книги / Строительные материалы

полужесткие (£>0*4 ГПа), мягкие (£ = 0,02—0,1 ГПа) и эластичные (£<0,02 ГПа). Примерами жестких пласт­ масс являются фено- и аминопласты; полужестких — полиамиды и полипропилен; мягких — поливинилацетат и полиэтилен. К эластичным пластмассам относят раз­ нообразные каучуки.

Полимерные материалы относятся к числу наиболее эффективных строительных материалов. Они позволяют существенно снизить вес конструкций, широко внедрять индустриальные методы ведения строительных работ, обладают комплексом положительных особенностей, позволяющих расширять архитектурные возможности, изменять облик интерьеров, сокращать трудовые затра­ ты. Превосходя по многим свойствам традиционные ма­ териалы, они требуют для производства в 2—4 раза меньше капитальных вложений. Каждая тонна пласт­ масс позволяет экономить в народном хозяйстве 5,6 т стали, 3,4 т цветных металлов, около 500 руб. капиталь­ ных вложений и трудозатрат.2

2. Синтетические полимеры

Полимерами (от греч. «поли» — много, «мерос»—■ часть, доля) называют высокомолекулярные соединения, в которых молекулы состоят из многократно повторяю­ щихся элементарных звеньев одинаковой структуры. Вы­ сокомолекулярными соединениями принято считать ве­ щества с молекулярной массой выше 5000. Молекуляр­ ная масса низкомолекулярных соединений обычно не превышает 500. Вещества, имеющие промежуточные значения молекулярной массы, называют олигомерами. Элементарные звенья в молекулах полимеров (макро­ молекулах) соединены в цепи, имеющие линейное, раз­ ветвленное или сетчатое строение (рис. 16.1). Химиче­ ское строение макромолекулы практически соответству­ ет химическому строению структурной единицы. Напри­ мер, в макромолекуле поливинилхлорида повторяется группа винилхлорида: (СН2—СНС1)—. С увеличением молекулярной массы повышается температура плавле­ ния, уменьшается растворимость, увеличивается эластич­ ность и прочность полимеров. Взаимосвязь макромоле-

кулярных цепей также в значительной степени опреде­ ляет свойства полимера. Наименьшую текучесть и наиболее высокую прочность имеют сетчатые или прост­ ранственные полимеры, построенные из длинных цепей, соединенных одна с другой в трехмерную сетку попереч­ ными химическими связями:

—А — А — А — А — А — А — А — А — А —

—А — А — А — А — А — А — А — А — А —

Втом случае, когда цепь построена из связанных

между собой атомов углерода, полимеры считаются кар- боцепными, если наряду с углеродом в цепь включены атомы других элементов — гетероцепными. Для гетероцепиых полимеров характерна особенно высокая энер­ гия связи между атомами и, как следствие, высокая прочность и теплостойкость. Разновидностью гетероцепных являются элементоорганические полимеры, в цепи которых входят, наряду с атомами углерода, элементы, не входящие’ в природные органические соединения (кремний, алюминий, олово и др.). Например, в цепи кремнийорганических полимеров перемежаются атомы кремния и кислорода:

стирол и др.)» обладают способностью при нагревании размягчаться, а при охлаждении затвердевать (термо­ пласты). Пространственные полимеры (фенолоформальдегидные, карбамидные, полиэфирные и др.) являются термореактивными, они не могут обратимо изменять свои свойства и при нагревании превращаются в не­ плавкие и нерастворимые продукты, не способные к пов­ торному формованию.

Полимеры могут находиться в жидком или твердом состоянии. Для твердых полимеров характерна аморф­ ная или кристаллическая структура. У кристаллических полимеров в отличие от аморфных (полиметилметакрилата, полистирола и др.) отрезки цепи создают правиль-

иных надмолекулярных структур существенно влияет на свойства полимеров.

Синтетические полимеры получают двумя основными методами — полимеризацией и поликонденсацией. По­ лимеризация— процесс соединения молекул низкомоле­ кулярного вещества (мономера) без выделения какихлибо побочных продуктов. Молекулярная масса обра­ зующегося полимера равна сумме молекулярных масс реагировавших молекул. В реакции полимеризации мо­ гут участвовать один или несколько мономеров. В по­ следнем случае процесс называют сополимеризацией, а образующиеся продукты — сополимерами. Реакция поли­ меризации идет по цепному или ступенчатому механиз­ му. В первом случае процесс начинается с возбуждения мономера воздействием нагревания, световых лучей, добавок-инициаторов и образования активных радика­ лов, которые образуют цепи. При ступенчатой полимери­ зации молекулы мономера объединяются в результате

миграции подвижного атома от одной молекулы к другой. В промышленности обычно используют три спосооба полимеризации: в блоке, растворе, эмульсии или суспен­ зии. При блочной полимеризации применяют конденси­ рованные мономеры без растворителей с инициировани­ ем процесса специальными добавками или термическим воздействием. Полимер выходит из полимеризатора в виде монолитной массы, например в виде блока органи­ ческого стекла из полнметилметакрилата. Полимериза­ цию в растворе осуществляют с применением раствори­ телей, которые могут растворять лишь мономер или об­ разующийся полимер. В первом случае образуется поли­ мер, выпадающий в осадок; во втором — раствор полиме­ ра (лак). Наиболее распространенным промышленным способом является эмульсионная и суспензионная поли­ меризация, при которой в качестве дисперсионной среды используют воду с добавкой эмульгаторов. Полимериза­ цией в эмульсии получают латексы — водные эмульсии каучуков, в суспензии — поливинилхлорид, полистирол,

полиакрилаты и др.

Поликонденсация — это реакция, в результате кото­ рой образуются высокомолекулярные соединения (поли­ конденсаты) с одновременным отщеплением низкомоле­ кулярных продуктов. Например, путем поликонденсации фенола с формальдегидом получается фенолфор­ мальдегидная смола и вода. В реакцию поликонденса­ ции могут вступать мономеры, содержащие функцио­ нальные группы (—О Н ,— NH2, —Н и др.)- В отличие от полимеризационных полимеров элементарный состав поликонденсатов отличается от элементарного состава исходных веществ. Поликонденсаты могут быть получе­ ны четырьмя способами: в расплаве, растворе, твердой фазе и межфазной поликонденсацией (в последнем случае полимер образуется на границе раздела двух жидких фаз).

Основными сырьевыми материалами для получения полимеров являются продукты коксования и газифика­ ции каменного угля и углеводороды нефтяного проис­ хождения.

К полимеризационным полимерам, нашедшим наибо­ лее широкое применение для изготовления строитель­ ных пластмасс, относятся полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, полистирол, полиакрилаты и. поливи­ нилацетат.

Т А Б Л И Ц А 16.1. СВОЙСТВА ПОЛИЭТИЛЕНА

Полиэтилен [—СН2—СН2] п, полипропилен

[—СН3СН—СН]П и полиизобутилен [—СН2С(СН3)2—] п входят в группу полиолефинов — высокомолекулярных соединений на основе непредельных углеводородов. Сырьем для них служат газы: этилен, пропилен, и изо­ бутилен, образующиеся в основном при термических н каталитических процессах переработки нефти. Полиэти­ лен имеет линейное строение молекулы (рис. 16.2), его изготовляют на установках высокого (150—300 МПа), среднего (3—4 МПа) и низкого (0,25—0,5 МПа) давле­ ния. Свойства полиэтилена, полученного различными ме­ тодами, приведены в табл. 16.1.

Для полиэтилена характерна низкая растворимость в органических растворителях и устойчивость к дейст­ вию кислот, щелочей и солей, высокая водостойкость и механическая прочность. Недостатками полиэтилена яв­ ляются низкая теплостойкость (80°С), плохая адгезия к клеям, подверженность старению и поражаемость гры­ зунами.

Полипропилен, не уступая полиэтилену по водо- и химической стойкости, превосходит его по теплостойко­ сти и механическим свойствам. Полиэтилен и полипро­ пилен применяют для изготовления труб, пленок, листов, пенопластов, погонажных, санитарно-технических и дру­ гих изделий. Изделия из этих полимеров легко свари­ ваются и подвергаются механической обработке.

жания 60—80 % хлора получают перхлорвинил — про­ дукт, легко растворимым в органических растворителях

СН2—СНОСОСНз, синтезируемого из ацетилена и уксус­ ной кислоты. Благодаря хорошей адгезии, эластичности, светостойкости и бесцветности поливинилацетат нашел широкое применение в производстве лаков, красок и кле­ ев. В виде водной эмульсии его применяют также для полимерцементных бетонов, в производстве влагостой­ ких обоев.

Полиакрилаты — полимеры акриловой и метакриловой кислот и их производных. Метакриловые полимеры имеют более высокую химическую, тепло- и водостой­ кость, чем акриловые. Полиакрилаты являются прозрач­ ными и способны пропускать ультрафиолетовые лучи. Из полиакрилатов в строительстве наибольшее примене­ ние находит полимер метакриловой кислоты — поли­ метилметакрилат (органическое стекло). Полиметилме­ такрилат пропускает свыше 99 % солнечного света и в этом отношении значительно превосходит силикатные стекла. Преимуществами органического перед обычным стеклом являются также меньшая хрупкость, хорошая обрабатываемость. По сравнению с минеральным орга­ ническое стекло имеет меньшую твердость. Полиметил­ метакрилат применяется для остекления зданий, в осо­ бенности теплиц, оранжерей, плавательных бассейнов, а также в виде эмульсий для красок, лаков и т. д.

Отдельную группу полимеров, получаемых полимери­ зацией различных углеводородов, составляют синтетиче­ ские каучуки. Главная особенность их заключается в том, что они состоят из гибких макромолекул и обладают эластичностью. При обработке серой в условиях повы­ шенного давления и температуры (140—150°С) из сме­ сей каучуков с наполнителями (мел, каолин, сажа) и некоторыми регулирующими добавками получают вулка­ низированный каучук и резину. При вулканизации макро­ молекулы каучука связываются поперечными связями («мостиками» из серы), что позволяет повысить меха­ ническую прочность, эластичность и теплостойкость ма­ териала. В отличие от каучуков резины не имеют плас­ тических деформаций, не растворяются в органических растворителях. Наибольшее применение в строительстве имеют изопреновые, бутадиеновые, бутадиен-стирольные,

бутадиен-нитрильные и хлоропреновые каучуки. Каучуки применяют в производстве герметиков, гидроизоляцион­ ных материалов, линолеумов, плиток для полов, мастик, клеев.

Промышленностью выпускается значительное число поликонденсационных полимеров, из которых в строи­ тельстве нашли, распространение фенолальдегидные, фу-

Для производства строительных изделий более широкое применение находят резольные олигомеры и полимеры, выпускаемые как в жидком, так и в твердом состоянии. Отверждение их при нормальной температуре происхо­ дит с помощью катализаторов — слабых кислот. Фенол­ альдегидные полимеры применяют в качестве связующе­ го для производства слоистых пластиков, клеевых ком­ позиций, газонаполненных пластмасс, минераловатных

производства строительных изделий применяют в основ­ ном карбамидно- и меламиноформальдегидные полиме­ ры. Их изготовляют в виде водных растворов или эмуль­ сий. Отверждаются они как при повышенной, так и при нормальной температуре. В последнем случае требуются ускорители отверждения — органические или минераль­ ные кислоты. При холодном отверждении образуются менее прочные и водостойкие полимеры. Область приме­ нения аминоальдегидных полимеров примерно такая же, как и фенолальдегидных.

Фурановые полимеры получают из фурфурола, фурилового спирта и ацетона. Практическую значимость имеют фурфуролацетоновые полимеры На основе моно­ меров ФА и ФАМ. В присутствии бензосульфокислоты или при нагревании до 180—200 °С они переходят в не­ плавкое и нерастворимое состояние. Достоинствами фу-

рановых полимеров являются хорошая совмещаемость с другими полимерами, битумами и синтетическими кау­ чуками, высокая (300—400 °С) теплостойкость. При их применении следует учитывать большую усадку при от­ верждении. Фурановые полимеры применяют для полу­ чения полимерных бетонов, защитных лаков, клеев и мастик. Из пресс-материалов изготовляют различные де­ тали, трубы, арматуру.

Эпоксидные полимеры — продукты, содержащие эпо-

сацией эпихлоргидрина с дефинилпропаном. Перевод

шенной температуре. Эпоксидные полимеры отличают хорошая адгезия к разнообразным материалам, незна­ чительная усадка, высокие показатели прочности. Из эпоксидных полимеров изготовляют эффективные водо- и химически стойкие клеи для склеивания разнообраз­ ных материалов, их применяют как связующие для стек­ лопластиков, полимербетонов.

Кремнийорганические полимеры — представители эле­ ментоорганических высокомолекулярных соединений, содержащие в макромолекулах атомы кремния. Моно­ мерами для них служат соединения, получаемые взаи­ модействием кремния с хлористым метилом и этилом (алкилхлорсиланы), и продукты их этерификации спиртами (алкилоксисиланы). Кремнийорганические полимеры (полиорганосилоксаны) характеризуются высокой тепло­ стойкостью (более 400 °С), а также водостойкостью, эластичностью, морозостойкостью, устойчивостью к оки­ слению, гидрофобизующей способностью./Недостатками их являются невысокая механическая прочность и сла­ бая адгезия к другим материалам. Кремнийорганические полимеры применяют также для производства гермети­ ков, жаростойких лаков и эмалей, пенопластов, стекло­ пластиков, деталей электротехнических приборов.

В табл. 16.2 приведены для сравнения основные свой­ ства термопластичных и термореактивных полимеров. Изменяя состав и технологию, можно заметно влиять на свойства полимера и получаемых на его основе строи­ тельных материалов и изделий.