8875

твердое агрегатное состояние. На сегодняшний день именно синтетические полимеры являются наиболее используемыми в различных отраслях промышленности.

По химическому составу различают две большие группы полимерных материалов:

гомоцепные;

гетероцепные.

В гомоцепных соединениях главные цепи макромолекулы состоят из атомов одного вида. К таким, например, относятся карбоцепные,

сульфидоцепные, селикоцепные, состоящие из атомов, углерода, серы, кремния соответственно. Это такие материалы, как органические: полиэтилен,

полипропилен, поливинилхлорид, неорганические: карбин, кумулен,

полисилан, элементоорганические: полиорганосиланы, поливинилалкилсиланы борсодержащие и др.

К гетероцепным относятся полимеры, структура которых содержит замещающие атомы разных химических элементов. Примером таких соединений являются полиэфиры, полиамиды, полисилоксаны,

полиформальдегид и др.

Структурные особенности полимерных материалов:

Тип связей мономеров в макромолекуле оказывает сильное влияние на физические характеристики полимера. Существует большое количество разных видов структурных соединений, основными из которых являются:

Линейная. Мономеры связаны в одну цепь. Такие материалы обладают высокой эластичностью. Примеры: натуральный каучук, эластомеры.

Разветвленная. Цепи имеют боковые ответвления. Материалы с высокой прочностью. Например: амилопектин (составляющая крахмала),

полиэтилен высокого давления.

Сетчатая. Цепи имеют поперечные связи. Неэластичные и нерастворимые вещества, такие как отвердевшие эпоксидные смолы,

фенолформальдегидные полимеры. Сетчатые соединения могут быть плоскими

151

(лестничного либо паркетного типа) и пространственными. Трехмерные структуры обеспечивают материалам наивысшую твердость.

Полимеры, состоящие из одинаковых мономеров, называют гомополимерами, материалы, макромолекулы которых включают различные структурные звенья, относят к гетерополимерам (сополимерам).

Пространственное строение

По пространственному строению полимерные материалы бывают:

Изотактические (стереорегулярные). Заместители расположены по одну сторону от основной цепи. Такие полимеры обладают высокой прочностью.

Синдиотактические. Заместители расположены по обе стороны цепи с определенной периодичностью.

Атактические (нестереорегулярные). Заместители расположены по обе стороны цепи с беспорядочной периодичностью. Такие материалы наиболее мягкие.

Агрегатное состояние

Твердые пластмассы широко применяются при изготовлении промышленных изделий, труб, корпусов бытовой техники, предметов интерьера и других товаров. Они обладают достаточно высокой прочностью и жесткостью. Также широко используются эластичные полимерные материалы,

такие как каучук, резина, силикон.

К жидким полимерам относятся лакокрасочные изделия, герметики и другие составы, используемые в строительстве и при выполнении отделочных работ.

Полярность

Отношение положительных и отрицательных зарядов определяет растворимость веществ в различных средах. Поэтому свойству полимерные материалы подразделяются на:

полярные (гидрофильные);

неполярные (гидрофобные);

152

смешанные (амфильные).

Отношение к температурному воздействию

Классификация проводится по двум видам:

термореактивные ПКМ (реактопласты);

термопластичные ПКМ (термопласты).

Их физическо-механические свойства в значительной мере различны. К

основным относятся:

1.Низкая теплопроводность. Это позволяет использовать ряд материалов

вкачестве теплоизоляции.

2.Высокий ТКЛР, вызванный подвижными связями и нестабильным коэффициентом деформации. Несмотря на это некоторые полимеры идеально подходят для защитного напыления на стальные поверхности. Они образуют тонкую пленку, предохраняющую металл от коррозии.

3.Удельная масса полимеров зависит от состава и структуры. Этот параметр варьируется в очень широких границах.

4.По пределу прочности полимеры уступают металлам и их сплавам.

Тем не менее, этот показатель у них достаточно высок, что отчасти обуславливается пластичностью материалов.

5. Невысокая рабочая температура. Как правило, большинство полимеров, таких как полиэтилен, полипропилен, ПВХ могут эксплуатироваться в режиме не более 80 °С. При превышении предельного значения происходит размягчение материала и потеря твердости.

Фенолформальдегидные смолы выдерживают нагрев до 200 °С,

кремнийорганические соединения – до 350 °С.

6.Большинство полимеров горючи. При горении и плавлении выделяются токсичные вещества.

7.Большинство полимеров обладают высокими диэлектрическими характеристиками. Это позволяет использовать их в качестве изоляционных материалов в электрооборудовании, а также при изготовлении рукояток инструмента, предназначенного для работы с токопроводящими деталями.

153

Например, удельное сопротивление поливинилхлорида составляет 1017 Ом*см.

В то же время в последние несколько десятилетий были синтезированы полимеры, обладающие ионной или электронной проводимостью, что предоставляет возможности нового использования этих материалов в качестве проводников и полупроводников.

8. Эластомеры обладают способностью возвращаться в исходную форму после длительного воздействия нагрузок.

Для улучшения физических характеристик в состав полимеров вводят различные добавки. Такие материалы называются наполненными. По эксплуатационным свойствам композиты значительно превосходят чистые полимеры, что позволяет использовать их в экстремальных условиях.

В строительной отрасли полимерные материалы постепенно вытесняют традиционные, такие как металл, дерево, бетон, а новые разработки постоянно расширяют их область применения. Полимеры используются в качестве:

стеновых, потолочных и напольных облицовочных панелей;

ограждающих конструкций;

элементов окон и межкомнатных дверей;

герметиков для заделки щелей, в том числе монтажной пены;

труб, фитингов, емкостей и других элементов систем теплоснабжения водоснабжения и канализации;

элементов вентиляции и вытяжек;

тепло- и гидроизоляционных материалов;

ЛКМ;

наливных полов.

Пластмассы – это материалы на основе полимеров, содержащие дисперсные или коротковолокнистые наполнители, пигменты и иные сыпучие компоненты в количестве не более 5 %. Наполнители не образуют непрерывной фазы. Физически пластмассы представляют собой гетерофазные изотропные материалы с одинаковыми во всех направлениях физическими макросвойствами.

154

Пластмассы применяют в основном в виде твердых, жестких материалов,

изделия из которых способны выдерживать значительные нагрузки.

Температурная область эксплуатации пластмасс охватывает интервал от -60° до

+200°С.

Пластмассы делятся на две большие группы – термопласты и реактопласты. Термопласты при нагревании переходят в пластическое, а затем вязкотекучее состояние, в которых и осуществляется большинство процессов их переработки в изделия. После охлаждения термопласты вновь становятся твердыми и восстанавливают соответствующие физико-механические характеристики. Этот процесс можно повторять многократно.

Реактопласты при нагревании на короткое время приобретают способность к пластическому деформированию, затем в результате необратимых химических превращений они относительно быстро твердеют и теряют способность к повторному переходу в текучее состояние.

Формообразование изделий из реактопластов происходит вследствие необратимой химической реакции отверждения жидкого полимера (олигомера).

Полимерные композиционные материалы – в их состав кроме

полимеров могут входить следующие составляющие:

-наполнители изменяют свойств и (или) снижают стоимости полимерной композиции по сравнению со стоимостью полимера;

-пластификаторы повышают пластичность связующего полимера. При этом облегчается переработка пластмасс, а материалы и изделия становятся более эластичными и гибкими;

-стабилизаторы замедляют старение полимеров, например, под действием радиации, кислорода, влаги, тепла и других факторов окружающей среды;

-антипирены снижают горючесть изделий из пластмасс;

-отвердители и ускорители процесса отверждения способствуют отверждению олигомеров.

155

Суммарно на долю вышеперечисленных оставляющих в композиционном материале приходится несколько десятков процентов.

Яркими представителями композиционных материалов являются композиции на основе термореактивных связующих: фенопласты, аминопласты и эпоксипласты.

Полиолефины - высокомолекулярные соединения общей формулы [–

CH2–C(R1R2)–]n, образующиеся при полимеризации или сополимеризации ненасыщенных углеводородов – олефинов. Из полиолефинов наиболее широко известны полиэтилен [–CH2–CH2–]n и полипропилен [–CH2–CH(СН3)–]n.

Полиолефины характеризуются высокой степенью кристалличности,

обусловливающей достаточную механическую прочность; высокими диэлектрическими показателями, устойчивостью к действию агрессивных веществ (кроме сильных окислителей, например HNO3). Однако полиолефины обладают низкой адгезией к металлическим и другим поверхностям.

Из производимых промышленностью полиолефинов, наряду с полиэтиленом и полипропиленом, большое значение имеют также их сополимеры –этиленпропиленовые каучуки. Промышленное значение имеют полиизобутилен [–CH2–CH(CH3)2–]n, а также сополимер изобутилена с небольшим количеством изопрена (бутилкаучук).

По масштабу промышленного производства и широте областей применения (пленки и волокна, электроизоляционные покрытия, литьевые изделия и др.) полиолефины не имеют себе равных среди термопластичных материалов.

Полиолефины – наиболее крупнотоннажные полимеры, производство которых достигает десятков млн. тонн (35 % мирового объема). Важнейшими представителями этого класса являются полиэтилен и полипропилен.

Полиэтилен – высокомолекулярный продукт полимеризации этилена,

обладающий ценным комплексом свойств – высокой прочностью, стойкостью к действию агрессивных сред и радиации, исключительными диэлектрическими свойствами, работоспособностью в интервале температур от -50 до +70 о С. В

156

зависимости от метода получения производят несколько типов полиэтилена:

полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), полиэтилен высокой плотности

(ПЭВП), сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ).

Полипропилен (ПП) - высокомолекулярный продукт полимеризации пропилена при низком и среднем давлении 0,3–10 МПа и температуре 80 о С на стереоспецифических катализаторах Циглера-Натта. Достоинства полипропилена: устойчивость к высоким температурам; высокие ударная прочность, стойкость к многократным изгибам, твердость; низкая паро- и

газопроницаемость; по износостойкости он сравним с полиамидами;

хемостойкость. Он устойчив к воздействию большинства полярных органических растворителей и кислот; к воздействию водных растворов неорганических соединений – солей, кипящей воды и щелочей. К недостаткам полипропилена относятся: чувствительность к воздействию света и низкая морозостойкость.

Полистирол общего назначения получают непрерывной блочной полимеризацией стирола в аппаратах колонного типа, а также суспензионным или эмульсионным способом. Он выпускается в виде порошка или гранул,

хорошо окрашивается. Отличается высокими диэлектрическими свойствами,

оптической прозрачностью, низкой теплостойкостью (до 70°С) и низкой ударной вязкостью, хорошо перерабатывается в изделия.

АБС-пластик (полное название акрилонитрилбутадиенстирольный сополимер) имеет аморфную структуру и относится к группе сополимеров стирола. АБС-пластик получают путем сополимеризации трех мономеров:

акрилонитрила, бутадиена и стирола. АБС-пластики обладают повышенной теплостойкостью, ударной прочностью и химстойкостью.

В настоящее время разработано и разрабатывается большое количество полимерных материалов, опубликовано огромное количество литературы,

поэтому, в данном пособии ограничились лишь рассмотрением базовых полимеров и материалов на их основе.

157

2.7.Контрольные вопросы

1.Что такое горная порода?

2.Какие минералы называются породообразующими?

3.Что относят к осадочным горным породам?

4.Что относят к основным породообразующим минералам?

5.Что такое осадочные горные породы?

6.Чем характеризуется структура горных пород?

7.Назовите разновидности текстур горных пород?

8.Что такое стекло?

9.На какие группы разделяются минеральные расплавы?

10.Что понимают под признаками стеклообразного состояния?

11.Какие примеси придают стеклу нежелательную окраску?

12.Какие материалы входят в класс облицовочных стекольных и стеклокристаллических?

13.Что такое керамика?

14.Назовите классификацию керамических строительных материалов.

15.Что относят к отделочной керамике?

16.Какими основными технологическими свойствами обладают керамические материалы?

17.Какие бывают разновидности керамических кирпичей?

18.Что относят к древесным материалам?

19.Как разделяются древесные породы в зависимости от биологических признаков?

20.Какие материалы относят к хвойным породам?

21.Какие материалы относят к лиственным породам?

22.Основные свойства древесины. Преимущества и недостатки применения в строительстве.

23.Что такое строительный раствор?

158

24.Что применяют в качестве вяжущих материалов в строительных растворах?

25.Что применяют в качестве заполнителей в строительных растворах?

26.Что относят к основным показателям контроля качества растворных

смесей?

27.Какие химические добавки и с какой целью вводят в растворные

смеси?

28.Что такое полимеры?

29.Что такое биополимеры?

30.Назовите структурные особенности полимерных материалов.

31.Что подразумевают под пространственным строением полимеров?

32.Что такое полярность полимерных материалов?

33.Назовите основные физико-механические свойства полимеров.

34.Что такое пластмассы и их основные виды?

35.Что такое полимерные композиционные материалы их состав?

159

ЧАСТЬ 3. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Композиционные материалы (КМ) – это материалы из двух, трёх и более разнородных фаз (веществ) в одном объёме. Они однородны в макромасштабе,

но гетерогенны в микромасштабе. Вследствие рационального сочетания нескольких исходных компонентов образуются новые материалы с заданными свойствами, не присущими исходным компонентам, но сохранившие в то же время индивидуальные особенности каждого из них.

Цель создания композиционных строительных материалов – улучшение тех или иных свойств по сравнению с такими свойствами исходных компонентов, как механические, теплофизические, а также химическая стойкость, долговечность и т.п., или снижение себестоимости материалов, в

том числе и за счёт применения различных отходов.

Основными композиционными материалами, применяемые в строительстве являются: бетоны, железобетоны, полимербетоны, стекло-, угле-

и боропластики, древесно-цементные композиции типа арболит, фибролит,

цементно-стружечные плиты, ксилолит и древесно-полимерные композиции типа древесностружечные и древесноволокнистые плиты, фанера и древесно-

слоистые пластики, столярные плиты, MDF-панели, ориентированно-

стружечные плиты ОSВ, SIP-панели, LVL-брус, композиционные материалы с металлической матрицей.

Современное определение композиционных материалов предполагает выполнение следующих условий:

–композиция должна представлять собой сочетание хотя бы двух разнородных материалов с чёткой границей раздела между фазами;

–компоненты композиции образуют её своим объёмным сочетанием;

–композиция должна обладать свойствами, которых нет ни у одного из её компонентов в отдельности.

К композиционным относятся материалы, обладающие следующей

совокупностью признаков:

160