5.2.4 Сохранение и замена материалов

Воздействие окружающей среды ухудшает качество материала, происходит его старение и преждевременное разрушение. К существенному разрушению металлов приводит коррозия, древесина под действием влаги подвергается гниению, каучуки с течением времени растрескиваются и теряют эластичность. Для сохранения срока службы материалов применяют различные средства защиты.

По некоторым оценкам, ежегодные потери железа вследствие коррозии составляют 15% от объема мирового производства стали. Это означает, что каждая седьмая домна работает вхолостую и зря загрязняет окружающую среду. Для защиты от коррозии применяется целый ряд разнообразных методов, среди которых самыми распространенными являются применение химически стойких сплавов и защита поверхности металла различными покрытиями. Антикоррозийными свойствами обладают нержавеющие стали, содержащие дорогостоящие хром (до 18%) и никель (до 10%). Для экономии этих элементов разработаны десятки разновидностей сталей, в которых снижено содержание хрома (около 1%) и никеля (0,7%) и присутствуют небольшие добавки фосфора и меди. На поверхности изделий из таких сталей формируется защитный слой, предохраняющий металл от разрушения.

Покрытия, применяющиеся для защиты металлов, подразделяются на металлические (пленки из хрома, никеля, алюминия и др.) и неметаллические (лаки, краски, эмали, полимеры).

Сохранение древесины основано на применении различных лаков, пропиток, специальных способах сушки и т.д.

Все нежелательные изменения структуры эластомеров, в результате которых ухудшаются эксплутационные характеристики изделий, объединяют общим термином старение. Старение эластомеров связано преимущественно с распадом молекулярных цепей (деструкцией) под действием тепла, света, излучения высоких энергий, механических напряжений, кислорода, озона и других окислительных агентов. Основным химическим агентом, вызывающим старение полимеров, является молекулярный кислород. Для устранения или частичной нейтрализации процессов старения в каучуки и резины вводят стабилизаторы, антиоксиданты и другие модифицирующие добавки.

Замена материалов производится обычно в двух случаях: при дефиците старого материала и при получении нового материала, более эффективного по свойствам и себестоимости. Так, полимеры и пластмассы на их основе явились ценными заменителями многих природных материалов – металлов, дерева, кожи, клеев и т.д. Ускоренное развитие техники, сельского хозяйства, транспорта в XX веке связано со стремительным ростом производства и потребления синтетических полимеров. Производство и переработка пластиков менее энергоемки, чем производство и переработка металлов, пластики намного легче, чем металлы, не подвержены коррозии. Преимущества пластмасс вполне очевидны: 1 т пластмасс в машиностроении экономит 5 – 6 т металлов. На изготовление изделий из пластмасс требуется меньше времени, чем на изготовление тех же изделий из металлов.

Замена древесины началась еще в первой половине XX в. Появились фанера, древесноволокнистые и древесностружечные плиты. Древесина вытесняется алюминием и пластмассами в производстве строительных конструкций, предметов быта, лодок, игрушек и т.д.

Большое будущее у композиционных материалов. Композиционными (от лат. compositio – сложение) называются материалы, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. Это стеклопластики, биметаллы, сталежелезобетон, металлокерамика и др. Композиционные материалы характеризуются свойствами, которыми не обладает ни один компонент в отдельности. По многих эксплутационным характеристикам они превосходят обычные конструкционные материалы.

Однако при замене материалов необходимо учитывать не только экономический эффект. Все большее давление на производство и на экономику в целом оказывает экология. Производство и применение любого продукта начинают рассматривать и с экологической точки зрения, учитывая все стадии существования материала вплоть до его конечного уничтожения.

Например, высокая химическая стойкость синтетических пластиков препятствует разложению отходов под воздействием природных факторов (солнечной радиации, влаги, кислорода и др.). Происходит грандиозное накопление пластических отходов на суше и на море. Утилизация этих отходов дорогостояща и не всегда эффективна. Поэтому замена материалов должна быть экологически обоснованной. Так, уже приостановился рост производства поливинилхлорида (ПВХ), в котором содержится экологически нежелательный хлор. Во многих областях применения ПВХ стал заменять экологически более чистый полипропилен. Следует ожидать постепенного вытеснения из обихода традиционных фенолформальдегидных смол, полиуретанов, эпоксидных смол. Однако их замена на экологически более чистые материалы требует огромной исследовательской работы во многих областях естествознания.