ЛЕКЦИЯ №8. Неметаллические материалы Пластмассы Резины Стекла

Название	Неметаллические материалы Пластмассы Резины Стекла
Дата	20.09.2022
Размер	2.52 Mb.
Формат файла
Имя файла	ЛЕКЦИЯ №8.pptx
Тип	Документы #686928

Неметаллические материалы

Пластмассы
Резины
Стекла
Ситаллы

Неметаллические материалы – это органические, и неорганические полимерные материалы: различные виды пластических масс, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, а также графит, стекло, керамика.

Полимерами называются высокомолекулярные химические

соединения, состоящие из многочисленных

элементарных

звеньев (мономеров), представляющих собой одинаковую группу атомов и связанных между собой химическими связями.

По природе все полимеры можно разделить на две группы – природные и синтетические. Полимеры, встречающиеся в природе – органические вещества растительного (хлопок, шелк, натуральный каучук и др.) и животного (кожа, шерсть и др.) происхождения, а также минеральными веществами (слюда, асбест, естественный графит, природный алмаз и др.). Синтетические полимеры получают из простых веществ путем химического синтеза.

По способу получения полимеры делят на полимеризационные и поликонденсационные.
Полимеризация – процесс химического соединения большого числа молекул мономера в одну большую молекулу полимера без изменения элементарного состава мономера. В процессе полимеризации не происходит выделения побочных продуктов реакции. По элементному составу полимер и мономер идентичны.
Поликонденсация – процесс образования полимера из молекул разных мономеров в результате химических реакций с выделением побочных продуктов реакции. Элементный состав полимера отличается от состава участвовавших в реакции поликонденсации мономеров.
По составу все полимеры подразделяют на органические, элементоорганические, неорганич еские.

Формы макромолекул полимеров

В зависимости от взаимной ориентации макромолекул поли- меры могут находиться в аморфном или кристаллическом состояниях.
В аморфном состоянии полимер имеет упорядоченное строение только в пределах участков, размеры которых соизмеримы с размерами звеньев цепи макромолекул, т.е. в аморфных полимерах соблюдается ближний порядок.
В кристаллических полимерах соблюдается не только ближний, но и дальний порядок на расстояниях, во много раз превышающих размеры звеньев цепи макромолекул полимера.
По отношению к электрическому полю (по полярности) полимеры подразделяются

полярные

неполярные.

могут находиться в трех физических

Полимеры

стеклообразном

(аморфном или

кристаллическом), высокоэластичном и вязкотекучем (жидком).

Стеклообразное состояние (аморфное, кристаллическое) - твердое состояние, имеет фиксированное расположение макромолекул. Атомы звеньев молекул находятся только в колебательном движении у положения равновесия, движение звеньев и перемещение молекул не происходит.
Высокоэластичное состояние характеризуется подвижностью звеньев или групп звеньев в цепи макромолекул при отсутствии перемещения цепи в целом, даже при небольших нагрузках.
С увеличением температуры полимер переходит в вязкотекучее, подобное жидкому, состояние, но отличается от него повышенной вязкостью. Энергия теплового движения макромолекул превышает силы межмолекулярного взаимодействия, и макромолекулы свободно перемещаются под действием даже небольших усилий.

полимеров — разрушение

Деструкция

при воздействии одного или

нескольких из факторов окружающей среды — тепла, влаги, света, радиации, механических напряжений, химических, биологических и других факторов.

Радиационная стойкость полимеров. Под действием ионизирующих излучений в полимерах происходят ионизация и возбуждение, которые сопровождаются разрывом химической связи и образованием свободных радикалов. Наиболее важными являются процессы сшивания или деструкции.
Вакуумстойкость полимеров. Вакуум действует на полимерные материалы по-разному. Ухудшение их свойств связано с выделением из материала различных добавок (пластификаторов, стабилизаторов) и протеканием процессов деструкции.
Газопроницаемость – техническая характеристика, определяющая поток газа или пара через уплотнитель (мембраны, диафрагмы, герметичные прокладки).
Абляция полимерных материалов – это разрушение материала, сопровождающееся уносом его массы при воздействии горячего газового потока.
Адгезией называется слипание разнородных тел, приведенных в контакт. Адгезия обусловлена межмолекулярным взаимодействием.

Пластические массы (далее – пластмассы) – это синтетические материалы, получаемые на основе органических и элементо- органических полимеров.
По составу пластмассы могут быть простыми (термопласты – химические полимеры линейной или разветвленной структуры) и сложными (которые помимо полимеров, содержат различные добавки: наполнители, красители, пластификаторы, отвердители и т.д.).

Связующее вещество является обязательным компонентом.

Такие

простые пластмассы, как полиэтилен, вообще состоят из одного

связующего вещества.

Наполнителями служат твердые материалы органического и не- органического происхождения. Наполнители придают пластмассам прочность, твердость, теплостойкость, а также некоторые специальные свойства, например антифрикционные или наоборот фрикционные. Кроме того, наполнители снимают усадку при прессовании.

низкой температурой замерзания.

Пластификаторы представляют собой нелетучие жидкости с

Стабилизаторы долговечности. фотоокисление, реакции.

вводят в пластмассы для повышения

Светостабилизаторы

предотвращают а антиокислители – термоокислительные

Отвердители изменяют структуру полимеров, влияя на свой- ства пластмасс. Чаще используют отвердители, ускоряющие полимеризацию. К ним относятся оксиды некоторых металлов, уротропин и др.
Специальные химические добавки вводят с различными целями; например, сильные органические яды – фунгициды – для предохранения пластмасс от плесени и поедания насекомыми в условиях тропиков.
Смазывающие вещества (стеарин, олеиновая кислота) приме- няют для предотвращения прилипания пластмассы к оборудованию при производстве и эксплуатации изделий.
Красители и пигменты придают пластмассам желаемую окраску.

Для пластмасс характерны следующие свойства:
низкая плотность (обычно 1–1,8 г/см3, в некоторых случаях 0,02– 0,04 г/см3);
высокая коррозионная стойкость.
высокие диэлектрические свойства;
хорошая окрашиваемость в любые цвета.
механические свойства широкого диапазона.
антифрикционные свойства.
высокие теплоизоляционные свойства.
хорошие технологические свойства.
Недостатком большинства пластмасс является их невысокая

По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты), получаемые на основе термо- пластичных полимеров, и термореактивные (реактопласты), получаемые на основе термореактивных смол.

получения окрашенных

применяют органические

(минеральные пигменты и

полимеров красители спиртовые

растворы органических

красок).

Полиэтилен различается по плотности, которая зависит от технологии получения. Различают полиэтилен низкого (ПЭНД), высокого (ПЭВД) и среднего (ПЭСД) давления. Чем выше давление, при котором получают полиэтилен, тем выше его плотность, степень кристалличности, прочность, твердость и теплостойкость материала.

Термопластичные пластмассы

В основе этих пластмасс лежат полимеры линейных и разветвленных структур,

иногда в состав вводят пластификаторы. Они способны работать при температуре до 70 °С, специальные термостойкие полимеры до 400–600 °С. Предел прочности термопластов 10–100 МПа, модуль упругости (1,8– 3,5)·103 МПа. Длительное статическое нагружение снижает прочность термопласта из-за появления вынужденно-эластической деформации.

Это относительно твердый и упругий материал, без запаха, белый в толстом слое и прозрачный в тонком. Для

Аморфный полимер белого или светло-желтого цвета, обладает высокими диэлектрическими свойствами, атмосферной и химической стойкостью, стоек к маслам и бензину, негорюч.

поддается

механической

обработке, склеивается и сваривается, хрупок при отрицательных температурах

Материал обладает высокой термостойкостью, стоек к действию кислот, щелочей, окислителей,

Разрушается

при

действии расплавленных

щелочных металлов, элементарного фтора, набухает во фреонах.

Твердый,

жесткий,

прозрачный

полимер,

обладает

хорошими

диэлектрическими

свойствами,

химически

стоек к кислотам

и

щелочам,

масло- и

бензостоек,

хорошо

склеивается

и

окрашивается.

Имеет

низкую теплостойкость и

ударную

вязкость.

Применяется для изготовления химически стойких сосудов, деталей

электротехнического назначения

Прозрачный полимер, стойкий к действию разбавленных кислот и щелочей, бензо- и маслостоек, обладает оптической прозрачностью до 92%, морозостоек (до - 60°С), растворяется в эфирах и кетонах, в органических растворителях, ароматических и хлорированных

Фенолоформальдегидные смолы. Феноло-

Неотвержденные

смолы

растворимы в фенолах и

растворах едких щелочей, а

также в

органических

растворителях.

Асбоволокниты на фенолоформальдегидной

основе используются

для производства

деталей

высокопрочных теплостойких электротехнического

назначения

(электрические панели, высоко-

и

основе

низковольтные коллекторы), а на кремнийорганических полимеров - для деталей, длительно работающих при

температуре до 200°С (материал К-41-5), и дугогасящих камер контакторов большой мощности, клеммных колодок

С целью улучшения смачиваемости стекловолокна связующим, снижения напряжений,

увеличения адгезии между

Текстолит - слоистый пластик на основе полимерных связующих и хлопчатобумажных тканей. Материал

Стеклотекстолиты изготавливают на основе стеклотканей и различных полимерных

связующих.

На

фенолоформальдегидных смолах (КАСТ, КАСТ-В, КАСТ-Р) они

более теплостойки,

чем

текстолит ПТК, но хуже

по

вибростойкости.

На

кремнийорганических

смолах

(СТК, СК-9Ф, СК- 9А)

имеют

высокую тепло-

и

морозостойкость,

обладают

высокой химической стойкостью,

не

вызывают

коррозии

контактирующего с ним металла. Применяют стеклотекстолиты в основном для крупногабаритных

изделий

радиотехнического

назначения, а также изготовления стеклотекстолита фольгированного марок СФ-1, СФ-2 при производстве печатных плат.

Гетинакс - пластик на основе

подразделяется

на

декоративный

и

электротехнический.

Декоративный

гетинакс

стоек к воздействию

химикатов,

пищевых

продуктов, растворителей, может иметь любой цвет и рисунок.

Газонаполненные материалы представляют собой структуру, состоящую из твердой и газообразной фаз. Их подразделяют на две группы: пенопласты и поропласты. Пенопласты имеют ячеистую структуру, поры которой изолированы друг от друга полимерной прослойкой. Поропласты имеют открытопористую систему и присутствующие в них газообразные или жидкие продукты сообщаются друг с другом и окружающей средой.

Пенопласты на основе

гладких

или

профилированных

пластин,

полу оболочек

или

профильных

изделий.

Широкое применение они

получили в

качестве

диэлектриков и упаковочных

материалов

при

транспортировке различных

стеклянных и

других

хрупких

изделий.

Такой

пенопласт получают путем введения в полистирол

порообразователя

и

нагревом

массы

до

температуры 90...105°С. При этом объем первоначальных гранул увеличивается в 20- 80 раз.

Пенополивинилхлорид не поддерживает горения, но обладает более низкими

Поропласты получают в основном путем механического

Резиной называется продукт специальной обработки

Вулканизация – превращение каучука в резину, осуществляемое с участием так называемых вулканизирующих агентов и под действием ионизирующей радиации.
Каучуки являются полимерами с линейной структурой и при

вулканизации превращаются в редкосетчатые материалы – резины.

высокоэластичные Вулканизирующими

добавками служат сера и другие вещества.

С увеличением

содержания вулканизатора (серы) сетчатая структура резины становится более частой и менее эластичной. При максимальном насыщении серой (30–50%) получают твердую резину (эбонит), при насыщении серой 10–15% – полутвердую резину. Обычно в резине содержится 5–8% серы.

Помимо каучука в состав резин входят:
Вулканизирующие вещества (агенты) участвуют в образовании пространственно-сеточной структуры вулканизата.
Ускорители процесса вулканизации: полисульфиды, оксиды свинца, магния и другие влияют как на режим вулканизации, так и на физико-механические свойства вулканизатов.
Противостарители (антиоксиданты) замедляют процесс старения резины, который ведет к ухудшению ее эксплуатационных свойств.
Мягчители (пластификаторы) облегчают переработку резиновой смеси, увеличивают эластические свойства каучука, повышают морозостойкость резины.
Наполнители по воздействию на каучук подразделяют на активные (усиливающие) и неактивные (инертные). Активные наполнители (углеродистая сажа и белая сажа – кремнекислота, оксид цинка и др.) повышают механические

свойства резин: прочность, сопротивление истиранию, твердость. Неактивные наполнители (мел,

тальк, барит)

вводятся для удешевления стоимости резины.

Технология изготовления изделий из резиновых смесей состоит из ряда

1. Нарезание каучука на куски и его пластификация путем многократного пропускания через нагретые до 40–50 °С валки с целью улучшения смешиваемости с другими ингредиентами.
2. Смешивание каучука с другими компонентами в строго определенной последовательности: сначала вводят противостарители, затем – вулканизаторы. Смешивание проводят в резиномесительных или вальцовочных машинах.
3. Каландрование резиновой смеси с целью получения сырой резины путем пропускания ее через трехбайтовую клеть листопрокатного стана- каландра. Валки стана имеют разную температуру: верхний – 90 °С, нижний – 15 °С. Резиновая масса нагревается и под действием валков превращается в лист или ленту.
4. Изготовление изделий из сырой резины методами прессования в специальных пресс-формах под давлением 5–10 МПа или литьем под давлением путем заполнения формы предварительно разогретой сырой резиной.
5. Вулканизация – формирование физико-механических свойств изделия. Горячая вулканизация на вулканизационных машинах при температуре 130–150 °С (нагретый пар, горячая вода и т.д.). При вулканизации имеет место химическое взаимодействие каучука и вулканизаторов, в результате чего линейная молекулярная структура каучука преобразуется в сетчатую.

Резиновые материалы делят на

общего

специального назначения.

Резиновые материалы общего назначения

используются работающих в

для производства изделий, воде, на воздухе, в слабых

растворах кислот и щелочей при температурах эксплуатации -35–+ 130°С. Такими изделиями являются шины, рукава, конвейерные ленты, изоляция кабелей и др.

Резиновые материалы специального назначения делятся на бензино-маслостойкие, химически стойкие, коррозионно-стойкие, светостойкие, тепло- и морозостойкие, электротехнические и износостойкие.

Бензиномаслостойкие резиновые материалы изготавливают на основе наирита, тиокола, СКН и других типов каучуков. Их основными по- требительскими свойствами являются устойчивость к воздействию гидравлических жидкостей, масло-, бензино- и озоностойкость, а также водонепроницаемость. Бензиномаслостойкие резины на основе каучуков СКН могут работать в среде бензина, топлива, масел в интервале температур от -30 до 130°С
Химически стойкие резиновые материалы изготавливают на основе бутилкаучука. К изделиям из таких резин предъявляются повышенные требования по масло-, бензино-, растворителе- и теплостойкости.
Коррозионно-стойкие резиновые материалы изготавливают на основе ХСПЭ. Они являются незаменимым конструкционным материалом для изделий, работающих в морской воде.
Светоозоностойкие резиновые материалы изготавливают на основе

тепловому старению, воздействию масел, топлива,

различных растворителей (даже при повышенных температурах), негорючие,

обладают высоким сопротивлением истиранию.

Неорганическое стекло – это однородное аморфное вещество, получаемое при затвердевании расплава оксидов. Оно не имеет определенной точки плавления или затвердевания и при охлаждении переходит из расплавленного, жидкого состояния в высоковязкое состояние, а затем в твердое, сохраняя при этом неупорядоченность и неоднородность внутреннего строения.
В составе стекла могут присутствовать оксиды трех

стеклообразующие,модифицирующие

промежуточные.

Стеклообразующими являются оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка.
К модифицирующим оксидам относятся оксиды щелочных (Na, К) и

Промежуточными являются оксиды алюминия, свинца, титана, железа, которые могут замещать часть стеклообразующих оксидов.

Технологические добавки, вводимые в состав стекол, делят по их назначению на следующие группы:
осветлители – вещества, способствующие удалению из стекломассы газовых пузырей (сульфат натрия,

плавиковый шпат);

обесцвечиватели

– вещества, обесцвечивающие

глушители – вещества, делающие стекло непрозрачным.

Схема непрерывной структурной сетки стекла:

а – кварцевого; б – натрийсиликатного

. К основным свойствам носятся:

плотность – 2200 – 6500 кг/м3 (для стекол с оксидами свинца – до 8000 кг/м3);
температуры для промышленных стекол:
стеклования – 425–600 °С;
размягчения – 600–800 °С;
коэффициент теплопроводности – 0,7–15 Вт/(м·К);
температурный коэффициент линейного расширения: для кварцевых стекол –

σсж=500–2000 МПа; σраст=30–90МПа; σизг.= 50–150 МПа.

модуль сдвига (2–3)·104 МПа;
модуль Юнга (7–7,5)·104 МПа;
коэффициент Пуассона 0,184–0,26;
твердость 5–7 ед. по Моосу;
ударная вязкость – 1,5–2,5 кДж/м2;
удельное электросопротивление – 1012–1018 Ом·см;
диэлектрическая проницаемость – 3,5–16;
полупроводниковые свойства;
химическая стойкость;
высокие оптические свойства.

Неорганические стекла

классифицируются по виду стеклообразующего

вещества, виду модификаторов, технологии изготовления и назначению.

По виду стеклообразующего вещества неорганические стекла делятся на силикатные (SiO2), алюмосиликатные (А1203–SiO2), боросиликатные (В203– SiO2), алюмоборосиликатные (А1203–В205–SiO2), алюмофосфатные (А1203– Р205), халъкогенидные (например, Аs31Gе30Sе21Те180), галогенидные и другие стекла.

По виду модификаторов различают щелочные, бесщелочные и кварцевые

неорганические стекла.

Техническое стекло по области применения делится на электротехническое, транспортное; оптическое, светотехническое, термостойкое, тугоплавкое, легкоплавкое, химико-лабораторное и др.

Электротехническое стекло. Высокие значения удельного электросопротивления, большая электрическая прочность (16–50 кВ/мм), низкие значения диэлектрических потерь (tgδ=0,0018–0,0175) и сравнительно высокая диэлектрическая проницаемость (ε=3,5–16), которая повышается при увеличении концентрации РbО или ВаО. При нагреве в интервале температур 200–400 °С удельное электросопротивление уменьшается в 108–1010 раз, что связано с увеличением подвижности щелочных ионов, и стекло теряет свои изолирующие свойства. Оксиды тяжелых металлов – свинца и бария уменьшают подвижность ионов и снижают потери.

Транспортное стекло. В машиностроении эффективно применяется как конструкционный материал при условии нейтрализации хрупкости, что достигается его закалкой, как правило, в воздушном потоке.

Триплексы – композиционный материал,

получаемый из двух

листов закаленного силикатного (или органического) стекла

толщиной 2–3 мм, склеенных прозрачной эластичной полимерной (обычно из поливинилбутираля) пленкой.

Термопан – трехслойное стекло, состоящее из двух листов закаленных стекол и воздушного промежутка между ними. Эта воздушная прослойка обеспечивает теплоизоляцию.
Оптическое и светотехническое стекло. Оптические свойства стекол зависят от их окраски, которая определяется химическим составом стекол, а также от состояния поверхности изделий. Оптические изделия должны иметь изотропную, свободную от напряжений структуру, которую получают отжигом, и гладкие полированные поверхности.

Термостойкое и тугоплавкое стекло.

«Пирекс» – термостойкое стекло на основе SiO2 (80,5%) с повышенным содержанием В203 (12%), Na20 (4%), а также оксидами алюминия, калия и магния.

«Мазда» – тугоплавкое стекло на основе SiO2 (57,6%) с оксидами алюминия (25%), кальция (7,4%), магния (8%) и калия. «Пирекс» и

«Мазда» используются для изготовления изделий, использующихся при повышенных температурах эксплуатации: оболочки термометров, смотровые стекла и др.

Легкоплавкое стекло. Эти стекла изготовляют на основе РbО (70%) с добавлением В2О3 (20%) или В203 (68,8%) с добавлением ZnО (28,6%) и Na2O (2,6%); используются для изготовления эмалей, глазури и припоев для спаивания стекла.

Листовое стекло – основной вид стекла, используемый для остекления оконных и дверных проемов, витрин, наружной и внутренней отделки зданий.
К группе облицовочных стекол относятся:
стемалит – листовой строительный материл из закаленного полирован- ного (толщиной 6–12 мм) стекла, покрытого с внутренней стороны непроз- рачной (глухой) керамической краской. Покрытие защищается со стороны помещения тонким слоем алюминия, нанесенным в вакууме. Применяется для внутренней и наружной облицовки зданий;
марблит – листовой строительный материал толщиной 12 мм из цветного глушеного стекла с полированной лицевой поверхностью и рифленой тыльной, может имитировать мрамор;
стеклянная эмалированная плитка – изготавливается из отходов листового стекла (стеклянная эмаль), наплавляемых на поверхность стекла, наре- занного на требуемые размеры (150x150, 150x70 мм при толщине 3–5 мм);
стеклянная мозаика – ковровая мозаика в виде мелких квадратных плиток (20x20 или 25x25 мм) из непрозрачного (глушеного) цветного стекла, выложенных в однотонные или мозаичные ковры;
смальта – кубики или пластинки толщиной 10 мм из цветной глушеной стекломассы, полученные отливкой или прессованием; применяется для изготовления мозаик.

Пеностекло (ячеистое стекло) – ячеистый материал, получаемый спеканием тонко измельченного стекольного порошка и порообразователя. Вырабатывают из стекольного боя либо используют те же сырьевые материалы, что и для производства других видов стекла: кварцевый песок, известняк, соду и сульфат натрия. Порообразователями могут быть кокс и известняк, антрацит и мел, а также карбиды кальция и кремния, выделяющие при спекании углекислый газ, образующий поры.

Армированное стекло –

Это стекло

при сжатии

имеет

600

предел

МПа,

проволоки. прочности повышенную

огнестойкость,

безосколочно

при разрушении, светопропускаемость – более 60%. Может иметь гладкую, кованую или узорчатую поверхность, быть бесцветным или цветным.

Ситаллы (стеклокристаллические материалы) – искусственный материал на основе неорганического стекла, получаемый путем полной или частично управляемой кристаллизации в них.
В состав ситаллов входят:
оксиды – Li20, А12О3, SiO2, Мg0, СаО и др.;
нуклеаторы (катализаторы кристаллизации) – соли светочувствительных металлов –Аu, Аg, Сu, являющиеся коллоидными красителями и присутствующие в стекле в виде тонкодисперсных частиц. Нуклеаторы являются дополнительными центрами кристаллизации (рис. 13). Они должны иметь кристаллическую решетку, подобную вьщеляющимся из стекла кристаллическим фазам, и способствовать равномерной кристаллизации всей массы;
глушители (плохо растворимые частицы) – фтористые и

Ситаллы классифицируют в зависимости от способа производства, от характера исходных материалов и по назначению.
По характеру исходных материалов и свойств выделяют: петроситаллы, шлакоситалаы и технические ситаллы.
Петроситаллы получают на основе габбро- норитовых, диабазовых и других горных пород, шлакоситаллы – из металлургических или топливных шлаков. Технические ситаллы

композиций из различных

изготавливают на основе искусственных

химических

соединений – оксидов, солей.

🞂	По назначению ситаллы делятся
	на конструкционные (строительные	и
	машиностроительные), технические, радио-, электро-	и
	фототехнические.

Наиболее широкое распространение в получили шлакоситаллы и пеношлакоситаллы.

строительстве

🞂	Шлакоситаллы	– ситаллы из	огненно-жидких
	металлургических σсж=250–550	шлаков. Плотность – МПа, σизг=65–130	600–2700 кг/м3; МПа, модуль

упругости Е=11·104 МПа, рабочие температуры – до 750 °С, водопоглощение практическй равно нулю; высокие кислото- и щелочестойкость.

Пеношлакоситалл – вспененный шлакоситалл с ячеистой структурой. Эффективный теплоизоляционный материал с незначительным водопогло щением и малой гигроскопичностью. Рабочие температуры