Пластмассы

Пластмассы в строительстве применяются как строительные материалы, как полуфабрикаты и как строительные конструкции.

Строительные материалы — 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. Строительные элементы — это, например, шахты световых фонарей, водосточные трубы и окна. Комплекты для ванных комнат также изготавливаются из пластмассы (рис. 1).

Рис. 1. Применение пластмасс (примеры)

Состав, свойства и описание

Пластмассы (или, более широко, синтетические материалы) — это материалы, изготавливаемые искусственно (синтетически) из продуктов нефте- и газопере-работки, 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 этой группе относятся силиконы.

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.

Согласно DIN 7728 и ISO 1043 пластмассы имеют краткие обозначения, которые выведены из их химических наименований. Например, поливинилхлорид обозначают PVC, а фенолфор-мальдегидную смолу обозначают PF (табл. 1, 2, 3). Пластмассы — это полученные путем химического превращения (синтеза) 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 полисложения.

При полимеризации почти одинаковые основные молекулы, называемые также мономерами, группируются в нитеобразные (цепные) макромолекулы. Основные молекулы — это ненасыщенные углеводородные соединения, как, например, этилен. После отделения парных соединений этих молекул они полимеризуются в длинные молекулы, или полимеры, этилен — в полиэтилен (рис. 2).

Рис. 2. Полимеризация (полиэтилен)

Важные полимеры — это полиэтилен (например, защитные пленки, трубы, рукава) и пливинилхлорид (например, дренажные трубы, покрытие полов и окантовочные профили).

При поликонденсации образуются макромолекулы путем соединения различных основных молекул, например фенола (С₆Н₅ОН) с формальдегидом (СН₂0), при одновременном отделении (конденсации) простых веществ, как, например, вода (Н₂0) (рис. 3). Важными поликонденсатами являются феноловая смола, мочевинно-формальдегидная смола и полиамиды.

Рис. 3. Поликонденсация (феноловая смола)

При полисложении образуются нитеобразные (цепные) или пространственносетчатые макромолекулы также за счет соединения различных основных молекул, например диалколи (спирты) (C₄Hg(OH)₂) с диизоцианатами (C₆H₁₂(CNO)₂), без отделения побочных продуктов. Важными материалами этого вида являются полиуретановые смолы (рис. 4).

Рис. 4. Полисложение (полиуретановая смола)

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.

• хорошо принимают нужную форму и обрабатываются,
• хорошо окрашиваются в массе,
• имеют гладкую, декоративную поверхность.

• по большей части, малая устойчивость против высоких температур,
• частично горят,
• по большей части не обладают высокой прочностью и
• отчасти 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

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 плотно 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 вязкотекучей, 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.

Рис. 5. Строение и поведение термопластов

Термопласты в их твердом состоянии могут обрабатываться резанием. В пластическом состоянии можно изменять их форму путем изгиба, вытяжки и выдувания. Если пластмасса мягкая, то ее применяют путем распыления, прессования, прокатки или вспенивания.

Рис. 6. Термопласты

Важными термопластами являются поливинилхлорид (PVC), поивинилаце-тат (PVAC), полистирол (PS), полиэтилен (РЕ), полиметилметакрилат или акриловое стекло (РММА), полиамид (РА), поликарбонат (PC) и полиизобутилен (PIB) (табл. 1).

Таблица 1. Важнейшие термопласты

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 (рис. 7).

Рис. 7. Строение и поведение дуропластов

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 отвержденные дуропласты еще в большинстве случаев растворимы или расплавляемы. Процесс твердения можно продолжить и довести до полного твердения.

Рис. 8. Дуропласты

Свойства искусственных смол из дуропластов можно изменять для различных целей подмешиванием наполнителей, как, например, каменной муки, древесной муки или обрезков текстиля. Дуропластовые синтетические материалы 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 (табл. 2).

Рис. 9. Структура пенопластов

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 закрытопористую, а снаружи плотную, почти беспористую структуру. Из них производят самонесущие конструкции, как, например, двери и стулья, а также имитацию деревянных балок и дверных полотен.

Таблица 2. Важные дуропласты

По механическому поведению различают твердые, полутвердые и упругомягкие 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 из картушей 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) (рис. 12).

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 (табл. 3).

Таблица 3. Важные эластомеры

Эластомеры, также как и дуропласты, состоят из пространственно-сетчатых макромолекул. Однако молекулярная сетка у эластомеров имеет более широкие ячейки и более редкая, чем у дуропластов (рис. 10). 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.

Рис. 10. Строение и поведение эластомеров

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 сетчатости. Силиконы с нитеобразными (цепными) макромолекулами — это силиконовые масла, слабосетчатые макромолекулы дают силиконовые каучуки, а сильносетчатые макромолекулы — силиконовые смолы.

Силиконы — это маслянистые до резиноэластичных, прозрачные до молочно-матовых материалов. Они водоотталкивающие и температуроустойчивые 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 (рис. 11). Силиконовые каучуки можно также производить в вспененном виде. Силиконовые пенопласты в основном применяют для высокоценных мебельных работ.

Рис. 11. Нанесение силиконовой запечатывающей массы

Преимущественно применяемые в строительстве синтетические пенопласты состоят из дуропластов, как, например, из полиуретановых или феноловых смол. Они бывают одно-и двухкомпонентными и применяются для заполнения пустот и укрепления строительных конструкций (монтажная пена) (рис. 12).

Рис. 12. Запенивание шва двухкомпонентным пенистьм материалом