Полимерные материалы изделия

Т Е М А  7.

П О Л И М Е Р Н Ы Е   М А Т Е Р И А Л Ы  И  И З Д Е Л И Я.

7.1. Пластмассы. Составляющие пластмасс.

     ПЛАСТМАССЫ - это материалы,  которые в качестве необходимой составляющей  содержат полимер и обладают пластичностью на определенном этапе производства,  которая теряется  после  отверждения полимера.

     Кроме полимера пластмассы могут  содержать:  наполнитель, пластификатор, отвердитель, стабилизатор, краситель.

     НАПОЛНИТЕЛИ могут быть  органическими  и  неорганическими материалами. Это порошки,  волокна,  ткани,  бумага, древесный шпон, стружка и т.д.

     Наполнители сокращают  расход дорогого полимера и обеспечивают определенные  свойства  пластмасс,  например,  повышают теплостойкость, прочность и т.д.

     ПЛАСТИФИКАТОРЫ - вещества,  повышающие эластичность полимера и  уменьшающие его хрупкость.

Рекомендуемые материалы

     ОТВЕРДИТЕЛИ - вещества,  ускоряющие  процесс  отверждения полимеров и образования пространственной трехмерной структуры.

     СТАБИЛИЗАТОРЫ - антиоксиданты,  вещества, предотвращающие процесс старения пластмасс под действием солнца, кислорода воздуха, тепла и т.п.

     ПИГМЕНТЫ -  красящие вещества,  придающие различные цвета пластмассам.

     АНТИПИРЕНЫ -  вещества,  повышающие  стойкость  пластмасс против возгорания.

     ПОРООБРАЗОВАТЕЛИ -  вещества,  используемые  для создания газонаполненных пластиков,

     ПОЛИМЕРЫ - вещества,  в композиционных пластмассах выполняющие роль связующего, если пластик состоит из одного полимера – являются основным материалом.

7.2. Общая характеристика полимеров.

     ПОЛИМЕРЫ - вещества,  молекулы которых представляют собой цепь или пространственную решетку из последовательно соединенных одинаковых групп атомов,  повторяющихся большое количество раз.

     Молекулярная масса полимеров очень велика - от нескольких тысяч до миллионов кислородных единиц.

Классификация полимеров.

     а) По строению основной цепи полимеры делятся на

     КАРБОЦЕПНЫЕ, цепи  макромолекул  которых  состоят лишь из углерода, например, полиэтилен       H   H

                                     ¦   ¦

                                  [- C - C -] n   и

                                     ¦   ¦

                                     H   H

эпоксидные, полиэфирные ГЕТЕРОЦЕПНЫЕ, в основной цепи которых появляются гетероатомы (S, O , N ), например

                                Н       H

                                ¦       ¦

                             [- С - О - С -] n.

                                ¦       ¦

                                Н       H

     б) По внутреннему строению полимеры делятся на

     ЛИНЕЙНЫЕ, состоящие  из  длинных нитевидных макромолекул, связанных между собой слабыми силами  Ван-дер-Ваальса, например, поливинилхлорид  [- CH  - CHCl-] n, и

     ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ, между макромолекулами которых образуются прочные поперечные химические связи, что приводит к образованию единого пространственного каркаса, например, карбамид

                                    

              ¦  - NH - CO - N - CH   ¦

              ¦              ¦        ¦

              ¦              CH       ¦

              ¦              ¦        ¦

              ¦              O        ¦

              ¦              ¦        ¦

              ¦              CH       ¦

              ¦              ¦        ¦

              ¦  - NH - CO - N - CH - ¦ n

                                    

     Линейные полимеры термопластичны.  При нагревании они обратимо размягчаются  в результате разрыва слабых межмолекулярных связей,  а при  охлаждении  вновь  отверждаются.  Наиболее распространенные термопластичные полимеры: полиэтилен  [- CH  - CH -] n; полипропилен [- CH - CHCH -]n,      поливинилхлорид [-CH -CHCl-]n,полиизобутилен [-CH -C(CH) -]n.

     Пространственные полимеры термореактивны.  Отверждение их происходит при нагревании, в результате чего образуется пространственная структура  полимера за счет поперечной сшивки макромолекул. Энергия межмолекулярных связей у них того же  уровня, что  и внутри макромолекулы,  поэтому отвержденный полимер при нагревании не переходит в пластическое состояние,  а может только деструктировать.  Наиболее распространенные  термореактивные полимеры:  карбамиднык, фенолоформальдегидные, эпоксидные, полиэфирные и кремний-органические.

7.3. Способы изготовления полимерных изделий.

      КАЛАНДРИРОВАНИЕ - способ  формования  изделий  в  зазоре между двумя вращающимися валками из термопластичных композиций для получения рулонных, пленочных и листовых материалов.

     ЭКСТРУЗИЯ -  продавливание формовочной  массы через мундштук экструдера - насадку,  соответствующую  профилю  изделия.

Применяются  шнековые экструзионные машины,  в которые полимер подается в виде порошка или гранулята.  В  экструдере  полимер нагревается до  вязкотекучего  состояния и выдавливается через мундштук.

     Этим  методом  изготавливают трубы,  погонажные  изделия, плитки, пленки и т.д.

     ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ осуществляют при получении изделий из вязкотекучих термопластичных композиций методом инжекции. Порция расплавленной массы,  полученной в литьевых  машинах,  под давлением впрыскивается в форму, где охлаждается и быстро затвердевает.

     Этим способом получают детали для соединения труб, сифоны, облицовочные плитки.

     ТЕРМОФОРМОВАНИЕ производят вакуумным и пневматическим методами.

     При  вакуумном  термоформовании  изделия получают из листовых термопластичных заготовок, которые в пластическом состоянии под влиянием вакуума принимают конфигурацию формы.

     Этим методом получают крупногабаритные тонкостенные изделия сложного профиля - ванны, раковины, смывные бачки.

     При пневмо формовании размягченные заготовки превращают в изделия с помощью сжатого воздуха.

     ПРЕССОВАНИЕ осуществляют  в  обогреваемых  гидравлических прессах при переработке смесей на основе термореактивных полимеров.

+     Прессованием получают  древесно-волокнистые   и   древесно-стружечные плиты, слоистые пластики.

7.4. Основные свойства пластмасс.

7.4.1. Физические свойства.

     ИСТИННАЯ ПЛОТНОСТЬ пластмасс обычно составляет 1...2 г/см, т.е. в 1,5...2 раза меньше, чем у каменных материалов.

     ПОРИСТОСТЬ  пластмасс  регулируется  в  широких  пределах от 0 до 95..98 %.

     ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ пластмасс обычно не более 1 %.

     ВОДОСТОЙКОСТЬ  пластмасс высокая.

     ТЕПЛОСТОЙКОСТЬ большинства пластмасс невысокая и  составляет 100...200 С, но у фторопластов и кремний-органических полимеров она достигает 300...500 С.

     ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ  пластмасс низкая ( λ = 0,23...0,7Вт/м С), у пено- и поропластов она близка к теплопроводности воздуха.

     КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ в 5...10 раз выше, чем у других материалов, поэтому  при сооружении водоводов из пластмассовых труб необходимо устраивать компенсаторы в виде петель.

7.4.2. Механические свойства.

     ПРОЧНОСТЬ пластмасс  определяется  связующим  полимером и заполнителем. Например,  конструкционные пластики СВАМ - стекловолокнистые анизотропные  материалы  на  полиэфирных связующих, характеризуются высокими механическими свойствами:

     Rизг = 200...500 МПа,  Rсж   Rраст   Rизг, в то время как у каменных материалов  Rраст   0,2...0,1 Rсж.

     МОДУЛЬ УПРУГОСТИ пластмасс примерно в 10 раз ниже,  чем у бетона и стали, поэтому им характерна высокая ползучесть и деформативность.

7.4.3. Химические и физико-химические свойства.

     ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ - большинство пластмасс стойки к неорганическим кислотам и щелочам, но в органических растворителях, близких по природе полимеру, могут растворяться.

     СТАРЕНИЕ -  изменение  структуры  и  состава полимера под действием света, кислорода воздуха, нагревания, при этом появляется хрупкость, исчезает эластичность, в конечном итоге наступает полное разрушение.

     ВЫДЕЛЕНИЕ ТОКСИЧНЫХ  ВЕЩЕСТВ происходит в результате присутствия в  полимерах  продуктов  их  деструкции, появляющихся из-за нарушения технологических режимов производства полимеров, а так же из-за вводимых в пластмассу низкомолекулярных продуктов (пластификаторы,  стабилизаторы  и  др.) В жидком виде все полимеры токсичны.

     ГОРЮЧЕСТЬ ПЛАСТМАСС  связана  с  горючестью полимеров как органических веществ. Добавляя в пластмассы антипирены снижают их горючесть.

     ОКРАШИВАЕМОСТЬ полимеров в различные  цвета  производится путем введения красителей в его расплав или раствор.

7.5. Виды строительных материалов и изделий из пластмасс.

     По сравнению  с  другими строительными материалами пластмассы дороги и дефицитны,  что объясняется недостаточным  объемом производства  полимеров  и  их относительно высокой стоимостью. Поэтому основным технико-экономическим  требованием  к строительным  пластмассам   является  минимальная  полимероем-кость, т.е.  минимальный расход полимера  на  единицу  готовой продукции.

Классификация полимерных материалов и изделий.

     1. Конструкционно-отделочные материалы.

     2. Отделочные материалы.

     3. Материалы для пола.

     4. Теплоизоляционные материалы.

     5. Гидроизоляционные и герметизирующие материалы.

     6. Трубы и сантехнические изделия.

     7. Применение полимеров в бетонах.

     8. Клеи на основе полимеров.

Конструкционно-отделочные материалы.

     СТЕКЛОПЛАСТИКИ - листовые материалы, содержащие в качестве наполнителя стеклоткань или стекловолокно,  в качестве связующего - полиэфиры, фенолформальдегидные или эпоксидные  смолы, отверждающиеся при нагревании в трехмерные структуры. Благодаря высокому армирующему эффекту заполнителя  эти  пластики обладают повышенной прочностью.

     Применение: декоративная наружная  облицовка,  устройство кровель, для изготовления ванн,  раковин, труб, химических аппаратов.

     ДСП -  древесно-стружечные  плиты,  содержащие в качестве наполнителя древесные стружки,  а в качестве связующего - карбамидные термореактивные  полимеры.  ДСП могут быть облицованы декоративными пленками, плитками или офанерованы.

     Применение: каркасные  и  щитовые стены и перегородки,  в мебельной промышленности.

     ДРЕВЕСНОСЛОИСТЫЙ ПЛАСТИК  содержит в качестве наполнителя древесный шпон,  в качестве связующего -  фенолформальдегидные смолы. Это более прочный и более водостойкий материал, чем ДСП применение аналогичное. И тот и другой материал несколько токсичны.

Отделочные материалы.

     БУМАЖНО-СЛОИСТЫЙ ПЛАСТИК   состоит   из   15...20   слоев крафт-бумаги на фенолформальдегидном связующем и  1...3  слоев кроющей декоративной бумаги на карбамидном связующем. Он обладает высокой поверхностной твердостью и термостойкостью порядка 120 С.

     Применение: мебель для кухонь и встроенная мебель,  облицовка столярных изделий.

     ЦВЕТНЫЕ ДЕКОРАТИВНЫЕ ПЛИТЫ И ЛИСТЫ из полистирола с пониженной горючестью.  Они имитируют деревянную облицовку из ценных пород дерева,  часто с резьбой, например, декоративные панели " Полиформ".

     ПОЛИСТИРОЛЬНЫЕ ПЛИТКИ - водо- и  паронепроницаемы,  химически стойкие,  но  горючи.  Применять их нельзя для облицовки эвакуационных выходов,  стен, к которым примыкают отопительные и нагревательные приборы, в детских учреждениях.

     ФЕНОЛИТОВЫЕ ПЛИТКИ состоят из порошкообразного наполнителя (каолин,  тальк,  древесная мука, слюда) на формальдегидном связующем; применяются для облицовки стен помещений с  химической агрессией.

     Декоративные пленочные материалы.

     БЕЗОСНОВНЫЕ тонкие полимерные пленки,  окрашенные по всей толщине, имеющие рисунок или тиснение с лицевой стороны и часто с изнанки слой "неумирающего" клея,  прикрытый  специальной легкоснимающейся бумагой.

     Пленки на основе:

     ИЗОПЛЕН - на бумажную основу нанесена  поливинилхлоридная паста с последующим тиснением;

     ВЛАГОСТОЙКИЕ МОЮЩИЕСЯ ОБОИ - обычные обои,  с лица покрытые тонким слоем поливинилацетатной эмульсии;

     ЛИНКРУСТ - на бумажную основу нанесена паста глифталиевого полимера с последующим рифлением. Его можно окрашивать масляной или синтетической краской.

     Применяются декоративные пленочные материалы для внутренней отделки помещений.

     ПОГОНАЖНЫЕ ИЗДЕЛИЯ - плинтусы, рейки, поручни для лестниц и т.д.

     Например: поручни из поливинилхлоридной  пластифицированной композиции привозят в бухтах.  Для укрепления на  металлических перилах  поручни  разогревают  при  50...70 С в воде до размягчения и садят на перила. После остывания поручень плотно охватывает металл.

     Применение полимерных погонажных изделий позволяет экономить большое количество древесины.

Материалы для пола.

     Материалы для  пола могут быть рулонные основные и безосновные, плиточные и мастичные.

     Рулонные материалы:

     ЛИНОЛЕУМ может быть безосновный и с основой (ткань,  войлок, пористый полимер).Наиболее распространенный - поливинилхлоридный линолеум. К основанию пола линолеум крепится с помощью специальных приклеивающих мастик;  применяется в сухих помещениях;

     РЕЛИН -  резиновый линолеум,  у которого лицевой слой выполнен из цветной резины на синтетических каучуках, а нижний -из девулканизированной резины с добавкой битума; применяется в помещениях с повышенной влажностью.

     Половые плитки  размером 300Х300 мм толщиной 2...5 мм выпускают  различного цвета,  что позволяет выполнять  мозаичные полы. Изготавливают  их чаще всего на поливинилхлоридном полимере с наполнителями, пластификаторами и пигментами.

     Мастичные полы - это монолитные половые покрытия на основе полимеров.  Мастики  имеют  консистенцию сметаны и содержат жидкий полимер, наполнители и пигменты. Наносят их на сплошное сухое основание пола слоем 0,5...1 см, после твердения в течение 1...2 суток образуется сплошное бесшовное покрытие пола.

     Применяют мастичные  полы  в условиях сильных агрессивных воздействий (химическая,  пищевая, животноводческая промышленность) или интенсивного износа.

     Полы из  полимерных  материалов  износостойки,  бесшумны, красивы, гигиеничны,  технологичны, но горючи и достаточно дороги.

Теплоизоляционные материалы.

     Теплоизоляционные пластики имеют коэффициент теплопроводности 0,03...0,055 Вт/м С. Различают  ячеистые  пластмассы,  в которых мелкие поры расположены беспорядочно, и сотопласты,  в которых воздушные полости имеют правильную геометрическую форму.

     ЯЧЕИСТЫЕ ПЛАСТМАССЫ делятся на пенопласты, которые характеризуются закрытыми изолированными порами и предназначены для тепловой изоляции,  и на поропласты, имеющие сообщающиеся поры и предназначены для звукоизоляции. Свойства некоторых ячеистых пластмасс представлены в табл. 7.1.

Таблица 7.1.

Свойства некоторых ячеистых пластмасс.

     Эти пластмассы выпускают в  виде  жестких  плит,  которые применяются для тепловой изоляции стен,  покрытий, перекрытий, в трехслойных ограждающих конструкциях.

     СОТОПЛАСТЫ - ячеистые материалы, структура которых  напоминает пчелиные соты.  Стенки сот могут быть выполнены из различных листовых материалов (бумага,  стеклоткани,  хлопчатобумажные ткани,  металлическая фольга и т.д.), пропитанных полимером. Сотопласты в качестве теплоизоляционного материала применяются в трехслойных ограждающих конструкциях.

Гидроизоляционные материалы и герметики.

     Гидроизоляционные материалы - это пленки на основе полиэтилена, поливинилхлорида, полиизобутилена и др. Для устройства сплошной гидроизоляции их склеивают или сваривают.

     Пленочные гидроизоляционные материалы  отличаются  долговечностью, надежностью,  простотой применения, невысокой стоимостью и малым расходом полимера.

     Герметизирующие материалы - это пасты,  эластичные  прокладки и ленты.

     ПАСТЫ могут быть отверждаемыми -  тиоколовая  мастика  на основе полисульфидного каучука ( ГС-1 и У-ЗОМ ) и  неотверждаемыми - УМ-20, УМ-40, УМ-50  (У - уплотняющая мастика, 20, 40, 50 - температура низшего предела применения мастики).

     ЭЛАСТИЧНЫЕ ПРОКЛАДКИ в виде плотных или пористых полос  и жгутов закладываются в стыки между панелями в сжатом виде. Это гернит П,  пенополиуретановые прокладки и каучуковые  уплотнительные ленты.

     ГЕРНИТ П - пористая прокладка на основе полихлорпренового каучука диаметром  20...60  мм  с  воздухо-  водонепроницаемой пленкой на поверхности.  Плотность  гернита 300...600  кг/м  , эластичен при температуре  -40...+70 С.

     УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ ПРОКЛАДКИ - ленты из пенополиуретана (УЛП), плотностью  120...150 кг/м , эластичны в интервале  температур -40...+80 С.

     УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ  ЛЕНТЫ  из  вспененной  резины (УЛК) плотностью 180...200 кг/м , пропитанной смолой

     Применяются прокладки и ленты для герметизации стыков панелей, оконных створок и других конструкций.

Трубы и сантехнические изделия.

     Корозионная стойкость и небольшая плотность пластмасс дает им  значительные  преимущества перед металлами в сфере эксплуатации их в качестве труб и сантехнических изделий.

     ТРУБЫ выпускают полиэтиленовые, полипропиленовые, поливинилхлоридные, стеклопластиковые. Соединяются они  свариванием, склеиванием или  на резьбе.  Для всех видов пластмассовых труб выпускают фасонные детали.  Применяются  трубы  для  холодного водоснабжения,  канализации,  водостоков,  для транспортировки

минерализованных  вод,  агрессивных  жидкостей   и   газов.  К недостаткам пластмассовых  труб следует отнести их низкую теплостойкость (60...90 С) и высокий коэффициент теплового расширения.

     САНТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ - сливные бачки,  смесители, раковины, ванны,  вентиляционные решетки и т.д.  К их достоинствам следует отнести легкость, высокую химстойкость и водостойкость, механическую прочность,  к  недостаткам  - малую поверхностную твердость, в результате чего изделия легко теряют внешний вид.

Применение полимеров в технологии бетонов.

     Применение полимеров в  бетонах  преследует цель улучшить их качество: повысить морозостойкость, прочность на растяжение и изгиб,  износоустойчивость,  химическую  стойкость, повысить сцепление с ранее уложенным слоем бетона.

     ПОЛИМЕРЦЕМЕНТНЫЕ БЕТОНЫ содержат 5...15 % от массы цемента растворимых олигомеров, отверждающихся в процессе твердения бетона. Наиболее  часто применяют водные дисперсии поливинилацетата, полиакрилата,  синтетических каучуков. Свойства: очень высокие износостойкость и ударная вязкость, высокая водонепроницаемость, высокая адгезия к большинству строительных матери-

алов.

     Применение: сооружение  взлетно-посадочных  полос,  полов промышленных зданий, резервуаров для воды и нефтепродуктов и тому подобного.

     БЕТОНОПОЛИМЕР - это затвердевший  бетон,  пропитанный мономерами или жидкими олигомерами с последующей термообработкой для отверждения полимера.  В результате резко повышается прочность , морозостойкость, износостойкость,  водонепроницаемость. Применяются  бетонополимеры так же,  как  полимерцементные бетоны.

     ПЛАСТБЕТОН - бетон, в котором вместо минерального вяжущего используют  термореактивные  смолы (феноло-формальдегидные, эпоксидные, полиэфирные) с отвердителем.  Твердеют пластбетоны в обычных условиях 12...24 часа,  при нагревании – значительно быстрее.

     Отличительные свойства пластбетонов - высокая  химическая стойкость в  кислых  и  щелочных средах,  высокая прочность на сжатие и изгиб,  высокая плотность  и  повышенная  деформативность, но невысокая теплостойкость и высокая стоимость.

     Применение: для устройства защитных покрытий и изготовления конструкций,  работающих  в  условиях химической агрессии, для ремонта каменных и бетонных элементов.

Клеи на основе полимеров.

     Водоразбавляемые клеи - это ПВА (на основе  поливинилацетатной эмульсии) и " Бустилат" (на основе латекса бутадиенстирольного каучука).  Эти типы клеев наиболее  распространены  в строительстве для приклеивания линолеума, плиток, линкруста.

     На основе  отверждающихся  жидких  олигомеров   выпускают эпоксидные, полиуретановые,  мочевиноформальдегидные клеи. Они применяются для склеивания несущих конструкций,  для  наружной отделки.

     На основе растворов термопластичных полимеров  в  органических растворителях - это нитроклеи (раствор нитроцеллюлозы в ацетоне), резиновый клей (раствор каучука в бензине), перхлорвиниловый клей и другие. Применение их специфично.

Контрольные вопросы.

     1. Что такое пластмассы?

     2. Перечислите составляющие пластмасс.

     3. Роль наполнителя в пластмассе. Виды наполнителей.

     4. Что такое полимер? Назначение полимера в пластмассе.

     5. Классификация полимеров по строению основной цепи,  по внутреннему строению.

     6. Какие существуют способы изготовления полимерных изделий?

Ещё посмотрите лекцию "23 Рождественский пост" по этой теме.

     7. Перечислите основные свойства пластмасс.

     8. Классификация полимерных материалов и изделий по  назначению.

     9. Какие отделочные материалы изготавливают на основе полимеров?

    10. Какие материалы на основе  полимеров  применяются  для устройства полов?

    11. Приведите примеры теплоизоляционных пластмасс.

    12. Перечислите отличительные свойства бетонов с добавкой полимера.