Технология полимерных строительных материалов

Технология полимерных материалов в основном выбирается в зависимости от их состава и применения. Основными технологичес­кими переделами являются подготовка сырьевых материалов, дози­рование, перемешивание полимерных композиций, формование и твер­дение изделий назначенных форм и размеров.

Применяются следующие способы получения полимерных изделий: вальцевание, каландрирование, экструзия, прессование под давлением, литье, пропитка, напыление, сварка, склеивание и др.

Для получения качественных полимерных материалов необходимо тщательное перемешивание компонентов до получения однородной массы. Перемешивание может быть периодическим и непрерывным.

Слоистые полимерные материалы уплотняют на многоэтажных гидравлических прессах в 2-3 этапа при температуре 120-200°С и давлении 15-16 МПа. Таким методом получают древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты, декоративный слоистый пластик, При этом термоплас­тичные полимеры расплавляются при 170-240°С до текучего состоя­ния, а прессуются в холодном состоянии. Расформовываются после твердения. Давление при формовке составляет 20 МПа. Таким спосо­бом производят пластмассы из эфиров, целлюлозы, полиэтилена, по­лиамидные изделия и др. Изделия находятся в форме 20-25 с, затем форма охлаждается и изделия расформовываются.

Прессованием получают панели, плиты и другие изделия из по­рошкообразных термореактивных композиций (фенопластов, амино­пластов и др.). Давление прессования может достигать 50 т. При уп­лотнении смесь нагревается водяным паром.

Формование термопластов центробежным методом. Полимер­ный порошок или гранулы укладывают в форму и нагревают. После расплавления смесь уплотняют в центрифуге при скорости вращения 1500 об/мин.

Отделочные пленки с бумажной и тканевой подосновой выпускают гладкими, с печатным ри­сунком и тиснеными. Получают эти пленки промазным способом или дублированием с подосновой. В состав промазной пасты входят эмульсионный поливинилхло­рид; пластификаторы – диоктилфталат и дибутилфталат, веретенное масло; наполнитель – каолин, пигмен­ты и стабилизаторы. На подоснову паста наносится в агрегате, состоящем из узла промазки (шпредингования), термокамеры, приемного устройства и тиснильного ка­ландра.

При дублировании пленок с основой масса переме­шивается в смесителе, пластифицируется на вальцах и пе­редается на трехвалковый каландр. Наносимая на осно­ву масса включает суспензионный поливинилхлорид, пластификатор, стабилизатор, краситель и специальные добавки. Масса наносится на ткань в нагретом состоя­нии, поступая из вальцов в верхний зазор каландра; в нижний зазор вводится ткань. Соприкасаясь с поверх­ностью среднего валка каландра, ткань покрывается поливинилхлоридной пленкой. После охлаждения ткань с нанесенной пленкой сматывается в рулоны. Тиснение пленок на подоснове производят на тиснильном каланд­ре.

Технология отделочного материала – текстовинита состоит из подготовки ткани (молескин, бязь, миткаль и др.), наложения на нее поливинилхлоридной пасты, термообработки и тиснения. Все эти операции проводятся на агрегате непрерывного действия, включающем барабаны, регулирующие степень натяже­ния ткани; стол с отсекателем, на котором движущаяся ткань покрывается слоем пасты, две термокамеры с элек­трообогревом, в которых происходит оплавление и отвердение поливинилхлоридной пасты, валы с электро­обогревом, служащие для уплотнения и покрытия, тис­нильный вал и устройства для охлаждения и свертыва­ния материала в рулон.

Текстовинит выпускается с пористым и непористым покрытием. Его ширина 60-80 см, масса 1 м² 500-700 г, сопротивление разрыву полоски размером 20x100 мм – 100-360 Н, истираемость на стандартном круге после 10 тыс. оборотов – 50-130 г/м². Применяется в отделке жилых и общественных зданий для покрытия панелей, стен и перегородок, обивки утепленных дверных поло­тен, в устройстве раздвижных перегородок. Разновид­ность текстовинита на бумажной подоснове называется бумвинит, а на подоснове из стеклоткани – стекловинит (негорючий, прочный, водостойкий и химически стойкий материал).

Близкий по технологии к текстовиниту павинол представляет собой декоративно-отделочный материал на хлопчатобумажной или стеклотканевой основе с од­носторонним поливинилхлоридным покрытием. Для повышения звукоизолирующей способности некоторые виды павинола дублируют с эластичным пенополиуре­таном. Павинол не растрескивается на морозе до -25° С, огнестоек, водонепроницаем.

Эффективный материал изоплен состоит из вспененного поливинилхлорида на бумаж­ной или тканевой основе. Выпускается трех видов: а) - для отделки стен и перегородок жилых и общественных зданий; б) - для отделки стен бытовых помещений про­изводственных зданий; в) - для обивки дверей и отделки помещений с повышенными требованиями к звукоизоля­ции. В состав пасты для изоплена входит эмульсионный поливинилхлорид, диоктилфталат, порофор, диоксид ти­тана или цинка, стеараты бария и кальция, силикат свин­ца, пигменты. Основой служит прочная бумага или хлоп­чатобумажная ткань – бязь.

Технология производства изоплена включает приго­товление пасты, нанесение ее на основу, тепловую об­работку в камере, тиснение, намотку в рулоны и упа­ковку. Толщина слоя пасты регулируется прижимом ножа. В термокамере паста желируется и вспенивает­ся. После выхода из камеры вспененный материал по­дается на тиснильный двухвалковый каландр, затем – на группу охлаждающих валков. Специальным ножом обрезают кромки и разрезают на полотнища, сматывае­мые в рулоны. Длина рулонов 6, 12, 20 м, ширина – 500, 600 и 1000 мм. Толщина материала соответственно 0,9; 1,6; 4,5 мм. Изоплен не изменяет цвет и фактуру при действии моющих средств, прочность его при раз­рыве – не менее 0,18-0,21 МПа.

Модификация этого материала – пеноплен – имеет толщину 1,2-4,5 мм, массу 1 м² – 240-800 г, пре­дел прочности при растяжении – не менее 0,5 МПа. Пеноплен обладает теплозвукоизоляционными свойст­вами и выпускается различных расцветок с гладкой, тис­неной и рифленой поверхностями. Предназначен для отделки стен, перегородок и потолков помещений жи­лых, общественных и производственных зданий. Коэф­фициент теплопроводности пеноплена – 0,07 Вт/м°С против 1 Вт/мºС у обычных поливинилхлоридных ма­териалов. Низкое водопоглощение, не превышающее 2 г на 100 см², позволяет рекомендовать пеноплен для отделки ванных комнат.

Пенопласты

Пенопластами называют теплоизоляционные материалы с системой несообщающихся между собой ячеек, содержащих газ или смесь газов и разделенных тонкими стенками. Пенопласты могут быть получены различными методами и на основе разных полимеров, поэтому они обладают разнообразными свойствами: низкой средней плотностью (до 15-25 кг/м³), достаточной прочностью, высокими теплоизоляционными, звукоизоляционными свойствами, стойкостью к действию влаги и агрессивных сред. Прочность пенопластов возрастает с повышением средней плотности и снижается с ростом температуры. Водопоглощение пенопластов уменьшается с увеличением их средней плотности.

В строительстве наибольшее распространение получили пенопласты на основе полистирола поливинилхлорида, полиуретанов и фенолоформальдегидных смол.

Пенополистирол (рис.21) получают как с применением повышенного давления (прессовым, автоклавным, экструзионными методами), так и беспрессовым методом. В основном распространены изделия марок ПС-1 и ПС-4. Они имеют равномерную замкнуто-ячеистую структуру. Пенопласт ПС-4, полученый с применением минеральных газообразователей, является более жестким по сравнению с ПС-1 и отличается повышенной теплостойкостью.

Значительно расширившийся ассортимент смол позволил получить новые материалы путем экструзии и вспенивания пластмасс на основе стирола, полиуретана, полиэфиров, фенола, синтетического каучука и других полимеров. В США в 1944 году впервые на основе стирола (бакелита) получен прессовый пенополистирол, в 1952 – бисерный. В начале 70-х годов прошлого века в Германии развили идею использования пенополистирола как теплоизоляционного материала в строительстве, включив воздушные белые гранулы пенополистирола в штукатурный раствор. Немецкие ученые создали легкую теплоизоляционную штукатурку, которая получила название "Родипор".

Это типичный строительный композит, прочный и водостойкий каркас которого слагают известь и цемент. От классической цементно-известковой штукатурки его отличает вид заполнителя: он на три четверти состоит из расширенных гранул пенополистирола, а традиционного песка в нем нет вовсе. Специально подобранные химические добавки позволяют добиться однородной структуры при приготовлении раствора, упрощают процесс нанесения и придают штукатурке водостойкость.

На основе "Родипора" создана и запатентована теплоизоляционная система "Родитерм", которая прошла стандартизацию и получила широкое признание у европейских строителей. У новой штукатурки отличные теплоизоляционные качества. Она прекрасно справляется со своими утилитарными, привычными функциями – защитными и декоративными, и при этом позволяет удовлетворить значительно возросшие в последнее время требования к сопротивлению теплопередаче наружных стен.

Коэффициент теплопроводности этого материала 1=0,063 Вт/м°С, то есть 50 мм штукатурки по своим теплоизоляционным характеристикам заменяют кладку в два кирпича или полутораметровую бетонную стену.

До недавнего времени широкое применение пенополистирола в строительстве ограничивалось его горючестью. Но на сегодняшний день в строительстве применяются трудновоспламеняемые и самозатухающие марки пенополистирола, обозначенные как ППСБ-С, такие пенополистиролы содержат специальные добавки антипирены, подавляющие самостоятельное горение, которое, в этом случае, наблюдается только в прямом контакте с открытым пламенем. При прекращении контакта с открытым пламенем, прекращается и горение пенополистирола. Капли, образующиеся от расплава, не могут служить источником дальнейшего распространения огня.

По поводу температурной стойкости пенополистирола необходимо сказать следующее: при температуре более 100 ^оС материал начинает медленно размягчаться и усаживаться. Но в строительных конструкциях такие температуры практически не встречаются. В то же время производство вспененного полистирола не стоит на месте-уже появляются марки ,предназначенные для рабочих температур в 110 ^оС .

Пенополистирол не может долго противостоять воздействию ультрафиолетовых лучей. В результате длительного солнечного облучения поверхность плит становится коричневой и постепенно превращается в пыль. Перед отделкой пенополистирол должен быть тщательно очищен от той пыли.

В качестве утеплителя пенополистирольные плиты применяются: - в системах наружного утепления «мокрого»типа;

- в системах с утеплителем с внутренней стороны ограждающей конструкции;

- в системах с утеплителем внутри ограждающей конструкции

- в качестве несъемной опалубки;

- в качестве основания под рулонные или мастичные кровли под стяжку толщиной, определяемой требованиями пожарной безопасности;

- для теплоизоляции подвалов и перекрытий

Высокие теплотехнические и прочностные характеристики экструдированного пенополистирола позволяют использовать его при решении следующих основных задач:

- изоляция «мостиков холода»;

- изоляция фундамента, стен подвалов и подземных сооружений;

- внутренняя теплоизоляция стен;

- теплоизоляция фасадов зданий «мокрого» типа с последующим нанесением на теплоизоляционные плиты штукатурки или других облицовочных материалов;

- теплоизоляция зданий изнутри, с последующей отделкой сухой штукатуркой, гипсокартонном, деревянными панелями, и др;

- изготовление « сэндвич-панелей »;

- теплоизоляция полов;

- устройство теплоизоляции скатных крыш;

Рис21 Фотографии структуры пенополистирола: свежего и искусственно состаренного

Пенополиуретан. В настоящее время изделия из пенополиуретанов занимают ведущее место среди теплоизоляционных пенопластов. Это объясняется сравнительной простотой и хорошими физико-техническими свойствами (табл. 10) . В настоящее время к полиуретанам (ПУ) относят обширный класс полимеров, зачастую сильно отличающихся химической природой, строением цепи и свойствами, но неизменно содержащих уретановые группы – NHCOO. Иногда, с целью уточнения названия, из-за наличия наряду с уретановой других функциональных групп, употребляют такие термины, как ПУ сложноэфирного типа, ПУ на основе простых олигоэфиров, полимочевиноуретаны. Хотя эти названия технически более точны, пользоваться ими неудобно, поэтому применяют термин "полиуретан", который объединяет все полимеры, содержащие уретановую группу.

В начале 30-х годов Карозерс (США) провел исследования по синтезу полиамидов. На основании этих исследований в концерне "I.G.Farbenindustrie" (Германия) начались работы по созданию полимерных материалов, подобных полиамидам. В результате были изобретены новые полимеры – полиуретаны. В 1937 году Байер с сотрудниками синтезировали полиуретановые эластомеры взаимодействием диизоцианатов с различными гидроксилсодержащими соединениями (полиолами). Затем на основе этих композиций они получили жесткие и эластичные пенополиуретаны. Работы того периода преследовали цель заменить полиуретанами такие стратегические материалы, как натуральный каучук, сталь, пробку

Процесс образования пенополиуретанов гораздо сложнее, чем процессы, протекающие при получении невспененных ПУ, поскольку здесь приходится сталки­ваться с явлениями, характерными для коллоидных систем. Для того чтобы иметь ясное представление о процессе пенообразования, нужно знать основные реакции, в результате которых происходят образование газа и рост макромолекул, коллоидную химию формирования пузырьков пены, а также реологию полимера в процессе его отверждения. Для улучшения пенообразования к системе обычно добавляют воду, за счет реакции которой с изоцианатом выделяется углекислый газ, необходимый для вспенивания:

В качестве вспенивателей, особенно в производстве жестких пенопластов, также применяют низкокипящие жидкости – фреоны (хладоны), представляющие собой галоидалканы, например трихлорфторметан. Однако, в связи с проблемой разрушения озонового слоя Земли, использование некоторых из них запрещено.

Пенополивинилхлорид – термопластичный полимер, содержащий до 56,8% связанного хлора, что обеспечивает ему пониженную горючесть по сравнению с пенополистиролом. Изделия получают как прессовым, так и беспрессовыми методами. Средняя плотность изделий 50-270 кг/м³ (табл. 6), цвет от белого до желтого. Изделия легко обрабатываются и склеиваются с другими материалами (металлом, древесиной, пластмассами и т. д.).

Пенополиуретан применятся в конструкциях стеновых и кровельных панелей типа «сэндвич».

Различные пенополиуретановые композиции также используют в изоляционных работах непосредственно на месте производства работ. Теплоизоляционные пенополиуретановые композиции могут наноситься методом набрызга, что позволяют получить сплошную бесшовную изоляцию.

Пенополиуретановые композиции могут заливаться также в зазоры между конструктивными элементами или в пространство между изолируемой поверхностью и легкой металлической передвижной опалубкой. Чтобы твердеющий пенополиуретан не сцеплялся с опалубкой, ее внутреннюю поверхность покрывают синтетической пленкой.

Все большее применение в современном строительстве находят теплоизолирующие герметики. Среди них достойное место занимают так называемые монтажные пены.

Однокомпонентные монтажные пены являются ячеистой полиуретановой пластмассой. Предварительно затаренные в баллоны композиции дают на выходе из емкости синтетическую пену, отличающуюся хорошей адгезией к дереву, металлу, кирпичу, бетону и т.д. Монтажные пены хорошо заполняют стыки в строительных конструкциях. Поверхности не требуют предварительной обработки, затвердение композиций происходит под воздействием химической реакции с окружающим воздухом или с, содержащими влагу, обрабатываемыми поверхностями.

Пенопласты на основе фенолоформальдегидных смол. Изделия на их основе отличаются повышенной теплостойкостью и огнестойкостью. В зависимости от содержания газообразователя пенопласты марок ФФ, ФК и ФС могут выпускаться средней плотности 100 кг/м³ и более. Плиты пенопласта поддаются обработке и склеиваются как между собой, так и с другими материалами.

Таблица 10

Основные показатели теплоизоляционных пластмасс

Вид пенопласта	Со"§m8 " о Ю (0 О 5	Предел прочности в кгс/см2	Предельная температура применения в °С	Коэффициент тепло-проводности в Вт/м∙К	Водопогло-щение по объему за 30 суток в %	Огнестойкость
На сжатие	На изгиб	+	-
Пеностирол	30-200	1,5-30	4-70	+60	-100	0,030-0,055	15-1	Самозатуха-щий
Пенополивинил -хлорид								Трудно-воспла-
50-270	2,3-25	4-40	+60	-60	0,036-0,052	10-3	меняемый
Пенополиуретан	30-200	1,5-35	10-50	+150	-180	0,030-0,058	18-5	Трудно-воспла-меняемый
Фенольный
пенопласт								Негорючий
(резольный)	80-150	2,5-7	3-6	+130	-50	0,041-052	28-8
Мочевинофор -
мальдегидный								Негорючий
поропласт
(мипора)	10-25	0,2-0,4	-	+110	-200	0,030-0,040	75-85
Поропласт МФП	12-35	0,3-0,5	-	+100	-60	0,032-0,041	75-85	Трудно-воспла-меняемый

Они изготовляются на основе композиций, вспениваемых и отверждаемых без подогрева в течение нескольких минут.

Пенопласты марки ФРП представляют собой жесткие газонаполненные материалы розового цвета. Паропроницаемость ФРП в 10 раз выше, чем пенополистирола ПСБ. Пенопласт ФРП по горючести относится к группе трудновоспламеняемых материалов. При вспенивании ФРП обладает достаточно хорошей адгезией к стеклопластику, древесностружечным плитам и несколько худшей к асбестоцементу.

Поропласты

Поропласты относятся к теплоизоляционным материалам с системой сообщающихся ячеек или полостей, заполненных газом. Наиболее распространены поропласты на основе мочевиноформальдегидных смол. Они технологичны, отличаются чрезвычайно низкой средней плотностью (до 5 кг/м3). В основном их получают дисперсионным методом в виде периодического (например, получение мипоры) или непрерывного процесса (поропласт МФП).

Мипору изготовляют на основе мочевиноформальдегидного полимера, средняя плотность мипоры 10-25 кг/м3 коэффициент теплопроводности до 0,05 Вт/м∙°С. Мипора имеет белый цвет и открытую ячеистую структуру, она выпускается двух марок: М - теплоизоляционный материал общего назначения и Н – теп лоизоляционный материал пониженной горючести для специальной теплоизоляции. Недостаток мипоры - повышенное водопоглощение. Гигроскопичность мипоры за сутки составляет около 15%, а за 28 суток – 75-85%. Мипора обладает также недостаточной биостойкостью: при испытании образцы мипоры поражались грибками, прочность изделий при этом снижалась. К достоинствам мипоры следует отнести ее малую горючесть и повышенную теплостойкость (до 100° С).

Поропласт МФП представляет собой пористый теплоизоляционный материал белого цвета. Получают его на месте, заливая пену в строительные конструкции на установке непрерывного действия.

Сотопласты

Рис. 22. Сотопласт с ячейками шестигранной фор-мы.

Сотопласты по сравнению с пенопластами и поропластами имеют геометрически более правильную структуру ячеек, но отличаются более выраженной анизотропией свойств. Сотопласты изготовляют без вспенивания путем склеивания гофрированных листов бумаги, стеклянной и хлопчатобумажной ткани, пропитанных полимером. Сотопласты имеют ячейки шестигранной (рис. 22), ромбической, квадратной, синусоидальной, а также шестигранной усиленной и смешанной форм. Сотопласты применяют в качестве утеплителей трехслойных панелей. Теплофизические свойства сотопластов можно значительно улучшить, заполнив ячейки крошкой из мипоры, вспученными зернами перлита, вермикулита и др. Теплопроводность сотопластов колеблется от 0,05 до 0,09 Вт/м∙К.

Поликарбонат

Поликарбонатпредставляет собой полимер, свойства и стабильность которого позволяют отнести его к пластическим материалам инженерного класса. Его физико-механические качества остаются неизменными в широком диапазоне температур от -45^оС до +120^оС, а ударная стойкость поликарбоната выше, чем у стекла в сто раз.

В современном строительстве поликарбонат применяется в двух видах – в виде монолитных структурированных листов различной толщины.

Монолитный поликарбонат редко используется в горизонтальных перекрытиях , но является идеальным материалом, из которого путем горячего формования получают элементы криволинейной формы. Это различные купола с круглым, квадратным или прямоугольным основанием, протяжные модульные световые фонари с неограниченной длиной и отдельные секции огромных куполов, достигающие 8-10 м в диаметре.

Современные технологии позволяют изготавливать изделия из монолитного поликарбоната с ребрами жесткости, что делает их пригодными для самонесущих перекрытий. В этом случае необходимость в применении металлического каркаса отпадает, благодаря чему отсутствуют «мостики холода» и возможность выпадения конденсата.

Структурированные листы - это наиболее распространенный вид поликарбоната, применяемый в строительной индустрии сегодня, в основном используемый в горизонтальных либо арочных перекрытиях- крышах, навесах, зенитных фонарях и.т.д.

Структурированные поликарбонатные листы производят методом экструзии, при этом происходит плавление гранул и выдавливание полученной массы через особое устройство, форма которого определяет строение конструкции листа.

К основным достоинствам структурированных поликарбонатных листов относятся:

- малая плотность от 1,5 до 3,5 кг/м³, что позволяет проектировать легкие конструкции с большим количеством дизайнерских возможностей и удешевляет стоимость покрытия;

- высокие теплоизоляционные свойства

- высокая ударная прочность

- высокая несущая способность

- прозрачность;

- гибкость, позволяющая легко изготавливать арочные перекрытия;

- высокая химическая стойкость;

- долговечность, гарантированный срок службы -10-12 лет;

- низкая горючесть;

У поликарбоната, как и у каждого материала, есть и некоторые недостатки, на которые необходимо обращать внимания при его использовании. Поликарбонат, как и любой пластический материал, подвержен температурному расширению в большей степени, чем материалы конструкции. Это свойство требует особого технического решения при проектировании, особенно в плоских покрытиях больших размеров. Возможны также механические повреждения поверхности листов, как и у стекла. Для решения этой проблемы поверхность листов обрабатывается специальным покрытием, либо защитное полиэтиленовое покрытие сохраняется до окончания монтажа.

Основной областью применения поликарбоната являются арочные, горизонтальные и наклонные светопропускающие перекрытия в различных жилых, общественных и промышленных зданиях и сооружениях. Поликарбонатные структурированные листы широко используются в конструкциях спортивных и выставочных залов, крытых пешеходных переходов, заводских цехов и торговых комплексов.