Слово «пластичность» произошло от греческого слова plastikos, что означает «годный для лепки, податливый». Многие столетия единственным пластичным, широко применяемым для лепки материалом была глина.
Однако теперь, когда говорят о пластических массах (пластмассах), подразумевают только материалы, созданные на основе полимеров.
Немногим более ста лет назад братья Хайэтт в Нью-Джерси (США) в поисках прочной, но рыхлой массы для типографских валиков создали хорошо формующийся материал из низконитрованной бумаги и камфоры.
Так появилось на свет первое искусственное полимерное вещество, получившее название «целлулоид». Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол) годам. Ряд полимеров, возможно, был получен еще в первой половине 19 века. Но в те времена химики пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к «осмолению» продуктов основной химической реакции, т. е. к образованию полимеров (полимеры и сейчас часто называют «смолами»).
В 1833 И. Берцелиусом для обозначения особого вида изомерии впервые был применен термин «полимерия». В этой изомерии вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладали различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Однако тот термин имел несколько другой смысл, чем современные представления о полимерах. «Истинные» синтетические полимеры к тому времени еще не были известны. А. М. Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. После создания А. М. Бутлеровым теории химического строения возникла химия полимеров. Наука о полимерах получила свое развитие, главным образом, благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука. В этих исследованиях принимали участие учёные многих стран, такие как Г. Бушарда, У. Тилден, немецкий учёный К. Гарриес, И. Л.
Кондаков, С. В. Лебедев и другие. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У. Карозерса. Полимеры — это химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев).
Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных валентностей.
В настоящее время в нашем распоряжении имеется широкая палитра настолько разных синтетических веществ, что сами специалисты вряд ли могут охватить все ее многообразие. А для неспециалистов пластмассы — это наиболее характерный продукт современной химии1 [1,с.8]. Хотя целлулоид быстро нашел большой спрос, вскоре ему пришлось потесниться. Началась «эра» искусственных органических материалов, которые стали называть пластмассами, собственно, только во второй половине нашего века. В 1900 году мировое производство пластмасс составило всего около 20 тыс. тонн. А уже в середине столетия их ежегодный выпуск достигал примерно 1,5 млн.
Классификация и структура полимеров. Конструкционная прочность ...
... полимеров в искусственные полимерные материалы и путём получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений. В первом случае крупнотоннажное производство базируется на целлюлозе. Первый полимерный материал из физически модифицированной целлюлозы -- целлулоид ...
тонн. В 60-е годы производство пластмасс сделало гигантский скачок: в 1970 году было выпущено уже 38 млн. тонн этих искусственных материалов.
Начиная с 1950 года производство пластмасс удваивалось каждые 5 лет.
Если в XIX веке пластмассы заменяли лишь дорогие и редкие материалы — слоновую кость, янтарь, перламутр, то в начале нашего века их стали использовать вместо дерева, металла, фарфора. Сейчас пластмассы нельзя назвать «заменителями». Многие современные пластмассы превосходят по своим свойствам большинство природных материалов.
Многие из них имеют столь ценные качества, что у них нет аналогов в природе. Производство пластмасс развивается значительно быстрее, чем производство металлов[16, с.11].
Технический прогресс вызывает необходимость создания высокотехнологичных полимерных материалов, используемых в машиностроении.
Новые материалы, появляющиеся вследствие стремления к совершенствованию существующих машиностроительных конструкций и изделий, открывают возможности для реализации перспективных конструктивных решений и технологических процессов. В настоящее время перспективы прогресса в машиностроении неразрывно связаны с разработкой и широким внедрением полимерных композиционных материалов (ПКМ) в производство.
Разработки и исследования отечественных и зарубежных ученых показали большие перспективы получения композиционных материалов на основе модифицированных эпоксидных и полиэфирных смол. Благодаря
1. Американские ученые в 1980 году обнаружили природную полиэфирную пластмассу в жилищах пчел рода Colletes, живущих в земле. Лак, покрывающий стенки сот, предохраняет от порчи запасы пыльцы и нектара, которыми питаются личинки пчел. Это первый случай обнаружения в природе подобного вещества.
уникальному комплексу эксплуатационных свойств композиционные материалы на основе полимеров нашли широкое применение в машиностроении при производстве защитных покрытий, стеклопластиков, фасонных изделий, футеровочных плит для защиты металлических конструкций от воздействия агрессивных сред и ударных нагрузок, элементов станочной системы (станин, направляющих, подрезцовых пластин и державок токарных резцов), а также для восстановления и усиления конструкций и омоноличивания сборных элементов[14, с.102].
Футеровочные плиты и элементы фитинговых систем из полимерных композиционных материалов в процессе своей эксплуатации испытывают различные внешние нагрузки (статические, динамические, ударные), а также действие агрессивных сред (вода, смазочно-охлаждающая жидкость, кислые и щелочные среды), снижающих их физико-механические свойства и приводящих к преждевременному выходу из строя готовых изделий.
В процессе изготовления и применения полимерных композиционных материалов возникает необходимость их механической обработки: резки, фрезерования, сверления. Механическую обработку резанием используют для обеспечения повышенной точности геометрических размеров изделий, при их сложной конфигурации, а также при малых объемах производства, когда использование трудоемкой и дорогостоящей технологической оснастки (пресс-форм) экономически нецелесообразно. Во многих случаях детали повышенной точности и высокого качества могут быть получены только механической обработкой — точением, сверлением и фрезерованием.
Технологические особенности переработки полимерных материалов ...
... литья определяется объемом производства, требованиями к геометрической точности и шероховатости поверхности отливок, экономической целесообразностью и другими факторами. 1. Технологиченские особенности переработки полимерных материалов в изделия методом горячего прессования. оборудование и ...
Применение механической обработки в сочетании с оптимизацией составов полимерных композиционных материалов с заданными физикомеханическими свойствами отвечает современным требованиям повышения технологичности производства изделий в машиностроении.
С целью повышения эффективности производства и достижения высокого качества изделий из полимерных композиционных материалов необходима разработка моделей, позволяющих оптимизировать их технологические и физико-механические свойства. Решение данной, задачи связано с расчетом параметров физико-механических свойств и оптимизацией технологических показателей механической обработки композиционных материалов.
Свойства и производство полимеров Общепризнанно, что уровень развития техники в значительной степени определяется наличием необходимых материалов. Наиболее наглядно это можно проследить на примере развития древних цивилизаций, когда изобретение или создание нового прогрессивного материала становилось толчком к развитию техники и цивилизации. Недаром технический уровень развития цивилизации характеризуют видом материала, позволявшего создавать в свое время наиболее передовые орудия и средства производства.
Так были каменный век, бронзовый век, железный век. Настоящее время многие ученые называют «век композиционных материалов».
Но композиционные материалы зародились не в настоящее время, человек использовал их еще в древние времена. Так, даже самые первые кирпичи и гончарные изделия, появившиеся за 5000 лет до н. э. содержали измельченные камни или армирующую солому. Древние гончары регулировали даже пористость своих изделий. Упоминание о таких материалах содержится в Библии. Бурное развитие науки в Египте в 3000 – 2500 годах до н.э. дало людям египетские лодки (речные суда из тростника, пропитанного битумом), папирус (пропитанные смолой и спрессованные листы тростника), искусство мумифицирования (первый пример ленточной намотки – тело обматывали лентами из ткани и пропитывали природными смолами с образованием жесткого кокона).
За 1000 лет до н. э. ассирийцы изготавливали понтонные мосты, используя плетеные лодки (гуфасы), пропитанные водостойкими битумами. В Индии использовали точильные камни из песка и природного лака – шеллака. Вся история развития человечества связана с изобретением тех или иных композиционных материалов. В начале первого тысячелетия римляне изобрели бетон, сыгравший грандиозную роль в строительстве и развитии цивилизации. В прошлом веке были изобретены такие ПКМ как резина и пресс-материал на основе фенолформальдегидной смолы[12, с.46].
Таким образом, начало технологии композиционных материалов уходит в античные времена, но именно настоящее время называют «веком КМ». Действительно, в настоящее время доля ПКМ среди потребляемых материалов как никогда велика и с каждым годом растет. Так, в 1996 году Финляндия и ФРГ за год потребляли на душу населения около 100 кг полимерных композитов, в США – около 70 кг, в Японии – около 55 кг, в России – 15 кг. В странах третьего мира потребление ПКМ на душу населения не превышало 2 кг. Мировое производство пластмасс, основного составляющего ПКМ, достигает 80 млн. тонн. США производит 1/4 часть пластмасс в мире, ФРГ и Япония – по 1/8[5, с.10].
Термическая обработка металлов. Композиционные материалы
В результате термической обработки свойства сплавов могут меняться в широких пределах. Например, можно получить любую твердость стали от ... улучшения обрабатываемости резанием. Отжиг на зернистый перлит служит для повышения пластичности и вязкости стали и уменьшения ее твердости. Для получения зернистого перлита заготовки нагревают несколько выше ...
Давайте посмотрим, почему так получилось, что роль КМ в нашем мире с каждым годом возрастает?
Настоящее время отличается высокими темпами научно-технического прогресса. Бурное развитие современной техники требует все новых материалов с заранее заданными свойствами. Требуются материалы со сверхвысокой прочностью, твердостью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью, другими характеристиками и совместным сочетанием этих свойств. Вместе с тем, в настоящее время известны сотни тысяч различных некомпозиционных природных и искусственных материалов, которые уже не отвечают возрастающим требованиям. При этом открытие принципиально новых материалов происходит крайне редко. Это свидетельствует о том, что подавляющее большинство «простых» (некомпозиционных) материалов уже открыто, и ждать в этом направлении больших достижений не приходится.
Но научно-технический прогресс не останавливается и требует новых материалов. Поэтому основное и долгосрочное направление в разработке новых материалов сейчас состоит в создании материалов путем соединения различных уже известных материалов, то есть – в получении композиционных материалов (КМ).
Аналогичная ситуация имеет место в области полимерного материаловедения – требуются полимерные материалы с новыми свойствами, но создание и освоение выпуска новых полимеров практически не происходит. Поэтому модификация известных полимеров и комбинирование полимеров с различными веществами и между собой является сегодня одним из основных способов создания новых полимерных материалов. Итак, основная причина столь бурного развития полимерных композиционных материалов – это то, что традиционные «чистые» полимеры в значительной степени исчерпали свои возможности, а научно-технический прогресс требует материалы с новыми свойствами[15, с.12].
Понятно, что с ускорением научно-технического прогресса композиционные материалы занимали и занимают все большее место среди прочих материалов. Существует ряд преимуществ ПКМ над традиционными видами материалов (металлов, керамики, дерева и т.п.):
1) уникальное сочетание свойств, нехарактерное для других материалов (прочностных, деформационных, ударных, упругостных, температурных, реологических, адгезионных, электрических, фрикционных, теплопроводных и других);
2) возможность управления свойствами ПКМ путем простого изменения состава и условий получения;
3) сохранение основных достоинств полимеров:
- сравнительная легкость переработки;
- низкая плотность.
Главное из преимуществ ПКМ по сравнению с традиционными материалами – это уникальное сочетание свойств. Как правило, композиционные материалы не являются “лидерами” по отдельно взятому свойству. Но по сочетанию определенных свойств им нет равных. Например, резина не имеет такой прочности как металлы. Резина обладает высокой способностью к обратимой деформации, но каучук может развивать еще большую деформацию, чем резина. Однако по сочетанию прочности со способностью к многократным обратимым деформациям резины превосходят все остальные материалы. Можно привести другой пример. Стеклопластики или углепластики не самые прочные материалы в мире, и они далеко не самые легкие, но превосходят все другие материалы по сочетанию прочности и легкости, которая характеризуется отношением прочности к плотности материала и называется удельной прочностью[3, с.44].
Лакокрасочные материалы: их состав, основы производства и ассортимент
... материалы: полимеры - в полимерных красках, лаках, эмалях; каучуки - в каучуковых красках; производные целлюлозы - в нитролаках; олифы - в масляных красках; клеи (животный и казеиновый) - в клеевых красках; ... обладают хорошей кроющей способностью, неядовиты. Применяют для изготовления масляных, эмалевых и других наружных и внутренних красок по металлу, дереву, штукатурке. Цинковые белила (в ...
Итак, причины столь бурного развития КМ ясны. Но возникает другой вопрос, а зачем нужна наука о композиционных материалах? Давайте разберемся в этом.
Сама по себе идея получения новых материалов путем смешения известных кажется, на первый взгляд, достаточно простой и очевидной.
Например, требуется материал, сочетающий в себе свойства двух других известных материалов, следовательно, надо соединить два эти материала в один и получится то, что требуется. Такая идея проста, и приходила в голову многим ученым, и ее тысячи раз пробовали осуществить. Но положительный результат получался далеко не всегда. Все оказалось не так просто, как кажется на первый взгляд. Дело в том, что смешение двух материалов не приводит к простому сложению их свойств. Свойства многокомпонентных материалов, как правило, очень сложно зависят от состава и условий их получения. Поэтому для успешного развития композиционных материалов необходимо иметь ответы на вопросы: почему свойства материала изменяются таким, а не другим образом? Какими свойствами будет обладать материал, сочетающий в себе данные вещества? Соединение каких веществ даст требуемое сочетание свойств? А для этого нужна наука о композиционных материалах. И такая наука возникла в середине ХХ века.
Некоторые факты из истории. Зарождение науки о ПКМ относят к 50-м годам. В середине 50-х годов ВВС США решили применить в авиастроении новый класс материалов – композиты на основе новых видов волокон с высокими прочностными и упругими характеристиками – борных и углеродных. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и ВВС США фактически явились кураторами исследовательской и технологических программ в области создания композитов. Это послужило причиной быстрого развития науки о композиционных материалах или композитах, возникшей на стыке различных областей знаний. В короткие сроки были получены совершенно новые материалы с необходимым комплексом свойств, разработаны технологии их производства и методы их расчета[2, с.58].
Передовые в техническом плане отрасли промышленности, такие как ракетостроение, авиастроение, автостроение, являются лидерами в потреблении композиционных материалов.
Несмотря на успехи в области полимерных композиционных материалов, закономерности, определяющие связь состава и условий получения композиционных материалов с их структурой и свойствами, оказались настолько сложными, что очень многие из них до сих пор не ясны.
В результате, в настоящее время практические достижения в области разработки композиционных полимерных материалов значительно опережают их теоретическую интерпретацию. Но несомненно, что будущее композиционных материалов за научно обоснованным подходом. Поэтому необходимо расширение и углубление наших знаний в области ПКМ.
В 1913 году Россия была преимущественно аграрной страной. Судя по данным, представленным в Статистическом ежегоднике России за 1914 год доля городского населения России (речь идет о части Российской империи в границах современной Российской Федерации) не превышала 14,5%.
Материалы на основе полимеров для покрытия полов
... промышленности полимеров был бы немыслим. Классификация Материалы для полов делят на три группы: рулонные (линолеумы), плиточные и материалы для устройства бесшовных полов. РУЛОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Рулонные материалы для покрытия полов ... двумя способами: вальцево-каландровым (безосновный линолеум) и промазным. Для изготовления поливинилхлоридного линолеума в качестве связующего применяют поливинилхлорид. В ...
Примерно такой же уровень городского населения был и на Кавказе, и в Средней Азии, ив Финляндии, то есть практически на всех территориях, входящих в состав Российской империи. Собственно говоря, неудивительно, что в1913 году доля сельского хозяйства в «структуре народного дохода России» по разным оценкам составляла от 54 до 55,7%, а доля промышленности не превышала 29%. Доля России в мировом промышленном производстве составляла 5,3%, а лидерами были США, Германия и Великобритания. Через 100 лет доля России — 2,3%, Германия и Великобритания из числа лидеров выбыли, их место заняли Япония и Китай, да и США к 2012 году утратили свое бесспорно лидирующее положение, уступив верхнюю ступеньку пьедестала Китаю. Как свидетельствуют справочники времен существования СССР, ссылающиеся на архивные источники, «при наличии в царской России отдельных хорошо оснащенных и организованных производств технический уровень промышленности в целом оставался низким, структура ее была отсталой». Например, производство стали в пересчете на душу населения в России в 1913 году составляло 1,4 пуда, то есть 22,4 кг (в это же время в США в 14 раз больше — 20 пудов, то есть320 кг).
Доля химической промышленности в общем объеме промышленного производства России в 1913 году составляла 3%. О выпуске полимеров речь, безусловно, не шла ни в России, ни в США, ни в Европе.
Казалось бы, по сравнению с США и передовыми странами Европы в 1913 году отечественная промышленность выглядела не особенно впечатляюще.
Однако к 1920 году по сравнению с 1913 объем промышленного производства в России снизился еще в 7 раз и только в 1927 году вернулся к уровню1913 года. В 30-е годы в стране начали строить крупные химические предприятия, сначала неорганической химии, а затем и нефтехимические. И к началу Великой Отечественной войны страна имела собственное производство шин. А этот факт, во-первых, означал, что обороноспособность России выросла, и Советская армия могла своевременно осуществлять переброску войск и доставку боеприпасов и провизии, а во-вторых, и это как раз касается обсуждаемой нами темы, советские грузовики, «обутые» в советскую резину, свидетельствовали о наличии в СССР в конце 30-х годов XX века вполне сформированной нефтехимической промышленности и вполне серьезном производстве синтетических полимеров. В период с 1945 по 1960 годы ежегодный объем производства химической и нефтехимической промышленности в нашей стране увеличился в 8,4 раза [9, с.16].
Расцвет полимерной отрасли начался в 60-е годы ХХ века. Наиболее показательным с точки зрения развития отечественной отрасли полимеров является сегмент полиэтилена. Полиэтилен, хотя и получил в настоящее время необыкновенно широкое применение и любой современный человек воспринимает его как естественный элемент промышленного производства и повседневной жизни, в действительности начал производиться не так давно — во II половине ХХ века. Реальное производство полиэтилена в России началось с 60-х годов, то есть всего полвека назад. Фактически производство полиэтилена началось и достигло современного уровня развития на протяжении жизни одного поколения людей. Полиэтилен — продукт ХХ века. Именно тогда были разработаны технологии его производства, сконструировано и произведено оборудование для технологических линий по его выпуску, построены заводы, разработаны дизайн и конструкция изделий из полиэтилена, организованы каналы сбыта, сформирован рынок полиэтилена. Более того, полиэтилен сейчас относят к числу тех продуктов большой химии, по состоянию производства которых судят об уровне развития химической промышленности и, что самое главное, о глубине переработки углеводородного сырья, а следовательно, и об эффективности его использования. Каким бы катаклизмам, в том числе экономическим, не подвергалось общество, а вместе с ним и промышленность, производство полиэтилена в России сохранило тенденцию к увеличению объемов выпуска.
Изготовление пластмасс
... материалы могут быть также подразделены на: ??? — имеющие ??? ???, ??? ???, ??? — обладающие ??? ??? ???, ??? ??? … … Кроме того, в ??? ?? ??? ??? теория и практика химической промышленности выделяет: ???, ??? (3−4? 10 ???). 2. Технология изготовления пластмасс Пластмассы изготовляют из связующего вещества-полимера Полимеры ...
Естественно, эта тенденция под воздействием ряда экономических факторов, а также из-за кризисных ситуаций в определенные периоды времени, тормозилась. Однако, как показывают статистические данные, опирающиеся на пятилетний и десятилетний интервалы, производство полиэтилена в России нарастало от минимального уровня производства на опытных установках в 60-70-е годы до практически полной загрузки существующего технологического оборудования на рубеже ХХ и ХХI веков.
Сейчас в России полиэтилена выпускается почти в 2 раза больше, чем во всем СССР.
Аналитическое сообщество должно определить для себя и для специалистов отрасли, пользующихся услугами аналитиков для разработки стратегии развития бизнеса в отрасли производства и переработки полимеров, что же такое в современном понимании «среднедушевое потребление полимеров», какова суть этого понятия. Необходимо перейти на следующий уровень в понимании рынка полимеров и сформировать дефиницию «среднедушевое потребление полимеров» как комплексный показатель, включающий в себя четко дифференцированные сегменты, или изменить привычную формулировку, например, на «среднедушевое потребление термопластов и синтетических смол», или каким-либо иным образом — например, путем разработки научно-обоснованного методического подхода и путем разработки методики расчета — повысить однозначность обсуждаемого показателя. Строго говоря, столетие отечественной отрасли полимеров мы будем отмечать через четверть века, но и сейчас можем говорить о красивой дате — 75-летии. Но очень хотелось бы к 100-летнему юбилею подойти с рекордами и в расцвете. Озаботиться этим важно уже сейчас.
Применение полимеров Пластмассы различаются по своим эксплуатационным свойствам (например, пластмассы с высоким электрическим сопротивлением, атмосферо-, термо-, или огнестойкие), по природе наполнителя (например, стеклопластики, графитопласты, газонаполненные пластмассы), по способу расположения наполнителя в материале (слоистые пластики, волокниты пластмассы, состоящие из рубленого волокна, пропитанного термореактивной синтетической смолой), а также по типу полимера (например, аминопласты, белковые пластики).
В зависимости от характера превращений, происходящих с полимером при формовании, пластмассы подразделяются на реактопласты и термопласты. Реактопласты или термореактивные пластмассы, подобно обожженной глине, не способны вернуть вновь пластичное состояние. Это связано с тем, что их переработка в изделие сопровождается химическим взаимодействием между макромолекулами и образованием пространственной структуры полимера. После такой переработки реактопласты утрачивают пластичность, становясь неплавкими и нерастворимыми. Повторно переработать такой материал в новое изделие уже невозможно. Обычно реактопласты — это фенольные, карбамидные и полиэфирные смолы. Чаще всего в исходном состоянии они представляют жидкости, которые при добавлении катализатора или нагревании необратимо затвердевают вследствие образования сшитых молекул[4, с.3].
Технология производства пластмассы
... 1. Основные сырьевые материалы для производства пластмасс 1.1 Общие сведения о производстве пластмасс Пластмассы или полимеры и изделия сделанные ... вещества - они вводятся в полимерный материал для обеспечения перехода полимера от линейному к пространственному строению. ... процессов формообразования заготовки и получения готовых деталей. Процесс обработки происходит автоматизировано, с небольшим ...
Термопласты при нагревании вновь приобретают пластичность, их можно формовать многократно. Их легче превращать в готовые изделия, можно рационально обрабатывать и перерабатывать методами литья под давлением, вакуумной формовки или простой формовки. К термопластам относятся полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и АБС-полимеры.
Около двух третей всего мирового производства пластмасс составляют массовые продукты: полиэтилен, поливинилхлорид и полистирол. Основные области их применения — это строительство, упаковка, машиностроение, электротехника, транспорт. Причиной их широкого распространения служат главным образом относительно низкая цена и легкость переработки и лишь во вторую очередь свойства, которые во многом уступают свойствам более дорогих специальных веществ. В оставшейся трети преобладают полиэфирные смолы, полиуретаны, поливинилацетат, аминопласты, фенопласты, полиакрилаты и полиметакрилаты. Так называемые специальные пластмассы, например, полиформальдегид, поликарбонаты, фторполимеры, силиконы, полиамиды и эпоксидные смолы, все вместе составляют около 2%[6, с.241].
Пластмассы в строительстве могут принести огромную пользу, если их правильно использовать. Прозрачные цветные стекла из ударопрочного поливинилхлорида или бесшовно облицованные поливинилхлоридом деревянные профили не только красивы, но и устойчивы к действию агрессивной промышленной атмосферы и совершенно не нуждаются в уходе.
Краска не выцветает, окна не разрушаются, рамы не разбухают и не желтеют.
В некоторых странах изготавливают доски из вспененного сополимерацетата (этиленпропиленового каучука с полистиролом) и других пластиков.
Поскольку они устойчивы к атмосферным воздействиям, их можно применять не только в интерьерах, но и для наружных строительных деталей (например, как ворота для гаражей, для облицовки балконов и т.п.).
Трудновоспламеняющееся, погодоустойчивое акриловое стекло (акрилглас) годится для изготовления световых панелей и куполов. Ими можно застеклять большие поверхности, срок службы которых продолжителен.
Все большее значение приобретают пластмассы в строительстве трубопроводов, поскольку в этом случае не возникает проблем коррозии.
Усиленные стекловолокном трубопроводы пригодны для доставки газов под давлением 15 бар и для транспортировки химических веществ, способных вызвать коррозию. Для этих целей применяют поливинилхлорид, полиэфиры, полибутилен, полиэтилен и полипропилен.
Одноэтажные дома из пластмасс могут быть построены с применением всего двух основных типов деталей, а именно элементов стен и элементов крыши. Стены толщиной всего 8 — 10 мм состоят из двух слоев пластика полиэфира и стекловолокна, между которыми проложен жесткий пенопласт.
Звуко- и теплоизоляция соответствует кирпичной кладке толщиной 1,3 м.
Сварка, склеивание пластмасс
... метода сварки обусловлен свойствами свариваемого материала, конструкцией свариваемых деталей, требованиями к сварному соединению, условиями эксплуатации сваренной детали, а также необходимой производительностью. Сварка является ведущим способом обработки пластмасс. Совершенствование техники сварки пластмасс обеспечивает ...
Свободнонесущая конструкция полиэфирной крыши позволяет увеличить ширину пролетов между стенами, так что отпадает необходимость во внутренней опорной стене. Таким образом, вся жилая площадь становится полезной и появляется возможность ее индивидуального планирования с помощью передвижных или шкафных перегородок. Имея в распоряжении только 40 строительных деталей такой дом можно построить менее чем за 12 часов.
В Лондоне в 1966 — 1969 годах были возведены два 21-этажных здания из пластмасс с использованием стальных конструкций. Эти здания по существу представляют собой стальную этажерку с жилыми «ящиками» из пластмасс. Дома из пластмасс имеются и в других городах, например в Париже и Брюсселе. Практически не нуждаются в чистке сооружения из стекловолокна и полиэфира, они особенно хороши для промышленных установок. Годятся они и как общественные здания и гостиницы.
Пластмассы располагают идеальными возможностями для осуществления строительства из облегченных конструкций. Этот принцип выгоден тем, что позволяет значительно экономить материалы. Из многочисленных искусственных материалов в наибольшей мере отвечают требованиям строительства пенопласты. Пенопласты в равной степени могут быть хороши и как высокоэластичные, и как очень твердые материалы.
Между этими крайностями находятся полужесткие материалы, спектр применения которых простирается от кузовостроения до обувной промышленности. Из сверхтвердых «структурированных» пен можно формовать крупные детали с массивными краевыми зонами — детали автомобилей, части мебели.
Эти и другие изделия из полиуретана можно изготавливать непосредственно из вещества, получившегося в результате реакции, причем готовая продукция отвечает требованиям, предъявленным к качеству материала и его оформлению.
Пластмассы широко используются в спортивной индустрии, например их применяют в таком виде спорта, как прыжки с шестом: из пластмасс изготавливают сами шесты, а также маты, которые предохраняют спортсменов от травм при падении.
Пластмассы сказали свое слово и в производстве лыж. Первоначально лыжи делали из ясеневых и буковых досок, а также из древесины гикори (род деревьев семейства ореховых).
В 50-е годы начали применять синтетические материалы для скользящих поверхностей лыж, с 1960 года пошли в ход пластмассы армированные стекловолокном, а с 1967 года стали широко использоваться полиуретановые пенопласты. Благодаря тому, что нижняя поверхность лыж делается из полиэтилена, чешуйки которого обеспечивают необходимое сцепление со снегом, лыжник может подъемы и любые неровности размером более 35 см. Пластмассы используются для оформления спортивных площадок и стадионов. Существуют материалы заменители травы, прошедшие испытания на теннисных кортах и огромных стадионах. На первый взгляд их не отличить от настоящего газона, а по износоустойчивости они значительно превосходят его. Синтетические «травы» водонепроницаемы, устойчивы к жаре и к холоду, не вытаптываются и не гниют. Пластические массы широко применяются для изготовления беговых дорожек. Применение искусственных материалов для беговых дорожек получило официальное одобрение Всемирной федерации легкой атлетики в 1967 году, когда такие дорожки впервые были введены на Панамериканских играх в Виннипеге[11, с.59].
Полимеры в машиностроении Ничего удивительного в том, что эта отрасль главный потребитель чуть ли не всех материалов, производимых в нашей стране, в том числе и полимеров. Использование полимерных материалов в машиностроении растет такими темпами, какие не знают примера во всей человеческой истории. К примеру, в 1976 г. машиностроение нашей страны потребило
800.000 т. пластмасс, а в 1960 г. — всего 116.000 т. Интересно отметить, что еще десять лет назад в машиностроение направлялось 37 – 38% всех выпускающихся в нашей стране пластмасс, а 1980 г. доля машиностроения в использовании пластмасс снизилась до 28%. И дело тут не в том, что могла бы снизиться потребность, а в том, что другие отрасли народного хозяйства стали применять полимерные материалы в сельском хозяйстве, в строительстве, в легкой и пищевой промышленности еще более интенсивно[7, с.87].
При этом уместно отметить, что в последние годы несколько изменилась и функция полимерных материалов в любой отрасли. Полимерам стали доверять все более и более ответственные задачи. Из полимеров стали изготавливать все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, и в то же время все чаще полимеры стали применяться в изготовлении крупногабаритных корпусных деталей машин и механизмов, несущих значительные нагрузки. Ниже будет подробнее рассказано о применении полимеров в автомобильной и авиационной промышленности, здесь же упомянем лишь один примечательный факт: несколько лет назад по Москве ходил цельнопластмассовый трамвай. А вот другой факт: четверть всех мелких судов — катеров, шлюпок, лодок — теперь строится из пластических масс.
До недавних пор широкому использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали два, казалось бы, общепризнанных недостатка полимеров: их низкая (по сравнению с марочными сталями) прочность и низкая теплостойкость. Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом, стеклу и углепластикам. Так что теперь выражение «пластмасса прочнее стали» звучит вполне обоснованно. В то же время полимеры сохранили свои позиции при массовом изготовлении огромного числа тех деталей, от которых не требуется особенно высокая прочность: заглушек, штуцеров, колпачков, рукояток, шкал и корпусов измерительных приборов. Еще одна область, специфическая именно для полимеров, где четче всего проявляются их преимущества перед любыми иными материалами, — это область внутренней и внешней отделки.
То же самое можно сказать и о машиностроении. Почти три четверти внутренней отделки салонов легковых автомобилей, автобусов, самолетов, речных и морских судов и пассажирских вагонов выполняется ныне из декоративных пластиков, синтетических пленок, тканей, искусственной кожи. Более того, для многих машин и аппаратов только использование антикоррозионной отделки синтетическими материалами обеспечило их надежную, долговременную эксплуатацию. К примеру, многократное использование изделия в экстремальных физико-технических условиях (космосе) обеспечивается, в частности, тем, что вся его внешняя поверхность покрыта синтетическими плитками, приклеенными, к тому же, синтетическим полиуретановым или полиэпоксидным клеем. А аппараты для химического производства? У них внутри бывают такие агрессивные среды, что никакая марочная сталь не выдержала бы. Единственный выход — сделать внутреннюю облицовку из платины или из пленки фторопласта.
Гальванические ванны могут работать только при условии, что они сами и конструкции подвески покрыты синтетическими смолами и пластиками.
Широко применяются полимерные материалы и в такой отрасли народного хозяйства, как приборостроение. Здесь получен самый высокий экономический эффект: в среднем в 1,5 – 2,0 раза выше, чем в других отраслях машиностроения. Объясняется это, в частности, тем, что большая часть полимеров перерабатывается в приборостроении самыми прогрессивными способами, что повышает уровень полезного использования термопластов, увеличивает коэффициент замены дорогостоящих материалов.
Наряду с этим значительно снижаются затраты живого труда. Простейшим и весьма убедительным примером может служить изготовление печатных схем: процесс, не мыслимый без полимерных материалов, а с ними и полностью автоматизированный.
Есть и другие подотрасли, где использование полимерных материалов обеспечивает и экономию материальных и энергетических ресурсов, и рост производительности труда. Почти полную автоматизацию обеспечило применение полимеров в производстве тормозных систем для транспорта.
Неспроста практически все функциональные детали тормозных систем для автомобилей и около 45% для железнодорожного подвижного состава делаются из синтетических пресс-материалов. Около 50% деталей вращения и зубчатых колес изготовляется из прочных конструкционных полимеров. В последнем случае можно отметить две различных тенденции. С одной стороны, все чаще появляются сообщения об изготовлении зубчатых колес для тракторов из капрона. Обрывки отслуживших свое рыболовных сетей, старые чулки и путанку капроновых волокон переплавляют и формуют в шестерни. Эти шестерни могут работать почти без износа в контакте со стальными. Кроме того, такая система не нуждается в смазке и почти бесшумна. Другая тенденция — полная замена металлических деталей в редукторах на детали из углепластиков. У них тоже отмечается резкое снижение механических потерь, долговременность срока службы[10, с.67].
Еще одна область применения полимерных материалов в машиностроении, достойная отдельного упоминания, — изготовление металлорежущего инструмента. По мере расширения использования прочных сталей и сплавов все более жесткие требования предъявляются к обрабатывающему инструменту. И здесь тоже на выручку инструментальщику и станочнику приходят пластмассы. Но не совсем обычные: пластмассы сверхвысокой твердости, такие, которые смеют поспорить даже с алмазом. Король твердости, алмаз, еще не свергнут со своего трона, но дело идет к тому. Некоторые окислы (например, из рода фианитов), нитриды, карбиды, уже сегодня демонстрируют не меньшую твердость, да к тому же и большую термостойкость. Вся беда в том, что они пока еще более дороги, чем природные и синтетические алмазы, да к тому же им свойствен «королевский порок» — они в большинстве своем хрупки. Вот и приходится, чтобы удержать их от растрескивания, каждое зернышко такого абразива окружать полимерной упаковкой, чаще всего из фенолформальдегидных смол. Поэтому сегодня три четверти абразивного инструмента выпускается с применением синтетических смол.
Первое место по темпам роста применения пластмасс занимает сейчас автомобильная промышленность. К концу 70-х годов число используемых видов пластмасс составляло более 30.
Перечень деталей автомобиля, которые в наши дни изготовляют из полимеров, очень широк. Кузова и кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шланги, сиденья, дверцы, капот. Несколько разных фирм за рубежом объявили о начале производства цельнопластмассовых автомобилей. По химической структуре первые места по объему занимают стирольные пластики, поливинилхлорид и полиолефины. Их активно догоняют полиуретаны, полиэфиры, акрилаты и другие полимеры. Наиболее характерные тенденции в применении пластмасс для автомобилестроения:
Во-первых, это экономия материалов: безотходное или малоотходное формование больших блоков и узлов.
Во-вторых, благодаря использованию легких и облегченных полимерных материалов снижается общий вес автомобиля, а значит, будет экономиться горючее при его эксплуатации.
В-третьих, выполненные как единое целое, блоки пластмассовых деталей существенно упрощают сборку и позволяют экономить живой труд.
Полимерные материалы очень широко применяются в авиационной промышленности. К примеру: замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка крыла самолета сокращает количество деталей с 47 до 14. Крепеж упрощается — с 1464 до 8 болтов, вес снижается на 22%, а стоимость — на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%. Лопатки вентиляторов реактивных двигателей, лопасти вертолета рекомендуется делать из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами. Это позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности. При проектировании первого сверхзвукового пассажирского самолета «Конкорд» перед англофранцузскими конструкторами стояла непростая задача: при трении об атмосферу внешняя поверхность самолета будет разогреваться до 120 – 150 °С. При таком разогреве требовалось, чтобы поверхность не поддавалась эрозии в течение, по меньшей мере, 20000 часов. Довольно оригинальное решение проблемы было найдено с помощью покрытия поверхностного слоя обшивки самолета тончайшей пленкой фторопласта[8, с.103].
По английскому патенту № 2047188 покрытие несущих поверхностей самолетов или лопастей роторов вертолетов слоем полиуретана толщиной всего 0,65 мм в 1,5 – 2 раза повышает их стойкость к дождевой эрозии.
Углепластик применяется для изготовления оболочки двигателя ракет.
Такая оболочка имеет достаточную прочность на растяжение и изгиб, стойкость к вибрациям и пульсации. На трубу наматывается специальная лента из углеволокна. Для этого она предварительно пропитывается эпоксидными смолами. После того, как смола затвердеет, вспомогательный сердечник убирается и получается труба с содержанием углеволокна более двух третей. Далее заготовку наполняется ракетным топливом, к ней присоединяется отсек для приборов и фотокамер, и ракета готова к полету.
Полимеры существуют дольше, чем мы сами. На самом деле, полимеры стары как сама жизнь, поскольку вся жизнь на Земле базируется на трех типах полимеров, а именно, ДНК, РНК и протеинах. Но эта страница посвящена самым первым из синтетических полимеров, то есть полимеров, созданных руками человека, а конкретно производным целлюлозы. Самым первым синтетическим полимером, конечно же, была кожа, модифицированный природный полимер, получаемый при искусственном образовании сетчатой структуры («сшиванием») протеинов, содержащихся в шкурах животных. Дубление кожи было открыто тысячи лет тому назад, но эта страница рассказывает о некоторых синтетических полимерах, появившихся позднее. Это производные целлюлозы. Их основой также служит природный полимер, целлюлоза. Они играют особую роль в истории полимеров, поскольку их изобретение было началом всплеска в изобретении синтетических полимеров, который продолжается и в наши дни.
Производные целлюлозы являются формами целлюлозы, полимера, встречающегося в дереве, хлопке и бумаге, которые были химически изменены. Ученые впервые стали делать их во второй половине девятнадцатого века, задолго до того, как они на самом деле узнали, что такое полимеры. Самый первый из них появился, когда ученый подействовал на целлюлозу в форме хлопка азотной кислотой. В результате была получена нитроцеллюлоза. Весьма часто, как только изобретено нечто новое, первым делом мы пытаемся сообразить, каким же образом можно применить это новое изобретение, чтобы убивать людей. Так было и в случае с нитроцеллюлозой. Нитрат целлюлозы, который также называли пушечным хлопком, оказался мощным взрывчатым веществом. Вскоре нитроцеллюлоза заменила обычный порох в качестве взрывчатого заряда в боеприпасах для пушек и ружей. И нитроцеллюлоза работала так хорошо, что она была способна убить десять миллионов людей за четыре коротких года.
Заключение Развитие современного машиностроения, приборостроения и многих других отраслей промышленности невозможно без применения синтетических полимерных материалов. Это объясняется тем, что пластические материалы обладают малой плотностью и поэтому даже при небольшой прочности обладают высокой удельной прочностью, превосходя по этому важному показателю такие традиционные конструкционные материалы, как сталь, латунь и т.п. К другим ценным свойствам пластмасс следует отнести высокую химическую стойкость, диэлектричность, антифрикционную способность, а также их хорошие технологические свойства.
Технологические свойства полимерных и композиционных материалов должны обеспечивать минимальную трудоемкость изготовления деталей и конструкций. Технологичность характеризуется способностью материала приобретать заданную форму при действии различных факторов, подвергаться механической обработке, соединяться различными методами.
Использование полимеров как конструкционных материалов позволяет не только уменьшить вес деталей и узлов механизмов, но и снизить трудоемкость и себестоимость изготовления, обеспечить значительную экономию черных металлов и других материалов. Например, одна тонна полиамида в машиностроении и приборостроении заменяет 12-15 тонн черных и цветных металлов, снижает трудоемкость изготовления в 4-5 раз.
А.Д. Верхотуровым установлено, что с середины 20 века наблюдается тенденция относительного снижения использования сталей и повышения доли других материалов, в том числе и полимерных. Такая тенденция является довольно перспективной для развития многих отраслей промышленности в современных условиях возрастающего дефицита минерального сырья и ухудшающейся экологической обстановки[13, с.13].
При изготовлении деталей из пластмасс современными методами происходит изменение их размеров и формы, связанное с усадкой материала во время охлаждения. Для получения деталей и изделий заданных размеров и обеспечения требуемых значений параметров качества обработанных поверхностей их подвергают механической обработке резанием, которая является необходимой, широко распространенной и одной из ответственных операций в технологическом процессе производства деталей из пластмасс.
Получаемые при механической обработке параметры качества поверхности зачастую не соответствуют значениям, установленным в технических требованиях, что приводит к необходимости дополнительной обработки, так как именно от качества обработанной резанием поверхности в большей степени зависят надежность и долговечность функционирования деталей и механизмов.
Различия в упругих, прочностных и других свойствах, присущие различным полимерным материалам, тесно связаны с их состоянием и структурой. Изменения в состоянии и структуре определенным образом отражаются и на технологических свойствах материалов, особенно на обрабатываемости резанием.
Под обрабатываемостью резанием понимают степень легкости, с которой может быть обработана данная заготовка из пластмассы. В свою очередь, обрабатываемость заготовок из того или иного полимерного материала — понятие комплексное, ее эффективность складывается из следующих основных составляющих: интенсивность износа режущих граней инструмента; размерная точность обработки, качественные показатели обработанной поверхности; энергосиловые параметры процесса резания.
Наличие у полимерных и композиционных материалов специфичных свойств обуславливают резкое отличие процессов их механической обработки от процессов резания металлов, при этом эффективность методов обработки резанием в основном зависит от режимов обработки и используемых оборудования и режущего инструмента. Однако на практике имеются большие затруднения с достижением требуемого качества обработанной поверхности деталей из полимерных материалов обычными методами обработки.
Технологических методов, специально предназначенных для обработки капролона, недостаточно и они имеют невысокую эффективность. Это приводит к необходимости разработки новых оригинальных способов обработки деталей из пластмасс, сущность которых заключается в направленном изменении свойств обрабатываемого материала в зоне резания с целью обеспечения благоприятных условий для получения обработанной поверхности высокой точности и качества.
Таким образом, задача повышения качественных показателей поверхностей полимерных и конструкционных материалов после механической обработки, в том числе на основе новых технологических решений, является актуальной.
В настоящее время пластмассы получили широчайшей распространение. Причиной такого распространения являются их низкая цена и легкость переработки, а также свойства, которые в некоторых случаях уникальны. Пластмассы применяют в электротехнике, авиастроении, ракетной и космической технике, машиностроении, производстве мебели, легкой и пищевой промышленности, в медицине и строительстве, — в общем, пластмассы используются практически во всех отраслях народного хозяйства. Пожалуй, единственная область, где использование пластмасс пока ограничено — это техника высоких температур. Но в скором времени они проникнут и сюда: уже получены пластмассы, выдерживающие температуры 2000-2500°C. Развитие химических технологий, помогающих создавать вещества с заданными свойствами, позволяет сказать, что пластмассы один из важнейших материалов будущего.
Высокотемпературные термопласты отличаются высокими по сравнению с другими (инженерными и промышленными) термопластами значениями механических характеристик, остающимися постоянными в широком диапазоне температур. Так, в частности, полиэфирэфиркетон при плотности всего 1,3…1,4 г/см3 обладает пределом прочности на растяжение 110…130 МПа, на изгиб – 170…190 МПа в интервале рабочих температур С; полифениленсульфид при плотности 1,30…1,35 г/см3 обладает пределом прочности на растяжение 100…110 МПа, на изгиб – 140…150 МПа в интервале рабочих температур -40…+230°С. Еще более повышает механические характеристики подобных термопластов их наполнение дискретными стекло- и углеволокнами. Подобные пластики отличаются также высокой ударной вязкостью при отрицательных температурах, чрезвычайно малым водопоглащением, высокой химической стойкостью к широкой номенклатуре реагентов, низкой электропроводностью, высокой магнитной проницаемостью, высокой стойкостью к ультрафиолетовому излучению. Стоимость же подобных пластиков с учетом материалоемкости равнопрочных конструкций и применения стандартного сортамента материала ниже стоимости целого ряда нержавеющих сталей и сплавов.
Все это позволяет рассматривать обозначенный класс пластиков в качестве перспективных альтернативных материалов для изготовления деталей шасси и корпусов-оболочек погружаемых гидроакустических приборов. В востребованном интервале глубин от 100 до 600 метров названные материалы способны обеспечить требуемую прочность корпусов гидроакустических приборов с наилучшим соотношением материалоемкости и обеспечиваемой прочности.
