Полимерные строительные материалы. Общие сведения

Полимерными называют материалы, основными компонентами которых являются полимеры. Другое их название — пластмассы (пластические массы). Это название они получили благодаря способности в процессе переработки принимать требуемую форму и сохранять ее после снятия действующих усилий.

Полимеры (от греч. poli — много, meros — доля, часть) высокомолекулярные соединения, молекулы которых (макромолекулы) состоят из многократно повторяющихся звеньев — одинаковых групп атомов. К высокомолекулярным соединениям относят вещества с молекулярной массой выше 5000. Молекулярная масса низкомолекулярных соединений обычно не превышает 500. Вещества, имеющие промежуточное значение молекулярной массы, называют олигомерами. Большинство полимеров имеют молекулярную массу от 8000…10000 до нескольких миллионов.

По происхождению полимеры подразделяются на природные и искусственные (синтетические). Природные высокомолекулярные соединения: целлюлоза, белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, натуральный каучук, крахмал, янтарь и др.

Для производства строительных материалов применяют синтетические полимеры. Сырьем для их производства являются природные газы, попутные нефтяные газы, газы нефтепереработки, продукты углепереработки, а также продукты переработки других видов твердого топлива (торфа, древесных и растительных материалов и их отходов).

Исходные низкомолекулярные вещества, из которых синтезируют полимеры, называют мономерами. Например, мономером для получения полиэтилена является газ этилен СН2=СН2. Структурной единицей (повторяющимся элементарным звеном) полиэтилена служит бирадикал (двойной радикал) —СН2—СН2—.

Формула полиэтилена имеет вид [—СН2—СН2—]n,

где n — степень полимеризации (может достигать 70 тыс. и более).

Полимеры могут иметь линейное, разветвленное и пространственное (сетчатое) строение. Если каждое элементарное звено обозначить А, то макромолекула линейного строения будет иметь следующий вид:

…—А—А—А—А—А—…

Макромолекулы разветвленных полимеров имеют боковые сравнительно короткие ответвления. В полимерах пространственного (трехмерного) строения длинные линейные цепи связаны друг с другом в единую сетку более короткими поперечными цепями.

Полимеры, имеющие линейное или разветвленное строение молекул (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и др.), обладают способностью многократно при нагревании размягчаться, а при охлаждении отвердевать при сохранении основных свойств. Это термопластичные полимеры (термопласты).

Пространственные полимеры (фенолоформальдегидные, карбамидные, полиэфирные и др.) не могут обратимо изменять свои свойства и, будучи отвержденными, при последующем нагревании превращаются в неплавкие и нерастворимые продукты, не способные к повторному формованию. Это связано с разрывом связей между цепями и внутри цепей. Такие полимеры называются термореактивными (реактопласты). Можно сказать, что при нагревании до высоких температур они ведут себя подобно древесине, претерпевают деструкцию (разрушение) и загораются.

Синтетические полимеры получают посредством реакций полимеризации и поликонденсации. Полимеризации подвергаются мономеры, в молекулах которых содержатся кратные двойные связи (или циклические группировки). За счет раскрытия этих связей (или за счет раскрытия цикла) у молекул исходного вещества образуются свободные валентности, которыми они соединяются между собой в макромолекулы. При этом не выделяется побочных продуктов и химический состав полимера и мономера одинаков. Полимеризацией получают полимеры линейного и разветвленного строения.

При поликонденсации макромолекулы образуются в результате химического взаимодействия между функциональными группами, находящимися в молекулах исходных веществ. Это взаимодействие сопровождается выделением побочных продуктов: воды, хлористого водорода, аммиака и других низкомолекулярных веществ. В связи с этим химический состав полимера отличается от состава исходных компонентов. Поликонденсацией получают полимеры пространственного строения.

Полимеры в пластмассах выполняют роль связующего вещества.

Связующие вещества

Выбор связующего вещества в значительной мере определяет технические свойства изделий из пластмасс: их теплостойкость, способность сопротивляться воздействию растворов кислот, щелочей и других агрессивных веществ, а также характеристики прочности и деформативности. Связующее вещество — это обычно самый дорогой компонент пластмассы.

Термопластичные полимеры. Свойства термопластичных (полимеризационных) полимеров обусловлены линейным строением их молекул. При нагревании ослабевает взаимодействие между молекулами и полимер размягчается, вплоть до состояния вязкой жидкости. На этом основано формование изделий из этих полимеров, а также их сварка.

Способность термопластичных полимеров набухать и растворяться в некоторых растворителях также объясняется линейным строением молекул. Растворы полимеров даже малой концентрации (2…5%) отличаются высокой вязкостью, что связано с большими размерами макромолекул полимеров по сравнению с молекулами низкомолекулярных веществ. После испарения растворителя полимер вновь отвердевает. На этом основано применение растворов термопластов в качестве клеев и вяжущих в мастиках и строительных растворах.

Полиэтилен — один из наиболее распространенных полимеров, представляющий собой прозрачное роговидное вещество, жирное на ощупь. Плотность его колеблется в пределах от 910 до 970 кг/м3. При нагревании до температуры 85…90°С он размягчается, а при температуре 105…130°С — плавится. При поджигании полиэтилен горит с характерным запахом парафина; практически нерастворим ни в одном из растворителей при комнатной температуре; стоек по отношению к кислотам, щелочам, солям; водостоек; прочность при растяжении — 20…40 МПа; эластичность сохраняется до температуры -70°С.

К недостаткам полиэтилена относятся низкие теплостойкость и твердость, горючесть, слабая адгезия к минеральным материалам, клеям, склонность к старению под действием солнечного света, поражаемость грызунами.

Полипропилен [—СН2—СН(СН3)—]n по свойствам близок к полиэтилену, но превосходит его по теплостойкости (температура перехода в жидкое состояние 170°С) и механическим свойствам.

Полиэтилен и полипропилен применяют для изготовления труб, пленок, листов, пенопластов, погонажных, санитарно-технических и других изделий. Изделия из этих полимеров хорошо свариваются и подвергаются механической обработке.

Полистирол [—СН2—СН(С6Н5)]n — прозрачный жесткий полимер, при комнатной температуре хрупкий. Плотность его 1050…1080 кг/м3, температура размягчения — 80…100°С. Полистирол растворяется в органических растворителях (бензоле, толуоле, сложных эфирах и т.д.). Он хорошо окрашивается и легко перерабатывается в изделия. Полистирол и его растворы горят, давая яркое коптящее пламя и выделяя сладковатый, цветочный запах мономера. Используют его для изготовления пенопластов, облицовочных плиток и других изделий. Раствор полистирола используется в качестве клея.

Поливинилхлорид [—СН2—СНСl—]n — один из самых распространенных полимеров, используемых в строительстве. Он прозрачный, жесткий и прочный. Переходит в вязкотекучее состояние при температуре 180…200°С. Горит, но при удалении из пламени гаснет. При разложении поливинилхлорида выделяется хлористый водород. Пластические массы на основе поливинилхлорида выпускают в виде жестких материалов, не содержащих пластификатора (винипласт), и мягких, содержащих пластификаторы (пластикат); хорошо перерабатывается в различные изделия (линолеум, пленки, трубы, облицовочные материалы). Поливинилхлорид применяется также для получения кровельных материалов, оконных и дверных блоков.

Продукт на основе поливинилхлорида с содержанием хлора до 60…80% называется перхлорвинил. Он легко растворяется в органических растворителях и применяется для изготовления красок.

Поливинилацетат [—СН2—СН(СН3СОО)—]n — прозрачный, бесцветный, при комнатной температуре жесткий полимер. Плотность его 1 190 кг/м3; при нагревании до температуры 130…150°С разлагается с выделением уксусной кислоты; растворяется в некоторых органических растворителях, набухает в воде; не устойчив к действию кислот и щелочей; горюч. Положительное свойство поливинилацетата — высокая адгезия к камню, древесине, стеклу. Поливинилацетат широко применяется в производстве лаков, красок, клеев. В виде водной дисперсии его применяют также для полимерцементных бетонов и растворов, в производстве влагостойких обоев.

Поливинилацетатная дисперсия (ПВАД) — сметанообразная масса белого или светло-кремового цвета, хорошо смешивающаяся с водой. Для стабилизации этой дисперсии (мельчайшие частицы поливинилацетата в воде) служит поливиниловый спирт. Основной вид ПВАД, применяемый в строительстве, — дисперсия поливинилацетатная гомополимерная грубодисперсная. Содержание полимера в ней — около 50%; размер частиц дисперсии — 3 мкм. ПВАД выпускается средней (С), низкой (Н) и высокой (В) вязкости в непластифицированном и пластифицированном (индекс Ф) виде. В качестве пластификатора применяется дибутилфталат. ПВАД разбавляется водой в любом соотношении и хорошо совмещается с цементом и гипсом.

Полиакрилаты — полимеры производных акриловой и метакриловой кислот. В строительстве наибольшее применение находит полимер метакриловой кислоты.

Полиметилметакрилат [—СН2—С(СН3)—СООСН3—]n — известен под названием «органическое стекло». Это прозрачный полимер аморфной структуры, пропускающий свыше 99% солнечного света, в том числе ультрафиолетовые лучи, что выгодно отличает его от обычного силикатного стекла. Другими его преимуществами перед обычным стеклом являются меньшая хрупкость и хорошая обрабатываемость. Плотность его 1180 кг/м3, предел прочности при изгибе — 80…140 МПа. Применяется для остекления зданий, особенно теплиц, оранжерей, плавательных бассейнов, для устройства светопрозрачных ограждений, изготовления труб, в производстве моющихся обоев и в виде эмульсий для красок, лаков, грунтовок.

Полиизобутилен [—СН2—С(СН3)2—]n — мягкий, эластичный, каучукоподобный полимер, но в отличие от каучуков не способен вулканизироваться (превращаться в резину). По химической стойкости и прочности уступает полиэтилену и полипропилену, но превосходит их по эластичности и степени адгезии к бетону и другим материалам. Из полиизобутилена изготовляют герметизирующие мастики, клеи, пленки.

Термореактивные полимеры. Термореактивные (поликонденсационные) полимерные связующие обычно представляют собой вязкие жидкости или высококонцентрированные водные растворы. Не совсем верно их называют смолами. Как правило, это олигомеры, которые в процессе отверждения переходят в высокомолекулярное состояние. В отвержденном виде они превосходят термопластичные полимеры по прочности и теплостойкости.

Фенолоальдегидные полимеры получают путем ступенчатой поликонденсации фенолов с альдегидами. Наиболее распространены фенолоформальдегидные смолы. Формальдегид (СН2О) является простейшим представителем альдегидов. Фенол (С6Н5ОН) — простейший представитель ароматических углеводородов, в молекуле которых имеются гидроксильные группы, связанные с ароматическим кольцом. В зависимости от соотношения фенола и формальдегида получают либо термопластичные (новолачные), либо термореактивные (резольные) полимеры. Для производства строительных материалов более широко применяются резольные олигомеры и полимеры, выпускаемые как в жидком, так и в твердом состоянии. Применяют их в качестве связующего для производства слоистых пластиков, клеев, газонаполненных пластмасс, минераловатных изделий, древесно-стружечных плит, в полимерных бетонах и растворах и т.д.

Аминоальдегидные полимеры получают путем поликонденсации аминов с альдегидами. Амины — производные аммиака NH3, образованные замещением одного или нескольких водородных атомов углеводородными радикалами. Для производства строительных материалов применяют в основном карбамидо- и меламиноформальдегидные полимеры. Их изготавливают в виде водных растворов или эмульсий. Область применения аминоальдегидных полимеров примерно такая же, как у фенолоформальдегидных.

Карбамидоформальдегидные (карбамидные) смолы — олигомерные продукты конденсации мочевины (карбамида) с формальдегидом (другое название — мочевиноформальдегидные). Это наиболее дешевый и доступный вид синтетических смол. Они обладают невысокой прочностью и водостойкостью; содержат 30…40% свободной воды, связывание которой является необходимым условием получения прочного материала. Связывание воды осуществляется введением дополнительных вяжущих — гипса, фосфогипса и других веществ, химически связывающих воду, или цеолитов, впитывающих ее.

Эпоксидные смолы — олигомерные продукты различного состава, содержащие эпоксидные группы. Это вязкие жидкости или твердообразные вещества, растворимые в органических растворителях (реже - в воде) и плавящиеся при нагревании. Они прозрачны, цвет — от светло-желтого до коричневого. Перевод их в нерастворимое и неплавкое состояние достигается с помощью отвердителей при нормальной и повышенной температуре. Плотность эпоксидных смол — 1 100…1 200 кг/м3, температурный предел применения — до 120°С. Отвержденный полимер имеет высокую водостойкость, хорошую адгезию к металлу, дереву, каменным материалам, химическую стойкость. Применяются эпоксидные смолы в качестве универсальных клеев, связующих в стеклопластиках, полимербетонах, для получения лаков и красок.

Полиэфирные смолы — обширная группа полимеров, получаемых поликонденсацией многоатомных спиртов и органических кислот. Различают насыщенные (термопластичные) полиэфиры и ненасыщенные полиэфиры (термореактивные). Ненасыщенные полиэфирные полимеры применяют для изготовления различного рода стеклопластиков и изделий из них (плоских и волнистых листов, санитарно-технических изделий), лаков, красок, клеев, литых изделий, полимербетонов и т.д.

Алкидные полимеры — разновидность полиэфирных полимеров; один из старейших типов полимеров, получивших широкое распространение в лаковой промышленности, в меньшей степени — для производства линолеума. В промышленности строительных материалов из алкидных полимеров применяют глифталевые и пентафталевые полимеры и их модификации. Названия этих полимеров образуются от вида применяемого сырья: глифталевые получают на основе глицерина и фталевого ангидрида, пентафталевые — на основе пентаэритрита и фталевого ангидрида. Модифицированные глифтали и пентафталевые полимеры в основном применяют для изготовления лаков и эмалей холодной и горячей сушки, грунтовок и шпатлевок для внутренней отделки помещений.

Полиуретановые смолы — химически активные олигомеры, легко отверждающиеся водой, гликолями (двухатомные спирты). Обладают высокой прочностью и эластичностью, химической стойкостью, износостойкостью. Их используют для получения искусственных кож, поролона, эффективных теплоизоляционных материалов, лакокрасочных материалов, клеев.

Фурановые полимеры получают из фурфурола, фурилового спирта и ацетона. Они обладают высокой теплостойкостью и применяются для получения полимерных бетонов, защитных лаков, клеев и мастик. Из пресс-материалов изготавливают трубы, арматуру, различные детали.

Кремнийорганические полимеры — представители элементоорганических высокомолекулярных соединений. Мономерами для кремнийорганических полимеров служат соединения, получаемые взаимодействием кремния с хлористым метилом и этилом. Кремнийорганические полимеры характеризуются высокой теплостойкостью (более 400°С), водостойкостью, морозостойкостью, эластичностью, устойчивостью к окислению, гидрофобизующей способностью.

В строительстве широко используют низкомолекулярные кремнийорганические полимеры в виде жидкостей для придания гидрофобных свойств поверхностям различных строительных материалов (бетона, кирпича, асбестоцемента, штукатурки и др.). Гидрофобизирующие кремнийорганические жидкости (ГКЖ) нетоксичны и удобны в обращении. Кремнийорганические полимеры применяют для изготовления пенопластов, пропиточных составов, лаков, эмалей, красок, а также для изготовления слоистых пластиков, стеклопластиков и др.

Полиамиды — содержат в основной цепи макромолекулы повторяющиеся амидные группы —СОNH—. Из полиамидов изготавливают пленки, трубы, различную строительную арматуру. Применяют их также для изготовления лаков и клеев, обладающих хорошей адгезией к бетону, керамике, металлам, пластмассам и др.

Каучукоподобные полимеры и синтетические каучуки. Отдельную группу полимеров, получаемых полимеризацией различных углеводородов, составляют синтетические каучуки. Главная особенность их заключается в том, что они состоят из гибких, как бы свернутых в спираль, макромолекул и обладают эластичностью. При приложении растягивающей силы они могут удлиняться в 2—10 раз, а при прекращении действия силы восстанавливают свои первоначальные размеры.

При обработке серой в условиях повышенного давления и температуры (140…150°С) из смесей каучуков с наполнителями (мел, сажа, каолин) и некоторыми регулирующими добавками получают вулканизированный каучук и резину. При вулканизации (превращении каучука в резину) макромолекулы каучука связываются поперечными связями («мостиками» из серы), что повышает механическую прочность, эластичность и теплостойкость материала. В отличие от каучуков резины не имеют пластических деформаций и не растворяются в органических растворителях.

Каучук и каучукоподобные полимеры используются в строительстве для изготовления эластичных клеев, красок, мастик, для модификации полимерных и битумных материалов, изготовления герметиков, материалов для полов, модификации строительных растворов и бетонов и т.д.

Модифицированные природные полимеры. Для получения связующих веществ, применяемых в отделочных работах, природные полимеры модифицируют в целях улучшения их свойств.

Целлюлоза (от лат. сellula — клетка) — самый распространенный природный полимер. Для производства модифицированных полимеров целлюлозы используют древесину или хлопок. Из древесины получают так называемую древесную целлюлозу, из хлопка — целлюлозу высшего качества.

Нитроцеллюлозу (НЦ) (азотнокислый эфир целлюлозы) с содержанием азота 10,7…12% называют коллоксилином, а с более высоким содержанием азота — пироксилином. По внешнему виду коллоксилин представляет собой рыхлую волокнистую массу белого цвета, напоминающую исходную целлюлозу. Серьезным недостатком нитроцеллюлозы является легкая воспламеняемость. Применяют нитроцеллюлозу для изготовления шпатлевок, мастик, красок, лаков.

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) — порошкообразный или волокнистый продукт белого цвета, хорошо растворяющийся в воде. Образующийся вязкий раствор обладает клеящими свойствами. Карбоксиметилцеллюлозный клей используется для приклеивания обоев, изготовления мастик, шпатлевок, штукатурных смесей. Он не токсичен, биостоек, стоек к действию органических растворителей, жиров, масел. В производстве лаков и красок применяется также метилцеллюлоза (МЦ), этилцеллюлоза (ЭЦ), бензилцеллюлоза (БЦ), оксиэтилцеллюлоза.

Олифы (от греч. a’leipha — мазь, масло) — пленкообразующие вещества на основе растительных масел или алкидных смол. Применяются олифы для приготовления и разбавления масляных красок, для пропитки древесины перед окрашиванием, как вяжущее и пластификатор в мастиках и замазках при облицовочных работах.