Пластмассы

Пластическими массами (пластмассами) называют композиционные материалы, в которых в качестве связующего применяются полимеры — смолообразные синтетические высокомолекулярные вещества.

Кроме связующего, в состав пластмасс входят:

  • ? наполнители;
  • ? отвердители;
  • ? пластификаторы;
  • ? пигменты;
  • ? порообразователи.

Первая пластмасса эбонит была изготовлена в 1843 г. на основе вулканизированного натурального каучука и применялась в качестве электроизоляционного материала. В 1887 г. на основе модифицированной целлюлозы был получен целлулоид. В результате исследований Л. Бэкеленда и Г.С. Петрова в начале XX в. были получены первые синтетические полимеры фенолоалъдегиды и на их основе изготовлены фенопласты. В 1930—1940-е гг. промышленность СССР начала выпускать поливинилхлорид, полистирол, полиэтилен, полиамиды и др. В теоретические исследования и разработку технологических процессов производства синтетических полимеров внесли большой вклад С.В. Лебедев, Н.Н. Семенов, С.С. Медведев, И.П. Лосев и др.

Положительные свойства пластмасс. Средняя плотность пластмасс составляет от 15 до 2200 кг/м3. Например, полиэфирные стеклопластики легче алюминия в 2 раза, стали — в 5 раз; пенопласты легче пенобетона в 20-40 раз. Их применение позволяет снизить массу конструкций. Из пластмасс можно получить материалы с высокой механической прочностью. Так, стеклопластик СВАМ (стекловолокнистый анизотропный материал) имеет предел прочности на сжатие и растяжение до 450 МПа.

Теплопроводность плотных пластмасс составляет 0,2...0,6, пористых — 0,023—0,045 Вт/(м °С). Применение пористых пластмасс позволяет изготавливать легкие конструкции.

Высокая коррозионная стойкость пластмасс к воздействию кислот, щелочей, солей позволяет применять их в химической промышленности, для изготовления канализационных труб.

Отдельные пластмассы имеют высокую светопрозрачность. Так, светопрозрачность полиметилметакрилатных стекол составляет 83...94 %.

Недостатки пластмасс: способность к старению; низкая теплостойкость; токсичность (что ограничивает их применение).

Процесс старения в пластмассах протекает быстрее, чем в минеральных материалах. Происходит потеря прочности, эластичности, повышение хрупкости. Замедляют этот процесс введением стабилизаторов.

Теплостойкость пластмасс составляет в основном 80... 160 °С. Кремнийорганические смолы сохраняют свойства от -100 °С до +300 °С.

Если химические процессы при изготовлении полимеров не завершены, пластмассы могут быть токсичными. Применение их необходимо согласовывать с санитарным надзором.

Ниже кратко рассматриваются компоненты пластмасс и их свойства.

Наполнители. Наполнителями пластических масс служат различные органические и минеральные материалы. Применение наполнителей позволяет не только снизить стоимость материалов из пластмасс, поскольку наполнители всегда дешевле, чем связующие вещества (например, синтетические смолы), но и получить материалы требуемых физико-механических свойств.

В качестве органических наполнителей пластических масс применяют древесную муку, древесную стружку, сульфитную целлюлозу, бумагу, хлопчатобумажные ткани, древесный шпон.

Из минеральных наполнителей наиболее широко используют асбестовое волокно, слюду, стекловолокно, графит, сажу, металлический порошок, кварцевую муку и др.

Рассмотрим некоторые из наполнителей и их влияние на физико-механические свойства пластмассовых материалов и изделий.

Древесная мука — это тонкоизмельченная древесина, получаемая путем размалывания в специальных мельницах отходов деревообработки (опилок и стружек). К древесной муке, применяемой в качестве наполнителя пластических масс, предъявляют требования по тонкости помола и влажности. Древесную муку вводят в состав многих фенопластов, а также линолеума, линкруста и других пластмассовых материалов.

Древесную стружку толщиной 0,1...0,6 мм в виде узких и длинных лент из древесины любых пород, но лучше с объемной массой не более 0,5 г/см3, получают как отход при обработке древесины на деревообрабатывающих станках или специальным изготовлением.

Сульфитную целлюлозу получают из древесины путем ее обработки раствором бисульфита кальция Ca(HS03)2, т.е. так называемым сульфитным способом варки.

Асбестом называют минерал серпентин и его разновидности (хризотил, хризотил-асбест и др.). Их слоистая структура предопределяет способность расщепляться на тончайшие гибкие и прочные волокна. Химический состав серпентина выражается формулой [Mg3(0H)4Si205].

Наибольшее промышленное значение имеет хризотил- асбест (95 % всей мировой добычи асбеста).

Стекловолокно получают из расплавленного стекла. В зависимости от диаметра идлины волокон стекловолокно подразделяют на текстильное (диаметр волокон 3...10 мкм) и теплоизоляционное (3...30 мкм). Теплоизоляционное волокно называют также стекловойлоком или стеклянной ватой. По длине текстильное и теплоизоляционное волокно подразделяется на непрерывное (с длиной волокон более 50 см) и штапельное (с длиной волокон менее 50 см).

Стеклянное волокно получают методом, основанным на вытягивании нити из расплавленной стеклянной массы.

Кварцевая мука представляет собой тонкоизмельченный кварцевый песок. Ее получают размалыванием в специальных мельницах.

В табл. 9.3 рассмотрено влияние отдельных наполнителей на свойства пластических масс на основе фенолоформальде- гидных смол.

Таблица 9.3

Влияние отдельных наполнителей на свойства пластических масс на основе фенолоформальдегидных смол

Наполнитель

Влияние наполнителей на свойства пластических масс

Древесная мука, древесные опилки и стружки

Незначительно повышают прочность и ударную вязкость, но придают повышенную гигроскопичность и понижают теплостойкость

Сульфитная целлюлоза

Существенно повышает прочность на растяжение

Асбест

Увеличивает теплостойкость, прочность, ударную вязкость и фрикционные свойства (возрастает коэффициент трения)

Стекловолокно

Улучшает механические свойства и увеличивает теплостойкость

Кварцевая мука

Повышает твердость, кислотостойкость и теплостойкость

Пластификаторы. Пластичность синтетических смол и пластмасс на их основе можно существенно повысить путем введения в их состав пластификаторов. Механизм пластификации смол заключается в том, что пластифицирующие вещества как бы разъединяют макромолекулы полимера, уменьшая межмолекулярное взаимодействие между ними и облегчая процесс скольжения макромолекул относительно друг друга. Иными словами, пластификаторы переводят полимер в набухшее стабильно сохраняющееся состояние, что повышает его пластичность. Повышая пластичность и морозостойкость пластмасс (снижается температура перехода материала в хрупкое состояние), они уменьшают их прочность на растяжение и увеличивают ползучесть.

В качестве пластификаторов применяют различные низкомолекулярные органические соединения (например, ди- этилфталат).

Можно использовать и высокомолекулярные органические соединения, если они совмещаются с пластифицируемыми смолами (например, синтетический каучук). Такие пластификаторы повышают не только пластичность, но и эластичность полимерных материалов.

Все пластификаторы являются нелетучими жидкостями и вводятся в состав пластических масс в количестве 10... 100 % от массы смолы в зависимости от требуемой пластичности.

Стабилизаторы. В процессе эксплуатации у некоторых полимерных материалов наблюдается изменение физико-механических свойств: снижается прочность, эластичность, повышается хрупкость, газопроницаемость и т.д. Подобное изменение свойств полимерных материалов называется процессом старения синтетических смол.

Некоторые синтетические смолы практически не стареют (например, политетрафторэтилен), другие без введения в их состав специальных веществ (стабилизаторов) подвергаются быстрому старению, (например, полистирол).

Физико-химическая природа старения синтетических смол еще недостаточно изучена. Одной из причин старения является наличие в синтетических смолах ненасыщенных углеводородов. Процесс старения вызывается действием кислорода воздуха, света, тепла и т.д. и сопровождается изменением строения полимеров. Так, например, под действием кислорода воздуха линейная структура макромолекул некоторых термопластичных смол преобразуется в сетчатую трехмерную структуру, что вызывает уменьшение их эластичности и повышение хрупкости.

Полимерные связующие (смолы) и их свойства рассмотрены в 9.1.1.

Классификация пластических масс. По виду связующих веществ все пластические массы подразделяются на четыре класса:

  • ? на основе синтетических смол — продуктов полимеризации;
  • ? на основе синтетических смол — продуктов поликонденсации;
  • ? на основе химических модифицированных природных полимеров;
  • ? на основе нефтяных битумов.

Пластические массы могут состоять только из связующего вещества (без наполнителя) или иметь более сложную структуру» обусловленную наличием в составе пластмасс различных наполнителей.

По структуре пластмассы также делят на четыре класса:

  • ? ненаполненные пластмассы (без наполнителя); пластмассы этого класса, кроме смолы, могут содержать красители, стабилизаторы, пластификаторы;
  • ? газонаполненные пластмассы — пористые синтетические смолы (пено- и поропласты);
  • ? наполненные пластмассы, в состав которых входят различные наполнители, по виду которых они подразделяются на пластмассы с порошкообразным наполнителем и пластмассы с коротковолнистым наполнителем;

пластические массы составных структур.

Применение полимерных материалов в строительстве. На практике хорошо себя зарекомендовали около 50 видов пластических масс (из них 36 термопластов и 14 реактопластов). В каждом виде полимеров в среднем содержится до 50 типов модификаций, хотя ассортимент изделий из пластмасс превышает 300 тысяч.

Все производимые промышленностью полимеры можно разделить на три группы: крупнотоннажные (полиэтилен низкой и высокой плотности, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид), среднетоннажные (на основе фенолоформальде- гидных, мочевино- и меламиноформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных, полиуретановых и алкидных полимеров), малотоннажные полимеры со специфическими свойствами, например с высоким модулем упругости (полиэтиленоксибен- зонат и др.).

Полимерные материалы — материалы XXI в. В настоящее время нельзя назвать область деятельности человека, где бы они не применялись. Синтетические полимерные материалы, применяемые или рекомендуемые для применения в дорожном и аэродромном строительстве, целесообразно классифицировать по функциональному назначению и виду исходного материала или изделия (рис. 9.3).

Применение полимерных материалов в дорожном и аэродромном строительстве

Рис. 9.3. Применение полимерных материалов в дорожном и аэродромном строительстве

Области применения отдельных синтетических полимеров в строительстве приведены в табл. 9.4.

Таблица 9.4

Применение некоторых полимеров в строительстве

Полимер

Вид полимера (изделия)

Область применения

Полимеризационные полимеры

Полиэтилен

Пленочный

Трубы

Уход за свежеуложенным цементобетоном, капилляропрерывающие слои Дренаж

Полипропилен

Пленочный

Волокна

Гранулы

Дренаж

Армирование композиционных материалов

Улучшение свойств разметки дорог, теплоизоляционных материалов

Поливинилхлорид

Трубы

Гранулы

Пленочный

Волокна

Мастики

Смола

Дренаж Теплоизоляция Капилляропрерывающие слои Армирование композиционных материалов

Герметизация стыков Улучшение свойств цементобетонов

Продолжение табл. 9.4

Полимер

Вид полимера (изделия)

Область применения

Тэтрафторэтилен

(фторопласт)

Рулоны

Сетки

Надвижка конструкций мостов Армирование конструкционных слоев

Полистирол

Плиты

Теплоизоляционная пропитка цементобетонов

Поливинилацети- лен (лак этиноль)

Раствор в ксилоле и др.

Уход за свежеуложенным бетоном

Дивинилстирол

Гранулы, латекс Раствор в дизельном топливе Старая резина

Улучшение асфальтобетона Улучшение битумных эмульсий

Улучшение битумов

Поливинилацетат

Жидкость

(мономер)

Пропитка бетонов

Тиокол

Мастика

Изготовление герметиков

Поликонденсационные полимеры

Фенольные

Смолы

Полимербетоны, укрепление грунтов, улучшение битумных эмульсий

Карбамидные

Смолы

Мипора

То же, а также клеи Предохранение грунтов от промерзания

Фурановые (мономеры ФА, ФАМ)

Смолы

Пропитка цементных бетонов, полимербетоны, улучшение асфальтобетонов

Полиэфирные

(лавсан)

Волокна

Сетки

Армирование композиционных материалов

Полиуретановые

Смолы, плиты

Изготовление герметиков, теплоизоляция

Полиамидные

(капрон)

Волокна

Армирование композиционных материалов

Окончание табл. 9.4

Полимер

Вид полимера (изделия)

Область применения

Эпоксидные

Смолы

Полимербетоны, клеи, улучшение свойств цементных бетонов (водорастворимые смолы), улучшение битумов, изготовление герметиков

Эмали

Разметка дорог

Кремнийорганиче-

ские

Смолы

Улучшение свойств цементных бетонов, уход за бетоном, улучшение эмалей

Аминоацетон-

формальдегидные

Смолы

Повышение физико-механических свойств бетонов

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >