Контрольные вопросы:

1. Какие материалы называют волокнами?

2. Что представляют собой природные волокна? Приведите примеры природных волокон.

3. Что такое искусственные волокна? Назовите основные. Охарактеризуйте свойства искусственных волокон. Для каких целей они применяются?

4. Что представляют собой синтетические волокна? Назовите основные. Для каких целей они применяются? Охарактеризуйте свойства синтетических волокон.

5. Какие свойства химических волокон определили столь широкое их распространение?

4. Полимерные покрытия (пленкообразующие): лаки, эмали, краски, компаунды

К полимерным покрытиям (пленкообразующим) традиционно относят лакокрасочные материалы которые составляют большую группу химических продуктов, предназначенных для получения защитных и декоратив­ных покрытий.

Лакокрасочные покры­тия в большинстве случаев дешевле и часто более долговечны, чем другие покрытия. Они образуются на поверхности металла, дерева, стекла и т.п. в результате нанесения на них жидких лакокрасочных материалов и последующего их отвердения (высыхания). Образующаяся пленка характеризуется хорошей адгезией (сцепляемостью) с окраши­ваемой поверхностью, механической прочностью, эластичностью и стойкостью против действия внешней среды (воды, газа и т. д.).

По эксплуатаци­онным свойствам лакокрасочные материалы подразделяются на атмосферостойкие, бензо- и маслостой-кие, водо-, хим- и термостойкие, электроизоляционные. К лакокрасочным по­крытиям специального назначения относят: необрастающие (препятствуют обрастанию подводных частей судов и гидротехнических сооружений мор­скими организмами); терморегулирующие; светящиеся (способны к люминесценции в видимой области спектра при облучении световым или радиоактивным излучением), термоиндикаторные (способны к изменению цвета или яркости свечения при определенной температуре) и др.

Возможность получения лакокрасочных материалов с разнооб­разным комплексом свойств обусловлена использованием при их создании многочисленных органиче­ских и неорганических химических веществ. Вовлечение в производ­ство новых полимерных материалов, их физическая и химическая мо­дификация дают возможность улучшить качество, целенаправленно регулировать показатели изделий, создавать материалы со специфиче­скими свойствами.

Для производства лакокрасочных материалов используются раз­личные виды сырья и полуфабрикатов. К компонентам лакокрасочных материалов относятся: пленкообразующие вещества, пигменты, напол­нители, пластификаторы, растворители, сиккативы и др. От химиче­ской природы, качества и соотношения компонентов зависят свойства лакокрасочных материалов и формируемых покрытий.

Пленкообразующие вещества, являющиеся основными компонен­тами любых лакокрасочных материалов, включают поликонденсаци­онные, полимеризационные и природные смолы, растительные масла и др.

Поликонденсационные пленкообразователи пред­ставляют собой продукты взаимодействия нескольких полифункцио­нальных соединений. К числу поликонденсационных пленкообразую­щих относятся алкидные и другие полиэфирные смолы, феноло- и аминоальдегидные, эпоксидные и кремнийорганические смолы.

Полимеризационные пленкообразователи представляют собой продук­ты аддитивной гомо- или сополимеризации мономеров с реакционно-способными двойными углерод-углеродными связями олефинового ти­па. К наиболее широко применяемым полимеризационным пленко-образователям относятся виниловые полимеры, полиакрилаты, фторо­пласты, эластомеры и др.

Наряду с синтетическими пленко-образователями широкое при­менение в производстве лакокрасочных материалов находят расти­тельные масла и продукты их переработки, а также жирные кислоты растительных масел, синтетические жирные кислоты, талловое масло, различные заменители масел. Достаточно широко продолжают ис­пользоваться природные смолы (канифоль, шеллак, янтарь и др.) и битумы (природные и искусственные), а также эфиры целлюлозы.

Пигменты придают лакокрасочным покрытиям цвет и непро­зрачность, повышают прочностные и антикоррозионные свойства. Большинство пигментов представляют собой неорганические соединения - оксиды, гидроксиды, соли металлов. В качестве пигментов при­меняют также металлические порошки, технический углерод (сажу), графит.

Ассортимент пигментов, применяемых в лакокрасочной промыш­ленности, разнообразен. По химическому составу пигменты делятся на органические и неорганические (природные и синтетические). По цве­ту различают ахроматические (белые, черные, серые) и хроматические (цвета видимой части спектра) пигменты.

Наполнители представляют собой природные, реже - синтетиче­ские неорганические вещества кристаллического, иногда аморфного строения. По структуре и форме частиц различают порошкообразные, волокнистые и пластинчатые наполнители. По составу наполнители разделяют на оксиды, гидроксиды, карбонаты, сульфаты, силикаты и др. Наполнители оказывают существенное влияние на физико-химические и технические свойства лакокрасочных материалов и по­крытий.

Растворители. Для растворения пленкообразующих веществ, разбавления лакокрасочных материалов до консистенции, позволяю­щей наносить материалы на окрашиваемую поверхность, в настоящее время применяется значительное число растворителей и разбавителей. Это одно - или многокомпонентные летучие органические жидкости, реже - вода.

Пластификаторы применяют для придания покрытиям необхо­димой эластичности, регулирования свето-, атмосфере-, морозостойко­сти покрытий.

Добавки. Кроме перечисленных продуктов в производстве лако­красочных материалов используются и другие компоненты. Сиккати­вы служат катализаторами высыхания покрытий на основе раститель­ных масел и маслосодержащих пленкообразующих и представляют собой соли органических кислот одного или нескольких металлов. Для лучшего протекания процессов полимеризации применяют ускори­тели отверждения.

Рассмотренный перечень основных компонентов лакокрасочных композиций дает представление о широких возможностях регулирова­ния свойств материалов и получаемых покрытий.

Ассортимент выпускаемых промышленностью лакокрасочных материалов разнообразен и включает лаки, эмали, краски, грунтовки, шпатлевки, различные вспомогательные материалы.

Грунтовки (грунты), материалы, образующие нижние слои лакокрасоч­ных покрытии. Основное назначение - создание прочного сцепления покры­тия с подложкой. Выполняют также и другие функции: защищают металл коррозии, заполняют поры в древесине, придают воздухонепроницаемость тканям. Приготовляют их на основе различных пленкообразующих веществ, например, алкидных или эпоксидных смол, поливинилбутираля, растительных ма­сел, битумов, природных клеев; твердые пленкообразующие применяют в виде концентрированных растворов или дисперсий. В состав антикоррозионных грунтовок по металлу входят обычно пигменты - SrCrO₄, СrРО₄, цинковая пыль, железооксидные пигменты и другие. Некоторые грунтовки, содержащие преобразователи ржавчины, могут быть нанесены на заржавленные поверхно­сти. Пигментированные грунтовки получают так же, как краски.

Шпатлевки (шпаклевки), пастообразные лакокрасочные материалы, применяемые для выравнивания шероховатых, пористых и волнистых поверхностей перед их окраской. Основные компоненты - пленкообразующие ве­щества (например, алкидные или эпоксидные смолы), наполнители (мел, тальк, барит и др.), пигменты (например, цинковые белила, охра). Содержание наполнителей и пигментов в шпатлевках в несколько раз превышает количест­во пленкообразующего вещества. Получают шпатлевки так же, как краски. Толщина слоя шпат­левки - до 300 мкм (слои большей толщины могут растрескиваться). Применяются также для заделки пазов, стыков, выбоин, заклепочных и сварных швов.

Лаки представляют собой растворы пленкообразующих веществ, составляющих лаковую основу, в растворителях. К числу пленкоообразующих компонентов относятся природные и синтетические смолы, битумы, высыхающие масла, эфиры, целлюлозы и различные их композиции, которые в процессе сушки после удаления из лака растворителя, также в результате реакций окисления, полимеризации, поликонденсации или других химических процессов образуют лаковую пленку.

По типу растворителей различают спиртовые и масляные лаки. Первые представляют собой раствор смолы в спирте, вторые - в олифе. Лаки могут содержать пластификаторы, растворимые красители, отвердители, сиккативы, матирующие вещества и др. При нанесении на металл, де­рево, пластмассы, ткани, бумагу и др. образуют твердые прозрачные пленки. Основные характеристики - вязкость, содержание сухого остатка (обычно 10 - 50%), растекаемость по поверхности («розлив»).

Преимущества лаков по сравнению с красками заключаются в образовании блестящей поверхности и в ускорении процесса сушки. Пленки лаков, изготовленных на основе искусственных смол, выдерживают высокие температуры, а также воздействие щелочи и кислоты. Недостатком многих лаков является слабая адгезия к металлам и хрупкость защитной пленки.

Для некоторых лаков длительная рабочая температура лаков колеблется от 90 до 180⁰С.

По назначению лаки делятся на три основных вида: пропиточные, покровные и клеящие.

Пропиточные лаки применяются для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов, в производстве лакотканей, гибких трубок и слоистых пластиков. Пропитка обмоток осуществляется с целью их цементации, повышения влагостойкости и нагревостойкости изоляции, улучшения ее теплопроводности, увеличения механической и электрической прочности. Пропитка лаками повышает нагревостойкость изоляции, замедляет процесс окисления ее кислородом воздуха.

Лаковая пленка должна быть достаточно эластичной, чтобы допускать расширение и сжатие обмоток при колебании температуры и слабую вибрацию проводников при пуске и остановке электродвигателя.

Это прежде всего масляно-канифольные лаки получают путем сплавления растительных масел, обычно полимеризованных (главным образом льняного и тунгового), и препаратов канифоли или искусственных копалов с последующим растворением продукта в смеси органических растворителей. Для этих лаков должны применяться рафинированные масла.

Битумно-масляные лаки получают путем сплавления битума, асфальта или асфальтита с маслом и сиккативом при 270-280 градусов. Битумно-масляные пропиточные лаки в зависимости от типа электроизоляционных материалов и обмоточных проводов, в комбинации с которыми они используются, могут применяться для пропитки электрических машин и аппаратов различных классов нагревостойкости.

Общим недостатком бигумно-масляных лаков является их термопластичность: лаки не просыхают в толстых слоях, что приводит к плохой цементации обмоток.

Битумно-масляный лак можно отнести и к покровным лакам он образует пленку черного цвета, хорошо защищающую металлы от коррозии. Его используют как внутри помещений, так и на открытом воздухе.

Алкиднофенольные лаки (ФЛ-97 и ФЛ-98) сочетают ряд ценных свойств: высокую цементирующую способность при рабочих температурах, высокие электрические характеристики, маслостойкость. Лаки особенно пригодны для изоляции обмоток, претерпевающих значительные центробежные и электродинамические усилия. Недостатком лаков является длительное время сушки (до 16ч) в обмотках электрических машин.

Нитролаки (покровные) получают на основе нитратов целлюлозы, нитроцеллюлозы, главным образом коллоксилина. Нитроцеллюлоза — сложные эфиры целлюлозы и азотной кислоты в виде белой волокнистой рыхлой массы. В результате улетучивания растворителя нитролаки образуют (в течение до 30 мин) бесцветные (или окрашенные) прозрачные обратимые пленки, стойкие к бензину и минеральным маслам, ограниченно водостойкие и не стойкие к щелочам, кислотам и ультрафиолетовым лучам. Нитролаки наносят на поверхности распылением. Нитролаки пожароопасны. Применяют нитролаки для покрытий деревянных и металлических изделий и для изготовления эмалевых красок.

Спиртовые лаки и политуры — растворы природных смол и полимеров в этиловом спирте. В зависимости от назначения промышленность выпускает лаки и политуры с различными свойствами.

Политура - лак, содержащий 10 - 20% пленкообразующих веществ (шеллака) и 80...90% спирта. Служит для полирования изделий из древесины. Образует прозрачное гладкое твердое покрытие с зеркальным блеском выявляющее текстуру древесины. Часто применяют политуру марки 3 - коричневую с красноватым оттенком, а также нитроцеллюлозную - НЦ. Политура высыхает через 1 ч после нанесения на поверхность. Полирование ускоряется при нанесении политуры по слою шеллачного лака.

Масляные краски представляют собой суспензии, приготовлен­ные тщательным растиранием минеральных или органических пигмен­тов в маслах, которые служат пленкообразователями. Пигменты при­дают краске соответствующую расцветку. Ими являются окись цинка, свинцовые белила, охра и т.д.

Растительные масла варят с добавкой сиккативов окислов кобальта, марганца и др. Полученное масло назы­вают олифой. Олифы, высыхающие масляные жидкости, образующие при нанесении на поверхность прочную и эластичную пленку. Изготавливают их из растительных масел, смол и других материалов и подразделяются на натуральные, полунатуральные и искусственные. Натуральные и полунатуральные олифы изготавливаются на основе льняного, конопляного, растительного масел и имеют высокое качество.

Олифы искусственные получают путем химической обработки пленкообразующих органических материалов с нагреванием и добавлением растворителей. Они имеют темный цвет, пленку пониженного качества. Появились термополимерные и нефтеполимерные олифы изготовленные из отходов и конденсатов.

В состав масляной краски входят наполнители (тальк, каолин) для повышения прочности и стойкости слоя краски. Для ускорения процесса сушки, вводят сиккативы.

Для получения соответствующего цвета вводят пигменты и наполнители, представляющие собой сухие красящие порошки разного цвета:

Мел природный МТД-2 (мел тонкодисперсионный); пигмент, получаемый возгонкой металлического цинка или цинкосодержащих руд (окись цинка) для цинковых белил; двуокись титана пигментная (для белил титановых);

охра сухая - тонкий порошок глины; пигмент, содержащий окиси железа (желтый пигмент), сурик железный сухой и др.

Высохшая масляная краска в условиях переменной влажности хорошо защищает металл от коррозии, так как даже проникшая на некоторую глубину влага в процессе высыхания пленки удаляется.

Промышленность выпускает масляные краски двух видов: густотертые и готовые к применению.

Густотертые краски изготовляют как натуральные, так и на алкидных (глифталевой и пентафталевой) олифах.

Краски, изготовленные на алкидных олифах, называются алкидными. Масляные и алкидные краски в зависимости от вида и свойств, связующих и пигментов входящих в их состав, могут применяются для различных поверхностей при выполнении внутренних и наружных работ.

Краски, готовые к применению, получают, разводя олифой густотертые краски и перемешивая составы в краскосмесительных машинах. Такие краски перед применением в строительстве требуют только перемешивания. При необходимости масляные краски разводят олифой, уайт-спиритом или скипидаром.

Эмали состоят из минеральных или органических пигментов и наполнителей, перетертых с различными лаками с добавлением растворителя и сиккатива. Подобно лакам эмали дают блестящие пленки и могут образовывать теплостойкие и коррозионностойкие покрытия. Эмалевые краски дешевле лаков. Эмали выпускают, как правило, готовыми к применению. Они должны обладать светостойкостью, давать после высыхания ровную гладкую прочную пленку.

В зависимости от связующего вещества различают следующие виды эмалевых красок: масляные (на масляных лаках), глифталевые (на глифталевых лаках) и нитроэмали (на нитроцеллюлозных лаках). В зависимости от состава их можно применять для внутренних и наружных окрасок по дереву, металлу и обработанной специальным образом штукатурка.

Время высыхания некоторых эмалей, у которых процесс высыхания происходит за счет внутренних химических преобразований, значительное. К таким эмалям, применяемым в строительстве, относятся глифталевые, пентафталевые, алкидно-строительные и т. д.

Эмали ГФ - суспензии пигментов и наполнителей в глифталевом лаке с добавлением сиккатива и растворителя. Они водо- и светостойки и прочны. Применяют для окрашивания ме­таллических и деревянных изделий, эксплуатируемых внутри помещений, и для внутренних отделочных работ, за исключением окрашивания полов. После высыхания эмали образуют однородную гладкую полуглянцевую поверхность. Время высыхания не должно превышать 24 ч.

Эмали ПФ- суспензии пигментов в пентафталевом лаке с добавлением сиккатива и растворителей. Выпускают эмали 24 цветов. Время высыхания при температуре 20°С – 30-36 ч. Предназначены для, окрашивания металлических и деревянных поверхностей, не подвергающихся атмосферным воздействиям. Перед применением эмали разбавляют бензином-растворителем, ксилолом, сольвентом или уайт-спиритом.

Нитроэмали представляют собой быстросохнущие материалы, твердеющие уже через несколько минут после нанесения их на поверхность. Недостаток нитропокрытий - легкая воспламеняемость, невысокие теплостойкость и стойкость к действию ультрафиолетовых лучей.

Технические эмали Относительно легкоплавкие стеклообразные покрытия которые наносят на изделия из чугуна, стали, алюминия и сплавов лег­ких металлов для придания им износо-, кислото-, щелоче- и светостойкости, коррозионной стойкости, люминесцентных, электроизолирующих и других свойств. Грунтовые эмали для железа и стали содержат SiO₂, А1₂О₃, СаО, Na₂O, В₂О₃, F, СоО и др.

Покровные эмали содержат дополнительно Sb₂О₃, ZrO₂, TiO₂. Эмалирование применяют при изготовлении аппаратуры для пищевой, химической, фармацевтической промышленности, электротехнических дета­лей, деталей реактивных двигателей.

Специфические требования предъявляются к полупроводящим эмалям, которые предназначаются для противокоронной защиты высоковольтной изоляции. При этом особые требования предъявляются к полупроводящим эмалям, предназначенным для противокоронной защиты термореактивной изоляции электрических машин напряжением свыше 6 кВ.

Такие эмали применяются для защитного покрытия неподвижных и вращающихся частей электрических машин и аппаратов с целью получения твердого, механически прочного электроизоляционного покрытия, стойкого к действию минеральных масел, и защищают основную изоляцию от кратковременного воздействия электрической дуги и поверхностных разрядов. Сушка эмалевого покрытия производится при температуре 100-150 градусов.

Компаунды - пропиточные и заливочные составы, не содержащие растворителя, находящиеся в момент применения при повышенной температуре в жидком состоянии и твердеющие после применения в результате охлаждения или в результате происходящих в них химических процессов.

Вследствие отсутствия растворителей компаунды лучше лаков обеспечивают герметизацию углов и деталей электрических машин и аппаратов.

Благодаря широкому комплексу свойств компаунды находят самое разнообразное применение в различных областях техники. Сочетание пропиточных и заливочных компаундов позволило совершить переход от крупногабаритных высоковольтных конструкций к более компактным открытым конструкциям с литой изоляцией. Область применения компаундов в электротехнике и электронике велика: для пропитки обмоток электрических машин, трансформаторов и всевозможных дросселей, изготовления стеклопластиков и слюдосодержащих материалов, заливки радиосхем, приборов и герметизации различных узлов, изготовления литой изоляции и литых изделий.

В настоящее время широко применяются компаунды синтетических полимеров: полиэфиностирольные, полиуретановые, эпоксидные, полиорганосилоксановые. Наибольшее распространение получили компаунды на основе эпоксидных смол и их модификаций.

Как правило, компаунды готовят на месте потребления по технологической инструкции разработчика. Лишь незначительная часть компаундов поставляются в готовом к употреблению виде.

Многие компаунды обладают ограниченной жизнеспособностью вследствие возрастания вязкости с течением времени, особенно при повышенной температуре. В частности, это относится к эпоксидным компаундам. Поэтому их необходимо периодически обновлять, добавляя свежеприготовленный компаунд к старому. Эпоксидные заливочные компаунды должны использоваться немедленно после изготовления.