Материалы и сырьё в производстве

Материалы — это вещества или их сочетания, из которых изготавливаются предметы, конструкции и изделия. Выбор материала определяет свойства конечного продукта: прочность, вес, долговечность, внешний вид и стоимость. Вопрос «из чего сделана» вещь относится к фундаментальной характеристике любого артефакта, будь то природный объект или результат промышленного производства.

Классификация материалов

По происхождению материалы делятся на природные (естественные) и искусственные (синтетические). Природные материалы, в свою очередь, разделяются на органические (древесина, хлопок, шерсть, кожа) и неорганические (камень, глина, песок, металлы в самородном виде). Искусственные материалы создаются человеком в результате химических или физико-химических процессов: пластмассы, синтетические волокна, стекло, бетон, сплавы металлов.

По агрегатному состоянию и структуре выделяют твёрдые материалы, жидкости, газы и дисперсные системы (порошки, суспензии, эмульсии). В технике принято разделять материалы на металлические, неметаллические, композиционные и строительные.

Древесина и растительные материалы

Древесина — древнейший конструкционный материал. Основу её составляет целлюлоза (около 50 %), лигнин (20–30 %) и гемицеллюлозы (20–30 %). Породы дерева различаются плотностью, твёрдостью и влагостойкостью. Из древесины делают мебель, бумагу, строительные конструкции, музыкальные инструменты. Производные древесины — фанера, ДСП, МДФ — изготавливаются путём склеивания стружки, шпона или волокон под давлением.

К растительным материалам относятся также хлопок (целлюлоза на 95 %), лён, джут, конопля. Из них производят ткани, канаты, бумагу. Пробка — лёгкий пористый материал, получаемый из коры пробкового дуба, используется для утепления и производства обуви.

Металлы и сплавы

Металлы составляют основу современной промышленности. Чистые металлы — железо, алюминий, медь, титан, золото — редко применяются в чистом виде из-за недостаточной прочности или высокой стоимости. Основная масса металлических изделий производится из сплавов — смесей металлов с другими элементами.

Сталь — сплав железа с углеродом (до 2,14 %). Добавление хрома даёт нержавеющую сталь, никеля — жаропрочную, ванадия — инструментальную. Чугун содержит 2,14–4,5 % углерода, он хрупок, но хорошо работает на сжатие. Алюминиевые сплавы (дюралюминий) сочетают лёгкость и прочность, применяются в авиации. Бронза — сплав меди с оловом, латунь — медь с цинком.

Пластмассы и полимеры

Полимеры — высокомолекулярные соединения, состоящие из повторяющихся звеньев-мономеров. По происхождению они делятся на природные (белки, целлюлоза, натуральный каучук) и синтетические. Синтез полимеров осуществляется реакциями полимеризации (полиэтилен, полипропилен, полистирол) или поликонденсации (полиамиды, полиэфиры).

Пластмассы — это полимеры с добавками: пластификаторами (повышают эластичность), стабилизаторами (защищают от старения), красителями, наполнителями (стекловолокно, мел, сажа). Термопласты (полиэтилен, ПВХ, поликарбонат) размягчаются при нагреве и могут перерабатываться многократно. Реактопласты (фенолформальдегидные смолы, эпоксидные) отверждаются необратимо. Из полимеров делают упаковку, трубы, корпуса бытовой техники, детали автомобилей, одежду (полиэстер, нейлон, акрил).

Стекло и керамика

Стекло — аморфное вещество, получаемое плавлением кварцевого песка (SiO₂), соды (Na₂CO₃) и известняка (CaCO₃) при температуре около 1500 °C. Добавки оксидов металлов придают стеклу цвет: оксид кобальта — синий, хрома — зелёный, марганца — фиолетовый. Хрусталь содержит до 24 % оксида свинца, что увеличивает светопреломление и звонкость. Кварцевое стекло из чистого SiO₂ выдерживает резкие перепады температур.

Керамика — обожжённая глина. Фарфор — плотный белый материал из каолина, полевого шпата и кварца, обжигается при 1300–1400 °C. Фаянс — более пористый и дешевле фарфора. Техническая керамика (карбид кремния, оксид алюминия) применяется для режущих инструментов, бронепластин, изоляторов.

Камень и строительные материалы

Природный камень — гранит, мрамор, известняк, базальт — используется в строительстве и отделке. Гранит — магматическая порода из кварца, полевого шпата и слюды, отличается высокой прочностью. Мрамор — метаморфический известняк, легко полируется.

Бетон — искусственный каменный материал, состоящий из цемента, воды, заполнителей (песок, щебень) и добавок. Железобетон — бетон с армирующим стальным каркасом, сочетает прочность бетона на сжатие и стали на растяжение. Кирпич изготавливается обжигом глины; силикатный кирпич — автоклавной обработкой смеси песка и извести.

Композиционные материалы

Композиты состоят из матрицы (связующего) и наполнителя (упрочнителя). Стеклопластик — стекловолокно в полиэфирной или эпоксидной смоле, применяется в корпусах лодок, кузовах автомобилей. Углепластик (карбон) — углеродные волокна в эпоксидной матрице, отличается рекордной удельной прочностью, используется в авиакосмической отрасли, спортинвентаре. Сэндвич-панели — многослойные конструкции с лёгким сердечником (пенополиуретан, соты) и жёсткими обшивками.

Текстильные материалы

Текстиль делится на натуральные волокна (хлопок, лён, шёлк, шерсть) и химические. Химические волокна бывают искусственными (вискоза — из целлюлозы, ацетатный шёлк) и синтетическими (полиэстер, нейлон, спандекс). Смесовые ткани сочетают свойства разных волокон: например, полиэстер с хлопком меньше мнётся и быстрее сохнет. Нетканые материалы (флис, спанбонд) производятся скреплением волокон термическим или механическим способом без ткачества.

Определение состава изделия

Установить, из чего сделан предмет, можно несколькими способами. Маркировка на изделии (код переработки в треугольнике для пластмасс, состав на ярлыке одежды) — самый простой путь. Лабораторный анализ включает органолептические методы (цвет, запах, твёрдость), микроскопию, спектроскопию (ИК-Фурье, рентгенофлуоресцентную), термический анализ. Плотность, реакция на нагревание, поведение в кислотах и щелочах позволяют идентифицировать материал с высокой точностью.

Экологические аспекты

Происхождение материала влияет на его экологический след. Биоразлагаемые материалы (древесина, хлопок, бумага) разлагаются в природе за месяцы или годы. Пластмассы сохраняются сотни лет, загрязняя океаны и почву. Вторичная переработка снижает нагрузку: алюминий переплавляется с затратами лишь 5 % энергии от первичного производства, стекло и бумага также эффективно перерабатываются. Биопластики (полилактид из кукурузного крахмала, ПГА из бактерий) — развивающееся направление замены нефтехимических полимеров.