Сравнительная характеристика свойств чугуна, стали и пластмассы

Поликарбонат -- полимер, выпускаемый под названием дифлон. Характеризуется низкой водопоглощаемостью и газопроницаемостью, хорошими диэлектрическими свойствами, высокой жесткостью, теплосетью и химической стойкостью, не имеет запаха и вкуса, физиологически безвреден, бесцветен, прозрачен, хорошо окрашивается. Устойчив к световому старению и действию окислителей даже при до 120°С. Является одним из наиболее ударопрочных термопластов, что позволяет использовать его в качестве конструкционного материала, заменяющего металлы. Из поликарбоната изготавливают шестерни, подшипники, корпуса, крышки, клапаны и другие детали, сосуды и трубопроводов для транспортировки фруктовых соков, молока, вин; может использоваться в технике низких температур для работы в среде жидких газов.

Физико-механические свойства поликарбонатов улучшаются при введении в них армирующих волокон. Армированные поликарбонаты «Эстеран» применяются в производстве ответственных деталей машин, например подшипников качения, кулачков и т.д. Они сохраняют свои свойства и эксплуатационную надежность в интервале температур от -200 до 110°С, а также в вакууме.

4.2 Термореактивные пластмассы (реактопласты)

Термореактивные пластмассы отличаются от термопластов повышенной теплостойкостью, практически полным отсутствием ползучести под кой при обычных температурах, постоянством физико-механических свойств в интервале температур их эксплуатации. Основу любого реактопласта составляет химически затвердевающая термореактивная смола, являющаяся связующим веществом. Кроме того, в состав пластов входят наполнители, пластификаторы, отвердители, ускорители или замедлители и растворители. Наполнителями могут быть порошковые, волокнистые и гибкие листовые материалы.

В качестве порошковых наполнителей используют молотый кварц, тальк, графит, древесную муку, целлюлозу. К пластмассам с порошковым наполнителем относятся фенопласты и аминопласты.

Фенопласты (бакелиты, фенолоформальдегидные смолы) являются термоупрочняемыми пластмассами. Неупрочненные смолы -- новолаки и резоры -- получают при поликонденсации фенола с формальдегидом.

Новолачные смолы получают в присутствии кислого катализатора, когда отношение фенола к формальдегиду меньше единицы. Эти смолы способны отверждаться при нагреве только в присутствии отвердителя. Технология производства таких смол более проста, чем резольных смол, Этим объясняется их наибольшее распространение.

Резольные смолы получают в присутствии щелочного катализатора при отношении фенола к формальдегиду, равном единице или большем смолы при нагревании отверждаются без введения в них отвердителя.

Для получения пластмассы с хорошими потребительскими свойствами в новолаки добавляют дополнительную субстанцию (обычно уротропин), которая при нагревании разлагается с выделением формальдегида.

Упрочнение термопластов происходит в основном в интервале темпе-140-180°С, но благодаря соответствующим добавкам кислот некоторые резолы можно отвердить уже при более низких температурах, напри 25 °С или несколько выше.

Резолы получают в спиртовых средах, применяя избыток формальдегида. Продукт содержит гидроксиметиленовую группу. Во время нагревания происходит необратимое упрочнение (реакция образования сетчатой структуры), поэтому резолы прессуют в формах.

Упрочненные фенолоформальдегидные смолы чаще называются бакелитами. Эта пластмасса механически хорошо обрабатывается инструментами для обработки металла и может подвергаться полированию. Бакелит из новолака имеет большую термостойкость (100-150°С), чем бакелит из резола, но худшие диэлектрические свойства.

Бакелит трудногорюч, а после извлечения из пламени сразу гаснет. Горящий бакелит дает желтый цвет пламени, коптящего в зависимости от вида наполнителя. Остаток, извлеченный из пламени, твердый, разбухший, потрескавшийся и обугленный. В процессе горения выделяются фенол и формальдегид с характерным запахом.

Бакелит стоек к воздействию разбавленных кислот и щелочей, а так же большинства органических растворителей. Для склеивания треснутых бакелитовых изделий можно применять нитроцеллюлозные клеи или жидкие фенольные смолы.

Из бакелита изготавливают галантерейные изделия (пуговицы, пепельницы), электротехнические элементы (вилки, розетки), корпуса радио- и телефонных аппаратов, детали стиральных машин, защитные шлемы, корпуса аккумуляторов, плиты, лаки, клеи.

Аминопласты являются термоупрочняемыми пластмассами. При нагреве или в присутствии кислотных катализаторов они способны к упрочнению за счет образования пространственной сетчатой структуры.

Упрочненные аминопласты твердые и жесткие. Их можно полировать и механически обрабатывать металлорежущими инструментами. Они имеют хорошие электроизоляционные свойства, легко окрашиваются.

Теплостойкость упрочненных аминопластов около 100-120°С. Образец, внесенный в огонь, начинает гореть не ранее, чем через минуту. Извлеченный из пламени, он не гаснет, но горит медленно. В действительности горят наполнители, сама смола негорюча.

Упрочненные аминопласты стойки к воздействию воды, кислот (в том числе серной и азотной), щелочей и органических растворителей.

Из аминопластов изготавливают мерные кружки и воронки для молока, поворотные лотки для ситовеечных машин (для манной крупы и муки), а также клеи для дерева, электротехнические детали (розетки, выключатели) и галантерею, тонкие покрытия для украшения, лаки (так называемые печные), пенистые материалы.

Реактопласты с волокнистыми наполнителями представляют собой композиции, состоящие из связующего (смолы) и волокнистого наполнителя в виде очесов хлопка (волокниты), асбеста (асбоволокниты), стекловолокна (стекловолокниты).

Прочность волокнитов при сжатии равна не менее 1200 МПа, ударная вязкость 9 Дж/см², причем механические свойства зависят от длины волокна.

Волокниты применяют для изготовления деталей с повышенной устойчивостью к ударным нагрузкам, работающих на изгиб и кручей (втулок, шкивов, маховиков и др.). Хорошие антифрикционные свойства позволяют использовать волокниты для изготовления фланцев, к лачков, шестерен, направляющих втулок.

Асбоволокниты обладают хорошими фрикционными (тормозным) свойствами и теплостойкостью, но по водостойкости и диэлектрической проницаемости уступают пластмассам с порошковыми наполнителя ми.

Стекловолокниты негорючи, устойчивы к действию ультрафиолетовых лучей, химически стойки, имеют стабильные размеры. Стекловолокниты имеют высокие физико-механические характеристики и применяются для изготовления деталей высокого класса точности и сложной конфигурации. Стекловолокниты могут работать при температуре -60…200°С, имеют прочность при разрыве до 500МПа, а при сжатии - около 1300МПа.

Стекловолокниты некоторых марок применяются для изготовления силовых электротехнических деталей в машиностроении, а также крупногабаритных изделий простых форм (кузовов автомашин, лодок, корпусов приборов и т. п.).

В качестве связующих смол волокнитов и стекловолокнитов применяются полиэстровые и эпоксидные смолы.

Полиэстры являются полимерами, полученными из ряда кислот и высокогидроксильных спиртов путем поликонденсации. Перед отверждением смола имеет вид густого сиропа золотистого цвета. Отверждение проводят в форме при комнатной температуре после добавления небольших количеств модификаторов. Механические свойства отвержденного продукта зависят от строения исходной смолы и способа ее отверждения. Изделие может быть гибким, эластичным или твердым и хрупким, Твердые изделия можно подвергать механической обработке, а также полировать.

Термическая стойкость под напряжением отвержденных смол колеблется в пределах 55-60°С, а без нагрузки превышает 150°С. Образец из полиэстровой смолы со стеклотканью, помещенный в пламя, горит очень плохо. После извлечения из пламени чаще всего гаснет. После сгорания остается обугленный скелет стекловолокна.

Отвержденные полиэстры нерастворимы в органических кислотах, в ацетоне легко растрескиваются.

Из полиэстров, упрочненных стекловолокном, изготавливают спасательные лодки, части автомобилей, мебель, корпуса планеров и вертолетов, гофрированные плиты для крыш, плафоны для ламп, мачты для антенн, лыжи и палки, удочки, защитные каски и т. п.

Неотвержденные эпоксидные смолы получают реакцией поликонденсации-оксида с гидроксидом фенола. Процесс отверждения представляет собой реакцию суммирования, в которой роль отвердителя играет полиамид.

Характерная черта эпоксидных смол -- хорошая прилипаемость почти ко всем пластмассам, металлам. Они имеют высокие механические и электрические свойства.

Термостойкость под напряжением колеблется в зависимости от вида упрочнителя в пределах 55-120°С, а без нагрузки превышает 150°С. Упрочненная эпоксидная смола трудно загорается, после чего начинает коптить с сильным запахом во время горения.

Эпоксидные смолы служат для изготовления лаков, клеев, a также ламинатов.

Большую группу реактопластов составляют слоистые пластмассы, которые содержат листовые наполнители, уложенные слоями. В качестве наполнителей для слоистых пластиков используют материалы органического (бумага, хлопчатобумажные ткани, древесный шпон, ткан из синтетических волокон) и неорганического (асбестовая бумага, картон, ткань, стеклянная ткань, ткань из кварцевых или кремнеземных волокон) происхождения. В зависимости от вида наполнителя различают следующие слоистые пластики: гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, древесно-слоистые пластики. Связующими при производстве слоистых пластиков служат фенолоформальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические и некоторые другие смолы.

Свойства слоистых пластиков зависят от соотношения компонентов (наполнителя и связующего), характера подготовки наполнителя, режимов прессования и термообработки и других технологических факторов. Благодаря слоистому расположению армирующего наполнителя слоистые пластики обладают анизотропией механических, физических и диэлектрических свойств.

Механические свойства слоистых пластиков определяются, прежде всего, видом используемого наполнителя. Механическая прочность и другие физико-химические свойства слоистых пластиков зависят от способа ориентации и толщины листов-наполнителей, от их удельной прочности в различных направлениях, от типа и метода пропитки.

Наибольшей механической прочностью обладают слоистые пластики на основе стеклянной ткани или стеклянных жгутов. Эти материалы, а также слоистые пластики на основе асбоволокнистых наполнителей имеют более высокую теплостойкость по сравнению с теплостойкостью и пластиков на основе органических наполнителей.

Физические и диэлектрические свойства слоистых пластиков зависят в основном от типа используемого полимерного связующего.

Пластик на основе бумаги -- гетинакс. Гетинакс устойчив к воздействию жиров и минеральных масел, слабо реагирует с уксусной, соляной, фосфорной кислотами, но против действия сильных кислот и горячих щелочей -- нестоек. Он имеет плотность 1,3-1,4 г/см³; разрушающее напряжение при растяжении -- 80 МПа, при сжатии -- 130-250 МПа; ударную вязкость (перпендикулярно слоям) 8-15 Дж/см².

Гетинакс используют в качестве электроизоляционного материала, длительно работающего при температурах -65 - 105С, а также как конструкционный и декоративный материал. Из него изготавливают панели, щитки, прокладки, крышки, шайбы, малонагруженные изделия и т.д.

Древесно-слоистые пластики (ДСП). Этот материал обычно изготавливают в форме плит или тонких листов. Их получают горячим прессованием лущеного древесного шпона, пропитанного полимерным связующим. При производстве ДСП чаще всего используют березовый или буковый шпон, качестве связующего -- водно-спиртовые растворы олигомеров. Древесно-слоистые пластики выпускают различных марок и маркируют ДСП-А, ДСП-Б, ДСП-В и т. д. Они различаются направлением волокон шпона в различных слоях. В ДСП-А -- во всех слоях волокна шпона расположены параллельно (иногда четыре слоя с параллельным расположением волокон чередуются с одним слоем, повернутым на 20-25°). В ДСП-Б расположение слоев смешанное. Через каждые 5-20 слоев с параллельным расположением волокон укладывают слой, повернутый на 90°. В ДСП-В осуществляется звездообразная укладка слоев, при которой соседние слои волокон смещают на 30°. Максимальной прочностью в продольном направлении (а_в = 280 МПа) обладает ДСП-А. ДСП-Б имеет прочность, одинаковую во взаимно перпендикулярных направлениях (140 МПа), а для ДСП-Г -- механические свойства одинаковы по всем направлениям.

ДСП обладают хорошими антифрикционными свойствами. В некоторых случаях они заменяют высокооловянистую бронзу, баббит, текстолит. Химическая стойкость ДСП не очень высока, но выше, чем у обычной древесины. Теплостойкость ДСП достигает 140°С. Их недостатком является набухание, обусловленное поглощением воды.

Пластики на основе хлопчатобумажных тканей -- текстолиты. Прочность текстолитов тем выше, чем тоньше ткань (при одном и том же содержании связующего). Для листов шифона прочность будет больше, чем для саржи или бязи. Водостойкость и химическая стойкость возрастают при повышении доли связующего олигомера.

Текстолиты используют для изготовления различных конструкционных деталей, электроизоляционного материала, вкладышей подшипников, прокладок, герметизирующих фланцевые соединения, шестерен, прокладочных колец. Подшипники из текстолита не требуют специальной смазки. Для смазки можно использовать воду или водную эмульсию. Для снижения коэффициента истираемости подшипников и повышения теплопроводности в текстолит добавляют графит. Температура эксплуатации изделий из текстолита от -60 до 60°С.

Текстолитовые детали могут работать не только в воздушной среде, но и в масле, керосине или бензине и т. д. Текстолит производят в виде листов, плит, стержней и трубок.

Стеклотекстолитами называют слоистые пластики на основе тканых стекловолокнистых материалов. Они характеризуются высокой тепло- и хладостойкостью, стойкостью к действию окислителей и других химически активных реагентов, высокими механическими свойствами.

Свойства стеклотекстолитов в значительной степени зависят от типа вязки стеклянной ткани (применяют три типа переплетения: гарнитуровое, сатиновое и саржевое). Более высокими свойствами обладают стеклотекстолиты на основе сатиновой стеклоткани. Такие стеклотекстолиты могут длительное время работать при температуре 200 и кратковременно при 300 С. Плотность стеклотекстолитов 1,6-1,7 г/см3, разрушающее напряжение при растяжении не менее 130 МПа. Стеклотекстолиты хорошо обрабатываются на станках, а также склеиваются.

Стеклотекстолиты применяют для изготовления крупногабаритных изделий, электроизоляционных деталей, длительное время работающих при температуре 200°С и кратковременно -- при 250С. Стеклопластики являются конструкционными материалами, применяемыми для изготовления силовых изделий в различных отраслях техники.

В числе различных синтетических материалов широкое распространение получили так называемые газонаполненные пластики. Эти материалы разделяются на пенопласты и поропласты. У пенопластов микроскопические ячейки, наполненные газом, не сообщаются между собой плотность таких материалов, как правило, менее 300 кг/м³. Ячейки у поропластов сообщаются между собой и их плотность более 300 кг/м3. Пенопласты и поропласты выпускают на основе полистиролов, поливинилхлорида и различных эфирных полимеров.

Пенопласт используют для укрытия кагатов сахарной свеклы в различных климатических зонах страны. Его применяют в качестве теплоизоляционного слоя в конструкциях судовых трюмов, кузовов автофургонов, холодильных камер на объектах мясомолочной и рыбной промышленности.

Пенополистирол получают из эмульсионного полимера прессовым и беспрессовым методами. Пенополистирол применяют для теплоизоляции холодильников и торгового оборудования. Для производства изделий, контактирующих с пищевыми продуктами, обычно используют суспензионный полистирол. При получении пенополистирола прессовым методом (пенополистирол марок ПС-1 и ПС-4) используют эмульсионный тонкодисперсный полистирол, смешивают его с порообразующим компонентом, прессуют, а затем вспенивают в специальных обогреваемых камерах. Если же пенополистирол получается беспрессовым методом из блочно-суспензионного стирола, он называется стиропор. Его полимеризацию проводят при температуре 70°С с непрерывным перемешиванием. Пенополистирол имеет структуру застывшей пены. Он устойчив к действию влаги, агрессивных минеральных кроме концентрированной азотной кислоты). Пенополистирол, полученный беспрессовым методом, обладает более высокой химической стойкостью. Устойчив он также и в биологическом отношении -- не гниет, не подвергается воздействию грибков и бактерий, не повреждается грызунами.

Прочность пенополистирола зависит от размера, формы и прочности стенок пор. Механические свойства беспрессового пенополистирола ниже, чем прессового.

Пенополистиролы могут работать при температурах до 60-75°С. Недостатком пенополистирола является присутствие в нем горючего порообразователя, например изопентана. Уменьшить или вовсе устранить эту опасность удается путем введения антипиренов, например оксида сурьмы.

Пенополистирол применяется в различных отраслях промышленности как термо- и звукоизоляционный материал. В пищевой промышленности-- для изоляции трюмов для хранения продуктов питания при температуре от -15 до -35"С. Коэффициент теплопроводности пенополистирола близок к теплопроводности воздуха и равен 0,0326 Вт/(м-К). Из-за хороших амортизационных свойств и малой плотности пенополистирол используют в качестве упаковочного материала.

Пенопласт мипора изготавливается на основе эмульсионных карбамидоформальдегидных олигомеров. Он обладает исключительно малой плотностью (не более 0,02 г/см³; разрушающее напряжение при сжатии 2,5-5,0МПа). Коэффициент теплопроводности мипоры близок к коэффициенту теплопроводности воздуха и равен 0,023 Вт/(м-К). Мипора в «легче» пробки, имеет хорошую стойкость против горения. При контакте с пламенем мипора обугливается, но не загорается. Газонаполненные ячейки в ней не сообщаются между собой. Это позволяет использовать мипору в качестве теплоизоляционного материала. Ее недостатками является большая хрупкость и водопоглощение. Для уменьшения хрупкости к ней добавляют глицерин, но даже это не всегда помогает. От проникновения влаги мипору защищают водонепроницаемыми пленками, последнее время в промышленности начинают все шире использовать армированные газонаполненные пластмассы, что позволяет сочетать малую плотность с высокой прочностью, т. е. повышать удельную прочность. Газонаполненные пластмассы армируют листами металла или листами более прочных, газоненаполненных пластмасс. Составные изделия из термоактивных пластмасс изготавливают склеиванием и механическим соединением.

Коррозионностойкие армированные пластмассы работают при температурах от -269С до 150°С, от глубокого вакуума до давления 20 МПа, в широком диапазоне жидких и газовых агрессивных сред. В качестве коррозионностойких связующих используют ненасыщенные полиэфирные, эпоксидные, фенольные и фурановые смолы. Для обеспечения работоспобности в агрессивных средах чаще всего используют многослойную структуру. Она может иметь несколько разновидностей:

1) наружный внутренний слои в виде обогащенных смолой композиций или термопласта, обеспечивающих коррозионную стойкость и герметичность изделий;

2) конструкционные слои, на 50-70 % состоящие из армирующего материала и обеспечивающие необходимую прочность изделий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы были рассмотрены характеристики чугуна и стали, их физико-химические, механические и специфические свойства. При сравнении свойств оказалось, что:

· Физико-химические свойства чугуна и стали различны по:

ь содержанию углерода;

ь свариваемости;

ь цвету;

ь температуре плавления;

ь влиянию фосфора.

· Физико-химические свойства чугуна и стали сходны по влиянию марганца и серы.

· Механические свойства чугуна зависят от металлической основы и включению графита, а стали - от включений цементита и повышения содержания углерода.

· Специфические свойства стали:

ь содержит углерода до 2%;

ь обладает свойствами раскисления;

ь для улучшения свойств стали легируют.

· Специфические свойства чугуна:

ь содержание углерода более 2%;

ь высокая жидкотекучесть;

ь пропитывается маслом и керосином;

ь высокая износостойкость и антифрикционные свойства;

ь обладает литейными свойствами.

Хоть сталь и производится из чугуна, они имеют различные физико-химические, механические и специфические свойства.

В настоящее время пластмассы получили широчайшей распространение. Причиной такого распространения являются их низкая цена и легкость переработки, а также свойства, которые в некоторых случаях уникальны. Пластмассы применяют в электротехнике, авиастроении, ракетной и космической технике, машиностроении, производстве мебели, легкой и пищевой промышленности, в медицине и строительстве, - в общем, пластмассы используются практически во всех отраслях народного хозяйства. Пожалуй, единственная область, где использование пластмасс пока ограничено - это техника высоких температур. Но в скором времени они проникнут и сюда: уже получены пластмассы, выдерживающие температуры 2000-2500°C. Развитие химических технологий, помогающих создавать вещества с заданными свойствами, позволяет сказать, что пластмассы один из важнейших материалов будущего.

Список используемой литературы

1. Виноградов Ю.Г., Орлов К.С. Материаловедение для слесарей монтажников. М. 1993., 233 с.

2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986., 346 с.

3. Дальский А.М. «Технология конструкционных материалов», М.: 1998., 243 с.

4. Куманин И.Б. «Литейное производство», М.: 1996., 112 с.

5. Лахтин Ю.М. «Материаловедение», М.: 2000., 289 с.

6. Никифоров В.М. «Технология металлов и конструкционные материалы», Ленинград, 1986., 345 с.

7. Ратинов, Иванов «Химия в строительстве», М.: 1989., 283 с.

Размещено на Allbest.ru