Компоненты неметаллических материалов и их свойства. Монография
Салим Мадрахимович Отажонов
Камалудин Гаджиевич Абдулвахидов
Равшанбек Назирович Эргашев
В данной монографии демонстрируется глубокая взаимосвязь между структурой и свойствами материалов, которые используются в промышленности, энергетике, возобновляемой энергетике и способствуют повышению энергоэффективности применяемых технологий энергосбережению. Изучение указанной взаимосвязи базируется на представлениях об атомно-электронной структуре, механизмах фазовых превращений в материалах, которые были изложены в учебных пособиях. Монография рекомендована к печати Ученым советом ФерГУ.
Компоненты неметаллических материалов и их свойства
Монография
Салим Мадрахимович Отажонов
Камалудин Гаджиевич Абдулвахидов
Равшанбек Назирович Эргашев
Редактор, генеральный директор OOO "Electron Laboratory", Президент Научной школы "Электрон" Ибратжон Хатамович Алиев
Редактор, доктор физико-математических наук, профессор Научно-исследовательского института "Физики полупроводников и микроэлектроники" при Национальном Университете Республики Узбекистан Оббозжон Хокимович Кулдашов
Рецензент, доктор физико-математических наук, профессор Ферганского Политехнического Института Носиржон Хайдарович Юлдашев
Рецензент, кандидат технических наук, доцент физико-технического факультета Ферганского государственного университета Якуб Усмонович Усмонов
Иллюстратор Салим Мадрахимович Отажонов
Иллюстратор Ибратжон Хатамович Алиев
Иллюстратор Боходир Хошимович Каримов
Дизайнер обложки Ибратжон Хатамович Алиев
Дизайнер обложки Салим Мадрахимович Отажонов
Корректор Султонали Мукарамович Абдурахмонов
Корректор Ибратжон Хатамович Алиев
© Салим Мадрахимович Отажонов, 2023
© Камалудин Гаджиевич Абдулвахидов, 2023
© Равшанбек Назирович Эргашев, 2023
© Салим Мадрахимович Отажонов, иллюстрации, 2023
© Ибратжон Хатамович Алиев, иллюстрации, 2023
© Боходир Хошимович Каримов, иллюстрации, 2023
ISBN 978-5-0060-2257-7
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
ПРЕДИСЛОВИЕ
Материалы, обеспечивающие эффективную работу многих технических как промышленных так бытовых установок обладают широким спектром функциональных свойств, которые не должны ухудшаться в условиях разного рода внешних воздействий. Применительно к промышленной техники к числу таких воздействий относятся не только термические, механические, химические воздействия, а также их комбинации, но и радиационные воздействия. В связи с этим среди других разделов современной науки и инженерии подготовка студентов-физиков трудовиков и (или) инженеров-технологов, специализирующихся в области неметаллические материалы и их компоненты и материаловедения по направлению «Технологическое обучение» и направлении политехнических институтов, вызывает необходимость давать им глубокие знания в области технологии получения, функционирования и диагностики материалов со специальными свойствами (механическими, тепловыми, прочностными, коррозионными, электрическими, магнитными, радиационными и др.). Без таких знаний невозможно проектировать, создавать или обучать и обеспечивать эффективную эксплуатацию качественные и дешевых материалов разного вида для промышленных, бытовых и энергетических установок: мощных промышленных станков, бытовых приборов разного переназначения, автомобилестроения, установки для солнечных, ветровых и гидроэлектростанции, ядерных энергетических установок (системы передачи тепловой и электрической энергии, хранения ядерных отходов, радиационной защиты и др.), теплоэнергетических агрегатов (котлов, паропроводов, парогенераторов, турбин и т.д.) и многих других узлов.
В данной монографии демонстрируется глубокая взаимосвязь между структурой и свойствами материалов, которые используются собственно в промышленности, быту и энергетике (включая ядерную, тепло и электроэнергетику), возобновляемой энергетике, а также способствуют повышению энергоэффективности применяемых технологий и энергосбережению (включая материалы, используемые в датчиках, преобразователях и сенсорах систем контроля). Изучение указанной взаимосвязи базируется на представлениях об атомно-электронной структуре, а также механизмах фазовых превращений в материалах, которые были изложены в предыдущих учебных пособиях и книгах.
При создании этой монографии по неметаллические материалы перед авторами стояла непростая задача. С одной стороны, предлагаемый студентам текст должен базироваться на тех физических принципах «конструирования» материалов с особыми функциональными свойствами, которые были изложены в тексте лекции. С другой стороны, он должен быть хорошо иллюстрирован и понимаем студентами с разным исходным уровнем подготовки в области физики и технологии (она весьма существенно различается в классических и технических университетах). Кроме того, изложение материала должно быть достаточно лаконичным, поскольку количество учебников и монографии, используемых для подготовки студентов в области материалов для промышленности, быту, энергетики и энергосбережения, весьма велико. В связи с этим относительная краткость описания свойств и областей применения специальных материалов в промышленности, быту, энергетике и энергосбережении, а также излагаемых принципов их создания выглядит вполне оправданной.
Отажонов Салим Мадрахимович
Абдулвахидов Камалудин Гаджиевич
Эргашев Равшанбек Назирович
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛИМЕРОВ И ПЛАСТМАСС
1.1. Общая характеристика и классификация
Состояние и тенденции развития отрасли. Полимерные материалы (полимеры и пластмассы) используют для производства весьма значительных по объему и номенклатуре групп товаров с разнообразным назначением, а следовательно, потребительскими и эксплуатационными свойствами. В настоящее время полимерные материалы (ПМ) используются во всех отраслях промышленности, например в строительстве (лакокрасочные, отделочные, теплоизоляционные и другие материалы), сельском хозяйстве (пленки, трубы и другие изделия), в производстве мебели, хозяйственных и других товаров, обеспечивающих комфортную жизнедеятельность людей.
Полимерные материалы являются высокоэффективными в технологическом, потребительском и экономическом планах. Технологичность ПМ определяется минимальной энергоемкостью процессов получения изделий, высокой производительностью оборудования и исключением дорогостоящих операций механической обработки готовых изделий. Поэтому производство изделий из пластмасс является высокорентабельным с коротким сроком окупаемости капиталовложений.
Из ПМ получают изделия с самыми разнообразными свойствами, удовлетворяющие самые разные потребности. Их экономичность определяется тем, что производство изделий из ПМ может быть полностью автоматизировано в пределах разумных затрат, что позволяет сократить расходы и, следовательно, себестоимость продукции, а также розничную цену товаров.
Вследствие вышеперечисленных особенностей ПМ, несмотря на короткий срок их применения (немногим более 100 лет), они получили широкое использование. Их производство и применение в последние 25 лет резко возросло. Особенно быстро прирост производства отмечается в Индии, Китае, Пакистане.
Мировое производство ПМ в настоящее время составляет около 150 млн т. Анализ ассортимента выпускаемых пластмасс показывает, что выпуск 10 видов пластмасс составляют около 90% общего производства ПМ. В группу полимеров общетехнического назначения, имеющих наибольшее применение, входят полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ), полистирол (ПС) и полиэтилентерефталат (ПЭТФ), акрилонитрил (АК).
Особенности отечественной отрасли пластмасс заключаются в том, что в производстве все еще сохраняется выпуск термореактивных полимеров: аминоформальдегидных – до 20% и фенолоформальдегидных (ФФС) – до 8% от общего объема. В структуре термопластичных полимеров основной объем приходится на вышеперечисленные полимеры общетехнического назначения.
В то же время растет использование импортных полимеров в производстве изделий из пластмасс, таких как полиамиды (ПА), полиэтилентерефталаты (ПЭТФ), а в последнее время полиэтилены низкого и высокого давления, ПП, ПС. Международная маркировка и область применения основных видов полимеров приведены в приложении 1.
Наибольший объем мирового потребления ПМ приходится на производство упаковки и тары. Затем следует строительство, транспорт, производство электроники, мебели, хозяйственных товаров. Так, около трети полимеров расходуется на производство тары и упаковки. Вследствие того что потребительская ценность упаковки теряется задолго до утраты первоначальных свойств полимеров, из которых они изготовлены, то остро стоит вопрос о вторичном использовании отходов полимеров. До недавнего времени использование вторичного сырья являлось прерогативой предприятий по производству изделий. Сейчас сформировалось новое самостоятельное направление – «рециклирование пластмасс, разрабатывающее технологические процессы по переработке отходов, прежде всего использованной тары. Это способствует решению не только сырьевых, но и экологических проблем.
Основными мероприятиями, направленными на снижение загрязнения окружающей среды, являются:
§вторичная переработка;
§утилизация сжиганием;
§термическое разложение путем пиролиза и деполимеризации с использованием низкомолекулярных продуктов;
§разработка и применение способов деструкции (разложения) полимеров под действием света, кислорода воздуха и микроорганизмов.
В последнее время большое внимание уделяется последнему способу. Для этого в полимер вводят биоразлагаемые добавки, которые разрушают межмолекулярные связи, в результате происходит окисление и деструкция молекул полимера.
Классификация полимеров и пластмасс. Изучению ассортимента и свойств готовых изделий из пластмасс предшествует изучение состава, ассортимента и свойств полимеров.
Полимеры – высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из большого числа одинаковых (иногда различных) повторяющихся группировок, соединенных химическими связями.
По физическому состоянию полимеры могут быть твердыми – жесткими или эластичными (пленки) – материалами, волокнистыми (текстильные волокна) и вязкими жидкостями (лакокрасочные материалы, клеи).
По происхождению полимеры подразделяют на природные, выделенные из природных материалов, искусственные, полученные из природных полимеров путем их химической модификации, и синтетические, полученные путем синтеза из мономеров или олигомеров (низкомолекулярных полимеров). Примеры отнесения конкретных видов полимеров к указанным группировкам и классификация по другим признакам приведены в табл. 1.1.
Классификация полимеров
По составу основной цепи полимеры подразделяют на гомо- цепные, если состав основной цепи включает один и тот же атом, чаще всего углерод, и гетероцепные, если в состав входят кроме углерода другие атомы (кислород, азот и т. д.). По указанному признаку можно разделить полимеры, зная их химическую формулу.
По способу получения полимеры делят на три группы: по- лимеризационные, поликонденсационные и модифицированные
(табл. 1.1). Больше всего полимеров получают по реакции полимеризации. Способ получения используют при анализе производства лакокрасочных материалов и в стандартах, определяющих требования к ним.
Важным признаком, который определяет способ получения изделий из полимеров, а также используется при идентификации последних, является отношение их к нагреванию. Термопластичными (термопластами) называются полимеры, способные при нагревании переходить в вязко-текучее состояние, при охлаждении – — в твердое, что может повторяться неоднократно. Эта способность термопластов используется при переработке отходов производства или потребления (упаковки) путем их расплавления и последующего формования изделий.
К термореактивным (реактопластам) относят полимеры, нагревание которых сопровождается химическими реакциями образования трехмерного (сшитого) полимера (реакция отверждения), в результате чего полимеры переходят в твердое состояние и их способность переходить в вязко-текучее состояние необратимо утрачивается. Следовательно, термопласты имеют линейную или разветвленную форму макромолекул, а реактопласты – сшитую. Сшивка макромолекул может проводиться специально введенным в состав полимера веществом (отвердитель) или за счет реакционноспособных функциональных групп полимера.
Пластические массы (пластмассы) – материалы, основу которых составляют полимеры, в состав которых для придания им функциональных свойств вводят добавки: наполнители, армирующие материалы, пластификаторы, стабилизаторы, красители и т. п. Полимер связывает все остальные компоненты в единую более или менее однородную массу, поэтому полимер называют связующим.
Вид пластмасс определяется видом исходного связующего – полимера.
Введение наполнителей и красящих пигментов в полимер приводит к тому, что получаемый материал становится окрашенным и непрозрачным (гетерогенные пластмассы). Наполнители вводят в состав пластмасс для снижения их стоимости, придания негорючести, электропроводности, упрочнения (армирование) и других свойств. Введение только красителей приводит к образованию окрашенных прозрачных пластмасс.
В период формования изделий пластмассы находятся в вязко-текучем или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации – в стеклообразном или кристаллическом (твердом) состоянии.
Так как в состав пластмасс больше всего входит наполнителя, то классификация полимеров дополняется признаками, зависящими от наполнителя (табл. 1.2).
Термопластичные пластмассы чаще всего бывают гомогенными по составу, а изделия из термореактивных пластмасс, которые вырабатывают с наполнителем, – гетерогенными.
Наполнители, и, следовательно, пластмассы, подразделяют по физическому состоянию наполнителя. Чаще всего применяют твердый наполнитель, разнообразный по типу. В качестве органического наполнителя применяют древесные отходы, лигнин, измельченные отходы полимеров, волокон, бумагу. Неорганическими наполнителями могут быть мел, тальк, асбест, песок, вермикулит и др.
В зависимости от состава и назначения полимеры подразделяют на марки, которые указывают в стандартах. Сополимеры и полимеры специального назначения вырабатывают по техническим условиям (ТУ).
