5.3 Дёготь

Этого органического вяжущего в природе нет, его получают высокотемпературной отгонкой без доступа воздуха твёрдых видов топлива: угля, древесины, сланца или торфа. После отгонки дёготь называется сырым и содержит много полезных веществ. Из него получают красители, медикаменты, смолы, ароматизаторы, антраценовое и зелёное масло и др. В маслах содержится: бензол, толуол, фенолы, нафталин и др. полезные вещества.

Наиболее распространён каменноугольный дёготь, затем – древесный. Дёготь имеет тот же вещественный состав, что и битум: твёрдые частицы (углистые, неплавкие вещества), смолы (5-10%), растворимые в бензоле и хлороформе, жидкие масла (до 60-80%). Из сырого дёгтя извлекают при последующей перегонке около 30% лёгких фракций (лигроин, бензин). Поэтому в строительстве чаще применяют отогнанный при температуре 500-600°С дёготь, получаемый при полукоксовании углей, или высокотемпературный дёготь, полученный после отбора фракций при нагревании до 1000-1300°С при коксовании углей. После отбора масел и смол остаётся аморфная масса, содержащая 8-30% свободного углерода – пек. Если дёгтевый пек сплавляют с антраценовым маслом или сырым дёгтем, получают составленный дёготь. Он дёшев и широко применяется в строительстве.

Стареют дёгти быстрее битумов, так как в их составе содержится вода, снижающая атмосферостойкость, но их биостойкость выше, поэтому они используются в качестве антисептиков (пропитка шпал, столбов и др.). Чтобы дёгти имели выше атмосферостойкость, в их состав вводят тонкомолотые минеральные порошки любых пород, так как дёгти содержат анион- и катионактивные вещества, имеют хорошую адгезию к любым породам. Дёгти с минеральными порошками называют наполненными.

Сочетая положительные качества дёгтей и битумов, делают смешанное вяжущее – сплав, которое приобретает положительные качества битума и дёгтя, или делают пропитку защищаемого материала дёгтем, а сверху покрывают тугоплавким битумом.

Если смешанное вяжущее модифицируют полимером, их называют дёгтебитумнополимерными, если в качестве модифицирующей добавки берут каучук и резину в качестве наполнителя – получают гудрокам. Все эти составы используют в строительстве для получения водонепроницаемых мастик, паст, эмульсий.

5.4 Полимеры

Это третий вид органических вяжущих, состоящих из углеводородов. Слово «полимеры» в переводе на русский язык означает «много долей». Молекула полимера содержит сотни и тысячи однотипных атомных групп, составляющих цепь или линейную молекулу. Образование природных полимеров является основой жизни на Земле. Это органические соединения: белки живой материи, углеводы, целлюлоза, каучуки, битумы и др.

Получение искусственных полимеров привело к возникновению нефтехимической отрасли. Основным сырьём для органических полимеров являются: нефтяные газы, продукты переработки нефти и коксования углей. При температуре 600-1000°С образуется сухой газ (олефины) и твёрдый остаток – парафины, это и есть сырье для полимеров.

Атомы углерода склонны к образованию ковалентных связей с другими атомами углерода, образуя молекулу – мономер, а мономеры соединяются в гигантские цепи, называемые полимерами.

Их классифицируют по происхождению на природные и искусственные. Природные полимеры могут быть неорганическими (графит, слюда, асбест и др.) и органическими (белки, жиры, углеводы, каучуки). Искусственные полимеры могут быть по составу: органическими, неорганическими, элементоорганическими.

По строению основной цепи макромолекулы полимеры разделяют на:

• карбоцепные, имеющие линейную структуру из углеродной цепи n, (полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен и др.);

• гетероцепные, в молекулярной цепи которых содержатся не только атомы углерода, но и кислорода, кремния, азота, фосфора и др. n, (полиэфиры, полиуретан, эпоксидные, карбамидные, кремнийорганические полимеры и др.).

С увеличением молекулярной массы полимера идёт переход в другую фазу: газ→жидкость→твёрдое вещество. При этом повышается температура плавления, уменьшается растворимость.

Синтез (получение) полимеров из низкомолекулярных углеводородов (мономеров) осуществляется в процессе реакции полимеризации или поликонденсации. В зависимости от метода получения полимеры разделяют на полимеризационные и поликонденсационные. Это надо иметь в виду, так как у них разные свойства и особенно температуростойкость.

Полимеризация – процесс превращения ненасыщенных низкомолекулярных соединений (мономеров) в высокомолекулярные (полимеры), инициированный катализатором и совершающийся без выделения каких-либо побочных веществ. Молекулярная масса полимера становится равной сумме молекулярных масс соединившихся мономеров. Способность мономеров к полимеризации объясняется наличием в них двойных, тройных или циклических связей. Связь между атомами в цепи наиболее прочная – ковалентная, связь между цепями менее прочная – ионная.

Поликонденсация – реакция замещения элементов одного мономера другим или обмен функциональными группами с образованием третьего простейшего побочного продукта (воды, аммиака, водорода и др.). Химический состав получаемого полимера отличается от состава исходных мономеров. Так получают фенолоформальдегидные, карбамидные, эпоксидные, полиэфирные, фурановые и др. полимеры. Получаемые полимеры состоят из макромолекул, связанных между собой силами межмолекулярного взаимодействия. Цепи могут быть не только линейными, но с появлением свободной валентности – разветвлёнными, связанными между собой с помощью поперечных групп атомов. Если они размещены часто – получают трёхмерные пространственные структуры – резолы, если реже – сетчатые полимеры. Они не растворяются в органических растворителях, менее пластичны после затвердевания, более термостойки. Химические связи между цепями формируют единый пространственный каркас, который не может расплавиться, а затем обратно собраться.

По отношению к нагреванию полимеры разделяют на термопластичные– обратимо меняющие свои свойства при охлаждении и нагревании, и термореактивные – не переходящие в пластическое состояние при нагревании. Они, подобно древесине, при высокой температуре могут сгореть, но не размягчаются.

К термопластичным относятся полимеры с линейной структурой макромолекулы. При нагревании они переходят в вязкоупругое состояние, межмолекулярные связи между цепями преодолеваются, полимер может расплавиться.

Термореактивные полимеры при нагревании не размягчаются, имеют более высокую прочность, твёрдость, под действием отвердителя переходят в нерастворимое состояние – резиты. Такие полимеры пригодны для изготовления конструкционных пластмасс. Из них делают клеевые композиции для изготовления слоистых пластиков (фенолоформальдегидная смола), полимербетоны, пресс – материалы для формовки труб, арматуру (фурановые полимеры), стеклопластики, полимербетоны (эпоксидные смолы), герметики, жаростойкие лаки, эмали (кремнийорганические) и др.

Из термопластичных полимеров, которые легко свариваются, делают трубы, плёнки, сантехнические изделия, облицовочную плитку, пенопласты, линолеумы, оргстекло, лаки, эмульсии, герметики и др.

Линейную структуру имеют синтетические каучуки, находясь в пластично-вязком состоянии (полиизобутилен, полихлоропреновые, полисульфидные каучуки). Их используют в качестве модификаторов в другие полимерные и битумные составы и делают нетвердеющие и твердеющие герметизирующие составы.

Элементоорганические или кремнийорганические полимеры сочетают в себе свойства синтетических полимеров (эластичность) и, благодаря наличию силоксановой связи (кремнекислородной) n, – свойства силикатных материалов (высокую теплостойкость). Они обладают гидрофобными свойствами, в зависимости от условий реакции и составляющих могут иметь линейную структуру молекулы – тогда это синтетический каучук, используемый для получения герметиков; и могут образовывать сетчатую или сшитую структуру – тогда это твёрдые вещества с высокой (до 400°С) температуростойкостью, поэтому их используют при изготовлении жароупорных лаков, клеев, пенопластов, пластиков.

Жидкие кремнийорганические полимеры (ГКЖ) используют в качестве гидрофобных и воздухововлекающих веществ при получении морозостойких бетонов. Ими пропитывают ткани.

Плотность полимеров – 0,9-1 г/см³, прочность при сжатии (плотных) – 900-1300 кг/см², температуростойкость 80-500°С. Они хорошо склеиваются, окрашиваются, обрабатываются, износостойки, химически стойки, но имеют недостаточную поверхностную твёрдость, горючесть, токсичны при сгорании, стареют, удлиняются на 100-600%, каучукоподобные – на 2000%.

В чистом виде полимеры используют для добавок в композиции, пропиток, клеев, лаков. В зависимости от того, что изготавливают, используют температурно-силовые приёмы для формования: вальцевание, каландрирование, прессование, штампование, а также пропитка, напыление, сварка, склеивание и др. Из полимеров делают не только матрицу в композиционные материалы, но и синтетические волокна, порошки, бисер или мелкую крошку, пасту и пенопласты.