mozok.click » Трудове навчання » Матеріали хімічного походження композиційні матеріали
Інформація про новину
  • Переглядів: 3111
  • Автор: admin
  • Дата: 28-12-2017, 01:30
28-12-2017, 01:30

Матеріали хімічного походження композиційні матеріали

Категорія: Трудове навчання

1. З яких матеріалів ви вже виготовляли вироби?

2. Чому для виготовлення виробів використовуються різні матеріали?

У житті кожної людини виникає необхідність у вміннях використовувати і створювати необхідні речі з різноманітних матеріалів.

У попередні роки ви вже створювали вироби з деревини і металевих матеріалів та вивчали їхні властивості. Здобуті знання знадобляться вам у застосуванні нових конструкційних матеріалів для виготовлення виробів.

Відомі вам природні матеріали (деревину, метали) можна не лише обробляти. Їх можна сполучати з іншими речовинами і в результаті отримувати штучні матеріали з необхідними властивостями - підвищеною міцністю, термостійкістю, електропровідністю, зносостійкістю тощо.

Потреби людини і розвиток технологій вимагають створення матеріалів, які мають поліпшені фізичні, технологічні та експлуатаційні властивості. Так, для розвитку літако- і ракетобудування необхідно чимраз більше легких і водночас міцних матеріалів, для автомобіле- та суднобудування -корозійностійких, для будівництва - енергоощадних матеріалів. Упровадження інформаційних технологій у виробництво вимагає створення матеріалів із заздалегіть заданими властивостями.

Дедалі ширше в сучасному виробництві використовуються композиційні матеріали (композити). Вони складаються з двох і більше природних або штучних компонентів (мал. 1).

Мал. 1. Композиційні матеріали (композити)



Вам уже відомі деякі деревні композиційні матеріали: фанера, ДВП, ДСП та ін. (див. таблицю 1).

Останніми роками в будівництві, виробництві меблів та інших виробів дедалі ширше застосовують деревно-полімерні композити (ДПК). Вони мають привабливий вигляд, легко піддаються обробленню, не вбирають вологи і тому не

Таблиця 1. Деревні композиційні матеріали

Назва

матеріалу

Зображення зразків матеріалів

Застосування

матеріалу

Фанера

Виготовлення предметів побуту, виробництво меблів

ДВП

Виробництво деталей меблів, дверей, ящиків

ЛП

(ламінат)

Покриття підлоги, виготовлення меблів

ДСП

(деревостружкова плита)

Виготовлення корпусних меблів, перегородок у сухих приміщеннях

МДФ

(деревоволокниста плита середньої щільності)

Виготовлення фасадів кухонних меблів, шаф-купе, столів

ОСП (OSE) орієнтовно-стружкова плита

У будівництві для обшивання дахів, виготовлення перегородок, облаштування відкритих місць відпочинку

гниють. Із деревно-полімерних композитів будують альтанки, веранди, тераси, майданчики (мал. 2).

Деревно-полімерні композити складаються з полімеру, деревного наповнювача, а також спеціальних добавок і декоративного покриття.

Різні види композиційних матеріалів можна створити (мал. 3), поєднавши в’язку пластичну основу - матрицю з наповнювачем (зміцнювачем або арму-вальним компонентом).

Матриця зв’язує армувальні компоненти, що позитивно впливають на міцність та інші властивості матеріалу. Отже у композитах поєднуються найліпші

властивості матеріалів матриці та наповнювача. За багатьма своїми властивостями (легкістю, високою міцністю, пластичністю, технологічністю) композити перевершують природні матеріали.

Виробляють композиційні матеріали на технологічних лініях (мал. 4).

Мал. 4. Технологічна лінія виробництва деревно-полімерних композитів


Повний цикл виробництва композитів потребує знань і досвіду в тих галузях науки і техніки, які на перший погляд здаються не пов’язаними. Використовуючи знання з хімії, фізики, біології, математики та матеріалознавства, поєднуючи різні речовини і матеріали, можна створювати композити потрібного профілю із заздалегідь заданими властивостями.

Залежно від матеріалу матриці розрізняють такі види композиційних матеріалів:

металокомпозити; полімерні пластики; композити з керамічною матрицею; композити з матрицею із вуглецю.

Наповнювачем (армувальними компонентами) можуть бути металеві дроти, високоміцні скляні, органічні, вуглецеві та борні волокна, інші тверді матеріали.

Добираючи матеріали матриці та наповнювача, враховують, щоб компоненти композитів не могли вступати в хімічні взаємодії та утворювати хімічні з’єднання.

Над створенням нових видів композитів наполегливо працюють вчені, інже-нери-технологи, винахідники.

Композиційні матеріали з металевою матрицею отримують із тугоплавких матеріалів, застосовуючи технології порошкової металургії.

Порошкова металургія - це галузь виробництва, яка забезпечує виготовлен-

ня порошків металів та виробів із них або їх сумішей з неметалевими порошками без розплавлення основного компонента.

Спрощено технологію виробництва продукції порошкової металургії можна показати так:

Матеріали, одержані за допомогою технологій порошкової металургії, мають унікальні властивості. З них виготовляють високоякісні вироби необхідної форми майже без відходів (використовується понад 97 % сировини). Вироби з цих матеріалів мають високі технологічні, експлуатаційні та економічні показники, витримують високі температури і характеризуються великою жорсткістю та твердістю.

Металокомпозити використовують практично в усіх галузях промислового виробництва і асортимент їх збільшується (мал. 5).

Мал. 5. Вироби із металокомпозитів

Не менше поширені у виробництві виробів полімерні пластики — штучні матеріали, які утворюються з довгих ланцюгів молекул хімічних речовин — полімерів. Називають такі речовини пластичними масами (пластмасами).

Пластичні маси (пластмаси) - це штучно створені (з нафти, природного газу, сланців, кам’яного вугілля) матеріали на основі синтетичних або природних полімерів (білків, нуклеїнових кислот, натурального каучуку, целюлози, крохмалю). До складу пластмас входять: полімер, наповнювачі, пластифікатори та барвники.

Полімер - високомолекулярна сполука, що складається з великої кількості однакових структурних ланок. Це — основний компонент пластмаси, що визначає її здатність формуватися і тверднути, надає пластмасі певних властивостей. Наповнювачі поліпшують міцність і забезпечують жорсткість пластмаси, надають їй електроізоляційних властивостей. Наповнювачами можуть бути кварцовий пісок, азбест, крейда, тальк, волокна бавовни та інші матеріали. Пластифікатори надають матеріалу більшої еластичності, барвники — певного забарвлення.

Залежно від компонентів, які входять до складу пластмаси, вона по-різному проявляє технологічні властивості. Деякі пластмаси (поліетилен, поліаміди, полістирол) при нагріванні стають м’якими, навіть плавляться, а під час охолодження тверднуть і зберігають свою форму. В разі повторного нагрівання вони мають властивість знову м’якшати, а при охолодженні - набувати необхідної форми. Такі пластмаси можна багаторазово використовувати для виготовлення нових виробів.

Пластмаси із багаторазовим розм’якшенням і затвердінням називають термопластичними. Із термопластичних пластмас виготовляють пакувальні матеріали, штучну шкіру, тканину, хутро, кіноплівку, іграшки та багато інших виробів.

Є пластмаси, які не плавляться навіть за високої температури. Їх називають термореактивними. З них виготовляють електричну арматуру та інші вироби, що можуть піддаватися впливу високих температур.

Пластмаси широко застосовуються у виробництві. Вони стійкі до корозії, мають малу густину, що значно зменшує масу деталей, із них легко виготовляти вироби різної форми.

Із синтетичної гуми, яка також належить до полімерів, виготовляють автомобільні шини, труби, прокладки для герметизації сантехніки і вузлів машин, чобітки, рукавиці, захисні військові комплекти для захисту від радіації та отруйних речовин, водонепроникні костюми для водолазів, м’ячі, ластики.

З акрилу та нейлону шиють міцні, дешеві та легкі тканини.

Поліетилен, полівінілхлорид, полістирол широко застосовують у побуті, в медицині, а також сільському господарстві, будівництві та інших галузях виробництва.

На основі полістиролу виробляють пінополістирол (пінопласт). Пінопласт є добрим теплоізоляційним матеріалом. Його використання в будівництві надає можливість підтримувати потрібну температуру в приміщеннях і значно зменшити витрати на теплову енергію. З пінопласту також виготовляють декоративні елементи, упаковку для побутових товарів, харчових продуктів тощо.

Пінопласт - екологічно чистий матеріал. Але часто ми використовуємо різні вироби, навіть не підозрюючи, що матеріали, з яких вони виготовлені, можуть негативно впливати на довкілля, створювати загрозу життю і здоров’ю.

Пластикові пляшки та поліетиленові пакети через недостатній рівень культури деяких людей іноді можна побачити далеко від місць збирання та утилізації відходів. Час утилізації багатьох матеріалів хімічного походження дуже тривалий. Спалювання таких матеріалів призводить до забруднення повітря отруйними речовинами.

Запобігти накопиченню пластмасових відходів найліпше, забезпечивши їх сортування та повторну переробку. Для збирання і сортування відходів матеріалів установлюються спеціальні контейнери. Сортуючи побутові відходи для утилізації та переробки, ви зберігаєте природні ресурси та поліпшуєте умови свого життя.

З метою безпечного використання та утилізації виробів із пластмас запроваджено маркування пластмас: три стрілки у формі трикутника, усередині якого цифра (від 1 до 7), що означає тип пластику. Під трикутником розміщується абревіатура назви пластмаси.

1. Поліетилентерефталат (PETE або ПЕТ). Із пластмас цього типу виготовляють пляшки для мінеральної води, газованих та безалкогольних напоїв, соняшникової олії, упаковки для кетчупу, майонезу.

2. Поліетилен високої щільності (HDPE) використовується для виготовлення одноразового посуду, упаковок миючих засобів, каністр для моторних мастил, ящиків, урн.

3. Полівінілхлорид (V або ПВХ) використовується для виготовлення лінолеуму, штучної шкіри, плівки для натяжних стель, контейнерів для зберігання непродовольчих товарів, ізоляції електричних приладів, труб, водостоків, віконних профілів. Переробленню не піддається.

4. Поліетилен низької щільності (LDPE) придатний для виготовлення одноразових пакетиків, дозаторів рідкого мила, упаковки для шампунів.

5. Поліпропілен (РР) застосовується для виготовлення пластикових стакан-чиків, відер, контейнерів для харчових продуктів, посуду для гарячих страв, кришок для пляшок, упаковки для кондитерських та хлібобулочних виробів, йогуртів. У будівництві матеріали із поліпропілену використовуються для шумоізоляції.

6. Полістирол (PS) знайшов застосування у виготовленні іграшок, відео- та аудіокасет, вентиляційних труб, коробок для CD і DVD дисків, одноразових контейнерів, пакувальних таць для покупок у продовольчих магазинах і супермаркетах.

7. Інші пластики — Other або О. Їх використання може бути пов’язане з небезпекою для здоров’я людей та шкодити довкіллю. Переробленню вони не піддаються.

Запобігти накопиченню пластмасових відходів можна їх повторним переробленням та застосуванням таких матеріалів, що не мають шкідливого впливу на природу.

Широке застосування в побуті, будівництві, ракетобудуванні, радіоелектроніці, суднобудуванні знайшли склопластики. Їх застосовують для виготовлення корпусу ракети СС-20, корпусів катерів, спорудження будівель, виготовлення жаростійкого посуду.

Композити з керамічною матрицею вирізняються високою жаростійкістю, не бояться ерозії, мають високу міцність. З них виготовляють двигуни внутрішнього згорання, лопатки газотурбінних двигунів, високотемпературні підшипники, теплоізоляційні конструкції космічної техніки, промислового і житлового будівництва.

Композити з вуглецевою матрицею також мають дуже високу теплостійкість. З них виготовляють конструкції та деталі, що використовуються в металургійній та хімічній промисловості для захисту від впливу високих температур і агресивних речовин. Облицювання фюзеляжу і носових частин орбітального корабля багаторазового використання «Буран» (мал. 7) також виготовляли з композитів.

Мал. 7. Авіалайнер «Мрія» з орбітальним кораблем багаторазового

використання «Буран».

Із композитів на основі вуглецевих волокон і карбонізованої матриці виготовляють конструкції, які витримують температуру понад 3000°С. «Ахілесовою п’ятою» вуглецевих волокон є сильна окислювальність, тому розроблення нових вуглецевих композитів тривають.

Для найдопитливіших

Українські вчені створили новий тримірний матеріал на основі вуглецю, який може зробити прорив у виробництві водневих автомобілів і електроніки майбутнього. Відкриття здійснили Ніна Крайнюкова із Фізико-технічного інституту низьких температур Національної академії наук України і Євген Зубарев із фізико-технічного факультету Харківського політехнічного інституту. Вони відкрили і протестували нову модифікацію вуглецевого волокна, яку назвали «вуглецеві соти» (мал. 8).

Мал. 8. Нове вуглецеве волокно «Вуглецеві соти»

Цей тримірний матеріал може зберігати у своїй структурі велику кількість газу і рідини та вирішити проблему збереження водню. Українська технологія може забезпечити розвиток виробництва водневого транспорту.

Є й інша галузь застосування винаходу - мікроелектроніка. Якщо заповнити «вуглецеві соти» металами і неметалами, спектр електричних і магнітних властивостей буде дуже широким. Ці властивості можуть повністю змінити зовнішній вигляд і можливості смартфонів (мал. 9) та інших пристроїв.

Мал. 9. Гнучкий смартфон

Вченими Харківського фізико-технічного інституту проводиться розроблення технології 3-D друку з використанням графену (мал. 11).

Графен - це окремий атомний шар вуглецю зі структурою графіту. Це — най-тонший матеріал у світі. Кожен його шар у двісті разів міцніший за сталь. Зважаючи на високу електропровідність, графен використовують для виробництва сонячних батарей, накопичувачів енергії, сотових телефонів, комп’ютерних чи-пів, надчутливих сенсорних приладів. Вивчення можливостей цього матеріалу тривають. Зокрема, досліджено, що зміна структури на п’ятигранну (пентагра-фен) може поліпшувати гнучкість матеріалу та впливати на інші його властивості. Можливо, ви запропонуєте, де ще можна застосовувати цей перспективний матеріал?

Ще перспективнішим для розвитку технологій є силіцен (мал. 12). Він складається з шару атомів кремнію у вигляді надтонкої плівки на керамічній основі. Має ще вищу електропровідність і перевершує графен за структурною гнучкістю.

А чи знаєте ви, що таке синтегран?

Це — міцний композиційний матеріал на основі епоксидної в’яжучої речовини, наповнювачів у вигляді дрібного гравію та порошку з високоміцних гранітів. За фізико-механічними та експлуатаційними властивостями синтегран аналогічний природному граніту. Як полімерну матрицю для виготовлення синтегранів використовують епоксидні композиції «холодного» затвердіння.

Порівняно з натуральним гранітом синтегран має технологічні переваги, пов’язані зі зниженням трудомісткості виготовлення та економією енергетичних ресурсів.

Міцність і властивість синтеграну гасити вібрації зумовлюють його використання у виробництві високоточного обладнання, шпал метро, колон. У військовій справі синтегран використовують для виготовлення бронежилетів, броні танків, глушників, фюзеляжів літаків, стабілізаторів ракет.

Лабораторно-практична робота № 1 ВИВЧЕННЯ МАТЕРІАЛІВ ХІМІЧНОГО ПОХОДЖЕННЯ

Обладнання і матеріали: набір матеріалів природного та хімічного походження, фломастер.

Послідовність виконання роботи

1. За завданням вчителя ознайомитися зі зразками матеріалів і пронумерувати їх фломастером.

2. За зовнішніми ознаками і властивостями визначити вид матеріалу.

3. Визначити галузь застосування кожного зі зразків матеріалів.

4. Дані записати в таблицю:

Запропонуйте проекти виробів, які можна виготовити у шкільній майстерні, використовуючи композиційні матеріали та матеріали хімічного походження.

Ключові поняття: композит, матриця, зміцнювач, армування.


ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

1. Які матеріали належать до композитів? Наведіть приклади композитів.

2. Із яких компонентів складаються композиційні матеріали?

3. Які є види композиційних матеріалів залежно від матеріалу матриці?

4. Як впливають штучні матеріали на здоров’я людей і навколишнє середовище?

5. Чому для виробництва літаків і ракет необхідні композиційні матеріали?

Тестові завдання

1. На якому із малюнків зображено МДФ?

2. Композити складаються:

а) з одного компонента; в) зі сплаву заліза з карбоном;

б) з двох та більше компонентів; г) із синтетичних матеріалів.

3. Які композити належать до деревних?

а) бетон; в) текстоліт;

б) ОСП; г) триплекс.

4. Зв’язувальна речовина композиту має назву:

а) зміцнювач; в) армівний компонент;

б) матриця; г) армівний наповнювач.

5. Яку роль у композитах виконує армівний наповнювач?

а) забезпечує в’язкість матеріалу;

б) забезпечує міцність матеріалу;

в) забезпечує пластичність матеріалу;

г) забезпечує твердість матеріалу.

6. Які матеріали належать до полімерних пластиків?

а) полікарбонат; в) ДВП;

б) ДСП; г) фанера.

7. Металокерамічні сплави отримують за допомогою:

а) різання; в) штампування;

б) лиття; г) порошкової металургії.

8. З яких матеріалів виготовляють натяжні стелі?

а) ДСП; в) ДВП;

б) МДФ г) ПВХ.

9. Які матеріали використовуються для виготовлення віконних профілів?

а) ПВХ; в) ламінат;

б) полікарбонат; г) ДСП.

10. Чому металопластикові профілі віконних блоків армують?

а) щоб підвищити збереження тепла;

б) щоб забезпечити міцність профілю;

в) для оздоблення;

г) для економії пластмаси.

11. Який тип пластмас є небезпечним для здоров’я?

а) Other; в) PS;

б) PP; г) пінопласт.

12. Які матеріали належать до вуглецевих?

а) графен; в) силіцен;

б) синтегран; г) полістирол.

 

Це матеріал з підручника Трудове навчання 9 клас Туташинський

 






^