Тема № 8. Элементы органической химии

Тема № 8. Элементы органической химии

Введение

Соединения углерода (кроме наиболее простых) получили название органических. Это либо природные, либо искусственно полученные вещества. Изучением свойств и превращений органических соединений занимается органическая химия. В данной главе рассматривается лишь небольшая часть органических соединений, имеющих важное значение в авиационной технике.

8.1 Органические полимерные материалы, полимеры и олигомеры

Полимером называется органическое вещество, длинные молекулы которого построены из одинаковых многократно повторяющихся звеньев — мономеров.
Размер молекулы полимера определяется степенью полимеризации n, т. е. числом звеньев в цепи. Если n=10...20, вещества представляют собой легкие масла. С возрастанием п увеличивается вязкость, вещество становится воскообразным, наконец, при n=1000 образуется твердый полимер.

Независимо от вида и состава исходных веществ и способов получения материалы на основе полимеров можно классифицировать следующим образом: пластмассы, волокниты, слоистые пластики, пленки, покрытия, клеи.

Химические свойства.

Для полимеров характерна высокая стойкость по отношению к неорганическим реактивам и меньшая — к органическим. В принципе все полимеры неустойчивы в средах, обладающих резко выраженными окислительными свойствами, но среди них есть и такие, химическая стойкость которых выше, чем золота и платины. Поэтому полимеры широко используются в качестве контейнеров для особо чистых реактивов и воды, защиты и герметизации радиокомпонентов, и особенно полупроводниковых приборов и информационных систем.

Для большинства полимеров характерно старение — необратимое изменение структуры и свойств, приводящее к снижению их прочности.

Электрические свойства.

Как правило, полимеры являются диэлектриками, по многим параметрам лучшими в современной технике.

Вещества по длине цепи средние между мономерами и полимерами, обладающие низкой вязкостью, называются олигомерами.

Достоинство олигомеров — низкая вязкость — дает возможность формования изделий при минимальном усилии прессования или вообще без него, под действием собственного веса. Более того, даже в смеси с наполнителями олигомеры сохраняют текучесть, что позволяет набрасывать материал на поверхность макета, не применяя давления, получать детали крупных размеров сложной формы. Низкая вязкость олигомеров позволяет также пропитывать листы ткани, а их склеивание под прессом и отверждение лежит в основе производства слоистых пластиков—оснований печатных плат.

Олигомеры как ни один полимер подходят для пропитки и наклейки компонентов, особенно когда применение давления недопустимо. Для снижения вязкости в олигомер можно вводить добавки, которые способствуют повышению пластичности, негорючести, биологической стойкости и т, д.

8.2 Горюче-смазочные материалы, используемые в военной авиации

В России производится авиационный бензин пяти марок: Б-70, Б-92, Б-91/115, Б-95/130 и Б-100/130.

Самолетное топливо авиационный керосины:

Т -1 применяется для реактивных двигателей летательных аппаратов, предназначенных для движения с дозвуковыми скоростями;

ТС-1 применяется для реактивных двигателей летательных аппаратов, предназначенных для движения с дозвуковыми скоростями;

Т-6 применяется для реактивных двигателей летательных аппаратов, предназначенных для движения со сверхзвуковыми скоростями до М=3,5;

Т-8В применяется для реактивных двигателей летательных аппаратов, предназначенных для движения со сверхзвуковыми скоростями до М=2,5;

РТ применяется для реактивных двигателей летательных аппаратов, предназначенных для движения с дозвуковыми скоростями, но при непродолжительном полете может быть использован аппаратами, движущимися со скоростью не более М=1,5.

Авиационное масло марки МС-20
Применяют в поршневых двигателях самолетов; в составе масло-смесей с маслами МС-8П, МС-8 (в различных соотношениях) в смазочных системах турбовинтовых двигателей; в осевых шарнирах втулок винтов вертолетов; для смазывания мотокомпрессоров газоперекачивающих агрегатов, а также в качестве базового компонента для некоторых моторных масел и смазок.

Авиационное масло марки МК-8
Применяется в газотурбинных двигателях авиационной и наземной техники с рабочей температурой до 125°С, а также для консервации топливной аппаратуры

Авиационное масло марки МК-8п
Предназначены для газотурбинных двигателей (1ТД) дозвуковых и сверхзвуковых самолетов. Используют в составе маслосмесей с авиационным маслом МС-20 (в
соотношении 25:75, 50:50, 75:25) в турбовинтовых двигателях, а так же для консервации маслосистем авиационных двигателей. Применяют в корабельных газотурбинных установках и в газоперекачивающих агрегатах.

Авиационное масло марки ВНИИНП-50-1-4ф
ВНИИ НП-50-1-4ф применяется в авиационных турбореактивных двигателях самолетов, у которых температура масла на выходе из двигателя до 175°С (самолеты гражданской авиации Ил-96-300, Ту-204, Як-42, Ан-74, Ан-124 "Руслан", самолеты военной авиации Ан-72, МиГ-21, МиГ-23, МиГ-27, Су-15, Су-17, Су-20, Су-24, Су-25, Су-27, Ту-22, вертолеты Ми-26).
ВНИИНП-50-1-4ф используется в турбохолодильниках систем кондиционирования ЛА, а также в авиационных газотурбинных двигателях газоперекачивающих агрегатов.

Авиационное масло марки Б-3В
Масло Б3-В применяется в газотурбинных двигателях, редукторах вертолётов и другой технике с температурой масла на выходе из двигателя до 200°С.

Гидравлическое масло марки АМГ-10

Гидровлическое масло АМГ-10 вырабатывается на основе глубокодеароматизированной низкозастывающей фракции, получаемой из продуктов гидрокрекинга парафинистых нефтей и состоящей из нафтеновых и изопарафиновых углеводородов. АМГ-10 содержит загущающую и антиокислительную присадки, а также специальный отличительный органический краситель.
Масло АМГ-10 применяется для гидросистем авиационной и наземной техники, работающей в интервалах температур окружающей среды от -60°С до +55°С.

Приборное масло марки ВНИИНП-75
Предназначено для пропитки пористых подшипников микроэлектродвигателей. Упаковывают, маркируют, транспортируют и хранят по ГОСТ 1510-84.

8.3 Состав, свойства и переработка органического топлива

Классификация топлива

В настоящее время основным источником энергии является химическая энергия топлива. Топливо подразделяется по агрегатному состоянию на твердое, жидкое и газообразное, по способу получения – на естественное и искусственное.

Общее представление о нефти и технологии ее переработки для получения авиационных топлив

Основные физико-химические свойства нефтяных топлив и их практическое значение

Нефть — жидкое горючее ископаемое. Это маслянистая жидкость с плотностью 0,65...1,05, температурой начала кипе­ния выше 28° С. По химическому составу нефть представляет собой сложную смесь углеводородов: парафинов, нафтенов и ароматических углеводородов с примесью соединении кисло­рода, серы, азота и некоторых металлов.

Основным способом переработки нефти является ее прямая перегонка.

В настоящее время большое значение приобрели процессы вторичной переработки нефтяных фракций, приводящие к изменению их химического состава. Целью этих процессов является повышение выхода более ценных легких фракций, преобразование углеводородного состава и удаление нежела­тельных примесей. К числу таких процессов относятся кре­кинг, гидроочистка и гидрокрекинг.

Крекинг — высокотемпературная переработка нефтяного сырья с целью получения продуктов с меньшей молекулярной массой. Процесс используется для превращения тяжелых высококипящих нефтяных фракций в более ценные легкие низкокипящие, например, бензин. Крекинг осуществляют при температуре 450...550° С и давлении 0,12...3 МПа. При этом происходит разрыв С — С, С — Н связей и образуется смесь насыщенных и ненасыщенных углеводородов с меньшим числом углеродных атомов, например,

С10 Н22 ® С8 Н18 + С2 Н4

декан октан этен

Кроме этого, протекают также процессы изомеризации н-парафинов и дегидрирования (отщепления водорода) нафтенов. Применение катализаторов — цеолитов (кристаллических алю­мосиликатов) позволяет ускорить процесс и увеличить выход ценных продуктов.

Высокотемпературный крекинг (700...1000° С) носит назва­ние пиролиз. Продуктами пиролиза являются низшие олефины — ценное сырье для нефтехимии — и ароматические углеводороды.

Гидроочистка — обработка нефтепродуктов водородом при 250...420° С и давлении 2...3 МПа в присутствии катализа­торов. Цель процесса — удаление ненасыщенных углеводородов, а также нежелательных гетероорганических соединений серы, азота, кислорода с целью улучшения качества топлива. В результате присоединения водорода ненасыщенные углеводороды превращаются в насыщенные, а гетероорганические соединения серы, азота и кислорода — в легко уда­ляемые Н, S, NH3 , H2 О.

Гидрокрекинг — каталитическая переработка тяжелых и остаточных нефтяных фракций (мазута и гудрона) в при­сутствии водорода при высоких температурах и давлениях. Осуществляется при 300...425° С и давлении 5...20 МПа; в качестве катализатора используются цеолиты, содержащие платину или палладий. Гидрокрекинг является сочетанием процессов крекинга и гидроочистки. При этом происходит расщепление высокомолекулярных углеводородов, а образо­вавшиеся ненасыщенные углеводороды, присоединяя водород, превращаются в насыщенные. Кроме того, удаляются нежела­тельные примеси. Различные варианты процесса используются для получения бензина, реактивных и дизельных топлив, углеводородной основы некоторых синте­тических смазочных масел.

Реактивные топлива состоят из углеводородов четырех групп: парафинов, нафтенов, олефинов и ароматических.

Пара­фины и нафтены содержатся в топливах в наибольшем коли­честве (75...95%).

Для парафинов характерна высокая хими­ческая стабильность, т. е. способность сохранять неизменным свой химический состав в контакте с кислородом воздуха. Они имеют наиболее высокую по сравнению с углеводородами других групп теплоту сгорания.

Недостатком парафинов яв­ляется малая плотность. Кроме того, высокомолекулярные парафины нормального строения имеют слишком высокую температуру кристаллизации. Поэтому топлива, а также масла в процессе их производства очищают от нормальных парафинов.

Нафтены несколько уступают - парафинам по теплотвор­ности, но обладают более высокой плотностью. Их химическая стабильность так же высока, как и у парафинов. По совокуп­ности свойств нафтены являются наиболее желательной частью реактивных топлив.

Из непредельных углеводородов в составе ГСМ содержатся в основном олефины. В нефтях олефины практически отсутствуют, они образуются в процессе терми­ческой переработки нефти и нефтепродуктов. Содержание олефинов в топливах обычно невелико (до 2,5%), однако они оказывают существенное вредное влияние на их свойства.

Олефины наименее стабильны из всех групп углеводородов, содержащихся в топливе: их окисление и полимеризация приводят к загрязнению топлива органическими кислотами, смолами, твердыми осадками.

Содержание ароматических углеводородов в авиационных керосинах не превышает 20...22%, а в утяжеленных керосинах, предназначенных для сверхзвуковых самолетов, — 5...10%.

Ароматические углеводороды обладают наибольшей плот­ностью по сравнению с углеводородами других групп, обеспе­чивая увеличение бортового запаса топлива. Однако их теплота сгорания ниже, чем у других углеводородов. При умеренных температурах эти углеводороды стабильны, а при нагреве они являются одним из источников образования твердых осадков. Горение ароматических углеводородов сопровождается появ­лением сажи в пламени, нагара на стенках камеры сгорания и на форсунках.

Ароматические углеводороды по сравнению с дру­гими углеводородами сильнее разрушают резину, а также более гигроскопичны, растворяют большее количество воды.

Теплота сгорания (теплотворность). Основным показателем, позволяющим оценить энергетические свойства топлива, является теплота сгорания (теплотворность). Чем выше теплота сгорания топлива, тем меньше, его удельный расход и при прочих равных условиях тем больше дальность или продолжительность полета ле­тательного аппарата.

Плотность – Один из основных показателей энергетических способностей топлива. С увеличением плотности топлива увеличивается дальность и продолжительность полета при одном и том же объеме топлива.

Испаряемость. Испаряемостью жидкости называется способность ее переходить в парообразное состояние. Испаряемость топлива имеет большое эксплуатационное значение, так как она влияет на процессы смесеобразования и горения, на потери топлива при хранении и при высотных полетах, на надежность работы топливопроводов.

Низкотемпературные свойства - стандартом строго оговаривается темпера­тура начала кристаллизации.

Стабильность. Стабильность характеризует способность топлив сохранять свой состав и свойства при хранении.

Коррозионная активность. Чистые углеводороды коррозии ме­таллов не вызывают. Однако в нефтепродуктах могут находиться или образоваться химически активные вещества: кислоты, щелочи, сера и ее соединения, а также вода. Кислота или щелочь может попасть в нефтепродукт при его производстве. Поэтому непосредственно на месте производства прове­ряется кислотное число всех принимаемых нефтепродуктов. Неорга­нические кислоты и щелочи хорошо растворяются в воде.

Для уменьшения коррозионного действия топлив и смазочных материалов на детали топливной системы и для защиты емкостей от коррозии применяются различные противокоррозионные присадки.

Нагарообразование и зольность. Несмотря на то, что в среднем в камерах сгорания газотурбинных двигателей имеется избыток кислорода, из-за неравномерного распределения топлива, несовер­шенства распыливания, перемешивания и некоторых других причин часть топлива сгорает не полностью.

Вязкость. Вязкостью называется свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одного ее слоя относительно другого.

Особенно важное значение имеет вязкость для смазочных мате­риалов. Однако и для реактивных топлив, и в част­ности керосинов, вязкость имеет существенное эксплуатационное значение, так как она влияет на качество распыливания, а через него на весь процесс смесеобразования и сгорания в двигателе.

8.4 Химия смазок, охлаждающих и гидравлических жидкостей

Основные физико - химические свойства смазочных материалов и их практическое значение

Смазка служит для понижения трения в механизмах и умень­шения износа трущихся деталей. Смазочные материалы, кроме того, могут отводить тепло, уносить продукты износа из узлов тре­ния, предохранять их от коррозии и т. п.

Вязкость. Вязкость характеризует внутреннее трение между частицами жидкости. Вязкость смазочного масла является одной из основных его характеристик. При слишком малой вязкости «не­сущая» способность масла недостаточна, оно выдавливается из узлов трения и не обеспечивает надежной смазки. При излишке большой вязкости возникают затруднения с запуском двигателя и прокачкой масла по трубопроводам; при еще большей вязкости масло уже не проникает в зазоры между трущимися деталями, в результате чего смазка их нарушается. Вязкость зависит от хи­мического состава и строения углеводородов, из которых состоит масло, и для разных масел может отличаться во много раз. Суще­ственно влияют на вязкость условия, в которых находится масло, и в первую очередь его температура; при относительно небольшом изменении температуры вязкость может изменяться в сотни раз.

Зависи­мость, вязкости от температуры масла назы­вается его вязкостно-температурной характеристикой.

На графике приведены вязкостно-температурные характеристики двух масел.

Как видно, во-первых, для разных масел эта характеристика имеет разную крутизну; вo - вторых, чем выше температура масла, тем положе кривая; при низкой температуре характеристика масла весьма крутая и при относительно небольшом пони­жении температуры вязкость масла быстро увеличивается вплоть до полной потери текучести; в-третьих, в заданном интервале тем­ператур менее вязкие масла изменяют свою вязкость меньше, чем более вязкие.

Чем меньше меняется вязкость масла при изменении его тем­пературы, т. е. чем положе его вязкостно-температурная характе­ристика, тем выше качество масла. Такое масло при пониженных температурах не создает дополнительных трудностей при запуске двигателя и, нагреваясь при работе, сохраняет допустимую вяз­кость до большей температуры. Высокая вязкость холодного масла является одной из причин, ограничивающих его применение.

Для того чтобы масло имело возможно более пологую вязкост­но-температурную характеристику и требуемую вязкость при рабо­чей температуре, маловязкие жидкие масла загущают вязкостными присадками.

Смазывающая способность масел. Смазочные масла обладают способностью образовывать на поверхности металлических дета­лей тонкие граничные пленки, которые прочно сцеплены с поверх­ностью металла. При сжатии между твердыми поверхностями такие пленки не нарушаются и, препятствуя непосредственному контакту трущихся деталей, существенно уменьшают их износ. При трении незащищенных пленками металлических деталей по их по­верхности происходит задир пли «схватывание» (сварка), приводя­щие к сильному износу деталей, к их разрушению. Одновременно при этом скачком возрастает и коэффициент трения. Толщина и прочность таких пленок зависят от температуры, состава и свойств смазывающего масла. По мере повышения температуры масла теп­ловое движение его молекул усиливается, в него все больше вовле­каются молекулы пленки; в результате толщина пленки умень­шается и при некоторой температуре она разрывается.

Граничные пленки образуются в результате взаимодействия масла с металлом. Поэтому их толщина и прочность зависят и от материала трущихся деталей. Так, например, нефтяные масла прак­тически не образуют граничных пленок на деталях из титана, если на их поверхности не нанесены специальные покрытия.

Смазывающую способность масел можно повысить, применяя специальные антиизносные присадки. Такими присадками служат вещества, молекулы которых образуют на смазываемом металле прочную граничную пленку. Однако при повышенной температуре масла антиизносные присадки теряют свою эффективность, так как граничные пленки в этих условиях разрушаются. Если таких режи­мов работы избежать нельзя, дополнительно применяют антизадирные присадки. При повышенных температурах они вступают в химическую редакцию с металлом трущихся деталей, образуя на их поверхностях легко отслаивающиеся пластические соединения, уменьшающие опасность появления задиров. Недостатком антизадирных присадок является их коррозионная активность по отно­шению к металлам, уменьшающая срок службы детален масляной системы.

Стабильность масел. При хранении смазочные материалывполне стабильны — они не меняют своего состава и свойств в те­чение длительного времени. Однако во время работы, когда темпе­ратура масла повышается, оно частично окисляется кислородом воздуха. Окисление начинается с образования перекисей, которые затем превращаются в органические кислоты, спирты и смолы. Органические кислоты повышают общую кислотность масла, усиливая его коррозионную активность. Смолы в небольшом количестве играют даже положительную роль, увеличивая смазочную способность масла и замедляя дальнейшее его окисление. Но постепенно накапливаясь, они увеличивают вязкость масла, а по мере окисле­ния уплотняются и превращаются в твердые вещества, называемые асфальтенами.

Асфальтены растворяются в масле, окрашивая его в темный или даже в черный цвет. Само по себе их присутствие опасности не вызывает, но они ускоряют процесс окисления. Про­дуктами окисления асфальтенов являются еще более плотные и уже нерастворимые в масле вещества (карбены и карбоиды), ко­торые выпадают в осадок.

Чем выше температура масла, тем интенсивнее идут процессы окисления, больше накапливается осадков, быстрее повышается кислотность и тем меньшее время масло сохраняет свою работо­способность.

Кроме температуры и свойств, определяемых химическим со­ставом, окисляемость масла зависит от длительности окисления, каталитического действия некоторых металлов и присутствия воды.

Такие металлы, как железо, свинец, а особенно медь, являются катализаторами окисления масла; контакт с ними ускоряет его окисление.

Другие металлы (например, алюминий, олово) на про­цесс окисления масла практически не влияют. Попавшая в масло вода интенсифицирует все процессы окисления, сокращая срок его службы.

Изменение свойств масла во время работы требует периодиче­ской его замены.

Срок службы масла зависит от его ста­бильности и условий работы. Он устанавливается на основании опыта эксплуатации, и его необходимо строго соблю­дать. Отработавшее свой срок масло обычно имеет повышенную кислотность и склонность к образованию осадков и лака, а также, несмотря на фильтрацию, повышенное количество механических примесей. Работа на нем приводит к усиленному износу двигате­ля, снижению его надежности и ресурса. Преждевременная замена масла нецелесообразна не только из экономических соображении. Как указывалось, образующееся при работе некоторое количество смолистых веществ благоприятно сказывается на смазочной спо­собности масла и облегчает приработку деталей двигателя.

Консистентные смазки и специальные жидкости

Консистентные смазки. Консистентные или пластичные смазки занимают промежуточное положение между твердыми телами и жидкостями

Антифрикционные смазки предназначены для уменьшения тре­ния и износа в таких узлах трения, в которых смазку желательно нанести заранее, так как подводить ее во время работы затрудни­тельно, т. е. в условиях, в которых жидкая смазка неприменима.

Защитные смазки служат для предохранения поверхности деталей от коррозии и ее защиты от воздействия кислорода воздуха, влаги и пыли как во время работы, так и при консервации.

Консистентные смазки представляют собой смесь жидких неф­тяных или синтетических масел и твердых загустителей. Хотя за­густителя в смазке содержится всего 10—20% от ее веса, его роль в определении свойств смазки является определяющей поэтому смазки обычно классифицируют по типу загустителей, в качестве которых обычно используются или различные мыла, или твердое углеводороды; в соответствии с этим смазки подразделяют на мыльные и углеводородные,

Мылами называются соли высших жирных кислот, получаемые при взаимодействии последних с различными щелочами, выбор ко­торых существенно влияет на свойства мыла, а через него — и на свойства смазки. Чаще других при производстве смазок исполь­зуют кальциевые, натриевые, литиевые и комбинированные кальциево-натриевые мыла.

Кальциево-натриевые смазки по допустимой темпера­туре применения и влагостойкости занимают промежуточное по­ложение между кальциевыми и натриевыми.

Литиевые смазки влагостойки и работоспособны до 120— 150° С. Так как литиевые мыла практически не растворяются в воде и имеют более высокую температуру плавления, чем каль­циевые, их высокая загущающая способность позволяет при изго­товлении смазки применять малозязкие масла, имеющие низкую температуру застывания. Поэтому литиевые смазки сохраняют свои свойства при низких температурах (до —60...—70° С).

Специальные жидкости

Специальными жидкостями принято называть рабочие жидко­сти гидравлических систем, самолетные противообледенительные жидкости, охлаждающие жидкости и огнегасящие жидкости.

Чаще всего в качестве жидкости для гидросистем применяют масло АМГ-10 (авиационное масло, гидравлическое, с вязкостью 10 сст при 50°С). Оно представляет собой керосиновую или газойлевую фракцию низкозастывающих нефтей, загущенную высо­комолекулярным полимером (виниполом) с антиокислительной и противокоррозионной присадками; масло окрашено в красный цвет.

Жидкости для гидросистем и амортизационных стоек на нефтяной основе работоспособны при температурах, не превышающих 100° С, а при применении в системе инертных газов, уменьшающих их окисление,—до 150—160°С. При более высоких температурах применяют синтетические гидромасла, например смесь диэфирного и кремнийорганического масел 7-50С-3. Эти масла растворяют все виды резины, что затрудняет уплотнение стыков.

Самолетные противообледенительные жидкости. При низких температурах в полете, а иногда и ни стоянке на летательном аппарате, может нарасти слой льда.

Наряду с обогревом некоторых поверхностей летательного ап­парата применяется подача на них антиобледенительной жидко­сти. В полете для предупреждения обледенения стекол фонаря ка­бины пилотов, передней кромки крыла и лопастей воздушных вин­тов применяется этиловый спирт, а в некоторых случаях (для экономии) — водо-спиртовые смеси различного состава. На вертолетах в качестве противообледенительных жидкостей применяется смесь 85% этилового спирта и 15% глицерина.

Благодаря большей вязкости и меньшей испаряемости такая смесь лучше, чем чистый спирт, удерживается на лопастях ротора вертолета.

Охлаждающие жидкости. Летом для этой цели используется обычно дистиллированная вода, а зимой — низ­козамерзающая жидкость, состоящая из 50% дистиллированной воды и 50% этилового спирта. По мере увеличения скоростей по­лета потребность в охлаждении воздуха увеличивается и испари­тельное охлаждение будет приобретать все большее значение.

Огнегасящие жидкости. Обеспечение противопожарной безопас­ности современного летательного аппарата является важной и весьма сложной задачей. С одной стороны, на его борту находится большое количество, легковоспламеняющегося топлива, вес ко­торого составляет до 35—45% стартового веса самолета.

Протя­женность топливо - и маслопроводов, а также трубопроводов гидро­системы, заполненных в большинстве случаев горючими жидко­стями, изготовленными на базе нефтепродуктов, измеряется кило­метрами.

С другой стороны, современные двигатели, являющиеся мощными источниками тепла и пламени, не могут быть далеко отнесены от мест скопления огнеопасных материалов.

Противопожарная защита является обязательной для всех ти­пов летательных аппаратов. В системе такой защиты важную роль играют огнегасящие жидкости, которые подаются к возникшему) очагу пожара, прекращая к нему доступ кислорода или охлаждая горючее вещество ниже температуры воспламенения, т. е. созда­вая условия, обеспечивающие погасание пламени.

Значительно большей эффективностью обладают огнегасящие жидкости «3,5» и «7». Их маркировка указывает, что по огнегасящей концентрации эти жидкости в 3,5 и в 7 раз эффективнее угле­кислоты, принятой за эталон. Жидкость «3,5» представляет собой смесь 70% бромистого этила С2Н5Br 30% углекислоты; темпера­тура ее кипения +38° С, а температура кристаллизации —126° С. Из одного килограмма жидкости образуется при испарении около 300 л газа, смесь которых почти с 2000 л воздуха сохраняет о гасящие свойства.

8.5 Органические полимерные материалы

По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтетические, например полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы.

Применение полимеров

Материалы, получаемые на основе полимеров. На основе полимеров получают волокна, пленки, лаки, клеи, резины, пластмассы и композиционные материалы (композиты).

Полимерные композиционные материалы (ПКМ). Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000$. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

А) Стеклопластики – полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т. д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т. д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей – куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось – она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Стеклопластики – достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т. п.

Б) Углепластики – наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т. д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы – наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000° С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.

В) Боропластики – композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30% стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики.

Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Г) Органопластики – композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т. д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40–70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров – полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т. п. – варьируется в значительно больших пределах – от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло - и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.

Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.

Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа - и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т. д.

Д) Полимеры, наполненные порошками. Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H. Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола – вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал – бакелит – приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя – пресс-порошок - под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это – ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются по сей день.

Сейчас применяются разнообразные наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал. Применяют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т. д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т. п. По-прежнему широко применяют органические наполнители – древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал.

Е) Текстолиты – слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов – покрытия для кухонных столов – трудно переоценить.

Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие – на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон – хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т. д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.