Правила и особенности конструирования изделий из пластмассы

  Связующая способность глин – свойство их связывать частицы непластичных материалов (песка, шамота и др.) при сохранении способности массы к формованию и образованию после сушки достаточно прочного изделия. По связующей способности глины подразделяются в зависимости от содержания связанного кварцевого песка: связующие (песка более 50 %), пластичные (20 – 50 %), тощие (менее 20 %), камневидные (не образуют пластичное тесто). Благодаря связующей способности глиняные строительные растворы используются при кладке печей, труб.

  Относительная воздушная усадка различных глин составляет от 2 – 3  до 10 – 12 % в зависимости от содержания в них тонких фракций. На усадку влияют от содержание в глине песка, ее дисперсность, режим сушки. Для уменьшения усадочных напряжений в изделиях к жирным глинам добавляют отощители. Чувствительность глин к сушке характеризует их трещиностойкость в этом процессе. Причиной возникновения трещин является неодинаковая усадка по сечению и по поверхности изделия. Когда возникающие при этом напряжения превосходят предел прочности материала, образуются трещины. Трещиностойкость керамических изделий зависит от их прочности, усадки и влагопроводности глины (интенсивности перемещения влаги внутри глиняной массы).

  Огнеупорность – способность керамических материалов и изделий длительно противостоять воздействию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь.

  Согласно ГОСТу, глины по огнеупорности делятся на три класса: огнеупорные (температура размягчения выше 1580 °С), тугоплавкие (1350 – 1580 °С) и легкоплавкие (ниже 1350 °С). Огнеупорность глины зависит от ее минералогического, химического и гранулометрического составов. Огнеупорные глины высокопластичны, характеризуются малым содержанием примесей (менее 15 %), высокодисперсны, применяются в производстве фарфоро-фаянсовых изделий, огнеупоров. Тугоплавкие глины с содержанием плавней 15 – 18 % после обжига имеют темный цвет. Они применяются в производстве химически стойких материалов, канализационных труб, плиток для полов и других изделий с плотным черепком.

  Легкоплавкие глины (до 30 % плавней) характеризуются большим разнообразием химико-минералогического состава. Из них изготовляют глиняный кирпич, пустотелые керамические камни и изделия строительной керамики с пористым черепком.

  Под спекаемостью глин понимают их способность уплотняться при обжиге с образованием твердого камнеподобного черепка. Спекание – это совокупность процессов усадки, уплотнения и упрочнения глины при обжиге. Степень спекания определяет водопоглощение керамического черепка. С повышением степени спекания водопоглощение уменьшается. Спекшимся считается черепок с водопоглощснием менее 5 %. Спекаемость глин характеризуют температурным интервалом их обжига, определяемым как разность температуры спекания (при которой на поверхности образца появляется жидкая фаза) и температуры начала деформации образца. Глинозем обусловливает увеличение этого интервала, песок и СаО – резкое снижение, щелочные оксиды – существенное его расширение. Наименьший температурный интервал обжига (50 – 100 °С) характерен для легкоплавких глин, наибольший (до 400 °С) огнеупорных. Спекаемость является важнейшим показателем, определяющим пригодность глин для производства многих керамических изделий – канализационных труб, плиток для полов, кислотоупорных изделий.

  Группа непластичных материалов включает: отощающие материалы, флюсы (плавни), порообразующие (выгорающие) и специального назначения.

  Отощающие материалы используются для снижения пластичности и воздушной усадки глин (кварцевый песок; шамот – обожженная при 1000 – 1400 °С огнеупорная или тугоплавкая глина; дегидратированная обожженная при 600 – 700 °С глина; гранулированный шлак; зола, получаемая при сжигании твердого топлива).

  Флюсы способствуют повышению степени и снижению температуры спекания глин (мел, мрамор, доломит, тальк).

  Порообразующие материалы вводятся в глиняные смеси для получения легких керамических изделий повышенной пористости и с малой теплопроводностью. Это вещества, которые при обжиге диссоциируют с выделением газа (молотые мел, доломит) или выгорают (древесные опилки, тощие каменные угли, золы ТЭЦ, отходы углеобогатительных фабрик).

  Материалы специального назначения используются для придания изделиям определенных свойств. Например, для получения некоторых видов цветной керамики применяют оксиды хрома, кобальта и др.

  Для придания декоративного вида и стойкости к внешним воздействиям поверхность некоторых керамических изделий перед обжигом покрывают глазурью или ангобом. Глазурь – стекловидное покрытие на керамике толщиной 0,15 – 0,3 мм, закрепленное обжигом. Она может быть прозрачной, непрозрачной различного цвета.

  Ангоб приготовляют из белой или цветной глины и наносят тонким слоем на поверхность необожженного изделия. При обжиге ангоб не плавится, поэтому цветная поверхность изделия получается матовой. Свойства ангоба должны быть близки к свойствам основного черепка.

Механизация и автоматизация  технологии: средства, методы, уровень современного состояния.

  Основными направлениями НТП при производстве керамических материалов предусмотрено следующее:

  § перевод керамической промышленности на более эффективные виды топлива, в частности на нефтяное топливо и природный газ, позволит снизить удельный расход топлива, его потери при транспортировании и сжигании, улучшить условия труда, создать условия для автоматического регулирования тепловых процессов;

  § улучшение структуры производства строительных материалов за счет организации массового выпуска изделий с пониженной материалоемкостью и улучшенными технико-экономическими характеристиками (эффективных керамических камней и лицевых изделий, в том числе с пористыми заполнителями, санитарно-технических изделий и др.);

  § комплексная механизация и автоматизация производственных процессов с применением высокопроизводительного оборудования (прессов высокого давления, модернизированных туннельных сушил и т. п.), автоматов-укладчиков кирпича-сырца на сушильные вагонетки, автоматов-садчиков для печных вагонеток, автоматов – пакетировщиков готовой продукции и др.; модернизация оборудования, замена малопроизводительных машин периодического действия машинами непрерывного действия, создание автоматических линий, внедрение НОТ и АСУТП;

  § дальнейшее повышение качества продукции на основе совершенствования стандартов и технических условий на готовую продукцию, тару, материалы, сырье и т. д.

  Реализация указанных направлений позволит снизить себестоимость керамических материалов и изделий и трудовые затраты на их изготовление.

  Основное возможное направление совершенствования технологии на ближайшее будущее.

  Основными направлениями экономического и социального развития предусматривается:

1)      увеличение мощности предприятий,  что позволит повысить уровень  механизации и соответственно  уменьшить трудозатраты и себестоимость  продукции, снизить расход энергоресурсов, а также цеховые и общезаводские  затраты, полнее использовать  достижения научно-технического  прогресса;

2)      совершенствование технологии производства  керамических материалов и изделий  за счет внедрения малоотходных, безотходных и энергосберегающих  процессов, использования машин  и агрегатов большой единичной  мощности и производительности. В соответствии с постановлением  о повышении технического уровня  производства строительного кирпича  предстоит выполнить большой  объем работ по реконструкции  и техническому перевооружению  действующих предприятий на базе  использования современной технологии  и высокопроизводительного оборудования, механизации и автоматизации  производственных процессов. Предполагаются  совершенствование технологии обогащения  и переработки исходного сырья,  сушки и обжига керамических  стеновых материалов, разработка  эффективных режимов прессования,  сушки и обжига изделий;

3)      снижение материалоемкости производства  на базе широкого использования  местного и попутно добываемого  сырья, вторичного сырья и отходов  промышленности (побочных продуктов)  – шлаков, зол, нефелина, гранитных  отсевов, отходов химического  производства и др.

  Перспективно применение в производстве керамических стеновых материалов отходов углеобогащения и зол теплоэлектростанций. Использование этих отходов в качестве добавок в сырьевую массу позволит снизить расход топлива на 15 – 20 %, а при применении продуктов углеобогащения в качестве основного сырья – до 50 %, повысить качество кирпича, его пустотность (до 30 % и более), снизить на 20 – 25 % себестоимость продукции за счет сокращения затрат на добычу сырья и экономии технологического топлива. При условии массового применения топливосодержащих добавок в кирпичной промышленности годовой объем их использования может быть доведен до 7,5 – 8 млн т, а объем выпуска глиняного кирпича с применением отходов промышленности – до 40 % от общего объема его производства. Это позволит ежегодно дополнительно экономить 1,5 млн топлива. 
 

3. Изделия из композиционных материалов

     Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделённые в материале ярко выраженной границей. Композиционным материалам (КМ) можно также дать следующее определение: это материалы, представляющие собой твёрдое вещество, состоящее из матрица и различных наполнителей, частицы которых особым образом расположенные внутри матрицы, армируют её. Композиционный материал должен обладать свойствами, которыми не может обладать ни один из компонентов в отдельности. Лишь только при этом условии есть смысл их применения.

     Все КМ можно разделить на два вида: естественные и искусственные. Примером естественных КМ могут служить стволы и стебли растений (волокна целлюлозы соединены пластичным лигнином), кости человека и животных (тонкие прочные нити фосфатных солей соединены пластичным коллагеном), а также эвтектические сплавы.

     Основой матрицы КМ могут служить металлы или сплавы (КМ на металлической основе), а также полимеры, углеродные и керамические материалы (КМ на неметаллической основе).

     Роль  матрицы в КМ состоит в придании формы и создании монолитного материала. Объединяя в одно целое армирующий наполнитель, матрица участвует в обеспечении несущей способности композита. Она передаёт напряжения на волокна и позволяет воспринимать различные внешние нагрузки: растяжение, сжатие, изгиб, удар. Матрица предохраняет наполнитель от механических повреждений и окисления. Выбором матрицы определяется температурная область применения КМ. Рабочая температура деталей из КМ повышается при переходе от полимерной матрицы к металлической, а далее – к углеродной и керамической.

     КМ с комбинированными матрицами называют полиматричными. Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность КМ в направлении, перпендикулярном оси волокон.

     В соответствии с геометрией армирующих частиц различают порошковые (или  гранулированные), волокнистые, пластинчатые КМ. Порошковые композиты представляют собой смесь порошков металлов и неметаллических соединений, которые образуют дисперсно-упрочнённый сплав. Они отличаются изотропностью свойств. В волокнистых композитах матрицу упрочняют непрерывно и дискретно расположенные волокна. Волокнистые и пластинчатые композиты так же, как и металлические сплавы, имеют анизотропию механических свойств.

     В матрице равномерно распределены остальные  компоненты (наполнители). Поскольку  главную роль в упрочнении КМ играют наполнители, их часто называют упрочнителями.

     Основная  функция наполнителя – обеспечить прочность и жёсткость КМ. Частицы наполнителя должны иметь высокую прочность во всём интервале температур, малую плотность, быть нерастворимыми в матрице и нетоксичными. Армирующими веществами в КМ являются оксиды, карбиды (обычно – карбид кремния SiC), нитрид кремния (Si₃N₄), стеклянные или углеродные нити, волокна бора (бороволокна), стальная или вольфрамовая проволока.

     По  форме наполнители разделяют  на три основные группы (рис. 1, 1): нуль-мерные, одномерные, двумерные.

     Нульмерными называют наполнители, имеющие в трёх измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы). Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна). У двумерных наполнителей два размера соизмеримы с размером КМ и значительно превосходят третий (пластины, ткань).

     По  форме наполнителя КМ разделяют  на дисперсно-упрочнённые, слоистые и волокнистые.

     Дисперсно-упрочнёнными называют КМ, упрочнённые нуль-мерные наполнителями; волокнистыми – КМ, упрочнённые одномерными или одномерными и двумерными наполнителями; слоистыми – КМ, упрочнённые двумерными наполнителями.

     По  схеме армирования КМ подразделяют на три группы: с одноосным, двуосным и трёхосным армированием (рис. 1, 2– 4).