Строение макромолекул полимеров

Краткий справочник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Строительство»

Строение макромолекул полимеров

В зависимости от методалюлучения полимеры подразделяются на поли-меризационные, поликондёнсационные и модифицированные

природные полимеры.

Полимеризационные полимеры получают в процессе полимеризации мономеров вследствие раскрытия кратных связей ненасыщенных углеводородов и соединения элементарных звеньев мономера в длинные цепи Поскольку при реакции полимеризации атомы и их группировки не отщепляются, побочные продукты не образуются, а химический состав мономера и полимера одинаков.

Поликонденсационные полимеры получают в процессе реакции поликонденсации двух или нескольких низкомолекулярных веществ. При этой реакции наряду с основным продуктом поликонденсации образуются побочные соединения (вода, спирты и другие), а химический состав полимера отличается от химического состава исходных продуктов поликонденсации.

Модифицированные полимеры получают из природных высокомолекулярных веществ (целлюлоза, казеин, каучуки) путем их химической модификации для изменения их первоначальных свойств в заданном направлении. Эти полимеры не находят широкого применения в строительстве вследствие их недостаточной во до- и атмосферостойкости.

Для производства полимеров основным сырьем служа мономеры, т.е. вещества, способные соединяться друг с другом, образуя полимеры. Мономеры получают путем переработки природных и нефтяных газов, каменного угля, аммиака, углекислоты и других подобных веществ. Высокомолекулярные соединения характеризуются не только структурой молекул, но и молекулярной массой полимера. К высокомолекулярным соединениям относятся обычно полимеры с молекулярной массой свыше 5000; полимеры с более низкой молекулярной массой называют олиголимерами. По мере увеличения молекулярной массы полимера растворимость его в органических растворителях снижается, несколько снижается эластичность, однако прочность значительно возрастает.

Свойства многих полимеров неразрывно связаны с величиной молекулярной массы и межмолекулярных сил, которые слабее обычных валентных связей. При увеличении молекулярной массы полимера суммарный эффект межмолекулярных сил становится ощутимым, поскольку их источником является каждый атом. В этой связи возрастающая роль межмолекулярных сил при повышении молекулярной массы качественно отличает полимеры от низкомолекулярных соединений.

На свойства полимеров значительное влияние оказывают и водородные связи, когда водород непосредственно связан с кислородом или азотом (ОН, NH2, и др.). Водородная связь хотя и слабее ковалентных связей, но все же прочнее межмолекулярных сил притяжения и представляет как бы вторую

валентность водорода.

Полимеры характеризуются следующими свойствами: термические (температура размягчения и теплостойкость, температура стеклования и текучести), механические (прочность, деформативная устойчивость и поверхностная твердость), химические (атмосферостойкость и деструкция).

Температуру размягчения определяют по методу Кремер-Сарнова на специальном приборе. За температуру размягчения по Кремер-Сарнову принимают температуру глицерина в стакане прибора, при которой ртуть, находясь в стеклянной трубке на слое полимера, под действием собственной массы и нагрева глицерина проникнет через размягченный образец и коснется дна стакана.

Теплостойкость определяют на приборах Мартенса и Вика. Теплостойкость по Вика выражается температурой (°С), при которой плоский наконечник стержня прибора площадью 1 мм2, нагруженный стандартным грузом 1 или 5 кг, внедряется в образец полимера на глубину 1 мм.

К важнейшим полимеризационным полимерам (термопласты) следует отнести полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, поливинилхлорид, полистирол и др. Полиэтилен [-СН2-СН2-]п - продукт полимеризации этилена. Выпускается или в виде гранул размером 3...4 мм, или белого порошка. Исходным материалом является газообразный этилен, получаемый при термической обработке нефти. Полиэтилен применяется для производства труб, пленок, тары и сантехнического оборудования.

Полистирол [-СН2-СНСбН5-]п - твердый продукт полимеризации стирола. Его выпускают в виде прозрачных листов, гранул. Макромолекула имеет полидисперсную разветвленную структуру. Стирол содержится в некоторых фракциях каменноугольной смолы или вырабатывается из бензола и этилена. Стирол легко полимеризуется под действием солнечного света и повышенной температуры (80°С).

Блочный полистирол имеет высокую прочность (80...НО МПа) и водостойкость. Молекулярная масса его от 50000 до 300000, плотность 1.04 ... 1.66 г/см3, теплопроводность 0.10 ... 0.15 Вт/(м-°С).

Применяют для изготовления гидроизоляционных пленок, облицовочных плиток, теплоизоляционных материалов, водопроводных труб и др.

Среди поликристаллизационных полимеров (реактопласты) наиболее значимыми являются фенолформальдегидные, карбамидные, мочевинофор-мальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические.

Фенолформальдегидные полимеры получают путем поликонденсации фенола с формальдегидом. Фенол СбН5ОН представляет собой бесцветные кристаллы игольчатого типа с характерным сильным запахом. Он токсичен, а при попадании на кожу вызывает ожоги.

Формальдегид - газ с удушливым запахом, 40 %-ный раствор его в воде называют формалином.

Фенолформальдегидные полимеры используются для производства клеев, древесно-стружечных, волокнистых и слоистых плит, пластиков, водо-

стойкой фанеры, минераловатных и стекловатных матов, спиртовых лаков.

Кремнийорганические полимеры. Макромолекулы состоят из чередующихся атомов кремния и кислорода, а углерод входит лишь в состав групп, обрамляющих главную цепь СНз.

Наличие силоксановой связи:

придает свойства, присущие силикатным материалам (прочность, твердость, теплостойкость), а углеводородистых радикалов СНз - органическим полимерам (эластичность и др.).

На основе органических вяжущих веществ, так же, как и на основе неорганических, изготавливают и применяют растворы и бетоны. Они в значительной степени предназначены для защиты строительных изделий и сооружений от агрессивной среды. Основное количество растворов и бетонов на органических вяжущих веществах изготавливают с применением битумов. Данные материалы нашли свое применение для гидроизоляции сооружений и устройства дорог. Наиболее известным и применяемым в строительстве материалом является асфальтобетон. В РФ многими исследователями ведутся работы по повышению эксплуатационных свойств асфальтобетона.

Проблема определения и нормирования эксплуатационных свойств асфальтобетона актуальна не только для РФ, но и для многих стран, и в некоторых из них уже введены в действие новые стандарты, в которых методы определения эксплуатационных свойств основаны на лабораторном копировании реальных условий работы асфальтобетона в покрытиях.

Так, сдвигоустойчивость в стандартах Франции и Финляндии нормирована в виде глубины колеи, выдавленной в асфальтобетонной плите многократно повторяющимися возвратно-поступательными проходами пневматического колеса.

В новом стандарте США трещиностойкость нормирована показателем усталостной прочности при многократно повторяющемся изгибе балки.

Первая попытка в РФ была сделана в 1995 году Ю.Е. Никольским и Л.С.Губачем, разработавшими региональные технические условия на асфальтобетон для Ленинградской области, в которых нормированы показатели не физико-механических, а эксплуатационных свойств. В них сдвигоустойчивость нормирована показателями сопротивления сдвигу, трещиностойкость -отношением предела прочности при расколе к модулю упругости.

Трещиностойкость, т.е. сопротивляемость асфальтобетона температурным растягивающим напряжениям, может быть обеспечена применением возможно менее вязких битумов, деформативность которых сохраняется даже

при очень низких температурах и, следовательно, прочность асфальтобетона может быть сравнительно небольшой.

Деформативность асфальтобетона при низких температурах может быть повышена также и применением битума, модифицированного полимерными добавками.

Анализ методов, предложенных для определения трещиностойкости, показывает, что сопротивление растяжению при расколе может быть базовым методом.

Нормируемыми показателями эксплуатационных свойств следует рассматривать: показатели сдвигоустойчивости для дорог разных категорий; показатели трещиностойкости для различных климатических регионов; коэффициент водостойкости; показатель однородности смеси.