1.3. Полимеры

Полимер выполняет роль связующего в пластмассах. От его вида, свойств и количества зависят важнейшие свойства этих многокомпонентных материалов.

Полимерами называют вещества, молекулы которых представляют собой цепь или пространственную решетку последовательно соединенных одинаковых групп атомов, повторяющихся большое количество раз. Молекулярная масса полимеров очень велика (от нескольких тысяч до 1 миллионa). Полимерные вещества существуют в природе (крахмал, целлюлоза, белки), но подавляющее большинство полимеров, используемых для получения пластмасс, - синтетические.

Исходные вещества, из которых синтезируют полимеры, называют мономерами. Это обычно довольно простые и доступные вещества, получаемые из нефти, газа, угля и других широко распространенных веществ. Синтетические полимеры получают двумя способами -полимеризацией и поликонденсацией.

Полимеризация - процесс получения полимерного вещества, при котором макромолекула образуется путем последовательного соединения молекул низкомолекулярного вещества, имеющих ненасыщенные связи (двойные, реже тройные), в результате активизации их катализатором или инициатором. Типичным примером полимеризации служит процесс получения полиэтилена из газа этилена

nСН₃ = СН₃ ® (- СН₂ - СН₂ - )_n

Поликонденсация - процесс последовательного взаимодействия полифункциональных (т.е. имеющих две и более функциональные группы) низкомолекулярных веществ; при этом помимо полимера образуются низкомолекулярные побочные продукты (Н₂О, СО₃ и др.). Примером поликонденсации может служить образование фенолформальдегидного полимера из фенола и формальдегида ( * химически активные группы).

Это уравнение реакции показывает образование димера; затем к димеру с помощью формальдегида присоединяется следующая молекула фенола и т.д. до образования полимера.

Как уже говорилось, молекулярная масса полимеров очень велика. Но в ряде случаев синтез ведут таким образом, что образуются продукты не очень высокой молекулярной массы (до 1000), способные к дальнейшим взаимодействиям. Эти вещества, обычно вязкие жидкости, называют олигомерами (например, некоторые эпоксидные и полиэфирные смолы).

В зависимости от строения и химической активности, проявляющихся в различном поведении полимеров при нагревании, полимеры делят на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры способны многократно размягчаться и отвердевать при попеременном нагревании и охлаждении. Большинство из них хорошо растворимы в органических растворителях. Эти свойства обусловлены линейным строением молекул полимера и неспособностью их к образованию сетчатых и пространственных макромолекул. Примером термопластичных полимеров могут служить полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид.

Термореактивные полимеры в отличие от термопластичных при нагревании переходят в расплав, а затем отвердевают необратимо. Отверждение происходит в результате сшивания линейных молекул в пространственные структуры как с помощью отверждающих добавок (отвердителей, вулканизаторов), так и за счет активных групп самих полимеров. Термореактивные полимеры после отвердения не растворяются ни в каких растворителях, хотя могут набухать в некоторых из них. Примером термореактивных полимеров могут служить фенолформальдегидные, эпоксидные, полиэфирные полимеры.

Между строением полимера методом его синтеза, поведением при нагревании, растворимостью и оптимальной областью применения прослеживается довольно четкая взаимосвязь. Так, полимеры, получаемые методом полимеризации, имеют молекулы в виде цепей или плоских сеток, образуемые объединением однотипных структурных элементов. Эти полимеры термопластичны и в большей или в меньшей степени растворимы в органических растворителях.

Полимеры с цепной структурой молекул, к которым относятся, например, полиамиды (капрон, нейлон), предпочтительно использовать в виде волокон и нитей. При вытягивании бесконечно длинные молекулы полимера ориентируются в одном направлении, накладываясь друг на друга. Этим объясняется необычайно высокая прочность полимерных волокон, так как при их разрыве разрушение происходит по молекулам и разрушаются внутримолекулярные силы связи, а не по стыкам между ними. Полимеры с молекулами в виде плоских сеток (полиэтилен, полипропилен, поливинил) выгоднее всего использовать в виде пленок. Ориентация плоскосеточных молекул в пленке и отсутствие химических связей в третьем измерении и невозможность их образования обуславливают необычайно высокую химическую стойкость этих материалов и практическую невозможность соединения их при помощи склеивания.

Полимеры, имеющие объемные молекулы, в виде трехмерных каркасов, как правило, термореактивны и нерастворимы в органических растворителях.

Вещества с объемными молекулами с ответвлениями в разные стороны обладают хорошей адгезией и используются предпочтительно в качестве вяжущих и клеев.

К настоящему времени синтезировано большое количество полимеров (несколько тысяч), но широкое применение в народном хозяйстве нашло только около 20 полимеров. Ниже приводятся краткие сведения об основных полимерах, применяемых в строительстве.

Полимеризационные полимеры. Полиэтилен [ - СН₂ - СН₂ - ]_n - насыщенный линейный полимерный углеводород (полиолефин), получаемый полимеризацией газа этилена СН₂=СН₂. Основным источником получения этилена являются продукты высокотемпературной переработки нефти. Полиэтилен представляет собой роговидное прозрачное или слабопрозрачное вещество плотностью 0,94-0,97 г/см³, размягчающееся при нагревании до 80-90°С и плавящееся при 100-120°С. Характерная особенность полиэтилена -способность сохранять эластичность до -70...-90°С. Полиэтилен отличается хорошей химической стойкостью к действию большинства кислот, щелочей и растворителей. Из полиэтилена изготавливают в основном пленки, трубы (для холодного водоснабжения и транспортировки агрессивных жидкостей), а также трубки для скрытой электропроводки и некоторые санитарно-технические изделия.

Полипропилен - полимер, близкий по свойствам к полиэтилену, но более прочный, жесткий и температуростойкий (температура размягчения 160;170°С). Применяют полипропилен для изготовления отделочных листов, пленок, труб, деталей химической аппаратуры.

Полиизобутилен [- СН₂ - С(СН₃)₂ - ]_n - полимер, так же как и полиэтилен, относится к полиолефинам, однако благодаря иному строению молекулы обладает рядом специфических свойств: высокой эластичностью (по внешнему виду и механическим свойствам напоминает каучук), морозостойкостью, хорошей адгезией (прилипаемостью) к бетону и другим силикатным материалам. Применяется полиизобутилен для изготовления герметизирующих пленок, прокладок и мастик, в частности, для герметизации стыков крупнопанельных зданий.

Поливинилхлорид [- СН₂ - СНС1 -]_n - один из самых распространенных полимеров, применяемых в строительстве. Это прозрачный, жесткий и прочный при комнатной температуре полимер, размягчается он при нагревании до 60-100°С и переходит в расплав при 180-200 С. Поливинилхлорид хорошо перерабатывается в различные изделия (трубы, облицовочные материалы, линолеум и др.). Для придания изделиям эластичности при нормальной температуре поливинилхлорид обычно пластифицируют.

Полистирол [- СН₂ – СНС₆Н₅ -]_n - твердый продукт полимеризации стирола, представляющего собой бесцветную жидкость, синтезированную из бензола и этилена. Полистирол прозрачный, довольно прочный, но хрупкий полимер, хорошо окрашивается и легко перерабатывается в изделия. Благодаря наличию бензольного кольца полистирол хорошо растворяется в ароматических углеводородах. В строительстве его применяют для получения теплоизоляционных пенопластов, облицовочных плиток, латексных красок, гидроизоляционных пленок.

Поливинилацетат (- СН₂ – СНСООСН₃ -)_n - полимер, у которого к основной углеводородной цепи периодически присоединены остатки уксусной кислоты, что предопределяет невысокую водостойкость полимера и хорошие адгезионные (клеющие) свойства. В строительстве поливинилацетат широко используют в виде водной дисперсии для получения клеев, водоэмульсионных красок, шпаклевок и мастик, а также как добавку к бетонам и растворам (так называемые полимерцементные материалы).

Полиметилметакрилат - полимер, известный под названием «органическое стекло». Он представляет собой прозрачный (пропускает не только видимое, но и ультрафиолетовое излучение), прочный материал, получаемый в виде листов и блоков. Применяют полиметилакрилат для устройства светопрозрачных ограждений строительных конструкций, а также для изготовления труб и других изделий.

Кроме чистых полимеров, находят широкое применение сополимеры -высокомолекулярные вещества, получаемые совместной полимеризацией нескольких мономеров, при этом образуются вещества с видоизмененными свойствами. Например, ударопрочный полистирол получают сополимеризацией стирола с мономерами синтетических каучуков.

Поликонденсационные полимеры. Фенолформальдегидные полимеры получают из фенола и формальдегида в виде олигомерного продукта (вязкой жидкости или легкоплавкой смолы), способного необратимо отверждаться при нагревании. Применяют фенолформальдегидные полимеры для получения слоистых пластиков (бумопласт, текстолит), минераловатных и электротехнических изделий, водостойких лаков и клеев для деревянных конструкций.

Карбамидные (мочевиноформальдегидные) полимеры - один из наиболее дешевых видов полимеров, получают поликонденсацией мочевины (карбамида) и формальдегида. Мочевиноформальдегидные полимеры бесцветны, в отвержденном состоянии они довольно прочны, но не водостойки и склонны к быстрому старению. Модифицируя их в процессе синтеза, получают полимеры, практически лишенные этих недостатков. Применяют мочевиноформальдегидные полимеры главным образом при изготовлении древесностружечных плит, клееных деревянных конструкций, слоистых пластиков, а также для получения особо легкой газонаполненной пластмассы - мипоры. Модифицированные карбамидные полимеры применяют для получения лаков и красок.

Полиэфирные полимеры — обширная группа полимеров, получаемых поликонденсацией многоатомных спиртов и органических кислот. Различают насыщенные (термопластичные) полиэфиры, например, глифталиевый полимер и полиэтилентетрафталат, (известные более под названием лавсан), и ненасыщенные полиэфиры (термореактивные). Последние используют в виде жидких олигомеров, которые благодаря наличию двойных связей у атомов углерода способны к необратимому отверждению. На основе ненасыщенных полиэфиров изготавливают лаки и краски, их используют как связующее в стеклопластиках и полимербетонах.

Эпоксидные полимеры - довольно дорогой и малодоступный пока для широко потребления вид полимеров, но обладающий высокой прочностью, химической стойкостью в отвержденном состоянии и очень хорошей адгезией к другим материалам. В строительстве их применяют для склейки и ремонта железобетонных конструкций, получения полимербетонов и других специальных целей.

Кремнийорганические полимеры — большая группа полимеров, в составе которых наряду с органической частью в основной цепи или боковых ответвлениях присутствует кремний. Благодаря наличию кремния полимеры приобретают ряд специфических свойств: повышенную термостойкость (до 400-500°С) и химическую стойкость, хорошую совместимость с силикатными материалами. Наиболее практическое значение в строительстве имеют полиорганосилоксаны (силиконы), основные цепи макромолекул которых имеют вид:

В этих полимерах углерод находится в органических радикалах (R), расположенных в боковых ответвлениях основных цепей макромолекул. Их применяют в качестве гидрофобизирующих добавок к бетонам и растворам, для получения атмосферостойких фасадных красок и для защитных покрытий облицовочных изделий из пористых горных пород и бетонов.