Cтраница 1

Так новые искусственные материалы, которые играют актив ную роль в процессе производства, в зависимости от тех нологического процесса могут выступать в виде средст труда. Использование современных материалов нередк приводит к принципиальному изменению орудий труд методов обработки. Новые технологические процессы свою очередь требуют более совершенных форм органа зации производства и труда.  

Создание новых искусственных материалов и выяснение возможных областей их использования неразрывно связано с всесторонним исследованием свойств уже известных материалов с целью выяснения их внутренней природы и разработки теоретических основ создания материалов с заранее заданными свойствами.  

Процесс создания новых искусственных материалов совершается стремительно.  

За последние 10 лет созданы сотни новых искусственных материалов, заменяющих металлы, шерсть, дерево, шелк и многое другое.  

Без знания физико-химических и механических законов, управляющих явлениями упруго-пластических деформаций и разрушения материалов, не мыслится ни решение проблем создания новых искусственных материалов и, в частности, решение вопросов строения и свойств высокополимерных органических соединений, ни решение современных задач геофизики, геологии, а также науки о прочности сооружений и инженерных конструкций, работающих в особо сложных условиях эксплуатации. Знание физико-химических и механических законов необходимо и при решении задач технологии обработки материалов давлением (пластической обработки) и резанием.  

Несколько подробнее следует остановиться на своеобразном психологическом барьере, который нам приходится преодолевать при использовании изделий из металлизированных пластмасс и из других новых искусственных материалов. Ведь они, имея вид привычных нам вещей, обладают совершенно непривычными свойствами. Например, статуэтка - изделие из металлизированной пластмассы - несмотря на солидный и внушительный вид старинной бронзы, имеет необычно малый вес. Или тонкая и длинная подвеска для полотенца не поддается изгибанию и неожиданно ломается, как хрупкое тело. Или прочный, на вид металлический ящик для аппаратуры вдруг разваливается при попытке сесть на него, так как изготовлен, оказывается, из металлизированной пластмассы. Такую психологическую несовместимость новых материалов со старыми представлениями следует учитывать как при конструировании изделий, так и при их эксплуатации, принимая заранее необходимые меры для предупреждения возможных в будущем недоразумений или даже аварийных ситуаций.  

Научно-технический прогресс в производстве материалов направлен, с одной стороны, на повышение качества традиционных конструкционных и других материалов, с другой - на создание новых искусственных материалов, заменяющих натуральные (синтетические заменители и композиционные материалы с заранее заданными и регулируемыми свойствами), и связан с прогрессивными изменениями в структуре потребляемых материалов.  

Особенно нетерпим разнобой в основных понятиях автоматизации, возникший из-за отсутствия единой терминологии в условиях химической промышленности, характеризующейся многообразием процессов переработки природного сырья, всевозможных веществ, создания новых искусственных материалов; использующей сложные процессы, как ни одна другая отрасль народного хозяйства.  

Этой задачей предусматривается создание новых высокоэффективных систем машин и автоматических линий, нового оборудования и технологических процессов, увеличение выпуска высококачественных материалов в состоянии, удобном для дальнейшей их переработки, выпуск новых искусственных материалов, заменяющих натуральные и превосходящих их по своим свойствам. Все это становится возможным при расширении научных исследований и использовании их результатов в производстве.  

Теперь их право на название галалит исключительно для продукции своего завода кончилось, другие производители галалита как в Германий, так н в некоторых других странах, а также и в СССР, на наших государственных заводах, вырабатывающих этот новый искусственный материал, стали употреблять название галалит, и это название мало-по-малу вошло в общее употребление.  

Очевидно, что многие материалы, созданные природой, давно перестали удовлетворять потребностям человека. Поэтому значительное внимание уделяется синтезу разнообразных новых искусственных материалов, в котором роль химии исключительно высока. Лишь немногим более ста лет назад братья Хайэтт в Нью-Джерси (США) создали хорошо деформируемый материал из низконитрованной бумаги и камфары, пригодный для изготовления типографских валиков. Так появился на свет первый искусственный органический материал, получивший название целлулоид. Сегодня же в нашем распоряжении имеется огромная палитра разнообразных синтетических органических веществ. Еще 10 - 15 лет назад наше будущее связывали с полимерами. Согласно последним прогнозам в ближайшие десятилетня наступит эра керамических материалов.  

Очевидно, что многие материалы, созданные природой, давно перестали удовлетворять потребностям человека. Поэтому значительное внимание уделяется синтезу разнообразных новых искусственных материалов, в котором роль химии исключительно высока. Лишь немногим более ста лет назад братья Хайэтт в Нью-Джерси (США) создали хорошо деформируемый материал из низконитрованной бумаги и камфары, пригодный для изготовления типографских валиков. Так появился на свет первый искусственный органический материал, получивший название целлулоид. Сегодня же в нашем распоряжении имеется огромная палитра разнообразных синтетических органических веществ. Еще 10 - 15 лет назад наше будущее связывали с полимерами. Согласно последним прогнозам в ближайшие десятилетня наступит эра керамических материалов. Однако независимо от характера тех или иных прогнозов ясно, что ни одна из проблем современного общества не может быть решена без создания и широкого использования материалов, обладающих необходимыми свойствами.  

Технический прогресс обусловливает все большие требования к конструкционным материалам. Качества их непрерывно совершенствуются, создаются новые искусственные материалы - пластические массы, которые все шире используются в практике. Одной из таких пластмасс (поливинилхлориду), имеющей огромное значение для развития нашего мирного хозяйства, посвящена настоящая книга.  

Задача этой новой науки заключается в исследовании природы механических свойств сред и материалов, используемых в технике, исходя из микростроения вещества. Важной целью этой науки является изучение проблемы создания новых искусственных материалов с наперед заданными свойствами.  

Разнообразие природы безгранично, но есть материалы, которые не появились бы на свет без человеческого участия. Предлагаем вашему вниманию 10 веществ, созданных руками человека и проявляющих фантастические свойства.

1. Одностороннее пуленепробиваемое стекло

У самых богатых людей есть проблемы: судя по растущим продажам этого материала, им необходимо пуленепробиваемое стекло, которое спасло бы жизнь, но не мешало им отстреливаться.
Это стекло останавливает пули с одной стороны, но в то же время пропускает с другой - этот необычный эффект заключается в «сэндвиче» из хрупкого акрилового слоя и более мягкого эластичного поликарбоната: под давлением акрил проявляет себя как очень твёрдое вещество, и при попадании пули он гасит её энергию, трескаясь при этом. Это даёт возможность амортизирующему слою выдержать удар пули и осколков акрила, не разрушаясь при этом.
При выстреле с другой стороны упругий поликарбонат пропускает через себя пулю растягиваясь и разрушая ломкий акриловый слой, что не оставляет никакого дальнейшего барьера для пули, но не стоит отстреливаться слишком часто, поскольку из-за этого в защите образуются дыры.

2. Жидкое стекло

Было время, когда средства для мытья посуды не существовало - люди обходились содой, уксусом, серебряным песком, трением или проволочной щёткой, но новое средство поможет сэкономить немало времени и сил и вообще оставить мытьё посуды в прошлом. «Жидкое стекло» содержит диоксид кремния, образующий при взаимодействии с водой или этанолом материал, который затем высыхает, превращаясь в тонкий (более чем в 500 раз тоньше человеческого волоса) слой эластичного, сверхстойкого, не токсичного и влагоотталкивающего стекла.

С таким материалом отпадает необходимость в чистящих и дезинфицирующих средствах, так как он способен отлично предохранять поверхность от микробов: бактерии на поверхности посуды или раковины просто изолируются. Также изобретение найдёт применение в медицине, ведь стерилизовать инструменты теперь можно с помощью лишь горячей воды, без использования химических дезинфицирующих средств.

Это покрытие может использоваться для борьбы с грибковыми инфекциями на растениях и герметизации бутылок, его свойства действительно уникальны - оно отталкивает влагу, дезинфицирует, при этом оставаясь эластичным, прочным, пропускающим воздух, и совершенно незаметным, а также дешёвым.

3. Бесформенный металл

Это вещество позволяет игрокам в гольф сильнее бить по мячу, увеличивает поражающую способность пули и продлевает срок службы скальпелей и деталей двигателя.

Вопреки своему названию, материал сочетает прочность металла и твёрдость поверхности стекла: на видео видно, как отличается деформация стали и бесформенного металла при падении металлического шарика. Шарик оставляет на поверхности стали множество маленьких «ям» - это означает, что металл поглощает и рассеивает энергию удара. Бесформенный металл остался гладок, значит, он лучше возвращает энергию удара, о чём также говорит более продолжительный отскок.

Большинство металлов имеет упорядоченное кристаллическое молекулярное строение, и от удара или другого воздействия, кристаллическая решётка искажается, из-за чего на металле и остаются вмятины. В бесформенном металле атомы расположены хаотично, поэтому после воздействия атомы возвращаются на первоначальную позицию.

4. Старлит

Это пластик, выдерживающий невероятно высокую температуру: его тепловой порог настолько высок, что сначала изобретателю просто не поверили. Лишь после демонстрации возможностей материала в прямом эфире на телевидении, с создателем старлита связались сотрудники Британского Центра Атомного Вооружения.
Учёные облучили пластик вспышками высокой температуры, эквивалентными мощности 75-ти бомб, сброшенных на Хиросиму - образец лишь немного обуглился. Один из испытателей заметил: «Обычно между вспышками приходится ждать несколько часов, чтобы материал остыл. Сейчас мы облучали его каждые 10 минут, а он остался невредим, будто в насмешку».

В отличие от других термостойких материалов, старлит не становится токсичным при высокой температуре, также он невероятно лёгок. Его можно применять при строительстве космических аппаратов, самолётов, огнезащитных костюмов или в военной промышленности, но, к сожалению, старлит так и не покинул пределы лаборатории: его создатель Моррис Уард умер в 2011-м году, не запатентовав своё изобретение и не оставив никаких описаний. Всё, что известно о строении старлита - что в его состав входит 21 органический полимер, несколько сополимеров и небольшое количество керамики.

5. Аэрогель

Представьте себе пористое вещество такой низкой плотности, что 2,5 см³ его заключает в себе поверхности, сравнимые с размером футбольного поля. Но это не определённый материал, а, скорее, класс веществ: аэрогель - это форма, которую могут принимать некоторые материалы, а сверхмалая плотность делает его отличным теплоизолятором. Если сделать из него окно толщиной 2,5 см, оно будет иметь те же теплоизоляционные свойства, что и стеклянное окно толщиной 25 см.

Все самые лёгкие в мире материалы - аэрогели: например, кварцевый аэрогель (по сути, высушенный силикон) всего в три раза тяжелее воздуха и достаточно хрупок, зато может выдержать вес, в 1000 раз превышающий его собственный. Графеновый аэрогель (на иллюстрации выше) состоит из углерода, а его твёрдый компонент в семь раз легче воздуха: имея пористую структуру, это вещество отталкивает воду, но поглощает нефть - его предполагается использовать для борьбы с нефтяными пятнами на поверхности воды.

6. Диметилсульфоксид (DMSO)

Этот химический растворитель сначала появился, как побочный продукт выработки целлюлозы и никак не применялся до 60-х годов прошлого века, когда раскрыли его медицинский потенциал: доктор Джейкобс обнаружил, что DMSO может легко и безболезненно проникать в ткани тела - это позволяет быстро и без повреждения кожи вводить различные препараты.

Его собственные лечебные свойства снимают боль при растяжении связок или, например, воспалении суставов при артрите, также DMSO может использоваться для борьбы с грибковыми инфекциями.
К сожалению, когда его медицинские свойства были открыты, производство в промышленных масштабах уже давно было налажено, и его широкая доступность не позволяла фармацевтическим компаниям получать прибыль. Кроме того у DMSO есть неожиданный побочный эффект - запах изо рта использовавшего его человека, напоминающий чеснок, поэтому он используется в основном в ветеринарии.

7. Углеродные нано-трубки

Фактически это листы углерода толщиной в один атом, свёрнутые в цилиндры - их молекулярная структура напоминает рулон проволочной сетки, и это самый прочный материал, известный науке. В шесть раз легче, но в сотни раз крепче стали, нано-трубки обладают лучшей теплопроводностью, чем алмаз, и проводят электричество эффективнее меди.

Сами трубки не видны невооружённым взглядом, а в необработанном виде вещество напоминает сажу: чтобы проявились его необыкновенные свойства, надо заставить вращаться триллионы этих невидимых нитей, что стало возможным относительно недавно.
Материал может применяться в производстве кабеля для проекта «лифта в космос», достаточно давно разработанного, но до недавнего времени совершенно фантастичного из-за невозможности создать кабель длиной 100 тыс км, не согнувшийся бы под собственным весом.

Углеродные нано-трубки помогают и при лечении рака груди - их можно помещать в каждую клетку тысячами, а наличие фолиевой кислоты позволяет выявлять и «захватывать» раковые образования, затем нано-трубки облучают инфракрасным лазером, и клетки опухоли при этом погибают. Также материал может применяться в производстве лёгких и прочных бронежилетов…

8. Пайкерит

В 1942-м году перед англичанами стояла проблема недостатка стали для строительства авианосцев, необходимых для борьбы с немецкими подводными лодками. Джеффри Пайк предложил соорудить огромные плавучие аэродромы изо льда, однако она себя не оправдала: лёд хоть и недорог, но недолговечен. Всё изменилось с открытием нью-йоркскими учёными необыкновенных свойств смеси льда и древесных опилок, которая по прочности была подобна кирпичу, а также не трескается и не плавится. Зато материал можно было обрабатывать, как дерево или плавить, подобно металлу, в воде опилки разбухали, образуя оболочку и предотвращая таяние льда, за счёт чего любое судно можно было ремонтировать прямо во время плавания.

Но при всех положительных качествах, пайкерит был малопригоден для эффективного использования: для постройки и создания ледяного покрова судна весом до 1000 т достаточно было двигателя мощностью в одну лошадиную силу, но при температуре выше -26 °С (а для её поддержания необходима сложная система охлаждения) лёд имеет свойство проседать. Кроме того, целлюлоза, используемая также в производстве бумаги, была в дефиците, поэтому пайкерит так и остался неосуществимым проектом.

9. BacillaFilla - строительный микроб

У бетона есть свойство «уставать» со временем - он становится грязно-серым, и в нём образуются трещины. Если речь идёт о фундаменте здания, ремонт может быть достаточно трудоёмким и дорогим, при этом не факт, что он устранит «усталость»: многие здания сносят именно по причине невозможности восстановления фундамента.
Группа студентов Университета Ньюкасла разработала генно-модифицированные бактерии, способные проникать в глубокие трещины и вырабатывать смесь карбоната кальция и клея, укрепляя здание. Бактерии запрограммированы так, что они распространяются по поверхности бетона, пока не достигнут края очередной трещины, и тогда начинается производство цементирующего вещества, имеется даже механизм самоуничтожения бактерий, предотвращающий образование бесполезных «наростов».

Эта технология позволит уменьшить антропогенный выброс двуокиси углерода в атмосферу, ведь 5% его даёт именно производство бетона, а также с её помощью будет продлён срок службы зданий, восстановление которых традиционным способом обошлось бы в большую сумму.

10. Материал D3o

Устойчивость к механическому воздействию во все времена была одной из основных проблем материаловедения, пока не изобрели D3o - вещество, молекулы которого находятся в свободном движении при нормальных условиях и фиксируются при ударе. Строение D3o напоминает смесь кукурузного крахмала и воды, которой иногда наполняют бассейны. Специальные куртки из этого материала, удобные и обеспечивающие защиту при падении, ударе битой или кулаками, которые могут вам достаться, уже находятся в свободной продаже. Защитные элементы не заметны снаружи, что подходит для каскадёров и даже полиции.

В деревообрабатывающей промышленности использу­ются многие производственные материалы, которые либо целиком состоят из искусственных материалов, на­пример лаки и клеи, либо искусственные материалы яв­ляются их важными компонентами, как, например, пла­стины ламината или древесностружечные плиты. Также готовые детали типа нажимной дверной ручки часто из­готавливаются из искусственных материалов (рис. 2.101).

2.11.1. Структура, обозначения, свойства искусственных материалов

Основными сырьевыми веществами для производства искусственных материалов являются нефть, газ, уголь, вода и воздух. Из них прежде всего производятся хи­мическим путем предварительные продукты, молекулы которых состоят из малого количества атомов, напри­мер, этилен (С2Н2) и формальдегид (СН20). Эти не­большие молекулы называют мономерами.

Благодаря химическому соединению тысяч мономе­ров (моно, от греч. - один) образуются большие моле­кулы, макромолекулы (макро, от греч. - большой). Мак­ромолекулы могут иметь нитевидную структуру или объединяться в пространственные структуры, что для дальнейших свойств искусственных материалов имеет Рис. 2.101. Примеры не­большое значение. Вещества, состоящие из макромо - пользования искусственных лекул, называют полимерами (поли, от греч. - много). материалов

Все искусственные материалы являются полимерами. Искусственные мате­риалы состоят, как и натуральные органические вещества, например хлопок, рог и целлюлоза , в основном из элементов углерода (С), водорода (Н) и кислорода (О). Поэтому они также относятся к органическим веществам. Однако некоторые искусственные вещества содержат в качестве важного элемента крем­ний. Такие вещества называются силиконами.

В соответствии с DIN EN ISO 1043 и DIN ISO 1629 искусственные материалы имеют условные обозначения, которые ведут свое начало от их химических на­званий. Например, поливинилхлорид обозначают как ПВХ (PVC), полиэтилен как ПЭ (РЕ) и фенолформальдегидная смола как ПФ (PF) (табл. 2.21, 2.22 и 2.23).

Так как искусственные материалы на некоторых стадиях обработки могут де­формироваться пластично, то их также можно назвать пластмассами.

Искусственные материалы - это произведенные химическим способом органические, макро - молекулярные вещества. Они состоят в основном из элементов углерода (С), водорода (Н), кислорода (О), азота (N), хлора (CI), серы (S), фтора (F) и кремния (Si).

Искусственные материалы производят в промышленных масштабах тремя спо­собами: полимеризацией, поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией.

При полимеризации чаще всего одинаковые мономеры преобразуются в мак­ромолекулы с нитевидной или линейной структурой. Мономеры - это ненасы­щенные углеводородные соединения, например этилен (С2Н2). После разделе­ния двойной связи они могут полимезироваться в длинные молекулярные нити. Из этилена получают полиэтилен (ПЭ) (рис. 2.102).

Полиэтилен (полимер)

Рис. 2.102. Полимеризация (на примере полиэтилена)

Основными полимерами наряду с полиэтиленом (защитная пленка строитель­ных конструкций от коррозии, трубы) являются поливинилхлорид (кантовый профиль, покрытие полов, оконные переплеты) и поливинилацетат (клей ПВА).

Поликонденсацией называется химический процесс получения высокомоле­кулярных соединений из низкомолекулярных исходных веществ, например при реакции фенола (С6Н5ОН) с формальдегидом (СН20), при одновременном выде­лении побочных продуктов (веществ), например воды (Н20) (рис. 2.103).

Основными полимерами, полученными поликонденсацией, являются фенол­формальдегидная смола, резорцино-альдегидный полимер, мочевиноформаль - дегидная смола и полиамиды.

При ступенчатой полимеризации высокомолекулярные соединения, структу­ра которых нитевидная или пространственная, образуются благодаря соедине­нию различных молекул исходных веществ без выделения побочных продуктов, например при реакции диэтилового спирта (С4Н8(ОН)2) с диизоцианатом (С4Н|;(СМО)3).

Основными продуктами ступенчатой полимеризации являются полиуретано­вая смола - клеящее вещество и полиуретановая пена (рис. 2.104).

Благодаря соответствующему химическому составу и способу изготовления искусственных материалов, а также смешиванию различных искусственных ве­ществ можно достичь почти любых свойств материалов.

Типичными свойствами искусственных материалов являются:

Низкая плотность,

Регулируемые механические свойства,

Электрическая непроводимость,

Теплоизоляция,

Коррозионная и химическая стойкость,

Хорошая деформируемость и обрабатываемость,

Хорошая окрашиваемость,

Гладкие, декоративные поверхности.

Искусственные материалы имеют также свойства, которые ограничивают их применение:

В основном низкая термостойкость,

Частично воспламеняющиеся,

В основном невысокая прочность,

Частично неустойчивы против растворителей.

Высокая сопротивляемость искусственных материалов хоть и является пре­имуществом в случае их применения, но служит недостатком при их утилизации. Из-за возрастания количества применяемых продуктов из искусственных мате­риалов их утилизация стала проблемой для охраны окружающей среды.

Честно говоря, я только недавно узнал об этом материале. Старлит - пластик, созданный достаточно давно, а его свойства просто удивительны. Вот, например, видео с демонстрацией возможностей старлита.

После этого выступления по ТВ, с ученым, создавшим старлит связались сотрудники некоторых университетов, решив проверить возможности материала. ОКазалось, что они просто невероятны, старлит выдерживает огромную температуру, оставаясь при этом практически неповрежденным. При этом старлит нетоксичен даже при очень высокой температуре, и очень легкий.

К сожалению, создатель старлита умер в 2011 году, так и не запатентовав свое детище. Плюс ко всему, секрет создания материала, как это принято говорить, ушел с ним в могилу.

2. Аэрогель

Это действительно гель, с очень малой плотностью. При этом аэрогель является довольно прочным материалом, гораздо более прочным, чем некоторые прочие материалы с подобной плотностью. Он - чрезвычайно эффективный теплоизолятор. Например, тонкую пластину аэрогеля можно нагревать с одной стороны, а с другой он будет осаваться холодным.

Еще интересно то, что аэрогель отталкивает воду, и поглощает нефть. На этом свойстве материала базируется намерение ученых создать надежное средство для борьбы с нефтяными пятнами.

3. BacillaFilla

Это не материал, а микроорганизм, бактерия, которая выделяет особого рода цементирующее вещество. Все звучит не очень интересно, но стоит вспомнить, что некоторые здания, базирующиеся на бетонном фундаменте, сносят только потому, что фундамент "устал".

И во многих случаях починить его нет никакой возможности. А вот BacillaFilla - бактерия, которая выделяет вещество, способное надежно зацементировать прорехи в "уставшем" бетоне. В результате можно сэкономить огромное количество денег и человеко-часов.

пока что непонятно, когда эта бактерия пойдет в дело, но ее возможности сейчас оценивают ученые со всего мира.

4. D3o

Еще один уникальный материал, который назвали коротко - D3o. В этом материале молекулы находятся в свободном движении в обычных условиях, фиксируясь при ударе. Материал этот напоминает смесь кукурузного крахмала и воды. При этом из материала можно делать защитную одежду, выдерживающую значительные нагрузки.

Ну, например, шапка из D3o способна принять на себя удар лопатой, оставив голову человека неповрежденной.

Практически сразу же промышленное производство полимеров развивалось в двух направлениях путём переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путём получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений.

Производство синтетических полимеров началось в 1906 г., когда Л. Бакеланд запатентовал так называемую бакелитовую смолу продукт конденсации фенола и формальдегида, превращающийся при нагревании в трёхмерный полимер. В течение десятилетий он применялся для изготовления корпусов электротехнических приборов, аккумуляторов, телевизоров, розеток и т. п., а в настоящее время чаще используется как связующее и адгезивное вещество.

Благодаря усилиям Генри Форда, перед Первой мировой войной началось бурное развитие автомобильной промышленности сначала на основе натурального, затем также и синтетического каучука. Производство последнего было освоено накануне Второй мировой войны в Советском Союзе, Англии, Германии и США.

В эти же годы было освоено промышленное производство полистирола и поливинилхлорида, являющихся прекрасными электроизолирующими материалами, а также полиметилметакрилата без органического стекла под названием «плексиглас» было бы невозможно массовое самолётостроение в годы войны.

После войны возобновилось производство полиамидного волокна и тканей (капрон, нейлон), начатое ещё до войны. В 50-х гг. XX в. было разработано полиэфирное волокно и освоено производство тканей на его основе под названием лавсан или полиэтилентерефталат.

Также были внедрены в массовое производство полиуретаны наиболее распространенные герметики, адгезивные и пористые мягкие материалы (поролон), а также полисилоксаны элементорганические полимеры, обладающие более высокими по сравнению с органическими полимерами термостойкостью и эластичностью.

Список замыкают так называемые уникальные полимеры, синтезированные в гг. XX в. К ним относятся ароматические полиамиды, полиимиды, полиэфиры, полиэфир-кетоны и др.; непременным атрибутом этих полимеров является наличие у них ароматических циклов и (или) ароматических конденсированных структур. Для них характерно сочетание выдающихся значений прочности и термостойкости.