Лекция № 6 Выбор материалов вопросы выбора материалов

Материалы влияют на функционирование продукта, его прочность, его внешний вид и различные другие характеристики. Во многих случаях любой из ряда различных материалов может быть выбран для определенного приложения. При первоначальном проектировании продyкта вопросы о том, что касается выбора материала, очевидны и важны:

• обладает ли материал желательными физическими свойствами (прочностью, электропроводностью, коэффициентом

• отражения и т.д.)?

• обладает ли материал желательными химическими свойствами (растворимостью, светочувствительностью, реактивностью и т.д.)?

• разумны ли издержки?

В современном все более сложном мире проектировщик должен также уделять внимание ряду дополнительных вопросов.

Опасен ли материал для окружающей среды? (Эта широкая идея включает вопросы о токсичности для человека.)

Безопасен ли материал? (Например, горюч ли он?)

Высоко ли содержание овеществленной в материале энергии?

Характерны ли для этого материала потенциальные ограничения предложения?

Доступно ли предложение рециклированного материала?

Можно ли материал легко заменить? (Есть ли реальные альтернативные материалы, если основной выбор станет менее желателен в результате изменений издержек, экологических вопросов или какого-либо другого фактора?)

В этой части мы исследуем две темы, связанные с последним набором вопросов - опасностью для окружающей среды и доступностью ресурсов, и предложим материалы, которые, по-видимому, обладают самыми хорошими экологическими характеристиками.

МАТЕРИАЛЫ И ОПАСНОСТЬ

ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Выбор материалов часто ограничен токсичностью. При условии сопоставимости других аспектов для определенного приложения целью проектировщика должен быть выбор наименее токсичных материалов. Правительственные экологические агентства обычно определяют материалы, которые вызывают озабоченность с точки зрения токсичности, и эти списки служат хорошей точкой отсчета для физического проектировщика. В табл. 10.1 мы воспроизводим 17 веществ или групп химикатов, сокращение применения которых составляет цель проекта «Промышленная токсичность» Агентства по охране окружающей среды США, добровольной инициативы промышленных корпораций по сокращению выбросов этих веществ. Применение большинства приведенных материалов также были ограничено Европейским союзом и другими правительственными учреждениями. Список включает химические вещества как продуктов, так и процессов. Кадмий, хром, свинец, ртуть, никель и их соединения иногда используются в производстве, так что эти металлы оказываются частью производимых продуктов, часто в виде покрытия. Большинство оставшихся материалов относятся к химикатам; их можно использовать как растворители или очистители. Большую часть списка составляют хлор содержащие растворители и моноароматические вещества. Также присутствуют растворы цианидов, обычно используемые в гальваническом покрытии. Поэтому комaндa физического проектирования должна рассматривать два аспекта выбора материалов, включающего токсичные материалы: возможность замены материалов в продуктах и возможность изменения процессов.

Могут быть даны и более детализированные списки сомнительных веществ. Закон США«О чистом воздухе» и его изменения определили более чем, 600 химических веществ как «опасные загрязнители воздуха». Сюда включены те же группы веществ, что и определенные в приведенном списке: тяжелые металлы и их соединения, цианиды и галоидированные растворители. Включен ряд пестицидов, как и несколько органическиx негалоидированных соединений, которые, как было показано, обладают токсическими свойствами. Также присутствуют сухие вещества, например асбест (минерал, содержащий кремнекислый магний), токсичность которых связана с их физическими свойствами, а не с химическими. Хорошая токсикология - очевидно важная предпосылка к адекватной оценке веществ из этого списка.

Радионуклиды, естественные или искусственные, обладают способностью вызывать значительные проблемы для здоровья и пoэтому они тщательно контролируются. Типичные годовые дозы излучения показывают, что обеспокоенность для всех, кто несвязан с радионуклидами профессионально, вызывают природныe и медицинские источники. Тем не менее малые источники радионуклидов используются в промышленности в определенных немедицинских приложениях: в светящихся приборах (часах), детекторах дыма, электронных устройствах, антистатических устройствах и научных инструментах. Правительственные ограничения на добычу, использование и размещение радиоизотопов, возможно, достаточны для гарантирования того, что материалы используются редко, только если их свойства не существенны для отдельных рассматриваемых продуктов.

Поскольку ограничения по производству, использованию и размещению продуктов, содержащих значительные объемы радионуклидов, так серьезны, проектировщики должны избегать использования радионуклидов, если только специальные характеристики не делают такое использование необходимым. Если они все же используются, объемы должны быть жестко ограничены; хорошим примером может послужить улучшенное фармакологическое использование радионуклидов: требуемые медицинские выгоды должны достигаться с меньшими, чем когда - либо, количествами радиоактивного материала.

Даже если материал, входящий в один или несколько опасных списков, важен для продукта или процесса и может быть безопасно использован на производственном предприятии, необходимо рассматривать вопросы размещения неизбежных отходов. Законодательство, регулирующее удаление отходов, сильно различается по всему миру и претерпевает постоянные изменения. Многие из материалов, находящихся в списках токсичных или опасных веществ, имеют ограничения на захоронение, но списки помимо этого включают классы соединений, имеющих особенно нежелательные физические характеристики, например стабильность, огнеопасность, высокую кислотность и высокую щелочность. Наконец, следует избегать использования каких-либо озоноразрушающих веществ, подлежащих постепенному сокращению в соответствии с международными протоколами.

Заключительной заботой инженеров по проектированию, выбирающих материалы, становится попытка предугадать будущие ограничения по материалам, чье использование сейчас неограничено. Например, был поднят вопрос в отношении использования хлора и его органических соединений. Среди проблем здесь выделена опасность хлорорганических соединений для здоровья, что проявляется в образовании раковых клеток и изменении эндокринной функции как у людей, так и у животных. Однако отдельные соединения демонстрируют широкое разнообразие поведения в специальных тестах токсичности; поэтому производители и потребители хлоросодержащих материалов защищают их несомненную полезность и предлагают подход «соединение-за-соединением». По-видимому, маловероятно, что когда-либо будут приняты всесторонние запреты на соединения, содержащие хлор, но возможны целевые политические программы. Поэтому проницательный практик промышленной экологии может:

• исследовать альтернативы химическим соединениям, которые содержат хлор в конечном продукте;

• попытаться разработать альтернативные пути синтеза для процессов, в которых соединения хлора используются как промежуточные продукты;

• минимизировать и управлять, но продолжать использовать соединения хлора в процессах, где они особенно нужны.