Деревні матеріали

Деревина є особливим матеріалом, а як конструкційний матеріал, на відміну від інших (метал, пластик, скло, цегла тощо), вона найбільш пристосована до біосистеми людини, до задоволення її культурних, естетичних та екологічних потреб. Вона також є прийнятним і приємним для людини матеріалом, оскільки має схожу природу з тканинами тіла. Деревні ресурси досить швидко, порівняно з корисними копалинами, відновлюються і, для країн, що мають великий лісовий фонд, можуть замінювати традиційні джерела енергії, що сприяє енергетичній безпеці [4].

ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО
ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО ПРОДОВОЛЬЧИХ ТОВАРІВ
ЧИТАТИ ПРО ІСТОРІЮ РОЗВИТКУ ТОВАРОЗНАВСТВА У ЛЬВОВІ

Браузер не бачить рисунок або формулу?! Скачайте реферат:
Скачати реферат “Деревні матеріали”

У торгівлі деревною продукцією лісозаготівель стандартизовано такі поняття:

– деревна сировина (de–Rohholz, en-wood raw materials) – усе, що отримують з дерева і використовують з різною метою;

– деревний хлист (de-Stamm, en trée leng) – стовбур поваленого дерева без гілок, верховіття і пенькової частини;

– лісоматеріали (de-Holz, en-wood products, у біржовій торгівлі – Lumber ) – деревні матеріали, одержані поділом на частини повалених дерев та колод, призначені для подальшої переробки чи використання;

– круглі лісоматеріали (de-Rundholz, en.-roundtimber) – поперечно поділені стовбури поваленого дерева;

– ділова деревина (de Nutzholz, en.-industrial wood) – усі колоті і круглі лісоматеріали, окрім дров для опалення, напівфабрикати для обробки, технологічна тріска, пневий осмол;

– відходи лісозаготівель (de Abfalle des Holzeinshage, en – togging woodwaste)  – деревинні рештки (верховіття, кора, зелень тощо);

– сортимент (de Sortiment, en.-sort log) – лісоматеріали певного призначення: круглі, колоті, ділові, мірні (тонко-, середньо-, велико-; коротко-, середньо-, довгомірні);

– колода (de Balken, en-log) – круглий необроблений сортимент чи сировина для виготовлення пиломатеріалів;

– кряж (de, en-block) – круглий сортимент для спеціальних видів лісопродукції: авіаційний, котушковий, копиловий, олівцевий, лижний, рушничний, тарний, клепковий, шпальний, резонансний, суднобудівний, паливний, маточний, фанерний, сірниковий, стружковий [2, 5].

Сьогодні деревна продукція лісозаготівель у торгівлі користується значним попитом завдяки високому рівню її позитивних споживчих властивостей, міцності, невеликій густині, низькій теплопровідності, технологічності, гарному зовнішньому вигляду.

Основними властивостями деревини, за якими здійснюють її товарознавчий аналіз, є:

– зовнішній вигляд (визначається її кольором, блиском, волокнистістю, текстурою, малюнком, тобто всім, що обумовлює її декоративність);

– вологість (визначається у відсотках до маси сухої деревини; є капілярна і гігроскопічна; залежить від стану деревини: свіжозрубаної – 35-40%, повітряно-сухої – 15-20%, кімнатно-сухої – 8-13%, мокрої – 100%, умовно нормальна вологість – 12%);

– гігроскопічність (дуже висока, впливає на щільність, об’ємну масу, теплопровідність і міцність; є причиною зміни розмірів виробів із деревини при експлуатації; при випаровуванні  вологи зменшується маса і розміри деревини та виробів);

– водопроникнення (залежить від породи, вихідної вологості), усихання (об’ємна усушка);

– щільність (залежить від породи деревини і становить 520-1500 кг/м3), теплопровідність(у цілому низька, залежить від напряму волокон);

– хімічна стійкість (деревина стійка до дії органічних кислот, лугів і солей, але руйнується мінеральними кислотами і морською водою; деревина хвойних порід хімічно стійкіша);

– вогнетривкість (температура спалахування – 250ºС, обвуглювання –120ºС);

– стійкість до деформацій та стирання (міцність на стискання, розтягування і згинання, стійкість до стирання залежить від частини стовбура, напряму волокон, щільності і вологості) [1, 2, 5].

Деревні матеріали_2_pca.com.ua
Деревні матеріали_2_pca.com.ua

Фахівець, який проводить товарознавчу експертизу деревних матеріалів, повинен легко визначати їх породу за індивідуальними ознаками, наприклад: породу деревини колоди – за її формою, кольором кори і деревини, наявністю ядра, розміщенням сучків; за зразком деревини – за річними шарами: якщо їх видно добре, то зразок належить до хвойних або до кільцевосудинних листяних порід; породу деревини хвойних дощок – за формою й виглядом сучків, їх розміщенням. Потім звертають увагу на колір, запах, ступінь розвитку пізньої деревини річних шарів, а також текстуру (природний візерунок річних шарів).

Колір визначає зовнішній вигляд деревини. Він залежить від багатьох факторів: породи дерева, району й умов його росу, клімату, віку дерева тощо. Колір деревини та його відтінки характеризують такими визначеннями: червоний, чорний, білий, рожевий, світло-рожевий тощо. Деревина порід, що ростуть у різних кліматичних умовах, має різний колір: від сірого (ялина, липа, осика) до чорного (чорне дерево). На повітрі під впливом світла деревина багатьох порід втрачає свою яскравість, набуваючи сіруватого забарвлення. Наприклад, деревина вільхи, що має у свіжозрубаному стані світло-рожевий колір, незабаром темніє і набуває жовто-червоного забарвлення. Під водою колір деревини також змінюється. Дуб, який тривалий час пролежав у воді, набуває темно-коричневого і навіть чорного кольору. Забарвлення деревини змінюється відповідно до віку дерева через її ураження різними грибками. Деревина молодих дерев світліша, ніж старих [1].

Колір деревини має важливе значення у виробництві меблів, музичних інструментів, столярних і сувенірних виробів. Колір можна поліпшити, якщо піддати деревину спеціальній обробці: пропарюванню (бук), протравлюванню (бук, каштан) та фарбуванню різними хімічними речовинами.

деревні_матеріали_3_pca.com.ua
деревні_матеріали_3_pca.com.ua

Блиск будь-якого предмета зумовлюється здатністю відбивати світловий потік. Блиск деревини залежить від її щільності та кількості, розмірів і розташування серцевинних променів. Чим світліша деревина, тим краще вона блищить. Особливим природним блиском відзначається деревина клена, бука, платана, дуба. Блиск надає деревині гарного зовнішнього вигляду, а при необхідності може бути посилений за допомогою спеціальної обробки: поліруванням, вощінням, покриттям лаком або обклеюванням прозорими плівками.

Текстура – це природний рисунок на поверхні деревини, що відбиває особливості її будови. Текстура утворюється унаслідок перерізання волокон, річних шарів, серцевинних променів, сучків.

Текстура залежить від особливостей анатомічної будови деревини окремих порід і напряму розрізу. Хвойні породи мають красиву текстуру на тангенціальному розрізі завдяки неоднаковому кольору ранньої та пізньої деревини, а листяні (бук, дуб, клен, в'яз) – завдяки яскраво вираженим річним шарам і розвинутим серцевинним променям на радіальному й тангенціальному розрізах. Інколи застосовують особливі способи обробки деревини – лущення шпону під кутом до напряму волокон, стругання в радіальному напрямі – або замінюють штучною текстурою – розмальовують поверхню під текстуру цінних порід чи обклеюють текстурною плівкою[1].

Текстура визначає цінність дерева, особливо для виготовлення художніх меблів, різних сувенірних виробів та для оздоблення музичних інструментів.

Запах деревини залежить від наявності у ній смол, дубильних речовин та ефірної олії. Свіжозрубана деревина має сильніший запах, ніж та, що перебуває на лісоскладах. Сильний запах має деревина хвойних порід, а деревина листяних порід пахне менше.

Велике значення має запах деревини під час виготовлення тари під продукти харчування. Тому таку тару не виготовляють з деревини хвойних порід. Запах деревини, як колір і блиск, є ознакою для розпізнавання деревних порід і має виробниче значення [5, ст. 309].

У практиці торгівлі пилопродукцію найчастіше групують за породами деревини (хвойні, листяні тощо.), формою поперечного перерізу (пластини, четвертини, бруски, бруси, дошки, шпали, горбиль) і характером обробки (необрізні, односторонньо обрізні, необрізні). Нижче наведено коротку товарознавчу характеристику цих матеріалів у розрізі вказаних ознак.

1. Специфіковані будівельні пиломатеріали.

1.1. Бруски: стропильні (завдовжки 4-6; 6,5-8 м); стандартні (поперечного розміру від 8х8 до 12х12 см); калібровані (від 9/16 дюйма, завдовжки 4 м); поперечного перерізу 2х4 дюйма (приблизно 5х10 см), завдовжки 2,4–4,3 м (2,44–6,1м на ринку США) – найбільш розповсюджений вид пилопродукції, яким торгують світові товарні біржі у натуральному вираженні за ф’ючерсними контрактами й опціонами; поперечного перерізу 30х30, 30х39, 36х45 мм, завдовжки 4 м (у біржовій торгівлі мають назву “тарукі”);  поперечного перерізу 24х48 мм, довжиною 3,8м (у біржовій торгівлі мають назву “сангі”); поперечного перерізу 115х240 мм, довжиною 4 м.

1.2. Рейки (поперечного перерізу 23х47 – 38-58 мм).

1.3. Дошки: широкі (поперечного перерізу 30х190 мм – 48-280 мм); тонкі; короткі (товщиною 18-23 мм, завдовжки до 2,7 м); тарні (поперечного перерізу17х78, 17х98 мм); для стелажів і будівельних риштувань; необрізні і обрізні завдовжки 3 м для столярних робіт (завтовшки – 27-54 мм); фреза паркетна (завширшки – 80 мм, завтовшки – 27 мм, завдовжки – від 250 до 1500 мм).

1.4. Заготовки: для клеєних деталей і конструкцій; для стругання (завтовшки від 23 мм); шпунтовані з крайки.

1.5. Булі (блочні комплекти, підібрані з одного комлевого відрубу).

1.6. Шпали для залізниць.

1.7. Дров’яна деревина (дрова, поліна, паливна тріска).

2. Фанера клеєна як промислова сировина поділяється за:

2.1. Призначенням: для опалубки (формат – 11,5х900х1800 мм); тонка (формат – 910х1820мм, завтовшки – 2,4-5,2мм); основа для підлоги (формат – 11,5х 945х1840 мм); основа для ламінування (формат – 3,6х1210х2420 мм); для автомобільної промисловості.

2.2. Водостійкістю: звичайна, водостійка.

2.3. Видом клею – фенолформальдегідний (ФСФ), карбамідний (ФК), альбуміно-казеїновий (ФБА), білковий (ФБ).

2.4. Видом обробки – нешліфована, шліфована (цикльована).

2.5. Сировиною (зовнішнім шаром, який у товарознавстві називають «сорочкою») – поділяється аналогічно породам дерев (у біржовій торгівлі найчастіше реалізується фанера, у якої сорочкою є береза, тополя, сосна, вільха, ясен, липа, клен, дуб, ялина, модрина, ільм, бук, осика, кедр, смерека).

3. Плити на основі целюлозних волокон. Промисловою сировиною є деревостружкові плити завтовшки 15 мм, які поділяються за: способом пресування (пласке, електрузивне); масою (важкі, середньої щільності); розташуванням частинок деревини (паралельно чи перпендикулярно до пластин); структурою (одношарові суцільні, порожнисті, тришарові); наявністю личкування (личковані і не личковані);  видом обробки (нешліфовані і шліфовані).

Деревину як конструкційний матеріал (основна маса стовбура дерева) використовують у багатьох галузях виробництва. Основними перевагами деревини є: мала питома вага; висока питома міцність; здатність поглинати удари внаслідок пружності; простота обробки; високі тепло-, звуко- та електроізоляційні властивості; добра хімічна стійкість до окремих кислот, газів; здатність до склеювання; можливість швидкого з'єднання цвяхами, шурупами. Найчастіше як конструкційні матеріали використовують сосну, ялину, ясен, бук, граб, клен, березу, липу.

Довговічність дерев'яних конструкцій і виробів продовжують висушуванням, просочуванням протигнильними речовинами, оброблянням інсектицидами, що захищають деревину від руйнування комахами, вогнезахисною обробкою і запобіганням зволоженню у процесі експлуатації. Щоб підвищити стійкість деревини до загнивання, запобігти жолобленню і розтріскуванню у виробах, деревину висушують. Сушіння деревини – це процес видалення з неї вологи. У деревообробних виробництвах промислове застосування мають два способи сушіння: конвекторне атмосферне та конвекторне газопарове.  Крім цих двох основних способів деревину можна висушувати в електричному полі високої частоти та у нагрітих рідких середовищах, що значно дорожче.

Деревинні композиційні матеріали сьогодні є основним матеріалом для виробництва меблевої продукції, панелей і сучасного настилу підлоги, базовим матеріалом для виробництва дверей і віконних блоків, застосовуються в каркасному домобудуванні та настелянні дерев’яних конструкцій дахів. Практично в кожному житловому приміщенні є продукція з деревинного композиційного матеріалу [2].

Деревні матеріали – це конструкційні, ізоляційні й виробні матеріали, вироблені на основі деревини. До деревних матеріалів належать: фанера, деревоволокнисті плити (ДВП), дереностружкові плити (ДСП), орієнтовано-стружкові плити (ОСП), термодеревина та ін.

Фанера – композитний матеріал виготовлений з натуральної деревини, який складається із щільно склеєних за товщиною декількох тонких шарів лущеного шпону. Шари шпону склеюють між собою, причому напрям волокон у кожному чергується: у першому він поздовжній, у другому – поперечний, у третьому – знову поздовжній тощо. Для підвищеного опору матеріалу на вигин і крутіння волокна шпону можуть бути розташовані під кутами 30°, 45° або 60°. Фанеру, у якій деревні волокна мають однаковий напрям у всіх шарах, називають ламінованою або шарувато-пресованою деревиною [2, 5].

Фанера поширена у найрізноманітніших галузях. У будівництві вона застосовується для виготовлення опалубки, будівельних риштувань при облицюванні будівель та для створення елементів дахів, як дерев'яні конструкції для фасадів будинків тощо. В інтер'єрі фанеру використовують при виготовленні підвіконь, звукоізолюючих стінових панелей, як облицювання, для виробництва дверей.

Широке застосування фанера знайшла у меблевій промисловості. З неї виготовляють шафи, стелажі, столи, меблі для ванних кімнат, кухонь, саду і дачі.

Автомобілебудування, вагонобудування, суднобудування також не обходяться без фанери. Невелика вага і висока міцність дозволяють використовувати її для виготовлення бічних стінок та підлоги у трейлерах і вантажівках, залізничних вагонів і контейнерів. У суднобудуванні з фанери виробляють елементи для транспортних засобів – борти, палуби, сидіння на човнах, катамаранах, пасажирських теплоходах, а також для рефрижераторів, риболовецьких суден.

При оснащенні ігрових та спортивних зон з фанери виготовляють гірки, місця для глядачів, хокейні майданчики, скати для скейтборда.

Фанера є одним із найпоширеніших матеріалів для упаковки. З неї виготовляють дерев'яні ящики, у тому числі і декоративні – для подарункового оформлення пляшок, посуду, парфумерії та ін. Крім того, використовують для виробництва дорожніх знаків, рекламних щитів, обшивки ліфтів.

За теплопровідністю, екологічністю і міцністю фанера перевершує ДСП (деревостружкову плиту), ДВП (деревоволокнисті плити) і МДФ (деревоволокнисті плити середньої щільності). Завдяки своїй екологічній чистоті, універсальності і дешевизні вона є найбільш використовуваним матеріалом в усьому світі [1, 2].

Деревно-волокниста плита (ДВП) – листовий матеріал, виготовлений шляхом гарячого пресування або сушіння килима з деревних волокон з введенням при необхідності сполучних і спеціальних добавок. Матеріалом для виробництва ДВП служить перемелена на волокна деревина, а також відходи деревообробки (стружка, тріска, деревний пил), які змішують з клеєм і спресовують при високій температурі під тиском з додаванням синтетичних смол, парафіну, церезину, антисептиків та інших речовин.

Залежно від щільності деревоволокнисті плити поділяють на:

− надтверді (щільність 950 кг/м3) – відрізняються високою щільністю і служать в основному для покриття підлог або для виготовлення дверей, перегородок, тари;

− тверді (850 кг/м3),

− напівтверді (400 кг/м3) − застосовуються для виробництва задніх стінок меблів, висувних ящиків та інших внутрішніх елементів меблів;

− ізоляційно-оздоблювальні (250-350 кг/м3) й ізоляційні (до 250 кг/м3) ДВП – характеризуються високою пористістю, малою теплопровідністю і низькою міцністю, тому їх використовують в основному як звуко-і теплоізоляційний матеріал при будівництві.

− до окремої групи можна віднести ДВП ламіновану (ЛДВП), яку отримують шляхом покриття звичайного ДВП спеціальним складом із синтетичних меламінових смол. Такі плити відрізняються високою зносо-, термо- і вологостійкістю.

− деревоволокниста плита облагороджена. У процесі виробництва ці плити просочують барвником, а потім ламінують або кешують. На поверхню ДВП може наноситися малюнок, що імітує структуру дерева. Облагороджені ДВП використовують як оздоблювальний матеріал для стін і стель, а також як внутрішні елементи меблів.

Деревоволокнисті плити середньої щільності (МДФ − Medium Density Fiberboard) – це плита, отримана в результаті пресування і тиску при високій температурі маленьких частинок деревини. Такі плити просочують спеціальним розчином, завдяки якому вони стають вогнетривкими і вологостійкими. Згодом їм надають потрібну форму на спеціальних верстатах. На відміну від ДСП при виготовленні МДФ не застосовують епоксидну смолу або фенол. Сполучною речовиною у них є лінгіні. Лінгіні – це природна складова кожної деревини, яка виділяється з неї шляхом нагрівання. МДФ – екологічно чистий матеріал.

Завдяки своїм властивостям плити легко піддаються фарбуванню або ламінуванню. Ламінування може бути будь-якого кольору, відтінку і передавати структуру дерева. Такий матеріал має високі гігієнічні властивості, чудовий зовнішній вигляд, дозволяє здійснювати фрезерні роботи, не сприйнятливий до хімічного впливу, стійкий до впливу вологи, міцний, термостійкий, а також стійкий до сонячних променів. Плита ламінується з одного боку, а з другого, покривається лаком чи фарбою. Ламінована МДФ має високий рівень звукоізоляції і вогнетривкості. Плити МДФ не деформуються від впливу вологи або пари.

Використовують МДФ в автомобілебудуванні, суднобудуванні, а також у вагонобудуванні. У таких сферах його застосовують як внутрішній облицювальний матеріал.

Враховуючи всі позитивні його якості, нітрохи не гірші, ніж у дерева, потрібно звернути увагу на те, що цей матеріал на 70% дешевший від натурального дерева.

Деревоволокниста плита високої щільності (ХДФ – High Density Fiberboard) – тонкий листовий матеріал, отриманий методом гарячого пресування подрібнених деревних волокон. Це продукт, аналогічний плиті МДФ, але перевищує її за щільністю. Гладка й однорідна поверхню плити відмінно піддається фарбуванню, тонкому ламінуванню та іншим видам обробки. Плита має високу міцність, легко обробляється, що забезпечує високу точність і якість при виготовленні деталей з ХДФ. Матеріал використовують для виготовлення задніх стінок шаф і тумб, днищ ящиків, заповнення рамкових фасадів, для декоративного оздоблення. У меблевій промисловості використовують плиту ХДФ як без покриття, так і декоровану. У процесі декорування плиту покривають декількома шарами спеціальної фарби, однотонної або такої, яка імітує деревну текстуру, і закріплює шаром лаку. Таке покриття надає плиті необхідної естетичності і зносостійкості.

ДВП не всихає, не розбухає і не жолобиться. До плюсів можна віднести і легкий розпил ДВП на будь-які складові частини будь-якого формату. Часто завдяки цьому ДВП знаходять застосування в різних галузях. Крім виробництва меблів, вони можуть бути використані у будівництві (утеплення приміщень або дахів заміських будинків), для вирівнювання поверхонь (обшивка стін і стелі), виготовлення тари.

Деревостружкові плити (ДСП) складаються із дрібної і дуже дрібної  деревної стружки, яка при додаванні до неї штучної смоли (сполучного компонента) при високій температурі і сильному тиску пресується в плиту. ДСП – дуже стійкий матеріал. Завдяки такій якості вони годяться насамперед для виготовлення меблів і вбудованих деталей великої площі. Для виробництва ДСП застосовується стружка таких порід дерев: сосна, ялиця, ялина, тополя, вільха, бук і береза. Стружку цю виготовляють спеціально з тонких стовбурів і гілок або з відходів деревообробної промисловості. Вона має бути завжди розташована строго паралельно до площини плити [2, 6].

Деревостружкові плити різняться за структурою. Так, є одношарові плити, які пресують з стружки тільки одного розміру і відрізняються вони досить грубою поверхнею. Тришарова плита включає в себе середній шар з грубої стружки і два покривних – з тоншої і щільніше спресованої стружки. У п'ятишаровій плиті між середнім і покривними шарами міститься ще один. Різні структури – це не тільки різна поверхня. Багатошаровість, наприклад, підвищує еластичність і міцність плити, що, проте, не робить її універсальною.

Як сполучний матеріал для пресованої стружки використовують штучні смоли, цемент або магнезит. Деревостружкові плити, пов'язані цементом або магнезитом, зустрічаються рідше. Здебільшого наявні у продажу плити виготовлено із застосуванням штучних смол.

Деревостружкові плити, у яких використовують штучні смоли як сполучний компонент, виділяють шкідливий для здоров'я формальдегід. Залежно від його кількості деревно-стружкові плити поділяються на три класи. Для в житлових приміщень використовують плити 1-го класу, виділення якими формальдегіду не перевищує 0,1 мл на кубічний метр повітря.

Деревостружкові плити мають і недоліки. Структура зі стружки і штучної смоли далеко не така еластична і міцна, як натуральне дерево, так що деякі конструкції, звичайні для деревини, з плит зробити неможливо. По краях і в місцях свердління можуть бути сколи, місця розпилу часто виглядають непривабливо. Словом, щоб не пошкодити поверхню деревно-стружкових плит, з ними треба поводитись  дуже обережно.

Фанеру і плити відносять до так званих прогресивних матеріалів з деревини, які розглядаються як ідеальна альтернатива суцільній деревині і тому посідають значне місце у світовій торгівлі продукцією на основі деревини.

Орієнтовано-стружкові плити (ОСП – oriented strand board або OSB) – це багатошарова (3−4 шари) плита, виготовлена з деревної стружки (в основному соснової) шляхом гарячого пресування під високим тиском з додаванням різних наповнювачів у вигляді водостійких смол, синтетичного воску і борної кислоти. Сама плита складається з трьох-чотирьох шарів, причому стружка у внутрішньому шарі розташовується у поперечному напрямі щодо довжини листа, а в зовнішніх шарах – у поздовжньому. Іншими словами, стружка має суворо орієнтований напрям – звідси і назва плити.

На 90-95% OSB складається з деревини, тому вона, як і фанера, вважається найбільш екологічною з усіх деревних плит. Головними властивостями таких плит є висока вологостійкість, стійкість до перепадів температур, до механічних впливів, відмінна тепло-і звукоізоляція, а також непоганий зовнішній вигляд з погляду дизайну.

Плити ОСП легко піддаються механічній обробці: пилянню, свердлінню, фрезеруванню тощо, не буває проблем і з їх кріпленням за допомогою будь-якого типу.

Порівняно з аналогічними матеріалами, такими, як ДСП, МДФ, фанера, орієнтовано-стружкові плити мають цілий ряд істотних переваг. Це підвищена вологостійкість, висока міцність, відсутність порожнин всередині структури, сталість параметрів і розмірів.

Якісні показники деревних матеріалів регламентуються певними чинними стандартами:

1.    ДСТУ 2152-93 «Вади деревини та дефекти обробки. Терміни та визначення».

2.    ДСТУ 3071-95 «Продукція лісозаготівельної промисловості. Терміни та визначення».

3.    ДСТУ EN 335:2004 «Стійкість деревини та виробів з деревини. Визначення класів небезпеки біологічного ураження».

4.    ДСТУ EN 350:2003 «Стійкість деревини та виробів з деревини. Природна стійкість суцільної деревини».

5.    ДСТУ EN 351:2004 «Стійкість деревини та виробів з деревини. Суцільна деревина, просочена захисним засобом».

6.    ДСТУ EN 460:2003 «Стійкість деревини та виробів з деревини. Природна стійкість суцільної деревини. Настанови щодо вимог до стійкості деревини стосовно класів небезпеки».

7.    ДСТУ 21-93 «Матеріали з подрібненої деревини. Терміни та визначення».

8.    ДСТУ 4761:2007 «Плити деревостружкові та деревоволокнисті. Метод визначення розбухання за товщиною після занурення у воду».

9.    ДСТУ ГОСТ 10632:2009 «Плити деревостружкові. Технічні умови».

10.         ДСТУ EN 300:2008 «Плити деревостружкові з орієнтованою стружкою (OSB). Терміни та визначення понять, класифікація та технічні вимоги».

11.         ДСТУ EN 309-2003 «Плити деревостружкові. Визначення та класифікація».

12.         ДСТУ EN 311-2003 «Плити деревостружкові. Міцність поверхні деревостружкових плит. Метод випробування».

13.         ДСТУ EN 312:2003 «Плити деревостружкові. Технічні умови». 

14.         ДСТУ EN 320:2007 «Плити деревоволокнисті. Метод визначення опору витягуванню шурупів уздовж осі».

15.         ДСТУ EN 382:2003 «Плити деревоволокнисті. Визначення поверхневого поглинання».

16.         ДСТУ EN 1087:2007 «Плити деревостружкові. Метод визначення тривкості до вологи».

17.         ДСТУ EN 12369:2008 «Плити деревинні. Характеристичні значення для використання в конструкціях».

Основними методами оцінки якості деревних матеріалів є: оптичний, лазерний, Х-променеве СТ-сканування, ультразвуковий, мікрохвильовий, інфрачервоне сканування, імпульсний радар тощо. Однак вони не універсальні. Кожен має свої переваги і недоліки, обмеження сфер застосування і може використовуватися для виявлення певних дефектів. Тому вибір відповідного методу контролю залежить від класифікаційних ознак предмета дослідження: матеріалу, його розмірів, вологості, виду дефектів, умов виробництва, температури навколишнього середовища, техніко-економічних показників тощо [3].

Сучасні методи автоматизованої дефектоскопії деревних матеріалів – акустичні, рентгеноскопія, гамма-дефектоскопія тощо. – засновані на вимірюванні щільності деревини, адже більшість дефектів – це ділянки деревини іншої щільності. Практично усі автоматизовані методи оцінювання розмірно-якісної характеристики сировини на основі технологій сканування є надто дорогими. З дешевших методів оцінки можна виділити оптичне, ультразвукове, інфрачервоне сканування і застосування тепловізорів. Ці методи дозволяють оцінювати реальну форму, поверхневі і внутрішні вади без руйнування деревини [3].

Таким чином, якість деревних матеріалів залежить від їх основних властивостей (вологості, гігроскопічності, щільності, пружності, в’язкості, міцності та ін.), а оцінка їх якості є складним технологічним процесом.

ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО
ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО ПРОДОВОЛЬЧИХ ТОВАРІВ
ЧИТАТИ ПРО ІСТОРІЮ РОЗВИТКУ ТОВАРОЗНАВСТВА У ЛЬВОВІ

Браузер не бачить рисунок або формулу?! Скачайте реферат:
Скачати реферат “Деревні матеріали”


Publisher: Team EPMPD  

Полімерні матеріали

Термін полімер (грец. Πολύ – багато (poli); μέρος — частина (meres) був уведений у науку І.Берцеліусом, відомим шведським хіміком, у 1833 р. для позначення особливого виду ізомерії, при якій речовини однакового складу відрізняються молекулярною масою. Наприклад, етилен і бутилен, кисень і озон. Синтетичні полімери на той час ще не були відомі, а перші згадки про них належать до 1838 р. (полівініліденхлорид) і 1839 р. (полістирол).

Хімія полімерів як наука виникла лише після створення в 60-х роках     XIX ст. російським хіміком О. Бутлеровим (1828–1886) теорії хімічної будови органічних речовин, що дало можливість систематизувати величезний практичний матеріал, накопичений на той час органічною хімією. Німецькі хіміки Штаудінгер, Фішер, Меєр та Френсіс вивчали природу полімерів та способи їх отримання.

ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО
ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО ПРОДОВОЛЬЧИХ ТОВАРІВ
ЧИТАТИ ПРО ІСТОРІЮ РОЗВИТКУ ТОВАРОЗНАВСТВА У ЛЬВОВІ

Браузер не бачить рисунок або формулу?! Скачайте реферат:
Скачати реферат “Полімерні матеріали”

Звичайно, низькомолекулярні сполуки існували задовго до пізнання їх будови – це природні полімери, отриманих за допомогою бактерій, грибків, водоростей, рослин, тварин або в клітках організму людини. Целюлоза, що входить до складу рослин, крохмаль, накопичений рослинами, геноми ДНК, хітозан, колаген, шовк, каучук, казеїн – ось лише деякі приклади природних полімерів. Деревина, кістка, зуби можуть бути класифіковані як передові та досі не перевершені за поєднанням своїх властивостей композиційні полімери.

Перший повністю синтетичний полімер отримав бельгійський хімік Лео Хендрік Баекелана у 1909 році. Це був матеріал на основі фенолформальдегідної смоли, названий бакелітом, який мав дуже добрі ізоляційні властивості. У 1912 році німецький хімік Фріц Клатте розробив промисловий метод отримання полівінілхлориду.

Значний прогрес у розвитку полімерів розпочався у 30-х роках ХХ століття, що було пов’язано з винайденням методів переробки нафтопродуктів. Так, наприклад, було розроблено такі матеріали, як полістирол, поліамід, синтетичні волокна (нейлон, капрон) та багато інших. Комерційне виробництво таких матеріалів дозволяло економити натуральну сировину та здешевшувати вартість товарів. Полімерні матеріали почали використовувати у машинобудуванні, медицині, оптиці, для виготовлення предметів побутового вжитку, взуття та одягу. У 1953 році General Motors впровадив на ринок новий «шевроле корвет», корпус якого виготовлений з армованого скловолокна. Відтоді полімерні композити зі скловолокном використовують у кожній новій генерації «шеврове».

Про Рідкісноземельні метали (РЗМ) читайте за посиланням

Згодом полімерні матеріали знайшли застосування майже у всіх галузях. Сучасні літако- та ракетобудування широко використовують полімерні матеріали завдяки поєднанню їх механічних, фізичних та хімічних властивостей. Навіть для виготовлення костюмів для космонавтів використовують шарові тканини, виготовлені з нейлону, поліаміду, політерефталану етилену, дроту тефлону, поєднаних між собою синтетичним каучуком неопреном.

Виробництво пластмас зростає з року в рік. Якщо у 1976 р. у всьому світі було випущено 20 млн тонн пластмас, то у 2013 р. було виготовлено приблизно 350 млн тонн пластмаси. До найважливіших штучних полімерів, які виготовляють у світі, належать: поліетилени (PE-LD, PE-LLD, PE-HD), поліпропілен (РР), полівінілхлорид (PCW), полістирол (PS, EPS), поліуретан (PUR) та політерефталан етилену (РЕТ). Головним сектором використання полімерів на теперішній час є такі галузі, як упакування, будівництво, машинобудування, електроніка та електротехніка. У табл. 1.75 наведено етапи відкриття штучних полімерів.

За способом отримання полімери можна поділити на:

− синтетичні полімери (наприклад, поліетилен, що виготовляють з продуктів нафтопереробки або біополіетилен, що виготовляють у процесі ферментаціїї цукрового очерету);

− натуральні полімери (біополімери) (наприклад, натуральний каучук, білки, нуклеїнові кислоти (ДНК, РНК), полісахариди – крохмаль і целюлоза);

− модифіковані полімери – натуральні або синтетичні, структура яких була змінена шляхом фізичної або хімічної модифікації.

Основною сировиною для виробництва полімерів є сира нафта та продукти нафтопереробки. Пластмасова промисловість використовує цю сировину дуже економно, тільки близько 4% від світового виробництва сирої нафти використовується для виробництва цих матеріалів.

Таблиця 1.75

Етапи відкриття штучних полімерів [1]

 

Назва матеріалу

Винахідник матеріалу

Рік

Країна

Фірма

-

Гума

Гудеа С.

1839

США

-

NC

Азотан целюлози (паркесина, ксилоніт)

Паркес А.

1862

Англія

Parkesine Company

-

Целулоїд

Хіатт Д.

1870

США

Albany Dental Punt

PF

Фенопласт (бакеліт)

Бакеланд Л.

1909

США

General Backelite

PCW (PVC)

Полівінілхлорид

Клатт Ф.

1912

Німеччина

BASF

PMMA

Поліметакрилан метилу (плексиіглас)

Ром О.

1927

Німеччина

Rohm I Hass

PS

Полістирен

-

1930

Німеччина

BASF

РЕ

Поліетилен

Фавсетт Е., Гібсон Р.

1933

Англія

І.С.І.

UP

Поліестрова смола

Еліс С.

1936

США

American Cyanamid

PUR

Поліуретан

Баєр О.

1937

Німеччина

Bayer

EP

Епоксидна смола

Кастан П.

1938

Швеція

-

РА 6,6

Поліамід 6,6 (нейлон)

Каротерс В.

1941

США

DuPont

PET

Політерефталан етилену

Уїнфілд Д.

1941

Англія

Calico Printers’ Association

SI

Силікон

Варрік Е.

1941

США

General Electric

PTFE

Політетрафлуороетилен (тефлон)

Планкет Р.

1943

США

DuPont

РОМ

Поліоксиметилен

МакДоналд Р.

1953

США

DuPont

РР

Поліпропілен

Натта Д.

1957

Франція

Montecatini

PW (PC)

Полівеглан

Фокс Д.

1953

Німеччина, США

Bayer, General Electric

 

 

Крім того сировина може містити вугілля, природний газ, азот, водень і вапняк або солі. Загалом у виробництві полімерів частка продуктів переробки нафти, супутнього і природного газу становить близько 90%, частка продуктів переробки вугілля – 9 – 10%. При цьому вартість сировини у собівартості виробництва становить 70 – 80%.

Крім нафтохімічних полімерів є біологічні полімери, які отримують з відновлюваної сировини. Сьогодні кількість таких полімерів становить лише 1% від усього ринку полімерів. Рослинна сировина є важливою альтернативою нафти, поклади якої неперервно виснажуються. Біологічні полімери, одержувані в даний час на основі деревних компонентів та однорічних рослин, що містять крохмаль (картопля, кукурудза, пшениця, рис) і целюлозу. Також такі матеріали можуть бути отримані за допомогою деяких бактерій, грибів та водоростей.

Отже, полімери – це природні та штучні сполуки, молекули яких складаються з великої кількості повторюваних однакових або різних за будовою атомних угруповань, з'єднаних між собою хімічними або координаційними зв'язками у довгі лінійні або розгалужені ланцюги.

Типові молекули синтетичних полімерів складаються з великої кількості невеликих фрагментів, що мають назву елементарних ланок.

Залежно від кількості (m) типів таких ланок розрізняють: гомополімери (полімери, m=1)  та гетерополімери (сополімери, m≥2) [2].

Елементарна ланка_полімерні матеріали
Елементарна ланка_полімерні матеріали

Більшість полімерів синтезовано з ненасичених вуглеводнів (реакція полімеризації), їх полімерний ланцюг складається з атомів вуглецю, такі полімери мають назву карболанцюгових.

Полімери, утворені в результаті реакції між функціональними групами (реакції поліприєднання або поліконденсації – реакції, що супроводжуються утворенням низькомолекулярних сполук), називають гетероланцюговими – їх полімерний ланцюг містить гетероатом (О,N,S) між ланками з вуглеводнів.

Для утворення полімерного ланцюга необхідно, щоб функціональність (кількість активних центрів, що беруть участь у реакції) молекули була ≥2, отже, мономери – це сполуки, що мають функціональність ≥2. Активними центрами в макромолекулярній хімії можуть бути: подвійні зв'язки (реакція полімеризації – утворюються карболанцюгові полімери), нестійкі цикли (капролактам, окис етилену – реакція поліприєднання – утворюються гетероланцюгові полімери), функціональні групи – СООН, –NН2, –ОН (реакція поліконденсації – утворюються гетероланцюгові полімери).

Елементарна ланка полімеру, синтезованого з ненасиченого мономера, збігається із залишком мономера.

Мономер (М) _Мономерна ланка ( М )
Мономер (М) _Мономерна ланка ( М )

Добре відомі полімери мають такі групи замінників X та У:

−  поліетилен                                      Х=Н; Y=Н

− поліпропілен                                   Х=Н; Y=СН3

− полістирол                                      Х=Н; Y=С6Н5

− поліакрилонітрил                            Х=Н; Y=СN

− поліметилстирол                            Х=СНз; Y=С6Н5

− поліметакрилова кислота               Х=СН3;Y=СООН

Класифікація полімерів базується на таких ознаках:

−         за хімічним складом (органічні, неорганічні, елементоорганічні);

−         за походженням (природні, синтетичні, штучні);

−         за формою макромолекули (лінійні, розгалужені, стрічкові, драбинкові, просторові, сітчасті, тривимірні (рис.1.88);

−         за реакцією на нагрівання (термопластичні, термореактивні);

−  за природою атомів полімерного ланцюга  (карбо-,  гетероланцюгові);

−  за кількістю елементарних ланок полімерного ланцюга (полімер, гомополімер);

−  за фазовим станом (аморфні, кристалічні);

−  за полярністю (полярні, неполярні).

Незалежно від виду, складу вихідних речовин та способів отримання матеріали на основі полімерів можна класифікувати на:

− пластмаси;

− волокнити;

− шаруваті пластики;

− плівки;

− покриття;

         − клеї.

 

Можливі форми макромолекул полімерів
Можливі форми макромолекул полімерів

На відміну від низькомолекулярних сполук властивості полімерів значною мірою визначаються формою (архітектурою) макромолекул. Маючи велику молекулярну масу, вони не можуть переходити в газоподібний стан, при нагріванні утворювати в’язкі рідини або зовсім розм’якшуватись, легко розчинятися.

Полімери характеризуються еластичністю (каучуки), малою крихкістю (пластмаси, органічне скло), здатністю макромолекул до орієнтації за дії спрямованого механічного поля, високою в’язкістю розчину за малої концентрації полімеру, розчинністю після стадії набухання, здатністю різко змінювати свої фізико-механічні властивості при дії малої кількості реагента. Полімери можуть перебувати у склоподібному, високоеластичному або в’язко-рідкому стані.

Зі зміною температури лінійний або розгалужений полімер може переходити з одного фізичного стану в інший. Із підвищенням температури полімери розм’якшуються і стають дуже пластичними.

Механічні властивості полімерів залежать не тільки від їх будови та температури, але і від часу експлуатації та докладеного навантаження. При дії докладених напружень відбувається як розпрямлення та розкручування ланцюжків макромолекул, так і їх переміщення.

Полімерам властиве явище старіння – зміна фізико-механічних властивостей, спричинена різними хімічними реакціями (окиснення, утворення вільних радикалів, деполімеризація з одиничними розривами ланцюжків), які проходять у полімері. Старіння може відбуватися унаслідок дії тепла, озону та атмосфери протягом тривалого часу. Якщо при цьому докладаються механічні навантаження, то процес старіння пришвидшується. Для уповільнення та запобігання явищу старіння до складу полімерів вводять антиоксиданти.

При дії іонізуючого випромінювання у полімерах відбувається явище іонізації та порушення, що супроводжується розривом хімічного зв’язку й утворенням вільних радикалів. Для підвищення стійкості полімерів до дії іонізуючого випромінювання до їх складу вводять антирадикали.

Пластмаси: основні поняття і класифікація. Пластмаси – це штучні матеріали, які одержують на основі органічних полімерів. Основними інгредієнтами, що входять до складу пластмас, є:

− наповнювачі – для підвищення міцності, твердості, в’язкості, хімічної стійкості та поліпшення інших властивостей пластмас;

− пластифікатори – для поліпшення технологічних та експлуатаційних властивостей;

− стабілізатори – для підвищення стійкості пластмас до впливу різних факторів, які сприяють розпаданню полімеру;

− антистатики;

− агенти – для зшивання молекули полімеру у сітку;

− барвники;

− за потреби речовини, що змащують, прискорюють твердіння, поліпшують антифрикційні або фрикційні властивості.

Пластмаси, отримані на основі термопластичних полімерів, називають термопластичними, або термопластами, а отримані на основі термореактивних смол – термореактивними, або реактопластами.

Термопласти випускають як без наповнювача (поліетилен, органічне скло), так і з наповнювачами у вигляді мінеральних і синтетичних волокон (органопласти).

Термореактивні полімери після твердіння та переходу в термостабільний стан крихкі, тому вони, в основному, не мають самостійного застосування, а використовуються як сполучні (матриці) при одержанні полімерних композиційних матеріалів.

Загальними особливостями пластмас є мала густина (до 2·103 кг/м3), низька теплопровідність (0,1-0,3 Вт/(мК), добрі електроізоляційні властивості, висока хімічна стійкість, фрикційні та антифрикційні властивості, значне теплове розширення. Міцність силових пластиків порівнянна з міцністю сталі і вище. Пластмаси мають добрі технологічні властивості. Недоліками пластмас є невисока теплостійкість, низькі модулі пружності порівняно з металами, а деяких – схильність до старіння.

Ненаповнені термопласти. В основі термопластів лежать полімери з лінійною або слаборозгалуженою структурою. Вони можуть піддаватися повторній переробці при нагріванні. Менш термостійкі термопласти вже при 60-70°С різко знижують свої фізико-механічні властивості, більш теплостійкі структури можуть працювати до 150-250°С, а термостійкі із твердими ланцюгами та циклічними структурами стійкі до 400-600°С. При тривалому статичному навантаженні в термопластах з'являється вимушено-еластична деформація і міцність знижується. Зі збільшенням швидкості деформування не встигає розвиватися високоеластична деформація і з'являється твердість, іноді навіть крихке руйнування. Більш міцними і твердими є кристалічні полімери. Границя міцності термопластів становить 10-100Мпа, модуль пружності (1,8-3,5)103 МПа. Вони добре протистоять втомі, їхня довговічність вища, ніж металів.

Неполярні термопласти. Поліетилен (–СН2–СН2–)n – продукт полімеризації газу етилену. Залежно від умов одержання поліетилен має різний ступінь кристалічності (від 55 до 95%) і різну густину. Чим вищі густина та кристалічність поліетилену, тим вищі міцність і теплостійкість матеріалу. Довгостроково поліетилен можна застосовувати в інтервалі температур від –   70°С і до 60–100°С. Поліетилен хімічно стійкий і при нормальній температурі не розчиняється у жодному з відомих розчинників. Недоліком поліетилену є його схильність до старіння. Для захисту від старіння у поліетилен додають стабілізатори та інгібітори (2–3% сажі сповільнюють процеси старіння у 30 разів). Під дією іонізуючого випромінювання поліетилен твердіє: набуває більшої міцності і теплостійкості. Застосовують для виготовлення труб, литих і пресованих несилових деталей, плівок. Він служить покриттям на металах для захисту від корозії, вологи, електричного струму.

Поліпропілен (–СН2–СНСН3–)n – твердий, хімічно стійкий, нетоксичний матеріал, що зберігає форму до температури 350°С. Поліпропіленові плівки і волокна міцні й еластичні. Недоліками поліпропілену є його невисока морозостійкість (від -10 до -20°С) і схильність до старіння. Поліпропілен застосовують для виготовлення труб, конструкційних деталей автомобілів, холодильників, корпусів насосів, різних місткостей та ін. Плівки використовують для того, що й поліетиленові.

Полістирол (–СН2–СНС6Н5–)n – твердий, прозорий, аморфний полімер, що добре фарбується та розчиняється у бензолі. Недоліками полістиролу є його невисока теплостійкість, схильність до старіння та утворення тріщин. З полістиролу виготовляють деталі для радіотехніки і приладів, деталі машин, посудини для води та хімікатів, плівки для електроізоляції.

Фторопласт-4 (фторлон-4) політетрафторетилен (–CF2–CF2–)n є аморфно-кристалічним полімером (ступінь кристалічності від 45 до 85%). Тривалий час може працювати при температурі 260ºС і руйнується при температурі вище 435°С. Аморфна фаза має високу еластичність, що зберігається навіть при температурах, близьких до нуля. Фторопласт-4 стійкий до дії розчинників – кислот, лугів, окислювачів, а руйнується тільки під дією розплавлених лужних металів і елементарного фтору. Він має дуже низький коефіцієнт тертя (μ=0,04), що не залежить від температури. Фторопласт-4 не переходить у в'язко-текучий стан, що утруднює виготовлення виробів з нього звичайними методами. Недоліком фторопласту-4 є виділення токсичного фтору при високій температурі. Застосовують для виготовлення труб, вентилів, кранів, насосів, мембран, ущільнювальних прокладок, манжет, сифонів, електро-радіотехнічних деталей, антифрикційних покриттів на металах (підшипники, втулки). З його різновиду (фторопласт-42) виготовляють волокно та плівку фторлон. Фторлонова тканина не горить, хімічно стійка. Її застосовують для місткостей, рукавів, спецодягу, діафрагм тощо.

Полярні термопласти. Фторопласт-3 (фторлон-3) – політрифторхлоретилен (–CF2–CFCl–)п. Введення атома хлору порушує симетрію ланок макромолекул, тому матеріал стає полярним, діелектричні властивості знижуються, але з'являється пластичність і полегшується його переробка на вироби. Фторопласт-3, повільно охолоджений після формування, має кристалічність близько 80-85%, а загартований – 30-40%. Інтервал робочих температур – від 105 до 70°С. Стійкий до дії кислот, окислювачів, розчинів лугів і органічних розчинників. Модифікований політрифторхлоретилен – фторопласт-3М має більшу теплостійкість (робоча температура 150-170°С), він більш еластичний і легше формується, ніж фторопласт-З. Використовують як низькочастотний діелектрик, крім того, з нього виготовляють труби, шланги, клапани, насоси, захист покриття металів та ін.

Органічне скло – це аморфний термопласт на основі складних ефірів акрилової та метакрилової кислот, прозорий у видимому та ультрафіолетовому діапазонах. Має густину 1,18·103 кг/м3 (що вдвічі менше густини силікатного скла), високу стійкість до дії розведених кислот і лугів, вуглеводневих палив. При температурі 80°С органічне скло починає розм'якшуватися. Його старіння у природних умовах проходить повільно. Недоліком є невисока твердість. Підвищення термостійкості та властивостей міцності органічного скла досягається орієнтуванням, а полімеризацією з іншими полімерами одержують частково зшиту структуру (термостабільне скло). Органічне скло використовують у літакобудуванні, автомобілебудуванні. З нього виготовляють світлотехнічні деталі, оптичні лінзи та ін.

Полівінілхлорид (–СН2–CHCl–)n – аморфний полімер, що має високі електроізоляційні властивості і не підтримує горіння. Непластифікований твердий полівінілхлорид називається вініпластом. Вініпласт має високу міцність і пружність. З нього виготовляють труби, деталі вентиляційних установок та теплообмінників, захисні покриття для металу, лицювальні плитки. Його недоліками є низька міцність і низька робоча температура (60–70°С), крихкість при низьких температурах. При введенні пластифікатора одержують поліхлорвініловий пластикат, що має морозостійкість до -50°С і температуру розм'якшення 160–195°С. Він застосовується для ізоляції проводів і кабелів, ущільнювальних прокладок.

Поліаміди – це пластмаси (капрон, нейлон, анід та ін.) із загальною формулою (–NH–CO–(CH2)m–NH–CO–(CH2)m–), де метиленові групи (–CH2–) повторюються від 2 до 10 разів. Між групами СО і NН, які належать різним ланцюжкам, виникає водневий зв'язок, що сприяє утворенню регулярної структури та підвищує температуру плавлення до 210–264°С. При одноосьовій орієнтації утворюються поліамідні волокна, нитки, плівки.

Поліаміди мають низький коефіцієнт тертя (μ<0,05). Вони удароміцні та здатні поглинати вібрацію, стійкі до лугів, бензину, спирту. Недоліками поліамідів є деяка їх гігроскопічність та схильність до старіння внаслідок окислення при переробці. З поліамідів виготовляють шестірні, втулки, підшипники, болти, гайки, шківи тощо.

Поліуретани містять уретанову групу (–NН–СОО–). Залежно від вихідних речовин, застосовуваних при одержанні поліуретанів, вони можуть мати різні властивості; бути твердими, еластичними й навіть термореактивними. Властивості поліуретану близькі до властивостей поліамідів. Ділянка їх робочих температур від – 70°С до 170°С. З поліуретану одержують малогігроскопічні і хімічностійкі плівки та волокна.

Поліетилентерефталат (лавсан, майлар, терілен) – складний поліефір. Лавсан є кристалічним полімером, при швидкому охолодженні розплаву можна одержувати аморфний полімер, що при нагріванні понад 80°С починає кристалізуватися. Температура плавлення лавсану 255-257°С, морозостійкість до -70°С. Він є діелектриком і має високу хімічну стійкість. З лавсану виготовляють шестірні, кронштейни, канати, ремені, тканини, плівки, волокна та ін.

Полікарбонат (дифлон) – складний поліефір вугільної кислоти. Це кристалічний полімер, якому при плавленні й подальшому охолодженні можна надати аморфну структуру. Такий матеріал стає склоподібним і прозорим. Полікарбонату властиві гнучкість й одночасно міцність і твердість у великому діапазоні температур. Полікарбонат хімічно стійкий до розчинів солей, розведених кислот і лугів, мастил; руйнується мідними лугами. З полікарбонату виготовляють гнучкі і міцні плівки, шестірні, підшипники, авто- та радіодеталі. Його використовують у кріогенній техніці для роботи в середовищі рідких газів.

Поліарилати – складні гетероланцюгові поліефіри. Їм властиві висока термічна стійкість і морозостійкість (до -100ºС), добрі показники міцності, хімічної стійкості, антифрикційні властивості. Поліарилати використовуються для виробництва підшипників, що працюють у вакуумі без застосування мастильного матеріалу, а також як ущільнювальні матеріали в буровій техніці.

Пентапласт є хлорованим простим поліефіром. Він повільно кристалізується. Міцність пентапласту близька до міцності вініпласту, але він витримує температуру 180°С і добре формується. Пентапласт нехолодотекучий, стійкий до стирання, має задовільні електроізоляційні властивості, водостійкий. За хімічною стійкістю він займає проміжне місце між фторопластом і вініпластом. З пентапласту виготовляють труби, клапани, деталі насосів і точних приладів, місткості, плівки та захисні покриття на металах.

Поліформальдегід – простий поліефір – лінійний полімер, що має в ланцюзі кисень (–СН2–О–)п. Підвищена кристалічність (75%) і надзвичайно щільне упакування кристалів дають поєднання таких властивостей, як твердість, висока ударна в'язкість і пружність. Температурний інтервал застосування полімеру – від -40 до 130°С, він водостійкий, стійкий до дії мінеральних масел і бензину. Поліформальдегід використовують для виготовлення зубчастих передач, шестерень, підшипників, клапанів, деталей автомобілів тощо.

Термостійкі пластики. У цих полімерах феніленові ланки чергуються із гнучкими ланками (амідними, сульфідними й ін.). Температура їх експлуатації досягає 400°С. Крім полімерів із гнучкими ланками, є полімери із твердими ланцюгами, у які вводять стійкі гетероцикли. Циклічні структури стійкі до 600°С і вище.

Практичний інтерес мають ароматичні поліаміди, поліфеніленоксид, полісульфон і гетероциклічні полімери – поліаміди, полібензімідазоли.

Ароматичний поліамід – фенілон – містить фенільні радикали, з'єднані групами –NН–СО–. Це лінійний гетероланцюговий полімер, здатний кристалізуватися та довгостроково працювати при температурі 250–260ºС (tпл=430°С). Фенілон морозостійкий (навіть при температурі рідкого азоту), має підвищену радіаційну, хімічну стійкість та зносостійкість. З фенілону виготовляють підшипники, ущільнювальні деталі, зубчасті колеса, радіодеталі. З нього одержують плівки, волокна, папір (номекс).

Арилокс-поліфеніленоксид – простий ароматичний поліефір, аморфний, важко кристалізується, за термічною стабільністю поступається фенілону. Його можна довгостроково застосовувати при температурах 130–150°С. Має високу хімічну стійкість, низьке водопоглинання, гарні фізико-механічні характеристики. З поліфеніленоксиду виготовляють деталі устаткування, хірургічні інструменти, ізоляцію на високочастотних установках.

Полісульфон – простий ароматичний поліефір, у макромолекулах якого між феніленовими групами є ланки –SO2– (підвищують стійкість до нагрівання), групи –О–, –С(СН3)2– (зменшують жорсткість). Це аморфний полімер. Матеріал термічно стабільний, хімічно стійкий, за механічними властивостями близький до поліфеніленоксиду. Полісульфон застосовують у вигляді плівок, литих виробів і покриттів для експлуатації при температурі від   -100 до 175°С (в інертній атмосфері до 400°С). З нього виготовляють деталі автомобілів, верстатів, побутових машин, електротехнічних виробів.

Полііміди – ароматичні гетероциклічні полімери. Ланцюг макромолекул містить амідні цикли та ароматичні ядра, з'єднані гнучкими зв'язками                – О–, –СО–. Залежно від структури полііміди можуть бути термопластичними та термореактивними. Найбільше практичне застосування одержали лінійні полііміди. Полііміди відрізняються високими механічними та електроізоляційними властивостями, широким діапазоном робочих температур (від -200 до 300°С), стійкістю до радіації. На їх основі одержують плівки, що за міцністю не поступаються лавсановим. Вони стійкі до дії розчинників, мастил, слабких кислот, руйнуються при тривалому впливі киплячої води та водяного пару, можуть довгостроково працювати у вакуумі при високих температурах. Полііміди мають високі механічні властивості, стійкі до стирання, мають низький коефіцієнт тертя. Їх використовують як матеріал конструкційного, антифрикційного та електроізоляційного призначення.

Полібензимідазоли є ароматичними гетероциклічними полімерами. В основному ланцюзі макромолекул містяться бензимідазольні цикли. Полімери можуть мати кристалічну або аморфну будову, бути термопластичними та термореактивними. Зшита структура виникає при введенні агентів, що зшивають. Полібензимідазоли мають високу термостійкість (температура розкладання на повітрі 300–600ºС), добрі діелектричні властивості та міцність.

Волокна вогнестійкі та термостійкі. Полібензимідазоли застосовують у вигляді плівок, волокон, тканин для спеціальних костюмів. Композити на основі полібензимідазолів можуть використовуватися як абляційні термозахисні матеріали. Одержують також композитні антифрикційні матеріали, що мають високу термостійкість і самозмащувальні властивості.

Газонаповнені пластмаси. Газонаповнені пластмаси складаються із твердого полімеру сполучного, який утворює стінки комірок або пор, наповнених газом-наповнювачем. Використовують як термореактивні, так і термопластичні полімери. Така структура обумовлює надзвичайно малу густину і високі теплозвукоізоляційні характеристики. Газонаповнені пластмаси поділяють на пінопласти, поропласти та стільникопласти.

Пінопласти – матеріали, де газоподібні наповнювачі ізольовані один від одного тонкими шарами полімеру. Загальна густина пінопластів коливається від 20 до 300 кг/м3. Замкнено-пориста структура забезпечує добру плавучість і високі теплоізоляційні властивості. Коефіцієнт теплопровідності низький (від 0,003 до 0,007 Вт/ м•К). Міцність пінопластів невисока і залежить від густини матеріалу.

Найбільш поширеними термопластичними пінопластами є пінополістирол і пінополівінілхлорид, які можуть використовуватися при температурах – 60°С. Термореактивні пінопласти на основі фенолоформальдегідної смоли та фенолокаучукові працюють до температур 120–160оС, а пінопласт на кремнієорганічній основі короткочасно витримує температуру 300оС. Застосовують для теплоізоляції приміщень, холодильників, труб, для додавання плавучості. Пінопласт, як легкий заповнювач, підвищує питому міцність, твердість і вібростійкість конструкцій. М'які й еластичні пінопласти застосовують для амортизаторів, м'яких сидінь, губок.

Пінопласти застосовують для теплоізоляції кабін, контейнерів, приладів, холодильників, рефрижераторів, труб тощо. У будівництві їх використовують під час виробництва важкозатоплюваних виробів, а в радіо- і електронній техніці для заливання деталей, тому що пінопласт підвищує питому міцність, твердість і вібростійкість силових елементів конструкцій.

У поропластах (губчастих матеріалах) з відкритою пористою структурою газоподібні включення вільно сполучені одне з одним і навколишньою атмосферою. Унаслідок такої структури вони мають значне водопоглинання.

Поропласти при звичайних температурних умовах мають добре звукопоглинання, так, наприклад, пористий поліуретан (поролон) щільністю 30–75 кг/м3 при товщині 50 мм має коефіцієнт звукопоглинання 0,9 на частоті 500 Гц. Поролон застосовують під час виготовлення амортизаторів, м'яких сидінь, а в будівництві – у вигляді плит і шкарлуп для утеплення стін і покриттів, теплоізоляції промислового устаткування й трубопроводів при температурах до 60°С.

Стільникопласти виготовляють із тонких гофрованих листових матеріалів (різні тканини, просочені фенолоформальдегідним, поліімідним або іншим сполученням), які склеюють у вигляді стільникової структури. Стільникопласти використовують як легкі заповнювачі в панелях, що складаються із шарів стільникопластів та приклеєної до них несучої обшивки. Стільникопласти мають високі теплоізоляційні та електроізоляційні властивості. Їх застосовують для виготовлення панелей в авіа- і суднобудуванні, для несучих конструкцій, при створенні зовнішнього теплозахисту та теплоізоляції космічних кораблів, посудин у кріогенній техніці, в антенних обтічниках літаків та ін.

Застосування полімерів. Відносно невелика густина пластмас спричиняє те, що вироби з них є надзвичайно легкими. Пластмаси виявляють досконалі термо- й електроізоляційні властивості, а деякі полімери, навпаки, можна застосовувати як електропровідники. Полімери стійкі до різних корозивних середовищ, які зумовлюють корозію багатьох інших матеріалів. Деякі пластмаси прозорі, завдяки чому їх можна використовувати у виробництві оптичних пристроїв. Пластмасам легко надавати різноманітної бажаної форми, а також з’єднувати з іншими матеріалами. Якщо ж властивості пластмаси не відповідають певним вимогам, їх можна модифікувати, застосовуючи різного виду додатки, наприклад, зміцнювальними наповнювачами, пігментами, пластифікаторами, засобами спінювання.

Виняткова різнобічність пластмас дозволяє застосовувати їх щораз частіше у будівництві, транспорті, електричній і електронній промисловості, сільському господарстві, медицині чи спорті. Можливості їх застосування практично не обмежені. Вони є матеріалами, що дозволяють розв’язувати проблеми відповідно до різноманітних ужиткових потреб, становлять практично не обмежене джерело інновацій у різних секторах промисловості та життєдіяльності.

Протягом багатьох років люди використовували вживані матеріали для виробництва нових виробів. Це пов’язано з малим промисловим виробництвом. Прикладом можуть бути мечі, перековані на орала. Також більшість збудованих у Європі у Х та ХІ столітті церков було зведено на фундаментах попередніх конструкцій V–VI сторіч. Лише промислова революція ХІХ сторіччя, і, зокрема, можливості синтезу матеріалів і виробництва полімерів у ХХ столітті зумовили різке зростання відходів і скорочення циклу придатності продуктів.

Важливим елементом розвитку полімерних матеріалів є нешкідливість сировини на кожному етапі виробництва, переробки й утилізації. У наш час щораз більшу вагу звертають на екологічний візерунок матеріалу, зокрема на використання полімерних відходів, а також відновлюваної сировини рослинного походження.

Проектування і вибір матеріалів мають бути реалізовані з урахуванням кінцевого етапу їх циклу життя. Тобто шляхом вказання способу розпаду, рециклювання або утилізації. Частина біопохідних пластмас можуть підлягати біодеградації, тобто розпаду під впливом ензиматичної дії організмів протягом короткого часу. Застосування біодеградованих матеріалів – це розв’язання проблем утилізації відходів через швидку й екологічну утилізацію в процесі компостування. Збільшення сортаменту пластмасових виробів та винаходження нових композицій для виготовлення пластмас зумовлює нагромадження великої кількості відходів як у формі вжитих виробів, так і у вигляді технологічних відходів чи упаковок. Велика кількість відходів із пластмас, а також їх різноманітність, утруднюють їх повторне використання у вигляді сировини чи матеріалів.

Тому виробники пластмас, які створюють або можуть створювати відходи, повинні таку діяльність планувати, проектувати і виконувати так, щоб:

− запобігати утворенню відходів або обмежувати їх кількість і негативну дію на середовище при виробництві виробів, під час і після завершення їх використання;

− забезпечувати відновлення згідно з принципами охорони середовища, якщо не вдалося запобігти утворенню відходів;

− забезпечувати знешкодження відходів згідно з принципами охорони середовища, утворенню яких не вдалося запобігти або не вдалося їх переробити.

До сучасних технологій, метою яких є забезпечення рециклювання полімерних матеріалів, належать:

− матеріальна переробка матеріалів відпрацьованих виробів;

− переробка сировини термічними і хімічними методами;

− використання відходів як палива (термічна переробка);

− компостування виробів з полімерів, що деградують;

− проектування виробів, що полегшує їх подальшу переробку;

− радіаційна обробка.

Матеріальна переробка, або механічна, полягає у безпосередній переробці відходів без застосування хімічних процесів, з отриманням матеріалу, який буде використовуватись як повновартісна сировина для подальшої переробки. Отримані вироби можуть бути додатковою сировиною для нових виробів. Важливою умовою ефективності застосування цього методу є правильна сегрегація відходів як комунальних, так і промислових. Наприклад, при демонтажі автомобілів це може бути полегшено правильним маркуванням виробів згідно зі стандартами ІSO 1043. Таке маркування – це знак, що становить замкнений цикл, що означає систему «cтворення – застосування – утилізація» з вказанням матеріалу, з якого виготовлений виріб (рис. 1.89).

При утилізації вторинної полімерної сировини з метою створення маловідходних технологій та зниження навантаження на довкілля особливу роль в організації збору вибулих з ужитку полімерів та їх сортуванні має екологічне маркування. Європейський Союз ще не має єдиного уніфікованого екомаркування. Екологічне маркування, що наноситься на полімерну упаковку, зараз поділяють на групи. Наприклад, до знаків, що означають ступінь екологічності товару та упаковки відносять: «Голубий ангел» (Німеччина), «Білий лебідь» (скандинавські країни), «Еко-знак» (Японія), а також екологічні знаки різних фірм, що виготовляють товари і хочуть зробити свій внесок в охорону довкілля (рис. 1.90). Право на використання цих знаків проводиться на конкурсній основі або через продаж, що є вагомою фінансовою основою для багатьох виробників.

Приклади маркування полімерних виробів
Приклади маркування полімерних виробів

Знаки екологічного продукту
Знаки екологічного продукту

Деякі знаки закликають до збереження природного середовища          (рис. 1.91). Їх наносять на упакування товарів загального вжитку.

Знаки, що закликають берегти довкілля
Знаки, що закликають берегти довкілля

Для позначення виробів, що несуть небезпеку для морської флори та фауни при перевезенні їх морськими шляхами, або є небезпечними для навколишнього середовища законодавством ЄС розроблена окрема група знаків (рис. 1.92).

 

Знаки, що вказують на набезпеку для довкілля
Знаки, що вказують на набезпеку для довкілля

В Україні екомаркування не набуло ще широкого застосування. Але в останні роки все більше виробників на своїй продукції застосовує зображення екологічних знаків, що супроводжуються відповідними написами. Це значно розширює знання користувачів про продукцію і полегшує переробку використаних упаковок.

Сировинна переробка полягає у деградації макрочастинок на фракції з меншою частинковою масою (наприклад, методами гідролізу, алкоголізу, сольволізу), які можуть бути повторно використані як мономери або сировина для виготовлення інших або таких самих хімічних продуктів, з яких їх отримали. Такій переробці можуть підлягати полімерні композити незалежно від виду використаного полімеру, наповнювачів або домішок. Цей метод не потребує початкової сегрегації відходів, їх миття або усунення інших органічних речовин. Проте істотно обмежує у поширення цієї групи методів переробки необхідність застосування складних установок високих температур і тиску, каталізаторів і докладний контроль параметрів переробки.

Одним із перспективних методів переробки використаних полімерних матеріалів є піроліз. Під час цього процесу матеріал підлягає термічному розпаду за відносно низької температури в закритій камері печі у захисній атмосфері, наприклад, в азоті. Температури й умови спалювання вибирають таким чином, щоб полімерна матриця розклалася на олію та газ, а волокно, у разі композиційних матеріалів, лишилося неушкодженим.

Форсованим способом знищення полімерних відходів з використаних виробів з полімерів є їх радіаційна обробка. Необхідний результат при цьому досягають при використанні гамма-випромінювання, нейтронів та бета-частинок, енергія яких значно перевищує енергію хімічних зв’язків макромолекул. При радіодеструкції полімерів утворюються високомолекулярні й олігомерні вільні радикали, що легко взаємодіють з киснем повітря, ініціюючи ланцюгові реакції фото- та термоокислювальної деструкції. Це приводить до руйнування полімерів.

Істотною перевагою термопластичних пластмас і композиційних матеріалів, що містять натуральні волокна, є можливість їх легкої утилізації порівняно з композитами зі скляним або вугільним волокном. Унаслідок дії на полімерні матеріали різних факторів природного та техногенного характерів макромолекула розпадається на низькомолекулярні продукти, такі, як спирти, ефіри, кислоти і карбонільні сполуки, які потім природним способом залучаються до природних та біологічних циклів кругообігу речовини, при цьому не завдаючи шкоди навколишньому середовищу. З точки зору енергетичної вартості такого процесу теплоти спалювання біополімерів, петрохімічних полімерів та традиційних палив приблизно на одному рівні   (рис. 1.93).

 

Теплота спалювання полімерів порівняно з традиційними полімерами і паливами
Теплота спалювання полімерів порівняно з традиційними полімерами і паливами

Полімери з несегрегованих або забруднених комунальних відходів є специфічним паливом, яке дозволяє утилізувати відходи з макулатури, упакування, текстилю і навіть скла. Це вказує на потребу будування в Україні багатьох підприємств термічної утилізації відходів.

Проблема переробки полімерних матеріалів також може бути розв’язана шляхом проектування виробів, яке полегшуватиме їх подальшу переробку. Раніше при проектуванні і виробництві виробів брали до уваги такі критерії, як, безпека, функціональність, конкурентоспроможність і зовнішній вигляд. Зараз перед конструкторами ставлять додаткові вимоги:

− заощадження матеріалів і енергетична ефективність переробки;

− уникнення виготовлення і використання виробів із сумішей багатьох матеріалів;

− простий спосіб монтажу і демонтажу елементів конструкцій;

− вибір відповідного матеріалу з точки зору наступної переробки;

− відповідне маркування виробів;

− застосування в одній конструкції сумісних полімерів для полегшення наступної матеріальної переробки;

− збільшення часу життя виробів шляхом підвищення їх якості;

− застосування матеріалів з відновлюваної сировини;

− проектування матеріалів, при виробництві яких нема шкідливих виділень.

Одним із найголовніших завдань переробки є мінімалізація відходів виробництва. Спосіб монтажу конструкцій повинен забезпечувати її легкий і швидкий демонтаж. Відповідно обрана технологія з’єднання скорочує час демонтажу. Необхідно відмовлятись від металевих елементів і клейових з’єднань. Вибираючи матеріали на певний виріб, необхідно враховувати його здатність до повторної переробки. Потрібно також обмежувати кількість видів матеріалів, з яких виробляють об’єкт, що збільшує ефективність відновлення матеріалів високої чистоти. Форма виробу з матеріалу, призначеного для переробки, повинна забезпечити мінімалізацію кількості використаного матеріалу.

Можна виділити різні етапи циклу життя виробу, перш ніж буде ухвалено рішення про його виведення з ужитку:

−  фізичний – час, протягом якого виріб може використовуватися без ремонту;

−         функціональний – час, протягом якого є сенс використання виробу;

−         технічний – час технологічно обґрунтованого життя;

− економічний – час, протягом якого розвиток технології пропонує ту саму функціональність за меншу вартість;

− правничий – час, протягом якого нові стандарти і норми обмежують застосування виробу;

− втрата зовнішнього вигляду – час, протягом якого зміни в уподобаннях, моді, естетиці, преференціях стають причиною завершення використання виробу.

Виріб, закінчуючи «життя», повинен бути кваліфікований до одного зі способів утилізації: повторне вживання, матеріальна переробка, спалювання з отриманням енергії, компостування деградованих матеріалів, сировинна переробка, вивезення на сміттєзвалища, що необхідно застосовувати у виняткових випадках.

Прикладом такого підходу є проектування і виробництво пляшок для напоїв з поліетилену (РЕТ). Зокрема недоцільно додавати до їх складу при виробництві елементи іншого виду пластмас (наприклад, полівінілхлориду), у виробництві поліетилен розкладається з виділенням SiC та НС1, що є причиною небажаних хімічних реакцій. Крім того, паперові етикетки або стретч-плівки на пляшках при митті потребують додаткової фільтрації матеріалу. Клеї розчиняються і заважають переробці, а також погіршують механічні властивості переробленого матеріалу.

Важливо, щоб переробка не тільки була обов’язком, але й сприяла ринковій діяльності, була економічно доцільною, мала юридичний та економічний супровід, наприклад, супроводжувалось наданням дешевих кредитів або державних допомог.

Зростання попиту на пластикові вироби має значний вплив на довкілля. По-перше, пластики виготовляють з нафти, яка є невідновлюваним ресурсом. По-друге, дуже великі труднощі, особливо в Україні, становить переробка пластмас. Термореактивні полімери взагалі не підлягають переробці, що стає дедалі більшою проблемою (наприклад, переробка автомобільних шин). По-третє, пластмаси, що не підлягають переробці, потребують значної площі на сміттєзвалищах. Це значно зменшує площу корисного використання землі. Спалювання відходів з пластмас дуже небезпечне: у повітря виділяються великі обсяги отруйних речовин, що призводить до його забруднення, а у грунт та воду потрапляє багато токсичних солей. При спалюванні відходів з пластмас значно зношуються дорогі сміттєспалювальні печі, забруднюються фільтри та газовловлювачі, що потребує їх заміни.

Біополімерні матеріали. Інтерес до біополімерних матеріалів, які розпадаються при дії на них різних мікроорганізмів, в останні роки значно зростає як в Україні, так і в інших країнах. Виготовлення матеріалів, строк служби яких можна регулювати шляхом введення спеціальних домішок, що пришвидшують розпад макромолекули полімерів, значно полегшує проблему переробки полімерів. Як домішки використовують крохмаль з кукурудзи, картоплі, рису, пшениці або інших рослин.

Молекула полісахариду крохмалю добре суміщається з макромолекулами синтетичних полімерів. Це дало можливість розробити велику групу біополімерних матеріалів різного складу та призначення. Одним із небагатьох недоліків таких матеріалів є те, що вони мають схильність до всмоктування вологи, що дещо обмежує галузі їх застосування.

При виготовленні біополімерів процеси руйнування або деструкції базового полімеру майже не пришвидшуються. Для їх інтенсифікації до матриці полімеру вводять різні домішки, що прискорюють розпад матриці під дією ультрафіолетового випромінювання. До таких домішок відносять сополімери на основі етилену та моносахариди вуглецю, вінілкетони та інші подібні матеріали (Ecoplast, Ecolyte – Канада, Bioplast, Biopol та Ecostar – Великобританія, Novon, Tone – США, Biocell – Франція). Такі сополімери отримують з біомаси бактерій певного штаму, культивують на вуглецевих живильних середовищах та варіаційним співвідношенням мономерних ланок отримують поліефірні матеріали з різними властивостями. Отримані матеріали при потребі легко розпадаються під дією біофакторів в анаеробних умовах протягом невеликого часу (від 6 тижнів до 18 місяців залежно від складу).

Вартість усіх біополімерних матеріалів визначається з урахуванням вартості вихідного базового полімеру, додаткової сировини, а також домішок та способу отримання матеріалу.

Але виготовлення біополімерних матеріалів не вирішує проблему захисту довкілля. Це пояснюється неможливістю контролю за швидкістю їх розпаду на сміттєзвалищах під дією навколишнього середовища, високою вартістю домішок, складною технологією виробництва. Крім того, незворотно втрачаються дорогі сировинні та паливно-енергетичні ресурси.

Застосування полімерів у будівництві. Полімерні синтетичні матеріали у будівництві почали використовувати порівняно недавно, приблизно 60 років тому. Але на теперішній час вони набули провідного місця у цій галузі господарства завдяки своїм властивостям та використовуються як зв’язні речовини, компоненти дорожнього покриття, як конструкційні міцні матеріали, тепло- та гідроізолятори тощо. Важливими властивостями пластмас для застосування у будівництві є їх висока хімічна стійкість, водонепроникність та стійкість до дії мікроорганізмів. Широкого застосування у будівельних конструкціях набули скло- та деревопластики, полімербетони, пінопласти та склопласти. Не зважаючи на різні галузі застосування будівельних пластмас, є декілька основних вимог до кожної з них. Насамперед це висока довговічність та достатня механічна міцність. Увага до цих характеристик обумовлюється тим, що молекулярна гратка полімерів належить до неміцних, а енергія розриву зв’язків між атомами в органічних сполуках значно менша, ніж у молекул більшості неорганічних сполук, що застосовуються як будівельні матеріали. Цим обумовлена невисока температура, за якої можна експлуатувати полімерні матеріали, а також їх схильність до процесів окислювальної деструкції, що призводить до зміни їх фізико-хімічних та технічних показників.

Широкого застосування як дорожнє покриття набули полімерцементні бетони – суміші цементу і полімерів з наповнювачами або без них. Складові цементу вступають у взаємодію з водою та утворюють цементний камінь, що з’єднує частинки наповнювача у моноліт. Рівномірно розподілений у бетоні полімер поліпшує зчеплення цементного каменю з наповнювачем та окремих цементних зерен між собою.

Для оснащення балконів, лоджій, похилої покрівлі вже давно застосовують гідроізоляційні плівки, виготовлені з полімерних матеріалів. Великого розповсюдження набули пластикові двері та вікна. Широко застосовуються полімери при будівництві інженерних мереж трубопроводів, що зумовлюється меншою вагою та ціною порівняно з металевими трубами, а також підвищенням строку експлуатації.

Застосування полімерних мембран стало невід’ємною частиною при будівництві покрівлі, що зумовлюється відмінною гідроізоляцією такого матеріалу, виготовленого з пластику. Вони складаються з двох-трьох шарів полівінілхлориду та домішок, які збільшують стійкість до нагрівання від сонячних променів, мають стійкість до перепаду температур, велику еластичність, стійкі до термічних, хімічних та механічних впливів, легко встановлюються, а після монтажу не потребують додаткового догляду.

Одним із головних недоліків використання полімерів як будівельних матеріалів є їх займистість та токсичність. Тому при обранні матеріалів, що застосовуються для будівництва житла, необхідно уникати небезпечних для життя людини матеріалів.

Застосування полімерів у медицині. Для медичних цілей використовують полімерні матеріали загальнотехнічного призначення та спеціальні полімерні матеріали. З перших виготовляють будівельне і санітарно-технічне устаткування лікувальних установ, посуд, предмети догляду за пацієнтами, деталі різних приладів, дослідницької та лікувальної апаратури, інструментів, посуду для аналітичних лабораторій та багато іншого. Застосування полімерних матеріалів замість скла і металів зумовлюється їх низькою вартістю та кращими технологічними, фізико-механічними та споживчими властивостями. Крім загальнотехнічних вимог до них ставлять вимоги щодо їх санітарно-гігієнічних властивостей, а саме: мінімальне виділення в довкілля газоподібних продуктів, нерозчинність у миючих та дизенфікуючих розчинах, можливість стерилізації тощо.

Найширше на теперішній час у медицині використовують полімерні матеріали на основі полівінілхлориду, сополімерів стиролу, поліпропілену, поліметилметакрилату, поліуретанів, фенолформальдегідних смол.

Спеціальні полімерні матеріали медичного призначення застосовуються у безпосередньому контакті з живим організмом: в ендопротезах, матеріалах для відбудовної хірургії, у матеріалах і виробах для відбору та зберігання крові, для виготовлення апаратури, що заміняє функції органів, компонентів терапевтичних і діагностичних засобів. Основу таких полімерних матеріалів становлять синтетичні та природні високомолекулярні сполуки, які не мають шкідливого впливу на живі організми. За характером впливу такі полімерні матеріали поділяють на біоінертні (поліетилен, поліпропілен, фторопласт, силікони, поліметилакрилат), біосумісні (сополімери вінілпіролідону, акриламіду, акрилатів) та біоактивні (сульфапіридазином, пілокарпіном, тринітролонг, динітросорбілонг, похідні целюлози).

Біоінертні матеріали практично не змінюють своїх властивостей під впливом середовища живих організмів. Їх використовують для створення штучних судин, клапанів серця, очних кришталиків, м’язових зв’язок, деталей апарата штучної нирки та серця.

Біосумісні матеріали здатні поступово піддаватись біодеструкції або розчиненню у біологічних середовищах, що дозволяє здійснювати відбудовні хірургічні операції. Їх використовують у вигляді плівок, ниток, сіток і комбінованих протезів для тимчасового заміщення тканин при хірургічному втручанні, закриття ран внутрішніх органів, заповнення післяопераційних порожнин, заміщення дефектів кісткової тканини, склеювання кісткових уламків тощо.

Біоактивні полімерні матеріали можуть мати фізіологічну активність завдяки лікарським препаратам, що утримуються в них як спеціальні домішки. Їх використовують як готові лікарські форми у вигляді композицій, де високомолекулярні з’єднання або відіграють роль основи (очні лікарські плівки з різними апаратами), або мають власну фізіологічну активність макромолекул (полімерні ліки, штучні плазмо- та кровозамінники).

До медичних полімерів ставлять високі вимоги щодо їх чистоти за токсичними речовинами, барвниками, стабілізаторами, наповнювачами, які в живому організмі здатні вимиватися з полімерів та здійснювати негативний вплив. Тому здебільшого виробництво полімерів медичного призначення та виробів на їх основі здійснюється у стерильних умовах, що виключають найменше забруднення. Все це потребує додаткових капіталовкладень у їх виробництво і переробку. Наявність стабільного та зростаючого збуту виробів зі спеціальних медичних полімерів, а також поліпшення за їх допомогою здоров’я людей, є головними факторами, що стимулюють розвиток виробництва. В останні роки медицина за обсягом споживання пластмас посідає четверте місце у світі після упакування, будівництва, електротехніки та електроніки).

З усіх галузей медицини полімери знайшли найбільше застосування у стоматології, де синтетичні полімери використовують як пломбувальні матеріали, захисні покриття, для виготовлення зубних протезів. У нових композиціях тверднення полімерів досягається при фотохімічній дії ультрафіолетового випромінювання кварцової лампи (фотополімерні пломби).

Важливим напрямом впровадження полімерних матеріалів у медицину є їх використання в офтальмології. Використання в очній хірургії медичних контактних лінз та штучних очних кришталиків, виготовлених з поліметилметакрилату, значно поліпшило життя людей з поганим зором. Однак внаслідок твердості очних лінз, що викликає відчуття дискомфорту, і поганої здатності до пропускання кисню, багато пацієнтів не можуть адаптуватися до них. В останні роки для виготовлення твердих лінз почали застосовувати ацетобутират целюлози, що добре змочується і є більш проникним для кисню. Особливий інтерес мають гідрофільні, проникні для кисню контактні лінзи для тривалого носіння, виготовлені з поліоксіетилметакрилату, що володіє добрими оптичними і механічними властивостями та зберігає свої властивості у широких інтервалах температур та значеннях рН.

Застосування полімерів у сільському господарстві. Перше місце у застосуванні полімерів у сільському господарстві належить плівкам. Завдяки використанню захисних плівок урожайність деяких культур підвищується на 30%, а терміни дозрівання пришвидшуються на 10-14 днів. Використання поліетиленової плівки для гідроізоляції водоймищ забезпечує істотне зниження втрат вологи. Накривання плівкою сіна, силосу та кормів забезпечує їх краще зберігання навіть у несприятливих умовах. Але головною ділянкою використання плівкових полімерних матеріалів у сільському господарстві є будівництво та експлуатація плівкових теплиць. Зараз технічно можливо випускати полотно плівки розміром до 16 м, що дає змогу будувати плівкові теплиці великих розмірів. У таких теплицях можна вирощувати продукцію цілий рік та механізувати всі сільскогосподарські роботи. У холодну пору року теплиці прогріваються за допомогою полімерних труб, що закладаються у сухий грунт на глибину 60-70 см.

У тепличних господарствах використовують плівки, виготовлені з поліетилену, непластифікованого полівінілхлориду, поліамідів. Вони відрізняються доброю світлопроникністю, міцнісними властивостями. Їх недоліками є високі втрати тепла та мала стійкість до природних умов, що потребує частої їх заміни.

Інша галузь застосування полімерних матеріалів у сільському господарстві – меліорація. З полімерних матеріалів можна виготовляти труби різноманітної форми, шланги для поливання, особливо для крапельного зрошування. Термін служби пластмасових труб у системах дренажу більший, ніж у керамічних. До того ж використання пластмасових труб, особливо з гофрованого полівінілхлориду, дозволяє майже виключити ручну працю під час прокладання дренажних систем.

Також полімерні матеріали у сільському господарстві широко використовують для будівництва приміщень для тварин, сількогосподарського машинобудування.

Застосування полімерів для виготовлення упакування. Полімерні матеріали є незамінними для упакування. Вони володіють рядом функціональних властивостей, які у поєднанні зі спеціальними методами проектування та обробки дозволяють отримувати економічно вигідні рішення, які доводять їх провідні позиції на ринку.

Пакувальні матеріали займають найбільш значущий сектор споживання пластмас, що становить приблизно третину світового споживання пластмас (приблизно 50 млн тонн). Причому з кожним роком ця цифра зростає.

Ринок пакувальних матеріалів є найбільшим ринком для пластмас та термопластів. Це зумовлюється тим, що пластмаси дозволяють отримати виключний баланс маси, експлуатаційних характеристик, простоти виробництва, естетичних переваг та малих витрат на виробництво. Пластмаси дозволяють створювати різноманітні форми упаковок, мають більші захисні властивості, ніж традиційні пакувальні матеріали.

Споживання пластмас для виготовлення упаковок перевищує 38% всього обсягу споживання пластмас у Європі та приблизно 29% у США (табл. 1.76).

Згідно зі звітом Університету Клемсона контроль якості упаковки необхідно проводити за чотирма основними параметрами:

−      захист: упаковка повинна захищати вміст від довкілля, розкрадання, ламання, бактерій, токсичних речовин, агресивних продуктів, кисню та атмосфери тощо;

Таблиця 1.76

Питома вага товарів в обороті ринку для основного застосування полімерів

 

Ринок

Частка, %

Європейський ринок полімерів

Упакування

38

Будівництво та цивільне будівництво

18

Автомобільна та транспортна промисловість

7

Електрична та електронна промисловість

7

Промисловість

5

Спорт та розваги

5

Меблі та спальні приналежності

4

Предмети домашнього вжитку

5

Сільське господарство

3

Медицина

1

Ринок термопластів США

Упакування

29

Будівництво та цивільне будівництво

17

Автомобільна та транспортна промисловість

5

Електрична і електронна промисловість

 3

 

 

−      створення герметичності: це найголовніша причина використання упакування для транспортування харчових продуктів та води, промислових, сільськогосподарських та побутових хімікатів;

−      надання інформації та естетичність: пластмаси можуть бути прозорими або непрозорими, фарбованими, прикрашеними, з імітацією дерева або металу, з нанесеним текстом або малюнком, нести інформацію для клієнтів або користувачів, що додатково матиме значення для залучення клієнтів;

−      простота використання: використання пластмаси дозволяє винаходити оригінальне застосування та постійно вводити інновації для відомих герметичних упаковок, що повторно герметизуються: еластичних, що легко згортаються, не рвуться, володіють бар’єрними властивостями плівок; упаковок, що не руйнуються.

У виробництві матеріалів для упакування застосовують переважно термопласти, які володіють всім комплексом необхідних властивостей. Найширше використовують поліолефіни (65%), поліуретани (1%), поліакрилати, поліаміди, полікарбонати (разом 15%). У решті випадків для упакування застосовують традиційне упакування (тканину, папір, картон, скло), а також композиційні матеріали на основі скловолокна. В останні роки споживання полівінілхлориду для виготовлення упаковок зменшується через його погану екологічність.

Через проблеми з утилізацією використаних упаковок виготовлення їх з полімерних матеріалів у багатьох країнах обмежене або підлягає оподаткуванню (Ірландія, Німеччина, Тайвань). Тому в останні роки розробляють упаковки, виготовлені з біополімерів. Мережі супермаркетів розвинутих країн пропонують покупцям власне упакування з біополімерів, що дещо здорожчує продукцію, але не має негативного впливу на довкілля.

Існує декілька причин для використання полімерів при виготовленні упаковки:

−      поєднання властивостей, якого неможливо досягнути при використанні традиційних матеріалів;

−      еластичність та стійкість до впливу середовища відрізняє термопластичні плівки від паперу та картону;

−      велика стійкість до удару порівняно зі склом;

−      хімічна інертність порівняно з металами;

−      амортизуючі властивості пінопластів;

−      низький модуль пружності, м’якість;

−      простота обробки;

−      можливість серійного та дрібного виробництва;

−      невелика маса;

−      можливість гнучкого проектування, що дозволяє отримувати різноманітні форми, що є неможливим при використанні традиційних матеріалів;

−      зниження витрат (без пластмасового упакування виробничі витрати та споживання енергії збільшуються вдвічі, а обсяг відходів збільшується на 150%);

−      збереження природних ресурсів тощо.

Водночас полімери мають деякі загальні недоліки, а саме:

− екологічні обмеження при застосуванні;

− витрати на сировину;

− низькі значення модуля пружності та міцності.

Щоб розширити свого перебування на ринку пакувальних матеріалів з пластмаси, слід збільшити їхні експлуатаційні характеристики, спростити обробку, підвищити виробничість та можливість утилізації. Наприклад:

−      поліпшити тепловий режим, оскільки технології упакування використовують підвищені температури при заповненні пляшок або контейнерів харчовими продуктами, або при швидкому розігріванні контейнерів з харчовими продуктами;

−      поліпшити тепловий режим за низьких температур: заморожуванні або глибокому заморожуванні;

−      спростити обробку: здатність добре оброблятись дозволяє отримати легші та дешевші упаковки, причому час виробничого циклу зменшується, а виробничість підвищується;

−      низькі кінцеві витрати: легше наносити друк, фарбування всього матеріалу, декорування у процесі формування, збирання у процесі формування та адаптоване проектування дозволяє зменшити витрати на оброблення та збір;

−      переробка: необхідність полегшити її та знайти промислові ринки збуту завдяки раціональному вибору сумісних матеріалів та роботі тільки з одним матеріалом.

Отже, незважаючи на небагату історію, полімерні матеріали стали незамінними у різних галузях господарства. Це зумовлено багатьма факторами, зокрема їх механічними властивостями, дешевизною, простотою виготовлення, технологічністю, можливістю переробки та повторного використання тощо.

Основним недоліком використання пластмас ще й досі лишається екологічний фактор. Економічна наука мало звертала увагу на екологічні проблеми, що й стало однією з причин формування техногенного типу економічного розвитку. Цей тип можна охарактеризувати як природоруйнівний, оснований на використанні штучних засобів виробництва, створених без урахування екологічних обмежень.

Для запобігання глобальній та локальній екологічним кризам необхідно змінити техногенний тип розвитку на сталий. Останній дає можливість задовольнити потреби сучасних поколінь, але не ставить під загрозу існування наступних. Концепція сталого розвитку набула визнання як в економічній науці, так і в міжнародній практиці.

Головним завданням усіх виробників полімерних матеріалів зараз є впровадження методів, які дозволять реалізувати життєдіяльність суспільства шляхом упровадження його до природних біохімічних циклів, що призведе до мінімізації використання природних ресурсів, збереження необхідних ресурсів і умов для майбутніх поколінь. Це стане можливим при заміні звичайних полімерних матеріалів на біологічні.

Якість навколишнього середовища дещо поліпшилася у розвинутих країнах, але погіршується у нових індустріальних країнах. Найгірше те, що до основної проблеми виснаження невідновлюваних ресурсів додалася і стала найголовнішою деградація відновлюваних ресурсів – ґрунтів, лісів, водних ресурсів, атмосфери.

Для створення такої економічної стратегії сталого розвитку необхідно обмежити споживання. Суспільство має обмежити своє існування необхідними корисними потребами, які забезпечать безкризове існування. Престижні та згубні потреби мають бути ліквідовані. Критеріями сталого розвитку мають стати мінімальна собівартість та висока якість корисної та необхідної продукції і послуг, невисока диференціація при розподілі серед членів суспільства матеріальних благ, які створюються у сфері суспільного виробництва. Використання полімерних матеріалів дозволить швидше досягти поставленої мети в Україні та усьому світі.

 


*Тепла Тетяна Леонідівна – канд. екон. наук, ст. викладач кафедри прикладного матеріалознавства та обробки матеріалів Національного університету «Львівська політехніка».

 

ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО
ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО ПРОДОВОЛЬЧИХ ТОВАРІВ
ЧИТАТИ ПРО ІСТОРІЮ РОЗВИТКУ ТОВАРОЗНАВСТВА У ЛЬВОВІ

Браузер не бачить рисунок або формулу?! Скачайте реферат:
Скачати реферат “Полімерні матеріали”


Publisher: Team EPMPD  

Рідкісноземельні метали (РЗМ)

Рідкісноземельні метали (РЗМ) використовуються при виробництві інноваційних високотехнологічних продуктів і належать до видів мінеральної сировини, яка має стратегічне значення для економік усіх розвинених країн світової спільноти. Властивості та можливості цих елементів гідно оцінені в авіабудуванні, машинобудуванні, радіотехніці, хімічній промисловості, ядерній енергетиці тощо. Глобальний ринок РЗМ зростає надзвичайно швидкими темпами. За останні 50 років його обсяг збільшився більш ніж у 25 разів (з 5 тис. т до 125 тис. т на рік).

ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО
ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО ПРОДОВОЛЬЧИХ ТОВАРІВ
ЧИТАТИ ПРО ІСТОРІЮ РОЗВИТКУ ТОВАРОЗНАВСТВА У ЛЬВОВІ

Браузер не бачить рисунок або формулу?! Скачайте реферат:
Скачати реферат “Рідкісноземельні метали”

Переважний попит на РЗМ генерують технологічно розвинені країни ‑ Китай (54%), Японія і Південна Корея (24%), Європейські країни (14%) і США (8%). Основними галузями застосування РЗМ є: виробництво магнітів, різноманітних конструкційних матеріалів, сучасних каталізаторів у нафтохімії, а також високоякісної оптики і скла та приладів на їх основі (рис. 1.75). Найбільш перспективні галузі застосування РЗМ пов'язані з виробництвом гібридних автомобілів, вітроенергетичних турбін, оборонної, телекомунікаційної, комп'ютерної та телевізійної техніки, автокаталізаторів і каталізаторів для крекінгу нафти, лазерів, надпровідників і паливних елементів, металургійної продукції з унікальними властивостями та ін. [1–4].

До рідкісноземельних елементів (РЗЕ) відносять 15 лантаноїдів (атомні номеривід 57 до 71): лантан (La), церій (Ce), празеодим (Pr), неодим (Nd), прометій (Pm), самарій (Sm), європій (Eu), гадоліній (Gd), тербій (Tb), диспрозій (Dy), гольмій (Ho), ербій (Er), тулій (Tu), ітербій (Yb) та лютецій (Lu), а також подібні до них за властивостями ітрій (Y, ат. № 39) та скандій (Sc, ат. №21). Ці елементи мають близькі властивості і здебільшого зустрічаються разом у вигляді сполук. Виняток становить прометій, який у природі не зустрічається, його отримують синтетичними методами.

Структура світового споживання РЗМ за галузями в натуральному
Структура світового споживання РЗМ за галузями в натуральному

Зазвичай за знаходженням у природі, розташуванням у періодичній таблиці та будовою зовнішніх енергетичних рівнів РЗЕ поділяють на дві групи:

1) церієву (легкі лантаноїди), у якій виділяють лантанову (La, Ce, Pr) і неодимову (Nd, Sm, Eu, Gd) підгрупи;

2) ітрієву (важкі лантаноїди) з підгрупами диспрозію (Tb, Dy, Y, Ho) та ітербію (Er, Tu, Yb, Lu).

Характерна особливість РЗЕ – ізоморфізм. У вільному стані це типові метали. Вони легко окислюються на повітрі (особливо La, Ce, Pr) з утворенням стійких оксидів, розкладають воду з утворенням гідроксидів, розчиняються в мінеральних кислотах, взаємодіють з водою з виділенням водню й утворенням оксидів. Ці елементи дуже активні, легко взаємодіють з киснем за звичайної температури, при нагріванні – з галогенами, воднем, азотом, сіркою, бромом, фосфором та іншими неметалами, легко сплавляються з металами. Маючи майже однакову будову зовнішніх електронних рівнів атомів, вони володіють дуже близькими хімічними і фізичними властивостями, що створює певні технологічні труднощі при виділенні з суміші РЗМ окремих елементів. Однак саме ці «загальні подібності та тонкі відмінності» і є основою багатьох унікальних властивостей РЗМ, яким знайшли і далі знаходять все нові застосування. Нижче подано короткий огляд практичного використання різних РЗМ [1, 3, 5].

Церій застосовується у виробництві та поліруванні скла, виробництві люмінофорів, кераміки, ілюмінаторів космічних апаратів, в атомній техніці, аналітичній хімії для окисного титрування, у виробництві акумуляторів тривалої експлуатації, каталізаторів у хімічній і нафтовій промисловості, а також у металургії для модифікування сплавів на основі Fe, Mg, Al, Cu, Nb, Ti та підвищення міцності конструкційних сталей. З усіх церієвих сполук найбільший попит у промисловості має діоксид церію, значна частина якого йде на виготовлення тонкодисперсних порошків для полірування скла, дзеркал та мінеральних лінз. Концентрати оксидів церієвої групи затребувані у виробництві пігментів, а дрібнодисперсні порошки ‑ у виробництві аерозолів.

Лантан набув широкого використання в електроніці, атомній промисловості, виробництві акумуляторів в автомобілебудуванні, виробництві віконного та оптичного скла. Зокрема, оксид лантану застосовується у виробництві призм та лінз для кіно- і фотоапаратури, астрономічних приладів, синтезу високотемпературних надпровідників. Хроміт лантану, легований Ca, Sr, Mg, ‑ для виробництва високотемпературних пічних нагрівачів (працюють за температур до 1780°С в окислювальній атмосфері). Сплави на основі сполуки LaNi5 володіють високою воденьсорбційною ємністю і широко досліджуються як матеріали для водневих акумуляторів.

Неодим використовують у виробництві лазерних матеріалів забарвленні і тонуванні скла, для легування спеціальних конструкційних сплавів і сталей. На основі сплавів системи Nd-Fe-B (сполука Nd2Fe14B) виготовляють постійні магніти з найвищими серед усіх відомих матеріалів, магнітними властивостями. Оксид неодиму застосовують як діелектрик з надмалим коефіцієнтом розширення, фторид ‑ для отримання високоякісного скловолокна у волоконній оптиці.

Диспрозій використовується для легування сплавів системи Nd-Fe-B підвищення температурної стабільності і корозійної тривкості постійних магнітів на їх основі; легування сплавів на основі цирконію – для поліпшення технологічних властивостей, зокрема здатності піддаватись обробці тиском. Він також застосовується як ефективний каталізатор і матеріал, здатний активно захоплювати нейтрони. Диспрозієві лазери використовують у медицині для лікування глаукоми та злоякісних захворювань шкіри. Сплави диспрозію і заліза володіють високими магнітострикційними властивостями.

Празеодим застосовують у виробництві керамічних матеріалів, скловолокна, як легувальний елемент сплавів спеціального призначення, для підвищення корозійної стійкості рідкісноземельних магнітів. Оксид празеодиму використовують при варінні скла, якому він надає блідо-зеленого забарвлення.

Основне застосування самарію – виробництво постійних магнітів системи Sm-Co (на основі сполук SmCo5 та Sm2Co17), які мають високу термічну стабільність. Його використовують також для збудження лазерного випромінювання в рідких і твердих середовищах, як активатор люмінофорів у кольорових телевізорах і стільникових телефонах, в електродах стартера тліючого розряду. Моносульфід самарію успішно використовують в енергетиці, атомних реакторах, компактних генераторах струму, авіаційному транспорті. Оксид самарію володіє високою вогнетривкістю, стійкістю до розплавів активних металів з високою температурою плавлення.

Європій володіє унікальними люмінесцентними властивостями, що спричинило його широке застосування в медицині, особливо хірургії, у виготовленні комп’ютерних екранів та флуоресцентних ламп. Застосовується і як поглинач нейтронів в атомних реакторах. Оксид європію ‑ для створення твердотілих і рідинних лазерів.

Основними сферами застосування гадолінію є електроніка та атомна промисловість. Ряд сплавів гадолінію, особливо з кобальтом і залізом, дозволяють створювати носії інформації з надзвичайно високою щільністю запису. Крім того, сплав Gd-Fe здатний поглинати значну кількість водню, що робить його придатним для виробництва водневих акумуляторів високої ємності. В атомній промисловості гадоліній знайшов застосування для захисту від теплових нейтронів, оскільки він володіє найвищою здатністю до захоплення нейтронів з усіх елементів. Крім того, Gd використовують для легування титанових сплавів з метою підвищення межі міцності і текучості; для вирощування монокристалів Gd-Ga-Sс, на основі яких виготовляють лазерні системи з надвисокими параметрами випромінювання.

Тербій використовується в люмінофорах, у флуоресцентних лампах, як випромінювач зеленого світла в проекційних телевізорах, а також як рентгенівський люмінофор. Сплав тербію із залізом ‑ один із найкращих магнітострикційних матеріалів, застосовується для виробництва потужних приводів малих переміщень (наприклад, адаптивна оптика великих телескопів-рефлекторів), джерел звуку великої потужності, надпотужних ультразвукових випромінювачів; сплав тербію з кобальтом при температурах, близьких до абсолютного нуля, володіє магнітною енергією порядку 400 кДж/м-3, що можна порівняти з найпотужнішими магнітами системи Nd-Fe-B.

Ітрій та деякі його сплави не взаємодіють з розплавленими ураном і плутонієм, що дозволяє застосовувати їх у ядерних газофазних ракетних двигунах. Він збільшує міцність сплавів на основі хрому, алюмінію і магнію, а також значно підвищує електропровідність алюмінієвого кабелю. Напилення ітрію на деталі двигунів внутрішнього згоряння дозволяє збільшити зносостійкість деталей у 400-500 разів порівняно з хромуванням. Легування ітрієм поліпшує якість чавуну, а також сплавів з ванадієм і хромом. Хроміт ітрію – один із найкращих матеріалів для виготовлення високотемпературних нагрівачів опору, здатних експлуатуватися в окислювальних середовищах.

Ітербій підвищує міцність, зносостійкість та інші механічні властивості нержавіючих сталей та спеціальних сплавів.

Гольмій використовується для виготовлення спеціальних сплавів і надпровідних матеріалів. Гольмій надвисокої чистоти застосовується для виготовлення полюсних наконечників надпровідних магнітів, що дозволяє отримувати надзвичайно високі магнітні поля. Іони гольмію здатні генерувати лазерне випромінювання в інфрачервоній ділянці спектра.

Ербій у вигляді оксиду застосовується в атомній техніці як високоефективний лазерний та вогнетривкий матеріал.

Тулій використовується для виробництва жароміцних сплавів, керамомагнітних матеріалів і рентгенівської апаратури.

Лютецій є найважчим елементом серед РЗМ, застосовується у виробництві ферогранатів, необхідних для зберігання гігантських обсягів інформації; у генераторах лазерного випромінювання; сплави лютецію з Fe і Al та Fe і Si ‑ для виготовлення потужних постійних магнітів; скандати, галати й алюмінати лютецію ‑ для виробництва лазерів надвисокої потужності.

Прометій у поєднанні зі сполуками, що фосфоресціюють, і мікрофотоелементами, застосовується для виготовлення так званих мікроатомних батарей, здатних протягом тривалого часу перетворювати радіоактивне випромінювання в електроенергію.

Цінність скандію полягає у поєднанні малої густини та високої теплостійкості, він володіє високою міцністю та корозійною тривкістю. Завдяки цим властивостям скандій є важливим конструкційним матеріалом в авіації та ракетобудуванні; у металургії використовується як елемент для легування чавунів, сталей та Ti-Al сплавів, який значно підвищує характеристики міцності. Скандій також використовують в атомній та хімічній промисловості, він менш токсичний, ніж такі елементи, як Gd, Sm, Nd та Hf.

Світові запаси РЗМ. Насамперед необхідно зазначити, що назва «рідкісноземельні метали» не зовсім точно відображає суть, оскільки РЗМ доволі розповсюджені в природі. Уперше термін був запропонований Ю. Гадоліном у 1794 р.: «рідкісні», оскільки він помилково вважав, що перші відкриті елементи цієї групи містяться в земній корі у дуже незначній кількості, а «земельні» ‑ через те, що оксиди РЗМ мають землистий відтінок [1]. Насправді сумарний вміст таких елементів у земній корі (оцінюється на рівні ≈ 0,02 мас. %) у багато разів вищий, ніж вольфраму, молібдену і навіть свинцю. Наприклад, розповсюдження церію відповідає розповсюдженню міді і більш ніж у 4 рази переважає свинець. І навіть двох найменш поширених у земній корі РЗМ (Tm, Lu) майже у 200 разів більше, ніж золота. З другого боку, на даний час це справді дефіцитні і дорогі метали, які особливо затребувані в інноваційних наукомістких технологіях. Але реальна проблема видобутку РЗМ пов’язана не з їх абсолютною концентрацією, а з розпорошеністю по світу, нерівномірністю якості і складу рудної сировини, складністю методів екстрагування і відокремлення з суміші різних РЗМ через їх дуже близькі властивості. Відповідно, нині лише незначну кількість родовищ економічно вигідно розробляти, оскільки мінерали з вмістом РЗМ на рівні 5-8% і без радіоактивних домішок зустрічаються вкрай рідко.

Загалом відомо близько 70 власних мінералів РЗМ, що належать до класів фосфатів, карбонатів, оксидів, фторидів, силікатів, сульфідів і боратів. Крім того, вони входять до складу близько 280 мінералів як домішки. Найбільший комерційний інтерес становлять такі рідкісноземельні мінерали [1, 3]:

бастнезит ‑ родина трьох фторкарбонатних мінералів, узагальнююча формула (Се,La,Nd,Y)[CO3]F, зазвичай яскраво-жовтого кольору, найважливіший рідкісноземельний мінерал, який у значній кількості є у родовищах Маунтін-Пасс (Каліфорнія, США), Баян-Обо (Китай), Вугу-Хілл (Танзанія), Каронж (Бурунді);

монацит – блискучий кристалічний мінерал жовтувато-бурого кольору, що містить фосфат церію та інших легких РЗМ, таких, як Nd, Y та Th, узагальнююча формула (Ce, La, Nd,…, Th)PO4, характеризується високою хімічною стійкістю та механічною міцністю, він утворює розсипи монацитового піску, який містить всі елементи церієвої групи;

ксенотим ‑ фосфатний мінерал, основним компонентом якого є YPO4, містить також деякі інші важкі РЗМ;

лопарит – мінерал підкласу складних оксидів (Na, Ce, Ca…)(Nb, Ti)O3, містить значну кількість радіоактивного Th.

Співвідношення окремих елементів у мінералах дуже коливається. В одних переважають елементи церієвої групи і лише до 5% ітрієвих земель, в інших – ітрієвої групи. При переробці рідкісноземельної сировини спочатку виділяють суміш РЗМ (у вигляді оксидів, гідроксидів), яку потім розділяють на окремі метали.

Рідкісноземельні мінерали достатньо поширені і їх запаси в основному сконцентровані у 34 країнах світу (рис. 1.76), серед яких 6 країн Європи (включаючи Росію, Естонію та Гренландію); 14 країн Азії, 10 – Африки, а також США, Канада, Бразилія та Австралія [1].

За даними Геологічної служби США [6], світові запаси рідкісноземельних оксидів (РЗО) станом на кінець 2014 р. становлять 140 млн т, і майже половина з них залягає на території Китаю (рис. 1.77). Основні ресурси цієї країни зосереджені у родовищах Внутрішньої Монголії (Баян-Обо), провінціях Ганьсу, Сичуань, Цзянси та Гуандун. На особливу увагу заслуговує родовище Баян-Обо – унікальне і найбільше у світі залізо-ніобій-РЗМ родовище, запаси якого становлять понад 40 млн т триоксидів R2O3 (вміст        3–5,4%), близько 1 млн т Nb2O5 та 470 млн т заліза. Воно експлуатується з 1957 р. і на даний час забезпечує близько 70% видобутку легких РЗМ. Китайська компанія Inner Mongolia Baotou Steel Rare-Earth Group Hi-Tech вважається найбільшою у світі з видобутку РЗМ. На початку 2014 р. вона поглинула 9 менших рудовидобувних компаній в автономному регіоні Внутрішня Монголія у рамках урядового плану консолідації сектора РЗМ. На даний час ринкова капіталізація компанії становить більше 6,5 млрд дол., а її штат налічує понад 10 тис. працівників.

Світові поклади рідкісноземельних мінералів
Світові поклади рідкісноземельних мінералів
на території РФ – родовища Кольського півострова (Ловоозерське), Селігдарське і Томторське в Якутії, Чуктуконське в Красноярському краї, Катугінське в Читинській обл. У Киргизії відоме родовище Актюз, у Казахстані – Еспе, у Білорусі – Житковичі. На даний час у Росії видобуток проводиться лише на Ловоозерському родовищі (Мурманська обл.). У 2013 р. державною корпорацією Ростех і групою компаній ІСТ було створено спільне підприємство TriArkMining для переробки близько 82 тис. т рідкісноземельних концентратів, які упродовж 60 років накопичувались на складах державного підприємства УралМонацит (Свердловська обл.). У травні 2014 р. СП TriArkMining виграло тендер на розробку ділянки надр Буранний ‑ одного з найбільших у світі Томторського родовища рідкісноземельних металів, розташованого у Республіці Саха (Якутія), руди якого містять ітрій, скандій, тербій та ніобій.

Світові запаси РЗМ у країнах (в перерахунку на оксиди металів)
Світові запаси РЗМ у країнах (в перерахунку на оксиди металів)

Слід зазначити, що Бразилія, запаси якої оцінюються 22 млн т, зайняла третю позицію зовсім недавно, до 2012 р. її запаси оцінювали лише на рівні 0,48 млн т. Добування РЗМ у Бразилії почалось ще у 1992 р. на родовищі Буена-Норте. Відомим є комплексне золото-мідно-рідкісноземельно-уранове родовище Ігарапе-Байя в рудному районі Караджас, штат Пара. У жовтні 2011 р. було оголошено про відкриття значних покладів рідкісноземельних мінералів на мідному руднику Салобу, розташованому в цьому ж районі, а в квітні 2012 р. авансовано наявність великих покладів неодиму у західному штаті Байя, запаси якого деякі спеціалісти визнають найбільшими у світі. У штаті Мінас-Жерайс розвідано унікальне родовище комплексу Тапіра з промисловим вмістом перовськіту, ільменіту, титаномагнетиту, анатазу, який містить скандій (0,01%), рудні запаси якого оцінені на рівні 340 млн т.

Найвідомішим у США є родовище Маунтін-Пасс (Південна Каліфорнія), відкрите компанією Molycorp на початку 1950-х років. До середини 1980-х років це було найбільше у світі місце видобутку РЗМ. Однак у 2002 р. через забруднення ґрунтових вод та імпорт дешевих мінералів з Китаю на ньому практично припинили видобуток, а у 2005 р. його мало не придбав китайський гігант China National Offshore Oil Corporation, що запропонував 18,5 млрд дол. З політичних міркувань продаж не відбувся, і згодом компанія Molycorp виступила з проектом відновлення видобутку на цій шахті, який потребує додаткових інвестицій у сумі 1,5 млрд дол. Іншими комерційно привабливими родовищами США є Лемхі-Пасс і Даймонд-Крік (Айдахо) та Бокан-Маунтін (Аляска). Вважається, що їх розробка може повністю покрити внутрішні потреби США у РЗМ.

В Індії значні запаси монацитових пісків зосереджені у штатах Керала (Чавара та Алува), Таміл-Наду (Манавала-Курічі) та Орісса (Чатарпур). Видобутком РЗМ в Індії займається лише одне державне підприємство Indian Rare Earths Limited, яке працює з 1927 р. (з 1947 р. експорт монациту заборонено). Серед інших відоме також родовище Кулампатта, штат Мадрас, яке представлено крупнозернистими гранітами з фергусонітом і уранінітом, а також іншими рідкісноземельними мінералами, з якими асоціюється гранат, слюда, магнетит, циркон, турмалін та рутил.

На заході Австралії розташоване родовище Маунт-Вельд, за оцінками спеціалістів його запаси здатні забезпечити до 20% ринку РЗМ упродовж 30 років. Це родовище з 2011 р. освоює компанія Lynas Corp., якій також належить найбільший у світі завод з переробки сировини в Малайзії. Запуск заводу планували на 2012 рік, але через протести місцевих жителів і екологів він наразі простоює, а шахта тим часом зазнає збитків, і акції компанії перебувають на п’ятирічному мінімумі. До речі, у 2009 р. китайська China Nonferrous Metal Mining Group вже пропонувала купити 51,6% акцій Lynas Corp., але в 2011 р. угоду було заблоковано урядом Австралії. Нині у країні реалізують два великі проекти з розробки родовищ Ноланс-Бор у Північних Територіях та Даббо у штаті Новий Південний Уельс.

Серед інших країн, які займаються розробкою родовищ РЗМ, необхідно назвати В’єтнам та Малайзію. У В’єтнамі видобуток РЗМ активізувався за сприяння Японії, яка зацікавлена у спільній розробці родовищ цієї країни, щоб зменшити залежність від імпорту з Китаю. Зокрема в’єтнамська Lai Chau-VIMICO Rare Earth Joint Stock Company та японська Dong Pao Rare Earth Development Company з 2012 р. проводять спільний видобуток у Там Дуонг, провінція Лай Чау з перспективою отримання до 10 тис. т РЗМ на рік. Інтерес також становить розробка родовищ Малайзії, де у січні 2014 р. розпочато дослідження покладів поблизу містечка Мерапох, штат Паханг. Попередні дослідження виявили наявність в руді оксидів усіх 15 лантаноїдів.

На завершення огляду світових запасів РЗМ відзначимо, що у 2011 р. група японських дослідників виявила величезні поклади РЗМ у мулистих відкладеннях на дні Тихого океану поблизу Гаваїв та східніше Таїті, у Французькій Полінезії. За приблизними розрахунками, обсяг цих покладів, які характеризуються високою концентрацією РЗМ, становить близько 100 млрд т. Однак говорити про можливість їх видобутку у найближчій перспективі не доводиться, оскільки глибина залягання ресурсів коливається від 3,5 до 6 км, що потребує вирішення багатьох технічних, економічних та фінансових питань. Крім того, триває пошук нових родовищ, що дає позитивні результати. Так, на початку 2015 р. було повідомлено відразу про кілька нових комерційно привабливих родовищ РЗМ на Лабрадорі та в Перу [7, 8].

Глобальний ринок РЗМ. Сьогодні світовим монополістом у даному сегменті ринку є Китай, який не тільки володіє найбільшими природними запасами РЗМ, а й продукує близько 90% світового видобутку цієї сировини. Зокрема у 2010 р. у світі було видобуто близько 134 тис. т РЗМ, з них 130 тис. т – у Китаї (97%, табл. 1.67).

Китай почав проводити далекоглядну протекціоністську політику стосовно РЗМ з початку 1990-х років. Повною мірою використовуючи переваги сировинної бази та низьку собівартість видобутку через використання дешевої робочої сили і низькі вимоги щодо забруднення навколишнього середовища, протягом останніх 10-15 років Китай постачав РЗМ на глобальний ринок за демпінговими цінами. Це викликало істотне зниження середньої вартості РЗМ у період 1991–2007 рр. Через зниження рентабельності більшість РЗМ-виробництв за межами Китаю згорнулось, оскільки половину концентратів металів і отриманих під час їх первинної переробки сумішей китайці відправляли на сепараторні заводи в розвинених країнах. Паралельно із демпінговим зниженням цін на РЗМ Китай проводив політику локалізації на своїй території замкнутого циклу виробництва (від видобутку сировини до виготовлення готових виробів), чим забезпечив собі доступ до ринків кінцевої продукції з високою доданою вартістю.

Таблиця 1.67

Світовий видобуток РЗМ з 2010 по 2013 рр. (у перерахунку на оксиди металів) [6, 9]

 

Країна

Видобуток, т/рік

2010

2011

2012

2013

Китай

130 000

105 000

100 000

100 000

США

800

4 000

Індія

2 900

2 900

2 800

2 800

СНД

2 400

2 400

Австралія

2 200

3 200

2 000

В’єтнам

220

220

Бразилія

550

250

150

140

Малайзія

350

280

100

100

Разом

133 800

110 630

109 670

111 660

 

 

Отримавши таким чином тактичну перемогу, Китай у 2010 р. оголосив про значне скорочення експорту РЗМ, а також про намір повністю його припинити у 2015–2016 рр., що пояснив зростанням внутрішнього споживання та поступовим вичерпуванням сировинної бази. При цьому експортні квоти були знижені на 40% порівняно з квотами 2009 р. (рис. 1.78). Як результат, ціни на світовому ринку РЗМ зросли у 5-20 разів (залежно від рідкісноземельного елемента), досягнувши свого історичного максимуму влітку 2011 р. (рис. 1.79). Одночасно із зниженням експортних квот Китай поступово скоротив видобуток РЗМ за період з 2010 по 2013 рік на 20,5 % (табл. 1.67).

Основні країни–споживачі РЗМ (Японія, США, Південна Корея і країни ЄС), відчувши загрозу безпеці своїх національних економік, вжили невідкладних заходів з розвитку науково-технологічної бази та підтримки компаній з диверсифікованими джерелами сировини. Зокрема у США компанія Molycorp створила глобальний вертикально інтегрований холдинг шляхом поглинання розділового виробництва в Естонії Силмет у 2011 р. та технологічного лідера галузі – канадської компанії Neo Material Technologies Inc., яка спеціалізується, зокрема, на виробництві порошків магнітних сплавів системи Nd-Fe-B. У 2012 р. Японія реалізувала ряд проектів з диверсифікування поставок шляхом видобутку РЗМ у Казахстані, Індії та В'єтнамі (спільно з місцевими компаніями). Зокрема у 2012 р. в Казахстані запущено завод з виробництва концентратів РЗМ SARECO, також планується створення заводу з розділення РЗМ і виробництва магнітів.

Експортні квоти Китаю на РЗМ з 2005 по 2014 рік (у перерахунку на оксиди металів)
Експортні квоти Китаю на РЗМ з 2005 по 2014 рік (у перерахунку на оксиди металів)

Динаміка зміни цін на РЗМ порівнянно з цінами на золото
Динаміка зміни цін на РЗМ порівнянно з цінами на золото

Південна Корея в особі державної компанії KORES бере участь в освоєнні РЗМ-родовищ у ПАР. Країни ЄС укладають угоди про співпрацю із країнами–виробниками РЗМ, а також виділяють банківські гарантії на їх постачання. Крім того, у відповідь на обмеження експортних квот США, Японія та ЄС подали позов проти Китаю до Світової організації торгівлі (СОТ), оскільки відчули свою надмірну залежність від поставок РЗМ, адже ця сировина застосується для виробництва інноваційної та наукомісткої продукції.

Як наслідок, ціни на РЗМ знизились і протягом останнього часу не зазнають значних коливань (рис. 1.79, табл. 1.68). Експерти також прогнозують, що вжиті заходи дозволять до 2018 р. майже удвічі знизити частку Китаю на світовому ринку (рис. 1.80). При цьому ряд аналітиків вважає, що найпотужнішими виробниками, окрім Китаю, стануть США та Австралія.

 

Таблиця 1.68

Середні ціни на оксиди РЗМ за період 2008–2013 рр. [10]

 

Оксид

Ціна, дол./кг

2008

2010

2011

2012

2013

Лантану

7

53

66

24

8

Церію

5

50

59

25

8

Неодиму

27

80

244

122

65

Диспрозію

110

295

2 032

1 086

561

Тербію

650

605

2 974

2 074

954

Європію

475

625

3 800

2 413

1 110

 

 

У 2013 р. СОТ встановила, що китайська система квот на експорт РЗМ порушує правила світової торгівлі. Китай намагався оскаржити це рішення, проте його апеляція була відхилена у серпні 2014 р. Станом на кінець 2014 р. Китай експортував 24,866 тис. т РЗМ, що істотно нижче квоти на 2014 р., яка становила 30,610 тис. т (див. рис. 1.78). У 2013 р. обсяги експорту також були менші, ніж квоти. При цьому сьогодні частка Китаю у світовому видобутку РЗМ скоротилась до 86%, що свідчить про поступову втрату Китаєм лідерства. Це змусило КНР переглянути свою політику, і в грудні 2014 р. було ухвалено рішення про скасування експортних квот на РЗМ у 2015 р.

Прогнозовані обсяги світового виробництва РЗМ (у перерахунку на оксиди металів)
Прогнозовані обсяги світового виробництва РЗМ (у перерахунку на оксиди металів)

Додатковою причиною такого рішення могло послужити загальне зниження обсягів торгівлі РЗМ упродовж останніх років. Зокрема у 2012 р. обсяги торгівлі знизилися на 18% і становили 64,9 тис. т (у вартісному вираженні більш ніж з 4,35 млрд дол. до 2,661 млрд дол.), причому практично синхронно – як чистими металами (до 566 млн дол., на 39%), так і сполуками РЗМ (до 2,094 млрд дол., на 52%). При цьому спостерігається загальна тенденція до збільшення обсягів торгівлі чистими РЗМ з одночасним зниженням торгівлі сполуками. Так, у 2014 р. торгівля чистими РЗМ у загальному обсязі ваги у світі становила 16%, а решта 84% припало на сполуки РЗМ.

Якість та вартість РЗМ. Якість рідкісноземельних металів насамперед визначається їх чистотою, тобто вмістом домішок, залежно від якого ціна одного і того ж елемента може різнитися в декілька разів. Необхідно відмітити, що ціни на РЗМ доволі складно контролювати і відсежувати, що пов’язано з особливостями їх реалізації. На відміну від дорогоцінних та кольорових металів, торгівля РЗМ має «закритий» характер, і доступ до актуальної біржової інформації можуть отримати лише юридичні особи за певну плату.

Метали високої чистоти (≥ 99,9 %), як правило, використовують для наукових досліджень, зважаючи на їх високу вартість. Придбати РЗМ гарантовано високої якості і в невеликих кількостях (для лабораторних цілей) на ринку України можна лише через представництва світових компаній, наприклад Sigma-Aldrich (США) або Alfa Aesar (Германія). При цьому ціна одного і того ж металу залежить від декількох факторів: стану поставки (злиток, порошок, фольга, пруток тощо), кількості, способу пакування і навіть країни замовника. У табл. 1.69 подано актуальні на початок 2015 р. ціни деяких РЗМ від компанії Sigma-Aldrich. Як бачимо, однозначно порівнювати ціни на різні РЗМ доволі проблематично через відсутність для багатьох металів позицій

Таблиця 1.69

Орієнтовна вартість рідкісноземельних металів високої чистоти (≥99,9%)

станом на січень 2015 р. [11]

 

Метал

Стан поставки

Ціна, євро

Метал

Стан поставки

Ціна, євро

La

злиток, 25 г

185

Tb

порошок 50 мкм, 1 г

528

порошок 40 меш, 25 г

478

Dy

злиток, 10 г

106

Ce

злиток, 25 г

398

Er

злиток, 10 г

158

злиток, 100 г

1 105

порошок 40 меш, 5 г

384

порошок 40 меш, 10 г

273

Yb

злиток, 5 г

125

Pr

злиток, 10 г

108

порошок 40 меш, 2 г

146

порошок 40 меш, 5 г

92

Lu

злиток, 1 г

288

Nd

злиток, 25 г

260

порошок 500 мкм, 1 г

989

порошок1 40 меш, 10 г

102

Y

злиток, 10 г

171

Sm

порошок1 40 меш, 1 г

39

злиток, 50 г

700

порошок1 40 меш, 5 г

242

порошок1 40 меш, 25 г

444

порошок1 40 меш, 50 г

549

Eu

злиток, 1 г

245

Gd

злиток2, 10 г

200

порошок 250 мкм, 1 г

1 810

злиток, 10 г

101

Sc

порошок, 1 г

612

порошок1 40 меш, 5 г

122

 

 

Примітки:  1 – чистота ≥ 99%; 2 – чистота ≥ 99,99%.

однакової номенклатури. Слід мати на увазі, що з урахуванням вартості доставки, розмитнення та інших витрат вартість РЗМ для кінцевого споживача може зрости майже удвічі порівняно з прайсовою.

Якщо говорити про порошки РЗМ, то для них визначальною характеристикою, окрім чистоти, є дисперсність ‑ чим дрібніший порошок, тим вища його вартість. Це пов’язано з високою хімічною активністю і пірофорністю порошків РЗМ, які при контакті з повітрям здатні інтенсивно окислюватись і самозайматись, що значно ускладнює їх виробництво. При виготовленні порошків неминучі також втрати РЗМ, що відповідним чином впливає на ціну. Наприклад, за однакової чистоти (99,9%) та ваги (25 г) злиток лантану коштує 185 євро, його порошок дисперсністю 40 меш – 478 євро, а дисперсністю 200 меш – 706 євро.

Варто мати на увазі значну зміну вартості РЗМ при зниженні чистоти металу. Так, ціна церію із зниженням чистоти від 99,8% до 99% зменшується більш ніж утричі ‑ із 518 до 163 євро за злиток вагою 250 г.

Метали звичайної якості (≥99%) переважно використовують у промислових масштабах за винятком виготовлення прецизійного високотехнологічного обладнання. При цьому останнім часом спостерігається зменшення частки дорогих РЗМ у торговому асортименті світової торгівлі з одночасним збільшенням частки дешевших (легких лантаноїдів), а також деяке зниження чистоти реалізованих металів і сполук. На ринку України є ряд фірм-посередників, які реалізують РЗМ звичайної якості, імпортовані з Китаю, тому придбати їх значно простіше, ніж метали високої чистоти. Разом з тим торгівля відбувається переважно оптовими партіями (від 50 кг) і, як правило, якість продукції посередниками не перевіряється належним чином, оскільки здебільшого не мають доступу до відповідного обладнання. Незважаючи на посилений контроль з боку уряду Китаю за видобутком РЗМ, у країні все ще процвітає контрабандний видобуток, тож вибір постачальника слід здійснювати з особливо відповідально.

Імпорт РЗМ. Найбільшими світовими імпортерами РЗМ і їх сполук є Японія, Малайзія, Норвегія і Гонконг (рис. 1.81). Значну кількість РЗМ закуповують також Нідерланди та Південна Корея.

 

Ключові країни-імпортери РЗМ у відсотковому відношенні до обсягу глобального ринку за вагою (а) та вартістю (б)
Ключові країни-імпортери РЗМ у відсотковому відношенні до обсягу глобального ринку за вагою (а) та вартістю (б)

З рис. 1.81 видно, що спостерігається певна диспропорція за параметрами ваги та вартості РЗМ, що закуповують провідні країни-імпортери. Це пояснюється насамперед різною номенклатурою закупівель рідкісноземельних металів, вартість яких різниться в десятки, а то й сотні разів. Також істотний вплив на вартість РЗМ, як зазначалось вище, має їх чистота.

Динаміка імпорту РЗМ різноспрямована – одні країни нарощують його обсяги, інші, навпаки, скорочують (табл. 1.70). Наприклад, у 2012 р. в Малайзії

Таблиця 1.70

Структура світового імпорту РЗМ у 2011–2012 рр. [4]

 

Країна

У натуральному вираженні, т

У вартісному вираженні, млн дол.

2011 р.

2012 р.

2011 р.

2012 р.

Японія

5211

4793

714,950

403,313

Малайзія

7

2118

0,210

6,292

Норвегія

552

438

10,646

11,617

Гонконг

296

315

38,339

23,02

Нідерланди

18

297

1,111

9,684

Німеччина

262

290

24,409

17,138

Франція

507

280

н.д.

н.д.

Південна Корея

666

266

н.д.

н.д.

Бразилія

279

250

13,297

7,088

США

н.д.

н.д.

70,815

22,181

Індія

н.д.

н.д.

3,990

6,760

Інші країни

1694

1717

55,375

59,209

Загалом у світі

9492

10764

933,142

566,302

 

 

Примітка: н.д. – нема даних.

імпорт зріс аж до 2118 т, Гонконг наростив поставки на внутрішній ринок РЗМ до 315 т, Нідерланди ‑ до 297 т. Водночас Японія скоротила ввезення на 8%, Норвегія ‑ на 21%, Франція ‑ на 44%, а Південна Корея – на 60%.

Експорт РЗМ. До провідних експортерів РЗМ належать Китай, США, В'єтнам і Гонконг (рис.1.82, табл. 1.70). При цьому Китай покриває практично половину світових експортних поставок. Останніми роками спостерігається деяке нарощування обсягів експорту РЗМ Канади та Японії (табл. 1.71).

 

Рис. 1.82. Ключові країни–експортери РЗМ у відсотковому відношенні до обсягу глобального ринку за вагою (а) та вартістю (б) [4]

 

Таблиця 1.71

Структура світового експорту РЗМ у 2011–2012 рр. [4]

 

Країна

У натуральному вираженні, т

У вартісному вираженні, млн дол.

2011 р.

2012 р.

2011 р.

2012 р.

Китай

3241

4756

618,725

311,616

США

2822

1822

106,626

47,206

В’єтнам

1076

1458

67,441

125,621

Гонконг

398

451

20,061

12,400

Нідерланди

70

311

4,251

8,650

Великобританія

273

310

н.д.

н.д.

Канада

23

296

н.д.

н.д.

Японія

10

198

3,616

15,750

Лаос

н.д.

н.д.

27,106

16,605

Сінгапур

н.д.

н.д.

0,027

2,868

Естонія

н.д.

н.д.

0,01

4,649

Інші країни

1572

1162

85,279

20,937

Загалом у світі

9492

10764

933,142

566,302

 

 

Ключові країни–експортери РЗМ у відсотковому відношенні до обсягу глобального ринку за вагою (а) та вартістю (б)
Ключові країни–експортери РЗМ у відсотковому відношенні до обсягу глобального ринку за вагою (а) та вартістю (б)

Примітка: н.д. – нема даних.

Сьогодні істотних змін у структурі імпорту РЗМ у світі не спостерігається. Це означає, що заявлені нові інвестиційні проекти з їх видобутку у світі перебувають на початковій стадії і не забезпечують надходження металів на світові ринки в обсягах, здатних істотно вплинути на зміну позицій країн-імпортерів і країн-експортерів. Однак австралійська гірничодобувна компанія Lynas Corp. прогнозує, що Китай як найбільший світовий експортер у 2015 р. стане нетто-імпортером, оскільки очікуваний попит усередині країни буде в середньому на 10 тис. т більший від видобутку. Перші сигнали виникнення подібної ситуації вже є, оскільки зараз КНР імпортує близько 10 т концентратів РЗМ.

Перспективи розвитку ринку РЗМ. Важко переоцінити важливість РЗМ для подальшого розвитку цілої низки високотехнологічних галузей. Об'єктивна оцінка перспектив світового ринку РЗМ дозволяє припустити, що ціни на окремі лантаноїди однакової якості після їх стрімкого злету у 2011 р. і деякого подальшого зниження матимуть тенденцію до стабілізації. Зараз, за деякими ознаками, світовий ажіотаж навколо дефіциту РЗМ зник, а ціни все більше відповідають пропозиції і попиту. У підсумку з'являється можливість визначити реальні дефіцити цього ринку та перспективність застосування окремих РЗМ.

Думки експертів стосовно подальшої динаміки зміни цін на РЗМ не збігаються, однак більшість із них поділяють ту, що обсяг ринку РЗМ у найближчій перспективі щорічно зростатиме на 10-20%. Зокрема прогнозується, що у 2015 р. пропозиція становитиме 225 тис. т. При цьому пропозиція церію дорівнюватиме 40%, лантану – 27%, неодиму – 16%, а таких елементів, як диспрозій, європій, тербій та ербій – менше 1% (рис. 1.83).

Попит на метали також збільшиться, оскільки вони застосовуються в новітніх технологіях і знайти їм замінники досить складно, а інколи й неможливо. За деякими оцінками, очікується, що у 2015 р. попит становитиме 197 тис. т, тобто лише 74% пропозиції, відповідно, прогнозується профіцит РЗМ в обсязі 28 тис. т. При цьому можливий надлишок церію, лантану, празеодиму та деяких інших металів. Разом з тим передбачається незначний дефіцит в обсязі 200 т ітрію, 400 т неодиму, 500 т самарію, 25 т  ербію і 105 т тербію. Особливо гостро питання дефіциту у наступні кілька років торкнеться неодиму і диспрозію. Вони мають визначальне значення для виготовлення.

високоефективних постійних магнітів, які надзвичайно затребувані у виробництві вітрових турбін, електричних транспортних засобів тощо. Зростання інтересу до так званих «зелених» технологій може призвести до збільшення попиту на них.

Прогнозовані частки світової пропозиції рідкісноземельних металів у 2015 р. (за елементами)
Прогнозовані частки світової пропозиції рідкісноземельних металів у 2015 р. (за елементами)

Зокрема виробництво електроенергії за рахунок енергії вітру щорічно зростає на 26%. У зв’язку з цим Nd і Dy віднесені до категорії елементів з найвищим рівнем «ризику постачання» та «важливості для екологічно чистої енергії». Прогнозується, що протягом наступної чверті століття попит на неодим та диспрозій зросте більш ніж на 700% та 2600% відповідно. Водночас видобуток диспрозію і неодиму збільшується лише на кілька відсотків за рік. Тому досягнення стійкого балансу «попит–пропозиція» за даними елементами буде проблематичним навіть після розробки нових проектів з розширення виробництва РЗМ [12, 13].

Рециклювання РЗМ. Рівень дефіциту, вартості та обмеженість запасів рідкісноземельних елементів можна порівняти хіба що з високим ступенем їх значення для високих технологій. Але інвестори не поспішають вкладати кошти у розробку нових родовищ РЗМ, оскільки відкриття нового рудника і нових виробничих потужностей ‑ це роки і мільярди доларів інвестицій, залучити які важко в сьогоднішній ситуації на фінансових ринках. Крім того, технології видобутку потребують значних енерговитрат і наявності руди з високою концентрацією металів. Тому ряд корпорацій у співпраці з провідними науковими інституціями приділяють значну увагу поверненню до використання РЗМ з відпрацьованих відходів та «електронного сміття». У зв’язку з цим при обговоренні проблеми РЗМ усе частіше лунає термін «recycling»рециклювання, тобто повернення в обсяг рідкісних, цінних і дефіцитних матеріалів. Аналітики вважають, що в короткостроковій перспективі рециклювання може стати однією з небагатьох галузей, що стабільно розвиватиметься, особливо за умови підтримки урядами розвинених країн. Тим більше, що вона має насправді колосальну сировинну базу, яка зростає з кожним днем. Для прикладу, лише з одного відпрацьованого вітрогенератора потужністю 1,5 МВт можна видобути близько 350 кг РЗМ, в основному неодиму. Однак на сьогодні переробці піддається лише невелика частина придатної сировини. Зокрема лише 12-15% відпрацьованих комп’ютерів та інших електронних пристроїв рециклюють. Разом з тим вже сьогодні у Європі в різних компонентах і пристроях використано близько        15 тис. т РЗМ, вилучених після повторної переробки.

Слід мати на увазі, що технології повторного видобування РЗМ із відходів далекі від досконалості. Це пов’язано передусім з екологічною проблемою, оскільки в процесі рециклювання РЗМ залишаються токсичні відходи. Крім того, сучасні методики потребують значних енерговитрат та характеризуються низькою рентабельністю – вихід кінцевого продукту менший, ніж на найбідніших родовищах, і в середньому не перевищує 2% від початкової ваги переробленої маси. Залишається також проблема безповоротних втрат РЗМ, оскільки електронне сміття часто переробляють на звичайних пірометалургійних заводах. При цьому класичні метали вдається екстрагувати, а от РЗМ через фізико-хімічні властивості відходять у шлак, звідки їх практично неможливо вилучити [14, 15].

У зв’язку з цим рециклювання, мабуть, оптимально розвивати за тими елементами, очікуваний попит на які у довгостроковій перспективі вирівняється і буде стабільним. Наприклад, прогнозований попит на тербій і європій буде знижуватися унаслідок заміни флуоресцентних ламп на LED. Зовсім інша ситуація, наприклад, з неодимом, попит на який постійно зростатме. Це пов’язано, зі стрімким розвитком альтернативної енергетики, у якій надзвичайно затребувані Nd-Fe-B постійні магніти. Перспективним також є вилучення шляхом повторної переробки ітрію, що міститься в присадках до скла для підвищення його прозорості, оксиду або фториду ітербію, які використовуються як лазерні матеріали, гадолінію з катодів електронних гармат.

Лідером з рециклювання РЗМ сьогодні є Японія. Першопрохідцем у галузі вважається корпорація Hitachi. Ще 2010 року після конфлікту з Китаєм і припинення останнім експорту РЗМ японський уряд виділив 1,2 млрд дол. на дослідження повторної переробки РЗМ, розробку диверсифікованих джерел постачання і створення запасів РЗМ. У рамках цієї програми у Hitachi розробили метод повторної переробки високопродуктивних рідкісноземельних магнітів з приводів жорстких дисків, повітряних кондиціонерів та інших пристроїв. Розроблена технологія успішно застосовується спеціально заснованою компанією Tokyo Eco Recycle Co.

Вилучення РЗМ з відпрацьованих нікель-метал-гідридних (Ni-M-H) акумуляторів освоєно компаніями Honda і Japan Metals & Chemicals, завдяки чому вдається повернути в обіг до 80% використаних РЗМ. Цей напрям особливо актуальний, оскільки щороку виробляється більше 160 млн Ni-M-H акумуляторів, а середній термін їх служби становить 2 роки. Тобто щорічно накопичується величезна кількість придатної для повторної переробки сировини, з якої можна отримати такі важливі РЗМ, як La, Ce, Pr та Nd.

Дослідне виробництво Mitsubishi Electric Group з 2010 року спеціалізується на утилізації найбільш ходової побутової техніки: телевізорів, холодильників, пральних машин та кондиціонерів. З квітня 2012 р. на підприємстві розпочали повномасштабну повторну переробку РЗМ з компресорів кондиціонерів, які вважаються одними з найбільш перспективних з погляду потенційного обсягу вилучення РЗМ. Постійні магніти на основі сплавів неодиму почали використовувати у високопродуктивних кондиціонерах на початку 2000-х років. Сьогодні, після 10-15 років експлуатації, пристрої цього покоління все ще успішно працюють і на переробку потрапило лише 5% із них. Однак очікується, що до 2020 р. ця кількість зросте до 65%. У найближчих планах корпорації ‑ почати переробку жорстких комп'ютерних дисків за технологією Hitachi.

У Європі швидкими темпами розвивається повторна переробка сонячних батарей. Зокрема шведська компанія Midsummer у співпраці з Технічним університетом Чалмерса розробила унікальну технологію екстрагування галію та індію, вилучення яких з сонячних батарей утруднено домішками селену. Ще інтенсивніше розвивається повторна переробка автомобільних каталізаторів, однак цей процес орієнтований в основному на вилучення металів платинової групи, а відновленню РЗМ, в основному церію, уваги практично не приділяється, оскільки він відносно дешевий і в майбутньому його навряд чи рециклюватимуть у промислових масштабах. Значну кількість РЗМ відновлюють з освітлювальних приладів, особливо флуоресцентних ламп, у яких використовують порошкові європій, тербій та ітрій. У Франції компанії Veolia займаються переробкою люмінесцентних ламп, акумуляторів, комп'ютерів, побутової електроніки з метою вилучення РЗМ. Відома бельгійська компанія Umicore, лідер з рециклювання таких важливих елементів, як телур, у партнерстві з хімічною компанією Rhodia Operations S.A.S. щороку переробляє понад 350 тис. т промислових відходів, у тому числі каталізаторів та Ni-M-H акумуляторів. Компанія Rhodia також є координатором проекту LOOP, метою якого є вилучення як мінімум 90% РЗМ, що містяться у флуоресцентних лампах. Реалізація проекту передбачає щорічне повернення у використання 17 т La, 14 т Ce, 9 т Eu, 8 т Tb та 4 т Gd.

Таким чином, не буде перебільшенням сказати, що дефіцит РЗМ та спровокований КНР карколомний зліт цін у 2010–2011 рр. стали своєрідним поштовхом для розвитку нової інноваційної індустрії. Крім згаданих вище, над методами виділення РЗМ у промислових масштабах працюють такі відомі фірми, як Siemens, BASF, виробник ламп Osram, а також цілий ряд автовиробників від уже названих Honda і Toyota до Daimler, Ford і Audi.

Разом з тим цілком зрозуміло, що повноцінний успішний розвиток нової галузі неможливий без підтримки фундаментальної науки, яка в цьому напрямі також розвивається. Зокрема останнім часом інтенсифікувались дослідження у ділянці відновлення РЗМ шляхом біосорбції з використанням як біосорбентів бактерій, грибів, водоростей та ін. Метод характеризується значною швидкістю, можливістю повторного використання сорбентів, економічністю та екологічною безпечністю. У Китаї, де, до речі, майже третина таких важливих важких РЗМ, як Tb і Dy, добувається шляхом переробки відходів, учені розробляють методи екстрагування РЗМ із стічних вод. Перші експерименти показали, що наночастинки гідроксиду магнію здатні захоплювати більше 85% РЗМ, які містяться в рідині, що імітує стічну воду. Подібна тематика також опрацьовується у Франції в рамках проекту REECYCLE, який реалізується під егідою французького Комісаріату з атомної енергетики і фінансується Сьомою рамковою програмою ЄС з досліджень і технологічного розвитку (РП7). Метою проекту REMANENCE, який також фінансується РП7, є повернення до повторного використання РЗМ, вилучених із магнітних сплавів системи Nd-Fe-B.

Сім провідних наукових організацій ЄС, а саме Інститут Фраунгофера (Німеччина), французький Комісаріат з атомної енергетики, нідерландська Організація прикладних наукових досліджень (TNO), фінський Центр технічних досліджень (VTT), іспанський Центр технологічних досліджень Tenalia, шведський Інститут технічних досліджень SP, а також норвезький дослідний центр SINTEF, задіяні у розробці масштабної програми з утилізації РЗМ. При цьому основна увага приділяється знову ж таки вилученню неодиму і диспрозію з відпрацьованих магнітних матеріалів.

Льовенський католицький університет (Бельгія) фінансує проект RARE, спрямований на розробку технологій вилучення РЗМ з постійних магнітів і флуоресцентних ламп. Над проблемою екстрагування РЗМ з неодимових постійних магнітів також працюють у Інституті критичних матеріалів (США).

Рідкісноземельні постійні магніти. Аналіз застосування РЗМ у різних галузях свідчить про невпинне зростання частки магнітних матеріалів, яка становить 22% світового масштабу (див. рис. 76). Зокрема у Китаї, що є не тільки найбільшим виробником РЗМ, а й основним споживачем цього ресурсу, на виробництво РЗМ-магнітів припадає близько 45%. Крім того, експерти прогнозують, що у США у 2015 р. частка даної галузі становитиме 13%, що майже на 10% більше порівняно із 2010 р., при цьому в ряді інших застосувань передбачається скорочення застосування РЗМ (рис. 1.84). Додатковим підтвердженням довгострокової перспективності індустрії рідкісноземельних магнітів є зосередженість більшості діючих дослідницьких проектів з рециклювання РЗМ саме на переробці магнітних матеріалів, про що було сказано вище.

Перші рідкісноземельні магніти були створені у середині 1960-х років на основі сполуки SmCo5, яка має високу намагніченість насичення, одновісну магнітокристалічну анізотропію і температуру Кюрі (720°С), а також термічну і

 

Рис. 1.84. Застосування РЗМ у різних галузях промисловості США

у 2010 та 2015 (очікуване) рр. [9]

 

корозійну тривкість.

Застосування РЗМ у різних галузях промисловості США
Застосування РЗМ у різних галузях промисловості США

Трохи згодом було встановлено, що сполука Sm2Co17 із вищим вмістом Co має ще вищі значення температури Кюрі (800°С) і намагніченості насичення (табл. 1.72). Основний недолік таких магнітних матеріалів – порівняно висока вартість Sm і Co, що значною мірою обмежує їх широке промислове використання.

У зв’язку з цим наступні зусилля дослідників були сконцентровані на пошуку більш дешевих матеріалів на основі сполук РЗМ, з характеристиками аналогічними до самарій-кобальтових магнітів. В результаті у 1984 р. було вперше повідомлено про надзвичайно високі магнітні властивості потрійної сполуки Nd2Fe14B (табл. 6). Завдяки високим експлуатаційним характеристикам та відносно низькій ціні, магніти на основі цієї сполуки почали швидко витісняти Sm-Co магніти, і сьогодні є найбільш перспективними магнітними матеріалами. Виняток становить лише експлуатація за високих робочих температур, для якої самарій-кобальтові магніти, завдяки високій температурі Кюрі, є поки що незамінні [16, 17].

Основна перевага постійних магнітів на основі сплавів системи Nd-Fe-B – найвище серед всіх відомих феромагнетиків значення магнітної енергії (BH)max, яка майже у чотири рази перевищує це значення найкращих магнітів типу альніко. Однак це не межа – з теоретичних розрахунків випливає, що для магнітів цього класу максимальна величина магнітної енергії може становити 90 МГсЕ. Іншою визначальною перевагою магнітів Nd-Fe-B є порівняно низька ціна в перерахунку на одиницю магнітної енергії порівняно з іншими типами магнітних матеріалів (табл. 1.72).

Таблиця 1.72

Основні характеристики найбільш відомих магнітних матеріалів

 

Матеріал

(BH)max,

МГс·Е

Br,

Тл

Hc,

кЕ

Ціна,

дол./кг

Ціна, дол. на

одиницю (BH)max

Кераміка (ферит)

3

0,4

2,4

1,0-2,5

0,3-0,85

Альніко (Al-Ni-Co)

9

1,35

1,4

44,1

4,9

Sm–Co

20

1,05

9,2

250-500

12,5-25,0

Спечені Nd-Fe-B

50

1,42

12,5

70-150

1,4-3,0

 

 

Завдяки цим матеріалам за останні 30 років властивості постійних магнітів стрибкоподібно зросли, на що вказує діаграма динаміки їх розвитку (рис. 1.85).

 

 

Рис. 1.85. Динаміка розвитку властивостей найбільш застосовуваних магнітних матеріалів: 1 – феритні магніти; 2 – магніти типу альніко; 3 – самарій-кобальтові магніти; 4 – магніти на основі системи неодим-залізо-бор [16]

Динаміка розвитку властивостей найбільш застосовуваних магнітних матеріалів_(1)_феритні магніти_(2)_магніти типу альніко_(3)_самарій-кобальтові магніти_(4)_магніти на основі системи неодим-залізо-бор
Динаміка розвитку властивостей найбільш застосовуваних магнітних матеріалів_(1)_феритні магніти_(2)_магніти типу альніко_(3)_самарій-кобальтові магніти_(4)_магніти на основі системи неодим-залізо-бор

Як зазначалось вище, магніти на основі сполуки Nd2Fe14B мають низьку температуру Кюрі (310°С) і з її підвищенням їх коерцитивна сила істотно знижується, що обмежує їх застосування при підвищених робочих температурах (вище 100°С). У зв’язку з цим для забезпечення необхідного рівня температурної стабільності магнітні сплави на основі системи Nd-Fe-B повинні містити значну кількість диспрозію, що пов’язано з деякими проблемами. Насамперед легування Dy знижує магнітну енергію, крім того, це доволі дефіцитний і дорогий метал, природні запаси якого обмежені, так само як і кількість країн – його виробників.

У табл. 1.73 подано дані про світове виробництво постійних магнітів у 2007 р. Як бачимо, майже 95% постійних магнітів припадає на ферити, при цьому частка РЗМ-магнітів становить лише 4,5% світового виробництва.

Таблиця 1.73

Світове виробництво постійних магнітів у 2007 р.

 

Країна

Виробництво постійних магнітів, тис. т/рік

Разом

Альніко

(Al-Ni-Co)

Ферити

Nd-Fe-B

т

%

Японія

0,30

47

10

57,3

8,0

Китай

2

439

20

461

63,8

Південно-Східна Азія

0,80

39

1

40,8

5,7

США

0,30

50

0,16

50,46

7,0

Європа

0,60

60

0,95

61,55

8,6

Інші

50

0,17

50,17

6,9

Разом

т

4

685

32,28

721,28

%

0,6

94,9

4,5

100

100

 

 

Однак індустрія рідкісноземельних магнітів зростає надзвичайно швидкими темпами – 2012 року у світі було виготовлено вже 63 тис. т, а в 2015 р. очікується випуск 78 тис. т магнітів типу Nd-Fe-B (табл. 1.74).

За прогнозами аналітиків, виробництво неодимових магнітів з 2015 до 2020 року зростатиме щорічно на 5%. Водночас слід зазначити, що в загальному виробництві постійних магнітів частка РЗМ-магнітів у найближчій перспективі не перевищуватиме 10-13%. При цьому домінуючими залишаться феритні магніти завдяки низькій вартості та доступності. З другого боку, у вартісному вираженні в 2005 р. ринок всіх магнітних матеріалів був оцінений у 8 млрд дол., при цьому частка РЗМ-магнітів становила майже 4,5 млрд дол. Очікується, що 2020 року обсяги продажів лише Nd-Fe-B-магнітів перевищать 17 млрд дол., при цьому їх виробництво становитиме близько 130 тис. т. Для порівняння: у цьому ж році передбачається виготовлення 1,1 млн т феритних магнітів, що у вартісному вираженні відповідає 7 млрд дол.

Таблиця 1.74

Виробництво постійних магнітів Nd-Fe-B у 2012 та 2015 (очікуване) рр.

 

Країна

Виробництво, тис. т/рік

2012

2015

Японія

10

8

Китай

50

65

Європа

1

1

США

0

2

Інші

2

2

Разом

63

78

 

 

Найбільшим споживачем рідкісноземельних магнітів є Японія, що пов’язано з високотехнологічним рівнем її промисловості. З рис. 1.86, який показує динаміку продажу магнітних матеріалів у Японії, видно, що, починаючи з 1995 р., домінуючими на ринку цієї країни стали саме РЗМ-магніти, а обсяги продажів феритних магнітів і магнітів типу альніко постійно знижуються.

Динаміка продажу постійних магнітів у Японії
Динаміка продажу постійних магнітів у Японії

На даний час подальший розвиток індустрії постійних магнітів пов’язують з розробкою нового покоління РЗМ-магнітів у нанокристалічному стані, що дозволить підвищити їх магнітні властивості майже удвічі [18]. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено, що за умов формування наноструктурного стану між магнітотвердою (Nd2Fe14B) та магнітом’якою (Fe) фазами виникає обмінна взаємодія, що дозволяє отримувати постійні магніти із залишковою індукцією до ~2 Тл при високій коерцитивній силі та максимальній питомій магнітній енергії до 90 MГсЕ. У цьому напрямі розвиваються декілька технологічних підходів, зокрема механохімічний синтез з вихідних компонентів або помел сплаву в інертній атмосфері в механічних млинах з наступною кристалізацією; виливання розтопленого сплаву на мідний водоохолоджуваний барабан, який обертається; термомеханічне оброблення шляхом витискання при підвищеній температурі (700-800°С) під тиском у прес-формах з різною площею поперечного перерізу і тощо. Однак спільним недоліком названих методів є отримання ізотропних або з низьким ступенем анізотропії магнітів, що стримує їх виготовлення у промислових масштабах. У зв’язку з цим основна увага дослідників зосереджена на розробці технологій отримання анізотропних наноструктурованих магнітів, що забезпечить новий якісний стрибок властивостей постійних магнітів і подальший розвиток пов’язаних з цим галузей. Подібні дослідження виконують і в Україні, зокрема у Фізико-механічному інституті НАНУ (м. Львів).

Крім того, триває пошук нових матеріалів для виробництва високоефективних магнітів. Зокрема це стосується сплавів на основі сполук типу ThMn12 та модифікованих азотом сполук типу Sm2Fe17, ThMn12 і Nd3(Fe,Ti)29. Найбільший інтерес серед них викликає сполука Sm2Fe17Nx, яка дає можливість отримати магніти з високою температурою Кюрі (476°С) і кращими магнітними характеристиками порівняно з магнітами на основі Nd2Fe14B.

Перспективи України на ринку РЗМ. Україна володіє значними ресурсами РЗМ, хоча і не видобуває їх (рис. 1.87). Зокрема у Приазов'ї розвідане Петрово-Гнутівське родовище з проявом багатих руд церієвої групи, яке за вмістом і складом РЗМ подібне до таких родовищ світового рівня, як Маунтін-Пасс і Баян-Обо. Особливий інтерес також становлять такі родовища, як Новополтавське (прогнозовані ресурси сягають 1 млн т монациту і 200 млн т апатиту), Жовтневе (до 200 тис. т R2O3), Азовське (710 тис. т R2O3, з яких 20% Y-лантаноїди, а також 840 тис. т Zr2O3) та інші.

Схема розташування родовищ рідкісних та рідкісноземельних
Схема розташування родовищ рідкісних та рідкісноземельних

За запасами скандію Україна посідає перше місце в Європі і входить до кола світових лідерів. Значні поклади цього елемента зосереджені, зокрема, в рудах Жовторіченського, Стремигородського, Торчинського та Злобицького родовищ.

Окрім сировинної бази Україна володіє розвиненою інфраструктурою, науково-технічним та промисловим потенціалом для видобутку та переробки РЗМ. Наприклад, переробка концентратів, отриманих із руд Азовського родовища, на селективні рідкісноземельні продукти можлива на Придніпровському хімічному заводі (ПХЗ, м. Дніпродзержинськ). Скандій можна добувати на базі розроблюваних родовищ ільменітових та цирконієвих руд, що міг би виконувати Запорізький титано-магнієвий комбінат. Перспективним також є його вилучення з перероблюваних Миколаївським глиноземним заводом бокситів Високопільського, Південнонікопольського та Смілянського родовищ [3].

Таким чином, Україна у найближчому майбутньому, безумовно, може стати одним із учасників ринку РЗМ, оскільки має для цього весь необхідний потенціал. Наявні ресурси здатні не лише забезпечити внутрішні потреби України в РЗМ, але й стати надійним джерелом валютних надходжень завдяки експорту їх концентратів (монацит, хлориди, оксиди и фториди РЗМ, ксенотим та ін.).

Разом з тим цілком зрозуміло, що розвиток галузі неможливий без істотних фінансових інвестицій та державної підтримки. Крім того, необхідне впровадження інноваційних технологічних підходів, оскільки руди більшості відомих родовищ є порівняно бідними і в деяких випадках залягають на значній глибині, що ускладнює їх видобуток і знижує рентабельність. Однак, враховуючи важливість такої сировини для економічного розвитку країни, у тому числі можливості розробки і впровадження високотехнологічної інноваційної продукції (зокрема підприємствами оборонно-промислового комплексу), а також стабільно зростаючий світовий попит на РЗМ, можна стверджувати, що після подолання всіх негараздів нинішнього періоду індустрія видобутку РЗМ в Україні має всі перспективи стрімкого розвитку.

На завершення розглянемо ще один перспективний напрям інтеграції України у світовий ринок РЗМ. Аналіз тенденції розвитку ринку свідчить про особливу увагу світової спільноти до постійних РЗМ-магнітів, і передусім на основі сплавів системи Nd-Fe-B. Як зазначалось вище, за останні роки саме ця галузь застосування РЗМ стабільно зростає. Крім того, більшість проектів з рециклювання РЗМ, які виконуються тепер, націлені власне на технології повторної переробки магнітних матеріалів і вилучення таких важливих елементів, як неодим та диспрозій.

Слід зазначити, що у більшості рідкісноземельних руд містяться суміш Nd і Pr, через що раніше її сприймали як окремий елемент, названий дидимом (Dd). Тому вартість магнітів на основі системи Nd-Fe-B визначається, в основному, витратами на її розділення. В Україні немає значних родовищ неодиму, але у відходах деяких виробництв є дидим – природна суміш кількох РЗМ, у якій вміст Nd становить 70-90%. Зокрема на Придніпровському хімічному заводі свого часу було освоєно виробництво сплавів дидим-залізо-бор, вихідним матеріалом для виготовлення яких є рідкісноземельний концентрат, який отримують у процесі переробки апатиту при виробництві фосфорних добрив. Це зумовлено тим, що неодим входить до складу легкої групи рідкісноземельних металів, які є обов’язковою складовою частиною будь-яких фосфоритових концентратів, з яких у 1990 р. на ПХЗ була отримана суміш РЗМ, що крім неодиму (80-90%) містить до 20% празеодиму, до 6% церію, а також незначні домішки лантану, самарію, диспрозію, гольмію та ітрію. Її подальша переробка з додаванням заліза і бору дозволила у 1992 р. отримати перші постійні магніти з вітчизняної сировини на основі системи Dd-Fe-B [19].

Фізико-механічні характеристики спечених магнітів Dd-Fe-B у вихідному стані (Br = 0,96 Тл, Hc = 10,3 кЕ, (BH)max = 23 МГсЕ) дещо поступалися магнітам системи Nd-Fe-B (див. табл. 6). Однак їх порівняно низька вартість (ціна в доларах США за кг на одиницю магнітної енергії рівна 1,7-1,9 порівняно з Nd-Fe-B – 1,4-3,0 і сплавами Sm-Co – 12,5-25,0) та перспективи поліпшення магнітних характеристик завдяки оптимізації хімічного складу та технологічним етапам отримання робили ці магніти конкурентоспроможними для промислового застосування. За фінансової підтримки Науково-Технологічного Центру в Україні (НТЦУ) у 2000–2003 рр. було реалізовано проект з поліпшення властивостей постійних магнітів на основі даної сировини [20]. Розроблені технології обробки сплавів системи Dd-Fe-B у середовищі водню дозволили підвищити їх магнітні характеристики на 8-10% і були успішно впроваджені у технологічний процес виготовлення постійних магнітів на фірмі Експромаг (м. Дніпродзержинськ). На жаль, це підприємство через фінансові труднощі припинило свою діяльність у кінці 2000 року. Однак, враховуючи сучасний стан ринку РЗМ, стабільно зростаючий попит на магніти даного типу та наявну сировинну базу, відновлення виробництва постійних магнітів на основі вітчизняних сплавів Dd-Fe-B є надзвичайно актуальним і потенційно привабливим для інвесторів. Додатковим підтвердженням цього можуть бути плани всесвітньо відомої корпорації Molycorp, яка на даний час основний акцент робить власне на екстрагуванні Dd для наступного виробництва постійних магнітів, причому сировину постачають з Каліфорнії на розділове виробництво Силмет у Естонії.

 


*Дурягіна Зоя Антонівна – д-р. техн. наук, професор, завідувач кафедри прикладного матеріалознавства та обробки матеріалів Національного університету «Львівська політехніка».

Тростянчин Андрій Миколайович – асистент кафедри прикладного матеріалознавства та обробки матеріалів Національного університету «Львівська політехніка».

 

ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО
ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО ПРОДОВОЛЬЧИХ ТОВАРІВ
ЧИТАТИ ПРО ІСТОРІЮ РОЗВИТКУ ТОВАРОЗНАВСТВА У ЛЬВОВІ

Браузер не бачить рисунок або формулу?! Скачайте реферат:
Скачати реферат “Рідкісноземельні метали”


Publisher: Team EPMPD  

Екскурсія на хлібозавод: студенти товарознавці Львівської політехніки відвідали хлібзавод №2

Студенти-товарознавці Львівської політехніки відвідали хлібзавод № 2. Екскурсію провели, щоб ознайомити студентів із тонкощами хлібо-пекарської справи. Окрім приємних вражень юні товарознавці здобули цінний досвід та нові знання.

Читати детальніше про навчання на товарознавця:
За посиланням: http://pca.com.ua/navchannya-na-tovaroznavtsya-osvita-za-napryamom-tovaroznavstvo-i-torgovelne-pidpriyemnitstvo/

Це не перша екскурсія, яку провела кафедра підприємництва та екологічної експертизи товарів (ПЕЕТ), зокрема, студенти-товарознавці уже відвідали ринок у Львові Шувар. Нагадаємо, що однієї із найважливіших галузей товарознавства є товарознавство продовольчих товарів, яке займається дослідження продуктів харчування. дана галузь не розвинена в Україні, проте уже в недалекому майбутньому попит на спеціалістів даної сфери зросте, оскільки виробники в Україні (йдеться не тільки про виробників продуктів харчування) намагатимуться вийти на ринки Європи та Пн. Америки, а це потребуватиме фахівців у сфері стандартизації та сертифкації товарів.

ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО
ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО ПРОДОВОЛЬЧИХ ТОВАРІВ
ЧИТАТИ ПРО ІСТОРІЮ РОЗВИТКУ ТОВАРОЗНАВСТВА У ЛЬВОВІ

Студенти товарознавці Львівська політехніка, хлібзавод №2 Студенти товарознавці Львівська політехніка, хлібзавод №2
Студенти товарознавці Львівська політехніка, хлібзавод №2 Студенти товарознавці Львівська політехніка, хлібзавод №2
Студенти товарознавці Львівська політехніка, хлібзавод №2 Студенти товарознавці Львівська політехніка, хлібзавод №2
Студенти товарознавці Львівська політехніка, хлібзавод №2 Студенти товарознавці Львівська політехніка, хлібзавод №2  

Publisher: Team EPMPD  

Кафедра екологічної політики та менеджменту природоохоронної діяльності запрошує на навчання студентів за напрямом "Товарознавство і торговельне підприємництво" (м. Львів)