7.3. Классификация полимеров и технология их получения

Из очень большого количества различных видов полимеров для производства пластмасс применяют лишь некоторые из них.

Все высокомолекулярные вещества, используемые для получения пластмасс, делят на следующие виды в зависимости от способа получения: А, Б, В, Г.

К классу А относят полимеры, полученные полимеризацией; к классу Б – полимеры, полученные поликонденсацией; к классу В – полимеры, полученные модификацией природных полимеров; к классу Г – полимеры, полученные путем простой и деструктивной перегонки органических веществ.

Полимеры класса Г – это природные и нефтяные битумы, рассмотренные нами выше. Наибольшее применение в строительстве нашли полимеры классов А и Б, получаемые путем полимеризации и поликонденсации.

При реакции полимеризации объединяются ненасыщенные молекулы (мономеры) одного и того же вещества без выделения побочных продуктов. В результате реакции образуется новое вещество – полимер, молекулярная масса которого равна сумме молекулярных масс реагирующих молекул. Широкое применение в производстве строительных материалов и изделий нашли следующие полимеризационные полимеры: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиизобутилен, полистирол, поливинилацетат и др.

Элементный состав полимеров, полученных при реакции поликонденсации, отличается от состава исходных веществ, так как реакция поликонденсации сопровождается выделением простейших побочных продуктов – воды, аммиака и др. К этой группе полимеров относят фенолоальдегидные смолы, карбамидные и меламиноформальдегидные полимеры, полиэфиры и полиуретаны, эпоксидные смолы.

В связи с тем, что полимерные смолы по-разному ведут себя при нагревании, их подразделяют на термопластичные, которые при нагревании размягчаются, а при охлаждении затвердевают, и термореактивные, которые не могут повторно расплавляться и затем снова затвердевать.

Полимеризационные полимеры (Класс а)

Полиэтилен. Исходным продуктом для производства полиэтилена является технический этилен – бесцветный газ со слабым эфирным запахом. Удачное сочетание в полиэтилене химической стойкости, механической прочности, морозостойкости, низкой газопроницаемости и водопоглощения, его малая средняя плотность делают полиэтилен незаменимым материалом в строительном производстве. Полиэтилен широко применяют в производстве водопроводных, канализационных и газовых труб. Пленки из полиэтилена различной толщины используют для гидро-, паро- и газоизоляции различных строительных конструкций.

Полиэтилены изготовляют тремя методами:

а) при высоком давлении (до 250 МПа);

б) при низком давлении (0,5 МПа) и температуре +60 °С с использованием в качестве катализатора органических солей тяжелых металлов;

в) при среднем давлении (3 – 4 МПа) и температуре 125 – 150 °С с использованием в качестве катализатора окислов металлов.

Полиэтилен, получаемый при низких давлениях, отличается от синтезированного при высоком давлении большей плотностью, прочностью, жесткостью и повышенной теплостойкостью. Полиэтилен высокого давления – материал более мягкий и эластичный, слегка прозрачный.

Свойства полиэтилена сильно изменяются с изменением окружающей температуры. Температурный интервал эксплуатации строительных материалов, несущих нагрузку, находится в пределах от +60 до –70 °С.

Схема получения полиэтилена при высоком давлении показана на рис. 38.

Рис. 38. Схема получения полиэтилена при высоком давлении

по непрерывному методу:

1 – насос; 2 – газовый счетчик; 3 - компрессор; 4 – смазкоотделитель; 5 – компрессор; 6 – смазкоотделитель; 7 – трубчатый реактор; 8 – приемник высокого давления; 9 – приемник атмосферного давления; 10 – ловушка; 11 – скруббер; 12 – сборник; 13 – газгольдер.

Подготовленную газовую смесь (перед полимеризацией к газу добавляют строго нормированное количество кислорода - 0,05 – 0,1%) из газгольдера 13 с помощью насоса 1 перекачивают через газовый счетчик 2 в компрессор 3. Из компрессора газ, сжатый до 30 МПа, через смазкоотделитель 4 поступает во второй компрессор 5, где рабочее давление доводится до 250 МПа. Под этим давлением через смазкоотделитель 6 газ подается в трубчатый реактор 7. Реактор представляет собой змеевик.

Из реактора полимер вместе с непрореагировавшим этиленом через редуционный вентиль перепускается в приемник 8 высокого давления и из последнего – в приемник 9, где давление снижается до атмосферного и этилен отводится через ловушку 10 на промывку в скруббер 11. Полиэтилен из приемника 10 вытекает в формы, где и застывает. После промывки щелочным раствором, подаваемым в скруббер из сборника 12, газ возвращается в газгольдер 13 и снова идет в производство.

Полипропилен получают полимеризацией пропилена СН₃ – СН = СН₂. Полимеризация пропилена продолжается 5 – 6 ч при температуре 65 – 70 °С и давлении 1 – 1,2 МПа в присутствии катализатора (смесь триэтилалюминия с треххлористым титаном). В результате полимеризации выпадает белый порошок – полипропилен, который промывают, отжимают и сушат.

Полипропилен – легкий материал, обладающий высокой теплостойкостью, жесткостью и прочностью. Без нагрузки его можно применять при температуре до 150 °С. По химической стойкости полипропилен аналогичен полиэтилену, но отличается значительно большей механической прочностью и плотностью, что позволяет применять его для изготовления труб диаметром 25 – 150 мм в качестве облицовочного материала антикоррозионного и декоративного назначения.

Поливинилхлорид получают полимеризацией винилхлорида СН₂ = СНСl. Основным методом полимеризации винилхлорида является непрерывный водоэмульсионный в присутствии инициатора (перекиси водорода).

Поливинилхлорид можно применять при температуре до 160 °С. Изделия из него обладают высокой прочностью.

В производстве строительных материалов поливинилхлорид широко используют для изготовления линолеума, линкруста, гидро- и газоизоляционных пленок, пенопластов, плинтусов, поручней, водопроводных труб.

Полиизобутилен представляет собой каучукоподобный эластичный материал, получаемый полимеризацией изобутилена СН₂ = С(СН₃)₂ при температуре 100 °С в присутствии катализаторов трехфтористого бора, треххлористого алюминия. Этот материал обладает хорошей водостойкостью против агрессивных сред – кислот, солей галоидов, щелочей.

В строительстве полиизобутилен применяют в виде гидроизоляционных пленок, прокладочных материалов для фундаментов, кровельных и герметизирующих материалов.

Полистирол, получаемый полимеризацией стирола С₆Н₅ – СН = СН₂, является одним из наиболее известных и полно изученных полимеризационных полимеров. Он обладает почти абсолютной водостойкостью, высокой химической стойкостью и прозрачностью.

Полистирол получают тремя методами: полимеризацией чистого мономера (блочный метод), полимеризацией в растворителе и водоэмульсионной полимеризацией.

Из полистирола изготовляют цветные плитки для облицовки стен санузлов, кухонь, больниц, пористые плиты для звуко- и теплоизоляции, краски и эмали. К недостаткам относят большую хрупкость.