Пластмассы

Значение пластмасс в современной жизни трудно переоценить. Высокая прочность, устойчивость к износу и долговечность пластмасс делают их одним из самых современных и распространенных материалов в некоторых отраслях промышленности. В строительстве пластмассы применяются как строительные материалы, как полуфабрикаты и как строительные конструкции. 

Строительные ппластмассы — это, например, массы для покрытия полов, уплотняющие массы для деформационных швов, добавки к растворам и бетону, а также клеи для керамической плитки.

Полуфабрикаты — это, например, водоотводные трубы, дренирующие трубы, покрытия полов, рулонные гидроизоляционные материалы и плиты для тепло- и звукоизоляции. Как правило, такие изделия выпускаются стандартными отрезками определенной длины, и предназначены для резки прямо на месте установки.

Строительные элементы — это, например, шахты световых фонарей, водосточные трубы и окна. Комплекты для ванных комнат часто также изготавливаются из пластмассы.

Состав, свойства и описание пластмасс

Пластмассы (или, более широко, синтетические материалы) — это материалы, изготавливаемые искусственно (синтетически) из продуктов нефтехимии и газопереработки, а также из исходных веществ угля, извести, воды и воздуха. Почти все пластмассы содержат, как и природные органические вещества, в качестве важнейших элементов углерод и водород.

Поэтому они относятся к органическим материалам. Имеются также синтетические материалы, у которых важнейшим элементом является кремний. К группе материалов, изготовляемых с применением кремния, относится силикон и его производные.

Пластмассы, как и природные органические материалы, состоят из очень больших молекул, которые составлены из многих атомов. Поэтому их называют макромолекулами (по-гречески макро — большой). Макромолекулы могут иметь нитеобразное строение или строение в виде пространственной сетки.

Соответственно промышленным стандартам пластмассы имеют краткие обозначения, которые выведены из их химических наименований. Например, поливинилхлорид обозначают PVC, а фенолформальдегидную смолу обозначают PF.

Пластмассы получают посредством синтеза. Это органические, макромолекулярные материалы. Они состоят в основном из элементов углерода (С), водорода (Н), кислорода (О), азота (N), серы (S) и кремния (Si).

Форма, величина и расположение макромолекул, наряду с химическим составом, определяют свойства пластмасс.

Синтетические материалы в массовом производстве получаются тремя способами синтеза: путем полимеризации, путем поликонденсации и полимерного сложения.

При полимеризации почти одинаковые основные молекулы, называемые также мономерами, группируются в нитеобразные (цепные) макромолекулы.

Основные молекулы, из которых состоят пластмассы — это ненасыщенные углеводородные соединения, как, например, этилен. После отделения парных соединений этих молекул они превращаются в полимеры, в длинные молекулы, или полимеры, этилен — в полиэтилен.

Основные полимеры — это полиэтилен (защитные пленки, трубы, рукава) и поливинилхлорид (дренажные трубы, покрытие полов и окантовочные профили).

При поликонденсации образуются макромолекулы путем соединения различных основных молекул, например фенола (С6Н5ОН) с формальдегидом (СН2О), при одновременном отделении (конденсации) простых веществ, как, например,

вода (Н2О). Важными поликонденсатами являются феноловая смола, мочевиноформальдегидная смола и полиамиды.

При полимерном сложении образуются нитеобразные (цепные) или пространственно-сетчатые макромолекулы также за счет соединения различных основных молекул, например диалколи (спирты) (C4HS(OH)2) с диизоцианатами (C6H12(CNO)2), без отделения побочных продуктов. Важными материалами этого вида являются полиуретановые смолы.

Путем соответствующего химического состава и метода получения синтетических материалов или путем смешения различных синтетических материалов можно получить материалы с практически любыми заданными свойствами.

Типичными свойствами синтетических материалов являются:

  • небольшая плотность,
  • различные механические свойства,
  • изоляция электричества,
  • теплоизоляция,
  • устойчивость против коррозии и химикатов. Синтетические материалы:
  • хорошо принимают нужную форму и обрабатываются,
  • хорошо окрашиваются в массе,
  • имеют гладкую, декоративную поверхность.

Однако синтетические материалы обладают также свойствами, которые ограничивают их применение:

  • по большей части, малая устойчивость против высоких температур.
  • частично горят,
  • по большей части не обладают высокой прочностью и
  • отчасти синтетические материалы неустойчивы против растворителей.

Высокая устойчивость против разложения синтетических материалов является преимуществом при их использовании, однако для их удаления это является недостатком. В связи с ростом производства синтетических материалов их утилизация стала проблемой защиты окружающей среды.

Виды пластмасс

Пластмассы, как правило, подразделяются по их механическим свойствам и их поведению при нагревании на термопласты, дуропласты и эластомеры.

Термопласты

Термопласты — это синтетические материалы, которые при нагревании становятся мягкими, а при охлаждении снова твердеют. Они состоят из нитеобразных (цепных) макромолекул, которые в большинстве случаев между собой переплетаются, как волокна фетра или могут быть связаны между собой (частично-кристаллическое строение).

При невысоких температурах цепные молекулы лежат потно и почти неподвижно друг возле друга. Пластмасса твердая и хрупкая. С увеличением температуры цепи молекул начинают двигаться, и силы притяжения между ними становятся все меньше. Пластмасса становится эластичной. При дальнейшем нагревании силы притяжения уменьшаются так сильно, что отдельные молекулы начинают скользить относительно друг друга, пластмасса становится пластичной. Так как цепи молекул мешают друг другу в их движении при дальнейшем повышении температуры, то пластмасса становится только вязкой и текущей, но не газообразной. При охлаждении изменения состояния материала происходят в обратном порядке. Они могут повторяться сколько угодно, если только за счет перегрева не разорвутся цепи молекул, в результате чего наступает химическое разложение синтетического материала.

Термопласты в их твердом состоянии могут обрабатываться резанием. В пластическом состоянии можно изменять их форму путем изгиба, вытяжки и

выдувания. Если пластмасса мягкая, то се применяют путем распыления, прессования, прокатки или вспенивания.

Важными термопластами являются поливинилхлорид (PVC), поливинилацетат (PVAC), полистирол (PS), полиэтилен (РЕ). Также важнейшие термопласты – это полиметилметакрилат или акриловое стекло (РММА), полиамид (РА), поликарбонат (PC) и полиизобутилен (Р1В) (табл. 3.56).

Дуропласты

Дуропласты — это синтетические материалы, которые в затвердевшем состоянии и при сильном нагревании не размягчаются и не плавятся. Они состоят из макромолекул, которые, как правило, образуются путем поликонденсации из различных предварительно произведенных исходных продуктов. Макромолекулы дуропластов имеют пространственно-сетчатое строение.

Поставляемые, как правило, в жидком виде исходные продукты, например фенол и формальдегид, соединяются под воздействием тепла, давления или химических веществ, называемых отвердителями, и образуются дуропласты. Этот процесс твердения может быть прерван, но его нельзя повернуть обратно. Не совсем затвердевшие дуропласты еще в большинстве случаев растворимы или расплавляемы. Процесс твердения можно продолжить и довести до полного твердения.

Свойства искусственных смол из дуропластов можно изменять для различных целей подмешиванием наполнителей, как, например, каменной муки, древесной муки или обрезков текстиля. Синтетические материалы на основе дуропластов могут обрабатываться пилой, напильником, рубанком с образованием стружки. Их можно склеивать и вспенивать, но нельзя сваривать. Не полностью затвердевшие искусственные смолы могут формоваться без стружек в формовочных прессах и там же твердеть под давлением. Наиболее важными дуропластами являются феноловые смолы, мочевиноформальдегидные смолы и меламиновые смолы, эпоксидные смолы, ненасыщенные полиэстровые смолы и полиуретаны.

Особое значение в строительстве имеют синтетические вспененные материалы (пенопласты). Они объединяют свойства пластмасс, как, например, стойкость против растительных и животных вредителей, со свойствами пенистых материалов. Пенопласты различают по виду синтетического материала, строению, механическому поведению и по методу изготовления. Вспененные материалы со структурой с закрытыми порами препятствуют воздухообмену и капиллярному действию. Поэтому их применяют преимущественно в качестве звукоизоляционных вкладышей. Вспененные материалы с открытыми порами подходят больше для звукопоглощения. Структурные — или интегральные пенопласты, преимущественно из полиуретана, имеют внутри закрыто-пористую, а снаружи плотную, почти беспористую структуру. Из них производят самонесущие конструкции, как, например, двери и стулья, а также имитацию деревянных балок и дверных полотен.

По механическому поведению различают твердые, полутвердые и упруго-мягкие пенопласты. Твердые пенопласты получают из феноловых мочевиноформальдегидных смол. Полиуретановые смолы могут применяться как для твердых, так и для мягких и упругих пенопластов.

Синтетические вспененные материалы изготавливаются в виде плит или формованных изделий на больших отливочных или шприцевальных установках. Часто полиуретан вспенивают с помощью распылительных пистолетов, приводимых в действие вручную или при помощи сжатого воздуха, получая «местную пену» прямо на стройплощадке. Так можно заполнять швы или пустоты, например монтажные шлицы, или укреплять дверные петли и другие детали (монтажная пена).

Эластомеры

  Эластомеры — это синтетические материалы с эластическими свойствами. Они легко изменяют форму; если напряжение снимается. они снова принимают свою первоначальную форму. Эластомеры отличаются от прочих эластичных синтетических материалов тем, что их эластичность, подобная резине, в значительной степени зависит от температуры. Так, например, силиконовый каучук остается упругим в диапазоне температур от —60 до +250 °С.

Эластомеры, так же как и дуропласты, состоят из пространственно-сетчатых макромолекул. Однако молекулярная сетка у эластомеров имеет более широкие ячейки и более редкая, чем у дуропластов (рис. 3.183). При изменении формы ячейки раздвигаются, не разрушая места связи. После снятия напряжения ячейки, подобно резине, притягиваются в свое первоначальное положение, синтетический материал снова принимает свою первоначальную форму.

Силиконы

Силиконы относятся к группе синтетических материалов, которые имеют состав, отличный от остальных пластмасс, и в которых главным образом атомы углерода заменены атомами кремния. Свойства силиконов зависят от длины их макромолекул и от степени их сетчатой структуры. Силиконы с нитеобразными (цепными) макромолекулами — это силиконовые масла, макромолекулы со слабой сетчатой структурой дают силиконовые каучуки, а макромолекулы с сильной сетчатой структурой— силиконовые смолы.

Силиконы — это маслянистые материалы, окрашенные обычно в белый цвет или прозрачные. Они водоотталкивающие и устойчивы к изменениям температуры от —90 до +180°С. Уже небольшие количества силиконового масла делают лаки, бумагу и текстиль водоотталкивающими. Растворы силиконовой смолы поэтому часто применяют как водоотталкивающие покрытия каменной кладки и бетона. Силиконовые каучуки можно также производить в вспененном виде. Силиконовые пенопласты в основном применяют для высокоценных мебельных работ.

Преимущественно применяемые в строительстве синтетические пенопласты состоят из дуропластов, как, например, из полиуретановых или феноловых смол. Они бывают однокомпонентными и двухкомпонентными и применяются для заполнения пустот и укрепления строительных конструкций (монтажная пена).