2.2. Полимерные материалы и изделия

Еще в древнейшие времена были известны такие природные поли­мерные материалы, как битумы (асфальты). За 700 лет до н. э. в Вавилоне природный полимер-битум применяли как цементирующий и водостойкий материал при строительстве канала под рекой Евфрат. Впоследствии эти материалы получили дальнейшее развитие только со второй половины XIX века. Именно в этот период проводят работы, посвященные химической переработке таких природных материалов, как целлюлоза, каучук и белок. В начале XX века были искусственно синтезированы новые высокомоле­кулярные вещества уже не на основе существующих природных полиме­ров, а на основе простых по химическому составу веществ. Громадное зна­чение при этом имели работы основателя теории строения органических веществ русского химика Бутлерова, в частности, синтез изобутилена и ис­следования процесса его полимеризации.

Начиная с 30-х годов прошлого века, большое значение приобрели полимеризационные пластики (полистирол, поливинилхлорид, полиме- тилмет-акрилат). Появились новые виды поликонденсационных полиме­ров: полиамидные, полиуретановые, кремнийорганические.

2.2.1. Получение и свойства полимерных материалов

В настоящее время высокомолекулярные смолы, основу всех поли­мерных материалов, получают химическим путем в результате полимери­зации простых молекул или поликонденсацией разных органических со­единений.

Процесс полимеризации осуществляется без выделения побочных продуктов путем разрыва двойных, тройных химических связей и соеди­нения молекул в длинные линейные или разветвленные структуры. На­пример, этилен (СН₂=СН₂)п при полимеризации образует линейный поли­этилен (-СН₂-СН₂-)п. Для повышения скорости реакции используют нагре­вание или давление, а также ультрафиолетовые лучи, катализаторы, ини­циаторы. К полимеризационным полимерам, которые нашли широкое применение в строительстве, относятся: поливинилхлорид, полистирол, полиизобутилен, полиэтилен высокого и низкого давления. В результате реакции поликонденсации, в которой участвуют несколько веществ, обра­зуются сложные по составу полимеры с линейным (полиамиды, поликар­бонаты) или пространственным строением (фенолоформальдегидные, эпоксидные). При поликонденсации наряду с образующимся полимером выделяются такие побочные продукты, как газ или вода. В зависимости от применяемого исходного сырья полимерные материалы подразделяют на искусственные и синтетические. Искусственные получают путем хими­ческой модификации природных высокомолекулярных соединений (цел­люлозы), синтетические - из различных мономеров. Сырьем для получе­ния строительных материалов служат сложные пластические массы, ко­торые состоят из смеси нескольких компонентов: связующего полимера, предназначенного для обеспечения пластичности смеси в нагретом состоя­нии и твердости в охлажденном (синтетические смолы, каучуки, целлюло­за); наполнителя (тонкомолотый асбест, песок, отходы резины) для сни­жения стоимости, повышения трещиностойкости, теплостойкости, твердо­сти; пластификатора - для повышения эластичности готового изделия; отвердителя - для ускорения набора прочности; пигмента - для придания цвета.

Свойства полимерных материалов и изделий, как и любых других, зависят от их состава и структуры. Микроструктура определяется в боль­шей степени самим веществом, а макроструктура - способом получения.

Изделия из пластических масс получают несколькими методами: прямого прессования пропитанной горячими смолами основы (ткани, древесного шпона, бумаги) в несколько слоев (листовые пластики) или по­лимерного пресс-порошка (плитки для облицовки полов); литьевого прес­сования вязкотекучей расплавленной смеси (плиточный и листовой мате­риал с объемным рисунком для отделки стен и потолка); экструзии или продавливания пластичной массы через насадку определенного размера и формы (плинтусы, поручни для лестниц, рейки, герметизирующие и уп­лотняющие прокладки для окон и дверей, рулонное полотно для отделки полов и стен); промазки верхней поверхности полотна основы (бумаги, ткани, стеклоткани) пастообразной полимерной массой с последующим глубоким нанесением рельефного рисунка; вальцево-каландровым мето­дом, который состоит из тщательного перемешивания компонентов на вальцах, последующей прокатки пластичной массы между двумя вращаю­щимися в разные стороны валками с зазором, определяющим толщину бу­дущего рулонного изделия, и нанесения объемного или плоского рисунка на поверхность. Последними двумя способами получают рулонные мате­риалы для отделки вертикальных и горизонтальных поверхностей в поме­щениях различного назначения.

Теплоизоляционные полимерные материалы получают нескольки­ми способами. Первый - путем предварительного вспенивания пластич­ной полимерной массы за счет интенсивного механического перемешива­ния в сочетании с действием перегретого пара (110 °С) или введения пе- нообразующих добавок, последующей заливки смеси в форму, быстрого охлаждения ее для фиксации пористой структуры и резки по размерам (пенопласты).

Второй - предусматривает использование в составе полимерной мас­сы газообразующих компонентов, заполнение формы, подогрев для улучшения газообразования, быстрое охлаждение для фиксации структуры и при необходимости - резка по размерам (поропласты).

Третий - за счет склеивания по контактам гофрированных листов бумаги, ткани или древесного шпона, пропитанных горячей смолой (сото- пласты).

Четвертый - снижение средней плотности за счет введения в поли­мерную массу высокопористых заполнителей (перлита) или волокни­стых компонентов.

Широкое распространение полимерных материалов (пластмасс) в строительстве основано на их положительных свойствах: низкой истин­ной плотности, высокой водостойкости, гидрофобности. Это материалы, которые успешно работают в условиях действия истирающих нагрузок. Механическая прочность хорошо сочетается в них с пластичностью и уп­ругостью. Высокая коррозионная стойкость обеспечила их применение в качестве антикоррозионных материалов для защиты бетонных и металли­ческих конструкций. Имея неисчерпаемую цветовую палитру, пластмассы могут с успехом имитировать такие материалы, как древесина, природный камень, черные и цветные металлы. Важным положительным свойством пластмасс является хорошая технологическая обрабатываемость. Их мож­но легко резать, сваривать, шлифовать и полировать. Способность пласт­масс соединяться с другими органическими и неорганическими материа­лами позволяет создавать на их основе новые прогрессивные композици­онные материалы и конструкции различного назначения.

Пластмассы имеют также ряд недостатков. Большинство из них об­ладают высоким коэффициентом термического расширения, повышенной ползучестью, неогнестойки. Под воздействием атмосферных факторов и особенно солнечных лучей полимеры стареют. Этот процесс сопровожда­ется снижением прочности и эластичности. Материалы имеют сравнитель­но невысокую твердость и теплостойкость. По отношению к нагреванию полимеры подразделяют на термопластичные (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид) и термореактивные (на основе эпоксидных и поли­эфирных смол). Для термопластичных переход из пластичного состояния (при нагревании) в твердое (при охлаждении) не сопровождается измене­нием состава и структуры изделия и, как следствие, физико-механических свойств. Нагрев же термореактивных полимеров приводит к структурным изменениям на микроуровне, что оказывает значительное влияние на их свойства, они становятся жесткими и хрупкими.