Реферат по химии

на тему:

«Пластмассы - современный конструкционный материал»

 

 

Выполнила: ученица 10 «Б» класса

Аленина Екатерина

 

 

Кострома

Конструкционные материалы

Конструкционные материалы, материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами конструкционных материалов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества конструкционных материалов относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др. Длительный период в своём развитии человеческое общество использовало для своих нужд ограниченный круг материалов: дерево, камень, волокна растительного и животного происхождения, обожжённую глину, стекло, бронзу, железо. Промышленный переворот 18 в. и дальнейшее развитие техники, усложнили и дифференцировали требования к материалам их деталей, которые стали работать при сложных знакопеременных нагрузках, повышенных температурах и др.

Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов — на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и других материалов; по технологическому исполнению — на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т.п.); по условиям работы — на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.; по критериям прочности — на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

К металлическим конструкционным материалам относится большинство выпускаемых промышленностью марок стали. Исключение составляют стали, не используемые в силовых элементах конструкций: инструментальные стали, для нагревательных элементов, для присадочной проволоки (при сварке) и некоторые другие с особыми физическими и технологическими свойствами. Стали составляют основной объём К. м., используемых техникой.

Неметаллические конструкционные материалы включают пластики, термопластичные полимерные материалы, керамику, огнеупоры, стекла, резины, древесину. Пластики на основе термореактивных, эпоксидных, фенольных, кремнийорганических термопластичных смол и фторопластов, армированные (упрочнённые) стеклянными, кварцевыми, асбестовыми и др. волокнами, тканями и лентами, применяются в конструкциях самолётов, ракет, в энергетическом, транспортном машиностроении и др. Термопластичные полимерные материалы — полистирол, полиметилметакрилат, полиамиды, фторопласты, а также реактопласты используют в деталях электро- и радиооборудования, узлах трения, работающих в различных средах, в том числе химически активных: топливах, маслах и т.п.

Стекла (силикатные, кварцевые, органические), триплексы на их основе служат для остекления судов, самолётов, ракет; из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах. Резины на основе различных каучуков, упрочнённые кордными тканями, применяются для производства покрышек или монолитных колёс самолётов и автомобилей, а также различных подвижных и неподвижных уплотнений.

Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим конструкционным материалам, стимулирует создание новых материалов. С целью уменьшения массы конструкций летательных аппаратов используются, например, многослойные конструкции, сочетающие в себе лёгкость, жёсткость и прочность. Внешнее армирование металлических замкнутых объёмов (шары, баллоны, цилиндры) стеклопластиком позволяет значительно снизить их массу в сравнении с металлическими конструкциями. Для многих областей техники необходимы конструкционные материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами.

 

Производство и применение пластмасс

Первый этап (до 1950 года) характеризуется сравнительно узким перечнем производимых пластмасс и их слабым влиянием на сферы применения традиционных материалов.

Второй этап (до 1965 года) — интенсивно развиваются крупнотоннажные производства пластмасс для упаковки, изготовления тары, изоляции, товаров широкого потребления (полиэтилен, полистирольные пластмассы, поливинилхлорид и др.). Эти материалы начинают постепенно вытеснять традиционные материалы — бумагу, дерево, резину, керамику.

Третий этап (1965-1975 годы) — появляются конструкционные пластмассы инженерно-технического назначения: полиамиды, поликарбонаты, полиформальдегид и его сополимеры, полибутилентерефталат, полисульфон и др.

Четвертый этап (с 1975 года по настоящее время) характеризуется расширением марочного ассортимента пластмасс за счет химического модифицирования, создания механических смесей и сплавов полимеров, разработки высоконаполненных композиционных материалов, с улучшенными эксплуатационными и технологическими возможностями.

 

Пластмассы - общие сведения

Пластмассы - материалы на основе высокомолекулярных веществ (полимеров). Помимо полимеров пластмассы, как правило, содержат и другие компоненты: пластификатора, наполнители и т. п. Наличие полимеров в составе пластмасс обусловливает ряд специфических свойств этих материалов.

Пластмассы подразделяются на термопластичные, изготовляемые на основе линейных полимеров, и термореактивные - на основе полимеров с пространственной структурой. Первые при нагревании приобретают пластичность, а при охлаждении вновь возвращаются в исходное состояние; вторые, будучи отверждены, при нагревании не переходят в пластическое состояние.

К пластмассам, применяемым в строительных конструкциях, относятся стеклопластики, оргстекло, винипласты, пенопласты, сотопласты, древесные пластики, синтетические клеи и др.

К строительным конструкциям с применением пластмасс относятся: трехслойные конструкции (плоские панели, складки, оболочки, своды и т. п.) с обшивками из высокопрочных листовых материалов (металла, асбестоцемента, фанеры, стеклопластика) и средним слоем из пенопласта или сотопласта; трехслойные конструкции с ребристым средним слоем; однослойные и многослойные светопрозрачные элементы ограждений (панели, купола, волнистые листы) из полиэфирного стеклопластика, оргстекла и винипласта, пневматические (надувные) и тентовые конструкции из воздухонепроницаемых тканей и пленок.

 

Применение пластмасс в конструкциях наиболее целесообразно в случаях, когда необходимо уменьшить вес конструкций: при строительстве в районах вечномерзлых грунтов, просадочных грунтов, на подрабатываемых территориях, когда надо сократить объем транспортных и строительно-монтажных работ, особенно при строительстве в отдаленных и труднодоступных районах, когда требуется облегчить монтаж и демонтаж сборно-разборных конструкций и уменьшить мощность подъемно-транспортного оборудования. Целесообразно, применение конструкций с использованием пластмасс для повышения надежности сооружений при их эксплуатации в агрессивных средах, районах высокой сейсмичности, а также для исключения влияния магнитных свойств строительных конструкций и возможности искрообразования.

Многие пластмассы легко обрабатываются, их можно пилить, строгать, сверлить.

Универсальность, легкая обрабатываемость, антикоррозионность, красивый внешний вид обусловили возможность и целесообразность широкого использования пластмасс в строительстве. Кроме того, некоторые виды пластмасс обладают высокой механической прочностью, теплозвукоизоляционными, диэлектрическими свойствами. К недостаткам пластмасс следует отнести ползучесть.

 

 

Конструкционные пластмассы

Конструкционные пластмассы в строительстве применяют в составе элементов несущих и ограждающих строительных конструкций. Основой этих материалов являются синтетические полимерные смолы — продукты промышленности химических органических материалов. К ним относятся стеклопластики, пенопласты, оргстекло, винипласт, воздухо- и водонепроницаемые ткани и пленки и древесные пластики, синтетические клеи.

Из наиболее прочных стеклопластиков, расчетное сопротивление сжатию и растяжению которых достигает 100 МПа, выполняют основные элементы несущих строительных конструкций. Прозрачные стеклопластики используют в качестве светопроз-рачных элементов ограждающих конструкций зданий. Из особо прозрачного оргстекла и прозрачного винипласта изготовляют прозрачные части ограждений, пропускающие все части солнечного спектра. Сверхлегкие пенопласты применяют в средних слоях легких ограждений покрытий и стен. Прочные, тонкие воздухо- и водонепроницаемые ткани используют в пневматических и тентовых покрытиях. Из полимерных пленок осуществляют временные покрытия закрытого грунта. Древесные пластики могут служить материалом для конструкций, работающих на открытом воздухе.

К положительным свойствам этих материалов относятся: малая плотность, не превышающая 1500 кг/м3; химическая стойкость в некоторых агрессивных средах; они водостойки и не подвергаются гниению. В процессе изготовления им можно придать ряд требуемых свойств и сделать элементы конструкций любой требуемой формы.

 

Основными недостатками конструкционных пластмасс является их малая жесткость (модуль упругости не превышает 104 МПа) и, следовательно, повышенная деформативность, не позволяющая полностью использовать их прочность. Сгораемость этих материалов ограничивает их применение в основных несущих конструкциях. Малая поверхностная твердость ведет к легкой повреждаемости конструкций. Ползучесть и старение в процессе эксплуатации ведут к повышению прогибов и уменьшению прозрачности ограждающих конструкций.

В состав конструкционных пластмасс входит ряд компонентов.

Синтетические смолы являются основными компонентами пластмасс. Они образуют основную массу материалов, служат связующими аналогично цементному раствору в бетоне и делятся на два основных класса — термопластичные и термореактивные.

Термопластичные смолы (полиметилметакрилат, поливинил-хлорид, полистирол, полиэтилен и др.) после завершения процесса синтеза и превращения в твердую стеклообразную массу способны под действием нагрева размягчаться, переходя в вязко-текучее состояние, а при охлаждении вновь возвращаться к твердому состоянию. Термопластичные смолы используют для изготовления листовых материалов (органическое стекло, винипласт), клеев для их склеивания, пенопластов, пленок.

Термореактивные смолы переходят из вязкотекучего в твердое состояние только один раз — в процессе отверждения. Этот процесс происходит под воздействием отвердителя или при нагреве или под воздействием обоих факторов.

После завершения процесса отверждения термореактивный материал не размягчается при последующем нагреве, а лишь незначительно теряет прочность и жесткость. В конструкционных пластмассах строительного назначения применяют следующие термореактивные смолы: фенолформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные, мочевино-формальдегидные. Термореактивные смолы широко применяют для изготовления фанеры, стеклопластиков, пенопластов, клеев, древесных пластиков, различных фасонных деталей.

При формировании полимера применяют и такие материалы, как отвердители, ускорители (вещества, ускоряющие отверждение), катализаторы (вещества, не участвующие в отверждении, но присутствие которых необходимо для протекания процесса отверждения), пластификаторы (вещества, уменьшающие хрупкость готового материала), ингибиторы (вещества, замедляющие процесс отверждения) и др.

С целью улучшения механических и технологических свойств, повышения теплостойкости, снижения стоимости в пластмассовые материалы вводят наполнители неорганического и органического происхождения. Их вводят в виде порошков, волокон, листов (древесная мука, цемент, стеклянные и асбестовые волокна, бумага, хлопчатобумажные и стеклянные ткани и т. п.).

Окраска пластмассовых материалов осуществляется путем введения красителей в массу материала. Нужный рисунок и цвет могут быть также получены, если они предварительно нанесены на наружный слой листового наполнителя (бумагу, ткань).

Порообразователи служат добавками для получения газонаполненных материалов — пенопластов.

Наряду с пластмассами в конструкциях широко используют такие неорганические материалы, как алюминий, плакированную (защищенную) сталь, асбестоцемент.

Стеклопластик представляет собой материал, состоящий из двух основных компонентов: синтетического связующего и стеклянного волокна (наполнителя). Сущность изготовления стеклопластика состоит в том, что в неотвержденную смолу вводят стекловолокно, а затем смолу подвергают отверждению. Синтетическое связующее придает монолитность и обеспечивает стабильность формы готового стеклопластика; обеспечивает использование высокой прочности стекловолокна путем равномерного распределения усилий между волокнами и обеспечения их устойчивости, защиту волокон от атмосферных и других внешних воздействий; воспринимает часть усилий, возникающих в эксплуатационных условиях.

В стеклопластиках чаще всего используют термореактивные смолы (полиэфирную, эпоксидную, фенолформальдегидную) с различными модифицирующими добавками, улучшающими технологические и эксплуатационные свойства стеклопластика.

 

Виды пластмасс

СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ применяются в основном четырех видов:

1) стеклопластик на полиэфирном связующем и рубленом стекловолокне (со светопропусканием до 80%), выпускаемый в виде волнистых (с продольной и поперечной волной) и плоских листов толщиной 1,5-2,5 мм и используемый в светопрозрачных конструкциях;

2) стеклопластик конструкционный КАСТ-В на модифицированном феноло-формальдегидном связующем и стеклоткани, выпускаемый в виде листов и плит толщиной 0,5-35 мм и применяемый для обшивок трехслойных панелей, в том числе для работы в химически агрессивных средах;

3) стеклопластик листовой СВАМ на эпоксидно-фенольном связующем и непрерывном ориентированном стекловолокне, выпускаемый в виде листов толщиной 1-30 мм и применяемый для изготовления особо прочных вспомогательных изделий и деталей;

4) стеклопластиковый прессовочный материал АГ-4 (марок В и С) на модифицированном феноло-формальдегидном связующем и рубленом или непрерывном ориентированном стекловолокне, выпускаемый в виде брикетов и лент и используемый для изготовления вспомогательных конструкционных деталей для химически агрессивных сред (гайки, болты, подкладки и т. п.).

 

 

ОРГАНИЧЕСКОЕ СТЕКЛО (оргстекло, полиметилметакрилат), представляющее собой пластифицированный полимер метилового эфира метакриловой кислоты, используется в строительных конструкциях в виде листов и блоков толщиной 0,8-35 мм для создания светопрозрачных ограждающих конструкций (купольные элементы и волнистые листы). Достоинствами оргстекла являются высокая светопрозрачность (до 90%) и способность пропускать до 73% ультрафиолетовых лучей. В строительных конструкциях применяется стекло органическое авиационное (сорта специальное, А, В) и поделочное (сорта ПА и ПБ).

ВИНИПЛАСТ листовой, представляющий собой, как правило, не пластифицированную поливинилхлоридную композицию, применяется в виде листов толщиной 2-20 мм марки ВП (прозрачный) для светопрозрачных ограждающих конструкций (купольные элементы и волнистые листы) и марки ВН (непрозрачный) для обшивки панелей, перегородок и подвесных потолков.

Группа ДРЕВЕСНЫХ ПЛАСТИКОВ включает пластмассы, исходной составляющей которых является переработанная тем или иным способом древесина - природный полимер. Эти материалы для своего изготовления требуют сравнительно небольшого количества добавок - синтетических смол.

ü Пластики древеснослоистые (сорта ДСП-Б, ДСП-В) изготовляются из листов лущеного березового, липового или букового шпона, пропитанных и склеенных между собой под давлением смолами резольного типа. В пластике ДСП-Б каждые 5-20 слоев с параллельным направлением волокон чередуются с одним слоем, в котором направление волокон перпендикулярно направлению их в смежных слоях.

В пластике ДСП-В волокна во всех смежных слоях взаимно перпендикулярны. Пластики в виде листов и плит толщиной 1-60 мм применяются в качестве обрамляющих ребер трехслойных панелей, обшивок подвесных потолков и внутренних обшивок панелей покрытий и стен.

ü Фанера бакелизированная (марок ФБС, ФБСВ) изготовляется из листов березового шпона, пропитанных и склеенных фенолоформ альдегидными спирто- и водорастворимыми смолами марок СБС-1, СКС-1, С-1, СЛФ, СКФ, СКВ. Фанера клееная березовая (марки ФСФ, сорта В/ВВ) изготовляется из березового шпона, склеенного фенолоформальдегидными клеями (смолами) марок С-35, С-45, СЛФ. Оба вида фанеры используются для изготовления обрамления трехслойных панелей и для их обшивок.

ü Плиты древесностружечные марок ПС-1, ПТ-1, ПС-3, ПТ-3 изготовляются на феноло-формальдегидных, мочевиномеламиновых и мочевиноформальдегидных смолах. Плиты толщиной 10-25 мм используются для внутренних обшивок панелей покрытий, обшивок перегородок и подвесных потолков.

ü Плиты древесноволокнистые (сверхтвердые и твердые) изготовляются из древесных волокон, пропитанных водостойкими смолами и маслами. Эти плиты толщиной 3-8 мм применяются в качестве среднего слоя трехслойных панелей (в виде сот) и обшивок панелей, перегородок, подвесных потолков, внутренних обшивок панелей покрытий и стен.

Все древесностружечные и древесноволокнистые плиты, применяемые как конструкционный материал, должны быть антисептированы.

ПЕНОПЛАСТЫ, используемые в качестве среднего слоя трехслойных конструкций, изготовляются на основе полистирольных, поливинилхлоридных, фенольных и других полимерных композиций.

Полимерные композиции могут вспениваться как в отдельных формах, так и непосредственно в полости строительных конструкций.

По технологическому признаку пёнопласты подразделяются на беспрессовые и прессовые. К беспрессовым относятся полистирольные пёнопласты марок ПСБ, ПСБ-С (самозатухающий), ПСБт, ПСБ-Ст (самозатухающий) и фенолоформальдегидные марок ФРП-1 и ФЛ-1. Прессовыми пенопластами являются полистирольные - марок ПС-1, ПС-4 и др., поливинилхлоридные ПХВ-1 и др.

Полистирольные пенопласты беспрессовые изготовляются из суспензионного полистирола, а прессовые - из эмульсионного полистирола. Беспрессовые полистирольные пенопласты ПСБт и ПСБ-Ст изготовляются на месте по методу теплового удара или в поле ТВЧ.

Винильный пенопласт ПХВ-1 изготовляется из поливинилхлоридной смолы. Фенолоформальдегидные пенопласты ФРП-1 и ФЛ-1 изготовляются на основе резольных смол марок ФРВ-1 и ВИАМ-Б.

Объемный вес пенопластов, используемых в строительных конструкциях, составляет: ПСБ, ПСБ-С – 20-40 кг/м3; ПСБт, ПСБ-Ст – 20-60 кг/м3; ПС-1-100 кг/м3; ПС-4 - 40 кг/м3; ПХВ-1 – 70-100 кг/м3; ФРП-1, ФЛ-1 – 60-100 кг/м3.

 

В качестве среднего слоя применяются также сотопласты на основе хлопчатобумажной ткани крафт-бумаги и изоляционно-пропиточной бумаги. Пропитка сотопластов осуществляется феноло-формальдегидной или карбамидной смолами и антипиренами. Сотопласты могут заполняться теплоизолирующими материалами и вспученным перлитом, вермикулитом или мипорой.

Основным видом соединения конструкций с применением пластмасс является склеивание. Клеевые сопряжения дают возможность соединять разнородные материалы, уменьшать вес изделий, обеспечивают коррозионную стойкость и герметичность швов и т. д.

При выборе клея надо, прежде всего, иметь в виду, что для разных конструкций требуются клеи различной прочности. Так, для плит покрытий, испытывающих воздействие относительно больших нагрузок, необходимо использовать более прочные клеи, чем для навесных стеновых панелей. Выбор клеев зависит также и от комбинации склеиваемых материалов.

При изготовлении (склеивании) конструкций применяются клеи: эпоксидные, дифенольные, каучуковые, полиэфирные и феноло-формальдегидные.

Клеи на основе эпоксидных смол имеют хорошую адгезию почти ко всем материалам, отверждаются практически без усадки и не содержат летучих растворителей, обладают хорошими зазорозаполняющими качествами и допускают относительно большую толщину шва, весьма прочны, водостойки, удовлетворительно ведут себя при старении. К недостаткам этих клеев следует отнести их относительно низкую теплостойкость и жесткость большинства марок этих клеев.

Каучуковые клеи обладают эластичностью, что повышает прочность при неравномерном отрыве и позволяет склеивать материалы с разными коэффициентами усадки и расширения при действии температуры и влаги. В связи с этим основной областью применения каучуковых клеев являются конструкции, испытывающие при эксплуатации усилия неравномерного отрыва, в частности, алюминиевые панели со средним слоем из пенопластов.

Полиэфирные клеи наиболее широко применяют для склеивания конструкционных элементов из светопрозрачных полиэфирных стеклопластиков. Отвержденные клеи обладают высокой прочностью при сдвиге, устойчивы к действию агрессивных сред и атмосферных факторов. Недостатком ряда полиэфирных клеев является их неблагоприятное воздействие на некоторые склеиваемые материалы, а также усадка, приводящая к возникновению значительных внутренних напряжений.