книги / Строительные материалы

химической стойкости и стойкости к высокочастотным воздействиям; наполнители на основе стекловолокна— для большей термостойкости, хорошей сопротивляемости тепловым ударам, улучшения электроизоляционных свойств.

Чтобы повысить механическую прочность и износо­ устойчивость резиновой смеси, в ее состав, кроме поли­ меров, водят упрочняющие наполнители. Наиболее рас­ пространенным наполнителем является сажа. В том слу­ чае, когда нужно получить светлоокрашенные резины, предназначенные для работы в условиях повышенных температур, вместо сажи используют оксиды кремния или титана.

Наполнители могут быть применены также в клее­ вых и герметизирующих составах. Их присутствие не только снижает усадку клеевого слоя при отверждении, но и придает клею или герметику необходимую консис­ тенцию и форму (пласты, пленки или жгуты), повышает прочность соединения и улучшает условия теплопереда­ чи. В качестве наполнителей используют порошки ме­ таллов, коллоидальный оксид кремния, древесную муку, стекловолокно, стеклоткани и ткани из химических воло­ кон. Применение тканей позволяет получать тонкие кле­ евые пленки из отверждающихся полимеров.

В последнее время ведутся работы по изучению хи­ мической природы кремнеземистых наполнителей в по­ лимерных системах. Установлено, что, например белые сажи и органокремнеземы являются не только механи­ ческими наполнителями, они химически взаимодействуют с полимером. Это существенно повышает термостойкость полимерного материала, а также его прочностные свой­ ства.

При выборе наполнителей учитывают их дисперс­ ность, наличие постоянных включений, цвет, плотность, водопоглощение, химическую стойкость. Наполнители не должны растворяться в пластификаторах, разлагаться при температуре переработки и выделять летучие про­ дукты, содержать вещества, катализирующие разложе­ ние полимера, менять цвет и окрашиваться в процессе переработки, ухудшать перерабатываемость смеси. По­ верхность наполнителя должна смачиваться полимером. Важным является подбор дисперсности наполнителя, при которой обеспечивается тесный контакт с полиме­ ром и в то же время умеренный расход последнего. Наи­

больший эффект достигается при оптимальном содержа­ нии наполнителя, отклонения от которого приводят к ухудшению свойств полимерного материала. Активность наполнителя по отношению к полимерному связующему определяется его адсорбционной способностью и сте­ пенью полярности. При соответствии полярности напол­ нителя и полимера получаемые материалы характеризу­ ются повышенными показателями физико-механических свойств. Повышения активности наполнителей можно достичь обработкой их поверхностно-активными вещест­ вами.

Свойства пластмасс в значительной мере определя­ ются также вводимыми добавками — пластификаторами, порообразователямм, отвердителями и др. Пластифика­ торы облегчают скольжение макромолекул друг относи­ тельно друга и в результате повышают гибкость и элас­ тичность полимеров, облегчают условия переработки пластмасс. Пластификаторы обычно являются высококипящими малолетучими жидкостями, представленными наиболее часто сложными эцЬирами спиртов и кислот. Содержание пластификаторов зависит от состава и свойств полимера и колеблется от 5 до 40 %. Улучшение свойств полимера может достигаться их модификацией кислотами, природными смолами и битумами, низко­ молекулярными каучуками и другими веществами. Мо­ дификация осуществляется в процессе получения полиме­ ров путем замены одних функциональных групп други­ ми, прививки блоков одного полимера к главной цепи другого.

Для предотвращения быстрого теплового и светового старения производится стабилизация полимеров. В за­ висимости от характера деструктивных факторов при изготовлении полимерных изделий вводят термо- или светостабилизаторы. При термоокислительной деструк­ ции для снижения скорости окисления полимеров вводят специальные вещества — оксидианты, например тонкоди­ сперсные металлы, оксиды переходных металлов. В не­ обходимых случаях вводятся также в полимеры вещест­ ва, связывающие выделяющиеся летучие продукты. Так, для связывания хлористого водорода, выделяющегося при термодеструкции поливинилхлорида, применяют сте­ араты кальция и свинца, основной углекислый свинец. Сущность светостабилизации заключается в способнос­ ти некоторых веществ поглощать ультрафиолетовый свет

и преобразовывать его в тепловую энергию. При воздей­ ствии ультрафиолетовых лучей идут цепные окислитель­ ные реакции, вызывающие увеличение хрупкости п сни­ жение прочности полимеров. Для светостабилизации по­ лимеров эффективно применение производных фенолов, газовой сажи, оксида цинка.

§ 2 ^ ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1. Способы изготовления полимерных изделий

Технологический процесс получения полимерных ма­ териалов включает подготовку сырьевых компонентов и их дозирование, приготовление композиций, формование и стабилизацию. Изделия изготовляют вальцеванием (каландрированием), экструзией, прессованием, литьем под давлением, термоформованием, сваркой. Для произ­ водства рулонных материалов на тканевой, бумажной или другой подоснове применяют также метод промазы­ вания, изделий из стеклопластиков — напыления, тепло­ изоляционных материалов— вспенивания и порообразо­ вания.

При вальцевании изделие формуют в зазоре между вращающимися валками (рис. 16.3). При вальцевании достигаются высокая однородность массы, ее пластифи­ кация. Таким способом перерабатывают термопластич­ ные композиции при получении рулонных, пленочных и листовых материалов.

Экструзия — операция придания определенного про­ филя изделиям путем продавливания массы через фор­ мообразующее отверстие (мундштук). Для выдавлива­ ния пластических масс применяют преимущественно шнековые экструзионные машины (рис. 16.4). За счет теплоты, поступающей от нагревателей, происходит раз­ мягчение материала, который подается в экструдер в гранулированном или порошкообразном виде, и выдав­ ливание в вязкотекучем состоянии. Метод экструзии ши­ роко распространен для изготовления линолеумов, пого­ нажных изделий, плиток, труб, пленок.

Литье под давлением осуществляют при получении изделий из вязкотекучих термопластичных композиций методом инжекции. Порция расплавленной массы, полу­ чаемой в литьевых машинах, под давлением впрыскива-

ется в форму, где охлаждается и быстро затвердевает (рис. 16.5). Таким способом получают, например, полистирольные облицовочные плитки, детали для соедине­ ния труб и др.

Термоформование пластических масс производят ва­ куумным и пневматическим методами. При вакуумном термоформовании изделия получают из листовых термо­ пластичных заготовок. При размягчении заготовки до пластичного состояния и создании в форме вакуума она приобретает необходимую конфигурацию. Метод вакуум­ ного термоформования применяют для изготовления крупногабаритных тонкостенных пластмассовых изделий сложного профиля (ванн, раковин и др.). В отличие от вакуумного при пневмотермоформовании размягченные заготовки превращаются в изделия с помощью сжатого воздуха.

Прессование пластмассовых изделий осуществляют в обогреваемых гидравлических прессах. Этот метод целе­ сообразен при переработке смесей на основе термореак­ тивных полимеров. Его используют для получения слои­ стых пластиков, древесно-волокнистых и древесно-стру­ жечных плит.

2. Основные свойства пластмасс

Свойства пластмасс обусловлены химическим строе­ нием полимеров, типом наполнителя, условиями изготов­ ления, содержанием добавок— пластификаторов, краси­ телей, стабилизаторов и другими факторами. Многооб­ разие пластмасс определяет и широкий диапазон изменения их свойств. Вместе с тем, для пластмасс ха­ рактерен и ряд общих особенностей, определяемых их составом и структурой.

Плотность пластмасс составляет 900—2200 кг/м3. На­ именьшую плотность имеют пластмассы на основе угле­ водородов. Например, плотность полипропилена состав­ ляет 890—910 кг/м3, полиэтилена 910—970 кг/м3, поли­ стирола 1060—1100 кг/м3, а поливинилхлорида 1380— 1400 кг/м3. Наибольшее влияние на плотность пластмасс оказывают наполнители, составляющие наиболее зна­ чительную часть их объема. Плотность пластмасс можно регулировать, изменяя их пористость. Плотность наибо­ лее плотных пластмасс, содержащих тяжелые минераль­ ные наполнители (полимерных бетонов), превышает

2000 кг/м3, а ячеистых с пористостью до 95 % составля­ ет! 0—20 кг/м3. В среднем пластмассы в 6 раз легче ста­ ли и в 2,5 раза — алюминия.

Один из существенных показателей эффективности строительных материалов — коэффициент конструктив­ ного качества, определяемый как отношение предела прочности материала к его плотности. Обладая, как пра­ вило, пониженной плотностью, пластмассы имеют высо­ кую механическую прочность. Предел прочности при сжатии стеклопластиков доходит почти до 350 МПа, текстолита до 250 МПа, древесно-слоистых пластиков (ДСП) превышает 150 МПа. Характерная особенность пластмасс заключается в том, что наряду с высокой прочностью при сжатии они часто имеют не менее высо­ кие показатели прочности при растяжении и изгибе. Так, предел прочности при изгибе стеклопластиков доходит до 550 МПа, ДСП — до 280 МПа. Коэффициент конст­ руктивного качества кирпичной кладки 0,02, обычного бетона 0,06, древесины сосны 0,7; для плотных пласт­

При длительном действии напряжений пластические массы в большей степени, чем многие другие материалы, склонны к необратимым деформациям — ползучести. Модуль упругости пластических масс даже при нор­ мальной температуре значительно меньше модуля упру­ гости обычных строительных материалов.

Модуль упругости некоторых материалов, МПа (х Ю 5)

Ползучесть пластмасс резко возрастает с повышени­ ем температуры. Повышенная ползучесть ограничивает применение пластмасс в качестве конструкционных ма­ териалов. При определении значений допускаемых на­ пряжений в конструкциях из пластмасс, наряду с проч­ ностными показателями, необходимо принимать во внимание и масимально допустимую остаточную де­ формацию.

При воздействии растягивающих напряжений мно­ гие пластмассы характеризуются значительным относи­ тельным удлинением. Так, для полимерных пленок оно

составляет 150—300 %; бутилкаучуковых и рулонных материалов— 100%; пороизола — 20%. Относительное удлинение пластмасс важно учитывать при расчете гид­ роизоляции, кровельных покрытий, трубопроводов и дру­ гих элементов зданий и сооружений.

Несмотря на высокую прочность твердость пластмасс сравнительно невысокая. Она не находится в прямой за­ висимости от прочности, что характерно, например, для металлов. В отличие от других материалов при понижен­ ной твердости полимерные строительные изделия обла­ дают низкой истираемостью. Сопротивление истиранию пластмасс возрастает по мере увеличения их эластич­ ности. Например, истираемость безосновного поливинил­ хлоридного линолеума 0,035—0,05, мастичных полов из поливннилацетатной эмульсии 0,02—0,03, полимерцементных полов 0,4 г/см2. Истираемость наиболее твер­ дых горных пород 0,01—0,1 г/см2.

Свойства пластмасс по отношению к воде (гигроско­ пичность, водопоглощение, водопроницаемость) зависят как от их пористой структуры, так и от степени гидрофильности. Водопоглощение плотных гидрофобных по­ лимерных материалов составляет 0,1—0,5 %, а высоко­ пористых с гидрофильными наполнителями 30—90 %. Благодаря высокой непроницаемости полимерные пле­ ночные, рулонные- и мастичные материалы, в особеннос­ ти на основе полиэтилена, поливинилхлорида, каучуков, находят широкое применение для гидроизоляции.

Производство и эксплуатация полимерных строитель­ ных материалов неразрывно связаны с температурными воздействиями. Удельная теплоемкость пластических масс колеблется в пределах 840—2100 Дж/(кг*°С). С увеличением температуры теплоемкость возрастает до определенного максимального значения и затем снижа­ ется. Наличие кристаллической фазы вызывает ярко вы­ раженный максимум теплоемкости. Теплопроводность пластических масс невелика, при отсутствии наполните­ ля она составляет 0,116—0,348 Вт/(м*°С), теплопровод­ ность поропластов 0,028—0,0348 Вт/(м-°С) и приближа­ ется к теплопроводности воздуха. У аморфных полиме­ ров повышение температуры до размягчения вызывает некоторое увеличение теплопроводности.

Тепловое расширение пластмасс относительно велико, оно больше, чем у металлов. Температурный коэффи­ циент линейного расширения а*10~6 алюминия составля­

ет 22—24, стали 9—12, бетона 12, стекла 0,8—8, поли­ винилхлорида 80—90, полиэтилена 160—230. Существен­ но снижают тепловое расширение наполнители. Так, оно составляет для стеклопластиков 10—25, фенопластов 10—30. Большие значения температурного коэффициен­ та линейного расширения пластмасс в сочетании с малой теплопроводностью в ряде случаев обусловливают зна­ чительные остаточные внутренние напряжения, которые могут служить причиной появления трещин в строитель­ ных изделиях при резких изменениях температур.

Характеристикой теплостойкости полимерного мате­ риала служит температура, при которой начинается плавление или деструкция и наблюдается резкое сниже­ ние механической прочности. Теплостойкость боль­ шинства полимеров колеблется в диапазоне 80—150°С. Термореактивные полимеры являются значительно более теплостойкими, чем термопластичные, однако и у них при достижении предельной температуры начинается про­ цесс термоокислительного распада и деструкции мате­ риала. С введением наполнителей теплостойкость пласт­ масс повышается. Температура, при которой возможна эксплуатация материала, — ниже теплостойкости поли­ мера. Большинство пластмасс можно эксплуатировать при температуре не выше 100°С. Материалы на основе кремнийорганических полимеров служат при температу­ ре до 400 °С, политетрафторэтилена — до 260 °С.

Пластмассы — хорошие диэлектрики. Эта особен­ ность позволяет широко применять их для устройства, электропроводки, электроарматуры и специального обо­ рудования. Для пластмасс характерна способность акку­ мулировать статическое электричество на поверхности. С повышением сопротивления пластмассы легче принима­ ют электрический заряд. Результатом электризации яв­ ляется улавливание пыли поверхностью пластмасс; об­ разование электростатического заряда"' отрицательно влияет на организм человека, может вызвать пожар в помещениях, где концентрируются пары легковоспламе­ няющихся жидкостей. При влажности ниже 50 % полы из полимерных материалов рекомендуется периодически натирать специальными мастиками. При необходимости также вводят в состав полимерных материалов электро­ проводящие наполнители, хороший эффект дает обра­ ботка поверхности пластмасс антистатическими вещест­ вами.

Пожароопасность полимерных материалов определя­ ется степенью их воспламеняемости и поведением в зоне огня. При испытании в «огневой трубе» образцы поджи­ гают с помощью газовой или спиртовой горелки в тече­ ние 2 мин. После удаления пламени горелки фиксируют продолжительность самостоятельного горения и тления образца. Материалы, самостоятельно горящие и тлею­ щие в течение более 1 мин с потерей массы более 20 %, считают сгораемыми. К сгораемым относится большинст­ во полимерных материалов. Материалы, которые при нагревании до 750 °С не горят, имеют потерю массы по­ сле испытания менее 10 % и не выделяют горючих газов в количестве, достаточном для их воспламенения, счита­ ют несгораемыми. Примеры несгораемых материалов — фторопласты, материалы из перхлорвинила. Существенно повышают огнестойкость полимерных материалов спе­ циальные добавки антипиренов, а также минеральные наполнители, некоторые виды пластификаторов.

Применение полимерных материалов в строительстве возможно лишь после установления степени их токсич­ ности. К токсичным можно причислять пластмассы, вы­ деляющие токсичные вещества в количестве выше допус­ каемого нормами. К токсичным веществам, которые мо­ гут выделяться из пластмасс, например, в результате незавершенности химических процессов получения поли­ меров, относят ацетон, бензол, фенол, фурфурол, хлор, винилацетат и др. Токсикологические и гигиенические характеристики пластмасс особенно важно учитывать при использовании их для полов, потолков, внутренней облицовки стен.

Одним из решающих показателей, определяющих воз­ можность и целесообразность применения любых мате­ риалов, в том числе и полимерных, является их долго­ вечность. Полимерные материалы можно отнести в це­ лом к долговечным при правильно выбранной технологии их изготовления и соответствии условий эксплуатации их свойствам. Необходимость ремонта и замены поли­ мерных материалов возникает из-за старения связующе­ го, повышенного истирания, изменения линейных разме­ ров, потери декоративных свойств. Для обеспечения вы­ сокой стойкости полимеров к старению важное значение имеют правильный выбор исходного сырья, чистоты его, технологических параметров производства. Особое зна­ чение имеют добавки-стабилизаторы. При введении на-