Пластмассы в строительстве

1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

С.Г. СТРАДАНЧЕНКО, А.А. ШУБИН

ПЛАСТМАССЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Учебное пособие

Новочеркасск 2004

2 УДК 691(075) ББК 35.71 С70

Рецензенты: д-р техн. наук В.А. Евстратов д-р техн. наук А.А. Привалов

Страданченко С.Г., Шубин А.А. С 70 Пластмассы в строительстве: Учеб. пособие. / Шахтинский институт ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004. -196 с. ISBN 5-88998-395-4 В пособии приведены основные сведения о материалах и изделиях из пластмасс. В первых разделах дается общее представление о синтетических смолах и прочих материалах, служащих для получения пластмасс, а также о свойствах пластмасс и способах формования изделий из них. Далее описываются материалы и изделия из пластмасс, внедрение которых в строительство является наиболее экономичным и перспективным. Описаны способы соединения пластмассовых изделий и положения для расчета строительных конструкций из пластмасс. Предназначено для студентов всех форм обучения специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций». Может быть полезно при изучении строительных дисциплин во время повышения квалификации по данному профилю. УДК 691(075)

ISBN 5-88998-395-4

 Шахтинский институт ЮРГТУ, 2004  Страданченко С.Г., Шубин А.А., 20004

3 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..5 Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАСТИЧЕСКИХ МАССАХ, ИХ ПОЛУЧЕНИИ, СТРОЕНИИ И СВОЙСТВАХ…………………………...7 1.1. Пластические массы…………………………………………………………...7 1.2. Понятие об органических соединениях, высокомолекулярных веществах, полимерах и их строении…………………....9 1.3. Термопластичные и термореактивные полимеры…………………………..23 1.4. Пластмассы как строительные материалы…………………………………..24 Глава 2. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ПЛАСТМАСС…………………....31 2.1. Связующие вещества………………………………………………………….33 2.1.1. Синтетические смолы...…………………………………………………33 2.1.2. Синтетические каучуки…………………………………………………56 2.1.3. Производные целлюлозы……………………………………………….58 2.1.4. Общие технические свойства полимерных связующих………………59 2.2. Наполнители……………………………………………………………...……60 2.3. Пластификаторы……………………………………………………………….64 2.4. Прочие добавки к полимерам………………………………………………....67 2.4.1. Отверждающие добавки…………………………………………………67 2.4.2. Усилители………………………………………………………………...67 2.4.3. Мягчители………………………………………………………………..68 2.4.4. Смазки…………………………………………………………………….68 2.4.5. Стабилизаторы…………………………………………………………...68 2.4.6. Добавки, придающие полимерам негорючесть………………………..69 2.4.7. Красители………………………………………………………………...70 Глава 3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС……….72 3.1. Производство изделий и материалов из пластмасс………………………….72 3.2. Зависимость методов переработки от структуры и свойств полимера…………………………………………………………………………….82 Глава 4. ПЛАСТМАССОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ…………………………………..…89 4.1. Теплоизоляционные изделия……………………………………………….…89 4.1.1. Изделия из волокнистых материалов на синтетических связках…….90 4.1.2. Изделия из минеральной ваты…………………………………………..90 4.1.3. Ячеистые пластмассы……………………………………………………91 4.1.4. Сотовые пластмассы…………………………………………………….94 4.2. Крупные панели………………………………………………………………..94 4.3. Материалы чистых полов……………………………………………………..98 4.4. Материалы для стен………………………………………………………….103 4.4.1. Рулонные материалы…………………………………………………...103 4.4.2. Плиточные материалы…………………………………………………104 4.4.3. Листовые материалы…………………………………………………...105 4.4.4. Декоративные ткани из синтетических волокон……………………..119

4 4.5. Кровельные и гидроизоляционные материалы…………………………….120 4.5.1. Волнистые и плоские кровельные листы……………………………..121 4.5.2. Рулонные материалы…………………………………………………...127 4.5.3. Пленочные материалы………………………………………………....130 4.5.4. Мастики, оболочки, прокладки………………………………………..134 4.6. Лакокрасочные материалы…………………………………………………..135 4.7. Синтетические клеи…………………………………………………………..141 4.8. Трубопроводы и санитарно-техническое оборудование…………………..145 4.9. Полимерцементные строительные растворы и бетоны……………………147 4.10. Применение пластмасс в других областях строительства………………..150 Глава 5. СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПЛАСТМАССОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ……………………………………………...…………………159 5.1. Клеевые соединения………………………………………………………….159 5.2. Сварка термопластичных полимеров……………………………………….166 5.3. Нагельные и комбинированные соединения…………………………….…172 Глава 6. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПЛАСТМАССОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ…………………………………..…176 6.1. Основные положения расчета…………………………………………….…176 6.2. Расчетные формулы………………………………………………………….180 ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….…184 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………….......185 ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………….186

5

ВВЕДЕНИЕ На протяжении многовековой истории человечества органические полимеры являются тем важным атрибутом цивилизованной жизни, который стал незаменимой составляющей практически во всех сферах деятельности, будь то производство пищевых продуктов, одежды и даже транспортных средств. Природные органические полимеры, из которых состоят такие изделия как, канаты, паруса, бумага, пергамент, холст, краска, струнные музыкальные инструменты, лук и стрелы, палатки, дома, корабли, обувь и т.д. содержат белки, целлюлозу, крахмал, смолы, лигнин и некоторые другие виды соединений. Естественные полимеры были открыты очень давно и широко применяются уже многие столетия. Однако из-за сложности и химической хрупкости образующих их молекул расшифровать молекулярную структуру полимеров удалось относительно недавно. Только современные методы физического и химического анализа позволили обнаружить, что именно определяет свойства природных полимеров. Химики-органики, создали новую индустрию органических полимеров, которая заняла важное место во всех промышленно развитых странах. Основными продуктами индустрии полимеров являются волокна, упаковочные материалы, синтетический каучук, облицовочные материалы, покрытия, клеящие вещества и большая группа материалов, называемых пластиками. Рынки сбыта для этих материалов в настоящее время приближаются к насыщению, и промышленность изыскивает новые возможности для их расширения. В данный момент наиболее заманчивая перспектива — применение синтетических полимеров в качестве конструкционных материалов для строительства жилых домов и других зданий, а также производства автомобилей, самолетов, кораблей. Пластики и синтетические покрытия стали широко использоваться для отделочных работ в строительстве (полы, изоляция, украшения и т. п.). Пластмассы обладают комплексом свойств, исключительно ценных для строительства: легкостью (т. е. малым объемным весом) и в то же время значительной прочностью, хорошими теплоизоляционными и электроизоляционными качествами, стойкостью к коррозийным воздействиям и долговечностью, а также красивым внешним видом. Некоторые пластмассы, кроме того, обладают прозрачностью и высокой клеящей способностью; отдельные пластмассы могут образовывать тонкие пленки и защитные покрытия. Пластмассы обладают также замечательной способностью легко перерабатываться в изделия требуемой формы и заданных размеров.

6 Строительные изделия из пластмасс получают удобными для производства высокотехнологичными методами формования. Пластмассы можно отливать в формы, прессовать, штамповать, размягчать и в таком виде продавливать через мундштуки машины, чтобы изготовить трубы, бруски и другие профилированные детали. При использовании этих способов производства получаются законченные изделия, не требующие дополнительной обработки или отделки, а также достигается правильность их формы и высокая точность размеров; все эти способы допускают возможность широкой автоматизации производства. Пластмассы можно легко сваривать и склеивать. Применение пластмасс способствует улучшению конструктивных элементов зданий, уменьшению их веса и повышению эксплуатационных качеств, и, как следствие, обеспечивает тремительное развитие технического прогресса в строительстве. В настоящее время пластмассы приобретают исключительно важное значение как строительные материалы, часто применяемые в комбинации с древесиной, металлами и вяжущими веществами. Богатейшее разнообразие новых материалов из пластмасс, ознаменует начало новой эпохи в отечественной строительной индустрии. Поэтому строители должны быть хорошо знакомы с материалами из пластмасс, их свойствами и возможностями их применения в строительстве. Цель данной работы — ознакомить студентов с основными материалами и изделиями из пластмасс, внедрение которых в строительство является в настоящее время особенно экономичным и наиболее перспективным. В приведенном пособии даются также довольно емкие сведения о технологии получения и свойствах пластмасс для того, чтобы можно было легче представить особенности использования их в строительстве.

7

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАСТИЧЕСКИХ МАССАХ, ИХ ПОЛУЧЕНИИ, СТРОЕНИИ И СВОЙСТВАХ 1.1. Пластические массы Было время, когда пластическими массами называли многие технические вещества, которые при определенных условиях можно превращать в удобную для формования массу, способную затем затвердевать, сохраняя полученную форму. Таким образом, это широкое определение распространялось на многие технические материалы: известковое и цементное тесто, бетонные смеси, керамические массы, природные и искусственные смолы, битумы и др. Такое объединение в одну группу материалов, разнородных по составу, свойствам и применению, имело известный смысл, так как эти материалы обладают важным общим признаком: все они в процессе изготовления изделий проходят особую стадию пластично-вязкого состояния, в котором сочетаются свойства твердого и жидкого тела. Например, известковое тесто или слегка размягченный битум можно резать ножом как твердое тело, и в то же время эти материалы принимают форму сосуда, в который они помещены, т. е. ведут себя как жидкости. Однако за последние десятилетия понятие «пластические массы» сузилось: пластмассами стали называть только многочисленную группy новых материалов, получаемых преимущественно на основе некоторых искусственных (синтетических) органических веществ. Первоначально пластмассы изготовлялись с целью получения дешевых продуктов для замены некоторых природных редких и ценных материалов. Так, первое промышленное изготовление одной из пластмасс началось в связи с конкурсом, объявленным на изыскание заменителя слоновой кости для изготовления бильярдных шаров. В начале XX столетия процветал хищнический, жестокий и опасный промысел – охота на слонов. В Африке ежегодно истребляли тысячи этих редких животных только в погоне за бивнями. Слоновая кость ценилась очень дорого. И, наконец, из пластмассы удалось изготовить шары, которые по весу, твердости, гладкости и блеску не уступали костяным, но обходились значительно дешевле. Вскоре из пластмасс начали делать искусственные кораллы и жемчуг, научились также имитировать изделия из панциря черепахи и рогов разных животных. Затем синтетические продукты стали применять при изготовлении лаков для замены высококачественных природных смол, привозимых из далеких стран. Постепенно удалось обнаружить, что пластмассы по своим техническим свойствам обладают многими преимуществами перед природными материалами и обходятся намного дешевле, к тому же в результате синтеза часто получают новые материалы, которые не встречаются в природе. Поэтому пластмассы перестали рассматривать как заменители природных продуктов, их производство стало развиваться необычайно быстро и, характеризуясь значительными масштабами, а также широким ассортиментом продукции, применяемой в различных отраслях техники, получило важное самостоятельное

8 значение1. Что же такое пластические массы? Трудно дать совершенно точное определение названия «пластические массы», так как молодая промышленность пластмасс находится сейчас в стадии такого быстрого развития, когда само понятие «пластические массы» и у нас и за рубежом претерпевает изменения. Первый признак, характеризующий пластмассы, – это пластичность, возникающая при определенных условиях температуры и давления, что дает возможность получать удобную для формования массу, способную затем затвердевать, сохраняя полученную форму. Однако таким же свойством обладают, как уже указывалось, многие технические вещества: металлы, керамические массы, стекло и др. Следовательно, если материал характеризуется способностью проходить в процессе изготовления через стадию пластично-вязкого состояния, то этого еще недостаточно, чтобы материал можно было называть пластической массой. Вторым признаком, определяющим принадлежность материала к группе пластических масс, является то, что основной, важнейшей частью, часто называемой связующим веществом пластмассы, служат органические соединения особого типа. Этим самым из понятия «пластические массы» исключаются материалы, изготовляемые из минерального сырья. В чем же заключается особый характер тех органических соединений, которые содержатся в пластмассе и обусловливают присущие ей особые свойства? Эти соединения построены определенным образом из молекул огромных размеров и называются высокомолекулярными полимерными веществами. Таким образом, пластические массы – это большая группа материалов, которые в определенных условиях температуры и давления способны формоваться, причем их главной составляющей частью являются органические высокомолекулярные полимерные соединения. Приведенное выше определение станет более понятным, когда мы разъясним смысл и содержание только что приведенных химических терминов (органические соединения, высокомолекулярные вещества и полимеры).

_____________________________ 1 Вспомним аналогичный пример из истории развития производства силикатного кирпича: этот материал вначале рассматривался как имитация известнякового песчаника, но впоследствии силикатный кирпич приобрел гораздо большее значение, чем стеновые материалы из природного камня — песчаника.

9

1.2. Понятие об органических соединениях, высоко молекулярных веществах, полимерах и их строении Какие вещества называют органическими? Все вещества, находящиеся в земной коре, на поверхности земли и в атмосфере, содержат химические элементы: водород, углерод, азот, кислород, алюминий, кремний, серу, кальций, железо, цинк, серебро и др. Так, например, вода заключает два элемента — водород и кислород. Среди 109 известных в настоящее время химических элементов особо важное значение принадлежит углероду, хотя относительное количество его на земле невелико (углерод составляет лишь 3% веса земной коры). Соединения углерода, главным образом с водородом и другими элементами, входят в состав самых разнообразных веществ, как находящихся в теле всякого живого существа и любого растения, так и получаемых искусственным путем, Жиры, масла, шерсть, кожа, древесина, уголь, нефть, природный газ, бумага, текстильные ткани, анилиновые краски, каучуки, пластические массы и многие другие природные и искусственные материалы содержат соединения углерода. В химии принято соединения углерода – преимущественно с водородом, а также с кислородом, азотом, серой – называть органическими соединениями (за исключением некоторых простейших соединений углерода, вроде окиси углерода и солей угольной кислоты). Но употребление слова «органический» в этом определении не отвечает современному состоянию наших знаний. Оно берет начало с того далекого времени, когда господствовало мнение, что соединения углерода, за немногими исключениями, образуются только в организмах растений или животных под влиянием особой таинственной «жизненной силы». Сторонники 1 виталистического мировоззрения утверждали, что продукты жизнедеятельности организмов не могут быть получены искусственным путем, что только вещества мертвой природы можно воспроизвести в лаборатории или на заводе. Однако в 20—60-х годах прошлого столетия учению виталистов был нанесен сокрушительный удар благодаря тому, что удалось искусственным путем получить ряд органических веществ, которые прежде встречали только в живых организмах. Так, в 1828 г. химик Вёлер в своей лаборатории получил из неорганических соединений мочевину, которая в естественных условиях является продуктом обмена веществ у живых существ2. Великий русский химик А. М. Бутлеров в 1861 г. осуществил синтез сахара. В природе сахар образуется в клетках растений из углекислого газа и воды при действии солнечного света; особенно много сахара содержится в некоторых видах свеклы и в сахарном тростнике. Бутлеров использовал для синтеза сахара не растительные продукты, а формальдегид – вещество, не свой_________________________________________________________ 1

Виталистический – от латинского слова «виталис», означает жизненный. Искусственная мочевина в виде белого кристаллического порошка, называемого карбамидом, в настоящее время изготовляется в больших количествах на заводах и служит важным сырьем для получения пластических масс. Кроме того, карбамид прибавляют к корму крупного рогатого скота и овец, если этот корм беден белковыми веществами. 2

10 ственное живой природе. Искусственным путем были также получены уксусная кислота, жиры и иные вещества, которые прежде находили только лишь в организмах животных и растений. Таким образом, возможность искусственного воспроизведения многочисленных продуктов, находящихся в живых организмах или ими выделяемых, оказалась во власти человека. В 1872 г. путем обработки нитроцеллюлозы камфорой был получен целлулоид, который явился первым видом пластической массы на основе производных целлюлозы. В 1897 г. был получен галалит – первая пластмасса на основе измененного белка - казеина, получаемого из молока. Дальнейший период истории пластмасс характеризуется быстрым развитием искусственного получения (синтеза) полимерных высокомолекулярных веществ и широким использованием их в технике. Для развития синтеза новых веществ громадное значение имели работы основоположника теории строения органических веществ А. М. Бутлерова и многих других выдающихся русских химиков. Особое значение имеет осуществленный Бутлеровым синтез изобутилена и последующие исследования его полимеризации. В настоящее время изобутилен получил самое широкое практическое применение как исходное сырье для производства полиизобутилена – полимера, применяемого в качестве каучука. А. М. Бутлерову принадлежит также открытие основных полимерных форм формальдегида, являющегося основой многих пластических масс. Большое значение для развития химии пластических масс имели работы М. Г. Кучерова, А. Е. Фаворского, выяснившего механизм изомерных превращений непредельных соединений, В. В. Солонина, впервые осуществившего реакцию сополимеризации, и С. В. Лебедева, много давшего для теории и практики полимеризации этиленовых соединений. Первыми синтетическими пластиками, нашедшими промышленное применение, были фенопласты. В 1902 г. в полузаводских условиях путем конденсации фенола с формальдегидом была получена первая синтетическая смола лаккаин. В период 1907 - 1914 гг. было осуществлено промышленное производство синтетических твердых смол на основе фенолоальдегидной конденсации. В этих разработках выдающуюся роль сыграл русский химик профессор Г.С. Петров. В 20-х и 30-х годах XX столетия получили промышленное применение мочевино-формальдегидные, полиэфирные и другие смолы. Начиная с 30-х годов большое значение приобрели полимеризационные пластики (полистирол, поливинилацетат, полихлорвинил,полиметилметакрилат и др.). В 40-х годах появились новые виды полимеризационных и поликонденсационных пластиков: полиамидные, полиуретановые, кремнийорганические и др. Эти открытия наряду с другими накопившимися материалами по опытному исследованию жизненных процессов помогли окончательно опровергнуть взгляды виталистов и упрочили учение

11 материалистов о том, что в основе жизнедеятельности животных и растительных организмов лежат материальные, т. е. осязаемые, реальные явления и что в живой и мертвой природе господствуют одни и те же законы. Таким образом, казалось бы, что в настоящее время могут считаться несостоятельными и само название «органические соединения» и выделение этих соединений в обособленную группу, так как проводившееся прежде принципиальное размежевание между органической и неорганической химией оказалось ныне лишенным каких-либо оснований. Хотя те стены, которые отделяли органическую химию от неорганической, т. е. химию соединений углерода от химии других соединений, уже давно пали, но старые названия все же остались. Это произошло вследствие того, что, по соображениям чисто практического характера (стройность классификации, наличие общих методов исследования и др.), выделение химии соединений углерода в отдельную дисциплину (органическая химия) оказалось удобным. В настоящее время известно более 3 млн. природных и искусственных органических веществ, неорганических же веществ значительно меньше – около 100 тыс. Высокомолекулярные смолы делятся на четыре класса, а именно, смолы, получаемые: а) полимеризацией; б) поликонденсацией; в) модификацией природных полимеров; г) образованием в природных условиях и путем термической обработки органических веществ. Смолы последней группы – природные и нефтяные битумы, каменноугольные смолы, пеки и масла, т. е. то сырье, на основе которого изготовляются так называемые битуминозные строительные материалы, – хотя и не относятся к полимерам, являются высокомолекулярными соединениями. Какие вещества называют высокомолекулярными и полимерными? Высокомолекулярными называют такие вещества, молекулы которых состоят из огромного числа атомов – нескольких тысяч, десятков тысяч и более. Поэтому размеры молекул высокомолекулярных соединений очень велики – в тысячи раз больше размеров обычных молекул. Большинство веществ, с которыми мы встречаемся при изготовлении и применении неорганических строительных материалов, состоит из обычных «малых» молекул. Так, чистый известняк состоит в основном из молекул минерала кальцита, построенных из пяти атомов; в молекуле воды – три атома. В качестве примера, характеризующего высокомолекулярные вещества, приведем целлюлозу – широко распространенное в природе соединение, вырабатываемое в клетках растений и являющееся основным их компонентом1. В молекуле целлюлозы содержится примерно 30–40 тыс. атомов. Иногда говорят, что высокомолекулярные вещества состоят из «молекул-гигантов». Высокомолекулярные вещества являются обычно полимерными соединениями или высокополимерами. _______________________________________________________________________ 1

Целлюлоза (клетчатка) является главной составной частью оболочек растительных клеток. В волокнах хлопка содержится 85—90% целлюлозы, в древесине хвойных пород — около 50% целлюлозы. Гигроскопическая вата, белые хлопчатобумажные или льняные ткани по своему составу представляют почти чистую целлюлозу.

12 Название «полимер» происходит от греческих слов «поли», что означает много, множество, и «мерос» — доля, часть. Высокополимерами или просто полимерами называют такие высокомолекулярные соединения, молекулы которых чаще всего построены путем многократного повторения определенных структурных единиц. Иначе говоря, полимеры – это вещества, в которых каждая молекула представляет собой цепь из десятков или сотен тысяч последовательно соединенных одинаковых групп атомов, причем одна и та же группа (звено) атомов ритмически (монотонно) повторяется большое число раз. По выражению академика А. Н. Несмеянова, в каждой полимерной молекуле представлен регулярно повторяющийся «архитектурный мотив». Структуру такой крупной молекулы (макромолекулы) условно можно уподобить многокилометровой ограде (см. рис. 1.1), например деревянной или металлической, построенной из многократно повторяющихся одинаковых секций, или же можно сравнить с цепью, сделанной из одинаковых звеньев.

Рис. 1.1. Системы полимерных цепей: а- аморфные образования; б- кристаллизация между цепями; в- ламинарная форма цепи; г- спиральная форма цепи (левовинтовая и правовинтовая)

Целлюлоза, на которую мы указывали как на высокомолекулярное вещество, является полимерным соединением. Несколько тысяч звеньев, соединенных друг с другом, образует «цепную» молекулу целлюлозы; при этом в каждом звене содержится 21 атом. Длина таких «цепных» молекул может достигать размеров в доли микронов, поперечные же размеры их остаются весьма малыми. Поэтому отношение длины к поперечному сечению у полимерных молекул очень велико и достигает десятков тысяч. Молекулы полимеров как бы напоминают длинные тонкие нити и поэтому называются нитевидными.

13 Длина цепей атомов в молекуле полимера, а также строение длинноцепных молекул обусловливает существенные качественные отличия высокомолекулярных полимерных материалов от обычных низкомолекулярных, из которых данный полимер может быть построен. Так, длинная цепная молекула целлюлозы состоит из нескольких тысяч групп атомов, причем каждая атомная группа представляет собой так называемый остаток глюкозы. Глюкоза — это легко растворимое в воде сахаристое вещество (хорошо известно применение глюкозы в качестве лечебного и питательного средства). Целлюлоза же представляет собой нерастворимое в воде полимерное соединение. Для производства синтетических полимеров используют мономеры органические, содержащие углерод, водород и кислород, в связи с чем их относят к классу также органических соединений. Однако в последнее время производят полимеры, в которых углерод замещают кремнием, фтором или другими химическими элементами, не присущими органическим веществам. Принципиальная схема образования синтетического полимера хорошо прослеживается на примере полиэтилена. Этилен — это газ, выделяющийся в виде побочного продукта при получении бензина из тяжелых частей нефти или получаемый из «попутного» или природного газа. Этилен содержится также в газе, который производится из каменного угля и используется для бытовых надобностей (в кухнях, ванных). Этилен представляет собой низкомолекулярное соединение, так как его молекула состоит всего лишь из двух атомов углерода и четырех атомов водорода. Структурная формула молекулы этилена имеет следующий вид: СН2=СН2. В таком состоянии молекулы этилена не только не стремятся сгруппироваться, но, наоборот, отталкиваются друг от друга, что присуще всякому газу. Химическая стойкость молекулы этилена объясняется полным использованием валентных связей; четырехвалентного углерода и одновалентного водорода. Если раскрыть двойную связь между атомами углерода, то появляются активные элементы. В результате их взаимного соединения образуется цепная молекула полиэтилена [- СН2 - СН2 – СН2 -]. Раскрытие двойной связи между атомами углерода впервые было достигнуто очень сложным путем. При давлении 2000 ат (200 МПа) и температуре 200°С (473 К) был получен полиэтилен «высокого давления» — твердое белое вещество, имеющее совершенно другие свойства, чем этилен. Синтез молекул этилена — большое достижение науки и техники. Модель молекулы полиэтилена изображена на рис. 1.2. Кружками показаны сферы колебаний атомов углерода и водорода. Атомы углерода между собой и с атомами водорода объединяет общая оболочка из электронов, находящихся на наружных орбитах.

14

Рис. 1.2 Структура цепной молекулы полиэтилена

Макромолекула полиэтилена имеет зигзагообразное линейное очертание, но это является простейшим случаем. Углы сопряжения атомов могут быть не только плоскостными, но и объемными, в результате чего макромолекула полимера может иметь винтообразную форму. Помимо этого возможны боковые ответвления и другие усложнения ее строения. Молекулы многих полимеров на отдельных участках соединяются между собой.

В плоскости получается сетчатая структура, а в объёмепространственная. Понятие «макромолекула» теряет при этом смысл, поскольку возникает цельный комплекс единого полимерного вещества. Но единичные элементарные звенья молекул как отдельно, так и в соединении с несколькими соседними в физико-химическом отношении бывают самостоятельными единицами. Их называют сегментами. Образование полимера путем расщепления внутримолекулярных связей исходного мономерного вещества и последующего многократного воссоединения полученных «остатков» называют полимеризацией. Она происходит без выделения побочных веществ. Другой способ создания полимерного вещества заключается в том, что от исходного продукта — мономера отделяются группы атомов, возбуждая, таким образом, в остальной части свободные химические связи. Полученные в результате «остатки» молекул, взаимно соединяясь, образуют полимер, но путем поликонденсации. Излишние группы атомов, входящие в состав исходных продуктов, или химически связываются, или просто удаляются как побочные вещества в виде воды, аммиака, хлора и т. д. Примерами получения полимера методом поликонденсации являются фенолформальдегидная, фурфуролацетоновая, эпоксидная и другие смолы. Полимеры получают путем непрерывного наращивания цепной молекулы или путем соединения промежуточных образований. От того, каким способом получают полимер, во многом зависят его свойства. В первом случае полимеризацию называют цепной, получаемые полимеры образуют класс А. Во втором случае полимеризации, называющейся ступенчатой, получаемые полимеры относят к классу Б. В класс Б входят также поликонденсационные смолы, образующиеся в большинстве случаев ступенчато. Полимеры класса А имеют линейную структуру и могут при нагревании переходить из твердого в жидкое агрегатное состояние, а при охлаждении отверждаться, поэтому их называют термопластичными, У полимеров класса Б, имеющих сетчатую структуру, при нагревании до 170 - 200°С разрушаются поперечные связи между молекулами, после чего они разлагаются с выделением простых веществ — газов и обугливаются. Такие

15 полимеры называют термореактивньши, они не размягчаются и не отвердевают (см. п. 1.3). Физическое состояние полимера определяется взаимодействием макромолекул в целом или отдельных ее сегментов. В твердом агрегатном состоянии полимер находится в аморфной или кристаллической фазе. Аморфная фаза в зависимости от температуры имеет три модификации: стеклообразную, высокоэластическую и вязкотекучую. Аморфным строением называют такое, когда при образовании полимера макромолекулы занимают нерегулярное положение. Однако при этом полной хаотичности в их относительном расположении нет, они могут группироваться в мицеллы, образующие в свою очередь уже видимые в микроскоп волоконца — фибриллы и в глобулы, представляющие свернутые в клубок фибриллы, в пачки и т. д. При понижении температуры аморфный полимер переходит в стеклообразное состояние. Оно характеризуется плотным фиксированным расположением сегментов молекул, так что перескоки некоторых из них в новое положение, вызываемые тепловыми флюктуациями, исключены. При достаточно низкой температуре в случае даже небольшого деформирования полимерного тела, может иметь место хрупкий излом. С повышением температуры полимер переходит в высокоэластаческое состояние. Молекула в целом в результате тепловых перескоков составляющих ее сегментов изменяет свою форму, принимая самые разнообразные конфигурации, однако сразу целиком перемещаться еще не может. Упрощенно можно представлять, что сегменты молекул как бы вращаются относительно валентных связей при неизменности угла между ними и длины. Фиксированную на данный момент времени форму молекулы называют конформацией. В вязкотекучем состоянии молекулы полимера подвижны и могут менять положение относительно друг друга. Полимер в этом состоянии течет как жидкость под влиянием веса. Использование аморфного полимера, находящегося в вязкотекучем состоянии, в строительных конструкциях затрудняется непрерывным ростом деформаций, поэтому их применяют главным образом как отделочные материалы. У кристаллических полимеров молекулы на отдельных участках соприкасаются настолько близко, что межмолекулярные расстояния и силы взаимодействия становятся соизмеримыми с внутримолекулярными. В этих областях образуются кристаллы, ориентированные различным образом. Длинная молекула полимера входит в кристаллиты частями, между кристаллитами остаются аморфные зоны различных модификаций. Большинство полимеров имеет форму длинных гибких цепей. Обычно регулярно расположенные молекулы образуют кристаллическую структуру. Исследование природных полимеров выявило сложность их структуры, частично кристаллической, а частично аморфной. Если преобладает кристаллическая структура, материал имеет относительно высокую прочность и жесткость, устойчив против нагрева и многих растворителей. Материал с аморфной структурой мягок, эластичен и проницаем для жидкостей.

16 Как можно повысить прочность полимерных материалов путем изменения их структуры? Одна из особенностей структуры полимеров — способность к кристаллизации. Когда полимер с упорядоченным расположением атомов или атомных групп в цепи подвергается механической обработке, приводящей к ориентировке цепей, последние стремятся расположиться параллельно друг другу и образуют кристаллиты, индивидуальные связи между цепями не очень сильные, но их многочисленность и равномерное распределение сообщают структуре значительную жесткость. Такой материал тверд, он плохо растворяется и не теряет твердости при нагреве. Даже кристаллизованный полиэтилен, в котором между цепями действуют слабые вандерваальсовы силы, является прочным вязким материалом с высоким сопротивлением истиранию и довольно высокой точкой плавления (130°С). Полипропилен, другой полимер с регулярным расположением цепей, в кристаллизованном состоянии весьма жёсток и имеет температуру плавления 175°С. Полистирол с температурой плавления 230°С обладает еще более высокой способностью сохранять твердость при повышении температуры. Кристаллизация полимеров с полярными группами (разделенными положительными и отрицательными электрическими зарядами) позволяет получать материалы с еще более высокой прочностью и высоким сопротивлением нагреву, поскольку в полимерах с полярными группами связи между цепями еще сильнее. Примерами таких материалов являются нейлон, саран, дакрон и майлар. Кристаллизация не единственный способ повышения прочности полимеров. Второй способ заключается в создании химических поперечных связей. Для образования сильных химических связей между цепями в полимеры добавляют, например, серу. В данном случае процесс совершенно отличен от кристаллизации. Поскольку кристаллизация — это физический процесс, он зависит от ориентировки цепей и на его протекание не влияют колебания температуры; процесс этот обратим и не сопровождается разложением полимера. Образование поперечных связей — химическая реакция, не зависящая от ориентировки цепей; скорость процесса быстро возрастает с повышением температуры, и процесс не является обратимым. Сильные, беспорядочные связи между цепями при увеличении температуры выше точки плавления полностью разрываются. Происходит полное разрушение материала, а не только его размягчение. Резина — хороший пример полимера с поперечными связями. В ее наиболее распространенной форме (вулканизированная резина для покрышек) связи между цепями осуществляются определенной частью атомов серы; благодаря этому резина сохраняет эластичность. Увеличивая число поперечных связей, можно создать более твердый материал, в итоге получается эбонит — очень жесткий материал с чрезвычайно высокой температурой размягчения. Эбонит совершенно не растворим и не склонен к набуханию. Это один из старейших «пластиков» (в действительности это даже не пластик, а термореактивный материал), он является прототипом многих других полимеров с поперечными связями, к числу которых относятся различные резины с

17 высокой твердостью, материалы на основе формальдегида, термореактивные смолы, упрочняемые путем прививки стирола к основному полимерному скелету, содержащему алифатические двойные связи. Кристаллизация и создание поперечных связей позволяют получить органические полимеры с модулем упругости до 31500 МПа и температурой плавления до 350°С. По-видимому, это уже предел. Существенные результаты дает комбинация метода кристаллизации с методом создания жестких цепей. Пример этому — целлюлоза. Жесткие цепи обеспечивают ей высокую прочность на растяжение и высокую температуру плавления даже при относительно низкой степени кристалличности. Повышение степени кристалличности и жесткости цепей позволяет получать на основе целлюлозы исключительно жесткие полимеры, которые практически не плавятся и растворяются только в особенно активных растворителях. Целлюлоза хорошо прессуется, из нее получают вязкие волокна, пленки и изделия из них. Совмещение высокой жесткости цепей и кристалличности особенно эффективно отразилось на свойствах триацетатцеллюлозы. Способность этого полимера к кристаллизации дает ему ряд преимуществ по сравнению с обычной ацетатцеллюлозой, особенно важное из них — высокая сопротивляемость органическим растворителям и повышенные термореактивные характеристики. Вторым примером удачной комбинации двух способов упрочнения является создание терилена. В этом кристаллическом полимере (который химически описывается как полиэтиленгликольтерефталат) цепи обладают умеренной жесткостью и соединяются весьма слабыми боковыми связями из-за отсутствия водородных связей. Даже в таком случае совмещение кристаллизации и жесткости цепей достаточно для обеспечения высокой прочности волокна и высокой температуры плавления (260 °С). Третья возможная комбинация способов, предусматривающая сочетание жестких цепей и поперечных связей, также дает обнадеживающие результаты. Создание поперечных связей между цепями в эпоксидных полимерах позволило повысить их жесткость и сопротивление размягчению. Поскольку комбинации двух из трех известных способов упрочнения полимеров оказались весьма эффективными, есть надежда, что одновременное применение трех способов позволит получить еще более интересные результаты (см. рис. 1.3 и табл. 1.1). Уже удалось достичь заметных успехов. Например, таким образом улучшают свойства хлопка и вискозы. Волокна подвергают двойной обработке: механической для кристаллизации жестких цепей целлюлозы и обработке с применением химических веществ, обеспечивающих образование поперечных связей. Подобная обработка делает изготовленные из этих волокон изделия немнущимися, сохраняя другие их свойства. Обнадеживающие результаты получены также для упрочнения полимеров эпоксидного типа и типа уретана. Добавление в эти системы, обладающие жесткими цепями и поперечными связями, наполнителей вызывает эффект кристаллизации.

18

Рис.1.3. Комбинирование способов упрочнения полимеров. Каждый угол треугольника соответствует одному из трех способов повышения жесткости и теплоустойчивости полимера. Стороны и центр треугольника соответствуют различным комбинациям этих способов. В табл. 1.1 приведены примеры возможных комбинаций.

Имеются все основания полагать, что дальнейшие исследования в области упрочнения всеми тремя методами одновременно приведут к созданию новых органических полимеров с интересными свойствами. Вполне возможно, что в результате этих исследований будут получены новые материалы для строительства и транспорта, которые превзойдут ныне существующие. В натуральном полимерном теле соседствуют различные фазы, модификации и состояния. Строение полимера во всех отношениях (химическом, физическом, микроскопическом) неоднородно. Такие тела называют анизотропными в отличие от изотропных или квазиизотропных тел, имеющих однородное строение. Полимеры в чистом виде используют в строительстве мало. Это преимущественно термопласты. Так, в целях отверждения при нормальной температуре или ускорения процесса поликонденсации в них вводят отвердители, которые участвуют в реакции как катализаторы, но в состав полимера не входят. Перемешиваясь с молекулами полимера, механически они остаются в нем или конденсируются на поверхности изделия. Без отвердителя обойтись нельзя, но его действие отрицательное: выделяясь, он образует поры, оставаясь в составе, ослабляет основное полимерное вещество, поэтому отвердитель вводят в смолу в минимально необходимом количестве. Для уменьшения жесткости и предотвращения образования трещин вводят пластификаторы («мягчители»). Для придания большей стойкости к внешним воздействиям добавляются к полимеру в процессе изготовления его или изделий из него так называемые антистарители и красители. Например, черная сажа повышает сопротивляемость полиэтилена ультрафиолетовому излучению, поэтому ее добавляют при изготовлении из полиэтилена труб для наружных водоводов. В некоторых случаях реакция полимеризации проходит нежелательно быстро. Например, при хранении смолы после ее изготовления вообще не нужно, чтобы полимеризация шла до введения отвердителя. С целью торможения процесса полимеризации или поликонденсации в исходные продукты добавляют ингибиторы (стабилизаторы).

19

Обозначение на рисунке

Таблица 1.1 Область применения различных по структуре полимеров Характеристики полимера

Полимеры

Применение

Полиэтилен

1

2

3

Трубы, посуда , тонкие пленки Гибкие и кристаллизующиеся Полипропилен Рулевые колеса цепи Поливинилхлорид Трубы, обшивка Нейлон Одежда Фенолформальдегид Корпуса телевизоров, телефонные аппараты Каучук Покрышки, ремни Аморфные гибкие цепи с (приводные), шланги поперечными связями Полиэфирные Материалы для полимеры отделки автомобилей, приборы Полиамиды Высокотемпературная изоляция Жесткие цепи Лестничные Тепловые экраны молекулы

А

Кристаллические участки в вязкой матрице

Терилен (дакрон) Ацетат целлюлозы Неопрен

В

Ограниченное число поперечных связей и частичная кристаллизация

С

Жесткие цепи и частичная кристаллизация

Теплостойкие материалы

D

Кристаллические участки с жесткими цепями между ними и поперечными связями между цепями

Высокопрочные и теплостойкие материалы

Полипрен

Волокна, пленки Маслостойкие изделия из резины Особо стойкие изделия из резины Авиационные и ракетные двигатели и установки, работающие с плазмой Здания, транспортные средства

Все перечисленные вещества вводят в полимер не всегда, а по мере необходимости. Количество их невелико составляет не более 20% к массе полимера. В строительных конструкциях полимер сочетается с инертными веществами – наполнителями (см. п. 2.2). Наполнители увеличивают прочность и жесткость полимера, уменьшают его усадку, обеспечивают большую экономичность получаемых конструкций. Наполнителями обычно являются измельченные горные породы и древесина. Полимер в сочетании с наполнителем составляет пластмассу (пластик). По физико-механическим свойствам все органические пластики разделяются следующим образом:

20 а) жесткие пластики — твердые материалы аморфной структуры с высоким модулем упругости (выше 1·103 МПа), с малым удлинением при разрыве, сохраняющие свою форму при внешних напряжениях при нормальной или повышенной до определенного для каждого пластика предела температуре; б) полужесткие пластики — твердые упругие материалы кристаллической структуры со средним модулем упругости (выше 4·102 МПа), высоким относительным и остаточным удлинением при разрыве, причем остаточное удлинение обратимо и полностью исчезает при температуре плавления кристаллитов; в) мягкие пластики — мягкие и эластичные материалы с низким модулем упругости (но выше 20 МПа), высоким относительным удлинением и малым остаточным удлинением, причем обратимая часть деформации исчезает при нормальной температуре с замедленной скоростью; г) эластики — мягкие и эластичные материалы с низким модулем упругости (ниже 20 МПа), поддающиеся значительным деформациям при растяжении, причем вся деформация или большая ее часть обратима и исчезает при нормальной температуре с большой скоростью (практически мгновенно). Собственно пластическими массами (или пластмассами) называются жесткие, полужесткие и мягкие пластики, т. е. три первые группы органических пластиков из четырех перечисленных выше. В пластмассе полимер выступает в новом качестве — в виде пленки, обволакивающей волокна или зерна наполнителя, при этом между ними возникают новые силы взаимодействия — силы адгезии («прилипания»); в самой пленке действуют, как и в цельном объеме полимера, силы когезии. В зависимости от величины зерен различают микро- и макронаполнители. Микронаполнитель получают размолом песков различных горных пород и минералов. В сочетании с полимером при перемешивании он дает мастику. Ввиду того, что зерна микронаполнителя малы, их много, поэтому до 90% поверхности соприкосновения полимера с наполнителем приходится на микронаполнитель, хотя его содержание может быть зачительно меньшим, чем крупных зерен макронаполнителя. Вообще содержание наполнителей в пластмассе колеблется от 95% до нуля. Но несмотря на то, что основой пластмассы является полимер, влияние свойств материала наполнителя, макроструктуры и его гранулометрии на свойства пластмассы в целом зачастую является решающим, особенно при малых количествах связующего. Чтобы еще раз подчеркнуть то важное обстоятельство, что размер молекул органического вещества резко отражается на его свойствах, приведем также сравнение полиэтилена с парафином. Парафин имеет то же химическое строение, что и полиэтилен. Но каждая молекула парафина состоит только из десятка, а молекулы полиэтилена из многих тысяч таких же звеньев. Относительно малая длина цепей молекул парафина обусловливает малую прочность этого вещества. Парафин, кроме того, хрупок и нетеплоустойчив. Так, парафиновые свечи при комнатной температуре иногда изгибаются от действия собственного веса; при температуре около 35—40° парафин

21 размягчается, а при дальнейшем нагревании до 45—50° переходит в жидкое состояние. Между тем полиэтилен при температуре до 100—150° представляет собой очень прочный материал. Полиэтилен по механической прочности значительно превосходит бетон, древесину и многие другие строительные материалы; по гибкости напоминает каучук. А парафин, по химическому строению «родной брат» полиэтилена, представляет собой материал малопрочный и термически нестойкий; по своим свойствам парафин занимает как бы промежуточное положение между этиленом и полиэтиленом. Состав пластмассы очень часто называют «композицией», подразумевая под этим термином рациональные соотношения между всеми ее ингредиентами. В табл. 1.2 приводятся основные виды полимеров, используемых для строительства, а также сырье для их получения. Причем промышленное производство полимерных материалов не требует таких больших капитальных затрат, как, например, производство металлов алюминия, стали, титана и т. д. Таблица 1.2 Основные виды полимеров, используемых для строительства Название

Исходные вещества для получения

Внешний вид

Применение

Класс А. Синтетические полимеры цепной полимеризации Полиэтилен

Этилен (газ) из нефтяных газов

Полипропилен

Пропилен (газ) из нефтяных газов

Полиизобутилен

Изобутилеи (газ) из нефтяных газов

Твердый белый материал, слегка просвечивает. В гранулах или в порошке Белый порошок или гранулы желтоватого цвета Каучукоподобные эластичные листы и пленки темного цвета

Трубы, санитарнотехнические изделия пленки, листы Трубы и пленки Антикоррозионная защита, полы, гидроизоляция

Поливинилхлорид

Утеплитель, Порошок или гранулы белого или линолеум, пленки, слабо-желтого цвета. Кокс, известь (ацетрубы, фитинги. Листы темно-коричневого цвета тилен) Применяют жесткие, листы светло-желтого в светопроницаемых цвета светопроницаемые конструкциях

Полиперхлорвинил

Кокс, известь (ацетилен)

Поливинилацетат

Полистирол Полиметилметакрилат

Порошок или его раствор

Стеклообразный бисерный Ацетилен и уксус- продукт белого цвета или его водная кислота ная эмульсия сметанообразного вида Прозрачные листы, гранулы или белый порошок. В вспененЭтилен и бензол ном виде — пенопласт Прозрачные бесцветные блоки и Ацетилен и спирт листы или белый порошок. В плитах и листах - оргстекло

Клей, лаки, краски, пленки, ткани Полимерцементбетон, мастичные полы, клеи, лаки Утеплитель, облицовочные плитки, пленки, трубы Светопроницаемые покрытия, облицовоч ные плиты

22 Продолжение табл.1.2 Класс Б.Синтетические полимеры конденсационной и ступенчатой полимеризации Конструкционные Фенол (из пластмассы, клеи, каменноуг. смолы) Фенолоутеплители, и формальдегид из Вязкая жидкость темноформальдехимически стойкие метана (прир. газ) коричневого цвета гидная смола мастики, листы и или из метилового плитки (арзамит, (древесного) спирта фаолит, фенолит) МочевиноФормальдегид из формальдеСеровато-белый и других Изготовление конметана (природный гидные (кароттенков (в зависимости от приме струкционных пластгаз) или из метил. бамидные) сей) кристаллический порошок масс и клеев спирта. Мочевина смолы МеламиноМеламин (из мочеПорошок различных формальдевины) и формальдецветов (в зависимости от То же гидные смогид примесей) лы Глицерин (Г) и Полиэфирные Изготовление пластфталевая кислота Смола светлого цвесмолы масс, клеев, лаков, (Ф) из нафталина та, почти прозрачная глифтали пленок , линолеумов («остатки») Малеиновая кислоНенасыщенИзготовление стекта (из бензола) и Вязкожидкий растные полиэфилопластиков, клеев, двухатомные вор смолы в стироле ры (в стироле) лаков, замазки спирты (из этилена) Изготовление стекВязкие жидкости ЭпоксидФенол и эпихлорлопластиков и клеев, желтого и коричненые смолы гидрин пластрастворов и завого цвета мазки Изготовление ткаГранулы, порошки, невых оболочек в Полиамидволокна и ткани (капФенол, азот ные смолы пневматических конрон, нейлон) струкциях Спирты, диамины, УретаноЛитьевая смола, вогексаметиленизоциУтеплитель, клей пласт локна, пенопласты онат КремнийИзготовление гидроСмола, жидкость, органичеФерросилиций фобных пленок и допенопласт ские смолы бавок, утеплителей

23

1.3. Термопластичные и термореактивные полимеры Исследования показывают, что вещества, состоящие из молекул с длинной цепью одинаковых групп атомов, отличаются гибкостью, эластичностью, прочностью. Чтобы наглядно представить, как отношение длины к поперечному сечению молекул влияет на их свойства, приведем в виде грубого примера сравнение со стеклом, вытянутым в нить: стекло в куске хрупко, а стеклянное волокно гибко, эластично. Точно так же сталь в виде тонкой проволоки приобретает свойства, отличные от свойств вещества в массе. Но не только длина цепей атомов в молекуле оказывает решающее влияние на некоторые физико-механические свойства вещества. Эти свойства в большой мере зависят также от того, как длинноцепные молекулы взаимодействуют друг с другом в массе полимера. Как же отдельные молекулы полимеров связаны между собой в образованных ими телах? Возможны два типа межмолекулярных связей. Первый тип: длинноцепные молекулы, из которых состоит полимер, связаны между собой относительно слабыми силами взаимодействия. Структуру такого полимера можно упрощенно сравнить со строением металлического троса, между отдельными нитями (проволоками) которого нет сильного необратимого сцепления: при расплетении троса удается сравнительно легко перемещать проволоки относительно друг друга. Полимерное вещество, отличающееся слабыми межмолекулярными связями, сравнительно легко размягчается при нагревании. Второй тип: отдельные молекулы связаны между собой очень прочными силами взаимодействия. Сравнение с проволоками, сваренными в отдельных местах, например точечной сваркой, так что образуется прочный пространственный каркас, может дать некоторое, но, конечно, лишь грубо приближенное представление о структуре полимеров, для которых характерен второй тип межмолекулярных связей. Разрушить такой полимер сравнительно трудно. Для этого нужно нагреть его до температуры, вызывающей разрушение органического вещества, т. е. до 300—400°. В зависимости от типа межмолекулярных связей различают полимеры термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры, для которых характерен первый тип межмолекулярных связей, могут очень много раз размягчаться при нагревании и отвердевать при охлаждении. Это происходит потому, что с повышением температуры не очень сильные связи между молекулами еще более ослабевают и при этом макромолекулы вещества получают возможность перемещаться относительно друг друга (материал размягчается). Только после длительного термического воздействия термопластичные полимеры могут полностью или частично потерять способность к размягчению при нагревании. Термопластичные полимеры способны также сравнительно легко набухать и растворяться в различных органических растворителях, так как молекулы последних могут проникать в промежутки между отдельными слабо связанными макромолекулами термопластичного полимера.

24 По этим свойствам термопластичные полимеры напоминают хорошо известные битумные материалы. Примером термопластичных полимеров могут служить полистирольные, полиэтиленовые и полихлорвиниловые смолы и пластмассы, с которыми нередко приходится иметь дело строителю. Термореактивными называют такие полимеры, которые, будучи отформованы в процессе их образования, в дальнейшем, после отверждения1, уже не способны значительно размягчаться при повышенных температурах. В таких полимерах между макромолекулами вещества действуют прочные химические связи, которые нельзя существенно ослабить повышением температуры в определенных пределах. Поэтому термореактивные полимеры не должны значительно размягчаться при нагревании вплоть до температуры, при которой начинается разрушение данного органического вещества. По отношению к действию повышенных температур термореактивные полимеры несколько схожи с древесиной, которая при высокой температуре не размягчается и не расплавляется, а разрушается, если доступ воздуха недостаточен, или сгорает, когда имеется достаточно кислорода воздуха. Примером термореактивных полимеров могут служить фенолоформальдегидные и мочевиноформальдегидные, полиэфирные и некоторые другие смолы. В промышленности пластмасс термопластичные полимеры иначе называют обратимыми, так как они после отверждения, например в холодной пресс-форме, могут при нагревании снова переходить в плавкое состояние. Термореактивные полимеры становятся после отверждения в пресс-форме неплавкими, непригодными к перепрессовке и в большинстве случаев нерастворимыми. Поэтому их называют необратимыми.

1.4. Пластмассы как строительные материалы Одним из весьма ценных для строительной практики свойств пластических масс является малая объемная масса. Объемная масса наиболее широко применяемых пластиков колеблется от 15 до 2200 кг/м3, включая и пористые пластмассы, так называемые поропласты. В среднем пластмассы (за исключением поропластов) в 2 раза легче алюминия и в 5 — 8 раз легче стали, меди, свинца. Замена стали, а также силикатных материалов (кирпича, бетонов) пластмассами дает значительное снижение веса сооружений. Наибольшее снижение массы может быть достигнуто, когда пластические массы будут применены в качестве конструктивного стенового материала или в качестве заполнителя в зданиях каркасного типа. Важным показателем пластмасс является прочность. Прочностные характеристики особенно высоки у пластмасс с листообразными наполнителями. Например, у текстолита предел прочности при разрыве достигает 150 МПа, у дельта-древесины — 350 МПа и у слоисто-волокнистого _________________________________________________________ 1

Термин «отверждение», принятый в технологии пластмасс, имеет такой же смысл, как слово «затвердевание», применяемое к цементам или бетонам.

25 анизотропного материала (СВАМ) - от 480 до 950 МПа, в то время как обычная строительная сталь Ст. 3 имеет предел прочности 380 - 450 МПа. Из приведенных цифр видно, что прочностные характеристики слоистых пластиков весьма высоки и поэтому применение некоторых из них в несущих конструктивных элементах зданий вполне возможно (например, - СВАМ). Пределы прочности при сжатии этих материалов также высоки, а именно: дельта-древесина — 20 МПа, текстолит — 160 МПа и СВАМ — 420 МПа. Пластмассы с порошкообразными и волокнистыми наполнителями, из которых методом прессования могут быть изготовлены различные строительные изделия, например плитки для полов, кровельные материалы и др., имеют предел прочности при сжатии от 120 до 160 МПа и предел прочности при изгибе от 40 до 60 МПа. Основные прочностные характеристики у перечисленных выше пластмасс превосходят в этом отношении многие из широко применяемых в строительстве материалов (например, бетон, древесина). Прочностные характеристики пористых пластмасс, например мипоры, не очень высоки, поэтому такие материалы применяются в условиях, не требующих повышенной прочности. Коэффициент конструктивного качества (отношение прочности материала к его объемному весу) у некоторых пластмасс очень высок. Из материалов на основе полимеров, применяемых в строительстве, обладают высоким коэффициентом конструктивного качества пока только слоистые пластики, что видно из сравнения следующих данных. Коэффициент конструктивного качества кирпичной кладки 0.02, бетона марки 150 — 0.06 (в 3 раза выше, чем кирпичной кладки), Ст. 3 — 0.51 (почти в 9 раз выше, чем у бетона), сосны — 0,7 (в полтора раза выше, чем у стали), дюралюминия — 1.6 (вдвое выше, чем у древесины), слоистого пластика СВАМ — 2,2, дельтадревесины — 2,5 (в 5 раз выше, чем у стали). Таким образом, по коэффициенту конструктивного качества слоистые пластики являются непревзойденными материалами, из них можно создавать самые прочные и самые легкие строительные конструкции. Положительным свойством пластических масс как строительного материала является низкая их теплопроводность. Диапазон теплопроводности для плотных пластмасс составляет от 0,2 до 0,6 ккал/(м·град·ч). Наиболее легкие пористые пластмассы по теплопроводности (0,026) приближаются к воздуху. Малые коэффициенты теплопроводности, характерные для пластмасс, открывают возможность широкого использования их в строительной технике. Ценным свойством пластмасс является химическая стойкость. Полимеры вещества инертные, так как у них почти все химические валентные связи насыщены. Только на концах длинных молекул связи остаются свободными, но таких связей при высокомолекулярном строении полимера ничтожно мало: 1-2 на десятки тысяч. Связи между молекулами слабее. Только у сетчатых полимеров они имеют устойчивый характер, но и то они расположены не сплошь. Межмолекулярные связи в полимерах имеют главным образом физико-

26 химический характер, причем в аморфных зонах и особенно в вязкотекучих состояниях они могут быть весьма слабыми. Сюда при длительном воздействии какого-либо реагента могут проникать малые его молекулы. Они раздвигают нитевидные молекулы полимера, ослабляя связи между ними в еще большей степени, а при очень длительном воздействии — разрывают и химические связи. В результате происходит деструкция полимера и он теряет свои первоначальные положительные качества. Это явление называют старением. Старение — очень медленный процесс, длящийся годами. Борьба с ним ведется путем введения специальных веществ — антистарителей, разных для различных полимеров. Действие антистарителей основано на том, что они, заполняя субмикроскопические полости и поры, всегда имеющиеся в полимерных телах, препятствуют продвижению молекул реагента, в первую очередь воды и кислорода, а также и других химически агрессивных веществ. Химическая стойкость к различным реагентам у разных пластмасс разная (табл. 1.3). Но можно отметить, что большинство пластмасс стойко к кислотам, за исключением концентрированных, к щелочам, нефтепродуктам, органическим растворителям, морской воде. Таблица 1.3 Химическая стойкость конструкционных пластмасс АГ--4С

КАСТ

Полиэфирный стеклопластик

ДСП

БСП

Полимербетон ФАМ

Оргстекло

Винипласт

Наименование среды

Нефтепродукты Н Кислоты: концентрированные Н разбавленные Ст в том числе: азотная кислота — уксусная кислота — серная кислота концентрированная — Щелочи: концентрированные Н разбавленные Ст Аммиак жидкий — Ароматические углеводороды Н Хлорированные углеводороды — Дихлорэтан — Бензол — Эфир — Спирты Н Ацетон — Фенол — Сероуглерод — Анилин — Хлор —

Н

Ст

Ст

Ст

Ст

Ст

Ст

Н Ст

Ст Ст

Н Н

Н Ст

Ст Ст

Ст Ст

Ст Ст

— — —

Ст Ст Н

— — —

— — —

Н Н Н

Н — —

Н Н —

Н Н — Н — — — — Н — — — — —

Н Н — — Н — Н Ст Ст Н Ст Н Н Н

Н Н — — — — — — — — — — — —

Н Ст — — — — — — Ст Ст — — Н —

Ст Ст Ст — — — Н — — Н — — — Н

Н Н — — — — Н Н — — — — — —

Ст Ст Н Н — Н Н — — Н — — Н Н

Примечание. В таблице обозначено: Н – не стоек; Ст – стоек; «–» не исследовано

27 Однако при выборе пластмассы для строительных конструкций, эксплуатируемых в той или иной агрессивной среде, следует руководствоваться ее индивидуальными качествами. Для того чтобы пластмасса была химически стойкой, наполнитель также должен иметь соответствующую химическую стойкость. Степень химической стойкости пластмассы принято измерять отношением прочности при сжатии выдержанных в агрессивной среде до полной стабилизации массы образцов К прочности идентичных образцов, хранящихся в нормальных условиях. Однако лучше степень химической стойкости измерять по прочности при растяжении. В отличие от природных синтетические полимеры не являются питательной средой для микроорганизмов, они не загнивают. Возможность вводить пигменты и красители непосредственно в пластмассу позволяет обходиться без окраски, которая требуется для многих других строительных материалов. Высокая устойчивость пластмасс к коррозии также исключает необходимость периодических покрасок. Этому способствует также и возможность придавать поверхности изделий из пластмасс при их формовании значительную плотность и ровность. Следует иметь в виду, что при использовании пластических масс в качестве строительного материала к качеству окраски должны быть предъявлены более высокие требования, чем те, которые предъявляются в других областях использования пластических масс. Это вызывается тем обстоятельством, что условия службы строительных материалов, в частности для наружных частей здания, особенно тяжелы. Способность пластмасс сопротивляться истирающим усилиям также имеет важное значение для применения их в строительстве, в частности при устройстве полов — будь то пластмассовые плитки или линолеум на основе полимеров. Перспективность внедрения пластмассовых материалов в конструкции полов объясняется тем, что в пластмассу можно ввести большое количество минеральных наполнителей. Это сокращает расход полимера на единицу площади. Очень ценным свойством некоторых пластических масс, особенно тех из них, которые не содержат наполнителей, является их прозрачность и высокие оптические свойства. Многие из них по праву носят название органических стекол и при снижении их стоимости могут найти достаточно широкое применение как высококачественный материал для замены оконного стекла. Коэффициенты преломления полиметилметакрилатных, полистирольных и фенольных смол весьма близки к обычному оконному стеклу (1,52). Ценнейшим свойством пластмасс является легкость их обработки, которая позволяет придавать им любую, даже самую сложную форму. Бесстружечная обработка этих материалов (литье, прессование, шприцевание) значительно снижает стоимость изготовляемых изделий. Легкость обработки пластмасс на станках (пиление, сверление, фрезерование, строгание, обточка и др.) в сочетании с возможностью повторно использовать стружку и отходы делают и станочную обработку пластмассовых изделий вполне целесообразной и по технологическим и по экономическим соображениям.

28 Возможность склеивания пластмассовых изделий как между собой, так и с другими материалами, например с металлом, деревом и другими, открывает большие возможности для изготовления различных комбинированных клееных строительных изделий и конструкций. Легкая свариваемость многих материалов из пластмасс дает возможность механизировать некоторые виды строительных работ, например санитарно-технические. Легкость герметизации мест соединений и сопряжений позволяет широко использовать пластмассы в качестве гидроизоляционных и газоизоляционных материалов. Это свойство особенно важно в сочетании со способностью некоторых пластмасс давать тонкие и прочные газо- и водонепроницаемые пленки, которые широко могут быть использованы как надежный, недорогой и удобный материал для гидро- и газоизоляций, например, при строительстве бензохранилищ и других хранилищ для светлых нефтяных продуктов. Способность пластмасс образовывать тонкие пленки в сочетании с их высокой прилипаемостью (адгезией) по отношению к ряду материалов делает их незаменимым сырьем для производства на их основе лаков и красок. К благоприятным условиям развития пластических масс, как строительного материала, относится неограниченность и доступность сырьевой базы для промышленности полимеров, являющихся основой производства пластических масс. Синтетические пластики, на которые ориентируется развитие нашей промышленности пластических масс, получаются путем химических превращений на основе реакций поликонденсации и полимеризации из простейших химических веществ, которые в свою очередь получаются из таких доступных видов сырья, как уголь, природные и попутные газы, нефть, известь и т. д. К отрицательным характеристикам пластмасс как строительного материала прежде всего должна быть отнесена их низкая теплостойкость (от 70 до 200°) и низкая огнестойкость. Это относится к большинству пластических масс, и только некоторые типы пластиков, например кремнийорганические, политетрафторэтиленовые, могут работать при более высоких температурах (до 350°). Существенным недостатком пластических масс является их малая поверхностная твердость. Для волокнитов, т. е. пластмасс с волокнистыми наполнителями, она достигает 25 кг/мм2, для полистирольных и акриловых пластиков — в пределах 15 кг/мм2, а наиболее низкой твердостью отличаются целлюлозные пластики (этролы) – 4 - 5 кг/мм2 (у металлов, например у стали, этот показатель около 450). У бумопластиков твердость по Бринеллю 25 - 30, у текстолита — 85, у асботекстолита — до 45, у дельта-древесины — 20, у органического стекла она также близка к 20 кг/мм2. С этими низкими показателями твердости необходимо считаться в ряде случаев строительного применения пластмасс. Значительным недостатком пластмасс является высокий коэффициент термического расширения. (см. табл. 1.4). Он колеблется в пределах 25 200·10-6, в то время как для стали он равен 11·10-6, т. е. в 2,5 - 10 раз ниже. Это свойство пластмасс должно учитываться при проектировании строительных

29 конструкций, особенно большеразмерных элементов, например стеновых панелей, так как в сочетании с малой теплопроводностью может вызвать значительные внутренние напряжения, которые могут быть причиной появления трещин при резких изменениях температур. Эти напряжения могут быть особенно значительны при армировании пластмассовых изделий металлом. В табл. 1.4 указывается также рабочая температура, под которой понимают такое ее наибольшее значение, когда продолжительность эксплуатации не ограничивается. Таблица 1.4 Физические свойства полимеров и пластмасс Виды полимерных материалов Поливинилхлорид (винипласт) Полиэтилен Полипропилен Полиизобутилен Полиметилметакрилат (оргстекло) Полиэфирные стеклопластики Стеклотекстолит КАСТ-В Стеклопластики АГ-4 и СВАМ Древесностружечная плита Древесноволокнистая плита Бумажный декоративнослоистый пластик (БДСП) Древеснослоистый пластик ДСП Фурфуролацетоновый полимербетон Пенопласт фенолоформальдегидный Пенопласты полистирольные Пенопласты полиуретановые. Сотопласт бумажный

Коэффициент Рабочая Объемная теплопроводности, -6 КТР, 10 температура, масса, ккал/(м·ч·град) 0 С т/м3 [Вт/(м·К)] 0,14 80 От -10 до 60 1,4 0,42 100-200 65 0,92-0,95 0,42 150 100 0,92-0,95 0 ,42 100 100 0,92-0,95 0 17 90 70 1,2 0,16 140 130 1,4 0,6 0,4 200 1,85 0,4 0,5 200 1,9-1,5 0,14 0,6 40 0,5-0,8 0,14 — — 0,95 0,25 0,4 1,1 0 ,035 0 ,035 0,035 0,06

0,22 0,35 16 — — — —

120 150 200 150 60 100 40

1,3 1,25 2,2 0,06 0,02-0,1 0,05 0,06

Ценным свойством пластмассы является водонепроницаемость. В этом заключается характерное отличие их от природных полимеров — древесины и волокон. Водонепроницаемость синтетического полимера обусловливается отсутствием в нем сообщающихся пор. Конечно, поры должны отсутствовать и в материале наполнителя Так, например, для получения водонепроницаемого пластика на основе древесины необходимо в древесном наполнителе ликвидировать поры, что достигается прессованием его с одновременной пропиткой полимером. Будучи водонепроницаемыми, полимеры, однако, в незначительной степени влагоемки. Подвижные молекулы воды проникают в них диффузионным путем. Вредность влагонасыщения заключается не столько в пропуске воды, сколько в вызываемой ею раздвижке частиц полимера и ухудшении его механических свойств.

30 Полимерные материалы, за исключением основанных на кремнийорганических смолах, являются трудносгораемыми или сгораемыми. Термопластичные полимеры класса А горючи. Горючи также полиэфирные смолы, относящиеся к классу Б, и некоторые другие. Чтобы повысить степень огнестойкости сгораемых полимеров, которые под воздействием огня воспламеняются и далее горят, в них при изготовлении вводят дополнительные вещества, называемые антипиренами. Название происходит от греческого слова «пирос» — жар. Химическую основу антипиренов составляют хлорированные парафины, фосфорнокислый аммоний, бура и т. д. С помощью антипиренов горючие полимеры можно перевести в разряд самозатухающих, то есть сгораемых, но горение не поддерживающих. Трудносгораемые полимеры не горючи вообще, это в основном термореактивные смолы, но огнестойкость их в чистом виде ограничивается 150—200° С. Пластмассы, изготовленные на основе трудносгораемых полимеров, при соответствующих наполнителях имеют значительно большую сопротивляемость огню. Если наполнителем является асбестовое или стеклянное волокно или раздробленные горные породы, негорючие по своей природе, то огнестойкость пластмассы при испытании по стандартной методике повышается до 250—300° С. Понятие предела огнестойкости относится не к материалам, a к конструкциям. Предел огнестойкости конструкций из полимерных материалов является достаточно высоким, особенно если применять соответствующие меры конструкционного характера: оштукатуривание, увеличение сечений, защиту горючих полимеров; например, пенополистирол, даже несамозатухающий, успешно применяется в панелях и плитах при наличии алюминиевых или асбестоцементных обшивок. Согласно нормам, конструкции с применением полимерных материалов можно использовать во всех пяти классах зданий и сооружений. Несущие конструкции требуют соответствующей защиты химического или конструкционного характера. Звукопроницаемость полимерных материалов и пластмасс на их основе малая, поэтому их используют в качестве звукоизолирующих. Не может быть игнорировано и еще одно важное свойство пластмасс — это их повышенная ползучесть.

31

Глава 2. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ПЛАСТМАСС Из различных видов полимеров могут быть изготовлены пластические массы, пленки и волокна, резины, клеи, герметики, заливочные компаунды, лаки, суспензии, эмульсии и др. Для получения этих продуктов чаще всего применяют полимеры в виде композиций с другими материалами. В состав технических продуктов из полимерных материалов, кроме полимера, который является основной составной частью определяющей характерные свойства композиции, входят: наполнители, отвердители, пластификаторы, мягчители, смазки, стабилизаторы, красители, вещества, придающие полимеру негорючесть, и другие добавки. Не все перечисленные компоненты обязательно входят в состав технического продукта на основе полимера. Полимерные композиции отличаются друг от друга прежде всего по химическому составу основного связующего. Кроме того, полимер может иметь разный молекулярный вес, поэтому может существовать несколько марок одного и того же полимера. Так, различные марки полиолефинов, например, отличаются по молекулярному весу, величину которого косвенно характеризует индекс текучести расплава. Обычно название марок полимерных материалов и композиций на их основе дается по полимеру, но некоторые названия носят случайный характер. Пресс-порошки и волокнистые массы отличаются друг от друга по химическому составу основного связующего (новолачные и резольные смолы, карбамидные смолы и др.), а также по составу наполнителей и других добавок. Слоистые пластики различных марок отличаются друг от друга химическим составом связующего (полимера) и характером наполнителя. Полистирольные пластики отличаются в основном по химическому составу полимера (полимеры стирола, сополимеры стирола и т. п.), а также по введенным в них добавкам. При введении в полимеры на основе стирола каучуков могут быть получены различные марки ударопрочных полистиролов (СНП, УП-1 и др.). Условия проведения синтеза полимеров влияют на их свойства, в связи с чем одни и те же полимерные материалы часто имеют разные физикомеханические характеристики и разные названия: полистирол блочный, эмульсионный, суспензионный; полиэтилен высокого давления, среднего давления, низкого давления и т. п. Добавки к полимеру могут существенно изменить его первоначальные физико-механические свойства: плотность, теплопроводность, прочность, диэлектрические свойства и др. При добавке, например, пенообразователей плотность материала может быть резко снижена за счет образования пор. При добавке токопроводящих наполнителей (порошкообразные металлы, графит, сажа) полимер-изолятор может стать проводником тока. При добавке ориентированных наполнителей (нити из стекла, плавленого базальта и др.) и правильной их укладке прочность полимеров резко возрастает и для некоторых композиций предел прочности при растяжении может превосходить прочность

32 стали (стеклопластики). Если при изготовлении изделий необходимо сохранить неизменными основные свойства полимеров, например диэлектрические, оптические и др., применяют полимеры без каких-либо добавок. В большинстве случаев в полимер целесообразно добавить наполнитель, пластификатор, стабилизатор и краситель. В необходимых случаях полимер получают в виде растворов (лаков), суспензий, латексов, клеев, паст или заливочных масс. Выбор состава композиции зависит от свойств основного полимера и способности его совмещаться с добавками, от заданных физико-механических свойств и качеств композиции (твердость, негорючесть, морозостойкость и т.д), а также от ее способности перерабатываться. Полимеры могут находиться при обычных условиях в виде вязких жидкостей, порошков, гранул, твердых или эластичных кусков, в виде растворов, эмульсий и суспензий. Для смешения с добавками наиболее удобной является жидкая форма полимера или полимер в виде растворов, эмульсий и суспензий. В этом случае добавки в полимере хорошо распределяются простым смешением в смесителях. Порошкообразные полимеры также сравнительно легко смешать с добавками. Во всех остальных случаях для смешения полимера с добавками требуется специальная более сложная технология. Некоторые виды полимеров (смол) получают в виде вязких жидкостей, которые затем растворителем разбавляют до необходимой консистенции (полиэфиракрилатные смолы, полиэфирмалеинатные смолы, некоторые виды эпоксидных смол и др.). Первичные продукты конденсации фенолоформальдегидных и карбамидных смол также могут быть сначала жидкими, а затем подвергаться отверждению при дальнейшей конденсации. Некоторые смолы эмульгируют в процессе завершения их синтеза, например водоэмульсионные резольные смолы. Чаще всего для получения полимеров в жидком состоянии их растворяют в соответствующем растворителе. Для отверждения жидких смол применяются различные отверждающие добавки. В производстве пластмасс связующим веществом в большинстве случаев служат разнообразные синтетические смолы, а реже - синтетические каучуки и некоторые производные целлюлозы. Иногда строительные материалы, изготовленные на основе каучуков, выделяют в группу, обособленную от пластмасс и называемую эластиками или эластомерами. Но в последнее время считают, что строительные изделия, содержащие в своем составе каучук, тоже можно относить к пластмассам, поскольку часто почти невозможно провести четкую грань между некоторыми синтетическими смолами и каучуками. Да в этом и нет необходимости, так как отдельные искусственные смолы могут быть столь же эластичными, как и каучуки; к тому же для этих двух групп материалов применимы некоторые общие теоретические положения химии и физики и, кроме того, технологические способы переработки искусственных смол и каучуков часто бывают схожими или даже одинаковыми.

33

2.1. Связующие вещества Наибольшее практическое значение в качестве связующих веществ имеют синтетические (искусственные) смолы, несколько меньшее — синтетические каучуки и производные целлюлозы; очень ограничено применение белковых связующих. 2.1.1. Синтетические смолы Первоначально рассмотрим, как в природных условиях образуются некоторые смолы, используемые в быту или применяемые в промышленности, а затем уже перейдем к описанию получения искусственных (синтетических) смол. Если надрезать или иным способом поранить ствол сосны, то появится жидкая смола, называемая живицей или серкой1. С течением времени живица постепенно загустевает, образуя сначала сравнительно мягкую, а затем все более и более твердую смолу. Через многие годы живица может при определенных природных условиях превратиться в очень твердую, тугоплавкую, не размягчающуюся даже при температуре 280—300°, а также нерастворимую смолу—янтарь. Янтарь является продуктом последней стадии превращения в твердую смолу той живицы, которая когда-то образовалась на хвойных деревьях, уже много тысяч лет тому назад отмерших. Янтарь же сохранился до нашего времени. Он вымывался морскими волнами и вновь отлагался в морском песке, где образовывался янтароносный слой2. Тот факт, что янтарь некогда был в жидком состоянии, доказывается не только его химическим составом и строением, но также тем, что в кусках янтаря часто встречаются включения в виде листьев, семян и насекомых, которые когда-то прилипли к жидкой смоле, завязли в ней и оказались покрытыми вновь выделившейся смолой, что предохранило их от разложения. В жарких странах находят другие ископаемые смолы, например копалы, которые также возникли из жидких смолистых выделений растений 3. Таким образом, требуются очень многие годы, чтобы в природных условиях могла образоваться высококачественная смола. К тому же природа крайне скупо предоставляет нам хорошие смолы; их очень мало. Для получения же синтетических смол достаточно лишь несколько часов, на заводах эти смолы вырабатываются в больших количествах. Только лишь искусственным путем, то есть синтезом, можно получить широкий ассортимент качественных смол, обладающих определенными, заранее заданными свойствами. Поэтому синтетические смолы имеют несоизмеримо большее значение в промышленности, чем природные. Наша страна обладает огромными запасами сырья для производства синтетических смол. _________________________________________________________ 1

При заводской переработке живицы получают скипидар и канифоль. Янтарь добывают та побережьях Балтийского моря. 3 Копалы широко применялись в лакокрасочной промышленности, в настоящее же время их заменяют синтетическими смолами. 2

34 Особо перспективными и наиболее дешевыми источниками сырья являются природный и «попутный» газы, а также газы нефтепереработки. С природным газом человек знаком с давних пор. В далекие времена столбы горящего газа были предметом поклонения людей, обожествлявших силы природы. Природный газ иногда служил для отражения нападения врагов: выходящий из земли газ поджигали, и враг бежал от пылающих столбов. Ныне природный газ — этот ценнейший дар природы — широко используется в народном хозяйстве как химическое сырье и топливо, а также для бытовых нужд. Себестоимость природного газа в 3 раза ниже себестоимости нефти и в 8 раз меньше себестоимости угля. «Попутным» называется газ, сопровождающий выходы нефти. В нефти, находящейся в недрах земли, содержатся в растворенном состоянии газообразные вещества, которые выделяются при добыче нефти. Наряду с природным и «попутным» газами, являющимися «ближайшими родственниками» нефти, сырьем для производства синтетических смол служат газообразные продукты нефтепереработки; в этих продуктах содержатся этилен, пропилен и другие газы, способные превращаться в полимеры. Большое значение в качестве сырья для промышленности синтетических смол имеет в настоящее время также каменноугольный деготь, получаемый при коксовании угля. В меньшей мере используют другие виды сырья —торфяной деготь и горючие сланцы. Кроме того, для производства смол применяется азот и кислород воздуха, известняк, вода и некоторые другие вещества, широко распространенные в природе. Приведем несколько примеров, показывающих, как эти природные материалы используются для изготовления различных искусственных смол, и вместе с тем отметим некоторые особенности этих смол. Фенолоформальдегидные смолы1 изготовляют из фенолов и формальдегида (рис. 2.1). Каменный уголь

Вода

Каменноугольный деготь

Кокс

Фенолы

Воздух

Метиловый спирт

Формальдегид

Фенолоформальдегидные смолы

Рис.2.1 Получение фенолоформальдегидных смол

______________________________________ 1

Эти смолы первыми получили широкое практическое применение в технике.

35 К фенолам относятся: собственно фенол (С6Н5ОН), крезолы, резорцин. Их получают следующим образом. Из каменного угля при коксовании отгоняется деготь. Из каменноугольного дегтя извлекают фенол, называемый в обиходе карболовой кислотой (фенол можно также синтезировать из бензола). Из каменноугольного дегтя или из торфяной смолы получают и крезолы. Резорцин синтезируется из бензола, также содержащегося в каменноугольном дегте. Вторым компонентом, необходимым для синтеза фенолоформальдегидных смол, является формальдегид. Его изготовляют, окисляя метиловый спирт кислородом воздуха при температуре 500—600° в присутствии катализаторов или же окисляя метан, содержащийся в природном газе. В чистом виде формальдегид представляет собой газ, но применяется обычно 37—40 % - й водный раствор его, называемый формалином (СН2О). Следовательно, для производства формальдегида нужен метиловый спирт. Раньше метиловый спирт получали в ограниченных количествах при сухой перегонке лиственных древесных пород (поэтому его иногда называют древесным спиртом), а в настоящее время этот спирт синтезируют в крупных масштабах по следующему способу. На раскаленный кокс действуют водяным паром, при этом получается водяной газ, представляющий собой смесь водорода с окисью углерода. Далее водяной газ, обогащенный водородом, под высоким давлением и при повышенной температуре превращается в присутствии соответствующего катализатора в метиловый спирт. Еще более дешевым сырьем для получения метилового спирта является природный газ, состоящий главным образом из метана. При действии водяного пара на метан получается смесь окиси углерода и водорода, которая затем превращается в метиловый спирт. Таким образом, источником получения фенолов может служить каменноугольный деготь, а для синтеза формальдегида нужен каменный уголь или природный газ и, кроме того, водяной пар и кислород воздуха. Технологический процесс получения фенолоформальдегидных смол состоит из следующих основных операций: подготовки сырья, загрузки его в варочный котел, варки смолы, сушки и слива ее. Для проведения процесса поликонденсации берется 26,5 - 27,5 г формалина на 100 г фенола, который предварительно расплавляется и поддерживается в жидком состоянии при помощи подогрева или разбавления его нагретой водой. Поликонденсация смолы осуществляется в вакуум-варочном котле под разрежением. Емкость таких котлов различна — от 1,5 до 10 м3. На рис. 2.2 дана схема установки варочного котла в сочетании с холодильником и сборником конденсата. Подготовленное сырье подается насосами в варочный котел, туда же вводят небольшое количество катализатора. После перемешивания в рубашку котла дают пар. Смесь нагревают и выдерживают при кипении. Образующиеся при этом пары отводят в холодильник. Варка продолжается 2 - 2,5 часа. Вначале образуется эмульсия, состоящая из надсмольной воды, смолы и остатков непрореагировавших фенола и формалина. Затем смесь разделяется на два слоя: нижний — смоляной и верхний — водяной. Иногда процесс останавливают на стадии эмульсии, и

36 смола в таком виде используется для получения прессовочных порошков или водостойкого клея.

Рис.2.2 Схема установки варочного котла 1- вакуум – варочный котел, 2- холодильник, 3- сборник конденсата, 4- насос

Резольные смолы (термореактивные фенолоальдегидные смолы в плавком и растворимом состоянии называют резолами) получаются только в присутствии щелочных катализаторов, таких, как едкий натр, нашатырный спирт и сода. В зависимости от соотношения компонентов, характера катализатора и режима сушки конечный продукт конденсации может быть жидким или твердым. Получение твердых (хрупких при обычной температуре) резольных смол значительно сложнее, чем вязкожидких, вследствие склонности этих смол переходить в резитольное состояние (переходу в состояние полного отверждения и нерастворимости предшествует стадия промежуточного состояния, которое характеризуется потерей плавкости и растворимости. Однако смолы в этом состоянии способны еще набухать в растворителях В такой промежуточной стадии смолы называют резитолами). Жидкие (безводные) резольные смолы довольно широко применяются для пропитки ткани, волокна и получения формовочных масс. Твердые резольные смолы по сравнению с жидкими меньше содержат свободного фенола, обладают более высокими химическими свойствами. Они отличаются от твердых новолачных смол как более низкой температурой плавления, так обычно и большим содержанием свободного фенола. Последнее зависит от соотношения компонентов, характера и количества катализатора, глубины конденсации и продолжительности сушки. Небольшое содержание свободного фенола в резоле в некоторых случаях желательно, так как это улучшает плавкость и текучесть смолы, а также гибкость пленок после

37 отверждения. Однако значительное количество свободного фенола уменьшает скорость отверждения, и как следствие, ухудшаются физико-химические свойства прессовочных порошков и условия труда. В отличие от новолачных смол (термопластичные фенолоальдегидные смолы называют также новолачными), которые могут длительное время сохранять без изменения свои свойства, резольные смолы (даже твердые) уже при обычной температуре заметно теряют текучесть, плавкость и растворимость, увеличивают вязкость растворов, так как они при длительном хранении постепенно переходят в резитольное состояние. Помимо твердых резольных смол, изготовляются эмульсионные резольные смолы. Эмульсионные смолы представляют собой вязкие водные конденсаты, получаемые после отстаивания и отделения надсмольных вод или после частичного испарения воды. Их применяют для пропитки волокнистых наполнителей: древесной муки, целлюлозы, ткани. Рациональность их применения (по сравнению с твердыми резольными смолами) заключается в том, что не требуется производить сушку смолы, а также расходовать спирт для получения спиртового резольного лака. Недостаток таких смол — их малая стабильность и более высокое содержание в них свободного фенола. Вторым представителем смол этой группы являются крезолоформальдегидные смолы, в которых вместо фенола используется крезол С6Н4СН3ОН. Крезол — жидкость темного или красновато-коричневого цвета. Удельный вес его 1,04 г/см3, кипит при температуре 185 - 210°. Крезол получается из каменноугольного, сланцевого и торфяного дегтя. В зависимости от количественного соотношения крезола и альдегида получаются новолачные или резольные смолы. Такие резольные смолы отличаются высокими электроизоляционными свойствами, водо- и кислотостойкостью. Применяются они для изготовления разнообразных литых изделий, слоистых пластиков на основе ткани и бумаги. В сочетании с древесной мукой и другими наполнителями они идут на получение различных деталей сложного профиля методами горячего прессования. Третьим представителем фенолоальдегидных смол являются фенолофурфурольные смолы. Эти смолы образуются конденсацией фенолов и фурфурола, который в данной реакции является заменителем формальдегида. Фурфурол (С5Н4О2) производят из початков кукурузы, скорлупы земляного ореха, соломы, камыша и прочих отходов сельского хозяйства. Фурфурол — бесцветная, темнеющая на воздухе жидкость с температурой кипения 162° и плотностью 1,16 г/см3. Фурфурольные смолы имеют некоторые преимущества перед фенолоформальдегидными, так, например, они лучше пропитывают наполнитель и дают изделия более однородного цвета и лучшего внешнего вида. Преимущества фурфурольных смол заключаются также в большей текучести пресс-порошков на их основе и способности лучше заполнять пресс-форму; они дают меньший процент брака по показателям цветности и неоднородности прессованных изделий и большую производительность пресса при работе при высоких температурах (180—200°). Их преимущество особенно выявляется при

38 прессовании изделий сложного профиля (розетки, капители, карнизы), когда требуется более высокая подвижность массы и сохранение ее текучести в процессе прессования. Последняя из рассматриваемых нами смол этой группы — фенололигниновая смола. Лигнин является составной частью древесины, одним из отходов производства целлюлозы. При получении целлюлозы лигнин обычно удаляется путем обработки древесины реагентами, разрушающими лигнин, но не действующими на целлюлозу. В процессе образования целлюлозы по сульфатному методу из сульфатных щелоков может быть выделен так называемый щелочной лигнин, который в значительной степени деструктирован; при производстве целлюлозы по сульфидному методу лигнин остается в растворе сульфидных щелоков. При осахаривании древесины минеральными кислотами целлюлоза гидролизуется до глюкозы, в то время как лигнин остается мало измененным. Так получают малодеструктированный так называемый кислотный лигнин. По своим свойствам фенололигниновая смола близка к новолачной фенолоформальдегидной смоле. Физико-механические свойства пресспорошков, получаемых на ее основе, почти не уступают обычным новолачным пресс-порошкам, в частности по скорости прессования. Некоторым недостатком фенололигниновых смол является их большая вязкость в расплавленном состоянии (что ведет к плохой пропитке наполнителя и требует более высокой температуры при вальцевании), а также некоторая хрупкость изделий при их механической обработке. Важным преимуществом этих смол является их высокий выход (до 20% к фенолу), что дает значительную экономию фенола и формальдегида. Фенололигниновые смолы пока еще не нашли широкого применения, но ввиду их невысокой стоимости они в перспективе могут широко использоваться для изготовления строительных деталей, не подвергающихся в процессе эксплуатации увлажнению. Фенолоформальдегидные смолы отличаются высокой прочностью и теплостойкостью; они сравнительно дешевы. В строительной технике они применяются для производства клеев, древесно-волокнистых и древесностружечных плит, древесно-слоистых пластиков (ДСП), водостойкой фанеры, бумажно-слоистых пластиков, для приготовления сотопластов, минераловатных и стекловатных матов и спиртовых лаков. Карбамидные (аминоформальдегидные, или мочевиноформальдегидные) смолы изготовляют из мочевины и формальдегида (рис. 2.3). Мочевину (карбамид) - СО(NН2)2, представляющую собой крупные бесцветные призматические кристаллы, обычно получают из аммиака и углекислого газа. Аммиак синтезируют из азота и водорода. Азот берется из воздуха, а водород получают из водяного газа. Для изготовления же формальдегида, являющегося вторым компонентом карбамидных смол, служит, как уже указывалось, метиловый спирт, получаемый из водяного газа, обогащенного водородом, а также кислород воздуха, окисляющий метиловый спирт в формальдегид; метиловый спирт можно получать также из природного газа.

39 Воздух Азот Вода Аммиак

Карбамид

Газ Водород Уголь Углекислый газ

Метиловый спирт

Формальдегид

Известняк

Карбамидные (аминоформальдегидные) смолы

Рис.2.3 Схема получения карбамидных (аминоформальдегидных) смол

Следовательно, источниками получения карбамидных смол служат уголь, азот и кислород воздуха, природный газ, вода и углекислый газ, добываемый, например, при прокаливании известняка. Широкому применению в промышленности карбамидные смолы обязаны тем, что в отличие от фенолоформальдегидных смол они бесцветны или имеют светлую окраску, что, например, для изготовления отделочных строительных материалов имеет большое значение. Кроме бесцветности, мочевиноформальдегидные смолы обладают и другими преимуществами по сравнению с фенолоформальдегидными смолами. Это прежде всего их светостойкость, твердость и отсутствие запаха, а также стойкость к таким растворителям, как спирты, ацетон, хлороформ. Мочевино-формальдегидные смолы дешевле фенолоформальдегидных. Однако по ряду показателей мочевиноформальдегидные смолы уступают фенолоформальдегидным. В первую очередь это относится к их водо-, кислото- и теплостойкости. Карбамидные смолы применяются для получения пластических масс (литые пластмассы, пресс-порошки и т. д.), лаков, клеев и пористых материалов. Пресс-порошки из мочевиноформальдегидных смол получают обычно пропитыванием наполнителя смолообразующим агентом с последующей конденсацией. В качестве наполнителей применяются как минеральные, так и органические вещества, в основном содержащие целлюлозу. По внешнему виду пресс-порошки бывают прозрачными и непрозрачными. В последнем случае они содержат минеральные пигменты. На основе мочевиноформальдегидных смол получают и слоистые пластики. По прочности слоистые мочевиноформальдегидные пластики на основе ткани, бумаги и стеклоткани сходны с фенопластами. Из них можно изготовлять облицовочные плитки. Мочевиноформальдегидные смолы

40 используют также для получения такого строительного материала, как древесно-стружечные плиты. Из термореактивных мочевиноформальдегидных смол изготовляют пенопласты, которые более теплостойки, чем пенопласты из термопластических смол. Они с успехом применяются в качестве теплоизоляционных материалов. Например, мипора (вспененная мочевиноформальдегидная смола с включением огнезащитных фосфорных солей) широко применяется в качестве теплоизоляционного материала. Поливинилхлоридные (полихлорвиниловые) смолы являются полимерами винилхлорида. Винилхлорид (хлорвинил) СН2=СНСl — это при обычной температуре бесцветный газ1. Его получают из дихлорэтана, для чего применяют газы этилен и хлор, а также из ацетилена и хлористого водорода (рис. 2.4). Известняк

Уголь

Известь

Серный колчедан

Газ

Серная кислота

Кокс Карбид кальция

Ацетилен

Поваренная соль

Соляная кислота Хлористый водород

Винилхлорид (хлорвинил)

Поливинилхлоридные (полихлорвиниловые) смолы

Рис. 2.4 Схема получения поливинилхлоридных (полихлорвиниловых) смол

Пока наиболее распространен метод получения ацетилена через карбид кальция, а карбид кальция производят в электропечах из кокса и извести. Однако более экономичным и перспективным является получение ацетилена из углеводородного сырья: из природных и «попутных» газов, т. е. главным образом из метана, а также из газообразных и жидких нефтепродуктов. Что касается соляной кислоты, то ее готовят из поваренной соли (хлористого натрия) и серной кислоты; источником получения последней служит серный колчедан. Соляную кислоту можно также производить прямым синтезом из водорода и хлора. Эти газы получают при электролизе водного раствора хлористого натрия в производстве едкого натрия. Поливинилхлоридные материалы прозрачны и бесцветны в тонком слое, но в толстом слое имеют окраску от светло-желтого до коричневого цвета. ______________________________________ 1

Синтезирован в 1835 г. французским химиком Реньо, работавшим над усовершенствованием газового освещения в Париже.

41 Поливинилхлоридные смолы устойчивы против действия разбавленных кислот и щелочей, спирта, бензина и смазочных масел. Эти смолы обладают способностью вытягиваться в горячем состоянии, что дает возможность производить тонкопленочные изделия, отличающиеся повышенной прочностью при растяжении и значительным относительным удлинением. Поливинилхлоридные и родственные им смолы (поливинилацетатные, перхлорвиниловые и др.) стоят сравнительно недорого. Поливинилхлоридные смолы применяются для получения гибких гидроизоляционных материалов, в том числе тонкопленочных, а также для изготовления ячеистых теплоизоляционных материалов, для устройства чистых полов, для получения отделочных материалов, плинтусов, поручней, водосточных желобов. Поливинилацетатные смолы бесцветны, эластичны, обладают высокой адгезионной способностью, т. е. хорошо прилипают к поверхностям различных материалов. Они используются при изготовлении эмульсионных красок, различных клеев и приклеивающих мастик; в качестве добавок могут вводиться в цементные бетоны и растворы для повышения их водонепроницаемости и химической стойкости. Полиэтиленовые смолы получают из этилена (рис. 2.5). Попутный и природный газ

Продукты переработки нефти

Газы – этан, пропан, и др.

Этилен

Полиэтилен

Рис. 2.5. Схема получения полиэтиленовых смол

Полиэтилен сравнительно новый пластик. Он был синтезирован в 1939 г. в Англии и получил техническое применение лишь в годы второй мировой войны (см. также п. 1.4). Сочетание химической стойкости, механической прочности, морозостойкости и стойкости к радиоактивным излучениям, чрезвычайно низкая газопроницаемость и водопоглощение, малый объемный вес (0,92—0,95) делают полиэтилен незаменимым материалом в ряде областей техники, в том числе в строительстве. До 1954 г. полиэтилен получали при высоком давлении до 2500 атм и температуре до 180° с использованием кислорода в качестве инициатора процесса полимеризации. В последние годы полиэтилен стал производиться тремя методами: старым — при высоком давлении и новыми — при низком давлении (1-5 атм) и температуре до 60° с использованием в качестве катализатора органических солей тяжелых металлов и при среднем давлении 35-40 атм и температуре 125-150° с использованием в качестве катализатора окислов металлов. Катализаторы не входят в состав образующихся полимеров и лишь участвуют в промежуточных этапах полимеризации, ускоряя ее.

42 В отличие от катализаторов инициаторы по окончании процесса остаются в составе полимеров. Полиэтилен, полученный при низких давлениях, отличается по свойствам от полиэтилена, получаемого при высоком давлении, большей плотностью, прочностью, жесткостью и повышенной теплостойкостью. Полиэтилен высокого давления более мягкий и эластичный материал. Производство полиэтилена низкого давления не требует сложной аппаратуры и большого компрессорного хозяйства. Однако, в свою очередь, производство полиэтилена высокого давления имеет то преимущество, что оно не нуждается в синтезе катализатора, в очистке полученного полимера от остатков катализатора и регенерации растворителей. Производство полиэтилена высокого давления отличается сложностью его технического, аппаратурного оформления. Полимеризация иногда проводится в автоклавах из нержавеющей стали, снабженных приспособлениями для перемешивания массы, или во вращающихся автоклавах, в которых перемешивание производится шарами. Однако для непрерывных процессов полимеризации применяются трубчатые реакторы, в которые этилен подается непрерывно под давлением. Исходный продукт для производства полиэтилена - технический этилен, который в зависимости от происхождения и метода синтеза содержит различные примеси и имеет различную степень концентрации. Перед полимеризацией технический этилен должен иметь высокую концентрацию и быть тщательно очищен от примесей, в особенности от ацетилена. Схема процесса получения полиэтилена по непрерывному методу представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Схема процесса получения полиэтилена по непрерывному методу

43 Подготовленная газовая смесь (перед полимеризацией к газу добавляют строго нормированное количество кислорода - 0,05—0,1%) из газгольдера 1а с помощью насоса 1 подается через газовый счетчик 2 в компрессор 3. Из компрессора газ, сжатый до 30 МПа, через смазкоотделитель 4 поступает во второй компрессор 5, где сжатие его доводится до рабочего давления (120-250 МПа). Под этим давлением через новый смазкоотделитель 6 газ поступает в трубчатый реактор 7. Реактор представляет собой змеевик, часть которого состоит из труб с внутренним диаметром 10 мм, а часть — из труб диаметром 16 - 24 мм. Трубы первой части снабжены рубашкой для подогрева газа, в которой циркулирует вода, нагретая до 200°. Трубы второй части омываются водой, нагретой до 100°, что позволяет отводить избыток тепла, образующегося при полимеризации. В первой части змеевика происходит лишь подогрев газа, во второй — процесс полимеризации, протекающий с выделением тепла. Из реактора полимер вместе с непрореагировавшим этиленом через редукционный вентиль перепускается в приемник высокого давления 8 и из последнего в приемник 9, где давление снижается до атмосферного и этилен отводится через ловушку 10 на промывку в скруббер 11. Полиэтилен из приемника 9 вытекает в формы, в которых и застывает. В газ, перед его поступлением в скруббер, вводят дополнительное количество кислорода, так как в процессе полимеризации кислород удерживается образовавшимся полимером. После промывки щелочным раствором, подаваемым в скруббер из сборника 12, газ возвращается в газгольдер и снова идет в производство. Молекулярный вес образующегося полиэтилена определяется условиями полимеризации. При понижении температуры, уменьшении содержания кислорода и увеличении давления молекулярный вес полимера повышается. Физические свойства полиэтилена, как и других полимеров, зависят от степени его полимеризации. Низкомолекулярный полиэтилен имеет температуру плавления около 100° и представляет собой воскоподобное вещество. Высокомолекулярный полиэтилен имеет температуру плавления около 115°, он нерастворим на холоде почти ни в одном из известных растворителей и лишь при температуре выше 80° заметно растворяется в четыреххлористом углероде, трихлорэтилене, бензоле и толуоле. Предел прочности полиэтилена при разрыве в зависимости от его молекулярного веса колеблется от 100 до 200 МПа. При нагревании без доступа воздуха полиэтилен устойчив до 290°. Разрушение (деструкция) полиэтилена наступает при более высоких температурах, причем образуются жидкие, маслянистые и газообразные продукты разложения, но этилен не образуется. При термической обработке полиэтилена (вальцевание, экструзия) также происходит частичное разрушение и окисление, ведущие к снижению механических свойств изделий. Поэтому перед такими процессами обработки в полиэтилен часто добавляют антиокислители (стабилизаторы) . В зависимости от относительного удлинения при растяжении полиэтилен делится на четыре марки: ПЭ-150, ПЭ-300, ПЭ-450 и ПЭ-500.

44 Полиэтиленовые смолы отличаются хорошей гибкостью, которая сохраняется до –600, практически абсолютной водостойкостью, а также стойкостью к различным агрессивным средам, но стоимость этих смол еще очень высока. Они применяются в производстве гидроизоляционных пленок, водопроводных труб, трубопроводов для различных едких жидкостей, а также для изготовления некоторых предметов санитарно-технического оборудования. Полистирольные смолы, получаемые полимеризацией стирола, являются одними из наиболее известных и наиболее полно изученных полимеризационных пластиков. Полистирол обладает почти абсолютной водостойкостью, высокой химической стойкостью и прозрачностью. Стирол (С6Н5СН = СН2) — бесцветная жидкость. Удельный вес ее составляет 0,909 г/см3, температура кипения 145°. Стирол нерастворим в воде, но растворим в спирте, эфире и других органических растворителях. В обычных условиях он медленно самопроизвольно полимеризуется; при нагревании полимеризация протекает быстро. Стирол был открыт в 1831 г. французским ученым Бонастром в продуктах перегонки бальзама растения стиракс, откуда и происходит его название. В промышленности стирол получают главным образом дегидрированием паров этилбензола. Для предупреждения полимеризации в стирол добавляют замедлитель реакции - ингибитор, обычно, гидрохинон. Для полимеризации стирола могут быть применены три метода: полимеризация чистого мономера (блочный метод), полимеризация в растворителе и эмульсионная полимеризация. Полимеризацию в растворителях и заливку мономера в формы — одну из разновидностей блочного метода — применяют сравнительно редко. Наибольшее распространение получили непрерывные методы блочной полимеризации и эмульсионный метод. При блочной полимеризации в подогреваемые формы заливают чистый стирол, который с течением времени постепенно густеет и превращается в твердый прозрачный материал, принимающий форму сосуда, в котором проводился процесс. Этот метод и назван блочным, так как мономер получается в виде блока. Полимеризация чистого мономера в формах позволяет в лабораторных условиях получать полистирол с весьма высоким молекулярным весом, недостижимым при других методах, если полимеризация проводится при низких температурах (30-40°) в течение длительного времени без инициаторов. Техническая полимеризация стирола в формах обычно происходит при более высоких температурах (60-90°) и в присутствии инициатора (перекиси бензола), позволяющего ускорить процесс. Техническая полимеризация стирола в формах имеет ряд существенных недостатков. Из-за высокой вязкости и плохой теплопроводности образующегося материала в блоке возникают трещины. Кроме того, при блочном методе полимеризации никогда не происходит полного превращения мономера, а наличие в блоке непрореагировавшего мономера сильно снижает теплостойкость полистирола, что является основной причиной его старения.

45 Наибольшее распространение имеет непрерывный метод полимеризации стирола, так как он позволяет получить полимер с более высоким молекулярным весом, свободный от мономера. Непрерывную блочную полимеризацию проводят в башне. На рис. 2.7 показана схема непрерывной блочной термической полимеризации стирола.

Рис. 2.7. Схема непрерывной блочной полимеризации стирола

Аппарат состоит из двух алюминиевых реакторов 1 емкостью около 2 м3 каждый, и колонны 2 из хромоникелевой стали. Реакторы снабжены змеевиками, по которым циркулирует охлаждающая вода (74-78°), и лопастными мешалками, вращающимися со скоростью :50-60 оборотов в минуту. Вода уносит часть тепла, образующегося в результате реакции, благодаря чему в реакторе сохраняется постоянная температура (80-82°). В реакторах проводится только предварительная полимеризация стирола. Степень превращения мономера здесь составляет всего лишь 35%. Окончательная полимеризация стирола происходит в колонне 2, куда непрерывно подается смесь мономера и полимера из реакторов. Колонна

46 состоит из частей - царг, самая верхняя из них снабжена только обогревательной рубашкой, остальные царги имеют, кроме рубашек, змеевики. Каждая царга имеет самостоятельный тепловой режим. Для обогрева применяют высококипящий органический теплоноситель — смесь дифенила и дифенилоксида. В реакторы предварительной полимеризации и в колонну непрерывно подают азот, чтобы предотвратить окисление стирола кислородом воздуха. В нижнюю конусообразную часть колонны стекает расплавленный полимер, практически не содержащий мономера. Из колонны полимер, имеющий температуру 200-210°, непрерывно поступает в шнек 3, который подает полистирол в воздушный холодильник 4, откуда полистирол направляется в склад. Вторым широко распространенным методом получения полистирола является водно-эмульсионный. Очищенный от ингибитора стирол смешивается с дистиллированной водой и превращается в эмульсию. На одну часть стирола берется 2-3 части воды. Для облегчения образования эмульсии применяют эмульгаторы (мыла, соли сульфокислот). Эмульгирование производится в чугунном эмалированном реакторе, снабженном мешалкой. После перемешивания стирола, эмульгатора и щелочи в реактор вводят инициатор (сернокислый калий, взвешенный в воде). Затем в рубашку реактора пускают пар и в течение 1,5-2 часов производят нагревание смеси до 70°. В дальнейшем происходит повышение температуры до 95° за счет тепла, выделяющегося во время полимеризации. При этой температуре реакция продолжается еще 2-3 часа. Продукт полимеризации — мелкозернистая стойкая суспензия, из которой для выделения полистирола необходимо удалить эмульгатор. Для этого в реакционную смесь вводят кислоты. Выделение (коагуляцию) полимера производят в специальных аппаратах из нержавеющей стали или эмалированного чугуна. Смесь суспензии и кислоты продувают паром и перемешивают. После отстаивания масса разделяется на два слоя - нижний содержит полимер, верхний представляет собой водный раствор эмульгатора, щелочей и инициатора. Этот раствор удаляют, затем промывают полимер водой и подают его на центрифугу. После центрифугирования полистирол высушивают и измельчают в шаровых мельницах или дезинтеграторах. Эмульсионный метод получения полистирола имеет значительные преимущества по сравнению с блочным. Во-первых, процесс полимеризации идет быстрее, во-вторых, полимер не содержит мономера, и, в-третьих, он получается в виде тонкого порошка. В соответствии с методом производства различают блочный и эмульсионный полистирол. Блочный полистирол, получаемый методом непрерывной полимеризации, отличается большей чистотой, поэтому его диэлектрические свойства выше. Он имеет молекулярный вес от 50000 до 300000, в то время как эмульсионный полистирол от 70000 до 200000. При обычной температуре полистирол представляет собой твердое, упругое тело с удельным весом 1,05 г/см3. Лишь при 80—90° начинают

47 проявляться свойства эластичности. Теплостойкость полистирола по Мартенсу 70—80°. Полистирол бесцветен, прозрачен (пропускает до 90% лучей видимой части спектра). Он растворим в ароматических углеводородах и во многих эфирах; нерастворим в спиртах и бензине. Механические свойства полистирола зависят от степени его полимеризации. Низкомолекулярные полистиролы очень хрупки и имеют низкую прочность. При молекулярном весе выше 100000 механические свойства полистирола изменяются мало. Основным методом переработки полистирола, отличающегося высокой текучестью в разогретом состоянии, является литье под давлением. Для этого применяют полистирол в виде порошка или гранул. Литье ведут при температуре 180-230° и при удельном давлении 50-200 МПа. Наряду с литьем под давлением широко применяется метод экструзии (выдавливания), например для получения пленок. Из полистирола изготовляются облицовочные цветные плитки для стен санитарных узлов, кухонь, больниц, пористые плиты для тепло- и звукоизоляции, латексные краски для внутренней отделки, эмали СТЭМ для внутренней отделки, пленки для гидроизоляции и других целей. Благодаря высокой прозрачности полистирол может применяться для остекления зданий. К недостаткам полистирола как строительного материала относятся: его большая хрупкость, низкий показатель удельной ударной вязкости, невысокая атмосферостойкость. Во время эксплуатации в блочном полистироле появляются мелкие трещины, ухудшающие его прозрачность и уменьшающие прочность. Полиэфирные смолы получают поликонденсацией двухосновных кислот и многоатомных спиртов. Эти смолы важны как синтетические пленкообразователи. По объему производства они занимают одно из первых мест среди синтетических смол. В строительстве очень широко применяется глифталевая смола, синтезируемая из глицерина и фталевого ангидрида. Процесс получения глифталевых смол показан на рис. 2.8. Нефть

Уголь

Продукты переработки

Деготь

Пропилен

Нафталин

Глицерин

Фталевый ангидрид

Глифталевые смолы

Рис. 2.8. Получение глифталевых смол

Глицерин — прозрачная жидкость сладковатого вкуса, простейший трехатомный спирт С3Н5(ОН)3, его прежде вырабатывали расщеплением жиров, а в настоящее время — главным образом синтезом, исходя из пропилена, содержащегося в газообразных продуктах крекинга нефти1. ______________________________________ 1

Процесс крекинга заключается в нагревании мазута при высокой температуре, в процессе крекинга получают бензин.

48 Фталевый ангидрид С6Н4(СО)2·О — органическое соединение, продукт отщепления молекулы воды от ортофталевой кислоты С6Н4(СООН)2. Ортофталевая кислота в условиях технического синтеза всегда образуется в форме ангидрида. Последний получают также окислением нафталина, а нафталин выделяют из каменноугольного дегтя. Фталевый ангидрид кристаллизируется в длинных иглах. Он мало растворим в воде, лучше в спирте и сероуглероде. В результате взаимодействия глицерина и фталевого ангидрида получается термореактивный полимер. Технологический процесс производства глифталей требует тщательного контроля процесса конденсации, так как протекает он весьма сложно, в несколько стадий. В реактор загружают глицерин и нагревают до 110 - 120°; после этого, при работающей мешалке, постепенно загружают фталевый ангидрид. Когда ангидрид растворится, температуру медленно поднимают до 150 - 160°. При этой температуре происходит образование кислых эфиров. Через некоторое время температуру постепенно поднимают до 210-240°, при которой и образуется смола. Чистые глифталевые смолы часто не могут быть применены в качестве лаков из-за хрупкости пленок, малой водостойкости и атмосферостойкости. Кроме того, они нерастворимы в масле. Однако путем модификации с маслами, со смоляными жирными кислотами можно получать эластичные маслорастворимые смолы с хорошими показателями водои атмосфероустойчивости. Глифталевые смолы применяются в промышленности строительных материалов для изготовления лаков, эмалей, грунтовок и шпаклевок для внутренней отделки помещений. Применяются глифтали также для производства глифталевого линолеума и линкруста. Из полиэфирных смол делают стеклопластики в виде тонких скорлуп для стеновых панелей, а также в виде волнистых листов для кровель. Полиизобутилен представляет собой продукт полимеризации изобутилена. Его химическая формула СН2 = С(СН3)2. Изобутилен представляет собой бесцветный газ с температурой кипения –6,9°. В промышленных условиях изобутилен получают пиролизом бутан-бутиленовых фракций, являющихся побочным продуктом крекинга нефти. Для получения высокомолекулярного полиизобутилена реакцию проводят при температурах около —100° в присутствии растворителя (жидкого этилена с температурой —104°) и катализаторов (галоидных соединений трехфтористого бора, треххлористого алюминия, четыреххлористого титана и др.). Особенно сильно ускоряет реакцию трехфтористый бор. После внесения всего лишь0,5% катализатора скорость полимеризации изобутилена близка к скорости взрыва. Эта реакция является одной из самых быстрых в химии высокополимеров. Она сопровождается выделением большого количества тепла, которое нужно быстро отводить. Поэтому процесс полимеризации и ведется в растворителях. Трехфтористый бор имеет перед другими катализаторами еще и то преимущество, что он является газом и поэтому легко дозируется и может быть

49 хорошо смешан с углеводородами, участвующими в полимеризации (изобутилен, этилен). Кроме того, трехфтористый бор может быть удален из готового полимера сравнительно несложным путем – простым нагреванием. Полученный при низкой температуре полиизобутилен весьма неустойчив. При нагревании или под действием солнечного света может происходить его разрушение с образованием липкого продукта. Во избежание этого его необходимо стабилизировать. В качестве стабилизатора обычно применяется третбутилфенилсульфид в виде 20%-го раствора в низкополимерном полиизобутилене. Ввиду того, что стабилизаторы снижают скорость полимеризации, их следует вводить в полиизобутилен после полимеризации. На рисунке 2.9 приведена схема процесса полимеризации изобутилена непрерывным способом.

Рис. 2.9. Схема процесса полимеризации изобутилена непрерывным способом

Жидкий этилен, охлажденный до —40°, поступает под давлением через теплообменник 1 в испаритель 2. Здесь давление его снижается до 1 атм. Благодаря этому этилен охлаждается за счет частичного превращения из жидкости в пар до температуры кипения (—104°). Испарившийся газообразный этилен поступает обратно в теплообменник, а жидкий этилен в дозатор 3, где он охлаждает змеевик, по которому подается жидкий изобутилен. При выходе из дозатора жидкий изобутилен смешивается в трубопроводе с жидким этиленом, и смесь направляется в полимеризатор 5. Туда же поступает из приемника 4 катализатор – раствор фтористого бора в этилене. Полимеризатор представляет собой движущуюся бесконечную стальную ленту, натянутую на два барабана и заключенную в металлический короб. После смешения обоих потоков жидкостей на ленте образуется слой полимера изобутилена толщиной около 2-3 см. Полимеризация завершается в течение нескольких секунд. Лента движется со скоростью около 60 м/мин, так что полимеризация завершается раньше, чем продукт реакции достигает конца ленты. В присутствии катализатора изобутилен полимеризуется почти нацело; выделяющаяся при этом теплота отводится путем испарения жидкого этилена.

50 Газообразный этилен через колонку 10 возвращается после очистки в холодильный цикл. На ленту через дозатор подается также стабилизатор. В конце ленты образовавшийся полиизобутилен снимается скребком и поступает в обогреваемый паром смеситель 7. В нем полимер перемешивается и дегазируется. Выходящий из смесителя горячий полимер охлаждается на стеллажах 8, а затем при помощи пресса 9 упаковывается в мешки. Полиизобутилен представляет собой каучукоподобный эластичный материал. В технике применяются главным образом высокомолекулярные, твердые полимеры со средним молекулярным весом от 100000 до 500000. Полимеры с молекулярным весом ниже 50000 представляют собой вязкие жидкости. Наряду с полиэтиленом полиизобутилен является одним из самых легких пластиков, его удельный вес 0,91 - 0,93 г/см3. Полиизобутилены обладают хорошей стойкостью против агрессивных сред, в том числе соляной, серной, фосфорной, уксусной кислот, щелочей и солей галоидов. Для строительного применения полиизобутилена особенно ценна его водостойкость. Важным его свойством является также способность воспринимать всякого рода наполнители, которые можно вводить до 90% от веса пластмассы. Введение активных наполнителей (сажи, графита, талька) улучшает его стойкость к свету и к атмосферному кислороду, уменьшает текучесть и увеличивает прочность и жесткость конструкций. Важнейшей областью применения полиизобутилена является химическая промышленность, ибо полиизобутилен представляет собой весьма ценный антикоррозийный материал. Он применяется в виде футеровочных листов, уплотняющих материалов и защитных пленок. Возможно также применение его в виде гидроизоляционных пленок, прокладочных материалов для фундаментов, а также для создания гидроизоляционных мембран. Поливинилацетат является важнейшим полимером сложных эфиров винилового спирта. Химическая формула винилацетата СН2 = СНОСОСН3. Сырье для получения поливинилацетата – винилацетат представляет собой бесцветную, легкоподвижную жидкость с характерным эфирным запахом. Винилацетат выдерживает сравнительно высокие температуры, но при 400° разлагается с выделением уксусной кислоты. Винилацетат получают из ацетилена и уксусной кислоты, которую также можно получить из ацетилена. Полимеризацию винилацетата ведут в присутствии инициаторов – органических и неорганических перекисей. Применяют три основных метода полимеризации винилацетата: в растворителях, эмульсионный и блочный. Наибольшее распространение получил метод полимеризации винилацетата в растворителях. Однако для изготовления строительных материалов имеет значение также эмульсионный метод полимеризации винилацетата. Эмульсионная полимеризация может осуществляться либо с применением водорастворимых инициаторов, что ведет к получению устойчивой суспензии (эмульсии), либо с применением инициаторов, растворимых в мономере, что дает полимер в виде гранул.

51 При первом способе реакционную смесь, состоящую из 100 частей винилацетата, 120 частей воды, одной части инициатора – перекиси водорода и 0,3 части олеата калия (эмульгатора) нагревают до 70° и энергично перемешивают в течение двух часов. Конечный продукт полимеризации представляет собой устойчивую эмульсию типа латекса. Когда необходимо получить твердый поливинилацетат, применяют второй метод, который дает возможность получить полимер любого молекулярного веса (до 500000). В этом случае применяют инициаторы, растворимые в винилацетате, например перекись бензоила. Поливинилацетат представляет собой прозрачную бесцветную смолу. Его удельный вес 1,191 г/см3. Он слабо набухает в воде и неустойчив к действию кислот и щелочей. Поливинилацетат растворяется в спиртах, сложных эфирах, ароматических углеводородах и т. п. При нагревании свыше 150° он разлагается, причем выделяется уксусная кислота. Его предел прочности при разрыве – 30 МПа. В то же время ориентированные пленки из поливинилацетата при 5–6-кратном растяжении имеют прочность до 200 МПа. Чем выше степень полимеризации, тем выше прочность пленок. Поливинилацетат применяется главным образом в производстве лаков, где он ценен благодаря высокой адгезии (способности прилипания), пластичности, светостойкости и бесцветности. Высокие адгезионные свойства дают возможность использовать его при склейке древесины. В виде эмульсий он применяется для изготовления мастичных полов, не подвергающихся увлажнению, и для приготовления полимербетонов для внутренних работ. Вследствие малой теплостойкости, низкой морозостойкости и невысокой водостойкости поливинилацетаты пригодны для производства лишь тех отделочных материалов, которые используются внутри помещений, например моющиеся обои, внутренние покраски и т. п. Полиакрилаты – бесцветные, светостойкие, прозрачные полимеризационные смолы. Для строительства большой интерес представляет твердое органическое стекло. При получении полиакрилатов мономерами являются эфиры акриловой и метакриловой кислот. Полиметилметакрилатные смолы, называемые также органическим стеклом (плексиглас), получают исходя из ацетона, синильной кислоты и метилового спирта; эти же вещества изготовляют главным образом из природного газа и нефтяных углеводородов. Сначала образуется метилметакрилат в виде бесцветной прозрачной жидкости, а затем получается прозрачный стеклообразный продукт в виде блоков, листов, брусков, трубок или же в виде мелких шариков, которые затем перерабатываются в изделия. Как и при полимеризации многих других соединений, применяют три основных метода полимеризации полиакрилатов: блочный, водоэмульсионный и в растворителях. Блочный метод полимеризации применяют в производстве полиметилметакрилата, который при этом получается в виде прозрачных бесцветных пластин и блоков (органическое стекло). Блочный полиметилметакрилат получают заливкой смеси инициатора (перекиси бензоила) с мономером

52 в стеклянные формы. Концентрация инициатора и температура полимеризации определяют скорость реакции полимеризации и молекулярный вес полимера, причем чем ниже температура полимеризации и меньше концентрация инициатора, тем выше молекулярный вес полимера, но тем меньше скорость полимеризации. Основная трудность процесса блочной полимеризации заключается в регулировке температуры внутри блока. Вследствие малой теплопроводности полимера (0,15 ккал/(м·град.·ч) неизбежны перегревы внутри блока, вызванные тем, что реакция идет с выделением тепла. Это ведет к образованию вздутий, если внешние слои блока уже достаточно вязки и не пропускают выделяющихся газов. До известной степени избежать вздутия можно изменением концентрации инициатора и температуры полимеризации. Формы обычно изготовляют из полированного зеркального стекла, которое должно быть тщательно промыто, чтобы полностью исключить попадание пыли. Для изготовления формы берут стеклянный лист, на края его кладут прокладки из гибкого, эластичного материала, по высоте равные толщине изготовляемого листа органического стекла, и покрывают эти прокладки вторым листом зеркального стекла. После этого края обклеивают прочной и тонкой бумагой, оставив отверстие для заливки мономера. Полимеризацию проводят путем последовательного передвижения залитых смесью форм через ряд печей с различной температурой. При этом формы проходят печи при следующем примерно режиме: в первой печи при 4555° они находятся 4-6 часов, во второй (55-65°) – 8-10 часов и в третьей (85125°) — 8 часов. По окончании полимеризации каждую форму погружают в воду, после чего листы могут быть легко отделены от формы. Готовые листы направляют на обрезку краев и на полировку. Полиметилметакрилатные стекла изготовляют различной толщины — от 0,5 до 50 мм и больше. Полиметакриловые эфиры имеют более высокую теплостойкость по сравнению с полиакриловыми эфирами, что имеет особое значение для применения их в качестве прозрачного строительного материала, например кровельного. Более мягкие акриловые полимеры используются главным образом для получения морозостойких материалов. Метакриловые и акриловые полимеры различаются по химической стойкости. Метакриловые полимеры более стойки, чем акриловые. Технические полиакрилаты выпускаются с различной степенью полимеризации. Наибольшую степень полимеризации чаще всего имеют органические стекла (полиметилметакрилат), получаемые в результате блочной полимеризации (молекулярный вес выше 200000), меньшую — пресс-порошки и порошки для литья под давлением, получаемые эмульсионной полимеризацией (молекулярный вес от 40000 до 200000), и наиболее низкую — латексы и лаки из акриловых эфиров и сополимеров, применяемые для пропитки бумаги. С увеличением степени полимеризации повышается температура плавления полимера, улучшаются его механические свойства, в частности удельная ударная вязкость.

53 Ценным техническим свойством полиакрилатов является их прозрачность и бесцветность. Так, полиметилметакрилат пропускает свыше 99% солнечного света. Органические стекла пропускают лучи света в широком диапазоне волн, в частности ультрафиолетовую часть спектра, причем в этом отношении они превосходят в десятки раз другие стекла. Например, кварцевое стекло пропускает 100% ультрафиолетовых лучей, полиметилметакрилатное — 73,5%, зеркальное силикатное — 3%, обычное силикатное — 0,6%. Они могут быть легко окрашены в различные цвета. Следует отметить их очень низкий объемный вес. Так, например, стекло из полистирола имеет объемный вес 1060 кг/м3, а обычное оконное стекло — 2 500 кг/м3. Однако полиметакрилатные стекла по сравнению с минеральными имеют меньшую поверхностную твердость и меньшую стойкость к истиранию. Важным преимуществом полиакрилатов является их способность обрабатываться как механическим методом (например, снятие стружки), так и методами пластической и высокоэластичной деформации. Весьма перспективно применение полиметилметакрилата в строительстве для остекления различных зданий и особенно парников и теплиц, в виде листов для декоративных ограждений, как материал для изготовления дверных и оконных приборов, в производстве моющихся обоев, в виде эмульсий для красок и грунтовок. Мягкие акриловые полимеры, получаемые методом эмульсионной полимеризации, обладают высокой маслостойкостью и атмосферостойкостью. На их основе могут изготовляться гидроизоляционные пленки. Акриловые дисперсии используются для придания водонепроницаемости бетону, в качестве грунтовки при внутренней окраске стен и для пропитки пористых строительных материалов. Эпоксидные смолы образуются при поликонденсации эпихлоргидрина с веществами, имеющими подвижный атом водорода (фенолами, спиртами, аминами). Типичным представителем этих смол могут служить эпоксидные смолы, получаемые из эпихлоргидрина и диоксидифенолпропана. Эпоксидные смолы являются новым видом синтетических смол. Они получили широкое распространение в самых различных отраслях промышленности благодаря целому ряду ценных свойств. Они легки (1,14 1,25 г/см3), прочны, обладают высокой адгезией к металлам, малой усадкой при отвердении (0,5-1,0%), стойкостью к действию многих химических реагентов (хлор, соляная и фосфорная кислоты и др.), хорошо сочетаются с другими смолами (фенолоальдегидными, карбамидными и др.). В большинстве случаев эпоксидные смолы представляют собой жидкости различной вязкости. Они растворяются в спирте или ацетоне. При длительном хранении их вязкость почти не изменяется. Жидкие эпоксидные смолы имеют небольшой молекулярный вес. Введение в смолу отвердителя вызывает ее переход в нерастворимое и неплавкое состояние. Отвердителями могут быть двухосновные кислоты, двухатомные спирты и т. д. Процесс отвердения эпоксидных смол не сопровождается выделением побочных летучих веществ, что облегчает процесс изготовления изделий и повышает качество этих изделий. Некоторые смолы отвердевают при нагревании от 150 до 200°, другие

54 — при комнатной температуре. Отвердевшие эпоксидные смолы отличаются от других (например, фенолоформальдегидных) смол более высокими показателями удельной ударной вязкости и прочности при изгибе. Наша промышленность выпускает эпоксидные смолы следующих марок: ЭД-5, ЭД-6 (жидкие), ЭД-13 и ЭД-15 (твердые) с молекулярным весом от 400 до 2000. Кроме того, производятся смолы для лакокрасочных покрытий, электроизоляции и изготовления универсальных синтетических клеев. Универсальные клеи горячего и холодного отверждения на основе эпоксидных смол дают клеевой шов, весьма устойчивый против действия кислот, щелочей, воды и химических растворителей. Кумароноинденовые смолы — синтетические смолы, получаемые полимеризацией кумарона и индена, содержащихся в каменноугольной смоле. Каменноугольную смолу очищают от фенолов, смоляных кислот, нафталина и других примесей. Затем ее обрабатывают серной кислотой, вызывающей полимеризацию кумарона и индена. Процесс ведут при низких температурах. В зависимости от глубины полимеризации, степени очистки исходного сырья и содержания в нем кумарона и индена могут быть получены смолы различных типов и окраски — от лимонно-желтой до темно-коричневой. Температура размягчения этих смол лежит в пределах от 60 до 150°. Они хорошо растворимы в бензоле, толуоле, скипидаре, ацетоне, в растительных и животных маслах, мало растворимы в спиртах. Удельный вес смол от 1,08 до 1,4 г/см3. В строительстве эти смолы применяются для производства асбестосмоляных плиток (как добавки к фенолоформальдегидным смолам) и для приготовления масляных и спиртовых лаков. Кремнийорганические смолы представляют собой особую группу высокомолекулярных соединений, в которых совмещены многие ценные свойства, присущие некоторым органическим и неорганическим веществам. Кремнийорганические смолы, в отличие от других синтетических смол, которые почти все служат только для изготовления пластмассовых изделий на специализированных заводах, применяются также непосредственно на строительстве. Как показывает название, они содержат в своем составе кремний наряду с органической частью смолы. Кремний — это химический элемент, широко распространенный в природе. Особенно много кремния содержится в земной коре. Здесь он находится преимущественно в виде кислородного соединения — кремнезема или в виде силикатов. Термин «силикат» произошел от латинского слова «силициум», которым в химии с давних пор обозначается элемент кремний1. Чистые кварцевые пески, применяемые для изготовления стекла и силикатного кирпича, обычно содержат около 100% кремнезема. Глины, граниты, порфиры, сиениты, диабазы, базальты и ещё многие природные каменные материалы состоят преимущественно из силикатов. Цементы, керамика, стекло и некоторые другие искусственные строительные материалы по своему составу тоже являются силикатными. ______________________________________ 1

Отсюда также происходит кремнийорганические смолы.

слово

«силиконы»,

которым

часто

называют

55 Подобно тому как элемент углерод считается основой органических веществ, так и элемент кремний, входящий в состав кремнезема и силикатов, занимает важнейшее место в ряду неорганических соединений. Природные и искусственные строительные материалы, состоящие из кремнезема и силикатов, т. е. содержащие соединения кремния, отличаются теплостойкостью (устойчивы при 400 - 5000), негорючестью, твердостью и прочностью; причем прочность их при растяжении обычно значительно меньше, чем при сжатии, т. е. эти материалы обладают известной хрупкостью. В противоположность кремнезему и силикатам обыкновенные синтетические смолы и другие полимеры, являющиеся соединениями углерода, характеризуются комплексом совершенно иных свойств: они обладают сравнительно невысокой теплостойкостью, плавкостью, способностью воспламеняться, упругостью и часто эластичностью при обычной температуре1. Ученый К. А. Андрианов впервые осуществил замечательную и оригинальную идею создать такие вещества, молекулы которых имели бы силикатный «каркас» (свойственный стеклу, цементу и многим минералам) с органическим «обрамлением». Так были получены кремнийорганические смолы, являющиеся особым классом органоминеральных веществ. В кремнийорганических смолах, молекулы которых построены из кремнеземистого скелета с органическими ответвлениями (радикалами), выгодно сочетаются лучшие свойства обычных синтетических смол и силикатных материалов. Кремнийорганические смолы значительно более теплостойки, их прочность и другие физико-механические свойства в меньшей мере, чем у обычных смол, зависят от колебаний температуры. Чем богаче кремнийорганическая смола содержанием кремнезема, тем теснее приближается она по некоторым своим свойствам к силикатам, но в то же время выгодно отличается от них тем, что при обычных температурах может применяться в пластично-вязком, в жидком, а иногда даже в парообразном виде. Чем меньше кремнезема содержится в кремнийорганической смоле, тем резче выражены в ней признаки, характерные для обычных смол. Таким образом, изменяя вид и состав веществ, удается создавать кремнийорганические смолы с заранее заданными свойствами, которыми можно управлять в широких пределах в соответствии с теми условиями, в которых должны будут применяться эти смолы. Кремнийорганические смолы служат для получения различных изделий из пластмасс, в том числе стойких к действию повышенных температур; эти смолы применяют также непосредственно на строительстве для окраски или пропитывания известняка, бетона и других природных и искусственных каменных материалов, с целью повышения их долговечности. ______________________________________ 1

Силоксановые связи, характерные для силикатных полимеров, придают им твердость и жесткость, в то время как углеродные группы органических полимеров способствуют получению гибких, пластичных и эластичных веществ.

56 Здесь перечислены лишь некоторые, наиболее важные синтетические смолы, применяемые для изготовления пластмасс; вообще же известно большое их количество и довольно часто создаются смолы новых видов. Следует отметить, что синтетические смолы можно получать в виде воскообразных масс (полиэтилен), белых порошков (полипропилен, поливинилхлорид), бесцветных гранул (полистирол), прозрачных или окрашенных монолитных масс (органическое стекло). 2.1.2. Синтетические каучуки Каучук служит основным сырьем в производстве автомобильных шин, резиновой обуви, транспортерных лент, шлангов и многих других изделий, которые должны обладать большей или меньшей эластичностью. Эластичность—характерная особенность каучука, объясняющаяся своеобразным строением его длинноцепных молекул. При обычной комнатной температуре молекулы каучука, находящегося в нерастянутом, ненапряженном состоянии, свернуты в клубки. При растяжении каучука эти клубки развертываются, распрямляются, а при снятии растягивающей нагрузки молекулярные цепи вновь свертываются. Поэтому каучук (а также некоторые другие полимеры) можно обратимо растягивать и изгибать. Эластичность является замечательным свойством, благодаря которому каучук стал очень нужным и важным материалом для промышленности. Прежде каучук добывали только из природного сырья — из млечного сока некоторых тропических растений, а в настоящее время изготовляют в больших количествах синтетическим путем. В Южной и Центральной Америке, в тропической Африке, в Индии, на Цейлоне произрастают такие деревья как гевея бразильская, фикус каучуконосный, гваюла мексиканская и др. Если надрезать их кору, выделяется сок белого цвета, подобно тому, как, например, наша сосна выделяет смолу-живицу. Этот сок по внешнему виду похож на молоко и поэтому называется млечным соком, или латексом (это латинское слово означает влагу, жидкость). При высушивании латекс коагулирует (свертывается), аналогично тому как свертывается молоко, образуя сгустки творога. Так получают сырой каучук. Природный каучук стал известен европейцам в конце XV века после открытия «Нового света» Христофором Колумбом. Колумб во время второго путешествия в Америку увидел, что жители острова Гаити играли на специально расчищенных площадках в мяч (по величине примерно равный, если судить по описаниям современному футбольному); мяч был сделан из загустевшего сока деревьев, т. е. из каучука. Промышленное применение каучук нашел лишь в XIX веке после того, как был открыт способ существенного улучшения свойств каучука путем его нагревания с серой (вулканизация). Дело в том, что каучук обладает эластичными свойствами только при определенных температурных условиях, при значительном же охлаждении он превращается в стекловидное хрупкое тело, а при нагревании размягчается. Да и одной эластичности каучука мало для получения разнообразных промышленных изделий: необходимо, чтобы в

57 материалах, изготовляемых из каучука, эластичность сочеталась не только с температуростойкостью, но и с прочностью. Это достигается вулканизацией каучука. Вулканизованный каучук называют резиной. Процесс вулканизации каучука чрезвычайно важен, так как при этом материал переходит в другую, несравненно более качественную категорию. Сырой (невулканизованный) каучук даже при незначительном нагревании становится липким и, наоборот, при охлаждении до 0° уже теряет свою эластичность, резина же сохраняет свойство эластичности в сравнительно широком температурном интервале. Кроме того, механическая прочность резины при изгибе, растяжении, сжатии, сдвиге, ее водо- и маслостойкость, а также способность перерабатываться в различные изделия намного выше, чем у каучука. В течение многих лет резину изготавливали из природного каучука и резиновая промышленность почти всего мира зависела от импорта каучука из стран Южной и Центральной Америки, которые ревниво оберегали свою монополию. В прошлом веке в этих странах даже существовал закон, каравший смертью каждого, кто попытается вывезти за пределы страны семена каучуконосных растений. Но все же культивирование каучуконосов началось и в Африке и в Южной Азии, в тех местах где имеются подходящие для этого климатические условия. Для развития промышленности нужно было иметь свой дешевый каучук в больших количествах, и он был создан путем синтеза. Синтетические каучуки по ряду свойств превосходят натуральные и обладают новыми ценными качествами, вовсе не присущими природному каучуку. В 1928 г. академик С. В. Лебедев синтезировал каучук из спирта. В Государственном музее революции хранится образец первого в мире синтетического каучука, полученного по методу С. В. Лебедева. В 1932 г. были пущены в ход первые мощные заводы синтетического каучука. Раньше сырьем для искусственных каучуков служил лишь этиловый спирт, который получали из картофеля, кукурузы и пшеницы. Для изготовления 1 т спирта нужно затратить 10 т картофеля или 4 т зерна. Поэтому, в связи с большими масштабами производства каучука, возникла острая необходимость заменить пищевое сырье непищевым. Спирт стали получать гидролизом древесины, расходуя примерно 6 т древесных опилок для выработки 1 т спирта. Это выгодно, так как при этом совсем не тратятся пищевые продукты. Однако существуют еще более дешевые способы получения спирта из нефти и из «попутных» и природных газов. При этом затраты труда в 15-30 раз меньше, чем при получении спирта из пищевых продуктов. Таким образом, возникла новая отрасль промышленности — производство дешевого синтетического спирта из газов нефтепереработки. Теперь полученный спирт перерабатывается в каучук. Кроме того, каучук можно производить непосредственно из нефтяных газов, минуя промежуточную стадию получения спирта. Некоторые виды синтетических каучуков можно также производить из ацетилена, который получается при действии воды на карбид кальция, или из природного газа, что более экономично. Существуют

58 различные виды синтетических каучуков: изопреновые, бутадиенстирольные, хлорпреновые, силиконовые и др. В строительстве синтетические каучуки применяют при получении специальных красочных составов, а также вводят в цементные бетоны для уменьшения хрупкости, повышения водонепроницаемости и улучшения некоторых других свойств. Кроме того, в строительстве синтетические каучуки применяют преимущественно при изготовлении материалов для полов. При этом получаются эластичные, заглушающие шум при ходьбе и долговечные половые покрытия. При дальнейшем расширении производства синтетических каучуков не исключена возможность использования их в отдельных случаях для устройства резиновых покрытий тротуаров1. 2.1.3. Производные целлюлозы Как было указано, к числу связующих, применяемых для изготовления пластмасс, относятся, наряду с синтетическими смолами и синтетическими каучуками, также некоторые производные целлюлозы. Производные целлюлозы готовят из целлюлозы, целлюлозу же получают из короткого волокна хлопка или из древесины. Древесина в основном состоит из целлюлозы, инкрустированной (частично пропитанной) лигнином, и обладает высокой прочностью при малом объемном весе, а также значительной гибкостью, т. е. такими свойствами, к которым стремятся приблизить многие искусственные пластмассы. Но ни древесина, ни целлюлоза не являются пластмассой, так как их невозможно привести в пластично-вязкое состояние нагреванием и не всегда удобно приводить в такое состояние непосредственным растворением. Поэтому приходится изготавливать из целлюлозы некоторые производные целлюлозы, способные формоваться при нагревании или превращаться в вязкие массы при действии органических растворителей. Вот почему для получения пластмасс нужна не сама целлюлоза, а ее производные. Для выделения целлюлозы древесину обрабатывают бисульфитом кальция в котлах под давлением при повышенной температуре. Затем на целлюлозу действуют азотной кислотой, получая нитроцеллюлозу, или уксусной кислотой, получая ацетилцеллюлозу. Нитроцеллюлозу применяют в больших количествах при изготовлении некоторых лаков и красок (отсюда хорошо знакомые строителям названия «нитролаки», «нитрокраски»). Из нитроцеллюлозы при добавлении камфоры готовят целлулоид. Впервые нитроцеллюлозу начали широко использовать при изготовлении взрывчатых веществ. После окончания первой мировой войны в некоторых странах остались большие запасы нитроцеллюлозных взрывчатых материалов. ______________________________________ 1

Такие опыты уже проводились. В 1929-1930 гг. в маленьком южно-американском городе были сделаны с рекламной целью резиновые тротуары; автор одной газетной статьи, описывая достоинства таких тротуаров, подчеркнул, в частности, что при ходьбе по резиновому покрытию мало изнашивается обувь и шутливо заявил, что сапожники города с резиновыми тротуарами не будут иметь работы. Резиновые тротуары действительно оказались удобными для пешеходов, бесшумными и непылящими.

59 Их надо было или уничтожить, или найти способ их использования. Тогда же был разработан способ переработки этих веществ в лакокрасочные продукты нитролаки. Некоторые заводы стали вырабатывать специальные лаковые нитроцеллюлозы, которые быстро получили широкое распространение, главным образом, вследствие скорости высыхания лакокрасочных покрытий. Лаковые нитроцеллюлозы вырабатываются в значительном количестве и в настоящее время. Однако нитроцеллюлоза и получаемые из нее изделия имеют существенный недостаток: они горючи и очень легко воспламеняются. Поэтому нитроцеллюлозу часто заменяют другими производными целлюлозы, в том числе ацетатом и ацетобутиратом целлюлозы. Эти соединения значительно менее горючи и превосходят нитроцеллюлозу по прочности. 2.1.4. Общие технические свойства полимерных связующих Химическим синтезом могут быть созданы разнообразные высокополимеры с различными показателями свойств. Однако весьма приблизительно можно привести некоторые средние показатели общих свойств, характерные для синтетических смол и производных целлюлозы. Удельный вес смол и производных целлюлозы колеблется от 0,92 г/см3 (у полиэтилена, самой легкой из известных искусственных смол) до 2,3 г/см3 (у политетрафторэтилена). У большинства наиболее часто применяемых смол удельный вес 1,3—1,5 г/см3, т. е. они в 5—6 раз легче стали. Предел прочности смол при растяжении обычно колеблется от 10 - 15 до 80 - 90 МПа, предел прочности при изгибе от 10 до 120—140 МПа, а предел прочности при сжатии - от 20 до 150 - 200 МПа, что во много раз превышает, например, прочность обычных бетонов. Таким образом, полимерные связующие отличаются высокой «весовой» прочностью, т. е. значительной прочностью при сравнительно малом удельном весе. Теплостойкость многих смол находится в пределах от 70 до 120°С, у некоторых же может быть значительно выше1. С повышением температуры прочность синтетических смол понижается. При длительном действии нагрузок, даже сравнительно небольших, у многих смол обнаруживается повышенная текучесть. Но современная наука стремится создавать температуростойкие полимеры, т. е. такие вещества, физикомеханические свойства которых остаются стабильными в достаточно широком интервале изменений температуры. Наиболее устойчивы к температурным воздействиям, в том числе к нагреванию, некоторые полиэфирные, а также эпоксидные, фторосодержащие и кремнийорганические смолы. ______________________________________ 1

Теплостойкостью пластмасс называют их способность сохранять свои физикомеханические свойства при повышении температуры. В лабораторных испытаниях теплостойкость условно характеризуют той температурой, при которой брусок размером 10x15x120 мм под действием изгибающей нагрузки, которая вызывает напряжение 5 МПа, отклоняется от своего вертикального положения настолько, что рычаг прибора опускается на 6 мм. Такое определение часто называют теплостойкостью по Мартенсу.

60 Физико-механические свойства отдельных кремнийорганических смол практически не меняются в интервале температур от —100 до +300°С, а иногда даже и до +500°С. Имеются основания предполагать, что в будущем могут быть получены значительно более температуростойкие полимеры. Все смолы способны гореть, но одни загораются легко, другие трудно. К легковозгораемым смолам относятся полиэтилен и полистирол; к трудновозгораемым — фторопласты, мочевиноформальдегидные и многие кремнийорганические смолы. Термореактивные связующие (фенолоформальдегидные, мочевиноформальдегидные, кремнийорганические, эпоксидные и др.) более стабильны при повышенных температурах, чем термопластичные (полихлорвиниловые, полиэтиленовые, полистирольные, полиамидные, производные целлюлозы и др.). Однако термопластичные связующие удобнее применять при некоторых методах формования изделий. Кроме того, эти связующие, часто отличающиеся хорошей растворимостью в некоторых органических растворителях, удобно использовать для изготовления лакокрасочных материалов. Водопоглощение смол (за 24 часа) колеблется от 0 (полиэтилен, полифторомонохлорэтилен) до 0,2—0,6%. Водопоглощение производных целлюлозы обычно больше, например у ацетилцеллюлозы может достигать 2— 6,5%. Синтетические смолы и получаемые из них изделия обладают высокой химической стойкостью, намного превосходящей стойкость большинства известных материалов. Пластмассы в отличие от металлов не ржавеют, в отличие от дерева не гниют. Пластмассы вообще хорошо сопротивляются действию различных коррозийных агентов.

2.2. Наполнители Полимерные композиции могут быть разделены на два вида, отличающихся по своей структуре: материалы микроскопически однородные, состоящие только из полимерного вещества, и материалы микроскопически неоднородные, состоящие не только из полимерного вещества, но и из диспергированных или ориентированных в нем инородных частиц или слоев наполнителя. Если наполнитель в такой же степени полярен, как и полимер (полимер «смачивает» наполнитель), то он может оказать усиливающее действие на прочностные характеристики полимерного материала при определенной степени наполнения. Этот эффект наблюдается у различного типа термореактивных смол и у некоторых термопластичных материалов. Усиливающее действие наполнителя особенно отчетливо проявляется, когда наполнитель обладает упорядоченной структурой, например в слоистых пластиках. Напротив, в случае неодинаковой полярности полимера и наполнителя, когда полимер «не смачивает» порошкообразный наполнитель, наблюдается понижение прочностных характеристик полимера. Впрочем, эффект «смачивания» может быть усилен применением поверхностно-активных

61 веществ. В том случае, когда полимер «смачивает» наполнитель, хорошо распределен в нем или заранее ориентирован (слоистые пластики), прочность композиции по мере увеличения количества вводимого наполнителя повышается до определенного максимального предела, после чего она начинает уменьшаться. Это явление обусловлено происходящей ориентацией полярных групп полимера на границе раздела фаз в системе «полимер — наполнитель». Согласно такому представлению максимум прочности будет достигнут, когда слой «клея» будет бимолекулярным и его макромолекулы будут полностью ориентированы своими полярными частями к наполнителю (максимум наполнения). Усиливающееся действие наполнителя тем больше, чем меньше силы когезии в полимере, препятствующие тонкому распределению наполнителя. Однако технически трудно равномерно распределить огромный объем наполнителя в малом объеме связующего, поэтому степень наполнения практически ниже идеальной. Увеличение количества наполнителя выше максимального ведет к потере прочности композиции, так как появляется много частиц наполнителя, вовсе «не смоченных» полимером. Приведенное объяснение усиливающего действия наполнителя особенно наглядно приложимо к слоистым пластикам, где упорядоченный, ориентированный наполнитель диспергирует смолу в систему тонких ориентированных пленок. Двойная ориентация значительно усиливает прочность всей композиции в целом. Усиливающее действие наполнителя проявляется и в локализации развития микротрещин в полимере. Образовавшаяся микротрещина, развиваясь, может «упереться» в частицы наполнителя, который является препятствием на пути ее дальнейшего роста. Происходит торможение развития трещин, и композиция в присутствии наполнителя становится прочнее. В том случае, когда полимер не обладает полярностью (полиолефины) и «не смачивает» наполнитель, явление ориентации тонких пленок настолько слабо, что его действие заметно не проявляется. Напротив, введение частиц порошкообразного наполнителя, не обладающего адгезией к полимеру, ведет к уменьшению массы полимера, сопротивляющейся действию разрушающей нагрузки, в единице объема композиции. Такие полимеры по мере их наполнения сразу же теряют прочность и не имеют максимума наполнения. Так, например, у полипропилена, наполненного на 20% двуокисью титана, почти вдвое падает прочность на разрыв и более чем в два раза уменьшается относительное удлинение, при этом почти в два раза увеличивается модуль упругости при изгибе. Однако, если наполнение ведется волокнистым или ориентированным наполнителем, прочность неполярных полимеров может возрастать по мере наполнения за счет прочности самого наполнителя. Обычно термопластичные полимеры смешиваются с наполнителем в порошкообразном состоянии или в состоянии расплава. Характер надмолекулярной структуры (кристаллических образований) неполярного термопласта, зависящий от условий его охлаждения, также может влиять на показатели прочности наполненного полимера. При быстром охлаждении

62 содержание аморфной фазы повышается и образуются более мелкие кристаллиты, чем при медленном охлаждении. Наполнителями полимеров могут быть твердые, жидкие и газообразные вещества. Наибольшее распространение получили твердые наполнители и газы. По характеру распределения в полимере твердые наполнители могут быть слоистыми и неслоистыми. По происхождению твердые наполнители могут быть минеральными и органическими. Из минеральных наполнителей используют окислы металлов (ZnO, TiO2 и др.), каолин, литопон, слюду, кварцевую муку, тальк, кизельгур, коротковолокнистый асбест, белую сажу (SiO2), силикат кальция, мел, известь, вермутит, асбестовую бумагу и картон, асбестовую ткань, стеклоткань, пленочное стекло, стекловойлок, стеклошпон, минеральную вату, графит и др. Из органических наполнителей используют: древесную муку, хлопковый линтер, сульфитную и сульфатную целлюлозную массу и бумагу, картон, льняные очесы, лигнин, хлопковые ткани, химические волокна и ткани, полимерные наполнители (каучуки, бакелитовая мука), древесный шпон и крошку, отходы кожи, солому и пр. Наполнение газами полимеров достигается путем механического вспенивания, введением порофоров, выделяющих при разложении газы, и путем введения в полимеры легкокипящих жидкостей. Наполнителями могут служить различного рода порошки, волокна, а также ткани и листовые материалы (бумага, древесный шпон, металлическая фольга). Порошкообразные наполнители — обычно вещества минерального происхождения: слюда, кварцевая мука, сульфат бария, древесная мука, тальк, графит и другие измельченные материалы. Эти наполнители не только сообщают пластмассе некоторые специфические свойства (теплостойкость, кислотостойкость, рентгенонепроницаемость), но и повышают твердость пластмасс, удешевляют их и увеличивают долговечность, что особенно важно для строительства. Волокнистые наполнители в производстве пластмасс применяются весьма широко, так как они увеличивают прочностные характеристики пластмасс и снижают их хрупкость. К волокнистым наполнителям относятся: асбестовое, стеклянное, капроновое, нейлоновое волокна, хлопковые очесы, древесное волокно и др. Пластмассы с такими наполнителями называются волокнитами. Применение асбестового волокна повышает теплостойкость, прочность и ударную вязкость пластических масс. Широко использующееся в качестве наполнителя стеклянное волокно сообщает пластмассам очень высокие механические свойства, что имеет особое значение при их применении для изготовления строительных конструкций, несущих значительные нагрузки (например, стеновых панелей). Листообразными наполнителями могут быть бумага, хлопчатобумажная ткань, стеклянная ткань, асбестовый картон и древесный шпон. Отдельные листы наполнителя, пропитанные или покрытые синтетической смолой, складываются в пакеты и спрессовываются в плиту или изделие другой формы.

63 Высокая прочность пластмасс со слоистыми наполнителями, так называемых слоистых пластиков, дает возможность изготовлять из них строительные изделия. На основе фенолоформальдегидных смол в сочетании с бумагой в качестве наполнителя получают бумагопластики — материал с высокими прочностными показателями. Если в качестве наполнителя применена хлопчатобумажная ткань, получается материал, называемый текстолитом. В этих материалах количество смолы и наполнителя по весу приблизительно одинаково, часто же смолы даже несколько меньше, чем наполнителя. Из древесного шпона, т. е. тончайших листов древесины, получаемых на специальных лущильных станках, и синтетической смолы получают листовые материалы большой прочности, долговечности и красивого внешнего вида. Такие листы могут применяться и как материалы для конструкций, несущих нагрузки, и как декоративный облицовочный материал. Эти материалы называются древесно-слоистыми пластиками. Из вышеизложенного видно, что наполнители в значительной степени определяют вид и свойства пластических масс, применяемых для изготовления строительных изделий. Наполнители, как и заполнители в бетонах, значительно удешевляют стоимость пластмассовых изделий. Так, при введении 40% талька, молотого каолина или подобных порошков в полистирольную смолу стоимость изготовляемых из этой смолы облицовочных плиток уменьшается почти на 35%, кроме того, дополнительно подобно заполнителям в керамических массах, строительных растворах и бетонах уменьшают усадку пластмасс при получении изделий и способствуют достижению большей точности их размеров1. Наполнители несколько увеличивают теплостойкость пластмасс, т. е. действуют наподобие минерального порошка, добавляемого к битуму в производстве асфальтовых бетонов. Теплостойкость, а также прочность пластмасс могут значительно повыситься при очень тонком помоле некоторых наполнителей (графита, кокса), производимых на вибромельницах. Отдельные виды наполнителей, главным образом ткани, волокна, листовые материалы и даже древесные опилки, играют еще и роль арматуры, увеличивая сопротивление материала растяжению и изгибу. Так, например, введение в фенолоформальдегидную смолу 45% древесных опилок повышает ее прочность при разрыве в 5 — 6 раз. При армировании полиэфирных смол стеклянным волокном сопротивление разрыву увеличивается в 4 — 5 раз, а ударная вязкость повышается в 12 — 30 раз. Следовательно, некоторые наполнители могут оказывать такое же влияние на прочность пластмасс, как металлическая сетка в «армоцементе» оказывает на прочность цементного раствора. ______________________________________ 1

Усадка пластмасс происходит вследствие перегруппировки молекул при переходе вещества из вязкожидкого состояния в твердое, а отчасти и вследствие сжатия материала при охлаждении.

64 Наполнители иногда существенно повышают стойкость пластмасс, т. е. увеличивают их долговечность. При введении наполнителя часто улучшается внешний вид пластмасс. Таким образом, наполнители улучшают технические свойства и уменьшают стоимость изделий из пластмасс. Количественное соотношение между связующим веществом и наполнителем в пластических массах может колебаться в широких пределах. Так, при изготовлении древесно-стружечных пластмассовых плит смола составляет всего лишь 8—12%, а наполнитель в среднем около 90% (по весу). Изделия, содержащие листовой или тканевый наполнитель, состоят из 15—60% смолы и соответственно 85—40% наполнителя. Ячеистые пластмассы иногда изготовляют с небольшим количеством наполнителя, а чаще вовсе без него. Полиэтиленовые трубы и пленки, полистирольные плитки, органическое стекло вообще не содержат наполнителя. Изделия из пластмасс очень часто получают свои названия в зависимости от вида наполнителя. Так, текстолит — это пластмасса, содержащая текстильную хлопчатобумажную ткань, асботекстолит (или асбестотекстолит) — асбестовую ткань; древесно-слоистый пластик содержит древесный шпон, а стеклопластик или стеклотекстолит — стеклянную ткань или стеклянное волокно. Все эти материалы часто называют слоистыми пластиками.

2.3. Пластификаторы Во многих случаях переработка материалов в изделия облегчается предварительной пластификацией полимера, позволяющей осуществлять переработку при пониженных температурах, а также получать изделия с большей эластичностью и меньшей хрупкостью. Этот эффект достигается путем введения в материал специальных добавок, называемых пластификаторами. Пластификатором является любая добавка, которая повышает пластичность полимеров. В качестве пластификаторов используют чаще всего низкомолекулярные высококипящие жидкости, совмещающиеся с полимерами. Истинные пластификаторы отличаются от растворителей и диспергаторов нелетучестью. В отличие от пластификаторов, мягчители действуют как инертные разбавители пластафикатора, в меньшей степени влияющие на механические свойства полимеров. Действие пластификаторов основано на их способности снижать силы межмолекулярного притяжения между макромолекулами полимера. Полимеры при смешении с пластификатором набухают в нем. Набухание сопровождается проникновением молекул низкомолекулярного вещества между макромолекулами полимера. При этом увеличивается расстояние между макроцепями и снижаются силы их взаимодействия. Одновременно возникают связи между молекулами пластификатора и звеньями полимерных молекул. Следствием этих процессов является снижение температуры стеклования и вязкости полимерного материала. Снижение вязкости (повышение пластичности) полимера позволяет перерабатывать полимер при относительно

65 невысоких температурах, что, в свою очередь, предохраняет материал от термической деструкции при переработке в изделие. В качестве пластификаторов в пластических массах применяются камфора, олеиновая кислота, стеарат алюминия, трикрезилфосфат, дибутилфталат и др. Чтобы получить пористые материалы, в состав пластмасс вводят специальные вещества — порообразователи (порофоры). К ним относятся двууглекислый натрий, углекислый аммоний и др. Некоторые пластификаторы способны также придавать полимерам различные специфические свойства. Так, фосфаты и хлорированные вещества понижают горючесть материалов, углеводородные пластификаторы способны улучшать диэлектрические характеристики. Широко используются в качестве пластификаторов эфиры адипиновой, себациновой, фталевой и фосфорной кислот. Известно также применение пластификаторов, являющихся высокомолекулярными соединениями поликонденсационного или полимеризационного типа (полиэфиры адипиновой и себациновой кислот, простые эфиры поливинилового спирта и др.). Применение полимерного пластификатора позволяет избежать его миграции на поверхность изделий, экстрагирования водой и органическими растворителями. Недостаточная текучесть полимерных пластификаторов заставляет использовать их, как правило, в смеси с мономерными пластификаторами. Пластификатор, предназначенный для пластификации того или иного полимерного материала, должен удовлетворять ряду требований. К ним относятся совместимость с данным полимером, малая текучесть, достаточное пластифицирующее действие, неспособность к миграции и «выпотеванию» на поверхности материала, химическая стойкость, морозостойкость (способность сохранять эластичность материала при низких температурах), высокие диэлектрические свойства, отсутствие запаха и токсичности. Кроме метода внесения пластифицирующей добавки, называемого внешней пластификацией, применяется также метод внутренней пластификации. Он основан на снижении жесткости макроцепей полимера и уменьшении сил притяжения между ними путем изменения структуры макромолекул. К внутренней пластификации приводит введение в состав полимера различных групп, снижающих симметричность макромолекул, увеличивающих расстояние между полимерными цепями. Наиболее широко применяемым типом внутренней пластификации является сополимеризация мономера, соответствующего жесткому полимеру с высокой температурой размягчения, с другим мономером, дающим более эластичный полимер. Например, сополимеризацией винилхлорида с винилацетатом получают сополимер, имеющий пониженную температуру размягчения и большую эластичность по сравнению с гомополимером винилхлорида. Примером внутренней пластификации может быть также сополимеризация стирола с бутадиеном, приводящая к получению одного из видов синтетического каучука. Пластифицирующее действие могут оказывать также различные превращения в цепях полимеров. Например, этерификация гидроксильных групп в целлюлозе пропионовой или масляной кислотой приводит к ослаблению поперечных

66

г/см3

Показатель преломления

Температурара кипения,°С

Температурара плвления,°С

Температурара воспламенения °С

Растворимость в воде, %

Диэтиладипинат С2Н6ООС(СН2)4СООС2Н5 Глицеринмоноацетат СН3СООСН2СНОН СН2ОН Глицеринтрибутират СзН5(ОСОС3Н7)з Бутилолеат С17Н33СООС4Н Триэтилфосфат (С2Н5О)3РО Трибутилфосфат(С4Н9О)3РО Трифенилфосфат(С6Н5О)3РО Трикрезилфосфат (СН3С0Н4О)3РО Диметилфталат С6Н4(СООСН3)2 Диэтилфталат С6Н4(СООС2Н6)2 Дибутилфталат С6Н4(СООС4Н9)2 Дибутилсебацинат С4Н9ООС(СН2)8СООС4Н9 Дибензилсебацинат (СН2)8(СООСН2С6Н5)2 н-Бутилстеарат С17Н36СООС4Н9 Бензофенон С6Н5СОС6Н5 Камфара С10Н16О

202

1,002

1,426

245

14

—

0,06

134

1,206

1,453

158

—40

148

—

302

1,035

1,435

315

—75

—

0,01

339 182 266 326

0,865 1,068 ,973 1,185

— 1,405 1,424 1,563

230 210 289 220

— 10 —56 —80 49

— 116 146 225

Не раств. Раств. 0,60 0,002

368

1,167

1,556

240

—35

230

0,002

194 222

1,193 1,118

1,513 1,499

282 295

0 —0,3

149 152

0,45 0,09

278

1,050

1,490

335

—35

168

0,03

314

0,936

1,439

344

5,5

178

0,1

382

1,050

—

265

28

—

Не раств.

340 182 152

0,855 1,111 1,000

1,446 1,602 —

220 305 204

20 48 178

183 — 93

0,2 0,006 0,17

Молекулярная масса

Пластификатор

Плотность,

межмолекулярных (водородных) связей в целлюлозе и к получению мягких пропионатов или бутиратов целлюлозы, хорошо перерабатывающихся в изделия. Эффект внутренней пластификации наблюдается также при получении «привитых» сополимеров, когда к основной цепи полимера «прививается» боковая цепь. Внутренняя пластификация выгодно отличается от внешней. Это отличие заключается в том, что обычные пластификаторы за большее или меньшее время все же улетучиваются, материал постепенно теряет эластичность, морозостойкость, при внутренней же пластификации свойства материала остаются постоянными, так как пластифицирующее действие оказывают элементы структуры самих макромолекул. Низкомолекулярные фракции, содержащиеся в полимере, также могут оказывать пластифицирующее действие. Так, например, для улучшения перерабатываемости полиэтилена высокой плотности (низкого давления) к нему может быть добавлен низкомолекулярный полиэтилен. Физикохимические свойства некоторых пластификаторов приведены в табл. 2.1. Таблица 2.1 Физико-химические свойства пластификаторов

67

2.4. Прочие добавки к полимерам 2.4.1. Отверждающие добавки В качестве веществ, способствующих переходу линейных макромолекул полимера в трехмерные молекулы, применяются различные отверждающие вещества, механизм действия которых различен. В качестве отверждающих веществ могут быть использованы инициаторы с ускорителями полимеризации и добавки, «сшивающие» макромолекулы с образованием сетчатой структуры полимеров. Инициаторы и ускорители способствуют развитию радикальной полимеризации и служат для отверждения полиэфиракрилатных и полиэфирмалеинатных смол, содержащих стирол или другие полимеризующие мономеры. Ангидриды кислот, амины и другие соединения реагируют с линейными молекулами, образуя поперечные связи, которые как бы «сшивают» макромолекулы. Так, отверждение эпоксидных смол достигается путем добавки к ним фталевого ангидрида или других соединений, вызывающих «сшивку» макроцепей. Сера вулканизует каучук, соединяя его макромолекулы по месту двойных связей. Изменение величины рН среды может также привести к отверждению смол или их композиций. Резольные смолы отверждаются добавкой кислот (серной, соляной) или их производных (алкилсульфатов или кислых сульфатов целлюлозы). Новолачные смолы добавками формальдегида или гексаметилентетрамина (уротропина) могут быть переведены в резольные смолы и отверждены при нагревании. Нагревание способствует полноте отверждения также и других смол. 2.4.2. Усилители В разделе о наполнителях рассматривались причины усиливающего действия некоторых наполнителей, введенных в полимеры. Согласно этому представлению прочность полимеров должна расти с увеличением активной поверхности наполнителя, способствующей переводу полимерного связующего в ориентированное состояние тонких пленок. Усиливающее действие наполнителей наглядно проявляется в слоистых пластиках, пресс-порошках, резинах и других материалах. Действие усилителей проявляется в повышении механической прочности полимера (предела прочности при растяжении, удельной ударной вязкости, сопротивления истиранию и раздиранию), твердости и других показателей. Например, для повышения механической прочности и износостойкости резин в состав резиновой смеси вводят усиливающий наполнитель. К числу таких усилителей принадлежат вещества с предельно малой величиной частиц и развитой поверхностью: сажи, глины, углекислый магний, сульфат бария, алюмосиликат, белая сажа, двуокись титана и др.

68 2.4.3. Мягчители Под мягчителями подразумеваются вещества, добавляемые к полимерным композициям и обладающие ограниченным пластифицирующим действием, т. е. способные вызвать небольшое набухание полимера. Пластифицирующий эффект их незначителен, но вместе с тем достаточен, чтобы вызвать снижение модуля упругости, повысить относительное удлинение при растяжении, облегчить введение наполнителя и перерабатываемость материала, улучшить морозостойкость, понизить временное сопротивление при изгибе и т. д. В соответствии со своим названием мягчители способствуют повышению мягкости, гибкости, эластичности полимеров. К мягчителям относятся различные масла и смолы. Так, например, к поливинилхлоридной смоле могут добавляться в небольших количествах (3 — 5%) минеральные масла, соевое масло и др. Введение трансформаторного масла (3 — 5%) в полиэтилен высокой плотности способствует снижению твердости и временного сопротивления изгибу. Особо часто применяют мягчители в резиновых смесях. Для этого используют: мазуты, нефтяные битумы, олеиновую кислоту, масла (веретенное, машинное, касторовое, сланцевое, парафиновое), вазелин, парафин и др. В качестве мягчителей могут быть использованы другие полимеры и более низкомолекулярная фракция того же самого полимера. Мягчители одновременно могут оказывать и смазывающее действие при переработке полимера в изделия: улучшать процесс вальцевания и каландрирования полимерной композиции, способствовать лучшему ее отлипу от металлических валков, полирующих пластин и пресс-форм. 2.4.4. Смазки Смазки часто вводят в состав различных полимерных композиций. Их назначение - способствовать отлипу полимерной композиции от различного металлического оборудования и оснастки при переработке полимерной композиции в изделия. В пресспорошки и прессмассы на основе новолачных и резольных смол вводят стеарин и олеиновую кислоту, стеарат цинка, мыла и другие вещества, чтобы облегчить съем изделий с горячих прессформ. В литьевой сополимер стирола, например МСН, вводят стеарат кальция для улучшения процесса вальцевания массы и съема изделий с литьевых форм. В поливинилхлоридные смолы вводят парафин, стеарин и другие смазки. В заливочные композиции вводится стеарин для тех же целей. Применение эмульсии воска в качестве смазки основано на том, что она создает разделительный слой, облегчающий съем изделий с формы. Выбор типа смазки зависит от рода полимера и от его совместимости со смазкой. 2.4.5. Стабилизаторы При изготовлении композиций применяются вещества, замедляющие термическую деструкцию — термостабилизаторы, а также защищающие от

69 воздействия света — светостабилизаторы. Без введения стабилизаторов использование полимеров для изготовления изделий во многих случаях становится невозможным вследствие их быстрого старения под действием повышенных температур в процессе переработки и под действием солнечных лучей. Если для полистирола, полиметилметакрилата и других производных метакриловой, а также акриловой кислот стабилизация не имеет существенного значения, то для ударопрочных материалов на основе полистирола и каучука, полиолефинов, композиций на основе эфиров целлюлозы (этролов и т. п.) стабилизация необходима. Особенно подвержены старению полиолефины. Старение полиолефинов сопровождается поглощением кислорода и выделением низкомолекулярных продуктов. Окислительно-деструктивные и структурирующие процессы, протекающие под влиянием повышенных температур, приводят к ухудшению механических и диэлектрических свойств полиолефинов. Особенно быстро подвергается деструкции полипропилен. Решающим фактором старения полиолефинов в атмосферных условиях является мощность и длительность солнечной радиации. Достаточно эффективным стабилизатором, предохраняющим от фотостарения, является газовая сажа, действие которой проявляется уже при содержании ее около 0,3%. Известны и другие светостабилизаторы, являющиеся производными бензофенона. Амины и производные фенолов предохраняют полиолефины от термической деструкции. В качестве термостабилизаторов полиолефинов используют обычно амины, например, смесь из неозона А и дифенилпарафенилендиамина, вводимую в количестве около 0,2%. Некоторые стабилизаторы пригодны для предотвращения старения различных типов полимеров. Например, стабилизаторы топанол О и топанол ОК, являющиеся производными фенола, могут быть использованы в качестве светостабилизаторов полиолефинов, полимеров и сополимеров стирола. Топанол КА рекомендуется в качестве светостабилизатора для полипропилена и других полиолефинов, а также для поливинилхлорида и полиэфиров. Для поливинилхлорида достаточно эффективными стабилизаторами являются стеараты кальция, свинца и бария, основной углекислый свинец и др. Для этролов целлюлозы применяют термостабилизатор дифениламин, а также светостабилизатор салол. 2.4.6. Добавки, придающие полимерам негорючесть Для придания некоторым полимерам негорючести (это не относится к полимерам, содержащим фтор, хлор, фосфор, и к силиконовым производным) в композиции вводятся добавки хлорированных парафинов, поливинилхлорида, трехокиси сурьмы, фосфорнокислого аммония и др., — так называемые антипирены. Антипирены добавляются к горючим полимерам в количестве 10—20%.

70 2.4.7. Красители Большинство полимерных материалов окрашивают в различные цвета для придания им приятного внешнего вида. С этой целью применяют разнообразные красители и пигменты органического и неорганического происхождения. От красителя требуется, чтобы он не выцветал на солнечном свету и цвет его не изменялся при воздействии высокой температуры переработки. При окраске прозрачность полимерного материала может сохраняться или не сохраняться. Вследствие естественной мутности некоторых полимеров и необходимости вводить стабилизаторы темных цветов желаемый яркий тон окраски не всегда может быть достигнут. Особенно ярко и красиво окрашиваются полистирол, сополимеры стирола, сополимеры метилметакрилата, полиметилметакрилат, которые могут быть получены прозрачными и непрозрачными. Ярко окрашиваются эфиры целлюлозы, вискоза и некоторые другие полимеры. Наполненные полимеры, резина, полиолефины, поливинилхлоридные пластики, фторопласты, поливинилацетали, аминопласты и другие имеют обычно менее яркие расцветки и не обладают достаточной прозрачностью. Фенолоальдегидные пластики обычно имеют коричневую или черную окраску. Красящие вещества, такие как, например, газовая сажа, придают изделиям из полимеров (резина, полиолефины) повышенную устойчивость к атмосферным воздействиям. Некоторые из наполнителей (двуокись титана, окись цинка и др.) могут одновременно и окрашивать полимерные композиции. Выбор технологических приемов крашения различных полимеров зависит от рода полимера и его физического состояния или формы (жидкость, расплав, порошок, гранулы, масса, нити и т. д.). Жидкие, расплавленные и порошкообразные полимеры окрашиваются легче всего, так как краситель в них легко распределяется в процессе смешения компонентов композиций в шаровых мельницах, флюидных смесителях и других смесительных аппаратах. В том случае, когда полимер имеет форму бисера или долек (чешуек), проникновение красителя внутрь частичек затруднено. Такие полимерные частицы сначала «припудриваются» красителем в смесительном аппарате (смесителе, шаровой мельнице), а затем подвергаются грануляции методом экструзии. В процессе грануляции краситель равномерно распределяется в расплаве полимера. В некоторых случаях краситель вводят в полимер не в чистом виде, а в виде заранее приготовленной смеси с небольшим количеством полимера, называемой концентратом. Концентрат красителей можно использовать при окраске термопластичных полимеров в процессе гранулирования на экструзионных грануляторах. Гранулы концентрата хорошо дозируются различными дозировочными устройствами грануляторов. «Припудренные» красителем частицы полимера можно подвергнуть дальнейшей переработке в литьевых машинах, где равномерное распределение красителя в полимере достигается с помощью специальных решеток и расширителей, способствующих интенсивному перемешиванию расплава полимера при его перетекании из материального цилиндра в форму.

71 Помимо описанного окрашивания полимеров в массе, может производиться поверхностное окрашивание полимеров путем окунания частичек, волокон или изделий в раствор красителя. Изделия из полиметилметакрилата, например, окрашиваются с поверхности окунанием в подогретый раствор красителей в метиловом или этиловом спирте. Поверхностное окрашивание изделий из полиолефинов можно осуществить только после активации их поверхности коронным разрядом, окислительным пламенем или после окисления поверхности сильными окислителями (хромовая смесь и др.). В результате окислительных процессов на поверхности изделий из полиолефинов образуются полярные группы, способные удерживать краситель. В табл. 2.2 приводится перечень красителей, рекомендуемых для окрашивания полиэтилена. Для окраски полистирольных пластиков могут применяться органические красители, пигменты и лаки, например кубовый золотисто-желтый КХ (0,1 0,2%), лак ярко-розовый (0,1%), кубовый ярко-фиолетовый К (0,05 - 0,1%), кубовый голубой К (0,05 - 0,1%), пигмент глубоко-черный (0,5 - 0,7%) и др. Таблица 2.2 Пигменты и лаки, рекомендуемые для окрашивания полиэтилена Пигмент или лак Пигмент желтый 5К Пигмент оранжевый 2Ж Пигмент ярко-красный 4Ж Лак красный ЖБ Лак ярко-розовый Лак красный 2СМ Лак рубиновый СК Пигмент синий антрахиноновый Пигмент голубой фталоцианиновый Пигмент зеленый фталоцианиновый Пигмент глубоко-черный Двуокись титана Стронционовая желтая Кадмий лимонный Кадмий оранжевый Английская красная Окись хрома Сажа газовая (канальная)

Количество мас.ч. пигмента на Цвет 100 мас. ч. полиэтилена Желтый 0,05—0,1 Оранжевый 0,05-0,2 Красный 0,05—0,1 Красный 0,05—0,1 Красный 0,05—0,1 Красный 0,05-0,1 Красный 0,05—0,15

Термостойкость, 0С 210 190 210 240 250 250 240

Синий

0,05—0,1

240

Синий

0,05—0,2

240

Зеленый

0,05—0,2

250

Черный Белый Желтый Желтый Оранжевый Красно-коричневый Зеленый Серый

0,05—0,1 0,1—0,3 0,5—1,5 0,5—1,0 0,5—1,0

220 250 220 250 230

0,2—0,5

250

0,5—1,0 0,2—3,0

250 260

72

Глава 3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС 3.1. Производство изделий и материалов из пластмасс Основные технологические операции в производстве изделий и материалов из пластмасс следующие: подготовка сырьевых материалов, приготовление пластической массы, изготовление изделия, его доводка, хранение и транспортирование. Подготовка материалов включает дробление, тонкое измельчение, переработку в листы или волокно, нагревание, гранулирование, таблетирование, пропитку синтетическим связующим листовых, волокнистых и порошкообразных наполнителей и тому подобные операции в зависимости от требований, предъявляемых к изделию, и свойств исходного сырья. Исходные компоненты тщательно дозируют, нагревают и перемешивают до получения гомогенной смеси. Изделия получают несколькими способами: вальцеванием (формованием на каландрах), экструзией, промазыванием, литьем под давлением, прессованием, вакуумированием, напылением, непрерывным выдавливанием в червячных прессах и другими методами. Формование — это технологический процесс, в результате которого получаются изделия заданной формы и определенных размеров, имеющие вполне законченный вид и не требующие дополнительной обработки или отделки. Методы формования различны, они зависят от типа применяемого связующего вещества — термореактивного или термопластичного, от вида изделий, их профиля и размеров. Так, во многих случаях при производстве изделий из пластмасс, содержащих термореактивные смолы (фенолоформальдегидные, мочевиноформальдегидные, кремнийорганические, эпоксидные и др.), исходный материал загружают в горячую пресс-форму. Здесь при температуре 120—200°С смола размягчается и под давлением пресса в 10—40 МПа и более заполняет полость пресс-формы. Одновременно под действием температуры и давления в смоле происходят химические процессы, вызывающие ее переход из пластично-вязкого в твердое состояние. Для полного отверждения смолы материал выдерживают некоторое время в пресс-форме, а затем ее раскрывают и извлекают готовое изделие. При этом пресс-форму можно не охлаждать. Процессы превращения термореактивной смолы в твердое состояние можно назвать необратимыми, так как отвердевшая в указанных условиях смола становится неплавкой. Существует некоторая аналогия между такого рода необратимыми превращениями термореактивных связующих и получением керамических или бетонных изделий. Глина, отформованная и подвергнутая действию высокой температуры, тоже необратимо меняет свои свойства: при замачивании обожженной глины водой пластичное тесто уже не может получиться.

73 Отформованная и отвердевшая бетонная смесь тоже при любых воздействиях не переходит в первоначальное состояние. При получении изделий, содержащих термопластичные связующие (полихлорвинил, полиметилметакрилат, полистирол, полиэтилен, нитроцеллюлозу и др.), применяют иные методы формования подогретой размягченной массы (литье под давлением, выдавливание в червячных прессах и др.), которые завершают охлаждением, так как для ее отверждения требуется пониженная температура. Процессы, происходящие при формовании материалов из термопластичных связующих, можно назвать обратимыми: отвердевшее изделие при повторном нагревании вновь размягчается. Таким образом, термопластичные полимеры как бы подобны воску, металлу, битуму, которые в расплавленном виде тоже принимают заданную форму, сохраняя ее после охлаждения и теряя при повторном нагревании. При вальцевании изделия из термопластичных композиций формуют между валками (каландрами). Таким образом получают рулонные, плёночные и листовые материалы. На рис. 3.1 показана технологическая схема производства безосновного линолеума методом вальцевания (каландрирования). Составляющие композиционной массы (дибутилфталат, поливинилхлорид, трансформаторное масло, барит, стеарит кальция, стабилизатор и наполнитель) после дозирования и предварительного перемешивания в мешалке подают в смеситель Перемешивание длится 2 ч при температуре 80°С. Затем смесь в течение 24 ч выдерживается при нормальной температуре для набухания и созревания. Далее масса проходит через систему вальцов с температурой 130165°С. Под воздействием температуры и давления гомогенная смесь приобретает студенистообразное состояние и поступает в каландр, из которого выходят листы заданной толщины и ширины с глянцевой поверхностью.

Рис.3.1. Технологическая схема получения поливинилхлоридного линолеума вальцевокаландровым способом: 1, 3- бункер для поливинилхлорида; 2- вибрационное сито; 4- бункер для барита; 5- дозатор дибутилфталата; 6- дозатор трансформаторного масла; 7- сушильный барабан для барита; 8- краскотерка; 9- мешалка; 10- смесительные вальцы; 11- каландр; 12- стол

74 Каландр состоит из трех или четырех полых отшлифованных и отполированных валков. Из каландра линолеум направляется на холодильные валки для охлаждения, а затем на разбраковочный стол и склад готовой продукции. Каландрование применяют для изготовления листовых и рулонных материалов. Иногда из полученных листов вырезают плитки. Каландры — это система вращающихся валков-цилиндров, обогреваемых электричеством или горячей водой. Между цилиндрами, длина которых может достигать 1,5—2 м, а диаметр 60—70 см, прокатывается листовой материал. Принципиальная схема формования на каландрах приведена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Схема формования на каландрах а - на трехцилиндровом каландре; б - на четырехцилиндровом каландре с верхним питанием; в - на четырехцилиндровом каландре с нижним питанием

Методы получения стеклопластика и некоторых рулонных пластиков. Один из способов получения прозрачных листовых стеклопластиков на полиэфирных смолах сводится к следующему. Стеклоткань или стекломат пропитывают смолой, как показано на рис. 3.3. На рис. 3.3, а дана схема получения стеклопластика из одного слоя стеклоткани, а на рис. 3.3, б — из двух слоев. Стеклянная ткань движется с размоточного барабана 1 и пропитывается смолой 3, поступающей через валки 2. Валки, оказывая давление, ускоряют пропитку и вместе с тем отжимают избыток смолы.

75

Рис 3.3. Схема получения листового стеклопластика

Одновременно с барабанов 4 разматывается целлофановая или полиэтиленовая пленка, которая с двух сторон покрывает формуемую бесконечную ленту стеклопластика. Это покрытие временное (потом пленка снимается); оно необходимо, чтобы транспортировать еще мягкий материал в камеру где при температуре 85 — 90°С в течение примерно 20 мин протекает процесс отверждения смолы. В этой же камере материал с помощью особого приспособления может быть сделан волнистым. Из камеры выходит уже готовый стеклопластик. Целлофановая или полиэтиленовая пленка автоматически снимается, наматывается на барабаны и возвращается в производство. Циркулярные пилы обрезают неровные края стеклопластика. Затем его наматывают на бобины очень большого диаметра или разрезают на отдельные листы. Пропиточная машина может выдавать до 1,5 — 3,5 м стеклопластика в 1 мин. С соответственной скоростью работают и другие части установки. Для получения рулонных пластмассовых материалов надо бумагу, текстильную, стеклянную ткань или иную волокнистую основу пропустить через ванну с жидкой расплавленной смолой, её водной эмульсией или раствором смолы в летучем растворителе. Подобный принцип пропитки основы принят в производстве битумных и дегтевых кровельных и гидроизоляционных рулонных материалов. Существенное отличие заключается только в том, что

76 полотно бумаги или ткани, пропитанное полимерами, должно пройти затем через специальную камеру, где происходит испарение растворителя и отверждение смолы. Готовый материал далее поступает на станки, где наматывается в рулоны. На рис. 3.4 даны схемы пропитки материала жидкой смолой: а — простейшая, но малоэкономичная ванна с одним направляющим цилиндром и б — ванна улучшенной конструкции с тремя цилиндрами. Эти установки сравнительно несложны, но вместе с тем являются недостаточно совершенными.

Рис. 3.4. Пропиточные ванны 1- ванна, содержащая смолу; 2- направляющий цилиндр; 3- отжимные валки; 4- камера для сушки и отверждения смолы

Экструзия — способ непрерывного формования путем выдавливания пластической массы через формующее отверстие (мундштук) определенного профиля. Для выдавливания пластических масс применяют преимущественно шнековые (червячные) экструзионные машины. За счет теплоты, поступающей от нагревателей, материал, подаваемый в шнек-машинку в порошкообразном или гранулированном виде, размягчается и в вязкотекучем состоянии выдавливается из мундштука (рис. 3.5). Такие машины по устройству и принципу действия сходны с кирпичеделательными ленточными прессами, напоми- нают они также обычную мясорубку, но имеющую большие размеры. Исходный материал поступает в размельченном виде и размягчается в обогреваемом цилиндре машины, основной рабочей частью которой является червяк (шнек). При изготовлении пустотелых изделий устанавлива- ют дорны, оформляющие внутренний профиль изделия. Материал, выдавленный из мундштука, охлаждают, подвергают вытяжке и разрезают на элементы заданной длины. Эти операции выполняют на конвейере, который является продолжением машины. Технологический процесс непрерывен; это дает возможность его автоматизировать сравнительно простыми средствами.

77

Рис. З.5. Схема червячного пресса: 1- червяк (шнек); 2- бункер для исходной массы; 3- головка цилиндра; 4- мундштук, оформляющий внешнюю конфигурацию изделия; 5- дорн, оформляющий внутренний профиль изделия; 6- устройство для электрообогрева.

По способу непрерывного выдавливания обычно изготовляют трубы, бруски, стержни, полосы и другие погонажные изделия. С методом экструзии иногда сочетают операцию выдувания. Выдувание применяют для получения пленок, например полиэтиленовых. В выдавливаемую полиэтиленовую трубу нагнетают воздух, который раздувает образующийся «рукав» и превращает его в пленку нужной толщины. Этот процесс происходит непрерывно. Получаемая пленка наматывается на валик. Червячные прессы могут быть не только стационарными, но и передвижными. Например, на автомобиле, который идет вслед за землеройной машиной, подготовляющей траншею для трубопровода, стоит пресс. Он формует трубу, которая выходит из пресса безостановочно; «на ходу» от нее отрезают части требуемой длины и укладывают в траншею. Литье под давлением – это выдавливание разогретого пластичного материала в закрытую пресс-форму, где затем в течение нескольких секунд происходит охлаждение материала и его затвердевание. Осуществляют этот метод при производстве изделий из вязкотекучих термопластичных композиций методом инъекции. На рис. 3.6 показана схема машины для литья термопластичных материалов под давлением. Исходная масса в виде порошка или зерен поступает из бункера в материальный цилиндр машины. Цилиндр обогревается паром или электричеством. Материал размягчается, становится текучим, продавливается в форму и заполняет ее полость. Форма не должна быть горячей, поэтому ее охлаждают водой, циркулирующей по специальным каналам. Материал

78 затвердевает в форме почти мгновенно, форма автоматически раскрывается и изделие автоматически выталкивается. Таким способом производят, например, полистирольные облицовочные плитки, детали для соединения труб и т.д. Рассмотрим процесс литья под давлением на примере производства полистирольной плитки.

Рис. 3.6. Схема литьевой машины

Полистирол в виде порошка или гранул засыпают в бункер 1. Через дозирующее устройство 2 порция пресс-материала попадает в левую холодную часть цилиндра 3, в это время поршень 4 находится в крайнем левом положении. Когда материал засыпан, поршень начинает двигаться, проталкивая пресс-материал в правую, нагреваемую электроустройством 5 часть цилиндра с температурой 220—250°, контролируемой термометром 6. При возвратнопоступательном движении поршня в нагреваемую часть цилиндра поступает новая порция полистирола, а уже разогретый материал, переходя в пластичное состояние, проталкивается сердечником 7 в сопло 8. В этот момент специальный механизм (на схеме не показан) сдвигает подвижные плиты 10 и 13, которые сжимают обе половины пресс-формы (пуансон 11 и матрицу 12), а затем и пружины 9. Сомкнутая пресс-форма прижимается к соплу цилиндра. После этого следует очередной рабочий ход поршня, под давлением которого пластичная масса, проходя по литниковым каналам, заполняет оформляющую полость охлаждаемой пресс-формы и быстро отверждается. По окончании выдержки, необходимой для охлаждения и отверждения отформованных плиток, происходит разъем пресс-формы, и готовое изделие выталкивается из матрицы толкателем 14. Процесс изготовления полистирольных плиток полностью автоматизирован. Отливка плиток на литьевой машине-автомате ЛМ-50 происходит под давлением 60 – 80 МПа. Процесс формования плитки продолжается 20 – 25 секунд.

79 Обычное прессование заключается в том, что материал помещают в матрицу – нижнюю половину формы, нагретую до соответствующей температуры, и создают давление верхней половиной пресс-формы (пуансоном) тоже нагретой. Так обычно формуют мелкоразмерные изделия сложной конфигурации, например скобяные. Для формования слоистых листов и плит, которые получают, соединяя несколько наложенных друг на друга слоев волокнистых наполнителей (бумаги, ткани, древесного шпона), пропитанных смолами, применяют многоэтажные прессы. Прессование пластмассовых изделий происходит в обогреваемых гидравлических прессах. Этот метод целесоорбразен при переработке смесей на основе термореактивных полимеров. Его используют для получения слоистых пластиково древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит. Так, пенополистирол, применяемый для трехслойных панелей стен и покрытий жилых зданий, изготовляют на основе эмульсионного полистирола и газообразователя – порофора. Процесс складывается из трех основных операций: помол и смешение полимера и газообразователя, прессование массы, вспенивание заготовок (рис. 3.7). Помол и смешение компонентов производят в шаровых мельницах, снабженных системой охлаждения. Измельчение продолжается 12–24 ч до получения однородной смеси. Полученную смесь прессуют в закрытых прессформах при температуре 120–180 °С и давлении 12–20 МПа. В этот период полимер сплавляется в монолитную массу, газообразователь (порофор) начинает разлагаться, выделяя газ. Избыток газа равномерно распределяется в виде мельчайших ячеек по всей массе полимера. Заготовка находится в прессе 40–50 мин. Затем ее охлаждают и извлекают из пресса. Заключительная операция — вспучивание происходит в камере вспенивания при 85-120 °С в среде насыщенного пара, горячей воды или газов. Масса вторично размягчается и, благодаря расширению газа в мельчайших ячейках, а также его выделению из массы вследствие снижения растворимости, заготовка увеличивается в объеме. После этого ее охлаждают до комнатной температуры. Прессование с помощью эластичного пуансона. Пуансоном может служить резиновый мешок. На рис. 3.8 показана схема устройства, применяемого для пневматического прессования, например слоистых термореактивных и волокнистых материалов, при малых давлениях (до 0,4—0,5 МПа). Существуют способы пресс- сования с помощью эластичного пуансона – вакуумное и автоклавное. Их применяют при изготовлении крупногабаритных пространственных деталей. При штамповке заготовками обычно служат листы материала, например органического стекла, винипласта и др. Их предварительно нагревают, чтобы материал был в высокоэластичном или пластичном состоянии, в котором он способен к значительным деформациям. Для придания заданной формы материал изгибают в специальном металлическом штампе, а затем охлаждают.

Рис. 3.7. Схема производства пенополистирола прессовым способом: 1- бункер полистирола; 2- сито-бурат; 3- шлюзовой затвор; 4- бункер порофора; 5- бункер просеянного порофора; 6, 7- дозирующие устройства; 8- винтовой конвейер; 9- шаровая мельница; 10- бункер; 11- бункер-циклон; 12- вибросито; 13- бункер; 14- весовой дозатор; 15- автопогрузчик; 16- пресс; 17- автокар для перевозки заготовок; 18- камера вспенивания; 19- автопогрузчик

81 Этим способом пользуются при производстве крупногабаритных изделий, имеющих сложные очертания, например ванн.

Рис. 3.8. Схема устройства для пневматического прессования с помощью эластичного пуансона: 1 - подача сжатого воздуха, 2 - прижимная пластина, 3 - резиновый пуансон, 4 - форма, 5 - заготовка, 6 - опорный блок (цулага) с обогревом

Беспрессовый способ получения пенополистирола основан на вспучивании мелких гранул полистирола путём нагрева их до 100 °С с последующим спеканием (склеиванием) гранул между собой в форме (рис. 3.9). Вспенивание полистирола происходит за счет его размягчения и перехода газообразователя (изопентана), находящегося в полистироле в жидком виде, в газообразное состояние. Процесс этот начинается при температуре 28 0С и выше. В шнеке температура достигает 100 °С, поэтому процесс перехода жидкого изопентана в газообразное состояние происходит очень интенсивно. Вспученные гранулы полистирола поступают в бункер 8, а из него с помощью дозаторов — в перфорированные формы. Окончательное вспенивание и склеивание гранул осуществляется в автоклаве в течение 10-15 мин. Вынутые из автоклава изделия расформовывают и сушат в сушильной камере при 40-50 °С. Этим способом можно быстро с небольшим расходом газообразователя получать изделия хорошего качества. Метод промазывания применяют для производства рулонных материалов на тканевой, бумажной или другой подоснове, напыления - для изделий из стеклопластиков. Сформованные и отвердевшие изделия перед отправкой на склад готовой продукции зачищают, разрезают на листы (плиты) нужных размером и сортируют.

82

Рис. 3.9. Технологическая схема производства пенополистирола беспрессовым способом: 1- вентилятор; 2- калорифер; 3- приемный бункер; 4- трубопровод; 5- циклон; 6- расходный бункер; 7- шнек спаровой рубашкой; 8-бункер; 9- дозатор; 10- рольганг; 11- металлическая форма; 12- тельфер; 13- вагонетки с формами; 14- автоклав; 15- сушильная камера

3.2 Зависимость методов переработки от структуры и свойств полимера Способы переработки полимеров в значительной мере зависят от их структуры и свойств. Для переработки в изделия термореактивных полимерных материалов очень часто применяют повышенную температуру и в большинстве случаев повышенное давление. При переработке термореактивных полимеров происходит необратимая реакция сшивки между макромолекулами, происходящая под влиянием специальных добавок или благодаря особенностям структуры макроцепей. Термопластичные полимерные материалы перерабатывают в изделия при повышенной температуре и при давлениях, которые могут меняться в широком диапазоне. Характерной особенностью термопластичных материалов является

83 возможность их повторной переработки после первого формования. В определенном интервале температур термопласт давлением можно деформировать и придать ему форму какого-либо изделия. При этом температура формования изделий не должна превышать температуру разложения полимера. Термопластичный полимер из твердого и хрупкого (стеклообразного) при нагревании становится мягким и пластичным, прочность его падает, а подвижность макроцепей увеличивается. Температура, до которой эти полимеры находятся в стеклообразном состоянии, называется температурой стеклования Тст. Формование изделий из термопластов возможно только при более высокой температуре, т. е. выше Тст. До этой температуры полимер деформируется как твердое тело, причем деформации малы и обратимы. При повышении температуры выше Тст полимер становится каучукоподобным, его можно растягивать (штамповать, формовать на оправках или пневмоспособом) и закреплять приданную форму охлаждением изделия. При повторном нагревании такого изделия его форма искажается вследствие обратимости деформации. Предельная температура, до которой сохраняется этот характер деформации, называется температурой текучести Ттек. Между точками Тст и Ттек деформация является высокоэластической, обратимой. При температуре около Ттек деформация полимера резко увеличивается за счет увеличения подвижности макроцепей, которые необратимо сдвигаются относительно друг друга. При более высокой температуре полимер течет подобно вязкой жидкости (вязкое течение). Однако текучесть полимеров зависит от их молекулярного веса и чем он выше, тем более высокая температура нужна для достижения состояния текучести. Один и тот же полимер в зависимости от условий синтеза может иметь разный молекулярный вес и разную степень молекулярной неоднородности. Выбор температуры переработки полимера в изделие должен производиться с учетом этих особенностей. Выбор температуры переработки зависит также и от других факторов: степени разветвленности, химического состава, стереорегулярности, полярности, наличия поперечных связей. Специфической особенностью цепных полимерных молекул является их гибкость. У полимеров, содержащих многочисленные полярные группы и обладающих повышенной жесткостью (целлюлоза), высокоэластическое состояние часто не обнаруживается. Температура, при которой полимер мог бы перейти в это состояние, превышает температуру разложения полимера. У таких полимеров нередко проявляется только стеклообразное состояние и их переработка связана с определенными трудностями. У жестких цепных макромолекул, а также у макромолекул, пространственно связанных густой сеткой поперечных связей, гибкость макроцепей незначительна, и полимер не обладает ни высокоэластичностью, ни текучестью, необходимыми для его переработки при повышенной температуре и давлении. Кристалличность полимеров очень существенно сказывается на их свойствах. Степень кристалличности зависит от разных причин, в том числе и

84 от условий изготовления изделий из полимера. При повышении температуры наступает момент, когда кристаллическая фаза полимера плавится, переходит в аморфную и создаются необходимые условия для формования изделия. Если изделия быстро охладить, то значительная часть полимера останется в аморфном состоянии. У некоторых высококристаллических полимеров при сильном нагревании наступает деструкция и их не удается довести до вязкотекучего состояния. К ним относится фторопласт Ф-4, у которого температура плавления кристаллитов равна 327°С. Нагреванием нельзя перевести Ф-4 в вязкотекучее состояние и общие методы переработки пластмасс к нему неприменимы. Фторопласт Ф-4 перерабатывают методом спекания отпрессованных на холоду заготовок. Полимерные материалы, изменяющие структуру при нагревании или при введении веществ, способствующих образованию сетчатой структуры, трудно перерабатываются методами экструзии и литья под давлением вследствие протекающих внутри полимера реакций, и эти методы к ним обычно не применяются. В табл. 3.1 приведены различные методы переработки полимерных материалов и их композиций в изделия. Таблица 3.1 Методы переработки термореактивных и термопластичных полимерных материалов в изделия Метод переработки

Полимерные материалы

термопластичные 3 1 1) Между плитами пресса прессуется пакет из чередующихся слоев наполнителя и Прессование ПВХ (искусственная кожа, при высо- Как правило, изделия извлекаются пленки ком давле- из формы без охлаждения (изделия упрочненная хлопковым волокном. из фено- и аминопластов). 2) С охлаждением в пресс-форме и нии: горячее последующим нагреванием (вспениванием) заготовки вне формы (пенополистирол, пенополивинилхлорид). 1)С последующей термообработкой вне формы (производство абразив- С последующей термообработкой вне ных кругов и т. д.) формы (изделия из фторопластов, холодное 2) С повторным термоэластическим мипластовые изделия из ПВХ). формованием (равнотолщинные изделия из слоист. пресс-материалов).

ударное

термореактивные 2

В холодную пресс-форму закладывается хорошо разогретая навеска (изделия из жесткого ПВХ и др.).

85

1

2 1) Прессование специальных масс, обладающих очень хорошей текучестью (изделия из фаолита, полиэфирных паст и т. д.). 2) В пресс-форму закладывается заготовка наполнителя и навеска смолы. Пропитка Прессование жидкой при низком наполнителя осуществляется при давлении: прессовании (изделия сложного профиля из стеклопластиков). горячее 3) Между плит пресса закладывается листовой наполнитель с нанесенным на него слоем смолы. Пропитка наполнителя осуществляется при прессовании (гладкие и гофрированные листы из стеклопластов, например глакрезит и др.).

холодное

1) Отливка в формы смол и компаундов с последующей термообработкой изделий (изделия из фенолоальдегидных, эпоксидных, полиэфирных и других смол и компаундов). Формование 2) Нагнетание полиэфирных смол в форму, заполненную стекловолобез давления: книстой заготовкой из стекловолокна, стекломатов или стеклоткагорячее ни (изделия небольших и средних размеров из стеклопластов). 3) Центробежный метод производства труб (трубы из стеклопластов на основе полиэфирных, эпоксидных и кремнийорганических смол).

Продолжение табл. 3.1 3

Масса разогревается в пресс-форме и после формования в ней же охлаждается (полистирольные плиты, изделия из полиэтилена).

Масса разогревается в термошкафах или шнек-машинах, закладывается в холодную пресс-форму, где формуется и охлаждается (производство асфальтопековых аккумуляторных баков, изделий из оргстекла и др.).

1) Отливка в формы мономеров или композиций на их основе с последующей полимеризацией (производство оргстекла, стирола и т. д.). 2) Отливка расплавленных смол или их компаундов (производство штампов из этилцеллюлозных компаундов, неориентированные пленки из полиамидов, лавсана. 3) Шпредингование паст ПВХ на ткань, отливка паст в формы, окунание форм в пасту с последующей желатинизацией масс при термоотработке (производство линолеума, искусственной кожи, пленок, листов, покрытие металлических изделий). 4) Формование изделий по методу Энгеля. Заполнение форм гранулами пенополистирола с последующей термообработкой паром или горячей водой.

86 1

2 1) Контактное формование изделий ручным методом или с помощью машины для напыления стеклопласта (изделия средних и крупных раз меров из полиэфирных и эпоксид ных стеклопластов). 2) Отливка в формы холоднотвер холодное деющих смол и компаундов (отливки из фенолоальдегидных, эпоксид ных, полиэфирных и других смол и компаундов). 3) Заливка жидких компонентов, приводящих к вспениванию смеси и отверждению пены (производство пенополиуретана типа поролон). Формование изделий из слоистых и фенолоальдеФормование наполнителей с помощью гидных, модифицированных эпомешков и ксидных и других смол (крупные мембран: изделия типа строительных панепод вакуумом лей, обтекателей, вагонеток, контейнеров и т. д.). 1)Формование в автоклаве изделий на основе слоистых наполнителей и фенолоальдегидных и других смол (крупные изделия типа кузовов автомашин, баков из фенолоасбестовых материалов) под Примечание. Эти изделия могут также давлением формоваться под вакуумом.

Продолжение табл.3.1 3 1) Контактное формование изделий из ткани и растворов эфиров целлюлозы, полистирола и т. д. (изготовление лодок, протезов рук и ног, контейнеров). 2) Отливка пленок из растворов термопластов (производство кино- и фотопленки на основе нитроцеллюлозы, ацетилцеллюлозы, ацетобутиратцеллюлозы и т. д.). 3) Формование изделий и покрытий из полимерцементов на основе поливинилацетатных (ПВА) эмульсий (бесшовные мастичные полы и строительные изделия).

2) Формование в формах с помощью пневмомешков изделий из полиэфирных стеклопластов (производство оконных рам, каркасов, кузовов автомашин и других изделий). Непрерывное производство гладких Формование и гофрированных рулонных Накатка тонких пленок полиэтилена, ПВХ, прокаткой: материалов (прозрачные и непрона полистирола и др. на бумагу, целлофан зрачные кровельные и стено- вые специальных (пленочные материалы для упаковки). материалы из полиэфирных стекломашинах пластиков). Получение гладких и тисненых пленок и листов с тканевой подложкой или без нее на каландрах (изготовление пленок, листов, линолеума, искусственной кожи).

87 1

Формование намоткой: периодический метод

непрерывный метод

Формование непрерывным выдавливанием: производство пленок и листов

производство профильных изделий

2 Намотка на дорны намоточных машин пропитанной бумаги, ткани, стекловолокон. Термообработка намотанных изделий. Намотка стекловолокна с одновременной пропиткой (производство труб, цилиндров длиной до 2-3 м, полотна СВАМ стекловолокнистого анизотропного материала). Непрерывный метод намотки труб из пропитанных узких лент стеклоткани и отверждения с помощью токов высокой частоты (производство труб неограниченной длины).

Продолжение табл.3.1 3

1) Выдавливание пленки без ее последующей ориентации (поливинилбутиральная пленка и др.). 2) Выдавливание пленки с накаткой ее на бумагу, целлофан и другие подложки–прои зводство бумаги с нанесенной на нее пленкой полиэтилена, ПВХ, полистирола и т. д. 3) Выдавливание тонкостенного шланга с одновременным раздуванием его в пленку (производство тонких пленок из полиэтилена, ПВХ и других материалов). 4) Выдавливание тонкостенного шланга с механической растяжкой его в горячем состоянии в пленку (произ-во стирофлекса). 5) Выдавливание толстой пленки через щелевую фильеру на холодный барабан. Полученная пленка растягивается на специальных машинах в одном или двух направлениях (производство пленки перфоль, или ПК-4, с односторонней холодной растяжкой; пленки лавсана с двухсторонней горячей растяжкой и термообработкой). 6) Выдавливание через щелевую головку листа с последующей прокаткой его через систему валков и разрезкой (производство листового ударопрочного полистирола и др.). 1) Формование на экструзионной машине (производство труб, шлангов, профильных изделий одноцветных, многоцветных Формование на штрангпрессах армированных фольгой, проволокой, (изготовление профильных изделий облицовка проводов). 2) Формование на из фено- и аминопластов). штрангпрессах пластмасс с большой вязкостью, требующих высокого давления (производство профильных изделий из целлулоида, винипласта и т. д.).

88 Окончание табл.3.1 1 Формование впрыскиванием: литьевое прессование

2 Трансферные формы обычно устанавливают на обычных гидропрессах или на прессах (производство изделий из термореактивных пресс-материалов). Материал разогревается до состояинжекционния пластичности и впрыскивается ное под большим давлением в горячую формование форму (производство изделий из на литьевых пресс-порошков и стекловоломашинах книстых масс). Формование выдуванием: из листов и пленок

из труб из заготовок в виде флаконов Формование напылением вихревое напыление газопламенное напыление Металлизация изделий: гальванопластика испарение металлов в глубоком вакууме Изготовление изделий механич. обработкой Склеивание, сварка

3 Расплавленная в запаянных банках масса помещается в литьевую камеру трансферной формы, откуда плунжером выдавливается в холодные гнезда пресс-формы (производство изделий массой 1-3 кг). Расплавленная в материальном цилиндре масса впрыскивается в холодную форму (производство большого ассортимента изделий массой от нескольких грамм до 30 кг).

Разогретый лист с помощью вакуума или давления формуется в форме или приспособлении (производство ванн, раковин, игрушек из целлулоида, ударопрочного полистирола, винипласта и т. д.). Горячие трубы, получаемые экструзией, помещаются в формы и раздуваются воздухом в изделия (производство больших бутылок, контейнеров и других изделий). Горячие флаконы, получаемые на литьевых машинах, помещаются в формы и раздуваются воздухом в изделия (производство пустотелых изделий массой до 200—500 г). Напыление тонкоизмельченных Напыление тонкоизмельченных смол и смол и композиций на поверхность композиций на поверхность нагретых нагретых изделий (нанесение изделий или форм (нанесение покрытий на покрытий на поверхность метал- поверхность металлических изделий, лических изделий). изготовление бочек из полиэтилена и т. д.). Напыление тонкоизмельченных смол и композиций, нагреваемых ацетиленовым пламенем, на поверхность изделий (нанесение покрытий на поверхность металлических и других изделий). Поверхность изделий предварительно обрабатывается для придания ей электропроводности (изготовление форменных пуговиц, покрытие металлом двустороннее). Изделия предварительно покрывают слоем фенольной смолы. После металлизации поверхность защищают слоем лака (автомобильные фары и др.). Вытачивание, фрезерование, сверление, строгание, шлифовка, вырубка (шестерни, наборные подшипники). Склеивание специальными и универсальными клеями (производство изделий ширпотреба и технических изделий).

Изделия предварительно покрывают слоем фенольной смолы. После металлизации поверхность защищают слоем лака (автомобильные фирменные знаки, украшения, широкий ассортимент ширпотреба). Вытачивание, фрезерование, сверление, строгание, шлифовка, вырубка (производство изделий из заготовок фторопласта-4, полиамидов, ПВХ и т. д.). Сварка вручную и на специальных агрегатах: тепловая, токами высокой частоты, ультразвуковая и т. д. (производство аппаратуры, фитингов, плащей, мешков и т. д.).

89

Глава 4. ПЛАСТМАССОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Материалы из пластмасс, обладающие значительной прочностью при малом объемном весе, а также способностью легко формоваться в изделия, не нуждающиеся в какой-либо дополнительной отделке, в значительной мере отвечают задачам промышленного строительства. Рациональное применение пластмасс в крупнопанельном домостроении позволит значительно облегчить вес конструкций за счет их «тонкостенности» и уменьшения объемного веса использованных материалов. Значительно упростятся транспортирование изделий, их монтаж и послемонтажная отделка зданий. Кроме того, применение пластмасс в строительстве содействует повышению теплоизоляционных, звукоизоляционных и других эксплуатационных качеств помещений. Рассмотрение основных видов строительных материалов и изделий, получаемых из пластмасс, мы начнем с теплоизоляционных материалов.

4.1. Теплоизоляционные изделия Наибольшее значение имеют следующие теплоизоляционные материалы и изделия, изготовляемые с применением синтетических смол и пластмасс: изделия из различного рода волокнистых материалов на синтетических связках; ячеистые пластмассы; сотопласты. Эти материалы и изделия, отличающиеся легкостью при относительно высокой прочности, а также водостойкостью и гнилостойкостью, применяют для тепловой и акустической изоляции. Некоторые теплоизоляционные материалы, изготовляемые с применением полимеров, например древесно-стружечные плиты, выполняют функции утеплителя и вместе с тем могут служить облицовочными и лицевыми материалами. Теплоизоляционные материалы и изделия из пластмасс приобретают исключительно важное значение в современном строительстве. Применяя их для утепления сборных железобетонных и других конструкций, можно изготовлять крупноразмерные и в то же время легкие панели для стен, перекрытий, а также иные строительные изделия. При рациональном использовании утеплителей, главным образом в сочетании с тонкими элементами из железобетона, и других прочных, но сильно теплопроводных материалов, удается значительно снизить вес зданий и сооружений и уменьшить стоимость строительства. Так, при утеплении ребристых железобетонных панелей минераловатными плитами на синтетических связках толщина стены может быть уменьшена до 26 см, а иногда даже до 22 см, т. е. почти в 3 раза по сравнению с кирпичной; при этом вес 3 м2 стены снижается в 5 - 6 раз, а стоимость уменьшается на 30 - 35%, Еще больший техникоэкономический эффект может быть получен от применения сборных конструкций с ячеистыми пластмассами и сотопластами.

90 4.1.1. Изделия из волокнистых материалов на синтетических связках Синтетические связующие вещества, главным образом смолы, применяемые в сравнительно небольших дозировках, дают возможность получать плиты, сегменты, скорлупы и некоторые другие изделия из минераловатного, стеклянного или древесного волокна, а также из стружек. Изделия из древесного волокна (древесноволокнистые плиты) и древесной стружки, при получении которых используются синтетические смолы, описаны в разделе «Материалы для стен». 4.1.2. Изделия из минеральной ваты Минеральная вата состоит из тонких стекловидных нитей (волокон) с средним диаметром 4—7 мк. Такие нити образуются, когда расплавленные шлаки доменных и мартеновских печей или расплавленные горные породы (доломит, глина, сланцы и др.) «раздувают» струей пара или воздуха. При этом жидкотекучий расплав распадается на капли или мельчайшие струйки. Капли и струйки, увлекаемые паром или воздухом, вытягиваются и застывают, образуя волокнистую, очень рыхлую и легкую массу: ее объемный вес часто меньше 150—200 кг/м3. Минеральная вата выпускается в больших количествах, стоит дешево и обладает хорошими теплоизоляционными свойствами. Однако в том рыхлом и несвязном виде, в каком она получается на заводах, минеральная вата для строительных и монтажных работ неудобна, так как она пылит, а на открытом воздухе в ветреную погоду даже разлетается на клочья; к тому же эта вата отличается хрупкостью и значительной влагоемкостью. Поэтому минеральную вату стремятся применять в виде различных изделий, называемых минеральным войлоком, минераловатными матами, плитами, скорлупами, сегментами и блоками. Такие изделия представляют собой вату, нити которой скреплены (склеены) каким-либо связующим веществом. До последнего времени для этой цели применялись главным образом битумы. Ныне битумы заменяют синтетическими связующими, позволяющими получать более качественные изделия. Чтобы изготовить минераловатный войлок в виде рулонов или матов, минеральное волокно в момент его образования смачивают эмульсией синтетической смолы. Для равномерного распределения жидкость пульверизуют (распыляют) через сопло с узкой щелью. Затем вату подвергают легкому уплотнению и сушат. Вода удаляется, а смола при повышенной температуре (обычно около 130 - 180°С) превращается в твердое вещество. Полученный волокнистый материал охлаждают и разрезают на полотнища. В готовом изделии содержится от 3 до 6% (по весу) отвердевшей смолы. Полотнища, скатанные в рулоны, называют минераловатным войлоком. Если эти полотнища имеют одно- или двухстороннюю обкладку из водостойкой бумаги (пропитанной синтетической смолой или битумом), то их называют матами. Маты обычно прошивают (простегивают) нитками. Из минеральной ваты, пропитанной раствором синтетических смол и

91 подвергнутой тепловой обработке для отверждения смолы, получают также штучные гибкие изделия, которые выпускают без бумажной обкладки. Их тоже называют минераловатными матами. Объемный вес войлока и матов, изготовленных на фенолоформальдегидных и карбамидных смолах, чаще всего бывает в пределах 75 125 кг/м3, а коэффициент теплопроводности сухого материала составляет около 0,035 - 0,038 ккал/(м•ч•град). Для сравнения укажем, что объемный вес войлока из минеральной ваты на битумной связке значительно больше, около 250 кг/м3, а коэффициент теплопроводности составляет 0,050 - 0,055 ккал/(м•ч•град). Из минеральной ваты на синтетических связующих можно еще изготовлять изоляционные блоки, сегменты и скорлупы, а также жесткие минераловатные плиты, называемые минеральной пробкой; их применяют вместо дорогостоящей природной пробки в теплоизоляции предприятий холодильной промышленности. Объемный вес минераловатных плит не превышает 175 - 275 кг/м3 коэффициент теплопроводности 0,045 - 0,050 ккал/(м•ч•град), предел прочности при изгибе не менее 0,15 – 0,25 МПа. 4.1.3. Ячеистые пластмассы Ячеистые пластмассы—это материалы с равномерно распределенными порами. Поры занимают обычно 90 - 98%, а стенки пор — всего лишь от 2 до 10% общего объема. Следовательно, материал как бы построен из воздуха. Такие ячеистые материалы иногда называют газонаполненными пластмассами. Воздух, заключенный в порах, имеет очень малую теплопроводность и поэтому ячеистые пластмассы обладают хорошими теплозащитными свойствами. Для получения ячеистых пластмасс служат те же принципиальные методы, которые используются в производстве ячеистых цементных бетонов и ячеистых силикатных изделий, т. е. применение пены или газообразователей. Чтобы понять способы изготовления ячеистых пластмасс, приведем следующие примеры. Сульфонафтеновые кислоты, представляющие собой техническое мыло, растворяют в воде, взбивают обильную пену и в нее вводят продукты взаимодействия мочевины и формальдегида. Перемешав массу, заливают ее в формы, затем прогревают и высушивают. Образуется как бы застывшая твердая пена. Полистирольную смолу в виде порошка смешивают в шаровой мельнице с небольшим количеством углекислого аммония (3-5%), затем прессуют и помещают в термокамеру. Углекислый аммоний при повышенной температуре (130 - 140°) диссоциирует (разлагается), образуя углекислый газ и аммиак. Подобно тому, как «пекарские» порошки, вводимые в мучное тесто, выделяют газы, заставляющие тесто «подыматься», так и газы, образующиеся из углекислого аммония, вспучивают полистирольную смолу. Объем ее увеличивается в 2,5 - 3 раза и более. В качестве газообразователей применяют также некоторые нестойкие органические соединения, которые при нагревании

92 разлагаются и выделяют газы, главным образом азот. Эти газы вспучивают смолу, образуя в ней большое количество пор. В производстве цементных ячеистых бетонов пенобетонами принято называть те материалы, которые получаются при пеновом способе производства, т. е. при использовании мыльноканифольной, сапониновой и других пен; если же цементное тесто вспучивается водородом, выделяющимся при реакции с алюминиевой пудрой, или кислородом, образующимся при добавлении пергидроля, то получаемые материалы называют газобетонами. В производстве ячеистых пластмасс принята другая терминология. Те ячеистые пластмассы, строение которых характеризуется изолированными (замкнутыми) порами, называют пенопластами, а пластмассы, которые имеют преимущественно сообщающиеся между собой поры, называют поропластами. Их структура подобна структуре губки, «открытые» полости которой сообщаются между собой. Вследствие такого строения поропласты отличаются очень большим водопоглощением. Такие пластмассы, прежде чем их поместить в изоляционную конструкцию, обертывают водо- и паронепроницаемыми оболочками, чтобы предохранить от увлажнения. Из пенопластов наиболее известны пенополистирол и пенополихлорвинил, а также пенофенопласты, получаемые из фенолоформальдегидных смол. Объемный вес пенополистирола и пенополихлорвинила (пенополивинилхлорида) обычно находится в пределах от 45 до 220 кг/м3, т. е. материалы эти очень легки и малотеплопроводны. Предел прочности при растяжении составляет обычно от 0,3 до 1,5, а при сжатии — от 3 до 5 МПа. Приближенно можно считать, что в среднем при объемном весе 100 кг/м3 прочность при сжатии составляет 25 МПа. Таким образом, прочностновесовой коэффициент (коэффициент конструктивного качества) равен 0,25. Для сравнения укажем, что этот коэффициент у лучших автоклавных цементных газобетонов колеблется от 0,05 до 0,07. Следовательно, прочностновесовой коэффициент у ячеистых пластмасс примерно в 4 раза больше, чем у цементных газобетонов. Предельной температурой применения пенополистирола и пенополивинилхлорида считают 60°С. Пенополистирол обычно выпускается в виде плит размером 1х0,6 м при толщине 10 см, а пенополивинилхлорид — 1х0,5 м при толщине 4 — 6 см. Пенофенопласты имеют объемный вес от 45 до 150 кг/м3; рабочая температура применения — до 150°. Распространены также ячеистые пластмассы, известные под названиями «мипора» и «стиропор». Мипора, получаемая из мочевиноформальдегидной смолы, по внешнему виду напоминает застывшую пену белого цвета. Объемный вес мипоры в среднем 15 кг/м3, т. е. этот материал в несколько десятков раз легче воды и в 500 раз легче стали или чугуна. Коэффициент теплопроводности мипоры очень мал 0025 — 0,026 ккал/(м•ч•град), т. е. почти равен коэффициенту теплопроводности воздуха в замкнутых порах (0,02 — 0,025). Мипора эластична, она не разрушается при сжатии материала на 20%. Максимальная рабочая температура применения 110°. Мипора выпускается в виде блоков объемом 0,025 м3. Толщина блоков 20 или 10 см.

93 Стиропор получается из гранул полистирольной смолы, насыщенных специальным веществом. Эти гранулы при телловой обработке вспучиваются, склеиваются друг с другом, образуя пористую массу — стиропор. Объемный вес стиропора 25—40 кг/м3, предел прочности при сжатии 0,2—0,5 МПа. Коэффициент теплопроводности очень мал (0,025—0,04 ккал/(м•ч•град). Стиропор выпускается в виде плит размером, например, 200x75x10 см или 100х70х5 см. Большинство ячеистых пластмасс можно пилить или резать обычными способами, а также применяя проволоку, нагреваемую электрическим током. Ячеистые пластмассы хорошо склеиваются с древесиной, металлом, стеклом и другими материалами. Ячеистые пластмассы применяют в качестве теплоизоляцонных вкладышей при изготовлении трехслойных панелей (см. «Крупные панели») для утепления каркасных стен, перегородок, плоских крыш, перекрытий, холодильных камер. Ячеистые пластмассы используют также для звукоизоляции строительных конструкций. Следует отметить, что теплоизоляционные материалы из ячеистых пластмасс получают не только в виде законченных изделий, имеющих форму плит, лент или же скорлуп двоякой кривизны. Их можно готовить на месте работ, применять подобно теплоизоляционным мастикам, например типа асбозурита, для тепловой изоляции трубопроводов и аппаратуры. Для этого пользуются компактной передвижной установкой, состоящей из двух бачков, компрессора и разбрызгивающего аппарата «пистолетного» типа. Водный раствор, содержащий смесь сульфонафтеновой кислоты, играющей роль эмульгатора, с фосфорной кислотой, являющейся отвердителем, нагнетается в разбрызгивающий аппарат. Под действием сжатого воздуха образуется пена. В эту пену вводят водную дисперсию мочевиноформальдегидной смолы. Из сопла аппарата выходит струя пенистой массы, ее направляют на изолируемый объект. Схватывание наступает через несколько минут, а процесс отверждения заканчивается примерно через сутки. Объемная масса сухого отвердевшего материала всего 10 - 15 кг/м3. Полученный таким путем изоляционный слой оклеивают тканью, а иногда штукатурят. Описанный способ изготовления и нанесения пенистой пластмассы может быть использован также для теплоизоляции наружных стен, для заполнения швов между бетонными плитам перекрытий, для устройства звукои теплоизоляции по обшивке из волнистой стали и для восстановления теплоизоляционных покрытий, пришедших в негодность. Имеется еще одна важная область применения отдельных видов ячеистых пластмасс как материалов, обладающих наряду с теплоизоляционными также и гидроизоляционными свойствами. Некоторые пенопласты, воздушные полости которых несообщаются между собой, т. е. изолированные ячейки (поры), обладают практически ничтожным водопоглощением, не превышающим 0,1 — 0,2%. Такие пенопласты почти абсолютно водонепроницаемы и водостойки. Поэтому отдельные виды пенопластов иногда используются в качестве материалов, совмещающих тепло- и водозащитные функции. Например,

94 изделия в виде полуцилиндров применяют для изоляции подземных трубопроводов, изделия в виде полос — для изоляции наружных стен в зданиях без цоколя. Укладка полос пенопласта на землю внутри здания производится следующим образом: на полосы настилают слой влагонепроницаемой бумаги, а затем всю площадь пола заливают бетоном. Каждая полоса имеет длину 2,7 м, ширину 30,5 см, толщину 2,5 см и весит менее 0,6 кг; материал механически прочен, он в состоянии воспринять вес автомашины. 4.1.4. Сотовые пластмассы Сотовые пластмассы (сотовые пластики или сотопласты) изготовляют, пропитывая смолами и склеивая гофрированные листы бумаги или хлопчатобумажной ткани. Иногда для этой цели применяют стеклянную ткань, алюминиевую фольгу или очень тонкую листовую сталь (0,05 - 0,12 мм). Получаются сотовые блоки, напоминающие по своему строению пчелиные соты, но с большим (10—30 мм) размером ячеек (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Сотовый пластик

Объемный вес сотовых пластиков обычно 30 — 120 кг/м3. Механические свойства сотопластов относительно высоки. Так, если гофры сделаны из хлопчатобумажной ткани, крафт-бумаги (особой прочной бумаги) или асбестовой бумаги и пропитаны фенолоформальдегидной смолой,

то предел прочности при сжатии составляет 2 - 7 МПа, предел прочности при сдвиге 0,8—2 МПа и модуль упругости при сдвиге 45 – 125 МПа. Если гофры сделаны из алюминиевой фольги, предел прочности при сжатии равен 1,5 – 3,0 МПа, при сдвиге 0,6 – 1,8 МПа, а модуль упругости при сдвиге достигает 300 – 800 МПа, в зависимости от толщины фольги. Сотовые пластики являются высокоэффективным утеплителем в трехслойных крупноразмерных панелях (см. «Крупные панели»). Теплоизоляционные качества сотопласта можно повысить, заполнив соты крошкой мипоры или другой особо легкой ячеистой пластмассой.

4.2. Крупные панели Крупные сборные панели или щиты, изготовляемые с использованием пластмасс, предназначаются для устройства наружных стен, перегородок и перекрытий. Эти панели и щиты состоят: обычно из трех слоев, примыкающих друг к другу. За рубежом такие изделия часто называют «сэндвич»1. ______________________________________ 1

Английское слово «сэндвич» означает помещать вперемежку.

95 Наружные слои панелей должны быть прочными, внутренний же может быть механически слабым, но должен обладать хорошими теплоизоляционными свойствами. Наружные слои делают из тонкого стеклопластика; стеклопластик может быть заменен тонкими металлическими или асбестоцементными листами, а иногда водостойкой фанерой. Внутренний слой представляет собой вкладыш из сотопласта (рис. 4.2) или из ячеистой пластмассы (рис. 4.3, а), а иногда из волнистых пластмассовых листов (рис. 4.3, б). Возможно также сочетание пластмассовых оболочек с теплоизоляционными вкладышами ячеистых цементных бетонов и пеностекла. Большой практический интерес представляет комбинирование тонких железобетонных плит (скорлуп) с утеплителями из минераловатных плит на синтетических связках и щиты из водостойкой фанеры с сотопластовым утеплителем. В литературе имеются сведения об изготовлении крупных панелей из прочных листовых и легких теплоизоляционных материалов из пластмасс в различных сочетаниях.

Рис. 4.2. Схема строения трехслойной панели с сотопластовым утеплителем

Рис. 4.3. Конструктивные формы трехслойных панелей

Приведем в виде примера несколько вариантов возможного применения пластмассовых панелей в строительстве. 1. Фасадная поверхность стеновой панели представляет собой стеклопластик толщиной 2 - 2,5 мм. Стеклопластик изготовляют из стеклянной ткани «рогожки», пропитанной фенолоформальдегидными смолами и отпрессованной при обычной температуре. Такой стеклопластик очень стоек к температурным колебаниям. Второй слой образуется бумажным сотопластом, пропитанным синтетическими смолами. Пустоты в нем заполняются какимлибо изоляционным материалом, например отходами мипоры. Бумажные соты, оклеенные по торцам, представляют собой жесткую конструкцию, хорошо сопротивляющуюся сжатию вдоль сот. Они малотеплопроводны и малозвукопроводны. Третий слой панели — это декоративный слоистый пластик или древесно-стружечные плиты. Этим материалам для внутренних поверхностей ограждающих панелей можно придать разнообразный цвет и фактуру, например имитировать ценные древесные породы. Стеновая панель изготовляется с вмонтированными оконными коробками, которые делают из полиэфирного стеклопластика, а также с оконными переплетами из винипласта или ударопрочного полистирола. Их

96 изготовляют в виде непрерывных профилей, затем нарезают по заданным размерам и склеивают. Площадь панели около 9 м2, толщина 10 см. Масса 1 м2 панели всего 20 кг, т. е. значительно меньше массы панелей из других материалов. После установки панелей на место никакой отделки не требуется. Такие панели обладают хорошими механическими свойствами, они стойки к температурным колебаниям. Кроме того, внутри панелей не конденсируется влага, фасадная поверхность панели гидрофобна, т. е. не впитывает атмосферные осадки. При налаженном массовом производстве стоимость панелей относительно невысока. 2. Для устройства межкомнатных перегородок также изготовляют трехслойные панели. Между двумя слоями декоративного пластика помещают заполнитель - бумажный сотопласт. Общая толщина панели 6 см. В эти панели должны быть вмонтированы дверные коробки из стеклопластика и двери, сделанные из древесно-стружечных плит, обрамленных раскладкой из ударопрочного полистирола. 3. Возможно применение крупных стеновых панелей из алюминиевых листов, между которыми находится слой стеклянной ваты или теплоизоляционной пластмассы. Изготовляют такие панели из очень тонких алюминиевых листов; фасадный лист панели делается гофрированным, благодаря чему панель, длина которой достигает 3,65 м, имеет значительную жесткость. При толщине панели около 9 см её 1 м2 весит немногим более 5 кг. 4. Известны, также, легкие облицовочные стеновые панели из очень тонких волнистых листов нержавеющей стали с теплоизоляционными и отделочными слоями из пластмасс. Благодаря применению таких панелей срок строительства домов значительно сокращается. 5. Жесткие пустотелые облицовочные панели или крупные плиты для потолков и стен изготовляют из двух древесно-волокнистых плит, между которыми проложены деревянные бруски. Лицевая поверхность панели покрыта водостойкой и прочной пластмассой, окрашенной в определенный цвет или имитирующей древесину красного дерева, ореха, вишни, березы. Крупные плиты изготовляют размером 0,61х1,22 м или 0,61х2,44 м и устанавливают непосредственно по рейкам каркаса или же крепят к потолку шурупами, закладываемыми в заранее просверленные отверстия. Такие плиты имеют малую массу и обеспечивают хорошую звукоизоляцию стен и потолков. Панели изготавливают также из древесно-стружечных плит. На рис. 4.4 изображен образец панели из склеенных древесно-стружечных плит с цилиндрическими пустотами.

Рис. 4.4. Образец панели из склеенных древесно-стружечных плит с цилиндрическими пустотами

97 Перспективы внедрения панелей из пластмасс в строительство велики (особенно это видно на примере использования металлопластиковых конструкций), так как панели из пластмасс в большей мере, чем панели из других материалов, отвечают требованиям передового промышленного строительства (см. табл. 4.1 ). Таблица 4.1 2 Толщина и масса 1 м наружных стен из разных материалов в отапливаемых зданиях (применительно к климатическим условиям Москвы) Наименование стенового материала Кирпич обыкновенный Блок шлакобетонный Панель керамзитобетониая То же из более легкого керамзита То же из особо легкого керамзита Панель железобетонная ребристая с пенобетонным утеплителем Панель газобетонная (объемный вес газобетона 600 кг/м3 Панель железобетонная ребристая, утепленная минераловатными или древесно-волокнистыми плитами Панель асбестоцементная, утепленная сотопластом или мипорой Панель из стеклопластика и древесно-стружечных плит, утепленная сотопластом или мипорой

Толщина Масса 1 м2 Относительстены, см стены, кг ная масса 64 50 40 26 20 26

1150 750 500 260 160 290

100 65 44 23 14 25

20

170

15

26

170

15

10

40

3,5

10

20

1,8

Следовательно, стены из пластмассовых панелей весят в 30 — 55 раз меньше, чем кирпичные, и в 4 — 8 раз меньше, чем стены из самых легких железобетонных панелей. Таким образом, при использовании пластмасс значительно снижается масса панелей. Естественно, что при этом, в частности, упрощается монтаж зданий непосредственно с транспортных средств (монтаж «с колес»). Наряду со снижением массы отдельных панелей резко уменьшается и общий вес здания. Отличаясь высокой степенью заводской готовности, панели из пластмасс после монтажа не нуждаются в какой-либо отделке. Легкость и простота сборки трехслойных пластмассовых панелей делает особо выгодным их применение при изготовлении объемных (пространственных) тонкостенных элементов. Такие блок-коробки размером «на комнату» могут быть собраны на заводе из отдельных крупных панелей, а на строительстве монтируются с транспортных средств. Таким образом, крупные панели, изготовляемые с применением пластмасс, имеют исключительно большое перспективное значение для нашего строительства.

98

4.3. Материалы чистых полов Устройство чистого пола из досок или штучного паркета — это весьма трудоемкая и трудно поддающаяся механизации работа, Кроме того, дощатые полы недостаточно удобны в эксплуатации, а паркетные обходятся очень дорого. Поэтому при устройстве полов в жилищном и промышленном строительстве приобретают особое значение некоторые относительно недорогие синтетические материалы, главным образом в виде полотнищ и плит, отличающиеся долговечностью, приятным внешним видом и другими положительными качествами. 4.3.1. Линолеум и другие рулонные материалы Одним из основных материалов для чистых полов является «синтетический» линолеум разных видов. Обычный линолеум изготовляют, покрывая специальную ткань амфольной массой, в состав которой входят окисленное льняное масло (растительный пищевой продукт), а также пробковая мука. В амфольную массу прежде вводили еще природные копаловые смолы. Ныне наши заводы выпускают несколько видов линолеума, получаемого из синтетических смол, производных целлюлозы и синтетического каучука. Поливинилхлоридный линолеум, а также коллоксилиновый или, иначе, нитролинолеум (с использованием нитроцеллюлозы) изготовляют без тканевой основы, а глифталевый линолеум делают на тканевой основе, наносят на нее глифталевую смолу в смеси с древесной мукой, тальком или другими наполнителями и пигментами. Резиновый линолеум – релин состоит из двух слоев. Нижний слой (подкладочный) делают из старой дробленой резины и битума, а верхний (лицевой) — из смеси резины, получаемой из синтетического каучука, с пигментами и наполнителями. Можно изготовлять линолеум разной расцветки с гладкой или рельефной поверхностью. Линолеум выпускают в рулонах шириной от 0,9 до 1,6 м, толщиной от 1,8 до 2,5 — 3 мм и длиной до 10— 12 м. Линолеум, изготовляемый из синтетического сырья, обходится на 25— 40% дешевле, чем обычный. Поливинилхлоридный линолеум преимущественно изготовляют двумя методами — промазным и вальцево-каландровым. Производство линолеума промазным способом (рис. 4.5) заключается в следующем. Поливинилхлоридная смола, полученная эмульсионной полимеризацией, смешивается с пластификатором (дибутилфталатом, а в последнее время с пластификатором марки ВСФ) в планетарных или турбинных смесителях, и полученная смесь в пастообразном состоянии (поливинилхлоридная паста) подается в горизонтальный двухлопастной смеситель, где интенсивно перемешивается с минеральным наполнителем (тальком или баритом) и затертым на олифе пигментом (сурик, охра, мумия, литопон и др.). После определенного времени вызревания, в процессе которого твердые частицы пропитываются пластификатором, готовая линолеумная масса поступает на грунтовальную машину. При помощи грунтовальных ножей на движущуюся ткань наносится тонкий слой массы, и полученная таким образом

99 двухслойная лента проходит желировочную камеру, в которой при температуре 160 — 190° происходит процесс желатинизации (пленкообразования) поливинилхлоридного покрытия. По выходе из камеры лента попадает на уплотнительные вальцы, где поливинилхлоридное покрытие приобретает глянцевую поверх- ность. Затем материал охлаждается, проходя через охладительные валки, разрезается на полотнища и свертывается в рулоны. Вальцово-каландровый способ производства (см. ч. 3) поливинилхлоридного линолеума по сравнению с промазным способом имеет ряд преимуществ, главными из которых являются: 1. Возможность использования таких поливинилхлоридных смол, которые не обладают пастообразующими свойствами. Например, поливинилхлоридные смолы марок ПФ. 2. Меньший расход смолы. 3. Возможность изготовления безосновного линолеума, что значительно повышает его долговечность и снижает себестоимость. Расход основных материалов на изготовление 100 м2 поливинилхлоридного линолеума вальцово-каландровым способом приведен в табл. 4.2. Поливинилхлоридный линолеум обладает незначительным водопоглощением (3—5%) и малой истираемостью (0,04—0,12 г/см2), но его нельзя применять в местах с повышенной влажностью (банях, прачечных и т. п.), так как под действием влаги он изменяет свои размеры, что приводит к вспучиванию и короблению покрытия. Хранится и транспортируется линолеум в рулонах, которые получают путем наматывания полотнищ на деревянный сердечник диаметром 10—14 см. Таблица 4.2 2 Средний расход материалов на изготовление 100 м поливинилхлоридного линолеума Наименование материалов Поливинилхлоридная смола Пластификатор Стеарат кальция Наполнитель (барит) Пигменты Трансформаторное масло

Расход материалов при толщине линолеума до 3 мм кг

% по весу

91,6 45,8 2,7 382,0 3,6 2,3

17,34 8,7 0,52 72,31 0,7 0,43

Каждый рулон линолеума обертывают плотной бумагой и упаковывают в деревянную обрешетку. Линолеум следует хранить в сухих складских помещениях при температуре не ниже + 10°. При более низкой температуре понижается эластичность линолеума, а при температуре ниже 0° он становится хрупким. Бросать рулоны нельзя во избежание появления трещин и поломки кромок линолеума.

Рис. 4.5. Схема производства поливинилхлоридного линолеума промазным способом. 1 — стол для контроля ткани, 2 — счетчик метража, 3 — стол для очистки ткани, 4 — гладильный каландр для ткани, 5 — бункер для смолы, 6 — емкость для пластификатора, 7 — емкость для разбавителя, 8 — бункер для наполнителя, 9 — бункер для пигмента, 10 — смеситель для приготовления пасты, 11 — камера вызревания, 12—Z-образная мешалка, 13 — краскотерка, 14 — приемная воронка грунтовальной машины, 15 — катушка с тканью, 16 — грунтовальная машина. 17 — желировичная камера, 18 — охладительные вальцы, 19 — магазин запаса, 20 — готовая продукция, 21 — кромкорезательная установка

101 Коллоксилиновый линолеум выпускают однослойным без подосновы. Его изготовляют на основе коллоксилина (нитроцеллюлозы), пластификатора (дубутилфталата), наполнителя (гипса или глинозема, асбеста и др.) и красителей. Этот вид линолеума отличается высокой гибкостью даже при отрицательных температурах, а также повышенной возгораемостью. Для снижения горючести в его состав вводят антипиреп (борную кислоту). Стабилизируют его свойства путем ввода производных мочевины. Релин (резиновый линолеум)—двухслойный рулонный материал, нижний подкладочный слой изготовляют из вулканизированной дробленой старой резины нефтяного битума, а износостойкий верхний декоративный слой — из синтетического каучука, наполнители и пигмента. Технология производства релина состоит из следующих основных операций: дробление изношенной резины; изготовление смеси битума с резиной (для нижнего слоя) и получение полотна из этой смеси каландровым способом; приготовление цветной резиновой смеси для верхнего декоративного слоя и каландрирование этой смеси в полотно; вулканизация двух полотен; охлаждение, вылеживание, раскрой, сортировка и упаковка.Применение рулонного материала – линолеума – для настилки полов в 5 – 6 раз ускоряет ход работ и уменьшает их стоимость по сравнению с укладкой штучной паркетной клепки. Полы из линолеума удобны и приятны, так как они упруги, заглушают шум шагов, малотеплопроводны и красивы; эти полы хороши в эксплуатации, они легко моются, хорошо сопротивляются износу, долговечны. Кроме линолеума, известны также рулонные материалы для полов, состоящие из двух слоев; нижний слой, сделанный из ячеистой пластмассы или войлока, обладает высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами, а лицевой, представляющий собой пластмассовую пленку, отличается прочностью и водостойкостью. Бывает также, что два таких материала укладывают раздельно, т. е. сперва устраивают основание из теплоизоляционной ячеистой пластмассы, а по нему расстилают пластмассовую пленку, и укрепляют по периметру помещения плинтусами. Ковровые синтетические материалы (ворсолин,ворсолит и др.) состоят из двух слоев: основы и ворса. В качестве материала для изготовления нижнего слоя используют полиуретан, поливинилхлорид или вспененный латекс , а для верхнего — различные синтетические волокна или ворсовую пряжу. 4.3.2. Крупноразмерные плиточные материалы Крупноразмерные плиточные материалы более дешевы, чем линолеум, и обладают почти такими же эксплуатационными качествами в покрытиях полов, как и линолеум. Из материалов этой группы особое значение имеют древесноволокнистые и древесно-стружечные плиты1. Древесно-волокнистые плиты имеют крупные размеры; площадь одной плиты составляет от 4,8 до 7 м2, а иногда до 8,5 м2. ____________________________________________________ 1

Подробно способы получения древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит будут рассмотрены в разделе «Материалы для стен».

102 Плиты наклеивают специальной мастикой на деревянное или бетонное основание. Настилка таких полов производится в 10 – 12 раз быстрее, чем штучного паркета. Получаются водостойкие, «теплые», бесшумные при ходьбе и малоистираемые полы. Для полов применяют также тяжелые и сверхтяжелые древесностружечные плиты с лицевым слоем из плотно спрессованной массы, состоящей из мелкой стружки или опилок и синтетической смолы. Более легкие древесно-стружечные плиты наряду с мягкими или полужесткими древесноволокнистыми плитами используют при устройстве звукоизоляционных оснований. 4.3.3. Мастики для изготовления бесшовных полов Описанные выше линолеум и другие рулонные материалы при разворачивании представляют собой большие полотнища; плитные материалы также являются крупноразмерными элементами, собираемыми на месте при устройстве полов. Протяженность швов в покрытии пола оказывается сравнительно небольшой, но из полимерных материалов можно изготовлять чистые монолитные полы, т. е. совершенно не имеющие швов. Для этой цели пользуются специальными мастиками. Из мастик, применяемых для устройства бесшовных полов, наиболее известны поливинилацетатные мастики. Их изготовляют на месте работ. Поливинилацетатную эмульсию разбавляют водой, смешивают с мелким природным или молотым песком и пигментом и наносят на подготовленное основание. Основанием могут служить сборные бетонные и железобетонные плиты; шлакобетонные или цементные стяжки, а также древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты. Общая толщина мастичного покрытия, образуемого обычно 3 - 4 слоями, наносимыми с перерывами, составляет около 2,5 - 3 мм. При применении мастичных покрытий получаются полы прочные, износоустойчивые, красивые и удобные в эксплуатации Устройство таких полов обходится почти в 2 раза дешевле дощатых полов. Изготавливают также цементно-полимерные мастики. Их получают из специальных цементов, каучукового латекса, пигментов и некоторых добавок в виде пластичной смеси, которую наносят на бетонное основание пола. Через несколько часов образуется эластичное покрытие, хорошо сопротивляющееся истиранию и удару. Полимербетонные полы устраивают из бетонополимерной смеси, где связующим являются фурановые, фенолформальдегидные, эпоксидные или полиэфирные смолы. В качестве наполнителя используют различные порошкообразные вещества, а заполнителями служат песок, щебень, гравий. Эти полы толщиной до 50 мм выдерживают большие нагрузки и химически стойки, Полимерцементные полы в своем составе имеют поливинилацетатную эмульсию (или каучуковый латекс), портландцемент и песок.

103 4.3.4. Плитки Кроме крупноразмерных полотнищ и листов, для устройства чистых полов иногда используют также мелкие плитки, изготовляемые из полимеров. Хотя применение таких плиток не отвечает задачам индустриализации строительства, но в некоторых случаях употребление плиточных материалов может оказаться целесообразным, так как впоследствии упрощаются ремонтные работы. Плиточные материалы для полов получают на основе синтетических полимеров, наполнителей, пластификаторов и пигментов. В качестве полимера используют поливинилхлорид, индекумарон и фенолформальдегид. Поливинилхлоридные и кумароно-поливинилхлоридные плитки изготовляют по следующей технологии: подготовка и дозирование сырья, тщательное смешение всех компонентов, вальцевание смеси, каландрирование, вырубка плиток на прессе, сортировка и упаковка. Плитки выпускаются квадратной или прямоугольной формы различного цвета, что позволяет устраивать полы разнообразных рисунков. Плитки менее полимероемки, чем аналогичные рулонные материалы. Их удобно транспортировать и хранить. При укладке полов из плиток практически нет отходов материала. Однако из-за большого количества швов они менее гигиеничны и более трудоемки. Фенолитовые плитки формуют при 160—170 °С под давлением 20—25 МПа из смеси новолачного фенолформальдегида, отвердителя и наполнителя (каолин, древесная мука, тальк и т.д.). Эти плитки имеют высокую прочность, водо- и кислотостойкость, малое водопоглощение. Резиновые плитки изготовляют методом высечки из кусков релина или горячим прессованием. Они водо-, кислото-, термо- и щелочестойки, упруги и эластичны, имеют хорошие декоративные свойства. Сравнительно давно известны асбестосмоляные плитки. Их изготовляют из кумароновой, поливинилхлоридной и других смол с наполнителями, пластификаторами и пигментами. В качестве пластификатора применялось до сих пор льняное масло, но этот дорогостоящий пищевой продукт ныне заменяется сравнительно дешевыми синтетическими жирными кислотами. Их получают окислением парафина, т. е. из нефтяного сырья. Асбестосмоляные плитки обычно имеют размеры 150х150, 200х200 и 300х300 мм при толщине 2 – 4 мм; наклеиваются на бетонное или асфальтобетонное основание холодными битумными мастиками. Получается теплый, долговечный и к тому же красивый пол, так как асбестосмоляные плитки могут иметь разные расцветки.

4.4 Материалы для стен 4.4.1. Рулонные материалы Рулонные материалы бывают однослойные и многослойные с основой и без нее. Наиболее распространены декоративные поливинилхлоридные пленки и линкруст.

104 Пленочные материалы выпускают без основы, с основой из бумаги, ткани, а также с клеевым слоем, прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные, разных цветов. Поливинилхлоридные пленки стойки к моющим средствам, растворам щелочей и некоторых разбавленных кислот, хорошо выдерживают температурно-влажностные перепады. Их наклеивают на ровную внутреннюю поверхность стен и перегородок жилых, общественных и производственных помещений, кухонь, санузлов, встроенной мебели и т.д. Разновидность поливинилхлоридных пленок — самоклеящиеся пленки. Моющиеся влагостойкие обои — рулонный отделочный материал на бумажной основе. Для придания водостойкости бумажную основу покрывают тонким слоем поливинилацетата, поливинилхлорида, полиметилметакрилата или кремнийорганического полимера. Рисунок декоративной стороны обоев обычно имитирует различные породы древесины, ткань. Такие обои не боятся влаги, их можно протирать влажной тряпкой, однако они воздухопроницаемы. Линкруст—рулонный отделочный материал, состоящий из бумажной основы, покрытой слоем полимерной композиции в виде пасты. Поверхности покрытия обычно придают рельефный рисунок. Линкруст водо- и биостоек, хорошо сопротивляется механическим воздействиям, не выцветает на солнце, гигиеничен, хорошо моется и окрашивается. 4.4.2. Плиточные материалы К плиточным материалам для внутренней отделки относят полистирольные, поливинилхлоридные и фенолитовые облицовочные плитки, отличающиеся гигиеничностью, водо- и химической стойкостью. Полистирольные облицовочные плитки изготовляют методом литья под давлением на специальных литьевых пресс-автоматах из окрашенного минеральными пигментами полистирола. Наполнителем служат тонкомолотые тальк или каолин. Размеры плиток 100х100, I50хI50, 100х50 мм и т.д. при толщине 1,25—1,5 мм, Масса 1 м2 плитки 1,5—1,7 кг. Лицевая поверхность плиток бывает гладкой, глянцевой, полуматовой или равномерно окрашенной. Плитки обладают высокой паро- и водостойкостью, хорошими диэлектрическими показателями, высокой химической стойкостью и достаточной прочностью, практически исключающей бой их при транспортировке и монтаже. Ниже приведены данные об основных физикомеханических свойствах плиток из полистирола: Объемный вес (кг/м3) Предел прочности при изгибе (МПа) Ударная вязкость (кг·см/см2) Теплостойкость по Мартенсу (град.) Водопоглощение (%)

1070-1100 60-70 12-17 80-90 0,01

105 Недостатком полистирольных плиток является горючесть, что исключает их применение для облицовки нагреваемых поверхностей, а также в помещениях с нагревательными приборами открытого огня (кухонные плиты, колонки и т. п.). Легкая окрашиваемость полистирола пигментами дает возможность получать плитки различного цвета. Применяются плитки из полистирола для облицовки душевых кабин, санузлов, торговых помещений, больниц и др. Полистирольными плитками можно облицовывать стены, оштукатуренные цементным раствором, а также деревянные и бетонные поверхности. Основание (бетонное, шлакобетонное, штукатурка) перед креплением на него полистирольных плиток тщательно выравнивается и просушивается. К поверхности стен плитки крепятся при помощи специальных канифольных мастик (канифольная эмульсия со спиртом, олифой и известняковой мукой), мастик на основе перхлорвинилового лака с цементом и др. Мастика наносится на поверхность слоем толщиной 0,7 - 1,0 мм. На квадратный метр расходуется около 1 кг канифольной мастики. Применяется также кумароновая мастика, состоящая из кумароновой смолы (14% по весу), растворителя – сольвентнафта (9%), пластификатора – дибутилфталата (5%) и наполнителя – известняковой муки (72%). Размеры фенолитовых плиток следующие: 100х100 и 150х150 мм при толщине 1,5 мм. Расцветка плиток зависит от цвета пигмента, введенного в состав пресс-материала. 4.4.3. Листовые материалы Для внутренней отделки стен зданий целесообразно применять крупноразмерные листовые материалы на основе полимеров, сочетающие функции отделки, тепло- и звукоизоляции, обладающие высокими эксплуатационными и декоративными качествами. Кроме того, эти материалы не требуют специальной подготовки поверхности под облицовку, что снижает трудоемкость строительных работ и сокращает сроки строительства. К листовым отделочным материалам относят декоративные бумажнослоистые пластики, древесно-стружечные и древесно-волокнистые плиты, панели «полиформ» и «полидекор» и т.д. Бумажно-слоистые пластики получают путем пропитки нескольких слоев специальной бумаги карбамидным или фенолформальдегидным полимером. Пропитанные слои бумаги сушат и разрезают на нужный формат. Размеры плит: длина 1–3, ширина 0,6–1,6 м, толщина 1–5мм. После этого плиты подвергают горячему прессованию при 135–145 °С и давлении 10–12 МПа. Верхний слой бумажно-слоистого пластика представляет собой, как правило, лист одноцветной или многоцветной не наполненной бумаги или бумаги с рисунком, отпечатанным типографским способом. Тыльную сторону

106 делают обычно рифленой, что улучшает сцепление при сплошной наклейке на основание. По назначению применяемые бумаги делятся на две группы: а) бумага для внутренних слоев пластика; эта бумага изготовляется из небеленой сульфитной целлюлозы (бумага изоляционно-пропиточная, крафтоберточная); б) бумага для внешнего оформления пластика, так называемая кроющая бумага, получаемая из беленой сульфитной целлюлозы повышенной прочности. Производство бумажно-слоистых пластиков осуществляется в такой последовательности: 1) пропитка специальных бумаг синтетическими смолами; 2) высушивание пропитанной бумаги; 3) разрезка высушенной бумаги по размерам листов бумопластика; 4) укладка листов бумаги в пакеты; 5) горячее прессование пакетов; 6) обрезка листов пластика. Пропитка, сушка и разрезка ленты бумаги в порядке указанной очередности производится на горизонтальных и вертикальных пропиточносушильных машинах непрерывного действия. Схема горизонтальной пропиточно-сушильной машины представлена на рис. 4.6.

Рис.4.6. Схема горизонтальной пропиточно-сушильной машины

Специальная бумага, сходя с барабана 1, попадает в ванну 2, наполненную раствором смолы. Кроющие бумаги, предназначенные для наружного слоя бумопластика, пропитывают раствором карбамидных смол, а бумаги, используемые для внутренних слоев — раствором фенолоформальдегидной смолы. Содержание смолы в пропитанной бумаге регулируется вязкостью раствора и скоростью движения бумажной ленты. При этом расход карбамидных смол составляет 45—50% (от массы бумаги), фенолоформальдегидных — 35—40%.

107

Из ванны при помощи направляющих валиков лента пропитанной бумаги подается на транспортер, на котором проходит через сушильную камеру 3, обогреваемую перегретой водой, циркулирующей по змеевикам 4, и горячим воздухом, поступающим от вентилятора 5 через калорифер 6. После высушивания содержание легколетучих веществ в бумаге составляет 4—7%. Выходя из сушильной камеры, лента бумаги наматывается на шестигранный барабан 7 и разрезается на нем специальными ножами на листы. Листы бумаги, пропитанной синтетическими смолами, собирают в пакеты. Каждый пакет состоит из трех слоев — поверхностного, внутреннего и компенсирующего—из расчета 10—12 листов бумаги на 1 мм толщины бумопластика. Собранные пакеты прокладывают с двух сторон листами из полированной нержавеющей стали, загружают между плитами гидравлического пресса и подвергают горячему прессованию при температуре 130-140° и давлении до 10 МПа. Продолжительность прессования составляет 4—5 минут на 1 мм толщины пластика. По окончании прессования пластик охлаждают под давлением, затем разгружают пресс, а готовые листы бумопластика обрезают по кромкам на дисковых пилах. Листы бумажно-слоистого пластика изготовляют размерами 2000х850, 1500х1000, 1000х1000 и 1000х850 мм при толщине 1,0; 1,5 и 2,0 мм. Масса 1 м2 листа толщиной 1 мм составляет 1,2 кг. Основные физико-механические свойства бумажно-слоистых пластиков приведены ниже: Объемный вес (г/см3), не менее Предел прочности (МПа): при статическом изгибе, не менее растяжении сжатии Сопротивление раскалыванию (кг) Удельная ударная вязкость (кг·см/см2), не менее Твердость по Бринеллю (кг/мм2), не менее Водопоглощение за 24 часа (%), не более

1,4 100 90-130 140-160 180-250 8 25 4

Бумопластик морозостоек, не расслаивается и легко поддается распиловке, сверлению, фрезерованию, строганию и другим видам механической обработки. Он не теряет блеска при кипячении и выдерживает нагрев до 120°. Бумопластик обладает достаточной химической стойкостью против действия нормальных растворов кислот и щелочей, морской воды, органических растворителей и минеральных масел. Грязь и различные пятна хорошо смываются с него теплой водой и другими моющими составами. Бумажно-слоистый пластик благодаря высоким техническим и эксплуатационным свойствам широко применяется в качестве декоративнооблицовочного материала. Особенно эффективно он может быть использован при отделке поверхностей внутренних помещений зданий (столовых, зрительных залов, фойе, прихожих и др.), так как обладает красивым внешним видом, гигиеничностью и долговечностью.

108

Крепление листов бумажно-слоистого пластика к поверхности стены может производиться деревянными рейками, шурупами, гвоздями или приклеивающими мастиками (К-17, ФР-12 и др.). Бумопластиком можно облицовывать не только плоские поверхности, но и изогнутые; для этого необходимо его нагреть до температуры 120° и в изогнутом положении закрепить на огибаемой поверхности. Бумопластик хорошо склеивается с деревом, сухой штукатуркой, металлом и пр., но приклеивать его можно только тогда, когда в помещении невысокая влажность. Кроме того, для хорошего качества приклейки приходится создавать удельное давление 0,2—0,3 МПа на уложенный пластик и поддерживать это давление до конца склеивания. Лучше всего крепить листы с помощью деревянных реек, которые предварительно собираются в рамки, внутренние размеры которых несколько меньше, чем размеры листов. Листы укладывают с зазором в 3-4 мм (с учетом расширения пластика, возможного при повышении температуры и влажности воздуха в помещении), а затем прижимают рейками, которые крепятся к стене шурупами, проходящими через зазоры между листами. Щели между рейками закрывают фасонными накладками, изготовленными из легкого металла, дерева или пластмассы. В новых зданиях рейки прибивают на деревянные перегородки и оштукатуривают заподлицо с краями реек. Если стены ранее оштукатурены, рейки накладывают на штукатурку и через нее прибивают к стене. До обшивки слоистым пластиком штукатурку необходимо просушить. Поверхности стен и перегородок, отделываемые слоистым пластиком, должны быть ровными, без вмятин и выпучин. Тыловая поверхность пластика для обеспечения лучшего приклеивания к стене должна быть шероховатой. Шероховатость достигается обработкой листов пластика шлифовальным кругом, грубой наждачной бумагой и др. Древесно-стружечные плиты изготовляют путем горячего прессования древесных стружек или волокон. Связующим служат карбамидные или фенолформальдегидные смолы. Древесные стружки получают на специальных машинах из отходов деревообработки или неделовой древесины. Для улучшения декоративных и эксплуатационных свойств плиты покрывают пленочными материалами, эмалями, красками, фенольными или эпоксидными лаками, облицовывают шпоном, фанерой, и т.д. Изменяя плотность массы и размер стружки, получают плиты разной средней плотности — от 0,35 до 1 г/см3. Древесно-стружечные плиты используют как конструкционный, так и тепло- и звукоизоляционный материал. Биостойкость плит повышают введением антисептиков, а огнестойкость — антипиренов. Водостойкость древесно-стружечных плит увеличивается при добавлении парафиновой эмульсии или раствора кремнийорганического полимера. Размеры плит: длина 1800—3500, ширина 1220—1750, толщина 4—100 мм. Технологический процесс производства плит складывается из нескольких операций. После измельчения и сушки древесная стружка смешивается с

109

полимером, затем смесь подвергается холодной подпрессовке при давлении до 2,5 МПа. Сформованные плиты подаются в пресс горячего прессования, где давление достигает 3,5 МПа, а температура поддерживается около 160—190 °С. Для набора необходимой прочности плиты выдерживают 4—7 сут в камере предварительной выдержки. В зависимости от степени уплотнения при прессовании получают плиты с различным объемным весом. Легкие древесно-стружечные плиты с объемным весом до 450 кг/м3 используют в качестве теплоизоляционного материала. Для устройства стеновых и перегородочных щитов и панелей применяют полутяжелые плиты с объемным весом 450-750 кг/м3. Тяжелые и сверхтяжелые плиты с объемным весом соответственно 750-1000 кг/м3 и более 1000 кг/м3 используют для устройства полов. При выборе связующих для древесно-стружечных плит необходимо учитывать следующие основные требования: 1. Синтетические смолы должны прочно склеивать частицы древесины. Склеивающая способность смол считается достаточной в том случае, если предел прочности при изгибе древесно-стружечной плиты с объемным весом 700 кг/м3 при расходе смолы в количестве 8—10% (по массе) будет составлять не менее 10 МПа. 2. Смолы должны быстро отвердевать при повышенной температуре (в процессе горячего прессования) и сохранять свою клеящую способность. 3. Смолы должны быть дешевыми, так как примерно 50% стоимости плит падает на их долю. 4. Смола должна быть огне- и взрывобезопасной. 5. Желательно использовать светлоокрашенные смолы. В противном случае, на поверхности плит могут появляться темные пятна, что потребует облицовки поверхностей. Фенолоформальдегидные смолы («Б», «Р», СП-2) не требуют введения отвердителей и отвердевают достаточно быстро при горячем прессовании плит (при температуре 140°С). Кроме того, на этих связующих плиты получаются более водостойкими, чем на карбамидных смолах. Однако фенолоформальдегидные смолы, получаемые из чистого фенола, сравнительно дороги и дефицитны. В связи с этим большой интерес представляют синтетические смолы, полученные конденсацией суммарных и тяжелых фенолов (ксиленолов) с формальдегидом (например, смола КФС-10). Ксиленолы дешевле технического фенола; они получаются при газификации каменного угля, сланца, древесины, а также при производстве чистого фенола. Более дешевыми и доступными являются карбамидные смолы (МФ-17, МФ-20 и др.). Однако к ним необходимо добавлять отвердители (щавелевую кислоту, хлористый аммоний и др.), что несколько усложняет производство древесно-стружечных плит, так как требуется устанавливать смесители для смешивания связующего с отвердителем. Производство древесно-стружечных плит осуществляется двумя способами – путем периодического или непрерывного прессования. Наибольшее распространение получил первый способ.

110

Стружка для полутяжелых древесно-стружечных плит должна быть примерно одинаковой крупности, и иметь толщину 0,4—0,6 мм, ширину 6—10 мм и длину 10—30 мм. Такую стружку получают нарезкой кусковых отходов древесины (реек, брусков и пр.) на стружечном станке или измельчением грубой стружки, образующейся при работе деревообрабатывающих станков. Из стружечной массы удаляют излишне крупные и мелкие частицы, особенно пыль и мелочь, а также посторонние примеси (песок и т. п.). Для этой цели используют пневматические сепараторы или вибрационные сита. В стружечной массе также могут быть случайные включения мелких частиц металла, что снижает качество плит (увеличивает объемный вес) и создает опасность поломки инструмента при их обработке. Поэтому после сортировки стружку пропускают через магнитный сепаратор. Отсортированная и очищенная от посторонних примесей стружка подвергается сушке до влажности 7—8% в барабанных или ленточных сушилках, а затем загружается в смесительные машины, где смешивается со связующим (6—12% от массы сухих стружек), которое вводится через распылитель под давлением; при этом поверхность стружек покрывается равномерным тонким слоем связующего. Для улучшения водостойкости древесно-стружечных плит вместе со смолой вводят гидрофобные добавки (парафиновые эмульсии и др.). Приготовленная таким образом масса укладывается настилочной машиной в формовочные рамы, установленные на стальных подкладочных листах, и подвергается предварительной подпрессовке в холодном виде на одноэтажных прессах при давлении 0,5—2 МПа. После этого формовочную раму убирают и производят окончательное прессование плит на многоэтажных прессах под давлением до 35 МПа (для полутяжелых плит) при температуре 120–190°С. В процессе горячего прессования, продолжительность которого зависит от толщины плиты (из расчета 40–60 секунд на 1 мм толщины изделия), смола отвердевает, склеивая стружки в монолитную массу. После прессования плиты выдерживаются в течение 4–7 суток для получения необходимой прочности, а затем у них обрезают кромки, шлифуют и отправляют на склад готовой продукции. Технологическая схема производства однослойных древесностружечных плит показана на рис. 4.7. За последнее время на некоторых предприятиях стали внедрять способ непрерывного прессования, при котором используются более совершенные прессы непрерывного действия. На этих прессах стружечная масса формуется и прессуется в непрерывную ленту, которая затем разрезается на плиты необходимого формата. При непрерывном процессе прессования можно изготовлять плиты любой длины. Чаще всего древесно-стружечные плиты выпускают следующих размеров: длина 200—360 см, ширина 120— 180 см, толщина 8—50 мм. Для устройства сборно-разборных перегородок очень удобны древесностружечные многопустотные плиты толщиной 30—60 мм и выше, имеющие сквозные отверстия по длине плиты диаметром 25—50 мм для пропуска болтов.

Рис. 4.7. Технологическая схема производства однослойных древесно-стружечных плит: 1 — рубильная машина, 2 — вибрационное сито, 3 — бункер, 4- сушилка, 5 — бункер, 6 — смеситель, 7 — настилочная машина, 8 — холодный пресс, 9 — загружатель, 10—пресс горячего прессования, 11 — разгружатель, 12 — камера выдержки плит, 13 — станок для обрезки плит

112

Древесно-стружечные плиты не только заменяют качественные пиломатериалы, но по некоторым свойствам превосходят их. Так, например, ценным качеством плит является изотропность, т. е. однородность свойств во всех направлениях. Она обеспечивает постоянство формы плит: они не коробятся и не трескаются, а главное— имеют одинаковую прочность по длине и ширине. Плиты обладают хорошими механическими свойствами, которые в основном зависят (при одинаковом режиме горячего прессования) от качества древесной стружки и полимера. Основные физико-механические свойства полутяжелых древесно-стружечных плит для стен приведены ниже: Объемный вес Предел прочности при изгибе Модуль упругости при изгибе Водопоглощение за 24 часа Гигроскопическая влажность

450—750 кг/м3 7—21 МПа 3000—5000 МПа 40—65% 7—8%

Древесно-волокнистые плиты изготовляют из древесных волокон (камыша и других волокнистых растений), воды, наполнителей, полимера, антисептиков, гидрофобизующих и некоторых других специальных добавок; (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Технологическая схема производства древесно-волокнистых плит: 1- отходы деревообработки; 2- дровяное долготье; 3- отходы лесоразработок; 4- рубильная машина; 5- дефибратор; 6- краситель; 7- эмульсия; 8- бассейн; 9- отливочная машина; 10- рольганг; 11- отжимные вальцы; 12- разрезка; 13- пресс; 14- раскрой плит; 15- готовые плиты

113

Древесину в рубильной машине превращают в щепу и подают в дефибратор для переработки в волокна. После обработки паром при 150°С и давлении 0,6—1 МПа волокна смешивают с водой и перекачивают в бассейн для перемешивания с полимером и добавками. Количество полимера (фенолформальдегида)—не более 5 % по сухой массе. Из бассейна масса поступает в отливочную машину, где она обезвоживается с помощью вакуумной установки и уплотняется в непрерывную ленту. Затем ее разрезают на плиты и направляют в камеру акклиматизации на 4—7 ч при 110—120 °С. Лицевую поверхность древесно-волокнистых плит выполняют матовой, зеркально-глянцевой, гладкой или рустованной, ее окрашивают эмульсионными синтетическими эмалями или покрывают пленками. Для производства плит используют преимущественно древесину мягких пород — сосну, ель, пихту, осину, так как размол твердых древесных пород требует большой затраты энергии. В зависимости от назначения древесно-волокнистые плиты выпускаются с объемным весом от 200 до 1100 кг/м3. Изоляционные древесно-волокнистые плиты с объемным весом до 400 кг/м3 используются в качестве теплоизоляционного материала. Полутвердые плиты (объемный вес 500-700 кг/м3) и твердые (с объемным весом 800-1100 кг/м3) применяют для облицовки стен и устройства перегородок. Твердые древесно-волокнистые плиты являются также хорошим материалом для полов. Физико-механические свойства твердых древесно-волокнистых плит показаны ниже: Размеры (мм): длина ширина толщина Объемный вес (кг/м3) Предел прочности при изгибе (МПа) Водопоглощение (%) Влажность (%)

3600, 3000, 2700, 2000, 1800, 1600, 1200 1600, 1200 8 700-1100 Не менее 20 Не более15 Не более 10

Отделочные древесно-волокнистые плиты покрывают различными смолами с пигментами или облицовывают текстурной бумагой и покрывают полимерной пленкой. Для окраски плит применяются мочевиноформальдегидные (МФЭ) и строительные (СЭМ) эмали. Мочевиноформальдегидные эмали изготовляются на основе мочевиноформальдегидных смол с добавками алкидной смолы, пигментов и растворителей. Строительная эмаль представляет собой суспензию из пигментов и эмульсии, состоящей из глифталевого лака, воды и эмульгаторов, растворенных в уайт-спирите, ксилоле и др. Окраска плит эмалями производится при помощи краскораспылителя в несколько приемов: сначала на поверхность плиты наносится грунт, который высушивается при температуре 100—120° в течение 30 минут, а затем — два слоя эмали, причем каждый слой просушивается в течение часа при том же

114

температурном режиме. Расход эмали составляет от 300 до 500 г на 1 м2 поверхности плиты. Плиты, окрашенные эмалями, имеют цветную глянцевую поверхность, допускают мытье горячей водой и являются водостойкими (особенно при употреблении МФЭ). Древесно-волокнистые плиты, покрытые эмалью СЭМ, находят применение для внутренней отделки стен и потолков жилых помещений, а окрашенные эмалью МФЭ (гладкие или рустованные) предназначаются для облицовки панелей в санитарных узлах, кухнях и других помещениях с повышенной влажностью и температурой. Древесно-волокнистые плиты, облицованные текстурной бумагой и защитной полимерной пленкой, имитируют ценные породы древесины (орех, дуб, красное дерево и др.). Для этого используют специальную текстурную бумагу, на которой нанесен соответствующий рисунок. Облицовка плит производится следующим образом: сначала на одну сторону плиты наклеивается древесный шпон толщиной до 1 мм, который служит подкладочным слоем; на отшлифованную поверхность шпона наклеивают бумагу, пропитанную бакелитовым лаком, затем текстурную бумагу и снова слой бакелитовой бумаги. Весь пакет накрывают хромированным стальным листом и подвергают прессованию на гидравлическом прессе в течение 40-45 минут при температуре 140-150° и удельном давлении до 2,5 МПа. В процессе прессования происходит отвердение смол в облицовочном слое, причем поверхность плит становится глянцевой, а рисунок, нанесенный на текстурной бумаге, отчетливо видным через прозрачную бакелитовую пленку. Древесно-волокнистые плиты, покрытые бакелитовой пленкой, предназначаются главным образом для устройства перегородочных панелей, щитовых дверей и встроенной мебели. Водостойкая фанера представляет собой склеенную из нечетного числа слоев березового шпона фанеру, покрытую с одной или двух сторон бакелитовой пленкой. Шпон получают лущением распаренных кряжей на лущильных станках. Часто, кроме бакелитового лака, используется текстурная бумага, при помощи которой можно имитировать текстуру ценных древесных (ореха, дуба) или горных (мрамора и др.) пород. Облицовка фанеры бакелитовой пленкой производится так же, как и при изготовлении облицованных древесноволокнистых плит. Водостойкая фанера выпускается в виде листов длиной 500 - 1525 мм, шириной 500 - 1225 мм, толщиной в 5; 7; 10; 12; 14 и 16 мм. Объемный вес фанеры составляет 750 - 900 кг/м3. Основные физикомеханические свойства водостойкой фанеры приведены ниже: Предел прочности при скалывании (МПа): а) в сухом состоянии б) после замачивания в воде в течение 24 часов Водопоглощение через 3 суток при температуре 20° и закрытых торцах фанеры (%)

2-2,5 2-2,3 1,9

115

Водостойкая фанера не подвержена короблению и расслаиванию от сырости. Она не повреждается от воздействия слабых щелочей и кислот, керосина, бензина, спирта. Крепление фанеры производится с помощью гвоздей, шурупов или мастик. Используется она как облицовочный материал для внутренней отделки стен различных помещений, в производстве мебели и столярных изделий. Древесно-слоистые пластики (ДСП) представляют собой материалы, полученные горячим прессованием тонких листов древесного шпона, пропитанного синтетическими смолами. В качестве связующих применяются в основном растворимые в спирте и воде резольные фенолоформальдегидные, карбамидные и смешанные фенолокарбамидные смолы. Технологический процесс производства древесно-слоистых пластиков состоит из следующих основных операций: 1) подготовка древесного шпона; 2) пропитка шпона растворами синтетических смол; 3) сушка пропитанного шпона; 4)сборка шпона в пакеты; 5) прессование пакетов на гидравлическом прессе; 6) обрезка плит и листов древесно-слоистого пластика. Подготовка древесного шпона состоит из отбора шпона по качеству, высушивания его до влажности 8—12% и раскроя на листы нужных размеров. Требование в отношении влажности шпона вызывается тем, что она должна соответствовать влажности его в условиях эксплуатации. Если пропитываемый шпон имеет повышенную влажность, то слоистый пластик в процессе эксплуатации усыхает, это приводит к появлению внутренних напряжений, которые могут вызвать образование трещин. Пропитка шпона синтетическими смолами производится в открытых металлических ваннах или в автоклавах под давлением. Наиболее совершенным является метод автоклавной пропитки. По этому способу подготовленный древесный шпон собирается в кассеты, которые загружаются в автоклавы, закрываемые герметически крышками. С помощью вакуум-насоса в автоклавах создается разрежение, поддерживаемое в течение 15—20 минут. За это время из шпона отсасывается воздух и частично влага, что улучшает качество пропитки. После этого из смесителя подают тщательно перемешанный раствор синтетической смолы и создают в автоклаве давление до 5 атм, при котором и происходит пропитка шпона. Продолжительность выдержки под давлением не превышает 30 минут. Сушка пропитанного шпона осуществляется в сушилках различных конструкций при температуре 60—90°С. Сборка шпона в пакеты выполняется с учетом требуемой толщины древесно-слоистого пластика и его механических свойств, так как последние в значительной степени зависят от направления волокон в листах древесного шпона.

116

Если направление волокон древесины у всех слоев шпона одинаково (рис.4.9, а), древесно-слоистый пластик имеет максимальный предел прочности при растяжении и сжатии вдоль волокон древесины (марка ДСП-А). Если пакеты собираются с таким расчетом, чтобы смежные листы шпона имели взаимноперпендикулярное (перекрестное) направление волокон древесины (рис.4.9, б), то слоистый пластик будет иметь примерно одинаковые показатели прочности в обоих направлениях (марка ДСП-В). Еще меньшей анизотропностью обладают древесно-слоистые пластики марки ДСП-Г, у которых направление волокон каждого из последующих слоев шпона смещено на угол 15—30° по отношению к волокнам предыдущего слоя (рис.4.9, в).

Рис. 4.9. Схема укладки шпона

Прессование пакетов производится на многоэтажных гидравлических прессах (рис. 4.10). Пакеты на металлических прокладках укладываются между плитами пресса, которые обогреваются паром, проходящим через проделанные в них каналы, или электричеством. Для того чтобы избежать появление в древесине трещин, уплотнение пакетов ведется в три этапа. 1. Период прогрева до температуры 80° при пониженном давлении (2,5–3 МПа) в течение 20–25 минут. 2. Период тепловой обработки при температуре 150–160° и предельном давлении 15–16 МПа. В течение этого периода древесина уплотняется, ее объемный вес увеличивается, смола, прочно склеивая листы шпона, отвердевает. Продолжительность прессования при максимальном давлении принимается из расчета 4–6 минут на 1 мм толщины древесно-слоистого пластика. 3. Охлаждение уплотненного материала под давлением до температуры 30-40°. После этого пресс разгружают, а отпрессованные листы снимают с металлических прокладок. Обрезка плит и листов на круглопильном станке является заключительной стадией в производстве древесно-слоистых пластиков. Кроме названных выше древесно-слоистых пластиков (ДСП-А, ДСП-В, ДСП-Г), в качестве материала для стен применяется пластик ДСП-Б, имеющий

117

смешанное расположение волокон шпона (10-12 слоев вдоль и один поперек) и балинит марки ДСП-20.

Рис. 4.10. Многоэтажный гидравлический пресс: 1- рабочий цилиндр; 2- рабочий плунжер; 3- подвижной стол; 4- плита; 5- колонна; 6- направляющая; 7- вспомогательный цилиндр; 8- вспомогательный плунжер; 9- рейка

Древесно-слоистый пластик балинит изготовляется путем горячего прессования пропитанных смолами листов шпона, предварительно обработанных 3-5-процентным раствором едкого натра. При обработке щелочью происходит частичное выщелачивание из древесины лигнина и гемицеллюлозы, и древесина приобретает способность давать значительную усадку (до 30% в тангенциальном направлении). Это способствует повышению прочности и твердости древесины, а также дает возможность уменьшать удельное давление (до 4,5 МПа) при прессовании пакетов из выщелоченного шпона. Древесно-слоистые пластики выпускаются в виде листов и плит различных размеров. Размеры древесно-слоистых пластиков приведены в табл. 4.3. Физико-механические свойства древесно-слоистых пластиков зависят от качества шпона, его толщины, состава и количества резольной смолы, качества пропитки и метода укладки шпона.

118

Таблица 4.3 Размеры древесно-слоистых пластиков Марка ДСП-А ДСП-Б ДСП-В ДСП-Г

Длина (мм) Ширина (мм) 700, 1100 700, 1100, 1500, 2300, 800, 900 4800, 5600 700, 1100, 1500, 2300, 1000, 1100, 1200 4300, 5600 Многогранники с диаметром описанной окружности 600—800

Толщина (мм) 15—60 15—60 1—12 15—60

Для получения слоистого пластика высокой прочности необходимо выбирать древесину с высокими прочностными характеристиками, хорошо поглощающую смолу. Древесина имеет высокую прочность на растяжение, но низкую прочность на сжатие, отличается гигроскопичностью и высоким водопоглощением. Синтетические смолы, наоборот, характеризуются высокой прочностью на сжатие и низкой прочностью на растяжение – являются гидрофобным (водоотталкивающим) материалом. Поэтому древесно-слоистый пластик, состоящий из древесины, пропитанной синтетическими смолами и упроченной дополнительно в процессе прессования, имеет значительно более высокие прочностные показатели на сжатие и растяжение, чем древесина, и к тому же обладает хорошей водостойкостью. Основные физико-механические свойства древесно-слоистых пластиков приведены в табл. 4.4. Таблица 4.4 Физико-механические свойства древесно-слоистых пластиков Свойства Объемный вес (г/сма), не менее Предел прочности при: –растяжении вдоль волокон (МПа), не менее –сжатии вдоль волокон (МПа), не менее –статическом изгибе (МПа), не менее Водопоглощение за 24 часа (%), не более Влажность (%), не более

ДСП-А

ДСП-Б

ДСП-В

ДСП-Г

1.33

1.3

1,3

1.3

—

260

140

—

180 — 5 7

160 280 5 7

125 180 5 7

125 150 5 7

На механические свойства древесно-слоистого пластика большое влияние оказывает качество пропитки шпона, которое, в свою очередь, зависит от величины частиц смолы в растворе и от ее концентрации. С уменьшением дисперсности (величины частиц) смолы увеличивается пропитываемость шпона. С повышением концентрации раствора синтетической смолы увеличивается его вязкость и уменьшается способность проникать в поры древесины, что снижает прочность склейки. При одной и той же концентрации спиртовых и водных растворов резольных смол последние обладают меньшей вязкостью. Благодаря этому облегчается процесс пропитки шпона. Однако предел прочности при

119

растяжении древесно-слоистых пластиков на водорастворимых смолах на 20 — 25% меньше по сравнению с пластиками, изготовленными на спиртовых растворах смол. Зависимость механических свойств древесно-слоистых пластиков от содержания в них связующего объясняется тем, что недостаточное количество смолы не обеспечивает прочной связи между отдельными листами шпона, а повышенное содержание ее приводит к снижению предела прочности при изгибе и растяжении. Для конструктивных древесно-слоистых пластиков оптимальное содержание связующего в шпоне 16—24%. Наилучшие показатели на растяжение, сжатие и изгиб древеснослоистого пластика получаются при 20—28 слоях древесного шпона на 1 см толщины листа. Древесно-слоистые пластики легко поддаются механической обработке (распиловке, строганию, фрезеровке) и обладают высокой стойкостью к маслам, органическим растворителям и др. Декоративные панели «полидекор» получают вакуум-прессованием жесткой поливинилхлоридной пленки с отделочной декоративной пленкой. Этот облицовочный материал с рельефной поверхностью имитирует резьбу по дереву, чеканку по металлу. Используют такие панели для отделки стен общественных зданий. Панели «полиформ» применяют для отделки потолков помещений культурно-бытовых и административных зданий. В качестве основного материала используют полистирол с повышенными показателями ударной прочности, вводя в него вспенивающие добавки. Толщина плит 8—10 мм. Изготовляют такие панели на литьевых машинах с формами, обеспечивающими получение рельефной лицевой поверхности. Из отходов льняного волокна — (костры, стеблей хлопчатника и других отходов растительного сырья) тоже можно изготовлять тепло- и звукоизоляционные плиты, подобные древесно-стружечным. Для этого в качестве связующих веществ применяют синтетические смолы. Плиты из костры применяются для утепления стен и перекрытий, для звукоизоляции помещений, а также как материал для перегородок. Материалы, изготовляемые из отходов растительного сырья на синтетических связующих, имеют особое значение в безлесных районах. 4.4.4. Декоративные ткани из синтетических волокон Синтетические волокна, из которых получают различные ткани, не относятся к пластмассам, но тоже являются полимерными материалами, их изготовляют из тех же видов сырья, что и пластмассы, т. е. из продуктов переработки каменного угля, нефти, природного газа. Поэтому, описывая отделочные материалы из пластмасс, следует остановиться, хотя бы очень кратко, и на материалах из синтетических волокон, которые можно считать «ближайшими родственниками» пластмасс.

120

Ткани из синтетических волокон хорошо известны в быту. Это - капрон, нейлон и нитрон. Они могут применяться в строительстве для внутренней отделки помещений, для устройства занавесей и штор, для отделки мебели. Многих ученых уже давно занимала идея создания новых видов волокон для получения тонкой, прочной и красивой пряжи. Еще в первой половине XVIII в. Реомюр, который хорошо известен как изобретатель спиртового термометра (со шкалой, разделенной на 80 градусов), хотел получить ткань, заменяющую шелк. Реомюр был не только физиком, но и естествоиспытателем. Он опубликовал замечательный труд под названием «Исследование естественной истории насекомых». Один из почитателей Реомюра подарил ему маленький кусочек прозрачной тончайшей, но прочной пряжи, сотканной из паутины. Реомюр увлекся мыслью о разведении пауков взамен червейшелкопрядов, но вскоре отказался от этого проекта как нереального. Затем он пытался найти другие пути получения волокон, подобных шелковым, но это ему не удалось. Прошло полтораста лет, и только тогда химики сумели создать искусственные волокна, по внешнему виду похожие на натуральный шелк. Эти волокна изготовлялись из нитроцеллюлозы. А потом — это было более ста лет тому назад — удалось найти способ изготовления более дешевого вискозного искусственного шелка из целлюлозы, т. е. из природного полимера. В последние же годы широкое применение получили волокна из синтетических полимеров. Можно создавать волокна с самыми различными свойствами. Сырьевая база производства синтетических волокон практически не ограничена. Технико-экономическая целесообразность производства химических волокон исключительно велика. Их себестоимость так же, как и себестоимость многих других новых полимерных материалов, постепенно снижается. Благодаря хорошим декоративным и эксплуатационным свойствам (разнообразию цвета, прочности, водостойкости, светоустойчивости) ткани из синтетических волокон служат ценным материалом для внутренних отделок. Обычно ткань предварительно натягивают на фанеру или древесноволокнистую плиту, которые крепят к стенам или потолку, применяя раскладки из пластмасс. Декоративные ткани из синтетических волокон имеют широкое применение как драпировочные материалы при отделке помещений.

4.5. Кровельные и гидроизоляционные материалы К кровельным и гидроизоляционным материалам предъявляются следующие основные требования: они должны обладать возможно меньшей массой (особенно кровельные материалы), достаточной механической прочностью, полной водонепроницаемостью, стойкостью против воздействия атмосферных факторов, огнестойкостью и морозостойкостью. Резкой границы между материалами кровельными и гидроизоляционными в ряде случаев провести нельзя, так как одни и те же материалы применяются строителями для кровельных покрытий и для

121

гидроизоляции конструкций. Широкое распространение в современном строительстве плоских крыш еще более объединяет эти две группы материалов и почти окончательно стирает грань между ними. Последнее особенно относится к материалам на основе полимеров. Из пластмасс изготовляют крупноразмерные листы для кровель, рулонные и пленочные (намотанные в рулоны или сложенные в пакеты) материалы для кровельных и гидроизоляционных работ, а также плитки типа черепицы, приклеивающие мастики, водосточные подвесные желоба и трубы. 4.5.1. Волнистые и плоские кровельные листы Волнистые и плоские кровельные листы (рис. 4.11) обычно делают из стеклопластиков на полиэфирных, а иногда на полистирольных или фенолоформальдегидных смолах.

Рис. 4.11. Прозрачные кровельные листы из стеклопластика на полиэфирных смолах

Можно изготовлять волнистые листы размером 600x450 мм и 800х1200 мм; толщина листов 2 — 2,5 мм, шаг волны 100 мм, высота волны 9 — 19 мм. Иногда длина листов достигает 2 и даже 10 м, толщина 1,5 — 0,8 мм, высота волны 5 мм при строительной ширине 910 мм, вес листа 1,7 — 2,2 кг/м2. Предел прочности при растяжении 230—270 МПа, а при изгибе 370— 400 МПа. Эти листы выдерживают нагрузку до 300 кг на 1 м2. Кровля из стеклопластиков легка, прочна, красива (она может быть разнообразных цветов) и прозрачна; она пропускает 80 — 85% естественного света, равномерно его рассеивая. Ввиду особо важного значения стеклопластика, и не только как материала кровли, рассмотрим более подробно его особенности. Стеклопластики представляют собой синтетические смолы, армированные стеклянным волокном или стеклянной тканью. Эти волокна или ткани тесно сцепляются со смолой и, подобно арматуре в железобетоне, существенно улучшают физико-мехаические свойства изделий. Стеклопластики отличаются высокой прочностью при небольшом объемном весе. По прочности они не уступают черным или цветным металлам и их сплавам и в то же время в 4,5 раза легче стали и в 1,5 раза дюралюминия. Стеклопластики хорошо сопротивляются химической агрессии и долговечны. Некоторые виды стеклопластиков пропускают до 90 % световых лучей. Стеклопластики можно получать в виде листового и рулонного материала, а также в виде различных строительных изделий. Изделия из стеклопластиков не требуют дальнейшей отделки.

122

Стеклянное волокно отличается высокой механической прочностью, эластичностью, негорючестью, а также сравнительно небольшим удельным весом. Прочность стеклянных волокон возрастает по мере уменьшения их диаметра (табл.4.5). Таблица 4.5 Диаметр, мк Предел прочности при растяжении, МПа

50

20

10

6

3

300

400

600

1000

5000

У стали марки Ст. 3 предел прочности 380—470 МПа; таким образом, тонкие стеклянные волокна прочнее стали. Модуль упругости волокон примерно такой же, как и стекла в массе. Он равен 70 000 МПа, для сравнения укажем, что модуль упругости стали равен 230 000 МПа. При колебаниях температуры в пределах от 20 до 500°С модуль упругости и другие физико-механические свойства стеклянного волокна изменяются незначительно. Химический состав стекла должен быть очень точно подобран, иначе возможно так называемое старение волокон, т. е. существенное ухудшение их механических свойств с течением времени. Волокна, изготовленные из сильно щелочных стекол, могут даже разрушаться под влиянием атмосферных воздействий. Стеклянную ткань, применяемую для изготовления стеклопластиков, выделывают из стеклянного волокна, применяя разнообразные способы переплетения волокон (нитей). Подобно различным видам переплетения нитей в текстильном производстве, стеклянные волокна тоже можно переплетать, например по схеме сатина, тафты, штапельных тканей. Наряду со стеклянным волокном и стеклянными тканями могут применяться для армирования пластмасс также специальные нити из кремнезема и керамиковое волокно. Стеклопластики получают пропиткой стеклянного волокна или стеклянной ткани синтетическими смолами (см. п. 3.1). Чаще всего пользуются полиэфирными смолами, которые способны отверждаться под незначительным давлением при невысокой температуре. Благодаря низкой вязкости эти смолы хорошо обволакивают стеклянное волокно. Полиэфирные смолы бесцветны, хорошо окрашиваются в любые цвета, обладают высокой атмосферостойкостью, но относительно малотеплостойки и легко воспламеняются. Из многих марок полиэфирных смол для изготовления строительного пластика предпочтительно употреблять смолы пониженной горючести ПН-1С, ПН-62, т. е. самозатухающие. Для получения светопроницаемого стеклопластика применяют бесцветные смолы других марок: ПН-1М, ПНМ-2, ПНМ-8. Имеются марки смол, обусловливающие получение пластиков повышенной водостойкости, кислотостойкости, теплостойкости (ПН-3) и т. д., однако для строительных целей более всего используют стеклопластики светопроницаемые или окрашенные, при этом меньшее значение придается

123

требованию меньшей горючести, поскольку светопроницаемые элементы обычно не входят в несущий остов здания. Полиэфирные смолы при температуре до 60° С отверждаются введением инициатора — гипериза, т. е. гидроперекиси изопропилбенола в количестве от 3 до 6 мас. ч. на 100 мас. ч. смолы. Кроме того, вводится ускоритель — нафтенат кобальта (НК) в количестве 6—8 мас.ч. Во избежание воспламенения и возможного взрыва эти вещества хранят, вводят и перемешивают со смолой раздельно. В последнее время предложен и испытывается вполне безопасный отвердитель, основанный на тонкоизмельченном кварцевом песке. Смолы могут отверждаться холодным и горячим способом. При холодном отверждении, т. е. при температуре 20—60° С, процесс длится до трех суток, при горячем способе, т. е. при нагреве до 120° С, продолжительность отверждения может сократиться до 3 часов. Отверждение идет полимеризацией, т. е. без выделения побочных продуктов, но на поверхность изделия могут «выпотевать» различные ингредиенты, вводимые в смесь с различными целями; в конечном результате отвердевшая смола приобретает сетчатую молекулярную структуру. Наполнителем полиэфирного стеклопластика является специальное стеклянное волокно. Стеклянные волокна имеют диаметр около 0,02 мм. В сочетании с полиэфирными смолами с лучшей стороны показало себя малощелочное алюмоборосиликатное стекло, хотя оно и дороже. Мелкие волокна уже при получении для дальнейшего использования собирают в жгуты, канаты, которые в последующем разрубают на мелкие части, смешивают с подготовленной смолой и полученную смесь формуют в специальных станах. Для изготовления наполнителя может быть использовано также штапельное волокно, получаемое раздуванием жидкого стекла, имеющего более короткие волокна нерегулируемого диаметра и длины. Состав пластика: 20% стекловолокна, 80% смолы. Для изготовления стеклопластиков применяют также эпоксидные смолы. Они трудно воспламеняемы и отличаются большой химической стойкостью, но относительно дороги. Иногда используются значительно более дешевые фенольные смолы. Весьма перспективны для производства стеклопластиков кремнийорганические смолы. При их применении выгодно используется сильная связующая способность этих смол, обусловленная особым строением кремнийорганических соединений. Как уже упоминалось, каждая молекула кремнийорганической смолы состоит как бы из двух частей: гидратированного кремнезема и органических ответвлений (углеводородных радикалов). Кремнеземистая часть молекулы обладает химическим сходством с кремнеземом и силикатами, а органическая часть — со смолами. Поэтому, когда на стеклянное волокно, являющееся силикатным материалом, наносят тонкий слой кремнийорганической смолы, то ее молекулы своей кремнеземистой частью прилипают к стеклу, а органические радикалы оказываютеся обращенными наружу. Когда затем наносят слой

124

полиэфирной или иной смолы, то она очень прочно сцепляется со стеклянным волокном при помощи углеводородных радикалов кремнийорганической прослойки. Таким образом, эта прослойка служит своеобразным «молекулярным» припоем. Можно получить стеклопластики, применяя только одни кремийорганические смолы, которые, как уже указывалось, отличаются сравнительно большой стойкостью к действию повышенных температур. Изготовленные на этих смолах стеклопластики не разрушаются при нагревании до 300°, а иногда и до 500°С. Стеклотекстолит представляет собой слоистый пластик, получаемый горячим прессованием пропитанных смолой полотнищ стеклянной ткани (иногда в комбинации с хлопчатобумажной), уложенных правильными слоями. Пропитку тканей производят на вертикальных и горизонтальных пропиточносушильных машинах, применяя спиртовые растворы смол или водные эмульсии. Лента ткани, пропитанная смолой, сушится, разрезается на полотнища, которые укладывают в пакеты и подвергают горячему прессованию в обычных многоэтажных гидравлических прессах. Размеры листов стеклотекстолита: длина до2 400 мм, ширина не более 1000 мм, толщина 0,5 — 15 мм. Объемный вес составляет 1,6—1,85 г/см3. Стеклотекстолит выпускают различных марок, отличающихся толщиной листа и видом ткани, содержанием смолы и ее характером. Основные механические свойства стеклотекстолита различных марок показаны в табл. 4.6. Таблица 4.6 Основные физико-механические свойства стеклотекстолитов Свойства Предел прочности (МПа): при растяжении: а) по основе б) по утку при сжатии: а) вдоль слоев б) перпендикулярно слоям при статическом изгибе

СКМ-1 КАСТ КАСТ-В ВФТ-С СТ-911 (кремний(полиэфирфенолоформальдегидная органичесная смола) смола кая смола) 430

210

330

320

400

—

170

210

200

249

153,5 — 270

61 — 140

— — —

110 350 150

172,5 358 337,5

Стекловолокнистый анизотропный материал (CBAМ). Исследованиями было установлено, что стеклянные нити имеют наибольшую прочность непосредственно после изготовления, т. е. после вытяжки их из расплава. В результате механического разрушения стеклянных волокон в процессе переработки (например, при изготовлении стеклоткани), а также от воздействия атмосферной влаги и других факторов первоначальная прочность стеклянных нитей снижается в 2—3 раза.

125

Указанное обстоятельство побудило разработать — СВАМ (что означает стекловолокнистые анизотропные материалы), при изготовлении которого стекловолокно используется непосредственно по выходе из печи. Таким образом, падение прочности стеклянного волокна было снижено до минимума. Конструктивное отличие стекловолокнистого материала СВАМ от стеклотекстолита заключается в том, что основой этого стеклопластика служит не стеклоткань, а расположенные слоями стеклянные волокна, склеенные между собой синтетической смолой. Обычно несколько слоев параллельных волокон чередуются со слоем, волокна которого располагаются перпендикулярно предыдущим слоям. Благодаря такой ориентации волокон получается стекловолокнистый анизотропный материал, обладающий очень высокими механическими свойствами. Технология изготовления СВАМа состоит из следующих основных операций: 1) получение стеклянного волокна и стеклошпона; 2) высушивание стеклошпона; 3) горячее прессование пакетов из стеклошпона. Установка для получения стеклянного волокна и стеклошпона (рис. 4.12) состоит из электропечи, наматывающего барабана и пульверизатора. Электропечь, имеющая в донной части множество отверстий (фильер), смонтирована на передвижной каретке, которая может передвигаться с различной скоростью параллельно оси наматывающего барабана.

Рис. 4.12. Схема производства стеклошпона. 1- электропечь; 2- пульвелизатор; 3- наматывающий барабан

Стекло в виде стеклянных шариков диаметром до 20 мм поступает в электропечь и, расплавляясь при температуре 1300—1400°, вытекает из фильер. Получающиеся волокна наматываются параллельными витками на поверхность вращающегося барабана. Одновременно с намоткой волокна смачивают связующим, поступающим из пульверизатора. Сообщая каретке с электропечью возвратно-поступательное движение и меняя скорость, можно получать любое число слоев стеклянных волокон и различную плотность их укладки. При достаточной толщине намотки стекловолокна его разрезают и снимают с барабана. Снятый с барабана лист, состоящий из стеклянных нитей, склеенных синтетической смолой, называется стеклошпоном.

126

На этой же установке делают не только однонаправленный стеклошпон (все волокна в одном направлении), но и перекрестный стеклошпон, в котором слой нитей располагается перпендикулярно предыдущему. Чтобы получить перекрестный стеклошпон, на барабане закрепляется съемный квадратный лист. После намотки на лист определенного числа слоев нитей в одном направлении его снимают, поворачивают на 90° и снова закрепляют на барабане; продолжая намотку, получают перекрестную структуру стеклошпона. Содержание связующего в стеклошпоне составляет около 25% (по весу), но может изменяться в зависимости от вида применяемой смолы и назначения материала. К связующим, используемым для изготовления СВАМа, предъявляются очень высокие требования, связанные как со спецификой технологии получения стеклошпона, так и назначением материала. При намотке стеклянных волокон на барабан раствор синтетической смолы, поступающей из пульверизатора, не пропитывает их, а только смачивает. Поэтому связующее должно обладать исключительно хорошей адгезией к стеклу и быстро высыхать при комнатной температуре, прочно склеивая нити до снятия стеклошпона с барабана, т. е. в течение 10-20 минут. Снятые с наматывающего барабана тонкие листы однонаправленного или перекрестного стеклошпона толщиной 0,25—0,40 мм просушиваются на воздухе, а затем складываются в пакеты и спрессовываются на многоэтажных горячих прессах. Толщина листов СВАМа определяется толщиной и количеством листов стеклошпона, укладываемых в пакеты для прессования, а размеры листа по длине и ширине — размерами стеклошпона, которые, в свою очередь, зависят от длины и диаметра наматывающего барабана. Стеклошпон обычно имеет длину 500—2800 мм и ширину 650—2800 мм. СВАМ имеет значительные технологические и технические преимущества по сравнению с другими видами стеклопластиков, в частности со стеклотекстолитом. Технология производства стеклошпона чрезвычайно проста. Его обслуживают рабочие одной специальности. Получение же стеклоткани, используемой в качестве основы для стеклотекстолита, складывается из десятка процессов, осуществляемых при помощи разнообразного и сложного оборудования рабочими различных специальностей. В табл. 4.7 приведены показатели механических свойств СВАМа и некоторых других конструкционных материалов. Наличие дешевого и доступного сырья, высокие механические свойства и водостойкость открывают широкие перспективы для применения СВАМа в различных областях народного хозяйства. Из стеклопластиков можно изготовлять крупноразмерные панели для стен, плиты для перекрытий, волнистые полупрозрачные листы для кровель, плоские листы с декоративной отделкой для перегородок, а также гидроизоляционные материалы, трубы, двери, оконные переплеты, ванны, раковины, плинтусы, уголки разного профиля и другие изделия.

127

Таблица 4.7 Сравнение механических свойств некоторых конструкционных материалов

Материал

Ст. 5 Сосна Текстолит Стеклотекстолит СВАМ (1 : 1)* СВАМ (10: 1)

Предел Предел Удельная Удель- прочности прочности ударная ный вес, при растя- при сжавязкость, 3 г/см жении, тии, кг·см/см2 МПа МПа 7,85 0,55 1,35 1,65 1,9 1,9

380-470 94 170-180 250—300 480-500 850-950

480-470 40 160 200-250 420 750-850

450 40-80 110-140 220-250 270-310

Модуль упругости, МПа 210000 12000 10000 22000 35000 58000

* В скобках указано соотношение продольных и поперечных слоев стеклошпона

Недостатками такой кровли являются: высокая стоимость по сравнению с обычными кровельными материалами, горючесть и, кроме того, иногда неудовлетворительная стойкость по отношению к ультрафиолетовым лучам солнца (полиэфирный стеклопластик постепенно желтеет). 4.5.2. Рулонные материалы Рулонные материалы из пластмасс обычно имеют толщину от 1,2 до 2,5 мм. Основой материала может служить крафт-бумага (особо-прочная бумага) или кровельный картон (как при изготовлении пергамина, рубероида), а также текстильная хлопчатобумажная ткань (как в изготовлявшемся ранее битумном материале метроизоле). В качестве основ часто применяется также стеклянная ткань и, наконец, роль основы могут выполнять волокна асбеста (как в выпускавшемся в прежние годы битумно-асбестовом материале «борулин»). Отметим важнейшие рулонные материалы, изготовляемые с применением полимеров. Изолом называется гидроизоляционный и кровельный материал, изготовленный на основе смеси резины и битума с введением в него различных наполнителей. Резинобитумное вяжущее получается в результате девулканизации изношенной резины (старые автопокрышки, резинотехнические изделия и др.) совместно с битумом и последующей пластификации материала. Это вяжущее представляет новый вид сырья, отличающийся по своим физико-механическим свойствам и от резины и от битума. В качестве наполнителя для производства изола может быть использован любой тонко размолотый минеральный материал, обладающий активной поверхностью в отношении вяжущего. Таким наполнителем может быть тальк, известняк, инфузорная земля, маршалит, немарочный асбест и т. п. Кроме основных компонентов – вяжущего и наполнителей – в состав изола вводят пластификатор – кумароновую смолу (2%) и антисептик – креозотовое масло (1%).

128

В зависимости от состава резинобитумного вяжущего, а также от количества и качества применяемых наполнителей изол может быть изготовлен в виде рулонного материала для гидроизоляции и кровли, кровельных плиток или гидроизоляционной мастики. Примерные составы различных видов изола приведены в табл 4.8. Таблица 4.8 Состав изола для изготовления различных материалов (%) Компоненты

Для рулонных материалов

Для кровельных плиток

Старая резина . Битум марки III Кумароновая смола Рубракс Наполнители Полиизобутилен Креозотовое масло

20-25 20-25 2.0 28-20 30 1

8-13 8-13 35-27 49-47 1

Для гидроизоляционной мастики 15-8 67-78 3-4 14-8,5 0-1,5 1

Гидроизоляционный изол, выпускаемый в виде рулонов, может быть изготовлен толщиной 2 мм и площадью 12—15 м2. Этот материал не имеет картонной основы со всеми ее отрицательными свойствами. В отличие от материалов на картонной основе рулонный изол водостоек (водопоглощение менее 1 %) и гнилостоек. Преимуществом изола является также его способность деформироваться даже при отрицательных температурах, что важно при службе его в качестве гидроизоляционного материала. Температура хладоломкости изола ниже—15°. Изол эластичен и способен удлиняться при растяжении до 75%. Как кровельный материал изол значительно долговечнее рубероида. Кровельные плитки из изола изготовляются путем штамповки из листа изола. Плитки толщиной 4—6 мм приклеиваются к основанию мастикой. Плитки могут быть окрашены масляной краской. При введении в состав кровельных плиток волокнистых материалов, например отходов от переработки хлопка, их прочность значительно возрастает (до 4 МПа). Испытания плиток показывают, что плитки значительно долговечнее рубероида. По кровле из таких плиток можно ходить, они не хрупки, плотны и водонепроницаемы. Мастика из изола обладает высокими клеящими свойствами по отношению к металлу, стеклу, керамике, бетону. Основное назначение мастики —гидроизоляция. Технология получения изола следующая. Старая изношенная резина подвергается девулканизации с целью частичного возвращения ей свойств каучука. Девулканизация производится при температуре 170—180° в смесителе, куда загружаются измельченная в крошку старая резина и битум. Девулканизация происходит в течение 30—40 минут. С целью получения однородной и пластичной массы ее следует после смесителя пропустить через вальцы. При этом происходят дальнейшая деструкция и пластификация ее.

129

В полученное резинобитумное вяжущее вводится рубракс и минеральный наполнитель. Масса вновь перемешивается в смесителе в течение 8—10 минут и пропускается частями по 25—30 кг через вальцы. Вальцевание производится при постоянном охлаждении и длится 5—7 минут. После вальцов масса каландрируется в рулонный материал и упаковывается. Изол рулонный может быть использован для гидроизоляции фундаментов, подвалов, бассейнов, резервуаров, для устройства кровли. Соединение полотнищ изола в ковер покрытия осуществляется на месте укладки изола в конструкцию с помощью сварки кромок полотнищ и разравнивания шва специальной гладилкой. Изол в плитках может быть использован для устройства чешуйчатой кровли. Мастика применяется в тех случаях, когда требуется производить гидроизоляцию поверхностей сложной формы. Бризол представляет собой рулонный материал, изготовляемый из смеси дробленой вулканизированной резины, нефтяных битумов и асбестовых волокон с добавкой пластификаторов и вулканизаторов, длина рулонов 50 м, ширина 40—100 см и толщина полотна 1,5—2,5 мм. При производстве бризола используется: крошки дробленой резины — 34%, нефтяной битум — 34%, асбест мелкого сорта — 30% и озокерит — 2%. Бризол как кровельный и гидроизоляционный материал характеризуется высокой атмосферостойкостью, водонепроницаемостью, морозостойкостью и эластичностью. Гидроизоляционный материал с полиизобутиленом (ГМП) представляет собой рулонный материал на основе битумов, выпускаемый в виде полотнищ, свернутых в рулоны, ширина полотна 600—800 мм и толщина 2 мм. Площадь полотна в одном рулоне 5 м2, масса квадратного метра материала 3 кг. Технологический процесс получения ГМП состоит в смешивании компонентов на смесительной машине и последующей раскатке полученной массы в полотнища на каландре. Гидроизоляционный материал ГМП выпускается различного состава в соответствии с марками, приведенными в табл. 4.9. Физико-механические свойства различных марок ГМП указаны в табл. 4.10. Таблица 4.9 Состав гидроизоляционного материала ГМП (в процентах от веса готового материала) Марка материала Компоненты Полиизобутилен П-100 Смола фенолоформальдегидная № 17 Битум БН-IV или БН-V Асбест 6-го или 7-го сорта Тальк технический

ГМП-2

ГМП-6

ГМП-8

ГМП-10

4,0 1.33 39,65 35,0 20,0

6,0 2,0 3.0 35,0 20,0

8,0 2,66 34,33 35,0 20,0

10,0 3,33 31,66 35,0 20,0

130

Таблица 4.10 Физико-Механические свойства ГМП Марка материала Показатели Предел прочности при разрыве полоски 220х50х2 при 20° (МПа), не менее Относительное удлинение при 20° (%), не менее Стержень диаметром 30 мм при толщине материала 2 мм выдерживает изгибание при температуре не выше Теплостойкость Водонепроницаемость под давлением 6 атм (суток) Общее водонасыщение через 7 суток при 25° (%)

ГМП-4 ГМП-6 ГМП-8 ГМП-10 0,9

0,7

0,6

0,5

18

25

30

40

—5°

-15°

-20°

-25°

Не деформируются в течение 5 часов при температуре не ниже 90 0С 3

3

3

3

I

I

1

1

Как видно из таблиц, с увеличением количества полиизобутилена в составе гидроизоляционного материала улучшаются его основные свойства, а именно– относительное удлинение с 18 до 40% и морозостойкость с 5 до 25 %. При этом несколько снижается предел прочности при разрыве. ГМП предназначается для устройства плоских кровель, гидроизоляции подземных сооружений и трубопроводов, особенно в условиях, требующих долговечности и надежности гидроизоляции при повышенных или, наоборот, пониженных температурах. Материал ГМП при укладке в плоскую кровлю или гидроизоляцию приклеивается на горячих битумных мастиках. Считают, что один слой гидроизоляционного материала может заменить трехслойное покрытие из битумных рулонных материалов и служить в 2 – 3 раза дольше. В настоящее время этот гидроизоляционный материал является самым дорогим из гидроизоляционных материалов ввиду высокой стоимости полиизобутилена. При резком снижении стоимости полиизобутилена ГМП, безусловно, получит широкое распространение в строительной технике. Иногда для изготовления рулонных гидроизоляционных материалов пользуются тонкой хлопчатобумажной тканью, пропитывая ее расплавленной поливинилхлоридной массой (толщина получаемого материала 0,4 - 0,6 мм) или бумажными листами, пропитывая их фенолоформальдегидной смолой (толщина материала около 1,5 мм). 4.5.3. Пленочные материалы Кровельные и гидроизоляционные пленочные материалы могут изготовляться из полиэтилена, полихлорвинила, ацетилцеллюлозы, синтетического каучука и других полимеров. Толщина пленочных материалов выражается всего лишь десятыми и даже сотыми долями миллиметра.

131

Полиэтиленовая пленка, выпускаемая у нас, имеет толщину от 0,035 до 0,2 мм, ее обычно свертывают в рулоны длиной от 300 до 600 м и шириной – 1,4 м; следовательно, в одном рулоне может содержаться от 420 до 840 м2. Масса рулона от 30 до 60 кг; 1 м2 пленки весит меньше 0,1 кг. Эта пленка – прозрачна, имеет гладкую или шероховатую поверхность. Она механически прочна, химически устойчива, морозостойка, влаго- и газонепроницаема. При пониженных температурах (до –60°) сохраняет эластичность. (Поливинилхлоридная (полихлорвиниловая) пленка изготовляется толщиной 0,19 – 0,27 мм, выпускается в рулонах длиной 25 м, шириной 1 м.) Полиэтиленовая пленка, которая совершенно не пропускает влагу и пары, является прекрасным строительным материалом, пригодным для гидро- и пароизоляции. В этом случае обычно применяется пленка толщиной 0,2 мм. Пленки перед ранее применявшимися битумными материалами имеют то преимущество, что они являются гнилостойкими и не разрушаются бактериями. Кроме того, полиэтиленовые пленки значительно тоньше рубероида, пергамина, гидроизола, а потому гидроизоляция из них хорошо сочетается с основным материалом конструкций. Легкая свариваемость полиэтиленовых пленок упрощает стыкование полотен между собой. Пленки наклеиваются на изолируемую поверхность с помощью битумных или пластмассовых специальных мастик. Полиэтиленовая пленка в виде бесконечного полотна различной толщины и шириной до 1400 мм получается методом экструзии на агрегате (рис. 4.13), состоящем из шнек-машины со щелевой головкой, охлаждающей ванны и приемного устройства.

Рис. 4.13. Получение полиэтиленовой пленки: 1—экструдер, 2-щелевая головка, 3 —слив воды, 4—решетка и металлическая сетка, 5 — направляющий валик, 6 — охлаждающая ванна, 7 — регулятор зазора щели, 8—нож для обрезки краев, 9— тянущие валики с регулируемой скоростью вращения, 10 — намоточное устройство

132

Выходящая из щели головки шнек-машины широкая тонкая пленка размягченного полиэтилена погружается в ванну с холодной водой и, обогнув направляющий валик или башмак, выходит из ванны и поступает на обрезку кромок и намотку. Для вертикальной экструзии полиэтиленовой пленки применяются щелевые головки, которые могут присоединяться к машине двумя способами: 1) перпендикулярно оси шнека, причем в этом случае материал поступает в середину головки и 2) параллельно оси шнека, при этом материал поступает с одной лишь стороны головки и продвигается вдоль ее оси по всей длине. Температура воды в ваннах для охлаждения тонких пленок около 70°. Вода в ванну должна подаваться спокойно, без завихрений. Расстояние от зазора щелевой головки до поверхности воды 25—75 мм. Пленка вытягивается из ванны с помощью двух пар оттягивающих валиков и подается на намотку. Между первой и второй парой оттягивающих валиков специальные ножи обрезают утолщенные кромки пленки на ширину 12—25 мм. Утолщение кромок является результатом усадки материала при охлаждении в воде. Намотка пленки должна иметь привод с постоянным вращающим моментом. Физико-механические свойства полиэтиленовой пленки следующие: объемный вес 0,92 г/см3, предел прочности при разрыве 13—18 МПа, относительное удлинение при разрыве в продольном направлении 200—450% и в поперечном направлении 450—550%, водопоглощение в течение 24 часов не более 0,01%. Помимо водонепроницаемости, полиэтиленовая пленка обладает высокой стойкостью к агрессивным средам и сохраняет пластические свойства при температуре до—65°. Недостатком полиэтиленовой пленки является ее способность к старению. Правда, это свойство проявляется особенно сильно при воздействии на полиэтиленовую пленку света, а в гидроизоляционных конструкциях в большинстве случаев воздействие света исключено. Полиэтиленовая пленка вырабатывается как из стабилизованного, так и из нестабилизованного полиэтилена. Для целей гидроизоляции следует применять только стабилизованную пленку, которая обладает большей долговечностью. Следует иметь в виду при применении полиэтиленовых пленок в качестве гидроизоляции и особенно пароизоляции, что пленка может поражаться грызунами, а потому в строительных конструкциях она должна быть защищена от их доступа. Поливинилхлоридная пленка. При изоляции бетонных фундаментов вначале наносят слой смолы или битума (иногда применяют также самополимеризующиеся синтетические клеи), после чего накладывают пленку, разворачивая рулон. Затем пленку разглаживают. Получается механически прочное, водонепроницаемое и химически стойкое покрытие. На рис. 4.14 показано, как применяют пластмассовую пленку для гидроизоляции свода при устройстве подземных уличных переходов для пешеходов, а также при строительстве железнодорожных тоннелей. Бетонные блоки укладывают

133

обычным образом, причем стыки заделывают цементным раствором и уплотняют толстой поливинилхлоридной пленкой. Более тонкой пленкой оклеивают наружную поверхность свода. Благодаря своей гибкости пленка хорошо облегает встречающиеся бугорки и углубления. Затем укладывают бетонные плитки или кирпич. Пластмассовая пленка надежно защищает свод от проникновения воды и от агрессивного действия ее на бетонные блоки и цементные швы. Пластмассовая пленка применяется также для предохранения свежеуложенного бетона от испарения влаги, для защиты его от ливней и для того, чтобы ослабить охлаждение бетона при заморозках. Такое использование пленки представляет большой интерес, в частности при устройстве цементнобетонных покрытий дорог. Имеется некоторый опыт применения пластмассовой пленки для сохранения влаги в бетоне, который подвергался пропариванию или электропрогреву. Свежеуложенный бетон покрывают пленкой и затем производят тепловлажностную обработку.

Рис. 4.14. Гидроизоляция свода тоннеля полихлорвиниловой пленкой (схема): 1 — блоки бетонные или из природного камня, 2 — защитные плиты, 3 — полиэтиленовая пленка

Пластмассовую пленку можно применять для укрытия оборудования, а также цемента и других материалов, которые хранятся на открытых складах. Пленкой, натянутой на реечные рамы, иногда прикрывают оконные и дверные проемы во время строительных работ. При устройстве полов пластмассовая пленка используется для предохранения некоторых звуко- и теплоизоляционных материалов от влаги. Из пластмассовой пленки делают тепляки для защиты строящихся зданий от дождя, снега и мороза. После разборки тепляка пленку сохраняют для повторного использования. Из поливинилхлоридной пленки (толщиной 1 мм) делают подвесные водосточные желоба и трубы. Они легко монтируются, не требуют окраски, не подвержены коррозии. При скоплении снега, льда и ледяных сосулек стенки пластмассовых желобов и труб могут несколько деформироваться, не разрушаясь, а после таяния снега принимают первоначальный вид благодаря своей эластичности. Длина звеньев желобов до 3 м, труб 2 м. Звенья желобов соединены внахлестку, склеивают их специальным синтетическим клеем. При монтаже водосточных труб ровный конец одного звена вставляют в раструб следующего. Поливинилхлоридные (полихлорвиниловые) желоба и трубы

134

могут применяться лишь в условиях умеренного климата – при колебаниях температуры от –15° до +45°. Следует также отметить, что материалы из пластмасс приобретают большое значение для антикоррозийной защиты стальных и железобетонных труб, а также железобетонных конструкций. Поливинилхлоридная лента применяется у нас для антикоррозийной защиты нефтепроводов и газопроводов. Промышленностью освоен выпуск специальной самоприклеивающейся пластмассовой ленты для изоляции трубопроводов; разрабатываются также специальные пленки для изоляции железобетонных бензо- и нефтехранилищ. 4.5.4. Мастики, оболочки, прокладки Битумные мастики применяемые для изоляции металлических трубопроводов, по которым транспортируются газ и нефть, можно улучшить добавками полимеров. Введение 0,1 – 0,2% полиизобутилена делает битумную изоляцию более пластичной и не снижает ее прочности. По некоторым опытам добавка 1 – 3% полистирола повышает стойкость битумной изоляции в щелочной среде, что практически важно, так как при специально применяемой катодной защите металлических труб от почвенной коррозии повышается щелочность среды, а это ухудшает сцепление битума с металлом. Часто в битум добавляют 5 – 10% дробленой резины, чтобы повысить температуру размягчения и увеличить прочность мастики. Чтобы повысить водонепроницаемость бетонных труб и предохранить их от действия агрессивных жидкостей, находящихся в грунте, трубы обматывают стеклянным волокном, пропитанным полиэфирной смолой. После шестичасовой термообработки при 40° эта смола затвердевает. Вокруг трубы образуется плотная и стойкая к коррозии оболочка. Для труб с внутренним диаметром 15 см делают оболочку толщиной 19 мм; для труб с внутренним диаметром 80 см – около 40 мм. Пластмассы могут служить для уплотнения температурных швов. Так, прокладки из пластичного поливинилхлорида в виде лент шириной 10 - 15 см и толщиной 0,5 см с утолщением на краях до 1,2 см применяют для повышения плотности и водонепроницаемости температурных швов в железобетонных сооружениях. Утолщенные края прокладок обеспечивают прочное их закрепление в бетоне, а эластичность прокладок позволяет компенсировать расширение или сужение шва, не нарушая его плотности и водонепроницаемости. В частности, пластмассы используются при устройстве температурных швов в бетонных дорожных покрытиях. Для заделки швов между фасадными строительными элементами могут также применяться составы, содержащие синтетический каучук. Такие материалы отличаются прочностью, практически полной водонепроницаемостью и значительной эластичностью. Заполненные этими материалами швы между стеновыми панелями не увлажняются при действии дождя, в швах не появляются трещины даже при очень частых и резких изменениях температуры.

135

4.6. Лакокрасочные материалы Синтетические смолы и производные целлюлозы впервые получили широкое распространение при изготовлении лаков и красок, а затем уже стали основным сырьем для производства пластмасс. Любопытно проследить, как за относительно короткий срок синтетические продукты вытеснили значительную часть натурального сырья в лакокрасочной промышленности. Мы в начале очень кратко осветим этот вопрос, а затем перейдем к рассмотрению лакокрасочных материалов, изготовляемых на основе синтетических смол и каучуков, а также производных целлюлозы. Важнейшим сырьем для производства лаков являются смолы. Кстати отметим, что происхождение термина «лак» связано с одним из видов природных смол. «Лак» - индийское слово, означает «сто тысяч». Название «шеллак», что означает «сто раз сто тысяч», первоначально было дано природной смоле, которая в Индии и других странах Южной Азии образуется в виде наростов на молодых побегах растений под влиянием бесчисленного множества укусов, наносимых растению насекомыми. До 20-х годов XX столетия лаки невысокого качества изготовлялись на канифоли – смоле, получаемой из хвойных деревьев, а высококачественные лаки производились преимущественно на копалах и шеллаке. Копалы – это природные ископаемые смолы, встречающиеся на Мадагаскаре, на Занзибаре, в Конго и в других тропических странах. Такие смолы придают пленке лака большую твердость, красивый внешний вид и высокую устойчивость к атмосферным влияниям. Кроме копалов и шеллака, для изготовления лаков прежде применялись даммар, сандарак и другие смолы, тоже привозившиеся из Африки и Азии. Но в 20-х годах стали появляться искусственные смолы, предназначавшиеся для замены природных смол. Примерно тогда же начали производить в значительных количествах из хлопка нитроцеллюлозу – специально как пленкообразующее вещество для лаков и красок (нитроцеллюлоза и до этого выпускалась промышленностью, но совершенно для другой цели – она служила преимущественно для изготовления взрывчатых веществ). Таким образом, природные смолы были полностью вытеснены синтетическими смолами и производными целлюлозы, причем качество лаков улучшилось и, в частности, повысилась твердость и атмосферостойкость, а также ускорилась сушка лакокрасочных покрытий. Вместе с тем оказалось, что применение синтетических материалов открывает возможность расходовать растительные масла в значительно меньших количествах. Льняное, конопляное, подсолнечное и другие растительные масла долгое время служили основным и незаменимым сырьем при изготовлении олиф, лаков и тертых красок. Применение синтетических смол и каучуков, а также производных целлюлозы позволило освободиться от импорта смол, привело к большой экономии растительных масел и дало возможность в большом количестве производить новые виды высококачественных и экономичных лакокрасочных материалов. К ним надо прежде всего отнести эмалевые краски, нитрокраски, специальные фасадные, водоразбавляемые эмульсионные, силиконовые краски

136

и пропиточные жидкости, а также хлоркаучуковые краски. Следует отметить, что эти красочные составы не только изготовляются без растительных масел, но и для разбавления совсем не требуют олифы. Эмалевые краски (сокращенно - эмали) соединяют в себе свойства масляных красок и масляных лаков, т. е. вместо того, чтобы какое-либо изделие сначала покрыть масляной краской, а затем масляным лаком, можно окрасить поверхность за один раз эмалевой краской. У нас наиболее распространены строительные эмали СЭМ, изготовляемые из глифталевых смол, и СТЭМ – из алкидно-стирольных смол. Эти эмали предназначаются для внутренних отделочных работ по штукатурке и дереву, а также для заводской отделки твердых древесно-волокнистых плит и асбестоцементных листов. При нанесении белых или цветных эмалей на древесно-волокнистые плиты, имеющие на поверхности сетку продольных и поперечных канавок, получается имитация облицовки керамическими глазурованными плитками. На 1 м2 расходуется 0,3 кг эмали СЭМ и от 0,15 до 0,25 кг эмали СТЭМ. Эта эмаль дает более прочное и более глянцевитое покрытие, чем СЭМ. Получаемые покрытия устойчивы к воздействию воды; окрашенные поверхности можно периодически промывать. Имеются также глифталевые и пентафталевые эмали, используемые как для внутренних, так и для наружных работ. Кроме того, известны эмали на основе перхлорвивиловых, мочевиноформальдегидных и других смол. Нитрокраски, изготовляемые на основе нитроцеллюлозы, в ряде случаев полностью могут заменять масляные составы. Нитроцеллюлозные краски высыхают в 10—15 раз скорее, чем масляные. Промышленностью вырабатываются строительные нитрокраски для оштукатуренных стен и работ по дереву, а также специально для окраски полов. Для разбавления этих красок до нужной консистенции применяют жидкие нитроцеллюлозные растворы. Хорошие результаты дает сочетание нитроцеллюлозы с некоторыми синтетическими смолами; таким путем получаются, например, нитроглифталевые эмали высокого качества. Из специальных фасадных красок особое значение имеют перхлорвиниловые краски, применяемые исключительно для наружных работ по штукатурке, бетону, камню, кирпичу и дереву. Эти краски обладают рядом преимуществ по сравнению с другими красочными составами. Окрашивать фасады можно почти любым насыщенным колером; сохраняется характерная фактура поверхности окрашиваемого материала – штукатурки, бетона, камня; покрытия отличаются высокой атмосфероустойчивостью и долговечностью; причем их легко можно очищать от загрязнений, промывая фасады водой. К тому же перхлорвиниловые покрытия, обладая свойством непроницаемости по отношению к капельно-жидкой воде, в то же время свободно пропускают водяные пары, т. е. такие покрытия защищают материал стены от увлажнения атмосферными осадками, но не препятствуют прохождению пара из помещения наружу. Перхлорвиниловые составы можно применять для наружных работ не только в летнее, но и в зимнее время (при отрицательных температурах).

137

Описанные выше эмали, нитрокраски и перхлорвиниловые краски наряду с положительными свойствами имеют некоторые недостатки, вызванные тем, что в эти составы входит летучий органический растворитель. Растворитель необходим, чтобы придать составу малярную консистенцию, т. е. сделать состав удобным для работы. Но после нанесения покрытия растворитель должен улетучиться (испариться), только тогда образуется твердая пленка. Пары многих растворителей при определенных условиях и главным образом при работе в закрытых помещениях могут вредно влиять на организм человека. Некоторые растворители горючи, и поэтому красочные составы огнеопасны. Требуется тщательно вентилировать помещения во время отделочных работ, а также принимать меры пожарной безопасности. К тому же летучие органические растворители, испаряясь, просто уходят в воздух. На каждые 1000м2 окрашенной поверхности теряется до 100—300 кг растворителей, являющихся ценными продуктами для ряда химических производств. Более экономичными и безопасными являются краски, также изготовляемые на основе синтетических смол без растительных масел, но и без органических растворителей. Вместо них в красочные составы входит вода, являющаяся самой доступной, дешевой и безвредной разбавляющей жидкостью. Многие синтетические смолы можно эмульгировать. Это значит, что они с помощью воды в присутствии специальных добавок, называемых эмульгаторами, образуют практически однородную и нерасслаивающуюся жидкость; мельчайшие капельки смолы равномерно распределены в воде. Жидкости подобного рода, т. е. эмульсии, нередко встречаются в природе, а часто делаются искусственно. Молоко животных представляет собой в основном натуральную эмульсию жировых веществ в воде; битумную или масляную эмульсию изготовляют из битума или масла и воды. Смола, жир, битум или масло, являясь компонентом водной эмульсии, в воде не растворены, а взвешены в виде мельчайших капель размером от 1 до 20 мк. Устойчивость (нерасслаиваемость) эмульсии обусловлена защитным (стабилизующим) действием эмульгатора, молекулы которого окружают капельки смолы, масла или битума, препятствуя их слиянию. В молоке животных имеются природные эмульгаторы, а при изготовлении искусственных эмульсий вводят специальные эмульгирующие добавки. Когда эмульсия каким-либо способом, например с помощью центрифугирования или при испарении воды, либо при ее отсасывании, разрушается, то капельки смолы, жира, битума слипаются; если эмульсия была нанесена тонким слоем, то образуется тонкая твердая пленка. Водоразбавляемые эмульсионные краски делают на основе поливинилацетатной, поливинилхлоридной, полиметилметакрилатной и других смол, а также синтетических каучуков в присутствии пигментов, эмульгаторов и других веществ, улучшающих свойства красок. В настоящее время наиболее известны поливинилацетатные, стиролбутадиеновые и полиметилметакрилатные (акрилатные) краски. Эмульсионные краски выпускают в виде тщательно протертой жидкой пасты, которую на месте работ разводят водой до малярной консистенции.

138

Применяют только мягкую воду, так как жесткая вода может вызвать свертывание краски, что делает ее непригодной к употреблению. Эмульсионными красками окрашивают бетонные, каменные, деревянные поверхности, а также штукатурку и сильно пористые основания, например гипсолитовые и древесно-волокнистые плиты. Окраска производится валиком или пульверизатором, а иногда кистью. Вода из нанесенного слоя окраски частично отсасывается материалом основания, а частично испаряется. При этом эмульсия распадается и образуется пленка, которая несмотря на некоторую пористость обладает значительной прочностью и водостойкостью. Благодаря пористости эта пленка является воздухо- и паропроницаемой. Поэтому многими эмульсионными красками можно окрашивать непросохшие поверхности; влага из них постепенно испаряется через красочное покрытие, но при этом не ослабляется сцепление красочной пленки с основанием. Эмульсионные краски дают матовое покрытие мягкого тона. Расход эмульсионной краски составляет 180—350 г на 1 м2 поверхности. Некоторые эмульсионные краски, например акрилатные и стиролбутадиеновые, рекомендуется применять как для фасадов, так и для внутренней отделки, другие — только для внутренних работ. Красочное покрытие не портится, когда стены промывают водой с мылом (например в больницах, школьных помещениях, вестибюлях зданий). Засохшая краска смывается только органическими растворителями. Некоторые водоразбавляемые смоляные эмульсии, например поливинилацетатную, можно смешивать с порошком цемента и в таком виде использовать для отделки железобетонных изделий. Эти составы, хорошо сцепляющиеся с бетонными поверхностями и окрашивающие их в различные цвета, называются полимерцементными. В последнее время особое значение приобретают силиконовые пропиточные жидкости, краски и лаки. Их изготовляют на основе кремнийорганических соединений (силиконов). Мы уже указывали, что молекулы, из которых построены силиконы, имеют в отличие от других смол своеобразное строение: одна часть, условно назовем ее «головкой» молекулы, состоит из кремнезема, а другая, которую условно можно назвать «хвостом» молекулы, образована органическими ответвлениями. Когда тонкий слой силикона наносят на бетон, стекло, штукатурку, а также гипс, древесину и некоторые другие материалы, то молекулы силикона располагаются в строгом порядке или, как принято говорить в химии, «закономерно ориентируются», т. е. «головки» молекул прилипают к данному твердому телу, а «хвосты» оказываются обращенными наружу. Поверхность материала как бы ощетинивается мельчайшими, невидимыми даже под микроскопом, органическими ответвлениями. Сравнение с ворсом, который имеется на сукне, бархате, фланели и других тканях, дает некоторое представление о строении поверхности силиконовых пленок. Важно отметить, что «молекулярный ворс», образованный органическими концами молекул силиконов, обладает замечательной способностью совершенно не

139

впитывать и даже как бы отталкивать попадающую на него воду. Это свойство называется гидрофобностью. В природе и в технике мы нередко встречаемся с органическими соединениями, которые могут придать поверхности твердого тела гидрофобные свойства. Так, оперение гусей, уток и других водоплавающих птиц покрыто тончайшим слоем веществ, являющихся продуктом выделения желез птицы; эти вещества обладают способностью отталкивать воду. Или, например, для изготовления гидрофобного цемента вводят в мельницу при помоле клинкера специальные добавки, которые создают тончайшие «водоотталкивающие» пленки на цементных зернах. Такой цемент обладает способностью не портиться при длительном хранении во влажных условиях и даже под водой, так как водяные капли с него скатываются как «с гуся вода»1. В этих примерах гидрофобизация поверхности обусловливается, как и в силиконах, закономерной ориентацией органических молекул, ответвления которых обращены наружу. Известен вообще большой ряд гидрофобных материалов: парафин, лаковые пленки, различные смолы, битумы, воск и др. Среди различных веществ, которые при нанесении на поверхность твердого тела способны придавать ему гидрофобные свойства, кремнийорганические соединения являются наиболее эффективными. Применяемые в виде жидкостей, они просачиваются по микроканалам и порам обрабатываемого материала на некоторую глубину и там, взаимодействуя с влагой, имеющейся в материале2, подвергаются химическим превращениям. В результате стенки пор в поверхностном слое известняка, бетона, гипса или древесно-волокнистых плит оказываются покрытыми тончайшей пленкой, прочно связанной с самим материалом. Эта пленка, толщиной всего в несколько микрон обладает высокой гидрофобностью и в то же время способна пропускать водяные пары, а также воздух, т. е. материал, находящийся, например, в конструкции стены, сохраняет, как иногда образно отмечают строители, способность «дышать». При обработке кремнийорганическими соединениями сильно уменьшается водопоглощение пористых материалов. Так, в опытах по покрытию пенобетона двухпроцентным водным раствором кремнийорганического соединения водопоглощение снизилось с 20—25 до 7% (по объему). Стойкость материалов против атмосферных воздействий существенно повышается; изделия из древесины, кроме того, становятся несколько менее возгораемыми. Следует отметить, что цвет и фактура поверхности материала, обработанного кремнийорганическим соединением, не изменяются. Пропитка этими соединениями оказывает защитное действие на протяжении 6 - 10 лет, после чего должна быть возобновлена. ________________________________________________________ 1

Но когда гидрофобный цемент в присутствии воды смешивают с песком и щебнем, то целостность гидрофобной пленки нарушается; поэтому процессы смешивания и твердения происходят нормально, как у обычного цемента. 2 Обрабатывать нужно предварительно увлажненные материалы.

140

Кремнийорганические соединения, применяемые для поверхностной пропитки строительных изделий или готовых конструкций, выпускаются химической промышленностью под названием ГКЖ (гидрофобизующие кремнийорганические жидкости). Особенно рекомендуется ГКЖ-94 в виде бесцветной вязкой жидкости, которую перед употреблением нужно разбавить органическими растворителями, или в виде водной 50-процентной эмульсии молочно-белого цвета; на месте работ 1 часть эмульсии смешивают с 10 частями воды. Менее желательно использование жидкостей ГКЖ-10 и ГКЖ-11, так как они, хотя и приводят к хорошей гидрофобизации материалов, но могут иногда вызвать на их поверхности солевые налеты (выцветы). Для пропитки древесно-волокнистых плит и листов гипсовой сухой штукатурки целесообразно применять раствор ГКЖ в летучем растворителе, а для обработки цементно-бетонных изделий, известняка и мрамора – в виде водной эмульсии. При нанесении за один раз на поверхность плотных материалов расход жидкости, считая на 100-процентную ГКЖ, колеблется от 12 до 20 г/м2. При обработке же пористых материалов расход кремнийорганической смолы значительно больше и достигает в некоторых случаях 1 кг на 8 – 12 м2 обрабатываемой поверхности. Наряду с пропиткой материалов кремнийорганическими жидкостями можно обрабатывать поверхности материалов и изделий парами летучих кремнийорганических соединений. Для этого применяют, например, метил или этилхлорсиланы, при нормальной температуре представляющие собой жидкости. Нагревая такие жидкости, получают их пары, которые, осаждаясь на предварительно увлажненных изделиях из керамики, цемента, древесины, образуют в результате реакции с водой тончайшую пленку, обладающую гидрофобными свойствами. Если в парах кремнийорганических соединений выдержать влажную минеральную вату, то волокна ваты оказываются склеенными друг с другом при помощи тех же пленок. Таким способом можно получать минеральные изделия в виде плит или скорлуп. Кремнийорганические соединения служат не только для повышения атмосферостойкости материалов, но одновременно и для придания им красивого внешнего вида. На основе силиконов изготовляют разнообразные краски и лаки. Большинство из них отличается высокой термической стойкостью. Например, кремнийорганический жароупорный лак ФГ-9 выдерживает температуру до 450 – 500°. Некоторые кремнийорганические соединения могут служить добавками в бетонные смеси для уменьшения водопроницаемости и повышения морозостойкости бетонов. Хорошие результаты дает также введение кремнийорганических смол в гипсовую или гипсопесчаную массу: водостойкость изделий при этом повышается. Добавка смолы обычно составляет 0,6 – 1,0% от веса цемента или гипса. Большой интерес представляют также краски на основе хлорпроизводных синтетического каучука. В состав краски входят хлорированный каучук, пластификатор, пигмент и растворитель. Хлоркаучуковые краски быстро высыхают, образуя очень прочную и эластичную пленку,

141

отличающуюся почти абсолютной водонепроницаемостью и высокой кислотои щелочестойкостью. Такие краски предназначаются главным образом для окраски стен в электролизных, травильных, красильных и других цехах, где нужна стойкость красочного покрытия к вредным химическим воздействиям, а также для окраски различных бетонных поверхностей, например в плавательных бассейнах и резервуарах для сточных вод. Хлоркаучуковые составы пригодны для окраски стальных конструкций по соответственно подобранному грунтовочному слою. Хлоркаучуковые покрытия выдерживают нагревание до 120° С. Высококачественный лак для паркетных и дощатых полов представляет собой раствор мочевиноформальдегидной смолы, пластифицированной полиэфирной смолой, в органических растворителях. Он быстро высыхает, а получаемое покрытие имеет ровный блеск, большую прочность и водостойкость.

4.7. Синтетические клеи Из синтетических смол и каучуков, а также производных целлюлозы изготовляют составы для склеивания однородных (пластмассовых или деревянных и т. д.), а также разнородных материалов, например пластмассы с древесиной и металлом или древесины с металлом. Обычные клеи, которые издавна применяются в столярных, отделочных и других строительных работах, изготовляют из природного сырья. Так, мездровый клей получают, разваривая с водой мездру, остатки шкур и другие отходы кожевенного производства; сырьем для костяного клея служат обезжиренные кости животных; альбуминовый клей готовят из крови, собираемой при убое скота, казеиновый – из молока, мучной – из пшеничной муки, крахмальный – из картофеля. Все эти природные клеящие вещества отличаются недостаточной водостойкостью, поэтому при действии сырости прочность клеевого шва понижается. Кроме того, натуральные клеи, подвергаясь гниению, могут полностью разрушаться. Клеи из синтетических материалов, благодаря исключительно высокой клеящей способности и водостойкости незагнивают, имеют очевидные преимущества перед клеями растительного или животного происхождения. К тому же существуют смоляные составы , которые в отличие от природных клеев обладают свойством хорошо сцепляться не только с каким-либо одним, но и с самыми различными материалами (древесиной, пластическими массами, металлами, керамикой, стеклом, природными камнями). Такие клеи называют универсальными. Синтетические клеи дают возможность просто и быстро производить сборку некоторых строительных изделий и конструкций, отличающихся большей прочностью, чем конструкции, механически скрепляемые на гвоздях, болтах или с помощью врубовых сопряжений. Синтетические клеи выпускаются в виде жидкостей, порошков и пленок. Жидкие клеи бывают двух типов. Клеевые составы первого типа представляют собой растворы смол, каучуков или производных целлюлозы в каком-либо

142

органическом летучем растворителе, например в спирте, ацетоне, дихлорэтане. После испарения растворителя получается твердое клеевое соединение. Клеи второго типа — это растворы специально приготовленных смол в воде. Такой водный раствор можно хранить в течение нескольких месяцев, и он не загустевает. Перед употреблением в клеи вводят специальную добавку— отвердитель, благодаря которой твердение клеевого шва происходит быстро, заканчиваясь при комнатной температуре через несколько часов. Иногда применяют клей без отвердителя, но тогда надо нагревать клеевое соединение до 100—150° для ускорения твердения. Жидкие клеи обычно содержат 40— 70% твердого клеящего вещества . Из жидких клеев распространены фенолоформальдегидные, меламиноформальдегидные, мочевиноформальдегидные, эпоксидные, фенолоформальдегидные с бутварной смолой (например, типа БФ) и др. В последнее время предложены также поливинилацетатные смолы, иногда с добавкой силиконов, для склеивания древесины, стекла, керамики и металла между собой. Эти клеи образуют шов, отличающийся эластичностью, а также значительной стойкостью к действию пониженных и повышенных температур. Порошкообразные клеи применяют значительно реже, чем жидкие. Перед употреблением порошок обычно растворяют, но иногда его применяют в сухом виде. Так, например, для склеивания металла с деревом металлические листы опыляют порошком, изготовленным на основе поливиниловой смолы, а древесину покрывают раствором фенолоформальдегидной смолы. Затем изделие выдерживают под давлением и клей затвердевает. Из клеев в виде тонких пленок наиболее известны фенолоформальдегидные; такую пленку часто называют бакелитовой. Пленку получают, пропитывая очень тонкую бумагу (толщиной около 0,025 мм) раствором фенолоформальдегидной смолы. В этот раствор обычно вводят пластификатор, например глицерин, чтобы пленка получалась достаточно гибкой и могла применяться для склеивания криволинейных и других элементов, имеющих сложные очертания. После сушки клеевую пленку разрезают на листы определенного размера или сворачивают в рулоны. В рулоне может быть до 1200 м пленки шириной до 1,2 м, а иногда до 1,8 м, толщина пленки от 0,08 до 0,25 мм, содержание смолы от 35 до 60% от веса пленки; 100 г пленки достаточно для 1,5 - 2 м2 поверхности склейки. Положив пленку между склеиваемыми элементами, изделие прессуют при повышенной температуре; при этом в результате отверждения получается прочный клеевой шов. Таким путем можно изготовлять, например, водостойкую фанеру, перемежая шпон (листы, получаемые лущением древесных чурок) пленкой. Клеевую пленку применяют не только для склеивания древесины с древесиной, но и для приклеивания тонких листов металла к дереву, а также при нанесении на металл слоя синтетической смолы, что иногда делают, чтобы предохранить металл от коррозии. Для каждого вида работ приходится подбирать наиболее подходящий клей, учитывая не только его клеящую способность по отношению к данным материалам, но также длительность выдержки склеиваемых элементов под

143

давлением и при определенной температуре. Чаще всего удельное давление запрессовки бывает в пределах 0,05 – 0,5 МПа, температура — начиная от 10 — 15° и до 150°С, в запрессовочном приспособлении элементы часто выдерживают 8 — 12 часов и даже 18 — 24 часа. Применяя современные методы ускоренной склейки (в поле токов высокой частоты и под действием инфракрасных лучей), эти сроки удается сократить иногда до нескольких минут. Часто требуются клеи, дающие малоусадочный клеевой шов и притом такой, у которого коэффициент температурного расширения не намного отличается от коэффициента температурного расширения склеиваемого материала. Последнее требование вызывается стремлением предотвратить возникновение механических напряжений в полученном изделии при повышении или понижении температуры, хотя клеевой шов из синтетических материалов часто обладает некоторой упругостью и пластичностью, особенно при повышении температуры, что в известной мере ослабляет механические напряжения. Но все же в таких случаях выбирают клей на соответствующем связующем, а также вводят в клеевой состав наполнитель (древесную муку, размолотый кокс и др.), уменьшающий усадку и температурное расширение и вместе с тем удешевляющий клеевой состав. Большой практический опыт применения синтетических клеев накоплен при изготовлении клееных изделий и конструкций из древесины. Фанера смоляная водостойкая (ФСВ), т. е. изготовленная на жидких смоляных клеях или бакелитовой пленке, отличается от обычной фанеры, сделанной на белковых клеях, водостойкостью, гнилостойкостью, а также повышенной прочностью склейки. Таким образом, создается материал высокого качества, значительно превосходящий по долговечности фанеру обычного типа. Бакелитовая фанера обычно имеет толщину от 5 до 16 мм. Из водостойкой смоляной фанеры можно делать балки, арки, рамы, щиты и другие элементы конструкций. Например, конструкция клееных фанерных щитов с утеплителем на синтетических смолах для стен сборных и сборно-разборных жилых зданий некапитального типа представляет собой листы водостойкой пятислойной фанеры толщиной 8 мм; обвязка сделана из деревянных брусков; утеплителем служат древесные опилки с фенолоформальдегидной смолой в качестве связующего вещества. При расходе смолы около 5 — 6% (считая на сухое вещество) и применении небольшого давления при запрессовке утеплитель имеет малый объемный вес — около 200 — 250 кг/м3 и обладает хорошими теплозащитными свойствами. Это позволяет выпускать для строительства в средней климатической полосе стеновые щиты толщиной всего лишь в 11 см. Длина щитов около 3 м, ширина 1,2 м. Склеиванием древесных заготовок из обычного или маломерного по длине и сечению пиленого материала можно получать не только изделия, подобные дверным полотнам, оконным и дверным коробкам, щитам для полов, но также и крупные конструктивные элементы почти любой формы: балки, в том числе таврового и двутаврового профиля, прогоны перекрытий, фермы, сваи,

144

шпунты и др. Некоторые такие конструкции дают значительную, достигающую 50%, экономию пиленых материалов. Склеивание полностью исключает гвоздевые, болтовые и врубовые сопряжения и дает возможность почти без ограничений стыковать даже короткомерные элементы по ширине, толщине и длине. В клееных конструкциях отдельные слои древесины часто располагают таким образом, что ослабляется свойственная древесине анизотропность и уменьшается местное влияние трещин, сучков, косослоя и других пороков. Поэтому клееные элементы обычно прочнее цельных. При изготовлении конструкций склеиванием тонких элементов предотвращаются усушка и коробление. Клееные конструкции отличаются также повышенной гнилостойкостью и меньшей возгораемостью, чем обычные деревянные. Применение синтетических клеев явилось одним из важнейших условий, способствовавших развитию производства деревянных клееных конструкций, которые ныне выпускаются в значительных количествах домостроительными комбинатами и другими предприятиями. В настоящее время методы промышленного изготовления изделий и конструкций, осуществляемые с помощью синтетических клеев, не ограничиваются использованием древесины. Так, склеиванием изготовляют трехслойные конструкции из асбестоцементных листов с теплоизоляционными вкладышами в виде ячеистых пластмасс или сотопластов. Склеивать можно и металлы. Большие перспективы сулит применение полимеров для склеивания цементных, бетонных и железобетонных изделий и конструкций. При изготовлении клееных конструкций часто применяют компактные механизированные установки. Например, покрытые синтетическим клеем листы помещают на горизонтальный транспортер. Листы проходят под аппаратом, в котором имеется источник инфракрасных лучей, и под влиянием облучения быстро нагреваются. Затем листы складывают вместе и прокатывают на фрикционных валках. Таким способом можно склеивать дерево, металл, бумагу, сталь и, в частности, получать слоистые материалы, представляющие собой два слоя фанеры или металла с прокладкой из сотопласта. Иногда применяются также полуавтоматические и автоматические комплекты установок. Существуют также способы сваривания заготовок, деталей и элементов конструкций из пластмасс. Так, например, для изготовления шовных труб из органического стекла иногда применяют заготовку в виде плоского листа. Этому листу придают цилиндрическую форму с помощью обогреваемой оформляющей трубы. Кромки сваривают мгновенным оплавлением их, например в струе горячего воздуха. Часто применяют присадочный пруток из того же материала. Такой вид сварки напоминает газовую сварку металлов. Существует также контактный метод сварки. Собранные заготовки зажимают под давлением и нагревают до размягчения поверхностей свариваемых элементов. Под действием температуры и давления происходит самослипание материала. Сваривать можно только изделия из

145

термопластичных связующих, таких как полистирол, полиэтилен, органическое стекло, поливинилхлорид, целлулоид. Детали из некоторых пластмасс, изготовленных с применением термопластичных смол, иногда склеивают с помощью растворителей. Растворитель, которым промазывают материал, вызывает набухание и размягчение поверхности материала, что придает ей клейкость, необходимую для прочного соединения одного элемента с другим. При склеивании заготовок из органического стекла растворителем служит дихлорэтан, склеивание листов полистирола производят бензолом. Чтобы повысить вязкость растворителя и тем самым сделать его более удобным для работы, в него добавляют 2 — 4% - й смолы, из которой сделаны склеиваемые детали. Клеевые швы, сделанные с помощью синтетических материалов, очень прочны. Прочность склейки настолько велика, что деревянные конструкции, соединенные фенолоформальдегидными или эпоксидными смолами, при предельной нагрузке разрушаются по цельной древесине, а не по шву. Аналогичные результаты были получены при испытании клееных бетонных элементов. Эпоксидные клеевые швы не теряют прочности при температурах от —50 до +150°. Клеевые швы, кроме того, водостойки и долговечны. Таким образом, синтетическими клеями «намертво» соединяются разнообразные материалы при сборке и наращивании изделий и конструкций. Клеи из синтетических материалов позволяют, подобно сварке, создавать монолитные изделия и конструкции из маломерных и притом часто разнородных материалов или специальных заготовок. Относительная несложность и быстрота сборки клееных конструкций находится в соответствии с общими требованиями, предъявляемыми к изделиям для промышленного строительства.

4.8. Трубопроводы и санитарно-техническое оборудование У нас в стране с небывалым упорством продолжают транспортировать воду по ржавым и дырявым трубам. Ежегодно около 70000 млрд литров воды закачивается в различные трубопроводы и из них каждый третий литр не доходит до потребителя. Если это перевести на деньги, то стоимость потерь воды составит примерно 600 млрд руб. А если к этому добавить ущерб, нанесенный здоровью человека, оценить моральный и материальный ущерб от аварий на трубопроводах, то числа становятся астрономическими. Пластмассовые трубы отличаются большой легкостью и достаточной прочностью. Внутренняя поверхность у них очень гладкая, благодаря чему потери давления при прохождении жидкости, например в полиэтиленовых трубах, на 10% меньше, чем в новых стальных. Трубы, изготовленные из пластмасс, стойки к действию кислот, щелочей, сточных вод и не подвержены электрохимической коррозии. Поэтому пластмассовые трубы имеют важное значение, в частности для тех предприятий, где технологические процессы связаны с транспортированием различных агрессивных жидкостей. Химические заводы оснащены трубопроводами значительной протяженности, для которых

146

часто используются свинец, медь, высоколегированные стали и даже серебро. Эти дорогостоящие металлы в некоторых случаях могут быть заменены пластмассами. При сооружении внутренних водопроводных и канализационных сетей, а также внутренних систем газоснабжения применяют трубы, изготовленные из поливинилхлоридной смолы (винипласта). Винипластовые трубы удобно изгибать при укладке, нагревая их, и легко сваривать в струе горячего сжатого воздуха. Так как винипласт обладает невысокой температурой размягчения, то эти трубы не пригодны для горячих жидкостей (с температурой больше 60 – 700). Имеются значительно более температуростойкие трубы. Так, трубы из особого вида — полипропилена — могут служить при температуре до 130°, но по ним нельзя пропускать органические жидкости, так как полипропилен может набухать и растворяться. Изготовляются и полиэтиленовые трубы. Характерными их особенностями являются большая легкость (полиэтиленовые трубы в 8 — 10 раз легче стальных) и эластичность. Благодаря этому трубу длиной в несколько сот метров можно наматывать на барабан, что удобно для транспортирования и укладки. Эластичность не теряется на морозе даже при температуре до —70°, поэтому при замерзании воды полиэтиленовые трубы не разрушаются. Эти трубы применяют в основном для водопроводных сетей. Известны также трубы из фенолоформальдегидной смолы с асбестовым волокном в качестве наполнителя (фаолит) и текстолитовые — из хлопчатобумажной ткани, пропитанной фенолоформальдегидной смолой. Сейчас, как никогда, актуальны научно-технические разработки высоких технологий в области производства многослойных металлополимерных труб. Эти трубы, сочетающие в себе достоинства металла и пластика (см. табл. 4.11 и рис. 4.15), находят все более широкое применение во всем мире в системах водоснабжения и отопления за счет своей технологичности и значительно более длительного срока эксплуатации по сравнению с традиционными стальными трубами. Таблица 4.11 Технические характеристики металлопластиковых труб Рабочее давление, МПа Гидростатическое давление, при котором наступает разрушение стенки (для труб Ду 12), МПа Теплопроводность, Вт/(м·К) Рабочая температура, °С Коэффициент линейного расширения, мм/(м·К) Коэффициент эквивалентной равномерной зернистой шероховатости Масса 1 м трубы Ду 12, гр Срок службы, лет Радиус изгиба

не менее 2,0 от 6,5 до 8,4 0,45 от -40 до +95 0,000025 0,0106 98 до 50 5 диаметров

147

Из пластмасс производят также фасонные части для санитарнотехнических систем, умывальники, смывные бачки, мойки, ванны, детали оборудования кухонь, различные краны, смесители.

Рис.4.15. Схема металлопластикового трубопровода в разрезе

Санитарно-технические приборы из пластмасс делают с более тонкими стенками, чем приборы чугунные и фаянсовые, они не нуждаются в дорогостоящих защитных слоях из эмалей или глазурей. Поэтому, например, пластмассовая ванна при толщине стенок около 3 мм весит всего 7 -12 кг, т. е. примерно в 10 раз меньше, чем чугунная эмалированная ванна, и обходится дешевле. Санитарные узлы в помещениях могут быть построены и оборудованы целиком или почти полностью из пластмассовых материалов.

4.9. Полимерцементные строительные растворы и бетоны При введении небольших количеств (обычно от 0,2 – 0,5% ДО 5 – 12%) каучука или синтетической смолы в цементное либо гипсовое тесто или в бетонную смесь свойства отвердевшего материала существенно улучшаются: повышается упругость, увеличивается сопротивление растяжению, уменьшаются водопоглощение и водопроницаемость. Получаемые материалы называют полимерцементом, полимергипсом или полимербетоном. Для того чтобы равномерно распределить добавку полимера в массе цементного или гипсового теста, пользуются водными эмульсиями и суспензиями каучуков и синтетических смол. Эмульсия, как уже было указано это система, составленная двумя взаимно нерастворимыми жидкостями, из которых одна распределена в другой в форме мельчайших капелек. Суспензия (от латинского слова «суспендо», что означает вешать, подвешивать) представляет собой взвесь тонких частиц твердого тела в жидкости. Эмульсии и суспензии относятся к дисперсным системам (от латинского слова «диспергио» - рассеивать, распределять), т. е. к системам, отличающимся очень малыми размерами частиц. Таким образом, цемент или гипс затворяют не как обычно на воде, а на водной дисперсии полимера. Для этой цели первоначально применяли латекс натурального каучука. Латекс разбавляли водой, содержащей эмульгаторы и добавки, предотвращающие быстрое свертывание (коагуляцию) латекса; примешивали также вещества, которые вызывают вулканизацию каучука, т. е. превращение его в резину. Полученная жидкость служила для затворения смеси белого или обычного цемента с древесными опилками,

148

дробленой пробкой, песком, мраморной крошкой и красителями. Процесс вулканизации каучука протекал параллельно с процессом твердения цемента. Во время второй мировой войны, когда не хватало натурального каучука и стали производить в значительных количествах синтетический каучук, для изготовления «резинового» полимерцемента начали применять латексы синтетических каучуков и эмульсии, изготовляемые из регенерированного, т. е. полученного из вторичного сырья, каучука. Этими материалами преимущественно пользуются и в настоящее время. Добавка латексов понижает водо- и нефтепроницаемость бетонов, повышает их упругость, сопротивление изгибу и удару и увеличивает кислотостойкость. Поэтому «резиновые» полимерцементы стали применять для устройства чистых полов (в виде плиток и бесшовных покрытий), а также для облицовок различных резервуаров. В последние годы проводятся широкие исследования полимерцементов и бетонов, изготовленных на водных эмульсиях поливинилацетата, поливинилхлорида, полистирола и других синтетических смол, а также с применением кремнийорганических соединений. Некоторые из добавок существенно уменьшают расслоение бетонной смеси, улучшают сцепление с арматурой и повышают прочность бетона на растяжение и изгиб, а также увеличивают стойкость материала. Поэтому смеси цемента с полимерами иногда применяют в качестве гидроизоляционного материала, например при устройстве плоских крыш, балконов, террас. При затворении гипса на водных дисперсиях фенолоформальдегидных, карбамидных или фурфурольных смол или при пропитывании ими гипсовых изделий значительно повышается водостойкость гипса и увеличивается его прочность. Цементные строительные растворы с добавками синтетических смол нашли применение в качестве защитных слоев для резервуаров, труб, а также служат материалом для устройства полов. Из композиций цемента или гипса с синтетическими смолами и пигментами получаются стойкие штукатурки разных цветов. Перспективным является и полимерасбестоцемент для кровель, труб и панелей. Используется полимербетон и в дорожном строительстве, например при ремонте цементно-бетонных дорожных покрытий. Большие перспективы сулит также применение быстротвердеющего полимербетона; ускорение твердения достигается использованием многочастотных механических и электрических колебаний. Существует еще особый вид полимерцементного бетона; он изготовляется, как обычно, из цемента, заполнителей и воды, но с применением синтетических волокон, например нейлоновых. Волокно размещают пучками при укладке бетона. По зарубежным данным такой «нейлон-бетон», имея прочность при сжатии около 45 МПа, обладает очень высокой прочностью при изгибе, достигающей 25 МПа, что в среднем примерно в 4 раза больше, чем у обычного бетона. Следует отметить, что в каждом отдельном случае изготовления полимерцементных растворов или бетонов нужно подбирать специальные полимеры, учитывая вид цемента, свойства заполнителей и условия службы материала в конструкции. Особую важность представляет изучение вопросов

149

связанных с оценкой степени долговечности полимерцементов. Любопытно отметить, что некоторые сведения, которые косвенным путем указывают на возможность получать при добавках полимеров весьма стойкие во времени бетоны, можно почерпнуть из истории древней строительной техники. В старину вещества, содержащие природные полимеры, нередко добавлялись к извести, которая тогда была наиболее распространенным вяжущим материалом. На протяжении многих столетий строительное искусство развивалось на основе выводов практики. Практика привела к использованию свернувшейся крови, собираемой при убое скота, творога, яиц и некоторых других природных продуктов, содержащих в своем составе полимеры, в качестве добавок, улучшающих свойства известковых бетонов и растворов. С этими добавками были знакомы зодчие древнего Рима, древней Руси и других стран. В XIV в. при постройке Карлова моста через реку Влтаву в Праге к известковому тесту прибавляли яйца, разбивая их и вводя желток и белок вместе со скорлупой. Этот каменный шестнадцатипролетный мост существует и поныне. Зодчие и мастера старых времен использовали природные полимеры в строительстве, конечно, только на основе выводов практики, подобно тому, например, как еще более далекие наши предки добывали огонь трением одного куска дерева о другой, не зная, что здесь действует закон превращения механической энергии в тепловую, открытый значительно позднее. В тех животных продуктах, которые в старину применялись в качестве добавок к извести, содержатся наряду с высокомолекулярными полимерными соединениями также низкомолекулярные соединения, являющиеся пластификаторами и гидрофобизаторами бетонов и растворов. Вероятно, главным образом эти низкомолекулярные вещества существенно улучшали качество известковых материалов. Но тот факт, что некоторые природные полимеры, долгие годы находившиеся в составе старинных известковых бетонов и растворов, не повлекли ухудшения их свойств, а, может быть, даже вызвали их улучшение, очень важен. Ведь такие материалы прошли длительную проверку временем в ряде старинных сооружений, сохранившихся до наших дней. Ныне бетоны и растворы изготовляют преимущественно на основе цемента, который, как известно, при твердении всегда выделяет свободную известь. И если некоторые природные полимеры могли находиться в известковой среде старинных известковых бетонов и растворов, сооружения из которых через несколько столетий оказались хорошо сохранившимися, то, естественно, возникает уверенность в возможности выбора искусственных полимеров, не влияющих отрицательно на долговечность и даже повышающих срок службы современных цементных бетонов и растворов.

150

4.10. Применение пластмасс в других областях строительства Изложенные выше сведения о применении пластмасс в строительстве, конечно, не являются полными. Имеется еще ряд областей, где синтетические смолы и другие полимеры могут быть успешно использованы. Приведем несколько примеров. Из высоконаполненных пластмасс, т. е. содержащих большое количество наполнителя, можно изготовлять оконные переплеты и двери. Они выгодно отличаются от оконных переплетов и дверей, сделанных из дерева, тем, что не деформируются при изменении влажности среды, не создают неплотностей в притворах, не гниют и не нуждаются в периодическом окрашивании. Для изготовления дверей иногда применяют водостойкую фанеру и пропитанные синтетическими смолами древесно-волокнистые плиты. Большой интерес представляют двери из стеклопластика, они хорошо пропускают свет, долговечны, трудно воспламеняются по сравнению с деревом. Оконные переплеты из стеклопластика менее теплопроводны, чем стальные или алюминиевые, и обходятся дешевле. Стеклопластиковые оконные переплеты можно навешивать на пластмассовых шарнирах, которые крепятся специальным синтетическим клеем. Следует отметить, что применение пластмассовых оконных и дверных переплетов вместо обычных дает выигрыш в цене и качестве и сокращает расход цветных металлов. Родиной современных окон с переплетами из ПВХ (в дальнейшем - окон из ПВХ), по общему признанию является Германия. Именно здесь в 1954 году оконные профили из ПВХ были впервые запущены в серийное производство. На сегодняшний день по разнообразию оконных профилей, оконные ПВХ системы являются наиболее гибкими и технологичными. Относительно низкая стоимость сырья и производства, наряду с хорошими физическими характеристиками (низкая теплопроводность, достаточно высокая химическая стойкость), сделали их самыми массовыми в центральной Европе. Вместе с тем, эксплуатация окон из ПВХ в странах с суровым континентальным климатом, к числу которых относится и Россия, связана с определенными техническими ограничениями, обусловленными специфическими свойствами ПВХ. По своему химическому составу ПВХ относится к группе термопластов, для которых характерно быстрое снижение механических свойств при повышении температуры, обусловленное линейным строением молекул полимера и их малой связью друг с другом, снижающейся при нагревании. Такое строение обусловливает сильную зависимость свойств ПВХ от температуры. В настоящее время большинство профилей поставляется на российский рынок из Германии. Все эти профили выполнены из разновидностей ПВХ марки РУС в соответствии с немецкими стандартами. Базовые испытания для ПВХ немецкого производства проводятся при температуре +20°С. При

151

понижении температуры его ударная вязкость падает (увеличивается хрупкость), относительное удлинение при разрыве уменьшается, а прочность на сжатие и изгиб повышается. С повышением температуры относительное удлинение при разрыве увеличивается, прочность на сжатие и изгиб падает. В зоне температур от +10°С до +40°С механические характеристики уменьшаются очень незначительно, и в большинстве случаев этими изменениями можно пренебречь. При использовании ПВХ в интервале температур от +40°С до +60°С действующие на него силовые нагрузки должны быть снижены. При температуре выше +60°С нагруженный ПВХ может находиться лишь очень небольшое время. Точка размягчения находится вблизи температуры +80°С. В зоне отрицательных температур может использоваться только так называемый модифицированный ПВХ, содержащий специальные добавки, увеличивающие его ударную вязкость при температурах ниже 0°С. Такой ПВХ способен хорошо воспринимать динамические нагрузки при температуре не ниже –40°С. ПВХ имеет очень высокий коэффициент температурного расширения, равный 80х10-6 [1/°С]. Для сравнения эта величина для стали и бетона составляет порядка 10х10-6а для стекла – 8,5 х 10-6 [1/°С]. Таким образом, ПВХ имеет коэффициент в 10 раз больший по сравнению со стеклом. Такое соотношение величин приводит к тому, что температурные деформации, а соответственно, и напряжения в профиле и остеклении, резко отличаются по величине. Окна разуплотняются, при этом в профилях начинают накапливаться остаточные деформации. Особенно болезненно на температурные воздействия реагируют цветные (не белые) профили, обладающие более низкими прочностными характеристиками и способные хорошо поглощать тепло. Ниже приведены физические характеристики ПВХ, используемого для производства оконных профилей: Объемный вес, кг /м3 Температура размягчения, °С . Отрицательная температура разрушения, 0С Теплопроводность, Вт/(м·К) Удельная теплоемкость, кДж /(кг·К) Коэффициент температурного расширения, 1/°С Модуль упругости, Н/ м2 Предел прочности при разрыве, Н/ м2 Предел прочности на сжатие, Н/ м2 Ударная вязкость образца с надрезом, кДж/м , при +20°С Ударная вязкость образца с надрезом, кДж /м2 ,при 0°С Ударная вязкость, кДж/м2 ,при –40°С

1430 82 –40 0,16 1,00 80х10-6 2,7х108 48х106 80-90 х106 30 8 Неразрушаемый

ПВХ-профили получают методом экструзии – непрерывного выдавливания размягченного материала через отверстие определенного сечения, определяемого типом фильеры (детали машины для формования химических волокон в виде колпачка или пластины) при температуре 80–120°С. При этом для получения требуемых свойств профилей – светостойкости,

152

устойчивости к атмосферным воздействиям, цветового оттенка, качества поверхности, свариваемости и т.п., в ПВХ добавляют стабилизаторы, модификаторы, пигменты и вспомогательные добавки. По своей конструкции все ПВХ-системы, независимо от производителя, образованы тонкостенными полыми профилями, имеющими несколько камер, заполненных воздухом. В зависимости от предъявляемых требований, могут использоваться одно-, двух-, трех- и четырехкамерные профили. При этом, с увеличением числа камер растет значение термического сопротивления профиля. Толщина стенок профиля, в зависимости от расположения, составляет 1,5–3 мм. Оконная система образуется основными и дополнительными профилями. Основные профили формируют базу всей системы. К основным относят профили коробок, створок, импостов и поперечин, а также специальные профили для распашных окон (в некоторых источниках – профили с нащельной манжетой (штульпом) или упорной планкой – так называемые штульповые профили). Все производители выпускают по нескольку наименований основных профилей. При этом в зависимости от архитектурной композиции и расчетных нагрузок, основные профили устанавливаются в окне в различных комбинациях. Наиболее распространенные в настоящее время профили имеют три камеры (рис. 4.16): основную (поз.1), дренажную (поз.2) и камеру для крепления фурнитуры (поз.3). При этом трехкамерный профиль применяется далеко не всегда. Все крупные производители предлагают вариации профилей, различающиеся по количеству камер, что дает возможность проектировщику более гибко адаптироваться к конкретным решаемым задачам. Так, например, в профиль может быть добавлена дополнительная камера для повышения его термического сопротивления (рис. 4.16, б), или же, наоборот, одна из камер может быть ликвидирована в пользу более мощного армирования (рис. 4.16, в) для восприятия повышенных статических нагрузок. Рама и створка могут иметь наружные поверхности, расположенные в одной плоскости или же смещенные друг относительно друга. При расположении рамы и створки вровень, в профиле появляются дополнительные камеры - предкамеры, что дает возможность устанавливать остекление большей толщины. Такие конструкции называются одноплоскостными (рис. 4.16, д). Рассмотрим назначение каждой камеры на примере комбинации коробки и створки. Основная камера служит для установки усилительного вкладыша (армирующего профиля, в дальнейшем - армирования). Сечение усилительного вкладыша и толщину стенок принимают на основании статического расчета профиля на действие ветровых нагрузок, принимая во внимание возможность температурных деформаций.

153

Рис.1.1. Конструкция оконных профилей из ПВХ. Комбинация коробки и створки: а) трехкамерные коробка и створка; б) четырехкамерные коробка и створка; в) трехкамерная коробка и двухкамерная створка; г) комбинация коробки и створки со средним уплотнением; д) одноплоскостная комбинация коробки и створки; I - профиль коробки (рама), II - профиль створки (створка), III – штапик; 1 - основная камера, 2 - дренажная камера, 3 - камера для крепления фурнитуры, 4 - дополнительная камера для увеличения термического сопротивления, 5 - армирование, 6 - паз для крепления фурнитуры, 7 - пазы для крепления дополнительных профилей, 8 - паз для крепления штапика, 9 - наклонный фальц для отвода воды, 10 - водоотвод, 11 - уплотнения, 12 - подкладка под стеклопакет

154

Армирующие вкладыши, как правило, выполняются из оцинкованной стали, реже – из алюминия, и предохраняют профили от избыточных прогибов, которые могут иметь место вследствие низкого значения модуля упругости ПВХ. За счет наличия армирующего вкладыша, окна из ПВХ получили свое второе название – металлопластиковые окна. Дренажная камера оконного профиля предназначена для отвода наружу воды, проникающей через уплотнение при сильном дожде и ветре. С этой целью в коробке и створке делается фальц, имеющий наклон к наружному краю, или специальная выемка (поз. 2), куда стекает вода, попадая затем в дренажные отверстия, вырезаемые в нескольких точках по длине коробки и створки в дренажной камере. Геометрия камеры для крепления фурнитуры назначается в соответствии с требованиями производителей оконной фурнитуры, работающих по единым европейским стандартам. Центральный паз для крепления прибора в основной камере предназначен для установки основных элементов фурнитуры (главного механизма с закрепленной в нем оконной ручкой, кронштейнов, обеспечивающих поворотное или поворотнооткидное открывание створки и др.). Для обеспечения воздухо- и водонепроницаемости по всему контуру коробки и створки устанавливаются пористые уплотнения. Система уплотнения имеет два контура – наружный и внутренний. При этом наружное уплотнение может быть установлено как непосредственно по наружному контуру профиля, так и в середине (рис. 4.16, г). В этом случае оно называется средним уплотнением. Оконные уплотнения изготавливаются из материала, обозначаемого аббревиатурой ЭПТК (этилен–пропилен–термополимер–каучук). Международное обозначение – ЕРОМ. ЭПТК–ЕРОМ обладает значительной долговечностью, устойчивостью по отношению к атмосферным воздействиям, высокой прочностью на растяжение (8,3х106 Н/м2) и эластичностью (удлинение при разрыве – 400%). При этом его эластичность сохраняется в интервале температур от –500С до +1200С. Будучи устойчивым к воздействию кислот и щелочей, ЭПТК-ЕРОМ имеет низкую сопротивляемость по отношению к минеральным маслам и жирам; набухает в таких растворителях, как бензин и углеводороды. При этом процесс набухания носит частично обратимый характер. В створке и коробке по всему контуру предусматриваются пазы (поз.8) для крепления штапика. Профиль штапика может быть самым разнообразным и определяется архитектурным замыслом. На штапике находится паз, куда вставляется уплотнитель, плотно прижимающий стеклопакет или стекло. Существуют штапики, выпускающиеся с так называемым коэкструдированным уплотнением, которое составляет со штапиком неразрывное целое. Штапик относится к группе дополнительных профилей. Дополнительные профили в каждой оконной системе отличаются многообразием, в силу чего достаточно сложно поддаются классификации. Однако по функциональному назначению можно принципиально выделить несколько групп наиболее распространенных профилей.

155

К первой группе относятся профили, служащие для обеспечения качественного и технологичного монтажа оконного блока в существующем проеме. К ним относятся подставочные профили, нащельники, удлинители (доборные профили) и облицовочные профили. Вторую группу дополнительных профилей образуют профили, набор которых определяет гибкость и разнообразие архитектурных решений, возможных в рамках данной системы. К этой группе относятся штапики, соединители, всевозможные декоративные накладки, а также поворотные профили. В особую группу следует выделить реставрационные и усилительные профили. Реставрационный профиль представляет собой профиль рамы, закрепляемый на существующую коробку старого окна без ее демонтажа. Применение реставрационных профилей делает работы по замене окна менее трудоемкими и позволяет сохранить устоявшийся за много лет температурновлажностный режим в зоне примыкания окна к стене. В качестве недостатка окон с реставрационным профилем следует отметить уменьшение площади светопроема при замене окон. Усилители применяются в том случае, если тонкий соединительный профиль или импост не проходит по статическому расчету, а применение более мощного импоста невозможно. В некоторых системах при необходимости предусмотрено применение усилителей из алюминия. Наиболее широкое применение усилители находят в витражных конструкциях, для которых не предусмотрены какие-либо другие специальные профили. Бруски из пластмассового органического стекла типа плексиглас применяют в качестве оправы при остеклении оконных проемов и световых фонарей в зданиях. Листы стекла с такой оправой выглядят как единая прозрачная плоскость. Если стекло несъемное, например в световых фонарях, то его приклеивают к пластмассовой оправе водостойким плексигласовым клеем. Плоские и волнистые листы стеклопластика, а также неармированного плексигласа могут служить материалом для заполнения ограждений лестниц, балконов, лоджий и устройства навесов над входами и витринами. Такие ограждения светопроницаемы и отличаются прочностью, стойкостью к атмосферным воздействиям и красивым внешним видом; они могут иметь белый, кремовый, светло-зеленый, бледно-голубой или розовый цвет. Из плексигласа делают в отдельных случаях прозрачные перегородки в общественных помещениях. Из пластмасс делают легкие подвесные желоба и водосточные трубы. Пластмассовые плинтусы, наличники и другие профили долговечны, красивы и позволяют устраивать под ними скрытую проводку; профили из поливинилхлорида и ацетилцеллюлозы обходятся не дороже окрашенных деревянных. На рис. 4.17 изображены некоторые профили: плинтус высотой 60 и 75 мм, профили для поручней лестничных перил, уголки для лестничных ступеней. При креплении пластмассовых профилей их можно нагревать и в

156

размягченном виде стыковать («сваривать»). На рис. 4.18 показано крепление плинтуса, состоящего из неотделанного соснового бруска конической формы и водостойкой фанеры, изготовленной на синтетической смоле. Свободное пространство между двумя частями плинтуса используется для проводок. Мы уже говорили о применении пластмассовых пленок как гидроизоляционных материалов. Эти пленки применяют также для получения гладкой поверхности бетона при его формовании в деревянной опалубке. Если, например, бетонируя междуэтажное перекрытие, хотят иметь поверхность потолка, вполне готовую к окраске, то по опалубке расстилают большие листы пленки, представляющей собой бумагу, покрытую полиэтиленом.

Рис. 4.17. Пластмассовые профили: а — плинтус: 1 — основание пола, 2 — настил из пластифицированного поливинилхлорида (полихлорвинила), 3 — место «сварки» плинтуса с настилом, 4 — плинтус, 5 — штукатурка, б — поручень лестничных перил (видна металлическая полоса, на которую насаживается профиль), в — защитные уголки для лестничных ступеней: 1 — настил из пластифицированного поливинилхлорида (полихлорвинила); 2 — место склейки, 3 — место «сварки», 4 — уголок, 5 — ступень лестницы

После снятия опалубки пленку при помощи специальной липкой ленты можно оставить на бетоне, чтобы предотвратить испарение из него воды, тогда повышается прочность бетона, особенно его поверхностного слоя. Пластмассовую пленку можно также наклеивать на внутреннюю поверхность форм, применяемых для изготовления железобетонных изделий; тогда формы не нужно смазывать, изделия легко распалубливаются, их поверхность получается гладкой и чистой. Некоторые пластмассы, например стеклопластики, можно применять вместо дерева или металла для изготовления легких форм, отличающихся к тому же гладкостью внутренней поверхности; при этом, как и в случае использования пластмассовых пленок, отпадает необходимость в смазке форм, облегчается распалубливание изделий и улучшается их внешний вид. Оклейка форм пластмассовыми пленками, а также изготовление форм из стеклопластиков - важное мероприятие для заводов железобетонных изделий.

157

Рис. 4.18. Схема крепления плинтуса

При применении обычных форм их внутренние поверхности смазывают отработанным маслом, масляными эмульсиями или другими специальными составами; после каждого оборота формы ее приходится очищать. Эти операции почти всегда выполняют вручную, они трудоемки и обходятся дорого. Кроме того, на поверхности изделий часто остаются масляные пятна, что ухудшает их вид или нарушает сцепление с облицовочным слоем. Применение же пластмассовых материалов, исключающих смазку форм, либо позволяет выпускать законченные изделия, не нуждающиеся в отделке поверхностей, либо дает возможность эффективно использовать методы индустриальной отделки железобетонных изделий, в первую очередь для крупноэлементных зданий. Считают, что внедрение оклеенных пленок или цельных пластмассовых форм благоприятно скажется также на уменьшении изнашиваемости форм для бетонных и железобетонных изделий. Другой важной областью использования полимеров в строительстве является их применение для облагораживания древесины. Древесину пропитывают синтетическими смолами подобно тому, как например, железнодорожные шпалы пропитывают природными каменноугольными смолами. Можно также обрабатывать древесину некоторыми веществами, образующими в ее порах смолу. Для этого применяют, например, фурфурол, фенол и аммиак, которые проникают в древесину под давлением и превращаются в ней при повышенной температуре в синтетическую смолу. Древесина сосны или березы, пропитанная синтетическими смолами, приобретает ряд ценных свойств: она не коробится, не гниет, легко полируется и имеет красивый внешний вид, так что даже может имитировать дорогие породы дерева. Если до обработки древесина поглощает, например, 35 – 40% воды, то после обработки синтетическими смолами водопоглощение снижается до 0,5 – 0,8%. Древесина, облагороженная синтетическими смолами, может

158

применяться главным образом для столярных изделий, а иногда в виде брусчатки для мостовых. Синтетическими смолами можно пропитывать также мягкие и легко обрабатываемые, но не атмосфероустойчивые природные каменные материалы, например некоторые известняки и песчаники. Это делается для того, чтобы повысить их прочность, твердость, морозостойкость и придать способность полироваться. Достаточно глубокая пропитка достигается, если сперва вакуумируют камень, а затем в него под давлением нагнетают смолу. Ячеистые материалы из синтетических смол могут быть использованы в качестве заполнителя для легких бетонов. Опыты проводились с дробленым стиропором (ячеистым полистиролом), который смешивали с цементом, песком и водой. Отвердевшие изделия при объемном весе около 800 кг/м3 показали прочность при изгибе, равную 0,4 – 0,5 МПа; водопоглощение было значительно меньше, чем у обычных легких бетонов, имеющих такой же объемный вес. Существует еще ряд областей применения пластмасс в строительстве: из смеси полимеров с песком получают кислотостойкую замазку; из пластмасс делают легкие, прочные и удобные в эксплуатации люльки для наружных работ; глянцевые твердые пленки из пластмасс (холодные глазури), наносимые на асбестоцемент и бетон, повышают стойкость и придают декоративные свойства изделиям; стержни из стеклопластиков, сечение которых более чем на 50% состоит из стекловолокна, можно применять вместо стальной арматуры для предварительно напряженного железобетона.

159

Глава 5. СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПЛАСТМАССОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ 5.1 Клеевые соединения Основным средством соединения пластмассовых элементов между собой и с различными материалами является склеивание. По сравнению с другими видами соединений клеевые обладают рядом преимуществ, главными из которых являются прочность, отсутствие ослаблений, плотность и непрерывность, возможность эффективного соединения разнородных материалов. Синтетические смолы дают возможность изготовить клей, имеющий практически любые заранее заданные свойства. Как правило, синтетические клеи биостойки, водостойки, технологичны. Эти качества позволили синтетическим клеям вытеснить клеи животного происхождения, основанные на природных высокомолекулярных соединениях. Общим недостатком клеевых швов является их пониженная теплостойкость, вытекающая из органической природы большинства смол, применяющихся для изготовления клеев. Однако в настоящее время получены термостойкие клеи, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к строительным конструкциям. Синтетический клей получают на основе любой синтетической смолы, от нее он отличается разными добавками. Кроме смолы клей может содержать нижеперечисленные компоненты. Отвердители применяют для получения пластмасс и для отверждения смолы в нормальных условиях, т. е. при температуре 15—40° С. Получаемый клей носит при этом название клея «холодного отверждения». При высокой температуре порядка 120—150° С смола отверждается без отвердителя. Клей при этом называют клеем «горячего отверждения». Различают иногда клеи «теплого отверждения», получаемые при промежуточных температурах. Клеи горячего отверждения применяют в заводских условиях, холодного, а также теплого отверждения — при монтаже конструкций. Пластификаторы придают клеевому шву пластичность, уменьшая его хрупкость, что важно для включения шва в работу полностью по всей площади, хрупкий же шов разрушается по частям. Пластификаторами являются различные органические или простые неорганические вещества, а также смолы других марок. В последнем случае клей называют совмещенным. Наполнитель в виде порошка очень тонкого помола (цемент, кремнефтористый натрий, древесная мука и т. д.) добавляют в смолу для получения клея при соединении пористых веществ. Наполнитель придает клею «зазорозаполняющее» свойство. Кроме того, наполнитель уменьшает усадку, увеличивает прочность, дает экономию смолы. Разбавитель обеспечивает клею маловязкую, удобную в работе консистенцию. В качестве разбавителя используют легкоиспаряющиеся

160

жидкости: спирты, ацетон, дихлорэтан и др. Для удаления разбавителя деталь с нанесенным на нее клеем некоторое время выдерживают на воздухе. Антистаритель, ингибиторы, инициаторы и другие компоненты вносят в клей, как и при получении пластмасс, в случае необходимости. В строительных конструкциях наибольшее применение получили следующие клеи. Фенолоформальдегидный клей изготовляют на основе фенолоформальдегидной смолы различных марок: Б-3, ВИАМ-Б, СП. Смола поставляется в стадии «резол» — легкорастворимом жидком состоянии. В процессе поликонденсации смола переходит в стадию «резитол» и «резит». Стадия «резит» отвечает полному отверждению. Смола и клей из нее отверждаются при температуре 150° С в течение 15—20 мин. Холодное отверждение требует введения отвердителя, лучшим из которых является контакт Петрова, состоящий из 80% дистиллированного керосина и 20% серной кислоты, образующих смесь сульфонафтеновых кислот. При введении контакта в количестве 20—25% к массе смолы отверждение продолжается более 2 ч. Полное отверждение достигается через сутки. Клей, полученный из смолы Б-3 на контакте Петрова, имеет марку КБ-3. Фенолоформальдегидные клеи Б-3 и КБ-3 применяют для склеивания стеклопластиков, древесных пластиков, изготовленных на фенолоформальдегидных смолах; древесины, поропластов. При склеивании пористых материалов они обладают высокими зазорозаполняющими свойствами, особенно при добавке наполнителя — до 10% древесной муки, к тому же поры хорошо отводят воду. Но фенолоформальдегидные клеи дают все же хрупкий шов, поэтому их лучше применять в модифицированном виде. Так, для склеивания алюминия и асбестоцемента с древесными пластиками и стеклопластиков, основанных на фенолоформальдегидной смоле, лучше применять клей горячего отверждения марки ФЭ-10, модифицированный добавкой 10% эпоксидной смолы. Для склеивания металлов и стеклопластиков приемлемы также и другие модификации, в частности добавление каучука. Клеи марок ВК-32, ВК-32-250, ВК-3 дают швы высокой прочности и повышенной теплостойкости, но технология склеивания ими усложняется нагревом до 150° С и высоким давлением, достигающим 1—2 МПа. При склеивании алюминия и асбестоцемента их следует покрывать защитной пленкой от воздействия кислого отвердителя. Резорциноформальдегидный клей ФР-12 является аналогом фенолоформальдегидного, но при его изготовлении вместо фенола используют резорцин, значительно более дорогое вещество. Клей холодного отверждения дает более эластичное, но достаточно прочное соединение, применяют его для склеивания древесины с древесиной и с другими материалами. Эпоксидный клей отверждается горячим и холодным способом. Отвердителем при обычной температуре служит полиэтиленполиамин ПЭПА, добавляемый в количестве 20% от массы смолы. Полное отверждение наступает через 3 сут, подогрев до 80° С сокращает срок отверждения до 30 мин. В качестве пластификатора используют дибутилфталат 10% к массе смолы.

161

Эпоксидный клей марки ЭПЦ-1 содержит наполнитель — портландцемент в количестве от 100 до 400% к массе смолы. Эпоксидные клеи самые прочные. Их применяют для склеивания металлов, бетонов, стеклопластиков, асбестоцемента, пенопластов, древесины. Эпоксидная смола дорогая, поэтому клей на ее основе не следует применять для склеивания слабонагруженных элементов и больших площадей. Мочевиноформальдегидный клей К-17 изготовляют на основе мочевиноформальдегидной (карбамидной) смолы. Он относится к клеям холодного отверждения. Для холодного отверждения необходимо применять отвердитель—кислоту при различных соотношениях, устанавливаемых пробой для данных условий и желательного срока отверждения. Применяют для склеивания пористых материалов: древесины, древесных пластиков, пенопластов, при этом вводят наполнитель — древесную муку. Меламиноформальдегидный клей ММФ получают из меламина и карбамидной смолы. Аналогичен клею К-17, но более стоек к воде и нагреванию. Светопроницаем. Поливинилацетатные клеи изготовляют на водной эмульсии поливинилацетата при отношении воды к смоле 1:1. Отверждаются при нагреве до 80° С за 15—20 мин. Клеи недостаточно водостойки. Применяют для склеивания древесины и древесных пластиков. Бутварофенольные клеи БФ-2, БФ-4, БФ-6 изготовляют из масляной ацетали поливинилового спирта — бумираля (бутвара) в смеси с фенольными смолами в различных соотношениях. Клеи горячего отверждения, температура отверждения 100—140° С. Применяют для склеивания пластмасс и металлов. Полиэфирный клей. Состав тот же, что и смол при изготовлении полиэфирного стеклопластика (см. выше), с добавлением растворителя. Клей холодного отверждения, клеевой шов светопроницаем. Применяют для склеивания полиэфирных стеклопластиков. Каучуковые клеи получают на основе полихлоропренового каучука (найрита) с модификаторами. Для клея 88Н модификатором является бутилфенолоформальдегидная смола. Вводят также растворители. Клей теплого отверждения, при 100° С отверждается за 10 мин. Клеевой шов эластичен, поэтому каучуковые клеи пригодны для склеивания материалов, имеющих сильно отличающиеся КТР и усадки. Дифенольный клей изготовляют на основе дифенолкетоновых смол, извлекаемых из сланцевых фенолов. Дифенольный клей ДФК-1 состоит из смолы той же марки. Отвердителем является формальдегид, вводимый в виде 40%-го формалина в количестве 20 мас. ч. на 100 мас. ч. смолы. Для уменьшения усадки добавляют вибропесок в отношении к смоле 2:1. Клей рекомендуется для склеивания бетонов, древесины, асбестоцемента с пенопластами. Режим склеивания сходен с режимом для клея КБ-3 с тем отличием, что отпадает необходимость в грунтовке асбестоцементных поверхностей. Клеи для соединения термопластов. Термопластичные полимеры склеиваются с трудом, основным способом их соединения является сварка (см.

162

ниже). Однако в случае небольшого объема работ и когда сварка невозможна, применяют специально разработанные для них клеи. Для соединения элементов из оргстекла используют клеи на основе акриловых производных, к ним относят клей марки ВК-32-70а. Его применяют при температуре 20—65° С. Чем температура выше, тем прочнее шов. Выдержка при 20° С — 3 сут, при 65° С — 4 сут. Клей контактный (см. ниже). Для соединения элементов из поливинилхлорида и оргстекла пользуются клеем ПВ-16, получаемым на основе перхлорвиниловой смолы. Растворителем служит дихлорэтан, пластификатором — дибутилфталат. При нормальной температуре и давлении 0,1 МПа склеивание продолжается 4 ч. Для склеивания рекомендуется применение клеящей пленки. Пленочные клеи выпускают в виде ткани, бумаги и сетки, пропитанных тем или иным клеем. Физическая природа явления склеивания до сих пор полностью не выявлена, и по этому вопросу предложено несколько теорий. Способность вещества, находясь в тонком слое, соединяться с другим называют адгезией (клеящей способностью). Механическая теория адгезии объясняла соединение материалов в результате заполнения неровностей, в которые проникает клей, образуя «сшивки». Однако эта теория не могла объяснить механизм склеивания гладких поверхностей, таких, как стеклопластиковые, металлические и т. д. Даже у пористых материалов, например у древесины, прочность клеевого шва увеличивается с возрастанием чистоты острожки. Специфическая теория объясняет адгезию наличием межмолекулярных сил: химических связей между адгезивом и субстратом, вандерваальсовых сил, сил адсорбции, поверхностного натяжения и др. Роль механической адгезии согласно этой теории сводится к развитию площади соприкосновения, а не к образованию «сшивок». И наоборот, когда неровности велики, как это имеет место у необработанной древесины, то они играют отрицательную роль, так как разъединяют склеиваемые поверхности. Дальнейшим развитием теории специфической адгезии надо считать адсорбционную теорию. На первой стадии молекулы полимерного клея входят в соприкосновение с субстратом в результате тепловых колебаний и оказываемого на клеевой шов внешнего давления. Затем появляются межмолекулярные силы сорбции (дисперсионные, водородные связи т. д.) в виде взаимодействия диполей, т. е. двух атомов с противоположным направлением вращения электронов. Адсорбционная теория, несмотря на всю привлекательность, не может объяснить многих факторов. Оказалось, что адсорбционные силы во многих парах значительно меньше фактических, получаемых в испытаниях. Кроме того, адсорбционная теория не может объяснить склеивание неполярных полимеров, в строении которых системы «диполь - диполь» нет. Электрическая теория адгезии, не отрицая адсорбционную, исходит из того, что сами силы сорбции имеют электростатический характер. При сближении электронных оболочек атомов по границе раздела происходит

163

взаимный переход электронов, в результате чего образуется молекулярный электрический конденсатор—двойной слой электронов. Однако и электрическая теория не является универсальной для всех полимеров. Полимеры являются диэлектриками, механически инертны, и возникновение сильного электростатического поля между ними маловероятно. Электрическая теория не объясняет также склеивание полимеров неполярных, не способных к передаче электронов вообще, и еще ряд факторов. Диффузионная теория исходит из характерных особенностей строения полимеров, состоящих из больших молекул. Отдельные участки молекул (звенья, сегменты, глобулы и т. д., см. гл. 1) при склеивании не только входят в соприкосновение, но и переходят через разделительный слой, проникая из адгезива в субстрат, а если субстрат тоже полимер, то из него — в адгезив. Происходит взаимное насыщение приграничных слоев, причем при последующей полимеризации клея молекулы удлиняются, закрепляя связи с исходной средой. В пограничной зоне образуется переходный слой, в котором между молекулами могут действовать все перечисленные выше и анализируемые другими теориями силы. Но и диффузионная теория не может объяснить всех явлений склеивания, в частности склеивания металлов, полярных полимеров, взаимное проникновение молекул которых невозможно в то время, когда именно в этих случаях получают наиболее прочные клеевые швы. В настоящее время единой теории адгезии еще не разработано. Слишком велико разнообразие синтетических клеев и склеиваемых ими полимерных и неполимерных материалов в различных взаимных сочетаниях. В нашей стране вопросами адгезии в теоретическом аспекте занимались Каргин, Ребиндер, их ученики. Много в этой области сделали С. Воюцкий, Н. Москвин, Н. Кротова, Б. Дерягин, П. Кобеко, из зарубежных ученых—Дебройн. На прочность клеевого шва в целом влияет также прочность самого полимерного адгезива. Сравнивать ее с прочностью полимера в массе нельзя. Прочность полимера в пленке, называемая когезионной, значительно выше. Это обеспечивает получение в некоторых случаях клеевых швов, равнопрочных с основным материалом, например у древесных пластиков, полиэфирных стеклопластиков, пенопластов, пленок, тканей. У высокопрочных пластиков и металлов добиться равнопрочности по шву и материалу пока невозможно. Синтетические клеи в исходном состоянии представляют смесь низко- и высокомолекулярных фракций. Адгезию на первоначальном этапе обеспечивает низкомолекулярная фракция, состоящая из малых подвижных молекул, которые могут входить в тесное соприкосновение и взаимодействие с молекулами склеиваемых веществ. В процессе отверждения происходит полимеризация смолы, т. е. увеличение адгезионных и когезионных сил. Для того чтобы клей заполнил все неровности и поры склеиваемых поверхностей, необходимо эти поверхности плотно прижимать друг к другу. Величина сжимающегося усилия тем больше, чем больше неровностей и прочнее материал. Таким образом, для каждого вида клея и склеиваемых пластмасс имеется оптимальное давление, определяемое обычно опытным

164

путем. Так, при склеивании древесины с древесиной фенолоформальдегидным клеем требуется давление 0,5 МПа, а при склеивании друг с другом полиэфирных стеклопластиков полиэфирным клеем—0,05—0,1 МПа. Клеи, не требующие большого давления, называют контактными. К ним относят полиэфирный клей, каучуковые клеи и некоторые другие. Склеиваемые элементы выдерживают под давлением до набора клеем прочности 70—90% от максимальной. Период выдержки колеблется в зависимости от температуры: от нескольких минут до нескольких суток. Так, эпоксидный клей в нормальных условиях набирает прочность за 2—3 сут, а при нагревании до 100°С — в течение 20—30 мин. Клеевой шов не должен быть слишком толстым: чем толше клеевой шов, тем больше абсолютное значение его усадки, что может повлечь разрыв шва, особенно при жестких видах смол, применяемых для изготовления клея. Теоретически наиболее прочным должен быть шов толщиной около 2,5·10-6 см, равной длине молекулы полимера, что и подтверждается на опыте склеивания металлов. Практически шов выполняется более толстым (50—150 мкм), так как необходимо заполнить неровности. Чтобы уменьшить отрицательный эффект усадки, при неровных поверхностях применяют пластические клеи, добавляя в обычные смолы пластификаторы. Толстый клеевой шов увеличивает также вероятность образования дефектов. Склеиваемые поверхности должны быть абсолютно чистыми, тогда возникают нормальные адгезионные силы. Для возникновения нормальной когезии необходимо создать благоприятные условия для высыхания клея и его полимеризации. Для большинства термореактивных смол лучшим средством для этого является повышение температуры до 100-140°С—местное (токами высокой частоты) или общее. При обычной комнатной температуре клей, нанесенный на склеиваемую поверхность, выдерживают на воздухе для испарения растворителей смол, обычно летучих (спирт, ацетон и т. п.). Период выдержки достигает 5—15 мин. Клей наносят в 2—3 слоя. Время, прошедшее от начала нанесения клея до начала схватывания, называют его «жизнеспособностью». При склеивании больших площадей или большого количества элементов требуется и большая «жизнеспособность», что регулируется количеством отвердителя или введением ингибиторов. Так, при изготовлении клееных балок жизнеспособность клея должна быть не менее 2 ч. Прочность клеевого шва, входящего в состав конструкций, зависит не только от материалов и технологии, но и от его расположения относительно воспринимаемого усилия. Простейшим видом клеевого соединения является соединение встык (рис. 5.1, а). Его применяют в тех случаях, когда элемент работает на сжатие и его устойчивость обеспечена ближайшими элементами. На осевое растяжение соединение встык имеет малую несущую способность, и оно рассчитывается, как работающее на отрыв. Соединение внахлестку (рис. 5.1, б) дает возможность растяжение клеевого шва заменить сдвигом. При малых толщинах листовых пластмассовых материалов сопротивление клеевого шва сдвигу превосходит сопротивление отрыву. Кроме того, при соединении внахлестку появляется возможность

165

развить площадь клеевого шва, в то время как при соединении встык она ограничена. Однако эта возможность не беспредельна. Дело в том, что при переходе к сдвигу в приложении силы появляются эксцентриситет е и связанный с ним изгибающий момент, в результате чего возникают напряжения отрыва в направлении, перпендикулярном шву. Исследования показывают, что они тем больше, чем больше длина нахлестки. Если увеличить длину нахлестки, то можно получить сопротивление на отрыв, как и при соединении встык, поэтому длина нахлестки всегда ограничивается. По соображениям производственного характера целесообразнее применять соединения с односторонней накладкой (рис. 5.1, в). Одностороннюю накладку можно характеризовать как удвоенный стык внахлестку. Сопротивляемость клеевого шва возрастает в соединении с двумя накладками (рис. 5.1, г). Хотя от изгибающих моментов и нельзя избавиться, но они в какой-то степени уравновешиваются, в связи с этим появляется возможность увеличить длину клеевого шва. Но не всегда можно поставить две накладки, поэтому при монтаже пластмассовых конструкций применяют в основном стыкование с односторонней накладкой и внахлестку. При изготовлении элементов конструкции в заводских условиях помимо описаных применяют и более совершенные виды соединений: «на ус» и «зубчатые». В соединении «на ус» (рис. 5.1, д) растягивающее усилие Rр относительно соединяемых элементов центрируется сопротивляемость же сдвигу Rсд ориен тирована под углом, но понижение ее по этой причине компенсируется соответственно уменьшением напряжений от- Рис.5.1. Виды клеевых соединений рыва. В результате стык «на ус» является наиболее работоспособным. Если позволяет толщина элементов, то соединение «на ус» можно комбинировать, получая зубчатое соединение (рис.5.1, е). Зубчатый тип соединения применяют в клееных деревянных конструкциях, а также в соединениях элементов из ДСП-Б и других пластиков, имеющих достаточную толщину. Расчет клеевого шва на отрыв производят по формулам:

166

на отрыв

N ≤ R р Fш , на сдвиг

N ≤ Rсд Fш . При расчете на сдвиг ограничивается длина шва в меньшую сторону, исходя из технологических соображений, и в большую — из способа расчета. Длина шва рекомендуется для стеклопластиковых элементов 20δ, асбестоцементных 8δ, металлических 50δ. Здесь δ — толщина склеиваемых листов.

5.2. Сварка термопластичных полимеров Соединение элементов из термопластичных пластиков между собой осуществляют сваркой. В отличие от склеивания сварной шов образуется без применения какого-либо другого вещества — клея. Применяющиеся при некоторых видах сварки присадочные прутки и ленты выполняют из тех же пластмасс, что и основные элементы. К тому же следует иметь в виду, что термопласты обычно обладают слабой адгезией и склеивание их между собой требует специальных клеев и предварительной обработки поверхностей склеивания. Как и при сварке металлов, под действием тепла происходит размягчение и частичное расплавление пластика в месте стыка с последующим его охлаждением. Но в отличие от металлов температура сварки у термопластов невысока. Это упрощает применяемое для сварки оборудование. Наиболее распространенные в строительстве термопласты имеют следующие температурные границы сварки (0 С): Винипласт жесткий Винипласт пластифицированный (пленка) Полиметилметакрилат Полиэтилен Полиизибутилен

200-240 180-200 200-220 140-180 180

Для сварки применяют четыре основных способа: воздушно-газовый, контактный, термический и высокочастотный. Многие другие способы – механический, ультразвуковой и т. д. – практического значения для строительных конструкций не имеют. Механический способ, основанный на разогреве соединяемых элементов трением, ограниченно применяют для сварки труб. Воздушно-газовая сварка термопластов является наиболее простой и широко применяющейся. Шов нагревают горячим воздухом или инертным газом. Для полиэтилена желательно применять азот, так как кислород воздуха полиэтилен окисляет, в результате чего ухудшаются его свойства и снижается прочность шва. Для полиметилметакрилата (оргстекла) применяют смесь воздуха и продуктов горения газа, идущего на нагрев воздуха. Для многих термопластов хорошие результаты дает горячий воздух. Для воздушно-газовой сварки требуется иметь сжатый воздух или газ (обычно в баллонах), источник энергии для их нагрева и сварочный пистолет

167

или другие устройства. Применяют два типа сварочных пистолетов: с электронагревом воздуха (газа) или с нагревом его от сжигания горючего газа (светильный газ, водород, ацетилен и т. п.). Сварочный пистолет с электронагревом показан на рис. 5.2. Подаваемый из баллона (или компрессором) сжатый газ проходит через нагревательные элементы и через сопло направляется в шов свариваемых листов. Спираль нагревательных элементов питается через трансформатор переменным током напряжением 36—42 В. Силу тока и температуру регулируют реостатом. Пистолет должен иметь заземление.

Рис. 5.2. Сварочный пистолет с электронагревом 1- провод заземления; 2- подвод электротока; 3- подвод сжатого воздуха

Газовый сварочный пистолет (рис. 5.3) имеет змеевик, через который проходит воздух. Змеевик обогревается пламенем газовой горелки. Недостатком газового сварочного пистолета является большая опасность работы.

Рис. 5.3. Сварочный пистолет с газовым нагревом

Сварку производят при давлении воздуха 0,13— 0,2 МПа. Расход его в 1 ч при сварке винипласта достигает 1,5 м3. При толщине свариваемых листов 2 см 1 м шва выполняют за 2 ч. Недостатками воздушно-газового способа сварки пластмасс являются ручная работа и малая производительность. Однако для cварки линолеумных полов предложены полуавтоматическое и синтетическое устройства (например, «Пчелка»), применение которых дает скорость сварки до 100 м/ч. В соединениях используют различные типы швов. При сварке тонких листов толщиной 3 мм кромки листов выравнивают и сближают так, что между

168

ними оставляется зазор порядка 0,5—1 мм. Сварку выполняют в два прохода: верхний шов и шов с обратной стороны. Если двусторонняя сварка невозможна и толщина листов не менее 6 мм, целесообразно кромкам листов придавать односторонние скосы, получая V-образный шов (рис. 5.4). При достаточной толщине наиболее прочное соединение дает шов с двусторонним скосом кромок — Х-образный шов. Угол между плоскостями скосов в поперечном сечении шва называют углом раскрытия. Как и в случае V-образных швов, рекомендуемый угол раскрытия 55° при толщине листа до 5 мм и 70—90°—при толщине свыше 5 мм. Фаски снимают на фрезерном станке или вручную напильником, фуганком.

Рис. 5.4 Виды сварных швов а– стыковой V-образный; б– стыковой Х-образный; в– угловой; г– валиковый внахлестку; д– валиковый под углом

Швы при сварке заполняют с помощью сварочных присадочных прутков, заготовляемых методом экструзии из этого же материала, что и материал свариваемых элементов. Сварочные винипластовые прутки выпускают диаметром 1,5—4 мм и полиэтиленовые—диаметром 2,5—3 мм. Простейшим прутком может служить полоска, вырезанная из свариваемого материала. Применять прутки толщиной более 4 мм не рекомендуется, так как они трудно прогреваются. Диаметр прутка должен быть равен диаметру сопла пистолета. При сварке пруток держат перпендикулярно шву и листу с легким нажимом. Струю горячего воздуха направляют в шов под основание прутка. Расстояние между швом и концом сопла выдерживают равным 5—6 мм. Температура газа, выходящего из сопла, в этом месте должна превышать температуру сварки пластмассы на 30—40° С. Сварку выполняет квалифицированный сварщик. Не

169

следует допускать пережога пластмассы, однако, с другой стороны, шов получается хорошим только при достаточном прогреве его и сварочного прутка. Недостатком ручной воздушно-газовой сварки кроме малой экономичности является также отсутствие объективного контроля прочности получаемых сварных швов. Кроме обыкновенных типов стыковых швов может возникнуть необходимость в применении угловых швов, валиковых и внахлестку (рис. 5.4), но они не обеспечивают достаточной прочности. Угловых швов при устройстве вентиляционных коробов можно избежать путем сгибания цельных листов и переноса стыка на грань короба с применением V-образного шва. Для гнутья листов применяют различные приспособления, причем жесткие пластмассы гнут с нагревом: винипласта—до 120, полиэтилена—до 105—150 и полипропилена—до 150° С. Валиковые и швы внахлестку особенно неприемлемы в случае, когда сам материал получают путем прессования (как, например, листовой слоистый винипласт). Шов в этом случае соединяет верхний лист с 1—2 слоями пленок, монолитного соединения не получается. Кроме того, при соединении внахлестку неизбежно образование в приложении сил эксцентриситета и связанное с ним появление момента. Зачистку и шлифовку швов производить не следует, так как это снижает их прочность. Прочность сварных швов пластмасс зависит от типа шва и прочности материала сварочного прутка. При соблюдении оптимальных условий температуры сварки и при нормальном качестве стыковые швы имеют прочность, колеблющуюся в пределах от 50 до 90% от прочности основного материала. Прочность на растяжение стыковых швов относительно прочности самого материала составляет (%): Полиэтилен Винипласт Полиметилметакрилат Полипропилен

50-80 75-90 75-85 65-90

При этом прочность на растяжение валиковых и швов внахлестку ниже прочности стыковых швов на 15%. Относительная прочность стыкового шва на сжатие выше относительной прочности его на растяжение на 15%, а на срез, наоборот, ниже на 15%. Минимальные значения указанных прочностей принимают в качестве расчетных. Недостатком сварки пластмасс в струе горячего воздуха является получаемая хрупкость шва. Ударная вязкость в 10-12 раз ниже, чем у самого материала. С целью уменьшения недостатков воздушно-газовой сварки предложен и осуществлен ряд способов ее усовершенствования. Для повышения скорости сварки применяют различные модели сварочных аппаратов, в которых сварочный пруток подают под специальной колодкой с регулируемым

170

давлением. Применение таких аппаратов для скоростной ручной сварки обеспечивает увеличение ее скорости по сравнению с обычной ручной в четыре раза, упрощение работы сварщика и повышение качества шва. Скоростная ручная сварка применима для работы в нестесненных условиях при выполнении длинных стыков, угловых и швов внахлестку. В строительстве находят применение также полуавтоматические и автоматические машины воздушно-газовой сварки. Они обеспечивают высокое качество швов и высокую скорость. Их применяют для сварки простых элементов конструкций с длинными швами в нестесненных условиях. Термическая контактная сварка. При использовании в качестве теплоносителя вместо горячего воздуха различного рода нагревателей в комбинации с давлением получают экономичные способы сварки пластмасс, называемые контактными. Обычно используют электрические нагреватели, позволяющие достаточно точно регулировать температуру и продолжительность нагрева. Другие способы нагрева (горячим паром, паяльной лампой) большого распространения не имеют. Контактную сварку плоских массивных заготовок из термопластичных пластмасс осуществляют путем нагревания их стыков, обработанных «на ус» с одновременным зажимом в специальных приспособлениях. При достаточно большом давлении 1—2 МПа и соответствующей температуре (порядка 150— 250°С в зависимости от вида пластмассы) получают шов такой же прочности, как и основной материал. Недостатком этого способа сварки является трудность его применения в построечных условиях строительства. Даже при малых давлениях и при применении прямых стыков конструкцию необходимо зажимать в специальных приспособлениях, что не всегда возможно. Разновидностью контактной сварки является сварка в паз двух листов под прямым углом. Для этого торец одного листа нагревают, а в месте стыка на втором листе нагретым металлическим бруском расплавляют паз. После достижения нужной температуры лист вставляют в паз, прижимая его до охлаждения. Аналогичным образом осуществляют сварку встык пластмассовых труб. Для нагревания соответствующего инструмента и торцов труб используют нагревательные пластины или электрические нагреватели, питающиеся от сети через трансформатор. После достижения необходимой температуры соединяемые элементы снимают с нагревательных пластин или, наоборот, электрический нагреватель удаляют из промежутка между концами труб, затем трубы сдвигают и прижимают друг к другу с усилием от 0,02—0,08 МПа с небольшим их поворотом, чтобы удалить пленку образовавшихся окислов. В условиях строительной площадки нагревание может осуществляться ацетиленовой горелкой. Большое распространение получила электротермическая контактная сварка пленок. Для сварки различного рода предметов бытового и производственного назначения применяют множество специальных конструкций сварочных агрегатов. Некоторые из них, приспособленные для сварки полотнищ длинными швами, могут найти применение в строительстве.

171

При небольшом объеме работ применяют сварку пленки оплавлением. Свариваемые полотнища зажимают между металлическими пластинами. Края полотнищ шириной около 2 мм остаются свободными. Выступающие края оплавляют с помощью горячей проволоки или горелки. Простым способом является также сварка с помощью нагреваемого током наконечника. Уложенные внахлестку края пленки или тонких листов нагревают наконечником и тут же прокатывают вручную роликом. Большое распространение получили сварочные клещи, состоящие из двух зажимов, имеющих регулируемый электрообогрев. Зажимая в клещи края стыкуемых пленок и прогревая их, получают очень ровный и прочный стыковой шов. Электротермические контактные сварочные агрегаты непрерывного действия по конструкции делят на два типа: роликовые, действующие по принципу гусеницы, и ленточные, в которых свариваемые пленки проходят между лентами. В обоих случаях ролики и ленты обогреваются, через них же осуществляется и нажим. При сварке полиэтиленовая пленка прилипает к обогреваемым зажимам; чтобы избежать этого, применяют прокладки из термостойких пластмасс (например, из фторопласта) или прибегают к импульсной сварке. Принцип импульсной сварки заключается в применении быстро нагревающихся и быстро остывающих нагревательных элементов, на которые подается прерывистый ток. Нагревание происходит импульсно, температура достигает максимума, а затем падает ниже температуры размягчения пластмассы, в результате чего охлажденная пленка к зажимам не прилипает. Прочность швов электротермической контактной сварки пленки при качественном ее выполнении не ниже прочности самого материала. Высокочастотная сварка. Сварка пластмасс токами высокой частоты основана на способности диэлектриков поглощать энергию переменного электрического поля и за счет этого нагреваться. Все термопластичные пластмассы являются хорошими диэлектриками, но не все из них имеют высокую способность поглощать энергию высокочастотного поля, измеряемую тангенсом угла потерь. Так, у полиэтилена и полипропилена, например, тангенс угла потерь невелик, поэтому применение для них высокочастотного способа сварки в чистом виде связано с приложением больших частот и технически сложно. Сварочные прессы высокочастотной сварки пластмасс состоят из двух частей: генератора частот и рабочего органа — электродов, являющихся одновременно зажимами. Свариваемые листы помещают между электродами в поле высокой частоты (рис. 5.5), где их нагревают. При этом, поскольку нагревание проходит по всей толще материала, а отдача тепла окружающей среде у внешних слоев больше, внутренние слои нагреваются сильнее, чем наружные. В отличие от контактной сварки создается положение холодной сварки. На практике нагревание «изнутри» создает ряд преимуществ. Помимо лучшего использования энергии и быстрого нагрева при нажатии материал не выдавливается из-под электродов и сваривание происходит по всей толще.

172

Рис. 5.5. Высокочастотная сварка

Напряжение и частота, применяемые при сварке, зависят от вида пластмассы. Разрешается эксплуатировать ламповые высокочастотные генераторы при частоте до 150 МГц. Выходное напряжение генератора не должно быть очень высоким во избежание пробивания свариваемых тонких листов и пленок. Оно составляет для большинства пластмасс несколько сотен вольт. По принципу работы различают сварочные аппараты периодического и непрерывного действия. В первом случае материал помещают между электродами, пленки сжимаются, включается ток и по истечении заранее отрегулированного промежутка времени ток выключается. Включение и выключение тока производится автоматически. Затем электроды размыкаются и материал продвигается дальше. Вся операция длится несколько секунд. Наиболее современными являются роликовые высокочастотные машины непрерывного действия. В этих машинах электроды имеют вид роликов, между которыми непрерывно протягивается свариваемый материал. Машина по конструкции похожа на ножную швейную машину, в которой вместо иглы и челнока установлены роликовые электроды, один из которых имеет возвратнопоступательное движение. Для сварки пленок из полиэтилена и других пластмасс, имеющих малый тангенс угла потерь, электроды покрывают материалами, достаточно термостойкими и имеющими большой тангенс угла потерь. В этом случае стыкуемые пленки нагреваются не током высокой частоты, а за счет теплоотдачи от электродов. Сварка по существу превращается в контактную. Сварка током высокой частоты обеспечивает высокое качество швов. Прочность шва получается такой же, как и у целого материала. При массовом производстве работ сварка токами высокой частоты проста, экономична и удобна.

5.3. Нагельные и комбинированные соединения Нагелем называют работающий на изгиб вкладыш, закладываемый в гнезда соединяемых элементов и препятствующий их относительному сдвигу. К недостаткам нагельного соединения относят ослабление соединяемых

173

элементов при выборке гнезд, концентрацию напряжений у нагельного гнезда, податливость связи за счет обмятия гнезда и деформации самого нагеля, необходимость в дополнительных затратах материала и средств на изготовление нагеля. Преимущество нагельного соединения — простота конструкции и возможность применения при монтаже конструкций. Для нагелей можно использовать металл (болты, винты, заклепки и др.) и пластмассы. Металлические нагели удобны в изготовлении, но неприемлемы при работе конструкции в агрессивной среде. Пластмассовые изготовляют из той же пластмассы, что и соединяемые элементы, или из более прочной. Хорошо для этой цели использовать ориентированный стеклопластик АГ-4С и ДСП-Б. Эти материалы обладают большой прочностью, но их можно обрабатывать для получения резьбы специальными резцами при высокой скорости резания. Лучше, однако, нагели и болты из этих материалов получать прессованием. В обоих случаях волокна наружных швов должны направляться вдоль нагеля, а при изготовлении гаек - поперек. Прессованные нагели обладают повышенной прочностью. Работа нагельного соединения (рис. 5.6) отличается большой сложностью. Под воздействием внешней нагрузки происходит изгиб нагеля, смятие материала в гнезде, а в случае достаточной жесткости материала соединяемых элементов может произойти срез нагеля. При соотношении длины нагеля к его диаметру больше пяти, разрушение соединения, как правило, наступает от изгиба нагеля. При коротких нагелях типа заклепок причиной разрушения является срез. Если соединяемые элементы выполняют из пластмасс, обладающих малой твердостью, происходит неравномерное смятие гнезда. Хотя смятие само по себе не может вызвать разрушения, в соединении могут возникнуть такие большие деформации, что эксплуатация конструкции окажется невозможной.

Рис. 5.6. Нагельное соединение

174

Расчетную несущую способность цилиндрического нагеля на один срез в симметричных двусрезных соединениях в конструкциях из клееной древесины на воздействие постоянной и временной нагрузок и при направлении усилий вдоль волокон элемента определяют по формулам, аналогичным применяемым в деревянных конструкциях: по смятию среднего элемента Тсм=0,5cdRсм, по смятию крайнего элемента Тсм=0,8аdRсм, по срезу нагеля Тср=(πd2/4)Rср, по изгибу нагеля (с учетом упругой работы материала) Ти=kиd2 Rин Rсм =kd2, где Rсм— расчетное сопротивление древесины смятию в гнезде, принимаемое равным 10; 9,5; 8,5 МПа соответственно для нагелей d=12, 18 и 25 мм; Rср— расчетное сопротивление материала нагеля срезу; Rин— расчетное сопротивление материала нагеля изгибу; k=kи Rин Rсм — коэффициент, зависящий от отношения диаметра нагеля к толщине элемента, принимаемый по табл. 5.1 Таблица 5.1 Коэффициент для расчета нагелей Диаметры нагелей, мм d/a 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

из стеклотекстолита из ДСП-Б из стеклопластика АГ-4С КАСТ d=12 d=18 d=25 d=12 d=18 d=25 d=12 d=18 d=25 78 70 62 92 89 84 115 112 105 78 70 62 92 89 84 115 112 105 89 82 72 96 94 88 115 112 105 98 85 75 103 100 94 122 118 112 98 85 75 117 113 102 129 125 118 117 113 102 129 125 118 127 123 116 143 140 132 При вычислении коэффициента k приняты значения Rи 50 40 34 130 110

Для нагелей из ДСП-Б значение k определено при изгибе нагеля в плоскости, параллельной слоям шпона. При изгибе в плоскости, перпендикулярной слоям, значение k принимают для всех отношений d:a равным 81. Для диаметров нагелей, не указанных в табл. 5.1, значения определяют по линейной интерполяции. При расстановке нагелей в узлах следует учитывать особенности работы нагельных соединений: концентрацию напряжений вблизи нагельного гнезда и податливость соединения вследствие деформации нагеля и материала соединяемых элементов в нагельном гнезде. Для обеспечения жесткости соединения нагели следует располагать не менее чем в два ряда в направлении действующего усилия и не менее чем по два нагеля в каждом ряду (рис. 5.6). Минимальные расстояния между нагелями из условий обеспечения надежности работы соединения приведены в табл. 5.2.

175

Таблица 5.2 Минимальные расстояния между нагелями Соединения пластмасс Расстояние S1 S2 S3

АГ-4С ДСП-Б 3d 3d 1.5d

металл 4d 3d 1.5d

Соединения клееной древесины Материал нагеля стеклотекстолит

ДСП-Б

АГ-4С

5d 3d 2.5d

6d 3d 2.5d

7d 3,5d 3d

Для того чтобы избежать недостатков, которые присущи нагельным и клеевым соединениям, при изготовлении панелей и плит применяют так называемые комбинированные соединения, в которых клеевые швы сочетаются с местными точечными креплениями в виде шурупов, винтов, заклепок, металлических трубок и точечной сварки, если ее допускает материал. Клей придает шву непрерывность, соединение получают монолитным. Точечные крепления увеличивают прочность шва, выполняют роль аварийных в случае пожара и заменяют запрессовочные устройства при отверждении клея в швах. Процесс установки заклепок и точечная сварка могут быть механизированы. Винты завинчивают, как правило, вручную в заранее рассверленные отверстия.

176

Глава 6. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПЛАСТМАССОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ 6.1. Основные положения расчета В расчете элементов строительных конструкций из полимерных материалов используют общие принципы, изложенные в СНиП II-25-80; они являются для них обязательными. Строительные конструкции рассчитывают по предельным состояниям, когда дальнейшая их эксплуатация невозможна или нежелательна. В связи с обширностью этого определения предельные состояния конкретизируются по двум группам. К первой группе относят такие состояния, когда от воздействия нагрузки и внешней среды наступает полное разрушение или потеря устойчивости. Ко второй группе — состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкции, хотя она еще и возможна. Обе группы предельных состояний являются равноправными — конструкция должна удовлетворять требованиям обеих. Расчет надо производить так, чтобы расчетные предельные состояния не наступали за весь период эксплуатации сооружения, исчисляемой в 25—50 лет и более, что должно достигаться при минимальном расходе материалов. Для реализации условий предельных состояний выявляют характеристики материала и элемента в целом. В основу расчета нормами закладываются расчетные и нормативные сопротивления материала, из которого выполняется элемент конструкции. Наряду с этим уделяется определенное внимание и показателям жесткости (деформативности). Как и всякие материалы, пластмассы прежде всего испытываются в строгих условиях. Должны соблюдаться нормальная температура (20°С), влажность воздуха в лаборатории (60%), одинаковые размеры образцов, идентичность их состава, макро- и микростроения, температурно-влажностного состояния и т. д. Наиболее просто определяют характеристики пластмассы при кратковременном загружении с постоянной скоростью возрастания нагрузки. Для получения сравнимых результатов методы испытаний образцов некоторых пластмасс нормированы. Среднее арифметическое показателя характеристики нельзя принять для строительной нагруженной конструкции за исходный показатель, так как половина реальных конструкций при этом не будет удовлетворять требованиям безопасности. Кроме того, как бы ни было велико число испытанных образцов, по сравнению с масштабами применяемых конструкций эти образцы составляют только частную малую выборку. Для оценки практической приемлемости полученных результатов в отношении прочности вводят понятие нормативного сопротивления. Нормативным сопротивлением называют показатель прочности пластмассы с учетом разнообразия данных, полученных при лабораторных

177

испытаниях. Степень разнообразия оценивают по теории «нормального распределения» Гаусса—Лапласа. Согласно этой теории, степень вероятности наступления какого-либо события определяется квадратичным отклонением от средней арифметической величины отыскиваемого значения. Так, например, опыт эксплуатации деревянных конструкций показывает, что нормативное сопротивление древесины достаточно определять с вероятностью 97,4%. Это требует уменьшения среднего арифметического на 2,25 квадратичного отклонения. Само квадратичное отклонение определяют по теоретической формуле δ2 ∑ σ =± , (6.1) n −1 где δ—частные отклонения показателей от среднего арифметического, п— число испытанных образцов. К материалам более однородным и конструкциям сильно напряженным предъявляются более строгие требования. Вероятность определения нормативной характеристики повышается до 0,997, что приводит к необходимости довести уменьшение среднего арифметического до трех квадратичных отклонений и получить в результате для определения нормативного сопротивления формулу

 3σ   , R H = σ п.ч 1 − σ п.ч .  

(6.2)

где σ п.ч — среднее арифметическое значение, в данном случае—предела прочности, подсчитываемое по результатам лабораторных испытаний. СНиП требует, чтобы вероятность нормативной характеристики была не менее 95%. Это означает, что за нормативное сопротивление надо принимать такое, когда не менее 950 элементов из 1000 будут иметь характеристики в соответствии с нормами. При вероятности 0,997 только 3 элемента из 1000 будут иметь нормативное сопротивление, менее получаемого по формуле (6.1), которой иногда придают следующий вид:

R H = σ п.ч. (1 − αv ) ,

где v— относительная величина квадратичного отклонения, называемая также коэффициентом изменчивости или вариационным коэффициентом, а— принимаемое их число. Например, пусть было испытано при растяжении пластмассы 500 образцов. Для удобства обработки результатов испытаний разбиваем образцы на 10 групп в порядке возрастания их прочности, результаты испытаний записываем в гр. 2 табл. 6.1. В гр. 3 записываем частные их отклонения от средней арифметической всей партии 965. Находим сумму квадратов отклонений в гр. 4, а по формуле (6.1) —среднее квадратическое σ = ± 34250 / 250 = 58,5 и вариационный коэффициент: v=58.5/965=0, 06.

178

Теперь, если принять наивысшую степень достоверности, т. е. а = 3, по формуле (6.2) получаем нормативное сопротивление Rн=965(1-3·58,5) = 625 Таблица 6.1 Результаты испытаний полиэфирного стеклопластика при растяжении Среднее Отклонение от среднего Среднее Вариационный арифметическое 2 Группа арифметического всей квадратичеδ коэффициент предела прочности по партии ское группам 1 2 3 4 5 6 1 840 —125 15625 2 900 —65 4225 3 935 —30 900 4 950 —15 225 5 975 +10 100 58,5 0,06 6 980 +15 225 7 995 +30 900 8 1000 +35 1225 9 1025 +60 3600 10 1050 +85 7225 Итого 9650 34250 Среднее арифметическое 965.

Применительно к пластмассам вероятность назначения нормативного сопротивления может колебаться в широких пределах. Для малонапряженных элементов, выход которых за предельное состояние не влечет тяжелых последствий в отношении охраны труда, вероятность может приниматься минимальной. Для весьма напряженных конструкций, эксплуатируемых в тяжелых условиях, она должна быть максимальной. Рекомендуемая степень вероятности для разных видов конструкций приводится в табл. 6.2. Таблица 6.2 Рекомендуемые вероятности повторения минимальных значений показателей для конструкций из пластмасс различного назначения Группа конструкций из пластмассы Несущие конструкции из высокопрочных пластмасс (однонаправленных стеклопластиков, ДСП-Б, пластобетонов) Средненапряженные конструкции из полиэфирных стеклопластиков, древесных пластиков (кроме стружечных плит), термопластов и т. д. Ограждающие малонапряженные конструкции из пенопластов, пленок, стружечных плит Конструкции из пластмасс изоляционного назначения: пенопластов, минваты на фенольной связке и т. д.

Вероятность повторения

Отклонение от среднего значения

99,7%

3

98,7%

2,5

97,4%

2,25

95,1%

2,00

В реальных условиях существует много факторов, снижающих величину сопротивлений, поэтому для приближения к реальным условиям в целях учета таких факторов, как неоднородность, размеры сечений и т. д., вводят

179

коэффициент безопасности по материалу k, больший единицы. На этот коэффициент делят нормативное сопротивление, в результате чего получают расчетное сопротивление. Коэффициент безопасности по материалу для изученных материалов дается нормативными документами на основе экспериментально-теоретических исследований. Он должен быть больше 1,1. Для пластмасс коэффициенты безопасности по материалу не выявлены, поэтому к пределам прочности вводится непосредственная поправка в виде коэффициента однородности k0, учитывающего как степень вероятности результатов лабораторных испытаний, так и неоднородность пластмассы, возникающую при ее изготовлении по технологическим причинам, а также размеры образца и другие факторы. Коэффициент однородности можно считать величиной, обратной коэффициенту безопасности по материалу, т. е. принять, что

k 0 = (1 − αv ) / k .

Такие факторы, как агрессивность среды, отклонение температуры и влажности от нормальных условий, повторяемость этих воздействий, приближенность расчетных формул и схем и т. д., влияющие на несущую способность конструкции, учитываются коэффициентом условий работы т, который выявляется экспериментально. При совместном действии различных факторов коэффициенты, оценивающие их значение, перемножаются. На несущую способность конструкции оказывает влияние и характер нагрузки. Нагрузки могут иметь разнообразный характер. Прежде всего выделяют нагрузки статические. СНиП 2.01.07-85 различает статические нагрузки временные и постоянные, причем временные могут иметь длительный характер, как, например, снег. Особую заботу представляет выявление воздействия на пластмассовые элементы длительной нагрузки. Длительность действия нагрузки учитывают коэффициентом длительного сопротивления kдс и временным деформационным коэффициентом пвр. Коэффициенты длительности являются конечными значениями этих коэффициентов, начальные их значения равны единице. В действительности на конструкцию обычно воздействуют нагрузки различной продолжительности, что приводится в приложении 1. Если на каком-то этапе в процессе эксплуатации они могут сочетаться, то конструкция должна быть рассчитана на совместное их воздействие Нагрузки приводятся при этом к одной продолжительности, обычно к длительной постоянной. Приведение производят делением нагрузки на коэффициент длительного сопротивления и умножением на коэффициент длительности. Затем нагрузки суммируют. Пусть на конструкцию действуют две нагрузки: N1 и N2. Их продолжительности для данной пластмассы отвечают коэффициенты k'dс и k"dc. Приведенная к длительной постоянной расчетная нагрузка равна Nпр=(n1N1kдл/ k'dс)+(n2N2kдл/ k"dc), где п1 и п2 — коэффициенты перегрузки, учитывающие возможные отклонения каждой нагрузки от нормальных значений. Возможно введение в эту формулу

180

коэффициента сочетаний kc, но если действующие нагрузки приводить к длительным, то и расчетные сопротивления пластмассы надо брать длительными. В конечном счете расчетное сопротивление пластмассы выражают формулой R = σпч k0mkдл. Расчетные характеристики различных видов пластмасс приводятся в приложениях 2—9.

6.2. Расчетные формулы При расчете элементов пластмассовых конструкций исходят из предположения об их изотропности и полной упругости в конечном состоянии после окончания процессов ползучести и релаксации. Это дает возможность использовать в расчете обычные формулы сопротивления материалов. Растянутые элементы в случае осевого приложения силы, что имеет место в раскосах и нижних поясах сквозных конструкций, рассчитывают только по прочности с использованием формулы

N / Fнт ≤ R р , где N — расчетное значение силы; Fнт — площадь поперечного сечения элемента в ослабленном сечении (нетто); Rp — расчетное сопротивление. Если усилие приложено эксцентрично, элемент рассчитывают как растянуто-изогнутый (см. ниже). Сжатые элементы при силовом воздействии не только могут утратить прочность, но и потерять устойчивость. Их рассчитывают по первой группе предельных состояний, но дважды — на прочность и устойчивость. При расчете на прочность формула имеет вид N / Fнт ≤ Rс . При расчете на устойчивость в формулу вводят коэффициент N / Fрасч ≤ ϕRс . Коэффициент φ называют коэффициентом продольного изгиба. При симметричном ослаблении в средней трети длины стержня Fрасч = Fнт, при ослаблениях в крайних третях Fрасч = 1,33 Fнт. Если ослабления составляют менее 25%F, они вообще не учитываются. Трубчатые элементы против местного выпучивания стенок при сжатии дополнительно проверяются по формуле

D El0 ≤ 2,2 , 1 − µ 2 πN δ

(

)

(6.3)

где D—наружный диаметр; δ—толщина стенки; l0 — «свободная» длина трубы; µ—коэффициент Пуассона, N—действующее усилие. Выражение E/(1—µ2)= E' называют приведенным модулем упругости (деформаций). Коэффициент φ в случае линейной зависимости напряжений от деформаций определяют по формуле Эйлера. При кратковременном действии

181

нагрузки линейность, а вместе с нею и формула Эйлера применимы только на начальном участке, до «предела пропорциональности». На конечном участке зависимость напряжений от деформации считают параболической и коэффициент продольного изгиба φ= σкр/σп.ч вычисляют на основе теории Энгессера—Кармана, т.е. приведенного модуля деформаций Епр, который подставляют в формулу Эйлера вместо модуля упругости:

π 2 Eпр / σ вр ϕ= , λ2

(6.4)

причем

4Е . Е / Ек + 1 Здесь Ек—касательный модуль деформаций, равный Епр =

Ек =

d σ (ε ) . dε

(6.5)

Полученные сложные выражения затем с достаточной точностью заменяют выражением

ϕ = 1 − а(λ / 100) 2 .

(6.6) Коэффициент а различен для разных пластмасс, его вычисляют из условия общей касательной в точке сопряжения функций (6.4) и (6.6). Для удобства вычислений в приложениях приводятся графики для определения коэффициента φ. Вогнутый участок построен по формуле Эйлера, выпуклый—по формуле (6.6). При нелинейной форме зависимости напряжений от деформации, что встречается у многих пластмасс при длительной постоянной нагрузке, коэффициент φдл вычисляют на основе теории Шенли, т. е. касательного модуля деформаций. Сама зависимость принимается параболической. По теории Шенли, в формулу Эйлера вместо модуля деформаций подставляют касательный модуль, определенный по формуле (6.5). В результате для коэффициента φдл получают выражение

ϕ дл π 2 Едл / σ дл = . λ2 1 − ϕ дл На основе этой формулы в приложении даются графики, имеющие уже непрерывный характер на всем протяжении. Расчет на устойчивость пластинок производят по расчетной схеме с шарнирно опертыми сторонами в местах приложения сил и с защемленными другими сторонами, т. е. применительно к обшивкам плит и панелей. Для расчета применяют формулу Ткр=7,7π2D/b2>kзапТ, (6.7) где Ткр—критическая и Т — действующая сила, приходящаяся на 1 см ширины пластинки b; D — цилиндрическая жесткость, равная

182

Eδ 2 D= = E ′δ 2 / 12 , 2 (1 − µ ) ⋅ 12 где δ—толщина пластинки. Коэффициент запаса принимают равным 1,5 применительно к сжатой при изгибе обшивке плиты (панели). Действующее усилие равно Т = σδ (σ—нормальное напряжение). Изгибаемые элементы рассчитывают на прочность и по прогибам. Расчет ведут по нормальным напряжениям

M / Wнт ≤ Rи и по скалывающим напряжениям

QSнт /Iнтb≤Rск,

где Q—поперечная сила; Sнт—статический момент сдвигающейся части сечения; Iнт—момент инерции всего сечения относительно нейтральной оси; b—ширина плоскости сдвига. Прогибы f от изгибающего момента определяют по формулам сопротивления материалов при нормативных значениях нагрузок. Например, для свободно лежащей на двух опорах балки, несущей равномерно распределенную нагрузку, проверку прогиба производят по формуле

f/l=5/384qнl3/(Enврд)≤[f/l]

Предельные значения прогибов даны в приложении 10. Во многих случаях прогиб пластмассовых балок вычисляют с учетом сдвига. Как известно, напряжения сдвига увеличивают прогиб пропорционально квадрату отношения высоты балки к пролету:  Eh 2  f 0 = f 1 + A 2  , Gl  

(6.8)

где f—прогиб от изгибающего момента; А—коэффициент, зависящий от способа загружения и опирания балки, а также от формы сечения. В случае прямоугольного сечения он равен: а)при свободном опирании балки на две опоры (прогиб в середине пролета): равномерно распределенная нагрузка........................0,96 сосредоточенная сила в середине пролета………...1,2 б)при консоли (прогиб конца консоли): равномерно распределенная нагрузка………………0,4 сосредоточенная сила на конце……………………...0,3

Например, для прогиба в середине пролета свободно опертой на две опоры балки прямоугольного сечения, загруженной равномерно распределенной нагрузкой, формула (6.8) принимает вид

5qнl 4  Eh 2  1 + 0.96 2  . f0 = 384 Enвр I  Gl  При этом надо иметь в виду, что для однородных материалов E / G = 2(1 + µ ) .

183

При малом значении модуля сдвига G, небольших пролетах и высоких балках второй член в скобках правой части уравнения (6.8) может иметь значительную величину. Сжато-изгибаемые элементы рассчитывают по формуле N/Fнт+MRc/ξWнRи≤Rс, (6.9) где

λ2 N ξ =1− 2 π E Rс Fбр σ вр

.

Когда изгибающий момент мал и второе слагаемое левой части формулы (6.9) дает меньше 10% общей суммы, надо производить проверку также по формуле (6.3), пренебрегая изгибающим моментом. Такая проверка может дать менее благоприятные результаты. Прогибы сжато-изгибаемых элементов вычисляют, исходя из формул для изгибаемых элементов, но с учетом увеличения их от совместного действия сжатия с изгибом:

f0=f/ξ.

В случае необходимости учитывают также влияние поперечной силы. Растянуто-изгибаемые элементы на прочность рассчитывают по формуле

N/Fнт+МRр/WнтRи≤Rр,

где Rи— расчетное сопротивление на изгиб. Прогибы вычисляются, как у изгибаемых элементов.

184

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Химическая наука и химическая промышленность создают синтетические полимеры, обладающие определенными заранее заданными свойствами, а также позволяющие получать новые материалы, значительно более ценные, чем природные. Пластмассы, которые могут быть прочны как сталь, легки как пробка, прозрачны как стекло, занимают особое место среди других строительных материалов, они дают возможность осуществлять новые конструктивные и архитектурно-декоративные решения. В настоящее время непрерывно расширяется внедрение промышленных методов в строительстве, возрастает применение конструкций и деталей заводского изготовления, повышается уровень механизации и автоматизации работ. Повсеместное использование разнообразных строительных деталей и конструкций из пластмасс, содействующее переходу на полносборное строительство при значительной экономии трудовых и материальных затрат и уменьшении веса зданий, а также при сокращении сроков строительства и повышении его качества ускоряет развитие технического прогресса. Ученым еще предстоит провести большие научно-исследовательские и опытно-производственные работы по созданию особо выгодных типов пластмасс, по изучению их свойств (в том числе долговечности), по отбору наиболее экономичных и эффективных пластмассовых изделий и конструкций и по изысканию новых видов пластмасс. Но несомненно одно: расширяющееся с каждым годом применение изделий из пластмасс в строительстве скоро начнет постепенно изменять облик наших городов. Мы убеждены, что полимерным материалам принадлежит большое будущее!

185

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Чаус К.В., Чистов Ю.Д., Лабзина Ю.В. Технология производства строительных материалов, изделий и конструкций. - М., Стройиздат, 1988. – 448 с. 2. Филатов В.И., Корсаков В.Д. Технологическая подготовка процессов формования изделий из пластмасс - Л., Политехника, 1991. – 352 с. 3. Волков С.С. Сварка и склеивание полимерных материалов. – М., Химия, 2001. – 376 с. 4. Применение пластических масс./ Е.И. Каменев, Г.Д. Мясников, М.П. Платонов – М., Химия, 1985. – 448 с. 5. Прессованные стеклопластики./ В.Г. Дедюхин, В.П. Ставров– М., Химия, 1976. – 271 с. 6. Иванов А.М., Алгазинов К.Я., Мартинец Д.В. Строительные конструкции из полимерных материалов. - М., Высшая школа, 1978. – 239 с. 7. Григорьев Г.П., Ляндзберг Г. Я., Сирота А.Г. Полимерные материалы. М., Высшая школа, 1966. – 260 с. 8. Гарин В.Н., Долгополов Н.Н. Полимерные защитные и декоративные покрытия строительных материалов - М., Стройиздат, 1975. – 191 с. 9. Воробьев В.А., Коровникова В.В. Лабораторный практикум по полимерным строительным материалам. - М., Высшая школа, 1969. – 184 с. 10. Николадзе Г.И. Применение пластмасс в водоснабжении и канализации. - М., Стройиздат, 1966. – 180 с. 11. Литвин А.Н. Железобетонные конструкции с полимерными покрытиями. - М., Стройиздат, 1974. – 175 с. 12. Пустовойтов В.П., Килимов С.Л., Черномаз В.С. Стеклопластики в строительстве. - М., Стройиздат, 1978. – 212 с. 13. Воробьев В.А.. Андрианов Р.А. Технология полимеров. - М., Стройиздат, 1980. – 303 с. 14. СНиП 2.01.07 – 85. Нагрузки и воздействия. - М., Стройиздат, 1986. – 53 с. 15. Калинчев Э.Л., Саковцева М.Б. Свойства и переработка термопластов. - Л., Химия, 1983. – 288 с.

186

ПРИЛОЖЕНИЯ

187

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Таблица П.1.1 Продолжительность воздействия нагрузок на здания и сооружения Продолжительность, сут.

Коэффициент перегрузки

Нагрузки в коридорах общежитий, контор и бытовых помещений Нагрузки в залах столовых и ресторанов с учетом веса обычного оборудования Нагрузки в залах и коридорах театров, кино, клу бов, школ, вокзалов, на трибунах, в аудиториях Нагрузки в производственных помещениях промышленных предприятий, складах, торговых залах магазинов по технологическим данным, не менее Нагрузки в книгохранилищах, архивах по действительной величине, не менее Ветровые нагрузки Снеговые нагрузки: I район II район III район IV район V район

длительная постоянная

Нагрузка в чердачных помещениях (без учета специального оборудования: вентиляционных камер, водяных баков, моторов и т. п.) Нагрузки в квартирах, лечебных учреждениях (за исключением вестибюлей и залов, где возможно массовое скопление посетителей), детских яслях с учетом обычного оборудования Нагрузки в общежитиях, конторах, классных комнатах, бытовых помещениях промышленных цехов с учетом веса обычного оборудования

длительная временная

Наименование нагрузки

полная

Нагрузка, МПа

7,5

7,5

-

5

1,4

15

-

15

-

1,2

20

5

-

0,5

1,4

30

15 15 25 25 -

15 15 15 15

0,5 0,5 0,5 0,5 -

1,4 1,2 1,4 1,2 1,4 1,2 1,4 1,2

-

50

-

1,2

По СНИПу

-

5

1,2

5 7 10 15 20

-

45 90 120 150 180

1,4 1,4 1,4 1,4 1,4

30 40 40

50

5 7 10 15 20

Примечание. Многие из приведенных нагрузок имеют повторяющийся характер. Однако для конструкционных пластмасс повторяемость большого значения не имеет, так как период «отдыха» не меньше периода нахождения под нагрузкой, а в этом случае при повторных нагружениях накопления остаточных деформаций не происходит.

188

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 СТЕКЛОПЛАСТИКИ Таблица П.2.1

Полиэфирный стеклопластик

1,4

КАСТ-В

1,85

АГ-4С

1,9

Коэффициенты Пуассона

Растяжение Сжатие Изгиб Срез Растяжение Сжатие Изгиб Срез Растяжение Сжатие Изгиб Срез

60 90 110 45 240 100 120 95 500 200 250 67

0,6 0,6 0,6 0,6 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75

36 54 66 27 180 75 90 70 375 150 188 50

полиэфирного стеклопластика КАСТ-В АГ-4С

Модуль упругости расчетный

Расчетное сопротивление

Коэффициент однородности

Предел прочности

Вид сопротивления

Наименование

Объемная масса, т/м3

Расчетные характеристики стеклопластиков при кратковременном действии нагрузки, МПа

6000 6000 6000 2500 24000 24000 24000 2500 13500 13500 13500 2500 0,40 0,15 0,13.

Коэффициенты продольного изгиба φ для стеклопластиков АГ-4С и КАСТ (рис. П.2.1, кривые а, б) приводятся на графиках. Пунктиром показано воздействие кратковременной нагрузки, сплошной линией - длительной. Листовые элементы конструкции из стеклопластиков при сжатии рассчитывают по формуле (6.7).

Рис.П.2.1. Зависимость прогиба стеклопластика от продолжительности действия и величины нагрузки

189

Таблица П.2.2 Коэффициенты длительного сопротивления и временные деформационные коэффициенты стеклопластиков Полиэфирный стеклопластик КАСТ-В и АГ-4С ХаракВид теПродолжительность действия нагрузки, сут сопрориститивления 0,5—1 5 45 90-120 180 - ∞ 0,5-1 5 45 90-120 180 - ∞ ка

kдс

Сжатие Растяжен Изгиб Срез

0,90 0,92 0,70 0,91

0,65 0,72 0,52 0,70

0,37 0,47 0,32 0,41

0,31 0,43 0,26 0,35

0,28 0,42 0,23 0,33

0,95 0,95 0,95 0,80

0,8 0,8 0,80 0,66

0,63 0,63 0,63 0,5

0,62 0,62 0,62 0,45

0,60 0,60 0,60 0,43

nвр

Любое

0,95

0,85 0,57

0,51

0,50

0,95

0,93 0,85

0,82

0,80

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫЕ ПЛИТЫ Таблица П.3.1 Расчетные характеристики сверхтвердой древесноволокнистой плиты при кратковременном действии нагрузки, МПа Коэффи- РасчетПредел Модуль Вид циент ное сопрочноупругосопротивления однород- противсти сти ности ление Растяжение 33 06 200 5000 Сжатие 33 0,6 200 5000 Изгиб 50 0,6 300 5000 Срез 20 0,6 120 2000 Примечание. При эксплуатации в условиях длительного пребывания конструкции при повышенной (до 90%) относительной влажности воздуха расчетные характеристики умножают на 0,5.

Таблица П.3.2 Коэффициенты длительного сопротивления и временные деформационные коэффициенты сверхтвердой древесноволокнистой плиты Характеристика

kдс nвр

Вид сопротивления Растяжение Сжатие Изгиб Сдвиг Растяжение Сжатие Изгиб

Продолжительность действия нагрузки, сут 0,5—1

5

45

90

120

180

∞

0,85 0,96 0,85 0,85 0,70 0,90 0,70

0,50 0,78 0,62 0,60 0,40 0,85 0,36

0,31 0,40 0,31 0,28 0,22 0,47 0,20

0,28 0,27 0,19 0,21 0,35 0,18

0,25 0,26 0,16 0,31 0,17

0,22 0,26 0,12 0,26 0,16

0,30 0,20 0,26 0,10 0,20 0,25 0,15

Примечание. Приведенные в таблице данные относятся к действию усилия в плоскости плиты. Сжатые обшивки плит и панелей рассчитывают по устойчивости по формуле (6.7).

190

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 БУМАЖНЫЙ ДЕКОРАТИВНЫЙ СЛОИСТЫЙ ПЛАСТИК БСП Таблица П.4.1 Расчетные характеристики БСП при кратковременном действии нагрузки, МПа Вид сопротивления Растяжение Сжатие Изгиб

Коэффи- Расчет- Модуль Предел циент ное упругопрочнооднород- сопро- сти, рассти ности тивление четный 120 0,6 70 10000 80 0,9 70 120 0,6 70

Таблица П.4.2 Длительное воздействие нагрузки Характеристика

Вид сопротивления

kдс

Растяжение Сжатие Изгиб

Продолжительность действия нагрузки, сут 0,5-1 5 45 90 120 180 0,9

0,48 0,32 0,28 0,27 0,25

Благодаря высоким декоративным качествам бумажный ДСП применяют в обшивках плит и панелей, обращенных внутрь помещения, т. е. при температуре воздуха до 40° и неограниченной влажности воздуха, поэтому необходимости поправок в таблице на условия работы нет. Устойчивость сжатых обшивок рассчитывают по формуле (6.7).

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 ДРЕВЕСНОСЛОИСТЫЕ ПЛАСТИКИ Таблица П.5.1 Расчетные характеристики при кратковременном действии нагрузки вдоль волокон наружного шпона, МПа Характеристика

Марка

ДСП-Б

kдс ДСП-В

Вид сопротивления

Предел прочности

Растяжение Сжатие Изгиб Сдвиг Растяжение Сжатие Изгиб Сдвиг

220 155 260 14 110 120 150 13

Коэффи- РасчетМоциент ное дуль однород- сопроти- упруности вление гости 0,70 0,70 0,70 0,70 0,75 0,75 0,75 0,75

155 110 180 10 83 90 110 10

30000

18000

191

Таблица П.5.2 Коэффициенты длительного сопротивления и временные деформационные коэффициенты древеснослоистых пластиков Характеристика

kдс

Вид сопротивления

Марка

ДСП-Б

kдс

ДСП-В

nвр

ДСП-Б ДСП-В (15-60мм)

Растяжение Сжатие Изгиб Сдвиг Растяжение Сжатие Изгиб Сдвиг (кроме сдвига) любое

Продолжительность действия нагрузки, сут 0,5—1

5

45

90

120

180

∞

0,96

0,88 0,74 0,71

0,70

0,70

0,70

0,9 0,95 0,95 0,96 0,95

0,62 086 0,82 0,88 0,85

0,54 0,69 0,48 0,71 0,52

0,54 0,67 0,45 0,70 0,51

0,54 0,67 0,44 0,70 0,50

0,54 0,67 0,43 0,70 0,50

0,93

0,80 0,55 0,45

0,40

0,39

0,39

0,54 0,70 0,57 0,74 0,59

Коэффициент Пуассона по ширине и толщине плит в случае приложения нагрузки в плоскости плиты 0,4. Коэффициенты продольного изгиба для древесноволокнистых пластиков приводятся на графиках (рис.П.5 1), пунктиром показано воздействие длительной нагрузки, сплошной линией - кратковременной. Листовые элементы конструкций из древеснослоистых пластиков при сжатии рассчитывают по формуле (6.7). Рис. П.5.1. Зависимость прогиба древесноволокнистых пластиков от продолжительности действия и величины нагрузки

Таблица П.5.3 Коэффициент условий работы древеснослоистого пластика Марка

ДСП-Б

ДСП-В

Условия эксплуатации Установившаяся температура воздуха: 40°С 65°С Установившаяся температура воздуха 40°С 65°С:

К расчетным сопротивлениям

К модулю упругости

0,80 0,75

0,70 0,60

0,95 0,95

0,70 0,55

192

ПРИЛОЖЕНИЕ 6 ПОЛИМЕРБЕТОНЫ Таблица П.6.1 Расчетные характеристики фурфуролацетоновых полимербетонов ФАМ в нормальных условиях при кратковременном действии нагрузки, МПа расчетная,10-5

Полимербетон ФАМ на песчано-щебеночном наполнителе Сжатие 67 0,8 54 19000 16000 Растяжение 5,5 0,75 4 19000 16000 Изгиб 11 0,6 6,5 Мелкозернистый полимербетон ФАМ Сжатие 85 0,8 70 21000 16000 Растяжение 6 0,75 4,5 19000 10000 Изгиб 11 0,8 8,5 -

Предельная деформация нормативная,10-5

расчетный

Модуль деформации начальный

расчетное сопротивление

коэффициент однородности

Вид сопротивления

предел прочности

Расчетное сопротивление

350 55 -

300 50 65

350 60 -

300 55 65

Таблица П.6.2 Коэффициенты длительного сопротивления и временные деформационные коэффициенты при сжатии фурфуролацетонового полимербетона Продолжительность действия нагрузки, сут

Характеристика

Вид сопротивления

kдс

Растяжение Сжатие

0,90 0,90

nвр

Растяжение Сжатие

0,88 0,95

0,5—1

5

45

90

120

180

∞

0,76 0,68 0,65 0,80 0,58 0,53

0,63 0,52

0,6 0,51

0 0,5

0,70 0,56 0,53 0,85 0,60 0,53

0,5 0,52

0,46 0,51

0 0,5

Рис. П.6.1. Коэффициенты продольного изгиба при длительном действии нагрузки φдл: а — полимербетон; б — сталеполимербетон

193

Таблица П.6.3 Коэффициенты химической стойкости полимербетона ФАМ при воздействии агрессивных сред для расчетного сопротивления при сжатии Наименование агрессора

Концентрация, %, до

Коэффициент стойкости

70 40 5 3

1 1 0,75 0,7

85 10 5

1 1 1

25 50 20

1 1 1

100

1

100

1

100 50

1 1

Минеральные кислоты: серная соляная фосфорная азотная Органические кислоты: молочная, олеиновая лимонная уксусная Соли и основания: аммиак едкий натрий углекислый натрий Хлористые растворы солей металлов: железа, калия, кальция, магния, натрия, цинка Растворители: анилин, ацетон, бензол, спирты, скипидар, Газы: углекислый газ, сероводород, сероуглерод, хлористый водород. Формальдегид

ПРИЛОЖЕНИЕ 7 ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ПЛАСТМАССЫ Таблица П.7.1 Расчетные характеристики органического поделочного стекла марки ПА при кратковременном действии нагрузки, МПа Вид сопротивления Растяжение Сжатие Изгиб Срез

Предел прочности 55 80 100 60

Коэффициент однородности 0,75 0,8 0,75 0,7

Расчетное сопротивление 40 64 75 40

Модуль упругости 2500

Таблица П.7.2 Коэффициенты длительного сопротивлении и временные деформационные коэффициенты органического поделочного стекла марки ПА Продолжительность действия нагрузки, сут

Характеристика

Вид сопротивления

kдс

Растяжение Сжатие

0,90 0,90

nвр

Растяжение Сжатие

0,95

0,5—1

5

45

90

120

180

25 лет

0,40 0,34 0,32

0,31

0,3

0,2

0,70 0,57 0,52

0,5

0,48

0,2

194

Таблица П.7.3 Коэффициенты условий работы для органического стекла поделочного марки ПА при всех видах сопротивления Условия эксплуатации

К расчетным сопротивлениям

К модулю упругости

0,95 0,80

0,95 0,80

0,70 0,40

0,75 0,60

Увлажнение с последующим высыханием: атмосферные условия в воде Установившаяся температура воздуха: 40°С 60°С

ПРИЛОЖЕНИЕ 8 ВИНИПЛАСТ ЖЕСТКИЙ, ЛИСТОВОЙ ВП И ВН Таблица П.8.1 Расчетные характеристики листового жесткого винипласта при кратковременном действии нагрузки, МПа Вид сопротивления Растяжение Сжатие Изгиб Срез

Коэффи- РасчетПредел циент ное сопрочнооднород- противсти ности ление 45 0,70 35 50 0,70 40 70 0,70 56 8 0,70 28

Модуль упругости 2800

Таблица П.8.2 Коэффициенты длительного сопротивления и временные деформационные коэффициенты листового жесткого винипласта Продолжительность действия нагрузки, сут

Характеристика

Вид сопротивления

kдс

Растяжение Сжатие

0,80

nвр

Растяжение Сжатие

0,85

0,5—1

5

45

90

120

180

25 лет

0,48 0,34 0,32

0,31

0,3

0,3

0,70 0,57 0,54

0,53

0,52

0,2

Таблица П.8.3 Коэффициенты условий работы винипласта жесткого Условия эксплуатации Увлажнение с последующим высыханием: (атмосферные условия) и в воде Установившаяся температура воздуха: 40°С 65°С

К расчетным сопротивлениям

К модулю упругости

0,9

0,9

0,50 0,30

0,55 0,45

195

ПРИЛОЖЕНИЕ 9 ПЕНОПЛАСТЫ Таблица П.9.1 Расчетные характеристики пенопластов при срезе (сдвиге) при кратковременном действии нагрузки, МПа Объем- Расчетное Название Марка ная мас- сопротивлеса, кг/м3 ние, МПа 20 0,4 ПСБ-С 40 0,6 20 0,4 ПСБ-Ст 40 0,9 60 1,6 Полистирольный 20 0,4 ПСБ 40 0,7 20 0,4 ПСБт 40 0,9 60 1,7 100 6,7 Поливинилхлоридный ПС-1 ПХВ-1 100 4,4 Фенольный ФРП-1, ФЛ 60 0.6

Модуль сдвига 15 24 15 30 60 15 24 15 30 60 140 140 42

Таблица П.9.2 Коэффициенты длительного сопротивления и временные деформационные коэффициенты пенопластов при срезе (сдвиге) Характеристика

kдс

nвр

Марка и объемная масса ПСБ-С-20; ПСБ-Ст-20; ПСБ-20, ПСБт-20 ПСБт-40; ПСБт-60; ПСБ-С-40; ПСБ-Ст-40; ПСБ-Ст-60 ПСБ-40; ПСБ-Ст-40 ПСБ-С-20: ПСБ-Ст-20; ПСБСТ-40; ПСБ-20; ПСБт-20; ПСБт-40; ФРП-1-60 ПСБ-Ст-80; ПСБт-60; ПС-1, ПХВ-1

Продолжительность действия нагрузки, сут 0,5—1

5

45

0,90

0,70

0,72 0,97

90

120

180

25 лет

0,44

0,39 0,37

0,37

0,37

0,51 0,90

0,33 0,66

0,31 0,30 0,64 0,63

0,30 0,63

0,30 0,63

0,97

0,92

0,75

0,71 0,70

0,70

0,70

0,98

0,94

0,85

0,82 0,80

0,80

0,80

Таблица П.9.3 Коэффициенты условий работы пенопласта Условия эксплуатации

К расчетным сопротивлениям

К модулю упругости

Установившаяся температура воздуха: полистирольные и поливинилхлоридные пенопласты: 40°С 60°С фенольные пенопласты: 40°С 60°С

0,8 0,8

0,6 0,5

0,85 0,85

0,7 0,7

196

ПРИЛОЖЕНИЕ 10 Таблица П.10.1

Предельные прогибы изгибаемых элементов Наименование элементов конструкции

Величина прогиба в долях пролета для производственных для жилых и общественных зданий зданий

Стеновые панели с проемами, заполненными силикатным стеклом, а также подоконные и надоконные вставки Стеновые панели, кроме указанных Плиты покрытий и подвесных потолков Светопроницаемые волнистые листы при пролете: до 1,5 м до 3,0 м

1/200 1/100 1/125

1/250 1/250 1/250

1/75 1/125

– –

Учебное издание Страданченко Сергей Георгиевич Шубин Андрей Анатольевич

ПЛАСТМАССЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Редактор Н.А. Юшко Подписано в печать 2004 г. Формат 60х84 1/16. Печать оперативная. Гарнитура Times New Roman. Печ. л. . Уч.-изд. л. . Тираж 100. Заказ Южно-Российский государственный технический университет Редакционно-издательский отдел ЮРГТУ Типография ЮРГТУ Адрес ун-та и типографии: 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.