Основы производства

Краткие исторические сведения

Искусственные полимеры – высокомолекулярные соединения (молекулы из нескольких тысяч или сотен тысяч атомов, построенных путем многократного повторения одинаковых групп или звеньев одинаковой структуры), полученные человеком из природных веществ в процессе оригинальных реакций.

Природные полимеры – сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных. Для производства строительных материалов (как правило, специального назначения) используют битумы, дегти.

Материалы на основе полимеров – твердые, пластично-вязкие (мастики) или жидкотекучие (лаки, краски) составы, в которых, кроме полимеров, содержится еще ряд компонентов, влияющих на их свойства. Полимерные композиции способны в процессе формования принимать требуемую форму и сохранять ее после снятия формующих нагрузок. Учитывая эту способность, материалы на основе полимеров называют также пластическими массами.

Первые искусственные полимеры, в том числе фенолформальдегид, были получены во второй половине XIX в. С 1907 г. на их основе в США было освоено промышленное производство пластмасс, и уже в 1916 г. в больших объемах производилась первая пластмасса горячего формования – бакелит.

Первые дома из пластмасс появились в конце 20-х - начале 30-х гг. XX в. в США (рис. 121). «Винилайтхаус», представленный на Чикагской выставке 1933 г., имел панели из поливинилхлорида толщиной 5 см, размером 240x70 см и полы из поливинилхлоридных плит. Для здания конторы фирмы «Васко» использовали трехслойные панели из полиметилметакрилата и пенопласта.

Заметный количественный и качественный рост производства пластмасс отмечается с 1935 г., когда был изобретен самый прочный материал на основе полимеров – стеклопластик. С 1945 г. строительные пластмассы все чаще применяют для внутренней отделки зданий и для ограждающих конструкций.

В середине 50-х гг. XX в. в США, Японии, Великобритании, Франции, Швейцарии освоен выпуск каркасных зданий с панелями из пластмассы. Формообразующие возможности последней были показаны при строительстве «Дома-улитки» из стеклопластика во Франции и «Дома будущего» в США. В Париже было построено многоэтажное административное здание с наружными стенами из стеклопластика, в США – бескаркасные дома с несущими стенами из пластмассы.

Сырье. Основные сырьевые компоненты для производства пластмасс – полимеры, пластификаторы, наполнители, катализаторы, стабилизаторы, красители.

В зависимости от способа получения искусственные (синтетические) полимеры разделяют на две группы: полимеризационные и поликонденсационные.

При реакции полимеризации происходит процесс соединения молекул низкомолекулярного вещества – мономера – без изменения его химического состава и выделения побочных продуктов. Приведем краткую характеристику некоторых полимеризационных полимеров, часто используемых для получения строительных пластмасс.

Поливинилхлорид получают различными методами из ацетилена и хлористого водорода. Из-за высокого содержания хлора полимер не воспламеняется и не горит. Однако при температуре 130-170 °С поливинилхлорид разлагается с выделением хлористого водорода. Это один из самых популярных полимеров для производства различных материалов.

Полистирол образуется в результате дегидрирования этилбензола в присутствии водяного пара. Полимер отличается высокой светопрозрачностью – до 90%, хрупок, может разрушаться при действии некоторых органических растворителей.

Полиэтилен производят на основе газа этилена, он имеет линейное строение молекул, отличается сравнительно высокой коррозионной стойкостью, прочностью, но обладает низкой теплостойкостью (80 °С).

Синтетические каучуки получают полимеризацией различных углеводородов. Такие полимеры состоят из гибких макромолекул, обладают эластичностью. Их прочность и теплостойкость повышают вулканизацией.

При реакции поликонденсации образуются высокомолекулярные соединения с выделением побочных продуктов. Например, при поликонденсации фенола и формальдегида получаются фенолформальдегидная смола и вода. Химический состав таких полимеров отличается от исходных продуктов. Для производства материалов широко применяют, в частности, следующие поликонденсационные полимеры.

Фенолальдегидные производят при поликонденсаиии фенолов с альдегидами, они достаточно водостойки и прочны.

Карбамидно- и меламшоформальдегидные получают в результате соответствующей реакции аминов с альдегидами. Эти полимеры отличаются тепло- и светостойкостью.

Полиэфиры образуются при взаимодействии двух основных кислот, их ангидридов или эфиров с многоатомными спиртами.

Полиуретаны получают в процессе реакций с участием полиэфиров, многоатомных спиртов. Они характеризуются сравнительно высокой химической стойкостью и прочностью.

Эпоксидные полимеры отличают высокие коррозиеустойчивость, прочность, незначительная усадка.

Основы технологии. Основные технологические операции при производстве полимерных материалов – дозировка, перемешивание, формование, отделка лицевой поверхности.

Формообразование пластмасс осуществляется разнообразными способами. Основные из них – экструзионный, литье под давлением, вакуумформование, каландрирование, прессование.

Экструзионный способ формования пластмасс осуществляется, как правило, с помощью шнековых экструзионных машин, куда смесь сырьевых компонентов подается в порошкообразном или гранулированном виде. Под действием нагревателей масса размягчается и выдавливается через экструзионную головку. Таким способом формуют длинномерные (погонажные) профилированные и рулонные материалы.

Прессование производят с помощью гидравлических прессов. При этом сырьевая смесь разогревается. Таким способом формуют материалы с большим количеством наполнителя.

Литье под давлением осуществляется путем разогревания сырьевой смеси до жидкотекучего состояния в литьевых машинах и впрыскивания ее под давлением через сопло в форму. После охлаждения и затвердевания пластмассы форму раскрывают.

Вакуум-формование производят в специальных формах. Листовая заготовка при действии теплоты от нагревателей размягчается. После создания вакуума в форме лист пластмассы приобретает конфигурацию, соответствующую форме. Таким образом формуют сравнительно тонкие листовые и плитные материалы.

Каландрирование (вальцевание) предполагает прохождение полимерной смеси через зазоры между каландрами (валками). Таким способом формуют рулонные и пленочные материалы.

Отделка лицевой поверхности пластмасс выполняется различными способами, среди которых окрашивание (объемное и поверхностное), печатание, тиснение, аппликация, декалькомания, металлизация.

На практике в основном применяют объемное окрашивание и печатание на лицевой поверхности тонких рулонных материалов (пленок). Большое количество современных строительных пластмасс имеет после формования лицевую поверхность, готовую к применению.