100 знаменитых изобретений
Шрифт:
Реактопласты из-за сетчатой структуры приходится перерабатывать горячим прессованием. При горячем прессовании смесь полимера с добавками засыпают в горячую пресс-форму, состоящую из неподвижной подставки, по форме которой сходной с формой прессуемых изделий, и подвижного поршня-пуансона. После загрузки смеси пресс-форму закрывают и начинают давить на смесь пуансоном. Нагреваясь, смесь становится пластичной и под давлением заполняет пресс-форму. Затем при нагревании и под действием повышенного давления (а иногда на воздухе при обычных температурах) протекает реакция сшивания макромолекул, которую часто называют отверждением. Таким образом, реактопласт
Постепенно масса затвердевает, и изделие вынимают из прессформы.
Таким способом можно изготавливать детали любой формы. Помимо полимера в состав пластмасс могут входить различные добавки: наполнители, пластификаторы, красители.
Наполнители придают пластмассе прочность, термостойкость, высокое электрическое сопротивление. В качестве наполнителя используют волокна, ткани, опилки и другие материалы. Если в качестве наполнителя используют ткань, то такие пластмассы называют текстолитами. Ткань, выступая в роли каркаса, значительно повышает прочность пластмассы.
Применение наполнителей снижает стоимость пластмасс, поскольку они дешевле самого полимера.
Пластификаторы увеличивают пластичность материала и готовой пластмассы. Пластификатором обычно выступают молекулы низкомолекулярного органического вещества. Его молекулы внедряются между молекулами полимера, ослабляя связи между ними. Это позволяет формовать пластмассу при более низкой температуре.
С помощью добавок можно придать пластмассам необходимые свойства. Так, вводя в состав пластмасс вещества, которые при нагревании разлагаются с образованием газов, получают газонаполненные пластмассы – пенопласты и поропласты.
Газ внутри пенопластов образует замкнутые полости. В поропластах материал пронизан сообщающимися друг с другом сквозными порами. Газонаполненные пластмассы образуют целое семейство. Среди них есть жесткие, твердые, эластичные. Они прекрасные тепло– и звукоизоляторы. Удельный вес пено– и поропластов значительно ниже, чем у дерева и пробки.
В стеклопластиках используется для упрочнения стекло в виде волокон, жгутов, матов, коротких волоконец. Связующим полимером могут быть эпоксидные и полиэфирные смолы, полиамиды, полипропилен и другие.
Существуют пластмассы, в которых роль усиливающих элементов играют углеродные, борные волокна. Их называют углепластиками, боропластиками.
Пенопласты, стеклопластики, а также слоистые пластмассы называют собирательным термином – композиционные материалы.
В начале XX в. во всем мире производилось всего несколько тысяч тонн пластмасс – очень мало по сравнению с другими конструкционными материалами – металлами, деревом, цементом, стеклом.
В XX в. производство полимеров превысило по объему производство стали и цветных металлов. Очень важно сравнивать эти показатели именно по объему, поскольку плотность синтетических полимеров значительно ниже, чем плотность металлов. Самый легкий металл – алюминий, его плотность 2,3 г/см3, железа – 7,8 г/см3. Плотность большинства полимеров колеблется от 0,9 г/см3 (плотность полипропилена) до 1,4 г/см3 (плотность поливинилхлорида). Следовательно, при равной массе объем полимеров примерно в 5–7 раз больше объема стали.
С каждым годом прирост выпуска полимеров постоянно растет, а выпуск металлов фактически стабилизировался.
По
1) пластмассы намного легче железа. При создании новых самолетов, автомобилей, кораблей, машин и механизмов, бытовых приборов и других конструкций это крайне важно: возрастают грузоподъемность, производительность, мощность, экономится топливо;
2) пластмассы не ржавеют, а из-за коррозии железа и стали почти треть ежегодно добываемого металла идет на замену проржавевшего;
3) трущиеся детали из пластмасс работают гораздо бесшумнее металлических, требуют меньше смазочных материалов или не требуют их вовсе. Это, в конечном итоге, тоже экономит энергию;
4) существует еще одна причина, пожалуй, наиболее важная: практически в любой отрасли промышленности, где для производства различных изделий применяют синтетические полимеры, они обеспечивают рост производительности труда, позволяют снизить энергетические и материальные затраты.
Пластмассы успешно заменяют дерево, натуральные волокна, керамику. Изделия из них легче формовать, производство пластмасс дает меньше отходов, они более долговечны. Помимо того, из-за резкого возрастания населения Земли возникла нехватка натуральных материалов.
Сырье для производства полимеров станет (или уже стало) дефицитным, поэтому нужно научиться его экономить. Ученые уже сейчас работают над этой проблемой в четырех направлениях.
1. Упрочнение материала для уменьшения его расхода. Из более прочного материала можно сделать изделие с более тонкими стенками, более тонкую пленку или волокно. Одно из основных направлений повышения прочности – создание композитов. Не исчерпаны также резервы повышения качества полимеров за счет направленной кристаллизации, ориентации.
В качестве примера можно взять полиэтилен.
Полиэтиленовая пленка легко рвется, ее прочность при растяжении всего 20 МПа. Но специально ориентированные при вытяжке высококристаллические волокна и пленки из полиэтилена могут иметь прочность до 200 МПа.
2. Стабилизация для увеличения срока службы. Полимерам не страшна ржавчина, но им свойственно старение. Под действием ультрафиолетовых лучей, кислорода воздуха, влаги они темнеют, растрескиваются, становятся хрупкими. Со старением полимеров борются, вводя в них различные стабилизаторы – добавки, замедляющие процессы старения. Полиэтиленовая пленка без стабилизаторов служит один сезон, стабилизованная – три сезона. Хотя стоимость стабилизаторов высока.
3. Утилизация отходов. Отходы полиэтиленовой пленки собирают и пускают на вторичную переработку. Вторичный полиэтилен уступает по свойствам «свежему», но находит широкое применение. «Вторичный» капрон получают из чулок и носков.
Изделия из реактопластов нельзя вновь расплавить. Сначала ученые искали способы их разложения химическими или биологическими методами. Но это энергетически не выгодно. Возможный путь – использование размолотых полимеров в виде наполнителей для композитов.
4. Наполнить для того, чтобы разбавить. Во многих случаях в полимерные материалы можно вводить дешевые минеральные наполнители: мел, тальк, глиноземы, песок, цементную пыль, вулканическое стекло, отходы производства волокон и т. п. Многие из этих веществ уже используют для наполнения реактопластов. Когда полимер образует трехмерную сетку, он цепко удерживает частицы наполнителя. Материал при этом приобретает прочность, твердость, расход полимера снижается.