Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химическая стойкость материалов. Учебное пособие
.pdf
81
кулярной массы эффект сольватации усиливается и твердость битума растет.
Основное промышленное значение имеют искусственные
битумы. Их получают в результате переработки каменного
угля и нефти. В зависимости от природы исходного сырья и
способа его переработки получают искусственные битумы
разного состава. Чаще всего искусственные битумы получают
окислением гудрона кислородом воздуха. Гудрон – это крекинг-остаток нефти и каменного угля. Основными компонентами, входящими в состав искусственных битумов, являются
различные высокомолекулярные жирные кислоты, алифатические спирты и парафиновые углеводороды.
Свойства искусственных битумов будут определяться как
их составом, так и степенью полимеризации n. С увеличением
n растет стойкость битумов к действию различных агрессивных сред, повышается температура их размягчения, затрудняется растворение в летучих органических растворителях.
Таким образом, природные и искусственные битумные материалы обладают близкими физико-химическими и химическими свойствами. Эти вещества проявляют гидрофобные
свойства и могут растворяться в органических растворителях.
Стойкость битумных материалов к минеральным кислотам
определяется прежде всего длительностью их воздействия, а
также природой кислоты и ее концентрацией. Битумы с высокой степенью полимеризации обладают высокой кислотостойкостью. При длительном действии растворов минеральных кислот они разрушаются. Поэтому для увеличения стойкости битумных материалов к действию кислот в них вводят
кислотостойкие наполнители.
Постепенное разрушение битумов происходит и при длительном действии концентрированных водных растворов щелочей и карбонатов щелочных металлов при нормальной и
повышенной температурах. Насыщенные растворы извести,
82
содержащиеся в бетоне, могут омылять битумы. Сильные
окислители также разрушают битумы, вызывая их окислительную деструкцию. Битумные материалы проявляют высокую стойкость в водных растворах минеральных и органических солей.
Основным недостатком битумных материалов является их
текучесть не только при повышенных, но и при нормальных
температурах. Повышение температуры приводит к снижению степени полимеризации битумов, и они размягчаются.
Для уменьшения хладотекучести вводят специальные
наполнителей – асбест, песок и др.
При использовании битумов оценивают их реологические
свойства: вязкость, эластичность и тиксотропию. Битумы относятся к дисперсным системам, которые способны обратимо
разжижаться при перемешивании и затвердевать в покое.
Под действием разных внутренних и внешних факторов битумные материалы стареют. Процесс старения сопровождается как удалением некоторых компонентов из системы, так
и их агрегацией и уплотнением. Это приводит к потере пластичности битумных материалов, развитию трещин и увеличению их хрупкости. Несмотря на все эти недостатки, битумные материалы успешно применяют в различных отраслях промышленности благодаря невысокой стоимости и доступности.
3.2. Материалы на основе битумов
В настоящее время применяют большое количество материалов на основе битумов. Рубероид – это рулонный кровельный материал. Его получают в результате пропитки кровельного картона расплавленными легкоплавкими нефтяными битумами и нанесения на обе стороны полотна тугоплавкого нефтяного битума с тонким слоем минерального
83
наполнителя. На лицевую сторону поверхности часто наносится крупнозернистая посыпка, которая увеличивает долговечность материала. Порошкообразный наполнитель наносят
для замедления процесса старения рубероида, увеличения
температуры плавления битума и предотвращения слипания
рубероида в рулонах.
Основой рубероида является картон, который может подвергаться биологической коррозии. Использование стекло-
рубероида позволяет устранить этот недостаток. От также является рулонным кровельным материалом, основу которого
составляет стеклотканый холст, не подвергающийся биологическому разрушению, что позволяет повысить долговечность материала.
Если в качестве основы используют асбестовую бумагу, то
получают биологически стойкий материал – гидроизол. Данный материал может быть как листовым, так и рулонным.
Его используют в качестве гидроизоляционного слоя в подземных и гидротехнических сооружениях.
К безосновным материалам относятся бризол и изол. Бризол представляет собой рулонный материал, полученный методом вальцевания смеси, состоящей из нефтяного битума,
дробленой резины, асбеста и пластификатора. Материал
предназначен для эксплуатации в интервале температур от
–15 до +45 °С. Изол получают совместной прокаткой сырой
невулканизированной резины с битумом. Для повышения
стойкости материала дополнительно вводят пластификатор,
наполнитель и антисептик для защиты от биологической
коррозии. Бризол применяется в строительстве в качестве
изолирующего материала и имеет преимущества и недостатки. Основными достоинствами являются высокая эластичность, электроизоляционные свойства, морозоустойчивость,
водоустойчивость и гнилоустойчивость. Недостатком является его токсичность и высокая стоимость.
84
На основе битумных материалов также изготавливают мастики и эмульсии. Мастики представляют собой смеси нефтяного битума с минеральными дисперсными или волокнистыми наполнителями с добавками антисептика. В качестве ми-
неральных наполнителей применяют мел, известняк, цемент,
тальк. Наиболее распространенными волокнистыми наполнителями являются асбест и минеральная вата. Мастики в
основном используют в качестве антикоррозионных покрытий
строительных конструкций, трубопроводов, для наклеивания
рулонных материалов на различные поверхности.
Битумные эмульсии относятся к строительным материалам,
которые получают путем эмульгирования жидкого битума в
воде. Диспергирование битума в воде осуществляется за счет
введения в смесь эмульгатора и различных вспомогательных
компонентов. Применение водных битумных эмульсий позволяет повысить адгезию и обеспечить надежное скрепление.
Водные битумные эмульсии являются пожаробезопасными,
что облегчает их использование и применение [7].
3.3. Нанесение защитных
битумных покрытий
Долговечность защищаемых конструкций связана с высокой адгезией битумных покрытий. Поэтому перед нанесением битумного материала необходимо провести специальную
подготовку поверхности. На первом этапе подготовки выравнивают поверхность с помощью разных щеток или пескоструйными аппаратами, когда конструкции имеют большие
размеры. Далее очищают поверхность от пыли, загрязнений
и пятен, используя промышленные пылесосы или обдувая
сжатым воздухом. Жировые загрязнения удаляют органическими растворителями. Перед нанесением покрытия поверхность должна быть чистой и сухой.
85
Нанесение защитных битумных покрытий проводят при
температуре не ниже 15–18 °С и относительной влажности
воздуха не выше 60 %. Если наносят многослойные покрытия, то каждый предыдущий слой просушивают воздухом без
подогрева. Кроме этого, каждый последующий слой наносится в направлении, перпендикулярном предыдущему.
При нанесении рулонных и листовых гидроизолирующих
слоев на подготовленную поверхность наносят грунтовочный
материал, который представляет собой дробленый битум, растворенный в бензине. Продолжительность сушки зависит от
состава грунтовочного материала. Сушку грунтовочных слоев
рекомендуют проводить на воздухе без подогрева в течение
24 часов. Наклеивание листового или рулонного материала
проводят горячим битумом при температуре 130–190 °С. Для
герметизации стыковочных швов используют горячую битумную мастику с последующей защитой крупным кварцевым
песком. Защитные свойства покрытий определяются качеством выполненной герметизации.
3.4. Основные свойства
древесины
Древесина относится к материалам органического происхождения и считается самым экологически чистым материалом. Основными ее достоинствами являются высокая
технологичность, легкость, низкая теплопроводность, доступность [7; 9].
Древесина обладает высокой стойкостью и прочностью в
слабоагрессивных средах. Стойкость древесины к агрессивному воздействию определяется породой дерева и наличием
различных дефектов. Поскольку хвойные породы характеризуются большим содержанием различных смолистых веществ, то их химическая стойкость выше, чем лиственных.
86
Основным компонентом древесины является лигнин. В различных породах дерева его содержание находится в пределах от 30 до 50 %. Лигнин относится к природным полимерам неустойчивого состава и является модификацией целлюлозы (С6Н10О5)n.
К другим компонентам, содержащимся в древесине, относятся природные масла и смолы, дубильные и красящие
вещества, состав которых зависит от породы дерева.
Древесные материалы относятся к волокнистым материалам с анизотропией свойств. Прочность древесины поперек
волокон примерно на порядок выше, чем вдоль. Это пористый и гигроскопичный материал. Его пористость составляет
от 50 до 80 % общего объема. Количество сорбированной
влаги зависит от температуры и влажности окружающей
среды.
Снижение влажности древесины приводит к ее усушке,
что способствует короблению материала. Поскольку усушка
вдоль и поперек волокон отличается, то вдоль волокон уменьшение размеров небольшое, а поперек волокон наблюдаются
существенные изменения. Деформация древесины происходит и при больших количествах поглощенной влаги, в этом
случае она коробится. В настоящее время окончательно не
установлено влияние влаги на химическое сопротивление
материала. Некоторые исследования показали, что для сосны, березы, осины, находившихся в течение 30 лет в воде,
практически не происходило изменения механических
свойств по сравнению со свежей древесиной этих же пород.
Отмечают также очень высокую стойкость мореного дуба,
находившегося долгое время в воде открытых пресных водоемов. Результаты исследования этого явления показали, что
поры древесины заполнились различными солями, что способствовало увеличению механической прочности материала.
В дальнейшем было установлено, что одними из факторов
87
приобретения таких свойств являются ограничение доступа
кислорода и отсутствие гнилостных бактерий в воде. Биологическая активность воды оказывает существенную роль на
разрушение древесины. В таких средах идет ее интенсивное
разрушение.
Поскольку древесина является природным полимером, она
склонна к загниванию на воздухе. Эти процессы связаны с
присутствием различных дереворазрушающих грибов, для
которых целлюлоза древесины является питательной средой.
В процессе своей жизнедеятельности они выделяют особый
фермент – цитазу, который способен переводить нерастворимую в воде целлюлозу в глюкозу, легко растворяющуюся в
воде в результате протекания реакции
(С6Н10О5)n + nH2O → nC6H12O
6
(46)
Кроме этого, в теле гриба глюкоза может окислятся кислородом воздуха до углекислого газа и воды:
C6H12O6 + 6О2 → 6СО2↑ + 6Н2О (47)
Среди всех грибов наибольшее разрушение древесины вызывают домовые грибы, которые разрушают древесину всех
пород. Разрушение древесины в результате развития и протекания гнилостных процессов происходит всего за полторадва года. В зависимости от того, насколько далеко зашел процесс, степень поражения древесными грибами может быть
разной. Наиболее устойчива к загниванию древесина хвойных пород, содержащая большое количество смолистых веществ. Механическая прочность материала также снижается
за счет присутствия различных насекомых.
Особые свойства древесины требуют применения различных способов повышения ее химической стойкости. Для этого проводят специальную обработку поверхности лакокрасочными материалами, используя особую технологию их
нанесения.
88
3.5. Защита древесины
лакокрасочными покрытиями
При нанесении защитных лакокрасочных покрытий необходимо учитывать специфические особенности древесины. Пористость древесных материалов улучшает адгезию покрытия, но
наличие большого количества открытых пор увеличивает расход лакокрасочного материала. Поэтому на первом этапе нужна
подготовка поверхности, связанная с обработкой ее различными
шпаклевочными материалами. В результате обработки получаются более равномерные по толщине покрытия. Такую обработку проводят и для учета недостаточной твердости древесины.
Перед нанесением покрытий на древесину мягких пород ее
необходимо предварительно уплотнить. Поверхностный слой
грунта или шпатлевки является подложкой для основного покрытия и предотвращает крошение мягкой древесины. Кроме
этого, смолы, содержащиеся в древесине хвойных пород, ухудшают адгезию основного материала, поэтому рекомендуют
наносить промежуточный слой шпатлевки или грунта [7].
Перед нанесением покрытия древесину следует хорошо
подсушить. При этом необходимо учитывать, что древесные
материалы обладают низкой термостойкостью. Поэтому все
операции, связанные с подсушиванием материалов перед
нанесением покрытий или горячей сушкой покрытий, должны производиться при температуре не выше 70– 80 °С. Качественные лакокрасочные покрытия можно получить только
при влажности древесины не выше 10–12 %. Если не учитывается влажность материала при нанесении, то это приводит
к очень быстрому его отслаиванию.
Древесные материалы склонны к загниванию. Поэтому
перед нанесением покрытий их обрабатывают антисептиками: нафтенатом меди, хлоридом цинка или креозотовым
маслом. В качестве антисептиков также используют 10%-ный
89
раствор кремнефтористого аммония или смесь 12%-ного раствора бихромата калия, медного купороса и борной кислоты в
соотношении 1 : 1 : 1.
Для предотвращения разрушения насекомыми древесину
пропитывают фенолами, горячей олифой, разбавленным керосином и т. п. Профилактикой данного вида разрушения
древесины является также регулярное проветривание помещений, где она хранится.
Таким образом, технология нанесения защитных лакокрасочных покрытий состоит из последовательных операций, которые включают обработку древесины антисептическими составами, подсушивание при определенной температуре, нанесение и сушку одного или нескольких слоев шпатлевки,
грунта и основного лакокрасочного материала. Соблюдение
технологии нанесения лакокрасочных покрытий позволяет
повысить стойкость древесных материалов.
3.6. Основные свойства и особенности
композиционных материалов
Кроме гомогенных материалов, существуют гетерогенные, в
которых вводимые добавки не совмещаются с основным материалом, а образуют самостоятельные фазы. Такие материалы
называют композиционными, или композитами. Преимуществом данных материалов является то, что, регулируя объемное содержание компонентов или меняя их природу, можно
получать материалы с заранее заданными свойствами.
Композиционные материалы представляют собой двухили многофазные компактные материалы, в которых есть
граница раздела между отдельными фазами. Основу любого
композиционного материала составляет матрица. Матрица
может быть в твердом кристаллическом или аморфном состоянии и предназначена для объединения частиц наполните-
90
лей в единое целое. В основном используют матрицы на основе полимерных или металлических материалов. В матрицу
вводят дополнительные компоненты, которые составляют
фазы наполнителей, которых может быть несколько. В качестве наполнителей применяют диспергированные и волокнистые материалы в любом агрегатном состоянии. Используют
порошкообразные вещества с различным размером частиц.
В качестве волокнистых материалов используют асбоволокно,
стекловолокно, графитовые и металлические нити. Все вводимые компоненты образуют собственную границу раздела.
В особую группу композиционных материалов выделяют
полимер-полимерные композиты. В таких материалах пытаются объединить свойства индивидуальных компонентов. Добавляя каучуки к стеклообразным полимерам, получают эластичную дисперсную фазу в жесткой матрице
стеклообразного полимера. В результате стеклообразные
полимеры проявляют эластичные свойства. При этом сохраняется высокое химическое сопротивление, присущее
стеклопластам.
В настоящее время также известны композиционные материалы, которые называют гибридными. Особенностью этих
материалов является то, что они состоят из разных типов волокон, заключенных в одну матрицу. Самыми распространенными композитами такого типа являются материалы на
основе полимерных волокон из полиамида в сочетании со
стеклянными или углеродными волокнами.
Известны разные методы получения композиционных материалов. К ним относятся следующие:
– пропитка армирующих волокон жидким связующим материалом с последующим его отверждением;
– формование матрицы и наполнителей в твердом состоянии с последующей термической обработкой, приводящей к
их спеканию;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]