«Калининград 2000 3 С.И. КОРЯГИН И.В. ПИМЕНОВ, В.К. ХУДЯКОВ СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений ...»

Бороволокниты КМБ-3, КМБ-3к обеспечивают работоспособность изделий при температурах до 100°С, КМБ-1 и КМБ-1к до 200°С, а КМБ-2к до 300°С. С целью повышения технологичности переработки используют композиты, содержащие смесь борного волокна со стекловолокном.

Бороволокниты применяются в авиационной и космической технике для изготовления различных профилей, панелей, деталей компрессоров и др.

Карбоволокниты (углепластики) – композиционные материалы на основе полимерного связующего и углеродных волокон. Углеродные волокна отличаются высокой теплостойкостью, удельной прочностью, химической и атмосферостойкостью, низким коэффициентом термического линейного расширения.

Применяют волокна двух типов: карбонизованные и графитированные. В качестве исходного материала используют вискозные или полиакрилонитрильные (ПАН) волокна, каменные и нефтяные пеки, которые подвергаются специальной термообработке. В процессе высокотемпературной обработки в безокислительной среде происходит переход от органических волокон к углеродным. Карбонизация проводится при температуре 900...2000°С, а графитизация – при температурах до 3000°С.

Углеродные волокна по механическим свойствам подразделяются на высокомодульные и высокопрочные. В качестве связующих используют термореактивные полимеры: эпоксидные, фенолоформальдегидные смолы, полиамиды и др., а также углеродные матрицы.

Карбоволокниты обладают хорошими механическими свойствами, статической и динамической выносливостью, водо- и химической стойкостью, стойкостью к рентгеновским излучениям, более высокой, чем у стеклопластиков, теплопроводностью.

Применяются карбоволокниты для изготовления конструкционных деталей авиационной и космической техники, антенн, автомобилей, судов, спортивного инвентаря. Основные свойства волокнитов представлены в таблице 18.

2.4. Композиционные материалы Слоистые композиционные материалы имеют листовые наполнители (ткани, бумагу, шпон и т.д.), пропитанные и скрепленные между собой полимерным связующим. Эти материалы обладают анизотропией свойств – имеют высокую прочность при растяжении вдоль слоев армирующего наполнителя и низкую в перпендикулярном направлении. Этот недостаток отсутствует у объемно-тканых или трехмерно-армированных материалов.

В качестве волокнистых армирующих элементов используют ткани на основе высокопрочных волокон различной природы: хлопчатобумажные, стеклоасботкани, органоткани, углеткани, органостеклоткани, бороорганостеклоткани. Ткани различаются между собой по соотношению волокон в основе и утке, по типу переплетения, что сказывается на их механических свойствах. Выпускаются слоистые композиты в виде листов, труб, заготовок.

Гетинакс – пластик на основе модифицированных фенольных, аминоформальдегидных и карбамидных смол и различных сортов бумаги. По назначению гетинакс подразделяется на декоративный и электротехнический. Декоративный гетинакс стоек к воздействию химикатов, пищевых продуктов, растворителей, может иметь любой цвет и рисунок. Применяется он для облицовки технической и бытовой мебели, внутренней облицовки салонов самолетов, кают судов, железнодорожных вагонов и т.д. Электротехнический гетинакс используется для изготовления панелей, приборных щитков и других целей. Для печатных радиотехнических изделий применяют гетинакс фольгированный (ГФ). В качестве фольги используется тонкий слой меди. Выпускается гетинакс, фольгированный с одной (ГФ-1) и с двух сторон (ГФ-2), нормальной и повышенной прочности и нагревостойкости, на что в марке указывает буква Н или П, стоящая после цифры, например ГФ-1П.

Основные свойства гетинаксов приведены в таблице 19.

Бумага на ос- Бумага на основе Бумага целнове полами- поливинилового люлозная, свяСвойство да, связующее спирта, связую- зующее – феполиимид щее – феноло- нолформальформальдегидная дегидная Плотность, Предел прочности Ударная вязкость, Электрическая Диэлектрическая проницаемость при частоте Тангенс угла диэлектрических Органогетинакс изготавливают на основе бумаги из синтетических волокон, чаще всего из ароматических полиамидов и поливинилового спирта. В качестве связующих применяют полиимиды, фенолоформальдегидные, эпоксидные и другие смолы. По сравнению с гетинаксами они имеют более высокую стойкость в агрессивных средах и стабильность механических и диэлектрических свойств при повышенных температурах.

Текстолит – слоистый пластик на основе полимерных связующих и хлопчатобумажных тканей. Материал обладает высокими механическими свойствами, стойкостью к вибрациям. В зависимости от основного назначения текстолиты подразделяются на конструкционные, электротехнические, графитированные, гибкие прокладочные.

Конструкционный текстолит марок ПТК, ПТ, ПТМ используется для изготовления зубчатых колес, подшипников скольжения, работающих при температурах в зоне трения не выше 90°С, в прокатных станах, турбинах, насосах и др. Выпускается в виде листов толщиной от 0,5 до 8 мм и плит толщиной от 8 до 13 мм. Диэлектическая прочность в трансформаторном масле до 8 кВ/мм.

Электротехнический текстолит используется в качестве электроизоляционного материала в средах с рабочей температурой от -65 до +165°С и влажностью до 65%. Выпускается он в виде листов толщиной от 0,5 до 50 мм марок А, Б, Г, ВЧ. Марка А – с повышенными электротехническими свойствами для работы в трансформаторном масле и на воздухе при промышленной частоте 50 Гц. Марка Б – с повышенными электротехническими свойствами для работы на воздухе при частоте 50 Гц.

Марка Г – по свойствам и области использования аналогична марке А, но с расширенными допусками по короблению и толщине. Марка ВЧ – для работы на воздухе при высоких частотах (до 106 Гц).

Графитированный текстолит применяется для изготовления подшипников прокатного оборудования и выпускается в виде листов толщиной 1...50 мм, длиной до 1400 мм и шириной до 100 мм.

Гибкий прокладочный текстолит используют для производства уплотняющих и изолирующих прокладок в узлах машин, подвергаемых воздействию масел, керосина, бензина. Выпускают в виде листов толщиной 0,2...3,0 мм.

В асботекстолитах (табл. 20) и асбогетинаксах в качестве наполнителей содержится соответственно асботкань или асбобумага (до 60%), а в качестве связующего – фенолоформальдегидные и меламиноформальдегидные смолы, кремнийорганические полимеры, которые определяют допускаемую температуру эксплуатации. Материалы на меламиноформальдегидной основе допускают работу изделий при температурах до 200°С, на фенолоформальдегидной до 250°С и на кремнийорганической до 300°С при длительной эксплуатации. Кратковременно температура может достигать 3000°С. Применяют асботекстолиты в основном для изготовления тормозных колодок, тормозных накладок, в качестве теплоизоляционного и теплозащитного материалов.

Плот- Времен- Предел прочности ТеплоСвязующее ность, ное со- вдоль основы, МПа стойкость 103 кг/м3 против- при сжа- при ста- по Мартическом тенсу, °С Фенолоформальдегидная смола 1,40...1,80 40...150 140...150 70...245 200... Меламиноформальдегидная смола 1,75...1,85 45...85 190...350 115...170 100... Кремнийорганическая смола 1,70...1,80 40...80 230...250 80...90 250... Стеклотекстолиты изготавливают на основе стеклотканей и различных полимерных связующих (табл. 21). На фенолоформальдегидных смолах (КАСТ, КАСТ-В, КАСТ-Р) они более теплостойки, чем текстолит ПТК, но хуже по вибростойкости. На кремнийорганических смолах (СТК, СК-9Ф, СК-9А) имеют высокую тепло- и морозостойкость, обладают высокой химической стойкостью, не вызывают коррозии контактирующего с ним металла. Применяют стеклотекстолиты в основном для крупногабаритных изделий радиотехнического назначения, а также изготовления стеклотекстолита фольгированного марок СФ-1, СФ-2 при производстве печатных плат.

Фенолоформальдегидная смола 1,5...1,8 300...500 200...600 100...300 50... Эпоксидная смола 1,6...1,9 400...600 400...800 200...400 100... Полиэфирная смола 1,4...1,7 140...450 150...500 100...300 70... Кремнийорганическая смола 1,6...1,9 150...350 150...500 100...350 35... Полиимиды 1,7...1,9 300...500 350...680 300...500 100... Высокой ударной вязкостью КСU до 600 кДж/м2, временным сопротивлением до 1000 МПа обладают стекловолокнистые анизотропные материалы, армированные стеклошпоном (СВАМ). По удельной жесткости эти материалы не уступают металлам, а по удельной прочности в 2-3 раза превосходят их.

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

Пенопласты получают на основе термопластичных полимеров (полистирола, поливинилхлорида, полиуретана) и термореактивных смол (фенолоформальдегидных, фенилокаучуковых, кремнийорганических, эпоксидных, карбамидных). Для получения пористой структуры в большинстве случаев в полимерное связующее вводят газообразующие компоненты, называемые порофорами (углекислый газ, азот, воздух и инертные газы).

Однако имеются и самовспенивающиеся материалы, например пенополиэфироуретановые, пенополиэпоксидные. Пенопласты на основе термопластичных смол более технологичны и эластичны, однако температурный диапазон их эксплуатации от -60 до +60°С.

Пенопласты на основе полистирола изготавливаются в виде гладких или профилированных пластин, полуоболочек или профильных изделий. Широкое применение они получили в качестве диэлектриков и упаковочных материалов при транспортировке различных стеклянных и других хрупких изделий.

Такой пенопласт получают путем введения в полистирол порообразователя и нагревом массы до температуры 90...105°С. При этом объем первоначальных гранул увеличивается в 20-80 раз.

После выдержки, необходимой для выравнивания давления, полученный полуфабрикат загружают в пресс-форму и нагревают до температуры 100...110°С, пока не заполнится вся форма. Плотность полученного материала 10...30 кг/м3, поры закрытые, 98% объема составляет воздух. Пенополистирол радиопрозрачен. По такой технологии могут заполняться различные полости между металлическими, угле- или стеклопластиковыми оболочками с целью звуко- и теплоизоляции, увеличения плавучести и т.д. Недостатками материала являются растворимость в бензине, бензоле и горючесть.

Пенополивинилхлорид не поддерживает горения, но обладает более низкими диэлектрическими свойствами по сравнению с пенополистиролом. Применяется он в основном в качестве легкого заполнителя для тепло- и звукоизоляции.

Пенополиуретановые материалы получают из жидких компонентов – смеси полиспиртов и диизоцианатов. В зависимости от технологии можно получить мягкие, полужесткие и жесткие материалы с более высокой, чем у полистирольных пенопластов, термостойкостью.

Пенопласты на основе термореактивных смол допускают более высокие температуры эксплуатации, но они более хрупки. Поэтому в термореактивные смолы необходимо вводить пластификаторы или совмещать их с каучуками либо термопластичными смолами. Пенопласты на основе фенолоформальдегидных и фенолокаучуковых смол допускают работу при температурах до 120...150°С, а на основе полисилоксановых смол – до 300°С.

Самовспенивающиеся пенопласты применяются для заполнения труднодоступных мест и полостей сложной конфигурации.

Пенопласты используют для тепло- и звукоизоляции кабин, теплоизоляции рефрижераторов, труб, приборов и так далее, для повышения плавучести, удельной прочности, жесткости и вибростойкости силовых элементов конструкций. Объемная плотность пенопластов находится в пределах от 10 до 300 кг/м3, теплопроводность – от 0,002 до 0,06 Вт/(мК).

Свойства некоторых газонаполненных материалов на основе пластмасс приведены в табл. 22.

Полистирол ПС-1 100...200 1,0...2,7 3,9...5,4 -60...+ Поливинил- ПХВ-1 60...130 0,2...1,0 2,6...4,4 То же хлорид ПХВ-2 130...220 0,8...1,5 5,2...5,6 То же Полиуретан ПУ-101Т 200...250 3,3...3,4 4,0...4,8 -60...+ Фенило- ФК-20 50...200 0,2...3,0 4,2...6,2 -60...+ каучук ФК-20-А-20 140...200 0,8...2,3 6,5...7,5 -60...+ Полисилоксан К-20 250...300 1,4...1,9 4,8...5,1 -60...+ Эпоксидная ПЭ-2 100...300 0,7...5,0 3,0...0,7 -60...+ Поропласты получают в основном путем механического вспенивания композиций, например сжатым воздухом или с использованием специальных пенообразователей. При затвердевании вспененной массы растворитель, удаляясь в процессе сушки и отверждения из стенок ячеек, разрушает их. Сквозные поры можно получить, наполнив композиции водорастворимыми веществами. После прессования и отверждения изделия его погружают в нагретую воду, в которой вымываются растворимые вещества.

Поропласты применяют для изготовления амортизаторов, мягких сидений, губок, фильтров, в качестве вибродемпфирующих и звукоизоляционных прокладок в вентиляционных установках, глушителях, прокладок в касках и шлемах и т.д.

Плотность их составляет 25...500 кг/м3.

Пластмассы, наполненные полыми частицами сферической формы, отличаются от пенопластов, описанных выше, тем, что вместо газовых включений они содержат микросферы диаметром 20...70 мкм, имеющие толщину стенок 1,5...3,0% от диаметра. Полые сферические наполнители могут быть полимерными, стеклянными, керамическими и металлическими. Чаще применяются сферы из фенолоформальдегидной смолы и стекла.

В качестве связующих для получения пластмасс такого типа могут использоваться любые полимеры, но в большинстве случаев применяют эпоксидные и полиэфирные смолы. В зависимости от соотношения полого наполнителя и связующего получают литьевые композиции и прессовочные пасты (табл. 23).

Изделия из литьевых композиций изготавливают путем заливки их в формы или нанесения на поверхность оснастки с последующим отверждением. Из прессовочных паст можно получать изделия в пресс-формах под давлением 0,5...1,5 МПа или без давления, уплотняя шпателем.

Приведенные в таблице 23 материалы атмосферостойкости устойчивы к маслам, топливам и другим нефтепродуктам, не поражаются микроорганизмами, устойчивы к морскому туману, обладают хорошей адгезией к металлам и стеклопластикам.

Пластмассы с полыми наполнителями используются при изготовлении различных плавучих средств, сэндвич-конструкций, теплозвукоизоляции.

2.6. Металлополимерные каркасные материалы Металлополимерные каркасные материалы (МПК) представляют собой композиционные материалы, в которых несущей основой является трехмерная металлическая сетка или один лист (или несколько) конструкционной стали, а межкаркасные полости заполнены полимерной композицией, содержащей различные функциональные компоненты. Так, в судостроении и судоремонте широко используются трехслойные каркасные материалы (рис. 3), содержащие два металлических листа, между которыми размещается один или несколько слоев стеклоткани, пропитанных термореактивным полимером. Наилучшими адгезионными свойствами обладают клеи на основе многокомпонентных полимеров типа «Спрут», «ВАК», «Адгезив» и др.

Рис. 3. Трехслойный каркасный материал:

В машиностроении нашли применение металлополимерные самосмазывающиеся материалы на основе металлокерамического каркаса и полимерных связующих, содержащих сухие смазки (графит, дисульфид молибдена, йодистый кадмий и др.) (рис. 4), несущей основой является трехмерная металлическая сетка.

Рис. 4. Структура металлополимерного каркасного 3 – твердая смазка; 4 – пиролитический графит Для получения металлокерамического каркаса используют порошки оловянистой бронзы, нержавеющей стали, стеклокерамику. Межкаркасные полости заполняют фторопластом-4 в смеси со свинцом. Материал МПК используется для изготовления подшипников скольжения, сепараторов подшипников качения, поршневых колец и др. Самосмазывающиеся материалы МПК работают до температуры 250°С и имеют коэффициент трения 0,05...0,12.

Для изготовления подшипников большого диаметра и вкладышей самосмазывающиеся материалы МПК припекают к металлической основе (ленте). Такие подшипники работают без смазки при температурах до 280°С, давлении до 300 МПа и имеют высокую износостойкость пар трения при низком коэффициенте трения, что позволяет иметь скорости скольжения до 5...10 м/с.

Зачастую в материалы МПК вводят углеграфитовые и металлизированные углеграфитовые ткани, пропитанные полимерными связующими с твердыми смазками.

Глава 3. РЕЗИНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 3.1. Натуральный и синтетический каучук Основой всякой резины является натуральный каучук (НК) или синтетический (СК), который обеспечивает пластичность исходной резиновой смеси (сырой резины) и во многом определяет основные физико-механические свойства резинового материала.

Натуральный каучук представляет собой продукт коагуляции млечного сока (латекса) бразильской гевеи. По химическому строению НК является продуктом полимеризации изопрена регулярной структуры с молекулярной массой от 70000 до 2500000. Плотность НК 910...920 кг/м3. С помощью специальных агентов можно перевести каучук в термостабильное состояние.

Натуральный каучук характеризуется высокой морозостойкостью (до -60°С), высоким сопротивлением истиранию, газо- и водонепроницаемостью, хорошими диэлектрическими свойствами и высокой эластичностью.

Синтетический каучук (СК) представляет собой продукт полимеризации однородных или разнородных мономеров углеводородного, нитрильного, сульфидного, силоксанового и других типов. Молекулы синтетических каучуков отличаются большей степенью разветвленности и, благодаря сочетанию различных звеньев, большим разнообразием свойств.

Основными типами синтетических каучуков, имеющих промышленное значение, являются бутадиеновые, бутадиенстирольные, изопреновые, относящиеся к каучукам общего назначения, а также хлоропреновые, бутадиен-нитрильные, бутилкаучуки, этиленпропиленовые, уретановые, силоксановые, фторкаучуки, полисульфидные (тиоколы) и другие, относящиеся к каучукам специального назначения.

Бутадиеновый каучук (СКБ) получают путем полимеризации бутадиена в присутствии катализатора – металлического натрия. Он имеет невысокую прочность и морозостойкость до -45°С. Применяется в производстве прокладок, ковриков, различных уплотнителей, эбонитовых изделий, диэлектрических резин. В настоящее время заменяется в основном бутадиенстирольными и другими каучуками.

Бутадиен-стирольные (СКС) и бутадиен--метилстирольные каучуки (СКМС) – продукты совместной полимеризации бутадиена со стиролом и бутадиена с метилстиролом – имеют высокое сопротивление истиранию. По морозостойкости они несколько уступают натуральному каучуку. Более морозостойки каучуки с пониженным содержанием стирола или метилстирола, например СКС-10, СКМС-10, СКС-10-1. Однако большей прочностью отличаются каучуки, содержащие больше стирола, например СКС-30, СКС-50.

Изопреновый каучук (СКИ) – продукт каталитической полимеризации изопрена. Каучук СКИ-3 по структуре и эластичности наиболее близок к натуральному каучуку, но имеет более низкую когезионную прочность. Выпускают изопреновые каучуки для электроизоляционных резин (СКИ-ЗД), вакуумной техники (СКМИ-ЗВ), пищевой промышленности (СКИ-ЗП).

Изопреновые каучуки являются каучуками общего назначения и применяются в производстве транспортерных лент, амортизаторов, гуммирования аппаратуры и др.

Хлоропреновый каучук (наирит) представляет собой продукт эмульсионной полимеризации хлоропрена, относящийся к числу стереорегулярных кристаллизующихся полимеров. Выпускают хлоропреновые каучуки, модифицированные серой (наирит СР и КР) и не содержащие серы, с примесью меркаптанов (наирит П и НП). Наириты отличаются высокой стойкостью к атмосферным воздействиям и масло-бензостойкостью, стойкостью к спиртам, кетонам, нитросоединениям, соляной и уксусной кислотам, хлористому водороду, хорошо сопротивляются тепловому старению, не поддерживают горения после удаления пламени. Наириты используются для гуммирования химической аппаратуры, изготовления оплеток кабелей, транспортерных лент и др. Морозостойкость их до -40°С.

Бутадиен-нитрильные каучуки. (СКН) являются продуктами совместной полимеризации бутадиена с нитрилом акриловой кислоты. СКН относится к некристаллизующимся каучукам. Свойства вулканизатов зависят от количества нитрильных групп. С увеличением количества нитрильных групп повышаются стойкость к действию масел и бензина, теплостойкость, однако снижается эластичность и ухудшается морозостойкость.

Например, морозостойкость СКН-18 составляет до -60°С, а СКН-40 до -28°С. Повышенной масло-бензостойкостью, теплои радиационной стойкостью и более высоким сопротивлением раздиру обладает каучук СКН-50СМ. Каучук СКН применяют для получения транспортерных лент, уплотнительных прокладок, манжет и т.п.

Бутилкаучуки (БК) представляют собой кристаллизующиеся каучуки с линейной структурой, получают их путем совместной полимеризации изобутилена с 0,6...3% изопрена. Они имеют высокую химическую стойкость, газо- и влагонепроницаемость, стойки к тепловому и атмосферному старению, к действию озона, кислот и щелочей. Бутилкаучуки применяют для изготовления резинотехнических изделий, от которых требуется повышенная тепло-, паро-, озоно- и химическая стойкость.

Этиленпропиленовые каучуки являются некристаллизующимся продуктом совместной полимеризации этилена с пропиленом (СКЭП) и с добавкой диенов (СКЭПТ). Они обладают хорошими электроизоляционными свойствами и износостойкостью, низкой плотностью. Используются в основном для изготовления электроизоляционных изделий, герметиков, транспортерных лент и др.

Уретановые каучуки (СКУ) получают взаимодействием диизоцианатов с простыми (СКУ-ПФ, СКУ-ПФЛ) или сложными (СКУ-8, СКУ-7, СКУ-8П) эфирами. СКУ обладают высокой стойкостью к истиранию, набуханию в маслах, различных топливах и растворителях, озоно- и светостойкостью, радиационной и вибростойкостью. Применяют СКУ для изготовления резинотехнических изделий, от которых требуется высокая износостойкость и стойкость к воздействию различных жидких сред.

Фторкаучуки (СКФ) – продукт сополимеризации ненасыщенных фторсодержащих углеводородов. СКФ обладают высокой теплостойкостью, стойкостью к маслам, топливам, органическим жидкостям, сильным окислителям, негорючи. Их применяют в производстве уплотнительных и герметизирующих деталей, шлангов, рукавов, изоляции и прочих деталей, эксплуатируемых при температурах до 200°С, а кратковременно и до 315°С.

Полисульфидные каучуки (тиоколы) – продукты взаимодействия галоидопроизводных углеводородов с соединениями щелочных металлов. Вулканизаты тиокола стойки к действию органических растворителей, озона, кислорода, обладают хорошей газонепроницаемостью, однако имеют невысокие механические свойства. Жидкие тиоколы – Т, НВТ, НВБ-1, НВБ-2 – применяют для изготовления герметизирующих паст и замазок.

Силоксановые каучуки представляют собой кремнийорганические полимерные соединения, основная цепь которых состоит из чередующихся атомов кремния и кислорода. Каждый атом кремния связан с двумя органическими радикалами. В зависимости от состава радикалов различают диметилсилоксановые каучуки (СКТ), винилсилоксановые (СКТВ), фенилсилоксановые (СКТФТ), этилсилоксановые (СКТЭ), фенильный каучук с винильными группами (СКТФВ). В марках низкомолекулярных каучуков добавляется в конце буква Н (например, СКТВН). Силоксановые каучуки обладают высокой термостойкостью (до 300°С) и морозостойкостью (до -100°С), хорошими электроизоляционными свойствами, устойчивы к ультрафиолетовому излучению, действию кислорода и озона. Однако они имеют невысокое сопротивление истиранию, нестойки к действию ряда топлив, масел. Применяются эти каучуки в основном для изготовления теплостойких уплотнений и других элементов.

3.2. Наполнители, пластификаторы и другие вулканизирующие агенты резины Наполнители. В производстве резин и резинотехнических изделий применяются порошкообразные и тканевые наполнители. Основные функции наполнителей:

1) изменение физико-механических свойств резин и придание им специальных свойств (например, электропроводности, химстойкости и др.);

2) облегчение обработки резиновых смесей;

3) снижение стоимости изделий.

Наполнители, улучшающие механические свойства резин, называются активными, или усиливающими. Наполнители, вводимые для снижения стоимости резинотехнических изделий и не оказывающие существенного влияния на свойства резин, называются неактивными, или инертными.

В качестве активных наполнителей используют углеродистую сажу, диоксид кремния («белая сажа»), силикаты металлов, некоторые органические продукты (синтетические полимеры, лигнин) и др. Например, введение сажи в каучуки СКВ, СКС, СКН увеличивает их временное сопротивление.

К инертным наполнителям относятся в основном различные неорганические продукты природного происхождения: мел, каолин, тальк, регенерат резины и др.

Прочность резиновых смесей зависит от дисперсности и удельной поверхности наполнителя. Активные сажи имеют дисперсность 0,05...0,15 мкм и удельную поверхность более 65 м2/г. Высокодисперсные сажи придают вулканизатам высокую прочность на разрыв и раздир, высокую износостойкость.

«Белую сажу» в качестве наполнителя применяют при получении светлых и цветных резин в пропорции 7/10. Она повышает механические свойства каучуков, их тепло- и огнестойкость. Для теплостойких резин используют в качестве наполнителей также фторид и силикат кальция.

В производстве прорезиненных тканевых изделий, таких как шины, транспортерные ленты, приводные ремни, рукава и т.д., в качестве наполнителей используют корд, бельтинг и разнообразные рукавные ткани.

Пластификаторы (мягчители) вводят в каучук для облегчения совмещения его с остальными компонентами резиновой смеси, заполнения ею форм в процессе формования изделий, повышения адгезии каучука к тканям и пластичности. Наряду со своей основной функцией ряд мягчителей придает резинам специфические свойства: высокую морозостойкость, эластичность, низкую горючесть, газонепроницаемость, пониженную окисляемость. Содержание пластификаторов в резиновых смесях составляет от 8 до 30% от общей массы. Пластификаторы должны быть совместимы с каучуками, стойки при температурах переработки и вулканизации, быть нетоксичными. В качестве пластификаторов используются парафины, жирные кислоты, битумы, дибутилфталат, растительные масла, различные синтетические продукты.

Для увеличения долговечности резинотехнических изделий вводятся противостарители, т.е. органические вещества, повышающие стойкость резин к воздействию кислорода воздуха и теплоты, возникающей в результате гистерезисных потерь при деформировании резин. В качестве таковых используются различные фенолы, первичные ароматические амины, ароматические диамины, в частности неозон Д, параоксинеозон, альдоль, воск и др.

Кроме антиоксидантов в резины вводят антирады, одоранты, красители и другие специальные добавки.

Основным процессом переработки каучука в резину является вулканизация – сшивка макромолекул каучука при нагреве под действием специальных вулканизующих агентов. Продукт вулканизации принимает пространственно-сшитую структуру, от густоты сетки которой зависят физико-механические свойства резины.

В качестве вулканизующего агента наиболее широкое применение нашла сера. Обычно используется сера дисперсностью 0,35...0,40 мкм. При содержании серы до 5% образуются редкосетчатые резины – мягкие, высокоэластичные. С увеличением содержания серы сетчатая структура становится более густой, резина – более твердой, и при максимально возможном насыщении каучука серой (32%) образуется твердый материал, называемый эбонитом.

Вещества, ускоряющие реакцию взаимодействия каучука с серой, носят название ускорителей. Наиболее распространенные ускорители – тиурам, каптакс, альтакс, гуанидины, сульфенамидные соединения. Для повышения эффективности их действия вводят дополнительно активаторы – оксиды металлов, в частности цинка и магния.

При вулканизации каучуков с низкой степенью непредельности, например бутилкаучуков, применяют в качестве вулканизующих агентов фенолоформальдегидные смолы. Перекись бензоила используется для вулканизации силоксановых каучуков и фторкаучуков. Вулканизация этиленпропиленовых и силоксановых каучуков осуществляется перекисью дикумила.

3.3. Резины общего и специального назначения Резины подразделяются на две группы: общего и специального назначения. К резинам общего назначения относятся резины на основе неполярных каучуков, натурального каучука, бутадиеновых, бутадиен-стирольных, изопреновых каучуков и их комбинаций. Резины общего назначения могут работать в атмосферных условиях, в слабых растворах кислот и щелочей.

Рабочий диапазон температур составляет от -35...-50° до 130...250°С в зависимости от типа каучука. Выпускаются они в виде листов, пластин, рулонов, шнуров и др. Применяются для изготовления шин, приводных ремней, рукавов, транспортерных лент, кабельной изоляции и других резинотехнических изделий.

Резины специального назначения выпускаются с учетом специфики воздействия окружающей среды и условий эксплуатации и включают резины теплостойкие, маслобензостойкие, морозостойкие, стойкие к воздействию агрессивных сред, износостойкие, электротехнические, радиационностойкие и др.

Теплостойкие резины получают на основе полисилоксановых каучуков (СКТ), а также каучуков, содержащих винильные группы (СКТВ), фенильные и винильные (СКТФВ). Введение винильных групп повышает устойчивость к тепловому старению до 300°С, а фенильных – повышает морозостойкость до -100°С и сопротивляемость воздействию радиации.

Маслобензостойкие резины изготавливаются на основе хлоропреновых (наирит), изопреновых (СКП), полисульфидных (тиокол), уретановых (СКУ) каучуков. Резины работоспособны при длительном контакте с нефтепродуктами и растительными маслами, обладают хорошей износостойкостью.

Морозостойкие резины – резины на основе каучуков с низкой температурой стеклования, в частности на основе бутадиеновых (СКВ), бутадиен-нитрильных (СКН), силоксановых (СКТ), бутадиен-стирольных (СКС).

Стойкими к воздействию агрессивных сред (кислот и щелочей) являются резины на основе бутилкаучука, бутадиен-нитрильных, кремнийорганических, фторсодержащих, хлоропреновых, акриловых каучуков.

Свето-озоностойкие резины – резины на основе фторсодержащих (СКФ), этиленпропиленовых (СКЭП) и бутилкаучуков. Применяют их для изготовления уплотнительных элементов, диафрагм, гибких шлангов, в шинном производстве и др.

Износостойкие резины получают на основе полиуретановых каучуков (СКУ). Они обладают высокой маслостойкостью, стойки к кислороду и озону, к воздействию радиации. Применяют такие резины в уплотнительных элементах, в автомобильной промышленности, для изготовления прозрачных шлангов, элементов машин, испытывающих воздействие абразивов и т.д.

Электротехнические резины включают электроизоляционные, электропроводящие и магнитные резины. Электроизоляционные резины получают на основе неполярных каучуков НК, СКВ, СКС, СКТ и бутилкаучуков. Для них характерны высокое удельное сопротивление v=1013...1017 Омм, относительная диэлектрическая проницаемость = 2,4...4,0, тангенс угла диэлектрических потерь tg = 0,005...0,010. Эти резины идут на изготовление кабельной изоляции, специальных перчаток и обуви.

Электропроводящие резины получают на основе натурального каучука, СКН, наирита путем наполнения их электропроводящими наполнителями, в частности углеродной сажей, графитом и др. Для этих материалов характерно значение v = = 104...106 Омм. Применяют их в основном для получения токопроводящих покрытий.

При наполнении аналогичных каучуков магнитными дисперсными наполнителями получают магнитные резины.

Радиационные резины на основе фторсодержащих, бутадиен-нитрильных, бутадиен-стирольных каучуков, наполненные оксидами свинца и бария, применяют с рентгенозащитной целью, для изготовления деталей рентгеновской аппаратуры, защитной одежды для работы с радиоактивными изотопами и др.

В промышленности используются также вакуумные, вибро-, водо-, огнестойкие, медицинские, пищевые и другие специальные резины.

Твердая резина (эбонит) обладает высокой химической стойкостью, твердостью, высокими диэлектрическими свойствами, хорошо обрабатывается резанием, полируется. Для производства эбонита применяют любые каучуки, однако эбониты на основе синтетических каучуков более теплостойки, чем на основе натуральных каучуков. При производстве эбонитов в композиции, кроме каучуков и серы, вводят различные ингредиенты: ускорители, мягчители, наполнители и другие, которые позволяют увеличить скорость вулканизации, уменьшить усадку изделий, повысить твердость и водостойкость.

Эбонитовые изделия подразделяются на поделочные и формовочные. Поделочные эбониты выпускают в виде стержней диаметром от 5 до 75 мм и длиной до 500 мм, а также пластин толщиной от 4 до 30 мм, длиной 1000 мм и шириной до 500 мм и в виде трубок для производства деталей радиоаппаратуры, медицинского и другого оборудования в качестве изоляционного материала. Эбонит имеет следующие электрические характеристики: удельное поверхностное и объемное электрическое сопротивление не менее 1013 Омм, тангенс угла диэлектрических потерь не более 0,02, электрическая прочность 25… кВ/мм. Формовочные эбониты изготавливают в виде аккумуляторных баков, крышек, пробок, медицинских воронок и других деталей.

Герметиками называют материалы, используемые для уплотнения неподвижных соединений, эксплуатируемых в условиях воздействия высоких и низких температур, вакуума, различных агрессивных сред и излучений, с целью предотвращения утечки рабочей среды или проникновения внешней среды в соединения. Герметики широко используются в машинно-, автомобиле- и судостроении для уплотнения сварных швов кузовов, различных емкостей, защиты днищ и крыльев машин от коррозии, уплотнения болтовых, заклепочных, фланцевых соединений и др. Герметики также применяются в радиотехнической промышленности для герметизации электронных блоков, работающих на открытом воздухе или в агрессивных средах.

Также большое количество герметиков используется в строительстве для уплотнения стыков стенных панелей, оконных и дверных проемов, защиты сварных соединений и др.

Для выполнения своих функций герметики должны обладать жизнеспособностью, липкостью, пластичностью, хорошей адгезией и другими свойствами. Основой для герметиков в основном являются синтетические каучуки и олигомеры, а также полимеры, битумы и другие вещества, обладающие низкой эластичностью.

В зависимости от основы герметики подразделяются на вулканизирующиеся, невысыхающие и высыхающие.

Невысыхающие герметики представляют собой термопластичные материалы, которые при определенной температуре способны переходить в вязкотекучее состояние, а при охлаждении – вновь в пластическое или пластоэластическое состояние.

Основой их являются каучуки с низкой непредельностью (содержащие небольшое количество двойных связей) или полностью насыщенные каучуки – полиизобутиленовый, этиленпропиленовый, бутилкаучук. Герметики этого типа не требуют вулканизации, обладают высокой стойкостью к воздействиям атмосферных факторов, озона, кислот и щелочей, окислителей, обладают хорошими диэлектрическими свойствами, газо- и водонепроницаемостью. Невысыхающие герметики могут выпускаться отформованными в виде жгутов или полос различного сечения и длины, а также в виде текучей или пастообразной массы. Ими возможна герметизация стыков любой конфигурации. Невысыхающие герметики широко применяются для уплотнения разъемных и неразъемных соединений, а также уплотнения различного рода стыков и швов.

Для герметизации различных соединений (разъемных), емкостей, приборов и аппаратов используются герметики 51-Г-3, 51-Г-4. В автомобилестроении для герметизации отверстий и щелей на стыках металлических участков кузовов применяют герметики 51-Г-7, УА-01; для уплотнения стекол – У-20А, У-22, 51-Г-6. Герметик У-20А используют для герметизации заклепочных, винтовых и болтовых соединений. Защитой паяных соединений от коррозии служит герметик 51-Г-4м. В строительстве для уплотнения стыков наружных стеновых панелей и других целей применяются герметики УМС-50, бутэпрол и др.

Диапазон рабочих температур герметиков 51-Г-3, 51-Г-4, 51-Г-6, 51-Г-7 от -50 до 100°С, остальных - до 70°С.

Высыхающие герметики также относятся к термопластичным материалам и представляют собой растворы резиновых смесей в органических растворителях. После нанесения на поверхность и улетучивания растворителя они становятся эластичными. Основой этих герметиков являются высокомолекулярные вулканизующиеся каучуки – бутадиен-стирольные, бутадиен-нитрильные, хлоропреновые и другие, а также невулканизующиеся каучуки – изопрен-стирольные, уретановые и другие в сочетании с различными смолами. Высыхающие герметики выпускаются однокомпонентными, при загустевании их можно доводить до нужной вязкости растворителями. Наносятся высыхающие герметики кистью или шпателем. Шпателем наносят за один прием слой толщиной не более 3 мм. Более толстые покрытия наносят в несколько слоев с промежуточной сушкой. При высыхании эти герметики дают значительную усадку. Высыхающие герметики применяются для поверхностной и, ограниченно, для внутришовной герметизации.

Вулканизующиеся (отверждающиеся) герметики представляют собой жидкие или вязкотекучие пасты, переходящие при воздействии теплоты и специальных агентов в процессе вулканизации (отверждения) в эластичные газо- и гидронепроницаемые материалы, хорошо уплотняющие соединения. Эти герметики представляют собой термореактивные материалы, основой которых являются низкомолекулярные каучуки или олигомеры с реакционноспособными группами (ОН, СООН, SH, Cl, NCO и др.), полисульфидные низкомолекулярные каучуки (жидкие тиоколы), силоксановые, фторсилоксановые, олигомерные, углеводородные каучуки и др. Они обычно состоят из 2-3 компонентов (вулканизирующие агенты, ускорители вулканизации, отвердители), которые поставляются раздельно и смешиваются в определенной пропорции перед применением. При вулканизации усадка практически отсутствует. Вулканизующиеся герметики применяют главным образом для неразъемных соединений. Вулканизация может производится путем обработки, нагретым воздухом или обработки, нагретым воздухом или нейтральным газом, выдержки в термостате или печи, местного прогрева с помощью токов высокой частоты, направленного лучеоблучения и др.

Наиболее универсальными и распространенными среди вулканизующихся герметиков являются тиоколовые герметики.

Они обладают удовлетворительными физико-механическими, адгезионными и диэлектрическими свойствами, высокой эластичностью, стойки к воздействию атмосферных факторов, озона, радиации, горюче-смазочных материалов, разбавленных кислот и щелочей. Эти герметики обеспечивают эксплуатацию изделия при температурах от -60 до +130°С.

С целью повышения их адгезии к металлам и стеклу на поверхность наносят клеевой подслой. С течением времени происходит старение герметиков, увеличивается их жесткость, прочность при разрыве снижается незначительно.

Из тиоколовых герметиков широкое применение для герметизации металлических, древесных и других соединений, работающих в среде разбавленных кислот и щелочей, жидкого топлива и на воздухе, в контакте с морской водой и при воздействии радиации, получили герметики У-3ОМ и УТ-31 с клеевым подслоем. Для герметизации болтовых, заклепочных и других металлических соединений применяют герметики типа У-3ОМЭС-5, У-3ОМЭС-10, УТ-32 без клеевого подслоя. Для заполнения зазоров и щелей используется герметик УТ-34. В приборостроении применяются герметики типа 51-УТ-36А, 51-УТ-36Б. Для герметизации кабин и топливных отсеков используют герметики ВИТЭФ-2 и ВИТЭТ-1, АН-0,5. Недостатками тиоколовых герметиков является нежелательность использования их в контакте с серебряными, медными и латунными поверхностями, малое сопротивление раздиру и износу.

Процесс герметизации включает следующие технологические операции: приготовление герметика, подготовку поверхностей деталей или узлов, нанесение герметика, его вулканизацию или отверждение (если это необходимо).

Приготовление герметика заключается в смешивании компонентов (для двух- или многокомпонентных герметиков в состоянии поставки) в специальных мешалках или смесителях для получения гомогенной смеси.

Подготовка поверхности необходима для обеспечения хорошей адгезии герметика к защищаемой поверхности. Поверхности очищают от различных загрязнений, следов коррозии и обезжиривают. Иногда используют оксидирование и фосфатирование поверхностей. Пористые поверхности обрабатывают специальными грунтовками для закупорки пор. При необходимости для увеличения адгезии наносится клеевой подслой (рис. 5).

Рис. 5. Влияние температуры на сопротивление отрыву герметику У-30М от стали 45ХГСА:

Нанесение герметиков на небольшие поверхности осуществляется с помощью шпателей, шприцов и различных лопаток, пластинок. Для больших поверхностей в массовом производстве используются пневмо- и гидрошприцы и специальные устройства.

Для герметизации металлических соединений, контактирующих с водой и топливом, применяют высыхающий герметик ВГК-18, для защиты металлических поверхностей от разбавленных минеральных кислот и щелочей – 51-Г-10. Защиту от коррозионного и абразивного разрушения обеспечивает герметик 51-Г-14. По теплостойкости герметики подразделяются на три класса: низкой теплостойкости до 50…70°С, средней – до 100…150°С и высокой свыше 200°С.

Теплостойкие силоксановые герметики изготавливают на основе жидких силоксановых каучуков. Они обладают высокой эластичностью, свето- и атмосферостойкостью, стойки к ультрафиолетовому излучению, разбавленным кислотам и щелочам, гидрофобны и газонепроницаемы, устойчивы в условиях тропического климата, нетоксичны, теплостойки при температурах до 200..300°С, имеют хорошие диэлектрические и технологические свойства. Однако у них невысокая прочность и низкое сопротивление истиранию. В различных отраслях промышленности получили широкое применение такие силоксановые герметики, как ВИКСИНТ. У-1-18 У-5-21, У-2-28, К-18, КЛТ-30, КЛСЕ, ВГО-1, ВГО-2, эластосил 11.01, КАВСЕ-305 и др. Для повышения адгезии силоксановых герметиков к металлическим поверхностям применяют специальные грунты и подслои на основе аминосиланов.

На основе фторсодержащих каучуков изготавливают теплотопливостойкие герметики типа ВГФ-1, ВГФ-2, 51-Г-15, 51-Г-1, 51-Г-2 с теплостойкостью до 250°С. Для повышения адгезии их применяют с клеевым подслоем. Герметики данного типа используют в основном для поверхностной герметизации.

Компаундами называются электроизоляционные композиции на основе полимеров, олигомеров или мономеров, предназначенные для заливки или пропитки токопроводящих схем и деталей в электро- и радиоаппаратуре с целью их монолитизации и изоляции.

По назначению компаунды подразделяются на пропиточные, заливочные и обмазочные.

Пропиточные компаунды применяются для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов с целью монолитизации витков обмоток и защиты их от влаги.

Заливочные компаунды используют для заливки полостей в кабельных муфтах и воронках, а также в корпусах электрических аппаратов, например трансформаторов тока, дросселей и т.п. Они позволяют получать изделия в виде малогабаритных монолитных блоков любой конфигурации, не требующих дополнительной механической обработки.

Обмазочные компаунды применяют для обмазки лобовых частей обмоток электрических машин с целью защиты их от влаги, масла и других внешних воздействий.

По природе связующего компаунды можно разбить на две группы: термопластичные и термореактивные. Термопластичные компаунды изготавливают на основе битумов, воскообразных диэлектриков (парафина, церезина и др.), термопластичных полимеров (полистирола, полиметилметакрилата).

Термореактивные компаунды выпускаются на основе эпоксидных, полиэфирных, кремнийорганических и других смол.

Для пропитки обмоток электрических машин применяют битумный пропиточный компаунд №225, обладающий низкой плотностью (920... 1100 кг/м3), морозостойкостью до -25°С, хорошими диэлектрическими свойствами. Удельное объемное сопротивление v=1015...1016 Омм, электрическая прочность Епр = 18... 20 кВ/мм. Температура размягчения этих компаундов составляет 98...102°С, усадка – 7...8%.

Для заливки концевых воронок и полостей в кабельных соединениях напряжением до 10 кВ применяют битумные заливочные компаунды МБ-70, МБ-90, МБМ-1, МБМ-2. Компаунд МБ-70, имеющий низкую морозостойкость (-15°С), используется для заливки муфт, прокладываемых в земле. Остальные, обладающие морозостойкостью до -35...-45°С, применяют при монтаже наружных установок. По электрическим свойствам они близки к компаунду пропиточному v=1015...1016 Омм, Епр=15...18 кВ/мм. Усадка при отверждении – 7...9%.

Из битумных обмазочных компаундов наиболее широко используется компаунд 4401.

Эпоксидные компаунды отличаются высокими диэлектрическими и физико-механическими свойствами, мало изменяющимися при длительном нагреве до 120...140°С. В зависимости от типа отвердителя компаунды могут быть холодного и горячего отверждения. Компаунды холодного отверждения могут применяться при длительном воздействии температур до 120°С, а горячего отверждения – до 160°С длительно и до 200°С кратковременно. Наиболее распространенные компаунды – ЭЗК-6 и ЭПК-1. Плотность компаундов 1220... 1230 кг/м3, удельное объемное сопротивление v = 1016...l017 Омм, электрическая прочность Епр=16...18 кВ/мм.

Полиэфирные компаунды изготавливают на основе хорошо растворимых в непредельных соединениях ненасыщенных полиэфирных смол, которые при нагреве в присутствии инициаторов превращаются в трехмерные твердые полимеры. По механическим свойствам полиэфирные компаунды несколько уступают эпоксидным. Допускаемая температура эксплуатации их до 120°С, морозостойкость до -60°С. Выпускаются компаунды КГМС-1, КГМС-2, КП-10, КП-18, имеющие хорошие диэлектрические свойства: v= 1015 Омм, Епр для КГМС-1 составляет 18 кВ/мм, а для КП-10 – 25 кВ/мм. Тангенс угла диэлектрических потерь – 0,04.

На основе кремнийорганических смол выпускаются компаунды холодного (КЛ, ВИКСИНТ, ВТО) и горячего (К-67) отверждения. Эти компаунды обладают хорошими диэлектрическими свойствами, мало изменяющимися при повышенных температурах и во влажной среде: v=1015...1016 Омм, Епр = 15...32 кВ/мм, tg = 0,003...0,04.

Meтакрилатные компаунды выпускают марок МБК-1 (без пластификатора) и МБК-2, МБК-3 (пластифицированные). При отверждении они дают усадку 5...6%. Эти компаунды обладают следующими диэлектрическими свойствами: МБК-1 – v= = 1016 Омм, Епр= 20...28 кВ/мм, tg5 = 0,06; МБК-2, МБК-3 – v = 1014... 1015 Омм, Епр= 18...21 кВ/мм, tg5 = 0,04...0,09.

Полиуретановые компаунды, имеют высокие морозостойкость (до -80°С) и эластичность. Однако у них невысокая механическая прочность, более низкие диэлектрические свойства и значительная их зависимость от температуры при нагреве выше 80°С. Компаунды марок КТ-102 и КГ-102 полимеризуются при температуре 60°С и имеют v=1013 Омм, Епр=17 кВ/мм. Компаунды К-30 и К-31 полимеризуются при температуре 80°С и обладают более низкой электрической прочностью (Епр= = 6,5 кВ/мм). Усадка при отвердении – 7…9%.

Из битумных обмазочных компаундов наиболее широко используется компаунд 4401.

Эпоксидные компаунды отличаются высокими диэлектрическими и физико-механическими свойствами, мало изменяющимися при длительном нагреве до 120…140°С. В зависимости от типа отвердителя компаунды могут быть холодного и горячего отверждения. Компаунды холодного отверждения могут применяться при длительном воздействии температур до 120°С, а горячего отверждения – до 160°С длительно и до 200°С кратковременно. Наиболее распространенные компаунды – ЭЗК-6 и ЭПК-1. Плотность компаундов 1220…1230 кг/м3, удельное, объемное сопротивление v = 1016…1017 Омм, электрическая прочность Епр = 16…18 кВ/мм.

Полиэфирные компаунды изготавливают на основе хорошо растворимых в непредельных соединениях ненасыщенных полиэфирных смол, которые при нагреве в присутствии инициаторов превращаются в трехмерные твердые полимеры. По механическим свойствам полиэфирные компаунды несколько уступают эпоксидным. Допускаемая температура эксплуатации их до 120°С, морозостойкость до -60°С. Выпускаются компаунды КГМС-1, КГМС-2, КП-10, КП-18, имеющие хорошие диэлектрические свойства: v= 1015 Омм, Епр = 15…32 кВ/мм, tg = 0,003…0,04.

Метакрилатные компаунды выпускают марок МБК-1 (без пластификатора) и МБК-2, МБК-3 (пластифицированные). При отверждении они дают осадку 5…6%. Эти компаунды обладают следующими диэлектрическими свойствами: МБК-1 – v = = 1016 Омм, Епр = 20…28 кВ/мм, tg5 = 0,06; МБК-2, МБК-3 – v= 1014…1015 Омм, Епр = 18…21 кВ/мм, tg5 = 0,04…0,09.

Полиуретановые компаунды имеют высокие морозостойкость (до -80°С) и эластичность. Однако они обладают невысокой механической прочностью, более низкими диэлектрическими свойствами и значительной их зависимостью от температуры при нагреве выше 80°С. Компаунды марок КТ-102 и КГполимеризуются при температуре 60°С и имеют v= Омм, Епр = 17 кВ/мм. Компаунды К-30 и К-31 полимеризуются при температуре 80°С и обладают более низкой электрической прочностью (Епр = 6,5 кВ/мм).

Глава 4. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 4.1. Неорганические стекла и эмали Неорганическое стекло представляет собой аморфный, изотропный, прозрачный, твердый и хрупкий термопластичный материал, получаемый в результате переохлаждения расплава различных стеклообразующих компонентов и оксидов металлов. По стеклообразующему веществу стекла классифицируются на: 1) силикатные (SiO2); 2) алюмосиликатные (Al2O3 - SiO2);

3) алюмоборосиликатные (Al2O3 – B2O2 - SiO2); 4) алюмофосфатные (Al2O3 – P2O5) и др.

Наличие в стекле модификаторов (оксидов щелочных и нещелочных металлов) позволяет придать ему определенные физико-механические свойства.

По назначению стекла подразделяются на техническое (оптическое, светотехническое, медицинское, химико-лабораторное, электротехническое, автотранспортное и др.), строительное (оконное, витринное, армированное, стеклоблоки), бытовое (стеклотара, зеркала и пр.).

Переработка стекломасс в изделия осуществляется при температуре 1000…1100°С, температура размягчения – 600…800°С, при температуре ниже 500…425°С стекла переходят в стеклообразное состояние.

Плотность стекол зависит от их химического состава и лежит в пределах от 2200 до 6500 кг/м3. При нормальных температурах стекла не имеют пластической деформации и обладают низким временным сопротивлением (30…90 МПа), при сжатии предел прочности составляет 500…2000 МПа. Стекла обладают низкой ударной вязкостью 1,5…2,5 кДж/м2.

Для изменения свойств стекол применяют его термическую обработку. Так, отжиг обеспечивает снятие внутренних напряжений, а закалка позволяет повысить механическую прочность и термическую стойкость.

Термические свойства стекол характеризуются теплопроводностью, термостойкостью и тепловым расширением. Самую низкую теплопроводность имеют свинец- и барийсодержащие стекла, а более теплопроводны кварцевые и боросиликатные стекла, коэффициент теплопроводности лежит в переделах от 0,68 до 1,55 Вт/мК. Для большинства видов стекол термостойкость лежит в пределах от 90 до 170°С, а для кварцевого от до 1000°С. Коэффициент теплового расширения может изменяться в широких пределах (в 10 раз и более) и зависит от содержания оксидов (оксиды бария, свинца, натрия, лития, калия увеличивают коэффициент теплового расширения; оксиды бора, кремния, титана, цинка – уменьшают.).

При нормальных температурах стекла имеют высокую химическую стойкость к действию воды и кислот (кроме плавиковой и фтористой), в то же время в растворах щелочей прочность стекла резко снижается. При температурах ниже 200°С стекла являются отличными диэлектриками и используются в качестве высоковольтных изоляторов (v=1010…1020Омм;

Епр=100…600кВ/мм – на постоянном токе и Епр= 16…50 кВ/мм – на переменном токе).

Важнейшими свойствами стекол являются оптические свойства: светопрозрачность, отражение, рассеивание, поглощение и преломление света. Обычное оконное стекло пропускает до 90%, отражает 8%, поглощает 1% видимого и частично инфракрасного света, почти полностью поглощает ультрафиолетовые лучи. Прозрачным для ультрафиолетовых лучей являются кварцевые стекла. Коэффициент преломления стекол составляет 1,47…1,96. При введение большого количества оксида свинца стекло поглощает рентгеновские лучи.

Для упрочнения стекол применяется их закалка, термохимическая обработка и создание слоистых материалов – триплексов и термопанов.

Закалка заключается в нагреве стекол до температуры 500…700°С и резкого равномерного охлаждения в потоке воздуха или в масле. При этом сопротивление статическим нагрузкам увеличивается в 3-6 раз, ударная вязкость в 5-7 раз. При закалке также возрастает термостойкость стекол.

Термохимическое упрочнение основано на обработке поверхности плавиковой кислотой (для снижения дефектности поверхности) с последующей закалкой в кремнийорганических жидкостях, в результате чего меняется структура стекла, а на его поверхности образуется прочная полимерная пленка.

Триплексы представляют собой два листа закаленных стекол толщиной 2…3 мм, склеенных тонкой прозрачной эластичной полимерной пленкой. Термопаны также изготовляются из двух листов закаленных стекол с воздушной прослойкой между ними. Стекла этого вида являются безосколочными.

Триплекс, термопан и закаленные стекла применяются для остекления транспорта. В литейных и мартеновских цехах используются стекла с большим содержанием оксидов железа и ванадия, они поглощают до 70% инфракрасного излучения.

Оптические стекла, используемые в приборах, подразделяются на кроны (с малым коэффициентом преломления), флинты (с большим содержанием свинца и большим коэффициентом преломления), светорассеивающие стекла (содержат фтор). В электротехнической промышленности широко используются электропроводящие халькогенидные, оксидно-ванадиевые стекла, а также литиевые, магниевые, борные и фотоситаллы. Для футеровки емкостей, контактирующих с агрессивными средами, для защиты металлических поверхностей от коррозии и воздействия высоких температур применяются шлакоситаллы (на основе доменных шлаков, кварцевого песка и катализаторов).

Ситаллы представляют собой поликристаллические материалы с очень мелкими равномерно распределенными по объему кристалликами диаметром 0,01…1,0 мкм, соединенными тонкими прослойками остаточного стекла. Плотность ситаллов 2450…2950 кг/м3. Временное сопротивление 110…160 МПа, предел прочности при сжатии 700…2000 МПа, ударная вязкость = 45…105 кДж/м2. Ситаллы устойчивы к кислотам и щелочам, не поглощают воду, стойки к термоударам.

Для изготовления стекловолокна и стеклотканей используются термоизоляционные материалы АСИМ, АТИМС, АТМ- и др. Температурный диапазон их эксплуатации составляет от – 60 до +500°С, плотность – 20…130 кг/м3.

Эмаль – это легкоплавкое стекло, обычно непрозрачное (заглушенное), часто окрашенное, которое в виде тонкого слоя наплавляют на металлические изделия.

Назначение эмали – защитить металл от окисления, а также от разрушения различными химически действующими жидкостями, в том числе крепкими минеральными кислотами и щелочными растворами. Эмалевые покрытия выдерживают нагрев до 200…300°С, устойчивы к свету и не изменяются во времени.

Помимо защиты от коррозии, эмалевое покрытие придает изделиям красивый внешний вид. В эмалированных изделиях удачно сочетаются механическая прочность металла с химической устойчивостью стекла и его декоративными качествами – блеском, заглушенностью и окраской.

Основными металлами для эмалирования являются черные металлы – в первую очередь сталь, а затем чугун. В значительно меньших масштабах эмалируют цветные металлы – алюминий и его сплавы, а также медь, латунь и другие металлы.

Различают эмали грунтовые и покровные. Первые служат для лучшего сцепления покровной эмали с поверхностью металла, вторые придают поверхности необходимую химическую устойчивость и декоративный вид. Толщина слоя эмали на тонкостенных (0,3…1,0 мм) изделиях составляет 0,2…0,6 мм, на толстостенные (10…20 мм) изделия эмаль наносят в несколько слоев, общая толщина слоя при этом достигает 1…2 мм.

Эмали для черных металлов получают сплавлением шихты, состоящей из песка, полевого шпата, буры, соды и небольших количеств веществ, сообщающих грунтовой эмали способность прочно сцепляться с металлом (главным образом окислов кобальта и никеля).

Под керамикой понимаются поликристаллические материалы, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения.

Керамические материалы выгодно отличаются от металлических и полимерных высокой коррозионной стойкостью и возможностью регулирования свойств материала в широких пределах за счет изменения структуры, низкой плотностью.

По составу керамику можно подразделить на кислородную, состоящую из оксидов металлов и неметаллических элементов (бериллия, магния, алюминия, кремния, титана, циркония), и бескислородную – нитридную, карбидную, боридную и др.

Основные характеристики конструкционных керамических материалов представлены в табл. 24.

Свойства и области применения керамических материалов Темпе- Плот- Предел прочОснова ратура ность, ности при Особенности керамики плавле- 103 кг/м3 20°С, МПа применения Темпе- Плот- Предел прочОснова ратура ность, ности при Особенности керамики плавле- 103 кг/м3 20°С, МПа применения ZnO 2700 3,60 230 2100 Высокая термостойкость (до 2200°С). Низкая стойкость к термоудару Эти материалы представляют собой многофазные системы, в которых присутствуют кристаллическая, аморфная и газовая фазы. Кристаллическая фаза, составляющая основу конструкционной керамики, представляет собой твердые растворы или определенные химические соединения. Аморфная фаза находится по границам кристаллической и может составлять до 40%. Газовая фаза образуется при обжиге керамики и для конструкционной керамики в основном нежелательна. В зависимости от формы пор и количества газовой фазы керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и пористую. Наличие пор обусловливает снижение прочности керамики, однако она представляет собой особый класс химически стойких материалов и используется для фильтрации агрессивных химических жидкостей и суспензий.

Существенное влияние на механическую прочность керамики оказывает температура. Например, для оксидной керамики характерна незначительная потеря прочности (до 15%) при температурах до 800°С, а затем более резкое ее падение, при температурах выше 1200°С потеря прочности составляет более 50%.

Из чистых окислов производятся термоизоляционные керамические изделия, которые могут служить при температурах в 1600…1800°С, применяющиеся для нанесения антикоррозионных и теплозащитных покрытий в реактивных двигателях.

Одним из основных недостатков керамики является ее хрупкость, так как для распространения трещины в керамическом материале расходуется энергии в тысячу раз меньше, чем в металлах. Снижения хрупкости добиваются путем армирования керамики волокнами из хрома, никеля, ниобия, вольфрама, введением в состав диоксида циркония. Применяются также методы поверхностного упрочнения керамических материалов путем лазерной аморфизации поверхности. Керамические изделия в большинстве случаев являются хорошими диэлектриками и используются в качестве высоковольтных изоляторов (главным образом фарфор и стеатит).

Большое распространение в технике получила пьезокерамика, способная поляризоваться при упругой деформации или деформироваться под действием внешнего электрического поля. В основном используется титанат бария ВаТiO3 и керамика на основе системы PbZr O3 - PbTi O3. Пьезокерамические материалы нашли применение в качестве электромеханических и электроакустических преобразователей.

Керамические материалы используются также в качестве терморезисторов и варисторов, изменяющих электросопротивление под действием соответственно температуры и приложенного напряжения.

Алюмооксидная керамика широко используется в электронике для изготовления подложек интегральных схем, а также для подложек корпусов больших интегральных схем (чипов).

Ферромагнитная керамика, представляющая собой соединения типа Ме2О-Fe2O3 или МеО-Fe2O3 (Me обозначает металл), характеризуется высокой магнитной проницаемостью и хорошими диэлектрическими свойствами. Наибольшее распространение получили ферриты, содержащие оксиды магния, никеля, цинка, кальция, марганца.

В промышленности используется керамика со специфическими оптическими свойствами: оптически прозрачная, с люминисцетными свойствами, светочувствительная. Такая керамика изготавливается на основе оксида алюминия, оксида иттрия, легированного редкоземельными элементами, оксида бериллия, цирконата или титаната свинца, теллурида кадмия.

Процесс изготовления керамических изделий состоит из подготовки формовочной массы (смешивание компонентов в виде порошков в сухом виде или в жидкой среде), формирования изделия (прессование в формах под давлением 100…600 МПа), сушки и обжига (температура спекания определяется составом исходных компонентов зачастую в контролируемой газовой среде). Механическая обработка изделий из керамики заключается в их шлифовке алмазными кругами.

Керамические материалы наряду с высокой твердостью, как правило, имеют повышенную хрупкость, низкое сопротивление изгибу и ударным нагрузкам. Ликвидировать многие из этих недостатков позволяет сочетание керамических материалов с металлической связкой. Материалы, получаемые путем спекания металлических и керамических порошков, называются керметами. Керметы обладают высокими прочностными свойствами, химической стойкостью, высокой тепло- и электропроводимостью. Они нашли применение в машиностроении для изготовления режущего инструмента, электрических скользящих контактов, подшипников скольжения, в авиационной и космической технике для изготовления камер сгорания ракет и авиационных двигателей и т.д.

Металлокерамические композиционные материалы изготавливают методами порошковой металлургии из железа, ванадия, молибдена, вольфрама, кобальта, меди и других металлов, тугоплавких оксидов, а также карбидов, боридов, нитридов и силицидов металлов.

Для режущего инструмента применяются твердые сплавы на основе высокотвердых тугоплавких карбидов ванадия, титана, тантала на кобальтовой связке. Формовочную смесь спекают при температуре 1400...1550°С в среде водорода или в вакууме.

Вольфрамокобальтовые сплавы состоят из карбидов вольфрама и кобальтовой связки. Теплостойкость этих сплавов – до 800°С. Обозначаются они буквами ВК, за которыми следует цифра, указывающая количество кобальта в массовых процентах, например ВКЗ, ВК8, ВК10.

Титановольфрамовые сплавы состоят из карбидов титана и вольфрама с кобальтовой связкой.

Теплостойкость сплавов этой группы составляет 900...1000°С. Обозначаются сплавы буквами ТК. Например, сплав Т15К6 содержит 15% TiC, 6% кобальта и 79% WC. Титано-кобальтовые сплавы применяют для обработки резанием сталей.

Титано-тантало-вольфрамо-кобальтовые сплавы применяют для обработки труднообрабатываемых сплавов. Обозначаются эти сплавы буквами ТТК, например ТТ10К8 (10% карбидов титана и тантала, 8% - кобальта). Теплостойкость этих сплавов составляет 1000°С.

Для изготовления режущего инструмента применяется также безвольфрамовая минералокерамика на основе глинозема Аl2O3 (оксидная), например ЦМ-332 (микролит), ВО-13; смеси Аl2O3 с карбидами (ВЗ, ВОК-60, СС620, СМ2), нитридами (кортинит, СС680, СС650) и другими соединениями (керметы), а также безвольфрамовые твердые сплавы на основе карбида титана (ТН20), карбонитрида титана (КНТ16, СД-3), нитрида титано-тантала (Т12А, Т23А).

Оксидную керамику применяют для чистовой и получистовой обработки незакаленных сталей и серых чугунов со скоростями резания до 15 м/с.

Резцы из пластинок микролита применяют при обработке конструкционных и легированных сталей, различных чугунов и особенно цветных металлов, а также графита, твердых пород дерева, пластмасс и др. Из микролита, кроме режущего инструмента, изготавливают детали к машинам и аппаратам, подвергающимся интенсивному износу, различные фильеры, втулки, мундштуки и др.

Кроме компактной (беспористой), применяется и пористая металлокерамика, получаемая путем введения в исходную композицию дисперсных или волокнистых компонентов, которые из готовых изделий выплавляются или вымываются, образуя открытые поры. Таким образом, получаются материалы с открытыми порами. Их применяют для изготовления фильтров очистки жидкостей и газов, подшипников скольжения, подшипников на воздушной подушке. В подшипниках скольжения поры заполняются смазочными веществами и выполняют функции емкостей для удержания смазки и подачи ее в нужный момент в зону трения.

Материалы с закрытыми порами получают путем введения в исходную композицию газообразующих веществ – порофоров.

В ряде областей машиностроения находят применение теплоизоляционные керамические материалы (пористые окисные огнеупоры, изготовленные по разной технологии из чистых окислов или карбидов). Пористость такой керамики достигает 85…90%, а предельная рабочая температура – 2200°С.

Химически стойкая керамика отличается незначительной прочностью, удовлетворительной термостойкостью и незначительной проницаемостью для жидкостей и газов. В зависимости от назначения она подразделяется на футеровочную (для защиты различных аппаратов и строительных конструкций), насадочную и изделия для химической аппаратуры.

Футеровочные и насадочные изделия изготавливаются из шамотированных масс и обладают грубозернистым строением (кислотоупорные кирпичи и плитка). Кислотоупорные кирпичи применяют для футеровки крупных химических аппаратов (башен, скрубберов и др.), резервуаров, газоходов, желобов, а также для кладки фундаментов аппаратов, колонок и т.п.

Кислоупорные плитки изготавливают трех видов: кислоупорные, термокислоупорные и термокислоупорные для гидролизной промышленности.

Графит представляет собой полиморфную модификацию углерода с плотностью 2,22...2,26 г/см3 и пределом прочности 16...30 МПа.

Прочность и модуль упругости графита растут с увеличением температуры до 2200°С, а при температуре 3700°С он возгоняется, минуя жидкую фазу. Графит имеет высокую стойкость к кислотам и органическим растворителям, высокие антифрикционные свойства, тепло- и электропроводность, хорошо обрабатывается резанием. Благодаря значительной теплостойкости материалы на основе графита нашли широкое применение для изготовления плавильных тиглей, литейных форм, деталей ракет и ядерных реакторов. Антифрикционные свойства графитовых материалов позволяют использовать их в качестве подшипников скольжения и твердых смазок.

Электротехнические графитовые материалы используются для графитовые материалы используются для изготовления контактных щеток, нагревательных элементов, резисторов для радиотехнической промышленности. В производстве графитовых материалов применяются как природный, так и полученный искусственно (пирографит) путем высокотемпературной термической обработки нефтяного и каменного коксов, а также методом осаждения из газообразных углеводов. Пирографит имеет более высокую степень чистоты, стабильность свойств.

В производстве композиционных материалов в качестве армирующих элементов используют углеродные волокна, получаемые из органических волокон путем специальной термической обработки.

Подшипники скольжения на основе углеграфитных материалов способны работать без смазки в диапазоне температур от -200 до +2000°С, со скоростями скольжения до 100 м/с, в том числе и в агрессивных средах, кроме работы в среде осушенных газов и в вакууме. Для изготовления поршневых колец компрессоров, уплотнителей колец, подшипниковых вкладышей центробежных и гидронасосов применяют углеродные обоженные (АО-600, АО-1500) и графитизированные (АГ-1500) материалы, а также эти материалы с пропиткой баббитом (АО-600-Б83), свинцово-оловянистым сплавом (АО-600-СО5, АГ-1500-Б83) и др. При этом увеличивается прочность в 1,5...2 раза, но снижается температура эксплуатации.

На основе фторопласта-4 и углеродных наполнителей производят графитопластовые материалы марок 7В-2А, АФГМ, АФГ-80ВС, а при использовании эпоксидно-кремнийорганического связующего – АМС-1, АМС-3, АМС-5.

Для изготовления деталей сухого трения, работающих в агрессивных средах, при высоких нагрузках и скоростях скольжения используют графитизированные материалы с пропиткой полимерными связующими (НИГРАН, НИГРАН-В).

Свойства некоторых углеграфитовых материалов приведены в табл. 25.

В углерод-углеродных композитах материалы матрицы и упрочняющих волокон имеют одну природу и физико-механические свойства, благодаря чему такие композиционные материалы имеют высокую термостойкость, термостабильность геометрических размеров, минимальные напряжения на границе раздела волокно-матрица при термических воздействиях.

В зависимости от назначения деталей армирующие углеродные волокна могут располагаться хаотично (волокна измельчают до размеров 0,5...1,00 мм), могут быть ориентированы в двух направлениях (слоистые, получаются укладкой углеродных тканей друг на друга) и с пространственным объемным ориентированием (получают объемным плетением углеродных волокнистых жгутов или лент).

Перед насыщением углеродом полученные заготовки отверждают и подвергают термообработке при температуре 800...1000°С. Углеродную матрицу получают двумя способами:

путем карбонизации полимерной матрицы в процессе ее высокотемпературной обработки в инертной среде или путем осаждения из газовой фазы пироуглерода, образующегося при термической деструкции углеводородов в порах углеволокнистого армирующего каркаса (возможно использование обоих методов одновременно). В качестве пропиточных составов для образования полимерной матрицы используют фенолоформальдегидные, эпоксифенольные, кремнийорганические, полибезимидозольные и другие термореактивные полимерные смолы. Для снижения пористости и повышения плотности пропитку и карбонизацию повторяют.

Высокие механические свойства углерод-углеродные композиты (табл. 26) сохраняют лишь при отсутствии окислительных сред. На воздухе уже при температуре 400°С наблюдается окисление углерода и потеря прочности. Замедляют процесс окисления путем пропитки композитов фосфатами и боратами, нанесением защитных силицидных и карбидных покрытий.

Наполнитель Матрица Плотность Предел Модуль Углеродная Эпоксидная волокна Высокомоду- Фенольная Углерод-углеродные композиционные материалы применяют для изготовления деталей, работающих при высокой температуре в присутствии агрессивных сред: внешней теплозащиты возвращаемых космических аппаратов, внутренней теплозащиты элементов ракетных двигателей, насадок плазменных установок, уплотнений химической и теплообменной аппаратуры и др.

4.4.Минеральные вяжущие вещества Минеральные вяжущие вещества в зависимости от состава, основных свойств и областей применения делятся на две группы: воздушные (гипсовые, магнезиальные, строительная воздушная известь, растворимое стекло) и гидравлические (портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент, шлаковые цементы и др.).

Изделия на основе гипсовых вяжущих делятся на гипсовые (смесь гипса и воды) и гипсобетонные (смесь гипса, воды и заполнителей). В качестве заполнителей применяются котельный и доменный шлаки, кварцевый песок, древесная мука и опилки. Гипсовые изделия характеризуются сравнительно небольшим объемным весом и несгораемостью, однако обладают значительной пластической деформацией под нагрузкой (ползучесть), а при увлажнении резко снижается их прочность. Гипсовые изделия могут быть сплошные, пустотелые и пористые, армированные и неармированные. Для армирования гипсовых изделий применяют картон, камыш, древесную фибру и различные волокнистые материалы. Из гипсовых строительных изделий наиболее широкое распространение получили сухая штукатурка, гипсовые и гипсобетонные плиты, стеновые камни, вентиляционные короба, архитектурно-декоративные изделия и др.

К магнезильным вяжущим веществам относят каустический магнезит и каустический доломит. Их получают обжигом магнийсодержащих материалов.

Магнезиальные вяжущие вещества хорошо связывают твердые частицы, поэтому их применяют преимущественно вместе с органическими наполнителями: опилками, древесной шерстью, кострой и др. На основе магнезиальных вяжущих веществ выпускают фибролит (термоизоляционный, конструктивный и фибролитовая фанера), ксилолит (для изготовления бесшовных полов), пено- и газомагнезит (для получения газосиликатов), совелит и ньювель (теплоизоляционные материалы).

Строительная воздушная известь является продуктом, получаемым обжигом до возможно более полного выделения углекислоты из кальцево-магниевых карбонатных пород, содержащих не более 6% глинистых примесей. Основные виды извести, и их применение приведены в табл. 27.

Применение строительной воздушной извести Негашеная мо- Приготовление строи- Гидратационное лотая маломаг- тельных и штукатурных рас- твердение, высокая незиальная творов, бетонов низких ма- прочность, вяжурок, автоклавных строитель- щие свойства панелей и т.п.), гидравлических вяжущих – известковошлаковых Известково-пуццолановых, известково-глиняных и др.; гипсоизвестковых вяжущих; известковых красочных шеная) маломагнезиальная Молотая нега- Приготовление строи- То же шеная и гаше- тельных растворов и штуканая маломагне- турок, предназначенных для зиальная службы в воздушно-сухих Гидратная (га- Для тех же целей, что и Твердение по тишеная) доломи- магнезиальная, а также для пу магнезиальных товая изготовления теплоизоляци- вяжущих онных материалов при затворении растворами хлористого и сернокислого магния Карбонатная Приготовление строи- То же тельных растворов и штукатурок, смешанных цементов, Гидравлическая Приготовление строи- Относительно боизвесть тельных растворов и штука- лее высокая водотурок, бетонов низких марок стойкость, чем воздушной извести К вяжущим веществам автоклавного твердения относятся известково-песчаные, вяжущие на основе нефелинового шлама, доменных гранулированных и отвальных шлаков и ряд других.

Для приготовления известково-песчаного вяжущего используют маломагнезиальную молотую негашеную, характеризующуюся средней скоростью гидратации, или гидратную известь.

Песок применяют немолотым, грубомолотым и в виде смеси немолотого и тонкомолотого. Вместо песка можно использовать доменные гранулированные и отвальные шлаки, мартеновские и ваграночные шлаки, золу.

Нефелиновое вяжущее состоит из 75...80% нефелинового шлама, 10...15% извести и 5% гипса.

Автоклавные строительные материалы могут быть плотными и ячеистыми, армированными и неармированными.

Из них изготавливают кирпичи, блоки, панели, колонны, лестничные марши и др. Ячеистые силикатные материалы используются в качестве теплоизоляционных и легко обрабатываются режущими инструментами.

На основе растворимого стекла производятся кислоупорный кварцевый кремнефтористый цемент (применяется для изготовления башен, резервуаров, ванн и других химических аппаратов, для химической защиты аппаратуры от воздействия минеральных и органических кислот, кислостойких замазок, покрасок, кислоупорных растворов и бетонов) и кислоупорный цемент без Na2SiF6 (применяется для связки кислоупорных кирпичей и кислотоупорных замазок). На основе этих цементов приготовляют кислоупорный бетон (1 вес. ч. гранита, кварца и пр.; 1 вес. ч. песка; 1…2 вес. ч. щебня; 0,4 вес. ч. цемента), жаростойкий бетон (1 вес. ч. тонкомолотого шамота; 1 вес. ч. песка; 0,1 вес. ч. щебня; 0,1 вес. ч. цемента рабочих температур до 1400°С), а также кислоупорные замазки.

Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера и необходимого количества гипса. Портландцемент выпускается следующих марок: 250, 300, 400, 450 и 500, предел прочности при изгибе которых должен быть соответственно не менее 4,0; 5,0; 6,0; 6, и 7,0 МПа (табл. 28). Для замедления схватывания портландцемента используют гипс, сульфитно-спиртовую барду, борную кислоту, соли ортофосфорной кислоты, а для ускорения – CaCl2, HCl, Na2CO3, триэтаноламин, глиноземистый цемент, растворимое стекло и ряд других веществ. Для получения из портландцемента теста нормальной густоты требуется 21...27% воды. Водопотребность можно уменьшить введением пластифицирующих добавок – поверхностно-активных веществ (триэтаноламин, сульфитно-спиртовая барда и др.).

Основные свойства портландцемента и его применение представлены в табл. 28, 29.

Строительно-технические свойства цементов Портландцемент (ПЦ) 0,9...1,3 1,4...2,0 0...45 12 30, 40, 50, 60, Пластифицированный ПЦ 0,9...1,3 1,4...2,0 0...45 12 30, 40, 50, Гидрофобный Магнезиальный Тампонажный 0,9...1,3 1,4...2,0 2...45, 2...45, 50, с умеренной Пуццолановый Шлакопортландцемент 0,9...1,2 1,4...1,8 0...45 12 30, 40, 50, Водонепроницаемый На основе портландцемента приготавливают: тяжелые и особо тяжелые бетоны; легкие и особенно легкие бетоны; железобетоны; жароупорные бетоны; полимерцементные и стеклоцементные бетоны.

Глава 5. ДРЕВЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 5.1. Натуральные древесные материалы Древесина имеет капиллярно-пористое строение. Стенки капилляров состоят на 90...95% из высокомолекулярных (целлюлоза, лингин, гемицеллюлоза) соединений и на 5...10% из низкомолекулярных соединений (углеводороды, эфирные масла, смолы) и минеральных веществ. Капилляры имеют сечение от 0,05 до 0,4 мм и выполняют роль проводящих систем. Физико-механические свойства древесины зависят от ее макро- и микроструктуры, влажности, направления приложения нагрузки, возраста и пороков отдельных участков (механические повреждения, грибковые поражения, червоточины, отклонения строения из-за наличия сучков и др.).

Древесина содержит свободную воду, заполняющую капилляры, и связанную, входящую в клеточные оболочки. При высыхании сначала теряется свободная вода, а затем связанная. У свежесрубленного дерева общая влажность может достигать 100% (70% приходится на свободную воду). Равновесная влажность сухой древесины составляет 7...10% в закрытом помещении и 10...20% на воздухе. При потере связанной воды происходит усушка древесины, сокращение размеров капилляров, что приводит к возникновению внутренних напряжений и, как следствие, к короблению древесины и образованию трещин.

Скорость и условия сушки также влияют на появление коробления и трещин.

Для повышения стойкости древесины к гниению, снижения горючести и влагопоглощения применяют ее пропитку разными составами (антисептиками, синтетическими смолами, антипиренами), а также окраску огне- и влагозащитными красками, перхлорвиниловыми покрытиями и др. В качестве антисептиков используют фторид- и кремнефторид натрия, хлористый цинк, креозотовое масло и др.

В качестве антипиренов используют составы, содержащие соли аммония, фосфорной или борной кислоты.

Натуральную древесину подразделяют на хвойные и лиственные породы. Основные показатели механических свойств древесины представлены в таблице 30.

В народном хозяйстве натуральная древесина применяется в виде пиломатериалов и заготовок.

По характеру обработки различают пиломатериалы: обрезные – четыре боковые стороны пропилены, а обзол (не пропиленная боковая поверхность бревна) не превышает нормы; необрезные – пласти пропилены, а кромки не пропилены или пропилены частично, и размеры обзолов превышают норму;

ширина необрезных материалов равна полусумме ширин двух пластей посередине длины с точностью 0,5 см.

По соотношению размеров поперечного сечения различают:

доски – ширина более двойной толщины, бруски – ширина не более двойной толщины, брусья – ширина и толщина более 100 мм (табл. 31) По толщине пиломатериалы бывают тонкие (до 32 мм) и толстые (40 мм и более).

Поперечные размеры пиломатериалов установлены для древесины с влажностью 15%, при большей влажности предусматривают припуск на усушку.

Пиломатериалы хвойных пород. В зависимости от допускаемых пороков древесины доски и бруски получают пяти сортов: отборного и 1-5-го, а брусья четырех сортов: 1-4-го.

Размеры пиломатериалов хвойных пород Примерное назначение хвойных пиломатериалов следующее:

- сорт отборный – детали обшивки и связей судов, дышла, мотовильные планки сельскохозяйственных машин, решетки бортов грузовых автомобилей и т.п. нагруженные детали;

- сорт 1-й – внутренние палубы судов, детали семенных ящиков сеялок, делители жаток, поперечные балки кузовов автомобилей и другие ответственные детали;

- сорт 2-й – брусья спиц и укосин сельскохозяйственных машин, верхние доски бортов и крайние доски пола грузовых автомобилей, тонкая обшивка стен и доски пола в просвете дверей грузовых, железнодорожных вагонов и другие массивные детали изделий;

- сорт 3-й – доски бортов и пола грузовых автомобилей, доски пола и толстая обшивка стен, обшивка крыши грузовых железнодорожных вагонов и другие менее нагруженные детали, раскрой на мелкие заготовки;

- сорт 4-й – раскрой на мелкие заготовки и тару.

Пиломатериалы лиственных пород должны иметь влажность не более 25%.

Пиломатериалы изготовляют трех сортов.

Размеры (для древесины с влажностью 15%): длина 1 – 6,5 м (через 0,25 м); толщина 13...25 мм (через 3 мм); 32, 40, 50, 60 и 75 мм; ширина (необрезные) 50 мм и более (через 10 мм). При большей влажности предусматривают припуски на усушку для ширины и толщины.

Бруски изготавливают квадратного и прямоугольного сечения.

Лиственные породы используют для изделий, изготовление которых связано с деформированием (гибкой) материала.

5.2. Композиционные древесные материалы На основе древесных полуфабрикатов (древесная мука, стружка, опилки, щепа технологическая) изготавливают композиционные материалы.

Массы древесные прессовочные, состоящие из мелких частиц древесины, пропитанной различными смолами, используют для изготовления деталей машин (втулок, шкивов, роликов), а также строительных изделий методом горячего прессования.

Переработка этих масс производится при температуре 150°С, давлении прессования 400...600 МПа. Выпускаются массы древесные прессовочные, содержащие частицы длиной до 80 мм (МДПК), стружку (МДПС), опилки (МДПО), частицы игловидной формы (МДПВ) (табл. 32).

Механические свойства древесных прессовочных масс Плотность, 103 кг/м3 1,27 1,27...1,38 1,30...1,39 1,30...1, Предел прочности, МПа:

Ударная вязкость, Древесина прессованная (ДПО, ДПД, ДПК, ДПР, ДПГ) в виде заготовок, обработанных по различным технологиям (с пропаркой, нагревом, пропиткой аммиаком) из различных пород древесины, используется для изготовления деталей, испытывающих ударные нагрузки: подшипников, прокладок, ползунов лесопильных рам и других деталей машин, а также мебели, паркета и т.д. Плотность этих материалов 700...1300 кг/м3, временное сопротивление (вдоль волокна) 140...230 МПа, ударная вязкость 60...80 кДж/м2.

Шпон лущеный используется для изготовления фанеры в качестве материала для отделки изделий из древесных прессовочных масс и древопластиков. Шпон строганый применяют в качестве отделочного материала.

Фанера представляет собой многослойный материал, полученный путем склеивания листов шпона с различными схемами его ориентации в слоях. Он широко используется в мебельной промышленности, судостроении, вагоно- и автомобилестроении, радиотехнической промышленности и др. Выпускаются различные разновидности фанеры: с пропиткой наружных слоев смолами, металлизированная, покрытая смесью асбеста с цементом, декоративная и др.

Древопластики представляют собой композиционные материалы на основе полимеров, в которых наполнителями являются измельченная древесина, опилки, стружки, лом шпона, щепа.

Древесностружечные плиты изготавливают методом горячего прессования, толщиной от 10 до 25 мм, облицованные шпоном, декоративным пластиком и без облицовки. Используются они в мебельной промышленности, радио- и приборостроении, строительстве, машиностроении, для элементов несущих конструкций в строительстве, автомобиле- и вагоностроении.

Древесноволокнистые плиты используются в изделиях, защищенных от воздействия влаги, и выпускаются толщиной от 2,5 до 25 мм, шириной от 1220 до 1830 мм, длиной от 1200 до 5500 мм. По плотности они подразделяются на мягкие (М), полутвердые (ПТ), твердые (Т), сверхтвердые (СТ). При обозначении марки после указания твердости через дефис указывается значение предела прочности при изгибе, например СТ- (изг = 50 МПа).

Высокой прочностью, износостойкостью и невысоким коэффициентом трения обладают древесно-слоистые пластики (ДСП), представляющие собой многослойные, горячеспресованные, пропитанные синтетическими смолами листы шпона с различной ориентацией волокон в слоях.

В качестве конструкционных и антифрикционных материалов в основном применяются древесно-слоистые пластики. Основные свойства их приведены в табл. 33.

Механические свойства древесно-слоистых пластиков Плотность,103 кг/м3 1,33 1,23...1,30 1,23...1,30 1,23...1, Пределы прочности вдоль волокон, МПа:

Ударная вязкость, Армированные композиционные древопластики (ДПКА1 и ДПКА2), кроме пропитанных древесных компонентов, содержат стекло- и углеродное волокно, а также дисперсные наполнители. Плотность их составляет 1400...1550 кг/м3, временное сопротивление 60...70 МПа, пределы прочности при сжатии 150...200 МПа, при изгибе 110...120 МПа, ударная вязкость 17...32 кДж/м2. Используются они для изготовления опор скольжения, корпусных деталей.

Глава 6. КЛЕЯЩИЕ, ЛАКОКРАСОЧНЫЕ

И ТРАВИЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Клеи представляют собой растворы, способные при затвердевании образовывать прочные соединения, обладающие хорошей адгезией, когезийной прочностью, достаточной эластичностью и долговечностью.

Клеи применяются для получения неразъемных соединений как однородных, так и различных по природе материалов. Они обеспечивают соединениям герметичность, атмосферостойкость и стойкость к коррозии, позволяют соединять тонкостенные изделия. Клеевые соединения весьма технологичны и отличаются низкой себестоимостью. Однако необходимо отметить склонность клеевой прослойки к старению под воздействием внешних факторов, невысокую прочность клеевого соединения при неравномерном отрыве и для большинства клеев – невысокую длительную теплостойкость.

Прочность клеевого соединения определяется химической природой и структурой клеящего вещества (адгезива) и субстрата, состоянием склеиваемых поверхностей, условиями его формирования и рядом других факторов.

Различают адгезионное и когезионное разрушение клеевого соединения. Под адгезией понимается способность клеевой прослойки прилипать и прочно удерживаться на поверхности склеиваемого материала, под когезией – собственная объемная прочность клеевого слоя.

Существуют следующие правила, обеспечивающие высокую прочность клеевого шва:

1) применять клей, хорошо смачивающий склеиваемые поверхности;

2) поверхности полярных материалов склеивать полярными клеями, неполярных – неполярными. Если возможно, неполярным поверхностям придавать полярность с помощью химической обработки поверхности (например, для полиэтилена и полистирола путем обработки серной кислотой или галоидами);

3) при затвердевании клеевой прослойки необходимо исключать возникновение внутренних напряжений, достаточных для ее разрушения (наносить по возможности более тонкий клеевой слой);

4) клеевая прослойка не должна быть жестче склеиваемого материала. В противном случае внешняя нагрузка может разрушить соединения из-за неравномерной концентрации напряжений в клеевом шве.

В состав клеев входят следующие компоненты: пленкообразующее вещество, которое определяет адгезионные, когезионные и основные механические свойства клеевого соединения;

растворители; пластификаторы; отвердители и катализаторы;

наполнители. В качестве пленкообразующих материалов наибольшее применение получили синтетические полимеры и каучуки.

В зависимости от пленкообразующего материала клеи подразделяются на смоляные, резиновые и неорганические.

Смоляные клеи бывают термореактивными и термопластичными. Термореактивные обладают высокими прочностными свойствами и теплостойкостью, обычно являются основой конструкционных клеев. Термопластичные клеи используют, как правило, для склеивания неметаллических материалов и приклеивания их к металлам в изделиях несилового назначения. Основные типы клеев и области их применения приведены в табл. 34.

Характеристики и области применения некоторых конструкционных клеев Тип клея Марка клея Предел Термо- Склеиваемые мапрочности стой- териалы Феноло- В31-Ф9 13…15 45…100 Оргстекло между ВК-32-ЭМ 60 Стальные, алюминиевые и титановые сплавы, стеклопластики, полимеры ганический Кремний- ВКТ-2 10…17 200 Стекловолокнистые Резиновые клеи, основу которых составляют каучуки, отличаются высокой эластичностью и применяются для склеивания резины или приклеивания резины к металлам. Они представляют собой растворы каучуков или резиновых смесей в органических растворителях. Для крепления невулканизированных резин к металлам применяют клеи на основе бутадиен-акрилонитрильных каучуков КР-5-18, ВКР-15, склеивание которыми происходит в процессе вулканизации резины, обеспечивая высокую прочность соединения. Допускаемая температура эксплуатации таких соединений на клее КР-5-18 составляет 120°С, а на ВКР-15 – до 200°С.

Склеивание вулканизированных нитрильных резин с температурой эксплуатации до 200°С производят клеями холодного отверждения – ВКР-7 и БКР-17. Последний клей стоек к воздействию масел и топлив. При температурах эксплуатации не выше 70°С крепление резин к металлам, стеклу и другим материалам может производиться клеями холодного отверждения – 88Н и 88НП. Однако эти соединения не стойки к топливам и минеральным маслам. Клей 88НП стоек к морской воде.

Теплостойкие невулканизированные резины на основе фторкаучуков и силиконовые резины склеивают между собой или приклеивают к металлам клеями 9М-358 и МАС-Ю. Склеивание происходит непосредственно в процессе вулканизации приклеиваемых резин. Такие клеевые соединения работоспособны до температур соответственно 200 и 350°С.

Клеи бывают однокомпонентными, поступающими к потребителю в готовом виде, и многокомпонентными, приготавливаемыми перед применением из поставляемых ингредиентов в соответствующих количествах с учетом срока жизнеспособности клея.

По физическому состоянию клеи бывают жидкие, пастообразные, твердые и пленочные.

Ленты со слоем липкого клея сохраняют длительное время липкость, не высыхая, и будучи нанесены на соответствующую поверхность, прилипают к различным материалам при легком нажатии рукой. Липкие клеящие слои обычно состоят из эластомера, обеспечивающего когезию клеевой пленки, веществ, придающих необходимую клейкость, и различных добавок (пластификаторов, наполнителей, антиоксидантов и т.д.). Наиболее часто применяют полиизобутилен, этилцеллюлозу и синтетические каучуки. Основой липких лент являются полиэтилен, целлофан, бумага, ткань, пластикат (табл. 35).

Поли- Полиизобутилен Полиэтилен Общетехническое этиленовая Тканевая Натуральный Бязь или мит- Технологическое ПХВ изоляци- Перхлорвини- Пластикат Для ремонта и 6.2. Состав и обозначение лакокрасочных материалов Лакокрасочные материалы представляют собой композиции, состоящие из пленкообразующего вещества, растворителей, наполнителей, пигментов и других компонентов, которые после нанесения и сушки образуют на поверхности изделия твердое покрытие.

Основные функции лакокрасочных покрытий: защита металлических поверхностей от коррозии, а некоторых неметаллических материалов (древесины, пластмасс и др.) от увлажнения и гниения, придание им декоративного вида и специальных свойств (электроизоляционных, светоотражательных, теплоизлучательных и др.).

По составу лакокрасочные материалы подразделяются на лаки, эмали, грунты и шпатлевки.

Лаками называются растворы природных или синтетических пленкообразующих веществ в органических растворителях. Кроме пленкообразующего вещества, они могут содержать пластификаторы, стабилизаторы и другие функциональные добавки. После нанесения тонкого слоя на поверхность и высыхания лаки образуют прозрачные покрытия.

Эмали представляют собой суспензии пленкообразующего вещества с пигментами, наполнителями и функциональными добавками. После нанесения на поверхность и высыхания эмали образуют непрозрачные покрытия.

Грунты являются основой, которую наносят на окрашиваемую поверхность с целью защиты ее от коррозии, создания хорошей сцепляемости с подложкой и последующими слоями лакокрасочного покрытия. Грунт содержит пленкообразующее вещество и 70…80% пигментов, которые предопределяют его антикоррозионные свойства. Различают грунты:

1) пассивирующие, обладающие свойствами поддерживать поверхность металла под слоем грунта в пассивном состоянии за счет образования прочных оксидных пленок, для чего в его состав вводят в качестве наполнителей хроматы цинка, калия, бария и других элементов;

2) протекторные, осуществляющие катодную защиту металла за счет металлических пигментов с меньшим химическим потенциалом по отношению к потенциалу защищаемого материала (цинковая пыль для стали);

3) изолирующие, с инертными наполнителями, защищающими поверхность металла за счет плотной пленки, обладающей малой влагопроницаемостью (битумные грунты, сурик, цинковые белила);

4) фосфатирующие, создающие на поверхности металла фосфатную пленку, которая улучшает адгезию и противокоррозийные свойства покрытия.