Пластмассы. Основные компоненты

Сырьем для получения органических вяжущих служат каменный уголь, нефть, нефтяные газы, торф, горючие сланцы, естественные асфальтовые породы, древесина, отходы сельскохозяйственного производства и синтезированные на их основе новые химические продукты.

Наиболее распространенными органическими вяжущими являются: битумы и дегти, природные и искусственные полимеры, сера и ее соединения.

Битумы

Битумы - общее название твердых и жидких органических веществ или продуктов их переработки, растворимых в органических растворителях и состоящих из углеводородов, а часто из их кислородных, сернистых и азотных производных. Различают природные и искусственные битумы. В генетическом отношении природные битумы представляют собой составные части осадочных горных пород.

Месторождения нефтяных битумов подразделяются на четыре типа:

- образовавшиеся в результате просачивания битума на поверхность (асфальтовые озера и др.), содержание чистого битума в них может достигать 80-90%;

- пластовые месторождения, образовавшиеся вследствие пропитывания битумом пустот, песчаников и известняков, содержат 3-10% битума, представляют промышленный интерес;

- жильные месторождения, возникшие в результате проникновения битума в трещины горных пород, содержат битум, почти лишенный минеральных примесей, имеют ограниченное распространение;

- месторождения смешанного жильно-пластового характера. Месторождения твердых битумов (асфальтов) связаны с нефте- и газоносными областями.

Нефтяные битумы получают из нефти путем обработки остатков, образующихся при ее фракционной перегонке на нефтеперерабатывающих заводах (рис. 1). В зависимости от способа производства различают остаточные, окисленные и крекинговые нефтяные битумы.

Остаточные битумы получают путем глубокого отбора масел из гудронов. При нормальной температуре это твердые или полутвердые продукты относительно малой вязкости. Для повышения вязкости остаточные битумы или гудрон подвергают окислению, продувая через них воздух. При продувке под воздействием кислорода воздуха нефтяные остатки окисляются и уплотняются за счет образования высокомолекулярных компонентов, их вязкость повышается, в результате чего получаются окисленные битумы. Окисленные битумы более погодостойки, чем остаточные, и по долговечности не уступают природным битумам.

Крекинговые битумы получают окислением (продувка воздухом) крекинг-остатков, образующихся при переработке мазута, с целью увеличения выхода бензина крекинг-процессом, т.е. расщеплением углеводородов при высоких температурах и больших давлениях.

По консистенции (при температуре 18°С) битумы могут быть твердыми, обладающими упругими, а иногда хрупкими свойствами, полутвердыми (вязкопластичными) и жидкими (вязкотекучими).

Твердые и полутвердые битумы транспортируют в железнодорожных цистернах, оборудованных подогревательными устройствами, или в бумажной таре; жидкие битумы - в нефтяных и мазутных цистернах. Хранить битумы следует в специальных хранилищах или под навесом.

Состав и структура битумов. Битумы состоят из смеси высокомолекулярных углеводородов, главным образом метанового (С_nH_2n+2) и нафтенового (С_nН_2n) рядов и их кислородных, сернистых и азотистых производных. Элементарный химический состав всех битумов достаточно близок. В них 70-87% углерода, до 15% водорода, до 10% кислорода, до 1,5% серы (в природных битумах до 10%), небольшое количество азота.

Для исследования структуры и свойств битумов специальными методами выделяют группы углеводородов с более или менее сходными свойствами. Такими группами являются масла, смолы, асфальтены и их модификации (карбены и карбоиды), асфальтогеновые кислоты и их ангидриды.

Масла - жидкая при обычной температуре группа углеводородов плотностью менее 1 г/см³, молекулярной массой 100-500. Повышенное содержание масел в битуме придает им подвижность и текучесть.

Рис. 1. Схема получения нефтяного битума

Смолы - высокомолекулярные углеводороды относятся к соединениям конденсированного строения, для которых характерна высокая полярность и, следовательно, поверхностная активность. Они обладают вяжущими свойствами. Состав углеводородов смол более сложный, чем масел. Молекулярная масса 500...1000, плотность - около 1 г/см³. Присутствие смол в битумах повышает их пластичность.

Асфальтены – высокомолекулярные твердые аморфные вещества в виде высокополициклическихсоединений, которые с трудом растворимы в смолах и маслах. Молекулярная масса 1000.. .5000 и более, плотность выше 1 г/см³.

Карбены и карбоиды - составляют незначительную часть битумов. Это наиболее обогащенные углеродом твердые высокомолекулярные соединения. Карбоиды нерастворимы ни в каких растворителях.

Асфальтогеновые кислоты принадлежат к группе полинафтеновых кислот. Их консистенция может быть твердой или высоковязкой. Являясь поверхностно-активной частью битумов, они способствуют повышению прочности сцепления битума с каменными материалами.

Групповые углеводороды битума образуют сложную дисперсную систему с определенной структурой и свойствами. Масла и наиболее растворимые смолы представляют собой дисперсионную среду, а асфальтены и адсорбированные на их поверхности твердые смолы служат дисперсной фазой.

При избытке дисперсионной среды комплексные частицы или мицеллы свободно перемещаются в ней.

Такая структура характерна для жидких битумов при нормальной температуре или вязких битумов при нагревании. Ей соответствует реологический тип структуры - гель.

При пониженном количестве дисперсионной среды и большом количестве мицелл они образуют мицеллярную пространственную сетку. Такая структура характерна для высоковязких и твердых битумов при нормальной температуре. Реологический тип такой структуры - гель.

Мицеллы битумов могут быть агрегированы и пептизированы в различной степени и в зависимости от этого образуют коллоидные системы с разными физическими свойствами (золи, золи-гели, гели). Для использования битумов в технике большое значение имеют их реологические свойства (эластичность, вязкость, тиксотропия), которые определяются, в первую очередь, структурой битумов, а также их химической природой. С увеличением количества асфальтенов пластичность битумов возрастает. На пластичность битумов влияют и сумма содержания масел и смол, и соотношение масел и смол - чем больше масел, тем сильней выражена пластичность. Эластичность битумов выявляется при достаточно большом содержании асфальтенов.

Битумы характеризуются: температурой размягчения, твердостью (пенетрацией), дуктильностью (растяжимостью).

Свойства битумов. Важнейшими свойствами битумов для их применения в строительстве являются:

· способность при нагревании до 80-170 °С или при добавлении растворителей (разжижителей) переходить в вязкожидкое состояние и склеиваться с каменными или другими строительными материалами;

· способность при понижении температуры до 20-25°С и ниже или испарении растворителей вновь загустевать и образовывать монолитный материал, с введенными в них или пропитанными и обмазанными ими миниральными материалами (асфальтовые бетоны и растворы, кровельные и гидроизоляционные материалы);

· способность придавать гидрофобные (водоотталкивающие) свойства неводостойкимматериалам, обработанным битумом.

Основными свойствами, определяющими качество твердых и полутвердых битумов и деление их на марки, являются вязкость, температура размягчения и хрупкости, пластичность; для жидких битумов - вязкость и фракционный состав (содержание летучих масел).

Вязкость битумов является характеристикой его структурно-механических свойств и зависит главным образом от температуры. При повышении температуры вязкость снижается, при понижении - резко возрастает; при отрицательных температурах битум становится хрупким. По ГОСТу на методы испытаний твердых и вязких битумов вязкость, точнее текучесть (величину, обратную вязкости), определяют условным показателем - глубиной проникновения иглы в битум при определенных нагрузке, температуре и времени погружения. Чем выше вязкость битума, тем меньше глубина погружения иглы. Вязкость жидких битумов рассчитывают на стандартном вискозиметре по времени (в секундах) истечения порции битума при определенных температуре битума и диаметре отверстия прибора.

Пластичность твердых и вязких битумов по стандарту характеризуется условно предельной деформацией при растяжении стандартных образцов -восьмерок из битума при определенных температуре и скорости растяжения и выражается в сантиметрах в момент их разрыва. Так же как и вязкость, пластичность битумов зависит от температуры, их группового состава и структуры. Как правило, растяжимость возрастает при увеличении содержания смол, а также с повышением температуры.

Температурой размягчения битума условно считают температуру, при которой битум переходит из твердого состояния в пластичное, приобретая подвижность. Она соответствует температуре, при которой образец битума под грузом в виде шарика при нагревании размягчается настолько, что коснется нижней полочки этажерки стандартного прибора - «кольцо - шар». Это свойство битума характеризует верхний температурный предел его применения. Нижний температурный предел применения битума характеризуется температурой хрупкости, при которой появляется первая трещина в тонком слое битума, нанесенном на стальную пластинку стандартного прибора при ее изгибе и распрямлении. Температурный интервал между температурой хрупкости и температурой размягчения называют температурным рабочим интервалом, который учитывают при выборе битума для применения в определенных температурных условиях.

Свойства битумов тесно связаны между собой. Твердые битумы (с малой глубиной проникания иглы) имеют высокую температуру размягчения, но малую растяжимость, т.е. являются относительно хрупкими (особенно при отрицательных температурах). Битумы с низкой температурой размягчения, т.е. мягкие, обладают высокой пластичностью.

Для учета огнеопасности при нагревании битума определяют температуру вспышки паров, выделяемых из битума при нагревании от поднесенного пламени.

Битумы обладают и другими важными свойствами: водостойкостью и водонепроницаемостью; стойкостью к действию водных растворов многих кислот, щелочей, солей и к большинству агрессивных газов; способностью частично или полностью растворяться в различных органических растворителях (хлороформе, спирте, бензине, бензоле, сероуглероде, дихлорэтане и др.).

При изменении фазового состава битума, например, под влиянием охлаждения и нагревания, продувания воздуха и разжижения растворителем и т.п., возможен переход одной структуры в другую и существование промежуточных структур. Однако при длительном воздействии некоторых факторов (кислорода воздуха или другой окислительной среды, особенно в условиях повышенных температур) могут произойти необратимые изменения фазового состава битума, свидетельствующие о его химическом старении. Это связано с массовым накоплением труднорастворимых или нерастворимых твердых частиц (карбенов и карбоидов) и одновременной глубокой полимеризацией и окислительной модификацией смол и масел, приводящих к нарастанию вязкости и появлению у битума хрупких свойств.

По назначению нефтяные битумы делятся на строительные, кровельные и дорожные, а по основным свойствам - на марки. Основные свойства нефтяных битумов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Основные свойства нефтяных битумов

*нн - не нормируется.

Жидкие битумы различают трех классов: быстрогустеющие БГ, среднегустеющие СГ, медленногустеющие МГ. Битумы классов БГ и СГ обычно изготавливают путем разжижения вязких битумов легкими разжижителями (керосином и т.п.). Битум класса МГ получают в остатке после перегонки нефти или разжижением вязких битумов масляными продуктами нефтяного или каменноугольного происхождения. Каждый класс делят в зависимости от вязкости на марки.

Твердые и полутвердые нефтяные битумы применяют для дорожных покрытий, изготовления кровельных и гидроизоляционных материалов, некоторых герметизирующих материалов, а жидкие битумы используют в основном при строительстве дорог (для обработки гравийных и щебеночных смесей, изготовления асфальтовых и грунтовых материалов).

Из общего количества битумов больше 60% используют в дорожном строительстве, а из оставшихся 40% больше половины применяют для изготовления кровельных материалов.

Дегти

В процессе сухой перегонки (без доступа воздуха) каменного или бурого угля, сланца, дерева, торфа и других органических веществ с целью получения кокса, полукокса, газа и т.п. образуются летучие вещества, которые после конденсации (сгущения) образуют вязкие жидкости, называемые соответственно каменноугольными, буроугольными, сланцевыми, торфяными, древесными дегтями.

Наиболее широкое применение в строительстве получили каменноугольные дегти, обладающие более высокими строительными свойствами, чем другие дегти.

Различают сырые и отогнанные каменноугольные дегти.

Сырые дегти - низкотемпературные и высокотемпературные получают при полукоксовании и коксовании каменных углей соответственно при 500-700 °С и 900-1100 °С. Они представляют собой маслянистые жидкости темного цвета с характерным запахом, обусловленным содержанием в них фенолов и нафталина. Сырые дегти содержат значительное количество летучих веществ, а также соединений, растворимых и вымываемых водой, которые понижают их погодоустойчивость. Поэтому сырые дегти непосредственно для производства строительных материалов не применяют.

Отогнанный деготь получают из сырого при отгонке воды, всех легких масел, частично средних масел и используют его как сырье в производстве строительных материалов. При фракционной разгонке сырого дегтя сначала удаляется вода (при 100 °С), а затем отгоняются жидкие фракции; легкие масла (до 170 °С), средние (170-270 °С), тяжелые (270-300 °С) и антраценовые масла (300-360 °С) (рис. 2).

Рис. 2. Схема получения дегтей

Пеком называют твердый остаток от фракционной разгонки. Он представляет собой аморфное вещество черного цвета, состоящее из высокомолекулярных углеводородов и их производных и свободного углерода в виде тонкодисперсных частиц (8-30%). Каменноугольный пек выпускают двух марок: среднетемпературный и высокотемпературный, отличающихся друг от друга температурой размягчения, зольностью и содержанием влаги.

Составленные дегти получают сплавлением пека с антраценовым маслом или отогнанным дегтем. Составленные дегти наиболее пригодны для строительных целей. Наполненные дегти получают, вводя в составленные дегти тонкоизмельченные материалы (известняк, доломит). Это делают для повышения вязкости, погодо- и температуростойкости дегтей.

Сланцевые дорожные дегти - органические вяжущие, которые составляют от 7 до 10% количества перерабатываемых горючих сланцев. По своим техническим свойствам этот материал занимает среднее положение между нефтяными битумами и каменноугольными дегтями. Эти дегти получают путем окисления тяжелого остатка после отделения жидкого топлива от сланцевой смолы. Окисление такого остатка приводит к увеличению вязкости дегтя за счет соотношения компонентов группового состава: масла переходят в смолы, смолы - в соединения, которые принято называть свободным углеродом.

К положительным свойствам материала относится его хорошая теплоустойчивость. Это видно по поведению покрытий на сланцевом дегте - отсутствие в летнее жаркое время сдвигов и наплывов на покрытиях. К отрицательным свойствам таких дегтей надо отнести меньшую температуроустойчивость по сравнению с нефтяными битумами. При длительном разогревании сланцевые дегти резко ухудшают свои технические свойства. Сланцевые дегти также менее атмосферостойки, менее долговечны в покрытиях, чем нефтяные битумы. В сланцевых дегтях содержатся значительные количества кислородных, азотистых и полярных соединений.

Химический состав дегтя сложен, он включает более 200 различных органических соединений, в основном углеводородов преимущественно ароматического ряда и их неметаллических производных, т.е. соединений углеводородов с кислородом, азотом и серой. Эти соединения в дегте образуют сложную дисперсную систему, в которой свободный углерод и твердые смолы, ограниченно растворимые в дегтевых маслах, являются дисперсной фазой, а масла - дисперсной средой.

Стабильность этой системы нарушается при изменении оптимальных условий (например, при испарении легких фракций и в других случаях), что сказывается на изменении важных строительно-технических свойств материалов и изделий на их основе.

Свойства дегтей в основном те же, что и у битумов, но они отличаются меньшими долговечностью и погодоустойчивостью. Неустойчивость дегтей к процессам старения (низкая погодоустойчивость) связана с испарением летучих составляющих из дегтя даже при слабом нагревании (например, на солнце), а также и с тем, что многие соединения в нем являются ненасыщенными и поэтому легко вступают в химическое взаимодействие с веществами внешней среды, изменяя свой состав и структуру, что приводит к появлению хрупкости и растрескиванию.

Однако дегти вследствие большого по сравнению с битумом содержания в них веществ с полярными группами отличаются повышенной способностью к прилипанию к другим материалам. Они обладают большой гнилостойкостью, чем битумы, так как содержат токсичные вещества (фенол).

Каменноугольный деготь, антраценовое масло и пек применяют в производстве дегтевых кровельных материалов, мастик, для изготовления дегтебетонов и т.п.

Битумно-дегтевые вяжущие материалы получают путем совмещения битума с дегтем или дегтепродуктами (пеком, маслом). Одним из них является гудрокам, получаемый при совместном окислении смеси битума или гудрона и каменноугольных масел или пека. Такие комбинированные материалы обладают более высокой атмосферостойкостью и способностью к взаимодействию с введенными в них минеральными материалами (например, в мастиках) и пропитанной или обмазанной ими органической основой (например, в кровельных и гидроизоляционных материалах).

Битумно-дегте-полимерные вяжущие получают совмещением нефтяных битумов или каменноугольных дегтевых материалов и полимеров (особенно каучука и каучукоподобных веществ). Для получения битумно-резиновых вяжущих часто используют после соответствующей переработки отходы производства резинотехнических изделий, отработанные автомобильные покрышки, синтетические каучуки, например, полиизобутилен и др. Такие материалы более устойчивы к старению, отличаются повышенной теплоустойчивостью, меньшей хрупкостью, особенно при отрицательных температурах.

Битумные и дегтевые эмульсии и пасты представляют собой вяжущие материалы жидкой (эмульсии) или сметанообразной консистенции (пасты), которые приготавливают в основном из двух несмешивающихся между собой компонентов - битума или дегтя или их сплавов и воды. Для объединения этих несмешивающихся веществ применяют третий компонент - эмульгатор, являющийся поверхностно-активным веществом, уменьшающим поверхностное натяжение на границе битум (деготь) - вода и образующим вместе с тем вокруг частиц дисперсной фазы (частиц битума или дегтя размером до 0,1 мм) механически прочную оболочку, которая препятствует укрупнению и слиянию этих частиц, что способствует образованию весьма устойчивых эмульсий и паст (рис. 3).

Рис. 3. Классификация дорожных эмульсий

В качестве эмульгаторов при изготовлении эмульсий применяют водорастворимые органические вещества, молекулы которых ассиметрично-полярны, т.е. содержат активную полярную группу, обычно представленную гидроксилом ОН, карбоксилом СООН, группами СООNа(К) и другими и неактивную группу - обычно углеводородные цепи СН₃-(СН₂)n (например, натриевые соли нафтеновых кислот, лигносульфонаты кальция).

В качестве эмульгаторов при изготовлении паст используют твердые минеральные порошки (глины, извести, трепела). Содержание водорастворимых эмульгаторов в эмульсии не превышает 3%, твердых порошков в пастах - 5-15%, а битума - 40-60%.

Эмульсии приготавливают в диспергаторах, обеспечивающих распыление подогретого битума (дегтя) в горячей воде с эмульгатором.

Существует два типа эмульсий: прямой и обратный (рис. 4). В прямом типе эмульсий дисперсионной средой служит водная среда эмульгатора, а диспергированным веществом - дисперсной фазой - мельчайшие (раздробленные - диспергированные) частицы битума или дегтя размером 1 мк, покрытые защитной пленкой эмульгатора. В эмульсиях обратного типа дисперсионной средой является битум или деготь, а дисперсной фазой -мельчайшие (раздробленные - диспергированные) капельки воды.

Рис. 4. Эмульсии типа М/В и В/М (а - прямого типа; б - обратного типа)

Основным преимуществом эмульсий по сравнению с горячим битумом или жидким дегтем является возможность применения их в холодном виде (при положительных температурах воздуха практически в любую погоду), а также возможность сокращения до 30% расхода вяжущего за счет лучшего распределения эмульгированных вяжущих на поверхности зерен минеральных материалов.

Битумные и дегтевые эмульсии применяются в дорожном строительстве, для устройства защитных гидро- и пароизоляционных покрытий, грунтовки основания под гидроизоляцию, приклеивания рулонных материалов. Битумные пасты наиболее широко применяется в гидроизоляционных работах.

Полимеры

Полимер выполняет роль связующего в пластмассах. От его вида, свойств и количества зависят важнейшие свойства этих многокомпонентных материалов.

Полимерами называют вещества, молекулы которых представляют собой цепь или пространственную решетку последовательно соединенных одинаковых групп атомов, повторяющихся большое количество раз. Молекулярная масса полимеров очень велика (от нескольких тысяч до 1 миллионa). Полимерные вещества существуют в природе (крахмал, целлюлоза, белки), но подавляющее большинство полимеров, используемых для получения пластмасс, - синтетические.

Исходные вещества, из которых синтезируют полимеры, называют мономерами. Это обычно довольно простые и доступные вещества, получаемые из нефти, газа, угля и других широко распространенных веществ. Синтетические полимеры получают двумя способами -полимеризацией и поликонденсацией.

Полимеризация - процесс получения полимерного вещества, при котором макромолекула образуется путем последовательного соединения молекул низкомолекулярного вещества, имеющих ненасыщенные связи (двойные, реже тройные), в результате активизации их катализатором или инициатором. Типичным примером полимеризации служит процесс получения полиэтилена из газа этилена

nСН₃ = СН₃ ® (- СН₂ - СН₂ - )_n

Поликонденсация - процесс последовательного взаимодействия полифункциональных (т.е. имеющих две и более функциональные группы) низкомолекулярных веществ; при этом помимо полимера образуются низкомолекулярные побочные продукты (Н₂О, СО₃ и др.). Примером поликонденсации может служить образование фенолформальдегидного полимера из фенола и формальдегида ( * химически активные группы).

Это уравнение реакции показывает образование димера; затем к димеру с помощью формальдегида присоединяется следующая молекула фенола и т.д. до образования полимера.

Как уже говорилось, молекулярная масса полимеров очень велика. Но в ряде случаев синтез ведут таким образом, что образуются продукты не очень высокой молекулярной массы (до 1000), способные к дальнейшим взаимодействиям. Эти вещества, обычно вязкие жидкости, называют олигомерами (например, некоторые эпоксидные и полиэфирные смолы).

В зависимости от строения и химической активности, проявляющихся в различном поведении полимеров при нагревании, полимеры делят на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры способны многократно размягчаться и отвердевать при попеременном нагревании и охлаждении. Большинство из них хорошо растворимы в органических растворителях. Эти свойства обусловлены линейным строением молекул полимера и неспособностью их к образованию сетчатых и пространственных макромолекул. Примером термопластичных полимеров могут служить полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид.

Термореактивные полимеры в отличие от термопластичных при нагревании переходят в расплав, а затем отвердевают необратимо. Отверждение происходит в результате сшивания линейных молекул в пространственные структуры как с помощью отверждающих добавок (отвердителей, вулканизаторов), так и за счет активных групп самих полимеров. Термореактивные полимеры после отвердения не растворяются ни в каких растворителях, хотя могут набухать в некоторых из них. Примером термореактивных полимеров могут служить фенолформальдегидные, эпоксидные, полиэфирные полимеры.

Между строением полимера методом его синтеза, поведением при нагревании, растворимостью и оптимальной областью применения прослеживается довольно четкая взаимосвязь. Так, полимеры, получаемые методом полимеризации, имеют молекулы в виде цепей или плоских сеток, образуемые объединением однотипных структурных элементов. Эти полимеры термопластичны и в большей или в меньшей степени растворимы в органических растворителях.

Полимеры с цепной структурой молекул, к которым относятся, например, полиамиды (капрон, нейлон), предпочтительно использовать в виде волокон и нитей. При вытягивании бесконечно длинные молекулы полимера ориентируются в одном направлении, накладываясь друг на друга. Этим объясняется необычайно высокая прочность полимерных волокон, так как при их разрыве разрушение происходит по молекулам и разрушаются внутримолекулярные силы связи, а не по стыкам между ними. Полимеры с молекулами в виде плоских сеток (полиэтилен, полипропилен, поливинил) выгоднее всего использовать в виде пленок. Ориентация плоскосеточных молекул в пленке и отсутствие химических связей в третьем измерении и невозможность их образования обуславливают необычайно высокую химическую стойкость этих материалов и практическую невозможность соединения их при помощи склеивания.

Полимеры, имеющие объемные молекулы, в виде трехмерных каркасов, как правило, термореактивны и нерастворимы в органических растворителях.

Вещества с объемными молекулами с ответвлениями в разные стороны обладают хорошей адгезией и используются предпочтительно в качестве вяжущих и клеев.

К настоящему времени синтезировано большое количество полимеров (несколько тысяч), но широкое применение в народном хозяйстве нашло только около 20 полимеров. Ниже приводятся краткие сведения об основных полимерах, применяемых в строительстве.

Полимеризационные полимеры. Полиэтилен [ - СН₂ - СН₂ - ]_n - насыщенный линейный полимерный углеводород (полиолефин), получаемый полимеризацией газа этилена СН₂=СН₂. Основным источником получения этилена являются продукты высокотемпературной переработки нефти. Полиэтилен представляет собой роговидное прозрачное или слабопрозрачное вещество плотностью 0,94-0,97 г/см³, размягчающееся при нагревании до 80-90°С и плавящееся при 100-120°С. Характерная особенность полиэтилена -способность сохранять эластичность до -70...-90°С. Полиэтилен отличается хорошей химической стойкостью к действию большинства кислот, щелочей и растворителей. Из полиэтилена изготавливают в основном пленки, трубы (для холодного водоснабжения и транспортировки агрессивных жидкостей), а также трубки для скрытой электропроводки и некоторые санитарно-технические изделия.

Полипропилен - полимер, близкий по свойствам к полиэтилену, но более прочный, жесткий и температуростойкий (температура размягчения 160;170°С). Применяют полипропилен для изготовления отделочных листов, пленок, труб, деталей химической аппаратуры.

Полиизобутилен [- СН₂ - С(СН₃)₂ - ]_n - полимер, так же как и полиэтилен, относится к полиолефинам, однако благодаря иному строению молекулы обладает рядом специфических свойств: высокой эластичностью (по внешнему виду и механическим свойствам напоминает каучук), морозостойкостью, хорошей адгезией (прилипаемостью) к бетону и другим силикатным материалам. Применяется полиизобутилен для изготовления герметизирующих пленок, прокладок и мастик, в частности, для герметизации стыков крупнопанельных зданий.

Поливинилхлорид [- СН₂ - СНС1 -]_n - один из самых распространенных полимеров, применяемых в строительстве. Это прозрачный, жесткий и прочный при комнатной температуре полимер, размягчается он при нагревании до 60-100°С и переходит в расплав при 180-200 С. Поливинилхлорид хорошо перерабатывается в различные изделия (трубы, облицовочные материалы, линолеум и др.). Для придания изделиям эластичности при нормальной температуре поливинилхлорид обычно пластифицируют.

Полистирол [- СН₂ – СНС₆Н₅ -]_n - твердый продукт полимеризации стирола, представляющего собой бесцветную жидкость, синтезированную из бензола и этилена. Полистирол прозрачный, довольно прочный, но хрупкий полимер, хорошо окрашивается и легко перерабатывается в изделия. Благодаря наличию бензольного кольца полистирол хорошо растворяется в ароматических углеводородах. В строительстве его применяют для получения теплоизоляционных пенопластов, облицовочных плиток, латексных красок, гидроизоляционных пленок.

Поливинилацетат (- СН₂ – СНСООСН₃ -)_n - полимер, у которого к основной углеводородной цепи периодически присоединены остатки уксусной кислоты, что предопределяет невысокую водостойкость полимера и хорошие адгезионные (клеющие) свойства. В строительстве поливинилацетат широко используют в виде водной дисперсии для получения клеев, водоэмульсионных красок, шпаклевок и мастик, а также как добавку к бетонам и растворам (так называемые полимерцементные материалы).

Полиметилметакрилат - полимер, известный под названием «органическое стекло». Он представляет собой прозрачный (пропускает не только видимое, но и ультрафиолетовое излучение), прочный материал, получаемый в виде листов и блоков. Применяют полиметилакрилат для устройства светопрозрачных ограждений строительных конструкций, а также для изготовления труб и других изделий.

Кроме чистых полимеров, находят широкое применение сополимеры -высокомолекулярные вещества, получаемые совместной полимеризацией нескольких мономеров, при этом образуются вещества с видоизмененными свойствами. Например, ударопрочный полистирол получают сополимеризацией стирола с мономерами синтетических каучуков.

Поликонденсационные полимеры. Фенолформальдегидные полимеры получают из фенола и формальдегида в виде олигомерного продукта (вязкой жидкости или легкоплавкой смолы), способного необратимо отверждаться при нагревании. Применяют фенолформальдегидные полимеры для получения слоистых пластиков (бумопласт, текстолит), минераловатных и электротехнических изделий, водостойких лаков и клеев для деревянных конструкций.

Карбамидные (мочевиноформальдегидные) полимеры - один из наиболее дешевых видов полимеров, получают поликонденсацией мочевины (карбамида) и формальдегида. Мочевиноформальдегидные полимеры бесцветны, в отвержденном состоянии они довольно прочны, но не водостойки и склонны к быстрому старению. Модифицируя их в процессе синтеза, получают полимеры, практически лишенные этих недостатков. Применяют мочевиноформальдегидные полимеры главным образом при изготовлении древесностружечных плит, клееных деревянных конструкций, слоистых пластиков, а также для получения особо легкой газонаполненной пластмассы - мипоры. Модифицированные карбамидные полимеры применяют для получения лаков и красок.

Полиэфирные полимеры — обширная группа полимеров, получаемых поликонденсацией многоатомных спиртов и органических кислот. Различают насыщенные (термопластичные) полиэфиры, например, глифталиевый полимер и полиэтилентетрафталат, (известные более под названием лавсан), и ненасыщенные полиэфиры (термореактивные). Последние используют в виде жидких олигомеров, которые благодаря наличию двойных связей у атомов углерода способны к необратимому отверждению. На основе ненасыщенных полиэфиров изготавливают лаки и краски, их используют как связующее в стеклопластиках и полимербетонах.

Эпоксидные полимеры - довольно дорогой и малодоступный пока для широко потребления вид полимеров, но обладающий высокой прочностью, химической стойкостью в отвержденном состоянии и очень хорошей адгезией к другим материалам. В строительстве их применяют для склейки и ремонта железобетонных конструкций, получения полимербетонов и других специальных целей.

Кремнийорганические полимеры — большая группа полимеров, в составе которых наряду с органической частью в основной цепи или боковых ответвлениях присутствует кремний. Благодаря наличию кремния полимеры приобретают ряд специфических свойств: повышенную термостойкость (до 400-500°С) и химическую стойкость, хорошую совместимость с силикатными материалами. Наиболее практическое значение в строительстве имеют полиорганосилоксаны (силиконы), основные цепи макромолекул которых имеют вид:

В этих полимерах углерод находится в органических радикалах (R), расположенных в боковых ответвлениях основных цепей макромолекул. Их применяют в качестве гидрофобизирующих добавок к бетонам и растворам, для получения атмосферостойких фасадных красок и для защитных покрытий облицовочных изделий из пористых горных пород и бетонов.

Пластмассы. Основные компоненты

Основным и обязательным компонентом пластмасс является полимерное вещество, но только лишь некоторые строительные пластмассы целиком состоят из полимера (например, органическое стекло, состоящее из полиметилметакрилата). В состав большинства пластмасс входят и другие компоненты: наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители и др.

Наполнители. Номенклатура наполнителей для пластмасс разнообразна. Это порошковые вещества (древесная мука, мел, тальк, сажа т.п.), волокнистые (стекловолокно, асбест, органические волокна) и листовые материалы (бумага, древесный шпон, ткани). К числу наполнителей можно отнести и воздушные поры (например, в газонаполненных пластмассах). У большинства пластмасс существенная часть объема приходится на долю наполнителей, а некоторые пластмассы на 80-90% (по объему) состоят из наполнителей (например, древесностружечные плиты, полимербетоны, пенопласты).

Наполнители, уменьшая содержание полимера в пластмассах, значительно снижают их стоимость, усадку и деформативность. Они, особенно минеральные, увеличивают теплостойкость пластмасс и снижают горючесть. Наполнители, особенно листовые и волокнистые, резко повышают прочность пластмасс на растяжение и изгиб, атмосферостойкость пластмасс. Некоторые наполнители придают пластмассам специальные свойства. Так, воздушные поры, занимающие более 90% объема газонаполненных пластмасс, делают их идеальными теплоизоляторами, а сажа или графит, вводимые в пластмассу, придают ей свойство электропроводности.

Пластификаторы - вещества, которые в смеси с полимерами придают им большую пластичность при нормальной температуре, облегчают переработку пластмасс, снижая температуру перехода полимера в вязкотекучее состояние. В качестве пластификаторов используют нелетучие органические жидкости, хорошо совмещающиеся с полимером (например, глицерин, диретилфталат). Количество пластификатора в пластмассе может достигать 30-50% от массы полимера. Например, в качестве пластмассы, содержащей пластификатор, применяют поливинилхлоридный линолеум - мягкий и эластичный материал для покрытия полов, и в то же время из поливинилхлорида без пластификатора изготавливают прочные и жесткие трубы, выдерживающие значительное давление воды.

В производстве полимеров и пластмасс используют также специальные добавки: стабилизаторы и отвердители. Стабилизаторы способствуют сохранению свойств пластмасс во времени, т.е. предотвращают их старение. Отвердители вводят для сокращения времени отверждения пластмасс, что ускоряет технологический процесс изготовления изделий.

Красители и пигменты вводят для придания материалу требуемой окраски. Это могут быть как органические красители (нигрозин, хризоадин), окрашивающие бесцветную прозрачную смолу, так и минеральные пигменты (охра, мумия, сурик, умбра, ультрамарин), выполняющие также функцию порошкообразного наполнителя.

К добавкам специального назначения относятся:

- антипирены, препятствующие горению;

- антисептики, защищающие от поражения дереворазрушающими грибами;

- антистатики, предотвращающие возникновение зарядов статического электричества;

- гидрофобизаторы, повышающие водостойкость материала. В качестве антипиренов используют фосфор- и фторсодержащие соединения, антисептиков - фтористый натрий, кремнефтористый натрий и др., гидрофобизаторов - полисилоксаны и силаны, антистатиков - поверхностноактивные вещества и электропроводящие наполнители.

Мы поможем в написании ваших работ!