1.2. Полимерные материалы и изделия

Полимерными называют материалы, в состав которых в качестве основного компонента входят высокомолекулярные органические вяжущие вещества (полимеры). В природе полимеры встречаются в виде целлюлозы, белков, природных смол и каучуков. Будучи соответствующим образом переработаны (химически модифицированы), они в той или иной степени могут быть использованы в промышленности. Однако такие полимеры в строительной технике вследствие малой водо- и атмосферостойкости имеют весьма ограниченное применение. Поэтому в строительстве используются в основном синтетические полимеры, полученные путем химического синтеза из низкомолекулярного сырья.

Для получения строительных материалов полимеры в чистом виде (без добавок) используются очень редко, лишь для изготовления органических стекол, труб и пленок. Благодаря способности в процессе переработки принимать требуемую форму и сохранять ее после снятия действующих усилий, полимерные материалы называют также пластмассами или пластиками.

П олимеры (от греч. «поли» – мно-го, «мерос» – часть, доля) – это высо-комолекулярные вещества, молеку-лы которых состоят из большого ко-личества звеньев одинаковой стру-ктуры, взаимодействующих друг с другом посредством ковалентных связей с образованием макромоле-кул.

П

Рис. 1. Строение молекул

полимеров:

а – линейная структура;

б – разветвленная структура;

в – пространственная структура

олимеры, способные размягча-ться при нагревании и затвердевать при охлаждении, называют термо-пластичными (термопласты). Они способны растворяться в органичес-ких растворителях. Полимеры, кото-рые при нагреве затвердевают, назы-вают термореактивными (реакто-пласты). Реактопласты не растворя-ются в органических растворителях, а лишь набухают.

Полимеры могут иметь линейное, разветвленное или сетчатое (трех-мерное) строение, что определяет физико-механические и химические свойства полимеров. Макромолекулы полимеров линейного строения вытянуты в виде цепей, связанных между собой слабыми силами межмолекулярного взаимодействия (рис. 1, а). Для разветвленных полимеров характерно наличие мономерных звеньев, ответвленных от основной цепи макромолекулы (рис. 1, б). Сетчатые (трехмерные) структуры полимеров характеризуются тем, что прочные химические связи между цепями («сшивка» отдельных линейных или разветвленных цепей полимера) приводят к образованию единого пространственного каркаса (рис. 1, в).

Полимеры с макромолекулами линейного и разветвленного строения плавятся при нагреве с изменением свойств и растворяются в соответствующих органических растворителях (термопласты). Напротив, полимеры с молекулярным трехмерным строением имеют повышенную устойчивость к термическим и механическим воздействиям (реактопласты).

Для производства полимеров основным сырьем служат мономеры, то есть вещества, способные соединяться друг с другом, образуя полимеры. Сами мономеры получают путем переработки природных и нефтяных газов, каменного угля, аммиака, углекислоты и других подобных веществ. В зависимости от метода получения, полимерные материалы подразделяют на полимеризационные, поликонденсационные и модифицированные природные.

Полимеризационные полимеры получают в процессе полимеризации соответствующих мономеров вследствие раскрытия кратных связей и соединения элементарных звеньев мономера в длинные цепи. Поскольку при реакции полимеризации атомы и их группировки не отщепляются, побочные продукты не образуются, 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, HCl и др.). Поэтому химический состав полимера отличается от химического состава исходных продуктов поликонденсации.

Модифицированные полимеры получают из природных высокомолекулярных веществ (целлюлоза, казеин) путем их химической модификации для изменения их первоначальных свойств в заданном направлении. Из ацетилцеллюлозы вырабатывают прочные и водостойкие лаки для окрашивания древесины и металла.

К полимеризационным полимерам (термопластам) относятся полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, поливинилацетат, полиакрилаты, синтетические каучуки.

Полиэтилен – химическая формула [–CH₂–CH₂–]_(n) – продукт полимеризации этилена. Выпускается в виде гранул размером 3–4 мм или белого порошка. Полиэтилен – один из самых легких полимеров (плотность 0,92–0,97 г/см³). Характеризуется высокой прочностью при растяжении (12–32 МПа), незначительным водопоглощением (0,03–0,04 %), высокой химической стойкостью, водо- и морозостойкостью. Он имеет сравнительно низкий модуль упругости (150–800 МПа), малую твердость, ограниченную теплостойкость (108–130ºС), большой коэффициент теплового расширения. К его недостаткам также следует отнести плохую адгезию к клеям, подверженность к старению и поражаемость грызунами.

Полипропилен не уступая полиэтилену по водо- и химической стойкости, превосходит его по теплостойкости и механическим свойствам, но уступает по атмосферостойкости и морозостойкости.

Полиэтилен и полипропилен применяются для производства труб, пленок, теплоизоляционных газонаполненных материалов, тары и санитарно-технического оборудования. Изделия из этих полимеров легко свариваются и подвергаются механической обработке.

Поливинилхлорид (ПВХ) является продуктом полимеризации винил-хлорида (CH₂=CHCl). Это самый распространенный в строительстве полимер. Высокие механические свойства ПВХ определили главные области его применения в строительстве. Благодаря высокому содержанию хлора он не воспламеняется и не горит. Однако при 130–170ºС идет разложение ПВХ, сопровождающееся выделением хлороводорода. Пластмассы на основе ПВХ выпускают в виде жестких материалов, не содержащих пластификаторов (винилпласт) и мягких, содержащих пластификаторы (пластикат). Из ПВХ изготовляют гидроизоляционные и отделочные материалы, плитки, плинтуса, поручни, оконные и дверные переплеты, линолеум и др. Ценным свойством ПВХ является стойкость к действию кислот, щелочей, спиртов, бензина, смазочных масел. Поэтому его широко применяют для производства труб, используемых в системах водоснабжения, канализации и технологии трубопроводов.

Недостатками ПВХ являются резкое понижение прочности при повышении температуры, а также ползучесть при длительном действии нагрузки.

Полистирол (ПС) имеет химическую формулу [–CH₂–CHC₆H₅–]_(n). Это твердый продукт полимеризации стирола (винилбензола). При обычной температуре ПС представляет собой твердый прозрачный материал, похожий на стекло и пропускающий до 90 % видимой части спектра. Выпускают ПС в виде гранул (6–10 мм), мелкого и крупнозернистого порошка.

ПС обладает высокими механическими свойствами (предел прочности при сжатии 80–110 МПа), водостоек, хорошо сопротивляется действию концентрированных кислот (кроме азотной и ледяной уксусной), противостоит растворам щелочей (с концентрацией до 40 %). К недостаткам ПС, ограничивающим его применение, относятся: невысокая теплостойкость, хрупкость, проявляющаяся при ударных нагрузках, плохая устойчивость к действию ряда органических растворителей.

Применяют ПС для изготовления гидроизоляционных пленок, облицовочных плиток, теплоизоляционных материалов (пенопластов), водопроводных труб и др.

Поливинилацетат (ПВА) – полимер винилацетата, синтезируемого из ацетилена и уксусной кислоты. Благодаря хорошей адгезии, эластичности, светостойкости и бесцветности ПВА нашел широкое применение в производстве лаков, красок и клеев. В виде водной эмульсии его применяют также для полимерцементных бетонов, в производстве наливных полов, влагостойких обоев.

Полиакрилаты – полимеры акриловой и метакриловой кислот и их производных. Метакриловые полимеры имеют более высокую химическую стойкость, тепло- и водостойкость, чем акриловые. Полиакрилаты являются светопрозрачными материалами и способны пропускать ультрафиолетовые лучи. Из полиакрилатов в строительстве наибольшее применение находит полимер метакриловой кислоты – полиметилметакрилат (ПММА) или органическое стекло. ПММА пропускает до 99 % солнечного света и в этом отношении значительно превосходит силикатные стекла. Преимуществами органического стекла перед обычным стеклом являются также меньшая хрупкость, хорошая обрабатываемость, более низкая масса (в 2 раза меньшая, чем листового оконного стекла). По сравнению с силикатным органическое стекло имеет меньшую твердость, что существенно ограничивает его применение. ПММА применяют для остекления зданий, в особенности теплиц, оранжерей, плавательных бассейнов, для изготовления светильников, фонарей верхнего света, а также в виде эмульсий для красок, лаков и т.д.

Синтетические каучуки состоят из гибких макромолекул и обладают эластичностью. При обработке серой в условиях повышенного давления и температуры 140–150°С из смесей каучуков с наполнителями (мел, сажа) и некоторыми регулирующими добавками получают вулканизированный каучук и резину. При вулканизации макромолекулы каучука связываются поперечными связями («мостиками») из серы, что позволяет повысить механическую прочность, эластичность и теплостойкость материала.

В отличие от каучуков резины не имеют пластических деформаций, не растворяются в органических растворителях. Наибольшее применение в строительстве находят изопреновые, бутадиеновые, бутадиенстирольные и хлоропреновые каучуки. Каучуки применяют в про-изводстве герметиков, гидроизоляционных материалов, линолеумов, плиток для полов, мастик и клеев.

Среди поликонденсационных полимеров (реактопластов) наиболее значимыми являются фенолоформальдегидные, карбамидные (мочевиноформальдегидные), эпоксидные, кремнийорганические полимеры, полиуретаны и др.

Фенолоформальдегидные полимеры получают путем поликонденсации фенола с формальдегидом. Эти полимеры хорошо совмещаются с наполнителями – древесной стружкой, бумагой, тканью, стекловолокном, при этом получаются пластики более прочные и менее хрупкие, чем сами полимеры. Поэтому фенолоформальдегидные полимеры широко применяются в качестве связующего при изготовлении древесно-стружечных плит, бумажно-слоистых пластиков, стеклопластиков и разнообразных изделий из минеральной ваты. Кроме того, они используются для производства клеев, водостойкой фанеры, спиртовых лаков.

Карбамидные (мочевиноформальдегидные) полимеры получают в результате взаимодействия мочевины и ее производных с формальдегидом. Карбамидные полимеры достаточно тверды и светостойки, но менее водостойки и имеют пониженную химическую стойкость и большую хрупкость по сравнению с фенолоформальдегидными полимерами. Мочевиноформальдегидные полимеры используют для производства слоистых и древесно-стружечных пластиков, а также для получения пенопластов (мипора). Изделия на их основе отличаются светлым тоном и хорошо окрашиваются в любой цвет.

Полиуретаны получают в результате взаимодействия диизоцианатов с многоатомными спиртами. Полиуретаны устойчивы к старению, к воздействию растворов кислот, щелочей, жиров и масел, органических растворителей; могут работать в интервале температур от –70 до +120ºС, имеют хорошую адгезию к различным основаниям.

Полиуретаны используются для изготовления пленок и волокон, лаков и клеев, гидроизоляционных и герметизирующих материалов, для монолитных покрытий пола, для производства пенопластов.

Фурановые полимеры получают из фурфурола, фурилового спирта и ацетона. Фурановые полимеры применяют для получения полимерных бетонов, защитных лаков, клеев и мастик.

Эпоксидные полимеры (эпоксиды) получают поликонденсацией эпихлоргидрина с дефинилпропаном. Перевод их в нерастворимое и неплавкое состояние достигается с помощью отвердителей при нормальной и повышенной температуре. Эпоксиды отличаются хорошей адгезией к разнообразным материалам, незначительной усадкой, высокими показателями прочности. Из эпоксидных полимеров изготовляют эффективные водо- и химически стойкие клеи для склеивания разнообразных материалов, их применяют как связующие для стеклопластиков, полимербетонов.

Кремнийорганические полимеры (силиконы) – представители элементоорганических высокомолекулярных соединений, содержащие в макромолекулах атомы кремния. Они характеризуются высокой теплостойкостью (более 400ºС), а также водостойкостью, эластичностью, морозостойкостью, устойчивостью к окислению, гидрофобизирующей способностью. Недостатками их являются невысокая механическая прочность и слабая адгезия к другим материалам. Кремнийорганические полимеры применяют для производства герметиков, жаростойких лаков и эмалей, пенопластов, стеклопластиков, деталей электротехнических приборов.

Термопластичные полимеры способны при нагреве и последующем охлаждении многократно размягчаться и отвердевать. Их растворы, даже при очень небольшой концентрации (2–5 %), отличаются довольно высокой вязкостью. После испарения органического растворителя они вновь переходят в твердое состояние. На этом основано использование растворов термопластов в качестве лаков, красок, клеев и вяжущего компонента в мастиках и полимербетонах.

К недостаткам термопластов относятся низкая теплостойкость (обычно не выше 80–120ºС), низкая поверхностная твердость, хрупкость при пониженных температурах и текучесть при высоких, склонность к старению под действием солнечных лучей и кислорода воздуха.

Термореактивные полимеры, в отличие от термопластов, при нагреве отвердевают однократно и необратимо. После отверждения их свойства существенно изменяются: они перестают размягчаться при нагревании, не растворяются, а только набухают в растворителях, становятся более прочными, твердыми и термостойкими.

В табл. 1 приведены для сравнения основные свойства термопластичных и термореактивных полимеров [3]. Изменяя состав и технологию, можно заметно влиять на свойства полимера и получаемых на его основе строительных материалов и изделий.

Таблица 1