KURZUS: Mérnöki anyagismeret
MODUL: Szerkezeti anyagok
23. lecke: Nem fémes szerkezeti anyagok, polimerek
| ||||||||
A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti: | ||||||||
| ||||||||
A nem fémes anyagoknak nincs olyan nagy hagyományokon alapuló szabványos rendszere, mint azt a fémeknél láttuk. Ennek oka többek között az, hogy a nemfémes anyagok tulajdonságai sok mindentől függnek, így pl. az előállítás módjától, a hőmérséklettől, a nedvességtartalomtól, a terhelés időtartamától. A tulajdonságok szórása sokkal nagyobb, mint a fémeké. | ||||||||
A nem fémes szerkezeti anyagok csoportosítása | ||||||||
A nem fémes szerkezeti anyagokat két csoportba oszthatjuk. | ||||||||
| ||||||||
Szerves nem fémes szerkezeti anyagok vagy polimerek | ||||||||
A polimerek óriásmolekulákból felépülő szerves eredetű anyagok. | ||||||||
| ||||||||
![]() | Természetes eredetű polimerek | |||||||
A természetes eredetű polimerek olyan kémiai vegyületekből állnak, melyeket organizmusok állítanak elő. | ||||||||
| ||||||||
Fa és fa szerkezeti anyagok | ||||||||
A fa természetes összetett anyag, amely cellulózrostokból és kötőanyagból (lignin) áll. Mikroszkópos szerkezetét a hosszan elnyújtott, cső alakú, egymással kapcsolatban lévő szállító sejtek jellemzik. | ||||||||
| ||||||||
A faanyagok tulajdonságai | ||||||||
| ||||||||
Fa és fa félgyártmányok | ||||||||
A fa félgyártmányok makroszerkezetét rendszerint forgácsolással kialakított alak, méretek és felületminőség eredményezi. | ||||||||
| ||||||||
"Nemesített fatermékek" | ||||||||
A fa természetes anizotrópiáját rostirányban keresztezett rétegek összeragasztásával lehet megszüntetni. | ||||||||
| ||||||||
| ||||||||
Rostok | ||||||||
A rostok hosszirányban elnyújtott kis keresztmetszetű anyagok, amelyeknek molekulái, vagy alkotó részei párhuzamos elrendezésűek, és ezért jó a hajlító és a szakítószilárdságuk. | ||||||||
Lehetnek természetes növényi rostok, mint pl. a pamut, len, kender, juta, kókusz stb. vagy állati, mint pl. a gyapjúk és szőrök (juh, láma, teve stb.) és selymek. A mesterséges rostok lehetnek cellulózrostok, vagy fehérjék. |
| |||||||
A rostok fő alkalmazási területe a textil és papíripar. | ||||||||
Bőr | ||||||||
Alkalmazása: pl. géphajtószíjak, sík és alakos tömítések, tengelykapcsoló alkatrészek, védőruházatok, munkavédelmi kesztyűk, jármű üléshuzatok stb. | A bőr a gerinces állatok kültakarója, amely három fő rétegből áll, a hámból, az irhából és a hájashártyából. A bőrfeldolgozás szempontjából a bőr vastag kb. 85-88%-át kitevő irharétegnek van jelentősége. | |||||||
A bőr az állat egyes testtájain eltérő minőségű vastagság, tömörség, rugalmasság és szilárdság tekintetében. A legértékesebb a hátrész (krupon), amely a nyersbőr kb. 45 %-a. | ||||||||
| ||||||||
Az iparilag feldolgozott bőrt cserzéssel és kikészítéssel (pl. hengerléssel, zsírozással, impregnálással) készítik. | ||||||||
Papír | ||||||||
A papír növényi rostokból filcesítéssel, ragasztással és préseléssel előállított lapos szerkezeti anyag. | ||||||||
| ||||||||
![]() | Mesterséges polimerek, műanyagok | |||||||
A műanyagok mesterséges úton előállított szerves vegyületek, amelyek óriásmolekulákból állnak. Az óriásmolekulákat (polimereket) kismolekulákból az ún. monomerekből állítják elő | ||||||||
| ||||||||
Mesterséges polimerek, műanyagok előállítása | ||||||||
| ||||||||
![]() | ![]() A megfelelő nyomáson és hőmérsékleten felszakított kettős kötésből reakcióképes egymáshoz kapcsolódni tudó monomerek jönnek létre. A monomerek egymáshoz kapcsolódva hozzák létre a láncmolekulás szerkezetű polimert pl. -CH2-CH2- CH2- CH2- | |||||||
| ||||||||
A műanyagok szerkezete és termikus viselkedése | ||||||||
A polimereket elsődleges vagy vegyérték kötések és másodlagos kémiai kötések kapcsolják össze. A műanyagok tulajdonságai, hővel szembeni viselkedése, alkalmazhatósága jelentősen függ a szerkezettől. | ||||||||
A műanyagok lehetnek: | ||||||||
| ||||||||
![]() | Hőre lágyuló, termoplasztok | |||||||
Csak egy irányban, a szál irányában van elsődleges, vegyérték kapcsolat, és a szálak egymáshoz laza molekulák közötti erőkkel (Van der Waals) kapcsolódnak. Ezek a másodlagos kötések a hőmérséklet hatására felszakadnak, a műanyag meglágyul. | ||||||||
| ||||||||
Hőre lágyuló termoplaszt | ||||||||
| ||||||||
| ||||||||
Az ábrán a szilárdság és a nyúlás van feltüntetve a hőmérséklet függvényében, illetve a műanyag adott hőmérsékleten tapasztalható állapota. |
| |||||||
Az ábrán a szilárdság és a nyúlás van feltüntetve a hőmérséklet függvényében, illetve a műanyag adott hőmérsékleten tapasztalható állapota. |
| |||||||
A hőre lágyuló műanyagok az ún. üvegesedési hőmérséklet (Tü) alatt üvegszerűen viselkednek, felette alakíthatók. Az amorf anyagok Tü felett rugalmasan viselkednek, majd további melegítés hatására meglágyulnak és képlékenyen alakíthatóvá válnak. További hevítés hatására megolvadnak. Visszahűtve visszanyerik eredeti állapotukat. Az ilyen műanyagok újrafeldolgozhatóak. | ||||||||
A legfontosabb használati szerkezeti anyagok a PE, a PVC, PP, és a PS. Konstrukciós szerkezeti anyagként a gépipar elsősorban a részben kristályos poliamidot, a polioximetilént POM, a polietilénteraftalátot (PET) használja. Biztonsági üvegezéshez a teljesen áttetsző policarbonátot (PC) használják. | ||||||||
![]() | Duroplasztok | |||||||
Ha az óriásmolekulák minden irányban valódi vegyérték kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, a térben három dimenziós háló alakul ki. Ezt térhálós szerkezetnek nevezzük. Az ilyen anyagok hővel szembeni viselkedése irreverzibilis. | ||||||||
| ||||||||
Hő hatására a háló mozgékonysága növekszik, de az elsődleges, vegyérték kötések erőssége változatlan. A térhálósodás az anyag alakítása során hő vagy un. edző hatásra jön létre. A műanyag a térhálós szerkezet kialakulása után hő hatására nem lágyul meg, nem alakítható és nem hegeszthető. | ||||||||
A duroplasztok szerkezete mindig amorf, mert a láncok rendkívül szorosan illeszkednek egymáshoz. Ilyenek pl. a fenoplasztok és az aminoplasztok, melyek merev, kemény, rideg anyagok főleg kapcsolók, dugaszolóaljzatok, villamos szerelvények készítésére alkalmazzák. A telítetlen poliészter műgyanta önmagában rideg, üvegszállal, üvegszövettel, szövettel stb. társítva csónaktestek, járműfelépítmények stb. anyaga Az epoxigyanták ragasztóként. vagy rétegelt anyagként szendvics szerkezetek, csónaktestek anyaga. | ||||||||
![]() | Elasztomerek | |||||||
A térben ritkán hálósodott polimereket rugalmas műanyagoknak, elasztomereknek nevezik. A főlánc néhány száz atomjára egy keresztkötés jut, így lehetővé válik az egész polimerháló mozgása. Ennek eredményeként a műanyag rugalmas. Pl. PUR, szilikon, sztirolbutadien gumi. | ||||||||
A hálósodás vulkanizálás révén játszódik le pl. kén hatására (gumi). Az elasztomerek melegítés hatására nem lágyulnak és olvadnak jellegzetes módon, gumiszerű rugalmas állapotukat a bomlási hőmérsékletükig megtartják. | ||||||||
| ||||||||
Ilyen anyag pl. a poliuretán PUR, a szilikon és a sztirol butadien gumi. Ezek kábelköpenyek, tömítések, fogaskeréklánc, kerékabroncsok, cipőtalpak stb. anyagai. | ||||||||
A műanyagok terheléssel szembeni viselkedése | ||||||||
A műanyagok a fémes szerkezeti anyagoktól eltérő viselkedést mutatnak. A fémek a folyáshatár alatt rugalmas, fölötte rugalmas + maradó alakváltozást szenvednek. A terhelés megszüntetése utána rugalmas alakváltozás azonnal megszűnik. | ||||||||
A műanyagok. Feszültség nyúlás kapcsolata nem lineáris. Egy adott igénybevétel hatására az alakváltozás. a rugalmas és a maradó alakváltozáson kívül még késleltetett rugalmas alakváltozásból is áll. Ezt a viselkedést viszkoelasztikus viselkedésnek nevezzük. | ||||||||
A következmény, hogy a műanyagok terhelés hatására kúsznak, vagyis állandó terhelés hatására az idővel növekszik az alakváltozás. Megfigyelhető továbbá a relaxáció, elernyedés, ami állandó nagyságú alakváltozás esetén bekövetkező feszültségcsökkenést jelent. | ||||||||
A műanyagok feszültség-nyúlás kapcsolata függ a hőmérséklettől, a terhelési szinttől és az igénybevétel időtartamától. A meghatározott anyagjellemzőket befolyásolja: | ||||||||
| ||||||||
| ||||||||
| ||||||||
![]() | ![]() Figyelje meg, a vizsgálati sebesség növelése hatására a képlékeny műanyag ridegen fog viselkedni. | |||||||
Összefoglalva megállapíthatjuk, hogy a műanyagok a fémekhez képest a következők előnyökkel illetve hátrányokkal jellemezhetők: | ||||||||
Előnyeik: kis sűrűség, kiváló hang- és hőszigetelő képesség, jó rezgés és zajcsillapítás, könnyű megmunkálhatóság, kiemelkedő vegyszer és korrózióállóság, általában viszonylag alacsony ár | ||||||||
Hátrányok: kisebb szilárdság és merevség, kisebb alkalmazhatósági hőmérséklet, nagyobb hőtágulás, elektrosztatikus feltöltődés, kúszási hajlam már szobahőmérsékleten, gyúlékonyság, sokszor mérgező égéstermékek keletkezése, nagyobb öregedési hajlam, nagy részük biológiailag nem lebontható ezért jelentős a környezet terhelésük. |
Ellenőrző kérdések | |||||||||||||||||||||||
1. Jelölje be az alábbi állításokról, hogy igaz vagy hamis!
![]() | |||||||||||||||||||||||
Jelölje be az egy helyes megoldást! | |||||||||||||||||||||||
2. Milyen molekula szerkezete van a hőre nem lágyuló polimereknek?
![]() | |||||||||||||||||||||||
3. Milyen molekula szerkezete van a hőre lágyuló polimereknek?
![]() | |||||||||||||||||||||||
4. Milyen molekula szerkezete van az elasztomereknek?
![]() | |||||||||||||||||||||||
5. Milyen polimerek lehetnek részben kristályosak?
![]() | |||||||||||||||||||||||
6. Milyen műanyagok hulladéka hasznosítható újra?
![]() |