Полимерные строительные материалы и изделия

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

Полимерные строительные материалы и изделия

Полимерные материалы (пластмассы, композиты, пластики) - это композиции определенного состава, получаемые из мономеров, олигомеров, полимеров с введением при их изготовлении либо в процессе формования изделия различных компонентов (ингредиентов) для целенаправленного придания свойств как материалу, так и изделию из него.

В полимерный материал могут входить одновременно или в различном сочетании: связующее (полимерная матрица), наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители, сшивающие агенты (отвердители), струк-турообразователи, порообразователи, смазки, антипирены, антистатики, антимикробные агенты и другие компоненты, придающие специфические свойства композиции в целом.

Связующее в пластической массе или полимерная матрица в полимерном материале (изделии) удерживает все ингредиенты композиции в форме и размерах, полученных после ее переработки. Связующим (полимерной матрицей) могут быть индивидуальные полимеры. Помимо основного компонента связующего - мономера, чаще олигомера, полимера или их сочетания - в него вводят различные органические соединения, изменяющие (модифицирующие) свойства компонентов связующего на стадии изготовления полимерного материала или при его переработке в изделия.

Модифицирование проводят либо без химических превращений основного полимера путем изменения условий производства полимерного материала или введением малых количеств неполимерных веществ (структурная модификация), либо в результате химических реакций, как на стадии синтеза (сополимеризация, полимеризационное наполнение и др.), так и путем химических превращений уже синтезированных олигомеров и полимеров (химическая модификация).

Наполнители - это твердые, жидкие, газообразные органические и неорганические вещества, вводимые в мономер, олигомер или полимер с целью снижения стоимости изделия с одновременным улучшением эксплуатационных параметров пластических масс, ведущих к расширению областей их применения. Химическая природа, физическое строение и форма наполнителя определяют механические, электрические и химические свойства полимеров, а также их во до-, термо- и теплостойкость. Наполнители в значительной степени влияют и на технологический процесс производства пластической массы, и на способность ее переработки в изделия.

Наполнители в зависимости от химической природы и активности поверхности разделяют на органические и неорганические, природные и синтетические, активные и неактивные, а в зависимости от формы и структуры - на порошкообразные (дисперсные), волокнистые и листовые.

В производстве полимерных композиционных материалов наибольшее применение находят порошкообразные наполнители различных форм: кубической - полевой шпат, кальциты; сферической - искусственные микросферы, стеклосферы; игольчатой - древесная мука, силикат кальция; чешуйчатой -тальк, графит, каолин, гидроокись алюминия; в виде параллелепипеда - полевой шпат, оксиды кремния, бария, сочетание которых между собой может быть самым разнообразным.

Из волокнистых наполнителей широкое распространение получили хлопковые очесы, короткие целлюлозные, асбестовые, стеклянные, а также углеродные, борные, металлические волокна.

Из листовых наполнителей применяют бумагу, различные ткани (стеклохлопчатобумажные, боро-, органоткани и др.), ленты, например, из металлической фольги.

Пластификаторы - это продукты (вещества), вводимые в мономер, олиго-мер или полимер с целью повышения эластичности и пластичности, а также облегчения диспергирования в композиции сыпучих компонентов, например, порошкообразных наполнителей. Пластификаторы понижают температуру переработки и могут придавать материалу такие свойства, как свето-, термо- и морозостойкость, не горючесть.

Известно свыше 500 наименований пластификаторов, применяется около 100. Важнейшими из них являются эфиры алифатических или ароматических кислот и алифатических спиртов, эфиры гликолей и эфиры фосфорной кислоты, эпоксидированные соединения, хлорированные соединения и др.

Стабилизаторы (антиоксиданты, термо-, светостабилизаторы, противо-утомители) - вещества, повышающие устойчивость мономеров, олигомеров или полимеров к действию кислорода, особенно при повышенных температурах в условиях производства, переработки и хранения - эксплуатации полимерных материалов. Различают окрашивающие и неокрашивающие антиоксиданты, среди которых наибольшее применение находят неозон, нонокс, диа-фен, алкофены и др.

Сшивающие агенты (отвердители, вулканизующие агенты) - вещества, создающие в полимерной матрице композиционного материала на определенной стадии его производства, чаще всего при изготовлении изделия, химические связи между макромолекулами с целью повышения прочности, тепло- и химстойкости и других свойств. Условно сшивающие агенты разделяют на отвердители для пластических масс и вулканизующие агенты для каучуков. К отвердителям относят алифатические и ароматические амины, низкомолекулярные полиамиды, ангидриды кислот, полиизоцианаты, гексаметилентетраа-мин, алкоксисиланы, активные растворители - фурфурол и фуриловый спирт, стирол и др.; к вулканизирующим агентам - серу, органические ди- и полисульфиды, органические перекиси, диамины, производные хинона, алкилфе-нолоформальдегидные смолы, диизоцианаты, окислы металлов и др.

Структурообразователями называют вещества, вводимые в полимерные материалы для получения полимерной матрицы с определенной структурой. К таким веществам относятся тонкодисперсные порошки окислов, нитридов металлов, карбиды, соли органических кислот, поверхностно-активные вещества (ПАВ), вводимые в количестве 0.1 ...1.0 % от массы полимера. Выполняя роль центров кристаллизации и (или) понижая поверхностное натяжение на границе фаз, эти добавки способствуют улучшению прочностных, химических и других свойств полимерных материалов.

Смазки (парафины, воска, стеараты) предохраняют от прилипания полимера к поверхностям формующего оборудования, способствуя диспергированию ингредиентов в материале.

Антистатики (различные группы ПАВ, добавляемые в количестве до 1% от массы полимера) предотвращают возникновение и накопление статистического электричества на изделиях из полимерных материалов.

Антипирены (галогеносодержащие соединения, производные фосфора, соединения сурьмы, изоцианаты) снижают горючесть материала, затрудняя воспламенение и распространение пламени.

Порообразователи - вспенивающие вещества, используемые для образования в полимере или полимерном материале замкнутых, не сообщающихся (пенопласт) или сообщающихся (поропласт) между собой пор, что ведет к существенному снижению плотности материала.

Порообразователями могут быть органические и неорганические, жидкие и твердые вещества, разлагающиеся при нагревании с выделением СО2, NH2, N2, либо воздуха, N2, СО2, NH2, H2 в виде газов, вводимых в композицию под давлением; легкокипящие, но не разлагающие при нагревании жидкости (метиленхлорид, пектан, гектан и др.) и водорастворимые соли (КС1, NaCl и др.), вымываемые из изделия (физические порообразователи).

Антисептики (доли процента органических соединений Sn, As, Hg, бро-мированных салициламидов, меркаптанов) в полимерном материале затрудняют появление и распространение микроорганизмов.

Красители (органические и неорганические пигменты) вводятся в полимерные материалы для придания им цвета и товарного вида и должны обладать высокой степенью дисперсности, свето-, термо- и атмосферостойкостью, стойкостью к воздействию агрессивных сред (кислот, щелочей и др.) и отсутствием склонности к миграции на поверхность изделия.

Полимерные строительные материалы - это чаще всего многокомпонентные системы, основным отличительным признаком которых является вид связующего - полимера. Однако в определенных условиях используются так называемые гомополимерные материалы - полимеры, не содержащие каких-либо модифицирующих и других добавок. Перечень этих материалов и области их использования довольно значительны.

При попытках классифицировать существующий массив полимерных материалов всегда возникают трудности, связанные с поливариантностью их состава и структуры и отсюда практически неограниченным набором - сочетанием свойств конечных продуктов и изделий из них.

На практике и в литературе используется несколько способов разделения полимерных материалов, основу которых составляют:

происхождение - природные, искусственные, синтетические;

механизм синтеза - полимеризационные, поликонденсационные;

способ синтеза - суспензионные, эмульсионные, блочные или массовые;

поведение при воздействии высоких температур - термопласты, реактопласты;

химическое строение - органические и неорганические или карбоцепные, гетероцепные, элементоорганические и неорганические;

конечный продукт - олигомеры, полимеры, пластические массы или полимерные материалы;

величина деформационных характеристик - жесткие, полужесткие, мягкие и эластичные;

область применения - так называемые потребительские ряды - самый широкий спектр для классификации.

При выборе полимерных материалов, защищающих изделия и конструкции от воздействия различных факторов эксплуатации и агрессивных сред (полимерные покрытия), необходимо учитывать химическую стойкость полимера, его термостабильность, природу защищаемой поверхности, сцепляе-мость (адгезию) покрытия с защищаемой поверхностью и некоторые другие.

Для ориентировочного выбора следует пользоваться справочными данными. Однако необходимо помнить, что большей частью эти данные основываются на относительно кратковременных, лабораторных испытаниях в чистых индивидуальных средах. На практике условия эксплуатации и среды сложные. В этой связи рекомендуется проводить проверочные испытания полимерного покрытия в модельных и производственных условиях.

Для ускоренного выбора вида или группы полимерного покрытия для защиты строительных и других изделий и конструкций можно воспользоваться упрощенной диаграммой, представленной на 5.1.

Искусственные полимерные материалы и изделия получают из пластических масс. Кроме полимера (связующего) пластмассы могут содержать наполнители и пастификаторы, красители, стабилизаторы и другие специальные добавки (отвердители, порообразователи, смазывающие вещества). Первой промышленной пластмассой был эбонит, полученный еще в 1843 г. вулканизацией натурального каучука серой. В начале XX в. начато производство пластических масс на основе фенолоформальдегидных полимеров.

Одним из ценных свойств пластмасс является их небольшая средняя плотность, находящаяся для большой группы порошков в пределах 15...400 кг/м 3.

Большинство пластмасс (особенно с листовыми наполнителями) обладают высокими механическими свойствами. Они хорошо сопротивляются сжимающим, изгибающим, истирающим и ударным воздействиям. Так, например, предел прочности при растяжении стеклотекстолита достигает 280 МПа, а стекловолокнистого анизотропного материала (СВАМа) 450 ... 900 МПа; предел прочности большинства пластмасс с порошкообразными и волокнистыми наполнителями составляет при сжатии 120.0 ... 160.0 МПа, а при изгибе 40.0 ... 60.0 МПа и более. Кроме того, они характеризуются высоким коэффициентом конструктивного качества (1.0 ... 2.0).

Положительной характеристикой пластмасс является их малая теплопроводность и водопоглощение. Теплопроводность изделий из пластмасс состав-

ляет 0.25 ... 0.70 Вт/(М-°С), а у пористых материалов всего лишь 0.03 Вт/(М-°С), т.е. приближается к теплопроводности воздуха 0.023 Вт/(М-°С). Пластмассы и изделия на их основе имеют высокую химическую стойкость к воздействию растворов кислот, щелочей, органических растворителей.

К положительным свойствам пластмасс следует отнести их способность прокрашиватся на всю толщину изделия и легко поддаваться технологической обработке - сверлиться, обтачиваться и свариваться в струе горячего воздуха. Отдельные виды пластмасс обладают высокой прозрачностью, которая находится в пределах 85 ... 94 относительно прозрачности алмаза, принятой за 100. Особые декоративные свойства изделий из пластмасс: гладкая, не требующая полировки поверхность, четко выраженный колер - выгодно отличают эти изделия от других отделочных материалов.

Вместе с тем они имеют ряд недостатков. Так, существенными недостатками пластмасс являются малая поверхностная твердость, низкая теплостойкость, горючесть, токсичность, повышенная ползучесть, малая долговечность, изменение физико-механических свойств во времени.

Под воздействием различных активных факторов и при высокой для данного материала температуре могут развиваться в полимере процессы окисления и деструкции с разрывом макромолекул по длине цепи, отрывом отдельных или групп атомов от её звеньев. Так, например, под влиянием озона возникают функциональные группы - гидроксилы, карбоксилы. Они являются своеобразными предвестниками химической деструкции:

под влиянием озона возникает

В реакциях деструкции полимеров характерным является снижение молекулярной массы и выделение летучих продуктов. Изменения полимеров связаны с влиянием светового облучения, например, активной части солнечной радиации (длина волн 30 - 36 • 10"8м), действием ультрафиолетовых лучей, повышенных температур, механических напряжений, водопоглощением при длительном контакте с водой.

Деструктивные явления рассмотрены ниже в отношении ряда тер-моплатичных и термореактивных полимеров.

Полиэтилен нестоек к действию окислителей при повышенных температурах. Водопоглощение наблюдается в среде ПАВ. Разрушения материала наблюдаются под действием активной части солнечной радиации, ионизирующего излучения. Полиизобутилен стоек к действию минеральных кислот, кон-

центрированных едких щелочей. Однако под влиянием ароматических и хлорированных углеводородов он сравнительно легко растворяется с потерей исходных физико-механических свойств.

Поливинилхлорид и его сополимеры с винилацетатом характеризуются высокой стойкостью к кислым и щелочным средам. Трубы из поливинилхло-рида успешно используют для транспортирования агрессивных жидкостей при температуре от -15 до +60 °С. Но и этот полимер, а также полистирол с его высокой способностью сохранять твердость при повышении температуры (температура плавления 230 °С), не проявляют стойкости при солнечном облучении и быстро стареют, набирают хрупкость.

Полиэфирные полимеры имеют высокую стойкость к большинству кислот любой концентрации до температуры 80 °С, к сульфатам, хлоридам, спиртам, нефтепродуктам. Но они подвержены коррозионному воздействию азотной, уксусной и муравьиной кислот. Они не проявляют достаточной стойкости к едким щелочам.

Эпоксидные и фурановые полимеры не отличаются высокой химической стойкостью к воздействию сильных окислителей.

Сравнительно общим способом торможения при воздействии света и облучений является введение химических реагентов, способных поглощать ультрафиолетовые и другие лучи. К таким реагентам относятся, например, для стабилизации полиэтилена и некоторых других полимеров бензотриазол, тинувин, хлористый марганец и др.

Другой способ стабилизации структуры полимеров, применяемых в покрытиях, - введение светоотражающих добавок, например, алюминиевой пудры. В полимеры для стабилизации вводят также антиоксиды, наполнители, особые разновидности стабилизаторов и другие добавки.

При изготовлении пластмасс и строительных материалов (изделий) из них осуществляются подготовительные работы по активации составляющих, дозирование компонентов и их перемешивание в смесительных аппаратах, формование изделий методами вальцевания (на каландрах), горячего прессования, литья под давлением, экструзии и др.

Вальцевание на каландрах - технологический передел, при котором размягченная композиция формуется в зазоре между вращающимися валками каландров, образующими ленту изделия, толщину и ширину которой можно регулировать. Такая технология применяется для обработки поливинилхлорид-ных пластмасс при изготовлении пленок, рулонных материалов для пола.

Экструзия - процесс, при котором заданный профиль изделиям придается продавливанием размягченной исходной пластмассы через формообразующее устройство - экструзионную головку. С помощью таких шнековых экструзи-онных машин изготавливают погонажные изделия, трубы, пленки, линолеум для пола и др.

На основе этих и некоторых других (вакуум-формирования, напыления) технологических операций развивается производство строительных материалов и изделий из пластмасс.

Прессование - изготовление изделий в металлических пресс-формах. Материал (пресс-порошок), заполнивший форму, под действием теплоты и давления превращается в готовое изделие заданной конфигурации.

Сырьем для изготовления линолеума, кроме связующего поливинилхло-рида, служат наполнители: тальк, барит, мел гидрофобизированный, древесная мука и другие, пластификаторы диоктифталит и добавки. Для окрашивания линолеума применяют мумию, сурик железный, литопон, ультрамарин, зелень хромовую.

Полинивинилхлоридный линолеум производят на тканевой и теплоизоляционной основе. При применении вспененного поливинилхлорида применяются ткани из стеклохолста и асбеста.

Более эффективными синтетическими покрытиями взамен линолеумов являются ковровые покрытия. Для приготовления ковровых покрытий отдельные полотнища материала склеивают или сваривают в ковры необходимых размеров.

Ворсовое рулонное покрытие из синтетических волокон изготовляют нанесением синтетического ворса в электрическом поле на различные подосновы. Ковровое покрытие выпускают в рулонах длиной не менее 12 м, шириной 1.1; 1.2 и 1.3 м при толщине не менее 5 мм.

Фенолитовые, резиновые плитки, древесно-стружечные, древесноволокнистые плиты, санитарно-техническое оборудование в виде ванн, умывальников, раковин и другие изготавливают прессованием.

Отделочные изделия - влагостойкие обои, «Изоплен», «Пеноплен», «Линкрустит», «Тексоплен» изготавливают напылением, промазным способом, вальцово-каландровым.

Составы, в которые входят наполнители, пластификаторы, красители и различные добавки наносятся на бумажную или тканную основу. В качестве гидроизоляционных полимерных материалов следует рассматривать полиизо-бутиленовую пленку - рулонный материал, получаемый из полиизобутилено-вого каучука, газовой сажи и графита. Смешиванием полиизобутилена, нефтяного битума и асбеста получают материал, из которого на каландрах изготавливают гидроизоляционный материал.

Смесь, состоящая из резиновой крошки, битума, кумаронового полимера, наполнителя (асбест) и антраценового масла (антистатик), представляет мастику изоляционную.