Неметаллические материалы

   Материалы на основе акриловых смол термопластичны, но более теплостойки и дают покрытия эластичные, стойкие к ударным нагрузкам, с хорошей адгезией к металлам. Акриловые эмали (АК и АС) могут работать в условиях 98-100%-ной влажности при температуре 55-60°С. При нанесении на эпоксидный грунт покрытие сохраняет защитные свойства в течение 3 — 6 лет.

   Покрытия  на основе термореактивных  смол. Алкидные материалы вырабатывают на основе глифталевой (ГФ) и пентафталевой (ПФ) смол, часто модифицированных растительными маслами. Покрытия обладают высокой твердостью, прочностью, удовлетворительной адгезией к различным материалам. При введении алюминиевой пудры покрытия выдерживает длительно температуру 120°С и кратковременно температуру до 300°С. К недостаткам алкидных покрытий, относится склонность к старению, недостаточная устойчивость к условиям тропического климата и щелочным средам.

   Эпоксидные  лакокрасочные материалы на основе эпоксидных смол и их модификаций с различными отвердителями дают покрытия ЭП, обладающие хорошей адгезией к металлам и неметаллическим материалам, значительной твердостью, химической стойкостью к различным средам, в том числе к щелочным и, высокими электроизоляционными свойствами. Покрытия при сушке не дают усадки и стойки к колебаниям температуры.

   Полиэфирным покрытиям присуща большая твердость, сильный блеск, удовлетворительная, прочность на истирание. Однако они плохо сопротивляются ударным нагрузкам и малоэластичны; используются главным образом при окраске деревянных (и бетонных) поверхностей, адгезия полиэфирных лаков к металлам невысокая.

   Полиуретановые  лаки, эмали, грунты имеют очень хорошую адгезию к различным материалам, хорошо сопротивляются истиранию, эластичны, атмосферостойкие, газонепроницаемы, могут работать в контакте с водой, маслами, бензином и растворителями, являются хорошими диэлектриками. Недостатком этих материалов, ограничивающих их применение, является токсичность.

   Наиболее  теплостойки лакокрасочные материалы  на основе кремнийорганических полимеров (КО). Покрытия стойки к влаге, окислению, озону, солнечному свету и радиации, химически инертны, хорошие диэлектрики. Однако они имеют невысокую адгезию к различным материалам и требуют горячей сушки (200°С). Кремнийорганические лаки и эмали используют в основном в качестве электроизоляционных материалов. Модифицированные кремнийорганические лаки и эмали защищают металлические поверхности от длительного воздействия высоких температур.

   Полиимидные покрытия теплостойки, выдерживают  тепловые удары от - 196 до + 340°С. Покрытия прочные, устойчивы к воздействию растворителей и кислот, стойки к радиации и обладают диэлектрическими свойствами. Получение этих покрытий требует высокой температуры и тщательного соблюдения технологии.

   2. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА  ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ

   По  условиям эксплуатации лакокрасочные  покрытия подразделяют на стойкие внутри помещения; атмосферостойкие; химически стойкие; водостойкие; термостойкие; масло- и бензостойкие и электроизоляционные. Термостойкость (в°С) различных лакокрасочных покрытий приведена ниже:

• Нитроцеллюлозные (НЦ)  До 80,
• Перхлорвиниловые   (ХВ)  80 — 90'
• Эпоксидные (ЭП)  150-200
• Алкидные (ГФ, ПФ) -  150-300
• Полиуретановые  (УР)  180
• Акриловые  (АК)  180
• Кремнийорганические   (КО) ". 300-600 (1000,  1  мин)
• Полиимидные  300, (400, 2-3 ч)

 
 

                     ДРЕВЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ_____________ 

   Древесина с давних времен используется в качестве конструкционного материала в различных отраслях промышленности и применяется как в натуральном   виде,   так   и   в   виде   разнообразных   древесных   материалов.

   К достоинствам древесины как конструкционного материала относятся достаточно высокая механическая прочность и небольшая объемная масса и, следовательно, высокая удельная прочность, хорошее сопротивление ударным и вибрационным нагрузкам. Теплофизические свойства древесины характеризуются малой теплопроводностью и в 2 — 3 раза меньшим, чем у стали, температурным коэффициентом линейного расширения. Древесина имеет высокую химическую стойкость к ряду кислот, солям, маслам, газам. Важными свойствами древесины являются ее способность к склеиванию, возможность быстрого соединения гвоздями, шурупами, легкость механической обработки и гнутья.

   Наряду  с указанными достоинствами древесина  обладает рядом недостатков, ограничивающих ее применение как конструкционного материала. Можно отметить следующие недостатки: гигроскопичность, которая является причиной отсутствия у деталей из древесных материалов стабильности формы, размеров и прочностных свойств, меняющихся с изменением влажности; склонность к поражению грибковыми заболеваниями; отсутствие огнестойкости; низкий модуль упругости; анизотропия механических свойств, которые в силу волокнистого строения древесины различны в разных направлениях действия сил; неоднородность строения, в результате которой свойства материала различны не только в пределах одной породы; но в пределах одного ствола.

   1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ  О СТРОЕНИИ ДРЕВЕСИНЫ

   Древесина состоит из органических веществ: 43 — 45% целлюлозы (С₆Н₁₀О₅), 19 — 29% лигнина, остальное — низкомолекулярные углеводы и другие компоненты. Свойства древесины обусловливаются ее строением. Так как древесина является волокнистым материалом, ее строение изучают по трем разрезам: торцовому (поперечному), перпендикулярному к волокнам; радиальному, проходящему через ось ствола, тангентальному, идущему вдоль ствола на некотором расстоянии от него (рис. 6).

       

       Рис. 6. Основные разрезы ствола дерева:

       1 — поперечный или торцовый;

         2 — радиальный;

       3 — тангентальный 
 
 
 

   Строение  древесины, ширина годичных колец, содержание летней зоны древесины обусловливают  механическую прочность как хвойных, так и лиственных пород. На свойства древесных материалов влияет наличие в древесине различных пороков.

   Пороками  древесины называются отклонения от нормального строения, а также  повреждения микологического и  механического характера. Пороки снижают физико-механические свойства древесины. В конструкционных они допускаются с ограничениями, предусмотренными техническими условиями. На механические свойства здоровой древесины влияют сучки, трещины, наклон волокон (косослой).

   К паразитным порокам относятся грибковые (микологические) повреждения древесины. Для развития грибов требуются определенные условия; наиболее благоприятны для них температура 2 —40С, влажность 30 — 60% и наличие воздуха, без которого развитие гриба невозможно. В результате грибкового поражения древесина разрушается, превращаясь в труху, гниль. При неправильном хранении древесины часто возникает синева, которая быстро распространяется и проникает в глубь материала. Синева существенного влияния на физико-механические свойства древесины не оказывает, однако при сильном развитии может вызвать поражения более опасными грибами.

   Повреждения насекомыми (червоточина) встречаются  в древесине всех пород. Наличие  червоточины влияет на сортность  древесины.

   2. СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ  И ЗАЩИТА ДРЕВЕСИНЫ ОТ УВЛАЖНЕНИЯ, ЗАГНИВАНИЯ И ВОСПЛАМЕНЕНИЯ

   Физические  свойства. Для древесины как конструкционного материала основное значение имеют влажность, изменяемость размеров, формы, объемная масса.

   Влажностью  древесины называется количество воды, заключающейся в  ней,  выраженное  в  процентах.   Влажность   определяется   по   формуле

     m — m_o

W= ————  ·  100%,

        m₀

   где m — масса влажного образца при данной влажности в г; m₀ — масса образца в абсолютно сухом состоянии в г (за m₀ принимается масса образца, высушенного при 100 + 5°С).

   Вода, содержащаяся в древесине, бывает двух видов: свободная (капиллярная) вода, заполняющая  внутренние пустоты, и связанная (гигроскопическая), находящаяся в клеточных оболочках. Таким образом, влажность древесины складывается из влаги связанной и свободной. При высыхании дерево теряет сначала свободную воду, а затем начинает терять связанную воду.

   Состояние древесины, при котором в ней  имеется только связанная влага, называется точкой насыщения волокон. Для различных древесных пород максимальное количество связанной влаги колеблется от 23 до 30%. Свежесрубленной древесине соответствует влажность 50 — 100%; в древесине, пролежавшей долгое время на воздухе (воздушно-сухой), устанавливается влажность 10 — 20%, в комнатных условиях (комнатно-сухая древесина) — влажность 7 —10%, а для абсолютно сухой древесины влажность нулевая. Влажность, отвечающая условиям производственного помещения, носит название производственной влажности. За стандартную влажность древесины принята влажность 15%, которая представляет собой среднюю влажность воздушно-сухой древесины. Все свойства древесины для возможности сравнения устанавливаются при стандартной влажности 15%.' Производственная, влажность должна быть равна эксплуатационной или на 2% ниже (иначе древесина будет усыхать).

   Изменение размеров и формы древесины связано  с изменением ее влажности. Эти изменения  выражаются в усушке, разбухании и  короблении. При высыхании древесины из нее вначале удаляется свободная влага, при этом размеры клеток не изменяются (уменьшается только масса); с момента точки насыщения волокна стенки волокон древесины теряют связанную влагу и сокращаются в размерах.

   Усушкой древесины называется уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании (выражается в процентах). Усушка зависит от направления: так, наибольшая усушка происходит в тангентальном направлении, наименьшая — вдоль волокон.

   Для определения усушки практически  пользуются коэффициентом усушки К, который представляет собой среднюю усушку при изменении влажности на 1%, и определяется по формуле

               Y

   K= ——            

            W

   Для различных пород полная усушка в  радиальном направлении У_р = = 3-5%, в тангентальном У_г = 6 - 10%. Коэффициенты усушки в радиальном направлении K_р = 0,09 ~0,31%, в тангентальном      К_т = 0,17 — 0,43%; коэффициент объемной усушки К_о = 0,32 - 0,7%. Усушка вдоль волокон составляет 0,1—0,35% и практически не учитывается.

   Усушка  представляет собой отрицательное  явление, во-первых, потому, что ее необходимо учитывать при изготовлении деталей, и, во-вторых, она служит причиной появления в древесине внутренних напряжений, вызывающих трещины и коробления (рис.7).

   Древесина разных пород имеет одинаковый химический состав, поэтому плотность вещества, образующего стенки клеток, принимается равной 1,54 г/см³. Для практических целей важно знать объемную массу у, которая зависит от влажности материала и коэффициента объемной усушки. Значение у₁₅ древесины составляет 0,34-0,98 г/см³. Более легкими породами являются сосна, ель, пихта, липа, осина, ольха; очень тяжелыми -граб, груша, самшит. Чем больше объемная масса, тем плотнее древесина и тем лучше она сопротивляется нагрузкам.

Рис. 7. Виды коробления пиломатериалов:

1 — изменение формы поперечного сечения брусков; 2 — поперечное коробление досок;  3 —

продольное коробление доски; 4 - коробление косослойной доски

   Механические  свойства древесины. Древесина анизотропна, и ее свойства зависят от влажности и других факторов. В связи с этим показатели механических свойств для возможности их сравнения и применения в расчете деревянных деталей на прочность относят к древесине, не имеющей пороков и при одинаковой влажности 15%.

  Механические  свойства наиболее распространенных пород  древесины при W= 15% приведены в табл. 5.

  Средние значения пределов прочности древесины  вдоль волокон находятся в пределах: Ơ_с от 3,42 до 5,49 кгс/мм²; Ơ_в от 7,61 до 16,1 кгс/мм² (в отдельных случаях до 27 кгс/мм²); Ơ_в — поперек волокон ниже в 6 — 30 раз, чем вдоль. Сопротивление сдвигу в плоскости волокон, (скалывание) невелико и составляет 1/6-1/8 Ơ_с (продольное направление), Ơ_изг в 1,5-2 раза