книги из ГПНТБ / Литвин, А. Н. Железобетонные конструкции с полимерными покрытиями

упругости полиэтилена НП всегда меньше, чем у поли­ этилена ВП (рис. 5, в). Величину модуля упругости по­ лиэтилена можно при надобности уменьшать, используя его в сочетании с полиизобутилеиом.

Коэффициент Пуассона для всех видов полиэтилена можно принять равным 0,32, а поверхностное натяжение полиэтилена при 20° С близко к 3 Н/м.

При длительном нагружении полиэтилены всех видов

ние обработка готовых изделий из полиэтилена радио­ активным Со60. Под действием гамма-лучей происходит «сшивка» цепных макромолекул полиэтилена в про­ странственные структуры. Прочность и теплостойкость материала при этом существенно повышаются. Облучен­ ный полиэтилен НП при небольших нагрузках может использоваться до температур 150°С и кратковременно даже до 350° С.

Полиэтилен является превосходным диэлектриком, это может быть использовано при испытании с помощью электрических дефектоскопов сплошности полимерного слоя в полимержелезобетоиных конструкциях. Так как тангенс угла диэлектрических потерь у полиэтилена крайне мал, то в чистом виде он не поддается сварке с помощью токов высокой частоты. При добавке в полиэ­ тилен 20—36% ацетиленовой сажи совместно с введени­ ем 17—32% полиизобутилена П-118 можно получить ма­ териал, обладающий токопроводящими свойствами.

Полиэтилен является горючим материалом. Для при­ дания ему самозату^аемости рекомендовано вводить на

22

100 его массовых частей 5 массовых частей хлорирован­ ного парафина, 15 частей трехокиси сурьмы и 16 частей основного уксуснокислого свинца [54]. Следует отметить,

стойкость полиэтилена относительно невелика. Она, как и для других полимерных материалов, существенно за­ висит от метода определения его истираемости: при упо­ треблении для испытаний шлифовальной шкурки абра­ зивный износ связан с микрорезанием, а при исполь­ зовании сетки наблюдается фрикционное истирание, свя­ занное с эластической деформацией материала.

При 20° С полиэтилен не растворяется пи в одном из известных растворителей. При нагревании он слабо рас­ творяется в бензоле, толуоле, ксилоле, тетралиие, бен­ зине, минеральных маслах и некоторых других раство­ рителях. В связи с этим при изготовлении полимержелезобетонных изделий смазка опалубочных форм мине­ ральными маслами недопустима.

Полиэтилен плохо склеивается клеями, но хорошо сваривается. Хотя его адгезию к клеям можно увели­ чить путем химического модифицирования его поверхно­ сти в процессе обработки хромовыми смесями или олеумом, окислением поверхности с помощью пламени [60], воздействием слабого электрического разряда или применением обработки на воздухе при высоких темпе­ ратурах [79], все же для массового применения в полимержелезобетонных конструкциях склеивание полиэти­ лена вряд ли найдет применение.

С санитарной точки зрения, полиэтилен вполне без­ вреден, однако добавляемые в него стабилизаторы и другие вещества, используемые в процессе его изготов­ ления, могут быть вредными. Для полимержелезобетонных конструкций, которые будут в процессе эксплуата-_ цпи контактировать с питьевой водой, как, например, в водопроводных трубах, предназначенных для питьево­ го водоснабжения, предпочтение следует отдавать поли­ этилену низкой плотности, при изготовлении которого не применяют физиологически вредных веществ. Возмож­ ность использования труб из полиэтилена низкой плот­ ности для транспортирования питьевой воды установле­ на многочисленными исследованиями и подтверждена органами санитарной инспекции СССР.

Промышленностью полиэтилен выпускается в виде

23

гранул шарообразной формы с размером по диаметру 3—5 мм и насыпной массой не менее 500 кг/м3. Он посту­ пает упакованным в бумажные крафт-мешки с внутрен­ ним полиэтиленовым покрытием или в специальные мешки, имеющие клапан. Масса одного мешка обычно составляет 20 или 25 кг. Во избежание разрыва мешки укладывают друг на друга не более чем в 15 рядов. Хра­ нят полиэтилен на расстоянии не менее 1 м от нагрева­ тельных и отопительных приборов в закрытых помеще­ ниях, исключающих попадание на материал прямых сол­ нечных лучей. Гарантийный срок хранения правильно

базовых марок готовят различные композиции, заказы­ ваемые потребителями, для чего в полиэтилен вводят те или иные стабилизаторы, наполнители и красители. Ес­ ли черный цвет материала не противопоказан, то для полимержелезобетонных конструкций лучше всего ис­ пользовать композиции, содержащие в качестве стаби­ лизатора 2% газовой канальной сажи. По условиям стойкости в эксплуатации желательно выбирать базо­ вую марку полиэтилена с индексом расплава 0,3 г/10 мин, но допустимо применять полиэтилены, име­ ющие и более высокие индексы расплавов, по не свыше 1,5 г/10 мин. При необходимости получения светлоокра­ шенного полиэтилена по требованию потребителя в поли­ этилен вместо сажи вводят те или иные красители и на­ полнители, а против светового старения стабилизируют теми или иными эффективными неокрашенными стабили­ заторами, например смесью производных бензофенона под торговым названием «бензои-ОА». Для противодей­ ствия повышенной электризации и налипанию пыли в полиэтилен вводят небольшие количества различных антистатических добавок: «этомин Т-12», «оксамнн С-2», «оксанол ЦС-17» и др. Непрозрачность полиэтилену, ок­ рашиваемому в светлые тона, придают введением опти­

34

красителей. Эти концентраты добавляются к гранулам неокрашенного полуэтилена обычно в количестве около 4%. После перемешивания и совместной переработки в червячных прессах получается внешне равномерно окра­ шенная масса, из которой формуется изделие. В кон­ центратах применяют полиэтилен с высоким индексом расплава, который поэтому обычно не соответствует ин­ дексу расплава окрашиваемого материала. Окраска по­ лиэтилена в массе на заводе-изготовителе, а не с по­ мощью концентратов, обеспечивает не только лучшее распределение красителя, но и большую стойкость и дол­ говечность материалов, а поэтому для применения в полимержелезобетонных конструкциях такому способу крашения следует отдавать предпочтение.

Помимо полиэтиленов НП и ВП отечественной про­ мышленностью выпускаются композиции из полиэтиле­ на НП с полиизобутиленом. Композиция, содержащая 30% полиизобутилена, поставляемая в гранулах, назы­ вается «кабельный полиэтилен» (ТУ 2524-53). Изготов­ ляются также рулонные прокладочно-уплотнительные материалы толщиной 0,5—3 мм с различным соотноше­ нием тех же компонентов, получившие наименование ПОВ-Ю, ПОВ-ЗО, ПОВ-67 и ПОВ-90. Введение полиизо­ бутилена улучшает эксплуатационные и технологические свойства полиэтилена и делает его очень стойким против растрескивания [98]. Так как полиизобутилен обладает малым значением модуля упругости при растяжении и совмещается с полиэтиленом в любых соотношениях, то с его помощью можно в довольно широких пределах сни­ жать модуль упругости полиэтилена высокой плотности и облегчать его переработку.

Для улучшения физико-механических свойств поли­ этилена и некоторого повышения его теплостойкости можно использовать его сополимер с полипропиленом [93], обладающий эластическими свойствами, близкими к свойствам каучука, а его механическая прочность име­ ет промежуточное значение между значениями показа­ телей прочности полиэтилена и полипропилена. Плот­ ность одной разновидности такого сополимера близка к 850 кг/м3, а его разрушающее напряжение при разры­ ве составляет 25—28 МПа (250—280 кгс/см2). Относи­ тельное удлинение при разрыве достигает 400—500%. Эластичность сохраняется до —35° С.

Существенно изменить физико-механические свойст­

25

ва и стойкость полиэтилена можно за счет введения в

его структуру атомов хлора и серы. Сульфохлорирование осуществляется при обработке полиэтилена хлором и сернистым газом. Получаемый продукт обычно содер­ жит 26—29% хлора и 1,3—1,7% серы [52].

За рубежом сульфохлорированный полиэтилен под' названием «гнпалои» широко применяется. По эластич­ ности гипалон близок к каучуку н является очень атмо­ сферостойким и химически стойким материалом. Разру­ шающее напряжение вулканизованного материала при разрыве достигает 25 МПа (250 кгс /см2) при относи­ тельном удлинении 200—600%- Плотность материала от 1100 до 1280 кг/м3. Он не горюч, обладает высокой абра­ зивной стойкостью н сохраняет эластичность до —62° С.

В заключение обзора свойств полиэтилена следует отметить, что их комплексная оценка с точки зрения пригодности материала для использования в полимер­ ном слое полимержелезобетонных конструкций выявля­ ет определенные преимущества полиэтилена низкой плотности (высокого давления). В последующем, когда будет налажено промышленное производство сульфохлорированного полиэтилена и сополимеров этилена с про­ пиленом, они, несомненно, тоже найдут применение в; разнообразных полимержелезобетонных конструкциях, В настоящее время выбор полимерного материала для полимержелезобетонных конструкций всегда нужно на­ чинать с выявления возможности использования поли­ этилена низкой плотности и применять другие полимеры лишь в случаях его непригодности.

ПОЛИПРОПИЛЕН

Полипропилен впервые получен в 1954 г. Массовое производство его начато только недавно, но несомненно будет развиваться, так как этот полимер имеет ценные свойства, очень обширную сырьевую базу и относитель­ но несложную технологию производства.

Полипропилен относится к стереорегулярным поли­ мерным материалам, так как атомные группы мономе­ ров, образовавшие его молекулы, расположены в прост­ ранстве упорядоченно друг относительно друга. Лишь 2—15% атомных групп расположены неупорядоченно и образуют атактическую фазу.

Физико-мехаичческие свойства полипропилена в зна­

26

чительной мере обусловлены соотношением в нем изотактической п атактической фаз. На рис. 6 можно ви­ деть, что с увеличением содержания атактической фазы разрушающее напряжение материала падает, а относи­ тельное удлинение при разрыве растет. Это обстоятель­ ство имеет важное значение при выборе сорта полипро-

ной прочностью, но с малой эластичностью нежелатель­ но. Целесообразнее применить материал с повышенным содержанием атактической фазы, который характеризу­ ется большей ударной вязкостью и меньшей жесткостью при вполне достаточной механической прочности.

При сопоставлении показателей свойств полипропи­ лена и полиэтилена (см. табл. 1 и 2) можно видеть, что основное преимущество полипропилена по сравнению с полиэтиленом состоит в повышенной теплостойкости. Это позволяет применять его при более высоких эксплу­ атационных температурах, например в трубах и емкос­ тях, эксплуатируемых при 85° С [23]. К настоящему времени уже имеются сведения о том, что трубы из поли­ пропилена, стабилизированные против теплового старе­

27

ния, успешно применяются в системах горячего водо­ снабжения жилых зданий.

Так как полипропилен представляет собой термопла­ стичный полимер, то его физико-механические свойства существенно зависят от температуры. При рассмотрении рис. 7 можно видеть, что резкое уменьшение плотно­ сти полипропилена, соответствующее исчезновению в нем кристаллической фазы, наблюдается при температу-

сравнению с полиэтиленом, у которого кристаллическая фаза исчезает полностью при более низкой температуре. Обратная кристаллизация полипропилена из его рас­ плава требует некоторого времени. Поэтому при его бы­ стром охлаждении (закалке) кристаллическая фаза не успевает образоваться и материал получается значи­ тельно более мягким и эластичным, но менее прочным, чем при медленном остывании.

На рис. 8 показана зависимость «напряжение растя­ жения— деформация» для полипропилена при 20° С. Из рис. 8 видно, что до напряжений, составляющих око­ ло 80% разрушающего, полипропилен ведет себя как вполне упругий материал и лишь при больших напряже­ ниях в нем появляются пластические деформации, пере­ ходящие перед разрывом в пластическое течение.

Сопоставление зависимости разрушающего напря­ жения при растяжении полипропилена от температуры (рис. 9, а) с аналогичной зависимостью для полиэтиле­ на (см. рис. 5, а) показывает, что полипропилен при всех температурах прочнее полиэтилена.

Важно отметить, что полипропилен без нагрузки вплоть до температуры 155° С сохраняет свою форму и

28

некоторую твердость, а затем при нагреве всего на 15° быстро переходит в подвижную вязкую жидкость.

Относительное удлинение при разрыве полипропиле­ на уже при —20° С близко к нулю. Объясняется это тем, что его температура стеклования близка к —10, —15° С. Поэтому полипропилен недостаточно морозостоек и при низких температурах он значительно более хрупок, чем полиэтилен. С повышением температуры относительное

6)

Рис. 9. Зависимость свойств полипропилена от температуры

а — разрушающего напряжения при растяжении; 6 — относительного удлинения при разрыве

удлинение при разрыве полипропилена очень быстро возрастает, превышая при 100° С 1000%.

Полипропилен обладает высокой ударной проч­ ностью и при содержании атактической фазы около 10— 15% он при комнатной температуре не ломается. Без разрушения он способен выдержать миллионы переги­ бов. В отличие от полиэтилена он устойчив против рас­ трескивания под напряжением.

По химической стойкости полипропилен очень близок к полиэтилену, так как тоже представляет собой насы­ щенный высокомолекулярный парафин. На него не дей­ ствуют подавляющее большинство кислот, щелочей и растворов солей, а также минеральные и растительные масла. При комнатной температуре он сильно набухает в тетрахлорэтилене и хлорбензоле, а при повышенной температуре растворяется в них. Как н полиэтилен, по­ липропилен удовлетворительно не склеивается ни одним из известных видов клея. Его газо- и паропроницаемость

29

несколько меньше, чем у полиэтилена. Для повышения морозостойкости полипропилена его модифицируют до­ бавками 4%-ного щелочного лигнина и введением 15% диоктилсебацината [16]. Образующийся материал полу­ чил наименование «попролин». Его морозостойкость со­ ставляет —65° С. Примерно такого же повышения моро­ зостойкости полипропилена можно достигнуть, приготов­ ляя его композиции с полнизобутиленом, который, как уже отмечалось, одновременно позволяет улучшить перерабатываемость материала и ввести в него наполните­ ли [94].

Сваривается полипропилен вполне удовлетворитель­ но, но при температурах, более высоких, чем полиэтилен. Для сварки рекомендуется вместо воздуха применять инертный газ с температурой 280—300 °С. Токами высо­ кой частоты полипропилен не сваривается, так как тан­ генс угла диэлектрических потерь у пего, как и у поли­ этилена, очень мал.

Перерабатывают полипропилен в изделия теми же ме­ тодами, что и полиэтилен, но при соответственно повы­ шенных температурах. При экструзии рекомендуется применять удлиненные шнеки и поддерживать в головке температуру порядка 200—230°С [28].

Отечественной промышленностью полипропилен выпу­ скается девяти базовых марок. В маркировке полипропи­ лена первые две цифры (от 01 до 09) обозначают поряд­ ковый номер базовой марки, следующая затем буква «П» означает, что это полипропилен. После буквы «П» приво­ дят характеристику плотности материала, временно обоз­ начаемую числом «10», а далее после дробной черты ука­ зывают удесятеренное значение индекса расплава, опре­ деляемого при температуре 230° С и грузе 2,16 кг.

Для изготовления из полипропилена профилирован­ ных листов и рукавов методом экструзии более других подходят базовые марки 02П10/003 и 03П10/005.

Введение в полипропилен термо- и светостабилизаторов обязательно. Стабилизаторы для базовых марок по­ липропилена и красители для его окраски выбирают по технологическому регламенту поставщика, предусматри­ вающему оптимальные дозировки.

Поставляется полипропилен либо в виде белого по­ рошка с насыпной массой 150 кг/м3, либо в виде гранул с насыпной массой 470 кг/м3. Упаковывается он в мешки по 20 или 25 кг, аналогично полиэтилену.

30

Сополимер этилена с пропиленом изготовляют но мё1 тоду низкого или среднего давления и соответственно именуют СЭП низкого давления или СЭГ1 среднего дав­ ления [12]. СЭП среднего давления обладает большими плотностью и жесткостью. Прочностные и эластические свойства сополимеров этилена с пропиленом существенно зависят от содержания полипропилена и могут варьиро* ваться в широких пределах. При содержании полипропи­ лена более 20 мол. % получают мягкие аморфные мате* риалы. По мере уменьшения содержания полипропилена прочность и жесткость сополимера возрастают.

Сополимеры этилена с пропиленом обладают высокой морозостойкостью. Режимы их переработки в изделия близки к таковым для полиэтилена высокой плотности. Из сополимеров этилена с пропиленом экструзией полу­ чают пленки значительно легче, чем из полиэтилена вы­ сокой плотности.

ПОЛИИЗОБУТИЛЕН

Высокомолекулярный полиизобутилен П 2оо пред­ ставляет собой каучукоподобный полиолефин, используе­ мый для смягчения многих жестких полимерных матери­ алов. В смеси с равными количествами сажи и графита; его применяют для изготовления листового материала! ПСГ, поставляемого промышленностью в виде листов размером 0,9X3 м, толщиной 2,5—4 мм. Полнизобутилен ПСГ — очень долговечный полимер, обладающий выдаю­ щейся химической стойкостью [17], вследствие чего он давно и успешно применяется в технике защиты от кор­ розии. В ФРГ его называют «Оппанал», а в США — «Вистанекс» [52]. Если полнизобутилен ПСГ уложить в опалубку (предварительно удалив слой талька, которым посыпают его поверхность во избежание слипания), а за­ тем в такой опалубке изготовить бетонное или железо­ бетонное изделие с пропариванием или без него, то бе­ тон окажется покрытым полиизобутнленом без всякого клея. На готовые бетонные или железобетонные конст­ рукции листы полиизобутилена ПСГ можно наклеи­ вать, используя клеи № 88-Н, термопреновый, № 8, № 61, Б-12 и другие.

Низкомолекулярный полнизобутилен тоже широко ис­ пользуется, главным образом для изготовления невысы­ хающих клеев и клеящего слоя липких лент.

31