Пластмассы, как материал для строительных конструкций
Лекция №13
Пластмассы, как материал для строительных конструкций. Основные виды конструкционных пластмасс и области их применения
Пластическими массами (или пластмассами) называют материалы, которые в качестве основного компонента содержат синтетический полимер.
Полимеры - это высокомолекулярные соединения, состоящие из гигантских молекул линейной, разветвленной или трехмерной сетчатой структуры (пространственные решетки).
В большинстве случаев эти молекулы содержат многократно повторяющиеся структурные элементарные звенья (группы атомов), соединенные силами химических связей.
Получают полимеры из исходных низкомолекулярных органических веществ (мономеров), отдельные молекулы которых благодаря двойным или тройным связям способны соединяться между собой с образованием многократно увеличенной молекулярной массы, т. е полимера.
Название полимера образуется обычно от названия того мономера, того из которого он был получен. Так, например, полиэтилен получают из этилена, поливинилхлорид- из винилхлорида, полистирол- из стирола и т.д.
Иногда название полимера образуется в зависимости от вида реакционно-химических групп, соединяющих молекулы мономеров - полиамиды, полиэфиры и т.д.
Рекомендуемые материалы
В основе технологий синтеза высокомолекулярных соединений лежат два основных метода получения полимеров - полимеризация и поликонденсация, различающиеся как по механизму реакции, так и по строению образующихся полимеров.
Полимеризация- это цепной процесс соединения большого числа молекул одного и того же вещества в одну большую макромолекулу. Этот процесс протекает обычно при определенной температуре и давлении без выделения каких- либо низкомолекулярных веществ. При полимеризации химический состав полимера соответствует химическому составу исходного мономера.
Поликонденсация- это химический процесс получения полимеров из мономеров различных исходных веществ, сопровождающиеся выделением побочных продуктов (воды , спирта и др.)
Поликонденсацией получают фенолоформальдегидные, мочевиноформальдегидные смолы, полиамиды, полиэфиры и другие полимеры.
Кроме процессов полимеризации и поликонденсации, применяют ещё весьма перспективный процесс сополимеризации, который заключается в совместной полимеризации двух или более различных по химическому составу мономеров; такие реакции в результате дают сополимеры, обладающие новыми свойствами, отличающимися от свойств полимеров на основе каждого исходного мономера. Установлено, что сополимеры обладают более ценными свойствами, чем полимеры, полученные из тех же мономеров. Подбором мономеров с различными свойствами можно широко изменять физико-механические свойства полимера.
Чаще всего полимеры находятся в аморфном стеклообразном состоянии и носят названия синтетических смол (фенолоформальдегидные, мочевиноформальдегидные, полиэфирные и др.). Некоторые полимеры, однако, обладают способностью к кристаллизации и не являются смолами (например, нейлон, целлюлозы и её производные).
Синтетические смолы в зависимости от влияния на них температуры делятся на две группы:
Термопластичные (обратимые) смолы при нагревании размягчаются и становятся пластичными, а при охлождениии снова отвердевают. Такой процесс может повторяться, не внося изменения в химические свойства смолы. К термопластичным смолам относится полиэтилен, полистирол, полиамид, полиоритан и ряд других.
Термореактивные (необратимые) смолы, будучи отформованы в процессе изготовления, переходят в неплавкое нерастворимое состояние и вновь формоваться уже не могут. Иначе говоря, термореактивные смолы переходят из вязко-текучего в твёрдое состояние только один раз.
К таким материалам относится фенолоформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные и другие смолы.
Пластмассы в большинстве своем представляют многокомпонентные смеси.
Компонентами пластмасс являются:
1. Связующие вещества - это основной (а иногда и единственный) компонент пластмасс.
Обычно связующим являются синтетические смолы, хотя могут использоваться и связующие природные вещества, например, эфиры целлюлозы,
естественные смолы.
2. Наполнители – компоненты, вводимые в пластмассы с целью улучшения их механических и технологических свойств - повышение теплостойкости, снижения стоимости. Наполнители бывают неорганического и органического происхождения и вводятся в материал в виде порошков, волокон или листов ( древесная мука, цемент, стеклянные и асбестовые волокна, бумага, хлопчатобумажные и стеклянные ткани и т.д)
3. Модифицирующие добавки. При формировании полимера (связующего) применяются обязательные добавки- отвердители. Кроме этого могут применяться ускорители (вещества ускоряющие отвердевание), катализаторы (вещества, не участвующие в отвердевании, но присутствие которых необходимо для протекания процесса отвердевания), пластификаторы (вещества, уменьшающие хрупкость готового материала), ингибиторы (вещества, замедляющие процесс отвердевания) и другие добавки.
4. Красители. Окраска пластмасс осуществляется путем введения красителей в массу материала. Нужный рисунок и цвет могут быть так же получены, если они предварительно нанесены на наружний слой листового наполнителя (бумага, ткань).
5. Порообразователи - это добавки, применяемые для получения газонаполненных материалов- пенопластов.
Классификация пластмасс.
В зависимости от вида смол под влиянием на них температуры, пластмассы делятся на два вида: а) термопластичные пластмассы (или термопласты) на основе термопластичных смол; б) термореактивные (реапласты) на основе термореактивных смол.
Термопластичные пластмассы обычно называются по связующему веществу, исходя из наименования мономера с добавлением приставки «поли-»(поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол и др.)
Термореактивные - по виду наполнителя (стеклопластики, древесные пластики и др.)
В зависимости от структуры пластмассы можно разделить на две основные группы:
1) пластмассы без наполнителя (не наполненные);
2) пластмассы с наполнителем (наполненные).
Применение пластмасс в качестве материала для строительных конструкций объясняется рядом достоинств этого материала:
- высокой прочностью, составляющей для большинства пластмасс (кроме пенопластов) 50-100 НПа, а для некоторых стеклопластиков прочность достигает 1000 НПа;
- малой прочностью (объемной массой) находящихся в пределах от 20 (для пенопластов) до 2000 кгм3 (для стеклопластиков);
- стойкостью к воздействию химически агрессивных сред;
- биостойкостью (неподверженность гниению);
- простотой формообразования и легкой обрабатываемостью;
- высокими электроизоляционными свойствами и некоторыми другими положительными свойствами.
Вместе с тем пластмассы имеют и недостатки, такие, например, как деформативность , ползучесть и падение прочности при длительных нагрузках, старение (ухудшение эксплуатационных свойств во времени), сгораемость, использование в качестве сырья дефицитных нефтепродуктов.
Влияние недостатков пластмасс можно уменьшить разными путями. Так, уменьшение деформативности добиваются применением рациональных форм поперечного сечения конструкций (трехслойные, трубчатые).
Сгораемость и старение можно уменьшить путем введения специальных добавок.
Основные виды конструкционных пластмасс и области их применения.
К пластмассам, которые находят и будут находить в будущем наибольшее применение в строительных конструкциях относятся стеклопластики, оргстекло , винипласт, полиэтилен, тепло- и звукоизоляционные материалы, древесные пластики.
Стеклопластики.
Стеклопластики представляют собой материалы, состоящие из стекловолокнистого наполнителя и связующего.
В качестве связующего обычно используются термореактивные смолы (полиэфирная, эпоксидная, фенолоформальдегидная). Стеклянное волокно является армирующим элементом, прочность которого достигает 1000-2000 МПа. Основой стекловолокон являются элементарные волокна.
Элементарные волокна (первичные нити) получают из расплавленной стеклянной массы, вытягивая ее через небольшие отверстия- фильеры; элементарные волокна (порядка 200) диаметром 6-20 мкм объединяют в нити, а несколько десятков нитей- в жгуты (крученые нити).
В стеклопластиках, применяемых в строительстве, используют следующие стекловолокнистые наполнители:
а) прямолинейные непрерывные волокна, вводимые в виде жгутов, нитей или элементарных волокон.
Схема получения непрерывного стекловолокна.
б) рубленое стекловолокно в виде хаотически расположенных отрезков длиной приблизительно 50 мм.
Механические свойства стеклопластиков зависят от вида стекловолокнистого наполнителя. Наиболее высокими механическими свойствами обладают стеклопластики, армированные непрерывным прямолинейным стекловолокном. В направлении волокон их прочность достигает 1000 МПа при растяжении, а модуль упругости до 40000 МПа, однако, в поперечном направлении прочность стеклопластиков не велика (примерно в 10 раз меньше).
Все стеклопластики, армированные в одном или в двух взаимноперпендикулярных направлениях, являются материалами анизотропными.
Стеклопластики, армированные рубленым стекловолокном, являются изотропными материалами.
Существуют следующие виды стеклопластиков:
1) Пресс - материалы типа СВАМ (стекловолокнистый анизотропный пресс- материал) является одним из первых высокопрочных стеклопластиков, полученных путем прессования стеклошпонов (шпонов из однонаправленного стекловолокна).
Получают его таким образом: после намотки определенного числа слоев пропитанной нити однонаправленный материал срезают. В развертке он представляет собой квадратный лист размером 3х3 м2. Затем поворачивают лист на 90 градусов и вновь наматывают слой нитей. Таким образом, получается стеклошпон с взаимно-перпендикулярным расположением волокон. Предел прочности СВАМ при растяжении и сжатии составляет 400-500 МПа, а при изгибе, приблизительно, 700 МПа.
2) Пресс - материалы АГ-4С и АГ-4В.
АГ-4С представляет собой однонаправленную ленту, полученную на основе крученых стеклянных нитей и аминофинолоформальдегидной смолы. АГ-4С предназначается для получения высокопрочных изделий методом прямого прессования или намотки.
Пределы прочности при сжатии и изгибе ниже , чем у СВАМ – 200-250 МПа, а при растяжении несколько выше.
Пресс – материал типа АГ-4В представляет собой стекловолокнит на основе срезов первичной нити. Специально подготовленный стекловолокнистый наполнитель смешивают с фенолоформальдегидной смолой, затем сушат.
Стеклопластики типа СВАМ, АГ-4С и АГ-4В используют для изготовления соединительных деталей (болтов, фасонок) и для профильных изделий, эксплуатируемых в химически агрессивных средах, где металл быстро корродирует. Все перечисленные стеклопластики являются светонепроницаемыми. Однако, в строительстве чаще всего применяют светопрозрачные стеклопластики. У нас в стране в больших объемах выпускается светопроницаемый полиэфирный листовой стеклопластик.
3) Полиэфирный стеклопластик изготавливают на основе рубленого стекловолокна и прозрачных полиэфирных смол, благодаря которым полиэфирный стеклопластик является светопроницаемым. Выпускается он в изделиях в виде волнистых или плоских листов, часто имеющих различные окраски. Прочностные характеристики существенно ниже, чем у предыдущих материалов, и составляют 60-90 МПа при растяжении и сжатии.
Полиэфирные стеклопластики получили широкое применение в ограждающих конструкциях (стеновые и кровельные панели), лестничных ограждениях и балконных ограждениях, навесах т.п. конструкциях. Весьма перспективны стеклопластики для совмещенных пространственных конструкций.
Органическое стекло, винипласт и полиэтилен.
Эти пластмассы относятся к термопластам и поэтому имеют ограниченное применение в несущих строительных конструкциях. Недостатком их является невысокая теплостойкость. Прочность их в значительной степени зависит от температуры.
Органическое стекло целиком состоит из полимера полиметилметакрилата (без введения наполнителя). Оргстекло представляет собой бесцветную пластмассу, пропускающую до 90% видимых и более 73% ультрафиолетовых лучей света.
При температуре 20ºС органическое стекло имеет сравнительно высокие прочностные характеристики (55 МПа при растяжении и 80 МПа при сжатии).
При температуре 105-170ºС хорошо формируется в изделия криволинейной формы, легко подается механической обработке.
Применяется для остекления криволинейных поверхностей, в виде зенитных фонарей, сводов, куполов и т.п. Этот материал весьма эффективен для покрытия теплиц, парников и оранжерей.
Винипласт выпускается пластифицированным и непластифицированным (жестким). По цвету могут быть темным (темно – коричневого цвета) или прозрачным (бесцветным). Одним из главных достоинством винипласта является его исключительная антикоррозионная стойкость в химически агрессивной среде. Он легко обрабатывается, практически водонепроницаем, легко сваривается и склеивается.
Недостаток- малая теплостойкость (всего до 600 С и морозостойкость до
-300 С), большой коэффициент линейного расширения (в 7 раз больше, чем у стали) и малая ударная вязкость. По основным механическим свойствам винипласт близок к органическому стеклу.
Область применения в строительстве широки и разнообразны, поскольку этот материал является самым дешевым из термопластов. Винипласт используется для гидроизоляции, в качестве кровельного покрытия. Из него изготавливают трубы, профили, поручни и другие погонажные изделия.
Весьма перспективным материалом является армированный винипласт. В этом случае повышается прочность винипласта, и он может использоваться в несущих конструкциях (например, фермах).
Полиэтилен в чистом виде представляет собой твердый белый роговидный продукт. Сырьем для его производства служит бесцветный газ этилен.
Полиэтилен обладает хорошей морозостойкостью (ниже -70ºС) и высокой химической стойкостью к действию кислот, щелочей и большинства растворителей. Недостаток его заключается в том, что он подвержен старению. При введении стабилизатора (сажи до 2%) атмосферостойкость его увеличивается примерно в 30 раз (такой полиэтилен называют стабилизированным). Из полиэтилена изготавливают трубы и арматуру к ним, профильные изделия, болты, листы и т. д.
Перспективным является применение липких лент из стабилизированного полиэтилена в качестве защитного покрытия (набинтовыванных) конструкций, находящихся в условиях химической агрессии.
Тепло – и – звукоизоляционные материалы.
Наибольшее распространение в строительстве получили газонаполненные пластмассы, а также сотопласты.
Газонаполненные пластмассы по своей структуре делятся на два вида:
-пенопласты – материалы с замкнутыми ячейками;
-поропласты – с взаимносообщающимися незамкнутыми ячейками.
Эта классификация условна, поскольку практически нельзя получить в чистом виде материал, отвечающий указанным условиям.
Ячейки, заполненные воздухом или газом, составляют более 90% объема материала. Поэтому отличительной особенностью пенопластов является небольшая плотность (от 10 до 200 кгм3), низкая теплопроводность и достаточная для них прочность (0,2-1,1 МПа при сжатии).
Пенопласты, благодаря своей структуре имеют более высокие по сравнению с поропластами изоляционные качества.
Поропласты имеют большее влагопоглощение, но и обладают более высоким звукопоглощением.
Материал получают в виде блоков или форменных деталей. Газонаполненные пластмассы выпускают на основе как термопластичных, так и термореактивных смол.
Различают жесткие, полужесткие и эластичные пенопласты. Первые два вида применяют в органических СК (в качестве среднего слоя в трехслойных панелях).
Сотопластами называют изделия с системами регулярных сот шестигранной формы, диаметром, примерно, 12-25 мм. Сотопласты изготавливают из хлопчатобумажной или изоляционной бумаги. Сотопласты применяют для изготовления легких трехслойных конструкций.
Древесные пластики.
Материалы, полученные на основе переработки натуральной древесины, соединенные синтетическими смолами называют древесными пластиками.
Древеснослоистые пластики (ДСП) изготавливают из тонких листов березового (иногда ольхового, липового или букового) шпона, пропитанного смолой и запрессованного при высоком давлении 150-180 кгсм2 и температуре t=145-155ºC.
В зависимости от взаимного расположения слоев шпона в пакете, различают 4 основных марки ДСП:
ДСП-А – все слои параллельны друг другу, ДСП-Б – через каждые 10-12 параллельных слоев один поперечный, ДСП-В – перекрестное расположение, причем наружные слои располагаются вдоль плиты, ДСП-Г – звездообразная, каждый слой смещен по отношению к предыдущему на 25-30º.
Для строительных конструкций рекомендуется ДСП-Б и ДСП-В, как наиболее прочные поперек волокон и под углами к волокнам.
Во всех случаях прочность ДСП превышает прочность цельной древесины, а для некоторых марок при действии усилий вдоль волокон шпона не уступает прочности стали.
В настоящее время в связи еще с высокой стоимостью ДСП, он применяется в основном для изготовления средств соединения элементов конструкций.
Древесноволокнистые плиты (ДВП) изготавливают из хаотически расположенных волокон древесины (опилок), склеенных канифольной эмульсией. Сырьем для ДВП являются отходы лесопиления и деревообработки. Для изготовления твердых и сверхтвердых плит в древесноволокнистую массу добавляют фенолоформальдегидную смолу. При длительном действии влажной среды, древесноволокнистая плита весьма гигроскопична, набухает по толщине и теряет прочность, поэтому во влажных условиях применять ДВП не рекомендуется. Прочность сверхтвердых плит ДВП плотностью не менее 950 кгм3 при растяжении составляет около 25 МПа.
Вместе с этой лекцией читают "13. География транспортного машиностроения России.".
Древесностружечные плиты (ПС и ПТ) получают путем горячего прессования древесных стружек, перемешанных, вернее опыленных фенолоформальдегидными смолами.
Древесностружечные плиты в зависимости от плотности подразделяют на:
- легкие γ=350-500 кгм3
- средние ПС γ=500-650 кгм3
- тяжелые ПТ γ=650-800 кгм3
Прочность плит ПТ и ПС при растяжении составляет соответственно 3,6-2,9 МПа и 2,9-2,1 МПа. ПС и ПТ являются дешевым и доступным материалом, он широко используется в строительстве в качестве перегородок, подвесных потолков. Влагопоглощение плит колеблется в широких пределах, при этом они разбухают по толщине на 30-40%.
