Використання композиційних пластмас у народному господарстві

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Використання композиційних пластмас у народному господарстві
Полімери дуже рідко використовують у чистому вигляді. Майже всі вони містять хоча б один-два відсотки різних стабілізаторів, барвників, пластифікаторів та інших добавок. У такому вигляді експлуатуються найбільш поширені синтетичні полімери - термопласти, наприклад поліетилен, полістирол, полівінілхлорид.
Сучасна техніка пред'являє найрізноманітніші вимоги до полімерних матеріалів. Припустимо, потрібно підвищити міцність і жорсткість полімеру, знизити його вартість, зменшити щільність. З кожною з цих завдань успішно справляються додаванням в полімер різних наповнювачів. Яких саме? Це залежить від конкретних запитів споживачів матеріалу. Наприклад, міцність підвищують введенням в полімер пружних високоміцних волокон, а зниження вартості домагаються, наповнюючи полімер такими дешевими продуктами, як річковий пісок, тирса, цементний пил. Наповнювачі необов'язково повинні бути твердими. Можна наповнити полімери газом, тоді ми отримаємо газонаповнені полімери - пінопласти. Так вирішується завдання різкого зниження щільності полімерних матеріалів. Багато складніше наповнити полімери рідиною, щоб вона була рівномірно розподілена у вигляді дисперсних крапель, але в літературі можна знайти опис методів отримання навіть таких матеріалів. Матеріали, що містять дві або більше фази, іменуються композиційними, або просто композитами. Нагадаємо, що латинське compositio означає складання, твір. Якщо одна зі складових фаз - полімер, а інші - тверді, рідкі або газоподібні речовини, то ми маємо справу з полімерними композиційними матеріалами (ПКМ).
Не слід думати, що ПКМ - винахід останніх років. Перші армовані матеріали на основі полімерів - бітумну смолу, наповнену очеретом, - використовували для будівельних цілей у Стародавньому Вавілоні більше 5000 років тому. Відомо, що в Єгипті та в державах Месопотамії у третьому тисячолітті до н.е., з цього ж матеріалу будували річкові судна. Якщо уважно проаналізувати мистецтво муміфікування, поширене в Давньому Єгипті, то в основі його також можна знайти спосіб отримання полімерних композитів. У самому справі, тіло після відповідної обробки обмотували стрічкою з тканини і просочували природного смолою з утворенням жорсткого кокона.
Не що інше, як композиційні матеріали, представляли собою луки азіатських кочівників (Китай, близько 1000 г . до н.е.), виготовлені з деревини і верств роги. Вони були зброєю з досить великим радіусом дії, найбільш придатним для стрільби з колісниць або для кінноти. Ще більш складні конструкційні матеріали, що складаються з сухожиль тварин, деревини та шовку, з'єднаних за допомогою клею, застосовували для виготовлення своїх луків стародавні монголи.
Таким чином, початок технології ПКМ йде в стародавні часи. Звертаючи свій погляд до нашого століття, відзначимо, що вже багато десятиліть людям відомі гума (Вулканізований каучук, наповнений сажею та іншими речовинами), пінопласти, бакеліт (фенолформальдегідні смоли, наповнені текстильними волокнами). Правда, в цих матеріалах закономірність розподілу наповнювача спостерігається не завжди. Тому конструктори сучасної техніки, як правило, називають полімерними композиційними матеріалами лише такі, в яких є полімерна матриця і закономірне розподіл упрочнителей (підсилюють наповнювачів), найчастіше волокнистих.
Застосування в літако-та ракетобудуванні
Стрімкий розвиток авіаційної техніки (збільшення швидкості, висоти і дальності польотів) змушує конструкторів пред'являти все більш жорсткі вимоги до матеріалів, призначеним для використання в літакобудуванні. Які ж ці вимоги?
Перш за все, це підвищена механічна міцність і надійність, зменшення і навіть повне виключення шкідливого впливу вібрації. Матеріали повинні мати гарну стійкість до дії високих і низьких температур, а також різних атмосферних явищ. Для внутрішніх конструкцій літальних апаратів надзвичайно важливі негорючість, хімічна інертність, висока звуко-і теплоізолююча здатність.
Подивимося, наприклад, наскільки важлива стійкість до теплового впливу деяких конструкційні елементів сучасних літаків. Відомо, що при польоті за рахунок тертя об повітря відбувається розігрів обшивки літака. При швидкості 2500 км / год обшивка нагрівається до 150 ° С. Зрозуміло, що без хорошої полімерної теплоізоляції, яку поміщають між подвійними стінками корпусу, пасажири не дуже затишно почували б себе всередині такого літака.
Оболонки (гондоли), в які укладено авіаційний двигун, зазвичай піддаються ще більш жорстким термічних дій. Так, ділянки гондоли, що знаходяться в зоні вихлопу, повинні витримувати дію полум'я з температурою приблизно 1100 ° С протягом 15 хв. Високі і температури, що спостерігаються на кожусі компресора (475 ° С) і в зоні турбіни (545 ° С).
Для конструювання космічних кораблів потрібні матеріали, які зберігають працездатність в особливих умовах космічного простору. У чому ж полягає специфічність цих умов? По-перше, це відсутність атмосферного тиску: на висоті декількох сотень кілометрів від Землі тиск повітря складає 10 ~ 8 -10 ~ 9 мм рт. ст., а на висоті геостаціонарної орбіти (близько 36000 км ) - Приблизно 10 ~ 13 мм рт. ст. Настільки високий вакуум призводить до небезпеки випаровування летючих компонентів матеріалів, розриву трубопроводів та вентилів в системі двигунів. По-друге, це високий рівень електромагнітного випромінювання з різними довжинами хвиль (сонячна радіація і космічні промені), причому 10% сонячної радіації припадають на довжини хвиль менше 4000 А (або 400 нм), тобто на випромінювання, що викликає светодеструкцію синтетичних матеріалів. У ці 10% включений потік дуже небезпечних для багатьох матеріалів протонів і електронів, щільність якого на висоті 1000 км складає вражаючу величину - 10 8 частинок / (см 2-с). По-третє, це температурні перепади навколишнього середовища - від -200 до +150 ° С. (Крім того, від ракетних двигунів теплові навантаження на матеріал можуть досягати 800 ° С і вище.) По-четверте, це наявність потоку мікрометеоритів, що призводять до руйнування поверхні літального апарату, і т.д.
Матеріали, використовувані усередині жилого відсіку космічних кораблів, крім безумовної механічної міцності, повинні бути негорючими, нетоксичними і не повинні створювати загрозу через скупчень електростатичних зарядів на поверхні і т.д.
У деяких особливих випадках, наприклад при посадках на поверхню Венери, від конструкційних матеріалів потрібно, щоб вони хоча б нетривалий час витримували одночасний вплив температури до 550 ° С і тиску до 90 атм. З наведених прикладів зрозуміло, якими винятковими якостями повинні володіти матеріали, використовувані при будівництві літаків і космічних кораблів, і які надскладні завдання стоять перед творцями таких матеріалів.
Традиційні матеріали для літако-і ракетобудування, головним чином титанові сплави і нержавіючі сталі, задовольняють більшості з перерахованих вище вимог, постійно поліпшуються металургами, проте в останні роки фахівцями дедалі частіше висловлюється думка, що більш перспективним для цих цілей є також використання полімерних композитів. Відома мала щільність ПКМ навіть у порівнянні з найбільш поширеними легкими авіаційними сплавами. Дійсно, заміна металу в силових елементах конструкції літаків на полімерні композиційні матеріали здатна зменшити їх загальну масу на 20-43%, що уповільнило б збільшення розмірів літаків і підвищило б їх економічність по витраті палива. Фахівці США підрахували, наприклад, що для цивільних літаків марки L-1011 фірми «Локхід» і марки DC-10 фірми «Дуглас» зниження маси на кожні 45 кг дозволить економити щорічно близько 6400 кг палива.
Радіопрозорість ПКМ також відома. Слід підкреслити, що полімерні композиційні матеріали часто незамінні при конструюванні обтічників, що захищають радарну апаратуру на самих літальних апаратах. Для забезпечення максимального проходження хвиль від радарних установок композит повинен володіти високою однорідністю, а обтічник необхідно виготовляти з великим ступенем точності. Справа в тому, що реальні обтічники не пропускають усіх хвиль, випромінюваних радарної апаратурою. Поряд з пропущенням спостерігається і відображення радіохвиль і їх поглинання. При цьому частина енергії хвиль може відображатися і повертатися на передавач, що призводить до зменшення радіусу дії радарної установки. Таким чином, по міцності і по стійкості до дії високих температур вироби з композиційних матеріалів здатні замінити багато металеві деталі. Зі сказаного зовсім не випливає, що використання композитів виключає застосування металів. Ці дві групи матеріалів можуть успішно поєднуватися. Наочний приклад тому - склеювання металевих поверхонь літакової обшивки термостійким полімерним клеєм. На думку фахівців, традиційний спосіб кріплення алюмінієвих листів обшивки за допомогою заклепок багато в чому поступається клейових швах, які не вимагають свердління металу, мають більш високу втомної міцністю і не збільшують нерівності поверхні. Розглянемо типи полімерних матеріалів, використовуваних в літако-і ракетобудуванні, властивості і методи отримання деяких конкретних композицій.
Одними з перших композитів, що знайшли застосування в авіаційній промисловості, були пінопласти. Ці матеріали являють собою спінені поліефіруретани, одержувані обробкою низькомолекулярних поліефірів, входять реакційноздатні гідроксильні групи, диизоцианатом. При змішуванні вихідних компонентів (зазвичай рідких) починається екзотермічний процес, що супроводжується виділенням вуглекислого газу; У результаті реакційна маса стає все більш вузький, розбухає, піднімається, як тісто, твердіє і перетворюється в комірчастий матеріал - пінопласт. Такий спосіб був розроблений в Німеччині на початку 1940-х років; пізніше у ФРН був налагоджений промисловий випуск пористого пластику під торговою назвою «мо-льтопрен». Цей матеріал використовувався авіаційною промисловістю як заповнювач в середніх шарах тришарових конструкцій крила й хвостового оперення літаків. Облицювальними матеріалами в цих випадках були метал і фанера.
Відомі два методи одержання виробів із жорстких пінопластів. Перший з них передбачає використання форми, що складається з двох частин - зовнішньої і внутрішньої. У зовнішню (що охоплює) частину форми для виготовлення обтічника наливають попередньо змішані вихідні компоненти, після чого в неї опускають меншу за розміром внутрішню частину форми. Занурення здійснюють на глибину, відповідну заданій товщині стінки обтічника. У результаті реакційна маса піднімається в кільцевому зазорі між двома поверхнями. Перед заповненням пенообразующей масою внутрішню поверхню охоплює частини і зовнішню поверхню внутрішньої частини форми зазвичай покривають поліефірним пластиком. Попередньо обидві поверхні для поліпшення адгезії очищають піскоструминним способом. При використанні такого методу вдається досить точно дотримуватися задану форму виробу.
Другий метод одержання виробів із жорстких пінопластів відрізняється від першого тим, що порожню форму закривають кришкою і заповнюють спінюється масою через невеликі (близько 2,5 см ) Отвори в кришці. Такий спосіб застосовують для заповнення конструкційних вузлів літаків, наприклад елеронів.
Еластичні пеноматеріалов з поліефіруретанов також привернули увагу фахівців авіаційної та ракетної техніки. Ці матеріали мають чудові термоізоляційними властивостями, що дозволяє використовувати їх для зменшення википання ракетного палива ракети «Сентаур». До недоліків поліефіруретанових матеріалів належить низька стійкість до впливу підвищених температур і атмосферних чинників. Більш атмосферостійкими виявилися пластики па основі епоксидних смол, з якими ми зараз познайомимося детальніше.
Понад 90% з випускаються епоксидних смол представляють собою олігомери, одержувані по реакції ароматичного двохосновний спирту бісфенолу. Це в'язкі рідини та ст. такому вигляді вони рідко знаходять застосування. Для отримання твердих міцних матеріалів необхідно зшити молекули олігомерів в більш довгі полімерні молекули. Для зшивання використовують отверджувачі, здатні реагувати з кінцевими реакційноздатними групами олігомерів при кімнатній температурі або при нагріванні до 60-200 ° С. Іншими прикладами використання склонаповнені (епоксидних смол є матеріали для залізо крила і деталей інтер'єру цивільного літака марки DC-Х-200 фірми «Дуглас» і для стільникових конструкцій космічного апарату, з яких виготовлені сонячні антени.
Показово, що із загальної кількості (4200 т). ПКМ, використаних в авіаційній і космічній техніці США в 1981 р ., Склопластики склали близько 3500 т. У 1991 р . очікують збільшення цієї цифри до 6000 т. Проте епоксидні смоли, наповнені скловолокном, мають дуже низький модуль пружності, щоб, бути використаними у відповідальних конструкційних І вузлах сучасних літаків. Набагато більш перспективними в цьому відношенні виявилися епоксидні смоли, наповнені волокнами елементного бору. Характерними властивостями композитів на основі борних волокон є високий модуль пружності, тобто більша жорсткість, в поєднанні з низькою щільністю (на 27% менше, ніж щільність алюмінію). В американському літаку марки F-111 застосовуються борепоксідние стабілізатори, передні крайки і закон-цювання крил. Закінцівки крил легше традиційних алюмінієвих майже на 16%: Горизонтальний стабілізатор цього літака піддається дії флаттера, тобто поєднанню згинальних і крутильних коливань, небезпечних для конструкції, і тому повинен володіти одночасно жорсткістю і механічною міцністю. У результаті заміни алюмінієвого стабілізатора на борепоксідний вдалося знизити масу конструкції на 27%, зберігши цілком достатню міцність. Композиційні матеріали цього типу були використані також при виготовленні гвинта вертольота «Боїнг Вертол».
В останні роки епоксидні смоли, наповнені вуглецевим волокном, широко використовуються для конструкційних деталей надзвукових літаків. При виготовленні цих матеріалів поверхню вуглецевих волокон піддають спеціальній обробці для збільшення адгезії до смолі. Така обробка звичайно підвищує міцність при вигині, але знижує ударну в'язкість. Для отримання менш крихких матеріалів, тобто для збільшення їхньої ударної в'язкості, до вуглецевих волокон додають невеликі кількості скловолокна.
Фірма «Локхід» запропонувала використовувати вертикальні стабілізатори, елерони і інтерцептори (органи управління), виготовлені з углеепоксідного композиту, для пасажирського літака L-1011. Загальне зниження маси цього літака в результаті заміни металевих сплавів на композиційні матеріали досягає 230 кг . При створенні стабілізатора на літаку L-1011 вирішена проблема гальванічної корозії, яка спостерігалася при з'єднанні композиту з деталями з алюмінієвого сплаву. Для запобігання корозії в місцях контакту цих різнорідних матеріалів поміщають тканина з поліамідного волокна кевлар. Фірма «Боїнг» (США) широко застосовує углеепоксідпие композити, зокрема в пасажирському літаку «Боїнг-747».
Углеепоксідние композиційні матеріали знайшли застосування і в космічній техніці. З них виготовлені жорсткі конструкції американського супутника ATS-F, запущеного на орбіту з відстанню 35000 км від Землі. Висока питома міцність цих матеріалів і мале значення коефіцієнта термічного розширення використані в системі орієнтації супутника; вони забезпечують її роботу в інтервалі температур від - 160 до -1120 ° С.
Зі сказаного видно, наскільки широко і плідно виявилося застосування композитів з епоксидним сполучною в літако-та ракетобудуванні.
Використання композиційних пластиків в автомобілебудуванні
Зарубіжні фахівці підрахували, що близько 53% вартості автомобіля припадають на матеріали. Тому їх правильний вибір відіграє істотну роль. Якщо порівнювати за вартістю автомобільні кузови з різних матеріалів, то сталевий кузов виявиться значно дешевше пластмасового. Однак, за підрахунками економістів, це співвідношення з часом має змінюватися на користь останнього.
Перший крок в застосуванні пластмас для кузовів був вельми примітивним: несучий сталевий каркас покривався методом вакуум-формування сополімером акрило-нітрилу, бутадієну і стиролу. Зрозуміло, ця конструкція ще не відповідала вимогам якості та комфорту. Більш досконалий метод був розроблений стосовно до експериментальної моделі «Авто-2000» автомобіля «Фольсваген» (ФРН). Кузов цієї машини складається з днища і передка, бічних стінок і даху; всі вони формуються з листової сталі і зварюються, утворюючи несучий каркас. На конвеєрі на них навішуються різні пластмасові деталі. Основна частина передка кузова - пластмасова рама, на яку кріпляться бампер, шарніри капота, фари й радіатор. Зверху розташовуються полімерна оболонка, реберна конструкція і лицьове покриття бампера. Такий бампер витримує без залишкової деформації удар при русі автомобіля зі швидкістю 4 км / год .
Склопластики, більш ніж будь-які інші ПКМ, знайшли застосування в автомобільній промисловості. Наприклад, в США в 1987 р . на кожну легкову машину встановлювали в середньому близько 7 кг склопластикових деталей: передні і задні панелі кузова, панель приладів, віконні рами і т.д. Близько 40% таких деталей виготовлені з стеклонаполненного термопластів і 60% - з поліефірних смол.
В якості в'яжучих для стеклонаполненного ПКМ фірма «Байєр» (ФРН) запропонувала використовувати поліефіруретановие каучуки. Отримані на їх основі матеріали чудово підійшли для виготовлення деталей, що зазнають ударні навантаження, наприклад спойлерів, крил і бамперів автомобілів. Крім необхідної жорсткості і достатньої теплостійкості, наповнені поліефіруретани відрізняються гарною гідролітичною і мікробостойкостью, а також порівняно низькою вартістю. Заміна частини скловолокна у поліефірних ПКМ на більш легкі наповнювачі дозволяє отримувати полегшені композити. Таким шляхом одна з американських фірм організувала виробництво матеріалу MFS-110 з щільністю 1,10 кг / м 3, який знайшов застосування в автомобілі марки «Форд» моделі 1982 р .: З нього виготовляють корпуси для задніх фар. Корпус виконаний як одна деталь, маса якої внаслідок заміни металу на ПКМ знижена з 6,8 до 4,5 кг . Особливо широко склопластики використовуються у виробництві спортивних і гоночних автомобілів. Так, англійська компанія «Рілайант Мотор» налагодила випуск корпусів невеликих трьох-і чотириколісних автомобілів, фургонів і спортивних седанів з поліефірних склопластиків. Застосування цих матеріалів забезпечує високі експлуатаційні показники і значно спрощує процес виробництва корпусів.
Інший приклад - спортивний автомобіль з корпусом зі склопластику американської фірми TVR. Він успішно пройшов випробування на зіткнення з бар'єром без руйнування салону для пасажирів. Модифікуванням поліефірних склопластиків, які використовуються у цій машині, вдалося надати їм, крім високих міцнісних властивостей, стійкість до горіння. Цельнопластіковие кузова автомобілів поки ще не набули широкого поширення. На шляху такого застосування склопластиків стоїть ряд труднощів, у тому числі проблеми механізації збирання, скорочення часу затвердіння сполучного, усунення дефектів на зовнішній поверхні (включень бульбашок повітря, викривлення у вигляді поздовжніх хвиль) і т.д. З часом ці проблеми вирішуються. Процес виготовлення автомобільних деталей зі склопластику поки порівняно доріг. Співвідношення між вартістю процесу і вартістю матеріалу в даний час складає близько 5: 3. Створені нещодавно машини для інжекційного формування, які за годину виробляють по 40-50 великогабаритних конструкцій із склопластику, поки ще малодоступні. Більш поширеним є метод ручної викладення. Для виготовлення деталей із склопластиків за цим методом розроблені спеціальні поліефірні сполучні, що володіють тиксотропними властивостями, які перешкоджають їх стіканню з вертикальних частин конструкції. Отримані таким чином склопластики у вигляді окремих панелей використовуються у виробництві комфортабельних автобусів, забезпечуючи високі експлуатаційні якості елементів конструкції і легкість їх заміни при пошкодженні. Інша область застосування таких ПКМ - обладнання корпусів пожежних машин і протипожежних пристроїв.
Закінчуючи розповідь про використання поліефірних склопластиків в автомобілебудуванні, слід назвати і такі області застосування, як виробництво щитків управління вантажних машин, корпусів нагрівачів і кришок для двигунів, а також виробництво дахів автофургонів, колясок мотоциклів і причіпних автомобільних будиночків.
Другим за обсягом споживання в автомобільній індустрії сполучною для склопластиків є термопласти. Так, поліпропілен, армований скловолокном, у вигляді листового матеріалу широко використовується для формування сидінь. Операція їх виготовлення на гідравлічному пресі з зусиллям 800 т займає всього лише 40-45 с. З цієї ж технологією виробляються паливні баки для автомобілів. Достоїнствами ПКМ з термопластів є простота і висока продуктивність виготовлення і збірки різними способами зварювання (ультразвуком, вібрацією, нагрівальним дзеркалом, оплавленням при обертанні), а також можливість вторинного застосування.
Вибір наповнювачів для термопластів не обмежується скловолокном. Так, із наповненого деревної борошном поліпропілену вдалося отримати високоякісний матеріал для внутрішнього облицювання дверей автомобіля. При застосуванні цього матеріалу за рахунок більш ефективного використання простору між корпусом дверцята і облицюванням, де розташований механізм підйому скла, салон автомобіля розширений на 4 см . Надавши термопластів деяку еластичність, наприклад, приготувавши композицію поліпропілену з потрійним сополімером етилену, пропілену і бутадієну, можна отримати чудовий, матеріал для виробництва автомобільних бамперів. З кожним роком розширюється коло полімерів, використовуваних в автомобілебудуванні. Тут і поліефіри, і термопласти, про які йшла мова, та ливарні поліуретани для виробництва бамперів, і спінений полікарбонат. Так, американська фірма «Фаррел» повідомила, що зможе оснастити легкові машини капотами, дверима і кришками багажника, виготовленими з ударостійкого пенополікарбоната. Цей матеріал має рекордно малу щільність за рахунок того, що він складається з суцільної оболонки і пористого внутрішнього шару. Одне тимчасово така структура веде до підвищеної жорсткості, особливо необхідною при конструюванні таких відповідальних деталей автомобіля. Не припиняється пошук і нових армуючих матеріалів. Слідом за конструкторами літальних апаратів автомобілебудівники звернули свою увагу на вуглепластики. Саме з ПКМ такого типу був виготовлений корпус гоночного автомобіля фірми «Тексако Малборо Макларен». В автомобілях майбутнього цим особливо міцним, жорстким і легким матеріалами, мабуть, буде приділятися особливе місце. За прогнозами, широке впровадження вуглепластиків дозволить знизити витрата бензину до 4-6 л на 100 км .

Література
1. Філатов В. І., Корсаков В. Д. Технологічна підготовка процесів формування виробів із пластмас. - Л.: Політехніка, 1991-352 с.
2. Копилов В. В. Штурм теплового бар'єру. М.: Наука, 1983. 167
3. Воробйов В. А. Технологія будівельних матеріалів і виробів на основі пластмас. М.: Вищ. шк., 1974. 472 с.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Реферат
49.1кб. | скачати


Схожі роботи:
Технологія і обладнання виробництва виробів із пластмас і композиційних матеріалів
Роль силікатної промисловості в народному господарстві
Мембранна технологія та її застосування в народному господарстві
Хімічна промисловість її галузевої склад і значення в народному господарстві країни
Раціональне використання сінокосів в господарстві
Земельні фонди та їх використання в сільському господарстві
Виручка прибуток їх планування та використання в комунальному господарстві
Формування та ефективність використання виробничого капіталу в сільському господарстві
Використання робочої сили та продуктивності праці в сільському господарстві
© Усі права захищені
написати до нас