Раздел 3. Неметаллические материалы

3.1. Пластические массы

Пластмассы - это синтетические материалы, получаемые на основе органических и элементоорганических полимеров. Свойства пластмасс определяются свойствами полимеров, составляющих их основу.

Пластмассы состоят из нескольких компонентов: связующего вещества, наполнителя, пластификатора и др. Обязательным компонентом является связующее вещество. Такие простые пластмассы, как полиэтилен, вообще состоят из одного связующего вещества.

Наполнителями служат твердые материалы органического и неорганического происхождения. Они придают пластмассам прочность, твердость, теплостойкость, а также некоторые специальные свойства, например антифрикционные или, наоборот, фрикционные. Кроме того, наполнители снимают усадку при прессовании.

Пластификаторы представляют собой нелетучие жидкости с низкой температурой замерзания. Растворяясь в полимере, пластификаторы повышают его способность к пластической деформации. Их вводят для расширения температурной области высокоэластического состояния, снижения жесткости пластмасс и температуры хрупкости.

Пластификаторы должны оставаться стабильными в условиях эксплуатации. Их наличие улучшает морозостойкость и огнестойкость пластмасс.

В состав пластмасс могут также входить стабилизаторы, отвердители, красители и другие вещества.

Стабилизаторы вводят в пластмассы для повышения долговечности.

Отвердители вводят для отверждения. Они изменяют структуру полимеров, влияя на свойства пластмасс. Чаще используют отвердители, ускоряющие полимеризацию.

Недостатком большинства пластмасс является их невысокая теплостойкость до 100÷120°С. В настоящее время верхний температурный предел для некоторых видов поднялся до 300÷400°С. Пластмассы могут работать при умеренно низких температурах (до -70°С), а в отдельных случаях - при криогенных температурах.

По характеру связующего вещества пластмассы подразделяются на термопластичные (термопласты), получаемые на основе термопластичных полимеров, и термореактивные (реактопласты), т. е. неразмягчающиеся.

Широкое применение находят термопластичные пластмассы на основе полиэтилена, полипропилена, полистирола, поливинилхлорида, фторопластов, полиамидов и других полимеров.

Полиэтилен имеет линейную структуру макромолекул [- СН₂ - СН₂ -]_n и является продуктом полимеризации этилена. Полиэтилен имеет высокие диэлектрические свойства, практически не поглощает влагу. Он химически стоек к действию кислот, щелочей и растворителей, нетоксичен, легко сваривается, технологичен (поддается экструзии, литью, напылению, заливке т. д.), стоит недорого и сочетает высокую прочность с пластичностью. Недостатком полиэтилена является склонность к старению под действием ультрафиолетовых лучей.

Полиэтиленовые трубы могут работать при температурах до - 60С, они не подвержены почвенной коррозии. Из полиэтилена изготавливают крышки подшипников, уплотни-тельные прокладки, детали вентиляторов и насосов, гайки, шайбы, полые изделия вместимостью до 200 л, тару для хранения и транспортировки кислот и щелочей.

Полипропилен является полимером пропилена. По сравнению с полиэтиленом полипропилен имеет более высокую механическую прочность и жесткость, большую теплостойкость и меньшую склонность к старению. Недостатком полипро-пилена является его невысокая морозостойкость (- 20°С).

Полипропилен применяют для изготовления антикорро-зионной футеровки резервуаров, труб и арматуры трубопро-водов, электроизоляционных деталей, а также для изготовления деталей, применяемых при работе в агрессивных средах. Из полипропилена изготавливают корпусные детали автомобилей и корпуса аккумуляторов, прокладки, трубы, фланцы, водонапор-ную арматуру, пленки, пленочные покрытия бумаги и картона, корпуса воздушных фильтров, конденсаторы, вставки демпфи-рующих глушителей, |зубчатые и червячные колеса, ролики, подшипники скольжения, фильтры масляных и воздушных систем, рабочие детали вентиляторов, насосов, уплотнения, изоляцию проводов и кабелей.

Полистирол относится к числу наиболее известных и широко применяемых пластмасс. Его макромолекула имеет следующую формулу: [- СН₂ - СН(С₆Н₅) -]_n.

Полистирол - твердый, жесткий, бесцветный, прозрачный, аморфный полимер, легко окрашиваемый в различные цвета. Обладает высокой водостойкостью, хорошей химической стойкостью в растворах солей, кислот и щелочей. Интервал рабочих температур от - 40 до + 65°С. Полистирол применяют для изготовления деталей радио- и электроаппаратуры, предметов домашнего обихода, трубок для изоляции проводов, пленок для изоляции электрических кабелей и конденсаторов, открытых емкостей, прокладок, втулок, светофильтров, крупногабаритных изделий радиотехники (корпуса транзисторных приемников). Ударопрочным полисти-ролом (механическая смесь полистирола с каучуком) облицо-вывают пассажирские вагоны, салоны автобусов и самолетов. Из него изготавливают крупногабаритные детали холодильников, корпуса радиоприемников, телефонных аппаратов и др.

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, и плотность таких материалов, как правило, менее 0,3 г/см³. Ячейки у поропластов сообщаются между собой, и их плотность несколько выше.

Пенопласт применяют в качестве теплоизоляционного слоя в конструкциях судовых трюмов, кузовов автофургонов.

Пенополистирол применяют в различных отраслях промышленности как термо- и звукоизоляционный материал.

Пластмассы на основе поливинилхлорида имеют хорошие электроизоляционные свойства. Они стойки к воздействию химикатов, не поддерживают горения, атмосферо- водо-, масло- и бензостойки.

Поливинилхлорид (ПВХ) используют в виде винипласта и пластиката.

Винипласты стойки к воздействию почти всех минеральных кислот, щелочей и растворов солей. Из него изготавливают трубы для транспортировки воды, агрессивных жидкостей и газов, коррозионностойкие емкости, защитные покрытия для электропроводки, детали вентиляционных установок, теплообменников, шланги вакуум-проводов, защитные покрытия для металлических емкостей, изоляцию проводов и кабелей.

Пластикат часто используют в качестве уплотнителя воздушных и гидравлических систем, изолятора проводов и защитных оболочек кабелей.

Фторопласты - полимеры фторпроизводных этиленово-го ряда. Наиболее широкое распространение получил фторопласт - 4, или политетрафторэтилен (тефлон). Он характеризуется высокой плотностью (2,1÷2,3 г/см³), термо- и морозостойкостью. Интервал рабочих температур при эксплуатации изделий из фторопласта - 4 составляет от -269 до +260°С. По химической стойкости фторопласт - 4 превосходит все известные материалы, включая золото и платину. Фторопласт - 4 имеет низкий коэффициент трения и применяется для изготовления подшипников скольжения без смазки. Для уменьшения износа подшипников во фторопласт вводят 15÷30 % наполнителя (графита, дисульфита молибдена, стеклянного волокна и др.

Фторопласты широко применяется в электро- и радиотехнической промышленности, а также для изготовления химически стойких труб, кранов, мембран, насосов, подшипников, деталей коррозионностойких конструкций, тепло- и морозостойких деталей (втулок, пластин, дисков, прокладок, сальников, клапанов), для облицовки внутренних поверхностей различных криогенных емкостей.

Полиамиды включают группу известных термоплас-тичных пластмасс (таких, как найлон, капрон и др). Они имеют низкий коэффициент трения и могут использоваться в качестве подшипников как без смазки, так и при применении смазочных материалов. Полиамиды используют для изготовления конструкционных и электроизоляционных изделий, эксплуати-руемых при температурах от -60 до +100°С (зубчатые передачи, уплотнительные устройства, втулки, муфты, подшипники скольжения, лопасти винтов, стойкие к действию щелочей, масел, жиров и углеводородов), антифрикционных покрытий металлов.

Полиуретаны - наиболее ценные и широко производимые промышленностью термопластичные полимеры. Полиуретаны характеризуются высоким модулем упругости, износостой-костью, вязким коэффициентом трения, стойкостью к вибра-циям, атмосферостойкостью.

Основу всякого реактопласта составляет химически затвердевающая термореактивная смола - связующее вещество. Кроме того, в состав реактопластов входят наполнители, пластификаторы, отвердители, ускорители или замедлители и растворители. К пластмассам с порошковыми наполнителями относятся: фенопласты и аминопласты. Из них изготавливают несиловые конструкционные и электроизоляционные детали, различные вытяжные и формовочные штампы, корпуса сборочных и контрольных приспособлений, литейные модели и другую оснастку.

Фенопласты являются термоупрочняемыми пластмасс-сами. Не упрочненные смолы получают при поликонденсации фенола с формальдегидом. Существует два основных типа феноло-формальдегидных смол: новолаки и резолы.

Аминопласты являются термоупрочняемыми пластмасс-сами. К ним относятся карбамидо-формальдегидные смолы и меламино-формальдегидные смолы.

Упрочненные аминопласты стойки к воздействию воды, кислот (в том числе серной и азотной), щелочей и органических растворителей. Из аминопластов изготавливают клеи для дерева, электротехнические детали (розетки, выключатели), лаки, пенистые материалы.

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

Большую группу реактопластов составляют слоистые пластмассы, которые содержат листовые наполнители, уложенные слоями. В зависимости от вида наполнителя различают следующие слоистые пластики: гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, древесно-слоистые пластики. Связующими при производстве слоистых пластиков служат феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические и некоторые другие смолы.

Пластик на основе бумаги - гетинакс - применяют в качестве электроизоляционного материала, работающего длительно при температурах от -65 до +105°С, а также как конструкционный и декоративный материал. Гетинаксы широко применяют в электрических машинах, трансформаторах (в качестве высоковольтной изоляции) и других аппаратах, при производстве телефонной арматуры, в радиотехнике (для изготовления печатных схем). Из гетинакса изготавливают панели, щитки, прокладки, крышки, шайбы, малонагруженные изделия и т. д.

Древесно-слоистые пластики (ДСП) используют при изготовлении мебели, для внутренней облицовки пассажирских поездов, судов, самолетов, при строительстве - в качестве облицовочного материала.

ДСП обладают хорошими антифрикционными свойствами. В некоторых случаях они заменяют высокооловянистую бронзу, баббит, текстолит. Теплостойкость ДСП достигает 140°С.

Пластики на основе хлопчатобумажных тканей – текстолиты - применяют для изготовления различных конструкционных деталей, электроизоляционного материала, вкладышей подшипников прокатного оборудования, прокладок, герметизирующих фланцевые соединения. Текстолитовые детали могут работать не только в воздушной среде, но и в масле, керосине или бензине и т. д. Температура эксплуатации изделий из текстолита от -60 до +60°С.

Стеклотекстолитами называют слоистые пластики на основе тканых стекловолокнистых материалов. Стекло-текстолиты применяют для изготовления крупногабаритных изделий, радиотехнических и электроизоляционных деталей, длительное время работающих при температуре 200°С и кратковременно - при 250°С.

Пластические массы отличает высокая эффективность производства и применения. Замена металла на пластмассу, снижает трудоемкость изготовления изделий в 8 - 10 раз, а их стоимость в 5 - 6 раз. Объем капиталовложений для производства пластмасс и изделий из них в 3 - 6 раз ниже капиталовложений для производства эквивалентного количества изделий из металла.

Во многих случаях применение пластмасс повышает долговечность деталей и оборудования, снижает их вес, придает им новые эксплуатационные качества так применение пластмассовых труб повышает производительность трубо-провода при прочих равных условиях на 10÷15 % и значительно снижает или исключает осаждение парафина и солей. Применение пластмассовых шестерен снижает шум от работы зубчатой передачи на 50÷75 %.

Уже определились следующие основные направления применения пластмасс в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленностях: как конструкционных материалов для деталей машин и аппаратов; в качестве материала для труб; как материала для емкостей для хранения и перевозки нефти; для за-щиты машин и трубопроводов от воздействия химически агрессивных сред; в качестве тампонажных материалов для особо тяжелых условий проводки скважины; для крепления продуктивной зоны; для улучшения технологических свойств глинистых растворов.

Применение пластмасс, как конструкционного материала для деталей оборудования многообразно. К наиболее ответственным деталям буровой установки относятся тормозные колодки, от качества которых во многом зависит быстрота спускоподъемных операций и надежность работы. В качестве фрикционного материала возможно использование ретинакса, представляющий собой композицию на основе фенолоформаль-дегидной смолы, асбеста и барита. Износостойкость ретинаксовых колодок в 6 - 10 раз, а их фрикционные свойства в 2 раза выше, колодок из материала 6КХ-1.

Защита оборудования и трубопроводов от коррозии - еще одна большая область применения пластмасс в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности.

Переработка нефти сопровождается выделением различных коррозионно-активных составляющих, разрушающе действующих на металлическую аппаратуру и трубопроводы.

Степень коррозионной активности нефти зависит от содержания в ней различных сернистых соединений и водных растворов минеральных солей, способных вступать в химическое взаимодействие с металлом, вызывая его разрушение.

Активность различных агрессивных реагентов связана с температурой среды. Такие вещества, как сероводород, элементарная сера и меркаптаны, способны разрушающе воздействовать на оборудование даже при невысоких температурах. Сульфиды, полисульфиды и серосодержащие гетероциклические углеводороды обладают коррозионной активностью при высоких температурах.

Сероводород обладает способностью взаимодействовать с металлом, поэтому образуется легко разрушающийся сульфид железа.

Сернистые соединения вызывают интенсивную коррозию не только углеродистой стали, из которой в основном изготовлена аппаратура, при некоторых процессах они разрушают свинец и специальную нержавеющую сталь.

Для устранения преждевременного разрушения оборудования и трубопроводов их рабочие поверхности изолируют химически стойкими неметаллическими покрытиями. В качестве покрытий применяют специальные бетоны и пластмассы.

Покрытия из пластмасс выполняют или в виде футеровки, т. е. обкладки рабочей поверхности (обычно внутренней) листовым или штучным материалом, или в виде лакового покрытия, имеющего небольшую толщину (доли миллиметра).

Для футеровки используют винипласт, полиэтилен, полиизобутилен, полиметилметакрилат и материалы на основе фенолоформальдегидных смол.

Футеровочные листы и штучные материалы крепятся клеем или специальными замазками.