Салим Отажонов – Компоненты неметаллических материалов и их свойства. Монография (страница 1)
Компоненты неметаллических материалов и их свойства
Монография
Салим Мадрахимович Отажонов
Камалудин Гаджиевич Абдулвахидов
Равшанбек Назирович Эргашев
© Салим Мадрахимович Отажонов, 2023
© Камалудин Гаджиевич Абдулвахидов, 2023
© Равшанбек Назирович Эргашев, 2023
© Салим Мадрахимович Отажонов, иллюстрации, 2023
© Ибратжон Хатамович Алиев, иллюстрации, 2023
© Боходир Хошимович Каримов, иллюстрации, 2023
ISBN 978-5-0060-2257-7
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
ПРЕДИСЛОВИЕ
Материалы, обеспечивающие эффективную работу многих технических как промышленных так бытовых установок обладают широким спектром функциональных свойств, которые не должны ухудшаться в условиях разного рода внешних воздействий. Применительно к промышленной техники к числу таких воздействий относятся не только термические, механические, химические воздействия, а также их комбинации, но и радиационные воздействия. В связи с этим среди других разделов современной науки и инженерии подготовка студентов-физиков трудовиков и (или) инженеров-технологов, специализирующихся в области неметаллические материалы и их компоненты и материаловедения по направлению «Технологическое обучение» и направлении политехнических институтов, вызывает необходимость давать им глубокие знания в области технологии получения, функционирования и диагностики материалов со специальными свойствами (механическими, тепловыми, прочностными, коррозионными, электрическими, магнитными, радиационными и др.). Без таких знаний невозможно проектировать, создавать или обучать и обеспечивать эффективную эксплуатацию качественные и дешевых материалов разного вида для промышленных, бытовых и энергетических установок: мощных промышленных станков, бытовых приборов разного переназначения, автомобилестроения, установки для солнечных, ветровых и гидроэлектростанции, ядерных энергетических установок (системы передачи тепловой и электрической энергии, хранения ядерных отходов, радиационной защиты и др.), теплоэнергетических агрегатов (котлов, паропроводов, парогенераторов, турбин и т.д.) и многих других узлов.
В данной монографии демонстрируется глубокая взаимосвязь между структурой и свойствами материалов, которые используются собственно в промышленности, быту и энергетике (включая ядерную, тепло и электроэнергетику), возобновляемой энергетике, а также способствуют повышению энергоэффективности применяемых технологий и энергосбережению (включая материалы, используемые в датчиках, преобразователях и сенсорах систем контроля). Изучение указанной взаимосвязи базируется на представлениях об атомно-электронной структуре, а также механизмах фазовых превращений в материалах, которые были изложены в предыдущих учебных пособиях и книгах.
При создании этой монографии по неметаллические материалы перед авторами стояла непростая задача. С одной стороны, предлагаемый студентам текст должен базироваться на тех физических принципах «конструирования» материалов с особыми функциональными свойствами, которые были изложены в тексте лекции. С другой стороны, он должен быть хорошо иллюстрирован и понимаем студентами с разным исходным уровнем подготовки в области физики и технологии (она весьма существенно различается в классических и технических университетах). Кроме того, изложение материала должно быть достаточно лаконичным, поскольку количество учебников и монографии, используемых для подготовки студентов в области материалов для промышленности, быту, энергетики и энергосбережения, весьма велико. В связи с этим относительная краткость описания свойств и областей применения специальных материалов в промышленности, быту, энергетике и энергосбережении, а также излагаемых принципов их создания выглядит вполне оправданной.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛИМЕРОВ И ПЛАСТМАСС
1.1. Общая характеристика и классификация
Состояние и тенденции развития отрасли. Полимерные материалы (полимеры и пластмассы) используют для производства весьма значительных по объему и номенклатуре групп товаров с разнообразным назначением, а следовательно, потребительскими и эксплуатационными свойствами. В настоящее время полимерные материалы (ПМ) используются во всех отраслях промышленности, например в строительстве (лакокрасочные, отделочные, теплоизоляционные и другие материалы), сельском хозяйстве (пленки, трубы и другие изделия), в производстве мебели, хозяйственных и других товаров, обеспечивающих комфортную жизнедеятельность людей.
Полимерные материалы являются высокоэффективными в технологическом, потребительском и экономическом планах. Технологичность ПМ определяется минимальной энергоемкостью процессов получения изделий, высокой производительностью оборудования и исключением дорогостоящих операций механической обработки готовых изделий. Поэтому производство изделий из пластмасс является высокорентабельным с коротким сроком окупаемости капиталовложений.
Из ПМ получают изделия с самыми разнообразными свойствами, удовлетворяющие самые разные потребности. Их экономичность определяется тем, что производство изделий из ПМ может быть полностью автоматизировано в пределах разумных затрат, что позволяет сократить расходы и, следовательно, себестоимость продукции, а также розничную цену товаров.
Вследствие вышеперечисленных особенностей ПМ, несмотря на короткий срок их применения (немногим более 100 лет), они получили широкое использование. Их производство и применение в последние 25 лет резко возросло. Особенно быстро прирост производства отмечается в Индии, Китае, Пакистане.
Мировое производство ПМ в настоящее время составляет около 150 млн т. Анализ ассортимента выпускаемых пластмасс показывает, что выпуск 10 видов пластмасс составляют около 90% общего производства ПМ. В группу полимеров общетехнического назначения, имеющих наибольшее применение, входят полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ), полистирол (ПС) и полиэтилентерефталат (ПЭТФ), акрилонитрил (АК).
Особенности отечественной отрасли пластмасс заключаются в том, что в производстве все еще сохраняется выпуск термореактивных полимеров: аминоформальдегидных – до 20% и фенолоформальдегидных (ФФС) – до 8% от общего объема. В структуре термопластичных полимеров основной объем приходится на вышеперечисленные полимеры общетехнического назначения.
В то же время растет использование импортных полимеров в производстве изделий из пластмасс, таких как полиамиды (ПА), полиэтилентерефталаты (ПЭТФ), а в последнее время полиэтилены низкого и высокого давления, ПП, ПС. Международная маркировка и область применения основных видов полимеров приведены в приложении 1.
Наибольший объем мирового потребления ПМ приходится на производство упаковки и тары. Затем следует строительство, транспорт, производство электроники, мебели, хозяйственных товаров. Так, около трети полимеров расходуется на производство тары и упаковки. Вследствие того что потребительская ценность упаковки теряется задолго до утраты первоначальных свойств полимеров, из которых они изготовлены, то остро стоит вопрос о вторичном использовании отходов полимеров. До недавнего времени использование вторичного сырья являлось прерогативой предприятий по производству изделий. Сейчас сформировалось новое самостоятельное направление – «рециклирование пластмасс, разрабатывающее технологические процессы по переработке отходов, прежде всего использованной тары. Это способствует решению не только сырьевых, но и экологических проблем.
Основными мероприятиями, направленными на снижение загрязнения окружающей среды, являются:
§вторичная переработка;
§утилизация сжиганием;
§термическое разложение путем пиролиза и деполимеризации с использованием низкомолекулярных продуктов;
§разработка и применение способов деструкции (разложения) полимеров под действием света, кислорода воздуха и микроорганизмов.
В последнее время большое внимание уделяется последнему способу. Для этого в полимер вводят биоразлагаемые добавки, которые разрушают межмолекулярные связи, в результате происходит окисление и деструкция молекул полимера.
Классификация полимеров и пластмасс. Изучению ассортимента и свойств готовых изделий из пластмасс предшествует изучение состава, ассортимента и свойств полимеров.
Полимеры – высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из большого числа одинаковых (иногда различных) повторяющихся группировок, соединенных химическими связями.