Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Полимерные, изоляционные и лакокрасочные материалы для архитекторов. Учебное пособие
.pdf
11
обычной температуре ПС представляет собой твердый прозрачный
материал, похожий на стекло и пропускающий до 90 % видимой части
спектра. Выпускают ПС в виде гранул (6–10 мм), мелкого и крупнозернистого порошка.
ПС обладает высокими механическими свойствами (предел прочности при сжатии 80–110 МПа), водостоек, хорошо сопротивляется
действию концентрированных кислот (кроме азотной и ледяной уксусной), противостоит растворам щелочей (с концентрацией до 40 %). К
недостаткам ПС, ограничивающим его применение, относятся: невысокая теплостойкость, хрупкость, проявляющаяся при ударных нагрузках, плохая устойчивость к действию ряда органических растворителей.
Применяют ПС для изготовления гидроизоляционных пленок, облицовочных плиток, теплоизоляционных материалов (пенопластов),
водопроводных труб и др.
Поливинилацетат (ПВА) – полимер винилацетата, синтезируемого
из ацетилена и уксусной кислоты. Благодаря хорошей адгезии, эластичности, светостойкости и бесцветности ПВА нашел широкое применение в производстве лаков, красок и клеев. В виде водной эмульсии его применяют также для полимерцементных бетонов, в производстве наливных полов, влагостойких обоев.
Полиакрилаты – полимеры акриловой и метакриловой кислот и их
производных. Метакриловые полимеры имеют более высокую химическую стойкость, тепло- и водостойкость, чем акриловые. Полиакрилаты являются светопрозрачными материалами и способны пропускать ультрафиолетовые лучи. Из полиакрилатов в строительстве наибольшее применение находит полимер метакриловой кислоты – полиметилметакрилат (ПММА) или органическое стекло. ПММА пропускает до 99 % солнечного света и в этом отношении значительно превосходит силикатные стекла. Преимуществами органического стекла
перед обычным стеклом являются также меньшая хрупкость, хорошая
обрабатываемость, более низкая масса (в 2 раза меньшая, чем листового оконного стекла). По сравнению с силикатным органическое стекло
имеет меньшую твердость, что существенно ограничивает его применение. ПММА применяют для остекления зданий, в особенности теплиц, оранжерей, плавательных бассейнов, для изготовления светильников, фонарей верхнего света, а также в виде эмульсий для красок,
лаков и т.д.
Синтетические каучуки состоят из гибких макромолекул и обладают эластичностью. При обработке серой в условиях повышенного
давления и температуры 140–150°С из смесей каучуков с наполните-
12
лями (мел, сажа) и некоторыми регулирующими добавками получают
вулканизированный каучук и резину. При вулканизации макромолекулы каучука связываются поперечными связями («мостиками») из серы,
что позволяет повысить механическую прочность, эластичность и теплостойкость материала.
В отличие от каучуков резины не имеют пластических деформаций,
не растворяются в органических растворителях. Наибольшее применение в строительстве находят изопреновые, бутадиеновые, бутадиенстирольные и хлоропреновые каучуки. Каучуки применяют в производстве герметиков, гидроизоляционных материалов, линолеумов,
плиток для полов, мастик и клеев.
Среди поликонденсационных полимеров (реактопластов) наиболее значимыми являются фенолоформальдегидные, карбамидные (мочевиноформальдегидные), эпоксидные, кремнийорганические полимеры, полиуретаны и др.
Фенолоформальдегидные полимеры получают путем поликонденсации фенола с формальдегидом. Эти полимеры хорошо совмещаются
с наполнителями – древесной стружкой, бумагой, тканью, стекловолокном, при этом получаются пластики более прочные и менее хрупкие, чем сами полимеры. Поэтому фенолоформальдегидные полимеры
широко применяются в качестве связующего при изготовлении древесно-стружечных плит, бумажно-слоистых пластиков, стеклопластиков и разнообразных изделий из минеральной ваты. Кроме того, они
используются для производства клеев, водостойкой фанеры, спиртовых лаков.
Карбамидные (мочевиноформальдегидные) полимеры получают в
результате взаимодействия мочевины и ее производных с формальдегидом. Карбамидные полимеры достаточно тверды и светостойки, но
менее водостойки и имеют пониженную химическую стойкость и
большую хрупкость по сравнению с фенолоформальдегидными полимерами. Мочевиноформальдегидные полимеры используют для производства слоистых и древесно-стружечных пластиков, а также для получения пенопластов (мипора). Изделия на их основе отличаются
светлым тоном и хорошо окрашиваются в любой цвет.
Полиуретаны получают в результате взаимодействия диизоцианатов с многоатомными спиртами. Полиуретаны устойчивы к старению,
к воздействию растворов кислот, щелочей, жиров и масел, органических растворителей; могут работать в интервале температур от –70 до
+120ºС, имеют хорошую адгезию к различным основаниям.
13
Полиуретаны используются для изготовления пленок и волокон,
лаков и клеев, гидроизоляционных и герметизирующих материалов,
для монолитных покрытий пола, для производства пенопластов.
Фурановые полимеры получают из фурфурола, фурилового спирта
и ацетона. Фурановые полимеры применяют для получения полимерных бетонов, защитных лаков, клеев и мастик.
Эпоксидные полимеры (эпоксиды) получают поликонденсацией
эпихлоргидрина с дефинилпропаном. Перевод их в нерастворимое и
неплавкое состояние достигается с помощью отвердителей при нормальной и повышенной температуре. Эпоксиды отличаются хорошей
адгезией к разнообразным материалам, незначительной усадкой, высокими показателями прочности. Из эпоксидных полимеров изготовляют
эффективные водо- и химически стойкие клеи для склеивания разнообразных материалов, их применяют как связующие для стеклопластиков, полимербетонов.
Кремнийорганические полимеры (силиконы) – представители элементоорганических высокомолекулярных соединений, содержащие в
макромолекулах атомы кремния. Они характеризуются высокой теплостойкостью (более 400ºС), а также водостойкостью, эластичностью,
морозостойкостью, устойчивостью к окислению, гидрофобизирующей
способностью. Недостатками их являются невысокая механическая
прочность и слабая адгезия к другим материалам. Кремнийорганические полимеры применяют для производства герметиков, жаростойких
лаков и эмалей, пенопластов, стеклопластиков, деталей электротехнических приборов.
Термопластичные полимеры способны при нагреве и последующем
охлаждении многократно размягчаться и отвердевать. Их растворы,
даже при очень небольшой концентрации (2–5 %), отличаются довольно высокой вязкостью. После испарения органического растворителя
они вновь переходят в твердое состояние. На этом основано использование растворов термопластов в качестве лаков, красок, клеев и вяжущего компонента в мастиках и полимербетонах.
К недостаткам термопластов относятся низкая теплостойкость
(обычно не выше 80–120ºС), низкая поверхностная твердость, хрупкость при пониженных температурах и текучесть при высоких, склонность к старению под действием солнечных лучей и кислорода воздуха.
Термореактивные полимеры, в отличие от термопластов, при нагреве отвердевают однократно и необратимо. После отверждения их
свойства существенно изменяются: они перестают размягчаться при
14
Материал
Плотность,
кг/м3
Прочность
при растяже-
нии, МПа
Температурный
предел примене-
ния, ºС
Термопласты
Полиэтилен
Полистирол
Полиметилметакрилат
Поливинилхлорид
Реактопласты
Феноло-формальдегидный
Меламино-формальдегидный
Полиэфирный
Эпоксидный
Кремнийорганический
910–930
1040–1100
1180–1200
1135–1400
1140–1300
1400–1550
1200–1250
1100–1200
1600–2100
12–16
35–60
60–80
50–60
12–50
56–92
42–48
65–80
40–60
100
75
80
60
100
120
100
120
350
нагревании, не растворяются, а только набухают в растворителях, становятся более прочными, твердыми и термостойкими.
В табл. 1 приведены для сравнения основные свойства термопла-
стичных и термореактивных полимеров [3]. Изменяя состав и технологию, можно заметно влиять на свойства полимера и получаемых на его
основе строительных материалов и изделий.
Свойства полимерных материалов зависят от химического строе-
ния и физического состояния полимерной матрицы, а также условий
эксплуатации материала.
Полимеры характеризуются следующими техническими свойствами: термическими (температурой размягчения и теплостойкостью,
температурой стеклования и текучестью), механическими (прочностью, деформативностью и поверхностной твердостью), химическими
(атмосферостойкостью и сопротивляемостью деструкции).
Все полимерные материалы при низких температурах находятся в
стеклообразном состоянии, при этом они становятся твердыми и хрупкими. С повышением температуры выше температуры стеклования все
свойства изменяются. Механические свойства (упругость, прочность,
твердость) резко уменьшаются и полимер переходит в высокоэластичное состояние.
В целом, наряду с положительными свойствами полимеров – малой
плотностью (в среднем 900–1500 кг/м3), низкой теплопроводностью
(0,15–0,40 Вт/(м·К), водо- и газонепроницаемостью, химической стойкостью, высоким коэффициентом конструктивного качества, практически неограниченной сырьевой базой – они обладают и рядом недостатков. К ним относятся: низкая теплостойкость, невысокий модуль
Таблица 1
Свойства основных полимерных материалов
15
упругости, высокий коэффициент термического расширения, значительная ползучесть, склонность к старению, что в итоге определяет
недостаточную долговечность. Кроме того, необходимо учитывать
горючесть и определенную токсичность полимеров (при горении они
выделяют летучие токсичные вещества).
С учетом особенностей применения полимерных строительных материалов следует знать, что они весьма чувствительны к атмосферным
воздействиям, особенно к солнечному облучению. В результате материал становится жестким, хрупким, растрескивается и при небольших
механических нагрузках разрушается. Комплексное продолжительное
воздействие на полимер многих факторов, в основном климатических,
вызывает изменение свойств, материал быстро старится. Замедляют
этот процесс стабилизаторы.
Полимерные материалы, имея высокие электроизоляционные и диэлектрические свойства, способны накапливать статическое электричество. При определенных условиях может возникнуть электрический
разряд, что особенно опасно, если он сопровождается искрением во
взрывоопасном помещении. Устраняется или существенно уменьшается статическое электричество при введении в состав полимерного материала антистатиков, а также за счет увлажнения поверхности материала или обработки ее веществами, связывающими влагу.
Полимерные материалы по многим свойствам превосходят металлы
за счет низкой плотности, стойкости против коррозии, хороших теплоизоляционных, акустических и электроизоляционных свойств, низких
расходов при переработке. Они относительно недороги и их применение экономически оправдано [4].
1.3. Пластмассы: состав, свойства и разновидности
Состав. Пластмассы, применяемые в строительстве, представляют
собой сложные композиции, состоящие из полимерного связующего,
наполнителей, стабилизаторов, пластификаторов, отвердителей и других компонентов.
Связующее в пластических массах или полимерная матрица удерживает все ингредиенты в составе композиции, образуя их единое целое. Выбор связующего вещества в значительной мере определяет технические свойства пластмасс: их теплостойкость, химическую стойкость, характеристики прочности и деформативности. Связующее вещество – это обычно самый дорогой компонент пластмассы, однако
вследствие того, что его содержание не превышает 5–10 % от общей
массы, стоимость пластмасс сравнительно невелика.
16
Наполнители в пластмассах, снижая расход полимера, удешевляют
пластмассы. Кроме того, структурируя полимерное связующее, они
улучшают ряд технических свойств пластмасс: прочность, твердость,
термостойкость, сопротивляемость усадке и ползучести и т.п. В производстве полимерных композиционных материалов широкое применение нашли органические и неорганические порошкообразные наполнители (древесная мука, лигнин – отход целлюлозно-бумажного производства, микрослюда, кварцевая мука, тальк и т.д.).
Используются также и волокнистые наполнители – целлюлозные,
асбестовые, стеклянные, а также синтетические (из капрона, нейлона,
лавсана и др.) волокна.
Каждый из наполнителей вводят в полимерный материал для придания ему соответствующих свойств. Так, порошкообразные наполнители повышают твердость и прочность при сжатии; наполнители волокнистой структуры увеличивают прочность при изгибе и растяжении.
Добавки. Введение пластификаторов (эфиры органических кислот
и спиртов) позволяют улучшить условия переработки полимерных
композиций, снизить их хрупкость. Они облегчают скольжение макромолекул друг относительно друга, в результате чего повышается
гибкость и эластичность полимеров. Содержание пластификаторов
зависит от состава и свойств полимера и колеблется от 5 до 40 %.
Добавки-стабилизаторы способствуют длительному сохранению
свойств пластмасс в процессе их эксплуатации. Они предотвращают
быстрое тепловое и световое старение полимеров. При воздействии
ультрафиолетовых лучей идут цепные окислительные реакции, вызвающие увеличение хрупкости и снижение прочности полимеров
(«старение»). Сущность светостабилизации заключается в способности
некоторых веществ поглощать УФ-лучи и преобразовывать их в тепловую энергию. В качестве стабилизаторов эффективно применение
производных фенола, сажи, оксида цинка.
Отвердители обеспечивают процесс отверждения полимеров
(формирование их пространственной структуры). Для получения окрашенных пластмасс используют пигменты. Стойкость пластмасс
против возгорания повышают антипирены. Создание газонаполненных (ячеистых) пластмасс достигается с помощью порообразователей.
Основные свойства пластмасс. Свойства пластмасс обусловлены
химическим строением полимеров, типом наполнителя, условиями
изготовления, содержанием добавок-пластификаторов, красителей,
стабилизаторов и другими факторами. Многообразие пластмасс определяет и широкий диапазон изменения их свойств. Вместе с тем, для
17
пластмасс характерен и ряд общих особенностей, определяемых их
составом и структурой.
Плотность пластмасс составляет 900–2200 кг/м3. Наименьшую
плотность имеют пластмассы на основе углеводородов. Наибольшее
влияние на плотность пластмасс оказывают наполнители, составляющие наиболее значительную часть их объема. Плотность пластмасс
можно регулировать, изменяя их пористость. Пластмассы, содержащие
тяжелые минеральные наполнители (полимербетоны), имеют плотность свыше 2000 кг/м3, а ячеистые с пористостью до 95 % –
10–20 кг/м3. В среднем пластмассы в 6 раз легче стали и в 2,5 раза –
алюминия.
Один из существенных показателей эффективности строительных
материалов – коэффициент конструктивного качества, определяемый как отношение прочности при сжатии к его плотности. Обладая,
как правило, пониженной плотностью пластмассы имеют высокую
механическую прочность. Так, прочность при сжатии стеклопластиков
доходит почти до 350 МПа, текстолита до 250 МПа, древесно-слоистых пластиков превышает 150 МПа. Характерная особенность пластмасс заключается в том, что наряду с высокой прочностью при сжатии они часто имеют не менее высокие показатели прочности при растяжении и изгибе. Для сравнения: коэффициент конструктивного качества кирпичной кладки – 0,02, тяжелого бетона – 0,06, древесины сосны – 0,7; для плотных пластмасс его значения колеблются от 1 до 2.
По этому показателю пластмассы выгодно отличаются от многих других строительных материалов [5].
При длительном действии напряжений пластмассы в большей степени, чем многие другие материалы, склонны к необратимым деформациям – ползучести. Модуль упругости пластмасс даже при нормальной температуре значительно меньше модуля упругости обычных
строительных материалов.
Ползучесть пластмасс резко возрастает с повышением температуры. Повышенная ползучесть ограничивает применение пластмасс в
качестве конструкционных материалов. При определении значений
допускаемых напряжений в конструкциях из пластмасс наряду с прочностными показателями необходимо принимать во внимание и максимально допустимую остаточную деформацию.
При воздействии растягивающих напряжений многие пластмассы
характеризуются значительным относительным удлинением. Так, для
полимерных пленок оно составляет 150–300 %, бутилкаучуков и рулонных материалов – 100 %, пороизола – 20 %. Относительное удлинение пластмасс важно учитывать при расчете гидроизоляционных и
18
кровельных покрытий, трубопроводов и других элементов зданий и
сооружений.
Несмотря на высокую прочность твердость пластмасс сравнительно невысока (многие пластмассы легко царапаются острым металлическим предметом). Она не находится в прямой зависимости от
прочности, что характерно, например, для металлов. В отличие от других материалов при пониженной твердости полимерные строительные
изделия обладают низкой истираемостью, что особенно ценно при
изготовлении материалов для покрытий полов. Достаточно низкие показатели истираемости имеет, например, глифталевый линолеум –
0,06 г/см2, плитки для пола на основе кумароновых полимеров –
0,08 г/см2. Эти показатели несколько ниже истираемости даже для керамических плиток (0,1–0,12 г/см2). Сопротивление истиранию пластмасс возрастает по мере увеличения их эластичности.
Свойства пластмасс по отношению к воде (гигроскопичность, водопоглощение, водопроницаемость) зависят как от их пористой структуры, так и от степени гидрофильности. Водопоглощение плотных
гидрофобных полимерных материалов составляет 0,1–0,5 %, а высокопористых с гидрофильными наполнителями – 30–90 %. Большинство
пластмасс непроницаемы для воды. Благодаря высокой водонепроницаемости полимерные пленочные, рулонные и мастичные материалы,
в особенности на основе полиэтилена, ПВХ, каучуков, находят широкое применение для гидроизоляции.
Производство и эксплуатация полимерных строительных материалов неразрывно связаны с температурными воздействиями. Удельная
теплоемкость пластмасс колеблется в пределах
840–2100 Дж/(кг·град.). С увеличением температуры теплоемкость
возрастает до определенного максимального значения и затем снижается. Наличие кристаллической фазы вызывает ярко выраженный максимум теплоемкости.
Теплопроводность пластмасс невелика, при отсутствии наполните-
ля она составляет 0,116–0,348 Вт/(м·К). Наименьшей теплопроводностью обладают поропласты – 0,028–0,035 Вт/(м·К), которая приближается к теплопроводности воздуха. У аморфных полимеров повышение
температуры до состояния размягчения вызывает некоторое увеличение теплопроводности.
Тепловое расширение пластмасс относительно велико, оно больше,
чем у металлов. Температурный коэффициент линейного расширения
(ТКЛР) алюминия составляет (22–24)10–6, стали (9–12)10–6, бетона
12·10–6, стекла (0,8–8)10–6, ПВХ (80–90)10–6, полиэтилена
(160–230)10–6. Существенно снижают тепловое расширение наполни-
19
тели. Большие значения ТКЛР пластмасс в сочетании с малой плотностью в ряде случаев обусловливают значительные остаточные внутренние напряжения, которые могут служить причиной появления трещин в строительных изделиях при резких изменениях температур [6].
Характеристикой теплостойкости полимерных материалов служит
температура, при которой начинается плавление или деструкция и наблюдается резкое снижение механической прочности. Теплостойкость
большинства полимеров колеблется в диапазоне 80–150ºС. Термореактивные полимеры являются значительно более теплостойкими, чем
термопластичные, однако и у них при достижении предельной температуры начинается процесс термоокислительного распада и деструкции. С введением наполнителей теплостойкость пластмасс повышается. Поэтому температура, при которой возможна эксплуатация материала, должна быть ниже теплостойкости полимера. Большинство пластмасс можно эксплуатировать при температуре не более 100ºС. Материалы на основе кремнийорганических полимеров служат при температуре до 400ºС.
Пластмассы – хорошие диэлектрики. Эта особенность позволяет
широко применять их для устройства электропроводки, электроарматуры и специального оборудования. Для пластмасс характерна способность аккумулировать статическое электричество на поверхности. Результатом электризации является улавливание пыли поверхностью
пластмасс. Образование электростатического заряда отрицательно
влияет на организм человека, может вызвать пожар в помещениях, где
концентрируются пары легковоспламеняющихся жидкостей. При
влажности ниже 50 % полы из полимерных материалов рекомендуется
периодически натирать специальными мастиками. При необходимости
также вводят в состав полимерных материалов электропроводящие
наполнители, снижающие накопление поверхностного электростатического заряда. Хороший эффект дает обработка поверхности пластмасс антистатическими веществами.
Пожароопасность полимерных материалов определяется степенью
их воспламеняемости и поведением в зоне огня. К сгораемым относится большинство полимерных материалов. Материалы, которые при
нагреве до 750ºС не горят, имеют потери в массе при этом менее 10 %
и не выделяют горючих газов в количестве, достаточном для их воспламенения, считаются несгораемыми. К несгораемым полимерным
материалам относятся фторопласты, материалы из перхлорвинила.
Существенно повышают огнестойкость полимерных материалов специальные добавки антипиренов, а также минеральные наполнители,
некоторые виды пластификаторов.
20
Применение полимерных материалов в строительстве возможно
лишь после установления степени их токсичности. К токсичным
можно причислить пластмассы, выделяющие токсичные вещества в
количестве выше допустимых норм. К токсичным веществам, которые
могут выделяться из пластмасс, относятся 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.
Полимерные материалы отличаются высокой химической стойкостью, что позволяет широко их применять в строительстве предприятий химической промышленности. Следует отметить также их высокую эластичность, способность легко поддаваться механической обработке, склеиванию и свариванию струей горячего воздуха.
Наряду с этим полимерные материалы обладают способностью
равномерно окрашиваться на всю толщину изделия с помощью минеральных или органических пигментов и красителей. Поверхность изделий из пластмасс не требует дополнительной обработки и, благодаря
гладкой равномерно окрашенной поверхности, имеет красивый внешний вид. Кроме того, пластмассы предоставляют возможность имитации фактуры и рисунка любого материала, в том числе природного
камня или древесины. Замечательные декоративные качества пластмасс, весьма гладкая поверхность, не требующая полировки, устойчивый четко выраженный колер выгодно отличают их от ряда других
отделочных материалов.
Одним из решающих показателей, определяющих возможность и
целесообразность применения любых материалов, в том числе и полимерных, является их долговечность. Полимерные материалы можно
отнести в целом к долговечным при правильно выбранной технологии
их изготовления и соответствии условий эксплуатации их свойствам.
Однако сроки службы полимерных материалов не постоянны и зависят
от условий эксплуатации. Если изделия из полимерных материалов
эксплуатируются на открытом воздухе, то они подвергаются солнечной радиации и воздействию других атмосферных факторов. При этом
лишь немногие полимеры достаточно устойчивы к действию УФлучей солнечного спектра. В связи с этим срок службы большинства
полимерных материалов на открытом воздухе будет значительно
меньше, чем долговечность идентичных материалов, эксплуатируемых
в закрытых помещениях.
Действие тепла, кислорода воздуха, солнечного света, паров воды
или химических реагентов приводит в итоге к деструкции полимеров
или их старению. Старение полимеров проявляется в снижении их
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]