Строительные материалы

Полная безвредность пластмасс может быть обеспечена при условии соблюдения технологических режимов и тщательном подборе компонентов и соблюдения режимов эксплуатации. При их применении необходима строгая проверка на соответствие санитарным нормам.

 К недостаточно изученным  свойствам относятся сроки службы  полимерных материалов, а ведь именно долговечность материалов, изменяемость их свойств во времени определяют возможность применения материалов в конструкциях.

Существует опыт производства саморазрушающихся пласмасс, чтобы не скапливать отходы.

 

2. СОСТАВ И СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС

Пластическими массами называют композиционные материалы на основе полимеров, содержащие дисперсные или коротковолнистые наполнители, пигменты и другие сыпучие компоненты и обладающие пластичностью на определенном этапе производства, которая полностью или частично теряется после отверждения полимера. Некоторые строительные пластмассы целиком состоят из полимера ( например, органическое стекло: полиметилметакрилат, полиэтилен).

 Роль связующего в пластмассах  выполняет полимер.

1. Связующее

Полимерами называют вещества, молекулы которых представляют собой цепь или пространственную решетку последовательно соединенных одинаковых групп атомов, повторяющихся большое количество раз. Молекулярная масса полимера очень велика - от1000 до 1000000.  молекулярная масса низкомолекулярных соединений обычно не превышает 500. Вещества, имеющие промежуточные значения молекулярной массы, называют олигомерами.

Общую формулу полимера можно записать в виде (-Х-)п, где Х -элементарное звено, п - степень полимеризации .

Исходные вещества, из которых синтезируют полимеры, называются мономерами. Степенью полимеризации называют число структурных единиц, содержащихся в одной молекуле.

Кроме чистых полимеров находят широкое применение сополимеры-высокомолекулярные вещества, получаемые совместной полимеризацией нескольких мономеров, при этом образуются вещества с видоизмененными свойствами (ударопрочный полистирол получают соплимеризацией стирола с мономерами синтетических  каучуков)

От вида полимера, его количества и свойств зависят важнейшие свойства этих многокомпонентных материалов: их теплостойкость, способность сопротивляться действию кислот, щелочей и других агрессивных веществ, а  также характеристики прочности и деформативности. Обычно, связующее вещество - самый дорогой компонент пластмасс и, в связи с этим, основным технико-экономическим требованием к строительным пластмассам является минимальная полимероемкость - минимальный расход полимера на единицу готовой продукции, обеспечивающий требуемые характеристики. 

Сырьем для производства полимеров являются

-природный газ

-газообразные продукты переработки  нефти (содержат этилен, пропилен, др. газы)

- каменоугольный деготь, получаемый при коксовании угля (содержит фенол и др. комп.)

-азот, кислород, получаемые из воздуха  и др. вещества.

По составу основной цепи макромолекул полимеры делят на три группы:

карбоцепные полимеры, молекулярные цепи которых содержат лишь атомы углерода (полиэтилен, полиизобутилен и т.п.):

                                                                 |   |   |

                                                              -С-С-С-

                                                                |    |  |

гетерогенные полимеры, в состав молекулярных цепей которых входят кроме атомов углерода атомы кислорода, серы, азота, фосфора (эпоксидные, полиуретановые, полиэфирные полимеры и т.п.):

                                                                 |   |    |

                                                                -С-О-С-

                                                                 |    |   |

элементоорганические полимеры, в основных молекулярных цепях которых содержатся атомы кремния, алюминия, титана и некоторых других элементов, не входящих в состав органических соединений, например, кремнийорганические соединения:

                                                        R      R       R

                                                        |        |         |

                                                       -Si-О-Si-О-Si-.

                                                           |        |         |

                                                         Н       Н       Н

Структура макромолекул в зависимости от их формы может быть линейной, разветвленной, сетчатой и пространственной. При этом свойства полимеров, в первую очередь, зависят от строения макромолекулы и звеньев, из которых она построена.

Макромолекулы линейной структуры представляют собой цепи, длина которых в сотни и тысячи раз превышает размеры поперечного сечения. Чем длиннее цепь, тем выше прочностные характеристики полимера. Макромолекулы разветвленных полимеров имеют боковые ответвления. Число боковых ответвлений и отношение длины основной цепи к длине боковых цепей различны. Наличие ответвлений приводит к ослаблению межмолекулярных связей и, как следствие, к понижению температуры размягчения. Линейные и разветвленные полимеры обычно растворимы в тех или иных растворителях, плавятся или размягчаются при нагревании без изменения основных связей, а при охлаждении повторно переходят в твердое состояние. Такие полимеры являются основой термопластичных пластмасс.

Сетчатые и пространственные полимеры, называемые также сшитыми, образуются в результате соединения друг с другом линейных цепей макромолекул поперечными химическими связями. Это делает сшитые полимеры при частом расположении поперечных связей неплавкими при нагревании и совершенно нерастворимыми в растворителях. Такие полимеры являются основой термореактивных пластмасс.

Полимеры могут находиться как в аморфном, так и в кристаллическом состоянии. Под кристалличностью высокомолекулярных соединений понимают упорядоченное  ( параллельное) расположение цепей и звеньев. В кристаллических полимерах упорядоченное строение наблюдается на расстояниях, превышающих во много раз

 Размеры звеньев цепи, а в  аморфных высокомолекулярных соединениях  эти расстояния соизмеримы с  размерами цепи.

Кристаллическая фаза повышает прочность и теплостойкость полимера, наличие аморфной фазы делает полимер эластичным. Нередко кристаллическая и аморфная фазы находятся одновременно в одном материале, и их соотношение зависит от строения молекул. Например, степень кристалличности линейного полиэтилена составляет 80 %, а разветвленного -60%. Можно искусственно изменять степень кристалличности у одного и того же полимера, например, путем растягивания в нагретом состоянии или других воздействий, тем самым влиять на свойства  полимера.

По происхождению все полимеры делятся на 3 группы:

- природные (натуральный каучук, целлюлоза, шелк,  шерсть, янтарь, белок)

В природных условиях эти и другие полимеры существуют не в той форме, которая нужна потребителю: полимер приходится выделять, очищать, формовать. (Пример: попробуйте увидеть в шкуре барана-мериноса брючный костюм, а в елке - лист бумаги).

Долгое время считалось, что природные полимеры - продукт деятельности живых организмов, что в царстве минеральном полимеров быть не может. Однако, полимеры были найдены и в составе метеоритов, и в продуктах извержений вулканов, и в межзвездной пыли (полиацетилен, формальдегид). Сам человек состоит из полимеров органических (белки, нуклеиновые кислоты). Можно сказать, что полимерное состояние - одна из основных форм существования материи во Вселенной.

- искусcтвенные - полимеры, получаемые из природных путем незначительной химической модификации. Примеры: Вискозная нить (получается путем растворения природной целлюлозы в сероуглероде со щелочью с последующим ее выделением. Вискозная нить и целлюлоза природная имеют различную кристаллическую структуру), пластмасса целлулоид (получена путем обработки нитроцеллюлозы камфарой в присутствии спирта);

- синтетические - полученные искусственным  путем из мономеров по реакции синтеза, т. е. объединением множества мелких молекул в несколько макромолекул. Примеры: полиэтилен (-CH2-CH(CH3)-)n (молекулярная масса от 200тыс до 3млн), полистирол  (-CH2-CH(C6H5)-)n (50тыс-300тыс), поливинилхлорид (-CH2-CHCl-)n (до 400тыс), ФФС.

Многие синтетические полимеры не имеют аналогов среди  природных. Особенно видно это на трех китах-3-х полимерах, объем производства которых составляет больше половины объема производства всех  синтетических полимерных материалов: полиэтилене, полистироле, ПВХ. Возникновение их в природе невозможно, т. к. реакции их синтеза требуют большого количества чистых мономеров, применения особых катализаторов.

Синтетические полимеры делят в зависимости от метода получения на полимеризационные и поликонденсационные.

Реакция полимеризации заключается в химическом взаимодействии молекул мономеров, в результате чего они присоединяются друг к другу, образуя крупные молекулы.

Полимеризация может быть записана в  виде общей схемы:

nA- полимеризация- (A)n.

Из n молекул низкомолекулярного вещества образуется одна молекула полимера (А)n. Коэффициент n показывает, сколько раз повторяется основное звено мономера в цепной молекуле полимера.

Классическим примером схемы реакции полимеризации является образование полиэтилена из простейшего непредельного углеводорода – этилена. В результате реакции полимеризации двойная связь между атомами углерода в молекуле этилена ( СН2=СН2) раскрывается и освобождаются связи для соединения с другими молекулами этилена. В сою очередь, вновь образовавшаяся молекула может соединится со следующими молекулами мономера и т. Д.  Таким образом, структурная формула образовавшегося высокомолекулярного вещества- полиэтилена-имеет вид (-СН2-СН2-)n.

Размеры молекулы полимера влияют на его физические свойства. Например, полученный в результате полимеризации полиэтилен, состоящий из 20 звеньев СН2 , представляет собой жидкость4 увеличение молекулы до 2000 звеньев дает твердый и гибкий пластик, а полиэтилен с молекулой, состоящей из 6000 звеньев- пластик высокой твердости.

При полимеризации могут быть использованы различные исходные мономеры, получаемое при этом новое вещество называют сополимером, а процесс- сополимеризацией ( совместной полимеризацией). Общая схема сополимеризации может быть представлена в виде:

nA+nB- сополимеризация-( AB)n

В этом случае молекулы мономера А и мономера В химически взаимодействуют, и образуется молекула сополимера ( АВ) n.

Полимеризации могут подвергаться только такие мономеры, в молекулах которых содержатся кратные связи (или циклические группировки). За счет этих связей (или за счет раскрытия цикла) у молекул исходного вещества образуются свободные валентности, которыми они соединяются между собой в макромолекулы. Поскольку в процессе полимеризации не отщепляются атомы и атомные группы, химический состав полимера и мономера одинаков. Полученный в результате реакции полимер чаще всего является термопластичным.

Полимеризационные полимеры -полиэтилен, полиизобутилен, полистирол, полиметилметакрилат и т.п.

Поликонденсационные полимеры (фенолоальдегидные, мочевино-альдегидные, эпоксидные, полиэфирные, полиамидные и т.п.) получают методами поликонденсации. При поликонденсации макромолекулы образуются в результате химического взаимодействия между функциональными группами, находящимися в молекулах исходных веществ ( например – СООН и –NН2; -СООН и –ОН); это взаимодействие сопровождается отщеплением молекул побочных продуктов: воды, хлористого водорода, аммиака и др. В связи с этим химический состав получаемого полимера отличается от состава исходных низкомолекулярных веществ.

Реакция поликонденсации протекает ступенчато, увеличение цепи происходит путем взаимодействия одной молекулы с другой, полученный продукт взаимодействует с третьей молекулой и т. Д.  При этом молекулы исходных веществ объединяются в молекулы сетчатой структуры. Все полимеры с такой структурой относятся к термореактивным.

В зависимости от поведения полимера при воздействии температуры различают термопластичные и термореактивные полимеры.

 Термопластичные (полиэтилен, ПВХ, полистирол)- линейные полимеры, способные обратимо размягчаться при нагреве и отверждаться при охлаждении, сохраняя основные свойства. Переход в вязкотекучее состояние связан с тем, что межмолекулярные силы и водородные связи между цепями полимеров преодолеваются при сравнительно умеренном повышении температуры.

Термореактивными (или реактопластами) называют полимеры, которые будучи отверждены, не переходят при нагреве в пластичное состояние. Такие полимеры при повышении температуры ведут себя подобно древесине - они претерпевают деструкцию (химическое разложение) и загораются (карбамидные полимеры, фенолоформальдегидные, эпоксидные). В пространственных полимерах с жестким каркасом ковалентные связи между цепями имеют прочность того же порядка, что и прочность связей внутри цепи. Для разрыва таких связей тепловым движением требуется высокая температура, которая может вызвать разрыв связей не только между цепями, но и внутри цепей. Разрыв наименее прочных связей, существующих внутри цепей, является началом деструкции полимера. Такой процесс необратим. Эти полимеры являются термореактивными.