Вопрос 3. Полимерные вещества в производстве изделий легкой промышленности
Лекция 1
Тема « Введение в курс. Полимерные вещества, образующие материалы для изделий легкой промышленности»
Вопрос 1. Введение в курс «Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности»
Материаловедение – наука о строении, свойствах и оценке качества материалов, используемых в производстве изделий легкой промышленности.
Рассмотрим основные понятия, связанные с приведенным выше определением.
Строение (или структура) – взаимное расположение частей, составляющих единое целое, т.е. материал.
Свойство - объективная особенность материала, которая проявляется при его создании, эксплуатации или потреблении.
Характеристика – описание отличительных свойств материалов.
Характеристика свойства материала может быть качественной или количественной.
Показатель – числовое выражение характеристики свойства материала.
Основные вопросы, которые изучает материаловедение:
- основы производства материалов и влияние технологии на их свойства;
- строение, свойства и качество материалов;
- методы и приборы для определения структуры, свойств и качества материалов;
- взаимосвязь структуры и свойств материалов;
- изменение свойств материалов в результате воздействия на них факторов, имеющих место в производстве и при эксплуатации изделия.
Технология – совокупность технологических процессов в определенной области производства, а также научное описание способов производства.
|
|
|
Технологический процесс – последовательность операций, выполняемых при изготовлении продукции.
Качество – наличие существенных свойств, особенностей, отличающих один материал от другого.
Несмотря на то, что человек использует обувь, одежду многие десятки веков, материаловедение как наука возникло лишь в начале ХХ века, когда развитие физики и химии позволило четко представить структуру материалов. Это, в свою очередь, открыло возможность поиска закономерностей во взаимосвязях структуры и свойств материалов.
Наука материаловедение базируется на таких фундаментальных науках как физика, химия, математика и математическая статистика, сопротивление материалов, механика, электротехника, теплотехника и др.
Полученные при изучении материаловедения знания позволяют специалистам делать обоснованные заключения по рациональному подбору материалов для изготовления обуви, одежды и изделий кожгалантереи, режимам технологической обработки материалов при производстве, условиям эксплуатации изделий, создать продукцию высокого качества, пользующуюся спросом на рынке товарной продукции.
|
|
|
Сегодня знание материаловедения необходимо практически любому специалисту предприятия легкой промышленности. Это связано с тем, что в главном экономическом критерии производства – себестоимости изделия – более 80 % составляют расходы на материалы. Следовательно, правильный выбор материалов для изделий, рациональное, малоотходное их использование с применением прогрессивной технологии, высокопроизводительного оборудования и совершенной организации труда обеспечат высокую эффективность производства.
Вопрос 2. Классификация материалов для изделий легкой промышленности
Для изготовления изделий легкой промышленности применяют большой ассортимент материалов.
Ассортимент – это определенный набор, перечень материалов, товаров, услуг и т.д.
В зависимости от назначения в изделии все материалы делятся на основные и вспомогательные. Основные материалы - это материалы, которые используются для изготовления отдельных деталей или изделия в целом. Вспомогательные материалы используются в изделии для скрепления деталей (скрепляющие материалы) и их отделки (отделочные материалы). Отдельную подгруппу образуют мелкие детали, которые поступают на предприятия в готовом виде. Их называют фурнитурой.
|
|
|
Ассортимент основных материалов можно разделить на несколько видов в зависимости от используемого для их производства сырья, технологии их производства и применяемого оборудования, строения.
В соответствии с этой классификацией основные материалы можно разделить на:
- натуральные кожи – материалы, полученные из шкур различных животных путем комплексного воздействия на них разнообразных физико-механических и химических операций;
- натуральный мех – выделанные шкурки пушных, морских и речных зверей, домашних животных;
- текстильные полотна (ткани, трикотаж, нетканые полотна, дублированные и триплированные материалы, искусственный мех):
· ткани – текстильные полотна, образованные в процессе ткачества на ткацких станках путем взаимного переплетения систем нитей основы и утка;
· трикотаж – текстильные полотна, полученные на трикотажных машинах из одной или нескольких нитей путем образования петель и взаимного их соединения;
· нетканые полотна – текстильные полотна, полученные из волокон и (или) нитей (волокнисный холст, система нитей, ткань, трикотаж), путем скрепления их на специальном оборудовании по различным технологиям (механической, физико-химической, комбинированной);
|
|
|
· дублированные и триплированные (комплексные) материалы – текстильные полотна, состоящие из двух или трех текстильных материалов, соединенных между собой клеевым или огневым способом;
· искусственный мех – текстильный материал, имитирующий натуральный мех, вырабатываемый на ткацких станках, трикотажных машинах, нетканым (тканепрошивным) или клеевым способом;
- искусственные кожи и пленочные материалы – полимерный материал, вырабатываемый на тканой, нетканой, трикотажной основе, а иногда без основы, различными методами (наносным, каландровым, ламинированием, пропиткой и их сочетанием);
- картон – материал, получаемый на основе волокон различного происхождения (кожевенные, целлюлозных) путем их склеивания различными проклеивающими композициями;
- синтетические материалы для низа (резина, пластмассы, термоэластопласты, полиуретаны):
· резина – синтетический материал для низа обуви, получаемый вулканизацией резиновых смесей, основным компонентом которой является синтетический или натуральный каучук или их комбинация;
· пластмассы – материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные под действием температуры и давления формоваться в изделия, а также сохранять при эксплуатации приданную им форму;
· термоэластопласты (ТЭП) – синтетический полимерный материал, сочетающий в себе эластические свойства каучуков и термопластические свойства пластмасс;
· полиуретаны – синтетические материалы, получаемые путем взаимодействия изоцианатов с гидроксилсодержащими соединениями.
Каждый вид основных материалов делят на разновидности. Разновидность материала внутри каждого вида определяется особенностями состава, технологии их производства и строения. Так, из одного и того же вида сырья (например, шкуры животного) меняя операции технологического процесса, их режимов, можно получить различную кожу с разными свойствами (кожу для верха обуви или кожу для низа обуви). В свою очередь, ассортимент кож для верха также разнообразен.
Несмотря на разнообразие, все материалы объединяет то, что их основой являются высокомолекулярные соединения.
Вопрос 3. Полимерные вещества в производстве изделий легкой промышленности
Итак, как мы уже отметили, абсолютное большинство материалов, используемых в производстве изделий легкой промышленности из высокомолекулярных соединений (ВМС), называемых полимерами.
Полимеры – соединения, в которых чередуются большое число одинаковых или неодинаковых атомных группировок, соединенных химическими связями в линейные цепи или пространственные сетки.
Мономер – исходное низкомолекулярное вещество, из которого получают полимер.
Макромолекула - согласно современным представлениям макромолекулы полимера представляют собой длинные гибкие образования, состоящие из большого числа повторяющихся звеньев, соединенных между собой химическими связями.
Звено - многократно повторяющееся в цепи полимера группировка. Число звеньев в макромолекулах, то есть степень полимеризации (n), колеблется в широких пределах: от нескольких сотен до десятков тысяч. Молекулярная масса ( Mn ) – равна произведению степени полимеризации (n) на молекулярную массу звена (Мзв), т.е. Mn = n Мзв.
Полимеры имеют молекулярную массу от 500 до сотен тысяч кислородных частиц. Полимеры, имеющие молекулярную массу от 500 до 5000, называют олигомерами; полимеры, построенные из одинаковых мономеров, - гополимерами или полимерами, а из разных мономеров – сополимерами.
Высокомолекулярные соединения очень разнообразны. Их классифицируют по различным признакам. Остановимся на некоторых из них.
По происхождению полимеры делят на натуральные (природные) искусственные и синтетические. Природные полимерные вещества бывают растительного и животного происхождения (белки, целлюлоза, каучук). Искусственные получают в результате обработки натуральных полимеров. Синтетические полимеры - путем синтеза из мономеров в результате реакции полимеризации или поликонденсации.
По поведению при нагревании полимеры делят на термопластичные и термореактивные. Термопластичные – полимеры, размягчающиеся при нагревании и затвердевающие при охлаждении, т.е. меняющие свойства обратимо. Термореактивные – переходящие при нагревании необратимо в твердое состояние.
По строению основной цепи полимеры могут быть гомоцепными (например, карбоцепными) или гетероцепными. Главная цепь гомогенных полимеров построена из одинаковых атомов, а гетероцепных – из различных атомов.
По форме макромолекул различают полимеры линейные, разветвленные и сетчатые. При линейном строении каждое звено макромолекул связано с двумя соседними звеньями и представляют собой неразрывную цепь. При этом полимер может иметь строение:
А-А-А-А-А – полимер линейный простого вида;
А-В-А-В-А-В-А-В- сополимер регулярного строения;
А-А-В-А-В-В-А-В-АА- сополимер нерегулярного строения;
А-А-А-А-А-А-В-В-В-В-В-В- блок-сополимер;
- циклическое линейное строение.
В макромолекулах разветвленной структуры некоторые из звеньев связаны более чем с двумя соседними звеньями, вследствие чего образуются ответвления в виде боковых цепей, например:
ЕЕЕЕ
АААААААААААААААА .
ВВВВ ССС
В макромолекулах сетчатой структуры линейные цепи связаны между собой поперечными химическими связями и образуют большие пространственные трехмерные сетчатые структуры:
По отношению к воде полимеры могут быть гидрофильными и гидрофобными. Гидрофильные – смачиваются водой, набухают и растворяются в ней. Гидрофобные – не смачиваются водой и не набухают в ней.
Отдельные группы и звенья макромолекул могут поворачиваться относительно друг друга. Степень подвижности звеньев макромолекул определяется их химическим составом, структурой, наличием функциональных групп и обусловливает весь комплекс свойств материалов.
Для полимеров характерны два вида связей: химические (ковалентные, электровалентные, координационные) и межмолекулярные (силы Ван-дер-Ваальса и водородные связи). В сетчатых полимерах цепи соединены ковалентными связями. Химическая связь может быть полярной или неполярной. Ковалентная связь, образованная одинаковыми атомами (Сl2 , О2 , Н2), неполярна. В этом случае электронное облако симметрично относительно ядер обоих атомов. При связи разных атомов (-Сl- , С-ОН и др.) средняя плотность электронного облака у одного из атомов больше, чем у другого, в результате возникает дипольный момент, придающий полимеру полярность. При наличии таких связей, расположенных симметрично, полимер может быть неполярен.
От полярности макромолекул зависит межмолекулярное взаимодействие между химически не связанными атомами, принадлежащими одной и той же или разным молекулам.
Межмолекулярные силы, возникающие в полимерах, определяются взаимодействием различного типа. Ван-дер- Ваальсовы силы (энергия связи 1-8 кДж/моль) включают в себя три вида сил:
а) дипольные (ориентационные) силы- присущие слабо полярным молекулам – диполям;
б) индукционные силы – возникающие при взаимном притяжении диполей двух молекул;
в) дисперсионные силы – возникающие в следствие притяжения мгновенных диполей.
Водородные связи образуются между атомом водорода, связанным ковалентной связью, и другим атомом, имеющим большой отрицательный заряд ( например, -ОН, -СООН и –НСО). Энергия связи – (20-60) кДж/моль.
Химическое строение существенно влияет на гибкость макромолекулы в целом или на отдельных участках цепи. Гибкость цепи проявляется в способности изменять форму макромолекулы.
Молекула характеризуется пространственным расположением атомов и наличием связи между ними. Звенья макромолекул или их части располагаются под углом друг к другу. Звенья макромолекул находятся в непрерывном тепловом колебательно-вращательном движении, хотя сама макромолекула из-за своих размеров и действия внутренних сил не имеет свободы перемещения.
Изменение формы молекул под влиянием теплового движения или внешнего поля, не сопровождающееся разрывом химических связей, называют конформационным превращением.
Макромолекулы в пространстве могут образовывать различные формы. Взаимодействуя между собой, макромолекулы могут образовывать различные надмолекулярные образования. Макромолекулы в полимере агрегируются, образуя надмолекулярную структуру. Параллельно расположенные макромолекулы образуют – микрофибриллы. Параллельно расположенные микрофибриллы образуют фибриллы. Глобулы – это отдельные гибкие макромолекулы, имеющие свернутую в клубок, сферическую форму. Образуются при условии превышения сил внутримолекулярного взаимодействия над межмолекулярным.
В зависимости от структуры полимеры могут быть кристаллическими, аморфными, кристаллизующимися. Кристаллические области - характеризуются определенной степенью упорядоченности структуры, наличием геометрически правильного расположения друг по отношению к другу некоторого числа звеньев соседних молекул, в результате чего образуются кристаллиты игольчатого или пластинчатого вида, или крупные структуры из кристаллитов – сферолиты.
Аморфные области – характеризуются хаотичным, неупорядоченным расположением макромолекул и их отдельных звеньев. Чем дальше звенья расположены друг от друга, тем аморфнее полимер.
Полимеры не имеют целиком кристаллическое строение, в них всегда присутствует аморфная область. Переход от кристаллической области к аморфной происходит постепенно через ряд промежуточных форм упорядоченности. Характер чередования, размеры и степень упорядоченности областей в микрофибриллах зависят от вида полимера и условий его получения. Длинные макромолекулы могут иметь несколько кристаллических и аморфных областей на своей протяженности.
В зависимости от температуры полимеры могут находиться в стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем состоянии, причем все три состояния возможны для аморфных полимеров, а второе и третье – для кристаллических. На рисунке 1 представлена зависимость деформации полимера при нагревании и постоянном напряжении, которая называется термомеханической кривой.
Рисунок 1
Кривая имеет три участка, соответствующие трем физическим состояниям. Участок 1 характеризует стеклообразное состояние полимера (малое напряжение вызывает малые деформации), участок 2 – высокоэластическое состояние с большими обратимыми деформациями, 3 – вязкотекучее состояние (высокая деформация при малых напряжениях) со значительными необратимыми деформациями.
В высокоэластическом состоянии макромолекулы распрямляются при повороте отдельных звеньев. После снятия напряжения макромолекулы опять принимают более сжатую форму и деформации исчезают. Степень деформации полимеров зависит от их состава, строения макромолекул и надмолекулярной структуры.
В вязкотекучем состоянии происходит не изменение конформации макромолекул, а перемещение их целиком или частично.
Макромолекулы, микрофибриллы и фибриллы не полностью заполняют объем полимера, из-за неплотного расположения между ними располагаются микропустоты, поры. Пористость структуры определяет ряд физико-механических свойств материалов, их прочность, способность к сорбированию влаги, набуханию, окрашиванию и т.д.
Кристаллические области полимеров имеют большую плотность упаковки, чем аморфные. Поэтому чем больше степень кристалличности, тем более упорядочена структура и выше прочностные свойства. Степень кристалличности, то есть упорядоченность структуры, изучают с помощью рентгеноструктурного анализа.
Химический состав и строение полимеров, используемых в производстве материалов, определяют технологические и потребительские свойства материалов.
Применяя разные современные технологии переработки полимерных материалов, можно изготовить материалы, имеющие один химический состав, но разные структуры (строение).
Материалы, применяемые для изготовления изделий легкой промышленности, могут иметь строение, схематическое изображение которых представлено на рисунке 2.
а – монолитное; б – пористо-монолитное; в – пористое (с несвязанными и со связанными порами); г – волокнистое с хаотичным расположением волокон; д – волокнистое с ориентированным расположением волокон (волокнисто-сетчатое строение); е – волокнисто-наполненное
Рисунок 1
Наиболее распространены материалы (50-90%) волокнистых и волокнисто-сетчатых структур: кожа, текстильные полотна и др.
Структура материала, химический состав и строение полимера определяют вид, назначение и свойства изделия. Например, если необходимо изготовить обувь водонепроницаемую, то необходимо использовать материалы, имеющие структуру а, б. Чтобы изделие пропускало воду, пар, целесообразно использовать структуры г, д.
Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 41; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!