Материал: Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие

Г л а в а XI. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

§ I. Древесные материалы

Общая характеристика. Древесина широко используется в сто­ лярном и плотничном производстве, в качестве строительного ма­ териала, в угольной, горнорудной промышленности, как сырье в химической промышленности и других производствах. Она являет­ ся ценнейшим декоративным материалом.

По сравнению с другими материалами древесина обладает ря­ дом преимуществ. Она легко обрабатывается, при небольшом весе обладает сравнительно высокой прочностью, отличается малой теплопроводностью, низким коэффициентом трения по металлу, хо­ рошей сопротивляемостью действию кислот и щелочей, легко склеи­ вается, имеет красивый внешний вид и хорошо воспринимает от­ делку.

Вместе с тем древесина при изменении влажности усыхает, разбухает, коробится или растрескивается; она недостаточно стой­ ка к загниванию и поражению насекомыми; ее механические свой­ ства неодинаковы в различных направлениях. Пропитка антипире­ нами (огнезащитными средствами) и антисептиками предохраняет древесину от загорания и гниения.

Свойства древесины зависят от ширины годовых слоев. У хвой­ ных пород древесина прочнее при более узких годовых слоях, у ли­ ственных пород, наоборот, чем шире годовые слои, тем древесина плотнее, тверже и прочнее. У березы, граба, бука, липы, клена, оль­ хи, осины годовые слои резко не выделяются и их влияние на свой­ ства древесины незначительно.

Ненормальные условия роста, климатическое воздействие и ме­ ханические повреждения обусловливают появление пороков в дре­ весине (сучки, грибные окраски и гниль, химические окраски, по­ вреждения насекомыми, деформации, растрескивание, пороки фор­ мы ствола и строения древесины, ненормальные отложения и др.).

Свойства древесины определяются ее технической характерис­ тикой, показателями которой являются влажность, объемная мас­ са, предел прочности при растяжении и сжатии вдоль волокон и при изгибе. Влажность определяется отношением массы влаги к массе абсолютно сухой древесины и выражается в процентах. Нормаль­ ной считается влажность 15%. Объемная масса зависит от влаж­ ности древесины. При 15% влажности объемная масса дуба со­ ставляет 760 кг/м3, березы — 610, сосны — 590, липы — 530 кг/м3.

473

* В числителе — при скалывании в радиальном направлении, в знаменателе — в тангеи- ѵ циальном.

Прочностные свойства некоторых пород древесины приведены в табл. 19.

Материалы и полуфабрикаты из древесины. Древесину, исполь­ зуемую в качестве исходного материала в производстве, подразде­ ляют на круглую и пиломатериалы.

Круглые лесоматериалы — очищенные от сучьев, а часто и от коры отрезки древесных стволов. Их размеры записываются двумя цифрами со знаком умножения между ними (4X20). Первая цифра обозначает длину в метрах, вторая — толщину в сантиметрах (ди­ аметр) верхнего торца без коры.

Пиломатериалы получают распиловкой круглых лесоматериа­ лов на пластины, четвертины, доски, бруски, брусья двухкатные, брусья четырехкатные и горбыли. Пластины получают при про­ дольной распиловке бревна на две половины, а четвертины — на че­ тыре части. Доски получают продольной распиловкой бревен по не­ скольким параллельным между собой плоскостям. Бруски полу­ чают продольной распиловкой досок. Ширина бруска не превышает его двойной толщины, которая в свою очередь должна быть не бо­ лее 100 мм. Брусья имеют толщину и ширину от 100 до 250 мм. Гор­ быль — срезанная при распиловке боковая часть бревна.

Одним из распространенных полуфабрикатов является шпон, который в зависимости от способа производства подразделяется на строганый, лущеный и чпиленый. Строганый шпон получают про­ дольным строганием тонких полос на фанерострогальных станках из предварительно распаренных кряжей. Строганый шпон из лист­ венных пород древесины применяют для облицовки мебели, как от­ делочный материал в строительстве, а из сосны — в авиационной промышленности.

Лущеный шпон получают путем разлущивания чуракѳв (рис. 291) длиной до 1,5 м на однослойные листы толщиной 0,55—

474

1,5 мм. Чурак предварительно проваривают. Лущеный шпон при­ меняют для изготовления фанеры, в качестве облицовочного мате­ риала, для изготовления крутоклееных заготовок. Получают его из березы, ольхи, бука, дуба, ясеня, липы, сосны, лиственницы и кедра.

Пиленый шпон толщиной 0,8—2 мм получают продольной рас­ пиловкой кряжей из березы, ольхи и клена. Его применяют для отделки поверхностей, подвергаемых зеркальной полировке.

Фанеру получают склеиванием трех и более листов лущеного

лучают из березовой путем шлифования, окраски и покрытия нитролаком при нагреве до 80° под давлением 25—30 кГ/см2. Ла­ кированная фанера водостойка, отличается твердостью и негорючеетью.

Нанесением смоляной пленки, часто в сочетании с текстурной бумагой, получают декоративную фанеру.

Свойства фанеры обусловили ее широкое использование в ме­ бельном производстве, в машиностроении, строительстве и других отраслях. Потребности производства обусловили выпуск ребристой

питанной огнезащитными средствами или оклеенной асбестом; фа­ неры ксилотик, покрытой асбоцементом; армированной металличе­

скими листами и др.

В строительстве и мебельном производстве широко применяют­ ся щиты и плиты. Столярные плиты изготавливают склеиванием из узких реек щита, который затем оклеивают с обеих сторон в один .или два слоя шпоном. Фанерные щиты отличаются от обыч-- ной фанеры большей толщиной (до 45 мм).

-Древесноволокнистые плиты изготавливают из измельченной до волокон древесины, пропитанной парафиновой эмульсией (для

475

уменьшения гигроскопичности), антисептиками и огнезащитными составами, формованием и прессованием под давлением 10— 50 кГ/см2 при 150—165°. Для получения сверхтвердых плит в прес­ суемую массу вводят синтетические смолы.

Древесностружечные плиты изготавливают из отходов обра­ ботки древесины введением синтетических смол (6—12% веса) и прессованием под давлением 5—20 кГ/см2 при 135—140°.

Специальные свойства и сложную форму древесине придают прессованием и гнутьем в металлических формах при 100—120°. Пе­ ред обработкой заготовки распаривают водяным паром. Прессо­ ванная древесина используется для изготовления деталей машин (шестерен, подшипников). Исключительно высокие механические и своеобразные физические свойства приобретает прессованная дре­ весина, предварительно пропитанная синтетическими смолами.

§ 2. Общие сведения о полимерных материалах

Свойства полимеров. Полимерные органические соединения являются основной составляющей пластических масс. Эти соедине­ ния бывают естественного происхождения или получаются синте­ тическим путем. Чаще всего производство пластмасс основано на использовании синтетических высокомолекулярных веществ раз­ личного химического состава.

Применяемые в промышленности полимеры обычно получают синтетическим путем (кроме натурального каучука и продуктов превращения целлюлозы) из низкомолекулярных соединений, явля­ ющихся продуктом переработки нефти, природных газов или ка­ менноугольного дегтя.

Полимерными называются соединения, молекулы которых со­ стоят из связанных друг с другом многократно повторяющихся час­ тиц — элементарных звеньев. Количество элементарных звеньев в макромолекуле соединения влияет на его свойства и состояние. Так, молекула газа этилена состоит из шести атомов (С Н ^С Н г) и имеет вес 28 кислородных единиц. При соединении молекул эти­ лена в цепочку из 20 звеньев образуется полиэтилен — жидкость. Увеличение цепочки до 1500—2000 элементарных звеньев приводит к Образованию твердого и упругого пластичного материала. Даль­ нейшее увеличение числа звеньев в.цепи макромолекул полиэтиле­ на приводит к увеличению жесткости материалов.

Свойства полимеров зависят также от расположения элемен­ тарных звеньев — мономеров — в крупных молекулах. В зависи­ мости от химической природы исходных веществ и технологии про­ изводства молекулы полимеров могут иметь линейное, разветвлен­ ное, сетчатое и пространственное строение.

В промышленности определились следующие методы (реакции) получения полимерных материалов.

1. Модификация природных полимеров различными химиче скими воздействиями с сохранением скелета молекулы .исходного вещества.

476

2. Полимеризация — реакция, при которой образование полиме­ ра происходит за счет соединения одинаковых молекул с прибавле­ нием концевых групп без выделения каких-либо побочных продук­ тов реакции. Образующийся таким путем полимер имеет молеку­ лярный вес, равный сумме молекулярных весов вступивших в реакцию молекул. Реакцией полимеризации получают полиэтилен,

полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, политетрафторэти­ лен.

3. Поликонденсация ■— реакция образования высокомолекуляр ных исходных веществ, сопровождаемая выделением побочных про­ дуктов — воды, аммиака и др. Процесс поликонденсации проис­ ходит ступенчато. Цепь растет путем взаимодействия двух молекул исходных мономеров с последующим присоединением других мо­ лекул-мономеров. В результате получаются макромолекулы л'инейного и пространственного строения. При поликонденсации обычно образуются молекулы с более короткими цепями, чем при поли­ меризации. Молекулярный вес поликонденсационных смол состав­ ляет 5000—8000. Поликонденсацией получают фенолоформальде­ гидные, мочевино- и меламиноформальдегидные смолы, сложные полиэфиры.

В зависимости от строения макромолекул полимерные вещест­ ва по-разному относятся к нагреванию и по этому признаку раз­ деляются на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются и снова затвердевают при охлаждении, причем этот процесс может многократно повторяться. Макромолекулы термопластичных поли­ меров имеют линейное строение и получаются из мономеров, имею­ щих по две функциональные группы.

Отвердевание %ермореактивных смол необратимо. Они получа­ ются из мономеров, имеющих более двух функциональных групп. Этим объясняется то, что при нагревании макромолекулы могут расти в двух и трех направлениях, образуя сетчатые трехмерные ма­ кромолекулы. Такие смолы растворимы только в некоторых раст­ ворителях и плавятся лишь в начальной стадии конденсации. За­ тем растворимость смолы понижается — она переходит в неплав­ кое и нерастворимое состояние.

Состав пластмасс и их классификация. Высокомолекулярные вещества применяются в чистом виде или с различными добавками. Первые называются простыми пластмассами (например, органиче­ ское стекло), вторые — сложными или композиционными пласти­ ками. В состав сложных пластмасс входят различные вещества, которые по выполняемым ими функциям называются наполнителя­ ми, пластификаторами, красителями, смазывающими веществами

и др.

Наполнители — вещества, вводимые в полимерные материалы для их упрочнения, придания им требуемых физических свойств и снижения стоимости. Количество их составляет 40—70%. Неорга­ нические наполнители повышают, термическую и химическую стой­ кость материала, изменяют его электрические и другие физические

477