Строительные материалы. 3
- -
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В наши дни трудно найти область современной техники и быта, которая смогла бы обойтись без полимеров: это и посуда, и мебель, корпуса приборов, трубопроводы, игрушки, бытовая техника и многое другое. Даже в состав туши для ресниц входят полимеры, обеспечивающие, например, то, что ресницы не склеиваются. Наиболее широкой областью применения полимерных материалов является, безусловно, строительство. Давно уже стали привычными полимерные паро- и гидроизоляционные пленки для устройства наклонных кровель, пластиковые окна и двери, нетканый геотекстиль для строительства дорог, геомембраны для обустройства водоемов, трубы. Столь широкое применение полимерных материалов связано, во-первых, с доступность сырья для их производства (большинство полимеров получают из нефти, газа, угля и др. распространенных веществ), во- вторых, с возможностью получать материалы с заранее заданным комплексом свойств (существуют пластмассы термостойкие, морозостойкие, водоотталкивающие, электроизоляционные и др.) в- третьих, процесс их производства поддается полной механизации и автоматизации.
Всюду, от покорения космоса до бурения скважин, гидроизоляции водохранилищ-человек вынужден пользоваться пластмассами, СПЕЦИАЛЬНО подобранными для конкретного применения. А т.к. человеческая деятельность разнообразна, то и применений пластмасс множество, для каждого применения нужно создавать свой материал. Вот и посыпался на голову человека целый ворох марок, рекламных сведений о множестве полимерных материалов. Для того, чтобы получить общеознакомительную систему знаний о них, имеет смысл первоначально разбить все применяемые в наши дни материалы на 4 типа в соответствии с формой изделий из материала, наиболее общими свойствами и в какой-то мере способом производства:
- 1 тип: КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПЛАСТИКИ - обычно твердые вещества с разрывной прочностью от 50 до 2000 кг/см2 и относительным удлинением в момент разрыва не более 100% (МАТЕРИАЛЫ: гетинакс (связующее ФФС, наполнитель бумага), текстолит (наполнитель - х/б ткань), древесные пластики (ДСП, ДВП), эбонит и др.)
-2 тип: ЭЛАСТОМЕРЫ - характеризуются высокой эластичностью, т.е. способностью к большим обратимым деформациям (у лучших образцов резины она может достигать 500%). Здесь уместно вспомнить народное выражение: Резину можно тянуть. (каучуки натуральные и синтетические( (-CH2-CH=CH-CH2-)п- бутадиеновый каучук), резины на основе каучуков. На их основе изготавливают клеи и мастики, а также герметизирующие материалы)
-3 тип: ВОЛОКНА И НИТИ – свойства материалов, изготовленных из них анизотропны, т.е. прочность, гибкость, твердость различны, если измерять их вдоль одной оси и вдоль двух других. Анизотропия объясняется химической структурой и общими свойствами исходного полимера.
Волокна: полиамидные (найлон -(HN-(CH2)6-NH=OC-(CH2)4-OC-)n
4 тип: ПЛЕНКИ, ЛАКИ, КРАСКИ, ДЕКОРАТИВНЫЕ ПОКРЫТИЯ – для полимеров данного типа характерна сильная анизотропия свойств. Кроме того, для лакокрасочных материалов особое значение имеет прочность их сцепления с обрабатываемой основой - адгезия. И еще одна особенность материала этого типа - практическое применение обычно не допускает их предварительного формования: их применяют на месте, нанося тонким слоем на поверхность. Необходимо, чтобы материал до применения был жидким и легко распределялся по поверхности, а потом становился прочным и твердым. Сюда относятся эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые краски (эстетичны, экономичны, автоматическое нанесение, однослойность), лаки на основе акриловых, эпоксидных смол - тексол, лакиста (атмосферостойки: защита бетона, кирпича).
Кроме этих 4 основных типов существует несколько вспомогательных: клей, заливочные и герметизирующие смеси и др.
История развития полимерных материалов.
Получением искусственных полимеров люди занимаются с незапамятных времен. Например, варка столярного клея из рогов и копыт или казеинового из испорченного молока или сои были известны еще в Древнем Египте. Однако, химическая модификация природных полимеров проводилась неосознанно. Что именно происходит с полимерной структурой стало понятно лишь в конце 19-начале 20 века, после того, как Бутлеров создал теорию химического строения органических веществ. С тех пор модификация стала проводиться осознанно и целенаправленно.
Историю пластмасс принято отсчитывать от нитроцеллюлозы - в смеси с камфарой она дает пластмассу целлулоид. Его открыл англичанин Паркес, запатентовал его в 1856г, а в 1956 получил за него бронзовую медаль на Большой международной выставке.
Вообще, большему числу модификаций подверглась именно целлюлоза: ее и нитровали, получая бездымный порох, и ацетилировали, и метилировали. Целлулоид считается матерью кинематографии - без этой пленки невозможно было бы создать синематограф. Однако, пожароопасность этой пластмассы привела к тому, что ее производство к началу 20 века практически упало до «0» .
В конце 20 годов быстрое развитие электротехники, телефона и радио потребовало создания новых материалов с хорошими конструкционными и электроизоляционными свойствами: по первым буквам этих областей (электричество, телефон, радио) были названы новые материалы - этролы. Из них изготавливали корпуса приборов, чертежные инструменты (и по сей день). Полимером для этролов был триацетат целлюлозы. (Из него и сейчас производят негорючие пленки, заменившие целлулоидную) (Триацетат получают путем обработки целлюлозы уксусным ангидридом и уксусной кислотой)
В1887г был получен галалит-первая пластмасса на основе белка (казеина). Промышленное производство было освоено в 1929 английской фирмой ЭРИНОИД. (И в настоящее время эта фирма производит листовые и формованные изделия из галалита). В настоящее время этот материал практически забыт, однако в связи с повышением цен на нефть и получаемые из нее мономеры, интерес к нему возрожден.
Во второй половине 19 века был открыт процесс вулканизации природного каучука путем нагревания с серой - получение резины.
В общем объеме мирового производства полимерных материалов целлюлозные пластики занимают всего2-3%, но эти проценты удерживаются прочно, что связано с практически неисчерпаемой сырьевой базой (можно получать из отходов хлопкоперерабатывающей, лесоперерабатывающей промышленности, любое растительное сырье (листья банана, конопля))
Однако, природные и искусственные полимеры постепенно вытеснили полимеры синтетические.
В 1831г профессор Лебедев осуществил полимеризацию бутадиенового каучука.
В 1835г химиком Реньо был получен ПВХ, а в 1939 Симоном - полистирол. Однако, изучение данных веществ, полученных в ходе исследований ученых как побочный продукт реакции, не было. Такая же ситуация сложилась и с ФФС: в 1872г немецкий химик Байер изучал действие формальдегида на фенолы и заметил, что в реакционной смеси образуются смолянистые остатки, но изучать их не стал. Лишь на рубеже 19-20 веков, когда возникла техническая потребность в конструкционном и электроизоляционном материале появились пластмассы БАКЕЛИТ и КАРБОЛИТ, основой которых служат ФФС. Эти полимеры были заново изобретены в Бельгии в 1907г Бакелидом и у нас Петровым.
В 20-30 годах 20 века получили промышленное применение мочевино-формальдегидные, полиэфирные полимеры. Начиная с 30-х годов начали широко применяться методы полимеризации и были получены полистирол, поливинилацетат, поливинилхлорид и др. позднее появились новые виды поликонденсационных пластиков: полиамидные, полиуретановые и др.
Первая русская пластмасса была получена на основе ФФС в деревне Дубровка близ Орехово-Зуево.
Несмотря на молодость, пластмассы прочно заняли свое место в ряду строительных материалов. Это объясняется наличием у пластмасс целого комплекса ценных свойств: стойкостью к различным агрессивным воздействиям, низкой теплопроводностью, технологической легкостью обработки, возможностью склеиваться и свариваться и др.
В современном строительстве пластмассы заняли свое специфическое место: (классификация полимерных материалов по назначению):
-отделочные материалы (
-эффективные теплоизоляционные материалы (пенно-, поро- и сотопласты)
-гидроизоляционные и
-погонажные изделия (поручни, плинтусы)
-Санитарно-технические изделия (трубы)
- в технологии бетона (
- для модификации строительных материалов.
Такое деление достаточно условно, так как один и тот же материал в несколько измененном виде может использоваться для различных целей: ПВХ пленка может быть как отделочным, так и гидроизоляционном материалом, а некоторые отделочные пластмассы могут выполнять не только декоративные функции, но и роль ограждающих конструкций, воспринимающих определенные механические нагрузки (например, стеклопластик: для декоративной облицовки, устройства кровель, а так же сильно нагруженные детали конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах).
Основные свойства строительных пластмасс можно разделить на 2 группы:
-.физические и механические
- химические и физико-
Физические и механические:
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ:
- малая плотность - от20 до 2200 кг/м3, т.е. в 1,5-2 раза меньше, чем у каменных материалов;
-высокие прочностные
-низкая теплопроводность (0,23-0,7 Вт/мС), у газонаполненных пластмасс- до 0,03, т.е. близка к теплопроводности воздуха
- малая истираемость некоторых пластмасс, В связи с этим в первую очередь эти пластмассы целесообразно внедрять как материалы для покрытия полов;
-прозрачность пластмасс. Обычные стекла пропускают менее 1% ультрафиолетовых лучей, тогда как органические наоборот - более 70%; они легко окрашиваются в различные цвета. Следует отметить их значительно меньшую плотность. Так, стекло из полистирола имеет плотность 1060 кг/м3, тогда как обычное оконное стекло - 2500 кг/м3;
- технологическая легкость
- относительная легкость сварки материалов из пластмасс (например, труб в струе горячего воздуха) позволяет механизировать работы по монтажу пластмассовых трубопроводов;
- водопоглощение - очень мало и для плотных пластмасс не превышает 1% (положительно для материалов для полов)
- пористость пластмасс можно регулировать в процессе их производства. Так, полимерные пленки, линолеум, стеклопластики практически не имеют пор, а пористость пенопластов может достигать 95-98%
ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ
- низкая теплостойкость (от 70 до 200), но отдельные виды пластмасс (фторопласт, кремнийорганические полимеры) выдерживают нагрев до 300-500.
- малая поверхностная твердость
- высокий коэффициент термического расширения. Он колеблется в пределах 25-120*106, т.е. в 2,5-19 раз более высокий, чем у стали. Это необходимо учитывать при проектировании строительных конструкций, особенно крупноразмерных (например, трубопроводов);
- повышенная ползучесть, особенно заметная при повышении температуры
Химические и физико-химические
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ
- высокая химическая стойкость-
стойкость к действию
- способность окрашиваться в разные цвета
- способность некоторых
ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ
- горючесть - является следствием горючести полимеров. Для пластмасс разработаны добавки- антипирены, однако, пластмассы остаются сгораемыми материалами.
- старение- изменение структуры и состава полимерного компонента пластмасс под действием эксплуатационных факторов (солнечный свет, нагрев, кислород), вызывающих ухудшение свойств самой пластмассы. При старении возможно протекание в полимере двух процессов: структурирование (т.е. сшивка молекул), приводящее к потере эластичности, появлению хрупкости и последующем растрескиванию, и деструкция- разложение полимера на низкомолекулярные продукты. В пластифицированных пластмассах возможно также «выпотевание» и улетучивание пластификатора, что также приводит к потере эластичности.
- Возможность выделения из
Полная безвредность пластмасс может быть обеспечена при условии соблюдения технологических режимов и тщательном подборе компонентов и соблюдения режимов эксплуатации. При их применении необходима строгая проверка на соответствие санитарным нормам.
К недостаточно изученным
свойствам относятся сроки
Существует опыт производства саморазрушающихся пласмасс, чтобы не скапливать отходы.
2. СОСТАВ И СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС
Пластическими массами называют композиционные материалы на основе полимеров, содержащие дисперсные или коротковолнистые наполнители, пигменты и другие сыпучие компоненты и обладающие пластичностью на определенном этапе производства, которая полностью или частично теряется после отверждения полимера. Некоторые строительные пластмассы целиком состоят из полимера ( например, органическое стекло: полиметилметакрилат, полиэтилен).
Роль связующего в
1. Связующее
Полимерами называют вещества, молекулы которых представляют собой цепь или пространственную решетку последовательно соединенных одинаковых групп атомов, повторяющихся большое количество раз. Молекулярная масса полимера очень велика - от1000 до 1000000. молекулярная масса низкомолекулярных соединений обычно не превышает 500. Вещества, имеющие промежуточные значения молекулярной массы, называют олигомерами.
Общую формулу полимера можно записать в виде (-Х-)п, где Х -элементарное звено, п - степень полимеризации .
Исходные вещества, из которых синтезируют полимеры, называются мономерами. Степенью полимеризации называют число структурных единиц, содержащихся в одной молекуле.
Кроме чистых полимеров находят широкое применение сополимеры-высокомолекулярные вещества, получаемые совместной полимеризацией нескольких мономеров, при этом образуются вещества с видоизмененными свойствами (ударопрочный полистирол получают соплимеризацией стирола с мономерами синтетических каучуков)
От вида полимера, его количества и свойств зависят важнейшие свойства этих многокомпонентных материалов: их теплостойкость, способность сопротивляться действию кислот, щелочей и других агрессивных веществ, а также характеристики прочности и деформативности. Обычно, связующее вещество - самый дорогой компонент пластмасс и, в связи с этим, основным технико-экономическим требованием к строительным пластмассам является минимальная полимероемкость - минимальный расход полимера на единицу готовой продукции, обеспечивающий требуемые характеристики.
Сырьем для производства полимеров являются
-природный газ
-газообразные продукты
- каменоугольный деготь, получаемый при коксовании угля (содержит фенол и др. комп.)
-азот, кислород, получаемые из воздуха и др. вещества.
По составу основной цепи макромолекул полимеры делят на три группы:
карбоцепные полимеры, молекулярные цепи которых содержат лишь атомы углерода (полиэтилен, полиизобутилен и т.п.):
гетерогенные полимеры, в состав молекулярных цепей которых входят кроме атомов углерода атомы кислорода, серы, азота, фосфора (эпоксидные, полиуретановые, полиэфирные полимеры и т.п.):
элементоорганические полимеры, в основных молекулярных цепях которых содержатся атомы кремния, алюминия, титана и некоторых других элементов, не входящих в состав органических соединений, например, кремнийорганические соединения:
Структура макромолекул в зависимости от их формы может быть линейной, разветвленной, сетчатой и пространственной. При этом свойства полимеров, в первую очередь, зависят от строения макромолекулы и звеньев, из которых она построена.
Макромолекулы линейной структуры представляют собой цепи, длина которых в сотни и тысячи раз превышает размеры поперечного сечения. Чем длиннее цепь, тем выше прочностные характеристики полимера. Макромолекулы разветвленных полимеров имеют боковые ответвления. Число боковых ответвлений и отношение длины основной цепи к длине боковых цепей различны. Наличие ответвлений приводит к ослаблению межмолекулярных связей и, как следствие, к понижению температуры размягчения. Линейные и разветвленные полимеры обычно растворимы в тех или иных растворителях, плавятся или размягчаются при нагревании без изменения основных связей, а при охлаждении повторно переходят в твердое состояние. Такие полимеры являются основой термопластичных пластмасс.
Сетчатые и пространственные полимеры, называемые также сшитыми, образуются в результате соединения друг с другом линейных цепей макромолекул поперечными химическими связями. Это делает сшитые полимеры при частом расположении поперечных связей неплавкими при нагревании и совершенно нерастворимыми в растворителях. Такие полимеры являются основой термореактивных пластмасс.
Полимеры могут находиться как в аморфном, так и в кристаллическом состоянии. Под кристалличностью высокомолекулярных соединений понимают упорядоченное ( параллельное) расположение цепей и звеньев. В кристаллических полимерах упорядоченное строение наблюдается на расстояниях, превышающих во много раз
Размеры звеньев цепи, а в
аморфных высокомолекулярных
Кристаллическая фаза повышает прочность и теплостойкость полимера, наличие аморфной фазы делает полимер эластичным. Нередко кристаллическая и аморфная фазы находятся одновременно в одном материале, и их соотношение зависит от строения молекул. Например, степень кристалличности линейного полиэтилена составляет 80 %, а разветвленного -60%. Можно искусственно изменять степень кристалличности у одного и того же полимера, например, путем растягивания в нагретом состоянии или других воздействий, тем самым влиять на свойства полимера.
По происхождению все полимеры делятся на 3 группы:
- природные (натуральный каучук, целлюлоза, шелк, шерсть, янтарь, белок)
В природных условиях эти и другие полимеры существуют не в той форме, которая нужна потребителю: полимер приходится выделять, очищать, формовать. (Пример: попробуйте увидеть в шкуре барана-мериноса брючный костюм, а в елке - лист бумаги).
Долгое время считалось, что природные полимеры - продукт деятельности живых организмов, что в царстве минеральном полимеров быть не может. Однако, полимеры были найдены и в составе метеоритов, и в продуктах извержений вулканов, и в межзвездной пыли (полиацетилен, формальдегид). Сам человек состоит из полимеров органических (белки, нуклеиновые кислоты). Можно сказать, что полимерное состояние - одна из основных форм существования материи во Вселенной.
- искусcтвенные - полимеры, получаемые из природных путем незначительной химической модификации. Примеры: Вискозная нить (получается путем растворения природной целлюлозы в сероуглероде со щелочью с последующим ее выделением. Вискозная нить и целлюлоза природная имеют различную кристаллическую структуру), пластмасса целлулоид (получена путем обработки нитроцеллюлозы камфарой в присутствии спирта);
- синтетические - полученные искусственным путем из мономеров по реакции синтеза, т. е. объединением множества мелких молекул в несколько макромолекул. Примеры: полиэтилен (-CH2-CH(CH3)-)n (молекулярная масса от 200тыс до 3млн), полистирол (-CH2-CH(C6H5)-)n (50тыс-300тыс), поливинилхлорид (-CH2-CHCl-)n (до 400тыс), ФФС.
Многие синтетические полимеры не имеют аналогов среди природных. Особенно видно это на трех китах-3-х полимерах, объем производства которых составляет больше половины объема производства всех синтетических полимерных материалов: полиэтилене, полистироле, ПВХ. Возникновение их в природе невозможно, т. к. реакции их синтеза требуют большого количества чистых мономеров, применения особых катализаторов.
Синтетические полимеры делят в зависимости от метода получения на полимеризационные и поликонденсационные.
Реакция полимеризации заключается в химическом взаимодействии молекул мономеров, в результате чего они присоединяются друг к другу, образуя крупные молекулы.
Полимеризация может быть записана в виде общей схемы:
nA- полимеризация- (A)n.
Из n молекул низкомолекулярного вещества образуется одна молекула полимера (А)n. Коэффициент n показывает, сколько раз повторяется основное звено мономера в цепной молекуле полимера.
Классическим примером схемы реакции полимеризации является образование полиэтилена из простейшего непредельного углеводорода – этилена. В результате реакции полимеризации двойная связь между атомами углерода в молекуле этилена ( СН2=СН2) раскрывается и освобождаются связи для соединения с другими молекулами этилена. В сою очередь, вновь образовавшаяся молекула может соединится со следующими молекулами мономера и т. Д. Таким образом, структурная формула образовавшегося высокомолекулярного вещества- полиэтилена-имеет вид (-СН2-СН2-)n.
Размеры молекулы полимера влияют на его физические свойства. Например, полученный в результате полимеризации полиэтилен, состоящий из 20 звеньев СН2 , представляет собой жидкость4 увеличение молекулы до 2000 звеньев дает твердый и гибкий пластик, а полиэтилен с молекулой, состоящей из 6000 звеньев- пластик высокой твердости.
При полимеризации могут быть использованы различные исходные мономеры, получаемое при этом новое вещество называют сополимером, а процесс- сополимеризацией ( совместной полимеризацией). Общая схема сополимеризации может быть представлена в виде:
nA+nB- сополимеризация-( AB)n
В этом случае молекулы мономера А и мономера В химически взаимодействуют, и образуется молекула сополимера ( АВ) n.
Полимеризации могут подвергаться только такие мономеры, в молекулах которых содержатся кратные связи (или циклические группировки). За счет этих связей (или за счет раскрытия цикла) у молекул исходного вещества образуются свободные валентности, которыми они соединяются между собой в макромолекулы. Поскольку в процессе полимеризации не отщепляются атомы и атомные группы, химический состав полимера и мономера одинаков. Полученный в результате реакции полимер чаще всего является термопластичным.
Полимеризационные полимеры -полиэтилен, полиизобутилен, полистирол, полиметилметакрилат и т.п.
Поликонденсационные полимеры (фенолоальдегидные, мочевино-альдегидные, эпоксидные, полиэфирные, полиамидные и т.п.) получают методами поликонденсации. При поликонденсации макромолекулы образуются в результате химического взаимодействия между функциональными группами, находящимися в молекулах исходных веществ ( например – СООН и –NН2; -СООН и –ОН); это взаимодействие сопровождается отщеплением молекул побочных продуктов: воды, хлористого водорода, аммиака и др. В связи с этим химический состав получаемого полимера отличается от состава исходных низкомолекулярных веществ.
Реакция поликонденсации протекает ступенчато, увеличение цепи происходит путем взаимодействия одной молекулы с другой, полученный продукт взаимодействует с третьей молекулой и т. Д. При этом молекулы исходных веществ объединяются в молекулы сетчатой структуры. Все полимеры с такой структурой относятся к термореактивным.
В зависимости от поведения полимера при воздействии температуры различают термопластичные и термореактивные полимеры.
Термопластичные (полиэтилен, ПВХ, полистирол)- линейные полимеры, способные обратимо размягчаться при нагреве и отверждаться при охлаждении, сохраняя основные свойства. Переход в вязкотекучее состояние связан с тем, что межмолекулярные силы и водородные связи между цепями полимеров преодолеваются при сравнительно умеренном повышении температуры.
Термореактивными (или реактопластами) называют полимеры, которые будучи отверждены, не переходят при нагреве в пластичное состояние. Такие полимеры при повышении температуры ведут себя подобно древесине - они претерпевают деструкцию (химическое разложение) и загораются (карбамидные полимеры, фенолоформальдегидные, эпоксидные). В пространственных полимерах с жестким каркасом ковалентные связи между цепями имеют прочность того же порядка, что и прочность связей внутри цепи. Для разрыва таких связей тепловым движением требуется высокая температура, которая может вызвать разрыв связей не только между цепями, но и внутри цепей. Разрыв наименее прочных связей, существующих внутри цепей, является началом деструкции полимера. Такой процесс необратим. Эти полимеры являются термореактивными.
- Строительные материалы Архангельской области
- Строительные материалы в Древней Руси
- Строительные материалы: древесина
- Строительные материалы и их пожароопасные свойства
- Строительные материалы и их пожароопасные свойства. Части зданий и сооружений и их огнестойкость
- Строительные материалы на основе полимеров
- Строительные материалы. Стекло
- Строительные материалы
- Строительные материалы
- Строительные материалы
- Строительные материалы
- Строительные материалы
- Строительные материалы
- Строительные материалы