ФИМ / ТНГМ / Лекция по материаловедению "Неметаллические материалы"
(автор - student, добавлено - 28-11-2012, 14:31)
СКАЧАТЬ:
Неметаллические материалы 7.1. Классификация, строение и свойства неметаллических материалов Кроме металлов и сплавов в промышленности приме¬няются неметаллические материалы: пластические мас¬сы, композиционные и резиновые материалы, клеи, лако¬красочные покрытия, древесина, керамика и др. Основной составляющей частью неметаллов являются полимеры—это соединения, состоящие из макромолекул, похожих на вытянутые цепочки, отдельные звенья кото¬рых представляют собой атомные группировки (моно¬меры). Макромолекулы могут содержать одинаковые или разные мономеры, а иногда — чередующиеся блоки мономеров. В связи с этим материалы называются гомополимерами (или полимерами), сополимерами и блокосополимерами. По происхождению полимеры делятся: на природные (натуральный каучук, асбест, целлюлоза и др.) синте¬тические (полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.). Низкомолекулярные вещества (этилен, стирол и др.) перерабатываются в синтетические полимеры тремя спо¬собами: полимеризацией; поликонденсацией; химиче¬ским превращением. Полимеризация представляет собой процесс соедине¬ния молекул (мономеров) без выделения побочных про¬дуктов и изменения элементарного состава. При поли¬конденсации соединяются молекулы одинакового или различного строения с выделением побочных низкомоле¬кулярных веществ. Химические превращения направлены на формирование в полимерах новых структур и придания им новых свойств. По химическому составу полимеры делятся на орга¬нические, элементоорганические и неорганические. Ос¬новную массу составляют органические полимеры: смо¬лы и каучуки. Их молекулярная цепочка в основном об¬разована атомами углерода. Вводимые в основную цепь атомы различных элементов придают полимерам специ¬фические свойства (кислород—гибкость, фтор—химиче¬скую стойкость, хлор—огнестойкость и т. д.). Присое¬диняются также к углеродным атомам (в качестве бо¬ковых групп) атомы водорода или радикальные группы. В состав основной цепи элементоорганических поли¬меров входят неорганические атомы кремния, титана, алюминия и других элементов. К атомам основной цепоч¬ки присоединяются боковые радикальные группы. К это¬му классу относятся более теплостойкие смолы, каучука но менее упругие и эластичные, чем органические полимеры. Основой неорганических полимеров служат оксиды кремния, алюминия, магния и других металлов. К ним относятся силикатное стекло, керамика, слюда, асбест, графит, отличающиеся плотностью, хрупкостью и дли¬тельной теплостойкостью. Полимеры характеризуются особенностью строения— наличием цепных молекул, в которых атомы вдоль цепи связаны прочными химическими связями. Между макро¬молекулами же существуют более слабые электростати¬ческие или водородные связи, что обеспечивает полиме¬рам гибкость. Но у некоторых полимеров могут сущест¬вовать химические связи и между макромолекулами, что резко снижает их эластичность и повышает прочность, твердость. По структуре (или форме) макромолекул полимеры делятся на линейные или цепевидные (рис. 7.1) и разветвленные (б), ленточные или лестничные (в), прост¬ранственные или сетчатые (г), паркетные (д). Линейные полимеры (полиэтилен, полиамиды и др.) отличаются эластичностью, большой плотностью укладки-макромо¬лекул. Разветвленные полимеры (полиизобутилен и различ¬ные сополимеры) обладают меньшей плотностью, поэтому они менее прочны, более растворимы и легко плавят¬ся. Макромолекула лестничного полимера составлена из двух цепочек, соединенных («сшитых») химической свя¬зью. Такой полимер (например, кремнийогранический) обладает большей жесткостью и теплостойкостью. Раз¬новидностью пространственного сетчатого полимера яв¬ляется, например, графит с пластинчатой или паркетной структурой. По своему фазовому составу полимеры подразделя¬ются на аморфные и кристаллические. В первых макро¬молекулы собраны в пачки, способные перемещаться от¬носительно друг друга, что придает им эластичность, но невысокую прочность. Вторые имеют гибкие пачки мак¬ромолекул, которые путем специальной укладки, напри-мер в процессе термической обработки, могут привести к образованию пространственных решеток кристаллов. В полимерах, как правило, сосуществуют аморфная и кристаллическая фазы. Последняя придает им тепло¬стойкость, жесткость и прочность. Отношение объема, занимаемого кристаллической фазой, к общему объему полимера называется степенью кристалличности. По поведению при нагреве полимеры делятся на тер¬мопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры при повышенных температурах размягчаются, а при пониженных—затвердевают. Их можно перераба¬тывать в изделия неоднократно, структура полимеров линейная или разветвленная. Термореактивные полиме¬ры на первом этапе их переработки в изделия имеют ли-нейную структуру и при нагреве размягчаются. При рос¬те температуры макромолекулы «сшиваются», полимер затвердевает и остается твердым, т. е. возможна лишь однократная его переработка. Некоторые полимеры характеризуются значительным разбросом физико-механических свойств из-за разной длины макромолекул. Многие полимеры обладают малой плотностью и теп¬лостойкостью, а также высокой химической и коррози¬онной стойкостью. Это отличные электроизоляционные материалы, к тому же обладающие хорошими оптически¬ми свойствами. Они отличаются достаточной прочностью, упругостью, эластичностью. Большим достоинством по¬лимеров считается их высокая технологичность. В зависимости от температуры нагрева полимеры мо¬гут находиться в одном из трех физических состоянии: стеклообразном, высокоэластическом или вязкотекучем. Стеклообразное состояние характеризуется колеба¬тельными движениями лишь атомов, входящих в состав мономеров. Ни звенья, ни макромолекулы полимера не перемещаются. Это состояние присуще всем полимерам, а полимеры с пространственной структурой бывают только в стеклообразном состоянии. Преимущественная де¬формация полимеров в этом состоянии—упругая. Высокоэластическое состояние обеспечивается за счет колебания звеньев и изгибов макромолекул, что может привести к значительным обратимым изменениям формы полимера за счет совместных упругих и высокоэластических деформаций. Подобное состояние достигается у ли¬нейных, разветвленных и редкосетчатых (типа резин) полимеров. Вязкотекучее состояние (жидкое состояние) наблюда¬ется у линейных или разветвленных полимеров за счет высокой подвижности макромолекул. В вязкотекучем, пластическом состоянии проводится переработка поли¬меров и материалов на их основе в изделия. Полимеры в высокоэластическом или вязкотекучем состоянии подвергают медленному растяжению. При этом макромолекулы приобретают направленную ориентацию и упорядоченную структуру, что в свою очередь, приво¬дит к повышению прочности и упругости полимеров. Полимеры подвержены тепловому, световому, озонному или атмосферному старению—процессу самопроиз¬вольных необратимых изменений свойств полимеров. При этом полимеры либо размягчаются, либо повышают свою твердость и хрупкость. 7.2. Типовые термопластичные материалы Пластмассами или пластиками называют¬ся материалы, получаемые на основе природных или синтетических полимеров, которые при определенных температуре и давлении приобретают пластичность, а за¬тем затвердевают, сохраняя форму при эксплуатации. Пластмассы могут состоять из одного полимера или представлять собой сложную композицию. Кроме поли¬мера в состав пластмасс входят также наполнители, пластификаторы, отвердители, катализаторы, красите¬ли и др. Рассмотрим наиболее широко применяемые термо¬пластичные пластмассы (термопласты). Полиэтилен в зависимости от метода изготовления может иметь либо низкую плотность (γ = 0,918...0,93 г/см3) и степень кристалличности 55...65 %, либо высокую плотность (γ= 0,949...0,96 г/см3) и степень кристаллич¬ности 74...95 %. Он химически стоек, имеет температур-ный интервал эксплуатации—70...100°С. Кристалличе¬ская фаза придает полиэтилену теплостойкость и высо¬кую механическую прочность (σв= 8,5...45 МПа). Чтобы повысить стойкость полиэтилена к старению, в него вво¬дят 2...3 % сажи. Используется для производства пленок, труб, изоляции проводов и кабелей, покрытий на метал¬лах и др. Полипропилен (γ = 0,9….0,92 г/см3) имеет значитель¬ное количество кристаллической фазы. Химически стоек, температура эксплуатации от —15 до +150 °С. Обладает высокими физико-механическими свойствами (σв= 25 МПа). Стойкость к старению повышается проведе¬нием специальной обработки. В качестве эластичных и прочных волокон применяется в производстве текстиль¬ных изделий. Пленки из полипропилена более прочные и менее газопроницаемые, чем полиэтиленовые. Из полипропилена изготовляют также конструкционные детали и различные емкости. Полистирол (γ = 1,05...1,1 г/см3) представляет собой твердый, жесткий и прозрачный аморфный пластик. Растворяется в бензолах, но стоек к слабым кислотам, ще¬лочам, спиртам, не растворяется в маслах и бензине. Мо¬жет использоваться в интервале температур —20...+ 80 °С. Предел прочности при растяжении (σв= 35...40 МПа. По¬листирол склонен к старению и образованию трещин. Широко распространен ударопрочный полистирол (с до¬бавкой синтетического каучука), который характеризует¬ся значительно большей ударной прочностью и высоким относительным удлинением. Полистирол используется для получения деталей радио- и телетехники, фотоаппа¬ратуры, корпусов и ручек различных машин, волокон, деталей автомобилей, труб и др. Фторопласт-4 (γ= 2,15...2,35 г/см3) содержит крис¬таллическую и аморфную фазы. Это термически стойкий пластик, его температурная область применения —269... ...+250 °С. Механическая прочность фторопласта-4 (σв = 14...35 МПа) сохраняется до температуры 250 °С. Он отличается высокой химической стойкостью против кис¬лот, щелочей, окислителей и растворителей; не смачива¬ется водой; характеризуется малым коэффициентом тре¬ния. К недостаткам фторопласта-4 относятся хладотекучесть, возможное выделение фтора при повышенных температурах и некоторые трудности переработки. При¬меняется для изготовления деталей химической аппара¬туры, труб для химикатов, нанесения антифрикционных покрытий на металлы и др. Поливинилхлорид (γ = 1,4 г/см3), имеет аморфную структуру, отличается хорошей химической стойкостью, негорючестью, атмосферостойкостью, упругостью и дос¬таточно высокой прочностью (σв==40...60 МПа). Вини¬пласт—разновидность поливинилхлорида, применяется в производстве труб для агрессивных сред, используется как материал для защитных покрытий металлов, гальва¬нических ванн и т. п. К недостаткам винипласта относят низкие длительную прочность и термостойкость под на¬грузкой. Пластикат также разновидность поливинилхло¬рида, используется или в виде пленки или как исходный материал для изготовления печатных валиков, уплотнительных прокладок, конвейерных лент, труб и др. Полиамиды (γ= 1,12...1,16 г/см3) —кристаллизующие¬ся пластики, известные под названиями капрон, нейлон и др. Эти пластики стоики к бензину, спирту, щелочам. Рабочая температура полиамидов—60...110 °С. Обладая хорошими механическими свойствами (σв= 50... ...100 МПа) полиамиды являются конструкционными ма¬териалами. Прочность же полиамидных волокон достига¬ет σв==600 МПа. Дополняют положительные качества полиамидов их способность противостоять износу, высо¬кая ударная прочность, демпфирующие свойства и низ¬кий коэффициент трения. Недостатками полиамидов являются гигроскопичность и старение за счет окисления. Изделия из полиамидов— зубчатые колеса, шкивы, подшипники, уплотнители, тру¬бопроводы, волокна, канаты и др. Полиамиды использу¬ются и в качестве антикоррозионных и антифрикцион¬ных покрытий металлов. Лавсан (γ = 1,2 Мг/м3) представляет собой сложный полиэфир. Это кристаллический полимер, при быстром охлаждении может стать аморфным. Обладает хорошей химической стойкостью и морозостойкостью (до —70 °С). Механическая прочность сравнительно невелика (σв= 17,5 МПа), но она может быть увеличена за счет за¬данной ориентации макромолекул. Из лавсана изготов¬ляют волокна, ткани, пленки, канаты, ремни, зубчатые колеса и другие изделия. К термостойким пластикам относят материалы, име¬ющие максимальную температуру использования 300°С и более. К ним относятся полиимиды—ароматичес¬кие термопластичные пластики. Они стойки к раствори¬телям, маслам, слабым кислотам. Их температурный диапазон эксплуатации в изделиях—200...300°С. Поли¬имиды прочны (σв= 90...130 МПа), имеют низкий коэф¬фициент трения. Из полиимидов производят пленки и различные детали машин. В практике находят применение также термопластич¬ные пластмассы с наполнителями. Связующими в них служат термопластичные полимеры. В частности, в по¬лиамиды вводят стеклянные волокна, что повышает их прочность (до σв= 90...150 МПа), усталостную прочность, теплостойкость и износостойкость. В качестве наполни¬телей выступают и волокна (капроновые, лавсановые и др.), также повышающие механические свойства мате¬риалов. В слоистных термопластах находят применение стеклоткани. Так, капрон с подобным наполнителем име¬ет σв= 400...430 МПа, а его работоспособность повышает¬ся до 220 °С. 7.3. Типовые термореактивные материалы В термореактивных пластмассах (реактопластах) связующими являются термореактивные полимеры, чаще всего это эпоксидные (стеклопластики на их основе спо-собны к длительной эксплуатации при температурах до 200 °С), фенолоформальдегидные (до 260 °С), кремний-органические (до 370 °С) и полиимидные (до 350 °С) смолы, а также непредельные полиэфиры (до 200 °С). Связующие должны обладать высокой адгезией, тепло-стойкостью, химической стойкостью, малой усадкой, тех¬нологичностью. В порошковых пластмассах, пресспорошках (γ= 1,4.. .1,45 г/см3)-наполнителями служат органиче¬ские (древесная мука, целлюлоза) или минеральные (графит, тальк, кварц и др.) порошки. Эти пластмассы обладают химической стойкостью, теплостойкостью до 110 °С, удовлетворительной прочностью (σв = 30... ...60 МПа), но низкой ударной вязкостью. Из них произ¬водят электроизоляционные детали, элементы несиловых конструкций. Пресс-порошки, созданные на основе эпоксидных смол, нашли широкое применение в инструмен¬тальном деле, производстве штампов и приспособлений, для устранения дефектов литья и др. К пластмассам с порошковым наполнителем относятся фенопласты (ГОСТ 5689) и аминопласты (ГОСТ 9359). Из них изготовляют несиловые конструкционные и электроизоляционные детали (рукоятки, детали приборов, кнопки и др.), различные силовые детали типа вытяжных и формовочных штампов, корпуса сбор чных и контрольных приспособлений, литейные модели и др. Фенопласты (бакелиты, феноло-формальдегидные смолы) изготовляют в соответствии со схемой на рис. 7.2 [см. 4, с. 525]. Они являются термоупрощающими пластмассами. Неупрочненные смолы получают при поликонденсации фенола с формальдегидом. Существуют два основных типа фенолаформальдегидных смол: наволоки и резолы. Они отличаются структурой. Наволоки содержат группу CH2 и OH, а резолы группу CH2 OH, а также CH 2OH. Для получения пластмассы с хорошими потребительскими свойствами в наволоки добавляют субстанцию, которая при нагревании разлагается с выделением формальдегида. Упрочнение термопластов происходит, в интервале температур от 140…180 °С. Некоторые термопласты затвердевают, после добавления к ним соответствующих кислот и при 25 °С. Упрочненные фенолаформальдегидные смолы часто называют б а к е л и т а м и. Он трудногорим, стоек к воздействию разбавленных кислот и щелочей, а также действию большинства растворителей. Из него изготовляют изделия галантереи (пуговицы, пепельницы), электротехнические элементы (вилки, розетки), корпуса радио – и телефонных аппаратов и детали стиральных машин, защитные шлемы, корпуса аккумуляторов, плиты, лаки. В волокнистых пластмассах, волокнитах (γ= 1,35—1,45 г/см3) наполнитель представляет собой очесы хлопка. Волокниты по теплостойкости и механи¬ческим свойствам похожи на пресспорошки, являются исходными материалами для изготовления шкивов, ру-кояток, фланцев и др. Асбоволокниты (γ= 1,95 г/см3), содержащие в качестве наполнителя волокнистый ас¬бест, более теплостойки (до 200 °С), химически стойки к кислотам, обладают значительной ударопрочностью и высокими фрикционными свойствами. Асбоволокниты используются при создании тормозных устройств. Высокопрочные короткие стеклянные волокна используются как наполнители в стекловолокнитах марок АГ-4В или ДСВ (γ= 1,7...1,9 г/см3). Стекловолокниты химически стойки, негорючи, предельная температура длительной работы 280 °С, имеют высокую прочность (σв=80....500 МПа), технологичны. Если длинные стеклянные во¬локна укладываются закономерно и отдельными прядя¬ми, то получаются ориентированные стекловолокниты марок АГ-4С, ВМ-1 и др., повышающие свои механиче¬ские свойства в сравнении с обычными стекловолокнитами в 3...5 раз и более. Из стекловолокнитов делают вы¬сокоточные, любой конфигурации (с резьбой и со сталь¬ной арматурой) крепежные изделия и детали машин. В сложных пластмассах применяются листовые на¬полнители. Гетинаксы (γ= 1,3...1,45 г/см3) с бумажными на¬полнителями подразделяются на электротехнические и декоративные. Они химически стойкие и выдерживают максимальную температуру 150 °С, прочность гетинаксов (σв= 80...100 МПа). Применяются для изготовления раз¬личных щитков и панелей, а также для облицовки поме¬щений. Текстолиты (γ= 1,3.. .1,4 г/см3) имеют наполни¬тель из хлопчатобумажных тканей, выпускаются марок ПТК, ПТ и др. Могут работать до температур 80...125°С, прочность σв=65...100 МПа, являются хорошими демп¬фирующими материалами. Используются в производст¬ве зубчатых колес, вкладышей подшипников и др. Древесно-слоистые пластики (ДСП) (γ= 1,3...1,4 г/см3) содержат наполнители в виде древес¬ного шпона. Изделия из ДСП эксплуатируются до темпе¬ратур 140...200 °С, прочность (σв= 130...300 МПа, бесшумны в работе и долговечны. Из них выполняют под¬шипники, шкивы, детали швейных и текстильных машин, автомобилей, вагонов и др. В асботекстолитах в качестве наполнителя ис¬пользуется асбестовая ткань. Это конструкционный, фрикционный и термоустойчивый материал, используется для тормозных устройств. К слоистым пластмассам относят и стеклотекстолиты (γ = 1,4.. .1,9 г/см3), использующие стеклян¬ные ткани. Стеклопластики способны к длительной экс¬плуатации при температурах 200...400 °С, а кратковре¬менно — до нескольких тысяч градусов. Специфика стеклопластиков выражается в способности при высоких температурах образовывать слой термостойкого кокса, замедляющего процесс деструкции материала и защища¬ющего его. Стеклотекстолиты химически стойки, их прочность доходит до σв= 600 МПа, они имеют доста¬точную ударную вязкость и более высокую в сравнении с металлами работоспособность. Недостатками этих материалов являются анизотро¬пия и невысокий модуль упругости. Изделия из стекло¬пластиков разнообразны: корпуса лодок, судов; кузова автомашин и др. 7.4. Резиновые материалы, области их применения Резиной называют продукт вулканизации смесь каучука с серой и другими добавками. Резины — хими¬чески стойкие материалы, обладающие газо- и водонепроницаемостью, высокой стойкостью к истиранию и хо¬рошими электроизоляционными свойствами. Эти мате¬риалы имеют низкий модуль упругости (Е==1...10 МПа), являются малосжимаемыми, склонны к снижению рабо¬тоспособности за счет воздействия теплоты, выделяю¬щейся вследствие внутреннего трения при многократном нагружении изделия. К резинам общего назначения относится нату¬ральный каучук (НК) (γ= 0,91...0,92 г/см3), это аморфный полимер, но в нем может образовываться и кристаллическая фаза, приводящая к упрочнению НК. Растворяется в бензине, бензоле и других растворите¬лях, образуя клеи. Температурный интервал использова¬ния—70...130°С. Механические свойства натурального каучука(НК) следую¬щие: предел прочности при растяжении (σв= 24...34 МПа, относительное удлинение δ= 600...700 %, остаточное уд¬линение 25...40 %. К этой же группе принадлежат и ре¬зины марок СКВ, СКС и СКИ, обладающие свойствами, близкими к свойствам натурального каучука. Из резин общего назначения производят ремни, рукава, шины, изоляцию кабелей и другие резинотехнические изделия. К специальным резинам относят несколько групп резин. В группу маслобензостойких резин входит резина наирит (γ= 1,225 Мг/м3), которой присущи высокая эластич¬ность, вибростойкость, озоностойкость. Уступает резинам общего назначения по морозо- и теплостойкости. Суще¬ствуют также марки маслобензостойких резин СКН (γ= 0,94...0,99 Мг/м3) и тиокол (γ = 1,3...1,4 Мг/м3), последний—хороший герметизирующий материал. Резина СКТ (γ= 1,7...2 Мг/м3) относится к теплостойким резинам, ее температурный интервал эксплуатации - 60...200 °С. Светоозоностойкие резины выпускаются ма¬рок СКФ (γ= 1,8...1,9 Мг/м3), СКЭП и бутилкаучук. Из¬носостойкие резины получают на основе каучука СКУ. Из специальных резин изготовляют ремни, транспортер¬ные ленты, маслобензостойкие уплотнители, манжеты, диафрагмы, гибкие шланги и др. На практике наряду с техническими соображениями вопрос использования неметаллических материалов ре¬шается и с точки зрения экономической эффективности. Пластмассы обладают низкой плотностью и высоким коэффициентом использования материала (КИМ ==0,9... ...0,95). Это приводит к значительному снижению материалоемкости машин и уменьшению массы конструкций в 4...5 раз. Применение пластмасс обеспечивает существенное сокращение производственного цикла, так как изготов¬ление металлических деталей осуществляется за десят¬ки операций механической обработки, а пластмассо¬вых — часто за одну технологическую операцию по фор-мообразованию. В связи с этим трудоемкость изготовления пластмассовых деталей уменьшается в 5...6 раз и более, а себестоимость продукции снижает¬ся в 2...3 раза. 7.5. Клеящие материалы Клеями называют сложные вещества на основе полимеров, способные при затвердевании образовывать прочные пленки, хорошо прилипающие к раз¬личным материалам. По сравнению с другими видами соединений (клеп¬кой, сваркой, механическим креплением) клеевые соединения имеют ряд преимуществ. Клеи позволяют соединять разнородные материалы (металл, керамику, пластмассу, дерево) в различных сочетаниях. Клеевые швы атмосферостойки, не подвержены коррозии, позволяют обеспечивать герме¬тичность соединений. Масса конструкции при клеевой сборке почти не уве¬личивается, отсутствуют снижающие прочность и являющиеся концентра-торами напряжений отверстия под болты, заклепки, гвозди. Во многих случаях клеевое соединение металлических и неметаллических материалов яв¬ляется единственно возможным решением, обеспечивающим высокую прочность конструкции. Клеи могут выдерживать высокие и низкие темпе¬ратуры, сохраняя достаточную прочность соединения. Недостатками клеевых соединений являются сравнительно невысокая теплостойкость при длительной эксплуатации и низкая прочность при не¬симметричном нагружен и неравномерном отрыве. Работоспособность клеевых соединений зависит прежде всего от про¬цессов адгезии и когезии. Адгезия характеризует прочность сцепления клеевой пленки со склеиваемой поверхностью, когезия - прочность собст¬венно клеевого слоя. Для приготовления клеев используют термопластичные или термореак¬тивные полимеры. Клеи на основе термопластичных полимеров дают менее прочные соединения и используются ограниченно, обычно для склеивания материалов, не подвергающихся тепловому воздействию (бумаги, картона, тканей). С повышением температуры клеевой слой размягчается и склеен¬ные поверхности разъединяются. Клеи на основе термореакгивных полиме¬ров, содержащие также отвердители и ускорители процессов отверждения, наполнители и пластификаторы, дают более прочные соединения. Клеи этой группы могут быть холодного и горячего отверждения. Клеи холодно¬го отверждения смешиваются с отвердителями и ускорителями непосредст¬венно перед процессом склеивания. Клеи горячего отверждения приготов¬ляют на заводе-изготовителе, поставляют потребителю в готовом виде; они могут храниться несколько месяцев. К группе клеев на основе термореактивных смол относятся феноло-формальдегидные клеи. При наличии в их составе ускорителей процесса (например, сульфоконтакта) эти клеи отверждаются даже при комнатной температуре за несколько часов. К таким клеевым составам относятся клеи Б-3, Ф-9 и др. В тех случаях, когда применение ускорителя, обладающего кислотными свойствами, может привести к частичной деструкции склеи¬ваемого материала (например, древесины, фанеры) рекомендуется вместо феноло-формальдегидного клея применять резорцинно-формальдегидный клей, например ФР-12. Для склеивания изделий из древесины, работающих в условиях уме¬ренной влажности, применяют клеи на основе водных растворов мочевиноформальдегидных смол, например, клей КМ-12. В качестве ускорителей в этих клеях холодного отверждения используются хлористый аммоний или хлористый цинк, а также слабые органические кислоты. Феноло-формальдегидные клеевые соединения водостойки. На базе феноло-формальдегидных смол создана гамма универсальных клеев. В их число входят следующие: клей БФ (феноло-формальдегидная смола, модифицированная бутваром); клей ВК-32-ЭМ (продукт взаимодействия феноло-формальдегидной и эпоксидной смол); клей ВК-32-200 (феноло-формальдегидная смола и синтетический каучук); клей ВС-350 (феноло-формальдегидная смола, полиацеталь, полисилоксан) и др. Из перечисленных групп клеев наибольшую прочность склейки до тем¬ператур 140 … 150 °С обеспечивают феноло-формальдегидно-эпоксидные клеи. Наиболее теплостойкими и достаточно прочными являются соединения, обеспечиваемые клеями ВК-32-250 ВС-350. Эти соединения могут длитель¬ное время работать при температурах 250 - 300 °С. Из клеев на основе термореактивных полимеров наиболее широкое применение находят клеи на основе эпоксидных смол. Их применяют для склеивания различных металлов, металлических и неметаллических мате¬риалов. Клеи на эпоксидной основе могут работать в широком температур¬ном диапазоне. Отдельные марки таких клеев выдерживают воздействие температур от -253 до +800...+1000 °С. Клеи на эпоксидной основе дли¬тельно сохраняют прочность в условиях эксплуатации, обеспечивают ваку¬умную плотность соединений и стойкость к циклическому температурному воздействию. Их существенными преимуществами являются низкая (до 2 %) усадка при отверждении, высокая адгезия к большинству конструкци-онных материалов и небольшой объем газовыделений в вакууме. Эти свой¬ства позволяют широко использовать клеи на основе эпоксидных смол при склеивании холодильного и криогенного оборудования. Эпоксидные клеи холодного отверждения применяют для склеивания древесины, многих пластмасс, керамики и резины с металлом. Эпоксидные клеи горячего отверждения применяют для склеивания ме¬таллических конструкций и изделий из стеклопластика. Эпоксидные клеи с наполнителем применяют в качестве шпатлевки, устраняющей дефекты металлического литья, а также неровности металли¬ческих, керамических и деревянных изделий. По внешнему виду клеи могут быть в жидком состоянии, в виде паст или пленок (фолы), часто армированных полиамидной тканью или другим синтетическим материалом. По внешнему виду клеи бывают жидкими, пастообразными, пленочны¬ми. Широкое распространение получили пленочные клеи на эпоксидной ос¬нове, использование которых позволяет получать не только прочные клее¬вые соединения, но и дает существенные технологические преимущества. При применении пленочных клеев часто используют армирующие материа¬лы - полиамидные, стеклянные и другие синтетические ткани. Кроме клеев на эпоксидной основе, широко используют кремнийорганические, алмохромфосфатные клеевые композиции, а также полиуретановые (ПУ-2; ВК-20), резиновые и некоторые другие клеи. Полиуретановая клеевая пленка газонепроницаемая, масло-, бензо- и водостойкая. Она обладает высокой адгезией и морозостойкостью, поэтому полиуретановые клеи используются также в качестве герметиков. Для склеивания резиновых изделий между собой, а также металла с резиной, применяются резиновые (каучуковые) клеи 88, Б-10, КР-5-18, лейконат. Резиновый клей удобен для употребления тем, что он вулканизируется на холоду и это клеевое соединение обладает удовлетворительной прочно¬стью и мало набухает в масле и бензине. К числу наиболее распространенных герметиков для металлических из¬делий относится тиоколовый каучук (тиокол). Он вулканизируется при ком¬натной температуре. Вулканизатором в большинстве случаев является пероксид марганца, а активатором - дифенилгуанидин. Отвержденная пленка масло-, водо- и бензостойка, выдерживает длительное время при контакте с кислородом воздуха и сохраняет высокую прочность при температуре до 130 °С. Существенным недостатком тиоколового каучука является его низкая адгезия к металлу, поэтому при его использовании требуется создавать подложку для резинового клея. Этот недостаток отсутствует у жидкого тио¬кола (герметик ВТУР), в состав которого входит диизоцианат. Для герметизации отсеков ракет, самолетов и другой техники, рабо¬тающих при температурах 150 … 250 °С и не соприкасающихся с маслами и топливом, применяются полисилоксаны с отвердителями, обеспечивающи¬ми их отверждение при комнатной температуре (кремний- и оловоорганические соединения). Существенным недостатком этих герметиков является малая адгезия к металлу, даже в случае нанесения специального подслоя. Для отсеков, работающих при 150 … 250 °С и соприкасающихся с мас¬лом и топливом, применяются фторорганические герметики. Полисилоксановые и фторорганические герметизирующие пленки не разрушаются при длительном воздействии на них кислорода и озона; они сохраняют эластичность при низких температурах (до - 60 °С); имеют вы¬сокую водостойкость. Технологически удобны для использования в качестве герметика рас¬творы феноло-формальдегидных смол, совмещенных с нитрильным каучу¬ком, например ВГК-18. Этот герметик не требуется вулканизировать: он обладает удовлетворительной адгезией к металлическим поверхностям, а герметизирующая пленка сохраняет прочность до 100 °С, обеспечивает до-статочную прочность и обладает масло- и бензостойкостью. На основе жидких полиуретановых, карбоксилатных, фторированных каучуков разработан способ герметизации вакуумированных узлов (про¬пускных) в криогенных условиях. В радиотехнике применяют галлиевые клеи (клеи-припои). Соединение, полученное с помощью такого клея, имеет хорошую тепло- и электропроводность, достаточно высокую прочность и эксплуатационную стабильность в интервале температур -196 ... +800 °С. Склеиваемые поверхности должны быть механически очищены, на¬пример наждачной бумагой, пескоструйной обработкой, и обезжирены (спир¬том, ацетоном). Толщина пленки клея должна составлять 0,1 - 0,6 мм. Меньшая толщина грозит нарушением сплошности пленки, большая -уменьшает прочность соединения. 7.6. Лакокрасочные материалы Лакокрасочные материалы представляют собой многокомпонентные соста¬вы, в жидком состоянии наносящиеся на поверхность изделий и высыхаю¬щие с образованием пленок, удерживаемых силами адгезии. Высохшие пленки называют лакокрасочными покрытиями. Назначение лакокрасоч¬ных покрытий - защита металлов от коррозии, дерева и тканей - от гние-ния и набухания. Кроме того, они служат декоративным целям, придавая изделиям желаемый внешний вид. В некоторых случаях покрытия могут иметь специальные свойства: электроизоляционные, теплозащитные, свето¬стойкие и др. Защитные покрытия в несколько раз увеличивают срок служ¬бы аппаратуры, металлоконструкций и оборудования. Основными требованиями, предъявляемыми к лакокрасочным покры¬тиям, являются высокая адгезия к защищаемым поверхностям; близкие значения температурных коэффициентов линейного расширения покрытия и металла; высокая плотность, беспористость, водо- и газонепроницае¬мость; высокая эластичность пленки при достаточной твердости и механи¬ческой прочности; теплостойкость, химическая стойкость и светостойкость. Качество и срок службы лакокрасочных покрытий зависят от их соста¬ва, природы окрашиваемого материала, подготовки поверхности, техноло¬гии и качества нанесения покрытия. Характеристики и области применения некоторых лакокрасочных материалов приведены в следующей таблице: Основные компоненты лакокрасочных материалов - пленкообразователи, растворители и пигменты. Пленкообразователи сообщают лакокрасочным материалам способность к образованию пленки и определяют ее основные свойства. Пленкообра¬зующими веществами могут быть высыхающие растительные масла, синте¬тические смолы и эфиры целлюлозы. Различают неотверждаемые термо¬пластичные и отверждаемые термореактивные пленкообразователи. Растворителями лакокрасочных материалов служат скипидар, уайт-спирит, ацетон, спирты. Растворители подбирают в зависимости от пленко¬образующего вещества: для масел используют скипидар и уайт-спирт; для смол - спирты, ацетон и ароматические углеводороды типа бензола и то¬луола, для эфиров целлюлозы - ацетон. Растворители при сушке полностью улетучиваются. Для ускорения высыхания покрытий применяют каталити¬чески действующие сиккативы, представляющие собой растворы оксидов кобальта, цинка, свинца, марганца в растительном масле. Пигменты (или красители) применяют для получения определенного цвета лакокрасочного материала. Одновременно пигменты улучшают адгезию, повышают антикоррозионные свойства и водостойкость пленок. По химическому составу они представляют собой оксиды или соли металлов (охра, железный сурик, цинковые и титановые белила), порошки алюминия, цинка и элементарного углерода (графит, сажа). Применяют также пигмен¬ты органического происхождения (пигмент алый и др.), сообщающие по¬крытиям красивые яркие тона. Для удешевления лакокрасочных материалов в них добавляют напол¬нители. Наполнителями служат мел, каолин, тальк и другие вещества. Применение в качестве наполнителей слюды и асбеста способствует повы¬шению термостойкости покрытий. В зависимости от состава и назначения лакокрасочные материалы де¬лятся на лаки, краски (в том числе эмали), грунты и шпаклевки. Лаком называют раствор пленкооб¬разующих веществ в органических рас¬творителях или в воде, образующий по¬сле высыхания твердую прозрачную од-нородную пленку. Лаки используют для получения прозрачных покрытий, защи¬щающих поверхность от внешней среды. Иногда лаки наносят на слой краски для большего блеска покрытия. Грунтами, шпаклевками и красками называют пигментированные лаки и олифы. Схема системы лакокрасочного - высыхающего масла с добавкой сиккатива, являющегося катализатором покрывной лак высыхания. Краски, изготовленные на лаках, называют эмалями, а на олифах - масляными красками. Грунты являются нижними слоями покрытия. Они обеспечивают проч¬ную адгезию с окрашиваемой поверхностью. В качестве пигмента в грунтах применяют соли хромовой кислоты, свинцовый или железный сурик, цин¬ковые белила и др. Шпаклевкой называют густую и вязкую массу, состоящую из смеси пигментов с наполнителями в связующем веществе. Шпаклевки применяют для сглаживания неровностей поверхности изделий. Они имеют значитель¬но большую вязкость, чем остальные лакокрасочные материалы за счет бо¬лее высокой концентрации пигмента и наполнителя. Надежность защиты поверхности изделий обычно достигается исполь¬зованием многослойных покрытий. Сочетание слоев последовательно нане¬сенных лакокрасочных материалов различного целевого назначения (грунт, шпаклевка, краска, лак) называется системой покрытия. Общее число слоев составляет от 2 … 6 до 14. Толщина каждого слоя грунта, эмали, лака составляет 10…26 мкм, шпаклевки - до 1 мм. Выбор грунта произво¬дится с учетом окрашиваемого и покрывного материалов. Покрывной мате¬риал выбирают в зависимости от условий эксплуатации и требуемого внешнего вида изделия. Список литературы 1. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б.Н. Арзамасов, В. И. Макарова, Г. Г. Мухин и др. /Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова, Г. Г. Мухина – М.: Машиностроение, 2002. – 648 с. 2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1993. – 448 с. 3.Мозберг Р.К. Материаловедение: Учебное пособие. – М.: Высш. шк., 1991. – 448 с. 4. Материаловедение: Учебник для вузов. /Слонцев Ю. П., Пряхин Е. И., Войткун Ф. – М.: МИСиС, 1999. – 600с. Похожие статьи:
|
|