Строительные конгломераты на основе органических полимеров и пластмассы

ПРИРОДНЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ

Полимерами называют высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из огромного количества структурных звеньев, взаимодействующих друг с другом посредством ковалентных связей с образованием макромолекул. Макромолекулы во много тысяч раз превышают размеры обычных молекул. Так, например, если молекула воды состоит из трех атомов, а ее молекулярная масса равна.

18 единицам, или если молекула кальцита СаСОз состоит из пяти атомов, а молекулярная масса этого минерала равна 100, то молекулы высокомолекулярных веществ содержат десятки и сотни тысяч атомов, а их молекулярная масса достигает значений, выражаемых десятками и сотнями тысяч единиц. Так, у природного полимера — целлюлозы она равна 300 000 и более, у искусственных органических полимеров, например у полиэтилена низкого давления, колеблется в пределах от 26 000 до 150 000, у полиизобутилена, поливинилацетата, политетрафторэтилена и других — до 500 000—550 000 и более, превышая иногда один миллион единиц.

Полимеры разделяют на органические и неорганические. Главная особенность органических полимеров, отличающая их от неорганических, заключается в наличии в макромолекулах атомов углерода. В неорганических высокомолекулярных соединениях (полимерах) атомов углерода не содержится. Органические и неорганические полимеры подразделяют на природные и искусственные. В данной главе рассматриваются полимеры органические и преимущественно искусственные; что касается органических природных полимеров, то они используются в строительстве значительно реже. Среди них заслуживает внимания древесина. Образующие ее целлюлоза и лигнин являются типичными примерами природных полимеров.

В результате воздействия на целлюлозу хлорэтилом в присутствии едкой щелочи или другими реагентами получают этилцеллюлозу, метилцеллюлозу и бензилцеллюлозу. Эти простые эфиры целлюлозы не отличаются высокими техническими свойствами, но используются для изготовления лаков, клеящих веществ, антикоррозионных покрытий и оболочек. В строительстве чаще применяют сложные эфиры целлюлозы — нитроцеллюлозу и ацетилцеллюлозу. Из нитроцеллюлозы изготовляют целлулоид как простейший вид пластика, но, к сожалению, весьма горючего и поэтому в строительстве не используемого. Второй сложный эфир-ацетилцеллюлозу применяют при изготовлении органического стекла, но в большей мере — при изготовлении лаков по дереву и металлу, так как они образуют водонепроницаемые и достаточно прочные покрытия.

Из других природных органических веществ следует отметить белковые продукты и боннскую кровь. На их основе получают соответственно галалит и альбумин. Первый служит поделочным материалом, второй — для получения клея при производстве фанеры. Кроме того, исходное вещество применяют при производстве пенообразователя ГК, используемого в ячеистых бетонах. К природным полимерам относятся также хлопок, шерсть, кожа, каучук и др. Наиболее значимыми в строительстве являются природные каучуки, но дешевле их заменить синтетическими каучуками или каучукообразными полимерами.

Подавляющее большинство полимеров — искусственные. Их получают с помощью синтеза простых низкомолекулярных веществ, называемых мономерами. По составу основной цепи макромолекул органические полимеры разделяются на карбоцепные, гетероцепные и элементоорганические.

Карбоцепные полимеры характеризуются тем. что их моле^пяпные цепи целиком состоят из атомов углерода:

Гетероцепные полимеры имеют в составе цепей кроме атомов углерода еще и некоторые другие атомы элементов — кислорода, серы, азота, фосфора, или других:

Элементоорганические полимеры могут содержать в основной цепи атомы кремния, алюминия, титана и других элементов, не входящих в состав обычных органических соединений. Так, например, соединения типа имеют в макромолекуле крем;

ний-кислородные связи, именуемые силоксановыми.

По строению макромолекул органические полимеры могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми (трехмерными). При линейном строении все молекулы вытянуты в виде цепей, в которых атомы мономера, являющиеся исходным низкомолекулярным соединением, химически связаны между собой. Разветвленные макромолекулы характерны наличием мономерных звеньев, ответвленных от основной цепи полимера. Сетчатые (пространственные) макромолекулы характеризуются химической «сшивкой» отдельных линейных или разветвленных цепей полимера поперечными связями (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Строение молекул Полимеры с макромолекулами

полимеров: линейного и разветвленного строения ле™Гстру^™(^у^ура ^ПР^И нагревании плавятся с изменени;

странственного полимера ем свойств, а также способны расгворяться в соответствующих органических растворителях. При охлаждении такие полимеры вновь отверждаются (так в отношении полимеров называется процесс отвердевания). Они способны многократно размягчаться при нагревании и отверждаться при охлаждении; их называют термопластичными (термопластами). Полимеры с макромолекулами трехмерного строения имеют повышенную устойчивость к термическим и механическим воздействиям, не растворяются, а лишь набухают в растворителях. Они не могут размягчаться при повторном нагревании; их именуют термореактивными (реактопластами). При высокотемпературном нагревании они подвержены деструкции и сгоранию.

Органические полимеры в твердом состоянии имеют обычно аморфную структуру. Однако существуют полимеры, которые в твердом состоянии характеризуются кристаллической или аморфно-кристаллической структурами.

В зависимости от способа получения полимеры разделяют на две группы: полимеризационные (термопласты) и поликонденсационные (реактопласты).

Полимеризационные полимеры получают полимеризацией исходных мономеров с раскрытием кратных связей ненасыщенных углеводородов и соединением элементарных звеньев мономера в длинные цепи. Поскольку при полимеризации мономеров атомы и их группировки не отщепляются, то побочных продуктов в реакциях не образуется, а химический состав мономера и полимера остается одинаковым. В полимеризации могут участвовать два и более мономеров, тогда ее называют сополимеризацией, а продукт — сополимером.

Поликонденсационные полимеры получают в процессе объединения (поликонденсации) двух или нескольких низкомолекулярных веществ. При протекании реакций образуется не только основной продукт, но и побочные соединения — вода, спирт и др., так что химический состав полимера всегда отличается от химического состава исходных продуктов поликонденсации.

Используемые в обоих процессах производства полимеров исходные сырьевые мономеры, способные при определенных условиях соединяться друг с другом, получают при переработке природных и нефтяных газов, каменного угля, аммиака, углекислоты и других веществ. По мере протекания процессов полимеризации и поликонденсации возрастает число атомов в образуемых макромолекулах и растет молекулярная масса формирующихся полимеров. Вначале образуются вещества с еще сравнительно невысокой молекулярной массой (до 5000 единиц), называемые олигомерами, по консистенции — смолообразные. Вещества с более высокой молекулярной массой называются полимерами, растворимость, а также эластичность которых снижаются, но возрастает прочность — одно из важнейших свойств полимера вследствие возрастающего эффекта действия межмолекулярных сил при росте молекулярной массы, что, кстати, отсутствует в обычных органических веществах типа битума и дегтей. Следует отметить, что на свойства полимера существенное влияние оказывает и водородный тип связи, особенно когда водород непосредственно связан с кислородом или азотом (ОН, NH2 и др.). Водородная связь, хотя и слабее ковалентной, но значительно прочнее межмолекулярных (ван-дер-ваальсовых) сил притяжения.

Технической характеристикой многих полимеров служат следующие свойства: термические — температура размягчения и теплостойкость, температуры стеклования и текучести; механические — прочность, деформативность и поверхностная твердость; химические — атмосферостойкость и сопротивляемость деструкции. Каждое из этих свойств определяется стандартными методами, излагаемыми в соответствующих лабораторных практикумах по полимерным материалам. В частности, температуру размягчения определяют по методу Кремер—Сарнова (рис. 11.2) или по «КиШ», теплостойкость — на приборах Мартенса или Вика (рис. 11.3), температуры стеклования и текучести — по методу Каргина, а механи;

1 — внутренний стакан; 2 — наружный стакан; 3 — термометр; 4 — диск; 5 — трубочки; б — ртуть; 7 — полимер для его испытания Рис. 11.3. Схема прибора Вика для определения теплостойкости полимеров:

I — образец; 2 — наконечник; 3 — стержень; 4 — термошкаф; 5 — груз Рис. 11.2. Прибор Кремер—Сарнова: ческие свойства полимеров аморфного строения — с помощью диаграмм относительных деформаций (рис. 11.4).

Рис. 11.4. Термомеханическая кривая термопластичных полимеров.

Наряду с положительными свойствами полимеров — малой средней плотностью, низкой теплопроводностью, высокой химической и атмосферной стойкостью, высокой прочностью и др. — они с позиций качества строительных материалов обладают и рядом недостатков — низкой теплостойкостью, малой поверхностной твердостью, невысоким модулем упругости, значительной ползучестью, склонностью к старению, а также высокой стоимостью. Она может быть несколько снижена за счет применения в полимерах наполнителей и добавок.