МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ЕКОНОМІКИ І ТОРГІВЛІ ІМЕНІ МИХАЙЛА ТУГАН-БАРАНОВСЬКОГО
МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО ТА ОСНОВИ ТЕХНОЛОГІЇ ПЕРЕРОБКИ ПРИРОДНОЇ СИРОВИНИ У НЕПРОДОВОЛЬЧІ ТОВАРИ
НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК ДЛЯ СТУДЕНТІВ ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ
Київ “Центр учбової літератури” 2009
ББК 30.3я73 УДК 620.2(075.8) М 34 Рекомендовано до друку Вченою радою Донецького національного університету економіки і торгівлі імені Туган-Барановського (протокол № 1 від 30.08.2008 р.) Рецензенти: Азарян О. М. – доктор економічних наук; Матлак Є. С. – професор, кандидат технічних наук.
М 34
Астапова Г. В. Матеріалознавство та основи технології переробки природної сировини у непродовольчі товари: навч. пос. для студ. вищ. навч. закл./ [Г. В. Астапова, К. А. Астапова, Л. Г. Саркісян та ін.] – К.: Центр учбової літератури, 2009. – 120 с.– ISBN 978-966-364-866-8
Надано принципово нову комплексну характеристику матеріалознавства природних ресурсів і сировини. Обгрунтовано систему взаємодії механізму використання відтворення природних ресурсів та управління еколого-економічної діяльності. Технологічні основи переробки природної сировини у непродовольчі товари та принципи раціонального природокористування й відтворення природних ресурсів. УДК 620.2(075.8) ББК 30.3я73 ISBN 978-966-364-866-8
© Астапова Г. В., Астапова К. А., Саркісян С.А. Куделіна Г. М., Зуєва Г. С. 2009. © Центр учбової літератури, 2009.
ЗМІСТ ЗМІСТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 ВСТУП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНІ ТА МЕТОДОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ПРИРОДНИХ РЕСУРСІВ І СИРОВИНИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1 Теоретичні основи матеріалознавства природних ресурсів і сировини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2. Хімічний склад природної сировини і матеріалів . . . . . . . . . . . . . 11 1.3. Будова і структура речовин, які входять до складу сировинних матеріалів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.4. Типи хімічних зв’язків у молекулах різних тіл. . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.5. Міжмолекулярні сили й різні стани речовини . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.6. Властивості природної сировини й матеріалів . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Запитання для самоконтролю знань. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 РОЗДІЛ 2. КОМПЛЕКСНИЙ ПІДХІД ЩОДО ДОСЛІДЖЕННЯ ОСОБЛИВОСТЕЙ УТВОРЕННЯ ТА ВИКОРИСТАННЯ ПРИРОДНИХ РЕСУРСІВ . . . . . . . . . . 27 2.1. Класифікація природних ресурсів та матеріалів з природної сировини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2. Органічні природні матеріали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.1. Характеристика деревини листяних і хвойних порід . . . . 32 2.2.2. Основні сортименти ділової деревини . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.3. Природні паливно-енергетичні сировина й матеріали . . . 41 2.2.4. Природні полімери: види, властивості, використання . . . 46 2.3. Неорганічні матеріали. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.3.1. Неорганічні матеріали з рудних і водо-мінеральних ресурсів . . 57 2.3.2. Неорганічні матеріали з природної будівельної, гірно-хімічної сировини та нерудних корисних копалин . . . . . . 74 2.4. Природні комплекси, їх загальні властивості та використання . . . . .83 Запитання для самоконтролю знань . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 РОЗДІЛ 3. МІЖНАРОДНІ ПРИРОДНІ РЕСУРСИ І МІЖНАРОДНЕ СПІВРОБІТНИЦТВО В ГАЛУЗІ ОХОРОНИ ПРИРОДИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3
3.1. Національні й міжнародні природні ресурси . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.2. Напрями й форми міжнародного співробітництва . . . . . . . . . . . . 88 Запитання для самоконтролю знань. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 РОЗДІЛ 4. Основи виробництва непродовольчих товарів з природної сировини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.1. Загальні основи технології виробництва непродовольчих товарів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.2. Технологічні процеси формування виробів з різних видів природної сировини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2.1. Обробка матеріалів зі зміною маси виробів . . . . . . . . . . . . . 94 4.2.2. Обробка матеріалів зі зміною форми при постійній масі виробу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.2.3. Обробка зі зміною агрегатного стану . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2.4. Обробка зі зміною фазового складу і структури матеріалів . . 97 4.3. Особливості технології процесу виробництва непродовольчих товарів з різних конструкційних матеріалів. . . . . . 98 4.3.1. Технологічний процес виготовлення виробів з металів і сплавів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.3.2. Технології виготовлення виробів зі скла і кераміки. . . . .100 4.3.3. Технологічний процес виготовлення виробів з текстильних волокон та пряжі . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102 4.3.4. Основи технології виготовлення виробів з деревини . . .105 4.3.5. Особливості технології переробки натуральної шкіри у взуттєві вироби . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 Запитання для самоконтролю знань . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107 РОЗДІЛ. 5 ПРИНЦИПИ РАЦІОНАЛЬНОГО ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ Й ВІДТВОРЕННЯ ПРИРОДНИХ РЕСУРСІВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 5.1. Основні положення раціонального природокористування . . .108 5.2. Перетворення і втрати природних ресурсів в процесі їх використання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112 Запитання для самоконтролю знань . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115 ВИСНОВОК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 ЛІТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4
ВСТУП Ефективне функціонування будь-якого підприємства незалежно від форми власності і господарювання пов’язано, перш за все, з досягненням ресурсної забезпеченості. Одним з найважливіших завдань управління природно-ресурсним потенціалом є оптимізація взаємин між окремими видами природних ресурсів та виробничою діяльністю підприємств. При проведенні досліджень та реалізації практичних заходів у цьому напрямку важливим є врахування економічної значущості та реальної господарської важливості кожного виду природної сировини. В зв’язку з цим збереження всіх видів природних ресурсів вважається економічно доцільним. Зараз активно використовується дослідження про встановлення меж допустимих навантажень на природне середовище та шляхів подолання об’єктивних лімітів природовикористання. При функціонуванні промислових підприємств доводиться мати справу з охороною навколишнього середовища. Слід відмітити, що охорона навколишнього середовища – це система заходів, скерованих на підтримку взаємодії людини, як суб’єкта економічних відносин, та навколишнього природного середовища, що забезпечують збереження та відновлення природних багатств, раціональне використання природних ресурсів, попередження впливу результатів діяльності підприємств на природу та здоров’я людини. Виникнення умов екологічних катастроф не тільки на територіях із значними промисловими комплексами та виробничим навантаженням зумовлює необхідність розробки дієвих заходів щодо зниження викидів шкідливих речовин у навколишнє середовище та його забруднення, створення екологічно щадних, маловідходних і безвідходних технологій, економії ресурсів. Сучасне матеріалознавство природних ресурсів, як прикладна наука про їх будову та властивості, інтенсивно досліджує: • загальні закони розвитку природних ресурсів як складової національного багатства; • особливості формування споживних та технологічних властивостей природних ресурсів і комплексів; • зв'язок між складом, структурою і властивостями нових матеріалів; • знаходження раціональних рішень у процесі вивчення впливу переробки природної сировини на навколишнє середовище; 5
•
способи обмеження споживання природних ресурсів для задоволення потреб в господарській діяльності людини, або, іншими словами, – обмежувальні прогнози в господарській діяльності людини на Землі. Предметом досліджень сучасної науки матеріалознавства є детальне вивчення за допомогою кількісних методів основ структури та функціонування природних ресурсів і сировини. Центральне місце в досліджувальному аспекті матеріалознавства природних ресурсів посідає механізм переробки природної сировини, відтворення природних ресурсів, збереження їх властивостей, поповнення природних ресурсів під впливом діяльності людини. Рівень технічного розвитку суспільства залежить не тільки від того, якими матеріалами воно володіє, але значною мірою – від методів їх обробки. В прискоренні науково-технічного розвитку важливу роль відводять технології виробництва непродовольчих товарів. Технологія передбачає конкретні виробництва, тобто практичні методи перетворення сировинних матеріалів у готові вироби різних розмірів, конструкцій та ін. За товарними та сировинними ознаками технологію розподіляють на: технологію переробки металів і сплавів, технологію переробки силікатних матеріалів, технологію переробки гуми, шкір та інших видів природних сировинних матеріалів. Втілення прогресивних технологічних процесів переробки сировини у товари, описаних у роботі, дозволяє забезпечити раціональне природокористування та відтворення природних ресурсів і сировини.
6
РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНІ ТА МЕТОДОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ПРИРОДНИХ РЕСУРСІВ І СИРОВИНИ 1.1 Теоретичні основи матеріалознавства природних ресурсів і сировини Матеріалознавство природних ресурсів – наука, яка вивчає склад, будову, властивості природних матеріалів та закономірності їх змін у процесі переробки в товарний продукт. Умовно матеріалознавство розділяють на теоретичне і практичне. Теоретичне матеріалознавство вивчає загальні закономірності будови матеріалів і процесів, які приводять до зміни їх структури і властивостей при зовнішніх діяннях. Прикладне матеріалознавство вивчає зміни й формування структури та властивостей матеріалів у процесі їх переробки. Важливим етапом у розвитку матеріалознавства стало відкриття Д. І. Менделєєвим у 1869 році періодичного закону хімічних елементів. Великий внесок у галузь про матеріали внесли відкриття Д. К. Чернова, Н. С. Курнікова, А. М. Бутлерова, А. Ледебура та ін. вчених. Історія розвитку матеріалів діалектично пов’язана з розвитком суспільства. Найменування історичних епох (найдавніший, середній і новий кам’яні віка, мідно-кам’яний, бронзовий, залізний) відповідають значенню зроблених матеріалів у розвитку людства. Камінь і кість були першими матеріалами, які використовували у природному вигляді. Технічними досягненнями епохи стали потім мідь, кольорова кераміка, залізо та ін. Науково-технічна революція та зростання промислового виробництва у ХХ столітті привели не тільки до відкриття й використання матеріалів у космосі, авіації та інших галузях, але негативно вплинули на стан навколишнього середовища. З появою людей на Землі почався вплив їхньої діяльності на природу. Людство своєю діяльністю починає завдавати природі відчутної шкоди, особливо після розвитку хімії, одержання перших кислот, пороху, фарб, мідного купоросу та ін. І сьогодні людина все більше впливає на природу, на жаль, негативно. Внаслідок цього порушилися природні процеси, що змусило переосмислити ставлення до 7
природи, почати глибше вивчати походження та розвиток складних взаємозв’язків і процесів у навколишньому середовищі, шукати шляхи відновлення природних ресурсів. Середовище, яке оточує людину, формувалось мільйони років. Наприклад, первинний океан (гідросфера) виник, можливо, близько 4 млрд. років, осадові породи утворилися близько 3,9 млрд. Природне середовище містить землю, ґрунти, надра, природні ресурси, без яких неможливі існування та розвиток суспільства (рис.1.1). Велике значення в формуванні нового мислення відносно до природи має об’єктивна оцінка стану та оптимізації використання природних ресурсів та умов навколишнього природного середовища. Матеріалознавство природних ресурсів є складовою товарознавства, процеси якого тісно пов’язані з проблемами використання природної сировини, екології, економіки природокористування тощо. Одним з найважливіших завдань матеріалознавства природних ресурсів є оптимізація взаємин між окремими видами природних ресурсів та виробничої діяльності підприємств. При проведенні досліджень та реалізації практичних заходів у цьому напрямку важливим є врахування економічної значущості та реальної господарської важливості кожного виду природної сировини. В зв’язку з цим збереження всіх видів природних ресурсів вважається економічно доцільнім. Зараз активно виконується дослідження про встановлення меж допустимих навантажень на природне середовище та шляхів подолання об’єктивних лімітів природовикористання. При функціонуванні промислових підприємств доводиться мати справу з охороною навколишнього середовища. Охорона навколишнього середовища – система заходів, скерованих на підтримку взаємодії людини та навколишнього природного середовища, що забезпечують збереження та відновлення природних багатств, раціональне використання природних ресурсів, попередження впливу результатів діяльності суспільства на природу та здоров’я людини. Виникнення на планеті локальних екологічних катастроф зумовлює необхідність розробки дієвих заходів щодо зниження викидів шкідливих речовин у навколишнє середовище та його забруднення, створення екологічно щадних, маловідходних і безвідходних технологій, економії ресурсів. 8
Природне середовище
Природні комплекси
Природні ресурси
ландшафти
лісові
фауна
мінеральні
флора
топливноенергетичні
атмосфера водні гідросфера земельні надра ґрунти Земля
людина штучне середовище створене суспільством
міста та населені пункти
інфраструктура, транспорт
промисловість, сільське господарство
Рис. 1.1 Складові частини природного середовища Сучасне матеріалознавство природних ресурсів інтенсивно вивчає проблеми: - загальні закони розвитку природних ресурсів як складової національного багатства; - дослідження властивостей природних ресурсів і комплексів; 9
-
знаходження раціональних рішень у процесі вивчення впливу господарської діяльності людини на природне середовище; - розробка способів обмеження споживання природних ресурсів для задоволення потреб в господарській діяльності людини, або, іншими словами, – обмежувальні прогнози в господарській діяльності людини на Землі. Нині сформувалося близько ста напрямків досліджень, які можна об’єднати за принципами теоретичного та практичного матеріалознавства (рис. 1.2). Предметом досліджень матеріалознавства є детальне вивчення за допомогою кількісних методів основ структури та функціонування природних ресурсів. Центральне місце в матеріалознавстві природних ресурсів посідає проблема економіки природокористування, механізм регуляції відтворення природних ресурсів, збереження їх властивостей. Сучасна наука про навколишнє середовище
Теоретичне матеріалознавство
Матеріалознавство живих організмів Матеріалознавство рослин Матеріалознавство тварин
Практичне матеріалознавство Атмосфера літосфера Гідросфера Промисловість Транспорт Сільське
Матеріалознавство міжнародних природних ресурсів
Космічна діяльність Військова діяльність
Наукова діяльність
Рис. 1.2 Напрями досліджень навколишнього середовища. 10
Серед основних завдань матеріалознавства природних ресурсів можна виділити наступні: - дослідження особливостей природних ресурсів; - створення наукової основи раціональної експлуатації природних ресурсів; - прогнозування змін, поповнення природних ресурсів під впливом діяльності людини; - збереження природних ресурсів в процесі їх використання. 1.2. Хімічний склад природної сировини і матеріалів Хімічним складом і будовою вихідних речовин і матеріалів визначаються фізичні, хімічні, біологічні властивості товарів. Знання хімічного складу і будови вихідної сировини необхідно для розуміння закономірностей формування споживних властивостей і якості товарів, особливостей зміни цих властивостей під впливом різних факторів (зберігання, транспортування та використування). З урахуванням хімічного складу і будови вихідних сировинних матеріалів вибирають найбільш раціональну конструкцію виробів і встановлюють оптимальні режими технологічних процесів їх виготовлення. Вихідними матеріалами для виготовлення різноманітних товарів є прості і складні речовини, що характеризуються незмінним хімічним складом і визначеними властивостями. Багато показників цих властивостей (густина, температурні константи, спектральні характеристики та ін.) використовуються для ідентифікації досліджуваного зразка речовини. Відхилення величини цих показників свідчать про домішку інших речовин у досліджуваному зразку. Розрізняють елементарний (елементний) і більш складний хімічний склад речовин, що встановлюють методами аналітичної хімії, які включають якісний і кількісний аналіз. Сукупність методів якісного виявлення й кількісного визначення елементів, що входять до складу хімічних сполук, називають елементним (елементарним) аналізом. При встановленні елементного складу речовини визначають вид і кількісне співвідношення хімічних елементів. Кількість елемента, що знаходиться у формі простої речовини або якої-небудь хімічної сполуки, визначають шляхом виміру певної фізичної величини (властивості). Найбільш розповсюджені методи кількісного аналізу, засновані на вимірі таких фізичних величин, як, 11
наприклад, маса, обсяг, густина, в’язкість, а також коливання атомів і молекул, показників розсіювання й заломлення світла тощо. Визначення хімічного складу засноване на тому, що між кількістю чи елементом хімічної сполуки (складної речовини) і вимірюваною фізичною величиною (властивістю) існує визначена функціональна залежність, яка виявляється аналітично чи графічно. Елементний склад часто служить показником споживчої цінності, певного матеріалу. Наприклад, за вмістом вуглецю в сталі, робитимо висновки про її властивості й можливості використання за призначенням, так як добре відомо, що з підвищенням вмісту вуглецю твердість сталі зростає. Важливість цього показника підкреслюється тим, що він покладений в основу розподілу сталей на марки. Вуглецеві сталі, наприклад марок У 9 і У 15, містять відповідно 0,9 і 1,5 % вуглецю. Елементний склад важливо знати і для характеристики багатьох інших металів і сплавів, зокрема дорогоцінних. Хімічним аналізом визначають вид і вміст корисних речовин і шкідливих домішок. По вмісту з’єднань калію, азоту й фосфору судять про якість мінеральних добрив, а за наявністю миш’яку, свинцю й ряду інших елементів (у виді їхніх з’єднань) у якому-небудь матеріалі – про його токсичність. Знання одного елементного складу часто недостатньо. Для більш повної характеристики необхідне знання складного хімічного складу, що встановлюють шляхом кількісного визначення всіх складних хімічних речовин (з’єднань), що є складовими матеріалу. Так, елементарний хімічний склад різних видів нафти коливається в досить вузьких межах: вуглецю – 84 – 85 %, водню – 12 – 14 %, кисню, сірки й інших елементів – 2 – 3 %. Але й за цими даними у відомій мірі вже можна судити про якість нафти й нафтопродуктів, тому що відомо, що зі збільшенням вмісту вуглецю і з’єднань кисню, азоту й сірки якість нафти й нафтопродуктів знижується. Однак ще важливіше знати, які вуглеводні (парафінові, ароматичні, нафтенові) входять до складу нафти й нафтопродуктів. При збільшенні вмісту ароматичних вуглеводнів підвищується якість бензину як карбюраторного палива. А в інших видах бензину, використовуваних, наприклад, для хімічного чищення, вміст ароматичних вуглеводнів небажано, тому що вони токсичні. Вміст таких хімічно складних складових частин, як целюлоза і лігнін, важливо для оцінки якості паперу, а вміст білкових, дубильних і жирових речовин – якості шкіри. Кількісні характеристики хімічного складу (елементного і складного) мають найваж12
ливіше значення при товарознавчої оцінці багатьох товарів. Частіше вони характеризують основну споживну вартість товару. Так, вміст жирних кислот у милі (72 %, 60 %) – найважливіший показник його якості. Назва скла і його якість залежать від хімічного складу. Наприклад, скло, утримуючі SіО2, CaО, Na2O, K2O називають вапняно-натрієвокалієві, а при додаванні окислів свинцю утворюється кришталеве скло, що характеризуються «грою світла», мелодійним звучанням. Хімічний склад речовин і матеріалів мінливий, що пов’язано з руйнуванням різних видів і форм зв’язків у ланцюгах головних валентностей. 1.3. Будова і структура речовин, які входять до складу сировинних матеріалів Властивості будь-якої речовини чи матеріалів обумовлені не тільки хімічним складом, природою складових атомів, але значною мірою вони залежать від особливостей з’єднання атомів, молекул між собою, типом зв’язку тощо. Існують поняття «хімічна будова» і «структура» речовин і матеріалів. Будова – характер зв’язку чи послідовність з’єднання атомів у молекули як структурні первинні одиниці речовини. Структура – просторове розташування структурних одиниць (молекул), характер їхнього об’єднання в більш великі структурні елементи. Відомо, що основними елементарними частками, з яких складаються речовини, є протони, нейтрони й електрони. З протонів і нейтронів складаються атомні ядра, а електрони заповнюють оболонки атома. Будова ядер атомів, періодичність заповнення оболонок електронами відображаються в таблиці Д. Менделєєва. Найпростіша модель атома водню – електрон, що являє собою кульку, що обертається навколо ядра атома. (Атом водню складається з одного протона й одного електрона). Тіла можуть складатися з атомів чи молекул іонів (іони – атоми, позбавлені частини електронів). Молекули ряду тіл (газів) містять різне число атомів: He, Ar – одноатомні молекули; H2, O2, Cl2 – двохатомні молекули; CO2, H2O – трьохатомні молекули; NH3 – четирьохатомні молекули тощо. Аналіз матеріалів і готових виробів звичайно починають з розгляду їхньої зовнішньої будови, форми, кольору й характеру поверхні, 13
тобто з вивчення макроскопічних ознак. Потім установлюють хімічний склад і внутрішню структуру матеріалів, що дозволяє зрозуміти сутність формування і зміни споживних властивостей виробу під впливом різних факторів. Залежно від структурних елементів проводять градацію структури твердих тіл: макроструктура, мікроструктура, тонка (внутрішня) структура. Такий поділ умовний, тому що чіткого розмежування зазначених структур немає. Первинні структурні одиниці (атоми й молекули), поступово поєднуючи, утворять усе більш великі структурні елементи. Так відбувається поступовий перехід від тонкої структури до макроструктури. Макроструктура – сполучення великих структурних елементів (ниток, пучків волокон, шарів тощо) матеріалу, що можна бачити неозброєним оком чи через лупу (зі збільшенням приблизно до 10 разів). Вивченню макроструктури надають великого значення при органолептичній оцінці якості матеріалів і товарів: визначення, наприклад, форми й густини ниток і виду їх переплетення в тканинах, характеру розташування шарів у деревині, пучків волокон шкіри, густини черепка порцеляни, наявності великої пористості й різних дефектів (подряпини, тріщини, сторонні включення й ін.). Про характер макроструктури пластмас можна судити по їхньому зламі: у ненаповнених пластмас макроструктура однорідна, злам склоподібний, а наповнені пластмаси, навпаки, мають неоднорідну структуру. Мікроструктура – це сполучення структурних елементів, видимих за допомогою оптичного мікроскопу (зі збільшенням у десятки й сотні разів). При вивченні мікроструктури встановлюють характер сполучення волокон, форму зерен кристалів і клітинних утворень. Визначають розмір видимих структурних елементів, використовуючи окулярмікрометри й об’єктмікрометри, вимірюють кути нахилу волокон у шкірі тощо. Вивчення кристалічної мікроструктури металів і сплавів за допомогою мікроскопів допомагає виявити залежність їх механічних і ряду фізичних властивостей від характеру термічної обробки виробів. Мікроскопічним дослідженням установлюють ступінь упорядкованості розташування структурних елементів, зокрема ступінь їх орієнтації, що дозволяє судити про ізотропності та анізотропності властивостей матеріалів і створювати оптимальні види структур. Тонка (внутрішня) структура характеризується певним сполученням між собою атомів чи іонів молекул, а також більш великих структурних елементів, що не вдається спостерігати за допомогою 14
оптичних мікроскопів. Останні дозволяють розрізняти частки з розміром лише не менш 300 нм, тобто того ж порядку, що і довжини хвиль видимої частини світлового спектра. Більш дрібні частки (атоми, молекули, пачки молекул, фібрили й ін.) виявляють методами рентгеноструктурного аналізу, електронної мікроскопії й електронографії, застосовуючи випромінювання з більш короткою довжиною хвилі. Довжина хвиль рентгенівських променів – від сотих часток до декількох ангстремів. Методами дифракції рентгенівських променів і електронів установлюють тип кристалічних решіток речовини. Рентгеноструктурний аналіз дає важливі зведення і при дослідженні тіл (матеріалів) з менш упорядкованою структурою (кристалічних і аморфних полімерів, рідин тощо). З його допомогою встановлюють ступінь кристалічності полімерів, характер орієнтації структурних елементів у волокні й ін. Найважливішим методом вивчення тонкої структури речовин є електронна мікроскопія, заснована на застосуванні електронного мікроскопа, що особливо просвічує. Електронний мікроскоп дозволяє безпосередньо бачити й вивчати дрібні частки в інтервалі розмірів 10~4-10~8 див (агрегати атомів і молекул). Електроноскопічні й електронографічні дослідження кристалічних решіток і їхніх дефектів мають фундаментальне значення для фізики твердого тіла, матеріалознавства й товарознавства. Електронний мікроскоп незамінний при вивченні змін структури металів і сплавів у результаті термічних, механічних і інших обробок. Важливе значення при дослідженні матеріалів має метод рентгенівського просвічування, особливо для виявлення дефектів. Структура багатьох матеріалів пронизана порами, що є проміжками між структурними елементами, що порушують однорідність матеріалу. Вони мають різноманітні розміри і форму (осередку, капіляри й ін.). Розрізняють пори: - наскрізні (капіляри), що проходять через усю товщу матеріалу; - замкнуті (ізольовані), що не сполучаються з зовнішнім середовищем і заповнені повітрям чи іншим газом; - напівзамкнуті (не наскрізні), що ідуть у глиб матеріалу; - поверхневі, чи відкриті (невеликі западини), які обумовлюють нерівності поверхні матеріалу. Характер пористості матеріалів обумовлює ряд їхніх властивостей. Так, основні властивості (гігієнічні) багатьох одягово-взуттєвих 15
матеріалів пов'язані з їх мікропористою структурою. У деяких випадках наявність пор є наслідком неправильного підбору сировинних матеріалів, порушення режиму технології (наприклад, пористість порцелянового черепка), при цьому пори погіршують якість виробів. 1.4. Типи хімічних зв’язків у молекулах різних тіл З курсів органічної й неорганічної хімії відомо, що будова і властивості речовин обумовлені природою атомів і типом їх зв'язку у молекулах. Об'єднання атомів у молекулу досягається за рахунок електронів, що стають загальними для всіх атомів. Майже у всіх органічних сполуках, твердих кристалічних тіл і в багатьох неорганічних з'єднаннях, найбільш розповсюдженим типом зв'язку є ковалентний зв'язок. Він дуже міцний, характеризується високою енергією зв'язку (в алмазі), що обумовлює високу твердість і міцність кристалів. На рис. 1.3 видно, що в молекулі Cl2 два атоми хлору, що мають у зовнішньому шарі по сімох електронів, приймає стійку конфігурацію шляхом об'єднання двох загальних електронів, унаслідок чого, кожен атом підвищує на одиницю число електронів у своєму валентному шарі.
: : : : :Cl + Cl: = :Cl : Cl: : : : : Рис. 1.3. Ковалентний зв’язок у молекулі хлору. Існують іонні чи електровалентні зв’язки, що підвищують температуру плавлення й забезпечують малу летучість. Наприклад, солі, основні окисли й інші з’єднання, що добре проводять струм, при нормальній температурі й тиску являють собою тверді кристалічні тіла з підвищеною температурою плавлення. Іонний зв’язок – вид зв’язку, в основі якого лежить електростатична взаємодія – дія між протилежно зарядженими іонами. Найбільш яскраво виражено цей хімічний зв’язок у галогенідах лужних металів, наприклад, у NaCl; KF. У металах характерним типом зв’язку є металевий, котрий забезпечується електростатичним притяганням позитивно заряджених іонів (катіонів) і електронної хмари. Такий зв’язок додає металам 16
блиск, високу пластичність, электро- й теплопровідність. При металевому зв’язку можливі значні зсуви атомів без порушення зв’язаності, чим зумовлюється висока пластичність металів. Найбільш слабким зв’язком є залишковий зв’язок, так названий зв’язок Ван-дер-Ваальса. Такий зв’язок спостерігається між молекулами деяких речовин, наприклад, парафини, які мають низьку температуру плавлення, що свідчить про неміцність їх кристалічних молекулярних решіток. Існують хімічні зв’язки, що приводять до асоціації молекул у комплекси: водневий, пептидний тощо. Водневий зв’язок – вид зв’язку двох атомів (А и В) – обумовлених участю атома Н (А-Н...В), де електронегативними являються елементи O, N, F та ін. Атоми А и В можуть належати як до однієї, так і до різних молекул. Водневий зв’язок приводить до асоціації молекул у комплекси, прикладом є білкові речовини. Пептидний зв’язок (CO-NH-), за допомогою якого з’єднуються амінокислотні залишки й утворяться довгі ланцюги (поліпептиди), наприклад, у колагені шкіри поліпептидні ланцюги згинаються у спіралі, об’єднують трьохспиральні тонкі частки – фібрили та протифібрили. Отже, випливає, що від типу хімічного міжатомного зв’язку залежать розміри й форма молекул, їхня конфігурація, що відповідає рівновазі між силами притягання й відштовхування атомів і мінімуму потенційної енергії молекули. Геометрична конфігурація молекули визначається довжиною зв’язку між атомами (рівноважними міжатомними відстанями) і валентними кутами (кутами між напрямками зв’язків). 1.5. Міжмолекулярні сили й різні стани речовини Природа й інтенсивність сил взаємодії між частками (атомами, молекулами чи іонами), що складають речовину, обумовлюють існування її у твердому, рідкому чи газоподібному стані. Кожен стан характеризується визначеним ступенем упорядкованості структури речовини. У газоподібному стані частки речовини практично не зв’язані одна з одною. Вони знаходяться одна від одної на відстанях, що значно перевищують розміри самих часток, а тому слабко взаємодіють: міжатомні й міжмолекулярні сили значно зменшуються зі зростанням відстані між частками. Так, при зростанні відстані в 2 рази ці 17
сили зменшуються в 26 – 27 разів. Сили теплового руху в газі значно більше сил притягання. Тому частки в газоподібному стані, розміщені в просторі не упорядковано. Стискальність газу велика, а щільність мала й значно зміняються при зміні температури. У конденсованих станах речовини (твердому й рідкому) частки розташовуються на близьких відстанях, порівнянних з розмірами самих часток, взаємодія між ними зростає, що й обумовлює підвищення ступеня упорядкованості їхньої структури. У рідинах сили притягання порівнянні із силами теплового руху молекул, а у твердих тілах – перевершують їх. Молекули речовини в рідкому стані можуть коливатися, обертатися і переміщатися відносно один одного. Вони мають здатність дифундувати в інші середовища. У рідинах на відміну від твердих тіл існує лише ближній порядок у розташуванні молекул. Частки твердих тіл завдяки сильній взаємодії утворять правильну упорядковану структуру, що відповідає мінімуму вільної енергії, а отже, і більш стійкій рівновазі. Ступінь досконалості цієї структури більший в низькомолекулярних речовинах і менший у високомолекулярних. У твердому тілі частки вже не можуть переміщатися, вони можуть лише коливатися з обмеженою амплітудою щодо деякого середнього положення й у певному ступені повертатися навколо одинарних зв’язків. Стискальність твердих тіл незначна, а щільність – висока й мало змінюється при зміні температури. Перехід речовини з одного агрегатного стану в інший зв’язаний зі зміною її структури. В міру зниження температури (при постійному тиску) речовина з газоподібного стану, що характеризується відсутністю зв’язку між частками і, природно, якої-небудь структури, переходить спочатку в рідкий стан, що не має строго фіксованої структури, а потім у твердий стан із правильною фіксованою структурою кристалічної речовини. Більшість твердих тіл, зокрема мінерали й метали, має кристалічну структуру. Однак перехід з рідкого стану у твердий може відбуватися й без упорядкування структури. У цьому випадку тверде (заскловане) тіло за структурою наближається до рідини, тобто є аморфним. У термодинамічному відношенні аморфний стан не є стійким: у природних умовах спостерігається мимовільний перехід твердої речовини з аморфного стану в кристалічний. Тому аморфні речовини зустрічаються рідше. До них належать, зокрема. силікатне скло, ряд смол (природних і штучних). 18
Кристалічний – найбільш стійкий стан речовини, у цьому стані частки покладені (упаковані) найбільш щільно. Перехід з аморфного стану в кристалічний завжди супроводжується підвищенням густини речовини. Різке розходження в ступені упорядкованості структури аморфних і кристалічних речовин обумовлює й розходження в їхніх властивостях. В аморфному стані тверді тіла характеризуються ізотропією (незалежністю від напрямку) багатьох властивостей, а також відсутністю чітко вираженої точки плавлення. Закономірна повторюваність у розташуванні часток речовини (атомів, іонів чи молекул) у просторі, названий кристалічними решітками, обумовлює геометрично правильну форму й анізотропію ряду властивостей (механічних, оптичних, електричних тощо) індивідуальних кристалів (монокристалів). Однак кристалічні тіла в більшості випадків є полікристалами, що представляють собою сукупність безлічі по-різному орієнтованих дрібних кристаликів не зовсім правильної форми, тому що їхньому росту перешкоджають сусідні кристали. Тому макроскопічні зразки таких полікристалічних тіл як ціле представляються ізотропними за деякими фізичними властивостями. У цьому випадку кристалічний стан речовини (тіла) легко підтвердити шляхом визначення температури плавлення. Кристалічні тіла на відміну від аморфних мають строго визначену температуру плавлення. У полікристалічному тілі (особливо в металах і сплавах) окремі дрібні кристали (зерна) можна спостерігати під мікроскопом на відполірованій і підданій травленню кислотою поверхні металу. Розміри зерен у металах і сплавах звичайно складають 103 – 105 см. Монокристали мають форму багатогранників, що володіють визначеною симетрією, й за ступенем симетрії розділяються на класи і кристалічні системи (чи сингонії). Розрізняють кубічну (правильну), тетрагональну (призма, піраміда), гексагональну (шестикутну) й інші кристалічні системи, що характеризуються співвідношенням довжин ребер плоских граней і величиною кутів між гранями. У найбільш простій кристалічній системі – кубічної – довжина ребер (осей) однакова, а кут між осями (ребрами) складає 90°. Вплив складу й хімічної будівлі вихідних речовин на формування споживчих властивостей товарів характеризується рядом важливих загальних закономірностей. 19
Особливо великий вплив функціональних (реакційно-здатних) груп молекул ряду вихідних речовин. Функціональні групи (гідроксильна – ВІН, карбоксильна – СООН, карбонільна = З, аміно = = NH 2, амідна – NH – З -, сульфідна – S -, ненасичені вуглецеві зв’язки й ін.) входять до складу молекул найрізноманітніших складних хімічних сполук, але кожна з цих груп обумовлює визначений комплекс загальних властивостей виробів. Загальною закономірністю змісту великого числа гідроксильних груп у молекулах целюлози й білкових речовин, а в останніх, крім того, карбоксильних, аміно- й амідних (пептідних) групах, є високе водовбирання целюлозних і білкових волокон. Усі зазначені групи мають велику подібність до молекул води завдяки можливості утворення водневих зв’язків. У поліамідах міститься лише відносно невелике число гідрофільних груп (амідних), тому поліамідні волокна поглинають значно менше вологи. Реакційноздатні групи обумовлюють і здатність волокон офарблюватися завдяки хімічній взаємодії функціональних груп волокон і барвників. Наявність цих же функціональних груп обумовлює також розходження в інтенсивності й характері електризації матеріалу при терті. Завдяки гігроскопічності білкові й целюлозні волокна завжди містять деяку кількість вологи й мають деяку електропровідність, тому що виникаючі при терті заряди статичної електрики стікають з них, а заряди, що залишилися, позитивні. Унаслідок менших водовбиранні й електропровідності поліамідні волокна електризуються сильніше. Ще більше електризуються синтетичні матеріали, що не поглинають вологу, на них накопичуються великі заряди статичної електрики, причому негативні. Частки забруднень, наприклад сажа, несуть позитивний заряд, тому значна забрудненість більшості синтетичних матеріалів зумовлюється притяганням цих часток негативно зарядженими поверхнями багатьох синтетичних матеріалів. Загальною закономірністю впливу на властивості речовин володіє й функціональна група – S – S -. Наявність цього дисульфідного зв’язку, що скріплює поліпептидні ланцюги білкової речовини вовни – кератину, пояснює її вологостійкість і менше вологовбирання порівняно з іншими білковими речовинами. Однак ці зв’язки в лужному середовищі руйнуються, тому вовна характеризується слабкою стійкістю до дії лугів. 20
Таким чином, знання хімічного складу й будови вихідних матеріалів і особливо наявності активних (функціональних) груп у них дозволяє передбачати характер можливих змін властивостей виробів при збереженні чи експлуатації. Часто немає особливої необхідності запам’ятовувати складні й великі хімічні формули ряду вихідних речовин, особливо полімерів. Досить знати, які реакційноздатні (функціональні) групи входять до складу їхніх молекул, щоб зрозуміти, якими властивостями володіє певний матеріал, виріб. Існує закономірний зв’язок між вмістом функціональних груп і багатьма фізичними властивостями речовин. Тому функціональні групи можна знайти якісно, а багато які з них оцінити кількісно за допомогою інструментальних фізичних і фізико-хімічних методів. 1.6. Властивості природної сировини й матеріалів Властивості сировинних матеріалів обумовлюють їхнє застосування у виробництві товарів і значною мірою впливають на показники якості товарів і термін їхньої служби. Залежно від природи властивості характеризують відношення сировинних матеріалів до механічних, хімічних впливів, до дії температури й інших факторів. Відповідно до цього властивості матеріалів поділяють на: механічні, хімічні, фізико-хімічні й біологічні. Механічні властивості і їхні показники характеризують матеріали, що у процесі переробки піддаються розтягненню, стисканню, згинанню й іншим впливам. При механічній обробці матеріалів на них діють різні навантаження: періодичні й постійні, статичні й динамічні. Такі навантаження приводять матеріал до руйнування. Навантаження, при якому матеріал руйнується, називається руйнуванням. Під впливом навантаження в матеріалі виникають внутрішні напруження, значення яких є мірою сил пружності матеріалу й дорівнюють відношенню навантаження до одиниці площі. Властивість матеріалу опиратися руйнуванню під дією зовнішніх навантажень називають міцністю. Вона обумовлена силами взаємодії атомних часток, що складають матеріал, змінами в будові й розташуванні молекул. Зміни відносного розташування часток у матеріалі відбувається в результаті деформування. Найбільш простими видами деформування є розтягання, стиск, вигин, зрушення, крутіння. Деформації матеріалів бувають оборотні й необоротні. При оборотній деформації первісний стан, розміри й форма тіла постійно відновлюються після зняття навантаження. Деформація вважається 21
необоротною (пластичною), якщо тіло після зняття навантаження не повертається в первісний стан, при цьому відбувається зсув одних елементарних часток стосовно інших. Параметри деформування: відносне подовження – величина, що характеризує різницю довжин зразка вихідної і після деформування; кут зрушення – зміна прямого кута між променями, що виходять з однієї точки в зразку при його деформуванні. Показниками міцності матеріалів є: руйнівне напруження – відношення максимального навантаження, що передує руйнуванню, до первісної площі поперечного перерізу зразка; абсолютне подовження тіла стає рівним первісній довжині; межа пружності – напруга, при якому деформації, що виявляються при розвантаженні зразка, досягають значення, установленого технічними умовами; границя текучості – напруга для матеріалів, руйнуванню яких передує помітна пластична деформація; межа міцності – напруга, що відповідає максимальному значенню навантаження в момент руйнування зразка; щира межа міцності – відношення сили, що розтягує, безпосередньо перед розривом до найменшої міцності поперечного перерізу зразка в шейку; питома міцність – відношення межі міцності матеріалу до його щільності; відносне подовження при розриві – відношення збільшення довжини зразка в момент розриву до його первісної довжини; динамічна міцність – опір матеріалів динамічним навантаженням (удару, вибуху тощо); утома матеріалів – зміна властивостей матеріалів у процесі постійного нагромадження ушкоджень, утворення і розростання тріщин під дією перемінних напруг; ударна в’язкість – робота руйнування надрізаного зразка при ударному вигині на маятниковому копрі; витривалість – властивість матеріалу протистояти утомі; межа тривалої міцності – напруга, що викликає руйнування матеріалу при заданій температурі за визначений час; повзучість – безупинне пластичне деформування матеріалів під дією постійного навантаження;
22
межа повзучості – найбільша напруга, при якому деформація повзучості за визначений проміжок часу не перевищує значення, установленого технічними умовами; релаксація – зниження напруг і деформації в деформованому тілі, що зв’язано з переходом часток у рівноважний стан і обумовлено поступовим зменшенням пружної деформації і збільшенням на ту ж величину пластичної деформації; розривна довжина – мінімальна довжина, при якій матеріал руйнується під дією власної маси (коли напруга матеріалу стає рівним руйнованому напруженню); твердість – здатність матеріалів опиратися проникненню в нього іншого більш твердого тіла; вона комплексно відображує міцність, пластичність і властивості поверхневого шару зразків. При використанні матеріалів у вузлах тертя враховуються наступні показники: зовнішнє тертя – опір відносному переміщенню двох дотичних тіл у площині їхнього торкання; зношування – процес руйнування й відділення матеріалу з поверхні твердого тіла чи нагромадження його залишкової деформації при терті, що виявляється в зміні розмірів чи форми тіла; знос – результат зношування матеріалу; зносостійкість – властивість матеріалів чинити опір зношуванню у визначених умовах тертя; припрацьовуваність – властивість матеріалу зменшувати силу тертя, температуру й інтенсивність зношування в процесі приробляння; коефіцієнт тертя – відношення сили тертя двох тіл до нормальної сили, що притискає ці тіла один до іншого. Механічні властивості матеріалів визначають: при статичній напрузі (випробування на розтягання, твердість, тріщиностійкість); при динамічному навантаженні (випробування на ударну в’язкість, випробування на холодноломкість); при циклічному навантаженні (випробування на утому, руйнування при утомі). У процесі переробки й експлуатації природних матеріалів при впливі різних хімічних середовищ важливо враховувати показники хімічних властивостей матеріалів. До них відносяться: водостійкість – відношення матеріалу до дії води при різній температурі протягом визначеного часу; кислотостійкість – відношення матеріалу до дії мінеральних і органічних кислот; лугостійкість – відношення матеріалу до дії лугів. 23
При оцінці якості матеріалів враховуються показники маси (щільність, об’ємна маса). Щільність – це маса одиниці об’єму непористої речовини; об’ємна маса – це маса одиниці об’єму пористої речовини. З величиною щільності й об’ємної маси зв’язано поняття пористості матеріалів, що визначається (%) розрахунковим методом за формулою: П = ⎛ 1 − Ро ⎞ × 100 , ⎜ ⎟ де Ро – об'ємна маса, Р – щільність матеріалу.
⎝
Р⎠
1.1
Поводження матеріалів при дії на них теплової енергії характеризують наступні показники термічних властивостей: теплоємність – кількість теплоти, необхідне для підвищення температури тіла на 1 0С; теплопровідність – здатність проводити тепло при різниці температур між кутами тіла; термічне розширення – здатність матеріалу змінювати розміри при зміні температури (коефіцієнт лінійного розширення, коефіцієнт об'ємного розширення); термічна стійкість – здатність матеріалу зберігати властивості при різких коливаннях температури; жаростійкість – властивість матеріалів зберігати механічні параметри при високих температурах; жаротривкість – властивість матеріалів зберігати механічні параметри при високих температурах у газових середовищах; жароміцність – властивість матеріалів тривалий час пручатися деформуванню й руйнуванню при високих температурах; температура спалаху – температура, за якою матеріали утворюють з повітрям суміш, що спалахує при контакті з джерелом запалювання; температура запалення – температура, при якій матеріал спалахує й після вилучення з полум'я продовжує горіти не менш 5с. Для матеріалів, що піддаються впливу електричного поля, характерні наступні показники електричних властивостей: електропровідність – властивість матеріалів проводити електричний струм унаслідок наявності в них рухливих заряджених часток – носіїв струму; 24
електричний опір – властивість матеріалів протидіяти електричному струму; надпровідність – властивість речовин, стрибком змінювати питомий опір до нуля при охолодженні нижче критичної температури; питома електропровідність – величина, зворотна питомому електричному опору. За показниками термічних властивостей матеріали поділяються на провідники, напівпровідників і діелектрики. Речовини, поміщені в магнітне поле, намагнічуються й характеризуються таким показником як магнітна сприйнятливість – величина, що характеризує зв'язок намагніченості з магнітним полем у матеріалі. Залежно від знака і величини магнітної сприйнятливості в матеріалах розрізняють: діамагнетизм, парамагнетизм, феромагнетизм, антиферомагнетизм. При виборі умов обробки деяких матеріалів враховуються їх сорбційні властивості, що характеризують здатність матеріалу поглинати гази, воду й розчинені в ній речовини, а також і властивості, що характеризують здатність матеріалів пропускати воду, пару, пил, газ, повітря. Основними показниками цих властивостей є: водопроникність, повітропроникність, паропроникність, пилепроникність. Для визначення природи й призначення матеріалу важливими є оптичні властивості, основними показниками яких є: яскравість і світлота – показники кількості світлової енергії, відбиваної, що пропускається чи випромінюється тілом; насиченість кольору – ступінь вибірковості чи пропущення відображення світла тілом. Залежно від характеру і величини відображення світла тіла мають ахроматичні і хроматичні кольори. При оцінці якості матеріалів враховують їхні властивості випромінювати, проводити чи поглинати звук – акустичні властивості. Розрізняють показники, що характеризують звук у матеріалі як фізичне явище (частота, період, спектр, інтенсивність тощо), і показники, що характеризують звук у матеріалі як психофізіологічне явище впливу звукового відчуття на орган звуку людини (рівень звукового тиску, рівень голосності й ін.). З метою обґрунтування й раціонального проектування і здійснення технологічних процесів переробки матеріалів у товарі вивчаються й технологічні характеристики матеріалів: оброблюваність різанням і тиском, ливарні параметри, зварюваність, схильність до деформації і короблення при волого тепловій обробці тощо. 25
Запитання для самоконтролю знань. 1. Поняття «матеріалознавство». 2. Розвиток матеріалознавства як науки про матеріали. 3. Основні поняття «речовина», «напівфабрикат», «фабрикат», «сировинні матеріали». 4. Розподіл «сировинних матеріалів». 5. Назвіть основні методи вивчення будови і властивостей матеріалів. 6. Назвіть методи, за допомогою яких визначають будову, тобто структуру матеріалів і перетворення, що в них відбуваються і змінюють їх будову. 7. Назвіть методи, за допомогою яких безпосередньо визначають властивості матеріалів у певних умовах експлуатації. 8. Назвіть механічні методи дослідження матеріалів. 9. Назвіть хімічні методи дослідження матеріалів. 10. Назвіть фізичні методи дослідження матеріалів. 11. Види хімічного складу матеріалів та методи їх визначення. 12. Що таке хімічна будова матеріалів? 13. Що таке структура матеріалів? 14. Назвіть види зв’язків атомів у молекулі. 15. Що таке макроструктура матеріалів, її визначення? 16. Що таке мікроструктура матеріалів, її різновиди та визначення? 17. Що таке „тонка” та „пориста” структура? 18. Назвіть властивості матеріалів. 19. Розповісти про міжмолекулярні сили та функціональні групи, які обумовлюють властивості матеріалів. 20. Які ви знаєте агрегатні стани речовини?
26
РОЗДІЛ 2. КОМПЛЕКСНИЙ ПІДХІД ЩОДО ДОСЛІДЖЕННЯ ОСОБЛИВОСТЕЙ УТВОРЕННЯ ТА ВИКОРИСТАННЯ ПРИРОДНИХ РЕСУРСІВ 2.1. Класифікація природних ресурсів та матеріалів з природної сировини Національне багатство є сукупністю матеріальних і духовних благ, створених і нагромаджених суспільством за всю історію його розвитку. Національне багатство (НБ) – складається із двох частин: матеріальної та нематеріальної. До першої належать природні блага, створені людиною матеріальні фонди, а до другої – духовні цінності. Природні блага – матеріально-речовинна субстанція НБ і його складова, унікальна за своїми значенням і роллю. Під природними ресурсами (ПР) розуміють природні тіла, які людина використовує у своїй діяльності. ПР дуже різноманітні, як і можливості їх використання, є складовою матеріально-технічної бази суспільного виробництва. ПР – категорія історична. Їх використання пов'язане з розвитком технології виробництва. Були часи, коли людина не знала, як використовувати кам'яне вугілля, виплавляти метал і використовувати електроенергію. За своєю матеріальною сутністю ПР – частина географічного середовища, сукупність природних умов існування та діяльності людини. В процесі впливу людського суспільства на природу збільшуються масштаби оволодіння компонентами й силами природи, тобто природними ресурсами, розширюється сфера застосування їх, відбувається зміна пріоритетів у використанні природних ресурсів та їхнього впливу на економіку держав, світового господарства. До ПР відносять крім первинних (природних) вторинні ресурси, які є відходами виробництва та життєдіяльності людини. Декларацією про державний суверенітет України, прийнятою Верховною Радою України в 1991 році, встановлено, що земля, її надра, повітряний простір, водні та інші ресурси, які знаходяться в межах території України, природні ресурси її континентального шельфу та морської економічної зони виключно є власністю її народу, матеріальною основою суверенітету держави й використовуються з метою забезпечення матеріальних і духових потреб її громадян. 27
Існує декілька класифікацій ПР. Згідно за їх приналежністю ПР поділяються на природні групи: водні, повітряні, ґрунтові, рослинні, тваринні, мінеральні, кліматичні тощо. За їх використанням ПР поділяються на: використані в виробничій й в невиробничий сфері (естетичні, наукові тощо). За їх замінністю ПР поділяють на: замінні (наприклад, паливно-мінеральні енергетичні ресурси можливо замінити повітряною, сонячною енергією) і незамінні ( прісну воду для пиття нічим замінити). Великий теоретичний інтерес становить класифікація ПР такими ознаками, як невичерпні і вичерпні ресурси (рис. 2.1). До невичерпних благ належать водні ресурси, ресурси атмосферного повітря і космічні ресурси (до них належить: сонячна енергія, енергія морських приливів, енергія повітря), енергія земних надр. Вони невичерпні як фізичне тіло, але такі ПР, як вода та повітря підвладні впливу технічного прогресу, а при сильному забруднені можливе якісне виснаження цих видів ресурсів. Космічні ресурси можуть змінюватися під впливом господарської активності людини. Зміна складу атмосфери може спричинити зміну площі сонячної радіації (аварія на Чорнобильський АЕС). Невичерпні ПР розділяють на реальні й потенційні. Наприклад, реальні водні ресурси, можуть перетворюватися в потенційні. Вода дефіцитна не тому, що її мало (величезні запаси містить Світовий океан), а тому що не вся вода може бути поки що використана у виробництві (наприклад, солоні води морів і океанів). Морська вода, де є опріснювачі, стає реальним ресурсом. Таким чином, природні ресурси можуть набувати нового значення при перетворені із потенційних в реальні. Вичерпні не відновлювані ПР характеризуються обмеженими запасами, використовувати їх можна лише один раз. Поповнення цих благ на Землі практично неможливо через відсутність умов, в яких вони виникли багато мільйонів років. До таких благ належать багатства надр. Останнім часом навіть переглядається питання про вичерпність цих благ. До відновлюваних благ належать ґрунт, рослиний і твариний світ, деякі мінеральні ресурси (солі в озерах і морських лагунах осіданів). Іноді деякі види відновлених ПР можуть перейти в не відновлювані. Наприклад, родючість ґрунтів, яка підвищується при їх раціональному використанні, може значно погіршитися при неправильних методах обробки, а ерозія, яка при цьому виникає, часто фізично зменшує ґрунтовий покров. Таке саме можна сказати про блага рослин28
ного і тваринного світу. При хижацькому використані порушається здатність до самовідтворення і тоді ці блага стають невідновлюваними. Головне в охороні ПР – забезпечити можливість їх відновлення. Природні ресурси
невичерпні
вода атмосферне повітря енергія земних енергія повітря
вичерпні
не відновлювані корисні копалин відносно відновлений дерева, великого віку
енергія морських хвиль та приливів
родючість ґрунтів
сонячна енергія
мінеральна сировина відновлюваний рослиний світ твариний світ
Рис. 2.1. Класифікація природних ресурсів. До відносно відновлених благ відносять ґрунти та лісні ресурси, які мають здатність до самовідновлення протягом багатьох десятків років, а іноді– століть. В матеріалознавстві використовується класифікація, що відображає зв’язки і закономірності між групами різноманітних матеріалів. Найбільше значення мають класифікації за структурними й функціональними ознаками матеріалів. 29
За структурними ознаками матеріали підрозділяють на наступні типи: тверді, рідкі, гази і плазму. Тверді матеріали підрозділяють на кристалічні й некристалічні за структурною ознакою. Кристалічні залежно від типу зв’язку між частками поділяють на атомно-кристалічні, іонно-кристалічні, металеві й молекулярні. До атомно-кристалічних матеріалів відносять найбільш твердий мінерал – алмаз, найбільш розповсюджена в земній корі і стійка модифікація вуглецю із шаруватою структурою – графіт, а також напівпровідникові кристалічні матеріали – германій і кремній. Представниками іонно-кристалічних матеріалів, що мають кристалічну структуру з іонним типом зв’язку, є: оксиди металів (з’єднання металів з киснем), що входять до складу найважливіших руд. сіттали, природні кам’яні матеріали, карбіди, барити. До числа молекулярних кристалічних матеріалів відносять високомолекулярні природні органічні сполуки – деревину і природні неорганічні мінерали – цемент, вапно, гіпс, а також тверді гази (елементи 8 групи періодичної системи). Металеві кристали представляють більш 80 хімічних елементів. Некристалічні тверді залежно від упорядкованості і стабільності структури поділяють на аморфні, склоподібні й напіврозупорядковані несклоутворюючі. До аморфних відносять аморфні напівпровідники, аморфні метали. Скло на основі оксидів кремнію, бору, амонію, фосфору; матеріали для кам’яного лиття (базальти й діабази зі склоутворюючою структурою), природні карбонати з острівною й ланцюговою структурою (доломіт, мармур) складають групу склоутворюючих некристалічних матеріалів. Представниками склоподібних у напіврозупорядкованому стані матеріалів є: каучуки й гуми, текстильні і шкіряні матеріали, органічні в’язкі матеріали (бітуми, дьогті тощо). Плазма – іонізований газ, у якому концентрації позитивних і негативних зарядів рівні (квазинейтральність). У стані плазми знаходиться гнітюча частина речовини Всесвіту: зірки, галактичні туманності й міжзоряне середовище. Розрізняють високотемпературну і низькотемпературну плазму. Високотемпературна плазма (Т~106 – 108 ДО) із суміші дейтерію і тритію для цілей здійснення керування термоядерним синтезом. Низькотемпературна плазма (Т < 105 ДО) 30
використовується в різних газорозрядних приладах (газових лазарях, іонних приладах і ін.). Газоподібні й рідкі матеріали представляють: водяник пару в парових машинах і турбінах; аміак, вуглекислота, фреон і інші холодоагенти в холодильних машинах, олії в гідроприводі. Матеріали з природної сировини поділяють за призначенням на групи: конструкційні, електротехнічні, триботехнічні, інструментальні, технологічні, теплоізоляційні, паливо. Конструкційні матеріали, призначені для виготовлення деталей і конструкцій, що піддаються механічному навантаженню. Основними типами цих матеріалів є метали, силікати, деревина. Електротехнічні матеріали призначені для виготовлення виробів, застосовуваних для передачі, перетворення і споживання електроенергії. До них відносять провідники, напівпровідники, діелектрики і магнітні матеріали. Інструментальні матеріали використовують для виготовлення ріжучого, міряльного, слюсарно-монтажного й іншого видів інструментів. Основними типами цих матеріалів є інструментальна сталь і тверді сплави, алмаз і ін. Триботехнічні матеріали застосовуються у вузлах тертя з метою регулювання параметрів тертя і зношування цих вузлів. У номенклатуру триботехнічних матеріалів входять мастильні, антифрикційні і фрикційні. Графіт, тальк, дисульфід молібдену – утворюють змащення у твердій фазі; солідол, мастила – змащення в рідкій фазі; повітря, пари вуглеводнів і інші гази – змащення в газоподібній фазі. До антифрикційних матеріалів відносять бабіти (сплави олова і свинцю), бронзи (сплави міді), гуми, деревину й ін. Ці матеріали мають низький коефіцієнт тертя й застосовуються для виготовлення деталей, що працюють в умовах тертя ковзання (втулки, підшипники, вкладиші і т.д.). Фрикційні матеріали відрізняються великим коефіцієнтом тертя і високим опором до зношування. Як фрикційні матеріали в гальмових пристроях використовують чавуни, металокераміку. З метою одержання при спалюванні теплової енергії використовують природні паливні матеріали: нафта, вугілля, природний газ, пальні сланці, торф і деревину. Для забезпечення нормального протікання технологічних процесів переробки основних матеріалів у вироби використовують допоміжні матеріали: герметики, що в’яжуть матеріали, флюси, припої, змащення й ін. 31
2.2. Органічні природні матеріали 2.2.1. Характеристика деревини листяних і хвойних порід Лісні ресурси – запаси деревини, а також хутра (пушини), грибів, лікувальних рослин і ін. Лісами зайнято 3700 млн. га. Це біля 30% суші Земної кулі. Світові запаси деревини складають 357 млрд. м3. Такі важливі поняття, як: лісоведення, лісозаготовча промисловість, лісоматеріали (лісопарк, лісохімія та ін.), доповнюють знання в галузі деревоведення. Деревина листяних і хвойних порід має високу міцність, легка в обробці й оздобленні, гарну має здібність до склеювання, характеризується високими теплоізоляційними властивостями, стійкістю до дії кислот, газів тощо. Шляхом спеціальної обробки та раціонально збудованого технологічного процесу виготовлення деревинних деталей та вузлів з деревини можна досягти поліпшення механічних властивостей. В лісах України ростуть численні породи і види дерев, які характеризуються різними властивостями. До фізичної властивостей деревини відносять: колір, блиск, текстуру, вологість, вагу, звукопровідність, теплопровідність, твердість, об’ємну вагу та ін. За такими властивостями, як об’ємна вага деревину групують: Група 1 2 3 4 5 6
Деревина Дуже важка Важка Помірно важка Легка Помірно легка Дуже легка
Об’ємна вага (г/см3) >0,8 0,80 - 071 0,7 - 0,61 0,54 - 0,40 0,6 - 0,54 <0,4
Самою важкою є деревина залізного дерева Флориди (1,42 г/см3) і бакаута (1,35 г/см3), самою легкою – деревина бальзи (0,1 г/см3). За твердістю деревину поділяють на 3 групи: Група Деревина Твердість , кг/см Порода деревини 1 м’яка < 400 липа, ялинка, сосна, осина 2 тверда 400 - 800 дуб, модрина, ясинь 3 дуже тверда > 800 самит, груша 32
Лісні деревинні породи – група рослин 24 класів – листяні і хвойні породи деревини. Хвойні відрізняються від листяних формою листя. У хвойних шпильновидне листя, а у листяних порід листя плоскі. Вибір певних порід дерев для використання в господарстві обумовлено їх технічними властивостями. З хвойних порід найбільше значення мають: сосна, ялина, кедр, модрина, піхта та ін. Їхня деревина характеризується прямошаруватою будовою, невисокою об’ємною масою, високою стійкістю до гниття й механічною міцністю, а також легкістю обробки. Сосна, кедр, модрина, тис, яловець відносяться до ядрових порід; ялина – до заболонного зі спілою деревиною. Сосна є розповсюдженою породою, широко застосовується в будівництві (у виді круглого лісу й пиломатеріалів), для виготовлення столярних виробів, каркасів окремих предметів меблів, виробництва фанери, тари, целюлози, паперу тощо. Заболонна деревина сосни жовтувато-білого кольору, ядрова – від розуватого до бурувато-червоного. На всіх розрізах добре помітні річні шари й пізня деревина. Серцевинні промені не помітні. Властивості її залежать від району виростання, кращою вважається деревина північних районів. Деревина сосни багата смолистими речовинами, що обумовлює високу стійкість до гниття, але утрудняє обробку поверхні без попереднього обезсмолювання. Сосна, що виростає на високих піщаних місцях (рудова), має дрібношарову деревину і з широким ядром. У сосни, що виростає на глинистих ґрунтах (мяндової), широкошарова будова, широка заболонь і слабко помітне ядро. Листяниця має вузьку світлу заболонь, яскраво виражене ядро червонясто-бурого кольору, добре помітні річні шари, пізню і ранню деревину. Пізня частина деревини добре розвинена, містить багато смолистих речовин. Серцевинні промені не помітні. Деревина листяниці характеризується високою стійкістю до гниття й механічною міцністю (приблизно на 30% вище, ніж сосни), тому вона широко застосовується в будівництві, у тому числі гідротехнічному. Після відбілювання деревину модрини у вигляді струганого шпону використовують у виробництві меблів. Відбілюють її 20%-ним розчином перекису водню, в результаті чого вона здобуває чітку текстуру і приємний сіруватий відтінок. Вибілена модрина, оброблена нарами чи водяними розчинами аміаку, здобуває зеленувато-коричневий колір із сіруватим відтінком. Однак підвищений зміст смоли і твердість утрудняють її обробку. Особливістю цієї деревини є велике розхо33
дження між усушкою в радіальному й тангентальному напрямках, що приводить до утворення тріщин при сушінні. Кедр має широку заболонь рожево-білого кольору і не яскраво виражене ядро бурувато-рожевого кольору. Річні шари добре помітні на всіх розрізах з поступовим переходом від ранньої частини деревини до пізньої. Деревина легка, м’яка, добре обробляється різальними інструментами в будь-яких напрямках, має красиву текстуру й колір. За механічними властивостями вона наближається до сосни. Розрізняють сибірський і корейський кедр. Найбільш розповсюдженим є сибірський кедр, що виростає в Європейській частині Сибіру, Забайкалля. Завдяки однорідній і прямошаруватій будові деревина кедра, особливо сибірського, має високу резонуючу здатність, що цінно для виробництва декількох музичних інструментів. Із деревини кедра виготовляють столярні вироби, різьблені вироби, олівці, меблі. Тис характеризується вузькою заболонню жовтувато-білого кольору й різким обрисом ядра бурувато-червоного кольору. Має красиву текстуру, особливо на тангентальному розрізі, завдяки чому широко застосовується для фанерування цінних меблів. Найбільшою декоративністю відрізняється деревина капів, які часто зустрічаються, і досягають великих розмірів. Яловець (можжевельник) – чагарникова рослина, іноді зустрічається у виді дерев діаметром 30-60 см. Має вузьку заболонь рожевобілого кольору і ядро темно-бурого кольору. Річні шари добре помітні на всіх розрізах з поступовим переходом від ранньої частини до пізньої. Серцевинні промені не видні, смоляних ходів немає. Деревина ялівця промислового значення не має. Застосовується як лицювальний матеріал при виготовленні дрібних токарських і різьблених виробів, іграшок, тростин і ін. Стійкість деревини до гниття досить висока. З механічної міцності і твердості перевершує деревину кедра. Ялина буває європейська, тянь-шанська, кавказька, сибірська і далекосхідна. Найбільше промислове значення має європейська і сибірська. Деревина ялини м’яка, білого кольору, іноді з жовтуватим чи рожевим відтінком, з добре помітними річними шарами і слабко помітними серцевинними променями, невеликою кількістю смоляних ходів. Деревина ялини має багато сучків, що утрудняє її обробку і застосування у виробництві меблів. Завдяки прямо- і довговолокнистій будові вона відрізняється високою резонуючою здатністю і широко застосовується для виготовлення деяких музичних інструментів. Із механічної міцності і стійкості до гниття вона трохи уступає сосні. 34
У сирих місцях швидше загниває і руйнується. Деревину ялини широко використовують у целюлозно-паперовому виробництві і будівництві; кору – для одержання дубильних речовин; суки і корені – у виробництві плетених меблів. Піхта – без’ядрова порода без смоляних ходів. Із зовнішнього вигляду і властивостям нагадує деревину ялини, але уступає їй із механічній міцності й об’ємній масі (на 15-20%). Її особливістю є низька стійкість до гниття. Піхта буває сибірська, кавказька і далекосхідна (білокора і маньчжурська). Більш розповсюдженої є сибірська піхта, але більш міцної – кавказька. Листяні породи більш різноманітні за видами, властивостям, будовою і використанням, мають більш виразну і красиву текстуру і застосовуються як обробно-декоративний матеріал. За характером розташування судин у річному шарі розрізняють кольцесудинні і розсіянно-судинні листяні породи. За твердістю їх поділяють на м’які і тверді. Кольцесудинні породи відносяться, в основному, до твердих, що враховують при оцінці якості і вартості меблів. До кольцесудинних порід відносяться дуб, ясен, в’яз, ільм, карагач, каштан їстівний, оксамитне дерево, фісташка, дзельква, акація амурська й ін. Дуб відноситься до ядрових порід, має добре помітні річні шари, великі серцевинні промені на всіх розрізах, жовтувато-білу заболонь, від світлого до темно-бурого кольору ядро. Річні шари вузькі, з добре помітними границями ранньої та пізньої деревини. У ранній деревині розташовані великі судини у вигляді кільця. У пізній менше судин і вони більш дрібні. Дуб, має важку, щільну, міцну і стійку до гниття деревину красивою текстурою і високим блиском, що використовують для виробництва меблів (у виді шпону), паркету, тари для виноградних вин, пива й в інших випадках. Для виготовлення меблів застосовують деревину дрібношарової будові, що легко піддається обробці. Великошарова деревина має більш високу міцність. Завдяки великим судинам деревина добре згинається без руйнування волокон і тому використовується для виробництва гнутих меблів. У той же час дубові меблі важко полірувати тому їх випускають, в основному, лакованими. Ясен подібний до дуба, але має більшу стійкість до розтріскування. Деревина використовується в меблевому виробництві, паркету та ін. 35
Берест має хвилясті лінії і красиву текстуру, використовуються для облицювання цінних меблів. Розсіяно-судинні породи більш численні й різноманітні за властивостями й будові, але промислове значення мають лише деякі з них. Для виготовлення меблів в основному використовують деревину берези, тополі, бука, клена, горіха, рідше застосовують деревину осики, вільхи, липи. Береза – найпоширеніша порода, вона складає приблизно 2/3 усіх листяних лісів. Береза відноситься до без’ядрових порід, має деревину білого кольору з червонуватим відтінком, вузькими, слабко помітними серцевинними променями і річними шарами, дуже дрібними судинами. Деревина берези характеризується високою міцністю, але уступає деревині дуба по міцності при стиску і вигині, не стійка до гниття. Деревину берези широко використовують для одержання шпону, клеєної фанери, меблів, столярних виробів, колодок, лиж, рушничних лож і інших товарів. Її деревина легко офарблюється й імітується під цінні породи деревини. Тополя відноситься до ядрових порід із широкою заболонню білого кольору і темнувато-сірим ядром. Розрізняють два види тополі: білий і чорний (осокір), що швидко ростуть на зволожених ґрунтах. Річні шари помітні слабко, серцевинні промені вузькі, дрібні судини не видні неозброєним оком. Деревина тополі легка, м’яка, стійка до гниття, з бідною текстурою. При великому скупченні і розростанні сплячих бруньок деревина має красиву, виразну текстуру, схожу на карельську березу («пташине око»). Використовують цю деревину у виробництві меблів (для не лицьових поверхонь), целюлози, токарських виробів, посуду, поплавців (кора), а деревину зі сплячими бруньками – лицьових поверхонь меблів світлих тонів. Верба відноситься до ядрових порід із широкою білою заболонню і ядром від бурувато-рожевого до бурувато-червоного кольору. Деревина має вузькі серцевинні промені, дрібні судини і слабко помітні річні шари. Вона м’яка, легка, не стійка до гниття й механічно неміцна (її міцність на 10 – 20 % нижче, ніж липи). Добре піддається вигину і застосовується для виготовлення плетених і гнутих виробів (меблів, дуг, обручів і ін.). Кору верби, що містить багато дубильних речовин, використовують у шкіряній промисловості. Розглянуті вище розсіяно-судинні породи відносяться до порід з м’якою деревиною, а бук – із твердою деревиною. 36
Самшит – заболонна порода, має деревину темного кольору, з вузькими річними шарами, серцевинними променями і дрібними судинами. Деревина самшиту міцна і тверда, перевищує на 20-30% міцність деревини граба. З неї виготовляють духові інструменти, ткацькі човники, різьблені й інші вироби. До розсіяно-судинних порід із твердою деревиною відносяться також хурма, залізне дерево, яблуня, черешня, горобина, кизил, саксаул і інші породи, що не мають великого промислового значення. Характеризуються вони в основному щільною, міцною і твердою деревиною, що добре пручається ударам. Використовують їх для виготовлення рукояток інструментів, дрібних столярних і токарських виробів, канцелярського приладдя та інших предметів. Іноземні породи: червоне дерево (його різновиди – махагон, амаранті, мовінга і ін.), палісандр, рожеве дерево та ін. Використовують ці породи залежно від кольору, текстури і механічних властивостей у меблево-фанерному виробництві, будівництві, а також для виготовлення токарських і різьблених виробів. Деревина цих порід характеризується специфічним зовнішнім виглядом (текстурою, кольором і блиском), а також високою твердістю і гарною здатністю до обробки і оздоблення. Найбільшу питому вагу займають червоне і лимонне дерево, палісандр, макассар, чорне і рожеве дерево й ін. Червоне дерево має текстуру стрічкового характеру, з інтенсивним забарвленням – від слабо-рожевого до червоно-бурого й підвищений блиск. Вона добре полірується й застосовується для облицювання зовнішніх і внутрішніх поверхонь коштовних меблів, музичних інструментів (піаніно, роялів), а також для обробки панелей приміщень. Різновидами червоного дерева є махагони, макарі, амарат, мовинга й ін. Махагони належать до розсіяно-судинних порід, мають вузьку білу заболонь і широке ядро бурувато- чи коричнювато-червоного кольору. Серцевинні промені й річні шари вузькі, слабко помітні, на тангентальному розрізі розташовані у виді рядів чи ярусів, що додають деревині підвищений блиск. Текстура стрічкова, різної ширини. За механічними властивостями нагадує деревину каштана, добре полірується. Макарі нагадує деревину махагони, але володіє підвищеним шовковистим блиском і інтенсивним забарвленням – до коричнюваточервоного. Добре видимі на всіх розрізах річні шари розташовуються темними вузькими смугами, які помітно виділяються на загальному тлі, що додає матеріалу особливу цінність для опоряджувальних робіт. 37
Лимонне дерево, так само, як і червоне, характеризується своєрідною стрічковою текстурою. Має деревину жовто-лимонного кольору з різними відтінками і підвищеним блиском, добре полірується. Застосовують її у виді шпону для облицювання меблів і інших виробів. Чорне дерево відноситься до ядрових розсіяно-судинних порід з вузькою заболонню білого кольору й чорним ядром. Річні шари, серцевинні промені і судини дуже дрібні й вузькі, слабко помітні. За механічними властивостями аналогічна деревині самшиту. Завдяки інтенсивному забарвленню застосовується для клавішів музичних інструментів, інкрустації меблів і інших виробів. Рожеве дерево має деревину бурого кольору з рожевими смужками, у свіжезрубаному стані з інтенсивним запахом трояндової олії, що при висиханні поступово зникає. Пізня частина деревини різко відрізняється від ранньої фарбуванням, що додає текстурі виразність. Для поліпшення природних властивостей деревини використовуються різні методи її модифікування: наповнення деревини металами і сплавами, пропитка антисептиками, антипіренами, наповнення синтетичними смолами, ущільнення деревини (кам’яне дерево). 2.2.2. Основні сортименти ділової деревини З деревини листяних і хвойних порід виробляють лісоматеріали. Лісоматеріали та напівфабрикати з деревини за видами, характером оздоблення і обробки підрозділяються на такі групи: деревина ділова, дрова, пиломатеріали, фанера, плити столярні. Основні сортименти ділової деревини (ділова деревина – група деревинних матеріалів, які виготовлюють із зваленого дерева): 1. Будівельний ліс з хвойних порід (сосни, ямши, модрини, кедра й піхти) виробляють шляхом продольної розпиловки. Сюди входять: брьовна будівельні, колоди для свай, мостів, для ліній електропередач. Всі підрозділяються за сортами й розмірами. Будівельний ліс листяних порід виготовляється з деревини осини, тополі, липи, берези, бука; використовують для житлового будівництва. 2. Пиловочник – колоди і кряжі з деревини ямши, кедра, піхти, осини, липи, ольхи та ін. Пиловочні колоди з хвойних порід бувають короткі (2-3 м), середні (4-6 м) й довгі (6-10 м). Пиловочні з листяних порід колоди і кряжі поділяють на пиловочні кряжі м’яких порід, твердих порід і спеціального призначення. 38
До сортименту ділової деревини ще входять: підтоварик і жердя, вагонна стійка, сірниковий осиновий кряж, березовий дрючок, сніговий кіл. Ділова деревина (за виключенням жердин, колів та ін.) підлягає маркіруванню. Марка вказує сортимент, сорт, товщину або діаметр і клеймо (організації) і номер бракера. Марку наносять долотом або молотком, фарбою й кольоровою цеглою. Існують умовні позначення сортиментів ділової деревини: П – піловочник; С – будівельна; К – короткомір; Л – лущений. Умовні позначення товщини лісоматеріалів: 0 – при нанесенню; 1 – молотком; 2 – або крейдою; …; х – долотом номер обумовлено діаметром (см). Наприклад, для 0 значення d = 10, 20, 30, 40...; 1 – d = 11, 21, 31, 41... Пиломатеріали – одержують в результаті продольної розпиловки колод і кряжів з хвойних і листяних порід. Використовуються пиломатеріали як оздоблювачі конструкції, кровельний матеріал. До пиломатеріалів відносяться: пластини, четвертини, дошки, бруски, брусся, шпали. Пластина – розпилене дерево на 2 рівні половини. Четвертина – розпилене дерево в двох взаємно перпендикулярних напрямках. Дошки і бруски мають товщину до 100 мм і поділяються на тонкі (товщиною від 13 до 35 мм) і товсті (більш 35 мм). По довжині дошки і бруски підрозділяють на короткі – від 0,5 до 0,9 м, середні – від 1 до 1,9 і довгі – від 2,5 до 6,5 м. Ширина їх від 50 мм і більш. За характером обробки розрізняють дошки і бруски обрізні і необрізані. Обрізними називаються дошки і бруски, у яких обпиляні всі чотири сторони; необрізаними – з не обпиляними бічними крайками. Дошки і бруски можуть бути струганими чи шпунтованими. По місцеві розташування в колоді дошки поділяють на серцеві, центральні і бічні. Дошки, що містять серцевину, називаються серцевими, вони менш міцні і гнилостійкі, мають більше тріщин, легко розколюються. Дошки, одержувані з обох боків від розпилу по серцевині, називаються центральними. Бічних дошок, одержуваних після серцевих чи центральних, значно більше обсягу, вони кращі за якостями: мають менше дефектів, менше розтріскуються, жолобляться й легше обробляються. Дошки і бруски залежно від наявності дефектів деревини й обробки підрозділяють на сорти: із хвойних порід – на добірний, 1, 2, 3 39
і 4-й, з листяних порід – 1, 2 і 3-й. Стругані і шпунтовані дошки поділяють на 1, 2 і 3-й сорти. Для виготовлення меблів застосовують в основному бічні дошки і бруски 1-го і 2-го сортів як у цілому виді, так і для розкрою на більш дрібні деталі. У будівництві використовують дошки і бруски 3-го (для підлоги, обшивання стін, вікон і дверей) і 4-го (для розкрою на дрібні деталі і тару на місці їхнього вироблення) сортів. Товсті дошки використовують для стель і чистих підлог, крокв і інших несучих елементів будівлі, виготовлення погонних виробів; тонкі – для покрівлі, обшивання стін і т. д. Брусся – матеріал, у якого ширина і товщина більш 100 мм. Фанера – листовий матеріал з деревини. Використовується як самостійний матеріал, або оздоблювач у будівництві, меблевому виробництві й ін. За видом та засобами виробництва підрозділяють фанеру на: не клеєну (одношарову) і клеєну (слоїсту). До не клеєної фанери відноситься стругана, пилена, лущений шпон (струганий шпон). Стругана і пилена фанера – тонкі, плоскі листи, які получають на фанеростроганих станках з твердих порід дерев і використовується для меблів. За текстурою деревини фанера буває: радіальна (Р), полурадіальна (ПР), тангентальна (Т), тангентально-торцева (ТТ). Поділяють на три сорти. Шпон лущений – тонкі листи деревини (от 0,3 мм), одержують на лущильних станках з берези, сосни, ямші й ін. Клеєна фанера – плоский лист з трьох і більше листів шпону, склеєних між собою. Від числа листів клеєну фанеру розділяють на: трьохшарову, чотирьох-пятишарову й багатошарову. Клеєна фанера буває: звичайна (звична), облицьована строганим шпонам, декоративна й бакелізована. Фанера звичайна – матеріал з декількох листів лущеного шпону, склеєних і спресованих. ФК і ФБД – на основі карбонільних і альбуміно-казеїнових клеїв. ФБ – на основі білкових клеїв. ФСФ – на основі фенол-клеїв. Буває семи сортів (А, А1, АБ, АВ, В, ВВ, С). Клеєна фанера облицьована струганим шпонам – з трьох і більше слоїв, один із струганої фанери і клею. ФОС – клей смоляний. ФОБ – клей білковий. 40
Буває з: радіальним, напіврадіальним, тангентальним зрізом. Клеєна фанера декоративна – текстурний папір. Клеєна фанера бакелізована – це листи покриті штучною смолою. Плитки будівельні столярні використовується для дверей, меблів та ін. Це щити, набрані з брусків, з’єднані між собою й обклеєні з обох сторін шпонам лущеним або струганим. Їх поділяють на: облицьовані і не облицьовані. 2.2.3. Природні паливно-енергетичні сировина й матеріали Хімічна енергія палива є основним джерелом енергії на Землі. За рахунок природного викопного палива (речовин, що при спалюванні виділяють значну кількість теплоти) одержують до 80% усієї споживаної енергії. На рисунку 2.2 приведена класифікація природного палива, як видно, паливо умовне підрозділяється на енергетичне (для одержання теплової й енергетичної енергії), технологічне (для використання у випалювальних, плавильних і інших печах і як сировину для хімічної промисловості) і комплексне (паливо, що попередньо піддають технологічній обробці з метою виділення з нього коштовних речовин, використовуваних як сировини для хімічної промисловості, а залишковий продукт використовується як енергетичне паливо). За максимальною температурою при згоранні паливо буває високої жаровиробничості (природний газ, нафтопродукти, кам’яне вугілля) і зниженої жаровиробничості (буре вугілля, торф, дрова). Основними видами твердого палива є деревина, торф, пальні сланці, викопне вугілля (буре й кам’яне) і штучне тверде паливо (деревне вугілля, кокс, напівкокс і брикети). Деревне паливо – дрова й відходи лісозаготівель і деревообробки. Дрова з берези, бука, сосни, ялини, кедра й інших видів деревини використовуються для опалення, сухої перегонки й вуглеспалення. Деревинне вугілля як паливо використовується в домашніх процесах, у кузнецькій справі при термічній обробці металів, у побуті – самоварах, утюгах тощо. У зв’язку з пористою поверхнею використовується в хімічній промисловості як всмоктувач газів, парів, при очищені води. Деревинне вугілля гарно горить без диму й полум’я, в ньому нема сірки.
41
Тверде
Рідке
Газоподібне
Рослинне
природне
штучне
За агрегатним станом
Копалина
За походженням залежно від характеру використання енергетичне
паливо
технологічне
комплексне
за поводженням до нагрівання
теплостійкі
нетеплостійкі
за масштабом застосування місцевого значення
державного значення за максимальною температурою
зниженої жаропродуктивності (<2000 С0 )
підвищеної жаропродуктивності (>2000 С0 )
Рис. 2.2. Класифікація палива Деревинне вугілля одержують шляхом нагріву в спеціальних печах деревини дубу, берези та ін. без доступу повітря. Деревинне вугілля повинно мати велику міцність, не роздавлюватися, при падінні давати дзвінкий звук, мати високу пористість. Для побутових потреб фасується в паперові пакети. Буре вугілля – продукт слабо метаморфіцованих рослинних залишків. Розділяють буре вугілля на землисте (молоде) й щільне (старе). Різновидом бурого вугілля є лігніти, які зберегли деревинну структуру. Буре вугілля використовується як паливо і як сировина для здобуття напівкоксу і газу. Це вугілля має у складі 60-75 % вуглеводу, 5-6 % водоводу. Виділяє при згоранні велику кількість летючих речовин. Здобувають буре вугілля (землисте-молоде) у правобережній України, Уралі та ін. Існує декілька класів цих вуглів залежно від величини й розмірів кусків:
42
Найменування класу Умовне позначення Бурий крупний БК Бурий горіх БО Бурий мілкий БМ Бурий БН Бурий рядовий БР
Розмір кусків (мм) 50-100 25-50 13-25 Менш 13 Менш 13
БК, БО, БМ використовуються в топках паровозів, інші – БН, БР – у електростанціях для спалювання у вигляді пилу. Для побуту він використовується у вигляді брикетів паливних. Основні показники якості бурого вугілля – вологість, сірка, теплота горіння. Кам’яне вугілля – продукт глибокого розкладу та змін рослинних останків у доісторичну епоху. Це найважливий вид палива – тверда, плотна маса чорного, чорно-сірого кольору з блискучою матовою поверхнею. Під впливом різних геологічних факторів (температури й тиску) виникає метаморфізм углів (торф). До складу кам’яного вугілля входять: C, H2, N, S. У зв’язку з великій кількості 75-90 % водоводу він має високу теплотворну властивість. Теплотворна здатність, ккал/кг: Торф – 5400 Буре вугілля – 6700 Кам’яне вугілля – 8900 Антрацит – 8350. По розміру кусків кам’яне вугілля розділяють на класи: крупний (К), горіх (О), мілкий (М), насіннячко (Н), рядовий (Р). Слід знати, що при уловному позначенні кам’яного вугілля, спочатку вказується марка, а потім клас, наприклад, ДК – довгопламяний крупний; ГО – газовий горіх; ПСР – паровично-спікаючий рядовий тощо. Показники якості встановлюються для різних басейнів. Найважливіші кам’яновугільні басейни – Донецький. До рідкого й газоподібного палива відносять природні горючі гази, які як паливо в побуті й техніці добувають з надр Землі. Вони складаються: 20-99,9 % вуглеводородів (метан, етан, пропан та ін.). Залягають вони на глибіні 800-2000 м, часто їх місце народження там, де і нафтові. За допомогою бурових скважен їх добувають і передають по трубам. Найважливішими характеристиками природних газів є: кількість тепла при згоранні 1 м3 або 1 кг, температура горіння, температура запалювання, швидкість згорання, межа розпалювання. 43
Горючі сланці – копалини органічного походження, складаються з горючої речовини (60-70 %) і глинистої мінеральної маси. Теплотворна здібність у горючих сланцях від 800 до 4500 кал/кг, а кольору від жовто-сірого до чорного, мають тонкослоїсту будову і розпадаються на тонки плитки, в сухому виді займаються від сірника, горить копченим полум’ям. Використовуються як паливо й сировина для здобуття побутового газу, бітумів, препаратів для консервації деревини та ін. З сланців та сланцевої смоли одержують бензин, тракторний керосин, дизпаливо, парафін, кокс. Зола використовується для здобуття будівельної цегли, цементу та ін. Нафтопродукти – речовини, що добувають з нафти шляхом її переробки. Нафта є основною сировиною для різних видів нафтопродуктів. Нафта – горюча копалина в вигляді рідини темно-зеленого, червоного або темно-коричневого кольору. Нафта підрозділяється на два класи: за кількістю сірки (малосернисті й сернисті) і три підкласи: малосмолисті, смолисті і високо смолисті. Асортимент нафтопродуктів складає біля 600 найменувань різних марок і сортів. Нафтопродукти бувають твердими, рідкими та гази. Вони бувають первинними – шляхом фізичних способів розділення нафти на складові частини і вторинні – одержують при складних хімічних процесах. До первинних відносять – бензин, лігроїн, керосин, солярове масло, мазут, гудрол, битум, парафін, возелин. До вторинних відносять – крекінг-бензин, бензин деструктивної гідрогенізації. Бензин – горюча рідина, суміш вуглеводородів (парафінових, нафтенових, ароматичних), які киплять при температурі від 30 0С до 205 0С. Використовуються як моторне паливо, розчинники в харчовий, гумовій і фарбовій промисловості. Бензин – рідина прозора без кольору, легша від води, вогненебезпечна, легко випарюється, при цьому з повітрям пари бензину утворюють вибухові суміші. Показниками якості бензину є: фракційний склад, стійкість до детонації (приближення в процесі згорання до вибуху). Характеристиками антидетонаційних властивостей є октанове число. Це число палива виявляється на спеціальних установках, і воно рівняється процентному вмісту ізооктану в суміші з гентаном. Чим вище октанове число, тим вище детонаційна стійкість бензину. Бензини бувають: авіаційні і автомобільні, бензин-розчинник. 44
Авіаційні бензини випускають п’ять марок Б-100 (детонаційна стійкість дорівнює нулю); Б-95; Б-93; Б-91; Б-70. Показники якості вказані в стандартах. Автомобільні бензини використовують як паливо для карбюраторних двигунів автомобілів та мотоциклів. Випускають трьох марок: А-66; А-70; А-74. Зараз інші марки. Властивості відображені в стандартах. Бензин-розчинник (уайт-спирит, екстраційний) представляють собою легко закипаючі фракції. Керосин – продукт переробки нафти. Використовується як рідке паливо, для освітлення, в побутових приладах і тракторах. Випускаються трьох видів: освітлювальний, для освітлювальної техніки і тракторний. Керосин освітлювальний використовують в лампах, примусах, керосинках, керогазах. Керосин освітлювальної техніки (піронафт) використовується в котельнях, банях для сигнальних ліхтарів, маяків та ін. Керосин тракторний одержують з малосернистих нафт, багатих нафтовими і ароматичними вуглеродами. Головним показником цього керосину є октанове число К-40. Мазут нафтовий – важкий залишок перегонки нафти. Мазут нафтовий розділяють на масляний, мастильний. Використовують для судів та ін. Бітум нафтовий – смолисті нафтопродукти – суміш високомолекулярних вуглеводородів та їх похідних. Бітуми використовуються в шляховому та гідроізоляційному будівництві для виготовлення різних кровельних та ізоляційних матеріалів, лаків, пластмас. Бітуми бувають тверді й рідкі; залежно від призначення їх поділяють на шляхові, будівельні, спеціальні, лужні (рубракс). Бітуми дорожні напівтверді й тверді випускають 6 марок БН-0, БН-1, БН-2 тощо, відрізняються твердістю, температурою розмягчення, в’язкими пластичними властивостями. Ці бітуми використовують для шляхів, які експлуатуються в важких умовах (для магістральних доріг та асфальто-бетоних покриттів у північних районах). Вони міцні, водонепроникні, не утворюють пилу. Бітуми будівельні випускають дві марки: БН-4 і БН-5; відрізняються твердістю й температурою розмягчення. БН-4 використовується для ізоляції трубопроводів, для брикетування вугільного дробу. БН-5 – для виробництва рубероїду, ізоляції трубопроводів. 45
Бітуми-лужні (рубракс) – тверді нафтопродукти, випускають дві марки А і Б (А- 125-1300), (Б – 135-1500), використовуються в гумовій промисловості для пом’якшення гум. Бітуми спеціальні – тверді і напівтверді нафтопродукти, чисті без домішок. Використовуються завдяки високим діелектричним властивостям у виробництві лакофарбових, електроізоляційних та інших продуктів. Випускаються три марки (Б, В, Г), відрізняються температурою розмягчення: Б – 100-1100. В – 110-1250, Г – 125-135 0. Торф – порода органічного походження, яка створилася внаслідок відмирання рослинних залишків в умовах високої вологості й відсутності доступу повітря. З зовнішнього вигляду – волокниста маса від світло-бурого до землисто-чорного кольору. Торф розділяють на низинний, верховий і перехідний залежно від місця їх утворення. Всі види поділяють на: деревиний, деревинно-трав’яний, деревинномоховий, трав’яний, трав’яно-моховий і моховий. Торф має такі, незалежно від виду, характеристики: теплота згорання (5610-5660 ккал/ кг), теплопровідність, вологоємкість та інші показники, які відображені в стандартах. Торф використовується як паливо і добриво, для упакування фруктів, овочів. 2.2.4. Природні полімери: види, властивості, використання Природні полімерні матеріали – хімічні сполуки, молекули яких складаються з багаторазово повторюваних атомних угруповань, з'єднаними хімічними зв'язками в довгі ланцюги. До природних полімерів відносять натуральний каучук, вовну, натуральний шовк і інші натуральні текстильні волокна. Каучук натуральний (НК) – еластичний матеріал, який одержують коагуляцією латексу каучуконосних рослин (базельська гевея, фікус каучуконосний). Латекс створюється за допомогою оцтової кислоти. Маса, яка згорнулася, відділяється від сироватки, промивається й підсушується. Основний компонент НК – поліізопрен. Вулканізацією НК одержують міцні й еластичні гуми. НК використовується також у виробництві шин, амортизаторів, виробів санітарії й гігієни та ін. НК добре розчиняється в бензолі, скипидарі, бензині та інших органічних розщеплувачах. Під впливом розщеплювачів НК набухає, потім в’язкий розчин (клей), а при дії температурі 600С стає м’яким і пластичним, при температурі 2200С – плавиться, при 00С – стає твердим і крихким. Ці властивості враховуються при використанні НК. 46
Природні волокна текстильно натуральні – тверді тіла, які мають дуже малі поперечні розміри і значну довжину; міцні й гнучкі; використовуються для виготовлення ниток (пряжі) й виробів. Волокна текстильні розділяють на два класи: органічні й мінеральні. Органічні натуральні волокна бувають рослинного і тваринного походження. Основними видами рослинного походження є: бавовна й льон, а тваринного – шовк і вовна. До мінеральних волокон належать азбестові волокна, які виробляються з гірських порід. Волокна текстильні складаються з речовин, що належать до класу високомолекулярних (полімерів), які характеризуються великим розміром молекул. Такими полімерами є: целюлоза (для натуральних рослинних волокон), кератин (основна речовина вовни), фіброїн (основна речовина шовку). Хімічний склад та будова макромолекул обумовлюють властивості волокон. Макромолекули целюлози волокон бавовни й льону мають лінійну будову і різний ступінь орієнтації, що забезпечує менше чи більше подовження волокон, різну міцність і деформаційні властивості. Чим вище ступінь орієнтації, тим більше макромолекули випрямлені щодо подовжньої осі волокна. Це приводить до зміцнення целюлозного матеріалу. Макромолекули кератину (вовни) мають сітчасту будову, що обумовлює високу пружність вовняного волокна. Висока еластичність шовкових ниток обумовлена здібністю випрямлятися макромолекули фіброїну. Наряду з цим природні волокна характеризуються деякими особливостями. Бавовняне волокно розвивається на поверхні насіння бавовнику. Макроструктура волокон. Основними параметрами макроструктури волокна є довжина і товщина. Довжина бавовняних волокон коливається в досить в широких межах – від 1 до 50 мм. Із бавовнику довжиною до 20 мм неможливо виробляти пряжу, тому його називають непрядомим. Залежно від довжини волокна бавовник поділяють на коротковолокнистий (20—27 мм), середньоволокнистий (28—34 мм) й довговолокнистий (35— 50 мм). Довжина волокон бавовнику має важливе значення у формуванні ряду властивостей тканини. Так із коротковолокнистого бавовнику можна одержати порівняно товсту й ворсисту пряжу, яка широко використовується при виробленні, наприклад, ворсоначісних тканин, які мають гарні теплозахисні властивості (фланель, байка, сукно, вельветон та інші). Навпаки, з довговолокнистого бавовнику одер47
жують надзвичайно тонку й міцну пряжу, яка використовується при виробництві найбільш високоякісних тканин як батист, маркізет, поплін, вольти тощо. Відмінною особливістю бавовняних волокон є закономірна залежність між їхньою довжиною й штопороподібною звивистістю: чим довші волокна бавовника, тим більше вони звиті. Між довжиною й товщиною бавовняних волокон також існує певна залежність: чим довші волокна, тим вони тонші. Саме тому довговолокнисті бавовники найчастіше називають тонковолокнистими. Тонину волокон бавовника визначають по-різному: за розміром поперечника, вираженим у мікронах, метричним номером і за міжнародною системою в мілітексах (див. ГОСТ 10878—64). Метричним номером волокна називають число міліметрів волокна, що міститься в 1 мг його ваги. Мілітексом називають вагу 1 км волокна, виражену в міліграмах. Коротковолокнисті бавовники характеризуються метричним номером 3000 – 4500 (333 – 222 мтекс), середньо волокнисті – 5000 – 6000 (200 – 167 мтекс) і довговолокнисті – 6000 – 8000 (167 – 125 мтекс). Тонку й водночас міцну пряжу можна отримати лише з тонковолокнистого бавовника. Окрім того пряжа, вироблена з тонковолокнистого бавовника, має більшу гнучкість і м’якість, ніж пряжа, отримана із середньоволокнистого й тим більш з коротковолокнистого бавовника. Тому тканини, вироблені з тонковолокнистого бавовника, більш якісні, ніж тканини, вироблені з середньо- й коротковолокнистого бавовника. Внаслідок випаровування рідкої частини протоплазми волокно нормальної зрілості сплющується й набуває так звану штопороподібну звитість. Бавовняне волокно нормальної зрілості під мікроскопом має вигляд сплющеної трубочки з ледь загнутими краями, штопороподібними звитками, порівняно тонкими стінками, широким внутрішнім каналом, який наглухо закупорений з боку природної конічної кінцівки волокна й відкритим в тому кінці волокна, що останнім був прирощений до насіння бавовника. Мікроструктура волокна багато в чому залежить від ступеню їх зрілості. За збільшенням ступеню зрілості збільшується товщина стінок і зменшується ширина каналу, а також змінюється їх звитність. За ступенем зрілості волокна бавовника поділяють на 11 груп, що позначаються коефіцієнтами зрілості: 5,0; 4,5; 4,0; 3,5; 3,0; 2,5; 2,0; 1,5; 1,0; 0,5; 0,0. Коефіцієнтом зрілості 5,0 позначають перезрілі, 0,0 – зовсім незрілі волокна. Чим вищий сту48
пінь зрілості, тим вища якість бавовняних волокон. Незрілі й недозрілі волокна бавовника є дефективними. Звитість, передаючи волокну нерівну поверхню, підвищує його цупкість, знижає до деякого ступеню натуральний блиск і сприяє більш міцному утриманню забруднень; з цієї причини вироби з бавовні важче відіпрати, ніж вироби з льону й шовку, волокна яких мають більш рівну поверхню. Однак підвищена цупкість волокна сприяє одержанню більш міцної пряжі, а отже й виробів з неї. Канал бавовняного волокна заповнений повітрям, яке є поганим провідником тепла. Внаслідок цього вироби з бавовни мають підвищені теплозахисні якості, що дуже важливо для отримання вимог гігієни. В волокнах бавовни ниткоподібні групи молекул целюлози розташовані по вінтові лінії, спірально, відносно їх повздовжньої осі, причому на окремих ділянках волокон напрямок спіралей змінюється: права спіраль переходить у ліву і навпаки. Внаслідок цього кут нахилу спіралей у волокнах бавовника коливається в надзвичайно широких межах – від 0 до 40°, складаючи в середньому 23°. Більшим кутом нахилу спіралей до повздовжньої осі у волокнах бавовника пояснюється значне їх подовження при розтягуванні (7 – 8%) й одна з причин низької міцності на розрив реального волокна (близько 50 кгс/мм 2) порівняно з теоретичною міцністю целюлози (400 кгс/мм2). Молекули целюлози упаковані в бавовняних волокнах менш щільно, ніж у інших волокнах (наприклад, в лляних, капронових, нітронових тощо). Внаслідок помірної упаковки молекул целюлози волокна бавовника мають збільшені розмірі субмікроскопічних пор. Цим, зокрема, можна пояснити, чому волокна бавовника порівняно легко, швидко й інтенсивно фарбуються барвниками. Від малої щільності упаковки молекул целюлози багато в чому залежить також їх понижена механічна міцність. Зрілі висушені бавовняні волокна в середньому мають 94 % целюлози й 6 % попутних речовин (соскоподібних, пектинових, азотистих і зольних, органічних кислот, цукрів тощо). Основною речовиною в бавовняних волокнах є целюлоза, яка має складну й багатоманітну структуру. В молекулі целюлози елементарні ланки (С6Н10О5), які містять три хімічно активні гідроксильні групи (ОН), поєднані між собою глікозидним зв’язком, внаслідок чого утворюється ланцюг головних валентностей. 49
Властивості бавовняних волокон багато в чому залежать від глікозидних зв’язків. Зокрема руйнація (деструкція) бавовняних волокон відбувається внаслідок розриву глікозидних зв’язків під впливом окислювачів, гідролізуючих речовин, термічних і фізико-хімічних впливів тощо. Наявність воскоподібних речовин зумовлює погану змочуваність волокон, що утруднює процеси фарбування й набивки текстильних виробів. Зате воскоподібні речовини полегшують ковзання волокон у процесі прядіння. Попутні речовини містять забарвлюючі пігменти, котрі надають бавовняним волокнам і виробам із них негарний кремово-бурий колір. Кислотостійкість бавовняних волокон невисока. Під дією мінеральних кислот глікозидні зв’язки молекул целюлози легко гідролізуються, тобто розриваються з приєднанням води, що і є причиною руйнування целюлози. Внаслідок гідролітичного руйнування целюлози утворюється гідроцелюлоза, яка має настільки слабу механічну міцність, що її можна легко розтерти на порох між пальцями рук. Якщо ж через короткочасну дію кислоти целюлоза частково переходить в гідроцелюлозу, то спостерігається тільки зниження міцності бавовняних волокон. Лугостійкість бавовняних волокон досить висока. Глікозидні зв’язки молекули целюлози характеризуються значною стійкістю до лугу. Тому волокна бавовника навіть при кип’ятінні в розведених розчинах лугів без доступу кисню повітря майже не змінюються. Але якщо їх кип’ятити в розчині їдких лугів при доступі повітря, то внаслідок окислення целюлоза перетворюється в оксицелюлозу. Окислення целюлози супроводжується розривом глікозидних зв’язків. Чим більше целюлоза окислюється, тим значніше знижається міцність бавовняних волокон. При повному окисленні целюлоза повністю перетворюється на оксицелюлозу. Під впливом світла целюлоза бавовника поступово руйнується. Найбільш істотний вплив на руйнування целюлози мають ультрафіолетові промені. Бавовняні волокна мають більш високу світлостійкість, ніж волокна віскозного й натурального шовку, але поступаються за світлостійкістю лляним, пеньковим та вовняним волокнам. Гігроскопічність бавовняних волокон досить висока: в нормальних умовах волокна мають в середньому 8,5 % вологи. 50
Термостійкість бавовняних волокон має важливе значення. Вони витримують короткочасні нагрівання при температурі 125-1500, при температурі вищій 2750 починається інтенсивне руйнування целюлози бавовни з утворенням різноманітних рідких і газоподібних продуктів. При температурі 400-4500 з волокон зникають всі газоподібні продукти розпаду целюлози й залишається твердий залишок у вигляді вугілля. Льон здобувають із стебел рослин – льону-довгунця. Характерною особливістю луб’яних волокон є те, що вони являють собою не поодинокі елементарні волокна, як наприклад, у бавовнику, а пучок волокон, поєднаних між собою пектином; їх називають технічними волокнами. Довжина останніх відповідає довжині стебла льону. Основною речовиною луб’яних волокон, як і у бавовнику, є целюлоза (близько 75 %) й більше супровідних речовин (близько 25 %), ніж у бавовнику. Елементарні луб’яні волокна під мікроскопом являють собою товстостінні клітини, які надзвичайно видовжені й мають всередині канал, наглухо зачинений з обох кінців; кінці можуть бути різними: дуже загостреними (льон), помірно загостреними (джут), роздвоєними (конопля). Своєрідна мікроструктура лляних волокон надає їм ряд, специфічних властивостей. Так, лляні волокна більш теплопровідні, ніж бавовняні, в зв’язку з тим, що в них значно вужчий канал, в котрому міститься менше повітря, яке є найгіршим провідником тепла. У лляних волокон значно рівніша й гладка поверхня, а тому на ній менше затримується забруднення, ніж на поверхні звитих бавовняних волокон. З тієї ж причини лляні тканини легше й швидше відпираються, ніж бавовна. До числа найбільш важливих субмікроструктурних факторів лляних волокон належать їх спіральна структура, а також щільність упаковки молекул целюлози. У лляних волокнах, як і в бавовняних, групи макромолекул целюлози розташовані спірально відносно продовжної їх осі. На відміну від бавовняних у лляних волокон спіралі бувають лише праві й розташовані вони значно крутіше, тобто під меншим кутом нахилу до продовжної осі, ніж у бавовняних волокнах. Кут нахилу спіралі у лляних волокнах коливається від 4 до -120, в середньому становить 8°. Малим кутом нахилу спіралі відносно продовжної осі волокна пояснюється одна з причин більш високої міцності на розрив лляних 51
волокон (80-135 кгс/мм2), ніж бавовняних (близько 50 кгс/мм2),й набагато меншого подовження при розтягуванні у перших (2,5 %), порівняно з другими (7–8 %). У волокнах льону молекули целюлози упаковані значно щільніше, ніж у бавовняних. Внаслідок цього лляні волокна характеризуються меншими розмірами субмікроскопічних пор. Цим головним чином і пояснюється, чому волокна льону так важко піддаються фарбуванню. Щільна упаковка молекул целюлози є другою причиною більш високої механічної міцності лляних волокон, ніж бавовняних. За хімічними властивостями волокна льону мало відрізняються від бавовни. Луги руйнуюче діють на пектинові речовини, тому при короткочасній дії лугів знижається міцність технічних волокон, а при тривалій – вони розпадаються на елементарні бавовноподібні волокна льону. Світлостійкість волокон льону дещо вище, ніж бавовняних. Волокна льону гігроскопічні (гігроскопічність становить 12 %); вони легко поглинають вологу із оточуючого середовища й так же легко віддають її, що має особливо важливе гігієнічне значення для одяговосуконних тканин. Вони добре проводять тепло, тому не використовуються для постільної білизни. Іншими луб’яними волокнами є джут, кенаф, рамі, які використовуються для виробництва мішків, вірьовок та ін. Вовна – волокно тваринного походження (кіз, овець, корів і ін.). На відміну від усіх останніх природних волокон вовна має хвилеподібну звитість. У одних волокон вона дужча, в інших слабкіша. Чим тонші вовняні волокна, тим дужче вони звиті й навпаки. Найбільшу звитість має пухове волокно, на одному сантиметрі довжини якого нараховується 6 – 8, а іноді до 12 звитків. Розрізняють гладку, розтягнуту, плоску, нормальну, стислу, високу й звивисту форми звитків вовни. Форма завитків вовни впливає на її якість. Так, вовна з звивистою звитістю вважається дефектною внаслідок того, що, як правило, має незначну міцність й часто рветься в процесі переробки в пряжу; вона буває дужче забруднена сторонніми домішками. Вовняне волокно будується з багатьох клітин, які відрізняються одна від одної формою, розмірами й властивостями. Комплекси трьох різновидів клітин утворюють три шари вовняного волокна: лускатий, корковий і серцевинний. 52
Лускатий шар складає зовнішню оболонку вовняного волокна. Лушпинки бувають різноманітні за формою і взаємному розташуванні на поверхні волокна. Так у тонкої вовни лушпинки охоплюють у вигляді кільця корковий шар колом, налягаючи краями одна на одну. У більш грубої вовни лушпин частий прошарок по окружності волокна складається не з однієї, а з декількох лушпинок, які, подібно до черепиці, налягають одна на іншу. Лушпин частий прошарок надає вовняним волокнам ряд цінних властивостей. Маючи більш високу стійкість до шкідливих зовнішній впливів, ніж корковий прошарок, лушпинки виконують функції захисної оболонки вовняних волокон. Вони значно підвищують цупкість волокон, внаслідок чого сприяють одержанню більш міцної пряжі, надають вовняним волокнам здатність до валяння, без чого зовсім неможливо виготовити високоякісні сукна й драпи. У проміжках між численними лусками є значна кількість малорухомого повітря, внаслідок чого вовняні текстильні вироби характеризуються більш високими теплозахисними властивостями порівняно з виробами, виготовленими з інших волокон. Розміри, форма й характер взаємного розташування лусок має значний вплив на блиск вовняних волокон. Корковий шар находиться під лускатим шаром і складається з великої кількості видовжених клітин веретеноподібної форми, розташованих в декілька рядів паралельно один до одного й відносно осі волокна. Корковий шар є основним в вовняних волокнах, бо ним визначаються такі важливі властивості волокон, як міцність на розрив, величина і характер видовження, пружність, м’якість тощо. У природно забарвлених волокон вовни забарвлюючі пігменти знаходяться в корковому шарі. Серцевинний шар розташований у центральній частині волокна; він складається з клітин різної форми й повітряних проміжків. Серцевинний шар неоднаковий у різних волокон. У перехідного волоса він переривчастий, у остових волокон – широкий і тягнеться по всій їх довжині, у пухових волокон – зовсім відсутній. Залежно від особливостей структури розрізняють такі типи вовняних волокон: пух, ость, перехідний, мертвий і сухий волос. Пух являється найтоншим, м’яким, ніжним волокном, у більшості випадків правильно звитим, з приємним блиском. Складається він з двох шарів – лускатого й коркового. Лушпини мають переважно кільцевидну будову. Серед вовняних волокон пух є найвисокоякісним волокнистим матеріалом. Волосяне покриття мериносових овець 53
складається лише з пуху. У грубошерстих овець пухові волокна тримаються разом з грубим остовим і перехідним волосом. Ость представляє собою найбільш товсті, грубі, мало звиті або зовсім позбавлені звитків волокна вовни. Вона частіше за все більш довга за пух. Остові волокна складаються з трьох шарів: лускатого, коркового й серцевинного. Останній розташований по всій довжині волокна. Лускатий шар має черепицеподібну будову. У грубошерстих овець остові волокна знаходяться лише в суміші з пуховими волокнами. Технічні й експлуатаційні властивості остових волокон значно нижчі, ніж пухових. Перехідний волос – вовняні волокна, які займають проміжне становище за структурою й властивостями між пухом і остю. За технічними і експлуатаційними властивостями перехідний волос значно вищий ніж ость. Мертвий волос – це остове волокно з дуже тонким корковим шаром і дуже широким каналом, грубе на дотик, ломке на згин, не має блиску, дуже слабке на розрив і не зафарбовується барвниками. Мертвий волос є дефектним волосом. Сухий волос – грубі остові волокна, які характеризуються великою шорсткістю й деякою ломкістю зовнішніх кінців. За якістю сухий волос ближчий до ості, ніж до мертвого волосу. Основною речовиною вовняних волокон є білок, який називається кератином. У складі волокна вовни на долю кератину припадає 90 %. Характерною особливістю кератину вовни є вміст у його складі від 2 до 5 % сірки. Являючись основною речовиною вовняних волокон, кератин зумовлює всі їх хімічні й фізико-механічні властивості. Макромолекули кератину складаються із залишків різних амінокислот, які поєднуючись між собою пептидними зв’язками (-CO – NH -), утворюють ланцюги головних валентностей з боковими відгалуженнями. За допомогою останніх макромолекули кератину поєднуються між собою за рахунок поперечних хімічних зв’язків. Таким чином, кератин вовни має сітчасту структуру, яка характеризується наявністю більш чи менш паралелізованих лінійних ланцюгів головних валентностей, з’єднаних між собою поперечними хімічними зв’язками. Для кератину вовни характерною є наявність поперечних цисти нових зв’язків (містків), що складаються із такого групування атомів: – CH2 – S – S – CH2. 54
Високу пружність вовняних волокон пояснюють зокрема наявністю в кератині поперечних зв’язків із цисти нових містків. Відмінною особливістю макромолекул кератину є й те, що вони мають хвилеподібну звиту форму. Тому кожна макромолекула кератину представляє собою своєрідну мікромодель тонкого вовняного волокна. Вміст в макромолекулі кератину хімічно активних аміно- й карбоксильної групи надає йому амфотерних властивостей. Внаслідок цього вовняні волокна залежно від pH середовища проявляють або кислотні, або лужні властивості. Порівняно з іншими текстильними волокнами вовна має найбільш високу стійкість до дії сонячного світла й атмосферних умов. Висока гігроскопічність – вирізняльна особливість вовни порівняно з іншими волокнами. В умовах значної відносної вологості навколишнього повітря вовна може поглинути до 35- 40 % вологи, не справляючи при цьому враження вологої. В умовах же нормальної температури й відносної вологості повітря вовна має 14–18 % вологи, причому тонка вовна дещо більш гігроскопічна (17 %), ніж груба (15 %). Вовна порівняно повільно поглинає з навкілля вологу й повільно її віддає при зміні температури й відносної вологи повітря. Термостійкість – здатність вовни протистояти дії високих температур. Висушена при температурі 100 – 105° вовна втрачає вологу, внаслідок чого стає жорсткою й ламкою. Після висушування вовна знову поглинає вологу й тому відновлює свою попередню м’якість і стійкість до повторних згинань. Слід мати на увазі, що це справедливо лише за умови, коли вовна піддавалась нагріванню при температурі 100—105° нетривалий час. Тривале нагрівання (вище 30 – 40 год.) при 100—105° й вище приводить до руйнування вовни, що супроводжується виділенням сіроводороду й аміаку, а також пожовтінням вовни. Шовкове волокно. Коконна нитка складається з двох фіброїдних волокон, склеєних між собою шовковим клеєм – серицином. При варці шовку в розчині мила серицин розчиняється і коконна нитка розпадається на два елементарних волокна, які мають у поперечному розрізі різноманітну форму (овальну, круглу, з кількома округленими гранями тощо). Після розчину серицину блиск і м’якість шовкових волокон значно підвищується. Під мікроскопом елементарне шовкове волокно на перший погляд здається однорідним. Але при механічних впливах (тертя, роздав55
лювання) виникає продовжне розщеплення волокна на більш тонкі волоконця, які добре видно під мікроскопом. Фібрилярна структура волокон натурального шовку є причиною утворення дефекту, який називають моховитістю. Кокона нитка приблизно на 70–80 % складається з білка фіброїну й на 20 – 30 % – з білка серицину й інших попутних фіброїну речовин небілкової природи (що витягаються ефіром і етиловим спиртом, мінеральні речовини). Отже, основною речовиною натурального шовку є фіброїн. Фіброїн шовку тутового шовкопряда побудований приблизно з тих же амінокислот, що й інші природні білки (кератин, казеїн, яєчний альбумін). Особливістю амінокислотного складу фіброїну є високий вміст гліцерину й аланіну. Коконі нитки дубового шовкопряда (туссора) містять у своєму складі 89 – 90 % фіброїну й 10 – 11 % попутних йому речовин, у тому числі 5,6 % серицину. Цим вони значно відрізняються від складу коконних ниток тутового шовкопряда. Шовк розщеплюється в мідно-аміачних розчинах, у нього знижена стійкість до світла, має низьку теплостійкість. Натуральний шовк стійкий до дії органічних кислот, а при нагріванні в лугах цілком руйнується. Натуральна шкіра – матеріал, який виробляється зі шкір тварин, морських звірів. Основу натуральної шкіри складає колаген, що утворює волокнисту тканину. Колаген, як і усі високомолекулярні речовини, характеризується визначеним хімічним складом і будовою. Він має складну будову, складається з більшого числа різних амінокислотних залишків, що з’єднані між собою пептидним зв’язком, що утворює довгі поліпептидні ланцюги. Наявність великої кількості активних груп обумовлює значну здатність колагену не розчинятися в холодній і теплій воді, розбавлених розчинах кислот, лугів і солей. У воді й розчинах кислот колаген набухає. Здатність колагену взаємодіяти з дубильними речовинами покладена в основу головного процесу вироблення шкіри – дубіння. Для виготовлення натуральної шкіри як сировину використовують шкіри великої рогатої худоби, свиней, овець, кіз, коней, а також шкіри оленів, верблюдів, лосів, кабанів, моржів, тюленів, китів. Основними видами натуральної шкіряної сировини є опоєк і виросток – шкіри телят; напівшкіряник – шкіри телиць і бичків; ялівка – шкіри корів; жеребок і виметка – шкіри жереб’ят і молодих коней; хлібна й стінна козлина – шкіри кіз тощо. 56
2.3. Неорганічні матеріали 2.3.1. Неорганічні матеріали з рудних і водо-мінеральних ресурсів Рудні ресурси – залізна й марганцева руди, боксити, хроміти, мідні, свинцево-цинкові, нікелеві, вольфрамові, молібденові, олов’яні, сурманові руди, руди шляхетних металів тощо. Водно-мінеральні ресурси (гідромінеральні, мінеральні ресурси морської води, мінеральні ресурси океану). Основними видами водно-мінеральних ресурсів є підземні прісні і мінералізовані води, залізо, свинець, уран, золото, натрій, хлор, бром, магній, поварена сіль, марганець, а також рудоносні жили, шари континентального шельфу й залізно марганцеві включення на глибинах океану (близько 79% мінеральних ресурсів знаходиться під водою Світового океану). Залізні руди – мінерали магнетит, магномагнетит, титаномагнетит, сидерит, залозисті хлорити; марганцеві руди – мінерали піролюзит, родопит, олигонит і ін.; боксити – алюмінієві руди; хроміти – руди хрому. Перераховані вище й інші рудні ресурси служать сировиною для одержання чорних і кольорових металів і сплавів. До чорних металів і їхніх сплавів відносяться: залізо і залізовуглецеві сплави (сталі і чавуни). У групу кольорових металів включають: мідь, алюміній, магній, кобальт, берилій, титан, цинк, свинець, хром, нікель, золото, срібло, платину і сплави на їхній основі. Залізо – блискучий сріблясто-білий метал, що утворює поліморфні модифікації (при звичайній температурі стійко -Fe – гранецентрирована решітка. На повітрі залізо окисляється, тобто покривається рудою ржавчиною. У чистому виді залізо практично не використовується. Широке застосування мають залізовуглецеві сплави – сталі й чавуни. Сталь – сплав заліза з вуглецем, зі змістом вуглецю до 2,14%. Ці сплави розділяють на вуглецеві й леговані (до їхнього складу вводять леговані елементи). Вуглецеві сталі класифікують за наступними ознаками: 1. За призначенням: конструкційні й інструментальні. 2. За якістю вуглецеві конструкційні сталі підрозділяються на два класи: звичайної якості і якісні, а інструментальні – якісні і високоякісні. 3. Залежно від умов і ступеня розкислення сталі розділяють на: - спокійні, які містять мінімальну кількість закису заліза, що забезпечує «спокійне» застигання металу у виливниці; 57
-
киплячі – сталі цілком нерозкислені (без ферросилліція) і тому містять закис заліза, при цьому закис при охолоджуванні у виливниці реагує з вуглецем і утворить CO, що у вигляді пухирців виділяється і створює враження кипіння. У киплячих сталях відсутня усадочна раковина, унаслідок, великої наявності газових пухирців. Ці сталі економніші і дешевше – менш відходів. - напівспокійні – сталі проміжного типу. 4. За змістом вуглецю сталі підрозділяють на низьковуглецеві (вміст вуглецю менше 0,3 %), середньовуглецеві (вуглецю – 0,3-0,7 %), високовуглецеві (вуглецю – більше 0,7 %). 5. За способом виробництва: мартенівські, електросталі, бесемерівські. Вуглецеві конструкційні сталі підрозділяють на: звичайної якості і якісні. Конструкційні вуглецеві сталі звичайної якості розрізняють 3-х груп А, Б, В. Сталі групи А позначають Ст0, Ст1пс, Ст2кп і ін. (Ст – сталь, від 0 до 6 – умовний номер марки, сп, пс, кп – ступінь – кипляча, спокійна, напівспокійна). В вуглецевих сталях груп Б, В в марці додають букву «Б» чи «У» БСт0, БСт2кп, ВСт1сп, ВСт2кп тощо. Вуглецеві конструкційні сталі позначають цифрами: 08, 10, 15, 20, 25... до 85. Цифри показують середній вміст вуглецю в сотих частках. Якщо в сталях підвищений вміст марганцю в маркуванні додається буква «Г», наприклад, 50М, 65Г тощо. Вуглецеві інструментальні сталі поділяються на якісні, які маркірують буквою «У» і цифрою, що вказує десяті частки вуглецю: У7, У8, У13; вуглецеві інструментальні високоякісні – у їхньому маркуванні додають букву «А», наприклад, У7А, ... У13А. Вуглецеві сталі застосовують для виготовлення металевого посуду, інструментів, ножових виробів і ін. Леговані сталі – сталі, у які спеціально вводять один чи декілька легуючих елементів для одержання заданих властивостей. До легуючого елемента відносяться:: хром, нікель, молібден, вольфрам, ванадій, титан, ніобій, тантал, алюміній, бор, кремній, марганець та ін. Легуванням можна підвищити міцність і в’язкість сталі, збільшити красностійкість (збереження високої твердості при підвищених температурах), підвищити опір зносу й корозії, додати сталі особливі фізичні і хімічні властивості. Марганець підвищує міцність сталі і властивості інструмента, що ріжуть, виготовленого з цієї сталі. 58
Кремній сприяє росту міцності і твердості сталі, але знижує її пластичність. Легування кремнієм підвищує корозійну стійкість, жаростійкість і магнітну проникність сталі і знижує втрати на гістерезис. Хром поліпшує механічні властивості сталі й збільшує прогартованість. При вмісті хрому більш 13 % сталь здобуває корозійну стійкість. Такі сталі застосовують, як нержавіючі. Хром перешкоджає росту зерна при нагріванні сталі. Нікель підвищує межу пружності сталі, при цьому не знижується її ударна в’язкість. Нікель збільшує прогартованість сталі, перешкоджає росту зерна при нагріванні і знижує короблення сталі при термічній обробці. При введенні більш 13% Сг і 18 – 20% Nі сталь стає немагнітною, здобуває високу міцність, корозійну стійкість і жароміцність. Вольфрам, молібден, ванадій, титан утворять з вуглецем карбіди, що підвищують твердість і зносостійкість сталей, причому ці властивості, зберігаються при нагріванні до температури 500 – 660 °С. Сталі, леговані карбідоутворюючими елементами, використовуються для виготовлення інструмента, що ріже. Основними ознаками класифікації легованих сталей є хімічний склад, ступінь легірування і призначення сталей. 1. За призначенням: конструкційні (будівельні, машинобудівні, пружинно-ресорні, шарикопідшипникові), інструментальні і з особливими властивостями (нержавіючі сталі, сплави з високим електроопором, сплави з особливими фізичними властивостями тощо) 2. За якістю: якісні (до 0,04 % S і 0,35 % P), високоякісні (до 0,025 % S і до 0,025 % P) і особо високоякісні ( до 0,015 % S і P). 3. За хімічним складом: хромисті, марганцеві, хромонікелеві й ін. 4. За кількістю легованих елементів: низьколеговані (до 2,5%), леговані (від 2,5 до 10%) і високолеговані (більш 10% легуючих елементів). Для позначення марок сталей прийнята буквено-цифрова система. Умовна позначка, виражена буквами й цифрами, показує зразковий хімічний склад сталі. При вмісті легуючого компонента в межах 1% цифру не ставлять. Наприклад, сталь марки 30ХГС-Ш чи А розшифровується так: 30 – 0,30 вуглецю; 1 % – хрому; 1 % – марганцю; 1 % – кремнію; Ш – особо високоякісні. 59
Якщо наприкінці маркування стоїть буква А, то це означає, що дана сталь відноситься до категорії високоякісних сталей. Якщо легуючі елементи складають більше 1%, то це вказується в марці, наприклад, 12Х18Н9 (0,12 % – C). Леговані сталі підрозділяють на 3 групи: конструкційні, інструментальні і сталі з особливими властивостями. Конструкційні леговані сталі бувають шарикопідшипникові, пружинно-ресорні, котрі використовують у виробництві товарів. Ці сталі випускають наступних марок: 60С2Н2А, 55СГ, ШХ6, ШХ15СГ тощо. Інструментальні леговані сталі використовують для виготовлення різьбонарізних інструментів. Основними марками цих сталей є Р9М4ДО8, 9ХС і ін. До сталей з особливими властивостями відносять: нержавіючі сталі, сплави з високим електроопором, магнітні сталі і сплави. Нержавіючі сталі випускають наступних марок: 08Х13; 12Х13; 15Х28 тощо. Дані сталі використовуються для виготовлення посуду, ложок, казанів тощо. Сплави з високим електроопором ХН80ТБЮ, ХН77ТЮР – ніхроми, використовують як матеріали для виготовлення нагрівальних елементів у електроприладах. Магнітні сталі (магнітом’ягкі і магнітотверді) використовують для елементів обчислювальної техніки, у радіоапаратурі, для постійних магнітів тощо. Чавуни підрозділяють на білі й сірі. Білим називається чавун, у якому весь вуглець знаходиться в зв’язаному стані у формі цементиту. У зламі він має білий колір і характерний металевий блиск. Сірим називають чавун, у якому весь вуглець чи велика його частина знаходиться у виді графіту. Такий чавун у зламі має сірий колір через велику кількість графіту. Крім вуглецю в чавуні присутні постійні домішки: кремній, марганець, сірка, фосфор і ін. Кремній сприяє графітизації чавуна. Вміст кремнію в чавунах коливається від 0,5 до 4,5 %. Марганець перешкоджає графітизації, сприяє одержанню в структурі чавуна цементиту, тобто збільшує схильність чавуна до відбілювання (відбілювання чавуна – утворення в поверхневому шарі структури білого чавуна). Вміст марганцю в чавунах може бути від 0,4 до 1,3 %. Сірка є шкідливою домішкою. Вона зменшує рідинотекучість і сприяє відбілюванню чавуна, причому, відбілюючи вплив сірки в 5 – 6 разів більше, ніж марганцю. Вміст сірки допускається не більш 0,08 – 0,12 %. Фосфор у чавунах є корисною домішкою, він збільшує 60
рідинотекучість сірого чавуна, підвищує твердість і зносостійкість чавуна. Вміст фосфору в чавунах коливається від 0,3 до 0,8%. Властивості і структура чавунів залежать не тільки від хімічного складу, але й від швидкості охолодження виливків. Швидке охолодження сприяє одержанню білого чавуна, уповільнене – сірого чавуна. Структура білого чавуна при кімнатній температурі складається з цементиту і перліту, тому білий чавун має високу твердість, крихкість і не піддається обробці різальним інструментом. У структурі сірого чавуна у формі цементиту знаходиться не більш 0,8% С, а інший вуглець міститься у вигляді графітових виділень, розмір і форма яких залежить від складу чавуна й технології виливки. Процес виділення графіту при кристалізації називається графітизацією. Кристалізація графіту з рідкої фази спостерігається при малій швидкості охолодження. Найчастіше при кристалізації чавуна утворюється цементит, графітизація відбувається у твердому стані. Утворення графіту веде до різкого зменшення цементиту і до зниження твердості. Сірі чавуни добре обробляються різальним інструментом, мають високі антифрикційні властивості, не чуттєві до дефектів поверхні, мають добру рідинотекучість і незначну усадку при затвердінні, мають низьку вартість. Усі ці властивості забезпечують їхнє широке застосування при виготовленні деталей і виробів складної форми. Основною ознакою класифікації сірого чавуна є мікроструктура, у якій варто розрізняти металеву основу і графітові виділення. Наявність графітових виділень і визначає специфічні властивості чавунів. Виділення графіту в чавунах можуть бути трьох форм: у сірому чавуні у вигляді витягнутих чи пелюсткоподібних пластинок (рис. 2.3, а), що виконують роль надрізів і тим самим знижують механічні властивості, особливо межу міцності на подовження і в’язкість. При виплавці чавунів із присадкою перед розливанням модифікаторів (магній, церій) у кількості 0,05 – 0,08 % графіт здобуває кулясту форму (рис. 4 б). Куляста форма графіту в значно меншому ступені знижує міцність і в’язкість металевої основи. Такий чавун називають високоміцним, чи модифікованим. Якщо при виливку одержати білий чавун і піддати його тривалому випалюванню, то цементит розпадається з утворенням графіту рівноосної пластівчастої форми (мал. 13, в). Такий чавун називається ковким.
61
Рис. 2.3. Мікроструктура чавуна з різною формою графіту (шліфи нетравленні): а – пластинчаста форма графіту (сірий чавун); б – з кулястою формою графіту (високоміцний чавун); із пластівчастою формою графіту (ковкий чавун) Металева основа в сірих чавунів може бути феритною, феритно – перлітною і перлітною. Сірі чавуни залежно від механічних властивостей випускаються 11 марок: СЧОО, СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36 тощо до СЧ44-64. Букви СЧ позначають «сірий чавун», перші дві цифри після букв показують межу міцності при розтяганні, другі – межа міцності при випробуванні на вигин у кгс/мм2. Для чавуна марки СЧ00 механічні властивості не визначають. Сірі чавуни застосовують для виготовлення методом лиття деталей і виробів, що випробують невеликі навантаження в роботі. Використовують їх для виготовлення посуду, прасок, корпусів м’ясорубок, корпусів замків, швейних машин, деталей холодильників, мотоциклів, автомобілів тощо. Високоміцні чавуни випускають 9 марок і позначають ВЧ38-17, ВЧ45-5, ВЧ50-1,5 тощо до ВЧ120-4. Букви ВЧ позначають «високоміцний чавун», перші дві цифри – межа міцності при розтяганні в 62
кгс/мм2, другі – відносне подовження у відсотках. Високоміцні чавуни застосовують для виготовлення відповідальних деталей, що піддаються значним навантаженням – колінчасті вали, станини верстатів, молотів, пресів, прокатні валки, корпуса насосів, деталі автомобілів тощо. Ковкі чавуни виготовляють і позначають КЧЗ0-6, КЧЗЗ-8 тощо до КЧ63-2. Букви КЧ позначають «ковкий чавун», а цифри мають те ж значення, що й у високоміцних чавунів. Застосовують їх для виготовлення деталей, що працюють при великих динамічних і статичних навантаженнях (усілякі гаки, трійники, вентилі і хрестовини для водопроводу, гайкові ключі, гайки й ін.). З кольорових металів і сплавів найбільше застосування в техніці знаходять мідь, алюміній і сплави на мідній, алюмінієвій і магнієвій основі. Мідь – червоно – рожевого кольору. У чистому виді мідь застосовують головним чином у електротехніці як провідник струму. Значна кількість міді йде для виготовлення сплавів на мідній основі. Сплави міді з цинком, а іноді з добавками невеликих кількостей деяких інших елементів називають латунню. З кольорових сплавів латуні є найпоширенішими. Латунь, в які входять тільки мідь і цинк називаються мідноцинковими. Додання цинку підвищує і пластичність, і міцність латуней. Найбільшу пластичність мають латуні, що містять до 39 % Zn. Ці пластичні латуні дуже добре обробляються тиском у холодному і гарячому станах. У латунях зі змістом Zn від 39 до 45 % пластичність різко знижена, тому вони задовільно деформуються тільки в гарячому стані. Латуні позначають буквою Л, праворуч від якої пишуть літерні позначення спеціально введених (крім Zn) елементів; потім цифру, що указує відсоток міді, і потім відсотки спеціальних елементів у тій же послідовності, у якій записані самі елементи. Елементи позначають російськими буквами: ОБ – олово; Ц – цинк; З – свинець; Ж – залізо; Мл – марганець; Н – нікель, ДО – кремній, А – алюміній тощо. Наприклад, Л90 означає, що латунь містить 90 % Сu, інші (10 %) Zn. ЛАЖМЦ 66-6-3-2 означає латунь, що містить 66 % Сu, 6 % А1, 3 % Ре, 2 % Мn, інші (23 %) Zn. Необхідно відзначити, що для латуні шкідливі ті ж домішки, що і для міді, тому домішки допускаються в дуже малих кількостях: РЬ 0,03 %, Ві 0,002 %, SЬ 0,005 %. Шкідливий вплив цих елементів ураховується так само, як і для технічної міді: вони утворюють низькоплавкі складові, різко понижуючи пластичність латуней. 63
Для латунних виробів, що мають великі внутрішні напруження, характерне явище розтріскування. Розтріскування і тріщини (подовжні і поперечні) утворюються у виробах при збереженні їх на повітрі. Щоб уникнути утворень тріщин у латунних виробах, що знаходяться на тривалому збереженні, їх піддають низькотемпературному (200-300° С) відпалу. Для підвищення механічних властивостей, поліпшення оброблюваності, корозійностійкості в латуні вводять спеціальні елементи: Pb (свинець), Sn (олово), Nі (нікель), Al (алюміній) і ін. Такі латуні називають спеціальними. Pb погіршує механічні властивості латуні, але поліпшує оброблюваність різанням. Sn підвищує міцність і сильно підвищує корозійну стійкість у морській воді. Тому латуні, що містять олово, називають морськими латунями. Nі підвищує міцність і корозійну стійкість. Sі підвищує твердість, міцність, а разом з РЬ поліпшує антифрикційні властивості, тому кременисто-свинцеві латуні використовуються для виготовлення підшипників. Бронзами називають сплави міді з оловом (бронзи олов’яні), алюмінієм, кремнієм, берилієм, свинцем (бронзи безолов’яні). Крім основних зазначених елементів бронзи, додатково легують фосфором, цинком, марганцем, залізом, нікелем, титаном. Застосовують бронзи для виробництва деформованих і литих напівфабрикатів і виробів. Бронзи маркірують буквами Бр, праворуч пишуть елементи, що входять у бронзу: ОБ – олово; Ц – цинк; З – свинець; Ф – фосфор; Н – нікель; ДО – кремній і т.д.. у тому же порядку пишуть вміст елементів у відсотках. Наприклад, Бр ОЦ 4-3 означає, що в бронзі в середньому 3 – 4 % Sn, інше – Сu; бронза Бр Ажмцю 3-1,5 містить у середньому 10 % А1, 3 % Fе, 1,5 % Мn, інше – Сu. Олов’яні бронзи – сплави міді з оловом застосовують у литому вигляді й використовують як антифрикційний матеріал. Унаслідок високої корозійної стійкості у воді й парі з олов’яної бронзи відливають арматуру (крани, трійники й ін.). В олов’яні бронзи вводять деякі добавки, що поліпшують їхні властивості. Свинець поліпшує оброблюваність бронзи на верстатах і її антифрикційні властивості; свинець не розчиняється в рідкій бронзі й 64
тому в структурі знаходиться у вигляді дрібнорозсіяних самостійних включень. Фосфор, крім розкислення бронзи, утворює тверді включення, що підвищують антифрикційні властивості. Безолов’яні бронзи мають високу міцність, добрі антикорозійні й антифрикційні властивості. Ці бронзи не тільки з успіхом замінюють олов’яні бронзи, але в деяких випадках перевершують їх за властивостями. Алюмінієві бронзи. При вмісті А1 до 10 % сплави Сu -А1 характеризуються доброю рідинотекучістю. Такі сплави добре деформуються в холодному й гарячому стані. Додання Nі, Fе, Мn, РЬ поліпшує властивості алюмінієвих бронз: Nі підвищує міцність і пластичність; Fе підвищує міцність і твердість і подрібнює структуру; Мn підвищує і міцність, і корозійну стійкість; РЬ поліпшує оброблюваність на верстатах. Алюмінієві бронзи з різними домішками внаслідок деяких технологічних переваг, недефіцитності і відносної дешевини широко застосовують при виробництві виробів тиском і литтям. Кременисті бронзи (Бр КМЦЗ-1, Бр КН1-3 за ДСТУ 493-54) мають високу пластичність і корозійну стійкість. За механічними властивостями вони перевершують олов’яні бронзи і є при цьому більш дешевими. Берилієві бронзи. Унаслідок високої міцності і пружності з берилієвої бронзи виготовляють пружини, мембрани, контакти, що пружинять тощо. Алюміній – метал срібло-білого кольору, легкий, легкоплавкий, м’який і пластичний, має високу електропровідність. Це дозволяє широко використовувати його в електротехніці, а низька питома вага визначила застосування алюмінію для виробництва на його основі легких сплавів; алюмінієві сплави широко застосовують у всіх галузях машинобудування, що полегшує вагу конструкцій і підвищує їхню міцність і довговічність. У чистому вигляді алюміній приміняють для виробництва кабельних виробів і провідників електричного струму. Чистий алюміній корозійностійкій внаслідок утворення на його поверхні щільної плівки А12О3. Термічна обробка алюмінію полягає лише у відпалюванні, рекристалізації (при 300 – 350 °С) як проміжній операції при його холодній деформації. 65
Найбільша кількість алюмінію витрачається у виробництві сплавів на алюмінієвій основі. У сучасній техніці застосовують дуже багато сплавів на алюмінієвій основі з різною кількістю легуючих елементів. Одні з них, наприклад, Си, Sі, Мg, Zn різко змінюють властивості алюмінію і його сплавів. Інші, наприклад Мn, Nі, Сг, додатково поліпшують властивості і вводяться тільки за наявності перерахованих вище, одного чи декількох, основних легованих елементів. Нарешті, частину елементів уводять як модифікатори у малих кількостях поліпшуючих домішок, що діють по-різному, але поліпшують, головним чином, роздрібнюють структуру; до таких домішок відносяться Nа, Ве, Ті, Се, Nb. Всі алюмінієві сплави можна розділити на дві основні групи: - сплави, які деформуються; - ливарні сплави; Сплави, які деформуються поділяють на дві підгрупи: ті, які не зміцнюються термічною обробкою; ті, які зміцнюються термічною обробкою. До алюмінієвих сплавів, що деформуються й не зміцнюються термічною обробкою належать сплави алюмінію з марганцем, магнієм. Особливими перевагами цих сплавів є їхня висока пластичність, висока корозійна стійкість і гарна зварюваність, а для сплавів з магнієм зменшення питомої ваги, але міцність зазначених сплавів невисока. Зміцнюють ці сплави холодною деформацією (нагартовкою). Зі сплавів Амц (Al-Mn) і Амг (Al-Mg) виготовляють аркуші, прутки, дріт. Якщо сплави поставляють у відпаленому стані, то наприкінці марочного позначення ставлять букву М – м’які (АМГМ), якщо ступінь наклепу невеликий – букву П – напівнагартовані (АМГП) і якщо наклеп сильний – букву Н (АМГН). Чим сильніше наклеп, тим, природно, більша міцність сплаву. До цих алюмінієвих сплавів, які деформуються термічною обробкою відносяться сплави системи А1 – Сu. Алюмінієві сплави, які деформуються й зміцнюються термічною обробкою, поділяють на дюралюміній, що позначається буквою Д, і сплави для кувань і штампувань (що позначаються АК) і умовним номером сплаву. Дюралюміній є найбільш розповсюдженим алюмінієвим сплавом, що піддається деформації. У загартованому стані дюралюміній пластичний і легко деформується. Після загартування дюралюміній піддають природному чи штучному старінню, у результаті якого його 66
міцність різко підвищується. Максимальну міцність дюралюміній має після природного старіння. При штучному старінні сплав зміцнюється тим швидше, чим вище температура старіння, при цьому максимум міцності розташований нижче. Найбільшу міцність після термічної обробки має дюралюміній Д16, а найбільшу пластичність ДЗП. Найвищу високо міцність має алюмінієвий сплав В95. Більш високі механічні властивості порівняно з дюралюмінієм має алюмінієвий сплав з цинком В95 (1,4 – 2,0 % Сu; 1,8 – 2,8 % Мg, 0,2 – 0,6 % Мn 5,0 – 7,0 % Zn; 0,10 – 0,25 % Сг). Сплави для кувань і штампувань. Ці сплави повинні легко деформуватися в гарячому стані. Застосовуються ці сплави для роботи при звичайних (АК6 і АК8) і при підвищених (АК2 і АК4) температурах. Сплави АК6 і АК8 по хімічному складу близькі до дюралюмінію. Пластичність у гарячому стані сплаву Акб більш висока, ніж сплаву АК8. Зі сплаву АК6 виготовляють штамповані і куті деталі складної форми і середньої міцності, а зі сплаву АК8- високо навантажені штамповані деталі. Сплави АК2 і АК4 містять нікель і є жароміцними, тому їх застосовують для виготовлення деталей, що працюють при підвищених температурах (поршні двигунів внутрішнього згорання тощо). Ливарні алюмінієві сплави по хімічному складу поділяють на п’ять груп (табл. 2.1). Позначають ці сплави буквами ЧЕРВОНИЙ, поруч ставлять умовний номер сплаву. Таблиця 2.1 Хімічний склад (%) ливарних алюмінієвих сплавів (за ДСТУ 2685-53) Система сплаву Сплав 1
2
Аl – Si (висококремнисті силуміни)
АЛ2 АЛ4
Mg
Si
Мn
3
4
5
— 10,0 – 13,0 — 0,17 – 0,30 8,0 – 10,5 0,25 – 0,5
Си Zn 6
7
— —
— —
67
1 2 Аl- Si- Cu (низькокреме- АЛ5 нисті силуАЛ6 міни) АЛ8 Аl – Mg АЛ13 АЛ7 Аl— Си АЛ12 Al – Zn (цинковис- АЛ11 тий силумін)
3
4
0,35 – 0,6 4,5 – 5,5 — 4,5 – 6,0
Продовження табл. 2.1 5 6 7 — —
1,0 – 1,5 2,0 – 3,0
— —
—
—
—
4,0 – 5,0 9,0 – 11,0
—
—
—
10,0 – 14,0
9,5 – 11,5 0,8 – 1,3 0,1 – 0,4 4,5 – 5,5 —
—
0,1 – 0,3 6,0 – 8,0
Найбільш характерними ливарними алюмінієвими сплавами є сплави системи Аl – Sі – силуміни. Розчинність Sі в А1 узагалі мала, тому сплави, що складаються тільки з А1 і Sі, практично не зміцнюються термічною обробкою. До сплавів, що зміцнюються термічною обробкою, відносяться низькокременисті силуміни ЧЕРВОНИЙ 5 і ЧЕРВОНИЙ 6. Із силумінів виготовляють деталі шляхом лиття в землю, у металеві форми і під тиском: великі навантажені деталі різних двигунів, блоки голівок і сорочки циліндрів, картери двигунів, корпуси приладів і інші відповідальні деталі. До ливарних алюмінієвомагнієвих сплавів відносяться ЧЕРВОНИЙ 8 і ЧЕРВОНИЙ 13. Сплав ЧЕРВОНИЙ 8 має достатню міцність і високу пластичність, тому його застосовують для найбільш відповідальних литих вузлів і деталей машин, підданих ударним навантаженням. Сплав корозійностійкий. Сплав ЧЕРВОНИЙ 13 застосовують без термічної обробки для виготовлення середньонавантаженних деталей, що працюють у контакті з хімічно активними середовищами і при підвищених температурах. До алюмінієвомідних сплавів відносяться сплави ЧЕРВОНИЙ 7, ЧЕРВОНИЙ 12. Сплав ЧЕРВОНИЙ 7 має низькі ливарні, але високі механічні властивості, тому його застосовують для виготовлення невеликих важконавантаженних деталей. 68
Сплав ЧЕРВОНИЙ 12 має більш високі ливарні, але більш низькі механічні властивості, його застосовують для виготовлення малонавантажених деталей, що працюють при звичайній і підвищеній температурах. Сплав АЛ 11 з великою кількістю цинку (10 – 14 %) і кремнію (6 – 8 %) називається цинковистим силуміном. Він має високі ливарні властивості і, як звичайні силуміни, піддається модифікуванню натрієм і застосовується для виготовлення великих, складних по конфігураціях важконавантажених деталей. Магнієві сплави одержують шляхом сплавки магнію з А1, Zn, Mn. Усі ці елементи мають обмежену розчинність у магнії, тобто такі сплави можна піддавати загартуванню і старінню. Магнієві сплави маркірують у такий спосіб: ливарні сплави – буквами МЛ і цифрою, що позначає умовний номер сплаву, наприклад МЛ2, МЛЗ, МЛ4 і т.д. Ті, що деформуються, позначають буквами МА і цифрою, що означає умовний номер сплаву: МА2, МАЗ і т.д. Літейні магнієві сплави при задовільній міцності мають достатню пластичність до 12 %. Щільність цих сплавів майже в 4,5 рази менша, ніж сталі або чавуна. Характерною рисою для магнієвих сплавів є тривала витримка їх при температурі загартування і старіння, що пояснюється малою швидкістю дифузійних процесів. Цим же можна пояснити і можливість охолодження магнієвих сплавів на повітрі після загартування. Магнієві сплави, які деформуються, мають ще велику міцність і пластичність, що дозволяє застосовувати їх для відповідальних деталей. Для магнієвих сплавів, які деформуються, характерне застосування загартування з охолодженням на повітрі без наступного старіння, після якого зберігаються пластичні властивості переохолодженого твердого розчину. Звичайно, при роботі в підвищених температурах твердий розчин буде розпадатися і пластичність зменшуватися. Виробництво магнієвих сплавів вимагає особливих обережностей при плавці, розливанні, нагрівах. Ці сплави недостатньо корозійностійкі, тому їхню поверхню доводиться штучно захищати від корозії. Титан – метал сріблисто-білого кольору. Титан є одним з найпоширеніших елементів земної кори. Переваги титана порівняно з іншими металами наступні: мала щільність – 4,5 г/см3, висока межа міцності технічного титана, добра корозійна стійкість (більш висока, ніж у нержавіючої сталі), висока жароміцність і велика питома міцність. По питомій міцності титанові сплави перевершують високоміцні конструкційні сталі й алюмінієві сплави. 69
Властивості титана істотно залежать від його чистоти. Титан у більшості корозійних середовищ має більш високу стійкість, ніж алюміній і кислотостійкі сталі, внаслідок утворення на його поверхні міцної і щільної окисної плівки. Сполучення високої корозійної стійкості й механічної міцності, низької щільності, немагнітності при достатній технологічності визначає широке застосування титана і його сплавів у хімічній і авіаційній промисловості, у ракетобудуванні, при виготовленні теплообмінників, трубопроводів і гребних гвинтів. Титанові сплави також застосовують для виготовлення хірургічних інструментів і апаратури сучасної медицини. Титан використовується як розкислювач при виплавці сталей і додання їм спеціальних властивостей, для модифікації чавунів, у ливарних сплавах алюмінію й магнію, для виготовлення твердих сплавів. Титан є поліморфним металом і існує в двох алотропічних формах. У промисловості застосовують технічний титан двох марок ВТ1-1 і ВТ1-2. У зазначених сплавах містяться наступні домішки, % (не більш): С 0,10
О2 0,15
N2 Fе Si 0,04 0,3 0,15
Н2 W 0,015 0,05
Підвищена міцність титана ВТ1-2 обумовлюється більш високим сумарним вмістом домішок, головним чином кисню, хоча і не перевищує зазначених меж хімічного складу. Технічний титан виготовляють у виді аркушів, прутків, дроту, стрічок, плит, труб, кувань і штампувань. Для одержання титанових сплавів з більш високими властивостями титан легують різними металами – алюмінієм, хромом, залізом, марганцем, молібденом, оловом, ванадієм. У сплавах титана з хромом, марганцем, залізом відбувається евтектоїдний розпад β-фази з утворенням хімічних сполук – інтерметалідів (титанідів). Залежно від будови титанові сплави класифікують на три групи: сплави зі структурою α-твердого розчину; сплави зі змішаною структурою (α+ β) – твердого розчину і сплави зі структурою β – твердого розчину. У промисловості застосовують сплави зі структурою α + β и α. Сплави зі структурою β – фази промислового застосування поки ще не знаходять. 70
У титанових сплавах найбільш важливим елементом є алюміній, він міститься у всіх сплавах. Алюміній збільшує міцність, жароміцність і опірність титанових сплавів окислюванню при високих температурах. Інші елементи, що стабілізують α – фазу (кисень, азот), утворюють з титаном тверді розчини впровадження і впливають позитивно (збільшуючи міцність) тільки при дуже невеликій їхній кількості – до 0,15 % О2 і 0,04 % N2. Більший вміст цих елементів викликає крихкість у сплавах. Крім термічної обробки, титанові сплави для підвищення зносостійкості тертьових поверхонь піддають азотуванню. Нікель – пластичний сріблисто-білий метал, відзначається високою корозійною стійкістю в повітряній атмосфері, у воді, розчинах органічних кислот. Мінеральні кислоти, особливо азотна, сильно діють на нікель. Чистий нікель добре полірується і здобуває приємний зовнішній вигляд і блиск, що зберігається тривалий час. Нікель не токсичний, не руйнує вітамінів і широко використовується як захисно-декоративне покриття столових приладів, посуду. Нікель також широко застосовується для захисту від корозії інструментів, приладів для вікон і дверей, металевих меблів, деталей велосипедів, мотоциклів і автомобілів тощо. Нікель використовують у виробництві лужних акумуляторів. Значна частина нікелю застосовується як легуючий елемент у спеціальних сталях, що володіють високими механічними, антикорозійними, магнітними чи електричними властивостями. Основними сплавами на нікелевій основі є ніхроми і монельметал. Монель-метал НМЖМЦ 28 – 2,5 – 1,5 (28 % Си; 2,5 % Fе; 1,5 % Мn; інше нікель) відрізняється високими механічними властивостями і корозійною стійкістю. У чистій атмосфері цей сплав не тьмяніє, стійкий у воді, більшості органічних кислот і практично не кородує в нейтральних і лужних розчинах органічних сполук. В атмосфері, що містить сірчисті з’єднання й вологу, монель-метал покривається плівкою від зеленого до коричневого кольору. Монель-метал застосовують для виготовлення деталей хімічної апаратури, насосів, що працюють в агресивних середовищах, у ювелірному виробництві. Хром – твердий метал сіро-сталевого кольору, хімічно мало активний і в звичайних умовах стійкий до кисню і вологи. Як конструкційний матеріал хром не застосовується через високу крихкість. Хром широко використовується для хромування металевих виробів. Хромове покриття забезпечує високу корозійну стійкість і 71
зносостійкість сталевих деталей і виробів. Хромуванню піддають інструменти, деталі годинників, велосипедів, друкарських машинок, мотоциклів, автомашин тощо. Досить широке застосування одержав хром у металургійній промисловості як один з дуже ефективних легуючих елементів. Уведення хрому в сталь у визначених кількостях і в сполученні з іншими легуючими елементами підвищує стійкість проти корозії, жароміцність, збільшує твердість, зносостійкість і ріжучі властивості інструментів. Хром є необхідним елементом для виробництва хімічних сполук, використовуваних у шкіряній (дубителі) і текстильної (барвники) промисловості. Цинк – метал ясно-сірого кольору із синюватим відливом. Домішки свинцю, сурми, кадмію, міді, миш’яку, олова й заліза негативно впливають на фізико-механічні й технологічні властивості цинку. Залежно від вмісту домішок цинк випускається з шести марок: Марка цинку ЦВЧ ЦВ ЦО Вміст цинку, % 99,997 99,99 99,975
Ц1 Ц2 Ц3 99,95 98,7 97,5
Цинк – хімічно активний елемент, але в умовах вологої атмосфери покривається щільною плівкою основної вуглекислої солі, що охороняє метал від подальшої корозії. Варто мати на увазі, що ці солі розчиняються в кислих, лужних середовищах і в киплячій воді, утворюючи токсичні розчини. У прісній воді при кімнатній температурі й у вологій атмосфері цинк досить стійкий. Більш половини цинку, що добувається, застосовують як метал для захисно-декоративних покрить сталевих виробів і листового металу, на які він наноситься шляхом гарячого чи електролітичного оцинкування. Цинк є легуючим елементом багатьох сплавів (латуні, нейзильберу). На основі цинку виготовляють сплави з добрими ливарними властивостями, що містять 5 – 10 % Sn і 4 – 12 % Аl. Недоліком таких сплавів є їхня низька міцність. Тому цинкові сплави застосовують для виливки складних за формою деталей, що не піддаються великим механічним навантаженням при експлуатації: деталі швейних, пишучих і розрахункові машин, корпуси замків тощо. Цинк широко використовується при виготовленні оцинкованого посуду, що не підлягає кип’ятінню. Олово – сріблисто-білий метал, має дві алотропічні модифікації. Звичайне біле олово, тобто β-модифікація, стійко при температурах вище 72
18°С. При низьких температурах біле олово переходить у сіре, тобто в α -модифікацію, перетворюючи в дрібний порошок унаслідок великих об’ємних змін. Це явище називають «олов’яною чумою». Перехід β-модифікації в α-модифікацію відбувається при охолодженні до температури нижче – 20°С. Олово – один із самих м’яких і пластичних металів. Легко розгортається у фольгу, тому що при деформації олово рекристалізується при кімнатній температурі. Вольфрам – білий метал, при кімнатній температурі вольфрам непластичний, характеризується високою корозійною стійкістю в атмосферних умовах і не реагує із соляною, сірчаною, азотною, плавиковою кислотами і розчинами солей. Широко застосовується в сучасній техніці для одержання легованих сталей і твердих сплавів на основі карбіду вольфраму, а також для одержання зносостійких і жароміцних сплавів. Вольфрам є незамінним матеріалом для виготовлення ниток розжарення електричних ламп, деталей електровакуумних приладів у радіоелектроніці й рентгенотехніці. Благородні метали (срібло, золото, метали платинової групи і їхні сплави) свою назву одержали завдяки високій корозійній стійкості в звичайній атмосфері, а також у більшості кислот і лугів; ці метали мають красивий зовнішній вигляд, високу щільність, пластичність. Срібло – метал білого кольору з щільністю 10500 кг/м3 і температурою плавлення 960 °С. Має малу твердість НВ25, високу пластичність і дуже добре полірується. У полірованому стані володіє високою відбивною здатністю світлових і теплових променів, що складає 95 – 97 %. Срібло володіє найвищою електро- і теплопровідністю серед усіх металів. Стійко до впливу атмосфери, але чорніє від сірководню, що пов’язано з утворенням на його поверхні плівки сульфіду срібла. Срібло стійке в багатьох кислотах, лугах і розчинах солей. Легко розчиняє срібло азотна кислота. Срібло в чистому вигляді застосовується для виготовлення корозійностійкого хімічного посуду і як каталізатор хімічних реакцій. Значна кількість срібла витрачається у фото- і кінопромисловості для виробництва світлочутливої плівки й паперу. Велике поширення одержали сплави срібла з міддю, що сплавляються в будь-якій пропорції. Срібно-мідні сплави застосовують для виготовлення контактів у точних електровимірювальних приладах, для виготовлення столових приладів, ювелірних виробів. Срібло використовують також як захисно-декоративне покриття і для одержання припоїв. Вміст срібла в припоях може коливатися від 1,5 до 72 %. Маркірують їх буквами ПСР (припой срібний) і цифрою, що вказує вміст срібла, наприклад ПСР72, ПСР65 і т.п. 73
Золото – один з найважчих металів, має яскраво-жовтий колір із сильним металевим блиском. Золото добре обробляється тиском, відзначається високою корозійною стійкістю в звичайній атмосфері, а також у кислотах, лугах і розчинах солей. Воно не змінюється від дії сірководню, але розчиняється в царській горілці, у хлорній і бромній воді. Чисте золото через його м’якість застосовується рідко. Твердість золота значно підвищується при сплавці з міддю. Так, сплав золота з 20 % міді має твердість НВ100. Корозійна стійкість при сплавці з міддю знижується. Для виготовлення ювелірних виробів, крім міді, додають срібло і палладій. Залежно від вмісту золота встановлені проби 333, 375, 500, 583, 750, 958. Колір і твердість ювелірних сплавів залежить від співвідношення вхідних у них компонентів. Змінюючи кількісне співвідношення золота, срібла і міді, можна одержати сплави жовтого, рожевого, зеленого, а при добавці палладію – білого кольору (58,3 % Аu, 25,7 % Аg і 16 % Рd). Найбільшою твердістю володіють сплави при співвідношенні Сu:Аg близько 1:1 (583-я проба). Золото і його сплави застосовують для виготовлення ювелірних виробів, нанесення захиснодекоративних покрить, при декоруванні порцелянових і фаянсових виробів і для фарбування скла в рубіновий колір. Платина – білий метал із сіруватим відтінком. Має високу щільність – 21500 кг/м3 і температуру плавлення – 1773°С. Має більш високу твердість (НВ 50) порівняно з іншими благородними металами. Є менш пластичним металом порівняно з золотом і сріблом. Платина має високу корозійну стійкість, на неї не діє царська горілка і хлорна вода. Це незамінний матеріал при виготовленні тиглів і чашок для хімічних лабораторій і при виготовленні термопар для високих температур. У ювелірному виробництві застосовують платину 950-й проби для виготовлення кілець, браслетів, оправ діамантів тощо. 2.3.2. Неорганічні матеріали з природної будівельної, гірнохімічної сировини та нерудних корисних копалин До природної будівельної сировини належать вапняк, доломіт, глина, пісок, мармур, граніт. Апатити, фосфіти, поварена і кам’яна сіль, сірка, барит, бром и йодомістячи розчини тощо являють горнохімічну сировину. Основними видами нерудних корисних копалин є: яшма, агат, гірський кришталь, гранат, корунд, алмази тощо. 74
Всі ці види об’єднуються в групу – природні кам’яні матеріали – вироби, які отримують механічною обробкою гірських порід. Природні кам’яні матеріали, що називають нерудними, широко використовують у будівництві, їх частка у затратах на будівництво перевищує 20 %. Вони використовуються як опосередковано (для побудови фундаментів, стін, облизування будинків та споруд тощо), так і для отримання інших матеріалів (скла, бетонів, розчинів, кераміки тощо). Залежно від ступіня обробки кам’яні матеріали та вироби поділяються на: - грубооброблені (щебінь, гравій, бутове каміння); - розпилені одиничні вироби (плити, блоки); - архітектурні деталі різної форми. За призначенням розрізняють кам’яні матеріали та вироби для зовнішнього та внутрішнього облицювання, обладнання покрівлі, шляхових покриттів та підлог, виробництва бетону та інших безвідпалих матеріалів та виробів, побудови гідротехнічних споруд. За характером споживання природні кам’яні матеріали можуть бути класифіковані на будівничі та облицювальні матеріали з масивних гірських порід (облицювальні, декоративні, кислотостійкі, вогнестійкі, дорожні та стінові, одиничне каміння, щебінь, гравій, а також пісочні, пісочно-гравійні та пісочно – галькові матеріали з сипких осадових порід для бетонів, розчинів та дорожніх робіт). За об’ємною масою будівельні матеріали та вироби з природного каміння поділяються на важкі та легкі. Природні кам’яні матеріали добувають шляхом проведення гірських робіт. Породи невеликої та середньої твердості випилюють з масиву за допомогою каменерізних машин, а тверді породи добувають буроклиновим (виколкою) або буровибуховим способами. Розроблювані родовища називаються кар’єрами, а утворені при цьому порожнини – відпрацьовками. Після добування частина кам’яних матеріалів набуває товарного вигляду безпосередньо в кар’єрах (пісок, щебінь, бутове каміння). Значна їх частина перевозиться на кам’янообробляючі заводи, де за допомогою розпилів, шліфування та полірування вони набувають задані розміри, форму (фасонні деталі) та фактуру зовнішньої поверхні. В основі класифікації гірських порід, які являються основою здобуття кам’яних матеріалів, лежить розроблений М. В. Ломоносовим принцип поділу, що враховує умови їх утворення. Відповідно до цьо75
го гірські породи поділяють на вивержені або магматичні (первинні), осадові (вторинні), метаморфічні (видозмінені). Вивержені породи утворились шляхом охолодження та затвердіння магми. Так, масивні глибинні породи утворилися при затвердінні магми, що відбувалося у глибинах земної кори при високому тиску, їм притаманні чітко виражена кристалічна будова, висока щільність, міцність на стискання, морозо – та атмосферостійкість, гарна здатність до шліфування та полірування. До масивних глибинних порід відносять граніт (сірого, червоного та червоно-коричневого кольору), сієніт (трохи темніший за граніт), діорит (сірого темно-зеленого кольору), габро (сірого, від темно-зеленого до чорного кольору), лабрадорит (чорного кольору). Вони застосовуються як облицювальний матеріал, мозаїчні плити для підлоги, бортове каміння тощо. Масивні породи, що вилилися, є продуктами швидкого охолодження магми у верхніх шарах земної кори або на її поверхні. За властивостями та хіміко-фізичному складу вони подібні до масивних глибинних порід, але кристалічна структура у них менш виражена. До цієї групи природних кам’яних матеріалів відносять кварцовий та безкварцовий порфір, трахіт, діабаз, базальт, порфірит, андезит. Масивні породи, що вилилися, використовуються у вигляді одиничного каміння, щебеня, плит, брущатки, як сировина для кам’яного лиття (діабаз, базальт) тощо. Вивержені уламкові породи утворилися внаслідок швидкого охолодження магми. Бульбашки газів, що залишилися в товщі охолодженої магми, надають цим породам склоподібну пористу будову. Уламкові крихкі породи (пемза, вулканічні піски та попіл) використовуються як добавки при виготовленні мінеральних в’яжучих речовин, а також як теплоізоляційний і абразивний матеріал (пемза). Уламкові цементуючі породи утворились внаслідок охолодження суміші лави, попелу та пісків. Вони мають склоподібну будову та застосовуються як крупні стінові блоки (туфи), піски або щебінь для легких бетонів та розчинів, активних добавок до мінеральних в’яжучих речовин, облицювального матеріалу тощо. Осадові породи утворилися внаслідок руйнування вивержених порід під впливом води, вітру, температури, тиску, вуглекислого газу та інших атмосферних факторів – механічні відкладення, осадження солей у водоймищах, яки висихають – хімічні осади або накопичення органічних осадків – органічні відкладення. Осадові породи засто76
совуються як облицювальний матеріал внутрішніх частин будинку та сировини для виробництва мінеральних в’яжучих речовин (гіпс, ангідрит, крейда тощо), вогненосних виробів (магнезит, доломіт), облицювальних плит, щебеня, одиничного каміння (доломіт, піщаник, брекчія), теплоізоляційних матеріалів (діатоміт, трепел) тощо. Метаморфічні породи утворилися внаслідок перетворення осадових та вивержених порід під впливом високих температур та великого тиску. Вони відрізняються шаровою будовою, володіють високою щільністю, міцністю та атмосферостійкістю. З них виготовляють облицювальні плити та архітектурні деталі (мармур), плити для облицювання каналів, кладки фундаментів, облаштування тротуарів (гнейси), плитку для крівлі (глинисті сланці) тощо. Властивості природних кам’яних матеріалів визначаються їх мінералогічним складом. Мінерал – природне тіло, що утворилося у результаті фізикохімічних процесів на поверхні або у глибинах землі, що володіє однорідним хімічним складом, будовою та властивостями. За розповсюдженням у природі всі мінерали поділяють на породо- та рудоутворюючі, другорядні та рідкі (дорогоцінні каміння, самородні метали тощо). Найбільш важливими породо- та рудоутворюючими мінералами є кварц, польовий шпат, слюда, азбест, кальцит, магнезит, доломіт, гіпс, ангідрид, корунд та ін. Кварц – один із найбільш розповсюджених породоутворюючих мінералів. Забарвлення кварцу різноманітне: безбарвний (гірський кришталь), фіолетовий (аметист), димчастий (раухтопаз), чорний (моріон), золотистий (цитрин) тощо. Кварц характеризується високою твердістю, міцністю, атмосферною та хімічною стійкістю (крім плавикової кислоти), його щільність 2650 кг/м3, температура плавлення 1723 0С. У природі зустрічається у вигляді кварцового піску, гірського кришталю або входить до складу гірських порід. Кварцит – метаморфічна порода, що складається в основному з кварцу. Застосовують кварцит для виготовлення динасу (кислого вогнестійкого матеріалу, який містить не менш 93 % кремнезему), котрий використовують для кладки промислових печей. Вапняк – опадова порода, яка складається з кальциту з домішками доломіту, глинистих і піщаних часток. Кальцит (вапняковий шпат) – мінерал щільністю 2700 – 2800 кг/м3. Він легко розчинюється у воді та кислотах, є основним 77
породоутворюючим матеріалом вапняку, туфа, крейди та мармуру. Різновидами кальциту є: ісландський шпат, антраконит – чорний кальцит, паперовий шпат (листяний). Застосовується кальцит як будівельний і підроблений матеріал, у металургії як флюси. Польові шпати – найпоширеніші породоутворюючі мінерали, що займають близько 50 % земної кори. Польові шпати – ізоморфні суміші алюмосилікатів калію, натрію, кальцію. Під дією вологи і вуглекислого газу легко руйнується, їхня міцність і хімічна стійкість нижча кварцу. Слюди – група породоутворюючих мінералів (алюмосилікатів) складного і непостійного складу (мусковіт, флогопіт, біотит і ін.). Особливість слюди у тому, що смороду здатні розщеплюватися на тонкі, пружні пластинки, мають високі діелектричні властивості, термостійкість, тепло- та звукоізоляційність. Магнезит – мінерал класу карбонатів, MgCO3, має білий чи жовтувато-сірий колір і є сировиною хімічної, паперової, керамічної промисловості. Доломити – породоутворюючий мінерал класу карбонатів CaMg(CO3)2. за своїми властивостями займає проміжне положення між кальцитом та магнезитом, використовується як вогнетривкий матеріал, флюс – у металургії і сировині в хімічній промисловості, склоробному виробництві й ін. Азбест – водневий силікат магнію та заліза, що відрізняється волокнистою структурою, діелектричними властивостями, вогнестійкістю (температура плавлення біля 150 0С), кислото- та лугостійкістю. Найбільше значення має хризотил-азбест – мінерал, волокнистий різновид серпентину – шаруватий силікат жовтуватий, буро-зелений мінерал. Різновидами серпентину є: офіт (прозорий підроблений камінь), антигорит (лускатий, шкаралупчастий). Гіпс – мінерал класу сульфатів CaSO4*2H2O, м’який мінерал білого кольору. Легко розчиняється у воді. Різновиду гіпсу – селеніт (напівпрозорі кристали; атласний шпат – волокнисті агрегати із шовковистим блиском) і алебастр – сніжно-білій тонкозернистий гіпс. Гіпс – осадовий продукт, застосовуваний для внутрішніх опоряджувальних робіт, швидкотвердюча на повітрі в’язка рідина. Ангідрит – мінерал, що є безводним різновидом гіпсу, що в’яже речовину; добриво, сировина для одержання сірчаної кислоти; використовується як виробний камінь. Яшма – кремениста гірська порода, непрозора, з раковистим зламом, пофарбована в різні кольори. Фарбування в яшми строкате, по78
лосате, плямиста й ін. яшма використовується як декоративний і виробний камінь. Агат – мінерал із шаруватим чи смугастим розподілом фарбування: блакитнувато-сірий, темно-сірий, білий. Міститься агат у мигдалинах ефузивних осадових породах і є різновидом халцедону (мінерал, напівпрозорий різновид кварцу). Агат використовується як виробний камінь. Гранати – група мінералів магматичних і метаморфічних порід, що є кристалічною зернистою масою. Красиво пофарбовані прозорі гранати використовуються як дорогоцінні камені. Алмаз – мінерал, одна з кристалічних поліморфних модифікацій вуглецю. Це найтвердіший мінерал (10 по мінералогічній шкалі Мооса). Використовується алмаз як напівпровідник і як дорогоцінний камінь. Гірський кришталь – мінерал, безбарвний прозорий різновид кристалів кварцу. Зустрічається в порожнечах і «кришталевомістких льохах» у пегматитах (світла грубозерниста магматична гірська порода). Корунд – мінерал підкласу простих окислів Al2O3. один з найбільш твердих мінералів. Дрібнозернистий корунд з домішками інших мінералів називається наждаком. Прозорими різновидами корунду є рубін, сапфір та інші дорогоцінні камені. Базальт – темна гірська порода, що займає величезні площі дна океанів і великі території материків (трапи), складається головним чином з мінералів каркасних силікатів – плактиоклазів. Плакгиоклази – породоутворюючі мінерали: альбіт, битовіт, анортит, андезин, олігоклаз – магматичного і метаморфічного походження. Для улаштування даху використовують плитки з глинистого сланцю (природний шифер). Вони мають високу водо- та морозостійкість, довговічність і використовуються для покрівлі житлових, адміністративних та промислових споруд. Для будівництва гідротехнічних споруджень використовують каміння правильної та неправильної форми: вивержені, метаморфічні або осадові породи, що не мають прошарків м’яких порід та рихлих включень. Для виготовлення жаро- та хімічно стійких матеріалів та виробів застосовують базальт, діабаз, андезит, туф та хроміт. Такі вироби випускаються у вигляді плит та каміння. Природні кам’яні матеріали широко використовуються в будівництві для спорудження будівель та споруд, до яких висуваються 79
певні вимоги з міцності та декоративності. У якості матеріалів для кладки фундаментів та стін використовують бутове та штучне каміння, а також стінові блоки. Бутове каміння має неправильну форму, розміри 150-500 мм і вагу окремих шматків 20 – 40 кг. Залежно від способу добування бутове каміння буває рване (отримане вибуховим методом ) та шарованим або плитняк (отримане шляхом виламування з шарових гірських порід). Він використовується для кладки фундаментів, підземних частин стін, колодязів, водозливів, улаштування автодоріг, переробки на щебінь тощо. Одиничне каміння має правильну форму. Виготовляється з доломітів, вапняків, піщаників або туфів розмірами 390x190x188 та 490x240x188 мм. Стінові блоки мають форму прямокутного паралелепіпеда з пазом у торцевій частині вертикальних граней. За формою вони поділяються на колоті, тесані, пиляні; за призначенням – для кладки стін, житлових будинків при висоті поверху 2,8 м та суспільних будівель при висоті поверху 3,3 м (тип Д), для багаторядної кладки стін житлових, суспільних та виробничих споруджень (тип Б), для зовнішніх (тип В) стін, фундаментів та стін льохів (тип Ф), а також підвіконні (тип П). Залежно від міцності при стисканні блоки випускаються таких марок 25 – 40 (МПа). Розміри блоків від 300x800x900 до 3000x1000x500 мм. До матеріалів внутрішнього та зовнішнього облицювання відносять облицювальні плити, фасонні штучні вироби та декоративне природне дроблене каміння. Облицювальні плити мають правильну форму та різноманітну фактуру фасадної поверхні: поліровану (дзеркальну), лощену, шліфовану, пиляну, рефрену, точечну тощо. Плити виготовляють довжиною 600 -1500 мм і більше. Випускають також вузькі плити, смуги та шашки. Фасонні штучні вироби отримують шляхом обробки вивержених та видозмінених порід. До них відносять елементи дробин, парапетів, огорож та майданів, карнизи, розетки, орнаменти та багато інших художньо-декоративних виробів. Дроблене декоративне природне каміння (граніт, мармурова, вапнякова та базальтова крихта) використовуються для фасадної обробки по незатверділому розчину або з допомогою спеціальних клеєних складів. Така обробка вдало конкурує з керамічними, скляними та лакофарбовими матеріалами як за якістю поверхні, так і за собівартістю. 80
В якості матеріалів для облаштування шляхових покриттів, виробництва бетону та інших неопалених матеріалів використовують бортове каміння, булижник, брущатку, гравій, щебінь тощо. Бортове каміння призначене для відокремлення доріг від тротуарів, газонів, трамвайних зупинок, майданів. Воно випускається довжиною 700 – 2000 мм, висотою 300 – 400 мм та шириною 100 – 200 мм. Булижник – камінь неправильної форми розміром до 300 мм, а брущатка – каміння у формі паралелепіпеда, трохи звужується донизу. Гравій та щебінь – дрібні шматки каміння розміром 5-70 мм. Гравій утворився в результаті природного руйнування гірських порід, а щебінь отримують дробленням каміння. Залежно від гранулометричного складу гравій та щебінь поділяють на фракції (5 – 10 мм, 20 – 40 мм, 40 – 70 мм), а за міцністю (МПа) – на марки 20 – 120. Пісок – дрібнозернистий, крихкий матеріал з розміром зерен 0,14 -5 мм. Залежно від мінералогічного складу пісок поділяють на кварцовий, польовошпатовий, карбонатний. За місцезнаходженням – на морський, річковий та яровий. Найкращим для будівництва є річний пісок, бо він вміщує меншу кількість суміші глини та гіпсу. Глини – пластична осадочна порода з каолініту, гідрослюди и др. глини використовують у керамічній промисловості, цегли. Для облаштування підлоги використовують плити з твердих та зносостійких порід каміння (граніту, сієніту, кварциту), а у випадку невеликої інтенсивності людських потоків – з мармуру. Товщина таких плит – не менше 20 мм. Граніт – магматична гірська порода, що складається з кварцу, слюди польового шпату. Сієніт – магматична гірська порода, що складається з кварцу, польових шпатів і кольорових мінералів. Мармур – блискучий камінь, гірська порода вапняків і доломітів. Використовують мармур як декоративний і виробний камінь. Кам’яні природні матеріали широко використовують у виробництві скла, кераміки і ситалів. Скло – аморфно-кристалічне тіло, що одержують шляхом переохолодження розплаву, що складає з різних окислів, які містяться в кварцовому піску, польовому шпаті, вапняку, доломіті, каоліні й інших кам’яних матеріалах. 81
Скло містить не менш п’яти окислів: двоокис кремнію, окис кальцію, окис натрію, а також окис бора, свинцю, барію й ін. Залежно від вмісту певних інших окислів скла бувають: натрій-кальцій силікатні, калієво-вапняні, фосфатні, боратні, калієво-свинцеві (кришталеве малосвинцеві і кришталеві високосвинцеві), барієво-кришталеві. Змінюючи хімічний склад скла, можна одержати вироби з різними властивостями. Уведення, наприклад, до складу калієво-вапняного скла окислів свинцю чи барію одержують вироби з підвищеною щільністю, своєрідною грою світла, з мелодійним звучанням. Зі скла виготовляють посуд, оптичні вироби й вироби архітектурно-будівельного призначення. Одним з факторів, що впливає на якість виробів з кам’яних матеріалів, є зберігання та транспортування цих виробів. Матеріали та вироби з природного каміння транспортують навалом (бутове каміння, щебінь, брущатка), на підкладках або прокладках з укладкою правильними рядами (блоки) або у міцній тарі, що пристосована до механічних завантажувально – розвантажувальних робіт, у вертикальному положенні, попарно, передніми частинами одна до одної, з прокладками паперу та закріпними клинами (плитами). Для їх зберігання використовують відкриті майдани з відводом дощових вод або закриті складські приміщення (плити з мармуру, туфу, вапняку). Бутове каміння, щебінь, брущатка, гравій зберігають у штабелях або навалом окремо за марками, породами, сортами, класами, фракціями тощо. Блоки та плити зберігаються у штабелях з щілинами для вентиляції. У процесі зберігання та транспортування матеріали та вироби з природного каміння необхідно охороняти від забруднення та зволоження, а плити – від механічних пошкоджень. Плити та блоки маркіруються: на задній їх стороні або на торці фарбою наноситься тип каміння, плити або блоку, розміри та деякі інші дані. У результаті дії проникаючої у пори та щілини вологи та морозу, різного ступеню температурного розширення мінералів, що входять у склад каміння, впливу агресивних газів, вироби з природного каміння у процесах транспортування, зберігання та експлуатації можуть руйнуватися. Для запобігання руйнуванню їх покривають кремнійорганічними рідинами, розчинами воску та парафіну, нерозчинними у воді солями (флюатирування), а також просякають полімерними матеріалами. Кераміка – неорганічні матеріали з глини і їхніх сумішей з мінеральними добавками в процесі високотемпературного відпалу. В ре82
зультаті відпалювання формується структура черепка. За щільністю черепка кераміка ділиться на: щільну і пористу. Залежно від структури черепка кераміка буває: тонка і груба. У тонкій кераміці спечений черепок має однорідну й дрібнозернисту будову, не пропускає воду й гази. Черепок грубої кераміки неоднорідний, грубозернистий, що не просвічується з землистим зламом. Основними представниками тонкої кераміки є порцеляна, тонкокам’яні і напівпорцелянові вироби, фаянс, майоліка. Порцеляна має черепок білого кольору із синюватим відтінком, високу термічну і хімічну стійкість, малу пористість і добрі декоративні властивості, при легкому ударі видає чистий звук. Столовий, чайний, кавовий побутовий посуд, лабораторний посуд, художні й інші вироби виготовляються з порцеляни. Фаянс на відміну від порцеляни має велику пористість і меншу міцність, не просвічується в тонких шарах, видає глухий звук при легкому ударі. З фаянсу виготовляють посуд і художні вироби. Майоліка має пористий черепок білого, коричневого, жовтого й інших кольорів. З майоліки виробляють посуд, призначений для збереження харчових продуктів, для прийняття й подачі їжі на стіл, а також декоративні вироби (вази, скульптури й ін.). Напівпорцелянові вироби (глечики, келихи, судини для вина й ін.) за своїми властивостями займають проміжне положення між порцеляною й фаянсом. На основі неорганічного скла шляхом його повної чи часткової керованої кристалізації одержують ситали. За структурою і технологією одержання ситали займають проміжне положення між склом і керамікою. Кристалічною будовою вони відрізняються від скла, а наявністю дрібнозернистої й однорідної мікрокристалічної структури – від керамічних матеріалів. Розділяють ситали на: фотоситали, термоситали і шлакоситали, що відрізняються складом і способом одержання. 2.4. Природні комплекси, їх загальні властивості та використання ПК – сукупність природних компонентів, які створюють систему різних рівнів від географічної оболонки до фації (умов опадонакопичення з усіма особливостями середовища). ПК – включають ділянки земної кори з присутніми для неї рельєфом, грунти, приземний шар атмосфери та ін. Найбільш природним комплексом є географічна оболонка – комплексна оболонка Землі, що утворилася внаслідок 83
взаємопроникнення і взаємодії речовин окремих геосфер (гідросфери, атмосфери та ін.). Географічна оболонка є складною динамічною природною системою, що характеризується наявністю речовин у трьох агрегатних станах – твердому, рідкому і газоподібному. У розвитку географічної оболонки є певні закономірності: - цілісність – всі компоненти становлять єдине ціле; - ритмічність – періодичне повторення природних явищ (ніч, день, весна, літо, зима, осінь), похолодання чи потепління клімату; - зональність – зміна характеру і властивостей природних комплексів; - висотна поясність – зміна рельєфу, вод, клімату, ґрунтів залежно від висотності місцевості. Ландшафт – природна система, яка складається з морфологічних частин (місцевості, фацій), компонентів (гірських порід, рослинності). Іноді ландшафт порівнюють з пейзажем – вид зображення місцевості, особливо природи. Природний ландшафт формується під впливом природних процесів. Дослідження з космосу природних ресурсів Землі дозволяють виявити в ландшафті місця нафти й газу. Під впливом антропогенних дій структура й зовнішній вигляд ландшафту зазнають зміни. Часто порушені ландшафти відновлювати надзвичайно важко, а деколи і просто не можливо. Фауна – природний комплекс, який являє собою сукупність видів живих організмів, котрі мешкають на певній території, або Землі в цілому. Категорія фауни птахів – орнітофауна, а фауна риб – іхтіофауна. Фауна в процесі еволюції зазнала зміни. Вона характеризується кількістю видів тварин, які об’єднанні спільною областю поширення (ареалом), ступенем її своєрідності (ендемізмом). Всі види тварин (їх шкіри, хутро) використовуються в переробці на товари (хутряні, взуттєві, галантерейні). На жаль, антропогенний вплив на фауну призводить до зникнення окремих видів живих організмів. Види, які зникають, заносяться в Червону книгу і для них створюється особливий режим. Флора (богиня квітів) – природний комплекс, який являє собою сукупність, що історично склалась, рослин, які ростуть на будь-якій території, або на Землі в цілому. Флора земної кулі налічує 250-300 тис. видів судинних рослин, в тому числі 15 тис. папоротників, 25 тис. мохоподібних. Кожен вид має свою область поширення й переробки. Одні рослини переробляються в ліки, інші в ТНС (бавовна, льон – тканини, дерева різні – в меблі та інші товари). Забруднення 84
середовища викидами, стоками, відходами, а також використання без оновлення приводять до загибелі флори в цілому. За даними ботаніків в Україні росте понад 450 видів квіткових і вищих спорових рослин, що становить четверту частину флори в Європі. Флористичні найбагатші райони – Крим (2200 видів), Карпати (1403 види), Кременецькі гори та Поділля, Донецький кряж у степовій зоні. Незважаючи на багатий видовий склад, лісові ресурси України обмежені. Площа лісового фонду складає близько 10 млн га. Лісистості усього 14,3 %, проти 37 % у колишньому Союзі та 29 % у світі. На одного жителя держави припадає всього 0,2 га лісу. У флорі України відомо понад 100 видів квіткових рослин, плоди й насіння яких споживаються людиною. Серед них рідкісними є виноград лісовий та інші, які використовуються людиною. Деякі занесені в Червону книгу й потребують ретельної охорони. Важливішим природним комплексом є атмосфера. Атмосфера Землі (від грец. пар і сфера) – газове середовище навколо Землі, яка обертається разом з Землею. У ґрунті стикаються всі компоненти біосфери, поєднуються там, формуючи складну полігенетичну систему. Без ґрунту неможливо життя рослин і тварин на суші. Ґрунтоутворення почалося з появою життя на Землі. Будь-яка гірська порода, як би глибоко не була розкладена та вивітрена, вона не буде ґрунтом. Тільки тривала взаємодія материнських порід з живого речовинного за певних кліматичних умов створює специфічні якості, котрі відрізняють грунт від гірських порід. Ґрунт є акумулятором тепла й опадів. Найбільш родючим є грунт, здатний утворювати найбільшу кількість води. Гідросфера – природний комплекс, який представляє водну сферу нашої планети, це сукупність океанів, морів, вод континентів, льодових покривів. Наша планета містить близько 16 млрд м3 води. Основна частка цієї води (80 %) перебуває в глибинних зонах Землі (в її мантії). Підземна частина гідросфери охоплює ґрунтові, підґрунтові, міжпластові, безнапірні і напірні води, тріщині води. Вода є основою існування життя на Землі. Без води не може існувати людська цивілізація, бо вода використовується не тільки для життя, а також для санітарно-гігієнічних і господарських потреб. Земля – складний природний комплекс, який утворився біля 4,7 млрд. століть тому з розсіяної в сонячній системі газопилової речовини. 85
Надра Землі простираються від її поверхні до центру і містять земну кору, мантію Землі та її ядро. В вузькому смислі надра – верхня частина земної кори, в межах якої можлива добича корисних копалин. Запитання для самоконтролю знань 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.
86
Класифікація природних ресурсів. Вкажіть матеріали з природної сировини. Які природні матеріали входять до складу природних? Охарактеризуйте властивості деревини листяних порід. Перелічите характеристики хвойних порід деревини. Що включає природні паливно-енергетичні сировини та матеріали? Які існують види природних полімерів? Вкажіть властивості та сфери використання природних полімерів. Що входить до неорганічних матеріалів? Обґрунтуйте відношення водо-мінеральних ресурсів до неорганічних матеріалів. Неорганічні матеріали з природної будівельної сировини. Нерудні корисні копалини. Що таке «горно-хімічна сировина»? Природні комплекси. Їх загальні властивості та використання?
РОЗДІЛ 3. МІЖНАРОДНІ ПРИРОДНІ РЕСУРСИ І МІЖНАРОДНЕ СПІВРОБІТНИЦТВО В ГАЛУЗІ ОХОРОНИ ПРИРОДИ 3.1. Національні й міжнародні природні ресурси Переважна більшість природних ресурсів, таких, як вода, корисні копалини, ліс, тепло, опади тощо, розподіляються вкрай нерівномірно, і без взаємовигідного обміну ними жодна країна світу, навіть найбільша й найбагатша, не може нормально розвиватися. Корисні копалини, внутрішні ріки, моря, озера та інші ресурси, що знаходяться під юрисдикцією певної країни відносяться до національних природних ресурсів. Крім національних ресурсів, котрі повністю знаходяться під суверенітетом певної країни, існують багатонаціональні ресурси. Існує також багато міжнародних природних ресурсів, котрі не належати якійсь конкретній країні, а є спільними. Багатонаціональними являються пограничні ріки, що течуть по території декількох держав, мігруючі тварини і птахи, внутрішнього моря й озера, на берегах яких проживають народи різних країн. Міжнародні природні ресурси не належать якій-небудь конкретній країні, вони являються загальним досягненням. До них належать ресурси світового океану за межами територіальних вод, атмосферного повітря, ресурси Антарктиди та Космосу. Особливо велике значення мають для людства ресурси світового океану, тобто сукупність океанів та пов’язаних з ними морів. Значення Світового океану величезне й невпинно зростає в зв’язку з виснаженням природних ресурсів суші. Світовий океан формує клімат планети, є джерелом атмосферних осадів та поглинає надлишок вуглекислого газу в атмосфері. Внаслідок життєдіяльності океанських рослинних організмів, переважно фітопланктону (сукупність рослин, завислих в повітрі, переважно мікроскопічних водоростей), утворюється понад 50 % кисню. Океан є зручним транспортним шляхом, що зв’язує країни та континенти, він забезпечує чудові умови для відпочинку та туризму. З кожним роком поширюється видобуток корисних копалин, зокрема нафти, сірки, золота з дна шельфової зони. Є можливість видобувати фосфорити, кам’яне вугілля та інші ресурси. З плином часу буде зростати значення світового океану як сховища води, використовуваної для санітарно-гігієнічних та виробничих потреб після опріс87
нення, а також джерела енергії. Приливи та відливи, різниця температур на поверхні та в глибині океану в екваторіальній зоні, морські течії та хвилі є нескінченним джерелом відносно чистої енергії, котра, однак, за існуючих технологій є ще дорогою. Вода містить понад 60 хімічних елементів, хоча більшість з них – малої концентрації, що робить поки що економічно нерентабельним їх видобуток, однак, коли ці елементи вичерпаються на суші, доведеться розпочинати видобування морських запасів, особливо якщо використовувати здатність морських організмів до їх концентрації в своїх тілах. Наприклад, у водоростях накопичується залізо та йод, в кістках риб – свинець, цинк, мідь тощо. Нині третина кухонної солі, що видобувається у всьому світі, одержується з морської води. З неї видобувають також бром, магній. Якщо ж вчені зможуть знайти економічно прийнятні способи розробки марганцевих композицій (мінеральних утворень у вигляді грудок круглої форми, поширених на дні океану і котрі містять, крім марганцю, ряд інших металів), то загроза сировинного голоду буде відсунута на декілька тисячоліть. Можна передбачити, що в майбутньому все більш широко будуть використовуватися не лише енергетичні, але й матеріальні ресурси Космосу, зокрема Місяця, астероїдів, метеоритів тощо. Проте всі ці океанські, космічні та інші широкомасштабні проекти можуть бути перетворені в життя лише за умови розв’язання енергетичної проблеми, пов’язаної з необхідністю попередження теплової кризи та порушення екологічної рівноваги в біосфері. Використання національних, багатонаціональних і міжнародних ресурсів, усвідомлення всепланетної залежності й відповідальності країн одна перед одною повинні бути пов’язані з глобальними міжнародними екологічними проблемами, від рішення яких залежить само існування людства. 3.2. Напрями й форми міжнародного співробітництва Глобальний характер сучасних екологічних проблем обумовлює необхідність спільних зусиль усіх країн для їх вирішення. Знаходячись у єдиній взаємозалежній природній системі Європи, Україна не може відгородитися стіною від забруднення й деградації біосфери на континенті. Не здатні це зробити, як свідчить важливий досвід чорнобильської трагедії, і наші сусіди в загальноєвропейському домі, розбудова якого зараз активно здійснюється. 88
При використанні міжнародних ресурсів особливо важливою є наявність та дотримання міжнародних домовленостей, щоб їх спільне використання супроводжувалось співробітництвом, а не протиборством. Та й розвідка, раціональний видобуток і використання не відновлюваних ресурсів, охорона та відтворення відновлюваних ресурсів, у міру їх вичерпання та забруднення, усі більше будуть перетворюватися з внутрішньої справи кожної країни в загальнолюдську проблему забезпечення виживання. Розв’язання проблем оптимізації природокористування вимагає наявності високого наукового потенціалу, коштів для проведення експериментів, обладнання, котрих багато країн, особливо ті, що розвиваються, не мають. Багатьом країнам є чому вчитися одна в одної. Найбільші проблеми постають при сумісному використанні запасів риби та мігруючих тварин і пташок, адже для біогеоценозів не існує державних кордонів. Внаслідок цього виникає багато проблем, коли тварини, котрі знаходяться під охороною на території однієї країни, стають об’єктом промислу на території іншої. Це проблема не лише екологічна, але й економічна, оскільки виходить, що країнаспоживач отримує додатковий прибуток за рахунок того, що країнаохоронець витрачає кошти на охорону й відмовляється від здобичі заради збереження гаснучого виду. Внаслідок цього зростає й політична напруженість у стосунках між країнами. Розв’язати конфлікт можна прийняттям відповідної двосторонньої угоди. Не менш важливою проблемою, що вимагає міжнародного співробітництва та відповідних домовленостей, є забруднення, котрому підлягають абсолютно всі міжнародні та міжнаціональні ресурси. Навіть у пінгвінів Антарктиди в печінці виявлено ДДТ – дуже стійку отруту, майже всюди заборонену для використання. В навколоземному просторі за останні роки різко зросла кількість відходів земного походження – контейнерів зі сміттям, відпрацьованих космічних апаратів тощо, котрі спричиняють труднощі в роботі астрономів, зв’язківців, метеорологів, підвищують небезпеку космічних польотів. Космічна техніка завдає значної шкоди озоновому шару. Внаслідок вивчення Місяця та навколомісячного простору за допомогою американських космічних кораблів «Аполлон» сталося забруднення місячної атмосфери вихлопними газами, їх маса стала порівняною з масою місячної атмосфери (близько 10 т), тобто можна стверджувати, що утворився новий атмосферний шар. Безумовно, таке втручан89
ня в розвиток планет та їх супутників може мати найнесподіваніші наслідки в майбутньому. Важливою проблемою сьогодні є забруднення світового океану нафтою, промисловими стічними водами, побутовими відходами з кораблів, контейнерами з радіоактивними відходами та затонулими реакторами й боєзарядами атомних підводних човнів. Таким чином, зростаючий вплив людської діяльності на довкілля викликає небажані зміни в природному середовищі: забруднення повітряного басейну, океанів, виснаження природних ресурсів у всесвітньому масштабі, а порушення екологічної рівноваги завдає величезної шкоди генофонду усього живого, зокрема й людини. Тому проблема гармонізації відносин суспільства і природи, охорони навколишнього середовища набула глобального значення. Виникла потреба розробки ефективних міжнародних механізмів, які забезпечували б розумне використання ресурсів планети, їх охорону, сприяли б збереженню екологічної рівноваги. Рішення всіх цих проблем можливе лише на базі міжнародного співробітництва, здійснюваного на двосторонній та багатосторонній основі. Формами такого співробітництва є організація наукових та практичних зустрічей; створення міжнародних організацій, що координують спільні зусилля з охорони природи; укладання офіційних договорів та угод, а також діяльність міжнародних громадських партій та організацій («зелених» та «еколоґістів»). Особливу групу проектів складають наукові дослідження впливу діяльності людини на клімат, передбачення землетрусів і цунамі, роботи в галузі біологічних та генетичних наслідків забруднення оточуючого середовища. Реалізацією даних проектів займаються різноманітні міжнародні спеціалізовані як урядові, так і громадські організації, в тому числі ЮНЕП (Програма ООН з навколишнього середовища), створена в 1973 р., котра координує всі види діяльності в галузі захисту навколишнього природного середовища, розробляє програми подальших спільних дій в цій галузі. Протягом останнього десятиріччя Україна доклала чимало зусиль по розширенню своєї участі в багатосторонньому співробітництві, активно виступила за розгляд екологічної проблематики в ООН та її органах. Зокрема вона стала одним з ініціаторів розробки концепції міжнародної екологічної безпеки, яку було висунуто в рамках діяльності цієї міжнародної організації. 90
Таким чином, екологічна проблематика все частіше виходить на перше місце в міжнародних відносинах. Українська держава з перших днів незалежності бере активну участь у міжнародних природоохоронних заходах та реалізації екологічних програм та проектів. Так, відповідно до закону «Про природно-заповідний фонд України» від 26.11.1993 р. видано Указ Президента України «Про біосферні заповідники», яким затверджено перелік біосферних заповідників в Україні, що включені в Бюро міжнародної координаційної ради з програми ЮНЕСКО «Людина та біосфера», до міжнародної мережі біосферних заповідників. Станом на листопад 1993 року таких заповідників було три: Асканія Нова (Херсонська обл.), Чорноморський (Херсонська, Миколаївська обл.), Карпатський (Закарпатська обл.). Міжнародне співробітництво у галузі охорони навколишнього природного середовища займає одне з важливих місць у зовнішньополітичному курсі України. Україна як член ООН є суверенною стороною багатьох міжнародних природоохоронних угод і продовжує активно працювати з іншими країнами світу над врятуванням нашої планети від екологічного лиха. Українські вчені підтримують ділові стосунки зі своїми колегами з Угорщини, Чехії, Словаччини, Польщі, Болгарії та інших країн. Спільними силами ведуться дослідження екосистем Карпат, Полісся, Чорного моря, розробляються заходи щодо збереження рекреаційних ресурсів, рідкісної флори і фауни. Нині настав час серйозного переосмислення людством ставлення до природи, час об’єднання зусиль націй і народів у боротьбі за врятування біосфери планети, здійснення нових локальних, регіональних і міжнародних програм подальшого розвитку та виживання, які повинні базуватися на нових соціально-політичних засадах, екологічній основі, глибоких екологічних знаннях і підвищеній загальнолюдській екологічній свідомості. Існування й благополуччя людини сьогодні залежить від того, чи вдасться нам піднести принципи довгострокового розвитку до рівня всесвітньої етики. Для цього слід докласти великих зусиль і підвищити готовність до співробітництва націй у таких сферах, як глобальна ліквідація бідності, активна підтримка миру в усьому світі, підвищення міжнародної безпеки, раціональне, дбайливе використання глобальних загальних природних ресурсів, регулювання народонаселення, вирішення проблем енергетики (максимальне залучення альтернативних видів енергії, підвищення ефективності, надійності 91
та безпечності існуючих), харчування, урбанізації, охорони флори та фауни. Найважливішими документами в системі міжнародних природоохоронних відносин являються: - Всесвітня хартія охорони природи, що проголосила і взяла під захист право всіх форм життя на виживання; - Конвенція про заборону військового й будь-якого іншого ворожого використання засобів впливу на природне середовище; - Конвенція про зміну клімату; - Конвенція про біологічну розмаїтість; - Конвенція про охорону озонового шару; - Конвенція про міжнародну торгівлю зникаючими видами дикої флори і фауни; - Декларація про навколишні маренні людини, які є зводом основних принципів міжнародного співробітництва; - Конвенція з водно-болотних угіддях; - Конвенція про охорону всесвітньої культурної і природної спадщини і крім перерахованих існує цілий ряд документів. У світі діє кілька сотень природоохоронних організацій. Одним з найважливіших напрямків міжнародного співробітництва є організація різних зустрічей, нарад, конференцій, як наукових, так і практичних, з обліком не тільки учених, але й керівних державних структур. На цих зустрічах обговорюються наукові ідеї керування природокористуванням, приймаються програми подальшого розвитку міжнародних угод. Запитання для самоконтролю знань. 1. 2. 3. 4. 5. 6.
92
Дайте характеристику поняттю «національні природні ресурси». Що відносять до національних природних ресурсів? Перелічите міжнародні природні ресурси. Вкажіть країни. Міжнародне співробітництво? Напрямки міжнародного співробітництва. Вкажіть форми міжнародного співробітництва.
РОЗДІЛ 4. ОСНОВИ ВИРОБНИЦТВА НЕПРОДОВОЛЬЧИХ ТОВАРІВ З ПРИРОДНОЇ СИРОВИНИ 4.1. Загальні основи технології виробництва непродовольчих товарів Технологія виготовлення виробів – це перетворення сировини і матеріалів у готові продукти за використанням технічних засобів. Перетворення сировини і матеріалів у товари забезпечують технологічні процеси, які за своїм характером бувають: • систематичні (із різних видів сировини і матеріалів виготовлюється один вид продукції); • аналітичний (із одного виду сировини виготовлюється багато видів продукції); • прямі (із одного виду сировини виготовлюється один вид продукції). Технологічні процеси поділяються на механічні і фізичні, хімічні, біологічні і комбіновані. Цілеспрямована діяльність людини (праця людини), предмети праці і засоби праці – основні елементи, які визначають технологічний процес виробництва. Найважливішим елементом технологічного процесу є сировина, від якості якої залежить успіх певного типу виробництва. Визначено в процесі виробництва товарів три типи виробництва: одиничне, серійне та масове. Для одиничного виробництва характерні широка номенклатура товарів і малий обсяг їх випуску. Серійне виробництво характеризується ограніченною номенклатурою товарів, які виготовляються періодично повторювальними партіями (серіями) при заданому обсязі випуску. Вузька номенклатура і великий обсяг випуску товарів безперервно які виготовляються в термін великого часу – це масове виробництво. Незалежно від типу виробництва технологічний процес містить ряд стадій, кожна із яких складається з виробничих операцій. Для складання технологічного процесу використовуються дані: вид та характер товару, запланованого до виготовлення; програма випуску; вимоги, котрим повинен відповідати товари, виробничі можливості підприємства –виготовлювача. Розроблений технологічний процес оформлюється документами, технологічними картами, в яких регламентовані всі положення, режими та показники використованної технології. 93
Технологічна карта – найважливіший документ, в якому відображені всі дані та свідчення про технологію виготовлення якої-небудь деталі, або виробу, повний опис процесу виробництва за операціями з вказівками використованного обладнання, інструментів, приладів, режимів робіт, норм часу, кваліфікації робітників. Кінцевим результатом технологічного процесу є готова продукція, тобто такі вироби, процес праці над якими на даному підприємстві закінчено повністю, вони укомплектовані, упаковані, прийняті відділом технічного контролю і можуть бути відправлені споживачу. Продукція технологічного процесу поділяється на основну, побічну і відходи. Удосконалення технологій виробництва передбачає постійне підвищення якості продукції, зниження витрат на виробництво, а також створення нових процесів. Розвиток науки сприяє якісним змінам у технології виробництва. Основним напрямом удосконалення технології являється: перехід к прогресивним процесам на основі хімічної, електричної, електрофізичної та біологічної технології, забезпечуючи раціональне використання природної сировини та зменшення відходів і підвищення якості продукції. 4.2. Технологічні процеси формування виробів з різних видів природної сировини Загальний процес формування непродовольчих товарів складається з технології: обробки матеріалів зі зміною маси виробу; обробки матеріалів зі зміною форми при постійній масі виробу; обробки зі зміною агрегатного стану та обробки зі зміною фазового складу і структури матеріалу. 4.2.1. Обробка матеріалів зі зміною маси виробів Зміна маси виробу може бути направлена на її підвищення або зниження. До підвищення маси виробу приводять такі технологічні прийоми: зварювання, запилення, пайка, наплавлення. Зварювання – технологічний процес утворення нероз`ємних з’єднань металевих виробів, що здійснюється при використанні міжмолекулярних і міжатомних сил. 94
Рис. 4.1. Схема технології зварювання. Наплавлення – нанесення за допомогою зварювання металу на поверхню виробу. Напилення – нанесення речовини у дисперсному стані на поверхню виробів газоплам’яним, порошковим, рідинним, плазменним, лазерним та ін. методами. Зі зменшенням маси виробів пов’язані такі процеси, як різання (точіння, фрезерування, шліфування, травлення хімічне та інші). Обробка матеріалів – процес зняття різальним інструментом шару металу заготовки (стружки) для різанням надання виробу потрібної форми, розмірів і чистоти поверхні. Найбільш розповсюдженими засобами обробки матеріалів різанням є: точіння, свердління, фрезерування, стругання, протягування, зубонарізання і слюсарна обробка. Точіння здійснюється на токарних верстаках, шляхом зняття стружки з зовнішньої та внутрішньої поверхні заготовки, підрізання торців та ін. Свердлення – процес утворення відкритого чи глухого отвору у заготовці на свердлильних станках за допомогою свердла. Різновидами свердлення є: розсвердлювання, зенкування, нарізання різьби та ін. 95
Фрезерування – це обробка площі, різних поверхонь, нарізання різьби, здобуття канавок за допомогою фрези. Бувають: циліндричні, торцеві, дисповні, фасетні та черв’ячні. Стругання – процес обробки на станках пазів, канавок різних профілів та ін. Протягування – це метод обробки зовнішніх та внутрішніх поверхонь багатолезвійним інструментом. Зубонарізання зубчатих коліс з прямими і косими зуб’ями, здійснюють на фрезерних або на зубофрезерних станках. Слюсарна обробка використовується для виправлення дефектів, виготовлені зразків та ін., за допомогою металообробних і монтажних інструментів. Основними видами слюсарної обробки є: розмітка, обпиловка, рубка, нарізання різьби. 4.2.2. Обробка матеріалів зі зміною форми при постійній масі виробу Зміна форми виробу при постійній масі виробу виникає при пластичній деформації матеріалу, яка лежить в основі обробки матеріалів тиском. Частіше використовується обробка металів тиском, спосіб пластичного деформування металу в холодному та гарячому стані. Основними засобами обробки металів тиском є: прокатування, кування, штампування, волочіння, обробка на давильних верстатах, пресування. Прокатування – пресс обробки металів тиском, шляхом обтискування на тих, які обертаються в різних напрямках валках прокатних станків. При прокатуванні в гладких валках отримують листовий і полосовий прокат, а в каліброваних валках – сортовий прокат. Кування (свободне) і штампування (об’ємне і листове) – засоби обробки металів тиском для одержання виробів складних форм. Свободне кування здійснюється послідовними ударами кувалди, байка молота. Поверхня виробу нерівна, груба. Об’ємне штампування (холодне і гаряче) здійснюється в штампах, які складаються із двох половин. При гарячій штамповці отримують вироби (ножі, деталі приладів, для вікон і дверей). Гайки, гвинти, болти отримують холодним штампуванням. Для виготовлення кузовних та облицювальних деталей автомобілів, велосипедів, корпусів годинників, металевого посуду, столових приладів та ін. використовується листове штампування. Листове штампування здійснюється за одну або декілька послідовних операцій за допомогою матриці і пуансону. 96
Волочіння – це процес обробки тиском, при якому заготівка протягується через очко (волоку), розміри волоки менше січення заготівки. Волочіння виготовляють прути, проволоку, труби, фасонні профілі та ін. Вироби, отримані волочінням мають задану геометричну форму, чисту поверхню, точні розміри. Пресування – це процес видавлювання нагрітого металу, скла, пластичної маси пуансоном через отвір у матриці. При цьому вироби мають точні розміри, високу чистоту поверхні. 4.2.3. Обробка зі зміною агрегатного стану Виготовлення виробів зі зміною агрегатного складу матеріалу містить – охолодження рідкого матеріалу і перетворення його в твердий стан. Основними видами цієї технології являються: лиття, екструзія, видування, каландрування та інші. Лиття – найбільш дешевий засіб виготовлення виробів складної конфігурації. Сутність виробництва литих виробів заключається у виготовленні форми, яку заповнюють розплавленим матеріалом. Лиття буває: в пісчано-глиністі форми, в металеві форми, лиття під тиском. Литтям в пісчано-глиністі форми і лиття в металеві форми отримують вироби із металів – радіатори охолодження, корпуса електродвигунів, деталі машин і приладів та ін. Литтям під тиском, коли розплавлений метал, пластичну масу заповнюють прес-форму під тиском поршнем, отримують вироби різних форм, високої чистоти поверхні. При виготовлені виробів методом екструзії в’язку полімерну композицію за допомогою шнека протискують через сопло визначеного профілю. Екструзією виробляють плівки, ниті, трубки та ін. Видування використовують для виготовлення виробів складної форми. Воно буває ручне і механічне. При ручному видуванні основним інструментом є склодувна трубка. Механічне видування здійснюється в металеві розкриваючі формі. 4.2.4. Обробка зі зміною фазового складу і структури матеріалів Технологічні процеси, пов’язані зі зміною фазового складу і структури матеріалів, використовуються при виробництві металевих і силікатних виробів. При цій технології виокремлюють два основних 97
направлення: зміна структури і властивостей по всьому об’єму виробу, або тільки на його поверхні. Перше направлення містить – термо- і термомеханічну обробку. Друге направлення пов’язане з термохімічною обробкою. Термічну обробку (сукупність операцій нагрівання, видержування і охолодження матеріалів) використовують для сталей, чавунів і кольорових металів. При термічній обробці суттєво змінюється структура металевих сплавів. Наприклад, при нагріві сталі до температури 7270С ферит і перліт перетворюється у аустеніт. Підвищення швидкості охолодження сталі викликає перетворення аустеніту у феріто-цементитну суміш. Основними видами термічної обробки сталей є: відпал, нормалізація, загартування і відпуск. Хіміко-термічна обробка металів – це процес зміни хімічного складу, структури і властивостей поверхневих шарів металів і сплавів. Видами хіміко-термічної обробки є: цементування (насичення поверхні сталі вуглецем), міцнісне азотуваня (насичення поверхні сталі азотом), ціанування (насичення одночасно поверхні сталі вуглецем і азотом), дифузійна металізація (насичення поверхні алюмінієм, хромом, кремнієм, бором та ін.). Вироби зі скла після формування підлягають відпалу (нагрів виробів до розмягчення, видержування при температурі 530-5800С і повільного охолодження) з метою усунення внутрішніх напруг між внутрішніми і поверхневими шарами виробів. Випал керамічних матеріалів обумовлює формування черепка з необхідними фізичними і хімічними властивостями. Перед загальними засобами переробки конструкційних матеріалів у вироби, існують деякі особливості технологічного процесу виготовлення виробів з металів, скла, кераміки, деревини та ін. 4.3. Особливості технології процесу виробництва непродовольчих товарів з різних конструкційних матеріалів 4.3.1. Технологічний процес виготовлення виробів з металів і сплавів Виготовлення металогосподарчіх товарів містить наступні технологічні процеси: отримання деталей, термічна та хіміко-термічна обробка, оздоблення та збірка деталей у вироби (рис. 4.2).
98
Рис. 4.2. Схема виробництва металогосподарчіх товарів
99
деколькоманія
золочіння, посріблення
чеканка
філігрань
пайка
зварювання
заливка
клепка
5. Збірка виробів
2. Термічна та термічно-хімічна обробка деталей
гравіровка
6. Декорування виробів
тиском
різанням
методом пластичної
литтям
1. Виготовлення чернових заготовок
хімічні та електрохімічні методи обробки
дробе-струйна обробка
галтовка
полірування
шліфування
крацовка
3. Оздоблення
гальванічне оцинкування
гальванічне посріблення
гальванічне лужіння
гальванічне нікелювання
гальванічне хромування
гальванічні
гарячі (в расплаві олова, цинку)
Металеві покриття
покриття лакофарбова ними матеріалами і смолами
емаліруванн
оксидируванн
Неметале ві
4. Захисно-декоративне покриття поверхні
4.3.2. Технології виготовлення виробів зі скла і кераміки Виробництво скляних виробів складається з трьох етапів: отримання скломаси, формування, обробка виробів (рис. 4.3). 1. Отримання скломаси А. Підготовка сировинних матеріалів Кварцевий пісок
Сушіння (сушильний барабан)
Просіювання
Сода, сульфат, поташ
Вапняк, доломит
Скляний бій
Просіювання (вібраційне сито)
Подрібнення (дробілка)
Подрібнення (дробілка)
Зважування (терези-автомат)
Збагачення (магнітна сепарація)
Сушка (сушильний барабан)
Збагачення (магнітна сепарація)
Тонкий помел (вібраційне сито)
Зважування ваги
Просіювання (вібраційне сито)
Зважування (вагиавтомат)
Збагачення (магнітна сепарація) Зважування ваги
Перемішування (тарілчатий змішувач)
Б. Варка скломаси 2. Формування виробів Засоби формування
Прокатка
Витягування
Видування
Пресовидування
Пресування
Відцентрове обертання Лиття
Комбінований
Відпал (t відпалу 530-580 0С)
3. Обробка виробів Рис. 4.3. Схема виробництва скляних виробів 100
Технологічний процес виготовлення скляних виробів будується по розробленому режиму. Виробництво керамічних виробів містять слідуючі етапи: отримання маси, формування виробів і декорування (рис4.4). 1. Отримання маси Глин
Каолін
Бентоніт
Польовий шпат чи його замінники
Кварцовий пісок чи його замінники
Випалювання
Сортировка
Фарфорови бій
Сортування Просіювання
Подрібненн Сортировка
Електроочистка
Єлектроочистка Промивка
Промивка
Дозування ваги
Дозування (терези) Дроблення
Дроблення
Розпуск у воді мішалка Єлектроочистка
Електроочистка
Дозування ваги
Дозування ваги
Проціджування
Електромагнітна сепарація (магніти)
Дрібний помел (кульковий млин)
Збірна мішалка
Проціджування (вібросито)
Електромагнітна сепарація (магніти)
Зневоднення (фільтр-прес)
Вилежування
Промивка (мясом'ялка)
101
2. Формування виробів
Оправка та монтаж ”приставних” деталей
Сушіння Відпал (900-10000 С)
Глазурування
Политий відпал
3. Декорування виробів (надглазурне, підглазурне). Рис. 4.4. Схема виробництва фарфорових виробів пластичним засобом Особливістю технологічного процесу виробництва керамічних виробів являється отримання черепка з малим водопоглиненням, високою теплостійкістю, міцністю та ін. 4.3.3. Технологічний процес виготовлення виробів з текстильних волокон та пряжі З волокон і пряжі виготовляють текстильні товари: тканини, килими, килимові вироби. Серед текстильних товарів широко використовуються тканини і трикотаж. Тканини – це вироби з волокон і ниток шляхом взаємного переплетіння двох систем – основи та утка. Ткацьких переплетень багато і їх поділяють на чотири класи (рис. 4.5).
102
Полотняне
Сатинове або атласне
Саржеве
Прості (головні)
Складні : ворсові, двоскладні тощо.
Переплетення ниток у тканинах
Мілкоузорчаті (репс, рогожка, ломана саржа тощо)
Крупноузорчаті
Оздоблення тканини
Розшліхтовка
Отоварювання і відбілення Фарбування
Заварка Карбонізація Спеціальна обробка
Печатання
Рис. 4.5. Схема ткацьких переплетень та оздоблення тканини Трикотажні вироби – це вироби, виготовлені з пряжі, ниток машинним або ручним засобом. Процес виробництва трикотажу складається з операцій підготовки пряжи до в’язання, в’язання трикотажних виробів і полотен, оздоблення та пошив виробів з полотна. 103
Підготовчі операції містять перемотку пряжі на бабіни або шпулі, зволоження, ліквідацію дефектів та обривів у пряжі. В’язання трикотажних полотен і виробів здійснюється на машинах різних типів. Залежно від типу машини, трикотаж поділяють на кулірнов’язаний і основов’язаний (рис. 4.6). Види переплетень у трикотажі:
кулірному
Переплетення пряжі у трикотажі (поперечнов’язаному)
основов’язаному
Переплетення пряжі у трикотажі (основов’язаном)
цепочка кулірна трико ластик атлас двузнаночне проізводні переплетення
проізводні переплетення
сукно і шарме інтерлок трико-трико
трико-сукно
трико-шарме атласне-сукно
Рис. 4.6. Види переплетень у трикотажі. 104
Трикотажні полотна піддають оздобленню, яке поділяють на основне і заключне. До основних видів відносять: відварювання, відбілювання, фарбування, печатання, ворсування та ін. Апретування, тиснення та теплова обробка є заключним оздобленням. 4.3.4. Основи технології виготовлення виробів з деревини Основними операціями виготовлення виробів з деревини (частіше меблів) є: підготовка матеріалів, обробка заготовок, з’єднання окремих деталей, обліцовання, оздоблення, збірка (рис. 4.7). Сушіння деревини
Розпилювання деревинних матеріалів
Механічна обробка заготовок
Облицювання
Процес виробництва виробів з деревии З`єднання деталей та елементів
Лицьове оздоблення
Рис.4.7. Технологічний процес виробництва виробів з деревини. • • • • • • • • •
•
І. Підготовка сировинних матеріалів і обробка деталей: сушіння деревини; розкроювання деревинних матеріалів на заготівки; механічна обробка заготівок (стругання, фрезерування та інше). ІІ. Облицювання поверхонь окремих деталей, елементів і вузлів: облицювання натуральним шпоном; фанерування; облицювання синтетичним шпоном; облицювання текстурним папіром. ІІІ. З’єднання деталей та елементів з деревени: роз’ємні з’єднання (на стяжках, шкантах, петлях); нероз’ємні з’єднання (на клею, на цвяхах та столярні – на гладку фугу, на шипах, в паз, гребінь та інші). ІV. Лицьове оздоблення: прозоре (лакування, панелірування та інші); 105
• •
імітаційне (аерографія, акваграфія, деколькоманія та інше); спеціальне (різьба, випалювання та інше). Послідовність виготовлення окремих технологічних операцій може бути змінена залежно від призначення, конструкції, стилю виробів. 4.3.5. Особливості технології переробки натуральної шкіри у взуттєві вироби Процес виробництва шкіряного взуття складає: проектування моделей, розкрой матеріалів, пошив та заключне оздоблення виробів (рис. 4.8). Проектування заключається у розробці моделей, робочих креслень та шаблонів для розкрою матеріалів. За допомогою шаблонів отримують деталі зовнішніх, внутрішніх, проміжні. Деталі верху взуття підлягають декоративному оздобленню (перфорація, бізик, бейка та ін.). З’єднання верху з низом здійснюється різними методами (рис. 4.8). Заключне оздоблення (усунення окремих дефектів) сприяє поліпшенню зовнішнього виду виробів. Проектування (моделювання та конструювання) Заключне оздоблення
Розкрій матеріалів (натуральних та штучних)
Виробництво шкіряних виробів
Декоративне оздоблення
Пошив
Кріплення деталей низу
Збірка заготівки верху
Клейовій; гарячої вулканізації; литтєвий; рантовий; рантовопрошивний; бортовий; комбінований; втачєний; сандальний; допельний; цвяховий; гвинтовий; прошивний
Рис. 4.8. Схема виготовлення виробів з натуральної шкіри 106
Таким чином, різноманітність видів технології переробки природної сировини обумовлює не тільки питання удосконалення технологічних процесів, але й урахування принципів раціонального використання природних ресурсів і можливість їх відтворення. Запитання для самоконтролю знань 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.
Загальна характеристика натуральних текстильних волокон. Загальна характеристика синтетичних та штучних волокон. Склад та будова шкіри. Види деревинних матеріалів. Охарактеризувати структури та властивості неорганічних (силікатних) матеріалів. Що таке скло? Що таке кераміка? Що таке аморфні тіла? Що таке триплекси? Що таке ситали та шлакоситали? Назвати керамічні фази. Що таке гума? Дати класифікацію гум за призначенням і властивостями. Що таке каучуки? Що входить до складу гумової суміші?
107
РОЗДІЛ. 5 ПРИНЦИПИ РАЦІОНАЛЬНОГО ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ Й ВІДТВОРЕННЯ ПРИРОДНИХ РЕСУРСІВ 5.1. Основні положення раціонального природокористування Розвиток науково-технічного процесу супроводжується інтенсивним використанням природних ресурсів. Першочерговими задачами стають: охорона й раціональне використання природних ресурсів, широке залучення в ресурсний цикл поновлюваних джерел енергії (енергії води, вітру й сонячної енергії), комплексне використання природних ресурсів. Природокористування – це використання людиною з метою свого життєзабезпечення речовин і властивостей навколишнього середовища. Природокористування людини проявляються в чотирьох формах: життєзабезпечуючий, господарсько-економічній, оздоровчій і культурній. Раціональне природокористування відрізняється наступними особливостями: - використання природних ресурсів повинне супроводжуватися їхнім відновленням (для поновлюваних природних ресурсів); - комплексне використання природних ресурсів; - вторинне використання природних ресурсів; - проведення природоохоронних заходів; - упровадження новітніх технологій з метою зниження антропогенного навантаження на навколишнє природне середовище і базується на ряді громад принципів. До них відноситься принцип системного підходу, що передбачає всебічну комплексну оцінку впливу виробництва на середовище і її відповідні реакції. З позиції системного підходу жоден природний ресурс не може використовуватися чи охоронятися незалежно один від одного. Так, наприклад, підвищення родючості ґрунтів за рахунок зрошення за допомогою зрошувальних систем може привести до виснаження водяних ресурсів, яке необхідно передбачати й попередити. Скидання відходів у ріку повинно оцінюватися не тільки по впливі їх на рибу, але й на біохімію даного водяного об'єкта й на всю систему водопостачання району, де протікає ця ріка, зокрема ту чи водойму водотік, куди ця ріка впадає. 108
Принцип оптимізації природокористування полягає в прийнятті найбільш доцільних рішень у використанні природних ресурсів і природних систем на основі одночасного екологічного й економічного підходу, прогнозу розвитку різних галузей і географічних регіонів. Відповідно до цього принципу доцільним є переміщення деяких лісопереробних підприємств у райони, ближче до запасів сировини, що знижує навантаження на виснажені запаси деревини. Відкриті кар'єрні способи розробки корисних копалин мають ряд переваг перед шахтним видобутком за ступенем максимального використання сировини, але приводять до втрати родючих ґрунтів. Оптимальним при цьому є сполучення відкритих розробок з рекультивацією земель і відновленням їхньої родючості. Принцип випередження темпів заготівлі й видобутку сировини темпами виходу корисної продукції заснований на зниженні кількості відходів, що утворяться у процесі виробництва, тобто на більш повному використанні тієї самої кількості вихідної сировини. Він припускає приріст продукції не за рахунок залучення у використання нових мас природних ресурсів, а за рахунок більш повного їхнього використання шляхом ресурсозбереження й удосконалювання технологічних процесів. Принцип гармонізації відносин природи й виробництва зважується на створенні й експлуатації природно-технічних, геотехнічних чи еколого-економічних систем, що є сукупністю якого-небудь виробництва і взаємодіючих з ним елементів природного середовища, що забезпечують, з одного боку, високі виробничі показники, а з іншого боку – підтримку в зоні свого впливу сприятливої екологічної обстановки, максимально можливе збереження й відтворення природних ресурсів. У таких системах передбачається прогнозування небажаних і небезпечних ситуацій, а також реалізація заходів для їхнього запобігання. Система має службу керування, задачею якої є своєчасне виявлення можливих шкідливих впливів і внесення необхідних корективів у певний компонент системи (виробництво чи навколишнє середовище). Якщо виявлене погіршення стану навколишнього природного середовища, служба керування приймає рішення про необхідність зупинити виробничий процес, зменшивши при цьому обсяги викидів і скидань. Своєчасне й точне виявлення небезпечних ситуацій досягається безупинним збором інформації про стан навколишнього середовища за допомогою спостережень за його змінами, викликаними антропо109
генними причинами, що дозволяє прогнозувати їхній розвиток. Такі системи звуться моніторингами (від грец. «монітор» – який дивиться у вперед). Найпростіші функції цих систем полягають у контролі забруднення повітря, води, ґрунту, у спостереженнях за станом живих організмів, а безпосередньо на підприємстві – в контролі стоків і пилогазових викидів. Одержувана інформація аналізується керівництвом підприємства, що приймає необхідні технічні рішення. Принцип комплексного використання природних ресурсів і концентрації виробництва полягає в тім, що на базі наявних у даному економічному районі сировинних і енергетичних ресурсів створюються територіально-виробничі комплекси, що дозволяють більш повно використовувати зазначені ресурси й тим самим знизити шкідливе навантаження на навколишнє середовище. Такі територіальновиробничі комплекси мають спеціалізацію, сконцентровані на визначеній території, мають єдину виробничу й соціальну інфраструктуру (комунікаціями, потоками речовини й енергії, системою охорони здоров'я, сферою культури) і спільними зусиллями забезпечують охорону навколишнього середовища. Такі територіально-виробничі комплекси створюють передумови для розвитку комплексних енерго- і ресурсозберігання виробництв, для максимально можливої утилізації відходів і використання вторинних продуктів. Природно, комплекси також впливають на навколишнє середовище, але за рахунок комплексного використання її ресурсів на основі концентрації виробництва, оптимізації природокористування, а також гармонізації взаємодії техніки з навколишнім середовищем цей вплив істотно знижується. При цьому збільшуються вкладення в компенсаційні заходи з метою забезпечення якості навколишнього середовища і зниження збитку, який наноситься природі. Комплексне використання природних ресурсів повинно здійснюватися, у першу чергу, для вичерпуваних природних ресурсів, тобто для корисних копалин. У свою чергу, тут можна виокремити дві тенденції: по-перше, використання тих самих ресурсів у різних галузях господарства; подруге, більш повний витяг ресурсів на стадії видобутку. Наприклад, відходами ТЕС є зола і шлаки, що можуть застосовуватися як будівельний матеріал. Гранульовані доменні шлаки є прекрасним матеріалом для дорожнього будівництва, у суміші з грузлим бітумом вони успішно заміняють асфальтові суміші, причому їх, 110
можливо, укладати навіть на вологу підставу. Бітумошлакові покриття доріг у 2,5 рази дешевше асфальтобетонних. Відходи багатьох промислових виробництв, у тому числі шлаки металургійної промисловості, кам'яновугільні й буровугільні золи, відходи паперової промисловості, можуть використовуватися в сільському господарстві для вапнування кислих ґрунтів. Перспективним напрямком є комплексна розробка родовищ корисних копалин. Практично всі родовища рудних корисних копалин є комплексними: вони містять, як правило, кілька різних мінералів і хімічних елементів, один із яких є основним, інші – побіжними. Наприклад, з мідних руд можна одержати також цинк, сірку, залізо, молібден, золото і срібло. З залізних руд можна добувати ванадій, нікель, кобальт, фосфор, бор, сірку, германій. Одержуваний при видобутку нафти побіжний газ, що часто спалюють у смолоскипах, можна використовувати в хімічній промисловості для одержання багатьох цінних з'єднань. Немаловажне значення в раціональному природокористуванні займає вторинне використання природних ресурсів. Практично усі види вироблених матеріалів: метал, тканини, пластмасу – можна піддавати вторинній переробці. По-перше, вторинна переробка дозволяє заощаджувати первинну сировину й енергію, тому що на виробництво продуктів із вторинної сировини потрібно набагато менше енергії. Наприклад, для переплавляння металобрухту в сталь потрібно в 10 разів менше енергії, чим для виплавки стали з руди. По-друге, вторинна переробка дозволяє зменшити кількість твердих відходів. Вторинна переробка, незважаючи на очевидні переваги, використовується поки далеко не для усіх видів відходів, тому що технології переробки є дуже складними і дорогими. Давно було відоме, що при вторинній переробці автомобілів можна використовувати 98% матеріалів, з яких вони зроблені, але тільки зараз створюється подібний завод у Німеччині. Для зниження навантаження на природне середовище важлива роль приділяється впровадженню новітніх технологій. Новітні технології розробляються зараз з багатьох напрямів енергозбереження, ресурсозбереження, вторинна переробка, очищення викидів, моніторинг навколишнього середовища. До енергозберігаючих технологій відноситься, наприклад, використання нетрадиційних джерел енергії: сонячної енергії, енергії морських припливів, енергії земних надр. Використання таких джерел знаходить 111
практичне застосування в усьому світі: побудована сонячна ТЕС у США, діє російська приливна електростанція на Баренцовому морі, геотермальне тепло використовується в США, Мексиці, на Філіппінах. Упровадження ресурсозберігаючих технологій особливо актуальне для вичерпуваних природних ресурсів. Наприклад, розробляються технології, що дозволять збільшити глибину переробки нафти. Використовувані в даний час методи дозволяють одержати з нафти тільки 60% цінних продуктів, інші 40% – це мазут. Більш розроблені технології дозволять одержати 90% цінних продуктів. Таке збільшення глибини переробки нафти дозволить витрачати для одержання тієї ж кількості бензину 2 т нафти замість 3 т. До нових технологій очищення викидів можна віднести нейтралізатори вихлопних газів автомобілів, що дозволять знизити кількість вуглекислого, чадного газів і вуглеводнів. Їх вже успішно застосовують у багатьох країнах. Упровадження нейтралізаторів вихлопних газів у нашій країні гальмується через їхню високу вартість: основою нейтралізаторів є платина. Особливе місце в раціональному й комплексному природокористуванні посідає проведення природоохоронних заходів. Ці заходи повинні проводитися, у першу чергу, промисловими підприємствами, а державні органи, що відповідають за охорону навколишнього природного середовища, повинні контролювати їхнє виконання. Будь-яке промислове підприємство повинне бути оснащене очисними спорудженнями, уживати заходів по впровадженню маловідхідних технологій, забезпечувати дотримання режиму санітарноохоронних зон, що встановлюються навколо кожного підприємства. Державні контролюючі органи повинні стежити за тим, щоб не вводилися в експлуатацію підприємства, не забезпечені очисними спорудами, а також за тим, щоб діючі підприємства дотримували нормативи якості навколишнього природного середовища й інших норм і правил, встановлених в законодавчому порядку. Наприклад, остаточне приймання меліоративних систем проводиться тільки після апробації протягом року, після чого оцінюється вплив такої системи на навколишнє природне середовище. 5.2. Перетворення і втрати природних ресурсів в процесі їх використання Людина знаходить, добуває і переміщає до місць переробки необхідні природні ресурси. На всіх етапах використання спостерігається сукупність перетворень, просторових переміщень і втрат природної сировини (ресурсний цикл). 112
У природокористуванні виділяється кілька ресурсних циклів, що незважаючи на відносну самостійність, тісно зв’язані один з одним. До таких ресурсних циклів відносяться: цикл грунтово-кліматичних ресурсів і сільськогосподарської сировини, цикл сировинних ресурсів, цикл енергетичних ресурсів, цикл ресурсів живої природи. Ресурсний цикл, іноді називається антропогенним круговоротом речовини, фактично не замкнутий, що видно з рис. 5.1. На кожнім його етапі неминучі втрати, що є наслідком особливостей технологій або яких-небудь об’єктивних чи суб’єктивних причин. Вважається, що на всіх етапах ресурсного циклу в навколишнім середовищі розсіюється близько 98% мінеральної сировини, що добувається. Предмети масового споживання в результаті зносу чи корозії, втрати в них потреби так чи інакше, накопичуються в навколишнім середовищі, забруднюючи його. Багато відходів перетворяться у воді, ґрунті й атмосфері, перетворюючи в ще більш небезпечні для здоров’я людини речовини, що є вторинним забрудненням. Особливий випадок є культурні екосистеми, тобто оброблювані сільськогосподарські землі, не здатні до самовідновлення через виснаження ґрунту внаслідок збору врожаю, у якому сконцентрована органічна і мінеральна речовина. У результаті деструктори або ґрунтоутворювачі не одержують матеріалу для розкладання та мінералізації і забезпечення власних потреб у речовині й енергії. Тому людина змушена цілком брати на себе відновлення родючості, вживаючи для цього спеціально зроблені нею речовини, наприклад, добрива й енергію. Так, у процесі збору врожаю сільськогосподарських культур із ґрунту щорічно виноситься 5-7 млн. тонн азоту, 3-5 млн. тонн фосфору, до 10 млн. тонн калію. Винесені елементи відшкодовуються зі значним дефіцитом за рахунок внесення сотень мільйонів тонн гною, тисяч тонн мінеральних добрив, а також біологічною фіксацією азоту бульбовими бактеріями бобових рослин. Таким чином, у міру проходження через ресурсний цикл речовини, раніше сконцентровані в певному місці локалізації, розсіюються. Розсіюються не вихідні, а трансформовані чи втрачені в процесі ресурсного циклу речовини, що забруднюють природне середовище. До забруднюючого речовинам навколишнього середовища відносяться не тільки токсичні і шкідливі відходи виробництв, але і практично нешкідливі речовини, що утворяться як побіжні продукти, такі, як: маси гною в сільському господарстві, вуглекислий газ, що потонув, деревина. 113
Природні ресурси в місцях їхньої природної локалізації
Витягнуті (забуті) у процесі заготівлі
Залишені в місцях локалізації
Переробки, що транспортуються до місць використання
Узяті додатково за рахунок удосконалювання технологій видобутку Утрачені при транспортуванні
Напівфабрикати, що переробляються в кінцеву продукцію
утрати
Відходи, що утилізують, вторинні матеріали
утрати
Корозія чи знос
Вироби, що вийшли з використання (брухт, утиль)
Рис. 5.1. Зразкова схема ресурсного циклу 114
утрати
Збережені за рахунок удосконалювання перевезень і скорочення відстані Відходи процесів переробки
Вироби чи продукція у використанні
утрати
Цілком утрачені
Запитання для самоконтролю знань 1. Дайте характеристику поняттю «природовикористання». 2. Актуальність проблеми природовикористання. 3. Від чого залежить раціональне природовикористання в Україні та за її межами? 4. Перелічите принципи раціонального природовикористання. 5. Вкажіть методи, щодо відтворення природних ресурсів. 6. Перетворення природних ресурсів. 7. Втрата природних ресурсів в процесі їх використання.
115
ВИСНОВОК Дослідження розвитку матеріалів діалектично пов’язані з розвитком технічних наук. Матеріалознавство природних ресурсів є складовою технічної науки товарознавства, особливо в частині, яка тісно пов’язана з проблемами використання природної сировини, екології, економіки природокористування тощо. Як самостійний розділ технічної науки про навколишнє природне середовище матеріалознавство природних ресурсів вивчає взаємозв’язок між окремими видами природних ресурсів та виробничою діяльністю підприємств. У цьому напрямку систематизація класифікації природних ресурсів, що визначено як мету наукових досліджень у галузі матеріалознавства, постає однією з важливих умов організації товарного виробництва. З метою регулювання процесу мінімізації втрат природноресурсної сировини при організації виробництва запропоновано класіфікувати їх як органічні, неорганічні матеріали та природні комплекси. Таке розділення матеріалів дозволяє на практиці забезпечити техніко-економічне обгрунтування норм витрат для задовільнення не тільки загальних виробничих потреб, та й потреб у сировині та матеріалах, що виникають на кожному етапі виробничого циклу і в процесі організації окремих конкретних видів виробничої діяльності підприємств.
116
ЛІТЕРАТУРА 1. Аванесов Ю. А., Васькин С. В., Клочко А. Н. Основы коммерции. Учебник. – М.: «Люкс-Арт», 1999. 2. Алексеев М. С. Товароведение хозяйственных товаров. – М.: Экономика, 1989 г. 4. Астапова Е. А. Оценка качества бытовой мебели в условиях рынка. Учебное пособие. – Донецк, ДИСТ, 1992 г. 5. Гирусов Э. Г. и др. Экология и экономика природопользования. Учебник для студентов экономических специальностей ВУЗов. – Москва: Закон и право, ЮНИТИ, 1998, 455с. 6. Гуляев А. П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1978. – 283 с. 7. Джигирей Д. С. и др. Основы экологии и охраны окружающей природной среды. – Львов: «Афиша», 2000. – 270 с. 8. Зайцев В. Г., Ещенко В. Ф. Товароведение хозяйственных товаров.: Учебник для ВУЗов. – М.: Экономика, 1978. – 352 с. 9. Закон Украины «Об охране окружающей среды» // Ведомости ВРУ. – 1991. – № 24. – С. 249. 10. Зіміна Н. К., Савчук Н. В. та ін. Матеріалознавство та основи технології непродовольчих товарів. – К., 1995. – 315 с. 11. Інфраструктура товарного ринку: Навч. посібник / Під ред. д-ра екон. наук, проф. І. В. Сороки. – К.: НМЦВО МОіН України, НВФ «Студцентр», 2002. – 608 с. 12. Кузьмин Б. А., Самохоцкий А. И. Металлургия, материаловедение, конструкционные материалы. – М.: Высш. шк., 1984. – 365 с. 13. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990. – 493 с. 14. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металов. – М.: Металлургия, 1983. – 355 с. 15. Материаловедение и конструкционные материалы / под ред. В. А. Белого. – Минск: Высш. шк., 1989. – 230 с. 16. Мельник Л. Г. Экологическая экономика: Учебник. – Сумы: Универс. книга, 2001. – 350с. 17. Мозберг Р. К. Материаловедение: Учеб. пособие. – 2-е изд., перераб. – М.: Высш. шк., 1991. – 448 с. 18. Осипова А. В., Синяева И. М. Основы коммерческой деятельности. – М.: Банки и Биржи: ЮНИТИ, 1997.
117
19. Памбухчиянц О. В. Организация и технология коммерческой деятельности. – М.: Информационно-внедренческий цент «Маркетинг», 2001. 20. Панкратов Ф. Г., Серегина Т. К. Коммерческая деятельность: Учебник для высших и средних учебных заведений. – М.: Информационно-внедренческий центр «Маркетинг», 1996. 21. Постановление ВРУ от 05.03.1998 г. № 188-98ВР «Об основных направлениях государственной политики Украины в сфере охраны окружающей среды, использования природных ресурсов и обеспечения экологической безопасности». 22. Соловьев В. А., Ивашкова Н. И., Шишкина А. В. Комплексное исследование рынка сбытов товаров народного потребления. – М., 1992 г. 23. Реймерс Н. Ф. Природопользование: эколого-социальноэкономический словарь-справочник. – М.: «Мысль», 1990. – 637с. 24. Экологическое законодательство Украины: Законодательные акты. Ч.2 / Под ред. В. И. Андрейцева. – Полтава: Полтавский литератор, 1997. – 644 с.
118
НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ Галина Вікторівна АСТАПОВА Катерина Андріївна АСТАПОВА Лев Григорович САРКІСЯН Ганна Михайлівна КУДЕЛІНА Ганна Сергіївна ЗУЄВА
МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО ТА ОСНОВИ ТЕХНОЛОГІЇ ПЕРЕРОБКИ ПРИРОДНОЇ СИРОВИНИ У НЕПРОДОВОЛЬЧІ ТОВАРИ Навчальний посібник Керівник видавничих проектів – Б. А. Сладкевич Коректор – С. С. Савченко Дизайн обкладинки – Б. В. Борисов Підписано до друку 21.11.2008. Формат 60x84 1/16. Друк офсетний. Гарнітура PetersburgC. Умовн. друк. арк. 7. Наклад 500 прим. Видавництво “Центр учбової літератури” вул. Електриків, 23 м. Київ, 04176 тел./факс 425-01-34, тел. 451-65-95, 425-04-47, 425-20-63 8-800-501-68-00 (безкоштовно в межах України) e-mail:
[email protected] сайт: WWW.CUL.COM.UA Свідоцтво ДК №2458 від 30.03.2006
