Полимерные материалы и их применение

Полимеры в сельском хозяйстве

Сегодня можно говорить, по меньшей мере, о четырех основных направлениях использования полимерных материалов в сельском хозяйстве. И в отечественной, и в мировой практике первое место принадлежит пленкам. Благодаря применению мульчирующей перфорированной пленки на полях урожайность некоторых культур повышается до 30%, а сроки созревания ускоряются на 10 - 14 дней. Использование полиэтиленовой пленки для гидроизоляции создаваемых водохранилищ обеспечивает существенное снижение потерь запасаемой влаги. Укрытие пленкой сенажа, силоса, грубых кормов обеспечивает их лучшую сохранность даже в неблагоприятных погодных условиях. Но главная область использования пленочных полимерных материалов в сельском хозяйстве -- строительство и эксплуатация пленочных теплиц. В настоящее время стало технически возможным выпускать полотнища пленки шириной до 16 м, а это позволяет строить пленочные теплицы шириной в основании до 7,5 и длиной до 200 м. В таких теплицах можно все сельскохозяйственные работы проводить механизировано; более того, эти теплицы позволяют выращивать продукцию круглогодично. В холодное время теплицы обогреваются опять-таки с помощью полимерных труб, заложенных в почву на глубину 60 - 70 см.

С точки зрения химической структуры полимеров, используемых в тепличных хозяйствах такого рода, можно отметить преимущественное использование полиэтилена, непластифицированного поливинилхлорида и, в меньшей мере, полиамидов. Полиэтиленовые пленки отличаются лучшей светопроницаемостью, лучшими прочностными свойствами, но худшей погодоустойчивостью и сравнительно высокими теплопотерями. Они могут исправно служить лишь 1 - 2 сезона. Полиамидные и другие пленки пока применяются сравнительно редко.

Другая область широкого применения полимерных материалов в сельском хозяйстве -- мелиорация. Тут и разнообразные формы труб и шлангов для полива, особенно для самого прогрессивного в настоящее время капельного орошения; тут и перфорированные пластмассовые трубы для дренажа. Интересно отметить, что срок службы пластмассовых труб в системах дренажа, например, в республиках Прибалтики в 3 - 4 раза дольше, чем соответствующих керамических труб. Вдобавок использование пластмассовых труб, особенно из гофрированного поливинилхлорида, позволяет почти полностью исключить ручной труд при прокладке дренажных систем.

Два остальных главных направления использования полимерных материалов в сельском хозяйстве -- строительство, особенно животноводческих помещений, и машиностроение.

Овцы в синтетических шубах

Овца, как известно, животное неразумное. Особенно -- меринос. Знает ведь, что шерсть нужна хозяину чистой, а все-таки то в пыли изваляется, то, продираясь по кустам, колючек на себя нацепляет. Мыть и чистить овечью шерсть после стрижки -- процесс сложный и трудоемкий. Чтобы упростить его, чтобы защитить шерсть от загрязнений, австралийские овцеводы изобрели попону из полиэтиленовой ткани. Надевают ее на овцу сразу после стрижки, затягивают резиновыми застежками. Овца растет, и шерсть на ней растет, распирает попону, а резинки слабеют, попона все время как по мерке сшита. Но вот беда: под австралийским солнцем сам полиэтилен хрупким становится. И с этим справились с помощью аминных стабилизаторов. Осталось еще приучить овцу не рвать полиэтиленовую ткань о колючки и заборы.

Микроб-кормилец

Комплексную задачу очистки сточных вод целлюлозно-бумажного производства и одновременного производства кормов для животноводства решили финские ученые. Специальную культуру микробов выращивают на отработанных сульфитных щелоках в специальных ферментаторах при 38 °С, одновременно добавляя туда аммиак. Выход кормового белка составляет 50 - 55%; его с аппетитом поедают свиньи и домашняя птица.

Синтетическая травка

Традиционно принято многие спортивные мероприятия проводить на площадках с травяным покрытием. Футбол, теннис, крокет... К сожалению, динамичное развитие спорта, пиковые нагрузки у ворот или у сетки приводят к тому, что трава не успевает подрасти от одного состязания до другого. И никакие ухищрения садовников не могут с этим справиться. Можно, конечно, проводить аналогичные состязания на площадках, скажем, с асфальтовым покрытием, но как же быть с традиционными видами спорта? На помощь пришли синтетические материалы. Полиамидную пленку толщиной 1/40 мм (25 мкм) нарезают на полоски шириной 1,27 мм, вытягивают их, извивают, а затем переплетают так, чтобы получить легкую объемную массу, имитирующую траву. Во избежание пожара к полимеру загодя добавляют огнезащитные средства, а чтобы из-под ног у спортсменов не посыпались электрическое искры -- антистатик. Коврики из синтетической травы наклеивают на подготовленное основание -- и вот готов травяной корт или футбольное поле, или иная спортивная площадка. А по мере износа отдельные участки игрового поля можно заменять новыми ковриками, изготовленными по той же технологии и того же зеленого цвета.

Полимеры в машиностроении

Ничего удивительного в том, что эта отрасль -- главный потребитель чуть ли не всех материалов, производимых в нашей стране, в том числе и полимеров. Использование полимерных материалов в машиностроении растет такими темпами, какие не знают примера во всей человеческой истории. К примеру, в 1976 г. машиностроение нашей страны потребило 800.000 т. пластмасс, а в 1960 г. -- всего 116.000 т. Интересно отметить, что еще десять лет назад в машиностроение направлялось 37 - 38% всех выпускающихся в нашей стране пластмасс, а 1980 г. доля машиностроения в использовании пластмасс снизилась до 28%. И дело тут не в том, что могла бы снизится потребность, а в том, что другие отрасли народного хозяйства стали применять полимерные материалы в сельском хозяйстве, в строительстве, в легкой и пищевой промышленности еще более интенсивно.

При этом уместно отметить, что в последние годы несколько изменилась и функция полимерных материалов в любой отрасли. Полимерам стали доверять все более и более ответственные задачи. Из полимеров стали изготавливать все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, и в то же время все чаще полимеры стали применяться в изготовлении крупногабаритных корпусных деталей машин и механизмов, несущих значительные нагрузки. Ниже будет подробнее рассказано о применении полимеров в автомобильной и авиационной промышленности, здесь же упомянем лишь один примечательный факт: несколько лет назад по Москве ходил цельнопластмассовый трамвай. А вот другой факт: четверть всех мелких судов -- катеров, шлюпок, лодок -- теперь строится из пластических масс.

До недавних пор широкому использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали два, казалось бы, общепризнанных недостатка полимеров: их низкая (по сравнению с марочными сталями) прочность и низкая теплостойкость. Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом, стеклу и углепластикам. Так что теперь выражение "пластмасса прочнее стали" звучит вполне обоснованно. В то же время полимеры сохранили свои позиции при массовом изготовлении огромного числа тех деталей, от которых не требуется особенно высокая прочность: заглушек, штуцеров, колпачков, рукояток, шкал и корпусов измерительных приборов. Еще одна область, специфическая именно для полимеров, где четче всего проявляются их преимущества перед любыми иными материалами, -- это область внутренней и внешней отделки.

То же самое можно сказать и о машиностроении. Почти три четверти внутренней отделки салонов легковых автомобилей, автобусов, самолетов, речных и морских судов и пассажирских вагонов выполняется ныне из декоративных пластиков, синтетических пленок, тканей, искусственной кожи. Более того, для многих машин и аппаратов только использование антикоррозионной отделки синтетическими материалами обеспечило их надежную, долговременную эксплуатацию. К примеру, многократное использование изделия в экстремальных физико-технических условиях (космосе) обеспечивается, в частности, тем, что вся его внешняя поверхность покрыта синтетическими плитками, приклеенными, к тому же, синтетическим полиуретановым или полиэпоксидным клеем. А аппараты для химического производства? У них внутри бывают такие агрессивные среды, что никакая марочная сталь не выдержала бы. Единственный выход -- сделать внутреннюю облицовку из платины или из пленки фторопласта. Гальванические ванны могут работать только при условии, что они сами и конструкции подвески покрыты синтетическими смолами и пластиками.

Широко применяются полимерные материалы и в такой отрасли народного хозяйства, как приборостроение. Здесь получен самый высокий экономический эффект: в среднем в 1,5 - 2,0 раза выше, чем в других отраслях машиностроения. Объясняется это, в частности, тем, что большая часть полимеров перерабатывается в приборостроении самыми прогрессивными способами, что повышает уровень полезного использования термопластов, увеличивает коэффициент замены дорогостоящих материалов. Наряду с этим значительно снижаются затраты живого труда. Простейшим и весьма убедительным примером может служить изготовление печатных схем: процесс, не мыслимый без полимерных материалов, а с ними и полностью автоматизированный.

Есть и другие подотрасли, где использование полимерных материалов обеспечивает и экономию материальных и энергетических ресурсов, и рост производительности труда. Почти полную автоматизацию обеспечило применение полимеров в производстве тормозных систем для транспорта. Неспроста практически все функциональные детали тормозных систем для автомобилей и около 45% для железнодорожного подвижного состава делаются из синтетических пресс-материалов. Около 50% деталей вращения и зубчатых колес изготовляется из прочных конструкционных полимеров. В последнем случае можно отметить две различных тенденции. С одной стороны, все чаще появляются сообщения об изготовлении зубчатых колес для тракторов из капрона. Обрывки отслуживших свое рыболовных сетей, старые чулки и путанку капроновых волокон переплавляют и формуют в шестерни. Эти шестерни могут работать почти без износа в контакте со стальными. Кроме того, такая система не нуждается в смазке и почти бесшумна. Другая тенденция -- полная замена металлических деталей в редукторах на детали из углепластиков. У них тоже отмечается резкое снижение механических потерь, долговременность срока службы.

Еще одна область применения полимерных материалов в машиностроении, достойная отдельного упоминания, -- изготовление металлорежущего инструмента. По мере расширения использования прочных сталей и сплавов все более жесткие требования предъявляются к обрабатывающему инструменту. И здесь тоже на выручку инструментальщику и станочнику приходят пластмассы. Но не совсем обычные: пластмассы сверхвысокой твердости, такие, которые смеют поспорить даже с алмазом. Король твердости, алмаз, еще не свергнут со своего трона, но дело идет к тому. Некоторые окислы (например, из рода фианитов), нитриды, карбиды, уже сегодня демонстрируют не меньшую твердость, да к тому же и большую термостойкость. Вся беда в том, что они пока еще более дороги, чем природные и синтетические алмазы, да к тому же им свойствен "королевский порок" -- они в большинстве своем хрупки. Вот и приходится, чтобы удержать их от растрескивания, каждое зернышко такого абразива окружать полимерной упаковкой, чаще всего из фенолформальдегидных смол. Поэтому сегодня три четверти абразивного инструмента выпускается с применением синтетических смол.

Первое место по темпам роста применения пластмасс занимает сейчас автомобильная промышленность. К концу 70-х годов число используемых видов пластмасс составляло более 30.

Перечень деталей автомобиля, которые в наши дни изготовляют из полимеров, очень широк. Кузова и кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шланги, сиденья, дверцы, капот.

Несколько разных фирм за рубежом объявили о начале производства цельнопластмассовых автомобилей.

По химической структуре первые места по объему занимают стирольные пластики, поливинилхлорид и полиолефины. Их активно догоняют полиуретаны, полиэфиры, акрилаты и другие полимеры. Наиболее характерные тенденции в применении пластмасс для автомобилестроения:

1. Во-первых, это экономия материалов: безотходное или малоотходное формование больших блоков и узлов.

2. Во-вторых, благодаря использованию легких и облегченных полимерных материалов снижается общий вес автомобиля, а значит, будет экономиться горючее при его эксплуатации.

3. В-третьих, выполненные как единое целое, блоки пластмассовых деталей существенно упрощают сборку и позволяют экономить живой труд.

Полимерные материалы очень широко применяются в авиационной промышленности. К примеру: замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка крыла самолета сокращает количество деталей с 47 до 14. Крепеж упрощается -- с 1464 до 8 болтов, вес снижается на 22%, а стоимость -- на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%.

Лопатки вентиляторов реактивных двигателей, лопасти вертолета рекомендуется делать из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами. Это позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности.

При проектировании первого сверхзвукового пассажирского самолета "Конкорд" перед англо-французскими конструкторами стояла непростая задача: при трении об атмосферу внешняя поверхность самолета будет разогреваться до 120 - 150 °С. При таком разогреве требовалось, чтобы поверхность не поддавалась эрозии в течение, по меньшей мере, 20000 часов. Довольно оригинальное решение проблемы было найдено с помощью покрытия поверхностного слоя обшивки самолета тончайшей пленкой фторопласта.

По английскому патенту № 2047188 покрытие несущих поверхностей самолетов или лопастей роторов вертолетов слоем полиуретана толщиной всего 0,65 мм в 1,5 - 2 раза повышает их стойкость к дождевой эрозии.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Структура и механические свойства полимеров. Гуль В.Е., Кулезнов В.Н. 2008.

2. Полиэтилен, полипротилен, и другие полиолефины. Дж. Уайт, Д. Чойл. 2006.

3. Полимерные соединения и их применение. Максанова Л.А., Аюрова О.Ж. 2005.

4. Высокомолекулярные соединения. Семчиков Ю.Д. 2003.

5. Научные основы производства изделий из композиционных полимеров. Головгин Г.С., Дмитренко В.П. 2005.

6. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%80%D1%8B

7. Конструкционные материалы. Сплавы, полимеры, керамика, композиты. Уильям Болтон. 2011 г

8. Химия и физика полимеров. Кулезнёв В.Н., Шершнев В.А. 2007.

9. http://www.ekocolor.ru/material.html

10. Методы исследования структуры и свойств полимеров. Аверко-Антонович Ю.И., Бикмуллин Р.Т. 2002.

11. Полимерные нанокомпозиты. Многообразие структурных форм и приложений. Микитаев А.К., Козлов Г.В., Зайков Г.Е. 2009.

12. Технические свойства полимерных материалов. Крыжановский В. 2012.

13. Kunststoff-Folien. Herstellung-Eigenschaften-Anwendung (Полимерные пленки: Производство, свойства, применение), нем. яз. Nentwig J. 2006 г

14. http://uas.su/books/newmaterial/151/razdel151.php

15. Волокнистые полимерные композиционные материалы в технике. Михайлин Ю.А. 2013 г

16. Высокомолекулярные соединения. Ю. Д. Семчиков. 2008 г

17. Конструкционные полимерные композиционные материалы. Михайлин Ю.А. 2008 г

Размещено на Allbest.ru