Термопластичные полимеры
Термопластичными называют полимеры, способные многократно размягчаться при нагревании и отвердевать при охлаждении. Эти и многие другие свойства термопластичных полимеров объясняются линейным строением их макромолекул. При нагревании взаимодействие между молекулами ослабевает и они могут сдвигаться одна относительно другой (как это происходит с частицами влажной глины), полимер размягчается, превращаясь при дальнейшем нагревании в вязкую жидкость.
Линейным строением молекул объясняется также способность термопластов не только набухать, но и хорошо растворяться в правильно подобранных растворителях. Тип растворителя зависит от химической природы полимера. Растворы полимеров, даже очень небольшой концентрации (2…5%), отличаются довольно высокой вязкостью, причиной этого являются большие размеры полимерных молекул по сравнению с молекулами обычных низкомолекулярных веществ. После испарения растворителя полимер вновь переходит в твердое состояние. На этом основано использование растворов термопластов в качестве лаков, красок, клеев и вяжущего компонента в мастиках и полимеррастворах.
К недостаткам термопластов относятся низкая теплостойкость (обычно не выше 80… 120 °С), низкая поверхностная твердость, хрупкость при пониженных температурах и текучесть при высоких, склонность к старению под действием солнечных лучей и кислорода воздуха.
В строительстве используется около 20…25 % производимых полимеров. Главнейшие термопластичные полимеры, применяемые в строительстве — поливинилхлорид, полистирол, полиэтилен и полипропилен, а также поливинилацетат, полиакрилаты, полиизобутилен и др.
Полиэтилен обладает высокой химической стойкостью, биологически инертен. Под влиянием солнечного излучения (УФ его составляющей) полиэтилен стареет, теряя эксплуатационные свойства.
При нагреве до 50…60 °С полиэтилен снижает свои прочностные показатели, но при этом сохраняет эластичность до минус 60…70 °С. Полиэтилен хорошо сваривается и легко перерабатывается в изделия. Из него изготавливают пленки (прозрачные и непрозрачные), трубы, электроизоляцию. Вспененный полиэтилен в виде листов и труб используется для целей теплоизоляции и герметизирующих прокладок.
Недостатки полиэтилена — низкая теплостойкость и твердость, горючесть, быстрое старение под действием солнечного света. Защищают полиэтилен от старения, вводя в него наполнители (сажу, алюминиевую пудру) и/или специальные стабилизаторы.
Полипропилен — полимер, по составу близкий к полиэтилену. При синтезе полипропилена образуется несколько различных по строению полимеров: изотактический, атактический и синдиотактический.
В основном применяется изотактический полипропилен. Он отличается от полиэтилена большей твердостью, прочностью и теплостойкостью (температура размягчения около 170 °С), но переход в хрупкое состояние происходит уже при минус 10…20 ºС.
Максимальная температура эксплуатации для изделий из полипропилена 120…140 °С, но изделия, находящиеся в нагруженном состоянии, например трубы горячего водоснабжения, не рекомендуется использовать при температуре выше 75 °С.
Применяют полипропилен практически для тех же целей, что и полиэтилен, но изделия из него более жесткие и формоустойчивые.
Атактический полипропилен (АПП) получается при синтезе полипропилена как неизбежная примесь, но легко отделяется от изотактического полипропилена экстракцией (растворением в углеводородных растворителях).
Полиизобутилен — каучукоподобный термопластичный полимер.
Полистирол (поливинилбензол) — прозрачный полимер плотностью 1050…1080 кг/м; при комнатной температуре жесткий и хрупкий, а при нагревании до 80… 100 °С размягчающийся. Прочность при растяжении (при 20 °С) 35…50 МПа. Полистирол хорошо растворяется в ароматических углеводородах (влияние бензольного кольца, входящего в состав молекул полистирола), сложных эфирах и хлорированных углеводородах. Полистирол горюч и хрупок.
В строительстве полистирол применяют для изготовления теплоизоляционного материала — пенополистирола (плотностью 15…50 кг/м), облицовочных плиток и мелкой фурнитуры. Раствор полистирола в органических растворителях — хороший клей.
Поливинилацетат — прозрачный бесцветный жесткий при комнатной температуре полимер плотностью 1190 кг/м. Поливинилацетат растворим в кетонах (ацетоне), сложных эфирах, хлорированных и ароматических углеводородах, набухает в воде; в алифатических и терпеновых углеводородах не растворяется. Поливинилацетат не стоек к действию кислот и щелочей; при нагреве выше 130… 150 °С он разлагается с выделением уксусной кислоты. Положительное свойство поливинилацетата — высокая адгезия к каменным материалам, стеклу, древесине.
В строительстве поливинилацетат применяют в виде поливинилацетатной дисперсии (ПВАД) — сметанообразной массы белого или светло-кремового цвета, хорошо смешивающейся с водой. Поливинилацетатную дисперсию получают полимеризацией жидкого винилацетата, эмульсированного в виде мельчайших частиц (до 5 мкм) в воде.
Недостаток материалов на основе дисперсий поливинилацетата — чувствительность к воде: материалы набухают, и на них могут появиться высолы.
Поливинилхлорид — самый распространенный в строительстве полимер — представляет собой твердый материал без запаха и вкуса, бесцветный или желтоватый (при переработке в результате термодеструкции может приобрести светло-коричневый цвет).Температура текучести поливинилхлорида 180…200 °С, но уже при нагревании выше 160 °С.
Поливинилхлорид хорошо совмещается с пластификаторами. Это облегчает переработку и позволяет получать пластмассы с самыми разнообразными свойствами: жесткие листы и трубы, эластичные погонажные изделия, мягкие пленки.
Поливинилхлорид хорошо сваривается; склеивается он только некоторыми видами клеев, например перхлорвиниловым. Положительное качество поливинилхлорида — высокие химическая стойкость, диэлектрические показатели и низкая горючесть.
В строительстве поливинилхлорид применяют для изготовления материалов для полов (различные виды линолеума, плитки), труб, погонажных изделий (поручни, плинтусы сайдинг и т. п.) и отделочных декоративных пленок и пенопластов.
Перхлорвинил — продукт хлорирования поливинилхлорида, содержащий 60…70 (по массе) хлора, вместо 56 % в поливинилхлориде. Плотность перхлорвинила около 1500 кг/м. Он характеризуется очень высокой химической стойкостью (к кислотам, щелочам, окислителям); трудносгораем. В отличие от поливинилхлорида перхлорвинил легко растворяется в хлорированных углеводородах, ацетоне, этилацетате, толуоле, ксилоле и других растворителях.
Положительное качество перхлорвинила — высокая адгезия к металлу, бетону, древесине, коже и поливинилхлориду. Сочетание высокой адгезии и хорошей растворимости позволяет использовать перхлорвинил в клеях и окрасочных составах. Перхлорвиниловые краски благодаря высокой стойкости этого полимера используют для отделки фасадов зданий.
Поликарбонаты— сравнительно новая для строительства группа полимеров — сложных эфиров угольной кислоты. Они отличаются высокими физико-механическими показателями, мало изменяющимися в интервале температур от — 100 до + 150 ºС. Плотность поликарбонатов 1200 кг/м 3 ; прочность при растяжении 65 ± 10 МПа при относительном удлинении 50…100 %; у них высокая ударопрочность и твердость (НВ 15…16 МПа).
Перерабатывают поликарбонат в изделия экструзией, литьем под давлением горячим прессованием и др. Он легко обрабатывается механическими методами, сваривается горячим воздухом и склеивается с помощью растворителей. Поликарбонаты оптически прозрачны, устойчивы к атмосферным воздействиям, в том числе и к УФ-облучению. Их широко применяют для электротехнических изделий (розеток, вилок, телефонных аппаратов и т.п.). В строительстве листовой поликарбонат и пустотелые (сотовые) панели используют для светопрозрачных ограждений.
Кумароноинденовые полимеры — полимеры, получаемые полимеризацией смеси кумарона и индена, содержащихся в каменноугольной смоле и продуктах пиролиза нефти.
Кумароноинденовый полимер имеет небольшую молекулярную массу (менее 3000) и в зависимости от ее значения может быть каучукоподобным или твердым хрупким материалом. Снизить хрупкость кумароноинденовых полимеров можно совмещая их с каучуками, фенолформальдегидными смолами и другими полимерами. Эти полимеры хорошо растворяются в бензоле, скипидаре, ацетоне, растительных и минеральных маслах.
Кумароноинденовые полимеры в расплавленном или растворенном виде хорошо смачивают другие материалы, а после затвердевания сохраняют адгезию к материалу, на который были нанесены. Из них изготовляют плитки для полов, лакокрасочные материалы и приклеивающие мастики.
Полимерные строительные материалы
Полимерными называются материалы, в состав которых в качестве основного компонента входят высокомолекулярные органические вещества – полимеры. Благодаря своей способности формоваться полимерные материалы называются также пластическими массами. Пластмассы, применяемые в строительстве, представляют собой обычно сложные композиции, состоящие из полимерного связующего, наполнителей, отвердителей, пластификаторов, стабилизаторов и других добавок.
Полимеры. Полимеры – это высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся структурных звеньев. Они бывают природными (натуральный каучук, целлюлоза и др.) и искусственными, получаемыми из различного сырья методами полимеризации или поликонденсации.
Полимеризация – процесс соединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) без выделения побочных продуктов. Ускоряют процесс полимеризации повышением температуры, воздействием света и введением специальных добавок – катализаторов.
Поликонденсация – процесс соединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) с выделением низкомолекулярных продуктов.
Полимеры подразделяются на термопластичные, способные многократно размягчаться при нагревании и отвердевать при охлаждении, и термореактивные, не способные к повторному размягчению. В строительстве чаще всего используют следующие полимеры.
— Полиуретан – продукт взаимодействия диизоцианатов и многоатомных спиртов. Используется для изготовления волокон, лакокрасочных материалов, гидроизоляционных пленок, клеев, полимербетонов и др.
— Полистирол [-CH2-CHС6Н5]n – твердый, хрупкий и водостойкий полимер. Прменяется для изготовления пенопласта, плиток и панелей.
— Полиэтилен [-CH2-CH2-]n – морозостойкий полимер с малой водо- и газопроницаемостью. Используется для изготовления труб, пенопластов и др.
— Фенолформальдегидные смолы – получают из фенола и формальдегида, обладают высокой химической стойкостью. Применяют при изготовлении древесно-стружечных (ДСП) и древесно-волокнистых (ДВП) плит.
— Эпоксидные смолы – обладают высокой химической стойкостью. Применяются при изготовлении линолеумов, лаков, красок, бетонополимеров и полимербетонов и др.
— Полиэфирные смолы – продукт поликонденсации многоосновных кислот и спиртов. Используют для производства лаков и красок, полимербетонов и др.
— Кремнийорганический смолы – высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из чередующихся атомов кремния и кислорода, а углерод входит в состав групп, обрамляющих главную цепь. Их используют для производства гидрофобных жидкостей (ГКЖ), применяемых для гидрофобизации строительных конструкций, а также красок.
Наполнители. Они снижают расход полимера, удешевляют пластмассы и улучшают их физико-механические свойства. Наполнители подразделяются на органические и неорганические; порошкообразные (мел, тальк, опилки и др.), волокнистые (древесные, стеклянные, асбестовые и др. волокна), слоистые (ткани, бумага, картон, древесный шпон и др.).
Пластификаторы. Их применяют для улучшения формовочных свойств пластмасс и уменьшения их хрупкости. В основном это высококипящие органические жидкости.
Стабилизаторы. Это добавки, способствующие сохранению структуры и свойств пластмасс во времени. Они замедляют старение платмасс. Как правило, это оксиды металлов.
Отвердители. Их вводят для сокращения времени отверждения пластмасс.
Для пластмасс характерна низкая плотность при относительно высоких прочностных показателях, что дает возможность создавать конструкции из пластмасс. Пластмассы – плохие проводники тепла и электричества, поэтому они являются хорошими теплоизоляционными материалами и диэлектриками. В большинстве случаев полимерные материалы устойчивы к кислотам, щелочам и другим химическим веществам. Они не требуют дополнительной защиты поверхности и могут быть окрашены в различные цвета. Многие пластмассы непроницаемы для воды, что обусловило их применение для гидроизоляции. Ряд пластмасс, не содержащих наполнителей и пигментов, обладают высокой прозрачностью и используются для остекления оранжерей, теплиц, лечебных учреждений и др.
При применении полимерных материалов необходимо учитывать их недостатки, к которым относятся:
— низкая теплостойкость. Многие пластмассы плавятся при температуре ниже 100 о С;
— способность воспламеняться и гореть или разлагаться с выделением ядовитых веществ под действием высокой температуры;
— при старении полимеров под действием различных факторов (высокой температуры, воздействия ультрафиолетовых лучей, агрессивных веществ, кислорода воздуха и др.) некоторые пластмассы обладают способностью выделять в окружающую среду вредные вещества.
Номенклатура современных полимерных строительных материалов
1. Конструкционные полимерные материалы
Бетоны, совмещенные с полимерами. Существуют несколько разновидностей бетонов, совмещенных с полимерами. К ним относятся бетонополимеры и полимербетоны.
Бетонополимеры. Они представляют собой композиционные материалы, в которых силикатная (цементная) матрица совмещена с органическим полимером. Изготовление бетонополимеров включает следующие операции. Бетонные изделия высушивают и под вакуумом пропитывают раствором мономера, который потом полимеризуется в порах бетона. Для ускорения этого процесса используют радиационный или термокаталитический способы. При радиационном способе изделия облучают γ-лучами. При термокаталитическом способе в мономер вводят катализатор полимеризации, а изделия подвергают термической обработке.
Изделия могут пропитываться полностью, или только с поверхности на небольшую глубину.
Свойства бетонополимера значительно отличаются от свойств исходного бетона. На основе бетонов В 30 – 50 получают пропитанные бетоны с прочностью при сжатии 120-300 МПа. В 3-4 раза возрастает сопротивление истиранию, в несколько раз снижается водопроницаемость, а морозостойкость возрастает до нескольких тысяч циклов.
Из бетонополимеров изготавливают трубы, а также железобетонные конструкции, подвергающиеся интенсивной коррозии.
Полимербетоны. Они представляют собой композиционные материалы, в которых вяжущим веществом является полимерная смола, а заполнителями – традиционные для бетонов песок, гравий или щебень.
В качестве полимерного связующего используют эпоксидные, фурановые полиэфирные и др. смолы. В состав полимербетонов входят добавки, улучшающие качество полимерного связующего:
— отвердители, ускоряющие отверждение полимера;
— пластификаторы, улучшающие формовочные свойства;
— стабилизаторы, замедляющие старение полимерного связующего.
По механическим свойствам полимербетоны несколько уступают бетонополимерам. Так, прочность при сжатии их может составлять до 100 МПа. Они обладают высоким сопротивлением истиранию и износу, а также высокой коррозионной стойкостью.
Полимербетоны используют для устройства бесшовных наливных полов, гидросливов, труб и др. изделий.
Фибробетон с полимерными волокнами. Фибробетоном (дисперсноармированным бетоном) называют композиционный материал, упрочненный волокнами. Армирование бетона волокнами существенно улучшает прочностные и деформативные характеристики материала, повышает сопротивление трещинообразованию.
Используемые волокна должны быть стойкими в щелочной среде бетона. Для изготовления фибробетона на полимерных волокнах используют волокна из полипропилена, капрона и др.
Из фибробетона изготавливают трубы, плиты-оболочки, конструкции туннелей, покрытия автомобильных дорог и взлетно-посадочных полос аэродромов и др.
Древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты. Древесно-стружечные плиты (ДСП) и древесно-волокнистые плиты (ДВП) изготавливают из древесных стружек и волокон, используя в качестве связующего полимерные смолы (карбамидные или фенолформальдегидные), а также специальные добавки. Используют для настилки полов, изготовления встроенной мебели и др.
Стеклопластики. Они представляют собой материалы, в которых наполнителем является стекловолокно. В качестве связующих используют полиэфирные, эпоксидные, кремнийорганические или фенолформальдегидные полимеры. Выпускают стеклопластики в виде листов (плоских или волнистых), труб и других изделий.
2. Материалы для отделки фасадов
Декоративные штукатурные растворы. В состав декоративных штукатурных растворов входят пигменты, минеральные заполнители, как правило, окрашенные, и, в качестве связующего, водорастворимые полимерные смолы, в основном акриловые. Примером таких декоративных штукатурок могут быть турецкие штукатурные составы фирмы «Байрамикс». Для фасадов используются составы с крупным и средним минеральным заполнителем.
Декоративные полимерные панели. Примером применения декоративных панелей для наружной отделки могут служить панели «Полиалпан», представляющие собой двухслойные конструкции из алюминия и полиуретана. Алюминиевый лист может иметь гладкую естественную или окрашенную поверхность, или отформованную под декоративную штукатурку, дерево или др. Слой полиуретана служит для теплоизоляции здания.
3. Полимерные материалы для потолков
Плитки потолочные. Они изготавливаются в основном из полистирола квадратными (30х30см, 50х50 см и др.) или прямоугольными с различной отделкой внешней поверхности (под камень, дерево, с различным рельефом и окраской).
Панели потолочные. Панели изготавливаются из полистирола, шириной от 22 до 52 см, длиной от 220 до 547 см. Они имеют отделку под дерево или камень.
Полимерные натяжные потолки. Они изготовляются на основе сверхпрочной виниловой пленки. Потолки легко монтируются, пожаробезопасны, гигиеничны, охватывают широкий диапазон конструктивных и цветовых решений. Поверхность потолков может быть матовой, лаковой, замшевой, под мрамор и др. С ними прекрасно сочетаются осветительные приборы и вентиляционные решетки.
Полимерная лепнина. Для отделки потолков используются розетки, карнизы, потолочные плинтуса из полистирола и полиуретана с различной фактурой поверхности. Наиболее декоративными являются имитации под гипсовую лепнину с различными рельефными рисунками. Изделия из полиуретана имеют более высокие прочностные и декоративные свойства.
4. Материалы для отделки стен
Они могут быть листовые, плиточные, рулонные и др.
К листовым полимерным материалам для стен относятся:
Полимерные стеновые панели. Они представляют собой листы жесткого ПВХ, отделанные декоративной поливинилхлоридной пленкой или с рельефной поверхностью (типа «Полидекор»), а также ламинатные панели, представляющие собой листы из ДВП, покрытые поливинилхлоридными пленками, имитирующими различные природные материалы.
К рулонным стеновым материалам относятся:
Моющиеся обои. Они, в зависимости от основы, на которую наносится полимер, могут быть на бумажной основе (с рисунком, с тиснением, с покрытием из ниток и волокон и др.), на стеклоткани, на флизелине (природном полимере – целлюлозе). В качестве полимера используют водные дисперсии поливинилхлорида, поливинилацетата и др. Популярными сейчас являются виниловые обои, представляющие собой бумажную основу с нанесенным на нее слоем поливинилхлорида, на котором создается рельефный рисунок методом тиснения. Благодаря значительной толщине, виниловые обои не требуют тщательной подготовки поверхности стен. Но влагостойкий виниловый слой препятствует пропусканию влаги с поверхности стен. Производятся моющиеся обои на основе природного полимера – целлюлозы (флизелиновые обои). Это двухслойный материал, основу которого составляет нетканое целлюлозное полотно, на которое наносят отделочный слой вспененной целлюлозы. Эти обои обладают декоративным внешним видом, напоминающим гипсовую лепнину и являются экологически чистым материалом.
Поливинилхлоридные пленки. Пленки изготавливают из поливинилхлорида одноцветными или с многоцветным печатным рисунком, часто имитирующим дерево или камень, гладкими или тиснеными. Различают пленки безосновные, а также на бумажной и тканевой основе. На тыльную сторону пленки может быть нанесен невысыхающий клеевой слой, защищенный легко удаляемой перед применением бумагой. Их применяют для отделки стен, встроенной мебели, дверных полотен и др.
К плиточным материалам для стен относятся:
Полистирольные плитки. Они представляют собой облицовочные материалы, изготавливаемые из полистирола, размерами от 10х10см до 50х50см. Поверхность их может быть гладкой, рельефной с имитацией дерева или камня. Эти плитки плохо переносят воздействие высоких температур.
В последнее время на рынке современных стройматериалов появляются «сухие смеси», использующиеся в том числе и для отделки стен. К ним относятся:
Жидкие обои. Они выпускаются в виде сухих смесей, требующих перед применением разведения водой. Жидкие обои позволяют создавать гладкие или рельефные покрытия без швов. В их состав могут входить хлопковые, целлюлозные, шелковые и другие волокна, а также водорастворимые смолы типа акриловых. Они обладают хорошими тепло и звукоизоляционными свойствами. Эти обои можно многократно смывать, перекрашивать и наносить вновь.
Декоративные штукатурки типа “Байрамикс”. Для внутренней отделки стен используют штукатурные составы со средним и мелким минеральным заполнителем из мраморной крошки и акрилового связующего. Сухие смеси «Байрамикс» выпускаются в широкой цветовой гамме (72 оттенка) и применяются при оформлении больших помещений (банков, офисов, торговых залов и др.).
5. Материалы для отделки полов
Они подразделяются на рулонные, плиточные, листовые и мастичные.
К рулонным материалам для полов относятся:
Линолеумы. Это наиболее распространенные материалы, применяемые для покрытия полов в жилищно-гражданском строительстве. Их изготавливают из полимера (в основном поливинилхлорида), пластификаторов, наполнителей, красителей, иногда добавляют дробленую резину. Линолеумы бывают безосновными (одно- и многослойными), на тканевой, войлочной или пористой полимерной основе. Они выпускаются в виде рулонов длиной не менее 12 м, шириной 1,4 –1,6 м, толщиной от 1,5 мм (для безосновного) до 4…6 мм (на теплоизолирующей основе). Как правило, на верхний слой линолеума методом многоцветной печати наносится рисунок.
Наиболее современным видом линолеума является линолеум-топлинг. Он представляет собой вспененное виниловое многослойное (3-4 слоя) напольное покрытие, толщиной от 2,2 до 3,3мм, шириной 2, 3 и 4 метра. Выпускается с имитацией паркета, мрамора, керамической плитки, дерева и др.
Синтетические ковровые покрытия. Они представляют собой двухслойные покрытия из основы (полиуретана или ПВХ) и ворса из синтетических волокон. Волокна могут быть из нейлона, полипропилена, лавсана и других полимерных материалов. Ковровые покрытия могут иметь разрезной ворс (велюровые) или неразрезной ворс (петельные). Иногда используют эффектные комбинации из разрезного и неразрезного ворса, создающие рельефную фактуру поверхности ковра. Лучшие образцы синтетических ковровых покрытий нейтральны к окружающей среде, не выделяют вредных веществ и не создают благоприятных условий для жизни и размножения в нем микроорганизмов.
К плиточным материалам для полов относятся:
Плитки из ПВХ. Они выпускаются различной цветовой гаммы, с имитацией камня, дерева или керамики. Плитки характеризуются высокой твердостью и износоустойчивостью, размеры 30х30см.
Плитки из ковролина. Они представляют собой плитки из синтетических ковровых покрытий размерами 30х30см, 50х50см и др. Преимуществом таких материалов перед рулонными ковровыми покрытиями является простота укладки и ремонта, а также возможность создания интересных дизайнерских решений покрытий полов.
К листовым материалам для полов относятся:
К мастичным материалам для полов относятся составы из поливинилацетата, полиуретана, эпоксидных или полиэфирных смол. Кроме связующего вещества, такие составы содержат наполнители, пигменты, различные добавки.
Жидкие составы применяют для наливных покрытий полов, которые наносят разливом или многослойным напылением. Монолитные полы благодаря безшовности характеризуются гигиеничностью, удобством эксплуатации, высокой стойкостью к истиранию и различным агрессивным средам.