Модуль 5. Конструкційні матеріали

Розділ 5.1. Неметалеві конструкційні матеріали

Розділ 5.2. Металеві конструкційні матеріали

5.2.1. Легкі конструкційні метали

5.2.2. Метали родин феруму і купруму

5.2.3. Металічні сплави

Розділ 5.1. Неметалеві конструкційні матеріали Полімерні матеріали

Полімери – особливий вид макромолекулярних сполук, побудованих з великої кількості (полі-) сполучених між собою хімічними зв’язками залишків (елементарних ланок) вихідних низькомолекулярних сполук – мономерів (-мер).

За походженням полімери поділяють на природні (деревина, бавовна, вовна, натуральний каучук, азбест, целюлоза тощо), синтетичні (поліетилен, полістирол, поліаміди тощо) і модифіковані (целофан, віскоза). Cинтетичні полімери одержують шляхом полімеризації та поліконденсації.

Полімеризація – це реакція сполучення великого числа молекул низькомолекулярних речовин (мономерів) без виділення побічних продуктів і зміни елементарного складу. Цим методом одержують поліетилен, полівінілхлорид, поліізобутилен тощо.

Поліконденсація – процес сполучення молекул однакової або різної будови, який супроводжується, як правило виділенням низькомолекулярних речовин.

Високомолекулярні речовини можна одержати також методом хімічних перетворень, який ґрунтується на хімічних реакціях, де у готові високомолекулярні речовини вводять нові функціональні групи, або старі групи заміщають новими, або відбувається зшивання макромолекул чи їх деструкція. Хімічні перетворення направлені на формування в полімерах нових структур і надання нових властивостей.

За хімічним складом полімери діляться на органічні, елементоорганічні й неорганічні. Основну масу складають органічні полімери: смоли і каучук. Їх молекулярний ланцюжок в основному утворений атомами Карбону. Атоми різних елементів, які вводяться в основний ланцюг, додають полімерам специфічні властивості (Оксиген – гнучкість, Флуор – хімічну стійкість, Хлор – вогнестійкість). До складу основного ланцюга елементоорганічних полімерів входять неорганічні атоми Кремнію, Титану, Алюмінію тощо. До цього класу відносяться більш теплостійкі смоли, каучуки, але менш пружні й еластичні, ніж органічні полімери. Основою неорганічних полімерів є оксиди кремнію, алюмінію, магнію та інших металів. До них відносяться силікатне скло, кераміка, слюда, азбест, графіт, що відрізняються щільністю, крихкістю і тривалою теплостійкістю.

За поведінкою при нагріві полімери поділяють на термопластичні й термореактивні. Термопластичні полімери (поліетилен, поліпропілен, капрон, найлон) при підвищених температурах розм’якшуються, а при знижених – тверднуть. Їх можна переробляти у вироби неодноразово, структура полімерів лінійна або розгалужена. Термореактивні полімери (пластмаси на основі формальдегідних сечовиноальдегідних полімерів) на першому етапі переробки у вироби мають лінійну структуру і при нагріві розм’якшуються. При зростанні температури макромолекули «зшиваються», полімер твердне і залишається твердим, тобто можлива лише одноразова його переробка.

Багато полімерів характеризуються малою щільністю і теплостійкістю, а також високою хімічною і корозійною стійкістю, достатньою міцністю, пружністю, еластичністю, високою технологічністю. Це добрі електроізоляційні матеріали, що мають оптичні властивості. Полімери схильні до теплового, світлового, озонного і атмосферного старіння – процесу самовільної необоротної зміни властивостей. При цьому полімери або розм’якшуються, або підвищують свою твердість і крихкість.

Специфічні властивості полімерів зумовлені двома особливостями:

1) існуванням двох типів зв’язків – хімічних і міжмолекулярних, які утримують макромолекулярні ланцюги один біля одного;

2) гнучкістю ланцюгів, яка пов’язана зі здібністю полімерних ланцюгів змінювати свою конформацію (форму молекул) шляхом простого повороту ланок ланцюга без розриву хімічних зв’язків.

Пластмасами називають матеріали, що мають складну будову і містять щонайменше три групи речовин: основу, або зв’язуючий матеріал (синтетичні полімерні смоли); пластифікатори – речовини, що сприяють створенню тістоподібного стану матеріалів; наповнювачі – речовини (подрібнений азбест, деревина, графіт, скловолокно тощо), що надають матеріалу механічних і теплових властивостей; допоміжні матеріали (стабілізатори, барвники).

Серед полімерних конструкційних матеріалів найбільш практичне застосування в промисловості мають термопласти: поліетилен, поліпропілен, вініпласт, фторопласт, полістирол та реактопласти на основі фенолформальдегідних, поліефірних та епоксидних смол.

Поліетилен випускають двох видів: високого тиску (ПЕВТ) та низького тиску (ПЕНТ). ПЕНТ має більш високу щільність, міцність ніж ПЕВТ. Поліетилен розчиняється в ароматичних вуглеводнях (бензолі, толуолі, ксилолі) і не розчиняється у воді, спиртах, стійкий до дії кислот і лугів. Поліетилен використовують для виготовлення ізоляційних проводів, кабелів, ненавантажених деталей, ємностей, труб.

Поліпропілен більш жаростійкий, міцний, теплостійкий та хімічно стійкий матеріал, ніж поліетилен, однак поступається поліетилену по морозостійкості. За звичайної температури не розчиняється в органічних розчинниках, але при нагріванні вище 80⁰С розчиняється в бензолі, толуолі; стійкий до дії кислот і лугів. Поліпропілен використовують у виробництві текстильних виробів, плівок, конструкційних деталей, труб і різних ємкостей.

Вініпласт (полівінілхлорид) має високу хімічну стійкість та фізико-механічні властивості. Його використовують для виготовлення труб, ємностей, вентиляторів, електроізоляторів, деталей хімічної апаратури, запірної арматури. Поліетилен, поліпропілен, особливо, вініпласт добре обробляються й зварюються.

Полістирол – твердий, жорсткий і прозорий аморфний пластик, який характеризується високою жаро- і хімічною стійкістю. Розчиняється в бензолі, стійкий до слабких кислот, лугів, спиртів, не розчиняється в мастилах і бензині. Полістирол використовують для виготовлення корпусних деталей методами лиття під тиском, пресуванням.

Фторопласти мають виключно високу хімічну стійкість проти кислот, лугів, окисників і розчинників; не змочуються водою; характеризуються низьким коефіцієнтом тертя. На відміну від поліетилену, поліпропілену та вініпласту вони не зварюються, склеюються тільки після спеціальної обробки. Фторопласти застосовують для виготовлення деталей хімічного машинобудування, підшипників ковзання, як антифрикційні покриття на метали.

Капрон – цінний хімічно інертний полімер для виготовлення машино- і приладобудівних деталей, а також для виробництва високоміцного волокна.

Епоксидні смоли – синтетичні в’язкі рідини специфічної будови, які здатні в спеціальних умовах перетворюватися на тверді неплавкі й нерозчинні полімерні речовини. Такі в’язкі рідини добре змішуються з будь-якими наповнювачами, а потім тверднуть, набуваючи будь-якої заданої наперед форми. Всі ці якості полімеру роблять їх досить зручними для використання в технології машинобудування. Епоксидні смоли є основою епоксидних клеїв, які використовують для склеювання металів та інших матеріалів.

Склопластики на основі поліефірних та епоксидних смол, які армовані скложгутом, застосовують для виготовлення газоходів, ємностей для хімічно-агресивних середовищ тощо.

Скло органічне використовують для скління машин та приладів, виготовлення кожухів, корпусів. Окрім вищевказаних матеріалів, у хімічному машинобудуванні використовують поліаміди, капрон, капролон, поліакрилати, поліформальдегід для виготовлення підшипників ковзання, зубчастих коліс, антифрикційних матеріалів.

Полікарбонат (дифлон) використовують для труб, вентилів; поліуретани – для зносостійких деталей, які працюють при температурі від –60⁰С до +100⁰С.

Гума, як конструкційний матеріал, відрізняється високими еластичними властивостями, міцністю, водо- і газонепроникливістю, діелектричними та іншими цінними властивостями. Розрізняють гуми м’які й ебоніт. З гумових сумішей виготовляють рукавиці, шланги, амортизатори, прокладки, транспортерні стрічки, приводні ремні та інші вироби. Ебоніт в основному використовується для виготовлення електротехнічних виробів. Гуму широко застосовують для гумування хімічної апаратури, труб та іншого обладнання. Синтетичні полімери відрізняються від металів такими характеристиками: більшою стійкістю в агресивних середовищах; низькою щільністю; високою стійкістю проти стирання; високими діелектричними й теплоізоляційними властивостями; здатністю поглинати й гасити вібрацію; стійкістю проти низьких температур до 77 К; простотою виготовлення; належними водовідштовхувальними властивостями. Однак ці матеріали мають недоліки, серед яких слід відмітити: незадовільну стійкість проти механічних навантажень і дій; схильність до деструкційних процесів; обмеженість експлуатаційних, температурних інтервалів; чутливість проти дії органічних розчинників, зокрема набрякливість, що прискорює деструкцію матеріалів, тощо.