asyan.org
добавить свой файл
1



Значення хімії у створенні нових матеріалів

Значення хімії у створенні нових матеріалів

ПЛАН
Вступ
1. Роль хімії у розробці нових ресурсоматеріалів
2. Основні напрямки хімічної промисловості у розробці нових матеріалів
3. Розробка полімерних матеріалів та їх використання в різних галузях
Список використаної літератури

Вступ
У промисловості широко використовуються різні матеріали. Речовини, що використовуються для виготовлення будь-якого фізичного тіла, називаються матеріалами.
Для здійснення кожного хіміко-технологічного процесу потрібна апаратура, виготовлена з таких матеріалів, які здатні опиратися різним агресивним впливам, у тім числі хімічним механічним, термічним, електричним, часом і радіаційним та біологічним.
Хімія робить суттєвий внесок у створення різноманітних матеріалів: металічних і неметалічних. Серед металічних матеріалів найчастіше використовуються сплави на основі заліза - чавун і сталь, на основі міді - латунь і бронза, на основі алюмінію, магнію, нікелю, ніобію, титану, танталу, цирконію та інших металів. З металічних сплавів виготовляються теплообмінники, ємкості, мішалки, трубопроводи, контактні апарати, колони та інші апарати.
Невідповідність між запасами і споживанням деяких видів сировини висуває проблему її бережливого й раціонального використання. У зв'язку з цим хіміки ставлять перед собою такі найголовніші завдання:
1) розвідування й застосування дешевої сировини, нових видів альтернативних сировинних матеріалів;
2) комплексне використання сировини;
3) розробка нових ефективних методів рециркуляції, тобто багаторазового використання різних видів сировини, наприклад металів;
4) використання відходів як сировини.
Останнім часом хіміки намагаються застосовувати місцеву сировину. Це вигідно, оскільки не вимагає витрат на далекі перевезення.

1. Роль хімії у розробці нових ресурсоматеріалів
Історія розвитку хімічної промисловості знає чимало прикладів, коли та чи інша речовина з пустої породи або відходів виробництва перетворювалася на цінну сировину. Наприклад, хлорид калію КСІ наприкінці минулого сторіччя був пустою породою під час добування кухонної солі з сильвініту (мінерал КСІ - N301). Тепер сильвініт переробляють з метою вилучення з нього хлориду калію КСІ для виробництва цінних мінеральних добрив, а хлорид натрію NзО1 перетворився на відходи.
Багато рідкісних металів раніше не знаходили застосування через їх промислову недоступність, але потреби в цих металах атомної енергетики, мікроелектроніки, радіотехніки, космічної техніки, які сьогодні визначають науково-технічний прогрес, зробили можливим промислове добування розсіяних елементів.
Комплексне використання сировини спрямовується на застосування всіх її головних частин для добування корисних продуктів або матеріалів. Це означає, що з одного виду сировини можна добути велику кількість різних продуктів. Наприклад, нині деревина використовується не лише як джерело виготовлення меблів, а й як джерело величезних матеріальних цінностей.
Хіміки відповідають за раціональне використання сировини, її комплексну переробку, ліквідацію відходів, багато з яких завдають непоправної шкоди довкіллю та здоров'ю людини. Отже, розробка нових способів комплексного використання сировини має величезне значення.
Хімія має велике значення і в розробці способів переведення речовин, що прореагували, у початковий стан для їх повторного використання (рециркуляція, регенерація сировини).
Наприклад, уже зараз досить широко використовуються метали у вигляді вторинної сировини (так званого скрапу). Майже половина світового виробництва сталі базується на скрапі.
Невичерпним джерелом сировини є промислові й побутові відходи. Вони отруюють водойми, заражують ґрунт і повітря, захаращують території. Завдання хіміків полягає у знешкодженні відходів. Для цього будують спеціальні очисні споруди.
В Україні встановлено норми допустимого вмісту речовин у газоподібних промислових викидах і стічних водах. Але головне завдання хіміків полягає у створенні безвідхідних виробництв, де відходи використовуються для добування необхідних продуктів. Реалізація такого завдання тісно поєднана з комплексним використанням сировини і комбінуванням виробництв, коли відходи одного заводу стають сировиною для іншого, і тоді завод переростає у комбінат.

2. Основні напрямки хімічної промисловості
у розробці нових матеріалів
Для поліпшення якості металічних матеріалів використовують порошкову металургію. Вона включає процеси виробництва металічних порошків і спікання з них виробів. Сучасна порошкова металургія займається, по-перше, створенням матеріалів і виробів з такими характеристиками (склад, структура, властивості), яких досі неможливо досягти відомими методами плавки; по-друге, виготовленням традиційних матеріалів і виробів, але за вигідніших техніко-економічних показників виробництва.
У розробці теоретичних основ найважливіших процесів порошкової металургії провідне місце посідає Інститут проблем Матеріалознавства НАН України. Перший в Україні (і в колишньому СРСР) завод порошкової металургії став до ладу в м. Бровари (поблизу Києва) у 1965 р.
Серед неметалічних матеріалів важливого значення набули полімери на основі фенолформальдегідних смол, полівінілхлориду, поліетилену і фторопластів. Ці матеріали, на відміну від металічних, виявляють високу стійкість до агресивних середовищ, мають низьку густину, високу тривкість до стирання, добрі діелектричні й теплоізоляційні властивості. Окрім цього, важливе значення мають каучуки та різні матеріали на їх основі - бутилкаучук, фторкаучук, силіконові каучуки тощо.
До групи неметалічних матеріалів належать і такі традиційні матеріали, як кераміка, порцеляна, фаянс, скло, цемент, бетон, графіт, які знаходять дедалі нове і нове використання
Останнім часом вимоги до матеріалів неухильно зростають. Це пояснюється тим, що значно ширше застосовують тепер екстремальні впливи — надвисокі й наднизькі тиски та температури, ударні й вибухові хвилі, йонізуючі випромінювання, ферменти. З огляду на це зростає також роль хімії створенні нових матеріалів, здатних опиратися цим впливам.
Особливе місце серед нових матеріалів посідають композити.
Композиційні матеріали, що складаються з пластичної основи (матриці) та наповнювача, називаються композитами.
Серед композитів виділяють кермети кераміко-металічні матеріали), норпласти (наповнені органічні полімери) і піни (газонаповнені матеріали).
Як основу (матрицю) використовують метали і сплави, полімери, кераміку. Наповнювачі, що застосовуються для композитів на основі пластмас, значно різноманітніші. Від них залежить міцність і жорсткість композитів.
В Україні започатковані принципово нові методи добування композитів, наприклад на основі боридів металів (відновлення оксидів металів бором у вакуум, та карбідом бору). Освоєно метод прямого синтезу силіцидів з металу и силіцію - безпосереднє відновлення оксидів металів силіцієм тощо. Багатьма своїми властивостями — міцністю, ударною в'язкістю, міцністю від утоми тощо - композити значно перевищують традиційні матеріали, завдяки чому потреби суспільства в них і взагалі у нових матеріалах безперервно зростають. На виготовлення композитів витрачають великі кошти, цим пояснюється той факт, що головними споживачами композитів поки що є авіаційна і космічна промисловості.

3. Розробка полімерних матеріалів
та їх використання в різних галузях
Велике місце займають хімічні матеріали в машинобудуванні. Так, наприклад, використання полімерних матеріалів у машинобудуванні росте такими темпами, які не знають прецеденту у всій людській історії. Приміром, у 1976 1. машинобудування нашої країни спожило 800000 т пласт мас, а в 1960 р. - всього 116 000 т. При цьому цікаво відзначити, що ще десять років тому в машинобудування направлялося 37—38% усіх пластмас, що випускаються в нашій країні, а 1980 р. частка машинобудування у використанні пластмас знизилася до 28%. І справа отут не в тім, що могла б знизиться потреба, а в тім, що інші галузі народного господарства стали застосовувати полімерні матеріали в сільському господарстві, у будівництві, у легкій і харчовій промисловості ще більш інтенсивно.
При цьому доречно відзначити, що в останні роки трохи змінилася і функція полімерних матеріалів у будь-якій галузі. Полімерам стали довіряти усе більш і більш відповідальні задачі. З полімерів стали виготовляти усе більше щодо дрібних, але конструктивно складних і відповідальних деталей машин і механізмів, і в той же час усі частіше полімери стали застосовуватися у виготовленні великогабаритних корпусних деталей машин і механізмів, що несуть значні навантаження. Нижче буде докладніше розказано про застосування полімерів в автомобільній і авіаційній промисловості, тут же згадаємо лише один примітний факт: кілька років назад по Москві ходив цельнопластмассовий трамвай. А от інший факт: чверть усіх дрібних судів - катерів, шлюпок, човнів - тепер будується з пластичних мас.
До недавніх пір широкому використанню полімерних матеріалів у машинобудуванні перешкоджали два, здавалося б, загальновизнаних недоліку полімерів: їх низька (у порівнянні з марочними сталями) міцність і низька теплостійкість. Рубіж міцносних властивостей полімерних матеріалів удалося перебороти переходом до композиційних матеріалів, головним чином стекло й вуглепластиками. Так що тепер вираження “пластмаса міцніша стали” звучить цілком обґрунтовано. У той же час полімери зберегли свої позиції при масовому виготовленні величезного числа тих деталей, від яких не потрібно особливо висока міцність: заглушок, штуцерів, ковпачків, рукояток, шкал і корпусів вимірювальних приладів. Ще одна область, специфічна саме для полімерів, де чіткіше всього виявляються їхня переваги перед будь-якими іншими матеріалами, - це область внутрішньої і зовнішньої обробки.
Майже три чверті внутрішньої обробки салонів легкових автомобілів, автобусів, літаків, річкових і морських судів і пасажирських вагонів виконується нині з декоративних пластиків, синтетичних плівок, тканин, штучної шкіри. Більш того, для багатьох машин і апаратів тільки використання антикорозійної обробки синтетичними матеріалами забезпечило їх надійну, довгострокову експлуатацію. Приміром, багаторазове використання виробу в екстремальних фізико-технічних умовах (космосі) забезпечується, зокрема, тим, що вся його зовнішня поверхня покрита синтетичними плитками, до того ж приклеєними синтетичним поліуретанової чи поліепоксидним клеєм. А апарати для хімічного виробництва? У них усередині бувають такі агресивні середовища, що ніяка марочна сталь не витримала б. Єдиний вихід - зробити внутрішнє облицювання з чи платини з плівки фторопласта. Гальванічні ванни можуть працювати тільки за умови, що вони самі і конструкції підвіски покриті синтетичними смолами і пластиками.
Широко застосовуються полімерні матеріали й у такій галузі народного господарства, як приладобудування. Тут отриманий найвищий економічний ефект у середньому в 1,5-2,0 рази вище, ніж в інших галузях машинобудування. Порозумівається це, зокрема тим що велика частина полімерів переробляється в приладобудуванні самими прогресивними способами що підвищує рівень корисного використання (і безвідходність) термопластів, збільшує коефіцієнт заміни дорогих матеріалів. Поряд з цим значно знижуються витрати живої праці. Найпростішим і дуже переконливим прикладом може служити виготовлення друкованих схем: процес, не мислимий без полімерних матеріалів, а з ними і цілком автоматизований.
Є й інші підгалузі, де використання полімерних матеріалів забезпечує й економію матеріальних і енергетичних ресурсів, і ріст продуктивності праці. Майже повну автоматизацію забезпечило застосування полімерів у виробництві гальмових систем для транспорту. Неспроста практично усі функціональні деталі гальмових систем для автомобілів і близько 45% для залізничного рухливого складу робляться із синтетичних прес-матеріалів. Близько 50% деталей обертання і зубчастих коліс виготовляється з міцних конструкційних полімерів. В останньому випадку можна відзначити двох різних тенденцій. З одного боку, усі частіше з'являються повідомлення про виготовлення зубчастих коліс для тракторів з капрону. Обривки відслуживших своє рибальських мереж, старі панчохи і путанку капронових волокон переплавляють і формують у шестірні. Ці шестірні можуть працювати майже без зносу в контакті зі сталевими, вдодаток така система не має потребу в змащенні і майже безшумна. Інша тенденція - повна заміна металевих деталей у редукторах на деталі з вуглепластиків. У них теж відзначається різке зниження механічних утрат, тривалість терміну служби.
Ще одна область застосування полімерних матеріалів у машинобудуванні, гідна окремого згадування, - виготовлення металорізального інструмента. В міру розширення використання міцних сталей н сплавів усе більш тверді вимоги пред'являються до обробного інструменту. І тут теж на виторг інструментальнику і верстатнику приходять пластмаси. Але не зовсім звичайні пластмаси надвисокої твердості, такі, котрі сміють посперечатися навіть з алмазом. Король твердості, алмаз, ще не скинуть зі свого трону, але справа йде до тому. Деякі окисли (наприклад з роду фіанитів), нітриди, карбіди, уже сьогодні демонструють не меншу твердість, так до того ж і велику термостійкість. Усе лихо в тім, що вони поки ще більш дороги, чим природні і синтетичні алмази, так до того ж їм властиві “королівські вади” - вони здебільшого тендітні. От і приходиться, щоб удержати їх від розтріскування, кожне зернятко такого абразиву оточувати полімерним упакуванням найчастіше з фенолформальдегидних смол. Тому сьогодні три чверті абразивного інструмента випускається з застосуванням синтетичних смол.
Такі лише деякі приклади н основні тенденції впровадження полімерних матеріалів у підгалузі машинобудування. Саме ж перше місце по темпах росту застосування пластичних мас серед інших підгалузей займає зараз автомобільна промисловість. Десять років тому в автомашинах використовували від 7 до 12 видів різних пластиків, до кінця 70-х років це число переступило за 30. З погляду хімічної структури, як і випливало очікувати, перші місця по обсязі займають стирольні пластики, полівінілхлорид і поліолефіни. Поки ще небагато уступають їм, але активно доганяють поліуретани, поліефіри, акрилати й інші полімери. Перелік деталей автомобіля, що у тих чи інших моделях у наші дні виготовляють з полімерів, зайняв би не одну сторінку. Кузови і кабіни, інструменти й електроізоляція, обробка салону і бампери, радіатори і підлокітники, шланги, сидіння, дверцята, капот. Більш того, кілька різних фірм за рубежем вже оголосили про початок виробництва суцільнопластмасових автомобілів. Найбільш характерні тенденції в застосуванні пластмас для автомобілебудування, загалом, ті ж, що й в інших підгалузях. По-перше, це економія матеріалів: безвідхідне чи маловідходне формування великих блоків і вузлів. По-друге, завдяки використанню легких і полегшених полімерних матеріалів знижується загальна вага автомобіля, а виходить, буде заощаджуватися пальне при його експлуатації. По-третє, виконані як єдине ціле, блоки пластмасових деталей істотно спрощують зборку і дозволяють заощаджувати живу працю.
До речі, ті ж переваги стимулюють і широке застосування полімерних матеріалів в авіаційній промисловості. Наприклад, заміна алюмінієвого сплаву графітопластиком при виготовленні предкрилка крила літака дозволяє скоротити кількість деталей з 47 до 14, кріплення - з 1464 до 8 болтів, знизити вага на 22%, вартість - на 25%. При цьому запас міцності виробу складає 178%. Лопати вертольота, лопатки вентиляторів реактивних двигунів рекомендують виготовляти з поліконденсаційних смол, наповнених алюмосилікатними волокнами, що дозволяє знизити вагу літака при збереженні міцності і надійності. По англійському патенті № 2047188 покриття несущих поверхонь чи літаків лопат роторів вертольотів шаром поліуретану товщиною всього 0,65 мм у 1,5-2 рази підвищує їхня стійкість до дощової ерозії. Тверді вимоги були поставлені перед конструкторами першого англо-французького надзвукового пасажирського літака “Конкорд”. Було розраховано, що від тертя об атмосферу зовнішня поверхня літака буде розігріватися до 120-150° С, і в той же час було потрібно, щоб вона не піддавалася ерозії протягом щонайменше 20000 годин. Рішення проблеми було знайдено за допомогою поверхневого покриття захисту літака найтоншою плівкою фторопласта.
Список використаної літератури:
1. Енциклопедія юного хіміка. – М., 1998.
2. Основи теоретичної хімії. Посібник. – М., 2000.