Получение и свойства полимерных материалов.
В настоящее время высокомолекулярные смолы - основу всех полимерных материалов - получают химическим путем в результате полимеризации простых молекул или поликонденсацией разных органических соединений.
Процесс полимеризацииосуществляется без выделения побочных продуктов путем разрыва двойных, тройных химических связей и соединения молекул в длинные линейные или разветвленные структуры.
Например, этилен (СН2=СН2)n при полимеризации образует линейный полиэтилен (-СН2-СН2-)n. Для повышения скорости реакции используют нагревание или давление, а также ультрафиолетовые лучи, катализаторы, инициаторы.
К полимеризационным полимерам, которые нашли широкое применение в строительстве, относятся: поливинилхлорид, полистирол, полиизобутилен, полиэтилен высокого и низкого давления.
При поликонденсации наряду с образующимся полимером выделяются такие побочные продукты, как газ или вода.
В результате реакции поликонденсации, в которой участвуют несколько веществ, образуются сложные по составу полимеры с линейным (полиамиды, поликарбонаты) или пространственным строением (фенолоформальдегидные, эпоксидные).
В зависимости от применяемого исходного сырья полимерные материалы подразделяют на искусственные и синтетические.
Искусственные получают путем химической модификации природных высокомолекулярных соединений (целлюлозы), синтетические – из различных мономеров (синтез).
Свойства полимерных материалов и изделий, как и любых других, зависят от их состава и структуры.
Микроструктура определяется в большей степени самим веществом, а макроструктура – способом получения.
Изделия из пластических масс получают несколькими методами: прямого прессованияпропитанной горячими смолами основы (ткани, древесного шпона, бумаги) в несколько слоев (листовые пластики) или полимерного пресс-порошка (плитки для облицовки полов);
литьевого прессованиявязкотекучей расплавленной смеси (плиточный и листовой материал с объемным рисунком для отделки стен и потолка);
экструзииили продавливания пластичной массы через насадку определенного размера и формы (плинтусы, поручни для лестниц, герметизирующие и уплотняющие прокладки для окон и дверей, рулонное полотно для отделки полов, стен и т.д.);
промазкиверхней поверхности полотна основы (бумаги, ткани, стеклоткани) пастообразной полимерной массой с последующим глубоким нанесением рельефного рисунка;
вальцево-каландровымметодом,который состоит из тщательного перемешивания компонентов на вальцах, последующей прокатки пластичной массы между двумя вращающимися в разные стороны валками с зазором, определяющим толщину будущего рулонного изделия, и нанесения объемного или плоского рисунка на поверхность.
Последними двумя способами получают рулонные материалы для отделки вертикальных и горизонтальных поверхностей в помещениях различного назначения.
Теплоизоляционныеполимерные материалыполучают несколькими способами.
Первый – путем предварительного вспениванияпластичной полимерной массы за счет интенсивного механического перемешивания в сочетании с действием перегретого пара (110 °С) или введения пенообразующих добавок, последующей заливки смеси в форму, быстрого охлаждения ее для фиксации пористой структуры и резки по размерам (пенопласты).
Второй – предусматривает использование в составе полимерной массы газообразующих компонентов, заполнение формы, подогрев для улучшения газообразования, быстрое охлаждение для фиксации структуры и при необходимости – резка по размерам (поропласты).
Третий – за счет склеивания по контактам гофрированных листов бумаги, ткани или древесного шпона, пропитанных горячей смолой (сотопласты).
Четвертый – снижение средней плотности за счет введения в поли-мерную массу высокопористых заполнителей (вспученный перлит, вермикулит) или волокнистых компонентов.
Широкое распространение полимерных материалов (пластмасс) в строительстве основано на их положительных свойствах: низкой истинной плотности, высокой водостойкости, гидрофобности. Это материалы, которые успешно работают в условиях действия истирающих нагрузок.
Механическая прочность хорошо сочетается в них с пластичностью и упругостью. Высокая коррозионная стойкость обеспечила их применение в качестве антикоррозионных материалов для защиты бетонных и металлических конструкций.
Имея неисчерпаемую цветовую палитру, пластмассы могут с успехом имитировать такие материалы, как древесина, природный камень, черные и цветные металлы. Важным положительным свойством пластмасс является хорошая технологическая обрабатываемость. Их можно легко резать, сваривать, шлифовать и полировать.
Способность пластмасс соединяться с другими органическими и неорганическими материалами позволяет создавать на их основе новые прогрессивные композиционные материалы и конструкции различного назначения.
Пластмассы имеют также ряд недостатков.
Большинство из них обладают высоким коэффициентом термического расширения, повышенной ползучестью, не огнестойки.
Под воздействием атмосферных факторов и особенно солнечных лучей полимеры стареют. Этот процесс сопровождается снижением прочности и эластичности. Материалы имеют сравнительно невысокую твердость и теплостойкость.
По отношению к нагреванию полимеры подразделяют на термопластичные (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид) и термореактивные (на основе эпоксидных и полиэфирных смол).
Для термопластичныхпереход из пластичного состояния (при нагревании) в твердое (при охлаждении) не сопровождается изменением состава и структуры изделия и, как следствие, физико-механических свойств.
Нагрев же термореактивных полимеров приводит к структурным изменениям на микроуровне, что оказывает значительное влияние на их свойства, они становятся жесткими и хрупкими.
5. Применение полимерных материалов и изделий. в строительстве экономически целесообразно использовать их при изготовлении несущих конструкций высокой коррозионной стойкости, покрытии полов, отделке стен, теплоизоляции ограждающих конструкций и технологического оборудования, герметизации стыков и швов в крупнопанельных зданиях, гидроизоляции кровель и фундаментов, изготовлении санитарно-технического оборудования и труб, а также для антикоррозионных работ.
| Материалы и изделия | Область применения |
| Полимербетоны, бетонополимеры | Колонны, балки, плиты перекрытия, полы в химических цехах с агрессивными средами |
| Листовые пластики | Обшивка навесных панелей; устройство светопрозрачных кровель (стеклопластики), жестких оболочек; отделка фасадов и внутренних стен; выполнение подвесных потолков; изготовление форм при производстве железобетонных изделий и конструкций |
| Плиты крупноразмерные высокопористые: мягкие | Звукоизоляция междуэтажных перекрытий |
| жесткие | Теплоизоляция ограждающих конструкций (стеновых панелей, плит покрытия). При наличии перфорации – звукопоглощающие материалы для выполнения подвесных потолков |
| Стержни стеклопластиковые | В качестве арматуры при получении бетонных конструкций, эксплуатируемых в условиях действия кислото- и солесодержащих сред |
| Плиточные – мелкоштучные вырубленные и прессованные (ПВХ, кумароновые, резиновые полистирольные и др.) | Покрытие пола, стен в помещениях с влажным режимом эксплуатации |
| Рулонные основные и безосновные: | Выполнение мягких кровель |
| линолеумы (ПВХ, алкидные, резиновые и др.) | покрытие полов в жилых, общественных помещениях |
| пленки гладкие и рельефные | Выполнение мягких оболочек, защита кровельных и гидроизоляционных рулонных материалов, внутренняя отделка стен |
| Длинномерные жгуты, шнуры, прокладки из полиуретана, каучуков и мягких поропластов | Герметизация швов, звукоизоляция строительных конструкций |
| Вязкопластичные мастичные составы на битумно-полимерных и полимерных связующих | Выполнение мастичных кровель, герметизация швов, антикоррозионная защита строительных конструкций, приклеивание рулонных, плиточных и крупноразмерных материалов к основанию |
| Вязкотекучие красочные составы | Придание декоративности и защита поверхности от разрушения |
| Несъемная опалубка | Монолитное строительство |
6. Свойства органических вяжущих (битумов).
Все органические вяжущие вещества имеют черный или темно-бурый цвет, поэтому их также называют черными вяжущими.
Битумы ¾ это сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных (т.е. соединение углерода с серой, кислородом, азотом).
Свойства битумов, как органических вяжущих: пластичность при нагревании и быстро увеличивающаяся вязкость при охлаждении; гидрофобность; водонепроницаемость; стойкость к действию кислот, щелочей, агрессивных жидкостей и газов; способность прочно сцепляться с металлом, с деревом, каменными материалами.
Природный битум – это вещество черного или темно-коричневого цвета, в природе встречается редко (в виде линз и озер). Образуется в результате естественной полимеризации нефти, отличается повышенной атмосферостойкостью и адгезией к каменным материалам.
Нефтяные (искусственные) битумы являются продуктами переработки нефти и ее смоляных осадков. В зависимости от способа переработки они подразделяются на остаточные, окисленные, крекинговые, экстрактные.
Состав битума изменяется в пределах: углерод–70-80 %; водород – 10-15 %; сера – 2-9 %; кислород – 0 – 5 %; азот – 0 – 2 %.
Свойства битумов, как дисперсной системы, определяются соотношением входящих в него составных частей: асфальтенов, смол, масел.
Обладая аморфным строением, битумы в отличие от кристаллических материалов не имеют определенной температуры плавления.
Постепенный переход из твердого состояния в вязкотекучее обратим и происходит без изменения основных свойств, следовательно, битумы относятся к термопластичным органическим материалам.
Деготь – темноокрашенный жидкий продукт, обладающий низкой атмосферостойкостью. Для повышения вязкости, атмосферо- и температуростойкости в состав дегтей вводят наполнители (известняк, песок).
Так как органические вяжущие материалы абсолютно плотные, то их средняя и истинная плотность численно равны и колеблются в зависимости от состава от 800 до 1300 кг/м3.
В практике строительства наибольшее применение нашли битумы. Они гидрофобны (не смачиваются водой), водостойки, пористость их практически равна нулю, поэтому они водонепроницаемы и морозостойки. Эти свойства позволяют широко использовать битумы при получении гидроизоляционных и кровельных материалов.
Срок эксплуатации битумных изделий на воздухе невелик, так как под действием солнечного света и кислорода воздуха происходит старение битумов, сопровождающееся повышением твердости и хрупкости.
Качество битумов оценивают также по вязкости и растяжимости.
Характеристикой структурно-механических свойств битумов является вязкость. С увеличением температуры вязкость уменьшается, с понижением ¾ увеличивается. При низких температурах битум приобретает свойства твердого тела, при повышенных температурах ¾ жидких.
Для твердых и вязких битумов вязкость определяют по условному показателю ¾ глубине проникания иглы в битум при определенной нагрузке, температуре и времени погружения на приборе пенетрометре по ГОСТ 11501-78 «Битумы нефтяные. Метод определения глубины проникания иглы».
Растяжимость(дуктильность) – способность битумов вытягиваться в тонкие нити, разрывающиеся под действием приложенной растягивающей нагрузки. Растяжимость измеряют в сантиметрах.
Эти три основных свойства битума находятся во взаимосвязи. Твердые битумы имеют высокую температуру размягчения, но малую растяжимость, т.е. относительно хрупки. Мягкие битумы размягчаются при невысокой температуре, могут сильно растягиваться – обладают большой пластичностью.
По вышеперечисленным свойствам для битума определяют марку, условное обозначение которой включает буквы, определяющие применение битума, и цифры, характеризующие его основные свойства. Например, марки БН-90/10, БНК-90/40 – битумы нефтяной строительный и кровельный, температура размягчения которых 90 °С, вязкость 10 и 40 соответственно, БНД-130/220 – битум нефтяной дорожный вязкостью 131 – 220.
Битумы коррозионностойки по отношению к водным растворам многих кислот, щелочей, солей и большинства агрессивных газов, но растворяются частично или полностью в различных органических растворителях (спирте, ацетоне, скипидаре). Это свойство позволяет применять их для приготовления антикоррозионных мастик, лаков и красок.
Механические свойствабитумов зависят от температуры окружающего воздуха. При нормальной (20 °С) температуре – это, как правило, твердые, относительно пластичные материалы, при понижении температуры до отрицательной – хрупкие. С целью повышения эластичности, теплостойкости, механической прочности в органические вяжущие вводят полимерные и минеральные добавки.
Материалы на основе битума нельзя применять при действии горячей воды и жидких органических сред (масла, растворителей, нефтепродуктов).