какие материалы относят к неметаллическим

Материаловедение

Неметаллические конструкционные материалы

Понятие неметаллические материалы включает большой ассортимент материалов таких, как пластические массы, композиционные материалы, резиновые материалы, клеи, лакокрасочные покрытия, древесина, а также силикатные стекла, керамика и др.

Неметаллические материалы обладают высокой механической прочностью, низкой плотностью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Особо следует отметить технологичность неметаллических материалов.

Применение неметаллических материалов обеспечивает значительную экономическую эффективность.

Полимеры

Основой неметаллических материалов являются полимеры.

Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры.

Природные полимеры – натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест.

Однако ведущей группой являются синтетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений.

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают. этот процесс обратим, т. е. никаких дальнейших химических превращений материал не претерпевает.
Представителями термопластов являются полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.

Термореактивные полимеры при нагревании размягчаются, затем вследствие протекания химических реакций затвердевают и в дальнейшем остаются твердыми.

Отвержденное состояние полимера называется термостабильным.
Примером термореактивных полимеров могут служить фенолоформальдегидная, глифталевая и другие смолы.

Пластмассы

Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. В состав пластмасс входят связующее, наполнители, красители и пластификаторы. В зависимости от природы связующего переход отформованной массы в твердое состояние совершается или при дальнейшем ее нагревании, или при последующем охлаждении.

В качестве связующих для большинства пластмасс используются синтетические смолы, реже применяются эфиры целлюлозы.

Многие пластмассы, главным образом термопластичные, состоят из одного связующего вещества, например, полиэтилен, органическое стекло и др.

В качестве наполнителей используются порошкообразные, волокнистые и другие вещества как органического, так и неорганического происхождения. После пропитки наполнителя связующим получают полуфабрикат, который спрессовывается в монолитную массу. Наполнители повышают механическую прочность, снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные специфические свойства (фрикционные, антифрикционные и т. д.).

Для повышения пластичности в полуфабрикат добавляют пластификаторы (органические вещества с высокой температурой кипения и низкой температурой замерзания, например олеиновую кислоту, стеарин, дибутилфталат и др.). Пластификатор сообщает пластмассе эластичность, облегчает ее обработку.
Наконец, исходная композиция может содержать отвердители (различные амины) или катализаторы (перекисные соединения) процесса отверждения термореактивных связующих, ингибиторы, предохраняющие полуфабрикаты от их самопроизвольного отверждения, а также красители (минеральные пигменты и спиртовые растворы органических красок, служащие для декоративных целей).

Термопласты удобны для переработки в изделия, дают незначительную усадку при формовании (1…3%). Материал отличается большой упругостью, малой хрупкостью и способностью к ориентации. Обычно термопласты изготовляют без наполнителя. В последние годы стали применять термопласты с наполнителями в виде минеральных и синтетических волокон (органопласты).

Термореактивные полимеры после отверждения и перехода связующего в термостабильное состояние хрупки, часто дают большую усадку (до 10…15%) при их переработке, поэтому в их состав вводят усиливающие наполнители.

По виду наполнителя пластмассы делят на следующие виды:

Пластмассы по своим физико-механическим и технологическим свойствам являются наиболее прогрессивными и часто незаменимыми материалами для машиностроения.

Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость, низкие модуль упругости и ударная вязкость по сравнению с металлами и сплавами, а для некоторых пластмасс – склонность к старению.

Источник

Классификация неметаллических материалов

К неметаллическим материалам можно отнести материалы как органического, так и неорганического происхождения. Классифика­ция неметаллических материалов по этому принципу приведена на рис 1.18.

Рис. 1.18. Классификация неметаллических материалов

К числу наиболее часто используемых в здравоохранении неорга­нических материалов относятся силикатные материалы (стекло, фар­фор, фаянс) и минералы; из органических материалов — полимеры на основе различных олигомеров или высокомолекулярных соединений.

Классификацию высокомолекулярных соединений с точки зрения их потребительных свойств целесообразно проводить по: происхож­дению, методу получения, строению полимерной цепи, составу ос­новной цепи, форме макромолекул, электрическим свойствам, отно­шению к температуре и по назначению.

СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Силикаты— соли кремневых кислот. Роль катионов в силикатах играют преимущественно элементы 2-го, 3-го и 4-го периодов пери­одической системы Д.И.Менделеева. В природе они широко пред­ставлены минералами, входящими в состав горных пород — полевой шпат (алюмосиликат), кварц (диоксид кремния) и др. В медицине чаще всего используют силикатные материалы, полученные из квар­цевого песка и глины. К силикатным материалам относятся керами­ка и стекло. Изделия медицинские из стекла в основном представ­лены в 94 классе К-ОКП в подклассе 946000 «Изделия медицинские из стекла и полимерных материалов.

Керамика— изделия и материалы, изготовляемые соответствую­щей обработкой глиняного сырья с последующим обжигом отфор­мованного и высушенного полуфабриката. При спекании или об­жиге отщепляется кристаллизационная вода, что придает изделиям повышенную химическую, механическую и термическую стойкость. В состав керамических материалов входят каолин, пластичная гли­на, кварцевый песок, полевой шпат.

Различают два вида материалов из керамики фарфор и фаянс, которые существенно отличаются по своим потребитель­ным свойствам. В табл. 1.4 представлены основные отличитель­ные особенности фарфора и фаянса.

В медицине керамика используется для изготовления санитарно-технических изделий, предметов ухода за больными (судна подкладные, поильники и др.), аптечной и лабораторной посуды (ста­каны, кружки, тигли, чашки для выпаривания и др.), при зубопротезировании и изготовлении деталей диагностической аппаратуры (пьезокерамика). При производстве эндопротезов (кости, межпоз­воночные диски, роговица, клапан сердца) используется корундо­вая керамика (в основе — до 99% оксида алюминия). Достоинства­ми корундовой керамики являются высокая механическая прочность, биоинертность (отсутствие токсичности, аллергенности, травмиру­ющего и раздражающего действия), гемосовместимость, устойчи­вость к высокотемпературной стерилизации, высокая технологич­ность.

Стекло— это переохлажденные вещества, получаемые из жид­ких расплавов неорганических соединений и их смесей. Из стекла изготавливают лабораторную посуду, тару для упаковки, хранения и транспортировки ЛС, очковые линзы, элементы обычной и волоконной оптики для оптических и медицинских изделий, термометры и другие изделия

По назначению стекла классифицируют на химически стойкие, термо­стойкие, электровакуумные, электрические, оптические и специ­альные (в том числе медицинские).

Медицинское стекло (согласно ГОСТ 19808-86) изготовляется следующих марок:

• XT, ХТ-1 — хим- и термостойкое;

• СНС-1 — светозащитное, нейтральное;

• МТО — медицинское тарное обесцвеченное;

• ОС, ОС-1 — оранжевое тарное.

Потребительные свойства медицинских стекол определяются их химическим составом. Медицинское стекло проверяют на термостойкость, водостойкость, щелочестойкость, а химико-лабораторное – дополнительно на кислотостойкость.

В изделиях из натурального стекла не допускаются крупные пу­зырьки и капилляры, грубая свиль(прозрачные нитевидные вклю­чения, обнаруживаемые невооруженным глазом) и инородные включения. Изделия должны выдерживать испытание на термостойкость с температурным перепадом в 120 °С. Изменения рН при действии пара под давлением не должен превышать 0,6.

В изделиях из щелочного стекла не допускаются крупные и про­давливающиеся пузыри, шамотные включения и грубая, ощутимая рукой свиль. Они должны выдерживать испытание на термостойкость с температурным перепадом в 100 °С, должны быть химичес­ки стойкими: изменения рН при действии пара под давлением не должен превышать 3,5.

Оптическое стекло — это стекло, используемое для изготовле­ния очковых линз и оптических элементов медицинских прибо­ров.

Оптическое стекло в зависимости от химического состава под­разделяется на бесцветное или с нормальным светопропусканием и фотохромное. Оптическое стекло с нормальным светопропускани­ем имеет следующий состав (в %):

Варьируя состав, можно получить стекло с различным коэффи­циентом преломления — от 1,47 (легкий крон) до 1,755 (тяжелый флинт).

Оптическое стекло с пониженным светопропусканием в своем составе содержит различные красители СаО, NiO, FeO, Fe₂0₃ и др., что дает возможность получать различную степень поглощения ви­димых лучей. Так, солнцезащитные очковые стекла изготовляются с коэффициентом пропускания от 10 до 80% (коэффициент пропускания указывает, какая часть в процентах светового потока, па­дающего на стекло, пропускается им).

Стекло фотохромное обладает способностью темнеть при облу­чении ультрафиолетовым или коротковолновым видимым светом и просветляется при прекращении облучения.

Фотохромные свойства стекла связаны с наличием в составе стекла светочувствительных добавок: галогенидов серебра, кадмия, меди, вольфраматов и молибдатов серебра, ионов редкоземельных элемен­тов (европия, церия, эрбия, иттербия). При облучении таких стекол происходит фотолитическая диссоциация галогенидов серебра и об­разование центров окрашивания из частиц коллоидного серебра.

Оптическое стекло должно быть однородным, голубоватого цве­та. Зеленоватый оттенок характерен для стекла пониженного каче­ства. Строго регламентируется наличие пузырей, например, в цен­тральной зоне очковой линзы не допускаются пузыри диаметром более 0,15 мм. Количество пузырей должно быть не более трех при расстоянии между ними не менее 5 мм.

Достоинством всех видов стекол является их способность к мно­гократному переплаву без изменения свойств.

ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Широкое применение в настоящее время в медицине полимерных материалов определяется их высокими потребительскими свойствами, в том числе более низкой стоимостью по сравнению с изделиями из металлов и их сплавов и способностью относительно легко перерабатываться в случае использования их в качестве изделий одноразового пользования

В настоящее время наиболее широко используют искусствен­ные или синтетические материалы, поскольку в процессе их про­изводства можно влиять на свойства материалов, а следовательно, можно целенаправленно изменять потребительные свойства меди­цинских изделий.

В классификаторе ОКП органические материалы и изделия из них можно найти в 93 и 94 классах, а также в подгруппах некоторых классов, где они выделены как изделия медицинского назначения. Например: в 25 классе Продукция резинотехническая и асбестовая в подгруппе 25 1460 5 Изделия медицинские из латекса и клеев находит­ся 8 видов продукции, которая входит в товары аптечного ассорти­мента — катетеры (25 1460 5), мешки (25 1460 5), напальчники меди­цинские (25 1460 5), перчатки анатомические (25 1460 5), перчатки хирургические (25 1460 5), средства предохранения (25 1460 5), соски-пустышки (25 1460 5), соски молочные(25 1460 5) и т.п.

К числу наиболее часто используемых органических материалов в медицине относятся полимерные материалына основе различных олигомеров или высокомолекулярных соединений.

Источник

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 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.

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.

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.

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.

Источник