Тема 13. Полімерні матеріали та вироби

Загальна характеристика полімерних речовин. Основні властивості пластмас. Характеристика матеріалів на основі полімерних речовин: матеріали для покриття підлог, конструкційні матеріали, опоряджувальні матеріали, гідроізоляційні, покрівельні, герметизуючи матеріали, теплоізоляційні, полімерні вироби загальнотехнічного призначення, полімерні клеї.

Загальна характеристика полімерних речовин

Полімерними речовинаминазивають високомолекулярні сполуки, які складаються з елементарних (мономірних ) ланок, об’єднаних у макромолекули різної будови.

Початок широкому використанню полімерів поклав винахід целулоїду, створеного в 1845 р. на основі целюлози братами Хайєт.

Пізніше, в 1872 р. німецький хімік Байєр шляхом з'єднання фенолу з формальдегідом у присутності соляної кислоти синтезувала нову полімерну речовину, яка швидко завоювала популярність .На основі фенольних смол і сьогодні одержують високоміцні, хімічно стійкі, електроізоляційні вироби, що з успіхом заміняють металеві .У наступні роки було синтезовано багато нових полімерів і пластмас. Велике поширення одержали прозорі пластмаси, що заміняють тендітне скло. Найбільш придатним для цих цілей виявився поліметилметакрилат, одержуваний з ацетону, синильної кислоти й метилового спирту (органічне скло). В 1940 р. німецький хімік Мюллер і незалежно від нього руський вчений Адріанов отримали перші силіконові пластмаси, молекули яких поряд з вуглецем містять кремній. Завдяки вмісту кремнію в полімерному ланцюзі пластмаси придбали нові цінні властивості: вони відрізняються високою теплостійкістю, (до 500 ^оС), стійки до дії води, кислот і органічних розчинників.

Велике поширення полімерів - одна з відмінних рис сучасного будівництва. І це, очевидно, є тільки початком грандіозного перевороту, рівного за своїм значенням великим матеріальним революціям минулого - освоєнню бронзи й заліза.

Сучасний період розвитку промисловості пластмас характерний тим, що вона стала однієї з ведучих галузей народного господарства, оскільки мається практично необмежена сировинна база. Застосування різних полімерів і напвнювачі дозволяє значно змінювати структуру і будівельно-технологічні властивості пластмас. Так, наприклад, склопластики й інші матеріали можуть у ряді випадків досягати міцності сталі, а пено- і поропласты, наповнені азотом, повітрям чи іншими газами, можуть мати малу середню щільність, теплопровідність і гарну звукоізоляцію.

Класифікація полімерних речовин

За способом синтезу і тверднення органічні полімерні речовини поділяють на:

- полімеризаційні, отримані в результаті реакції полімеризації ( у процесі об’єднання молекул низькомолекулярної речовини без виділення будь-яких побічних продуктів). До них відносять :поліетилен, поліізобутилен, полістирол;

- поліконденсаційні, отримані реакцією поліконденсації( у процесі одержання високомолекулярних сполук з одночасним відщепленням низькомолекулярних продуктів реакції. Це такі полімери, як фенолформальдегід, поліефір, епоксидний полімер, поліамід і т.д.

За складом основного ланцюга макромолекул :

- карболанцюгові, молекулярні ланцюги, які складені з атомів карбону(поліетилен, поліпропілен, поліізобутилен);

-е лементоорганічні, до складу молекул яких входять атоми кремнію, титану, алюмінію, що не входять до складу органічних сполук.

Стосовно температурних впливів:

- термопластичні (поліетилен, полістирол тощо), здатні оборотно розм'якшуватися при нагріванні й затвердівати при охолодженні зі збереженням основних властивостей;

- термореактивні (фенолформальдегідні, карбамідні та ін), полімери, які після затвердіння при нагріванні не переходять у пластичний стан.

Основні властивості пластмас.

Пластичними масами (пластмасами називають матеріали, основним сполучним компонентом яких є полімер як синтетична високомолекулярна речовина. На стадії виготовлення матеріалів пластмаси мають здатність легко формуватися при визначеній температурі і тиску.

Порівняно з відомими традиційними будівельними матеріалами (кераміка, деревина, метали) полімерні матеріали з'явилися відносно недавно (перша чверть XX ст.), але міцно зайняли провідні позиції і досі лишаються перспективними завдяки високій економічності, технологічності та можливості суміщення в кон­струкціях з іншими матеріалами.

Від інших будівельних матеріалів полімерні матеріали вигідно відрізняють­ся багатьма показниками, які визначають умови раціонального застосування їх у будівництві. Принципове значення мають невичерпні можливості регулювання й програмування властивостей пластмас.

Загальні властивостіпластмас залежать від багатьох факторів: хімічної будови полімерів, типу наповнювача, вмісту добавок (пластифікаторів, барвників, стабілізаторів), технології виготовлення. Різноманітність пластмас визначає й широкий діапазон зміни їхніх властивостей.

Середня густина пластмас становить 900...2200 кг/м³ і залежить від виду ви­користаних наповнювачів, які іноді складають значну частину їхнього об'єму. Середня густина пластмас, які містять важкі мінеральні наповнювачі (полімербетони), перевищує 2000 кг/м³. Густину пластмас можна регулювати, змінюючи їхню пористість, наприклад середня густина ніздрюватих пластмас (з пористістю до 95%) становить 10...20 кг/м³.

Низькі істинна та середня густини й відносно високі міцнісні показники дають змогу створювати ефективні конструкції з пластмас. Деякі пластмаси, наприклад, СВАМ (скловолокнистий анізотропний матеріал), мають коефіцієнт конструктивної якості, який дорівнює 225 МПа (для порівняння вироби з важко­го бетону мають коефіцієнт конструктивної якості - 21). Границя міцності при стиску склопластиків досягає майже 350 МПа, текстоліту - до 250 МПа, а границя міцності при розтягу та згині склопластиків дорівнює, відповідно, 450 і 550 МПа.

Властивості пластмас щодо дії води залежать від їхньої структури й ступеня гідрофільності. Водопоглинання щільних гідрофобних полімерних матеріалів становить 0,1...0,5%, а високопористих (із гідрофільними наповнювачами чи від­критою пористістю) - 30...90% за об'ємом. Завдяки високій непроникності полі­мерні плівкові та рулонні матеріали, а також мастики, особливо на основі поліе­тилену, полівінілхлориду, синтетичних каучуків, широко застосовують для гідро­ізоляції.

Пластмаси - погані тепло- й електропровідники, тому їх використовують як теплоізоляційні матеріали та діелектрики.

Хімічна стійкість — важлива властивість пластмас, що залежить не лише від полімеру, а й від наповнювача, пластифікатора та інших компонентів. Найчастіше пластмаси використовують для захисту від корозії будівельних конструкцій у воді, розчинах солей, кислот та інших агресивних середовищах. Висока хімічна стійкість, непроникність для води зумовлюють широке застосування їх для захис­них покриттів, гідроізоляції будівель та споруд, влаштування покрівель, трубоп­роводів.

Цінною властивістю багатьох пластмас є низька стираність, яку необхідно враховувати при застосуванні пластмас для влаштування підлог. Важливою харак­теристикою деяких пластмас є високий опір удару(ударна в'язкість).

Висока прозорість, безбарвність, здатність пропускати ультрафіолетові про­мені - цінні властивості деяких пластмас. Це дає змогу застосовувати їх у світлопрозорих огороджувальних конструкціях будівель та споруд, наприклад у купо­лах верхнього світла, огородженнях теплиць, оранжерей, лікувальних закладів.

Пластмаси мають високі декоративні якості, що дає змогу використовувати їх для опорядження стін та покриття підлог. Пластмаси не потребують періодич­ного фарбування поверхні. Введенням до складу вихідної композиції барвників чи пігментів можна одержати матеріал будь-якого забарвлення та відтінків, у то­му числі багатоколірні імітації природного каменю, цінних порід дерев, шкіри, тканини, металу.

Поряд з комплексом позитивних властивостей пластмаси мають і ряд нега­тивних. Для більшості пластмас характерна низька теплостійкість, яка не пере­вищує 60...80^вС, і лише деякі види пластмас мають теплостійкість 200...350°С. Ба­гато пластмас є горючими матеріалами, виділяють отруйні гази при горінні, лег­ко спалахують. При переробці пластмас та експлуатації їх в середині приміщень нерідко виділяються токсичні речовини, тому застосування полімерних матеріа­лів можливе лише після встановлення ступеня їхньої токсичності.

Пластмасам властива мала поверхнева твердість, яка не знаходиться в пря­мій залежності від міцності, як, наприклад, у металів. При тривалій дії напружень пластичні маси більшою мірою, ніж багато інших матеріалів, схильні до необо­ротних деформацій — повзучості. Із підвищенням температури повзучість зростає й призводить до небажаних деформацій конструкцій.

Модуль пружності пластмас, навіть при нормальній температурі, значно менший, ніж модуль пружності неорганічних будівельних матеріалів. Визначаю­чи значення допустимих напружень у конструкціях із пластмас, поряд із міцнісними показниками треба брати до уваги й максимально допустиму залишкову де­формацію.

При дії напружень розтягування багато пластмас характеризуються значним відносним видовженням - 20...300%. Цю характеристику потрібно враховувати при розрахунках гідроізоляції дахових покриттів, трубопроводів та інших елементів будівель і споруд. Значним недоліком пластмас є високий температурний коефіцієнт лінійно­го розширення. Наприклад, для поліетилену він у 10 разів вище, ніж сталі. Великі значення температурного коефіцієнта лінійно­го розширення пластмас у поєднанні з малою теплопровідністю зумовлюють значні залишкові внутрішні напруження, які можуть спричинити появу тріщин у будівельних виробах при різких змінах температури.

Пластмаси відрізняються високими діелектричними властивостями. Вони здатні акумулювати статичну електрику на поверхні. Результатом електризації є притягування пилу поверхнею пластмас, а також утворення електростатичного заряду, що негативно впливає на людину. Для запобігання цьому явищу до скла­ду пластмас вводять антистатичні добавки.

Окремі види пластмас схильні до старіння, тобто їхні властивості під впли­вом теплоти, світла, кисню повітря з часом погіршуються. Для забезпечення ви­сокої стійкості пластмас до старіння важливе значення мають правильний вибір вихідної сировини, її чистота й технологічні параметри виробництва.

Спеціальні властивості полімерних матеріалів та виробів впливають на ви­бір галузей їхнього застосування. Застосування полімерних матеріалів дозволяє знизити матеріаломісткість будівництва, розширити архітектурні можливості, змі­нити вигляд інтер'єрів, широко впроваджувати індустріальні методи ведення бу­дівельних робіт, замінювати дефіцитні традиційні будівельні матеріали.

Основні компоненти пластмас

Полімери, одержувані методами полімеризації чи поліконденсации, звичайно при нагріванні служать рідкою фазою конгломерату. Вони при отвержденні утворять безупинну сітку — матрицю в'язкої речовини і зчіплюють компоненти в єдиний конгломерат — пластмасу.

Найважливішими термопластичными полімерами для виробнидства пластмас є насамперед поліолеофіни (поліетилен), які мають найбільші потенційні можливості в наявності сировинної бази і широкої області застосування; полівінілхлорид, що дозволяє одержати пластмаси і вироби задовільних властивостей і малої вартості; полістирол і ін. З термореактивних полімерів найбільше значення для виробництва будівельних матеріалів і виробів мають фенолоформальдегидні, мочевино-формальдегідні, кремнійорганічні і эпоксидні полімери.

Крім полімеру (сполучного) пластмаси можуть містити напвнювачі, пластифікатори, барвники, стабілізатори, що змазують речовини й інші спеціальні добавки. За структурою і властивостями пластмаси і вироби є представниками штучних будівельних конгломератів.

Наповнювачи. У якості наповнювачів використовують органічні чи мінеральні матеріали. Вони зменшують витрату дорогого сполучного (полімеру) і впливають на властивості пластмас, додаючи їм належну міцність, тепло- і вогнестійкість, електро- і теплопровідність та ін.. Особливе значення мають порошкоподібні (крейда, тальк вапняк і ін.), волокнисті (деревинне волокно, скловолокно) і листові наповнювачі (папір, бавовняні тканини, стеклотканина).

Отверджувачі - хімічні речовини, що вводять у композицію для отверждіння (у процесі виробництва) термопластичних полімерів. До числа найбільш розповсюджених отверджувачів відноситься уротропін.

Пластифікатори - застосовують малолітучі речовини, що молекулярно розподіляються в полімері, знижують їхню крихкість і дозволяють композиції добре формоватися в процесі виробництва виробів. До числа пластифікаторів можна віднести камфору, олеїновую кислоту, диоктифталат, стеарат амонію й ін.

Стабілізатори - речовини складного хімічного складу, що перешкоджають старінню пластмас, тобто зміні фізико-хімічних властивостей у часі. Вони зберігають стабільність структури в процесі переробки пластмас у виріб, а в період експлуатації охороняють виріб від теплових впливів атмосферних факторів, кисню повітря, сонячної радіації.

Речовини, що змазують, вводять у композицію для попередження прилипания виробів до стінок форми в процесі формування. У якості змазуюючих речовин застосовують стеарин, олеиновую кислоту, солі жирних кислот і ін. Барвники- застосовують для надання полімерній композиції декоративного вигляду. Для цих цілей використовують пігменти органічного й мінерального походження.

У виробництві пластмас і виробів, них найчастіше знаходять застосування: охра, мумія, сурик, умбра, ультрамарин, оксид і ін.

Пароутворювачі використовують для одержання газонаповнених пластмас. Вони являють собою рідкі, тверді чи газоподібні речовини як мінерального, так і органічного походження.