Учебники / Основин. Строительные материалы и изделия. Учебное пособие

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРОВ

14.1. Общие сведения о полимерах и пластмассах

Полимеры представляют собой высокомолекулярные соединения (смолы), молекулы которых состоят из многократно повторяющихся структурных звеньев. По происхождению полимеры подразделяют на природные и искусственные (синтетические).

Природные полимеры известны с давних времен. На протяжении многих тысячелетий они обеспечивают человека пищей, одеждой, теплом, крышей. Вот перед нами дерево. Его древесина – не что иное, как природный полимер (высокомолекулярное соединение углерода, водорода и кислорода). То же самое относится к волокнам хлопка и джута, натуральному шелку и шерсти, каучуку и битуму. Природными полимерами являются белки, нуклеиновые кислоты и некоторые другие соединения.

Искусственные полимеры, применяемые в производстве строительных материалов, получают из различных видов сырья (каменный уголь, нефтепродукты, природный газ и др.) путем его переработки на химических предприятиях методами полимеризации или поликонденсации.

При р е а к ц и и п о л и м е р и з ац и и большое количество одинаковых молекул простых соединений (мономеров) соединяется в одну сложную молекулу (полимер) без выделения побочных продуктов. Полимеризацией получают полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен и другие синтетические полимеры. Простейшим примером полимеризации является реакция образования полиэтилена ( – СН2 – СН2 – )п из мономера этилена СН2СН2.

При р е а к ц и и по л и к о н д е н с а ц и и из нескольких простых соединений образуется полимер, состав которого отличается от состава исходных продуктов. Процесс образования полимера сопровождается выделением побочных веществ (вода,

190

аммиак и др.). Поликонденсацией получают феноло-формаль- дегидные, карбамидные, полиамидные, полиэфирные и другие синтетические полимеры.

В зависимости от поведения полимеров при нагревании и охлаждении их разделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры характеризуются способностью размягчаться при нагревании и отвердевать при охлаждении. Они обладают большим электросопротивлением, малым водопоглощением и высокой химической стойкостью, однако имеют низкую теплостойкость, малую твердость, легко разбухают и растворяются в органических растворителях. К этой группе относится большинство полимеризационных полимеров.

Термореактивные полимеры затвердевают под воздействием теплоты и давления и не размягчаются при повторном нагревании. Они отличаются от термопластичных полимеров большей прочностью, теплостойкостью и твердостью. К этой группе относят феноло-формальдегидные, карбамидные, эпоксидные и некоторые другие полимеры.

На основе искусственных и природных полимеров приготавливают пластические массы, характерной особенностью которых является способность в процессе переработки принимать заданную форму и устойчиво сохранять ее.

Пластическими массами называют материалы, в состав которых входят полимеры. Эти вещества придают пластическим массам на определенной стадии их переработки пластичность, т.е. способность принимать требуемую форму и сохранять ее после снятия давления. Природные полимеры, а также синтетические полимеры, которые часто неправильно называют смолами, являются основой пластических масс. Их применяют в сочетании с наполнителями, пластификаторами, красителями, стабилизаторами и некоторыми другими веществами.

Впроизводстве пластических масс используют н а п ол н и -

те л и: порошкообразные (кварцевая мука и т.д.), волокнистые (асбестовые, древесные и стеклянные волокна) и слоистые (бумага, хлопчатая ткань, стеклоткань, древесный шпон). Они придают пластмассам высокую прочность, теплостойкость, кислотостойкость, долговечность, повышенную ударную вязкость. Наполнители намного дешевле полимеров, поэтому введение их в состав пластических масс значительно снижает стоимость материалов и изделий.

191

П л а с т и ф и к а т о р ы применяют для придания пластичности и улучшения формовочных свойств пластмасс. В качестве пластификаторов рекомендуются дибутилфталат, камфора, олеиновая кислота.

О т в ер д и т е л и вводят для сокращения времени отвердения пластмасс и ускорения технологического процесса производства изделий.

К р а с и т е л и придают пластмассам определенные цвета. Красителями служат стойкие во времени и к действию света органические (нигрозин, хризодин) и минеральные (охра, сурик, мумия, умбра и др.) пигменты.

Ст а б и л и з а т оры тормозят старение пластмасс, повышают долговечность пластмассовых изделий.

См а з ы в а ю щ и м и в е щ е с т в а м и являются химические добавки (стеарин, олеиновая кислота, соли жирных кислот), которые вводят в пластмассы для предупреждения прилипания изделий к стенкам формы в процессе их формования.

В составе пластмасс могут быть с п е ц и а л ь н ы е д о б а в - к и, влияющие на их свойства. Например, для получения ячеистых пластмасс к полимерам добавляют порофоры (порообразователи) – твердые, жидкие или газообразные вещества, вспенивающие пластмассу.

Истинная плотность пластмасс чаще всего находится в пределах 900…1800 кг/м3, т.е. они в 2 раза легче алюминия и в 5– 6 раз легче стали. Средняя плотность пластмасс колеблется в широких пределах и составляет у пористых 15…30 кг/м3, у плотных 1800…2200 кг/м3.

Предел прочности при сжатии пластмасс с порошкообразным наполнителем составляет 100…150 МПа, у стекловолокнистых пластмасс достигает 400 МПа. Теплопроводность пластмасс равна 0,2…0,7 Вт/(м °С), пористых (например, пено- и поропластов) – 0,03…0,04 Вт/(м °С).

14.2. Способы изготовления строительных изделий из полимеров и пластмасс

Изготовление строительных изделий из полимеров и пластмасс производится путем литья под давлением, непрерывного профильного вдавливания, переработки на вальцах с последу-

192

ющим каландрированием и формованием под давлением в пресс-формах.

Получение изделий из термопластических полимеров и пластмасс путем литья под давлением в специальных инжекционных машинах производится по схеме, показанной на рис. 14.1, a. Термопластичный полимер в виде гранул загружают в приемный бункер, из которого они через воронку поступают в цилиндрическую полость инжекционной машины, где электрообогревом поддерживается заданная высокая температура. Периодически приводимый в движение поршень выдавливает размягченный до пластичного состояния материал в разборные охлажденные пресс-формы.

Схема процесса получения изделий из пластмасс способом непрерывного профильного выдавливания приведена на рис. 14.1, б. Гранулы термопластичного полимера из загрузочного бункера поступают в пресс, в котором, нагреваясь, размягчаются. Затем материал шнеком подается к головной части машины, где продавливается через фильтры с сечением, соответствующим требуемому профилю изделия. Методом непрерывного выдавливания изготавливают трубы и погонажные изделия (лестничные поручни, плинтусы, пленки, стержни и т.п.).

Рулонные пластмассовые и полимерные материалы изготавливают на вальцах с последующим каландрированием (рис. 14.1, в). Исходные сырьевые смеси, состоящие из термопла-

Рис. 14.1. Схемы переработки пластмасс в материалы и изделия:

а – литье под давлением (инжекция); б – непрерывное профильное выдавливание (экструзия); в – вальцевание и каландрирование; г – формование под давлением

193

стичного полимера, пластификатора и других компонентов, после тщательного перемешивания в подогреваемых механических смесителях пластифицируют на горячих вальцах, а затем формуют в рулонные материалы на специальных машинах – каландрах. Этим способом изготавливают однослойные и двухслойные рулонные материалы.

Пластмассы на основе термореактивных полимеров перерабатывают в изделия термоформованием под давлением.

При вакуумном термоформовании (рис. 14.1, г) изделия изготавливают на специальных вакуум-формовочных машинах. Заготовку закрепляют по контуру полой формы, нагревают и создают разряжение в полости. При этом нагретый лист втягивается внутрь формы (негативное формование) или обволакивает выпуклую поверхность формы (позитивное формование). Так получают тонкостенные санитарно-технические изделия – ванны, раковины и др.

Сваркой соединяют большинство термопластов. По способу нагревания различают сварку контактную, высокочастотную, радиационную, фрикционную, горячим газом, ультразвуком. Универсальной является сварка горячим газом.

Склеивание применяют для соединения термопластичных и термореактивных пластмасс. Используют клеи холодного и горячего отвердевания.

Способом вспенивания изготавливают пористые теплоизоляционные пластмассы и амортизирующие прокладки. Пористая структура пластмасс получается в результате вспенивания жидких или вязкотекучих композиций под воздействием газов, выделяющихся при реакции между компонентами или при разложении специальных добавок (порофоров) в результате нагревания. Вспенивание производится также путем смешивания полимерной композиции с пеной или путем нагнетания либо растворения в полимере газообразных и легкоиспаряющихся веществ (производство пенополистирола).

14.3. Материалы для покрытия полов

Полимерные материалы для покрытия полов разделяют на рулонные, плиточные и мастичные. Рулонные и плиточные полимерные материалы классифицируют по следующим показателям: основному сырью, структуре, жесткости и внешнему виду.

194

Рулон ны е м атери алы. Из таких материалов наиболее широко применяется линолеум. Одной из его разновидностей является поливинилхлоридный линолеум, на долю которого приходится около 70% общего выпуска полимерных материалов для полов.

Поливинилхлоридный много- и однослойный линолеум без подосновы изготавливают вальцово-каландровым или экструзионным способом из поливинилхлорида, пластификаторов, наполнителей, пигментов и различных добавок.

В зависимости от структуры различают три типа линолеума: МП – многослойный с лицевым слоем из прозрачной поливинилхлоридной пленки с печатным рисунком; М – многослойный одноцветный или мраморовидный; О – однослойный одноцветный или мраморовидный.

Линолеум выпускают в рулонах длиной не менее 12 м, шириной 1200...1400 мм, толщиной 1,5 и 1,8 мм. Одноцветный линолеум должен иметь равномерную окраску по всей площади лицевого слоя и быть цветоустойчивым. Линолеум, изготовленный вальцово-каландровым способом, рекомендуется наклеивать на холодной битумной мастике «Биски».

Ворсовое рулонное покрытие для полов на основе синтетических волокон изготавливают путем нанесения синтетического ворса (длина волокон не менее 3 мм) в электрическом поле на различные виды подоснов. Из таких покрытий устраивают полы в жилых и общественных зданиях (кроме помещений с интенсивным движением).

Покрытие для полов на основе химических волокон (ворсонит) получают иглопробивным способом из смеси химических штапельных волокон с добавлением отходов производства химических и натуральных волокон с последующей пропиткой полимерным связующим.

Покрытие для полов на основе синтетических волокон петлевое (ворсолин) – двухслойное покрытие, получаемое путем закрепления ворсовой пряжи в поливинилхлоридном связующем. Верхний слой ворсолина представляет собой петлевой ворс из пряжи, состоящей из синтетических волокон или из смеси синтетических и химических волокон. Нижний слой – поливинилхлоридная подоснова.

Ковровое поливинилхлоридное покрытие на синтетической подоснове с печатным рисунком (ковроплен) – рулонный дублированный материал, состоящий из двухслойной нетканой

195

основы с печатным рисунком и прозрачной поливинилхлоридной пленки. Предназначен для покрытия полов жилых зданий, а также для использования в виде дорожек в коридорах и холлах. Длина рулонов – не менее 15 м, ширина – 1200 и 1500 мм, толщина – 4,5 мм.

Релин – многослойный материал, верхний слой которого изготовлен из цветной резины на синтетических каучуках, а нижние – с использованием старой дробленой резины. Часто средний слой делают пористым. Релин настилают в помещениях с повышенной влажностью, к которым предъявляются высокие гигиенические требования (кухни, санитарно-технические узлы, раздевалки).

Помимо синтетических покрытий производятся ковролины из волокон натурального происхождения (льна, хлопка, джута, кокосового волокна, шерсти и т.д.).

Плиточные материалы. Поливинилхлоридные плитки – одно- и многоцветные плитки с гладкой или тисненой лицевой поверхностью. Их получают вальцовым и каландровым способами из поливинилхлоридной композиции. Плитки вырубают металлическим штампом из полотнищ материала. Размеры плиток – 300×300 мм, толщина – 1,5; 2,0 и 2,5 мм. Выпускаются также трапециевидные плитки. Поливинилхлоридные прессованные плитки применяют для покрытия полов в общественных зданиях, магазинах, кафе, фойе, зрелищных и спортивных сооружениях. Размеры плиток – 490×490 мм, толщина – 3, 4 и 5 мм.

Резиновые плиты для полов изготавливают прессованием резиновых смесей на основе синтетических каучуков и крошки из изношенных шин. Предназначены они для покрытия полов в производственных зданиях, за исключением помещений с постоянным воздействием кислот, щелочей, жиров.

Фенолитовые плитки выпускают однослойными и однотонными. Они предназначены для покрытия полов в лабораториях

ицехах, где требуется повышенная химическая стойкость.

Мон ол итн ые м астич ны е покр ы тия. В мастичные составы входят жидкий полимер, наполнители и пигменты. Составы должны иметь консистенцию сметаны. Наносят их на основание пола слоем толщиной 0,5…1,0 см. После затвердевания (обычно 1…3 сут) образуется сплошное бесшовное покрытие. Такие покрытия отличаются достаточной хими-

196

ческой стойкостью, износостойкостью и хорошим сопротивлением ударным нагрузкам.

Эпоксидные наливные полы применяют для полов, подвергаемых значительным механическим нагрузкам, с повышенными требованиями по прочности и обеспыливанию.

Полиуретановые наливные полы устойчивы к абразивному, механическому и химическому воздействию, особенно по отношению к кислотам, маслам, бензину. Такие полы не скользкие, стойкие к действию бактерий и грибков.

Полиэфирные полы отличаются повышенной гигиеничностью (не пылят, экологически безвредны). Время их отверждения – несколько часов; на следующий день по твердой и сухой поверхности пола можно ходить, ездить на автопогрузчике и т.д.

Акриловые полы применяют в столовых, на молокозаводах, продовольственных складах и других объектах, а также там, где возможно действие химических веществ (особенно кислотосодержащих).

Толщина покрытия пола из полимерных масс в зависимости от условий эксплуатации составляет 0,5…2,5 мм и более. Для придания повышенной декоративности в поверхностный (лаковый) слой вводят мозаичные хлопья. Цвет, рисунок, оттенок, орнамент подбирают в соответствии с требованиями заказчика.

Антистатические покрытия устраивают в помещениях, в которых недопустимо наличие статического электричества (возникает опасность взрыва газовоздушных смесей, могут происходить сбои в работе компьютеров и т.д.). В качестве наполнителя в таких покрытиях используют графит, а в верхний слой добавляют медный порошок или графитовые волокна. Внутрь полимерного слоя закладывают медную фольгу, связываемую с внешним контуром заземления.

Полимерцементные бетоны получают, добавляя полимер непосредственно в бетонную или растворную смесь. Количество полимерной добавки – 1…30% от массы цемента в зависимости от вида полимера и целей модификации бетона или раствора. Наибольшее распространение получили полимерцементные растворы и бетоны с добавкой водных дисперсий полимеров (например, поливинилацетатной и акриловой дисперсии, латексов синтетических каучуков).

197

Бетонополимер представляет собой бетон, пропитанный после затвердения мономерами или жидкими олигомерами, которые после соответствующей обработки переходят в твердые полимеры, заполняющие поры бетона.

Полимербетон – разновидность бетона, в котором вместо минерального вяжущего использованы термореактивные полимеры: эпоксидные, полиэфирные, феноло-формальдегид- ные. Полимербетон получают, смешивая полимерное связующее и заполнители. Связующее состоит из жидкого олигомера, отвердителя и тонкомолотого минерального наполнителя, который уменьшает расход полимера и улучшает свойства полимербетона. Твердеют полимербетоны при нормальной температуре в течение 12…24 ч, а при нагревании – еще быстрее.

14.4. Конструкционные материалы для стен

Армированные пластмассы. В качестве конструкционных материалов применяют главным образом следующие армированные пластмассы: стеклопластики, древесно-слоистые пластики, сотопласты, а также органическое стекло, винипласт листовой.

С т е к л о п л а с т и к представляет собой материал, состоящий из связующих синтетических полимеров и наполнителя – стеклянного волокна. Стеклянное волокно обеспечивает высокую прочность материала, а полимер связывает отдельные волокна, распределяет усилия между ними и защищает их от внешних воздействий. По виду и расположению стекловолокнистого наполнителя стеклопластики делят на три основные группы: стекловолокнистый анизотропный материал, стеклопластик на основе рубленого волокна и стеклопластик на основе стеклоткани (стеклотекстолит).

Стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ) получают методом горячего прессования пакета листов стеклошпона.

Стеклопластик на основе рубленого стекловолокна применяют для изготовления светопроницаемых ограждений фонарей, светопрозрачных перегородок.

Стеклотекстолит получают путем горячего прессования уложенных правильными слоями в пакеты полотнищ стеклоткани, которую предварительно пропитывают растворами фе-

198

ноло-формальдегидных смол и подсушивают. Стеклотекстолит выпускают в виде листов длиной 2400 мм, шириной 600…1200 мм и толщиной 9…35 мм. Плотность стекловолокнистых листов – 1850 кг/м3, предел прочности при растяжении – 230 МПа, при сжатии – 95 МПа и при изгибе 120 МПа. Стеклотекстолит, как и другие стеклопластики, обладает высокой тепло- и водостойкостью, хорошей коррозионной и химической устойчивостью.

О р г а н и ч е с к о е с т е к л о (полиметилакрилат) представляет собой высокопрочный, светоустойчивый, легкий материал. Его выпускают в виде листов длиной до 1350 мм, шириной до 1250 мм и толщиной 2,0…6,3 мм. Применяют для устройства светопрозрачных ограждений и перегородок, световых одинарных и двойных вертикальных проемов и куполов верхнего света общественных и промышленных зданий.

Отделочные материалы. Из отделочных материалов наиболее широко применяются полимерные материалы: листовые, плиточные, рулонные, профильно-погонажные и др.

Декоративный бумажнослоистый пластик – листовой материал, изготавливаемый путем горячего прессования пакетов из нескольких слоев бумаги, предварительно пропитанной синтетическими смолами.

Древесно-волокнистые отделочные плиты производят путем горячего прессования волокнистых материалов (древесные волокна, камыш и др.), пропитанных синтетическими смолами сверхтвердыми СТ-500 плотностью на менее 850 кг/ м3 и твердыми Т-35,0 и Т-40,0 плотностью не менее 850 кг/м3. Число в условном обозначении марки указывает минимальный предел прочности плит при изгибе (в мегапаскалях).

Древесно-стружечные отделочные плиты получают горячим прессованием древесной стружки, смешанной с синтетическими термореактивными полимерами. Длина древесностружечных отделочных плит – 2500…3500 мм, ширина – 1250…1750 мм, толщина – 10…25 мм. Плотность их обычно равна 600…700 кг/м3. Лицевую поверхность плит покрывают лаками, эмалями и красками, а также облицовывают шпоном, фанерой, листовыми пластиками и другими материалами.

Виниловый сайдинг (виниловая вагонка) изготавливают методом экструзии из смеси поливинилхлорида, пластификаторов, наполнителей и пигментов. В отличие от традиционной вагонки сайдинг прост в эксплуатации, не теряет цвет, не отслаивается, является водостойким, нетоксичным и негорящим

199