Неметаллические конструкционные материалы

Неметаллические конструкционные материалы нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Используются также для защиты различных металлических конструкций от коррозии. Применение таких конструкционных материалов позволяет также сэкономить денежные средства, заменяя ими более дорогостоящие.

Неметаллические конструкционные материалы подразделяются на органические (на основе полимеров) и неорганические (на основе силикатов).

К конструкционным материалам органического происхождения относятся материалы на основе каучука, полимерные соединения, графит и его производные и т.п. К неорганическим: керамика, горные породы, силикатные материалы.

В неорганических конструкционных материалах устойчивость к химическому воздействию сильно зависит от минералогического и химического состава. Типа структуры, пористости. Если в составе конструкционного материала большое содержание труднорастворимых или нерастворимых кислотных оксидов – он обладает повышенной устойчивостью к воздействию кислот. К кислотостойким неорганическим соединениям такого рода относятся алюмосиликаты, кремнезем, низкоосновные силикаты и т.д. Каолин (гидратированный алюмосиликат) повышенной стойкостью к воздействию кислот не отличается.

Если в состав материала входит основный оксид, то он разрушается в минеральных кислотах, но устойчив в щелочах. К таким материалам относятся: строительные цементы, известняки, магнезиты.

Силикатные материалы


Различают искусственные и природные силикатные материалы.

Асбест, граниты, андезиты, бештауниты относятся к кислотостойким природным соединениям.

Асбест, кроме высокой стойкости к кислотам, является еще и отличным огнеупорным материалом. Это дигидрат силиката магния (3MgO×2SiO2•2H2O).

Граниты термостойки до температуры 250°С. В состав гранитов входит около 70-75% SiO2, 13-15% Al2O3, оксиды кальция, магния и натрия занимают около 8-10%.

Бештауниты отличаются повышенной кислотостойкостью, твердостью, термостойкостью (до 800°С), тугоплавкостью. SiO2 в бештаунитах содержится около 60-70%.

Горные породы довольно востребованный материал, но сложность их добычи немного притормаживает широкое распространение в народном хозяйстве. Однако в некоторых случаях горные породы являются незаменимыми.

Асбест, в большинстве случаев, используется как вспомогательный материал, в виде наполнителя, фильтрующей ткани, нитей, применяется в изоляции корпусов различных аппаратов.



Из неметаллических конструкционных материалов могут быть изготовлены устройства и агрегаты, а также отдельные детали к ним. Кроме того, неметаллические конструкционные материалы используются в качестве защиты основного материала изделия (например, футеровка ванны травления выполнена из неметалла, а основа – металлическая).

Свойства неметаллических конструкционных материалов многообразны: высокая стойкость в различных агрессивных средах, небольшая плотность, различная теплопроводность, хорошая адгезия к поверхности металла и др. Большинство из них все же не выдерживают высоких температур (особенно это относится к неметаллическим конструкционным материалам органического происхождения, которые разрушаются уже при 150-200°С), плохо реагируют на перепады температуры, трудно обрабатываются.

В средах с повышенной агрессивностью очень важную роль играет способность защитного покрытия изолировать основную конструкцию. Между подложкой и внешней средой не должно быть прямого контакта. Для обеспечения полной изоляции используются утолщенные слои одного материала или же многослойные покрытия, которые включают в себя несколько относительно тонких слоев из разных материалов. Довольно часто, когда один материал наносят слишком толстым слоем, в нем возникают внутренние напряжения, и защитное покрытие довольно быстро разрушается.

В нефтеперерабатывающей и химической промышленности широкое распространение получили именно многослойные защитные покрытия, сформированные из неметаллических конструкционных материалов.

Условно в покрытии можно выделить три основные зоны, которые несут в себе различные функции:

- нижний слой (грунт), который прилегает непосредственно к основному материалу и обеспечивает стабильность связи между подложкой и покрытием;

- средняя часть (основное покрытие) определяет механические и изоляционные свойства;

- внешний слой, поверхностный, который вступает в непосредственный контакт с агрессивной средой (иногда ему придают специальные свойства).

Среди неметаллических конструкционных материалов в противокоррозионной защите нашли широкое применение резины, пластические массы (пластмассы), различные силикатные материалы и многие другие.

Резина


Резина – один из самых распространенных конструкционных материалов. Применяется во многих отраслях промышленности, народного хозяйства, в особенности, в автомобилестроении. Существует большое количество различных видов и марок резины, которые используются для изготовления определенных изделий, например шин, втулок, шланги, изоляционные материалы и др.

Любая резина изготавливается из каучука.

Каучуки – высокомолекулярные соединения, которые обладают способностью выдерживать большие механические нагрузки, даже при пониженных температурах. Особенностью каучуков можно считать то, что эти нагрузки обратимы.

Каучуки обладают высокой эластичностью, т.к. их молекула в нормальном виде (не под воздействием каких-либо напряжений) находится в свернутом состоянии. При приложении напряжения она просто выпрямляется и приходит в нормальное состояние по окончанию воздействия нагрузки.


Существуют натуральные и синтетические каучуки, которые используются для производства резины и некоторых других материалов специального назначения.

Резина – материал, который способен выдерживать большие обратимые нагрузки (до 1000%). Свойства резины, в большей степени, определяются свойствами исходного материала (каучука), содержание которого от 10 до 98 %. Кроме каучуков в состав резины входят пластификаторы (для придания мягкости), наполнители, красители, вулканизирующие вещества, противостарители и др.

Пластификаторы вводятся в резину для равномерного распределения компонентов смеси и облегчения формования. В качестве пластификаторов применяют мазут, различные каменноугольные и нефтяные смолы, парафин и др.

Наполнителями служат ткани, сажа, оксиды титана, «белая сажа». Они значительно снижают себестоимость готовой продукции и улучшают или придают какие-то новые свойства готовой продукции.

Красители вводятся не во все резины для придания им цвета, красивого внешнего вида.

Вулканизирующие вещества добавляют в смесь для преобразования структуры каучука (линейной в сетчатую). Вулканизирующими веществами служат органические перекиси, оксиды металлов, сера.


Для ускорения процесса вулканизации вводят ускорители (дитиокарбонаты, полисульфиды и др.)

Также в состав резины входят противостарители и, при необходимости, армирующие материалы.

Противостарители препятствуют старению изделий из резины за счет реакции с кислородом (быстрее, чум у каучука). В качестве противостарителей используются воск, фенолы и др.

Для придания изделиям из резины большей упругости, сохранения их свойств под нагрузкой их дополнительно армируют. При формировании изделия в состав резиновой смеси вводится ткань, стальная проволока, корд и др.

Резины подразделяют по назначению на теплостойкие, морозостойкие, маслостойкие, общего назначения, диэлектрические, газонаполненные, стойкие к воздействию химических веществ, радиации.
Керамика (защитные керамические материалы)

Керамические материалы получают обжигом силикатных материалов (до спекания), а также веществ, которые применяются для понижения температуры шихты. Керамика – это материал, основной составляющей которой являются глина на основе Al2O3 (больше, чем 20%).

К таким керамическим материалам относятся сама керамика, фарфор, кислотоупорная эмаль, каменно-керамические изделия и многое другое.

Фарфор – это тонкокристаллический материал, который получают обжигом при температурах около 1300 - 1450°С. Фарфор довольно прочный, не пропускает воду, газы. Фарфор стоек в кислотах (даже в плавиковой). Отличается высокой термостойкостью, износостойкостью, твердостью. Не боится резких и больших перепадов температур (сохраняет свои свойства при перепаде температуры от 20 до 1000°С). Пор в материале крайне мало и они незаметны невооруженным глазом.

Фарфор не взаимодействует с различными реагентами и поэтому нашел широкое применение в тех областях, где нужна особая чистота используемых материалов (фармацевтика, пищевая промышленность и др.)

Применяют фарфор также и в химической промышленности, даже в металлургии для изготовления тиглей, разных емкостей, фильтров, вакуум-аппаратов и т.д.

Фарфор является отличным футеровочным материалом для травильных ванн, металлических аппаратов. В шаровых мельницах фарфором покрыта поверхность шаров.

В металлургии широко используется огнеупорная керамика (огнеупор), которой покрыты плавильные и другие печи, агрегаты (используется также для строительства). К такому материалу предъявляются определенные требования: огнеупорная керамика должна выдерживать очень высокую температуру, не теряя своих первоначальных свойств, т.е. не подвергаться короблению (деформации), разрушению, особенно при резких перепадах температуры.

Огнеупорная керамика (в производстве называют просто огнеупорным кирпичом) бывает нескольких видов: шамотная, кислая (динасовая), полукислая, тальковая и др. Эти виды огнеупоров отличаются по составу и каждый вид используется только в определенной среде.

Керамические материалы нашли широкое применение при защите металлов от коррозии. Например, пористая керамика используется для изготовления электролизеров (а именно, диафрагмы), для специальных пластин-фильтров для кислородных установок и многого другого.

С пористой керамики делают поролитовые плитки. Для очистки газов (на конечных стадиях) используются фильтры также из пористой керамики.


Пластические массы (пластмассы)

Пластмассы – это высокополимерные материалы или композиции из них, которые при определенных условиях (изменение температуры и давления) могут переходить в пластическое состояние или же менять свою форму.

В противокоррозионной защите пластические массы нашли широкое применение, т.к. сочетают в себе ряд полезных и очень ценных свойств. Этот вид материалов не подвергается атмосферной коррозии, имеет невысокую плотность (что отражается сильно на их весе), не разрушаются под воздействием многих растворам солей, щелочей и кислот. Пластические массы являются хорошими диэлектриками, обладают теплоизоляционными свойствами, а также могут быть эластичными или упругими, радио- и оптическипрозрачными.

Из пластических масс легко формовать изделия. Материал хорошо поддается механической обработке. По прочности некоторые виды пластмасс могут превосходить сплавы цветных металлов и углеродистые стали. Все пластические массы проявляют высокую стойкость во многих коррозионных средах, но в то же время имеют и свои недостатки. Они подвержены старению, быстро плавятся при повышении температуры, относительно легко ломаются (имеют невысокую твердость), плохо проводя тепло.


Широкое распространение получили сложные (композиционные) пластмассы и простые (ненаполненные). В состав сложных пластических масс входит смола и другие вещества, которые выполняют функции наполнителей, связующего, отвердителей, пластификаторов, красителей и др. При изготовлении простых пластмасс используется только одно вещество, от характеристик которого и зависят свойства пластической массы.

Наполнители пластических масс

Наполнители в пластмассы вводятся для улучшения их внешнего вида, придания диэлектрических и механических свойств, удешевления и снижения горючести. Наполнители могут иметь вид листовых, порошковых или волокнистых материалов. В качестве листовых наполнителей пластмасс могут использоваться древесный шпон, ткани, бумага и многое другое. Среди порошковых наполнителей можно отметить графит, кварцевую и древесную муку и др. Синтетические, натуральные и асбестовые волокна используются в качестве волокнистых наполняющих пластмассы веществ.

Красители

Используются для придания пластмассе желаемой окраски (если есть повышенные требования к декоративным свойствам). Краситель должен легко смешиваться с пластической массой и не выгорать в процессе эксплуатации. Кроме того, совмещаться с полимером, выдерживать воздействие температуры.

Пластификаторы

В пластмассы вводятся для придания требуемой эластичности и пластичности. Пластификаторами могут служить: алифатические и ароматические карбоновые кислоты, эфиры, полиэфиры, эфиры фосфорной и некоторых других кислот, др. Кроме того, некоторые пластификаторы могут улучшать и другие свойства пластмасс, например, светостойкость, негорючесть и устойчивость к воздействию повышенной температуры.

Другие добавки

Кроме основных, указанных выше, в состав пластических масс могут вводиться многие другие вещества, в той или иной степени, влияющие на свойства высокополимерных материалов. К таким веществам можно отнести отвердители, которые способны преобразовывать линейную структуру полимеров в сетчатую. В состав многих сложных пластических масс вводятся смазки (облегчают формование), стабилизаторы (для сохранения первоначальных свойств), фунгициды (для того, чтоб пластмасса не подвергалась воздействию плесени и грибков), порообразователи (для получения поропластов и пенопластов).

К простым пластическим массам относятся: полипропилен, поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол, фторопласты и др.

К сложным пластическим массам относятся: текстолит, фенопласты, фаолит, стеклотекстолит, гетинакс, стеклопластики, стекловолокна и др.

Ссылка на первоисточник