Основні властивості пластмас

Загальна характеристика полімерних речовин. Основні властивості пластмас. Характеристика матеріалів на основі полімерних речовин: матеріали для покриття підлог, конструкційні матеріали, опоряджувальні матеріали, гідроізоляційні, покрівельні, герметизуючи матеріали, теплоізоляційні, полімерні вироби загальнотехнічного призначення, полімерні клеї.

Тема 13. Полімерні матеріали та вироби

Загальна характеристика полімерних речовин

Полімерними речовинами називають високомолекулярні сполуки, які складаються з елементарних (мономірних) ланок, об’єднаних у макромолекули різної будови.

Початок широкому використанню полімерів поклав винахід целулоїду, створеного в 1845 р. на основі целюлози братами Хайєт.

Пізніше, в 1872 р. німецький хімік Байєр шляхом з'єднання фенолу з формальдегідом у присутності соляної кислоти синтезувала нову полімерну речовину, яка швидко завоювала популярність.На основі фенольних смол і сьогодні одержують високоміцні, хімічно стійкі, електроізоляційні вироби, що з успіхом заміняють металеві.У наступні роки було синтезовано багато нових полімерів і пластмас. Велике поширення одержали прозорі пластмаси, що заміняють тендітне скло. Найбільш придатним для цих цілей виявився поліметилметакрилат, одержуваний з ацетону, синильної кислоти й метилового спирту (органічне скло). В 1940 р. німецький хімік Мюллер і незалежно від нього руський вчений Адріанов отримали перші силіконові пластмаси, молекули яких поряд з вуглецем містять кремній. Завдяки вмісту кремнію в полімерному ланцюзі пластмаси придбали нові цінні властивості: вони відрізняються високою теплостійкістю, (до 500 ^оС), стійки до дії води, кислот і органічних розчинників.

Велике поширення полімерів - одна з відмінних рис сучасного будівництва. І це, очевидно, є тільки початком грандіозного перевороту, рівного за своїм значенням великим матеріальним революціям минулого - освоєнню бронзи й заліза.

Сучасний період розвитку промисловості пластмас характерний тим, що вона стала однієї з ведучих галузей народного господарства, оскільки мається практично необмежена сировинна база. Застосування різних полімерів і напвнювачі дозволяє значно змінювати структуру і будівельно-технологічні властивості пластмас. Так, наприклад, склопластики й інші матеріали можуть у ряді випадків досягати міцності сталі, а пено- і поропласты, наповнені азотом, повітрям чи іншими газами, можуть мати малу середню щільність, теплопровідність і гарну звукоізоляцію.

Класифікація полімерних речовин

За способом синтезу і тверднення органічні полімерні речовини поділяють на:

- полімеризаційні, отримані в результаті реакції полімеризації (у процесі об’єднання молекул низькомолекулярної речовини без виділення будь-яких побічних продуктів). До них відносять:поліетилен, поліізобутилен, полістирол;

- поліконденсаційні, отримані реакцією поліконденсації(у процесі одержання високомолекулярних сполук з одночасним відщепленням низькомолекулярних продуктів реакції. Це такі полімери, як фенолформальдегід, поліефір, епоксидний полімер, поліамід і т.д.

За складом основного ланцюга макромолекул:

- карболанцюгові, молекулярні ланцюги, які складені з атомів карбону(поліетилен, поліпропілен, поліізобутилен);

- гетероланцюгові, до складу молекули яких, крім атомів карбону, входять атоми кисню, сірки, азоту (епоксидні, поліуретанові, поліефірні полімери);

- е лементоорганічні, до складу молекул яких входять атоми кремнію, титану, алюмінію, що не входять до складу органічних сполук.

Стосовно температурних впливів:

- термопластичні (поліетилен, полістирол тощо), здатні оборотно розм'якшуватися при нагріванні й затвердівати при охолодженні зі збереженням основних властивостей;

- термореактивні (фенолформальдегідні, карбамідні та ін), полімери, які після затвердіння при нагріванні не переходять у пластичний стан.

Пластичними масами (пластмасами називають матеріали, основним сполучним компонентом яких є полімер як синтетична високомолекулярна речовина. На стадії виготовлення матеріалів пластмаси мають здатність легко формуватися при визначеній температурі і тиску.

Порівняно з відомими традиційними будівельними матеріалами (кераміка, деревина, метали) полімерні матеріали з'явилися відносно недавно (перша чверть XX ст.), але міцно зайняли провідні позиції і досі лишаються перспективними завдяки високій економічності, технологічності та можливості суміщення в кон­струкціях з іншими матеріалами.

Від інших будівельних матеріалів полімерні матеріали вигідно відрізняють­ся багатьма показниками, які визначають умови раціонального застосування їх у будівництві. Принципове значення мають невичерпні можливості регулювання й програмування властивостей пластмас.

Загальні властивості пластмас залежать від багатьох факторів: хімічної будови полімерів, типу наповнювача, вмісту добавок (пластифікаторів, барвників, стабілізаторів), технології виготовлення. Різноманітність пластмас визначає й широкий діапазон зміни їхніх властивостей.

Середня густина пластмас становить 900...2200 кг/м³ і залежить від виду ви­користаних наповнювачів, які іноді складають значну частину їхнього об'єму. Середня густина пластмас, які містять важкі мінеральні наповнювачі (полімербетони), перевищує 2000 кг/м³. Густину пластмас можна регулювати, змінюючи їхню пористість, наприклад середня густина ніздрюватих пластмас (з пористістю до 95%) становить 10...20 кг/м³.

Низькі істинна та середня густини й відносно високі міцнісні показники дають змогу створювати ефективні конструкції з пластмас. Деякі пластмаси, наприклад, СВАМ (скловолокнистий анізотропний матеріал), мають коефіцієнт конструктивної якості, який дорівнює 225 МПа (для порівняння вироби з важко­го бетону мають коефіцієнт конструктивної якості - 21). Границя міцності при стиску склопластиків досягає майже 350 МПа, текстоліту - до 250 МПа, а границя міцності при розтягу та згині склопластиків дорівнює, відповідно, 450 і 550 МПа.

Властивості пластмас щодо дії води залежать від їхньої структури й ступеня гідрофільності. Водопоглинання щільних гідрофобних полімерних матеріалів становить 0,1...0,5%, а високопористих (із гідрофільними наповнювачами чи від­критою пористістю) - 30...90% за об'ємом. Завдяки високій непроникності полі­мерні плівкові та рулонні матеріали, а також мастики, особливо на основі поліе­тилену, полівінілхлориду, синтетичних каучуків, широко застосовують для гідро­ізоляції.

Пластмаси - погані тепло- й електропровідники, тому їх використовують як теплоізоляційні матеріали та діелектрики.

Хімічна стійкість — важлива властивість пластмас, що залежить не лише від полімеру, а й від наповнювача, пластифікатора та інших компонентів. Найчастіше пластмаси використовують для захисту від корозії будівельних конструкцій у воді, розчинах солей, кислот та інших агресивних середовищах. Висока хімічна стійкість, непроникність для води зумовлюють широке застосування їх для захис­них покриттів, гідроізоляції будівель та споруд, влаштування покрівель, трубоп­роводів.

Цінною властивістю багатьох пластмас є низька стираність, яку необхідно враховувати при застосуванні пластмас для влаштування підлог. Важливою харак­теристикою деяких пластмас є високий опір удару (ударна в'язкість).

Висока прозорість, безбарвність, здатність пропускати ультрафіолетові про­мені - цінні властивості деяких пластмас. Це дає змогу застосовувати їх у світлопрозорих огороджувальних конструкціях будівель та споруд, наприклад у купо­лах верхнього світла, огородженнях теплиць, оранжерей, лікувальних закладів.

Пластмаси мають високі декоративні якості, що дає змогу використовувати їх для опорядження стін та покриття підлог. Пластмаси не потребують періодич­ного фарбування поверхні. Введенням до складу вихідної композиції барвників чи пігментів можна одержати матеріал будь-якого забарвлення та відтінків, у то­му числі багатоколірні імітації природного каменю, цінних порід дерев, шкіри, тканини, металу.

Поряд з комплексом позитивних властивостей пластмаси мають і ряд нега­тивних. Для більшості пластмас характерна низька теплостійкість, яка не пере­вищує 60...80^вС, і лише деякі види пластмас мають теплостійкість 200...350°С. Ба­гато пластмас є горючими матеріалами, виділяють отруйні гази при горінні, лег­ко спалахують. При переробці пластмас та експлуатації їх в середині приміщень нерідко виділяються токсичні речовини, тому застосування полімерних матеріа­лів можливе лише після встановлення ступеня їхньої токсичності.

Пластмасам властива мала поверхнева твердість, яка не знаходиться в пря­мій залежності від міцності, як, наприклад, у металів. При тривалій дії напружень пластичні маси більшою мірою, ніж багато інших матеріалів, схильні до необо­ротних деформацій — повзучості. Із підвищенням температури повзучість зростає й призводить до небажаних деформацій конструкцій.

Модуль пружності пластмас, навіть при нормальній температурі, значно менший, ніж модуль пружності неорганічних будівельних матеріалів. Визначаю­чи значення допустимих напружень у конструкціях із пластмас, поряд із міцнісними показниками треба брати до уваги й максимально допустиму залишкову де­формацію.

При дії напружень розтягування багато пластмас характеризуються значним відносним видовженням - 20...300%. Цю характеристику потрібно враховувати при розрахунках гідроізоляції дахових покриттів, трубопроводів та інших елементів будівель і споруд. Значним недоліком пластмас є високий температурний коефіцієнт лінійно­го розширення. Наприклад, для поліетилену він у 10 разів вище, ніж сталі. Великі значення температурного коефіцієнта лінійно­го розширення пластмас у поєднанні з малою теплопровідністю зумовлюють значні залишкові внутрішні напруження, які можуть спричинити появу тріщин у будівельних виробах при різких змінах температури.

Пластмаси відрізняються високими діелектричними властивостями. Вони здатні акумулювати статичну електрику на поверхні. Результатом електризації є притягування пилу поверхнею пластмас, а також утворення електростатичного заряду, що негативно впливає на людину. Для запобігання цьому явищу до скла­ду пластмас вводять антистатичні добавки.

Окремі види пластмас схильні до старіння, тобто їхні властивості під впли­вом теплоти, світла, кисню повітря з часом погіршуються. Для забезпечення ви­сокої стійкості пластмас до старіння важливе значення мають правильний вибір вихідної сировини, її чистота й технологічні параметри виробництва.

Спеціальні властивості полімерних матеріалів та виробів впливають на ви­бір галузей їхнього застосування. Застосування полімерних матеріалів дозволяє знизити матеріаломісткість будівництва, розширити архітектурні можливості, змі­нити вигляд інтер'єрів, широко впроваджувати індустріальні методи ведення бу­дівельних робіт, замінювати дефіцитні традиційні будівельні матеріали.

Основні компоненти пластмас

Полімери, одержувані методами полімеризації чи поліконденсации, звичайно при нагріванні служать рідкою фазою конгломерату. Вони при отвержденні утворять безупинну сітку — матрицю в'язкої речовини і зчіплюють компоненти в єдиний конгломерат — пластмасу.

Найважливішими термопластичными полімерами для виробнидства пластмас є насамперед поліолеофіни (поліетилен), які мають найбільші потенційні можливості в наявності сировинної бази і широкої області застосування; полівінілхлорид, що дозволяє одержати пластмаси і вироби задовільних властивостей і малої вартості; полістирол і ін. З термореактивних полімерів найбільше значення для виробництва будівельних матеріалів і виробів мають фенолоформальдегидні, мочевино-формальдегідні, кремнійорганічні і эпоксидні полімери.

Крім полімеру (сполучного) пластмаси можуть містити напвнювачі, пластифікатори, барвники, стабілізатори, що змазують речовини й інші спеціальні добавки. За структурою і властивостями пластмаси і вироби є представниками штучних будівельних конгломератів.

Наповнювачи. У якості наповнювачів використовують органічні чи мінеральні матеріали. Вони зменшують витрату дорогого сполучного (полімеру) і впливають на властивості пластмас, додаючи їм належну міцність, тепло- і вогнестійкість, електро- і теплопровідність та ін.. Особливе значення мають порошкоподібні (крейда, тальк вапняк і ін.), волокнисті (деревинне волокно, скловолокно) і листові наповнювачі (папір, бавовняні тканини, стеклотканина).

Отверджувачі - хімічні речовини, що вводять у композицію для отверждіння (у процесі виробництва) термопластичних полімерів. До числа найбільш розповсюджених отверджувачів відноситься уротропін.

Пластифікатори - застосовують малолітучі речовини, що молекулярно розподіляються в полімері, знижують їхню крихкість і дозволяють композиції добре формоватися в процесі виробництва виробів. До числа пластифікаторів можна віднести камфору, олеїновую кислоту, диоктифталат, стеарат амонію й ін.

Стабілізатори - речовини складного хімічного складу, що перешкоджають старінню пластмас, тобто зміні фізико-хімічних властивостей у часі. Вони зберігають стабільність структури в процесі переробки пластмас у виріб, а в період експлуатації охороняють виріб від теплових впливів атмосферних факторів, кисню повітря, сонячної радіації.

Речовини, що змазують, вводять у композицію для попередження прилипания виробів до стінок форми в процесі формування. У якості змазуюючих речовин застосовують стеарин, олеиновую кислоту, солі жирних кислот і ін. Барвники - застосовують для надання полімерній композиції декоративного вигляду. Для цих цілей використовують пігменти органічного й мінерального походження.

У виробництві пластмас і виробів, них найчастіше знаходять застосування: охра, мумія, сурик, умбра, ультрамарин, оксид і ін.

Пароутворювачі використовують для одержання газонаповнених пластмас. Вони являють собою рідкі, тверді чи газоподібні речовини як мінерального, так і органічного походження.

Технологія виготовлення полімерних матеріалів

Головною перевагою пластмас порівняно з іншими матеріалами є їх висока технологічність. Вони легко піддаються механічній обробці, склеюються. Технологічні процеси виробництва пластмас, як правило, механізовані та ав­томатизовані. Особливості технологічних процесів виготовлення полімерних матеріалів залежать від їхнього складу та призначення.

Виготовлення полімерних матеріалів та виробів передбачає підготовку сиро­винних компонентів, їх дозування, змішування, формування й стабілізацію.

Вироби виготовляють вальцюванням (каландруванням), екструзією, пресу­ванням, литтям під тиском, термоформуванням, зварюванням, склеюванням, контактним та промазним способами тощо. Ніздрюваті теплоізоляційні матеріа­ли виготовляють спінюванням та пороутворенням.

Вальцювання - це операція, при якій маса формується в зазорі між валка­ми, що обертаються. При проходженні крізь валки компоненти маси стискують­ся, роздавлюються і розтираються, оскільки валки можуть обертатися з різною швидкістю.

Склеювання застосовують для з'єднування як термопластичних, так і тер­моактивних пластмас. У найпростішому випадку клеєм для термопластичних пластмас може бути органічний розчинник або спеціальні клеї.

Залежно від умов виробництва і необхідної швидкості процесу застосовують клеї холодного чи гарячого тверднення.

Напилення - це спосіб нанесення на поверхню будівельних виробів та кон­струкцій порошкоподібних полімерів, які, розплавляючись, прилипають до неї, а при охолодженні утворюють міцне покриття. Розрізняють газополум'яне, вихро­ве та псевдорідке напилення. Напилення використовують для отримання декора­тивних, антикорозійних та антифрикційних покриттів.

Сучасна технологія переробки пластмас дає змогу виготовляти монолітні конструкції з великими прогонами, наприклад купольні, які одержують пошаро­вим напиленням склопластикової оболонки й пінопласту на пневмоопалубку.

Вироби з пластмас одержують з використанням різних прийомів, при виборі яких визначальним фактором є природа полімеру й вид наповнювача.Основними прийомами переробки пластмас є:

- пряме пресування просоченої гарячими смолами основи(тканини, деревного шпону, паперу) у кілька шарів(листові пластики) або полімерного прес- порошку(плитка для підлог) у гідравлічних пресах, що обігрівають, зазначений спосіб застосовується в основному при переробці термореактивних полімерів і композицій на їхній основі;

- лиття просте, при якому рідка композиція заливається у форму й затвердіває у результаті реакції полімеризації або холодження (оргскло,плитки для підлоги та інші вироби з полікапролактаму й поліметилметакрилату);

- лиття під тиском, застосовують при виготовленні пластмас на основі термопластичних полімерів: полістиролу, ефірів целюлози, поліетилену. Полімер у в'язкотекучому стані під тиском впорскується у форму,охолоджувану водою;

- екструзії або продавлювання пластичної маси через насадку певного розміру й форми(плинтуси, поручні для сходів, рейки, герметизуючі й ущільнювальні прокладки для вікон,);

- промазки верхньої поверхні просоченого полотна основи(паперу,тканини, склотканини) пастоподібною полімерною масою з наступним глибоким нанесенням малюнка;

- вальцево-каландровим, що складається з ретельного перемішування компонентів на вальцях,наступної прокатки пластичної маси між двома обертовими в різні сторони валками із зазором, що визначає товщину майбутнього виробу;

- вспінювання полімерної маси за рахунок інтенсивного механічного перемішування в сполученні з дією перегрітої пари з наступним швидким охолодженням,заливанням і фіксуванням пористої структури виробу (пінопласти).

Дата добавления: 2014-01-04