Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Полимерные материалы в народном хозяйстве

Хотя с высокополимерными материалами пока еще связано достаточно нерешенных вопросов, не следует думать, что это «книга за семью печатями». Полимеры уже сегодня находят применение во всех областях техники, что приносит значительные экономические выгоды в сравнении с традиционными решениями. Эти новые материалы частично революционизировали все области техники. Например, упаковочную технику сейчас невозможно даже представить без пленок и пластмассовой тары. В строительстве стали возможными многообразные облегченные конструкции. В кораблестроении из полимерных материалов изготавливаются несущие конструкции длиной до 45 м. Это незаменимые диэлектрики. Многообразные пластмассовые детали от зубчатых колес до подшипников находят все более широкое применение в машиностроении. Для трубопроводов и емкостей, предназначенных для агрессивных сред, наиболее экономичными оказались также полимерные материалы.

В любом случае речь идет о максимальной экономической выгоде, достичь которой можно лишь благодаря специфическим свойствам пластмасс. Некоторые сферы применения мы представляем ниже.

Пластмассы в быту

Применение полимерных материалов в домашнем хозяйстве с самого начала было одной из первых задач промышленности, производящей полимеры. Для этого было много предпосылок. Их легко окрашивать в любые цвета, и благодаря этому они могут украсить наши будни.

Полиэтиленовые ведра, тазы много легче металлических - вот и желанное облегчение труда. На предприятиях общественного питания мы встречаем небьющуюся легкую пластмассовую посуду. При этом тарелки, чашки и другая утварь, получаемые на основе меламиновой смолы, блестяще проявили себя в эксплуатации.

Из ПВХ и полиэтилена высокопроизводительными способами изготавливаются бутылки для уксуса и масла.

Полимерные материалы находят все большее применение в производстве мебели. Декоративные прессованные пленки придают столам, шкафам и другим предметам праздничный вид и делают их стойкими по отношению к таким воздействиям, которых не выносит покрытие из дерева. При этом за ними чрезвычайно легко ухаживать.

Моющиеся обои из пенистого материала обеспечивают одновременно уют и праздничную обстановку в помещении.

Современные надежные в эксплуатации покрытия для пола, изготавливаемые из полимерных материалов, также облегчают уборку помещений. Особо следует отметить, что для их изготовления можно применять отходы переработки полимеров.

Сегодня никого уже не удивляет водопроводная арматура из полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена или аминопластов. Привычным стал телефонный аппарат   из   полимерных   материалов.   Дети радуются игрушечному поезду, кукле, кубикам, модели железной дороги и автомобиля трудно найти другую область, где полимерные материалы нашли бы такое распространение, как в этой.

Что было бы с современной бытовой техникой, что было бы с электрическими приборами без полимерных материалов? Вряд ли есть место, где не встречались бы мы с ними ежедневно. Посмотрите внимательно (см. Приложение 5), и вы удивитесь, как много бытовых вещей сделано из пластмасс начиная с зубной щетки и футляра для нее. Выгоды от применения богатейшей комбинации их свойств мы стали уже воспринимать как сами собой разумеющиеся.

А как используются полимерные материалы в технике?

Можно склеить и металлы, и бетон

Способ соединения частей в значительной мере определяет технологические затраты на создание конструкции и в то же время определяет ее работоспособность. При увеличении поверхности контакта соединяемых элементов создаются благоприятные условия распределения нагрузки и увеличивается динамическая устойчивость конструкции. С экономической и технической точек зрения, нет лучшего способа соединения, чем склеивание, особенно для больших поверхностей, как это имеет место для слоистых конструкций.

Все металлические материалы, как известно, чаще всего теряют прочность в областях, прилежащих к сварным швам и местам спайки. Причиной этого является изменение строения материала в зоне сплавления. К тому же коррозионное поведение сварного шва часто иное, чем у основного материала.

Этих проблем не возникает при склеивании. Более того, можно склеить друг с другом такие материалы, которые неспособны соединяться с помощью сварки. Так, широкое применение находит склеивание свинца с нелегированной сталью, легированной стали с нелегированной, стали с латунью. Так как полимерные клеи образуют непроводящий электроизоляционный слой, то ими можно соединять даже материалы с большой разностью потенциалов, которые в обычных условиях подвержены контактной коррозии. Особенно заслуживает внимания склеивание металлов с полимерными материалами в электротехнике и машиностроении.

В строительстве особенно широко применяется эпоксидная смола для соединения пали с бетоном и бетона с бетоном. При вооружении многих мостов бетонное покрытие склеивали со стальными несущими :нструкциями. Известен также успешный опыт склеивания рельсов с бетонными ~шалами как при укладке трамвайных путей, так и в метрополитене. При этом улучшаются динамические свойства и снижаются затраты на содержание их в исправности. Преимущества склеивания бетона с бетоном имеют особенное значение для бетонных блоков при строительстве. В то время как соединение с помощью цементного раствора, как правило, приобретает конечную прочность лишь на 28 сутки, при склеивании этот процесс завершается уже в течение нескольких часов. Широкое использование таких возможностей, конечно, представляет большой экономический интерес и ускоряет строительство.

Новое в строительстве

Приблизительно 25% производимых пластмасс в самых разнообразных формах находят применение в строительстве. О традиционном применении в качестве покрытия полов, обшивки внутренних водостоков, санитарных объектов и т.п. мы уже не будем говорить.

В последние годы во все большем объеме применяются элементы конструкций заводского изготовления, в которых преобладают полимерные материалы. Их незначительная масса приносит выгоды при транспортировке и монтаже. Высокая светопроницаемость, способность материала окрашиваться в любой цвет, незначительные расходы при эксплуатации-вот определяющие свойства этих новых материалов.

Отличные теплоизоляционные свойства, особенно пенопластов, также будоражат мысли архитекторов и строителей. Светопрозрачные купола делают возможным бестеневое освещение. Неразрушающиеся прозрачные элементы, как правило из стеклопластиков, заменяют традиционные конструкции из армированного бьющегося стекла. Такими сводами при толщине составляющих их элементов не более 2 мм можно перекрывать пролеты шириной до 12 м. Такие конструкции применяют, например, в строительстве теплиц, так как они не корродируют во влажной атмосфере и, кроме того, проницаемы для света. Можно было бы назвать еще много других примеров применения полимеров для покрытия помещений. Для перекрытия стадионов уже применяют панели с элементами большой площади.

Известны пластмассовые конструкции диаметром до 43 м и высотой до 36 м, которые служат для защиты радарных установок от атмосферного влияния. (Высокочастотное излучение проходит через стеклопластик, почти не теряя своей мощности.) Внушительные размеры сооружения подчеркивают возможность полимерных материалов. Стоит посмотреть и на смонтированные на головокружительной высоте цилиндры, защищающие антенну телевизионной башни от обледенения ( 63).

В последние годы в строительстве внедряются многослойные легкие строительные элементы для перекрытий ( 64). Так называемые сандвич-конструкции состоят из покрывающих слоев на основе алюминия, асбоцементного или жестковолокнистого полотна, которые соединены с жестким пенополиуретаном или пенополистиролом. При толщине элементов от 50 до 80 мм в зависимости от системы покрывающих слоев масса поверхности составляет от 6 до 25 кг/м2. Температурная область эксплуатации простирается до 100 °С. Эти стандартизованные элементы изготавливаются шириной до 1200 мм и длиной до 10000 мм.

При применении полимерных материалов в строительстве возникают проблемы, связанные с горючестью большинства из них и отщеплением в процессе горения вредных газообразных продуктов. Изготовитель обязан информировать потребителя.

Полимерные материалы в   машино- и аппаратостроении

Свыше 30% производимых пластмасс используется в машино- и аппаратостроении в качестве конструкционных материалов. В машиностроении в центре внимания находится, конечно, экономичность изготовления элементов конструкций. Уплотнения всех видов, зубчатые колеса с осями и втулками, дисковые кулачки, осевые и радиальные колеса, элементы сцепления, подшипники скольжения, катушки зубчатых передач и многие другие профильные детали оказались весьма эффективными в эксплуатации. Большая жесткость, способность точно сохранять заданные размеры, хорошее скольжение и износостойкость -достоинства, которые обеспечивают многофункциональность внедряемых полимерных материалов.

Наряду с большинством применяемых до сих пор в машиностроении пластмасс (твердые полиамиды, пресс-массы на основе фенольной смолы), сегодня могли бы найти новые области применения прежде всего стеклопластики на основе термопластичного связующего. Если массовое содержание стекловолокна достигает 30%, предел прочности на растяжение в 2-3 раза превышает этот показатель для неусиленного полимера, а модуль упругости даже в 3-4 раза. Напротив, тепловое линейное расширение составляет от 1/4 до х/з исходной величины, относительное удлинение при разрыве-только около 1/20. Сверх того уменьшается склонность к раздиру, что также указывает на увеличение работоспособности полимера.

Полиуретановые эластомеры также открывают новые технические возможности для машиностроения. Поскольку этот материал обладает и коррозионной стойкостью, отпадает необходимость поверхностной обработки и прежде всего нанесения металлических и неметаллических защитных слоев. Это существенно снижает затраты на изготовление и поддержание изделий в исправном состоянии.

В аппаратостроении, особенно для химической промышленности, значение полимеров определяется их высокой коррозионной стойкостью. При температуре до 100 °С и умеренных механических нагрузках имеются благоприятные предпосылки для замены высоколегированных сталей полимерными материалами. Поливинилхлорид, полиэтилен высокого давления, полипропилен, полибутен, политетрафторэтилен и стеклопластики-наиболее интересные в этом отношении материалы. Для конструкций, на которые вместе с механическими нагрузками действует агрессивная среда, особенно важную роль играют стеклопластики на основе термопластичных смол.

Трубы из термопластов можно производить экструзией при внешнем диаметре до 1200 мм, а методом обмотки изготавливают трубы диаметром до 3000 мм.

Складские и транспортные резервуары ( 65) можно изготавливать вместимостью до 85 м3 (железнодорожные цистерны) или до 22 м3 (автотрейлеры для уличного движения). Предпочтительный материал - стеклопластики. Существуют хранилища для соляной кислоты диаметром до 9 м и высотой до 7 м.

Внедрение пластмасс в область технологических аппаратов и соответствующих систем трубопроводов также весьма значительно. Очень эффективно использование полимерных материалов в вентиляционных установках для вытяжки агрессивных газов. Очистные башни для корро-зионноактивных отходящих газов, дымовые трубы, вентиляционные элементы для колпачковых тарелок, гальванотехническая аппаратура, установки для получения хлора и щелочей электролитическим методом, реакционные колонны, насосы и многие другие подобные области применения-вот примеры использования полимеров в качестве конструкционных материалов. Благодаря стойкости к истиранию, химической инертности и легкости обработки в каждом конкретном случае может быть достигнута экономия, которая складывается из уменьшения затрат на поддержание установок в исправности и увеличения длительности и безопасности их эксплуатации по сравнению с аналогичными из металлических или других материалов.

Специальные материалы для упаковочной техники

Упаковочная техника потребляет 20-25% всех производимых пластмасс, то есть столько же, сколько строительство. Традиционные упаковочные материалы, такие как бумага, дерево, веревки и ткани из растительных волокон, гораздо быстрее приходят в негодность. Полимерные пленки и пенопласты не только заменяют эти «старомодные» материалы, но и вызвали к жизни принципиально новую технологию упаковки.

Упаковочные пленки удовлетворяют более широким требованиям, чем традиционные материалы. Они прозрачны и на них можно печатать это обеспечивает упаковке привлекательный вид. Физиологическая инертность, так же как непроницаемость для газов и водяных паров, особенно ценятся при упаковке пищевых продуктов. Пленки бывают полиэтиленовые, полипропиленовые, поливинилхлоридные, полиамидные, из поливинилового спирта и целлофана толщиной от 20 до 200 мкм. Конечно, у них разные значения прочностных характеристик и проницаемости для газов и водяного пара. Для некоторых из этих материалов прочность при растяжении может быть достаточна высока, и тогда они могут удовлетворять требованиям, которые предъявляются, например, к мешкам (в них загружают до 50 кг материала и складывают в штабели до 30 слоев).

В тех случаях, когда требуется непроницаемый для газов материал, применяют так называемые комбинированные пленки. Наиболее известны дублированные пленочные материалы: полиэтилен-целлофан, полиэтилен-полиамид, поливинил-хлорид-целлофан, поливинилиденхлорид - целлофан. Для специальной упаковки высокочувствительных технических приборов, особенно для морских перевозок нужны трехслойные пленки. Комбинации полиэтилен - полиамид - полиэтилен, полиэтилен-полипропилен - полиэтилен, полиэтилен - поликарбонат - полиэтилен отвечают самым суровым требованиям.

Полимерные пленки открыли новые возможности для упаковочной техники. Особыми технологическими свойствами обладают так называемые термоусадочные пленки. При их получении фиксируются внутренние напряжения, которые позднее при воздействии тепла «снимаются» и таким образом возникает усадка.

Пленка охватывает предназначенное для упаковки изделие, и после завершения усадки оно готово к транспортированию, защищено от пыли и влаги. Отпадает необходимость в дополнительной перевязке. Благодаря компактности упаковки появляется возможность оптимально использовать загружаемое пространство, что равносильно увеличению полезного объема транспорта на 20%. Легко представить себе, какое народнохозяйственное значение имеет связанное с этим повышение степени загрузки транспорта.

Другие новые возможности в упаковочной технике появились благодаря пенопла-стам, прежде всего пенополистиролу с плотностью 25-30 кг/м3. В 1 м3 этого материала содержится около 350 000 сферических ячеек, разделенных стенками толщиной 1-2 мкм. Материал содержит до 97% воздуха. Воздух, заключенный в ячейках, гасит толчки и вибрацию, случающиеся при транспортировке. Прочность пенопла-стов должна быть достаточна для того, чтобы выдержать изделие. Внутри блока легко сделать выемку, точно соответствующую внешней форме изделия.

Новая упаковочная техника особенно ценна для транспортировки хрупких дорогих высококачественных приборов, например электронных ламп, пишущих машин, телевизионных аппаратов, так как позволяет существенно ограничить повреждения. Теплозащитная упаковка на определенное время без дополнительных мероприятий гарантирует, что температура транспортируемых товаров, чувствительных к воздействию тепла или холода, будет поддерживаться на определенном уровне. Так, для сохранения рыбы, транспортируемой в ящиках из пенополистирола, требуется только около половины обычно необходимого льда.

Зато мусор, возникающий после использования полимерных упаковочных материалов, также породил новые проблемы. Часть его не горит, а при горении некоторых видов полимеров отщепляются ядовитые продукты. Гнить пластмассовый мусор не может.

Для полного изменения упаковочной техники требуется дальнейшее развитие этих материалов и разработа способов безопасного уничтожения образующегося пластмассового мусора.

Кабель с пластмассовой высокочастотный оболочкой

Пластмассы с их прекрасными диэлектрическими свойствами, можно сказать, подтолкнули развитие электротехники и электроники. Корпуса катушек и контактов, штепсельные соединения, монтажные платы, цоколи реле, программные переключатели, а также печатные платы - вот только некоторые примеры применения полимеров в этих важных отраслях промышленности.

Высокочастотный кабель с семью коаксиальными системами своей конструкцией и мощностью также обязан названному выше специфическому свойству пластмасс.

Раньше задачу электроизоляции возлагали на керамику, фарфор и резину. Сегодня возросшие требования к электроизоляционным свойствам и необходимость снижения электрических потерь удовлетворяется почти исключительно полимерами. Так, в высокочастотной технике требуется независимость эксплуатационных свойств материала от частоты и температуры. Кроме того, эти свойства не должны изменяться под влиянием старения, например во влажном теплом климате. Отщепление коррозионноактивных веществ под влиянием повышенной температуры и высокой влажности в процессе эксплуатации часто ограничивает работоспособность металлических контактов.

В последнее время в качестве изоляционных материалов нашли применение жесткие формовочные массы на основе термореактивных смол: фенольной, мелами-новой, мочевинной, полиэфирной и эпоклщной. Эти материалы, свойства которых варьируют, подбирая смолу, наполнитель и другие компоненты, отличаются теплостойкостью, незначительным тепловым расширением и формоустойчивостью при повышенных температурах. Особо ценятся их устойчивость к действию органических растворителей, незначительные воспламеняемость и горючесть и ряд других отличительных черт.

Внедрение термопластов в электротехнику было поначалу существеннее всего з области кабельной изоляции. Высокая инертность и хорошие технологические свойства позволили все больше заменять резину, в частности для изоляции проводов.

В электронике высокоэкономичное массовое производство сложных деталей, особенно с учетом возрастающей их миниатюризации, создало хорошие предпосылки J.TJI внедрения термопластов. Стеклопластики на основе термопластов по прочностным и деформационным свойствам сопоставимы уже с материалами на термореактивной основе. Там, где до сих пор повышенным требованиям к стабильности форм при тепловом воздействии могли удовлетворить только термореактивные полимеры, теперь имеется широкий спектр материалов.

Хотя электрическим свойствам материалов мы придаем первостепенное значение, всегда надо сравнивать и их стоимости. Именно поэтому мы находим в управляющей и регулирующей, передающей технике и других смежных областях различные виды пластмасс, соответствующие этим конкретным областям.