7. Строительные конструкции и изделия с применением пластмасс

1. Пластмассы как конструкционный строительный материал

1. Общие сведения о пластмассах и их составных частях

Пластические массы — синтетические вещества органического проис­хождения, для переработки которых в изделия используются их пласти­ческие свойства.

По своему составу пластмассы — полимерные многокомпонентные слож­ные материалы, состоящие из отдельных частей, взятых в том или ином сочетании.

Главными их компонентами являются:

1) связующие вещества;

2) наполнители;

3) пластификаторы;

4) смазки;

5) вещества, ускоряющие процесс полимеризации;

6) красители;

7) порообразователи и т. д.

В зависимости от технологического процесса производства, применяе­мого наполнителя и связующего различают пластмассы композиционные, слоистые и литые, а по природе применяемой смолы — термопластичные и термореактивные.

Рассмотрим теперь подробнее виды и характеристики составных частей пластмасс.

Связующие вещества. Это основной компонент пластмасс, который формуется и иногда применяется без остальных составных частей.

Связующими веществами являются природные или обычно искусственные синтетические высокомолекулярные соединения.

К числу природных связующих относятся некоторые вещества (эфиры, целлюлозы, белки) и естественные смолы (нефтяные битумы, асфальт и др.).

В обычных случаях связующее вещество составляет от 30 до 60 % состава пластмассы.

Синтетические смолы получают с помощью различных химических реак­ций, из которых наиболее распространенными являются реакции полимери­зации и поликонденсации.

Полимеризация — процесс соединения молекул мономера одного вида между собой в макромолекулы с более сложной структурой полимера, кото­рые имеют химический состав, одинаковый с исходными веществами.

Поликонденсация — химический процесс соединения молекул различ­ных веществ, сопровождающийся выделением побочных продуктов (воды, спирта, водорода и др.).

В такой реакции участвуют обычно два или несколько различных видов мономеров, причем образуются высокомолекулярные вещества, резко от­личающиеся по своим свойствам, от состава исходных материалов.

Кроме процессов полимеризации и поликонденсации, применяется еще весьма перспективный процесс сополимеризации, который заключается в сов­местной полимеризации двух или более различных по химическому составу мономеров; эти реакции дают в результате сополимеры. Сополимеры обла­дают новыми свойствами, отличающимися от свойств полимеров на основе каждого исходного мономера.

Подбором мономеров с различными свойствами можно широко изменять физико-механические свойства полимеров.

Синтетические смолы в зависимости от влияния на них температуры де­лятся на две группы.

Термопластичные (обратимые) синтетические смолы при нагревании размягчаются и становятся пластичными и при охлаждении снова отверде­вают (отверждаются). Такой процесс может повторяться, не внося измене­ния в химические свойства смолы.

К наиболее распространенным термопластическим синтетическим смо­лам относятся: полиэтилен, полистирол, полиметилметакрилат, полипро­пилен, целлулоид, полиамид, полиуретаны и ряд других.

Термореактивные (необратимые) синтетические смолы, будучи отформо­ваны в процессе изготовления изделия на их основе, в дальнейшем после отверждения неспособны размягчаться при повышенных температурах. В процессе отверждения, который быстрее протекает при нагревании, проис­ходит необратимая реакция и материал переходит в нерастворимое неплав­кое отвержденное состояние и вновь формоваться уже не может.

К таким материалам относятся феноло-формальдегидные, полиэфирные, аминовые, эпоксидные и другие смолы.

Термопластичные смолы применяются в строительстве для изготов­ления синтетических волокон, эластичных пленок, лаков и красок, для изготовления различных термозвукоизоляционных плит, трубопрово­дов и др.

Полиэтиленовые смолы, получаемые из этилена, обладают сравнительно высокой механической прочностью (например, предел прочности при раз­рыве составляет от 100 до 200 к г/см²), хорошей стойкостью против агрессив­ных сред, морозостойкостью, низкой газопроницаемостью и малым удель­ным весом (0,92—0,95). Следует все же отметить, что длительное воздействие воздуха на эти смолы снижает их прочность и гибкость.

Полиэтиленовые смолы имеют широкое применение для изготовления трубопроводов различного назначения, санитарно-технического обору­дования и гидропарогазоизоляции в различных строительных конструк­циях.

Полистироловые смолы, получаемые из стирола, обладают абсолютной водостойкостью, высокой химической стойкостью и прозрачностью. При обычной температуре эти смолы представляют собой твердое упругое тело с удельным весом 1,05.

Полистироловые смолы применяются для изготовления цветных облицо­вочных плит для стен, пористых плит, тепло-звукоизоляций, красок, а в виде листов также применяются для остекления оконных проемов.

Наряду с этим эти смолы обладают рядом недостатков, к которым от­носятся низкая удельная ударная вязкость, невысокая атмосфероустойчивость и большая хрупкость.

Наибольшее применение в строительстве имеют термореактивные смолы, получаемые обычно в процессе поликонденсации. К таким смолам относятся в первую очередь феноло-формальдегидные смолы.

Основным сырьем для этих смол служит фенол в виде бесцветных иголь­чатых кристаллов со специфическим запахом, вторым компонентом, необхо­димым для их синтеза, является формалин. Формалином называется водный раствор газа формальдегида, обладающего резким запахом, сильно раздра­жающим слизистые оболочки дыхательных органов и глаз. Формалин дол­жен содержать также некоторое количество метилового (древесного) спирта (7-12%).

Феноло-формальдегидные смолы обладают высокой прочностью и тепло­стойкостью, а также большой стойкостью против многих кислот. Воздей­ствие щелочей, крепкой азотной кислоты разрушает эти смолы. Благодаря сравнительной дешевизне они имеют широкое применение для изготовления многих пластмассовых материалов и клеев для склейки древесины.

Карбамидные смолы (амино-формальдегидные или мочевино-формальде- гидные) изготовляются из мочевины и формальдегида. Мочевина (карбамид) получается из аммиака и углекислого газа. Карбамидные смолы бесцветны или имеют светлую окраску, без запаха и светостойки, они дешевле фенол- формальдегидных смол; однако по прочности и водокислототеплостойкости мочевино-формальдегидные смолы несколько уступают последним.

Карбамидные смолы широко применяются для изготовления древесно­стружечных плит, столярных изделий.

Резорцино-формальдегидные смолы, являющиеся продуктом поликонден­сации резорцина и формальдегида, обладают значительно большей твер­достью и теплостойкостью, чем феноло-формальдегидные. Эти смолы, затвер­девающие при низких давлениях и температуре, находят применение и для изготовления крупногабаритных изделий. Клеи, изготовленные на основе этих смол, обладают хорошей адгезией и применяются даже для склейки металла.

Эпоксидные смолы изготовляются обычно из эпихлоргидрина и диокси- дифенилпропана.

В неотвержденном состоянии эпоксидные смолы представляют собой густые вязкие жидкости, имеющие сравнительно низкий молекулярный вес; они растворимы в спирте и ацетоне. При хранении смолы консистен­ция ее почти не меняется.

Добавление к смоле отвердителя (полиэтиленполиамин, метафенилендиамин и т. п.) вызывает переход смолы в высокомолекулярное соединение, нерастворимое и неплавкое.

В процессе отверждения этой смолы почти не происходит ее усадки и выделения побочных продуктов, что облегчает процесс изготовления изде­лий и повышает их качество. Эти смолы стойки против воздействия кислот и щелочей и обладают хорошей теплостойкостью и прочной адгезией, кото­рая позволяет изготовлять из них универсальные высококачественные клеи горячего и холодного отверждения для склеивания почти всех строительных материалов.

Эпоксидные смолы хорошо сочетаются с другими видами смол; по срав­нению с другими термореактивными смолами отвержденная эпоксидная смола обладает значительно более высокой ударной вязкостью и прочностью при изгибе.

Наша промышленность выпускает эпоксидные смолы ЭД-5, ЭД-6 (жид­кие), а также ЭД-13 и ЭД-15 (в порошке и гранулах).

Обобщая некоторые физико-механические характеристики для всех синтетических смол, применяемых в строительстве, можно установить сле­дующие для них показатели: удельный вес для всех смол колеблется в пре­делах от 0,92 (для полиэтилена) до 2,3, а для наиболее распространенных составляет 1,3÷1,5.

Пределы прочности для тех же смол: при растяжении R_p — от 100 до 900, при изгибе — от 100 до 1400 и при сжатии R_c —от 200 до 1500 кГ/см².

Приведенные показатели прочности значительно превышают те же па­раметры для обычного бетона.

Теплостойкость перечисленных смол определяется (по Мартенсу) в пре­делах 70—120° С.

При повышении температуры прочность смол снижается, а при длитель­ном ее действии даже при небольших нагрузках, повышается их деформативность — текучесть. Термореактивные смолы при повышении температуры оказываются более стабильными, чем термопластичные. Все синтетические смолы в той или иной степени способны гореть.

Наполнители. Наполнитель придает пластмассе большую меха­ническую прочность, предотвращает усадку при отверждении, сокращает расход связующего и уменьшает стоимость готового изделия.

Наполнители могут быть органические и минеральные, а по своему строе­нию порошкообразные, волокнистые, слоистые в виде тканей и т. д.

К органическим наполнителям относятся: древесина, хлопковые очески, бумага, хлопчатобумажная ткань и др.; к минеральным —• слюда, инфузор­ная земля, асбест, тальк, каолин, стекловолокна или стеклоткань в разной структуре и др.

Пластификаторы. Пластификатор придает пластмассе гибкость, эластичность, снижает жесткость и хрупкость, а также повышает тепло­стойкость и морозостойкость. Кроме указанного, он увеличивает относи­тельное удлинение пластмассы и снижает предел прочности при разрыве. Пластификатор в большинстве случаев представляет собой низкомолеку­лярную жидкость, соединение которой со смолой облегчает переработку пластмасс на основе термопластичных смол в изделия.

Красители, смазывающие вещества и стабили­заторы. Красители придают пластмассам любую окраску. Обычно при­меняются синтетические органические красители, а также органические и минеральные пигменты с обязательным требованием, чтобы в процессе из­готовления пластмасс они не изменяли своего цвета, не вступали в хими­ческие реакции с ними и были бы стойкими к воздействию температур. Для прозрачных пластмасс красители не применяются.

Смазывающие вещества применяются против прилипания пластмасс к прессформам при переработке их в изделия.

Стабилизаторы содействуют сохранению свойств пластмасс и предохра­няют их от разложения под влиянием температуры и света как в процессе изготовления, так и во время эксплуатации.

Кроме указанных составных частей, иногда применяется и ряд других — добавки, устраняющие появление плесени, замедляющие процесс от­верждения смол при хранении (ингибиторы), и некоторые другие составные части.

По характеру применяемых связующих пластмассы делятся на две группы — получаемые на основе синтетических смол и на основе природ­ных полимеров.

Как и синтетические смолы, пластмассы обычно делятся на поликонден­сационные (формальдегидные, аминопласты, полиамидные, полиэфирные, кремнийорганические) и полимеризационные (полиэтилен, полиакриловые, полистирольные, поливинилхлоридные, фторопласты).

К пластмассам на основе природных полимеров — сложных эфиров — относятся: целлюлоза, белковые вещества и асфальтовые смолы.

Разные виды пластмасс вырабатываются определенных марок, обычно называемых по связующему веществу, исходя из наименования мономера, с добавлением приставки «поли».

В зависимости от структуры пластмассы можно разделить на две основ­ные группы.

1. Пластмассы без наполнителя (ненаполненные пластмассы):

   1. твердые — винипласт, полиметилметакрилат (оргстекло) и др.;

   2. пористые — газонаполненные пластмассы (поропласты и пенопласты).

2. Пластмассы с наполнителями (наполненные пластмассы):

   1. порошковые (пресс-порошки) — с наполнителем в виде древесной муки, опилок, молотого песка, кварцевой муки и т. п. (баркалаит, лигно- пласт, заливочные массы — компаунды и др.);

   2. крошковые — с наполнителем из древесных стружек, обрезков шпона, предварительно пропитанных смолой (древесностружечные плиты и неко­торые другие древесные пластики);

   3. волокнистые — с наполнителем в виде стеклянных, асбестовых, растительных волокон (стеклопластики, асбоволокнистые, древесноволок­нистые плиты и др.);

   4. слоистые пластики — с листовым наполнителем в виде бумаги, асбе­стовой, стеклянной, хлопчатобумажной тканей, древесного шпона (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, асботекстолит, древеснослоистый пластик).

Твердые пластмассы (с наполнителями или без них) выпускаются в виде листов, пластин и плит, предназначенных для дальнейшей механической обработки (например, листовые фенопласты).