Fabricarea de Materiale Noi

I. MATERIALE PLASTICE

I. 1. POLIMERII ŞI PROPRIETĂŢILE LOR

Se poate afirma că astăzi nu există nici o ramură a tehnicii care să nu beneficieze de descoperirile şi cercetările care au dus la obţinerea polimerilor şi pe această bază a materialelor plastice. Unele ramuri industriale se ocupă cu producerea (sinteza) polimerilor iar altele cu obţinerea şi prelucrarea materialelor pe bază de polimeri.

Unul dintre cei mai cunoscuţi polimeri, nylonul, este produsul de condensare al acidului adipic şi a hexametilendiaminei. Prin eliminarea unei molecule de apă între două astfel de molecule se formează celula de bază din structura nylonului. Prin repetarea alternativă a radicalilor proveniţi de la acidul adipic şi hexametilendiaminei, rezultă o moleculă lungă. Nylonul este un material fibros care constă din aceste molecule lungi într-o orientare aproximativ paralelă.

Prin reacţii similare de condensare se prepară şi alte fibre artificiale şi mase plastice. Procesul de condensare a mai multe astfel de molecule se numeşte polimerizare.

Iniţial materialele plastice au pătruns în tehnică înlocuind materialele clasice (lemn, ceramică, metale). Treptat însă, polimerii sintetici s-au impus şi au ieşit din stadiul de materiale de înlocuire.

Polimerii s-au afirmat datorită proprietăţilor lor deosebite (rezistenţă mecanică şi termică, rezistenţă la coroziune, densitate mică, prelucrabilitate uşoară, conductivitate electrică şi termică reduse) ca materiale noi, utilizabile în condiţii în care materialele clasice nu făceau faţă.

Materialele plastice au permis rezolvarea unor probleme de cea mai mare importanţă pentru domenii de vârf ale tehnicii: în construcţiile aerospaţiale, electrotehnică şi electronică (izolatori ai conductorilor electrici).

Materialele plastice au egalat rezistenţa mecanică a metalelor, dar sunt mult mai uşoare şi mai rezistente la agenţii atmosferici, acvatici şi chimici (firele transatlantice); sunt tot aşa de transparente ca şi sticla, dar incasabile; rezistă la umezeală şi bacterii; permit transportul razelor γ (fibrele optice).

Progresele realizate în direcţia obţinerii de polimeri cu stabilitate termică ridicată au mărit prestigiul materialelor plastice.

Astfel, posibilitatea utilizării politetrafluoretilenei (teflonului) până la aproape 300°C a jucat un rol important în realizarea primelor aparate de zbor cu motoare cu reacţie, a motoarelor electrice (bucşe, lagăre) şi a transformatoarelor cu funcţionare la temperaturi ridicate (izolatori la sârma de cupru). Utilizarea polimerilor silico-organici stabili la temperaturi de peste 400-500°C permite reducerea gabaritului motoarelor electrice. Izolarea cu astfel de polimeri permite realizarea unor secţiuni reduse ale conductorilor cu care se bobinează rotorul. Se obţin economii importante în greutate.

La avioanele supersonice în timpul zborului suprafaţa metalică poate atinge temperaturi de până la 300°C. Materialele plastice din care sunt realizate parbrizul, geamurile, garniturile de etanşare de la uşi, ferestre, trape trebuie să reziste acestor temperaturi. În anvelopele avioanelor de mare viteză se dezvoltă la aterizare, pentru foarte scurt timp, temperaturi de peste 320°C; polimerii utilizaţi în acest scop trebuie să-şi menţină comportarea elastică şi să reziste suprasolicitărilor. Densitatea de 5 pană la 9 ori mai mică decât a metalelor recomandă utilizarea materialelor plastice în aeronautică.

Probleme foarte complicate legate de stabilitatea termică la temperaturi foarte ridicate au fost rezolvate prin utilizarea materialelor plastice. De exemplu:

- vârful de atac al rachetelor necesită o finisare perfectă, rezistenţă termică şi în plus o perfectă stabilitate dimensională la şocurile de temperatură obişnuite vitezelor şi altitudinilor mari. Lipsa dilatărilor şi contractărilor, necesare unei bune dirijări a navei nu poate fi obţinută prin utilizarea unei piese metalice, sensibilă la variaţiile de temperatură. Un stratificat de polimer fenolic a rezolvat această problemă datorită coeficientului său de dilatare termică mic şi a bunei sale stabilităţi termice;

- ajutajul prin care ies gazele de combustie la motoarele rachetă nu poate fi realizat numai din metal, dar nici numai din material plastic datorită temperaturilor foarte mari: 3000-3500°C. Prin combinarea acestor două materiale se rezolvă problema. Suprafaţa metalului se acoperă cu un polimer corespunzător (de exemplu cu un polimer fenolic). Adus la temperatură înaltă, datorită fenomenului de ablaţiune, polimerul se carbonizează (nu arde), iar stratul format având structură poroasă devine izolant termic, ceea ce totodată încetineşte procesul de descompunere. În final, se obţine un strat cu calităţi de izolant termic excepţionale. De exemplu, dacă în anumite condiţii o suprafaţă de oţel neprotejată ajunge la 1000°C, prin aplicarea unui strat de protecţie din teflon de 5mm temperatura de la suprafaţa metalului ajunge să fie de numai 150°C.

Există polimeri care îşi păstrează proprietăţile mecanice în limite largi de temperatură (-50 +500°C). Alţi polimeri, în limite restrânse, au stabilitate chimică mai bună decât aurul şi platina.

Bariera termică a fost învinsă de polimeri. Temperaturile înalte nu mai reprezintă o îngrădire pentru extinderea utilizării materialelor plastice. Prin acceptarea de către aeronautica modernă (cea mai capricioasă şi pretenţioasă ramură a tehnicii) a utilizării pe scară largă a materialelor plastice se poate considera că acestea au trecut „botezul focului”. Evoluţia producţiei mondiale de materiale plastice este, în acest sens, semnificativă (milioane tone): anul 1975 – 35 mil. tone; 1976 – 42; 1980 – 105; 2000 – 1700.

Câteva domenii în care materialele plastice sunt din ce în ce mai mult utilizate:

- construcţia de maşini (automobile, pompe, suflante, ventilatoare, filtre, conducte, recipiente, roţi dinţate, şuruburi);

- materiale de construcţie (ţevi, elemente prefabricate, materiale spongioase, plăci, acoperişuri, mobilier);