Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Полимерные, изоляционные и лакокрасочные материалы для архитекторов. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Белгородский государственный технологический университет
им. В.Г. Шухова
1
В. М. Воронцов
ПОЛИМЕРНЫЕ, ИЗОЛЯЦИОННЫЕ
И ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ДЛЯ АРХИТЕКТОРОВ
Рекомендовано Московским архитектурным институтом
(государственной академией) для студентов вузов, обучающихся
по направлению 270100 «Архитектура»
Регистрационный номер рецензии №1501 от 05.09.2011 г.
Белгород
2011
2
УДК 691.175.5/.8:72 (07)
ББК 38.36я7
В75
Рецензенты:
профессор, доктор архитектуры
заведующий кафедрой дизайна архитектурной среды
и градостроительства Полтавского национального
технического университета им. Юрия Кондратюка
В.А. Николаенко
академик Украинской академии архитектуры,
профессор кафедры архитектуры и дизайна
БГТУ им. В.Г. Шухова Г.И. Лаврик
Воронцов, В.М.
В75 Полимерные, изоляционные и лакокрасочные материалы для
архитекторов: учебное пособие / В.М. Воронцов. – Белгород:
Изд-во БГТУ, 2011. – 121 с.
ISBN 978-5-361-00165-1
В учебном пособии дано определение полимерных материалов, их
молекулярной структуры и свойств, характеризуются материалы и изделия на
их основе и указываются области применения. Большое внимание уделено
конструкционным и отделочным материалам на основе пластмасс, а также
гидроизоляционным, кровельным, теплоизоляционным, акустическим и лакокрасочным материалам. Приводится обзор возникновения и использования
полимерных материалов в строительстве и архитектуре, рассматриваются перспективы их дальнейшего развития. Уделено также внимание экологической
проблеме – утилизации пластмассовых отходов. Отмечается высокая эффективность применения полимерных материалов в современном строительстве.
Издание предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлению 270100 «Архитектура».
УДК 691.175.5/.8:72 (07)
ISBN 978-5-361-00165-1 © Белгородский государственный
технологический университет
(БГТУ) им. В.Г. Шухова, 2011
ББК 38.36я7
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………...5
1. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ
ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ………………………………………………..6
1.1. Битумные и дегтевые вяжущие…………………………………….7
1.2. Полимерные материалы и изделия………………………………...8
1.3. Пластмассы: состав, свойства и разновидности…………………15
1.4. Конструкционные материалы на основе полимеров…………….22
1.5. Отделочные материалы на основе полимеров…………………...25
1.5.1. Материалы для покрытий полов……………………………...26
1.5.2. Материалы для отделки стен и потолков…………………….34
1.6. Материалы для санитарно-технического оборудования, трубы
и профили для окон и дверей……………………………………..42
1.7. Модификация строительных материалов полимерами…………45
1.8. Антикоррозионная защита полимерными материалами………..46
2. ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ, КРОВЕЛЬНЫЕ, ГЕРМЕТИЗИРУЮ-
ЩИЕ. И КЛЕЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ……..…………………..…………48
2.1. Рулонные кровельные изделия и гидроизоляционные пленки..49
2.1.1.Гидроизоляционные и кровельные материалы на основе
битумов и дегтей………………………………………………49
2.1.2. Гидроизоляционные пленки……………….…………………53
2.2. Штучные кровельные изделия…………………………………..55
2.3. Полимерные клеи и мастики…………………………………….58
2.4. Эмульсии и пасты…………………………….…………………..61
3. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ…….……62
3.1. Классификационные признаки и свойства теплоизоляцион-
ных материалов……………..…………………………………….63
3.2. Неорганические теплоизоляционные материалы и изделия….68
3.3. Органические теплоизоляционные материалы и изделия……..73
4. АКУСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ…………………...83
4.1. Звукопоглощающие материалы………………………………...84
4.1.1. Особенности структуры и свойств…………………………84
4.1.2. Основные виды звукопоглощающих материалов и их
применение………………………………………………….86
4.2. Звукоизоляционные материалы………………………………..88
5. ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ………………………………..90
5.1. Общая характеристика лакокрасочных материалов………….92
5.2. Основные компоненты красочных составов………………….93
5.3. Разновидности лакокрасочных материалов……………….….94
5.4. Выбор лакокрасочных материалов……………………………96
4
6. ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В КОНСТРУКЦИЯХ………….100
6.1. Пневматические конструкции………………………………..101
6.2. Оболочки из пластмасс……………………………………….102
6.3. Полимербетонные конструкции……………………………..103
6.4. Трехслойные панели………………………………………….103
7. ПЛАСТМАССЫ В АРХИТЕКТУРЕ………………………………..106
7.1. Краткий исторический очерк развития производства
полимерных материалов………………………………………..106
7.2. Пластмассы и архитектурное творчество……………………...107
7.3. Пластмассы в архитектуре будущего………………………….111
8. АНАЛИЗ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ УТИЛИЗАЦИИ
ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ…………………….…………………..114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………117
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………118
5
ВВЕДЕНИЕ
Материалы на основе полимеров – твердые (пластмассы), пластич-
но-вязкие (мастики, клеи) или жидкотекучие (лаки, краски, эмали) со-
ставы, в которых кроме полимеров содержится еще ряд компонентов,
влияющих на их свойства. Полимерные композиции способны в процессе формования принимать требуемую форму и сохранять ее после
снятия формующих нагрузок.
Полимеры весьма разнообразны по своему составу, методам получения и свойствам. Это обстоятельство и предопределило быстрое их
внедрение в различных областях техники, в том числе и в строительной, где они нашли широкое применение. В строительстве полимерные материалы используются главным образом в виде пластмасс, изделий и конструкций на их основе.
В настоящее время полимерные композиционные материалы имеют
широкую область применения в строительстве и архитектуре, эта область непрерывно расширяется за счет создания новых материалов.
Широкое применение полимерных материалов обусловлено не только
их высокой химической стойкостью, хорошими прочностными характеристиками, привлекательными декоративными свойствами, но и
сравнительной простотой изготовления, технологичностью, универсальностью свойств, возможностью направленного регулирования
структуры и свойств композитов.
Применение полимерных материалов позволяет решить кардинальную проблему в строительстве – снижение массы зданий. При использовании полимерных материалов в покрытиях полов на каждые 100 м2
снижение массы строительных конструкций составляет 11–19 т, в отделке стен – 7–13 т, в теплоизоляции стен и кровли – 3,6–3,8 т [1].
Пластмассы, будучи легкими, сокращают расходы на монтаж, снижая потребность в тяжелых и энергоемких грузоподъемных механизмах. При эксплуатации изделий из полимеров нет необходимости в их
антикоррозионной защите, окраске, они легко моются и т.д.
На современном этапе производства теплоизоляционных и акустических материалов вспененные полимеры занимают прочные позиции.
Они обладают хорошими техническими и эксплуатационными характеристиками, что способствует обеспечению надежной тепло- и звукозащиты архитектурно-строительных объектов.
Незаменимы полимеры и в качестве гидроизоляционных и кровельных материалов, в качестве мастик и герметиков, различных модификаторов, отделочных материалов, лаков, красок и эмалей. Таков
широкий спектр применения полимеров в современной архитектуре.
6
1. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ
ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ
Строительные материалы на основе органических вяжущих веществ являются безобжиговыми композитами (как и материалы на
основе неорганических вяжущих веществ). К ним относятся асфальтовые бетоны и растворы, дегтебетоны, полимербетоны и другие композиции на основе битумных и дегтевых вяжущих, а также полимерных
вяжущих. Связующее вещество (матрица) в этих материалах, как и в
композитах на основе неорганических вяжущих, формируется путем
взаимодействия между жидкой дисперсионной средой, в качестве которой выступают органические вяжущие, и твердой дисперсной фазой – порошкообразным компонентом.
Органические вяжущие вещества представляют собой природные
или искусственные твердые, вязко-пластичные или жидкие (при обычной температуре) вещества, состоящие из химических соединений с
атомами углерода, обладающие способностью отвердевать и сцепляться (иметь достаточную адгезию) с минеральными или органическими
наполнителями и заполнителями, растворяться в органических растворителях. Органические вяжущие существенно отличаются от минеральных. Адгезионные свойства многих органических вяжущих значительно выше, чем минеральных. Прочность при сжатии у них сопоставима с прочностью минеральных, а при изгибе и растяжении во много
раз выше [2].
Большинство органических вяжущих водо- и химически стойки
(они хорошо противостоят действию кислот, щелочей и солевых растворов). Стоимость органических вяжущих значительно выше, чем
минеральных, а объемы их производства – намного ниже.
К органическим вяжущим относятся битумы, дегти и композиции
на их основе – битумно-резиновые, битумно-полимерные и другие,
часто называемые «черными» вяжущими, и полимерные вяжущие
(олигомеры, полимеры и сополимеры). Эти вяжущие придают материалам водоотталкивающие свойства (гидрофобность) и водостойкость, эластичность, малую пористость. Поэтому органические вяжущие широко используются в изоляционных и кровельных материалах.
Определенное количество их применяется в конструкционных материалах типа бетонов, растворов и изделий из них. Широкое применение они нашли в производстве теплоизоляционных и акустических
материалов, клеев и мастик, антикоррозионных покрытий, различных
красочных составов, в отделке экстерьеров и интерьеров.
7
1.1. Битумные и дегтевые вяжущие
Битумы (от лат. bitumen – смола) – органические вещества черного
или темно-бурого цвета, состоящие из смеси высокомолекулярных
углеводородов и их неметаллических производных, то есть соединений углеводородов с серой, азотом или кислородом. При обычных
температурах битумы могут находиться в твердом, вязком или жидком
состоянии. Плотность битумов немного более 1 г/см3.
Различают природные и искусственные (нефтяные) битумы. При-
родные встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтовые озера. Однако чаще они пронизывают осадочные (битуминозные) горные породы. Нефтяные битумы получают
путем переработки нефти. При ее нагреве выделяются легкие фракции
(бензин, керосин, легроин), а затем масла. В конечном итоге остается
густой смолистый осадок – гудрон. Он является исходным сырьем для
получения вязкого и твердого битума, но может использоваться и в
качестве битумного вяжущего, особенно в случае использования высокосмолистой нефти.
Важнейшим свойством битумов является адгезия – способность
прилипать к поверхности минеральных и органических материалов.
Отвердевая, битум напрочь скрепляет зерна заполнителей и наполнителей в прочный конгломерат.
Дегти получают путем сухой (без доступа воздуха) перегонки некоторых видов твердого топлива (каменного угля, сланца, торфа, древесины). В состав дегтевых вяжущих входят в основном непредельные
углеводороды ароматического ряда – производные бензола и их соединения с кислородом, азотом и серой. Поэтому атмосферостойкость
материалов на основе дегтевых вяжущих ниже по сравнению с битумными материалами (дегти стареют быстрее, чем нефтяные битумы). В
то же время биостойкость дегтевых материалов выше, что объясняется
высокой токсичностью содержащегося в дегтях фенола. Следует отметить, что дегти и продукты на их основе – канцерогенны, поэтому их
использование в местах, где возможен их длительный контакт с человеком, запрещено.
Наиболее широкое применение битумные и дегтевые вяжущие получили в промышленно-гражданском, гидротехническом и дорожном
строительстве в виде кровельных, гидроизоляционных и уплотняющих
материалов – асфальтобетона, асфальтораствора. Эти вяжущие хорошо
совмещаются с резиной и полимерами, что позволяет значительно
улучшить качество битумных материалов в соответствии с требованиями современного строительства.
8
Рис. 1. Строение молекул
полимеров:
а – линейная структура;
б – разветвленная структура;
в – пространственная структура
1.2. Полимерные материалы и изделия
Полимерными называют материалы, в состав которых в качестве
основного компонента входят высокомолекулярные органические вяжущие вещества (полимеры). В природе полимеры встречаются в виде
целлюлозы, белков, природных смол и каучуков. Будучи соответствующим образом переработаны (химически модифицированы), они в
той или иной степени могут быть использованы в промышленности.
Однако такие полимеры в строительной технике вследствие малой
водо- и атмосферостойкости имеют весьма ограниченное применение.
Поэтому в строительстве используются в основном синтетические полимеры, полученные путем химического синтеза из низкомолекулярного сырья.
Для получения строительных материалов полимеры в чистом виде
(без добавок) используются очень редко, лишь для изготовления органических стекол, труб и пленок. Благодаря способности в процессе
переработки принимать требуемую форму и сохранять ее после снятия
действующих усилий, полимерные материалы называют также пласт-
массами или пластиками.
Полимеры (от греч. «поли» – мно-
го, «мерос» – часть, доля) – это высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из большого количества звеньев одинаковой структуры, взаимодействующих друг с
другом посредством ковалентных
связей с образованием макромолекул.
Полимеры, способные размягча-
ться при нагревании и затвердевать
при охлаждении, называют термо-
пластичными (термопласты). Они
способны растворяться в органических растворителях. Полимеры, которые при нагреве затвердевают, назы-
вают термореактивными (реакто-
пласты). Реактопласты не растворяются в органических растворителях,
а лишь набухают.
Полимеры могут иметь линейное,
разветвленное или сетчатое (трех-
9
мерное) строение, что определяет физико-механические и химические
свойства полимеров. Макромолекулы полимеров линейного строения
вытянуты в виде цепей, связанных между собой слабыми силами межмолекулярного взаимодействия (рис. 1, а). Для разветвленных полимеров характерно наличие мономерных звеньев, ответвленных от основной цепи макромолекулы (рис. 1, б). Сетчатые (трехмерные) структуры
полимеров характеризуются тем, что прочные химические связи между цепями («сшивка» отдельных линейных или разветвленных цепей
полимера) приводят к образованию единого пространственного каркаса (рис. 1, в).
Полимеры с макромолекулами линейного и разветвленного строения плавятся при нагреве с изменением свойств и растворяются в соответствующих органических растворителях (термопласты). Напротив,
полимеры с молекулярным трехмерным строением имеют повышенную устойчивость к термическим и механическим воздействиям (реактопласты).
Для производства полимеров основным сырьем служат мономеры,
то есть вещества, способные соединяться друг с другом, образуя полимеры. Сами мономеры получают путем переработки природных и
нефтяных газов, каменного угля, аммиака, углекислоты и других подобных веществ. В зависимости от метода получения, полимерные
материалы подразделяют на полимеризационные, поликонденсацион-
ные и модифицированные природные.
Полимеризационные полимеры получают в процессе полимеризации соответствующих мономеров вследствие раскрытия кратных связей и соединения элементарных звеньев мономера в длинные цепи.
Поскольку при реакции полимеризации атомы и их группировки не
отщепляются, побочные продукты не образуются, химический состав
мономера и полимера одинаков.
Поликонденсационные полимеры получают в процессе реакции
поликонденсации двух или нескольких низкомолекулярных веществ.
При этой реакции наряду с основным продуктом поликонденсации
образуются побочные соединения (вода, HCl и др.). Поэтому химический состав полимера отличается от химического состава исходных
продуктов поликонденсации.
Модифицированные полимеры получают из природных высокомолекулярных веществ (целлюлоза, казеин) путем их химической модификации для изменения их первоначальных свойств в заданном направлении. Из ацетилцеллюлозы вырабатывают прочные и водостойкие лаки для окрашивания древесины и металла.
10
К полимеризационным полимерам (термопластам) относятся по-
лиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, поливинилацетат, полиакрилаты, синтетические каучуки.
Полиэтилен – химическая формула [–CH2–CH2–]
– продукт поли-
(n)
меризации этилена. Выпускается в виде гранул размером 3–4 мм или
белого порошка. Полиэтилен – один из самых легких полимеров
(плотность 0,92–0,97 г/см3). Характеризуется высокой прочностью при
растяжении (12–32 МПа), незначительным водопоглощением (0,03–
0,04 %), высокой химической стойкостью, водо- и морозостойкостью.
Он имеет сравнительно низкий модуль упругости (150–800 МПа), малую твердость, ограниченную теплостойкость (108–130ºС), большой
коэффициент теплового расширения. К его недостаткам также следует
отнести плохую адгезию к клеям, подверженность к старению и поражаемость грызунами.
Полипропилен не уступая полиэтилену по водо- и химической стой-
кости, превосходит его по теплостойкости и механическим свойствам,
но уступает по атмосферостойкости и морозостойкости.
Полиэтилен и полипропилен применяются для производства труб,
пленок, теплоизоляционных газонаполненных материалов, тары и санитарно-технического оборудования. Изделия из этих полимеров легко свариваются и подвергаются механической обработке.
Поливинилхлорид (ПВХ) является продуктом полимеризации винилхлорида (CH2=CHCl). Это самый распространенный в строительстве
полимер. Высокие механические свойства ПВХ определили главные
области его применения в строительстве. Благодаря высокому содержанию хлора он не воспламеняется и не горит. Однако при 130–170ºС
идет разложение ПВХ, сопровождающееся выделением хлороводорода. Пластмассы на основе ПВХ выпускают в виде жестких материалов,
не содержащих пластификаторов (винилпласт) и мягких, содержащих
пластификаторы (пластикат). Из ПВХ изготовляют гидроизоляционные и отделочные материалы, плитки, плинтуса, поручни, оконные и
дверные переплеты, линолеум и др. Ценным свойством ПВХ является
стойкость к действию кислот, щелочей, спиртов, бензина, смазочных
масел. Поэтому его широко применяют для производства труб, используемых в системах водоснабжения, канализации и технологии
трубопроводов.
Недостатками ПВХ являются резкое понижение прочности при повышении температуры, а также ползучесть при длительном действии
нагрузки.
Полистирол (ПС) имеет химическую формулу [–CH2–CHC6H5–]
(n)
Это твердый продукт полимеризации стирола (винилбензола). При
.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]