Пластмассы как материал для строительных конструкций. 
Основные виды конструкционных пластмасс и области их применения

Пластическими массами (или пластмассами) называют материалы, которые в качестве основного компонента содержат синтетический полимер.

Полимеры — это высокомолекулярные соединения, состоящие из гигантских молекул линейной, разветвленной или трехмерной сетчатой структуры (пространственные решетки).

В большинстве случаев эти молекулы содержат многократно повторяющиеся структурные элементарные звенья (группы атомов), соединенные силами химических связей.

Получают полимеры из исходных низкомолекулярных органических веществ (мономеров), отдельные молекулы которых благодаря двойным или тройным связям способны соединяться между собой с образованием многократно увеличенной молекулярной массы, т. е. полимера.

Название полимера образуется обычно от названия того мономера, из которого он был получен. Так, например, полиэтилен получают из этилена, поливинилхлорид — из винилхлорида, полистирол — из стирола и т. д.

Иногда название полимера образуется в зависимости от вида реакционных химических групп, соединяющих молекулы мономеров — полиамиды, полиэфиры и т. д.

В основе технологий синтеза высокомолекулярных соединений лежат два основных метода получения полимеров — полимеризация и поликонденсация, различающиеся как по механизму реакции, так и по строению образующихся полимеров.

Полимеризация — это цепной процесс соединения большого числа молекул одного и того же вещества в одну большую макромолекулу. Этот процесс протекает обычно при определенной температуре и давлении без выделения каких-либо низкомолекулярных веществ. При полимеризации химический состав полимера соответствует химическому составу исходного мономера.

Поликонденсация — это химический процесс получения полимеров из мономеров различных исходных веществ, сопровождающиеся выделением побочных продуктов (воды, спирта и др.).

Поликонденсацией получают фенолоформальдегидные, мочевиноформальдегидные смолы, полиамиды, полиэфиры и другие полимеры.

Кроме процессов полимеризации и поликонденсации, применяют ещё весьма перспективный процесс сополимеризации, который заключается в совместной полимеризации двух или более различных по химическому составу мономеров; такие реакции в результате дают сополимеры, обладающие новыми свойствами, отличающимися от свойств полимеров каждого исходного мономера. Установлено, что сополимеры обладают более ценными свойствами, чем полимеры, полученные из тех же мономеров. Подбором мономеров с различными свойствами можно широко изменять физико-механические свойства полимера.

Чаще всего полимеры находятся в аморфном стеклообразном состоянии и носят названия синтетических смол (фенолоформальдегидные, мочевиноформальдегидные, полиэфирные и др.). Некоторые полимеры, однако, обладают способностью к кристаллизации и не являются смолами (например, нейлон, целлюлоза и её производные).

Синтетические смолы в зависимости от влияния на них температуры делятся на две группы:

Термопластичные (обратимые) смолы при нагревании размягчаются и становятся пластичными, а при охлаждении снова отвердевают. Такой процесс может повторяться, не внося изменений в химические свойства смолы. К термопластичным смолам относится полиэтилен, полистирол, полиамид, полиуретан и ряд других.

Термореактивные (необратимые) смолы, будучи отформованы в процессе изготовления, переходят в неплавкое нерастворимое состояние и вновь формоваться уже не могут. Иначе говоря, термореактивные смолы переходят из вязко-текучего в твёрдое состояние только один раз.

К таким материалам относится фенолоформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные и ряд других смол.

Пластмассы в большинстве своем представляют многокомпонентные смеси.

Компонентами пластмасс являются.

1. Связующие вещества — это основной (а иногда и единственный) компонент пластмасс.

Обычно связующим являются синтетические смолы, хотя могут использоваться и связующие природные вещества, например, эфиры целлюлозы (нитроцеллюлоза и др.), природные смолы (живица — сосновая или еловая смола и др.).

• 2. Наполнители — компоненты, вводимые в пластмассы с целью улучшения их механических и технологических свойств — повышения теплостойкости, снижения стоимости. Наполнители бывают неорганического и органического происхождения и вводятся в материал в виде порошков, волокон или листов (древесная мука, цемент, стеклянные и асбестовые волокна, бумага, хлопчатобумажные и стеклянные ткани и т. д.).
• 3. Модифицирующие добавки. При формировании полимера (связующего) применяются обязательные добавки — отвердители. Кроме этого могут применяться ускорители (вещества, ускоряющие отвердевание), катализаторы (вещества, не участвующие в отвердевании, но присутствие которых необходимо для протекания процесса отвердевания), пластификаторы (вещества, уменьшающие хрупкость готового материала), ингибиторы (вещества, замедляющие процесс отвердевания) и другие добавки.
• 4. Красители. Окраска пластмасс осуществляется путем введения красителей в массу материала. Нужный рисунок и цвет могут быть так же получены, если они предварительно нанесены на наружный слой листового наполнителя (бумага, ткань).
• 5. Порообразователи — это добавки, применяемые для получения газонаполненных материалов — пенопластов.

Классификация пластмасс.

В зависимости от поведения смол при действии на них температуры, пластмассы делятся на два вида: а) термопластичные пластмассы (или термопласты) на основе термопластичных смол; б) термореактивные (реактопласты) на основе термореактивных смол.

Термопластичные пластмассы обычно называются по связующему веществу, исходя из наименования мономера с добавлением приставки «поли-» (поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол и др.).

Термореактивные — называют по виду наполнителя (стеклопластики, древесные пластики и др.).

В зависимости от структуры пластмассы можно разделить на две основные группы:

• 1) пластмассы без наполнителя (ненаполненные) — полиэтилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат (оргстекло);
• 2) пластмассы с наполнителем (наполненные).

Применение пластмасс в качестве материала для строительных конструкций объясняется рядом достоинств этого материала:

• — высокой прочностью, составляющей для большинства пластмасс (кроме пенопластов) 50−100 МПа, а для некоторых стеклопластиков прочность достигает 1000 МПа;
• — малой плотностью, находящейся в пределах от 20 кг/м³ (для пенопластов) до 2000 кг/м³ (для стеклопластиков);
• — стойкостью к воздействию химически агрессивных сред;
• — биостойкостью (неподверженность гниению);
• — простотой формообразования и легкой обрабатываемостью;
• — высокими электроизоляционными свойствами и некоторыми другими положительными свойствами.

Вместе с тем пластмассы имеют и недостатки, такие, например, как высокая деформативность, ползучесть и снижение прочности при длительных нагрузках, старение (ухудшение эксплуатационных свойств во времени), горючесть.

Влияние недостатков пластмасс можно уменьшить разными путями. Так, снижения деформативности добиваются применением рациональных форм поперечного сечения конструкций (трехслойные, трубчатые).

Горючесть и старение можно уменьшить путем введения специальных добавок.

Основные виды конструкционных пластмасс и области их применения.

К пластмассам, которые находят и будут находить в будущем наибольшее применение в строительных конструкциях, относятся стеклопластики, оргстекло, винипласт, полиэтилен, теплои звукоизоляционные материалы, древесные пластики.

Стеклопластики.

Стеклопластики представляют собой материалы, состоящие из стекловолокнистого наполнителя и связующего.

В качестве связующего обычно используются термореактивные смолы (полиэфирные, эпоксидные, фенолоформальдегидные). Стеклянное волокно является армирующим элементом, прочность которого достигает 1000−2000 МПа. Основой стекловолокон являются элементарные волокна.

Элементарные волокна (первичные нити) получают из расплавленной стеклянной массы, вытягивая ее через небольшие отверстия — фильеры. Элементарные волокна диаметром от 6 мкм до 20 мкм объединяют в нити, а несколько десятков нитей — в жгуты (крученые нити).

В стеклопластиках, применяемых в строительстве, используют следующие стекловолокнистые наполнители:

а) прямолинейные непрерывные волокна, вводимые в виде жгутов, нитей или элементарных волокон;

Рисунок 13.1 — Возможный вариант армирования — стекложгутами (стеклонитями).

Рисунок 13.2 — Схема получения непрерывного стекловолокна б) рубленое стекловолокно в вие хаотически расположенных отрезков длиной приблизительно 50 мм.

Рисунок 13.3 — Возможный вариант армирования — рубленым стекловолокном.

Механические свойства стеклопластиков зависят от вида стекловолокнистого наполнителя. Наиболее высокими механическими свойствами обладают стеклопластики, армированные непрерывным прямолинейным стекловолокном. В направлении волокон их прочность достигает 1000 МПа при растяжении, а модуль упругости до 40 000 МПа, однако, в поперечном направлении прочность стеклопластиков невелика (примерно в 10 раз меньше).

Все стеклопластики, армированные в одном или в двух взаимно перпендикулярных направлениях, являются материалами анизотропными.

Стеклопластики, армированные рубленым стекловолокном, являются изотропными материалами.

Существуют следующие виды стеклопластиков.

1. Пресс-материалы типа СВАМ. Стекловолокнистый анизотропный пресс-материал (СВАМ) является одним из первых высокопрочных стеклопластиков, полученных путем прессования стеклошпонов (шпонов из однонаправленного стекловолокна).

Получают его следующим образом: после намотки определенного числа слоев пропитанной нити на барабан диаметром 1 м, длиной 3 м, однонаправленный материал срезают. В развертке он представляет собой квадратный лист размером 3×3 м². Затем поворачивают лист на 90 градусов и вновь наматывают слой нитей. Таким образом, получается стеклошпон с взаимно-перпендикулярным расположением волокон. Предел прочности СВАМ при растяжении и сжатии составляет 400−500 МПа, а при изгибе, около 700 МПа.

2. Пресс-материалы АГ-4С и АГ-4 В.

АГ-4С представляет собой однонаправленную ленту, полученную на основе крученых стеклянных нитей и анилино-фенолоформальдегидной смолы. АГ-4С предназначается для получения высокопрочных изделий методом прямого прессования или намотки.

Пределы прочности при сжатии и изгибе ниже, чем у СВАМ ;

• -200−250 МПа, а при растяжении несколько выше.
• 3. Пресс-материал типа АГ-4В представляет собой стекловолокнит на основе срезов первичной нити. Специально подготовленный стекловолокнистый наполнитель смешивают с фенолоформальдегидной смолой, затем сушат.

Стеклопластики типа СВАМ, АГ-4С и АГ-4 В используют для изготовления соединительных деталей (болтов, фасонок) и для профильных изделий, эксплуатируемых в химически агрессивных средах, где металл быстро корродирует. Все перечисленные стеклопластики являются светонепроницаемыми. В строительстве находят применение и светопрозрачные стеклопластики. У нас в стране в больших объемах выпускается светопроницаемый полиэфирный листовой стеклопластик.

4. Полиэфирный стеклопластик изготавливают на основе рубленого стекловолокна и прозрачных полиэфирных смол, благодаря которым полиэфирный стеклопластик является светопроницаемым. Выпускается он в изделиях в виде волнистых или плоских листов, часто имеющих различные окраски. Прочностные характеристики полиэфирного стеклопластика существенно ниже, чем у ранее рассмотренных материалов, так пределы прочности при растяжении и сжатии составляют 60−90 МПа.

Полиэфирные стеклопластики получили широкое применение в ограждающих конструкциях (стеновые и кровельные панели), лестничных и балконных ограждениях, навесах и т. п. конструкциях. Весьма перспективны стеклопластики для совмещенных пространственных конструкций.

Органическое стекло, винипласт и полиэтилен.

Эти пластмассы относятся к термопластам и поэтому имеют ограниченное применение в несущих строительных конструкциях. Недостатком их является невысокая теплостойкость. Прочность термопластов в значительной степени зависит от температуры.

Органическое стекло целиком состоит из полимера полиметилметакрилата (без введения наполнителя). Оргстекло представляет собой бесцветную пластмассу, пропускающую до 90% видимых и более 73% ультрафиолетовых лучей света.

При температуре плюс 20 єС органическое стекло имеет сравнительно высокие прочностные характеристики (предел прочности 55 МПа при растяжении и 80 МПа при сжатии). При температуре от 105 єС до170 єС органическое стекло хорошо формуется в изделия криволинейной формы, легко подается механической обработке. Применяется для остекления криволинейных поверхностей, в виде зенитных фонарей, сводов, куполов и т. п. Этот материал весьма эффективен для покрытия теплиц, парников и оранжерей.

Винипласт выпускается пластифицированным и непластифицированным (жестким). По цвету может быть темным (темно-коричневого цвета) или прозрачным (бесцветным). Одним из главных достоинством винипласта является его высокая антикоррозионная стойкость в химически агрессивной среде. Он легко обрабатывается, практически водонепроницаем, легко сваривается и склеивается.

Недостаток — малая теплостойкость (всего до плюс 60 ⁰С) и морозостойкость (до минус 30 ⁰С), большой коэффициент линейного расширения (в 7 раз больше, чем у стали) и малая ударная вязкость. По основным механическим свойствам винипласт близок к органическому стеклу.

Области применения винипласта в строительстве широки и разнообразны, поскольку этот материал является самым дешевым из термопластов. Он используется для гидроизоляции, в качестве кровельного покрытия. Из него изготавливают трубы, профили, поручни и другие профильные изделия.

Весьма перспективным материалом является армированный винипласт. В этом случае повышается прочность винипласта, и он может использоваться в несущих конструкциях (например, фермах).

Полиэтилен в чистом виде представляет собой твердый белый роговидный продукт. Сырьем для его производства служит бесцветный газ этилен.

Полиэтилен обладает хорошей морозостойкостью (ниже минус 70 єС) и высокой химической стойкостью к действию кислот, щелочей и большинству растворителей. Недостаток его заключается в том, что он подвержен старению. При введении стабилизатора (сажи до 2%) атмосферостойкость его увеличивается примерно в 30 раз (такой полиэтилен называют стабилизированным). Из полиэтилена изготавливают трубы и арматуру к ним, профильные изделия, болты, листы и т. д.

Перспективным является применение липких лент из стабилизированного полиэтилена в качестве защитного покрытия (набинтованных) конструкций, находящихся в условиях химической агрессии.

Теплои звукоизоляционные материалы.

Наибольшее распространение в строительстве получили газонаполненные пластмассы, а также сотопласты.

Газонаполненные пластмассы по своей структуре делятся на два вида:

• — пенопласты — материалы с замкнутыми ячейками;
• — поропласты — с взаимно сообщающимися незамкнутыми ячейками.

Эта классификация условна, поскольку практически нельзя получить в чистом виде материал, отвечающий указанным условиям.

Ячейки, заполненные воздухом или газом, составляют более 90% объема материала. Поэтому отличительной особенностью пенопластов является небольшая плотность (от 20 до 200 кг/м³), низкая теплопроводность и достаточная для них прочность (от 0,2 до 1,1 МПа при сжатии).

Пенопласты, благодаря своей структуре имеют более высокие по сравнению с поропластами изоляционные качества.

Поропласты имеют большее влагопоглощение, но и обладают более высоким звукопоглощением.

Материал получают в виде блоков или формованных деталей. Газонаполненные пластмассы выпускают на основе как термопластичных, так и термореактивных смол.

Различают жесткие, полужесткие и эластичные пенопласты. Первые два вида применяют в ограждающих строительных конструкциях (например, в качестве среднего слоя трехслойных панелей).

Сотопластами называют изделия с системами регулярных сот шестигранной формы, диаметром, примерно, от 12 до 25 мм. Сотопласты изготавливают из тканей, прочной бумаги, стеклоткани. Для получения сот гибкий листовой материал нарезают лентами требуемой ширины, которые укладывают параллельно друг другу и склеивают в шахматном порядке. После склейки ленты растягивают в перпендикулярном направлении и получают сотопласт с ячейками нужных размеров. Сотопласты применяют для изготовления легких трехслойных конструкций.

Древесные пластики.

Материалы, полученные соединением синтетическими смолами продуктов переработки натуральной древесины, называют древесными пластиками.

Древесно-слоистые пластики (ДСП) изготавливают из тонких листов березового (иногда ольхового, липового или букового) шпона, пропитанного смолой и склеенного при высоком давлении от 15 до18 МПа и температуре от плюс145 єC до плюс155 єC.

В зависимости от взаимного расположения слоев шпона в пакете, различают четыре основных марки ДСП:

ДСП-А — все слои параллельны друг другу, ДСП-Б — через каждые 10−12 параллельных слоев один поперечный, ДСП-В — перекрестное расположение слоев, причем наружные слои располагаются вдоль плиты, ДСП-Г — звездообразное расположение слоев, каждый слой смещен по отношению к предыдущему на 25−30є.

Для строительных конструкций рекомендуется ДСП-Б и ДСП-В, как наиболее прочные поперек волокон и под углами к волокнам.

Во всех случаях прочность ДСП превышает прочность цельной древесины, а для некоторых марок при действии усилий вдоль волокон шпона не уступает прочности стали.

В настоящее время в связи еще с высокой стоимостью ДСП, он применяется в основном для изготовления соединительных деталей элементов конструкций.

Древесно-волокнистые плиты (ДВП) изготавливают из хаотически расположенных волокон древесины, склеенных канифольной эмульсией. Сырьем для ДВП являются отходы лесопиления и деревообработки. Для изготовления твердых и сверхтвердых плит в древесноволокнистую массу добавляют фенолоформальдегидную смолу. При длительном действии влажной среды, древесноволокнистая плита весьма гигроскопична, набухает по толщине и теряет прочность, поэтому во влажных условиях применять ДВП не рекомендуется. Прочность сверхтвердых плит ДВП плотностью не менее 950 кг/м³ при растяжении составляет около 25 МПа.

Древесно-стружечные плиты (ДСтП, ДСП) — композиционный материал, который получают путём смешивания высушенных стружек с мочевиноили феноло-формальдегидной смолой (от 6% до18% от массы стружек) с последующим выкладыванием на формовочных машинах в виде ковра и прессованием на однои многоэтажных периодических прессах (от 0,2 до 3 МПа, от 100 °C до140 °С) или в непрерывных гусеничных и экструзионных агрегатах.

Впервые древесно-стружечные плиты (particle board) появились 1940;х годах. В настоящее время для обозначения этих плит используются аббревиатуры ДСП и ДСтП — первый вариант встречается гораздо чаще, хотя в нормативных документах используется аббревиатура ДСтП (поскольку аббревиатура ДСП к тому времени уже использовалась для обозначения древесно-слоистых пластиков).

Плиты подразделяют:

по физико-механическим показателям — на марки П-А и П-Б;

по качеству поверхности — на I и II сорта;

по виду поверхности — с обычной и мелкоструктурной (М) поверхностью;

по степени обработки поверхности — на шлифованные (Ш) и нешлифованные;

по гидрофобным свойствам — с обычной и повышенной (В) водостойкостью;

по содержанию формальдегида — на классы эмиссии Е0, Е1, Е2, где E0 с меньшим содержанием формальдегида.

Древесно-стружечные плиты с классом эмиссии E0 и E1 предназначены для использования изделий, произведенных из них, внутри общественных помещений и жилых помещений, изделия из плит класса Е2 — вне жилых помещений.

Номинальные размеры плит, мм:

толщина от 3 до 40, с градацией в 1 мм;

длина 1830, 2040, 2440, 2500, 2600, 2700, 2750, 2840, 3220, 3500, 3600, 3660, 3690, 3750, 4100, 5200, 5680;

ширина 1220, 1250, 1500, 1750, 1800, 1830, 2135, 2440, 2500.

Плотность от 0,5 до 1,0 г/смі, набухание в воде от 5% до 30%, предел прочности при растяжении не менее 0,2−0,5 МПа, предел прочности при изгибе не менее 10−25 МПа, влажность от 5% до12%.

Древесно-стружечные плиты являются дешевым и доступным материалом, он широко используется в строительстве в качестве перегородок, подвесных потолков.