Материалы на основе полимеров 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ v

Материалы на основе полимеров

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ v. Искусственные полимеры — высокомолекулярные соединения (молекулы из нескольких тысяч или сотен тысяч атомов, построенные путем многократного повторения одинаковых групп или звеньев), полученные человеком из природных веществ в процессе оригинальных реакций. v. Природные полимеры — сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных. Для производства строительных материалов (как правило, специального назначения) используют битумы, дегти.

КРАТКИЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Первые искусственные полимеры были получены во второй половине XIX в. . в их числе фенолформальдегид. С 1907 г. на его основе в США организовано промышленное производство пластмасс, а в 1916 г. в больших объемах производилась первая пластмасса горячего формования — бакелит. Заметный количественный и качественный рост производства пластмасс может быть отмечен с 1935 г. В том году был изобретен самый прочный материал на основе полимеров — стеклопластик. С 1945 г. строительные пластмассы все чаще применяют для внутренней отделки зданий, для ограждающих конструкций.

2. Основы производства a) Сырье В зависимости от способа получения искусственные (синтетические) полимеры разделяют на две группы: полимеризационные и поликонденсационные. Искусственные (синтетические) полимеры полимеризационные При реакции полимеризации происходит процесс соединения молекул низкомолекулярного вещества — мономера — без изменения его химического состава и выделения побочных продуктов. поликонденсационные При поликонденсации образуются высокомолекулярные соединения с выделением побочных продуктов. Химический состав таких полимеров отличается от исходных продуктов.

Приведем краткую характеристику некоторых полимеризационных полимеров, часто используемых для получения строительных пластмасс. v. Поливинилхлорид (ПВХ) получают различными методами из ацетилена и хлористого водорода. Высокое содержание хлора в полимере приводит к тому, что он не воспламеняется и не горит. Однако при температуре 130. . . 170 °С происходит его разложение с выделением хлористого водорода. v. Полистирол образуется в результате дегидрирования этилбензола в присутствии водяного пара. Полимер отличается высокой светопрозрачностью — до 90 %. хрупок, может разрушаться при действии некоторых органических растворителей. v. Полиэтилен производят на основе газа этилена, он имеет линейное строение молекул, отличается сравнительно высокой коррозионной стойкостью, прочностью, но низкой теплостойкостью (80°С). v. Полиакрилаты представляют собой полимеры акриловой, метакриловой кислот и их производных. Эти полимеры светопрозрачны и способны пропускать ультрафиолетовые лучи. Полиметилметакрилат (органическое стекло) по светопрозрачности (свыше 99 %) превосходит силикатные стекла. v. Синтетические каучуки получают полимеризацией различных углеводородов. Такие полимеры состоят из гибких макромолекул, обладают эластичностью. Их прочность и теплостойкость повышают вулканизацией.

Для производства материалов широко применяют, в частности, следующие поликонденсационные полимеры. v. Фенолальдегидные производят при поликонденсации фенолов с альдегидами, они достаточно водостойки и прочны. v. Карбамидно- и меламиноформалъдегидные получают в результате соответствующей реакции аминов с альдегидами. Эти полимеры отличаются тепло и светостойкостью. v. Полиэфиры образуются при взаимодействии двух основных кислот, их ангидридов или эфиров с многоатомными спиртами. v. Полиуретаны получают в процессе реакций с участием полиэфиров, многоатомных спиртов. Они характеризуются сравнительно высокой химической стойкостью и прочностью. v. Эпоксидные полимеры отличают высокие коррозионная стойкость, прочность, незначительная усадка. v. Кремнийорганические полимеры содержат в макромолекулах атомы кремния. Они обладают высокой теплостойкостью (более 400°С), водо и морозостойкостью, гидрофобностью. Но механическая прочность этих полимеров невысока.

Сырьевые компоненты v. Пластификаторы повышают гибкость и эластичность полимеров и тем самым облегчают условия их переработки. Их количество составляет 5. . . 40 % массы полимера в зависимости от его состава и свойств. v. Наполнители вводят для повышения теплостойкости, прочности, твердости, уменьшения усадочных деформаций, улучшения других эксплуатационно технических свойств пластмасс. Применяют волокнистые (стеклянные, асбестовые, синтетические) листовые (древесный шпон, бумага, фольга), порошкообразные (древесная мука, тонкомолотые мел, известняк, тальк и др. ) наполнители, а также ткани (асбестовые, стеклоткани, хлопчатобумажные). v. Катализаторы ускоряют процесс отверждения полимеров и образования их структуры. v. Стабилизаторы способствуют сохранению свойств пластмасс в процессе эксплуатации. Используют, в частности, термо и светостабилизаторы, снижающие скорость окисления полимеров. v. Красители используют для объемного окрашивания пластмасс. Применяют минеральные или органические пигменты, синтетические окрашивающие составы.

b)Основы технологии Основные технологические операции производстве полимерных материалов — дозирование, перемешивание, формование, отделка лицевой поверхности. 1. Формообразование пластмасс осуществляется весь ма разнообразными способами. Основные из них — экструзионный, литье под давлением, вакуумирование, каландрирование, прессование (рис. 1). Рис. 1. Принципиальные схемы способов формования материалов из пластмасс: а — экструзия: 1 — шнек, 2 — нагреватель, 3 — формующее устройство, 4 — материал. 5 — пластмасса; б — литье под давлением: 1 — плунжер, 2 — нагреватель, 3 — форма из стали, 4 — пластмасса; в — вакуумформование: 1 — нагреватель, 2 — лист пластмассы. 3 — вакуум; г — каландрирование: 1 — вальцы, 2 — пластмасса

1. Формообразование 1. 1. Экструзионный способ формования пластмасс осуществляется, как правило, при помощи 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. 1. 2. 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. 1. 3. Вакуум-формование производят в специальных формах. Листовая заготовка при действии теплоты от нагревателей размягчается. После создания в форме вакуума лист пластмассы приобретает конфигурацию, соответствующую форме. Таким образом формуют сравнительно тонкие листовые и плитные материалы. 1. 4. Каландрирование (вальцевание) предполагает прохождение полимерной смеси через зазоры между каландрами (валками). Таким способом формуют рулонные, пленочные материалы. 1. 5. Прессование производят при помощи гидравлических прессов. Сырьевая смесь при этом разогревается. Таким способом формуют

2. Отделка лицевой поверхности пластмасс выполняется различными способами, среди которых окрашивание (объемное и поверхностное), печатание, тиснение, аппликация, декалькомания, металлизация. 2. 1 Способ печати позволяет получать чистый и четкий оттиск рисунка, но длительность высыхания используемых высоковязких красок приводит к тому, что этот способ печати почти не применяется. 2. 2 При отделке тиснением рисунок получают путем переноса оттиска с металлизированного или пигментированного слоя специальной пленки под давлением горячего штампа. 2. 3 Аппликация — нанесение на поверхность отделываемого материала накладных элементов различных составов (бумага, полимерная пленка, ткань и др. ). Указанные элементы отделки наносятся на поверхность готового материала или закрепляются на изделии в процессе его формования. 2. 4 При декалькомании в отличие от прямого запечатывания изображение наносят предварительно на специальную подложку, а затем переводят на поверхность материала одним из трех способов — мокрым, сухим или термическим. Помощью декалькомании можно наносить рисунок на отделочные материалы весьма сложной формы и фактуры. 2. 5 При металлизации поверхности пластмасс (нанесении тонкого слоя металла) она приобретает отражательную способность, большую твердость и абразивостойкость.

3. Номенклатура По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры) и синтетические Биополимеры v белки v нуклеиновые кислоты v смолы природные Синтетические v полиэтилен v полипропилен v феноло формальдегидные смолы

4. Свойства полимеров Эксплуатационно-технические свойства : v Теплостойкость материалов на основе полимеров выражается температурой, при которой под действием определенной заданной нагрузки деформация образца пластмассы достигает известного значения. Пенопласты обладают самой низкой теплопроводностью по сравнению с другими материалами. Их коэффициент теплопроводности (0, 028. . . 0, 04) приближается к соответствующему коэффициенту воздуха (рис. 2). Рис. 2. Толщина слоя различных материалов, необходимая для обеспечения одинаковой степени теплоизоляции 1 — пенополиуретан — 25 мм, 2 — пенополистирол — 40 мм, 3 — минеральная вата — 45 мм, 4 — пробка — 50 мм, 5 — ДВП — 65 мм, 6 — ДСП — 140 мм, 7 — легкий бетон — 380 мм, 8 — кирпич керамический полнотелый — 860 мм

v Огнестойкость полимерных материалов оценивают известными методами огневой трубы или калориметрии: те материалы, которые при нагревании до 750 °С не горят, имеют потерю массы после испытания менее 10 % и не выделяют горючих газов в количестве, достаточном для воспламенения, считают несгораемыми. v Твердость пластмасс, как правило, ограничена и не находится в прямой зависимости от прочности как, например, у металлических материалов. v Деформативностъ пластмасс характеризуется склонностью к ползучести — необратимым деформациям при длительном действии нагрузок. При нормальной температуре модуль упругости пластмасс значительно меньше, чем у многих других материалов. С повышением температуры ползучесть пластмасс резко возрастает. Указанный недостаток ограничивает применение пластмасс в качестве конструкционного материала.

Эстетические характеристики : Эстетические характеристики связаны со структурой, составом и функциональным назначением пластмасс. Пластмассы предоставляют возможность имитации фактуры и рисунка любого материала, в том числе природного камня или древесины. Но поиски эстетических характеристик должны исходить из структуры и свойств пластмассы как сравнительно нового искусственного материала. Изучение эстетических характеристик конструкционно-отделочных и отделочных материалов на основе полимеров предусматривает учет их размеров и возможных дефектов внешнего вида. Наименование материала Возможные характерные дефекты Пластик бумажно слоистый декоративный Отслаивания, трещины, вздутия, вмятины, загрязнения ДБСП Панели поливинилхлоридные деко ративные. Непараллельность кромок, кривизна, заусенцы «Полидекор» и полисти рольные «Полиформ» Плитки облицовочные полистироль ные и Неплоскостность лицевой поверхности, трещи ны, декоративные «Превинил» вздутия, наплывы, царапины, посторонние включения Линолеумы Непараллельность кромок, раковины, бугры, вмятины, пятна, царапины, наплывы, складки, пузыри Пленки поливинилхлоридные декоративные Непараллельность кромок, разрывы, проколы, складки, загрязнения

5. Примеры применения Строительные пластмассы в качестве конструкционных и конструкционно отделочных материалов применяются для основных типов конструкций: линейно плоскостных, стеновых панелей, жестких пространственных покрытий, пневматических сооружений. Ограждающие конструкции малоэтажных зданий — основная область применения пластмассовых панелей. Последние могут использоваться и для бескаркасных зданий. В этом случае прочность конструкции обеспечивается каркасом внутри самих панелей. Листы из поликарбоната с сотовой структурой (панели) применялись для светопрозрачных покрытий средних и крупных торговых центров в США, а также предусматривали применение упомянутых листов для светопрозрачных конструкций жилых, общественных и промышленных зданий, в т. ч. спортивных и выставочных залов, пешеходных переходов, торговых сооружений, заводских цехов, теплиц и парников.

Рулонные материалы для пневматических сооружений могут состоять из синтетических тканей с полимерными покрытиями. Волокна для тканей получают из различных полимеров: полипропилена, полиэфиров (дакрон, терилен, лавсан и др. ), поливинилспиртовых (куралон, винол и др. ), полиакрилнитрильных (орлон, нитрон и др. ), полиамидных (нейлон, капрон, дедерон и др. ). Полимерные покрытия в виде пасты или пленок получают, как правило, из синтетических каучуков или пластифицированного ПВХ. Полимерные оболочки применяются для воздухоопорных (подача воздуха под оболочку) и воздухонесомых (подача воздуха в несущие конструкции стержневого типа) сооружений (рис. 3). Рис. 3. Павильоны передвижной выставки воздухоопорной оболочки (США, архит. Ф. Ланди) из двухслойной

Весьма многочисленны примеры применения в современной архитектурно строительной практике отделочных материалов на основе полимеров: v рулонных: линолеумы, пленки, обои, а также ковровые, кровельные и гидроизоляционные материалы v листовых и плиточных: cветопрозрачные листы, плиты для покрытий полов, плитки полистирольные, плиты теплоизоляционные, v монолитных: эпоксидные, полиуретановые, метилметакриловые и другие составы для покрытия полов (в основном, промышленных), полимербетоны. v погонажных: раскладки для крепления листовых и рулонных отделочных материалов, рейки стеновые, вспомогательные профили для крепления наличников, нащельники, планки солнцезащитных жалюзи, плинтусы, порожки, уголки для обработки стыков облицовочных материалов, накладки для защиты выступающих углов, торцовые раскладки для дверных полотен и встроенного оборудования, поручни, прокладки для стеклопакетов и др.

В заключение следует подчеркнуть, что на лицевой поверхности современных конструкционно отделочных и отделочных строительных пластмасс часто имитируют эстетические характеристики природных материалов (из натураль нойдревесины, природного камня). Но строительные пластмассы — сравнительно новые материалы, и соответствующее восприятие отделки при этом нередко связано с ощущением искусственного, «не настоящего» материала. Кроме того, многие специалисты отрицательно оценивают большинство рассматриваемых материалов с экологической точки зрения — в процессе эксплуатации они могут выделять токсичные и отравляющие вещества в количестве, опасном для здоровья человека.