Материаловедение: конспект лекций

Алексеев Виктор Константинович

Пластические массы и другие неметаллические материалы обладают рядом превосходных физико—химических, механических и технологических свойств, что обусловило их широкое распространение в различных отраслях промышленности – машиностроении, электротехнике, электронике и др. Как конструкционный материал пластические массы все более вытесняют дорогостоящие металлы. Применение пластических масс дает возможность постоянно совершенствовать конструкции. Оснащение машин и оборудования, а также частичная комплектация различных узлов позволяют снизить их массу, улучшить надежность и долговечность работы, повысить производительность. Для производства пластмасс требуется в 2–3 раза меньше капитальных вложений, чем для производства цветных металлов. Исходными

материалами для получения пластических масс служат дешевые продукты переработки каменного угля, нефти и природного газа. Пластмассы подвергают армированию для улучшения механических свойств. Для изготовления различных деталей, работающих в механизмах трения (скольжения) с небольшими нагрузками и скоростями, применяются такие неметаллические материалы, как антифрикционные полимерные и пластмассовые материалы. Эти материалы обладают небольшим коэффициентом трения, высокой износостойкостью, химической стойкостью, могут работать без смазки. Однако низкая теплопроводность, значительный (в десятки раз больше, чем у металлов) коэффициент термического расширения, небольшая твердость и высокая податливость ограничивают возможности их широкого использования. Более эффективно они применяются в комбинации с другими материалами, металлами и пластмассами.

Кроме того, в качестве фрикционных неметаллических материалов применяются тормозные тканые асбестовые ленты и фрикционные асбестовые накладки – формованные, прессованные, тканые, картонно—бакелитовые и спирально—навивные, которые могут эксплуатироваться во всех климатических зонах. Фрикционные асбестовые накладки применяются для узлов трения автомобилей, самолетов, тракторов, металлорежущих и текстильных станков, подъемно—транспортного оборудования и тепловозов. Ресурс таких неметаллических накладок, работающих в узлах трения, достаточно высок. Например, для автомобилей с дизелями он составляет 6000 моточасов, легковых автомобилей – 125 000 км, грузовых автомобилей – 75 000 км. Тормозные тканые асбестовые ленты применяются в качестве накладок в тормозных и фрикционных узлах машин и механизмов с поверхностной температурой трения до 300 °C.

Неметаллические материалы широко применяются в различных отраслях промышленности и хозяйства в целом.

2. Полимеры: строение, полимеризация и поликонденсация, свойства

В настоящее время трудно представить себе медицину без полимерных систем для переливания крови, медицинскую аппаратуру – без прозрачных полимерных трубок, предметы ухода за больными – без резиновых грелок, пузырей для льда и т. д. Значительно обогатить ассортимент материалов, применяемых в медицине, позволили синтетические полимеры.

Полимеры существенно отличаются от металлов и сплавов: их молекулы вытянуты в длинные цепочки, в результате чего полимеры имеют высокую молекулярную массу. Молекулы полимеров получают из исходных низкомолекулярных продуктов – мономеров – полимеризацией и поликонденсацией. К полимерам поликонденсационного типа относятся фенолформальдегидные смолы, полиэфиры, полиуретаны, эпоксидные смолы. К высокомолекулярным соединениям полимеризационного типа относятся поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол, полипропилен. Высокополимерные и высокомолекулярные соединения являются основой органической природы – животных и растительных клеток, состоящих из белка.

Для изготовления многих медицинских изделий широко применяют как полимерные материалы, в основе которых лежит природное сырье, так и искусственные – синтетические и полимерные материалы. Из полимерных материалов естественного происхождения изготовляют большинство перевязочных средств: вату, марлю и изделия из них, алигнин, а также нити шовных материалов (хирургический шелк). Полимеры являются основой пластмасс, используемых при изготовлении различных инструментов, частей медицинской аппаратуры и оборудования.

Широкое применение в различных отраслях промышленности и хозяйства в целом нашли такие полимеры, как фенолформальдегидные жидкие и твердые смолы. Фенол—формальдегидные жидкие смолы резольного типа – продукт поликонденсации фенола и формальдегида в присутствии катализатора с добавкой модифицирующих и стабилизирующих веществ или без них – поставляются в виде однородной прозрачной жидкости от красновато—коричневого до темно—вишневого цвета со средней плотностью 1,2 г/см ³. Применяются при производстве теплозвукоизоляционных изделий, фанеры, древесностружечных и древесноволокнистых плит, абразивных инструментов на гибкой основе, стеклопластиков, асботехнических и асбофрикционных изделий, углепласта для шахтных крепей и др. Марки смол: СФЖ–303, СФЖ–305 и т. д.

Твердые фенолформальдегидные смолы новолачного и ре—зольного типов – продукты поликонденсации фенолов (или их фракций) и формальдегида в присутствии катализатора с добавкой модифицирующих веществ или без них. Выпускаются в виде порошка, чешуек и крошки. Применяются для получения резиновых смесей, прессовочных масс, слоистых пластиков, лаковых токопроводящих суспензий, антикоррозионных лакокрасочных материалов и клеев, в качестве связующих для абразивных изделий и оболочковых форм, при изготовлении поропласта, при производстве масляных лаков для лакокрасочной и пищевой промышленности. Выпускаются следующие марки смол: СФ–010А, СФ–010, СФ–010М (модифицированная), СФ–014 и т. д.

3. Пластмассы: термопластичные, термореактивные, газонаполненные

Пластмассы – пластические массы – это материалы, полученные на основе высокомолекулярного органического соединения – полимера, выполняющего роль связующего и определяющего основные технические свойства материала В зависимости от эластичности пластмассы делят на три группы: жесткие, модуль упругости 700 Мпа, до 70 МПа Пластмассы выпускаются монолитными в виде термопластичных и термореактивных и газонаполненными – ячеистой структуры. К термопластичным пластмассам относят полиэтилен низкого давления, полипропилен, ударопрочный полистирол, АБС—пластики, поливинилхлорид, стеклопластики, полиамиды и др.

К термореактивным пластмассам относятся: жесткие пенополиуретаны, аминопласты и др.

К газонаполненным пластмассам относятся пенополиуретаны – газонаполненный сверхлегкий конструкционный материал.

Термопластичная пластмасса – полиэтилен низкого давления – продукт полимеризации этилена, получаемый при низком давлении с использованием комплексных металлоор—ганических катализаторов. Базовые марки этого полиэтилена: 20108–001, 20208–002, 20308–005 и т. д. Плотность полиэтилена – от 0,931 до 0,970 г/см ³.

Ударопрочный полистирол – продукт сополимеризации стирола с каучуком или другим пластификатором, обладающий более высокими механическими свойствами, чем полистирол общего назначения. Он обладает высокой твердостью, прочностью к ударным нагрузкам, эластичностью, сопротивлением на разрыв, стоек к действию температуры в пределах от +65 до–40 °C.

Аминопласты – термореактивные пластмассы – прессовочные карбамидо—и меламиноформальдегидные массы, получаемые на основе аминосмол с использованием наполнителей (органических, минеральных или их сочетания), окрашивающих и модифицирующих веществ. Их теплостойкость по Мартену составляет не менее 100–180 °C, ударная вязкость – 3,9—29,4 КДж/м ² (4—30 кгс x см/см ²), усадка – 0,2–0,8 %, удельное объемное электрическое сопротивление – 1? 10 ¹¹ —1 x 10 ¹² Ом x см. Из аминопластов путем горячего прессования изготовляют изделия бытового, технического и электротехнического назначения. Всего выпускается 11 марок аминопластов: КФА–1, КФБ–1 и т. д.