1.3. Пластмассы: состав, свойства и разновидности

Состав. Пластмассы, применяемые в строительстве, представляют собой сложные композиции, состоящие из полимерного связующего, наполнителей, стабилизаторов, пластификаторов, отвердителей и других компонентов.

Связующее в пластических массах или полимерная матрица удерживает все ингредиенты в составе композиции, образуя их единое целое. Выбор связующего вещества в значительной мере определяет технические свойства пластмасс: их теплостойкость, химическую стойкость, характеристики прочности и деформативности. Связующее вещество – это обычно самый дорогой компонент пластмассы, однако вследствие того, что его содержание не превышает 5–10 % от общей массы, стоимость пластмасс сравнительно невелика.

Наполнители в пластмассах, снижая расход полимера, удешевляют пластмассы. Кроме того, структурируя полимерное связующее, они улучшают ряд технических свойств пластмасс: прочность, твердость, термостойкость, сопротивляемость усадке и ползучести и т.п. В производстве полимерных композиционных материалов широкое применение нашли органические и неорганические порошкообразные наполнители (древесная мука, лигнин – отход целлюлозно-бумажного производства, микрослюда, кварцевая мука, тальк и т.д.).

Используются также и волокнистые наполнители – целлюлозные, асбестовые, стеклянные, а также синтетические (из капрона, нейлона, лавсана и др.) волокна.

Каждый из наполнителей вводят в полимерный материал для придания ему соответствующих свойств. Так, порошкообразные наполнители повышают твердость и прочность при сжатии; наполнители волокнистой структуры увеличивают прочность при изгибе и растяжении.

Добавки. Введение пластификаторов (эфиры органических кислот и спиртов) позволяют улучшить условия переработки полимерных композиций, снизить их хрупкость. Они облегчают скольжение макромолекул друг относительно друга, в результате чего повышается гибкость и эластичность полимеров. Содержание пластификаторов зависит от состава и свойств полимера и колеблется от 5 до 40 %.

Добавки-стабилизаторы способствуют длительному сохранению свойств пластмасс в процессе их эксплуатации. Они предотвращают быстрое тепловое и световое старение полимеров. При воздействии ультрафиолетовых лучей идут цепные окислительные реакции, вызвающие увеличение хрупкости и снижение прочности полимеров («старение»). Сущность светостабилизации заключается в способности некоторых веществ поглощать УФ-лучи и преобразовывать их в тепловую энергию. В качестве стабилизаторов эффективно применение производных фенола, сажи, оксида цинка.

Отвердители обеспечивают процесс отверждения полимеров (формирование их пространственной структуры). Для получения окрашенных пластмасс используют пигменты. Стойкость пластмасс против возгорания повышают антипирены. Создание газонаполненных (ячеистых) пластмасс достигается с помощью порообразователей.

Основные свойства пластмасс. Свойства пластмасс обусловлены химическим строением полимеров, типом наполнителя, условиями изготовления, содержанием добавок-пластификаторов, красителей, стабилизаторов и другими факторами. Многообразие пластмасс определяет и широкий диапазон изменения их свойств. Вместе с тем, для пластмасс характерен и ряд общих особенностей, определяемых их составом и структурой.

Плотность пластмасс составляет 900–2200 кг/м³. Наименьшую плотность имеют пластмассы на основе углеводородов. Наибольшее влияние на плотность пластмасс оказывают наполнители, составляющие наиболее значительную часть их объема. Плотность пластмасс можно регулировать, изменяя их пористость. Пластмассы, содержащие тяжелые минеральные наполнители (полимербетоны), имеют плотность свыше 2000 кг/м³, а ячеистые с пористостью до 95 % – 10–20 кг/м³. В среднем пластмассы в 6 раз легче стали и в 2,5 раза – алюминия.

Один из существенных показателей эффективности строительных материалов – коэффициент конструктивного качества, определяемый как отношение прочности при сжатии к его плотности. Обладая, как правило, пониженной плотностью пластмассы имеют высокую механическую прочность. Так, прочность при сжатии стеклопластиков доходит почти до 350 МПа, текстолита до 250 МПа, древесно-сло-истых пластиков превышает 150 МПа. Характерная особенность пластмасс заключается в том, что наряду с высокой прочностью при сжатии они часто имеют не менее высокие показатели прочности при растяжении и изгибе. Для сравнения: коэффициент конструктивного качества кирпичной кладки – 0,02, тяжелого бетона – 0,06, древесины сосны – 0,7; для плотных пластмасс его значения колеблются от 1 до 2. По этому показателю пластмассы выгодно отличаются от многих других строительных материалов [5].

При длительном действии напряжений пластмассы в большей степени, чем многие другие материалы, склонны к необратимым деформациям – ползучести. Модуль упругости пластмасс даже при нормальной температуре значительно меньше модуля упругости обычных строительных материалов.

Ползучесть пластмасс резко возрастает с повышением температуры. Повышенная ползучесть ограничивает применение пластмасс в качестве конструкционных материалов. При определении значений допускаемых напряжений в конструкциях из пластмасс наряду с прочностными показателями необходимо принимать во внимание и максимально допустимую остаточную деформацию.

При воздействии растягивающих напряжений многие пластмассы характеризуются значительным относительным удлинением. Так, для полимерных пленок оно составляет 150–300 %, бутилкаучуков и рулонных материалов – 100 %, пороизола – 20 %. Относительное удлинение пластмасс важно учитывать при расчете гидроизоляционных и кровельных покрытий, трубопроводов и других элементов зданий и сооружений.

Несмотря на высокую прочность твердость пластмасс сравнительно невысока (многие пластмассы легко царапаются острым металлическим предметом). Она не находится в прямой зависимости от прочности, что характерно, например, для металлов. В отличие от других материалов при пониженной твердости полимерные строительные изделия обладают низкой истираемостью, что особенно ценно при изготовлении материалов для покрытий полов. Достаточно низкие показатели истираемости имеет, например, глифталевый линолеум – 0,06 г/см², плитки для пола на основе кумароновых полимеров – 0,08 г/см². Эти показатели несколько ниже истираемости даже для керамических плиток (0,1–0,12 г/см²). Сопротивление истиранию пластмасс возрастает по мере увеличения их эластичности.

Свойства пластмасс по отношению к воде (гигроскопичность, водопоглощение, водопроницаемость) зависят как от их пористой структуры, так и от степени гидрофильности. Водопоглощение плотных гидрофобных полимерных материалов составляет 0,1–0,5 %, а высокопористых с гидрофильными наполнителями – 30–90 %. Большинство пластмасс непроницаемы для воды. Благодаря высокой водонепроницаемости полимерные пленочные, рулонные и мастичные материалы, в особенности на основе полиэтилена, ПВХ, каучуков, находят широкое применение для гидроизоляции.

Производство и эксплуатация полимерных строительных материалов неразрывно связаны с температурными воздействиями. Удельная теплоемкость пластмасс колеблется в пределах 840–2100 Дж/(кг·град.). С увеличением температуры теплоемкость возрастает до определенного максимального значения и затем снижается. Наличие кристаллической фазы вызывает ярко выраженный максимум теплоемкости.

Теплопроводность пластмасс невелика, при отсутствии наполнителя она составляет 0,116–0,348 Вт/(м·К). Наименьшей теплопроводностью обладают поропласты – 0,028–0,035 Вт/(м·К), которая приближается к теплопроводности воздуха. У аморфных полимеров повышение температуры до состояния размягчения вызывает некоторое увеличение теплопроводности.

Тепловое расширение пластмасс относительно велико, оно больше, чем у металлов. Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) алюминия составляет (22–24)10^–6, стали (9–12)10^–6, бетона 12·10^–6, стекла (0,8–8)10^–6, ПВХ (80–90)10^–6, полиэтилена (160–230)10^–6. Существенно снижают тепловое расширение наполнители. Большие значения ТКЛР пластмасс в сочетании с малой плотностью в ряде случаев обусловливают значительные остаточные внутренние напряжения, которые могут служить причиной появления трещин в строительных изделиях при резких изменениях температур [6].

Характеристикой теплостойкости полимерных материалов служит температура, при которой начинается плавление или деструкция и наблюдается резкое снижение механической прочности. Теплостойкость большинства полимеров колеблется в диапазоне 80–150ºС. Термореактивные полимеры являются значительно более теплостойкими, чем термопластичные, однако и у них при достижении предельной температуры начинается процесс термоокислительного распада и деструкции. С введением наполнителей теплостойкость пластмасс повышается. Поэтому температура, при которой возможна эксплуатация материала, должна быть ниже теплостойкости полимера. Большинство пластмасс можно эксплуатировать при температуре не более 100ºС. Материалы на основе кремнийорганических полимеров служат при температуре до 400ºС.

Пластмассы – хорошие диэлектрики. Эта особенность позволяет широко применять их для устройства электропроводки, электроарматуры и специального оборудования. Для пластмасс характерна способность аккумулировать статическое электричество на поверхности. Результатом электризации является улавливание пыли поверхностью пластмасс. Образование электростатического заряда отрицательно влияет на организм человека, может вызвать пожар в помещениях, где концентрируются пары легковоспламеняющихся жидкостей. При влажности ниже 50 % полы из полимерных материалов рекомендуется периодически натирать специальными мастиками. При необходимости также вводят в состав полимерных материалов электропроводящие наполнители, снижающие накопление поверхностного электростатического заряда. Хороший эффект дает обработка поверхности пластмасс антистатическими веществами.

Пожароопасность полимерных материалов определяется степенью их воспламеняемости и поведением в зоне огня. К сгораемым относится большинство полимерных материалов. Материалы, которые при нагреве до 750ºС не горят, имеют потери в массе при этом менее 10 % и не выделяют горючих газов в количестве, достаточном для их воспламенения, считаются несгораемыми. К несгораемым полимерным материалам относятся фторопласты, материалы из перхлорвинила. Существенно повышают огнестойкость полимерных материалов специальные добавки антипиренов, а также минеральные наполнители, некоторые виды пластификаторов.

Применение полимерных материалов в строительстве возможно лишь после установления степени их токсичности. К токсичным можно причислить пластмассы, выделяющие токсичные вещества в количестве выше допустимых норм. К токсичным веществам, которые могут выделяться из пластмасс, относятся ацетон, бензол, фенол, фурфурол, хлор, винилацетат и др. Токсикологические и гигиенические характеристики пластмасс особенно важно учитывать при использовании их для полов, потолков, внутренней облицовки стен.

Полимерные материалы отличаются высокой химической стойкостью, что позволяет широко их применять в строительстве предприятий химической промышленности. Следует отметить также их высокую эластичность, способность легко поддаваться механической обработке, склеиванию и свариванию струей горячего воздуха.

Наряду с этим полимерные материалы обладают способностью равномерно окрашиваться на всю толщину изделия с помощью минеральных или органических пигментов и красителей. Поверхность изделий из пластмасс не требует дополнительной обработки и, благодаря гладкой равномерно окрашенной поверхности, имеет красивый внешний вид. Кроме того, пластмассы предоставляют возможность имитации фактуры и рисунка любого материала, в том числе природного камня или древесины. Замечательные декоративные качества пластмасс, весьма гладкая поверхность, не требующая полировки, устойчивый четко выраженный колер выгодно отличают их от ряда других отделочных материалов.

Одним из решающих показателей, определяющих возможность и целесообразность применения любых материалов, в том числе и полимерных, является их долговечность. Полимерные материалы можно отнести в целом к долговечным при правильно выбранной технологии их изготовления и соответствии условий эксплуатации их свойствам. Однако сроки службы полимерных материалов не постоянны и зависят от условий эксплуатации. Если изделия из полимерных материалов эксплуатируются на открытом воздухе, то они подвергаются солнечной радиации и воздействию других атмосферных факторов. При этом лишь немногие полимеры достаточно устойчивы к действию УФ-лучей солнечного спектра. В связи с этим срок службы большинства полимерных материалов на открытом воздухе будет значительно меньше, чем долговечность идентичных материалов, эксплуатируемых в закрытых помещениях.

Действие тепла, кислорода воздуха, солнечного света, паров воды или химических реагентов приводит в итоге к деструкции полимеров или их старению. Старение полимеров проявляется в снижении их эластичности, повышении хрупкости, ухудшении других физико-механических свойств.

Для обеспечения высокой стойкости полимеров к старению важное значение имеет правильный выбор исходного сырья, его чистоты, технологических параметров производства. Особое значение имеют добавки-стабилизаторы. При введении наполнителей в пластмассы важным является обеспечение на поверхности их частиц тонкой равнотолщинной пленки полимера. На долговечность пластмасс отрицательно влияют процессы, способствующие проникновению влаги и агрессивных веществ через пленку полимера к зернам наполнителя. Это вызывает набухание пластмасс, приводящее к заметному увеличению объема и снижению механической прочности.

Таким образом, у пластмасс довольно необычный для строительных материалов набор свойств (как положительных, так и отрицательных). В целях более детальной оценки технико-эксплуатационных характеристик пластмасс, следует выделить их основные достоинства и недостатки (табл. 2).

Таблица 2