силоксановые герметики, изготавливаемые на основе жидких силоксановых каучуков. Марки силокса-новых герметиков следующие: эластосил 11-01, силпен. ВПТ-2Л, КЛ-4, КЛТ-30, КЛСЕ, ВГО-2, КЛВАЕ и др. Выпускаются также теплотопливостойкие герметики, изготавливаемые на основе фторсодержащих каучуков, следующих марок: ВГФ-1, ВГФ-2, 51-Г-1 и др.

Автор: Алексеев В.С.

<< Назад: Сплавы цветных металлов (Цветные металлы и сплавы, их свойства и назначение. Медные сплавы. Алюминиевые сплавы. Титановые сплавы. Цинковые сплавы)

>> Вперед: Стекло. Декоративные материалы (Стекло: неорганическое и органическое. Ситаллы, металлические стекла. Полиморфные модификации углерода и нитрида бора. Композиционные материалы. Синтетические облицовочные материалы. Декоративные бумажно-слоистые пластики)

Рекомендуем интересные статьи раздела Конспекты лекций, шпаргалки:

▪ Общая электроника и электротехника. Шпаргалка

▪ Безопасность жизнедеятельности. Конспект лекций

▪ Госпитальная терапия. Шпаргалка

Смотрите другие статьи раздела Конспекты лекций, шпаргалки.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Ферроэлектрики научились выдерживать более 10 миллиардов циклов перезаписи 11.10.2026

Энергонезависимая память должна не только быстро записывать и сохранять информацию без постоянного питания, но и выдерживать огромное количество циклов перезаписи. Одним из перспективных вариантов такой технологии считаются ферроэлектрические материалы, однако их практическое применение долгое время ограничивалось сравнительно быстрым разрушением. Исследователям удалось установить механизм этого процесса на атомном уровне и предложить способ, который значительно увеличивает срок службы таких материалов. Работу выполнила группа ученых из Университета электронной науки и техники Сианя (Xidian University) совместно с коллегами из Гонконгского университета и Фуданского университета. Особый интерес специалистов вызвали ферроэлектрики со структурой вюрцита, в частности нитрид алюминия-скандия (AlScN). Эти материалы способны сохранять информацию благодаря изменению направления электрической поляризации на атомном уровне и хорошо совместимы с современными технологиями производства микросхем ...>>

Электромобиль VENTRA с системой очистки воздуха 11.10.2026

Даже автомобили без двигателя внутреннего сгорания не являются полностью безвредными для окружающей среды. При движении любой автомобиль изнашивает шины и тормозные элементы, в результате чего в воздух и на дорожное покрытие попадают мельчайшие частицы. Студенты Эйндховенского технологического университета решили обратить внимание именно на этот мало заметный источник загрязнения и создали концептуальный электромобиль VENTRA, способный собирать часть таких загрязняющих веществ непосредственно во время движения. Проект разработала команда TU/ecomotive, которая оснастила VENTRA специальной системой улавливания частиц, образующихся при износе шин и торможении. Авторы концепта считают, что переход на электрическую тягу сам по себе не решает проблему автомобильных выбросов. Более тяжелые электромобили дополнительно нагружают шины, а их электродвигатели способны обеспечивать очень быстрое ускорение, что также может способствовать повышенному износу резины. Собранные около колес частицы си ...>>

Лазерное переключение магнитов 10.10.2026

Технологии хранения данных постоянно стремятся уменьшить размеры элементов памяти и одновременно увеличить скорость записи информации. Один из возможных путей связан с использованием света, который способен переносить энергию с огромной скоростью и воздействовать на очень небольшие области материала. Инженеры Университета Калифорнии в Сан-Диего (UC San Diego) продемонстрировали необычный способ управления магнитным состоянием вещества, при котором внешнее магнитное поле вообще не требуется. В обычных жестких дисках информация записывается в виде последовательности крошечных магнитных областей, соответствующих значениям 1 и 0. Для изменения их состояния обычно необходимо внешнее магнитное поле, однако такой способ требует значительных энергетических затрат и ограничивает скорость записи. Исследователи UC San Diego предложили альтернативу - так называемое оптическое переключение, при котором магнитное состояние изменяется под воздействием лазерного излучения. По оценкам специалистов, ...>>

Случайная новость из Архива Изготовление лазеров методом печати 13.10.2012 Ученые Кембриджского университета разработали технологию изготовления лазеров методом печати. Разработка имеет очень широкий круг возможных применений, от медицинского оборудования до дисплеев. Напомним, лазер - устройство, позволяющее за счет использования явления вынужденного излучения преобразовывать энергию накачки в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Наиболее известными применениями лазеров в современной электронике являются оптические накопители и оптические линии связи. Лазеры для этих областей применения производятся по полупроводниковым технологиям. В Кембридже научились "печатать" лазеры из органических материалов на любых поверхностях. В этих лазерах нашли применение холестерические жидкие кристаллы (ЖК), подобные используемым в дисплеях. Если их сориентировать определенным образом, спиралевидные молекулы могут служить оптическим резонатором - ключевым компонентом лазера. Остается добавить флуоресцентный краситель, чтобы, оптически возбуждая резонатор, можно было получить лазерное излучение. Такие лазеры известны давно, но ранее их изготавливали, помещая жидкие кристаллы между двумя стеклянными пластинами, находящимися на расстоянии на расстоянии сотых долей миллиметра друг от друга. При этом специальное полимерное покрытие стекла служило для выравнивания молекул ЖК. Это сложный процесс, а выбор материалов для подложек очень ограничен. Достижение кембриджских специалистов состоит в упрощении этого процесса, в результате чего стало возможно создание массива разноцветных лазеров за один этап, с применением метода печати. Специальным струйным принтером исследователи напечатали сотни точек из ЖК на основе, покрытой раствором полимера. Высыхая, полимер выровнял молекулы ЖК, превратив точки в лазеры. По словам ученых, основой может быть практически любая поверхность, а для процесса печати потенциально подходит существующее печатное оборудование.

Другие интересные новости:

▪ Дрон для уборки собачьих экскрементов

▪ Электронный нос для одежды

▪ Кусочек нейрона для обработки образцов

▪ Футболка сделает ЭКГ

▪ Иммунитет влияет на психику

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Заводские технологии на дому. Подборка статей

▪ статья Этот безумный, безумный, безумный мир. Крылатое выражение

▪ статья Какая птица является рекордсменом по глубине ныряния? Подробный ответ

▪ статья Инженер по надзору за строительством. Должностная инструкция

▪ статья Сумматор для двух УКВ антенн. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Как зажечь костер без спичек. Химический опыт

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026