Синтетические полимерные материалы

Как только синтетические полимерные материалы стали применяться в промышленности, возникла проблема оценки их стабильности в различных условиях и под действием разных факторов. Из разнообразных причин, вызывающих разрушение высокомолекулярных соединений, следует выделить влияние повышенных температур. Особое значение приобретают следующие два аспекта этой проблемы. 

Получение синтетических полимерных материалов, как было указано, осуществляется в основном с помощью реакций поликонденсации и полимеризации. На основе этих реакций с применением различных технологических схем изготовляют все промышленные виды пластических масс и резин. При поликонденсации высокомолекулярное соединение образуется в результате последовательного взаимодействия молекул, содержащих две или несколько реакционноспособных групп.

Производство синтетических полимерных материалов по директивам XXIII съезда КПСС значительно возрастет. Особое внимание обращается на расширение производства прогрессивных полимерных материалов. 

Из синтетических полимерных материалов широко используется фторопласт для изготовления трубопроводов и деталей аппаратуры.

Применение синтетических полимерных материалов и изделий из них в разных областях жизни все возрастает.

Получение синтетических полимерных материалов, как было указано, осуществляется в основном с помощью реакций поликонденсации и полимеризации. На основе этих реакций с применением различных технологических схем изготовляют все промышленные виды пластических масс и резин. При поликонденсации высокомолекулярное соединение образуется в результате последовательного взаимодействия молекул, содержащих две или несколько реакционноспособных групп. 

Важнейшими видами синтетических полимерных материалов являются пластмассы, эластомеры, химические волокна и полимерные покрытия.

Все в большем количестве синтетические полимерные материалы получают из простых низкомолекулярных соединений.

Если еще сравнительно недавно химические (искусственные  и синтетические) материалы уступали по качеству природным и зачастую были не совсем полноценными их заменителями, то в настоящее время получены синтетические полимеры, полностью воспроизводящие свойства натуральных [например, синтетический изопрен - новый каучук (СКИ)], а также полимеры, обладающие интереснейшими свойствами, не присущими природным (элементоорганические соединения, спецкаучуки, синтетическая слюда фторфлогпит и др.). Вместе с тем именно в химических материалах стало возможным заранее проектировать и комбинировать свойства исходных веществ с целью получения заданных свойств готовых изделий. Поэтому химические неметаллические материалы все чаще вытесняют природные и приобрели ведущее положение в качестве основных промышленных, в частности машиностроительных материалов. Благодаря изложенным выше особенностям свойств неметаллических материалов, технологическим и экономическим преимуществам они находят все более широкое применение в конструкциях летательных аппаратов, двигателей и приборов, составляя в среднем 7—25% массы дозвукового транспортного самолета и до 20— 50% массы ракеты (без топлива).

2.1 Полимеры  в машиностроении

Ничего удивительного в том, что эта отрасль - главный потребитель  чуть ли не всех материалов, производимых в нашей стране, в том числе  и полимеров. Использование полимерных материалов в машиностроении растет такими темпами, какие не знают прецедента во всей человеческой истории. К примеру, в 1976 1. машиностроение нашей страны потребило 800000 тонн пластмасс, а в 1960 г. - всего 116 000 тонн. При этом интересно отметить, что еще десять лет назад в машиностроение направлялось 37—38% всех выпускающихся в нашей стране пластмасс, а 1980 г. доля машиностроения в использовании пластмасс снизилась до 28%. И дело тут не в том, что могла бы снизится потребность, а в том, что другие отрасли народного хозяйства стали применять полимерные материалы в сельском хозяйстве, в строительстве, в легкой и пищевой промышленности еще более интенсивно.

При этом уместно отметить, что  в последние годы несколько изменилась и функция полимерных материалов в любой отрасли. Полимерам стали  доверять все более и более  ответственные задачи. Из полимеров  стали изготавливать все больше относительно мелких, но конструктивно  сложных и ответственных деталей  машин и механизмов, и в то же время все чаще полимеры стали  применяться в изготовлении крупногабаритных корпусных деталей машин и  механизмов, несущих значительные нагрузки. Ниже будет подробнее рассказано о применении полимеров в автомобильной и авиационной промышленности, здесь же упомянем лишь один примечательный факт: несколько лет назад по Москве ходил цельнопластмассовый трамвай. А вот другой факт: четверть всех мелких судов - катеров, шлюпок, лодок - теперь строится из пластических масс.

До недавних пор широкому использованию  полимерных материалов в машиностроении препятствовали два, казалось бы, общепризнанных недостатка полимеров: их низкая (по сравнению  с марочными сталями) прочность  и низкая теплостойкость. Рубеж прочностных  свойств полимерных материалов удалось  преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стекло и углепластикам. Так что теперь выражение “пластмасса прочнее  стали” звучит вполне обоснованно. В  то же время полимеры сохранили свои позиции при массовом изготовлении огромного числа тех деталей, от которых не требуется особенно высокая прочность: заглушек, штуцеров, колпачков, рукояток, шкал и корпусов измерительных приборов. Еще одна область, специфическая  именно  для  полимеров,  где  четче  всего  проявляются их преимущества перед любыми иными материалами, - это область внутренней и внешней  отделки.

То же самое можно сказать  и о машиностроении. Почти три  четверти внутренней отделки салонов  легковых автомобилей, автобусов, самолетов, речных и морских судов и пассажирских вагонов выполняется ныне из декоративных пластиков, синтетических пленок, тканей, искусственной кожи. Более того, для многих машин и аппаратов  только использование антикоррозионной отделки синтетическими материалами  обеспечило их надежную, долговременную эксплуатацию. К примеру, многократное использование изделия в экстремальных  физико-технических условиях обеспечивается, в частности, тем, что вся его  внешняя поверхность покрыта  синтетическими плитками, к тому же приклеенными синтетическим полиуретановым или полиэпоксидным клеем. А аппараты для химического производства? У  них внутри бывают такие агрессивные  среды, что никакая марочная сталь  не выдержала бы. Единственный выход - сделать внутреннюю облицовку из платины или из пленки фторопласта. Гальванические ванны могут работать только при условии, что они сами и конструкции подвески покрыты  синтетическими смолами и пластиками.

Широко применяются полимерные материалы и в такой отрасли  народного хозяйства, как приборостроение. Здесь получен самый высокий  экономический эффект в среднем  в 1,5-2,0 раза выше, чем в других отраслях машиностроения. Объясняется это, в  частности тем, что большая часть  полимеров перерабатывается в приборостроении  самыми прогрессивными способами что  повышает уровень полезного использования (безотходность и отходность) термопластов, увеличивает коэффициент замены дорогостоящих материалов. Наряду с  этим значительно снижаются затраты  живого труда. Простейшим и весьма убедительным примером может служить изготовление печатных схем: процесс, не мыслимый без  полимерных материалов, а с ними и полностью автоматизированный.

Есть и другие подотрасли, где  использование полимерных материалов обеспечивает и экономию материальных и энергетических ресурсов, и рост производительности труда. Почти полную автоматизацию обеспечило применение полимеров в производстве тормозных  систем для транспорта. Неспроста  практически все функциональные детали тормозных систем для автомобилей  и около 45% для железнодорожного подвижного состава делаются из синтетических  пресс материалов. Около 50% деталей  вращения и зубчатых колес изготовляется из прочных конструкционных полимеров. В последнем случае можно отметить две различных тенденции. С одной стороны, все чаще появляются сообщения об изготовлении зубчатых колес для тракторов из капрона. Обрывки отслуживших свое, рыболовных сетей, старые чулки и путанку капроновых волокон переплавляют и формуют в шестерни. Эти шестерни могут работать почти без износа в контакте со стальными, вдобавок такая система не нуждается в смазке и почти бесшумна. Другая тенденция - полная замена металлических деталей в редукторах на детали из углепластиков. У них тоже отмечается резкое снижение механических потерь, долговременность срока службы.

Еще одна область применения полимерных материалов в машиностроении, достойная  отдельного упоминания, - изготовление металлорежущего инструмента. По мере расширения использования прочных  сталей н сплавов все более  жесткие требования предъявляются  к обрабатывающему инструменту. И здесь тоже на выручку инструментальщику и станочнику приходят пластмассы. Но не совсем обычные пластмассы сверхвысокой твердости, такие, которые смеют поспорить даже с алмазом. Король твердости, алмаз, еще не свергнут со своего трона, но дело идет к тому. Некоторые окислы (например, из рода фианитов), нитриды, карбиды, уже сегодня демонстрируют не меньшую твердость, да к тому же и большую термостойкость. Вся беда в том, что они пока еще более дороги, чем природные и синтетические алмазы, да к тому же им свойствен “королевский порок” - они в большинстве своем хрупки. Вот и приходится, чтобы удержать их от растрескивания, каждое зернышко такого абразива окружать полимерной упаковкой чаще всего из фенолформальдегидных смол. Поэтому сегодня три четверти абразивного инструмента выпускается с применением синтетических смол.

Таковы лишь некоторые примеры  и основные тенденции внедрения  полимерных материалов в подотрасли машиностроения. Самое же первое место  по темпам роста применения пластических масс среди других подотраслей занимает сейчас автомобильная промышленность. Десять лет назад в автомашинах  использовали от 7 до 12 видов различных  пластиков, к концу 70-х годов это  число перешагнуло за 30. С точки  зрения химической структуры, как и  следовало, ожидать, первые места по объему занимают стирольные пластики, поливинилхлорид и полиолефины. Пока еще немного уступают им, но активно догоняют полиуретаны, полиэфиры, акрилаты и другие полимеры. Перечень деталей  автомобиля,  которые  в  тех  или  иных  моделях  в  наши  дни изготовляют из полимеров, занял бы не одну страницу. Кузова и кабины, инструменты и  электроизоляция, отделка салона и  бамперы, радиаторы и подлокотники, шланги, сиденья, дверцы, капот. Более того, несколько разных фирм за рубежом уже объявили о начале производства цельнопластмассовых автомобилей. Наиболее характерные тенденции в применении пластмасс для автомобилестроения, в общем, те же, что и в других подотраслях. Во-первых, это экономия материалов: безотходное или малоотходное формование больших блоков и узлов. Во-вторых, благодаря использованию легких и облегченных полимерных материалов снижается общий вес автомобиля, а значит, будет экономиться горючее при его эксплуатации. В-третьих, выполненные как единое целое, блоки пластмассовых деталей существенно упрощают сборку и позволяют экономить живой труд.

Кстати, те же преимущества стимулируют  и широкое применение полимерных материалов в авиационной промышленности. Например, замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка крыла самолета позволяет сократить количество деталей, крепежей, а также снизить вес и стоимость. При этом запас прочности изделия составляет 178%. Лопасти вертолета, лопатки вентиляторов реактивных двигателей рекомендуют изготовлять из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами, что позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности.

Пластмассовые ракеты

Оболочку двигателя ракет изготавливают  из углепластика, наматывая на трубу  ленту из углеволокна, предварительно пропитанную эпоксидными смолами. После отвердения смолы и удаления вспомогательного сердечника получают трубу с содержанием углеволокна  более двух третей, достаточно прочную  на растяжение и изгиб, стойкую к  вибрациям и пульсации. Остается начинить заготовку ракетным топливом, приладить к ней отсек для  приборов и фотокамер, и можно  отправлять ее в полет.

Пластмассовый шлюз

На одном из каналов в районе Быгдощи установлен первый в Польше (а вероятно, и первый в мире) цельнопластмассовый  шлюз. Работает шлюз безукоризненно. Пластмассовые  элементы рассчитаны на более чем 20-летний срок эксплуатационной службы. Конструкции  же из дубовых балок приходилось  менять каждые 6 лет.

Сварка без нагрева

Как прикрепить друг к другу две  пластмассовые панели? Можно приклеить, но тогда необходимо оборудовать рабочее место системой вентиляции. Можно привинтить или приклепать, но тогда надо загодя сверлить отверстия. Можно приварить, если обе панели термопластичны, но и тут без вентиляции не обойтись, да к тому же из-за локальных перегревов соединение может оказаться продеструктировавшим и непрочным. Самый лучший способ и оборудование для него разработала французская фирма “Брансон”. Генератор ультразвука мощностью 3 кВт, частотой 20 кГц, “звуководы” - сонотроды - и все. Наконечник сонотрода, вибрируя, проникает сквозь верхнюю из скрепляемых деталей толщиной до 8 мм. погружаются в  нижнюю и увлекает за собой расплав верхнего полимера. Энергия ультразвуковых колебаний превращается в тепло лишь локально, получается точечная сварка.

2.2 Полимеры  в сельском хозяйстве

Сегодня можно говорить, по меньшей  мере, о четырех основных направлениях использования полимерных материалов в сельском хозяйстве. И в отечественной  и в мировой практике первое место  принадлежит пленкам. Благодаря  применению мульчирующей перфорированной  пленки на полях урожайность некоторых  культур повышается до 30%, а сроки  созревания ускоряются на 10-14 дней. Использование полиэтиленовой пленки для гидроизоляции создаваемых водохранилищ обеспечивает существенное снижение потерь запасаемой влаги. Укрытие пленкой сенажа, силоса, грубых кормов обеспечивает их лучшую сохранность даже в неблагоприятных погодных условиях. Но главная область использования пленочных полимерных материалов в сельском хозяйстве - строительство и эксплуатация пленочных теплиц. В таких теплицах можно все сельскохозяйственные работы проводить механизировано; более того, эти теплицы позволяют выращивать продукцию круглогодично. В холодное время теплицы обогреваются опять-таки с помощью полимерных труб, заложенных в почву на глубину 60-70 см.

С точки зрения химической структуры  полимеров, используемых в тепличных хозяйствах такого рода, можно отметить преимущественное использование полиэтилена, не пластифицированного поливинилхлорида и в меньшей мере полиамидов. Полиэтиленовые пленки отличаются лучшей светопроницаемостью, лучшими прочностными свойствами, но худшей погодоустойчивостью и сравнительно высокими теплопотерями. Они могут исправно служить лишь 1-2 сезона. Полиамидные и другие пленки пока применяются сравнительно редко.