Неметаллические материалы

СКЭП  — сополимер этилена с пропиленом — представляет собой белую» каучукоподобную  массу, которая обладает высокой  прочностью и эластичностью, очень  устойчива к тепловому старению, имеет хорошие диэлектрические  свойства. Кроме СКЭП выпускают тройные  сополимеры СКЭПТ' (за рубежом близкие  по свойствам каучуки - висталом и.дутрал).

Резины  на основе фторкаучуков и этиленпропилена  стойки к действию сильных окислителей (HNO3, H2O2 и др.), применяются для  уплотнительных изделий, диафрагм, гибких шлангов и т. д., не разрушаются  при работе в атмосферных условиях в течение нескольких лет.

Бутилкаучук получается совместной полимеризацией изобутилена с небольшим количеством  изопрена (2 — 3%).

В бутилкаучуке мало ненасыщенных связей, вследствие чего он обладает стойкостью к кислороду, озону и другим химическим реагентам. Каучук кристаллизующийся, что позволяет  получать материал с высокой механической прочностью (хотя эластические свойства низкие). Каучук обладает высоким сопротивлением истиранию и высокими диэлектрическими характеристиками. По температуростойкости уступает другим резинам.

Бутилкаучук — химически стойкий материал. В связи с этим он в. основном предназначен для работы в контакте с концентрированными кислотами и другими химикатами; кроме того, его применяют в  шинном производстве.

Износостойкие резины получают на основе полиуретановых каучуков-СКУ.

Полиуретановые  каучуки обладают высокой прочностью, эластичностью, сопротивлением истиранию, маслобензостойкостыо. В структуре  каучука нет ненасыщенных связей, поэтому он стоек к кислороду  и озону, его газонепроницаемость  в 10 — 20 раз выше, чем у НК. Рабочие  температуры резин на его основе составляют от — 30 до + 130°С. На основе сложных  полиэфиров вырабатывают СКУ-7, СКУ-8, СКУ-50; на основе простых полиэфиров - СКУ-ПФ, 
СКУ-ПФЛ. Последние отличаются высокой морозостойкостью (для СКУ-ПФ' txp = 
- 75С, для СКУ-50 txp 4 = — 35СС) и гидролитической стойкостью. Уретановые резины стойки к воздействию радиации. Зарубежные названия уретановых каучуков — адипрен, джентан S, эластотан. Резины на основе СКУ применяют для автомобильных шин, транспортерных лент, обкладки труб и желобов для транспортировки абразивных материалов, обуви и др.

Электротехнические  резины включают электроизоляционные  и электропроводящие резины. Электроизоляционные  резины, применяемые для изоляции токопроводящей жилы проводов и кабелей, для специальных перчаток и обуви, изготовляют только на основе неполярных каучуков НК, СКБ; СКС, СКТ и бутилкаучука. Для них pv. == 1011 ~ 1015 Ом-см, s =• = 2,5-4, tg ? = 0,005 ч-0,01.

Электропроводящие резины для экранированных кабелей  получают из НК, СКН, наирита, особенно из полярного каучука СКН-26 с введением  в состав углеродной сажи и графита (65 — 70%). Для них pv — 102 н-104 Ом-см.

Резину, стойкую к гидравлическим жидкостям, используют для уплотнения подвижных  и неподвижных соединений гидросистем, рукавов, диафрагм, насосов; для работы в масле применяют резину на основе СКН, набухание которой в жидкости не превышает 1-4%. Для кремнийорганических  жидкостей применимы неполярные резины на основе НК, СКМС-10 и др.

4. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА РЕЗИН И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

При растяжении резины происходит разрыв цепей вулканизационной сетки, при этом более слабые и  легко перегруппировывающиеся связи  способствуют релаксации перенапряжений и облегчают ориентацию главных  цепей. Более прочные связи сохраняют  целостность сетки при больших  деформациях.

Для каучуков и резины характерны большие деформации при сравнительно низких напряжениях. Напряжения зависят от времени действия силы и от скорости деформирования, т. е. являются релаксационными. Механические свойства зависят от соотношения  энергии межмолекулярного взаимодействия и энергии теплового движения звеньев. "Релаксация убыстряется  при нагревании 
(энергичнее тепловое движение), поэтому для резин характерна резко выраженная зависимость механических свойств от температуры. Напряжение в процессе релаксации достигает равновесного значения. В связи с этим механическое поведение резины определяется ее упругими 
(высокоэластическими) свойствами при равновесии и релаксационными свойствами. Большое влияние на долговечность материала оказывает старение.

Резинам присущи очень высокие обратимые  деформации порядка 1000% и больше

(для  стали < 1%), в них может происходить  перегруппировка структурных элементов  в поле межмолекулярного взаимодействия  — физическая релаксация и  распад и перегруппировка химических  связей — химическая релаксация. Резины на основе полярных  каучуков имеют замедленную релаксацию. Мягчители ее убыстряют (уменьшая  связь между молекулами). 
Замедляют релаксацию активные наполнители вследствие сорбции молекулярных цепей каучука на частицах наполнителя, и состояние равновесия не наступает 
(ограничена подвижность молекул, ее жесткость).

Восстановление  представляет собой изменение величины деформации во времени после снятия нагрузки с образца; внутренние силы в резине приходят в равновесие медленно, поэтому упругое последствие  в статических условиях проявляется  длительно. В резине наблюдается  остаточная деформация. 
Восстанавливаемость резины характеризует ее эксплуатационные качества.

Прочность резины зависит от регулярности строения полимера и энергии взаимодействия между звеньями его молекул. Переход  в кристаллическое состояние  облегчается ориентацией молекулярных цепей при деформации резины. 
Быстро кристаллизуются в процессе деформации НК, бутилкаучук, хлоропрен и 
СКИ, для них ?в == 2 - 3 кгс/мм2, даже без наполнителей. Кроме прочности при разрыве, для резин определяется сопротивление раздиру — Важная характеристика чувствительности резины к концентрации напряжения1.

По гистерезисной  диаграмме вычисляется полезная упругость резины как отношение  работы, возвращенной деформированным  образцом, к общей работе, затраченной  на эту деформацию (рис. 4).

Рис.4. Диаграмма  напряжение — удлинение резины, получаемая в цикле растяжение —  восстановление с заданной скоростью  деформации:

АБВЕА — работа растяжения;

АБВГДА  — работа необратимо рассеянная;

ДГВЕД--- возвращенная работа

 
А Д

В условиях динамического нагружения (переменные циклические нагрузки) свойства резины определяются упругогистерезисными и  усталостно-прочностными характеристиками. Эти свойства необходимо учитывать  при применении резины в шинах, муфтах, рессорах, амортизаторах и т.. п., где они являются решающими для  хорошей работоспособности, надежности, долговечности. Резины из НК (по сравнению  с СКВ) отличаются малым внутренним трением, которое определяет весьма благоприятные гистерезисные свойства.

Усталостно-прочностные  свойства резин определяются их утомлением, когда под действием механических напряжений происходит разрушение. Утомлению  способствует также воздействие  света, теплоты, агрессивных сред и  т. п. 
Последние факторы вызывают старение. Число циклов нагружения, которое выдерживает, не разрушаясь, образец, называется усталостной выносливостью. 
Усталостному разрушению очень способствует действие озона, вызывающее растрескивание поверхностного слоя, особенно для резин на основе НК, СКИ, 
СКВ, СКС и др. Почти не подвержены озонному растрескиванию резины на основе бутилкаучука и хлоропренового каучука. По работоспособности при нагревании резины из НК вследствие пониженной химической стойкости даже не превосходят резин из СКВ. Для обеспечения высокой усталостной прочности необходимы высокая прочность, малое внутреннее трение и высокая химическая стойкость резины. При повышенных температурах (150°С) органические резины теряют прочность после 1 -10 ч нагревания, резины на СКТ могут при этой температуре работать длительно. Прочность силоксановой резины при комнатной температуре меньше, чем у органических резин, однако при 200°С прочности одинаковы, а при температуре 250 — 300°С прочность даже выше. Особенно ценны резины на СКТ при длительном нагревании.

Воздействие на резину отрицательных температур вызывает снижение и даже полную утрату высокоэластических свойств, переход  в стеклообразное состояние и  возрастание ее жесткости в тысячи и десятки тысяч раз.

Старение  резины наблюдается при хранении и эксплуатации резиновых изделий  под воздействием немеханических факторов. Свет, теплота, кислород воздуха, озон вызывает химические реакции окисления  и другие изменения каучука. 
Механические напряжения могут активизировать эти процессы. Испытание на старение проводят как в естественных, так и в искусственных условиях. 
Процесс старения по-разному сказывается на резинах. Наихудшие показатели при тепловом старении имеют резины на хлоропреновом каучуке, у резин из СКТ происходит некоторое упрочнение, не меняется прочность резин из СКЭП; по относительному удлинению лучше показатели у резин на основе ненасыщенных каучуков. Следует отметить низкую стойкость к тепловому старению резин из 
НК.

Физико-механические свойства каучуков и резин даны в  табл. 3.

Таблица 3 
Физико-механические свойства каучуков и саженаполненных резин

Граб |0,81 |5,3 |13.4 |12,1 |1,41 |1.77 |0,48 |7.01 |7.17 |8,25~ |_ |_ |_ 
| |Дуб |0,76 |5,1 |- |8,91 |1.10 |1,25 |0,46. |5.36 |5.68 |6,53 |1,40 
|1,40 |1.51 | |Клен |0,70 |5,2 |_ |10,5 |1.13 |1.29 |0.37 |5,06 |5.37 |6,90 
|— |— |— | |Ясень |0,69 |4,9 |13.9 |10,8 |1,2 |1.22 |0.43 |5,34 |6.09 |7,32 
|1,50 |1,40 |1.28 | |Бук |0,68 |4,7 |11,7 |9.53 |1,06 |1,32 |0,39 |3,94 
|4,03 |5,56 |— |— |— | |Береза |0,64 |4,6 |16,1 |9,67 |0..8 |1,02 |0,45

|3,36 |3,00 |4,23 |1,58 |1,81 |1.51 | |Липа |0,50 |3,9 |11.5 |7,75 |0,7

|0.74 |0,28 |1,56 |1.63 |2 34 |_ |— |— | |Осипа |0.50 |3,7 |12.0 |6,86 
|0.5 |0,78 |0.41 |1,75 |1,83 |2,41 |1,26 |1,54 |1,10 | | больше, чем ас. Модули упругости при растяжении и сжатии примерно равны, в продольном направлении их значение в 10 — 30 раз больше, чем в поперечном. Вдоль волокон Ј = = (1,17 ~ 1,58) 103 кгс/мм2.

При ударных  нагрузках сопротивление ударному изгибу вязких пород (ясеня, дуба) в 1,5 — 3 раза выше, чем хрупких хвойных  пород (сосны, ели, пихты). Прочность  древесины зависит от скорости нагружения: чем медленнее прикладывается нагрузка, тем меньше величина предела прочности. Со временем сопротивление древесины  постепенно уменьшается и достигает  некоторого предела долговременного  сопротивления, при котором деревянная деталь может работать неопределенно  долгое время (рис. 234). Для всех видов  напряженного состояния древесины  величина длительного сопротивления  принимается равной 
2/3 предела прочности.

При вибрационных нагрузках необходимо учитывать  усталость (или выносливость) древесины. Предел выносливости сте всегда меньше статического предела прочности  аст. Отношение ств/стСт при изгибе составляет для разных пород 0,24 — 0,38:

Защита  древесины от увлажнения, загнивания и воспламенения. В условиях эксплуатации или хранения древесины на открытом воздухе ее влажность может значительно  увеличиваться и вызывать загнивание деревянных элементов. Для борьбы с  этим недостатком применяют гидроизоляционные  прокладки, лакокрасочные покрытия и антисептирование.

Антисептики представляют собой водные растворы минеральных солей 
(фтористого натрия, хлористого цинка, медного купороса и др.) и спиртовые растворы оксидифенила и ртутноорганических соединений. Антисептирование производят путем промазки, опрыскивания, пропитки под давлением.

Древесина; легко воспламеняется от огня (точка  воспламенения 330-470°С). 
Для повышения ее огнестойкости (хотя сделать древесину совсем несгораемой нельзя) применяют ряд способов. Первый и наиболее эффективный способ защиты 
— пропитка химическими веществами — антипиренами, второй - окраска огнезащитными красками. В качестве антипиренов используют аммониевые соли и соли фосфорной кислоты или борной кислоты. Огнезащитные краски должны быть негорючими и нетеплопроводными. К ним относятся силикатные краски на основе жидкого стекла и перхлорвиниловые лакокрасочные покрытия.

3. РАЗНОВИДНОСТИ  ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Материалы из натуральной древесины применяют  в виде пиломатериалов и заготовок. В зависимости от размеров поперечного  сечения различают брусья, ширина и толщина которых свыше 100 мм; бруски шириной не более двойной  толщины; доски при ширине более  двойной толщины (тонкие узкие доски  называются планками).

Пиломатериалы хвойных пород применяют более  широко, поскольку они обладают высокой  прочностью, меньше подвержены загниванию, особенно сосна; из лиственных пород  дуб и ясень хорошо поддаются  гнутью; бук и береза служат их заменителями. Хвойные и твердые лиственные породы применяют для силовых  нагруженных деталей. Мягкие породы (липа) являются несиловыми материалами. Хвойные пиломатериалы используют в судостроении, в автотранспорте (детали грузовых автомобилей), в конструкциях грузовых железнодорожных вагонов, сельскохозяйственных машин и т. д. Заготовки из древесины используются для тех же целей и моделей.