Г л а в а 8

МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ПЛАСТМАСС

§ 8.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПЛАСТМАСС

Пластическими массами называют материалы, содержащие в качестве важной составной части синтетические смолообразные высокомолекулярные вещества (полимеры) и обладающие пластичностью при определенных темпе­ ратурах. По количеству входящих компонентов пластмассы разделяют на простые и сложные. В чистом виде полимеры употребляются сравнительно редко. Обычно пластмасса — это композиция, включающая полимер в качестве связующего, а также наполнители, отвердители, пластификаторы, стабилизаторы и др.

Пластмассы обладают малой объемной массой при значительной проч­ ности, большой химической стойкостью к коррозионным воздействиям, малой тепло- и электропроводностью, хорошими термо-, звуко-, гидро- и электро­ изоляционными свойствами. Некоторые пластмассы имеют хорошие клеющие свойства, позволяющие использовать их для изготовления клеев и замазок. Отдельные простые пластмассы обладают способностью образовывать тонкие пленки и волокна.

Пластмассы можно отливать в формы, прессовать, штамповать в пласти­ ческом состоянии, продавливать через мундштуки машин для получения труб, брусков, реек и других погонажных материалов. Формование плит и листов из слоистых наполнителей (бумага, ткань), пропитанных смолами, осущест­ вляется на многоэтажных прессах. При всех этих способах получают закон­ ченные изделия, не требующие дополнительной обработки или отделки. Широкое применение пластмасс обусловливается не только их положитель­ ными свойствами, но и тем, что пластмассы получают из недефицитного сырья: газа, торфа, побочных продуктов нефтяной и коксохимической промышленности, сельскохозяйственных отходов.

§ 8.2. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ (ПОЛИМЕРОВ)

Полимеры — вещества, состоящие из гигантских молекул, которые по­ строены из множества связанных между собой атомов. Молекулярная масса полимеров колеблется от 10 до 50 тыс. углеродных единиц. В большинстве случаев полимеры содержат многократно повторяющиеся структурные элементарные звенья (мономеры).

Название полимера обычно характеризует состав элементарного звена полимера, например полиэтилен; СН2 = СН2— этилен-мономер; [—СН2— СН2—]п— полимер (где п — показатель степени полимеризации может

иметь-значения до 70 000 и более).

Основная цепь обычно состоит из атомов углерода, иногда с чередованием атомов кислорода, серы, азота, фосфора. В цепь полимеров могут быть введе­ ны атомы кремния, титана и др. В зависимости от элементов, входящих в со­ став основной цепи, полимеры разделяют на: карбоцепные — основная цепь состоит из атомов углерода (полиэтилен, полипропилен, полистирол); гетероцепные — в состав основной цепи которых, кроме углерода, входят атомы

и снова отвердевают при охлаждении, сохраняя основные свойства, т. е. являются термопластичными веществами. Такие полимеры набухают или растворяются в различных растворителях. Высокомолекулярные соедине­ ния, макромолекулы которых имеют структуры пространственной сетки, представляют собой твердые, стекловидные, нерастворимые и неплавкие вещества. Материалы, способные к образованию молекул такого строения и отвердевающие при нагревании, называются термореактивными. Термо­ реактивные полимеры после отверждения не переходят при нагреве в пласти­ ческое состояние и ведут себя подобно древесине: при высокотемператур­ ном нагреве они претерпевают деструкцию и загораются.

В зависимости от температуры полимеры могут находиться в стеклообраз­ ном, высокоэластичном или вязкотекучем состоянии. Переход из одного со­ стояния в другое происходит постепенно в интервале, определяемом темпера­ турой стеклования Тси температурой текучести Тг (рис. 8.2.). При темпера­ туре стеклования Тсвсе макромолекулы, составляющие полимер, зафиксиро­ ваны, и при дальнейшем понижении температуры структура полимера уже не меняется.

Следовательно, при температуре ниже Тслюбой полимер становится твер­ дым, а иногда и хрупким.

Чем больше молекулярная масса полимера, тем медленнее меняется подвижность его макромолекул под действием тепла и тем шире становится интервал перехода от стеклообразного к высокоэластичному состоянию. В стеклообразном состоянии в полимере появляются упругие деформации, которые мгновенно исчезают при снятии напряжения вследствие изменения внутренней энергии.

Высокоэластичная деформация, незаметная при температуре ниже Гс, становится весьма ощутимой при температурах выше Тс. Эта деформация, как и упругая, обратима, однако ее полное развитие несколько отстает от мо­ мента приложения нагрузки, а исчезновение происходит неодновременно со снятием нагрузки. Это явление (релаксация) обусловливается тем, что макромолекулярные цепи не успевают изменить свою форму мгновенно с из­ менением нагрузки; пластическая деформация уже заметна при температуре выше Тс и является преобладающим видом деформации выше температуры текучести Тт.

Пластическая деформация не вызывает изменения внутренней энергии твердого тела, а поэтому не исчезает и после снятия напряжения. При пласти­ ческой деформации макромолекулы скользят относительно друг друга и поря­ док их взаимного расположения может существенно меняться.

Полимеры, находящиеся в застеклованном состоянии (при Т <Т С), раз­ рушаются под действием внешних сил в результате разрыва химических свя­ зей или вследствие разрушения связей межмолекулярного взаимодействия с последующим обрывом цепей макро­ молекул.

В обоих случаях на разрушение по­ лимера затрачивается энергия, превы­ шающая энергию связи в полимерах.

К полимерным материалам, находя­ щимся в застеклованном состоянии, применима флуктуационная теория прочности С. Н. Журкова, согласно ко­ торой разрушение материала под дейст­ вием внешних сил происходит во време­ ни в результате постепенного разрыва химических связей.

ется и становится мягким, как воск, поэтому из него легко изготовлять изде­ лия прессованием, литьем под давлением, экструзией. В результате охлажде­ ния после изготовления полиэтиленовые изделия дают усадку до 2—3%, что снижает возможность получения изделий с точными размерами. При вытягивании в нагретом состоянии в процессе экструзии у полиэтилена наб­ людается ориентация молекул, что дает увеличение прочности при разрыве.

Полиэтиленовые трубы:.весьма стойки к агрессивной среде, хорошо погло­ щают шумы, возникающие при движении в них жидкости. Вследствие высо­ кой морозостойкости полиэтиленовая труба при замерзании воды не разрыва­ ется, как металлическая, а лишь незначительно деформируется. Предел проч­ ности при растяжении полиэтиленовых труб равен 12 МПа при удлинении их на 200—350%.

Из полиэтилена изготавливают пленку путем непрерывного выдавливания его через кольцевую щель головки экструзионной машины с последующим раздуванием полученной горячей цилиндрической трубы сжатым воздухом. Пленка применяется как электроизоляционный материал в электротехнике, как упаковочный материал в пищевой, а также химической и строительной промышленности. Покрытие полиэтиленовой пленкой свежеуложенного цементобетона улучшает его механические свойства.

Полипропилен (—СН3СН—СН2—) „ получают полимеризацией газа про­ пана СН3—СН = СН2, выделяемого из продуктов крекинга нефти или из других нефтепродуктов. В табл. 8.1 приведены основные показатели физико­ механических свойств полипропилена. По водо- и химической стойкости поли­ пропилен не уступает полиэтилену. По термостойкости и пределу прочности

при растяжении превосходит его.

К недостаткам полипропилена относятся малая твердость, горючесть, хрупкость при Низких температурах (изделия из него могут эксплуатировать­ ся при температуре не ниже — 15°С). Полипропилен применяется для изготов­

ления труб, пленок и др.

Полиизобутилен [—СН2—С(СН3)2] л представляет собой продукт поли­ меризации газа изобутилена СН2 = С(СН3)2, получаемого при крекинге неф­ ти, а также дегидратацией изобутилового спирта. Полиизобутилен — каучукоподобный материал (высокомолекулярный) или вязкая жидкость (низкомолекулярный) белого или светлого цвета. Плотность его 910 930 кг/м3 Он водостойкий, устойчив к действию минеральных кислот, щело­ чей и других агрессивных сред. Полиизобутилен значительно превосходит полиэтилен по эластичности, но обладает повышенной ползучестью. Поли­ изобутилен может применяться в смеси с различными наполнителями. Он

Эти смолы при нагревании хорошо совмещаются с льняным, тунговым и талловым маслами, хорошо противостоят действию щелочей и разбавленных кислот. Пластифицированные инден-кумароновые смолы применяются как связующее в пластобетонах, в производстве лаков и красок.

Полиамидные смолы — продукты поликонденсации аминокислот с диами­ нами. Аминокислоты — органические соединения, названия которых связа­ ны с наличием в их составе аминогруппы NH2. Они всегда содержат кар­ боксильные группы СООН, поэтому одновременно обладают и основными, и кислотными функциями. Линейные макромолекулы этих смол характеризу­ ются чередованием групп [СН2] пи [СН2] т, которые связаны между собой амидными группировками HN—СО. Физико-механические свойства поли­ амидных смол приведены в табл. 8.1. Полиамидные смолы, нерастворимые в обычных растворителях, хорошо растворяются в некоторых кислотах. Они относительно стойки к действию щелочей.

Из полиамидных смол вырабатывают синтетические волокна — найлон и капрон. Найлон получают путем продавливания расплавленной полиамид­ ной смолы через фильеры — мелкие отверстия в металлических колпачках. Найлон характеризуется очень высокой прочностью при растяжении — до 630 МПа, он эластичен и обладает достаточно высокими тепло- и морозо­

стойкостью.

В строительстве полиамидные смолы применяют для изготовления пленок, арматуры для стеклопластиков и др. В США для улучшения сцепления за­ твердевшего цементобетона со свежеуложенным применяют специальные клеи, полученные на основе эпоксидных и полиамидных смол.

Термореактивные смолы.Фенолоформальдегидные смолы получают поли­

конденсацией фенолов и формальдегидов. Формальдегид Н—C ^ ^ j — газ,

который растворяется в воде. Его применяют в виде водного 40%-ного раст­ вора, известного под названием формалин.

белое кристаллическое вещество с характерным запахом, выделяется из ка­ менноугольной или сланцевой смолы. Его синтетически получают из пропиле­ на и бензола. Фенолоформальдегидные смолы могут быть получены в виде

резольных и новолачных.

Резольные (термореактивные, бакелитовые) смолы получают поликонден­ сацией с избытком формальдегида в щелочной среде. Первоначальная смола плавится и растворяется в спирте и ацетоне (стадия А, резол).

Новолачные (термопластичные) смолы получают поликонденсацией при избытке фенола в кислой среде. Новолачная смола растворяется в спирте и ацетоне. При введении в состав новолачной смолы дополнительного коли­ чества формальдегида в виде гексаметилентетрамина эту смолу можно пере­ вести в резольную. При горячем прессовании новолачная смола переходит сначала в резол, а затем в резит и отпрессованное изделие становится проч­ ным, неплавким и нерастворимым. Свойства резольных фенолоформальдегид-

ных смол приведены в табл. 8.2.

На основе фенолофармальдегидных смол получают литые резиты, пресспорошки, прессовочные массы с волокнистым наполнителем, слоистые мате­ риалы, лаки и клеи. Спиртовые растворы резольной смолы называются баке-

гигроскопичная бесцветная жидкость без запаха. Фталевая или ортофталевая кислота — это двухосновная бензолдикарбоновая кислота состава С6Н4(СООН)2. Ортофталевая кислота при нагревании выше 200°С переходит в ангидрид (СбН4С 0)20. Ангидрид фталевой кислоты вместе с глицерином широко используют в качестве исходного компонента для получения глифталевых смол. Чистые глифталевые смолы характеризуются повышенной хруп­ костью и низкой атмосферостойкостью. Обычно применяют смолы, модифи­ цированные жирными кислотами растительных масел. При высыхании моди­ фицированных глифталевых смол образуются полимерные пленки с достаточ­ но высокой эластичностью, атмосферо- и водостойкостью.

В строительстве широко применяют насыщенные полиэфирные смолы, по­ лучаемые конденсацией смеси ненасыщенной и насыщенной многоосновных кислот с двухатомными спиртами. Из ненасыщенных кислот обычно исполь­ зуют малеиновую, из насыщенных — фталевую в виде ангидридов. В качест­ ве спиртов применяют этиленгликоль. Смолы, полученные конденсацией малеинового ангидрида и этиленгликолей, называются полиэфйрмалеинатами. В настоящее время выпускаются полиэфирмалеинаты и полиэфиракрилаты марок ПН-1, ПН-2, полиэфир ПДЭМ-5, полиэфиракрилат 7-20 и др. Отверждение полиэфирных ненасыщенных смол без внешнего подогрева про­ исходит под действием органических перекисей (перекись бензоила, перекись метилэтиленкетона и др.) и добавки нафтената кобальта в качестве ускорите­ ля твердения. Твердение нанасыщенных полиэфиров сопровождается значи­ тельным выделением тепла и большой усадкой (до 7—9%). Введение напол­ нителей (молотый песок, тальк и др.) уменьшает усадку до 0,3—0,5%.

В отвержденном состоянии ненасыщенные полиэфиры представляют со­ бой твердые, прочные материалы. Предел их прочности при растяжении 75, при сжатии 190 МПа. Ценными свойствами полимеров являются также доста­ точно высокие тепло- (150—170°С), водо- и химическая стойкость, адгезия и прозрачность. К недостаткам их следует отнести горючесть, токсичность.

Кремнийорганическими смолами называются вещества, в состав молекул которых наряду с другими элементами входят углерод и кремний. Кремнийорганические смолы изготовляют реакцией поликонденсации двух групп ис­ ходных веществ: алкилхлорсиланов и замещенных эфиров ортокремниевой кислоты. В цепи угловодородные звенья сочетаются с атомами, которые не со­ держатся в природных органических веществах. Разработаны методы полу­ чения кремний-, титано-, алюминий-, бороорганических и других соединений.

Наибольшее распространение получили кремнийорганические полимеры с силоксановой связью (—Si—О—Si—О—). Это новые соединения, кото­

рых в природе нет; они занимают промежуточное положение между органи­ ческими и неорганическими веществами, боладают свойствами тех и других.

Кремнийорганические смолы хорошо растворяются в бензоле, толуоле и других органических растворителях. Как и все термореактивные синтети­ ческие смолы, они при нагревании переходят в неплавкое и нерастворимое состояния. Общими для всех кремнийорганическихг'полисилоксановых смол являются высокая теплостойкость в условиях длительного нагревания, диэлектрические свойства и прочность при сжатии и изгибе (см. табл. 8.2).

Выпускаются кремнийорганические полимеры марок: К-40 (куски произ­ вольной формы от светло-желтого до коричневого цвета); К-42 (бесцветные или слабоокрашенные куски произвольной формы); МФСИ-15 (вязкая жид­ кость желтого цвета); ГКЖ (маловязкие жидкости — водные эмульсии по­ лимера или растворы в органических растворителях). Кремнийорганические смолы применяют в качестве гидрофобизаторов, уплотняющих добавок к цементобетонам и растворам, лаков, эмалей и высокотемпературных клеев.

Наполнители, подобно заполнителям в бетонах, значительно удешевля­ ют стоимость изделий. Кроме того, наполнители, подобно заполнителям в керамических массах, строительных растворах и бетонах уменьшают усад­ ку пластмасс при получении изделий и способствуют достижению большей точности их размеров. Наполнители вводят в состав пластической массы для экономии связующего и для увеличения прочности, так как они явля­

ются своеобразным механическим каркасом.

В качестве наполнителей для производства пластмасс применяются мате­

риалы органического и неорганического происхождения.

Органические наполнители. Главнейшими представителями органических наполнителей являются растительные волокна, состоящие главным обра­ зом из целлюлозы — хлопкового пуха и древесной муки. Древесная мука — один из самых распространенных наполнителей. Для ее изготовления ис­ пользуют различные отходы деревообработки. Древесная мука обычно при­ меняется в составах пресс-порошков типа фенопластов* Бумага лучший наполнитель для изготовления слоистых пластиков с повышенными электро­ изоляционными свойствами. Ее применяют также для производства кон­ струкционных пластмасс (например, гетинакс). Для производства текстоли­

та применяют различные хлопчатобумажные ткани.

При изготовлении прессованных изделий иногда используют бакелитовую муку, которую готовят путем измельчения отходов от производства фено­ пластов. Добавление в пресс-порошки до 10% по массе бакелитовой муки

не ухудшает их свойств.

Неорганические наполнители. К неорганическим относят асбестовые наполнители, которые получают в результате переработки ясбеста двух

типов: хризотила и антофилита.

Для изготовления пластических масс применяют асбестовую бумагу в листах и рулонах. Ее готовят главным образом из хризотил^ и используют для изготовления слоистых пластиков. Антофилит применяют ПРИ изготовлении

их электротехнические свойства.

Асбестовое волокно характеризуется значительной гибкостью, приближа­ ющейся к гибкости растительных волокон. По сравнению с другими видами волокнистых материалов асбестовое волокно обладает высокой термостой­ костью, малой гигроскопичностью и хорошими электроизоляционными свой­

ствами. Стеклянное волокно используют для изготовлений /lP5cAc~!f?Mn03H ций, создания стекловолокнистого анизотропного материал# (СВАМ) и про­

изводства стеклотекстолита. При изготовлении пластмасс и качестве доба­ вок применяют также и другие наполнители (тальк, Каодиш молотую слюду,

кварц и др.).

Соотношение между связующим веществом и наполнителем ® пласти­ ческих массах может колебаться в широких пределах, Так» ПРИ изготовле­ нии древесностружечных пластмассовых плит смола доставляет всего лишь 8—12%, а наполнитель — в среднем около 90%. Изделия, содержащие листовой или тканевый наполнитель, состоят из 15 -60% смолы и соответственно 85—40% наполнителя. Полиэтиленовые трубы и пленки, полистирольные плитки, органическое стекло вообще не Содержит наполнителя.

Пластификаторы. В большинстве случаев пластИфИк^торами являются маслянистые жидкости, которые вводят в состав пластмас^ чтобы увеличить гибкость материала в период эксплуатации и улуЧц1Ит1? технологические свойства композиции на стадии формования изделии.

Действие пластификаторов сводится к проникновению молекул пластифи­ катора между цепями полимера и уменьшению вследствие этого сил взаимо­ действия. К недостаткам действия пластификаторов относят понижение тем­ пературы текучести полимера и возможность постепенного испарения плас­ тификатора. Для того чтобы полимерные материалы с пластификатором сохраняли приобретенные свойства, последние должны быть нелетучими (температура кипения не ниже 250°С), негигроскопичными, свето- и водостойкими.

К числу наиболее распространенных пластификаторов относятся слож­ ные эфиры (дибутилфталат, диоктилфталат), представляющие собой бес­ цветные или слабоокрашенные маслянистые жидкости, а также талловое, тунговое, диэновое, касторовое и веретенное масла.

Отвердители. Их применяют для перевода ряда смол в неплавкое и не­ растворимое состояние или для ускорения процессов отверждения и термо­ реактивных смол.

В зависимости от вида смолы и режима отверждения (горячего или хо­ лодного) применяют те или иные отвердители — кислоты, ангидриды, пере­ киси, спирты, амины.

Кроме перечисленных компонентов в состав пластмасс могут входить вещества, повышающие стойкость к старению под влиянием кислорода и солнечных лучей (антиоксиданты), защищающие пластмассы от плесени й бактерий (фунгсиды), а также растворители и пигменты.

§ 8.4. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

ИЗ ПЛАСТМАСС

Пластические массы обладают рядом важных физико-механических и хи­ мических свойств, определяющих их использование в народном хозяйстве. Плотность пластмасс колеблется от 900 до 2200 кг/м3. Имеются пластмассы, обладающие очень малой объемной массой (10 кг/м3). Это так называемые газонаполненные пластмассы (пенопласты и поропласты).

Антикоррозионная стойкость. Пластмассы как диэлектрики совершенно не подвергаются коррозии и очень стойки при воздействии различных хими­ ческих агрессивных сред. На многие пластмассы не действуют слабые кис­ лоты и слабые щелочи; имеются пластмассы, стойкие к воздействию даже

концентрированных кислот и щелочей.

Теплоизоляционные свойства. Все пластмассы, как правило, плохо про­ водят тепло; их коэффициент теплопроводности Х= 0,3~-0,4 ккал/м2 (ч/град). Пено- и поропласты обладают еще более низкой теплопроводностью X= 0,06ч- 0,03, поэтому их широко применяют в качестве теплоизолирующих матери алов.

Адгезионные свойства. На основе синтетических полимеров изготавли­ вают клеи для склеивания металлов, древесины, силикатных и других ма­ териалов. Клеи этого типа можно применять для горячего и холодного отверждения. Например, клеи на основе эпоксидных смол обладают проч­ ностью при растяжении (при склейке металлов) до 30--40 МПа. В строитель­ ной промышленности в настоящее время широко изготавливают клеевые соединения, по прочности равные цельной древесине.

Цвет. Пластмассы хорошо окрашиваются в любые цвета. При исполь­ зовании стойких красителей они долго сохраняют свой внешний вид. Хорошая окрашиваемость пластмасс по всей толщине изделия позволяет избежать периодических покрасок, снижает эксплуатационные расходы при их при­ менении.

Прочность Пластмассы обладают высокими показателями механической прочности. Так, пластмассы с порошкообразными и волокнистыми наполни­ телями имеют предел прочности при сжатии от 120 до 160 МПа, а предел прочности при изгибе - от 40 до 60 МПа. Прочность при разрыве пластмасс с такими листообразными наполнителями, как текстолит, достигает 150 МПа

но развивающимся пластическим течением под нагрузкой. Даже наполнен­ ные пластмассы подвержены ползучести в гораздо большей степени, чем цементобетоны, металлы и другие материалы. Повышенная ползучесть пласт­ масс является сдерживающим фактором на пути более широкого их исполь-

зования в несущих конструкциях.

Коэффициент конструктивного качества (величина, получаемая от деле­ ния показателя прочности материала наего объемную массу) у пластмасс весьма велик. Так, для кирпичной кладки он равегi 0,02, для бетона - около

0,06, для стали — 0,51, У текстолита — 2 и у С В А М — г,г Технологические свойства. Пластмассы обладают высокой пластично­

стью. Это свойство позволяет получать многие пластмассы в виде тончайших нитей и применять для переработки их в изделия наиболее совершенные методы, исключающие образование отходов. К этим методам переработки относятся: литье, прессование под давлением, формование с применением

невысокого давления или вакуума.

Имеется большая группа пластмасс, которые можно сваривать между собой. Таким образом изготовляют трубы сложной формы, бункера, емкости и др. Сварку производят с помощью простейших приспособлении горячим

газом при температуре 150—250 °С.

Недостатки пластмасс. Как все материалы органического происхожде­ ния, пластмассы обладают сравнительно невысокой теплостойкостью. Эк­ сплуатационная температура пластмасс до последнего времени не превы­ шала 80-150 °С. Только некоторые из них, например кремнииорганические, политетрафторэтиленовые, могут работать при температуре до 350 С. Пластмассы обладают малой поверхностной твердостью. Например, у полистирольных и акриловых пластмасс твердость по Бринеллю составляет 1,5 МПа, у текстолита — 3,5 МПа. Наиболее низкой твердостью обладают пластмассы на основе целлюлозы. К числу недостатков многих пластмасс от­ носится способность поглощать воду и набухать, что влечет за собой увели­ чение размеров и уменьшение механической прочности.

К недостаткам пластмасс может быть отнесен их высокий коэффициент термического расширения, который колеблется в пределах (25-7-120) • 10

Пластмассы со временем стареют, т. е. происходит постепенное их раз­ рушение (деструкция) или ухудшение качественных показателей, например увеличение жесткости, упругости, снижение прочности и поверхностной твер­ дости, появление мягкости, липкости, потемнения.

Старение следует рассматривать как весьма сложный процесс, активи­ зированный внешними факторами самораспада макромолекул.

§8.5. ПОЛИМЕРЦЕМЕНТОБЕТОН

Полимерцементобетон —•искусственный материал, полученный в резуль­ тате затвердевания рационально подобранной смеси щебня, песка, цемента, воды и полимерной добавки. В качестве полимерной добавки могут быть использованы каучуки, дивинильный и дивинилстирольный поливинилацетат,

дывают на бетонное или другое прочное основание в один прием. Для изго­ товления твердых и высокопрочных полов применяют поливинилацетат, а для гибких и упругих — каучуковые латексы. В качестве заполнителей используют гравийный или мраморный щебень, песок, а для теплых полов — пробку, опилки.

Полимерцементные составы могут применяться-для исправления дефек­ тов в бетонных и железобетонных конструкциях, фундаментах.

§ 8.6. ПЛАСТБЕТОНЫ

Пластбетон — искусственный строительный материал, полученный в ре­ зультате затвердевания смеси минеральных компонентов с полимерным вя­ жущим. Пластбетоны могут быть на основе термореактивных и термоплас­ тичных смол.

Пластбетоны на термореактивных смолах. Эти пластбетоны приобретают прочность при помощи отвердителей, которые переводят смолы в термоста­ бильное состояние. Свойства пластбетонов по ряду показателей аналогичны свойствам цементобетона, но обладают повышенной прочностью при растя­ жении и изгибе, морозо- и износостойкостью, непроницаемостью для жид­ костей и газов, а также высокой химической стойкостью.

В качестве вяжущего применяют эпоксидные, фурановые, ненасыщенные полиэфирные и другие смолы. Минеральные материалы для приготовле­ ния пластбетона подбирают таким образом, чтобы между вяжущим и запол­ нителем исключить возможные нежелательные химические реакции в зоне контакта органической и минеральной фаз. Для пластбетонов на полиэфир­ ных и эпоксидных смолах пригодны заполнители из кислотостойких норных пород (гранит, базальт, андезит, диорит, кварцит и др.).

Свойства пластбетонов на термореактивных смолах зависят от многих факторов, основными из которых являются: вид и количество полимерного вяжущего-в смеси; вид, количество и тонкость помола наполнителя; вид и качество минеральных заполнителей; тщательность перемешивания и уп­ лотнения пластбетонной смеси при укладке в покрытие и при формовании изделий; продолжительность и условие твердения; условия эксплуатации конструкций из пластбетона.

Основные свойства пластбетонов на термореактивных смолах приведены в табл. 8.4. Как видно из табл. 8.4, пластбетоны имеют высокую прочность при сжатии, растяжении и изгибе, высокую плотность и малое водопоглоЩение, хорошую адгезию к цементобетону, металлу, древесине и другим

К отрицательным свойствам пластбетона на термореактивных смолах относятся большая ползучесть при длительном воздействии нагрузки, боль­ шая усадка при твердении, большая величина коэффициента температурного расширения, сравнительно невысокая тепло- и водостойкость.

Изменением вида и количества полимерного вяжущего, минеральных наполнителей и заполнителей, введением в состав пластбетона пластифи­ каторов и других химических добавок, а также применением соответствую­ щей технологии приготовления и укладки смеси можно изменять в нужном направлении свойства пластбетонов.

Прочность и плотность пластбетона, его деформативные свойства зави­ сят от вида и количества полимерного вяжущего. При оптимальном коли­ честве полимерного вяжущего полиэфирные и эпоксидные пластбетоны име­ ют более высокую прочность при сжатии, растяжении и изгибе, чем пласт­ бетоны на фурановых и фенольных смолах (см. табл. 8.4). По данным В. И. Соломатова, максимальное значение прочности песчаного пластбе­ тона на мономере ФА соответствует содержанию 260—300 кг смолы, а на

последнюю очередь). Процесс пожароопасен. Изделия из пластбетона формуют методами свободного литья или вибрирования. Смесь выдерживают в формах сначала 1сут при 18—25°С, а затем 10—30 ч при 80—120°С до пол-

Т а б л и ц а 8.4

ного отверждения связующего. В тех случаях, когда смесь не подвергают термообработке, прочность пластбетона повышается в течение 1—3 мес после укладки.

Поверхность цементобетона прочно связывается с пластбетоном, что поз­ воляет вести укладку бетона и пластбетона в тело одной и той же конструк­ ции. В сжатой зоне может быть уложен менее дорогой бетон, а в растяну­ той — пластбетон, работающий на растяжение.

Пластбетоны на термореактивных смолах применяют для покрытия полов в производственных помещениях с агрессивными средами, для устройства дорожных покрытий, а также для декоративной отделки различных соору­ жений.

Пластбетоны на термопластичных смолах. Такие пластбетоны представ­ ляют собой искусственный материал, в котором щебень, песок, минеральный порошок и пигменты соединены в монолит пластифированной синтетической смолой: инден-кумароновой, нефтеполимерной, глифталевой и др.

По ряду физико-механических свойств цветные пластбетоны приближа­ ются к горячим асфальтобетонам, но обладают несколько меньшей тепло­ стойкостью, переходят в хрупкое состояние при более высокой температуре. Необратимые процессы, приводящие к потере пластичности в пластбетоне, протекают быстрее, чем в асфальтобетоне, что объясняется меньшей ста­ бильностью вяжущего.

Наиболее широкое применение в качестве вяжущего для приготовления цветных пластбетонов нашли инден-кумароновая и нефтеполимерная смолы. Для цветного пластбетона наиболее применимы смолы I и II марок; они прозрачны, температуры размягчения находятся в пределах 80—100°С.

Нефтеполимерные смолы получают путем полимеризации некоторых фрак­ ций смолы пиролиза. Для придания необходимых свойств применяемые смолы пластифицируют. Для нефтеполимерных смол в качестве пластификаторов обычно применяют продукты нефтяного происхождения — деасфальтизаты и экстракты селективной очистки. Для инден-кумароновых смол этим тре­ бованиям отвечают следующие пластификаторы: дибутилфталат, талловое, диэновое, антраценовое масла. Для получения пластификаторной смолы, пригодной для приготовления пластбетона, необходимо в инден-кумароно- вую смолу вводить 15—20% пластификатора, что снижает температуру размягчения смолы до 40—45°С.

Свойства пластифицированных нефтеполимерных смол, пригодных для приготовления цветных пластбетонов, приведены в табл. 8.5.

емая по непрерывному способу в виде гладких стержней периодического профиля; изготавливаемая по способу горячего прессования в виде лент периодического профиля; получаемая путем навивки стекловолокна на гото­ вое изделие (трубу, балку) с последующим покрытием смолами и полиме­ ризацией их.

Однако предварительные исследования прочности и деформативности стеклопластиковой арматуры показывают, что при выдержке под нагрузкой в течение длительного времени прочность ее снижается примерно на 15—30%. Это зависит от вида стекловолокна и связующего. Установлено также, что смолы не в состоянии полностью защищать стекловолокно от окружающей среды, поэтому конструкций с такой арматурой не рекомендуется подвер­ гать автоклавной обработке и пропариванию при температуре выше 60°С.

§8.8. ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ПЛАСТМАССЫ

полимерные материалы, являющиеся дисперсными системами типа «твер­ дое тело — газ». Их делят на пенопласты, которые содержат преимущест­ венно замкнутые поры или ячейки и поропласты, содержащие открытые сооб­ щающиеся поры. В зависимости от упругих характеристик газонаполнен­ ные пластмассы условно делят на жесткие, полужесткие и эластичные. Газонаполненные пластмассы могут быть получены практически из любых полимеров. Наиболее широкое применение находят следующие виды пласт­ масс.

Пенопласты на основе полистирола изготавливают из эмульсионного по­ листирола. При получении пенопластов ПС-1, ПС-2 и ПС-18 применяют орга­ нические газообразователи, при получении пенопласта ПС-4 — неоргани­ ческие. Положительными свойствами перечисленных пенопластов являются большая механическая прочность, водостойкость и устойчивость в кислых и щелочных средах. К недостаткам следует отнести горючесть и низкую теп­

лостойкость.

Пенопласт ПС-1 выпускают в виде плит размером до 2000x2000 мм, толщиной от 40 до 50 мм. Плиточный пенопласт можно получить с различ­ ной объемной массой (от 60 до 220 кг/м3 и выше) в зависимости от коли­ чества вводимого в исходную смесь газообразователя. Пенопласт ПС-1 при­ меняют для изготовления крупных самонесущих ограждающих панелей, в которых предусмотрены закладные несущие элементы для соединения па­

нелей друг с другом.

Пенопласт ПС-4 выпускают в виде прямоугольных плит размером до 1500X1500 мм, толщиной не менее 50 мм. Плиты пенопласта легко подда­ ются обработке и склеиваются друг с другом и с другими материалами.

В зависимости от количества газообразователя можно получить пено­ пласт ПС-4 с объемной массой от 35 до 80 кг/м3 и выше. Прочность этих пенопластов невелика, и чем ниже объемная масса пенопласта, тем в боль­

шей степени снижаются его показатели.

Пенопласты на основе п о л и в и н и л х л о р и д а получают жесткие и эласти­ чные. Жесткие пенополивинилхлориды марок ПВХ-1 и ПВХ-2 представляют собой легкую газонаполненную пластическую массу в виде твердой пены с равномерно замкнутой пористой структурой. Сырьем для пенополивинилхлорида служат поливинилхлоридная смола, газообразователи (соли уголь­ ной кислоты) и метилметакрилат, который повышает текучесть полимера. Технология изготовления пенопласта состоит из смешивания компонентов,

прессования, охлаждения в формах, освобождения готовых изделий из форм, вспенивания в термокамере.

Эластичный пенополивинилхлорид ПВХ-3 получается из того же сырья и по той же технологий, что и жесткий пенопласт с добавлением пластифи­ катора. Пенопласт марки ПВХ-3 выпускают в виде плит размером 500X X500x40 мм.

К недостаткам жестких поливинилхлоридных пенопластов относится их низкая теплостойкость (60°С). Эластичные пенопласты обладают еще более низкой теплостойкостью; рабочая температура, при которой они могут эк­ сплуатироваться, составляет 40—50°С. Линейная усадка эластичных пено­

Мипора представляет собой жесткий пеноматериал на основе мочевиноформальдегидных смол с открытопористой структурой. Физико-механические свойства мипоры: объемная масса 10—20 кг/м3; коэффициент теплопро­ водности 0,026—0,03 ккал/м • ч • град; влажность 12%; эластичность — при сжатии на 20% материал не должен разрушаться; рабочая темпера­ тура 100°С.

§8.9. ПЛАСТМАССЫ ДЛЯ МАРКИРОВКИ ДОРОЖНЫХ

ИАЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ

Пластмассы с различными наполнителями находят применение для мар­ кировки дорожных и аэродромных покрытий. Светлый цвет полимерного связующего позволяет легко окрашивать эти материалы в любой цвет, высокая адгезия способствует хорошему прилипанию к покрытиям, высокая износостойкость, сопротивляемость воздействию различных агрессивных сред и другие достоинства способствуют расширению применения этого материала для поставленной цели.

Маркировочные пластмассы — смесь полимерного связующего, наполни­ теля, пигмента, растворителей, а в необходимых случаях и отвердителя. Мар­ кировочные пластмассы приобретают достаточную устойчивость в покрытии в результате испарения растворителя, отверждения полимеров, а в некоторых случаях и полимеризации. В зависимости от вида связующего и состава пластмассы могут быть уложены в холодном или горячем состоянии. Ниже приводятся некоторые маркировочные составы, применяемые для разметки дорожных или аэродромных покрытий.

Эпоксидноили полиэфирно-минеральную смесь, предназначенную для разметки цементобетонного покрытия, получают путем смешения в холод­ ном состоянии полимерных связующих и минеральных наполнителей. Поли­ мерное связующее, приготовленное на основе эпоксидной смолы ЭД-5 и отвер­ дителя, имеет небольшую жйзнеспосрбность (время, в течение которого его можно распределять по поверхности) — 0,5 ч, а после затвердевания ста­ новится хрупким. Для увеличения жизнеспособности и повышения пластич­ ности в эпоксидное связующее вводят пластификатор — дибутилфталат или фуриловый спирт.

При использовании полиэфирной смолы в качестве связующего требуе­ мое время отверждения достигается за счет введения в полиэфирную смолу (ПЭ-246) ускорителя — нафтената кобальта и отвердителя — перекиси циклогексанона в заданном количестве.

Для повышения прочностных показателей и уменьшения усадки в поли­ мерное связующее вводят наполнители — кварцевый песок, стеклянную крошку, стеклянную муку (табл. 8.6)

Полимерно-минеральную смесь на основе эпоксидного связующего гото­ вят порциями массой 20—40 кг во избежание перегрева смеси. В емкость для перемешивания вводят последовательно смолу, пластификатор, отвердитель и пигмент. После введения каждого компонента смесь перемешивают 3 мин. Затем в эпоксидное связующее вводят кварцевый песок или стеклян­ ную крошку и стеклянную муку и перемешивают до получения однородной смеси.

Полимерно-минеральную смесь-на основе полиэфирного связующего го­ товят порциями от 50 до 100 кг. Последовательно в емкость вводят поли­ эфирную смолу, ускоритель, отвердитель и пигмент и перемешивают 3 мин. В полиэфирное связующее вводят минеральные материалы.

Устройство долговечной разметки из полимерно-минеральной смеси вклю­ чает подготовку поверхности покрытия, распределение и выравнивание сме­ си. На очищенную и высушенную поверхность покрытия с помощью ящич­ ного распределителя наносят полимерно-минеральную смесь из расчета 2,5—3 кг/м2 Движение по разметке открывают после отверждения смеси (в зависимости от температуры воздуха и состава смеси — через 3—5 ч).

Термопластичные синтетические смолы применяют в маркировочных сос­ тавах для асфальтобетонных покрытий. Смесь содержит различные термо­ пластические связующие (инден-кумароновые, полиэфирные, метакриловые и другие смолы), пигменты (чаще белые) и светлые каменные заполнители. Для рефлектирующего эффекта вводят до 30% стеклянного 0исера круп­ нее 0,1 мм. Материалы обрабатывают в горячем состоянии; они затверде­ вают только при охлаждении. По консистенции маркировочные составы

похожи на литые асфальтобетонные смеси.

Ниже приводится характеристика термопластика для маркировки про­ езжей части дороги. Термопластик — однородная сыпучая масса серого цвета, после расплавления при 180—185°С и остывания твердый матери­ ал светло-серого цвета. Он не токсичен, не электропроводен. Состав: смола полиэфирная 46-1т-73«о» — 23%, смола полиэфирная П-6—4, трансформа­ торное масло — 1,15, двуокись титана пигментная — 3, доломитная мука —

18,85, мраморная крошка — 40%.

Изготовление термопластика производится в смесителе СМ-400. Внача­

1,14, водопоглощаемость 0,5—12%. Толщина выпускаемой пленки составля­ ет 0,05—0,17 мм, ширина 1200—1300, длина до 300 мм. Основные свойства полиамидных пленок приведены в табл. 8.7

При строительстве дорожных одежд находят применение пленки из поли­ этилена, полиамидов и др. Большой эффект дает укладка полиэтиленовой пленки под слой цементобетона. Пленка, расстилаемая непосредственно по спланированному основанию, препятствует отсосу воды из бетонной смеси в процессе его твердения, а в дальнейшем является преградой'для капилляр­ ного подсоса влаги из грунта. Благодаря своей эластичности полиэтиленовая пленка свободно выдерживает удары при выгрузке бетонной смеси из автомо­ билей-самосвалов.

Установлено, что под слоем бетона пленка не стареет долгие годы и служит надежной защитой от агрессивных грунтовых вод. Обычно при­ меняют пленку толщиной 0,1—0,12 мм.

Лак этиноль является отходом производства синтетического каучука. Это раствор темно-коричневого цвета в ксилольной фракции полимеров про­ изводных ацетилена, стабилизированных древесно-смоляным антиокислите­ лем. Плотность лака этиноль 0,95. Он обладает резким неприятным запахом, токсичен и огнеопасен, на воздухе быстро полимеризуется. Образующая плен­ ка надежно удерживает влагу в бетоне и предохраняет его от образования трещин, способствует ускорению процессов твердения, так как темный цвет пленки помогает лучшему нагреванию бетона солнечными лучами.

В обработанном лаком покрытии создаются благоприятные условия для продолжительного твердения бетона, так как защитные свойства пленки сохраняются в течение нескольких месяцев. Расход лака этиноля на 1 м2 поверхности бетона составляет от 0,5 до 2 кг. Уход за бетоном с помощью лака этиноля обходится в 3—4 раза дешевле, чем посыпка песком с последующей

поливкой водой.

В дорожном строительстве для устройства защитных ковриков в местах разрушения и ремонта цементобетонных покрытий находят применение эпок­ сидные смолы. Норма розлива эпоксидной смолы вместе с отвердителем составляет 1,1—1,6 кг/м^ Вслед за розливом рассыпают тонким слоем песок или высевки. Конечная толщина слоя поверхностной обработки 2 мм. Такой коврик имеет шероховатую поверхность, устойчив к действию агрессивных сред (противогололедных солей и др.).

Перед поверхностной обработкой цементобетонное покрытие тщательно очищают жесткими щетками, промывают сначала слабой соляной кислотой, а затем водой. Если имеются выбоины, их заделывают вручную смесью песка

с.эпоксидной смолой.

По зарубежным данным (США, Франция), защитные коврики на эпоксид­ ной смоле хорошо работают на сверхинтенсивных участках автомагистралей (более 80 тыс. автомобилей в сутки).

При строительстве дорожных одежд и искусственных сооружений приме­ няют жидкие клеи, при этом консистенция клея, определяемая вязкостью, должна обеспечивать возможность нанесения его на поверхность пленкой возможно меньшей толщины. Это обеспечивает большую прочность и стабильность клеевого шва.

Качество клея определяют прочностью сцепления при сдвиге и изгибе, водо- и термостойкостью, стабильностью (отсутствием старения), а в отдель­ ных случаях и морозостойкостью.

Из большого разнообразия клеевых материалов, применяемых в промыш­ ленности, остановимся лишь на некоторых. Клеевые материалы на основе фенолоформальдегидных' и меламиноформальдегидных смол представляют собой растворы с присадкой к ним необходимых веществ. Из фенолоальдегид­ ных смол известны клеи ВИАМ, Б-3, В-31, Ф-9 и др. Перед употреблением в клеи для лучшего отверждения вводят сульфоконтакт (контакт Петрова). Клеевая пленка твердеет при нагревании до 60°С в течение 8—12 ч. Эти клеи токсичны, поэтому в процессе работы необходимо соблюдать правила техники безопасности.

Меламиноформальдегидные (а также мочевиноформальдегидные) клеи перед употреблением смешивают с отверДителем (хлористым цинком, хлористым аммонием и др.) Их применяют для склеивания древесины и неко­ торых пластических материалов.

Приклеенный шов достаточно прочен (прочность на склеивание около 10 МПа), водостоек и обладает малой усадкой в тонком слое. Марки клея: КМ-1, КМ-2, КМ-12 и др.

Клей БФ представляет собой спиртовые растворы смол, полученных при различных соотношениях фенолоформальдегидной смолы и поливинилбутираля. Клеи марок БФ-2, БФ-3, БФ-44, БФ-4 и БФ-6 образуют эластичную, прочную пленку с высокой адгезионной способностью к различным мате­ риалам.

Клеи на основе эпоксидных смол обладают значительной адгезией, малой усадкой и водопоглощением, прочны. Термостойкость их 100—120°С. Эпок­ сидные смолы ЭД-5 и ЭД-6 применяют для склеивания алюминия и его сплавов, стали различных марок, пластмасс, древесины, керамики. Клеевой шов после отверждения водостоек, устойчив против действия щелочи, кислот, растворителей.

Клеи на основе полиэфиров обладают большой адгезией, малой водопоглощаемостью, усадка их достигает 10%, они прочны и термостойки.

Силиконовые клеи обладают значительной термостойкостью и подобно органическим соединениям гибки и растворимы в органических жидкостях.