3.7 Неметаллические материалы

3.7.1 Общие сведения о классификации неметаллических материалов

В машиностроении и, в частности в автомобилестроении широко применяются полимеры – вещества, состоящие из макромолекул, представляющие собой длинные и тонкие гибкие цепи атомов. Полимеры могут быть природными и синтетическими, а в зависимости от компонентов, входящих в состав макромолекул, различают органические и неорганические полимеры.

Органические полимеры содержат атомы углерода, которые способны соединяться между собой и с атомами других химических элементов (кислородом, водородом, азотом, хлором и др.), образуя сложные молекулы с большим числом атомов.

В состав макромолекул элементоорганических соединений, помимо атомов органических элементов, входят атомы таких химических элементов, как кремний, титан, алюминий.

Неорганические полимеры содержат в основном окислы и бескислородные соединения различных металлов, таких как кремний, алюминий, магний, титан, бор и молибден.

В зависимости от взаимного расположения атомов в макромолекулах различают полимеры с линейной, разветвленной и сетчатой структурой. Полимеры с линейной структурой эластичны, при нагревании размягчаются, растворимы в органических растворителях. Полимеры с сетчатой структурой обладают наибольшей прочностью и теплостойкостью.

Органические полимеры могут быть термопластичными и термореактивными. Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются, а при охлаждении затвердевают, и так бесконечное число раз. Термореактивные полимеры в начальном состоянии имеют линейную структуру, которая по мере увеличения температуры и времени выдержки переходит в сетчатую, полимер затвердевает, и повторное его нагревание не сопровождается размягчением.

Одним из существенных недостатков органических полимеров и материалов на их основе является то, что с течением времени они могут изменять свои свойства — стареть. Старение полимеров — самопроизвольное необратимое изменение основных его характеристик, происходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в полимерах со временем. Старение приводит к изменению механических, технологических и физических свойств, появлению трещин, короблению и расслаиванию материалов, изготовленных на основе полимеров. Основным способом борьбы со старением полимерных материалов является введение в их состав ингибиторов — антистарителей.

В зависимости от свойств и применения материалы, получаемые на основе

полимеров, можно разделить на следующие группы:

• пластические массы;

• каучуки и резины;

• лаки, эмали и пленки;

• синтетические клеи и герметики;

• композиционные материалы.

Материалы на основе полимеров обладают широким комплексом свойств, позволяющих использовать их на транспорте в качестве конструкционных, электро-, тепло- и звукоизоляционных и антифрикционных материалов.

3.7.2 Пластические массы

Пластическими массами (пластмассами) называют материалы на основе природных или синтетических высокомолекулярных соединений, из которых получают изделия методами пластической деформации путем нагревания и давления. Они сохраняют свою форму после охлаждения и отверждения.

В состав пластмасс входят:

• основа — полимерное связующее (смолы);

• наполнители;

• катализаторы;

• пластификаторы;

• стабилизаторы;

• красители и другие добавки.

На рисунке 3.2 представлена классификация пластмасс.

Термопласты производят на основе термореактивных смол — полиэфиров: фенолформальдегидных, аминоальгидных, эпоксидных, полиамидных, кремнийорганических, ненасыщенных. Пластмассы на основе этих смол отличаются повышенной прочностью, не склонны к ползучести и способны работать при повышенных температурах. Термопласты обычно изготовляют без наполнителя. Из большой группы таких пластмасс основными являются: полиэтилен, поливинилхлорид, полиамиды (нейлон, капрон), полистирол, органическое стекло, фторопласт-4. Из термопластов изготовляют литьевые, пленочные и листовые изделия, которые обладают хорошими электроизоляционными свойствами, химически стойки в агрессивных средах и к атмосферным воздействиям, отличаются высокой стойкостью к истиранию, вибрации. Однако термопласты обладают хладотекучестью, поэтому изделия из них не могут долго работать под напряжением вследствие понижения их прочности.

Реактопласты характеризуются отсутствием хладотекучести, большой теплостойкостью и нерастворимостью в обычных рас­творителях. Основу реактопластов составляют смолы: фенолфор- мальдегидная, эпоксидная, кремнийорганическая и др.

Рисунок 3.2 Классификация пластмасс

В зависимости от формы частиц наполнителя реактопласты можно разделить на следующие группы: порошковые, волокнистые и слоистые. В качестве порошковых наполнителей применяют древесную муку, молотый кварц, слюду, асбест и др. Порошковые пластмассы применяют для несиловых конструкционных и электроизоляционных деталей.

К пластмассам с волокнистыми наполнителями относятся волокниты, асбоволокниты, стекловолокниты. Волокиты применяют для изготовления деталей общего технического назначения (рукояток, фланцев, шкивов и др.), асбоволокниты используют в качестве материала тормозных устройств, стекловолокниты — для изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения.

Слоистые пластмассы являются силовыми конструкционными и поделочными материалами. К ним относятся гетинакс, текстолит, древеснослоистые пластики (ДСП), асботекстолит, стеклопластики. Гетинакс используют в качестве прокладок или плат для приборов электрооборудования, внутренней облицовки пассажирских кабин самолетов, железнодорожных вагонов, кают судов, в строительстве. Текстолит как конструкционный материал применяют для зубчатых колес газораспределительного вала.

Древеснослоистые пластики имеют высокие физико-механические свойства, низкий коэффициент трения. Они с успехом заменяют текстолит и цветные сплавы. ДСП применяют при изготовлении внутренних панелей автобусов, сидений автомобилей.

Асботекстолит является одновременно конструкционным, фрикционным и термоизоляционным материалом. Из него изготавливают фрикционные диски, тормозные колодки, лопатки ротационных бензонасосов.

Промышленность выпускает большое число марок стекло­пластиков для различного применения с разными наполнителями (стеклоткань или стеклянный шпон) и связующими. Они отличаются большим разнообразием свойств, однако все обладают высокой прочностью, низкой плотностью, высокими электро-, тепло- и звукоизоляционными свойствами, химической стойкостью. Их применяют в качестве несущих деталей летательных аппаратов, для изготовления автоцистерн, железнодорожных вагонов, корпусов лодок и др.

К газонаполненным пластмассам относятся пенопласты, поропласты и сотопласты. Они отличаются чрезвычайно низкой плотностью и высокими теплозвукоизоляционными свойствами.

Газонаполненные пластмассы используют как амортизаци­онный материал в сидениях автомобилей, а также в качестве теплоизоляционных материалов, например в цельнометаллических рефрижераторных полуприцепах, для звукоизоляции кабин тракторов, экскаваторов и других машин.

3.7.3 Каучуки и резины. Резина — продукт вулканизации композиции, содержащей связующее вещество — натуральный или синтетический каучук.

В конструкции современных автомобилей используют несколько сот изделий, выполненных из резины. Это шины, каме­ры, шланги, уплотнители, герметики, детали для электро- и виброизоляции, приводные ремни и т. д. Их масса составляет до 10 % от общей массы автомобиля.

Широкое применение резиновых изделий в автомобиле­строении объясняется их уникальными свойствами:

• эластичностью;

• способностью поглощать ударные нагрузки и вибрацию;

• низкой теплопроводностью и звукопроводностью;

• высокой механической прочностью;

• высокой сопротивляемостью к истиранию;

• высокой электроизоляционной способностью;

• газо- и водонепроницаемостью;

• устойчивостью к агрессивным средам;

• низкой плотностью.

Основное свойство резины — обратимая эластичная деформация — способность многократно изменять свою форму и размеры без разрушения под воздействием сравнительно неболь­шой внешней нагрузки и вновь возвращаться в первоначальное состояние после снятия этой нагрузки.

Подобным свойством не обладают ни металлы, ни древесина, ни полимеры.

На рисунке 3.3 приведена классификация резины.

Резину получают вулканизацией резиновой смеси, в состав которой входят:

• каучук;

• вулканизирующие агенты;

• ускорители вулканизации;

• активаторы;

• противостарители;

• активные наполнители или усилители;

• неактивные наполнители;

• красители;

• ингредиенты специального назначения.

Рисунок 3.3 Классификация резин

Натуральный каучук — природный полимер, представляющий собой непредельный углеводород — изопрен (С₅Н₈).

Натуральный каучук добывают главным образом из млечного сока (латекса) каучуконосных растений, в основном из бразильской гевеи, в котором его содержится до 40 %.

Для выделения каучука латекс обрабатывают уксусной кислотой, под действием которой он свертывается, и каучук легко отделяется. Затем его промывают водой, прокатывают в листы, сушат и коптят для устойчивости против окисления и действия микроорганизмов.

Производство натурального каучука (НК) требует больших затрат и не покрывает промышленных потребностей. Поэтому наибольшее распространение получил синтетический каучук (СК). Свойства СК зависят от строения и состава.

Изопреновый каучук (обозначается СКИ) по своему составу и строению близок к натуральному каучуку, по некоторым показателям уступает ему, а по каким-то превосходит. Резина на основе СКИ отличается газонепроницаемостью, достаточной стойкостью против воздействия многих органических растворителей,

масел. Существенные его недостатки — низкая прочность при высоких температурах и низкая озоно- и атмосферостойкость.

Бутадиен-стирольный (СКС) и бутадиен-метилстирольный (СКМС) СК наиболее широко используются в автомобилестроении. Резины на основе этих каучуков имеют хорошие прочностные свойства, высокое сопротивление изнашиванию, газонепроницаемость, морозо- и влагостойкость, однако нестойки при воздействии озона, топлива и масел.

Резина на базе бутадиенового каучука (СКД) эластична, износостойка, имеет хорошие физико-механические свойства при низких температурах, однако существуют трудности при переработке резиновых смесей. Она имеет недостаточно прочную связь с металлокордом при производстве армированных изделий.

Из СК специального назначения бутадиен-нитрильный (СКН) каучук отличается высокой бензомаслостойкостью, сохраняет свои свойства в широком интервале температур, обеспечивает прочную связь с металлами, поэтому применяется для изготовления металлорезиновых изделий, работающих в контакте с нефтепродуктами. Недостаток — быстрое старение.

Резины на основе фторкаучука (СКФ) и акрилатного каучука (АК) обладают очень высокими прочностными свойствами, стойки к воздействию топлив, масел, многих других веществ, высоких температур, однако низкая морозостойкость ограничивает их применение. Комплексом положительных свойств обладают силиконовые каучуки. Молекулы СК являются полимерными цепями с небольшим числом боковых ответвлений. При нагревании с некоторыми вулканизирующими веществами между молекулами каучука образуются химические связи — «мостики», что резко изменяет механические свойства смеси. Чаще всего в качестве вулканизирующего ингредиента используют серу (1—3 %).

Чаще всего в качестве вулканизирующего ингредиента используют серу (1—3 %). Для ускорения вулканизации в резиновую смесь добавляют ускорители и активаторы.

Чрезвычайно важным ингредиентом резины являются наполнители. Активные наполнители резко усиливают прочностные свойства резины. Чаще всего роль активного наполнителя выполняет технический углерод (сажа). Введение технического углерода делает резину более прочной, повышает износостойкость, упругость, твердость. Неактивные наполнители (мел, асбестовая мука и др.) служат для увеличения объема резиновой смеси, что удешевляет изготовление резины, но ее физико-механических свойств не улучшают (некоторые наполнители даже ухудшают).

Пластификаторы (мягчители) облегчают приготовление резиновой смеси, формование изделий, а также улучшают эластичность резины при низких температурах. В качестве пластификаторов используют высококипящие фракции нефти, каменноугольную смолу, растительные масла, канифоль, синтетические смолы. Для замедления процессов старения резины и увеличения ее ресурса в состав резиновой смеси вводят противостарители (антиокислители, стабилизаторы).

Особая роль отводится армирующим наполнителям. Они не входят в состав резиновой смеси, а вводятся на стадии формования изделия. Текстильная или металлическая арматура снижает нагрузку на резиновое изделие, ограничивает его деформацию. Изготавливают такие армированные резиновые изделия, как шланги, приводные ремни, ленты, автопокрышки, где для усиления прочности используют текстильный и металлический корды.

Подбором соответствующих каучуков, рецептуры резиновой смеси, условий вулканизации создают материалы, имеющие определенные свойства, что позволяет получать изделия, обладающие различными эксплуатационными свойствами, причем устойчиво сохраняющие свои качества продолжительное время и обеспечивающие функциональное назначение деталей и работо­способность узлов и агрегатов.

Из отработавших резинотехнических изделий изготовляют по специальной технологии регенерат, который добавляют в резиновую смесь в качестве заменителя части каучука. Однако резина, в состав которой входит регенерат, не отличается хорошими эксплуатационными свойствами, а потому из нее изготовляют изделия (коврики, ободные ленты), к которым не предъявляют высоких технических требований.

Контрольные вопросы:

1. Какие материалы относятся неметаллическим, что такое полимеры?

2. В чем разница между термопластичными и термореактивными материалами?

3. По какому признаку классифицируют пластмассы?

4. Что такое резины и каучуки, из каких материалов делают покрышки для шин автомобилей?