Химические свойства материалов и их значение для оценки качества товаров

Министерство  образования и науки Украины

Донецкий  национальный университет экономики  и торговли

имени Михаила  Туган-Барановского 
 
 

Кафедра товароведения  и экспертизы непродовольственных  товаров 

Курсовая  работа

по дисциплине «Материаловедение»

Тема: «Химические  свойства материалов и их значение для оценки качества товаров» 
 

Руководитель:

проф. Александров  В.Д.

Выполнила:

ст. гр. ТКДН-08а

Никонова  В.В. 
 
 

Донецк 2010

План

Введение

1.Химические  свойства материалов.

1.1.Химическая  стойкость керамики.

1.2.Химические  свойства стекла.

1.3.Химические  свойства строительных материалов.

1.4.Химическая  стабильность и коррозионная  агрессивность дизельного топлива.

2.Значение химических  свойств материалов для оценки  качества товаров.

2.1.Объективные  методы определения показателей  качества.

2.2.Эвристические  методы определения показателей  качества.

2.3.Влияние химических  и физико-химических свойств на  оценку качества товаров (на  примере строительных материалов). 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Качество готовых  изделий определяется не только технологией  производства, но свойствами исходных материалов. От исходных свойств сырья  и материалов зависят свойства готовых  изделий, их надежность и долговечность  при эксплуатации, а также поведение  при транспортировке и хранении. Знание показателей основных свойств  позволяет осуществить взаимозаменяемость материалов. Помимо природных свойств, исходные материалы обладают свойствами, приобретенными в процессе обработки. Свойства материалов и готовых изделий  по их природе делят на химические, физические, физико-химические и биологические  свойства.

В данной курсовой работе рассмотрены химические свойства материалов, в частности керамики, стекла, строительных материалов и  дизельного топлива. Описаны методы оценки качества готовой продукции, влияние на качество химических свойств на примере строительных материалов. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Химические  свойства материалов.

Химические свойства характеризуют отношение материалов и готовых изделий к воздействию  различных химических веществ и  сред (кислотная, щелочная, водная). Химические свойства зависят от состава и  строения химического вещества или  группы веществ, из которых состоит  материал или готовое изделие. Наиболее важными из химических свойств являются: водостойкость, кислотостойкость, щелочестойкость, отношение к воздействию окислителей, восстановителей и растворителей, а также к действию светопогоды, химическая и биологическая стойкость, трещиностойкость, растворимость.

Химическая  стойкость — способность материалов противостоять разрушающему действию кислот, щелочей, растворенных в воде солей и газов, органических растворителей (ацетона, бензина, масел и др.). Химическая стойкость характеризуется потерей массы материала при действии на него агрессивной среды в течение определенного времени.

Кислотостойкими являются материалы, представляющие собой  соли сильных кислот (азотной, соляной, кремнефтористой), а также некоторые  синтетические материалы. Кислотостойкими  материалами являются поливинилхлоридные и специальные керамические плитки, а также стекло (но оно не обладает стойкостью к действию фтористоводородной и плавиковой кислот). Кислотостойкими  материалами отделывают некоторые  промышленные сооружения, например отстойники.

Щелочестойкими  должны быть материалы, которыми отделывают промышленные сооружения, подвергающиеся воздействию щелочей, а также  пигменты (красители), употребляемые  для окрашивания кровли.

Материалы, применяемые  в жилищном строительстве, должны быть стойкими в основном к углекислому  газу и сероводороду, так как эти  газы могут содержаться в воздухе в больших количествах, особенно вблизи промышленных предприятий. Поэтому для окрашивания металлических кровель нельзя употреблять пигменты, в состав которых входят свинец или медь; такие пигменты вступают в реакцию с сероводородом и чернеют.

Биологическая стойкость — свойство материалов и изделий сопротивляться разрушающему действию грибков и бактерий. Органические материалы или неорганические на органических связках под действием температурно-влажностных факторов могут разрушаться вследствие развития в них микроорганизмов, вызывающих гниение и разрушающих материалы в процессе эксплуатации. Так, в Средней Азии материалы, содержащие битум, разрушаются под действием микроорганизмов, которые для своего развития поглощают органические составляющие битума. Для придания кровельным материалам биологической стойкости в их состав при производстве вводят специальные химические вещества — антисептики. В процессе транспортирования и хранения материалы должны быть защищены от увлажнения.

Растворимость — способность материала растворяться в воде, масле, бензине, скипидаре и других растворителях. Растворимость может быть и положительным, и отрицательным свойством. Например, если в процессе эксплуатации синтетический облицовочный материал разрушается под действием растворителя, растворимость материалов играет отрицательную роль. При приготовлении холодных битумных мастик используется способность битумов растворяться в бензине. Это дает возможность наносить материал на поверхность тонким слоем, и поэтому растворимость в данном случае является положительным свойством.

Трещиностойкость гидроизоляционного слоя — его способность сохранять сплошность (однородность) при образовании и раскрытии трещин на поверхности основания. Трещиностойкость характеризуется коэффициентом Ктр — отношением ширины перекрываемой трещины в основании к толщине покрытия без нарушения сплошности и состояния покрытия над ней.

Водостойкость

Водостойкость характеризует отношение материала  к действию воды при различной  температуре в течение того или  иного времени. При этом имеются  в виду растворимость и набухание (впитывание воды). Для одних материалов растворимость является положительным  показателем (моющие вещества, пищевые  продукты, например яичный порошок, соевый белок), для других - отрицательным (пленочные  покрытия, клеи, лаки после высыхания). От водостойкости также могут  зависеть такие показатели, как прочность, сопротивляемость к истиранию, защитная способность. Так, прочность вискозных  нитей и тканей при увлажнении снижается вдвое.

Металлические изделия под действием влаги  подвергаются коррозии, в результате снижается прочность и ухудшается внешний вид. Некоторые металлы  поддаются коррозии быстрее в  месте стыков с другими металлами. Этот процесс называется электрохимической  коррозией в результате возникновения  гальванической пары, и его надо учитывать при прокладке труб, проводов. Так, например, стык меди с  нелегированной сталью недопустим. Добавление в состав стали никеля, титана, алюминия повышают коррозионную стойкость готовых  изделий.

Водостойкими  являются силикатные товары (содержащие SiO2): стеклянные, фаянсовые, фарфоровые, большинство пластических масс, нержавеющая сталь, большинство пластических масс. Для повышения водостойкости некоторые изделия покрывают специальными пленками, пастами, красками и другими составами. 

Кислотостойкость

Для изготовления изделий, которые в процессе эксплуатации соприкасаются с кислыми средами, используется кислотостойкое сырье. Высокую  кислотостойкость имеют стекло, керамические изделия, каучук, резина. Все металлы  без исключения под воздействием кислот разрушаются с различной  скоростью, в зависимости от концентрации кислоты и активности металла. Царская  водка, смесь концентрированных  азотной и соляной кислот, растворяет золото и платину, не растворимые  в каждой из этих кислот. На поверхности  серебра царская водка образует защитную пленку, однако этот металл растворяется в концентрированной серной кислоте.

Некоторые материалы  и изделия обладают стойкостью к  одним кислотам и нестойкостью к  другим. Так, например, соляная кислота  меньше разрушает древесину, чем  серная. Благодаря этому можно  распознавать природу материалов и  определять их составные части. Например, шерстяные волокна хорошо сопротивляются действию слабых растворов серной кислоты, а растительные волокна при этом разрушаются, что позволяет определить шерсть в составе смеси с хлопком, льном и другими растительными  волокнами.

Отношение к действию светопогоды

Многие материалы  и готовые изделия (одежда, обувь, кровельные материалы) в процессе эксплуатации подвергаются воздействию солнечного света (инсоляции) и атмосферных  осадков. Под влиянием ультрафиолетовой части солнечного спектра происходит разрушение материалов, изменяется их цвет. Для определения стойкости  готовых изделий к действию светопогоды  в лабораторных условиях используют или камеры или аппараты искусственной  погоды (везерометры), позволяющие создавать  условия, близкие к естественным. Кроме лабораторных испытаний, проводят испытания в естественных условиях на открытом воздухе.

Наиболее стойки к действию светопогоды силикатные товары и некоторые виды пластических масс. 

    1. Химическая  стойкость керамики.
 

Химической (коррозионной) стойкостью называют способность керамических материалов противостоять разрушающему действию агрессивных сред.

Коррозию керамики могут ускорять химические реакции, смачивание поверхности, растворение  и пропитка пор, объемные изменения  в керамике.

При коррозии обычно происходит взаимная диффузия ионов (атомов) керамики и агрессивной среды. Диффузия может и не сопровождаться разрушением  керамического изделия, но свойства могут измениться настолько, что  его дальнейшая эксплуатация в данной конструкции станет невозможной.

Химическая стойкость  определяется свойствами корродиента, химическим составом и микроструктурой  керамики, а также условиями процесса коррозии, особенно происходящими на границе керамики с агрессивной  средой.

Агрессивные вещества, действующие на керамику, часто представлены жидкостями (растворы кислот, оснований, солей; расплавы солей, стекол, шлаков, металлов). Особенно большое значение для огнеупоров имеет шлакоустойчивость. Основная доля потерь в металлургических агрегатах приходится на разрушение огнеупоров жидкими шлаками. Коррозия жидкими агрессивными средами имеет  место также в химических реакторах, в доменных, мартеновских, стекловаренных печах, в конвертерах, установках для непрерывной разливки стали и т. д.

Корродиентами для керамических материалов могут  быть также различные газы, в том  числе ионизированные (плазма): пары воды, продукты сгорания топлива (СО, CO2), SO2, HCI, пары летучих оксидов и солей  и др. Бескислородная керамика и  керметы могут, кроме того, окисляться. Коррозия агрессивными газообразными  средами происходит в химических реакторах, металлургических и стекловаренных печах, рекуператорах, в каналах  МГД-генераторов, в керамических двигателях и т. д.

Твердые вещества при повышенных температурах также  могут взаимодействовать с керамикой. Этот вид коррозии встречается, когда  в горячей зоне высокотемпературных  агрегатов контактируют друг с другом различные по химическому составу  виды огнеупоров.

Химическую стойкость  керамики по виду корродиента подразделяют на кислотостойкость, щелочестойкость, стеклоустойчи-вость, металлоустойчивость, шлакоустойчивость и т. д.

Взаимодействие  керамики с агрессивными веществами зависит от химической природы агрессивной  среды и керамики. Керамика из кислотных  оксидов легко разрушается агрессивными веществами основного характера  и наоборот. Так, керамика из MgO и  СаО взаимодействует с парами воды, с НСl, SО2, СО2, кислыми шлаками. Керамика на основе SiO2 взаимодействует  с парами и растворами щелочей, с  основными расплавами.

Возможность тех  или иных химических реакций между  керамикой и агрессивной средой можно оценить по потенциалу Гиббса, но для многокомпонентного расплава при высоких температурах это  сделать очень сложно.

Продуктами взаимодействия керамики с агрессивной средой могут  быть твердые, жидкие или газообразные вещества.

Выделение газообразных продуктов (встречающееся достаточно редко) увеличивает пористость керамики и этим уменьшает химическую стойкость, механическую прочность и другие зависящие от пористости свойства материала.

Взаимодействие  керамики с жидкостями, приводящее к изменению их состава, является важнейшим и наиболее часто встречающимся  процессом. Жидкие продукты могут, в  свою очередь, взаимодействовать с  керамикой. Этим объясняется тот  факт, что подавляющая часть исследований в области химической стойкости  керамики посвящена взаимодействиям  с жидкостями.

Достаточно часто  продукты взаимодействия бывают твердыми. Они могут стать твердыми в  процессе охлаждения или изменения  других условий процесса. Твердые  продукты, с одной стороны, должны сдерживать дальнейшее взаимодействие, создавая своеобразный изолирующий  слой между керамикой и агрессивным  агентом, но с другой - изменение  физических и химических свойств  часто вызывает необходимость замены керамики.

Керамические  футеровки различных высокотемпературных  агрегатов работают в условиях градиента  температур по толщине стенки. Сочетание  химического воздействия с температурным  градиентом чаще всего приводит к  зональному перерождению керамики. В  результате в отдельных зонах  может произойти настолько значительное изменение механических и термомеханических  свойств керамики, что это приводит к ее деформации, скалыванию футеровки  и даже к разрушению конструкции.

Химическая стойкость  керамики зависит не только от ее химического  состава, но и от макро- и микроструктуры: количества, формы и размера пор, количества и состава межзерновой фазы, размера и дефектности зерен. Наиболее интенсивно взаимодействие керамики с агрессивным веществом идет по порам в первую очередь открытым. Диффузия компонентов агрессивного вещества в керамику по поверхности пор интенсивнее, чем по межзерновой фазе, а тем более по объему зерен. Глубина пропитки пористой керамики жидкостью увеличивается вместе с увеличением открытой пористости.

По мере повышения  температуры влияние пористости растет. Коррозия при этом определяется совместным влиянием формы пор, их ориентации и распределения по размерам и  достаточно хорошо коррелирует с  газопроницаемостью.

Под действием  неоднородного температурного поля и в результате пропитки многокомпонентными расплавами керамический материал может  приобретать зональное строение с различным распределением компонентов, зависящим в первую очередь от распределения температуры, скорости диффузии компонентов расплава по поверхности  пор, удаленности от поверхности  контакта с расплавом и времени  взаимодействия.

Растворение стенок капилляров, происходящее при этом, может приводить к шлаковой усадке. Если в порах образуются новые  продукты с большим объемом, то возникающие  механические напряжения могут вызывать сколы. Благодаря твердофазным окислительно-восстановительным  реакциям иногда могут возникать  механические напряжения, приводящие к трещинам и образованию крупных  полостей.

Для повышения  химической стойкости керамики в  первую очередь необходимо уменьшать  ее пористость, особенно открытую. Другим эффективным способом является пропитка керамики специальными веществами, которые  в дальнейшем повышают вязкость пропитывающей  агрессивной жидкости, уменьшают смачивание поверхности пор жидкостью, увеличивают химическую стойкость поверхностных слоев пор и т. д.

Химическое взаимодействие агрессивной среды с керамикой  протекает не только по порам, но и  между зернами, в ходе которого растворяются границы зерен, что облегчает  эрозию керамики. Коэффициент диффузии атомов или ионов агрессивного вещества по границам зерен обычно значительно (иногда на 2-3 порядка) превышает таковой  в объеме зерна. Если в основном веществе примесей много, то в керамике образуется явно выраженная межзерновая фаза, в основном имеющая после охлаждения стеклообразное строение.

Наблюдается хорошая  корреляция химической стойкости керамики с уменьшением содержания в ней  плавней.

Межзерновая фаза и границы зерен, являясь менее  термодинамически устойчивыми, чем  кристаллические зерна, легче подвергаются химическому воздействию. Поскольку  наиболее крупные открытые поры находятся  между зернами, то проникающие по ним жидкость или газ растворяют межзерновую фазу в теле керамики.

Для повышения  химической стойкости керамики необходимо уменьшить количество межзерновой  фазы, что достигается повышением чистоты основного материала. Увеличить  химическую стойкость межзерновой  фазы можно, например, вводя высокоогнеупорные  вещества в связующую часть шихты. Эффективно использование специальных  добавок, приводящих к развитию в  огнеупорах во время их обжига прямой связи кристалл — кристалл, что  будет препятствовать вымыванию  зерен агрессивной жидкостью.

Отдельные кристаллы (плотные зерна) обычно являются наиболее устойчивыми элементами микроструктуры керамики к химическому воздействию, однако они иногда могут вымываться агрессивной средой, еще полностью не растворившись."

Взаимодействие  керамики с жидкостями и газами относится  к гетерогенным процессам и может  происходить в диффузионной, кинетической или смешанной областях.

Если взаимодействие керамики с жидкостью или газом  происходит в диффузионной области, его можно описать эмпирической формулой Нернста

j=D(C,-C„)/d,

где j — потеря массы твердого тела на единицу поверхности  раздела за единицу времени; D —  коэффициент диффузии; d — толщина  диффузионного слоя; Сх — концентрация растворяемого вещества в момент времени х; Сн — концентрация насыщения.

При выборе керамического  материала для конкретных условий  эксплуатации необходимо, чтобы скорость его растворения была минимальной, что достигается обычно при высокой  его чистоте.

Наиболее важным для химической стойкости при  эксплуатации керамики, особенно огнеупоров, являются процессы взаимодействия с  оксидными расплавами: стеклами, шлаками  и т. д. Поэтому важно знать  строение расплавов оксидов и  зависимость свойств, определяемых массопереносом, в расплаве (диффузия, электрическая проводимость, вязкость и т. д.) от его химического состава.

Поверхностное натяжение σ агрессивной жидкости также влияет на химическую стойкость  керамики. Оксидные расплавы обычно хорошо смачивают оксидную керамику. Уменьшение смачиваемости приводит к уменьшению глубины пропитки керамики. Увеличение поверхностного натяжения на границе жидкость — газ обычно уменьшает пропитку и способствует коррозии только с поверхности.

При взаимодействии шамотных огнеупоров с агрессивными различными расплавами чаще всего их поверхностное натяжение повышается, что приводит к малой пропитке и тонкому реакционному слою. Динасовые  огнеупоры при растворении несколько  понижают σ расплава, что приводит к интенсивной пропитке и селективному проникновению в огнеупор компонентов  расплава. В основных огнеупорах благодаря  их малому растворению в основных оксидных расплавах свойства расплава меняются незначительно, что при  достаточно низком поверхностном натяжении  исходного расплава также благоприятствует пропитке.

На границе  газ — жидкость — керамика, например на границе зеркала расплава стекла в стекловаренной печи, растворение  керамики идет более интенсивно, чем  в глубине. Основной причиной этого  явления считают изменение поверхностного натяжения на границе с керамикой, что может усиливать конвекцию. В поверхностные слои расплава могут  вытесняться его наиболее агрессивные  компоненты (в стекле — щелочи), вызывающие интенсивное растворение.

Многообразие  и сложность процессов коррозии не позволяет выработать универсально применимые испытания химической стойкости  керамики. Если для определения стойкости  кислотоупоров существуют стандартные  методы, то для испытания шлакоустойчивости, стеклоустойчивости и металлоустойчивости  единых стандартных методов нет.

Для оценки химической стойкости керамики можно использовать изменения структуры, химического  состава или свойств, имевшие  место в результате коррозии в  керамике, в прилегающем к ней  слое агрессивного вещества или в  агрессивном веществе.

Можно измерять изменение массы керамики, ее геометрических размеров, глубину проникновения (пропитки) агрессивного вещества в керамику. Растворение приводит к уменьшению массы, а окисление, например керметов, и пропитка приводят к увеличению массы. Трудность заключается в  том, что процессы растворения и  пропитки обычно идут одновременно. Даже удаление налипшего расплава с образца  часто является проблемой. Важную информацию о процессе дает изучение микроструктуры керамики и прилегающего к ней  слоя агрессивного вещества с помощью  оптической и электронной микроскопии. Иногда можно оценить химическую стойкость по изменению свойств  агрессивного вещества и керамики, например электрической проводимости, механической прочности, деформационных характеристик и т. д. Избирательность  диффузии компонентов агрессивного вещества в керамику, состав диффузионного  слоя исследуют с помощью электронного микрозонда, лазерного микрозонда, ожеспектроскопии, а также используя  радиоактивные и нерадиоактивные  изотопы.

Из сказанного ясно, что наиболее эффективным способом повышения химической стойкости  керамики является увеличение ее плотности  и повышение чистоты исходных веществ. При этом химическую стойкость  надо рассматривать в комплексе  с другими ее эксплуатационными  физико-химическими свойствами. Повышения  плотности керамики часто достигают  при использовании специальных  добавок. Важно, чтобы эти добавки  не слишком понижали химическую стойкость  и не обесценивали влияние повышения  плотности. Кроме того, повышение  плотности может уменьшить термостойкость керамики. Повышение чистоты исходного  сырья увеличивает стоимость  изделий и требует более высоких  температур для их обжига. Иногда возможно использование специальных добавок, перекрывающих систему открытых пор или ухудшающих смачивание их поверхности, или добавок, повышающих химическую стойкость границ зерен. В конечном итоге в расчет надо принимать различные факторы, переводя их на язык экономики, и выбирать оптимальный вариант. 

    1. Химические  свойства стекла.

   Стекло  — химически довольно стойкий  материал. Кислоты, за исключением плавиковой и фосфорной, практически не действуют  на стекло. Однако нет таких стекол, которые бы совсем не реагировали  с водой и щелочами. При длительном воздействии щелочей на стекло происходит его выщелачивание, изменение состава, вида и свойств. При действии воды происходит гидролиз стекла, в результате которого некоторое количество щелочи и других растворимых компонентов  переходит в воду; их можно определить титрованием 0,01 н. НО Чем больше кислоты  пошло на титрование, тем менее  стойким к воздействию воды было стекло.

По отношению  к действию воды стекла делят на пять гидролитических классов.

К классу I относят  стекла, практически неизменяемые водой, к классу V-неудовлетворительные стекла; к классу II относятся устойчивые стекла; к классу III —твердые аппаратные; к классу IV —мягкие аппаратные стекла.

Большинство силикатных стекол, выпускаемых промышленностью, относятся к границе классов II и III или к началу класса III.

Наибольшей химической стойкостью по отношению к воде и  кислым агрессивным средам обладает кварцевое стекло, но по отношению  к щелочам оно тоже малоустойчиво, как и другие стекла. Например, при  воздействии на кварцевое стекло концентрированной НС1 в течение 120 ч при 20°С потеря в массе стекла составляет 25 мг/см2, а при действии на то же стекло 1%-го раствора NaOH в течение того же времени и при той же температуре потеря в массе составляет 160 мг/см2.

Таким образом, химическая стойкость стекла в первую очередь определяется его составом: стекло химически более стойко с  большим содержанием малорастворимых  окислов алюминия, бора, цинка, свинца, магния и менее стойко с большим  содержанием хорошо растворимых  окислов щелочных и щелочноземельных металлов.

Однако химическая устойчивость стекла зависит и от его обработки. Так, она повышается после выдувания стекла из стекломассы, а также после отжига в печах, атмосфера которых содержит сернистый ангидрид. Это объясняется тем, что при высокой температуре между соединениями щелочных металлов, входящими в состав стекла, и газами, содержащимися в окружающей стекло атмосфере, протекает реакция, причем лишь на поверхности стекла.

   Этот  процесс условно называется обесщелачиванием поверхности стекла.