12. Неметаллические конструкционные материалы.

    Большинство таких материалов относится к обширному классу строительных материалов, из которых изготавливают (в числе прочих сооружений) многие технологические агрегаты и узлы централизованных (иногда и локальных) установок.

    Для защиты конструкций от действия кислот (кроме плавико­вой и кремнефтористоводородной) используют изверженные по­роды — гранит, андезит,  базальт, сиенит и др. Для защиты от действия щелочей применяют плотные осадочные карбонатные породы (известняки, доломиты, магнезиты). Хрупкость, твердость и дороговизна обработки таких материалов (природного камня) привели к созданию искусственного каменного литья, в том числе на основе вторичных промышленных материалов. Плиты из лис­тового шлакоситалла, например, с успехом используют как в агрес­сивных рабочих средах, так и при действии механических нагрузок. Спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также спеканием ряда оксидов и других неорганических мате­риалов получают керамику, изделия из которой (кирпич, плитка, а также трубы) применяют для возведения многих самостоятель­ных сооружений и для защиты различных конструкций от воз­действия сильноагрессивных сред. Из керамики изготавливают

    Абсорберы, емкости, насадочные тела, а так же различную арматуру. Иногда для этих целей используют фарфор.

    К обожженным материалам относятся различные сорта шамот­ного и динасового кирпича — изделия из огнеупорных материалов, стойкие до 1000—1700 "С. Динасовый кирпич изготавливают из из­мельченного кремнезема (кварцитов) смешением с 2—2,5 % извести и последующим формованием, сушкой, обжигом. Шамот относится к группе алюмосиликатных огнеупорных материалов и состоит из глинозема (28—45 %) и измельченного шамота (заранее обожженной до спекания огнеупорной глины). Алюмосиликатные и кремнезе­мистые материалы составляют преобладающую часть (около 95 %) огнеупорных материалов. Их применяют для сооружения тепловых агрегатов и печей, в том числе для термических процессов перера­ботки и сжигания различных промышленных и бытовых отходов.

    Из щебня и песка — природных материалов — изготавливают бетонные изделия. В качестве вяжущих веществ применяют раз­личные цементы или жидкое стекло (с добавкой ускорителей твердения). Кислотоупорный бетон стоек к воздействию органи­ческих и минеральных кислот (за исключением горячей фосфор­ной, плавиковой и кремнефтористоводородной), кислых раство­ров солей и агрессивных газов.

    В строительных технологических сооружениях, в частности предназначенных для очистки сточных вод, наиболее часто при­меняют железобетон, в котором сочетаются два различных по свойствам материала — бетон (для сопротивления сжимающим усилиям) и сталь, предназначенная для восприятия растягиваю­щих нагрузок. В нашей стране создана единая номенклатура сбор­ных железобетонных элементов для монтажа почти всех емкост­ных сооружений и введена в действие серия «Унифицированные сборные железобетонные конструкции водопроводных и канали­зационных емкостных сооружений», в которой число типоразмеров конструкций сокращено до 120. Применение крупноразмер­ных типовых железобетонных элементов позволяет основную часть работ по возведению сооружений перенести со строитель­ной площадки на специализированное предприятие с высокоор­ганизованным технологическим процессом. На рис. 2.1 в качестве примера показаны железобетонные сооружения, в которых ис­пользованы типовые железобетонные элементы. 

    Для изготовления гидроизоляционных защитных и декоратив­ных покрытий, полов промышленных зданий, элементов подзем­ных сооружений, а также при ремонте бетонных изделий находят широкое применение полимербетоны и полимержелезобетоны. Композиции таких материалов составляют с использованием по­лимерных связующих (фурфуролацетоновых, полиэфирных, карбамидных, фураноэпоксидных и других смол). В некоторых случаях на поверхность готовых изделий из бетона или железобетона наносит слой полимерного материала, например листового поэлителена.

    Высокой термической устойчивостью (до 400 °С) и химической стойкостью в органических и минеральных кислотах (кроме фос­форной и плавиковой) отличаются изделия из боросиликатного (термостойкого) стекла. Стекло используют как самостоятельный и футеровочный конструкционный материал, в частности для из­готовления трубопроводов, водомерных стекол, смотровых фона­рей и т. д. В строительных нормах указаны размеры стеклянных труб, фасонных частей к ним и параметры сред, которые можно транспортировать по таким трубам, перечислены отрасли народ­ного хозяйства, где наиболее целесообразно применять стекло.

. Неметаллические конструкционные материалах и их классификация

Классификация полимеров. Для удобства изучения связи состава, структуры со свойствами полимеров их можно классифицировать по различным признакам (составу, форме макромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву). По составу все полимеры подразделяют на органические, элементоорганические, неорганические.

Органические полимеры составляют наиболее обширную группу соединений. Если основная молекулярная цепь таких соединений образована только углеродными атомами, то они называются карбоцепными полимерами. Углеродные атомы соединены с атомами- водорода или органическими радикалами.

В гетероцепных полимерах атомы других элементов, присутствующие в основной цепи, кроме углерода, существенно изменяют свойства полимера. Так, в макромолекулах атомы кислорода способствуют повышению гибкости цепи, что приводит к увеличению эластичности полимеров (например, для волокон, пленок), атомы фосфора и ,хлора повышают огнестойкость, атомы серы придают газонепроницаемость (для герметиков, резин), атомы фтора, даже в виде радикалов, сообщают полимеру высокую химическую стойкость и т. д.

Некоторые карбоцепные и гетероцепные полимеры могут иметь сопряженную систему связей, например:

... сн = сн - сн = сн - сн = сн ...

Энергия сопряженной связи 100 — 110 ккал/моль выше одинарной, .поэтому такие полимеры более устойчивы при нагреве.

Органическими полимерами являются смолы и каучуки. Элементоорганические соединения содержат в составе, основной цепи неорганические атомы кремния, титана, алюминия и других элементов, которые сочетаются с органическими радикалами (метальный, фенильный, этильный). Органические радикалы придают материалу прочность и эластичность, а неорганические атомы сообщают повышенную теплостойкость. В природе таких соединений не встречается. Представителями этой группы являются кремнийорганические соединения, разработанные советским ученым К.. А. Андриановым. Строение этих соединений в основном имеет вид

R R

I I

• Si—О — Si— •

I I

R R

Между атомами кремния и кислорода существует прочная химическая связь; энергия силоксановой связи Si — О равна 89,3 ккал/моль. Отсюда и более высокая теплостойкость кремнийорганических смол, каучуков, хотя их упругость и эластичность меньше, чем у органических. Полимеры, содержащие в основной цепи титан и кислород, называются полититаноксанами.

К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла, керамика, слюда, асбест. В составе- этих соединений углеродного скелета нет. Основу неорганических материалов составляют окислы кремния, алюминия, магния, кальция и др.

В силикатах существуют два типа связей: атомы в цепи соединены ковалентными связями (Si - О), а цепи между собой - ионными связями. Свойства этих веществ можно изменять в широких пределах, получая, например, из минерального стекла волокна и эластичные пленки. Неорганические полимеры отличаются более высокой плотностью, высокой длительной теплостойкостью. Однако стекла и керамика хрупкие, плохо переносят динамические нагрузки. К неорганическим полимерам относится также графит, представляющий собой карбоцепной полимер.

Применение

5. Полимеры в сельском хозяйстве

Сегодня можно говорить, по меньшей мере, о четырех основных направлениях использования полимерных материалов в сельском хозяйстве. И в отечественной и в мировой практике первое место принадлежит пленкам. Благодаря применению мульчирующей перфорированной пленки на полях урожайность некоторых культур повышается до 30%, а сроки созревания ускоряются на 10-14 дней. Использование полиэтиленовой пленки для гидроизоляции создаваемых водохранилищ обеспечивает существенное снижение потерь запасаемой влаги. Укрытие пленкой сенажа, силоса, грубых кормов обеспечивает их лучшую сохранность даже в неблагоприятных погодных условиях. Но главная область использования пленочных полимерных материалов в сельском хозяйстве - строительство и эксплуатация пленочных теплиц. В настоящее время стало технически возможным выпускать полотнища пленки шириной до 16 м, а это позволяет строить пленочные теплицы шириной в основании до 7,5 и длиной до 200 м. В таких теплицах можно все сельскохозяйственные работы проводить механизированно; более того, эти теплицы позволяют выращивать продукцию круглогодично. В холодное время теплицы обогреваются опять-таки с помощью полимерных труб, заложенных в почву на глубину 60-70 см.

С точки зрения химической структуры полимеров, используемых в тепличных хозяйствах такого рода, можно отметить преимущественное использование полиэтилена, не пластифицированного поливинилхлорида и в меньшей мере полиамидов. Полиэтиленовые пленки отличаются лучшей светопроницаемостью, лучшими прочностными свойствами, но худшей погодоустойчивостью и сравнительно высокими теплопотерями. Они могут исправно служить лишь 1-2 сезона. Полиамидные и другие пленки пока применяются сравнительно редко.

Другая область широкого применения полимерных материалов в сельском хозяйстве - мелиорация. Тут и разнообразные формы труб и шлангов для полива, особенно для самого прогрессивного в настоящее время капельного орошения; тут и перфорированные пластмассовые трубы для дренажа. Интересно отметить, что срок службы пластмассовых труб в системах дренажа, например, в республиках Прибалтики в 3-4 раза дольше, чем соответствующих керамических труб. Вдобавок использование пластмассовых труб, особенно из гофрированного поливинилхлорида, позволяет почти полностью исключить ручной труд при прокладке дренажных систем.

Два остальных главных направления использования полимерных материалов в сельском хозяйстве - строительство, особенно животноводческих помещений, и машиностроение.

Овцы в синтетических шубах

Овца, как известно, животное неразумное. Особенно - меринос. Знает ведь, что шерсть нужна хозяину чистой, а все-таки то в пыли изваляется, то, продираясь по кус там, колючек на себя нацепляет. Мыть и чистить овечью шерсть после стрижки - процесс сложный и трудоемкий. Чтобы упростить его, чтобы защитить шерсть от загрязнения, австралийские овцеводы изобрели попону из полиэтиленовой ткани. Надевают ее на овцу сразу после стрижки, затягивают резиновыми застежками. Овца растет, и шерсть на ней растет, распирает попону, а резинки слабеют, попона все время как по мерке сшита. Но вот беда: под австралийским солнцем сам полиэтилен хрупким становится. И с этим справились с помощью аминных стабилизаторов. Осталось еще приучить овцу не рвать полиэтиленовую ткань о колючки и заборы.

Нумерованные животные

Начиная с 1975 года весь крупный рогатый скот, а также овцы и козы в государственных хозяйствах Чехословакии должны носить в ушах своеобразные сережки - пластмассовые таблички с указанием основных данных о животных. Эта новая форма регистрации животных должна заменить применявшееся ранее клеймение, что признано специалистами негигиеничным. Миллионы пластмассовых табличек должны выпускать артели местной промышленности.

Микроб - кормилец

Комплексную задачу очистки сточных вод целлюлозно-бумажного производства и одновременного производства кормов для животноводства решили финские ученые. Специальную культуру микробов выращивают на отработанных сульфитных щелоках в специальных ферментаторах при 38° С, одновременно добавляя туда аммиак. Выход кормового белка составляет 50-55%; его с аппетитом поедают свиньи и домашняя птица.

Синтетическая травка

Традиционно принято многие спортивные мероприятия проводить на площадках с травяным покрытием. Футбол, теннис, крокет... К сожалению, динамичное развитие спорта, пиковые нагрузки у ворот или у сетки приводят к тому, что трава не успевает подрасти от одного состязания до другого. И никакие ухищрения садовников не могут с этим справиться. Можно, конечно, проводить аналогичные состязания на площадках, скажем, с асфальтовым покрытием, но как же быть с традиционными видами спорта? На помощь пришли синтетические материалы. Полиамидную пленку толщиной 1/40 мм (25 мкм) нарезают на полоски шириной 1,27 мм, вытягивают их, извивают, а затем переплетают так, чтобы получить легкую объемную массу, имитирующую траву. Во избежание пожара к полимеру загодя добавляют огнезащитные средства, а чтобы из-под ног у спортсменов не посыпались электрическое искры - антистатик. Коврики из синтетической травы наклеивают на подготовленное основание - и вот зам готов травяной корт или футбольное поле, или иная спортивная площадка. А по мере износа отдельные участки игрового поля можно заменять новыми ковриками, изготовленными по той же технологии и того же зеленого цвета.

6. 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 прецедента во всей человеческой истории. К примеру, в 1976 1. машиностроение нашей страны потребило 800000 т пласт масс, а в 1960 г. - всего 116 000 т. При этом 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 снизится 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.

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 стекло 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, к тому же приклеенными 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 (безотходность и отходность) 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, вдобавок 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.

Еще одна область применения полимерных материалов в машиностроении, достойная отдельного упоминания, - изготовление металлорежущего инструмента. По мере расширения использования прочных сталей н 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.

Таковы лишь некоторые примеры и основные тенденции внедрения полимерных материалов в подотрасли машиностроения. Самое же первое место по темпам роста применения пластических масс среди других подотраслей занимает сейчас автомобильная промышленность. Десять лет назад в автомашинах использовали от 7 до 12 видов различных пластиков, к концу 70-х годов это число перешагнуло за 30. С точки зрения химической структуры, как и следовало, ожидать, первые места по объему занимают стирольные пластики, поливинилхлорид и полиолефины. Пока еще немного уступают им, но активно догоняют полиуретаны, полиэфиры, акрилаты и другие полимеры. Перечень деталей автомобиля, которые в тех или иных моделях в наши дни изготовляют из полимеров, занял бы не одну страницу. Кузова и кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шланги, сиденья, дверцы, капот. Более того, несколько разных фирм за рубежом уже объявили о начале производства цельнопластмассовых автомобилей. Наиболее характерные тенденции в применении пластмасс для автомобилестроения, в общем, те же, что и в других подотраслях. 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.

Кстати, те же преимущества стимулируют и широкое применение полимерных материалов в авиационной промышленности. Например, замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка крыла самолета позволяет сократить количество деталей с 47 до 14, крепежа - с 1464 до 8 болтов, снизить вес на 22%, стоимость - на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%. Лопасти вертолета, лопатки вентиляторов реактивных двигателей рекомендуют изготовлять из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами, что позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности. 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. Жесткие требования были поставлены перед конструкторами первого англо-французского сверхзвукового пассажирского самолета “Конкорд”. Было рассчитано, что от трения об атмосферу внешняя поверхность самолета будет разогреваться до 120-150° С, и в то же время требовалось, чтобы она не поддавалась эрозии в течение по меньшей мере 20000 часов. Решение проблемы было найдено с помощью поверхностного покрытия защиты самолета тончайшей пленкой фторопласта.

Пластмассовые ракеты

Оболочку двигателя ракет изготавливают из углепластика, наматывая на трубу ленту из углеволокна, предварительно пропитанную эпоксидными смолами. После отвердения смолы и удаления вспомогательного сердечника получают трубу с содержанием углеволокна более двух третей, достаточно прочную на растяжение и изгиб, стойкую к вибрациям и пульсации. Остается начинить заготовку ракетным топливом, приладить к ней отсек для приборов и фотокамер, и можно отправлять ее в полет.

Пластмассовый шлюз

На одном из каналов в районе Быгдощи установлен первый в Польше (а вероятно, и первый в мире) цельнопластмассовый шлюз. Работает шлюз безукоризненно. Пластмассовые элементы рассчитаны на более чем 20-летний срок эксплуатационной службы. Конструкции же из дубовых балок приходилось менять каждые 6 лет.

Сварка без нагрева

Как прикрепить друг к другу две пластмассовые панели? Можно приклеить, но тогда необходимо оборудовать рабочее место системой вентиляции. Можно привинтить или приклепать, но тогда надо загодя сверлить отверстия. Можно приварить, если обе панели термопластичны, но и тут без вентиляции не обойтись, да к тому же из-за локальных перегревов соединение может оказаться продеструктировавшим и непрочным. Самый лучший способ и оборудование для него разработала французская фирма “Брансон”. Генератор ультразвука мощностью 3 кВт, частотой 20 кГц, “звуководы” - сонотроды - и все. Наконечник сонотрода, вибрируя, проникает сквозь верхнюю из скрепляемых деталей толщиной до 8 мм. погружаются в нижнюю и увлекает за собой расплав верхнего полимера. Энергия ультразвуковых колебаний превращается в тепло лишь локально, получается точечная сварка.