Неметаллические материалы.

---

Древесные материалы.

Древесина – ярко выраженный анизотропный волокнистый материал. Механические характеристики у всех пород вдоль и поперек волокон значительно отличаются.

Древесина находит широкое применение в промышленности и быту. Она недефицитна, дешева, легко обрабатывается и сочетает в себе небольшую плотность с достаточно высокой плотностью.

Основная структурная единица древесины любых пород – клетка, в начальной стадии развития имеющая достаточно эластичную и легко проницаемую для воды и водных растворов оболочку. С возрастом прочность оболочки резко повышается, а проницаемость снижается вследствие превращения ее в высокомолекулярные органические соединения: целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин.

Различают клетки механические, проводящие (сосуды) и запасающие.

Породы деревьев, у которых крупные полости (сосуды) расположены в ранней зоне годичных слоев и образуют сплошное кольцо на поперечном срезе, относятся к кольцесосудистым (клен, ясень и др.), а породы, у которых сосуды расположены по годичному слою равномерно, – к рассеянно-сосудистым (береза, осина, ольха, граб и т.п.). Наибольший интерес для создания машиностроительных материалов представляет древесина рассеяно-сосудистых лиственных пород вследствие возможности равномерного распределения модификатора по всему объему при наполнении.

По химическому составу древесина различных пород практически одинакова и содержит: углерода – 50,9 %, кислорода – 43 %, водорода – 6,4 %, азота – 0,1 %.

Сосна обладает хорошими физико-механическими свойствами при относительно небольшой объемной массе, сравнительно малым количеством сучков и содержит много смолистых веществ, оказывающих консервирующее воздействие на деревянные детали. Сосна хорошо поддается обработке режущими инструментами.

Ель по физико-механическим свойствам и стойкости против гниения только немного уступает сосне, но имеет значительно больше сучков, затрудняющих механическую обработку еловой древесины. Условия переменной влажности способствуют загниванию древесины.

Лиственница - одна из самых твердых и прочных пород деревьев. Древесина лиственницы устойчива против воздействия воды и влажного воздуха.

Дуб обладает высокой твердостью и прочностью, стойкостью против гниения и способностью к загибу. При низких температурах дубовая древесина сравнительно хрупка и склонна к растрескиванию.

Береза отличается хорошей упругостью, вязкостью и достаточной твердостью. В условиях переменной влажности березовые материалы, особенно тонкие, склонны к короблению. Береза является основным материалом для производства фанеры.

Физико-механические свойства древесины. Влажность – количество содержащейся в древесине воды, выраженное в процентах от массы абсолютно сухой древесины.

Воздушно-сухое состояние древесины, достигнутое при сушке на воздухе в течение летних месяцев, соответствует 15-18 %, комнатно-сухое – 8-9 %.

Испарение из древесины воды вызывает изменение ее размеров (усушку). Усушка вызывает растрескивание древесины обычно в радиальном направлении, а также ее коробление.

Механические свойства древесины неодинаковы в различных направлениях приложения деформирующей силы и зависят от породы деревьев, их возраста, наличия пороков, влажности и температуры. С увлажнением механическая прочность древесины снижается.

Наибольшей прочностью древесина обладает при растяжении вдоль волокон (110-130 МПа при влажности 15 % ), а наименьшей – при скалывании в том же направлении (7-10 МПа при той же влажности). Приведенные цифры относятся к древесине, не имеющей сучков, трещин и других пороков, а так же не пораженной заболеваниями, вызывающими появление трухлявости, изменения цвета и тд. Разрушение древесных материалов и изделий из них вследствие гниения и других поражений усиливается при высокой влажности и отсутствии вентиляции. К наиболее доступным средствам защиты древесины от заболеваний относятся пропитка антисептиками (растворами хлористого цинка, фтористого натрия, каменноугольное креозотовое масло и битумная паста), антипиринами (в качестве антипиринов используют красочные огнезащитные составы на основе жидкого стекла, содержащие пигменты и наполнители, соли различных металлов, разлагающиеся при повышенной температуре с образованием бескислородной газовой среды) и поддерживание в ней по возможности нормальной влажности.

При наполнении древесины синтетическими смолами с последующей их полимеризацией увеличиваются ее стойкость к гниению, сопротивление сжатию, твердость.

Эффективным приемом улучшения физико-механических характеристик древесины является ее механическое уплотнение с помощью различных устройств. Уплотненная древесина – лигностон («каменное дерево») – находит применение в машиностроении.

В промышленности широко используются как заготовки на основе натуральной древесины (лесоматериалы), так и древесные материалы на основе дисперсных и слоистых композиций.

К заготовкам на основе натуральной древесины можно отнести бревно, под которым понимают очищенную от сучьев часть ствола дерева диаметром по наименьшему сечению не менее 150 мм. При распиливании бревна вдоль его оси получают пластины, четвертины и пиломатериалы. К последним относятся брусья (ширина и толщина более 100 мм), бруски (с отношением ширины к толщине не более 2) и доски, у которых ширина более двойной толщины (Рис.68.).

Клееная фанера.

Клееной фанерой называется древесный слоистый материал, получаемый склеиванием по толщине трех и более слоев лущеного шпона при взаимно перпендикулярном расположении волокон древесины.

Лущеным шпоном называют тонкий слой древесины (от 0,1 до 3,5 мм), получаемый срезанием слоя с вращающегося обрезка ствола дерева (чурки).

Наружные слои шпона на фанере называют рубашками, а внутренние – серединками. Волокна в рубашках должны быть в одном направлении (ГОСТ 3916-69).

По водостойкости фанера подразделяется на фанеру повышенной водостойкости ФСФ, склеенную фенолформальдегидными клеями, средней водостойкости ФК, полученную склеиванием шпона карбамидными клеями, и ФБА, склеенную альбуминоказеиновыми клеями.

По качеству обработки рубашек различают фанеру шлифованную и нешлифованную.

Абсолютная влажность фанеры сортов ФСФ и ФК при поставке потребителям должна быть в пределах 5-10 %, а сорта ФБА – 6-15 %.

Предел прочности при скалывании по клеевому шву должен быть не менее: для березовой фанеры 12 кгс/см², а для фанеры из других пород 6-10 кгс/см².

Бакелизированная фанера.

Бакелизированная фанера (ГОСТ 11539-83) представляет собой клееную фанеру из березового шпона, склеенного фенолформальдегидными смолами, придающими материалу повышенную водостойкость. Бакелизированная фанера подразделяется на марки: ФБС и ФБС₁, склеенные спирторастворимыми смолами; ФБВ и ФБВ₁, склеенные водорастворимыми смолами; ФБС-А и ФБС₁-А на спирторастворимых смолах, используемые для изготовления внутренних конструкций автомобиля.

Предел прочности бакелизированной фанеры разных марок должен быть не менее: при скалывании по клеевому шву – 15 кгс/см², при растяжении вдоль волокон рубашки – 600-900 кгс/см², а при статическом изгибе вдоль волокон рубашки – 800-1200 кгс/см².

Древопластики.

На основе древесины создаются антифрикционные материалы, совмещающие функции конструкционного и смазочного материала. Капиллярно-пористое строение древесины определяет широкие возможности для придания ей свойств самосмазывания вследствие выделения в зону контакта смазочного материала из однократно или периодически заполняемых им пор и сосудов.

Опыт применения в качестве подшипниковых материалов уплотненной древесины (березы, ясеня) при смазке водой и жидкими маслами показывает, что она обеспечивает стабильный режим работы узла трения, более стойка к истиранию, чем чугун, бронза, текстолит, и нерастворима в обычных органических растворителях.

Величина коэффициента трения при внешней смазке моторными маслами примерно составляет 0,02-0,08, а в режиме самосмазки – 0,06-0,12. Допускаемые при этом скорости скольжения и нагрузки ограничиваются температурой трения, которая в среднем не должна превышать 80º С.

На основе древесины создаются и используются древесно-слоистые пластики (ДСП), древесно-прессовочные массы на основе крупнодисперсных частиц и пресс-порошки на основе мелкодисперсных частиц. Основное достоинство древопластиков и других композиционных материалов – достаточно высокая прочность и жесткость, приходящаяся на единицу массы.

Пластические массы.

В соответствии с ГОСТ 24888-81 пластическая масса (пластмасса) – материал, представляющий собой композицию полимера или олигомера с различными ингредиентами, находящуюся при формировании изделий в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации – в стеклообразном или кристаллическом состоянии.

Полимер – вещество, характеризующееся многократным повторением одного или более составных звеньев, соединенных между собой в количестве, достаточном для проявления комплекса свойств, которое остается практически неизменным при добавлении или удалении нескольких звеньев.

Олигомер – вещество, молекулы которого содержат составные звенья, соединенные повторяющимся образом друг с другом, комплекс свойств которого изменяется при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев.

По структуре макромолекул полимеры бывают линейными, разветвленными и сшитыми (сетчатыми, трехмерными). Полимеры в зависимости от их строения и внешних условий могут находиться могут находиться в двух фазовых состояниях: аморфном и кристаллическом.

Аморфные полимеры в зависимости от температуры могут находиться в стеклообразном, высокоэластичном или вязкотекучем состояниях. При уменьшении температуры полимер проходит эти состояния в обратном порядке.

Исходными материалами для получения пластмасс служат дешевые природные вещества: продукты переработки каменного угля, нефти, природного газа и т.п. Основой пластических масс являются смолы – высокомолекулярные соединения органического происхождения. Пластмассы в зависимости от поведения смолы при нагреве делятся на термореактивные (реактопласты) и термопластичные (термопласты).

Термопластичные полимеры (линейные и разветвленные) при нагревании выше температуры стеклования размягчаются, приобретают высокую пластичность, а при охлаждении они вновь отвердевают, могут растворяться в соответствующих растворителях.

Термореактивные полимеры в зависимости от числа поперечных сшивок в сетчатых структурах при нагревании не способны к размягчению или размягчаются незначительно, но в вязкотекучее состояние не переходят, в растворителях стойки или незначительно набухают.

В зависимости от применяемого наполнителя пластические массы разделяют на композиционные и слоистые. Композиционные в свою очередь делятся на порошкообразные и волокнистые.

Ассортимент пластмасс весьма разнообразен. Для подавляющего большинства пластмасс характерны следующие положительные качества:

1. малая плотность полимерных материалов (1,1-1,8 г/см³), что позволяет значительно уменьшить массу машин при изготовлении их деталей из пластмасс;

2. химическая стойкость – пластмассы не подвержены коррозии, даже в агрессивных средах;

3. электроизоляционные свойства, позволяющие применять пластмассы в качестве диэлектриков;

4. высокая удельная и абсолютная механическая прочность и возможность создания анизотропных материалов;

5. высокая технологичность;

6. наличие неограниченных ресурсов дешевого сырья;

7. низким коэффициентом трения – некоторые виды пластмасс, например текстолит, ДСП (древеснослоистые пластики), капрон, капролон, успешно заменяют бронзу и баббит в подшипниковых узлах машин;

8. высоким коэффициентом трения в сочетании с износостойкостью – фенопласты с асбестовым наполнителем, пресскомпозиции на основе каучуков и другие виды специальных пластмасс с успехом заменяют в конструкциях транспортных и прочих машин чугун и другие сорта дерева;

9. прозрачность – некоторые ненаполненные пластические массы, такие, как полиметилметакрилат (органическое стекло), полистирол и другие, способны пропускать лучи света в широком диапазоне волн, в том числе ультрафиолетовую часть спектра, значительно превосходя в этом отношении силикатные стекла; эти пластмассы широко применяют в оптической промышленности и машиностроении для изготовления прозрачных деталей – арматуры масляных и охлаждающих систем, линз смотровых отверстий и т.д.

Одновременно с указанными достоинствами пластмассы обладают следующими недостатками:

· низкой теплостойкостью – основные виды пластмасс могут удовлетворительно работать лишь в сравнительно небольшом интервале температур (от -60 до +200º С); для пластмасс на основе кремнийорганических полимеров и фторопластов верхний предел температур несколько выше: 300-400º С.

· низкой теплопроводностью, которая в 500-600 раз ниже теплопроводности металлов, что ограничивают их применение в узлах и деталях машин, где необходим быстрый отвод больших количеств теплоты;

· низкой твердостью (НВ 6-60);

· выраженным свойством ползучести, особенно ярко заметным у термопластов;

· малой жесткостью;

· старением – свойства пластмасс со временем ухудшаются под действием температуры, влажности, света, воды;

Компоненты, входящие в состав пластмасс.

Пластические массы по составу делят на простые и сложные. Сложные пластмассы помимо полимеров включают добавки: наполнители, пластификаторы, красители, отвердители, катализаторы и др.

Наполнители в пластмассы вводят в количестве 40-70 % для повышения твердости, прочности, жесткости, а также придания особых специфических свойств, например фрикционных или антифрикционных и др. Наполнители бывают органические и неорганические. Органическими наполнителями являются древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза, бумага, хлопчатобумажная ткань, древесный шпон. В качестве неорганических наполнителей используют асбест, графит, стекловолокно, стеклоткань, слюду, кварц. Листовые наполнители применяют для получения слоистых пластмасс: при применении хлопчатобумажной ткани – текстолит, стеклоткани – стеклотекстолит, бумаги – гетинакс, асбестовой ткани – асботекстолит. При применении древесного шпона вырабатывают древесные слоистые пластики. При изготовлении теплоизоляционных материалов в качестве наполнителя используют газы, получая газонаполненные полимерные материалы – пенопласты и поропласты.

Пластификаторы (стеарин, олеиновая кислота, дибутилфталат) повышают эластичность, пластичность, морозостойкость и облегчает обработку пластмасс. Их содержание колеблется в пределах 10-20 %.

Отвердители (амины) и катализаторы (перекисные соединения) в количестве нескольких процентов вводят в пластмассы для отверждения, т.е. создания межмолекулярных связей и встраивания молекул отвердителя в общую молекулярную сетку.

Красители (минеральные пигменты, спиртовые растворы органических красок) придают пластмассам определенную окраску. Состав компонентов, их сочетание и количественное соотношение позволяют изменить свойства пластмасс в широких пределах.

Термопластичные пластмассы.

Основу термопластичных пластмасс составляют полимеры с линейной и разветвленной структурой. Помимо основы они иногда содержат пластификаторы. Термопласты способны работать при температурах не выше 60-70º С, поскольку выше этих температур их физико-механические свойства резко снижаются. Некоторые теплостойкие пластмассы способны работать при температурах 150-200º С, а термостойкие полимеры с жесткими цепями и циклической структурой устойчивы до 400-600º С. Предел прочности термопластов изменяется в пределах 10-100 МПа. Длительное статическое нагружение термопластов вызывает появление вынуждено-пластической деформации и снижает их прочность.

Полиэтилен – полимер этилена с преобладающим строением повторяющегося составного звена .

Удачное сочетание в полиолефинах механической прочности, химической стойкости, хороших диэлектрических показателей, низкой газо- и влагопроницаемости, легкости переработки в изделия всеми известными способами, низкой стоимости и доступности сырья позволили полиолефинам занять первое место в мире по валовому выпуску пластмасс.

Техническое применение нашел полиэтилен двух видов: полиэтилен высокого давления (ПЭВД), получаемый полимеризацией этилена при давлении при давлении 1000-3500 кгс/см², и полиэтилен низкого давления (ПЭНД), получаемый при давлении ниже 40 гкс/см².

Полиэтилен применяют для изоляции защитных оболочек кабелей проводов, деталей высокочастотных установок и для изготовления коррозионностойких деталей – труб, прокладок, шлангов.

Полиэтилен подвержен старению. Для защиты от старения в полиэтилен вводят сажу 2-3 %, замедляющую процесс старения в 30 раз.

Полистирол – имеет структурную формулу

Полистирол – аморфный, твердый, жесткий, прозрачный полимер, имеющий преимущественно линейное строение. Полистирол получают полимеризацией стирола (Реакцией полимеризации называют процесс соединения большого числа однородных молекул низкомолекулярного вещества с образованием макромолекул нового вещества без выделения каких либо побочных продуктов реакции.).

Полистиролу присущи высокие диэлектрические свойства, удовлетворительная механическая прочность, невысокая рабочая температура (до 100º С), химическая стойкость в щелочах, минеральных и органических кислотах, бензине и керосине. При температуре выше 200º С разлагается, образуя стирол. Полистирол применяют для производства слабонагруженных деталей и высокочастотных изоляторов.

Фторопласт – 4 (политетрафторэтилен).

Фторопласт – 4 имеет аморфно-кристаллическую структуру. Температурный порог длительной эксплуатации фторопласта-4 ограничивается 250º С. Он относительно мягок, поскольку аморфная фаза находится в высокоэластическом состоянии. Фторопласт-4 отличается чрезвычайно высокой стойкостью к действию агрессивных сред: соляной, серной, плавиковой, азотной кислот, царской водки, пероксида водорода, щелочей.

Фторопласт-4 не горит и не смачивается водой и многими жидкостями.

Политетрафторэтилен не охрупчивается до -269º С. Он сохраняет гибкость при температуре ниже -80º С и имеет низкий коэффициент трения (0,04).

Фторопласт-4 применяется для изготовления мембран, труб, вентилей, насосов, уплотнительных прокладок, манжет, антифрикционных покрытий на металлах, а также электрорадиотехнических деталей.

Термореактивные пластмассы.

Термореактивные пластмассы производят на основе термореактивных смол: фенолформальдегидных, аминоальгидных, эпоксидных, полиимидных, кремнийорганических, ненасыщенных полиэфиров. Пластмассы на основе этих смол отличаются повышенной прочностью, не склонны к ползучести и способны работать при повышенных температурах. Смолы в пластмассах являются связкой и должны обладать высокой клеящей способностью, теплостойкостью, химической стойкостью в агрессивных средах, электроизоляционными свойствами, доступной технологией переработки, малой усадкой при затвердевании.

Фенолформальдегидная (бакелитовая) смола - продукт поликонденсации фенола Н₅С₆ – ОН с формальдегидом Н₂СО.

Эпоксидные смолы содержат в молекулах эпоксидную группу:

Н₂С – СН -

О

В чистом виде эпоксидные смолы – вязкие жидкости, способные длительное время сохранять свои свойства без изменений. Они растворяются во многих органических растворителях (ацетон, толуол и др.) и нерастворимы в воде, бензине. В присутствии отвердителей ( амины, их производные, ангидриды карбоновых смол и др.) эпоксидные смолы быстро затвердевают, приобретая сетчато-пространственное строение. Отверждение смолы полимеризационный процесс, без выделения воды или низкомолекулярных веществ, и развивается равномерно в весьма толстом слое.

Кремнийорганические смолы (силиконы) содержат в составе элементарного звена макромолекулы атомов углерода и кремния. По строению макромолекулы могут быть линейными, разветвленными и пространственными.

Кремнийорганические полимеры широко используются в качестве связующих в производстве стеклотекстолитов, а также в производстве термостойких резин (каучук СКТ), лакокрасочных покрытий, клеев, герметиков

Глифталевые смолы (алкидные) получают поликонденсацией трехатомного спирта – глицерина НО – СН₂ – СНОН – СН₂ – ОН и фталиевого ангидрида

СО

Н₄С₆ О

СО

Глифталевые смолы имеют повышенную теплостойкость до 150º С. Они отличаются от бакелитовых смол повышенной эластичностью, стойкостью к старению при повышенных температурах и адгезией. Глифталевые смолы растворяются в ацетоне и спирте, стойки к действию воды и кислых сред и обнаруживают хорошие диэлектрические свойства. На основе глифталевых смол получают клеи и лаки.

Газонаполненные пластмассы.

Газонаполненные пластмассы представляют собой гетерогенные системы, состоящие из твердой или упругоэластичной фазы – связующего, газообразной фазы – наполнителя.

В зависимости от макроструктуры газонаполненные пластмассы делятся на пенопласты и поропласты. В пенопластах полимерная основа образует систему замкнутых изолированных ячеек, заполненных газом. В поропластах полимерная основа образует систему ячеек с частично разрушенными перегородками, сообщающихся между собой. Поропласты (губчатые материалы) эластичны. Получают поропласты, вводя в состав композиций вещества, способные выкипать при нагревании или вымываться водой, что и приводит к образованию пор. Поропласты выпускают в виде блоков с пленкой на поверхности. Они отличаются высокой способностью поглощать звуки (70-80 %)на технических частотах.

Пенопласты – жесткие материалы, имеют малую объемную массу от 20 до 300 кг/м³. замкнутая ячеистая структура придает им хорошую плавучесть и высокие теплоизоляционные свойства.

Области применения некоторых пластических масс.

Полиэтилен низкого давления – трубы, шланги, различные емкости, детали радиоаппаратуры и т.п.

Полиэтилен высокого давления – упаковочный материал в виде пленки или в виде небьющейся тары.

Поливинилхлорид – широко применяется в машиностроении, кабельной и химической промышленности, промышленности стройматериалов для изготовления пленок, листов, труб, искусственной кожи, линолеума, клеев.

Винипласт – корпуса и сепараторы для аккумуляторных батарей, вентили, клапаны фитинги для трубопроводов, детали насосов и др.

Капрон (П6) – детали антифрикционного назначения, подшипники, зубчатые колеса, кронштейны, рукоятки, крышки, трубопроводную арматуру, прокладки , а также для изготовления нитей, корда, тканей.

Полиметилметакрилат (органическое стекло) – санитарно-техническое оборудование, светильники, фонари, детали приборов управления.

Поликарбонаты – зубчатые колеса, втулки, кулачки и т.п., а также электроизоляционные детали.

Полиформальдегид (ПФ) – детали машин, в том числе детали узлов трения. (отличаются высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения, малой ползучестью)

Текстолит – это слоистый полимерный материал, где в качестве наполнителя используется хлопчатобумажная ткань, а в качестве связующего – фенолформальдегидная смола. Текстолит нашел широкое применение как заменитель цветных металлов для вкладышей подшипников скольжения для изготовления зубчатых шестерен в автомобилях и других технических изделиях для авиа- и машиностроения. Из электротехнического текстолита изготавливают детали повышенной прочности электроустановок для работы на воздухе и в трансформаторном масле.

Асботекстолит (прессованная асбестовая ткань пропитанная фенолформальдегидной смолой) – фрикционные накладки для тормозных колодок и дисков сцепления.

Гетинакс (прессованные листы бумаги пропитанные фенолформальдегидной смолой) – изготовление изоляционных деталей электрооборудования.

Карболит (пластмасса, в которой наполнителем служат древесная мука или глина) – крышка и ротор прерывателя- распределителя, изоляторы катушки зажигания и другие электротехнические детали.

Эпоксидные смолы – применяют в качестве связующих в композиционных материалах, клеях, лаках.

Стеклопластики (Изготавливают из синтетических смол и стеклянного волокна. В качестве связующего используют эпоксидные, фенолформальдегидные и кремнийорганические смолы. Наполнитель – стеклянное волокно толщиной в тысячные доли миллиметра. Стеклопластики обладают высокой механической прочностью, теплостойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами и стойкостью против воздействия воды, масел, топлив, разбавленных кислот и многих органических растворителей.) – изготавливают кузова и другие высоконагруженные и крупногабаритные детали в машиностроении.

Газонаполненные пластмассы – звукоизоляция (поропласты), тепло – и электроизоляция (пенопласты). Пенополиуритан (ПУ-101) изготовление автомобильных сидений и спинок.

Резины.

Резины – пластмассы с редкосетчатой структурой, в которых связующим выступает полимер, находящийся в высокоэластичном состоянии.

Широкое применение резины в технике вызвано тем, что она обладает:

· способностью к исключительно большим обратимым деформациям, которые являются одним из проявлений высокоэластических свойств материала (относительное удлинение при растяжении для высококачественных резин может достигать 1000 %);

· небольшой по сравнению с металлами и деревом жесткостью, т.е. способностью сильно деформироваться под действием очень малых сил, которые в тысячи и десятки тысяч раз меньше сил, вызывающих такие же деформации у металлов;

· достаточно высокой прочностью (у лучших сортов резины прочность при разрыве достигает 40 МПа);

· слабой газопроницаемостью и полной водонепроницаемостью;

· высокими диэлектрическими свойствами.

В резинах связующим являются каучуки натуральные (НК) и синтетические (СК). Каучукам присуща высокая пластичность, обусловленная особенностями строения их молекул. Линейные и слабо разветвленные молекулы каучуков имеют зигзагообразную или спиралевидную конфигурацию и отличаются большой гибкостью.

Натуральный каучук представляет собой высокомолекулярный ненасыщенный углеводород , имеющий большое число регулярно чередующихся двойных валентных связей между углеродными атомами.

СН₃

– СН₂ – С = СН – СН₂ – n

где n колеблется от нескольких сотен до трех тысяч.

Натуральный каучук не способен растворяться в воде, но растворим в нефтепродуктах. Натуральный каучук принадлежит к числу типичных термопластов.

К весьма перспективным универсальным СК относятся бутилкаучук – сополимер изобутилена с изопреном. Это один из лучших материалов для изготовления автомобильных камер, обладающий высокой газонепроницаемостью. Современный ассортимент СК насчитывает около 200 наименований. Особенно необходимо отметить каучуки специального назначения, в первую очередь, сополимер бутадиена с нитрилом акриловой кислоты, выпускаемый под маркой СКН (нитрильный). Чем больше в СКН нитрильных групп, тем выше его бензо- и маслостойкость, но одновременно и выше температура , при которой появляется хрупкость, т.е. такие каучуки менее морозоустойчивы.

При полимеризации бутадиена и стирола получают бутадиен-стирольный каучук (СКС). Он применяется как каучук универсального назначения, главным образом для резин, идущих на автопокрышки.

Нитрильный каучук (СНК) наиболее широко используется для получения маслостойких резин.

Изопреновый каучук (СКИ) применяют для изготовления резин общего назначения.

Хлоропреновый каучук (найрит) – стоек к действию солнечного света, озона и органических растворителей, но отличается невысокими электроизоляционными свойствами. Найрит применяется преимущественно для изготовления маслоупорных, бензоупорных и термостойких резин.

Полисульфидные каучуки (тиокаучуки, тиоколы) применяются самостоятельно и в смеси с другими каучуками для изготовления бензино- , бензоло- и маслостойких, термостойких резин.

Кремнийорганические – полисилоксановые каучуки (СКТ) применяют в основном для производства термостойких резин и изделий из них.

Фтор-каучук (СКФ) – полимер, эластичный при обычных температурах, содержит в составе звеньев макромолекул атомы фтора; химически инертен. Он идет на приготовление резин, отличающихся сочетанием нагревостойкости, химической стойкости, газонепроницаемости и прочности.

Вулканизирующие вещества.

В чистом виде натуральный и синтетические каучуки находят ограниченное применение (изготовление клеев, изолировочной ленты, медицинского пластыря, уплотнительных прокладок), так как они обладают рядом недостатков, в частности имеют недостаточную прочность: при разрыве разных сортов НК она колеблется от 1,0 до1,5 МПа, а для СКБ и СКС она не превышает 0,5 МПа. Одним из эффективных способов увеличения прочности каучуков является вулканизация – химическое связывание молекул каучука с атомами серы. В результате вулканизации, которая наиболее эффективно идет при температуре 140-150º С, получается вулканизированный каучук с прочностью на разрыв около 25 МПа.

Причиной повышения прочности при вулканизации является образование валентных связей («серных мостиков») между молекулами каучука (Рис.69), при этом получается еще более высокомолекулярное соединение с пространственной структурой молекул.

Рис.69.

В состав резины вводят такое количество серы, чтобы получить изделие с возможно большей прочностью и требующейся эластичностью. В резинах идущих на изготовление автомобильных камер и покрышек, серы содержится 1 – 3 % от доли имеющихся в них каучуков. В предельном случае когда с каучуком прореагирует максимально возможное количество серы, способное к нему присоединиться (около 50 %), получается очень прочный (предел прочности при растяжении 52-54 МПа) и совершенно неэластичный (твердый), химически инертный материал – эбонит. Из эбонита изготавливают детали электротехнического назначения и в том числе аккумуляторные банки.

Тиоколовые каучуки вулканизируют перекисями металлов (марганца, свинца), полисилоксаны и фтор-каучуки вулканизируют с помощью перекисей органических веществ (перекись бензола).

Компоненты резины.

Для повышения механической прочности и износостойкости в состав резиновой смеси вводят упрочняющий наполнитель. К числу таких наполнителей принадлежат вещества с предельно малыми размерами частиц и высокоразвитой поверхностью. Наиболее распространенным упрочняющим наполнителем является сажа. В производстве светлоокрашенных резин и резин, предназначенных для работы при повышенных температурах, в качестве упрочняющего наполнителя применяют окись кремния, окись титана, которые находятся в мелкодисперсном состоянии.

В резиновую смесь вводят ускорители вулканизации, применяя для этого дифенилгуанидин и др. Иногда для повышения прочности резиновой смеси и морозостойкости готовых изделий в резиновую смесь добавляют пластификаторы (стеариновая и олеиновая кислоты, парафины и др.)

Против старения – окисления резины кислородом воздуха – в резиновую смесь вводят противоокислители (противостарители), а для придания цвета добавляют красители (охра, ультрамарин).

Армирование резиновых изделий.

Для увеличения прочности деталей из резины последняя совмещается с арматурой – тканями, проволочными каркасами, металлической оплеткой и т.п. прочность получающихся таким образом резинотканевых изделий в основном определяется прочностью вводимой в них арматуры. Эластичность таких изделий при растяжении по сравнению с чисто резиновыми значительно уменьшается, но она сохраняется при изгибе и сжатии вполне достаточной для того, чтобы при требующихся величинах деформаций не происходило разрушение деталей.

К важнейшим армированным резиновым изделиям, применяющимся в автомобилестроении относятся: резинотканевые шланги, приводные ремни и т.д.

Особенно дорогими и ответственными армированными изделиями являются автомобильные покрышки, для изготовления которых используются специальные ткани – корд, чефер и др. (Рис.70).

.

Рис.70.

Корд состоит из нитей со слабыми, редко расположенными нитями утка. Его вырабатывают из искусственных (вискозных) и синтетических (лавсановых, капроновых) волокон, стекловолокна и стальной проволоки. Использование в производстве шин высококачественных тканей, стекло- и металлокорда вызвано тем, что из корда образуется главный силовой элемент покрышки – ее каркас.

Чефер представляет собой техническую (грубую) ткань с одинаковым построением основы и утка из одних и тех же нитей. По сравнению с кордом он выполняет менее важные функции (для отделки бортов покрышки), поэтому готовится преимущественно из хлопчатобумажной пряжи.

Основные физико-механические свойства резины.

Механические свойства вулканизированной резины характеризуются рядом показателей, важнейшими из которых являются показатели, получающиеся при испытании на растяжение и сжатие.

Пределом прочности при растяжении (разрывной прочности) называется напряжение, возникающее в резине к моменту разрыва образца.

Численно предел прочности равен частному от деления максимальной нагрузки Р, зафиксированной при разрушении образца, на площадь его поперечного сечения, измеренную до начала разрушения.

Относительным удлинением при разрыве εназывается выраженное в процентах отношение прироста длины образца резины в момент разрыва к его первоначальной длине.

Остаточным удлинением при разрыве называется выраженное в процентах отношение прироста длины разорванного образца к первоначальной длине.

Совокупность относительного и остаточного удлинений характеризует эластичность резинового материала.

Твердостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него постороннего твердого тела, вдавливаемого под действием определенной силы.

Старение резины.

Важнейшей реакцией , которая непрерывно происходит при хранении и эксплуатации резиновых изделий, является окисление резины, ведущее к изменению ее химических, физических и механических свойств. Только эбонит, превращающийся в полностью насыщенное соединение за счет присоединения к макромолекулам каучука предельно возможного количества серы, представляет собой химически инертный материал.

Совокупность всех изменений, происходящих в резине в процессе длительного окисления, принято называть ее старением.

К разряду наиболее неблагоприятных изменений, возникающих вследствие старения, относится необратимое снижение эластичности.

Как говорилось выше, в состав резиновых материалов вводят противостарители (ингибиторы), которые, будучи замешаны в количестве 1 – 2 % по отношению к содержащемуся в резине каучуку, замедляют процесс окисления в сотни и тысячи раз. К числу важных эксплуатационных мероприятий относится защита резиновых изделий от воздействия солнечных лучей, вызывающих световое старение.

Изменение свойств резины от контакта с жидкостями. Вода в течении длительного времени не оказывает заметного влияния на свойства резины. Наибольшую опасность она представляет для армированных деталей, металлическая арматура которых подвергается во влажной среде интенсивной коррозии, а хлопчатобумажная тканевая становиться менее прочной и быстрее загнивает.

От длительного контакта с нефтепродуктами резиновые изделия немного увеличиваются в объеме, у них уменьшается прочность, эластичность и твердость, поэтому всячески надо оберегать резину от попадания на нее топлива, масел и смазок.

Такие жидкости как касторовое масло, неконцентрированные растворы кислот, щелочей, несколько представителей класса спиртов (этиловый, бутиловый, этиленгликоль и глицерин) не оказывают существенного влияния на свойства резины.

Абразивные материалы.

Абразивные материалы применяют для шлифования деталей с целью придания им заданной частоты поверхности, точности, а также заточки режущего инструмента.

При обработке металла абразивами достигается точность до 0,001 мм, а при обработке стекла – до 0,0001 мм.

Абразивы состоят из мелких режущих зерен, острые лезвия которых срезают с обрабатываемой детали тонкий слой материала. Одним из основных преимуществ абразивов перед другим режущим инструментом является то, что абразивы не нуждаются в заточке, так как зерна по мере затупления выламываются и в работу вступают обнажившиеся острые зерна.

Абразивные материалы разделяют на природные и искусственные.

Природные (естественные) абразивные материалы.

· Песчаник (желтого цвета) состоит из кварца, глинистых и известковых соединений.

· Наждак (серого цвета) содержит до 60 % окиси алюминия Al₂O₃, остальное Fe₂O₃ и SiO₂.

· Алмаз – минерал, состоящий из кристаллического углерода (аллотропическая форма углерода). Обладает самыми высокими твердостью, модулем упругости, низким коэффициентом трения и высокой прочностью. Применяется для производства высокотехнологического инструмента, порошков и паст.

· Корунд – (коричневого цвета) является весьма твердым абразивным материалом. Он состоит из 90 – 95 % Al₂O₃, Fe₂O₃ и SiO₂. корунд применяется для приготовления абразивных порошков и шкурок.

· Гранат – соединение алюминия, хрома, железа, а также кальция , кремния, марганца с кремнекислотой.

Искусственные абразивные материалы.

· Электрокорунд получается плавлением окиси алюминия или боксита в электропечах при температуре 1700 – 2000º С. Он представляет собой кристаллическую окись алюминия (99 % Al₂O₃). Это абразив высокой твердости. Промышленностью выпускаются следующие разновидности электрокорунда: нормальный (коричневого или серого цвета, содержит 92 – 96 % Al₂O_3, его твердость 1900-2000 HV), белый(белого или розового цвета), легированный, монокорунд (красного цвета) и сферокорунд.

· Карбид кремния SiC (карборунд) получается сплавлением кварцевого песка Si с угольным порошком С. Температура плавления 2000º С. Твердость 3300 – 3600 НV. Промышленность выпускает два вида карбида кремния: черный (КЧ) и зеленый (КЗ).

· Карбид бора В₄С получается сплавлением кристаллической борной кислоты с углеродом, содержит бора 70-78 % , а углерода 20-24 %. Карбид бора черного цвета, отличается высокой твердостью, значительно превосходящей твердость карбида кремния. Применяется в виде порошка при шлифовании очень твердых материалов и стекла.

· Кубический нитрид бора (Эльбор) – BN (СТМ) – синтетический сверхтвердый материал представляющий собой химическое соединение бора (43,6 %) и азота (56,4 %).

Применение.

Нормальный электрокорунд – обработка углеродистых незакаленных сталей, чугунов, цветных металлов.

Белый электрокорунд – обработка углеродистых, легированных, быстрорежущих сталей.

КЗ – обработка инструмента из твердых сплавов, керамики и правка шлифовальных кругов.

КЧ – обработка чугуна, цветных металлов, неметаллических материалов.

Абразивные круги на основе алмаза и нитрида бора используют для заточки и доводки режущего инструмента.

Абразивные материалы характеризуются абразивной способностью. Абразивная способность – это основной показатель качества абразива. Абразивная способность определяется массой снимаемого при шлифовании материала до затупления зерен. По режущей способности абразивные материалы располагаются в следующем порядке: алмаз, карбид бора, карбид кремния, монокорунд, наждак, кремень.

Таблица.9. Группы абразивных материалов по величине зерна.

Группа	Номер зернистости
Шлифзерно	200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25, 20, 16.
Шлифполрошки	12, 10, 8, 6, 5, 4, 3.
Микропорошки	М63, М50, М40, М28, М20, М14.
Тонкие микропорошки	М10, М7, М5.

Для изготовления абразивных инструментов применяют две основные группы связок:

· Неорганические – керамическая, магнезиальная, силикатная;

· Органическая – бакелитовая, глифталевая, вулканитовая.

Керамическая связка (К) состоит из глины, полевого шпата, кварца и др., в которые для повышения пластичности добавляют клеящие вещества (жидкое стекло, декстрин и т.д.). Недостаток – чувствительность и ударам и изгибающим нагрузкам.

Магнезиальная (М) – смесь каустического магнезита и раствора хлористого магния, твердеющая на воздухе (магнезиальный цемент). Недостаток – гигроскопичность, повышенный износ.

Силикатная связка (С) имеет основным связующим веществом жидкое стекло (силикат натрия), которое при смешивании с наполнителями (окись цинка, мел, глина).

Бакелитовая связка (Б) – искусственная фенолформальдегидная смола, применяется в жидком состоянии (Б1) или порошкообразном (Б2). Имеет повышенную прочность и упругость.

Вулканитовая связка(В) состоит из искусственного каучука с вулканизирующими добавками.

Инструменты, изготовленные из абразивных материалов, имеют различную твердость (Таблица.10.).

Твердость – сопротивление связки вырыванию зерен с поверхности инструмента под действием внешних сил.

Таблица.10. Условное обозначение твердости абразивных материалов.

Твердость абразивного инструмента	Обозначение	Подразделение
Мягкий	М	М1, М2, М3.
Среднемягкий	СМ	СМ1, СМ2.
Средний	С	С1, С2.
Среднетвердый	СТ	СТ1, СТ2, СТ3.
Твердый	Т	Т1, Т2.
Весьма твердый	ВТ	ВТ1, ВТ2.
Чрезвычайно твердый	ЧТ	ЧТ1, ЧТ2.

Шлифовальные круги маркируют условными сокращенными обозначениями с указанием завода-изготовителя, марки абразивного материала, номера зернистости, твердости, вида связки, рабочей окружной скорости, типоразмера и класса инструмента.

Пример маркировки шлифовального круга:

ПП 45050127 ЗАЗ Э 50 С1 Б

ПП – круг плоский прямоугольного профиля;

450 – наружный диаметр круга;

50 – высота круга;

127 – диаметр отверстия круга;

ЗАЗ – Златоустовский абразивный завод;

Э – электрокорунд;

50 – зернистость;

С1 – средняя твердость;

Б – бакелитовая связка.

К абразивным материалам также относятся :

· Шлифовальные шкурки;

· Абразивные и алмазные пасты.

В машиностроении применяют абразивные шкурки на бумажной и тканевой основе двух типов: водостойкие и для сухого шлифования.

Водостойкие, предназначены для шлифования с водяным или керосиновым охлаждением. Шкурки для сухого шлифования используют при масляном, керосиновом и уайт-спиртовом охлаждении.

Абразивно-доводочные пасты в зависимости от применяемого материала делят на две группы:

· Твердые (алмаз, карбид бора, наждак);

· Мягкие (окись хрома, окись железа, кварц).

Кроме абразивных материалов в состав паст для связки вводят: химически активные олеиновая и стеариновая кислоты, скипидар, парафин, канифоль и другие вещества.

Для притирочных и доводочных работ широко применят пасту ГОИ, разработанную Государственным оптическим институтом. В зависимости от требуемой шероховатости поверхности применяют три сорта этой пасты: тонкую (светло-зеленого цвета), среднюю (цвет темно-зеленый) и грубую (цвет темно-зеленый, почти черный).

Лакокрасочные материалы.

Лакокрасочные покрытия являются одним из средств защиты металлов и сплавов от коррозии и предназначены для создания декоративных покрытий на деталях из различных материалов.

Лакокрасочные покрытия (ГОСТ 9.072-77) – это покрытие, полученное нанесением лакокрасочного материала на окрашиваемую поверхность с последующим формированием пленки.

Лакокрасочное покрытие должно отвечать следующим требованиям:

· Порочно связываться с окрашиваемой поверхностью, т.е. иметь высокую адгезию;

· Обладать высокой прочностью, твердостью и необходимой эластичностью;

· По возможности меньше пропускать влагу, пары жидкостей, газы, солнечные лучи и не изменять своих свойств под действием перечисленных факторов. Стабильность покрытия в условиях воздействия воды и ее паров, воздуха и солнечного света называется атмосферостойкостью;

· В случае повреждения легко восстанавливаться;

· Ввиду массового производства быть дешевыми.

Компоненты лакокрасочных материалов.

Обязательным компонентом основных лакокрасочных материалов, к которым относятся лаки, грунтовки, шпатлевки и краски, является пленкообразующее вещество (пленкообразователь).

Пленкообразователи лакокрасочных материалов представляют собой полимеры или олигомеры, либо их композиции, способные формировать на поверхности пленки в результате физических, химических или физико-химических превращений.

Применение находят как жидкие, так и твердые пленкообразователи. К жидким пленкообразователям относятся некоторые растительные масла (льняное, конопляное, подсолнечное и др.). Данные масла, обработанные химически и термически, являются основой различных сортов олифы.

К твердым пленкообразователям принадлежат многие природные смолы (битумы, канифоль, шеллак, янтарь и др.), эфиры целлюлозы (нитроцеллюлоза) и разнообразные синтетические высокополимеры (поликонденсационные смолы, полимеризационные смолы, синтетические каучуки, фторопласты). На изделие пленкообразователи можно наносить как в расплавленном, так и в растворенном состоянии. При нанесении пленкообразователя в растворенном виде обязательно используют растворитель. К растворителям относятся: спирт (этиловый и метиловый), скипидар (терпентинное масло) – продукт сухой перегонки хвойной древесины, уайт-спирит (бензин-растворитель), бензол (токсичная жидкость), толуол и др.

Раствор твердого пленкообразователя в соответствующем растворители называется лаком.

Большая часть лаков используется не в чистом виде, а идет наряду с олифой для приготовления красок, грунтовок и других материалов. С этой целью в лак или олифу вводят пигмент. В зависимости от вида пленкообразователя получают два типа красок:

олифа + пигмент масляная краска;

лак + пигмент эмалевая краска.

Пигменты представляют собой минеральные вещества, получаемые из природных материалов: руд, окислов металлов (железа, цинка, свинца, титана и др.) или минералов (мел, охра), либо изготавливаемые искусственно. Основное назначение пигментов – сообщить краске определенный цвет. Пигменты в отличии от красителей нерастворимы в лаках и олифе и должны постоянно поддерживаться во взвешенном состоянии. Таким образом, масляные и эмалевые краски представляют собой суспензии.

Пленкообразователи, в которых за время высыхания не происходит химических превращений, называются непревращаемыми, а полученные из них покрытия – обратимыми.

Высохшее покрытие на основе непревращаемого пленкообразователя снова становится жидким при попадании на него растворителя. На этом основано получение многослойного покрытия: каждый последующий слой жидкой краски растворяет поверхностную часть предыдущего просушенного слоя, в результате чего происходит их слияние и они оказываются прочно соединенными друг с другом.

Пленкообразователи способные в процессе высыхания претерпевать химические превращения, называются превращаемыми.

Высохшие покрытия на основе превращаемых пленкообразователей становятся твердыми и не способными к переходу в жидкое состояние под действием растворителей. На этом основании такие покрытия можно считать необратимыми. К превращаемым пленкообразователям относится олифа, следовательно, покрытия из высохших масляных красок являются необратимыми.

Кроме пленкообразователей, красителей и пигментов, в состав лакокрасочных материалов могут вводиться разбавители (для снижения вязкости выпускаемых товарных красок(, пластификаторы (для повышения прочности покрытий), сиккативы (для ускорения процесса высыхания красок)и др