Конструкционные материалы

                                    1.Резиновые материалы

Резина представляет собой искусственный материал, получаемый в результате специальной обработки резиновой смеси, основным компонентом является каучук.

Каучук - это полимер, отличительной особенностью которого является способность к очень большим обратимым деформациям при небольших нагрузках. Это свойство объясняется строением каучука. Его макромолекулы имеют вытянутую извилистую форму. При нагрузке происходит выпрямление макромолекул, что и объясняет большие деформации. При разгрузке макромолекулы принимают исходную форму. Различают натуральный и синтетический каучук. Натуральный каучук добывают из некоторых видов тропических растений в незначительных количествах. По этому производство резины основано на применении синтетических каучуков. Сырьем для производства синтетического каучука служит спирт, на смену которому приходит нефтехимическое сырье.

Резину получают из каучука путем вулканизации, т.е. в процессе химического взаимодействия каучука с вулканизатором при высокой температуре. Вулканизатором чаще всего является сера. В процессе вулканизации сера соединяет нитевидные молекулы каучука и образуется пространственная сетчатая структура. В зависимости от количества серы получается различная частота сетки. При введении 1-5 % серы образуется редкая сетка и резина получается мягкой. С увеличением содержания серы сетка становится все более частой, а резина более твердой и приблизительно при 30% серы получается твердый материал, называемый эбонитом.

Кроме каучука и вулканизатора в состав резины входит ряд других веществ. Наполнители вводят в состав резины от 15 до 50% к массе каучука. Активные наполнители (сажа, каолин, оксид цинка, оксид магния и др.) служат для повышение механических свойств резин-твердости, прочности, износостойкости. Неактивные наполнители (мел, тальк и др.) снижают стоимость резиновых изделий. Пластификаторы (парафин, вазелин, стеариновая кислота, мазут, канифоль и др.) предназначены для облегчения переработки резиновой смеси, повышение эластичности и морозостойкости резины. Противостарители служат для замедления процесса старения резины, приводящего к ухудшению ее эксплуатационных свойств. Красители служат для придания резине нужного цвета. В резину так же добавляются регенераты-продукты переработки старых резиновых изделий и отходы резинового производства. Они снижают стоимость резин. Для интенсификации процесса вулканизации в резиновую смесь вводят ускорители вулканизации (коптакс, тиурам и др.)- от 0,1 до 2,5%.

Основное свойство резины - очень высокая эластичность. Резина способна к большим деформациям, которые почти полностью обратимы. Кроме того резина характеризуется высоким сопротивлением к разрыву и истиранию, газо- и водонепроницаемостью, химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, небольшой плотностью, малой сжимаемостью, низкой теплопроводностью. Эти свойства выдвинули резину в число незаменимых материалов в различных отраслях народного хозяйства, например в автомобильной и тракторной отраслях промышленности.

В зависимости  от методов изготовления различают  резину штампованную, формовую и клееную. Прорезиненную ткань изготовляют  на специальных клеепропитывающих  роликовых машинах; при этом ткань  непрерывно движется через систему  роликов.

По назначению резины подразделяются на резины общего и специального назначения. Из резин общего назначения изготовляются автомобильные шины и камеры, транспортные ленты, ремни ременных передач, изоляция кабелей, рукава и шланги, уплотнительные и амортизационные детали, обувь и др. Резины общего назначения могут использоваться в горячей воде, слабых растворах щелочей и кислот, а так же на воздухе при температуре от -10 до+150°С.

Резины специального назначения подразделяются на теплостойкие, которые могут работать при температуре  до 250-350 °С; морозостойкие, выдерживающие температуру до -70°С; маслобензостойкие, работающие в среде бензина, других топлив, масел и нефтепродуктов; светоозностойкие, не разрушающиеся при работе в атмосферных условиях в течении нескольких лет, стойкие к действию сильных окислителей электроизоляционные, применяемые для изоляции проводов и кабелей; электропроводящие, способные проводить электрический ток.

      Вулканизация - технологический процесс резинового производства, при котором пластичный "сырой" каучук превращается в резину.

При вулканизации повышаются прочностные характеристики каучука, его твёрдость, эластичность, тепло- и морозостойкость, снижаются  степень набухания и растворимость  в органических растворителях. Сущность вулканизации - соединение линейных макромолекул каучука в единую "сшитую" систему, так называемую вулканизационную сетку. В результате вулканизации между макромолекулами образуются поперечные связи, число и структура которых зависят от метода В. При вулканизации некоторые свойства вулканизуемой смеси изменяются со временем не монотонно, а проходят через максимум или минимум. Степень вулканизации, при которой достигается наилучшее сочетание различных физико-механических свойств резин, называется оптимумом вулканизации.

Вулканизация  подвергается обычно смесь каучука с различными веществами, обеспечивающими необходимые эксплуатационные свойства резин (наполнители, например сажа, мел, каолин, а также мягчители, противостарители и др.).

В большинстве  случаев каучуки общего назначения (натуральный, бутадиеновый, бутадиен-стирольный) вулканизуют, нагревая их с элементарной серой при 140-160°С (серная В.). Образующиеся межмолекулярные поперечные связи осуществляются через один или несколько атомов серы. Если к каучуку присоединяется 0,5-5% серы, получается мягкий вулканизат (автомобильные камеры и покрышки, мячи, трубки и т.д.); присоединение 30-50% серы приводит к образованию жёсткого неэластичного материала - эбонита. Серная вулканизация может быть ускорена добавлением небольших количеств органических соединений, так называемых ускорителей вулканизации - каптакса, тиурама и др. Действие этих веществ в полной мере проявляется только в присутствии активаторов - окислов металлов (чаще всего окиси цинка).

В промышленности серную вулканизацию производят нагреванием вулканизуемого изделия в формах под повышенным давлением или же в виде неформовых изделий (в "свободном" виде) в котлах, автоклавах, индивидуальных вулканизаторах, аппаратах для непрерывной вулканизации. и др. В этих аппаратах нагревание осуществляют паром, воздухом, перегретой водой, электричеством, токами высокой частоты. Формы обычно помещают между обогреваемыми плитами гидравлического пресса. вулканизация с помощью серы была открыта Ч. Гудьиром (США, 1839) и Т. Гэнкоком (Великобритания, 1843). Для вулканизации каучуков специального назначения применяют органические перекиси (например, перекись бензоила), синтетические смолы (например, феноло-формальдегидные), нитро- и диазосоединения и другие; условия процесса те же, что и для серной вулканизации.

Вулканизация  возможна также под действием  ионизирующей радиации - g-излучения  радиоактивного кобальта, потока быстрых  электронов (радиационная вулканизации). Методы бессерной и радиационной В. позволяют получать резины, обладающие высокой термической и химической стойкостью.

            

     2.Пленкообразующие материалы

  Клеи и герметики относятся к пленкообразующим материалам и имеют много общего с ними.

   Эти растворы  или расплавы полимеров, а также  неорганические вещества, которые  наносятся на какую-либо поверхность. После высыхания образуют прочные пленки, хорошо прилипающие к различным материалам.

        Конструкционные смоляные и резиновые  клеи

   Смоляные клеи. В качестве пленкообразующих веществ этой группы клеев применяют термореактивные смолы, которые отверждаются в присутствии катализаторов и отвердителей при нормальной или повышенной температуре.

   Клеи на основе модифицированных фенолоформальдегидных смол. Эти клеи применяют преимущественно для склеивания металлических силовых элементов, конструкций из стеклопластика.

   Фенолокаучуковые  композиции являются эластичными  теплостойкими пленками с высокой  адгезией к металлам (ВК-32-200, ВК-3, ВК-4, ВК-13 и др.) .

   Полиуретановые клеи. Композиции могут быть холодного и горячего отверждения.

Клеи обладают универсальной адгезией, хорошей  вибростойкостью и прочностью при  неравномерном отрыве, стойкостью к  нефтяным топливам и маслам.

   Помимо  этих видов клев существует  множество других.

       Неорганические клеи

Эти клеи являются высокотемпературными.

   Керамические клеи являются тонкими суспензиями оксидов щелочных металлов в воде. Такие клеи наносятся на склеиваемые поверхности, подсушиваются, а затем при небольшом давлении нагреваются до температуры плавления компонентов и выдерживаются в течение 15-20мин.

   Силикатные клеи. Жидкое стекло обладает клеящей способностью, им можно склеивать стекло, керамику, стекло с металлом.

 Герметики

   Герметики применяют для уплотнения и герметизации клепанных, сварных и болтовых соединений, топливных отсеков и баков, различных металлических конструкций, приборов, агрегатов.

   Тиоколовые герметики применяют в авиационной и автомобильной промышленности, в судостроении, для строительной техники. У них высокая адгезия к металлам, древесине, бетону. Они стойки к топливу и маслам.

   Эпоксидные герметики могут быть холодного и горячего отверждения; работают в условиях тропической влажности, при вибрационных и ударных нагрузках; применяются для герметизации металлических и стеклопластиковых изделий.

Краски, однородные суспензии пигментов в пленкообразующих веществах. Изготовляются на основе олиф (масляные краски), лаков (эмалевые краски), водных растворов некоторых органических полимеров (клеевые краски) и жидкого стекла (силикатные краски), водных дисперсий полимеров (эмульсионные краски). Тонкие слои краски образуют при высыхании непрозрачные покрытия, защищающие поверхность от воздействия агрессивных агентов и придающие ей красивый внешний вид. Широко используются в народном хозяйстве, быту, а также в живописи. Масляные краски представляют собой суспензию пигментов в олифах и выпускаются лакокрасочными заводами либо в виде густотертых паст, которые на месте разводят олифой до рабочей вязкости, либо в виде готовых к употреблению составов. Эмалевые краски — суспензия пигментов в лаках. При высыхании эти краски образуют твердую, блестящую, эластичную пленку, напоминающую эмаль. Эмульсионные краски изготовляют из эмульсии, т. е. однородных систем двух жидкостей. Для предотвращения расслаивания в эмульсии добавляют стабилизаторы — казеин, желатин, мыло. Эмульсионные краски применяют для окраски деревянных изделий.

Процесс окраски  состоит из нескольких основных операций; подготовки поверхности, грунтовки, шпатлевки (при наличии шероховатостей, неровностей, трещин, раковин), просушки, нанесения краски. Нанесение покрытий осуществляют кистью механическим и воздушным распылением (пульверизацией), окунанием или обливанием. Затем изделие подвергают естественной или искусственной сушке. фенолформальдегидной смолы и бутвара, клеи ВК-32-ЭМ - фенолформальдегидной и эпоксидной смол.

Лаки

Лаки - это растворы пленкообразующих веществ (смол, смолоподобных продуктов) в различных растворителях. В зависимости от пленкообразующих веществ лаки разделяют на природные (масляные) и искусственные - приготовленные на основе искусственных смол и эфиров целлюлозы, бакелитовые и нитролаки. Тонкие слои лака высыхают с образованием твердых блестящих прозрачных покрытий, назначение которых защита изделий от агрессивных агентов, декоративная отделка поверхности. Служат также основой эмалевых красок, грунтовок, шпатлевок.

 

 

 

 

 

 

 

                                3.Нанотехнологии

Часто употребляемое  определение нанотехнологии как  комплекса методов работы с объектами  размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии от традиционных технологий и научных дисциплин. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона:наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);

нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне  до 100 нм);

наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм).

С другой стороны, объектом нанотехнологий могут быть макроскопические объекты, атомарная структура которых  контролируемо создаётся с разрешением  на уровне отдельных атомов.

Нанотехнологии качественно  отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.

В практическом аспекте это  технологии производства устройств  и их компонентов, необходимых для  создания, обработки и манипуляции  атомами, молекулами и частицами, размеры  которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров [1]. Однако, нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые  эффекты и эффекты межмолекулярных  взаимодействий, такие как Ван-дер-Ваальсовы  взаимодействия. Нанотехнология и, в особенности, молекулярная технология — новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

 

Наноматериалы

Материалы, разработанные  на основе наночастиц с уникальными  характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.