строительные материалы. Контрольная. 1 модуль Понятия и определения Раздел Сырье для производства строительных материалов 8
 Скачать 25.66 Kb.
|
|
1 модуль: «Понятия и определения» Раздел 2. «Сырье для производства строительных материалов» 8. Сырье для производства строительной керамики: основные свойства, способы обработки и улучшения свойств. Сырьевыми материалами для производства керамических изделий являются каолины и глины, применяемые в чистом виде, а чаще - в смеси с добавками (отощающими, порообразующими, плавнями, пластификаторами) Под каолинами и глинами понимают природные водные алюмосиликаты с различными примесями, способные при замешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое после обжига необратимо переходит в камнеподобное состояние. Основные свойства: Пластичность. Пластичностью глины называют ее свойство во влажном состоянии принимать под влиянием внешнего воздуха желаемую форму без образования разрывов и трещин и сохранять полученную форму при сушке и обжиге. Отвердевание глины при высыхании и усадка. Особенность глиняного теста - способность отвердевать при высыхании на воздухе. Прочность высушенной глины обусловлена действием ван-дер-ваальсовых сил и цементацией зерен минералов ионами примесей. Силы капиллярного давления стягивают частицы глины, препятствуют их разъединению, вследствие этого происходит воздушная усадка. При насыщении водой мениски исчезают, прекращается действие капиллярных сил, частицы свободно перемещаются в избытке воды, и глина размокает. Переход глины при обжиге в камневидное состояние. Муллит придает обожженному керамическому изделию водостойкость, прочность, термическую стойкость. С его образованием глина необратимо переходит в камневидное состояние. Вместе с образованием муллита расплавляются легкоплавкие составляющие глины, цементируя и упрочняя материал. Спекаемость. Спекаемостью глин называют их свойство уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок. Основы производства керамических изделий. Процесс изготовления керамических изделий состоит из подготовки формовочной массы и процессов формования, сушки и обжига. Подготовка формовочной массы заключается в дроблении, удалении вредных примесей, помоле, гомогенизации и при необходимости в сушке. Различают сухую подготовку (сырье размалывается и смешивается в сухом состоянии) и влажную (с добавлением воды). По способу формования различают прессованные, литые, экструдированные, штампованные и другие керамические изделия. Выбор способа формования определяется, прежде всего, пластичностью формовочной массы, а пластичность во многом зависит от количества воды, содержащейся в смеси. Способы улучшения внешнего вида керамических изделий.Механическая обработка заключается в использовании специальных приспособлений, позволяющих получать рельефный рисунок в процессе или после формования изделий. Глазурование – это нанесение на лицевую поверхность изделий тонкого блестящего стекловидного (эмалевидного) слоя толщиной 0,1…0,3 мм, закрепленного обжигом. Глазурь закрывает поры, сглаживает шероховатости поверхности, придавая ей гладкий и блестящий вид. По составу и физическим свойствам глазури представляют собой разновидности стекол. В их составе используются кварцевый песок, глина, полевой шпат, тальк, соли и оксиды различных металлов (калия, лития, бора, свинца, олова и др.). Для получения глазурного состава все компоненты размалывают в порошок, разводят водой и в виде суспензии наносят на поверхность обожженных или необожженных изделий перед обжигом путем поливания, окунания или пульверизации. В процессе обжига глазурь расплавляется, растекается по поверхности и при охлаждении превращается в стекловидный слой. Различают прозрачные и непрозрачные (глухие), глянцевые, матовые, белые, цветные, тугоплавкие, легкоплавкие и другие глазури. Ангобирование – это нанесение на лицевую поверхность изделий тонкого цветного слоя толщиной 1,0…1,5 мм из беложгущихся, цветных глин или смеси глины, флюсующих добавок, заполнителя и пигментов с последующим обжигом. Для лучшего сцепления ангоба с поверхностью в его состав вводят органическое связующее. В отличие от глазури ангоб не дает при обжиге расплава, т.е. не образует стекловидного слоя, поэтому цветная поверхность получается матовой. В старину на Руси такое покрытие называлось побела. Керамические краски представляют собой смесь окрашивающих (пигменты), стеклообразующих (флюсы) и оттеночных компонентов. В качестве пигментов используют оксиды и соединения кобальта, хрома, железа, кремния, алюминия, золота, серебра и др. Для нанесения красок на изделие в порошок добавляют вязкую среду, представляющую собой масла или водорастворимые полимеры. Для декорирования керамики применяют три типа керамических красок: подглазурные, надглазурные и внутриглазурные (межглазурные). При сериографии рисунок наносится непосредственно на изделие с помощью сетчатых трафаретов (одного или нескольких), через которые продавливают краску. При этом поверхность трафарета покрывается пленкой, кроме отверстий, соответствующих рисунку. В русском языке прижилось и второе название такой технологии – шелкография, т.е. процесс декорирования, при котором рисунок печатается сквозь шелковую сетку или подобный экран. Позднее эти способы получили определенное совершенствование каждый в своем направлении, но сохранив общую технологическую базу. Через один трафарет-сетку в том и другом случае можно наносить лишь одну краску. Для многоцветной печати применяют два и более трафарета. В настоящее время сконструированы установки с автоматическим нанесением рисунков таким методом со скоростью 60…120 плиток в минуту. Разными производителями керамических изделий применяются и другие способы декорирования, имитирующие мрамор, матовое стекло, грубую ткань, дерево и др. 2 модуль: «Строительные материалы, получаемые термической обработкой сырья» 5. Керамзит. Производство, свойства, применение. Керамзит свойства применениеКерамзит — лёгкий, с большой степенью пор, материал нашедший широкое применение в строительстве. Производится посредством обжига глины. Часто для этих же целей используют глинистый сланец. Получаемый в результате керамзитовый гравий приобретает овальную, неоднородную форму. Существует также понятие: керамзитовый щебень – отличием материала становится лишь его геометрия, “шарики” больше похожи на кубики с острыми гранями и не ровными углами. Не редко, материал можно встретить в виде керамзитового песка, в таком случае, шарики совсем маленькие, получают их путем дробления, они менее пористые и более твердые. Песчаные гранулы часто становятся составляющим материалом в цементных растворах, применяемых в строительстве. Различают керамзит по трем фракциям: 5-10 мм, 10-20 мм, 20-40 мм. Производится керамзит из глиняных пород, включающих в состав порядка 30% кварца и железистые примеси около 10%, а также органические включения. Именно поэтому материал по сути является природным и естественным, но приготовлен он искусственным методом. В зависимости от того, какому обжигу подвергалась глина или сланец, керамзит получают с диапазоном объёмной массы — от 350 до 600 кг/м³ и выше если речь заходит о керамзитовом песке. Как делают керамзит?Родителем керамзита, и мы уже это заметили, является специальная глинистая порода. Суть процесса основывается на хорошо известном свойстве глины – вспучиваться в процессе нагревания. Особые пирогенные печи, похожие на барабаны, которые вращаются по кругу под некоторым углом задействованы в приготовлении керамзита. Гранулы сырца обжигаются до получения определенной структуры. Глиняные шарики под наклоном устремляются к горящему факелу. Получив тепловой удар порядка 1200 градусов, глиняный состав вскипает и вспучивается. Снаружи материал оплавляется и приобретает коричневый цвет. Затем происходит один из важнейших этапов: охлаждение. Процесс состоит из нескольких этапов. Наверняка строители знают, что существует такой термин, как «коэффициент вспучивания грунтов», именно этот принцип и заложен в процесс волшебства превращения глиняной массы в керамзит. Сам обжиг имеет продолжительность около 45 минут. 34. Основные компоненты полимерных композиционных материалов и их роль. Композиционные материалы (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик. Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы – металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы – полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям. Полимерные композиционные материалы Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000 долларов. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ. Стеклопластики Полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей – куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось – она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом. Стеклопластики – достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п. Углепластики Наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря. На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы – наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000° С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование. Боропластики Композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30% стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики. Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды. Органопластики Композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40–70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров – полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. – варьируется в значительно больших пределах – от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе. Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты. Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т.д. Полимеры, наполненные порошками Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H.Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола – вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал – бакелит – приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя – пресс-порошок - под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это – ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются по сей день. Сейчас применяются разнообразные наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал. Применяют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п. По-прежнему широко применяют органические наполнители – древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал. Текстолиты Слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов – покрытия для кухонных столов – трудно переоценить. Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие – на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон – хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов. |