РЕФЕРАТ
на тему:
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:
Енциклопедія юного хіміка. – М., 1998.
Основи теоретичної хімії. Посібник. – М., 2000.
PAGE
PAGE 2
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
