Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Принципы использования полимеров

Каждый материал и каждая группа материалов требуют критериев использования, которые определяются их специфическими эксплуатационными свойствами. Нет принципа, в равной мере и в полном объеме применимого для всех материалов. Критерии технической применимости чаще всего вырабатываются в результате многолетних исследований, надежно проверенных практикой.

Исходными данными для выбора материала служат условия эксплуатации, действующие нагрузки, требования к функциональным свойствам. Речь идет о том, чтобы при конструировании принимать во внимание прочность, технологию изготовления, возможность поддержания в исправном состоянии, и, не в последнюю очередь, экономию материалов.

Эти важные критерии, подготовленные длительным изучением, не всегда учитывают при попытке расширить область применения полимерных материалов. Такой формальный подход наносит определенный вред, искажая зачастую само представление о назначении полимерных материалов.

Роль пластмасс совсем не в том, чтобы служить заменителем каких-то материалов. Охватывая множество технических и экономических категорий, они открывают специальные области использования.

Народнохозяйственный эффект от внедрения полимерных материалов проявляется, например, тогда, когда необходимо решить проблему коррозии и износа. Из-за коррозии и износа ГДР несет ежегодно убытки в размере от 1 до 2 млрд. марок, то есть от 1 до 2% национального дохода ГДР. В химической промышленности 50-60% производственных потерь, связанных с отказом материалов, вызывается коррозией и износом. Если при этом принять во внимание ежегодные затраты в размере 17 млрд. марок на мероприятия по поддержанию в исправности этих средств производства и 600 000 рабочих, которые осуществляют эти мероприятия, то можно представить значение обоснованного внедрения материалов. Постоянное расширение применения пластмасс в качестве конструкционных и защитных материалов создает материальные предпосылки» для ограничения этих затрат.

Там, где действуют механические и термические нагрузки, пластмассами зачастую можно заменить дорогие высоколегированные металлические материалы.

Успешное внедрение пластмасс в качестве материала для подшипников и их пригодность для восстановления металлических частей также подтверждает их техническое и экономическое значение.

В соответствии с планируемой структурой использования материалов пластмассы должны играть все большую роль. Поэтому здесь ожидается самый высокий прирост производства. Относительная доля металлических материалов в структуре потребляемых материалов имеет заметную тенденцию к снижению, хотя абсолютный объем металлических материалов будет еще возрастать.

С точки зрения экономии материала пластмассы также имеют ряд преимуществ. Современная технология позволяет производить детали сложного профиля за один технологический цикл, без последующей обработки резанием, то есть без отходов. Применение новых конструкционных принципов также делает возможной значительную экономию материала.

Применение полимерных материалов позволяет найти такие конструктивные решения для облегченных изделий, которые требуют абсолютного минимума затрат материала. В качестве примера можно назвать принцип многослойных конструкций (см. гл. «Конструирование облегченных изделий»).

Для случаев, когда эксплуатационные свойства определяются показателями мощности, зависящими в свою очередь от массы, как например на транспорте, выгодность облегченных конструкций очевидна.

С другой стороны, чтобы внедрение пластмасс было экономически целесообразным, использовать облегченные конструкции необходимо иначе не скомпенсировать более высокую до сих пор стоимость полимеров по сравнению с металлическими материалами. Поэтому при выборе материала экономические соображения выдвигаются на первый план.

Есть и другие критерии, которые, как правило, касаются подробностей и имеют специфическую для материала природу. Например, правильный выбор материала или его компонентов с точки зрения действующих на него нагрузок. Так, в зависимости от типа полиэтилена выбирается и сфера его применения. Там, где сильное влияние оказывают процессы старения материала, следует выбирать полимер с добавкой стабилизатора. Напротив, стабилизировать полиэтилен всегда было бы нецелесообразно по экономическим соображениям. Если материал подвергается воздействию среды, которая может вызвать образование трещин, то, естественно, выбирают полимер, устойчивый к образованию трещин.

Область применения полимерных материалов расширяется в случае их негорючести, высокой теплостойкости, повышенной ударной вязкости при низких температурах, высокой стойкости к истиранию, низкого трения скольжения, физиологической инертности и других положительных свойств.

Одновременно следует принимать во внимание перерабатываемость. Так, одни типы пластмасс с вполне определенными признаками предполагают, например, только экструзионную переработку, другие, напротив, предназначены для литья под давлением, для нанесения покрытий.

Важной предпосылкой для интенсивного использования этой группы материалов является правильное конструирование изделий. В отличие от металлических материалов, для пластмасс характерно вязко-эластическое поведение, которое обусловливает заметно выраженную зависимость прочности и деформационных свойств от времени. К этому следует добавить существенно более сильное влияние температуры на свойства материалов, а также сравнительно малую область рабочих температур. От конструкторов требуется другой образ мышления, с тем чтобы для характеристики полимерного материала использовать не отдельные постоянные показатели, а множество их функций. Обычно представляемые в таблицах значения характеристик справедливы лишь для короткого времени эксплуатации и несут недостаточную информацию.

Хотя прочностные характеристики используемых пластмасс из-за их зависимости от времени нагружения и температуры ниже, чем для металлических материалов, решающими для конструктивного оформления и размеров конструкций из пластмасс являются не прочностные, а деформационные свойства. Особенно низки значения модуля упругости, который для термопластов колеблется от 1/70 до 1/1Оо доли модуля упругости стали. Для стеклопластиков эта величина составляет от 1/10 до 1/20 и также требует надежных доказательств стабильного поведения конструкции в процессе эксплуатации.

По указанным причинам для пластмасс требуются иные конструкционные принципы, чем для металлов. Следует выбирать такие конструктивные решения, при которых планируется высокая жесткость. Увеличение толщины стенок для увеличения жесткости играет незначительную роль, зато стоимость материалов возрастает существеннее, чем устойчивость строительных деталей. Поэтому нужно выбирать преимущественно объемные конструкции, а также такие, в которых несущими являются простые или двояко изогнутые тонкостенные элементы. Значительное улучшение стабильности свойств материалов достигается с помощью принципа сандвич-конструкций. Прежде всего это характерно для конструкций, имеющих большую площадь, например, элементов фасада, кровельных плит, светопрозрачных куполов и т. д. При этом преимущественно используются сотовые конструкции и пенопласты.

 Незначительная теплопроводность и большое тепловое расширение полимерных материалов, естественно, требуют осторожности при их применении, особенно в машиностроении, когда в составе одной конструкции используются различные материалы. Значительное тепловое расширение может привести к возникновению различных проблем, как-то: допуска, нежелательные напряжения и т.п.

Обобщая сказанное, еще раз следует подчеркнуть, что выявление границ внедрения полимерных материалов требует многообразной качественной информации, особенно при определении зависимости прочностных и деформационных свойств от времени. Кроме того, решены еще не все проблемы, связанные со старением полимерных материалов. До сих пор конструкторы вынуждены принимать запас прочности иногда, может быть, слишком высокий. Трудность прогнозирования эксплуатационных возможностей выражается, среди других, в вопросе о том, каких изменений свойств следует ожидать через 20 или 50 лет. Здесь, например, следует принимать во внимание возникновение дефектов в микроструктуре материала. Однако закономерности их возникновения и распространения еще широко не исследованы. В каком объеме они могут быть допустимы, и при каком напряжении начинается разрушение ? Получив ответ на эти вопросы, можно было бы точнее сказать о границах и критериях широкого внедрения полимеров.