12.2 Термопластичные полимеры
Термопластичными называют полимеры, способные многократно размягчаться при нагревании и отвердевать при охлаждении. Эти и многие другие свойства термопластичных полимеров объясняются линейным строением их макромолекул.
Линейным строением молекул объясняется способность термопластов не только набухать, но и хорошо растворяться в растворителях. Растворы полимеров, даже очень небольшой концентрации (2...5%), отличаются довольно высокой вязкостью, причиной этого являются большие размеры полимерных молекул по сравнению с молекулами обычных низкомолекулярных веществ. После испарения растворителя полимер вновь переходит в твердое состояние. На этом основано использование растворов термопластов в качестве лаков, красок, клеев и вяжущего компонента в мастиках и полимеррастворах.
К недостаткам термопластов относят низкую теплостойкость (не выше 80...120°С), низкую поверхностную твердость, хрупкость при низких температурах и текучесть при высоких, склонность к старению под действием солнечных лучей и кислорода воздуха.
Наибольшее применение в строительстве имеют следующие термопластичные полимеры: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, перхлорвинил, поливинилацетат и поливиниловый спирт, полиизобутилен, полиакрилаты.
Кроме полимеров, получаемых из одного мономера, синтезируют сополимеры – продукты, получаемые совместной полимеризацией (сополимеризацией) двух и более мономеров. В таком случае образуются материалы с новым комплексом свойств. Так, винилацетат полимеризуют совместно с винилхлоридом для получения сополимера более прочного и водостойкого, чем поливинилацетат, но сохраняющего его высокие адгезионные свойства. Широкий спектр сополимеров выпускают на базе акриловых мономеров.
Полиэтилен– продукт полимеризации этилена – роговидный, жирный на ощупь, слегка просвечивающийся материал, легко режется ножом; при поджигании горит и одновременно плавится с характерным запахом горящего парафина. Плотность 920...960 кг/м3. Полиэтилен плавится при 90...130°С. При комнатной температуре полиэтилен практически не растворяется ни в одном из растворителей, но набухает в бензоле и хлорированных углеводородах; и растворяется в них при температуре выше 70...80°С, химически стоек, биологически инертен. Прочность при растяжении – 20...45 МПа; но при длительном действии нагрузки, составляющей более 50...60% от предельной, у полиэтилена начинает проявляться свойство текучести. Полиэтилен сохраняет эластичность до – 70°С,. легко перерабатывается в изделия и хорошо сваривается. Его недостатки – низкие теплостойкость и твердость, горючесть и быстрое старение под действием солнечного света. Полиэтилен защищают от старения, вводя в него наполнители (сажу, алюминиевую пудру) и стабилизаторы.
Из полиэтилена изготавливают пленки, трубы, электроизоляцию; вспененный полиэтилен в виде листов и труб используется для тепло- и звукоизоляции и в качестве герметизирующих прокладок. Полипропилен – полимер, по составу близкий к полиэтилену.
Полистирол (поливинилбензол) – прозрачный жесткий полимер плотностью 1050...1080 кг/м3; при комнатной температуре жесткий и хрупкий, а при нагревании до 800...1000°С размягчающийся. Прочность при растяжении (при 20°С) 35...50МПа. Полистирол хорошо растворяется в ароматических углеводородах, сложных эфирных и хлорированных углеводородах. Полистирол горюч и хрупок. Для снижения хрупкости полистирол синтезируют с другими мономерами или совмещают с каучуками (ударопрочный полистирол).
Полистирол применяют для изготовления теплоизоляционного материала – пенополистирола (плотностью 10...50кг/м3), облицовочных плиток и мелкой фурнитуры. Полистирол растворенный в органических растворителях – хороший клей.
Поливинилацетат– прозрачный бесцветный жесткий при комнатной температуре полимер плотностью 1190 кг/м3. Поливинилацетат растворим в кетонах (ацетоне), сложных эфирах, хлорированных и ароматических углеводородах, набухает в воде; в алифатических и терпеновых углеводородах не растворяется. Поливинилацетат не стоек к действию кислот и щелочей; при нагреве выше 130...150°С он разлагается с выделением уксусной кислоты. Положительное свойство поливинилацетата – высокая адгезия к каменным материалам, стеклу, древесине.
Поливинилацетат применяют в виде поливинилацетатной дисперсии (ПВАД) – сметанообразной массы белого или светлокремового цвета, хорошо смешивающейся с водой. Поливинилацетатную дисперсию получают полимеризацией жидкого винилацетата, находящегося в виде мельчайших частиц (менее 5мкм) в воде. Для стабилизации эмульсии винилацетата используют поливиниловый спирт. При полимеризации капельки винилацетата превращаются в твердые частицы поливиналацетата, таким образом получается поливинилацетатная дисперсия. Содержание полимера в дисперсии около 50%. Поливинилацетатная дисперсия выпускается средней (С), низкой (Н) и высокой (В) вязкости в пластифицированном и непластифицированном виде. Пластификатором служит дибутилфталат, содержание которого указывается в марке индексом. В грубодисперсной ПВАД, обычно применяемой в строительстве, содержание пластификатора следующее (% от массы полимера): 5...10 (индекс 4), 10...15 (индекс 7) и; 30...35 (индекс 20).
Пластифицированная дисперсия неморозостойка и при замораживании необратимо разрушается с осаждением полимера. Поэтому в зимнее время пластификатор поставляют в отдельной упаковке.
На основе поливинилацетата изготавливают клеи, водно-дисперсионные краски, моющиеся обои. ПВАД применяют для устройства наливных мастичных полов и для модификации цементных растворов. Дисперсией, разбавленной до 5...10%-ной концентрации, грунтуют бетонные поверхности перед приклеиванием облицовки на полимерных мастиках и перед нанесением полимерцементных растворов.
Недостаток материалов на основе ПВАД: набухание и появление высолов. Это объясняется наличием в дисперсиях заметного количества водорастворимого стабилизатора и способностью самого полимера набухать в воде. Так как дисперсия имеет слабокислую реакцию (рН 4,5...6), при нанесении на металлические изделия возможна коррозия металла.
Поливинилхлорид– представляет собой твердый материл без запаха и вкуса, бесцветный или желтоватый. Плотность поливинилхлорида 1400кг/м3; предел прочности при растяжении 40...60МПа. Температура текучести поливинилхлорида 180...200°С, но уже при нагревании выше 160°С он начинает разлагаться с выделением соляной кислоты. Поливинилхлоридные изделия хорошо свариваются и склеиваются перхлорвиниловым клеем.
Положительное качество поливинилхлорида – высокие химическая стойкость и низкая горючесть. Поливинилхлорид применяют для изготовления материалов для полов (различные виды линолеума, плитки), труб, погонажных изделий (поручни, плинтусы и т. п.) и декоративных пленок и пенопластов.
Перхлорвинил– продукт хлорирования поливинлхлорида, содержащий 60..:70% (по массе) хлора, вместо 56% в поливинилхлориде. Плотность около 1500кг/м3, химически стойкий к кислотам, щелочам, окислителям; трудносгораем. Перхлорвинил растворяется в хлорированных углеводородах, ацетоне, этилацетате, толуоле, ксилоле и других растворителях. Сочетание высокой адгезии и хорошей растворимости позволяет использовать перхлорвинил в клеях и окрасочных составах. Перхлорвиниловые краски используют для отделки фасадов зданий.
При работе с этим полимером, необходимо соблюдать технику безопасности (тщательно вымыть руки горячей водой с мылом и смазать их жирным кремом, вазелином, ланолином и т. п.). При сильном загрязнении рук их предварительно вытирают ветошью, смоченной в уайт-спирите (применять для этой цели бензол, толуол, этилированный бензин запрещается).
12.3 Термореактивные полимеры
Молекулы термореактивных полимеров до их отверждения имеют линейное строение, такое же, как молекулы термопластичных полимеров, но размер молекул реактопластов существенно меньше, чем у термопластов (олигомерв). В отличие от термопластов, у которых молекулы химически инертны и не способны соединяться друг с другом, молекулы термореактивных олигомеров химически активны. Они либо содержат двойные связи, либо химически активные группы. Поэтому при нагревании, облучении или добавлении отвердителей молекулы термореактивных олигомеров соединяются друг с другом, образуя сплошную пространственную сетку, как бы одну гигантскую макромолекулу.
После отверждения свойства полимеров существенно изменяются: они перестают размягчаться при нагревании, не растворяются, а только набухают в растворителях, становятся более прочными, твердыми и термостойкими.
В строительстве применяются фенолформальдегидные, карбамидные, полиэфирные, эпоксидные и полиуретановые полимеры, для получения замазок, мастик и клеев.
Ненасыщенные полиэфиры – продукты в виде вязких жидкостей, способные переходить в твердое состояние при введении отвердителей. В строительстве применяют полиэфирные смолы двух типов: полиэфирмалеинаты и полиэфиракрилаты.
К природным олигомерным и полимерным продуктам, применяемым в строительстве и других отраслях хозяйства, относятся природные смолы, ненасыщенные (высыхающие) масла, целлюлоза и некоторые белковые вещества. Для получения вяжущих веществ природные продукты, как правило, модифицируют с целью улучшения их свойств.
Органические вяжущие вещества в чистом виде применяют очень редко. В большинстве случаев в них добавляют различные вещества либо облегчающие работу с вяжущими, либо улучшающие их эксплуатационные свойства. К таким добавкам относятся растворители, наполнители, пластификаторы, отвердители, инициаторы отверждения и др.