Bикористання полімерних матеріалів у будівництві

Матеріали, які одержують на основі полімерів. На основі полімерів одержують пластмаси, полімербетони, лакофарбові матеріали, клеї.

Пластмаси, пластики — матеріали, основу яких складають полімери, які знаходяться в період формування виробів у в'язкоплинному або високоеластичному станах, а при експлуатації у склистому або кристалічному станах.

Крім полімерів до складу пластмас входять пластифікатори, барвники, наповнювачі, отверджувачі, стабілізатори та інші домішки.

Пластифікатори (дибутилфталат, трикрезилфосфат та ін.) знижують температуру склистості, підвищують плинність, поліпшують морозостійкість, вогнестійкість, еластичність.

Наповнювачі покращують механічні властивості, зменшують усадку при твердінні, а також зменшують вартість полімерних матеріалів. Частіше використовують такі наповнювачі як: слюда, кварцова мука, тальк, азбест, скляне волокно, графіт, сажа, крейда, папір, тканина.

Стабілізатори вводять для затримки процесів деструкції полімеру.

Для створення тривимірної структури полімеру використовують отверджувачі.

Введення забарвників і пігментів в полімер дозволяє одержати забарвлені пластмаси.

Полімербетони - це бетони на основі органічного високомолекулярного зв'язуючого (в'яжучого). Зв'язуючими в полімербетонах є термореактивні одігомери: фуранові, поліефірні, епоксидні та ін. У полімербетон також вводять наповнювачі — гранітний або андезітовий щебінь, кварцовий пісок. Крім грубодисперсних наповнювачів у полімербетон додають різні речовини, які покращують технологічні й експлуатаційні властивості:

1) тонкодисперсні наповнювачі (графіт, сажа, фарфорова мука);

2) пластифікатори (дибутилфталат, синтетичні каучуки);

3) розчинники й розріджувачі;

4) пороутворювачі.

Полімербетон характеризується підвищеною морозостійкістю, хімічною стійкістю і широко використовується для покриття підлог у виробничих приміщеннях з агресивним середовищем, для покриття мостів і доріг, а також для декоративного оздоблення споруд. Недоліками полімербетону є його повзучість при низьких температурах і горючість.

Полімери є основою багатьох лакофарбових матеріалів і клеїв.

Лакофарбові матеріали — багатокомпонентні системи, з яких при нанесенні тонким шаром на поверхню виробів формуються покриття з заданим комплексом властивостей.

Основою будь-якого лакофарбового матеріалу є плівкоутворююча речовина (епоксидні олігомери, поліуретани, поліакрилати, кремнійорганічні полімери). Крім того, до нього входять пігменти, наповнювачі, спеціальні домішки.

Лакофарбові матеріали в залежності від складу й призначення поділяються на лаки, емалі, фарби, ґрунтовки, шпатльовки.

Лаками називаються розчини плівкоутворюючих речовин в органічних розчинниках, які не містять пігментів і наповнювачів. їх використовують для одержання прозорих покрить.

Емалі, фарби, ґрунтовки і шпатлевки — це наповнені лакофарбові матеріали.

Клеї - композиції, які здатні з'єднувати різні матеріали за рахунок утворення міцних зв'язків між їхніми поверхнями і клейовим шаром. Синтетичні органічні клеї утворюються на основі мономерів, олігомерів, полімерів або їхніх сумішей. До складу композицій входять отверджувачі, наповнювачі, пластифікатори. Клеї підрозділяються на термопластичні, термореактивні та гумові.

Термопластичні клеї утворюють зв'язок з поверхнею в результаті твердіння при охолодженні від температури плинності до кімнатної температури або випаровування розчинника. Полімерна основа термопластичних клеїв - поліакрили, поліаміди, полівінілацеталі, полівінілхлориди та ін.

Термореактивні клеї утворюють зв'язок з поверхнею в результаті структурування і утворення поперечних зшивок. Полімерна основа термореактивних клеїв - фенол-, мочевиноформальдегідні, епоксидні олігомери, поліуретани, поліефіри та ін.

Гумові клеї утворюють зв'язок з поверхнею в результаті вулканізації каучуків.

Використання полімерів. У будівництві використовують багато полімерів.

Поліетилен [— СН₂— СН₂—]_n - термопласт, який одержують методом радикальної полімеризації етилену при температурі до 320'С і тиску 120— 320 МПа (поліетилен високого тиску) або при тиску до 5 МПа з використанням комплексних каталізаторів (поліетилен низького тиску). Поліетилен низького тиску має більш високу міцність, густину, еластичність і температуру розм'якшення, ніж поліетилен високого тиску. Поліетилен хімічно стійкий у водних розчинах кислот, лугів, солей, жирів, гасу та інших вуглеводнів але під дією окисників старіє. Має високі діелектричні властивості: Може експлуатуватися в межах температур від -60 до +100°С.

Поліетилен практично не шкідливий і не виділяє в навколишнє середовище небезпечних для здоров'я людини речовин, тому широко використовується у житловому будівництві. Поліетилен застосовують у вигляді плівок, декоративних занавісок, гідро-, паро-, газоізоляції, захисних покрить від агресивного впливу і корозії, для виготовлення санітарно - технічних труб

одержують з пропілену методом стереоспецифічної полімеризації.

Характеризується більш високою термостійкістю (до 120-140°С), ніж поліетилен. Має високі діелектричні властивості, не розчиняється в органічних розчинниках, кислотах, лугах, мінеральних маслах.

Недоліком поліпропілену є невисока морозостійкість (-30°С).

У будівництві поліпропілен використовують у вигляді плівок для газо-, паро-, гідроізоляції; листів для захистних покрить від агресивних впливів; для виробництва санітарно-технічних труб.

радикальної полімеризації стиролу.

Полімер стійкий до дії окисників, але нестійкий до впливу сильних кислот, розчиняється в ароматичних розчинниках.

Недоліками полістиролу є низька теплостійкість і ударна міцність, схильність до старіння. Полістирол нешкідливий.

Полістирол використовується як конструкційний матеріал у промисловості будівельних матеріалів для виготовлення деталей, які не працюють під великими механічними навантаженнями (панелі, плитки, плівка, дверні ручки та ін.). Для тепло- і звукоізоляції на основі полістиролу виготовляють поро пласт.

радикальної полімеризації вінілхлориду. Стійкий у воді, спирті, бензині, кислотах, лугах, маслах; важкогорючий, механічно міцний.

Полівінілхлорид - крихкий, неморозостійкий матеріал, тому без пластифікаторів не використовується. Пластифікатори (алкілфталати, епоксидовані масла та ін.) додаються у великій кількості, до 50%.

Полівінілхлорид - один із найбільш поширених полімерів, які використовують у будівництві. На його основі виготовляють лінолеум, шпалери, поропласти, труби, гідро- й газоізоляційні плівки та листи, якими покривають резервуари, басейни.

Поліметилметакрилат (плексиглас органічне скло)

- термопласт, який одержують методом радикальної полімеризації метилметакрилату.

Безбарвний прозорий полімер, який добре пропускає світло і УФ-промені. Атмосферостійкий, механічно міцний, стійкий до розчинів лугів, розведених кислот, масел, бензину, води.

У будівництві поліметилметакрилат використовується у вигляді листового матеріалу для декоративних цілей, матеріалу для дверних і віконних ручок. Поліметилметакрилатна емульсія застосовується для виготовлення миючих шпалер, емульсійних фарб і ґрунтовок.

Політетрафторетилен (фторопласт) [—CF₂ — CF₂ —]_n - термоплаcт, який одержують методом радикальної полімеризації тетрафторетилену.

Фторопласт має унікальну хімічну стійкість до кислот, лугів, окиснювачів. Прекрасний діелектрик. Характеризується широкими температурними межами експлуатації (від -270 до +260°С), не змочується водою. Недоліком є трудність переробки у вироби.

Фторопласт використовують як хімічностійкий конструкційний матеріал у хімічній промисловості, а також для нанесення антифрикаційних, гідрофобних і захисних покрить.

Полівінілацетат - аморфний, прозорий склистий полімер. Температура його склування - 28°С, за звичайних температур він деформується і є непридатним для виготовлення виробів.

Полівінілацетат, як полярний полімер, набрякає у воді, руйнується під дією сильних кислот і лугів, добре розчиняється у багатьох органічних розчинниках.

Полівінілацетат має добрі адгезійні властивості, тому основне промислове застосування він одержав для виготовлення клеїв і лаків. З нього виготовляють полівінілацетатну емульсію (клей ПВА), яка використовується як домішка при виготовленні підлог, полімербетону підвищеної міцності, емульсійних фарб для внутрішніх і зовнішніх робіт.

Поліуретани - термопласти, які містять у основному ланцюзі групи

—NH— (CO) — O —, а також ефірні, карбонатні та інші групи. їх одержують взаємодією ізоціанатів (сполук, які мають одну або декілька NCO - груп) з поліспиртами, наприклад, з гліколями та гліцерином. Стійкі до дії розведених мінеральних кислот, лугів, масел, аліфатичних вуглеводнів.

Вони випускаються у вигляді пінополіуретанів (поролонів), еластомерів, входять до складу лаків, клеїв, герметиків. Використовуються в основному для тепло- і звукоізоляції, як захисні покриття для відновлення каналізаційних мереж.

У будівництві найбільше використання одержали поліорганосилоксани:

які одержують методом гідролітичної поліконденсації - алкіл (арил) - хлор-силанів R_XC1₄-_X і заміщених ефірів ортокремнієвої кислоти - алкіл (арил) - етоксисиланів R_X(OC₂H₅)_4-х, де х = 1-3. Найбільш часто використовують сполуки, де R-СН₃, — С₂Н₅ — С₆Н₅.

Особливістю поліорганосилоксанів є невелика залежність фізико-механічних властивостей від температури. Вони характеризуються високою морозо- і термостійкістю. Стійкі до дії слабких кислот і лугів, багатьох розчинників, мінеральних масел, поєднують у собі еластичність органічних полімерів з твердістю і термостійкістю неорганічних речовин.

Кремнійорганічні полімери використовують для надання гідрофобних властивостей матеріалам і виробам. їх застосовують для гідрофобізації зовнішніх поверхонь будівельних конструкцій, а також у вигляді домішок до бетонів, для створення лаків, емалей, клеїв, зв'язуючих при виготовленні склотекстолітів, пінопласту та ін.

Феноло- і аміноформальдегідні олігомери одержують методом поліконденсації формальдегіду з фенолом або амінами. Це термореактивні полімери, в яких у результаті утворення поперечних зв'язків утворюється сітчата просторова структура.

Пластмаси на основі фенолоформальдегідних олігомерів називаються фенопластами, на основі мочевино-формальдегідних олігомерів — амінопластами. Наповнювачами фенопластів і амінопластів можуть бути папір або картон (гетинакс), тканина (текстоліт), деревина, кварцова та слюдяна мука.

Фенопласти і амінопласти стійкі до дії води, розчинів кислот, солей, лугів, органічних розчинників, важкогорючі, атмосферостійкі.

Їх використовують для виготовлення фанери, сотопластів, мінерало- і скловатних матів для тепло- і звукоізоляції споруд.

Епоксидні олігомери одержують за допомогою реакції поліприєднання з різних сполук, які вміщують реакційноздатну епоксидну групу

Найбільше розповсюдження одержали епоксидні олігомери на основі дифенілолпропану і епіхлоргідрину (епоксидіанові) загальної формули

Епоксидні олігомери — термопластичні в'язкі рідини, які набувають цінних технічних властивостей (механічної міцності, хімічної стійкості, малої усадки, високої адгезійної міцності) після створення в них просторової структури, за рахунок твердіння. Отверджувачами є ди- і поліфункціональні сполуки з амінокарбоксильними, андгідридними, ізоціанатними групами.

У будівництві епоксидні олігомери використовують для виготовлення клеїв, лаків, емалей, зв'язуючих для склопластиків.

Переваги й недоліки полімерних матеріалів. Полімерні матеріали знаходять широке застосування в будівництві завдяки їхній цінним властивостям.

1. Мала густина (15...2200г/м³) пластмас дозволяє значно зменшити масу будівельних конструкцій, скоротити транспортні витрати, спростити під'ємнотранспортне обладнання при монтажі, покращити теплоізолюючі властивості конструкцій. У середньому, пластмаси в 2-3 рази легші за алюміній, у 5-8 разів легші за сталь, мідь, свинець.

2. Низька стираність пластмас обумовлює їхнє широке використання для виготовлення підлог, наприклад, стираність лінолеума 45-90мкм, граніту - 40мкм.,

3. Хімічна стійкість полімерів висока. Вони стійкі до води, розчинів кислот, солей, лугів. Термін експлуатації деталей з пластмаси у корозійних середовищах значно вищий, ніж деталей з металу.

4.Низька теплопровідність пластмас: у пористих — 0,03 Вт/м∙°С, у щільних — 0,22-0,68 Вт/м∙°С. Низька теплопровідність дозволяє виготовляти конструкції споруд тонкими і легкими.

5.Прозорість і світлопроникність пластмас — 83-94, а прозорість алмазу прийнята за 100. Тому пластмаси використовують для скління спеціальних приміщень.

6.Високі декоративні якості пластмас розширюють зони їхнього використання як оздоблюючого матеріалу.

7. Цінні технологічні властивості: легко формуються (лиття, штампування, пресування) і обробляються (розпилювання, стругання, сверління), зварюються і склеюються між собою.

Недоліками полімерних матеріалів є:

1. горючість;

2. здатність змінювати свої розміри в процесі експлуатації;

3. великий електричний опір, що призводить до виникнення статичної електрики;

4. невисока теплостійкість;

5. підвищена повзучість;

6. старіння.

 

Запитання та завдання для самоконтролю

1. Напишіть структурну формулу акрилової (найпростішої неграничної одноосновної карбонової) кислоти і рівняння реакції взаємодії цієї кислоти з метиловим спиртом. Складіть схему полімеризації продукту, що утворився.
2. Як з карбіду кальцію і води, застосувавши реакцію Кучерова, отримати оцтовий альдегід, а потім вінілоцтову кис (вінілацетат). Напишіть рівняння відповідних реакцій. Складіть схему полімеризації вінілацетату.
3. Які сполуки називають амінами? Складіть схему поліконденсації адипінової кислоти і гексаметилендіаміна. Назвіть полімер, що утворився.
4. Як можна отримати вінілхлорид, маючи карбід кальцію, хлорид натрію, сірчану кислоту і воду? Напишіть рівняння відповідних реакцій. Складіть схему полімеризації вінілхлориду.
5. Полімером якого неграничного вуглеводню є натуральний каучук? Напишіть структурну формулу цього вуглеводню. Як називають процес перетворення каучуку в гуму? Чим по будові і властивостям розрізняються каучук і гума?
6. Напишіть рівняння реакцій отримання ацетилену і перетворення його в ароматичний вуглеводень. При взаємодії якої речовини з ацетиленом утворюється акрилонітрил? Складіть схему полімеризації акрилонітрилу.
7. Напишіть структурну формулу метакрилової кислоти. Яка сполука утворюється при взаємодії її з метиловим спиртом? Напишіть рівняння реакції. Складіть схему полімеризації продукту, що утворюється.
8. Які вуглеводні називають дієновими (діолефіни або алкадієни)? Наведіть приклад. Яка загальна формула виражає склад цих вуглеводнів? Складіть схему полімеризації бутадієну (дивінілу).
9. Які вуглеводні називають олефінами (алкенами)? Наведіть приклад. Яка загальна формула виражає склад цих вуглеводнів? Складіть схему отримання поліетилену.
10. Яка загальна формула виражає склад вуглеводнів етилену (олефінів або алкенів)? Які хімічні реакції найбільш характерні для них? Що таке полімеризація, поліконденсація? Чим відрізняються один від одного ці реакції?
11. Які відмінності в складах граничних і неграничних вуглеводнів? Складіть схему утворення каучуку з дивінілу і стиролу. Що таке вулканізація?
12. Які сполуки називають амінокислотами? Напишіть формулу найпростішої амінокислоти. Складіть схему поліконденсації амінокапронової кислоти. Як називають полімер, що утворюється при цьому?

13. Які сполуки називають альдегідами? Що таке формалін? Яка властивість альдегідів лежить в основі реакції срібного дзеркала? Складіть схему отримання фенолоформальдегідної смоли.

14. Як називають вуглеводні, представником яких є ізопрен? Складіть схему сополімеризації ізопрену та ізобутилену.

15. Які сполуки називають елементоорганічними, кремнійорганічними? Вкажіть найважливіші властивості кремнійорганічних полімерів. Як впливає на властивості кремнійорганічних полімерів збільшення числа органічних радикалів, пов'язаних з атомами кремнію?

16. Яка загальна формула виражає склад ацетиленових вуглеводнів (алкінів)? Як з Метану отримати ацетилен, потім вінілацетилен, а з останнього хлоропрен?

17. Напишіть рівняння реакції дегідратації пропилового спирту. Складіть схему полімеризації отриманого вуглеводню.

18. Які полімери називають стереорегулярними? Чим пояснюється більш висока температура плавлення і велика механічна міцність стереорегулярних полімерів в порівнянні з нерегулярними полімерами?

19. Як одержують в промисловості стирол? Приведіть схему його полімеризації. Зобразіть за допомогою схем лінійну і тривимірну структури полімерів.

20. Які полімери називаються термопластичними, термореактивними? Вкажіть три стани полімерів. Чим характеризується перехід з одного стану в інший?

 

 

Література

 

1. Романова Н.В. Загальна та неорганічна хімія: Підруч. для студ. вищ. навч. закл.- К.; Ірпінь: ВТФ "Перун", 2002.-480 с.
2. Кириченко В.І. Загальна хімія: Навч. посіб.- К.:Вища шк., 2005,- 639 с.:іл..
3. Телегус В.С., Бодак О.І., Заречнюк О.С., Кінжибало В.В. Основи загальної хімії/ За ред. В.С.Телегуса: Підручник.- Львів: Світ, 1998.- 424 с.: іл.
4. Рейтер Л.Г., Степаненко О.М., Басов В.П. Теоретичні розділи загальної хімії: Навчальний посібник. - К.: Каравела, 2003, -344 с.: іл.
5. Глинка Н.Л. Общая химия.- Л.: Химия, 1988.- 702 с.
6. Басов В.П., Юрченко О.Г. Хімія: Навчальний посібник для самопідготовки до екзамену/ Київ "Каравела", Львів "Новий Світ-2000", 2001,- 132 с.
7. Васильева З.Г., Грановская А.А., Таперова А.А. Лабораторные работы по общей и неорганической химии: Учеб. пособие для вузов. – Л.: Химия, 1986, - 288с.

 

 

 

НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ

 

 

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

 

до самостійної роботи з дисципліни «Хімія»

 

 

для студентів I курсу будівельних

спеціальностей

 

 

УКЛАДАЧІ: Мовчан Віталій Васильович,

Мовчан Ольга Григорівна

 

Реєстрац.№ _________

 

Підписано до друку ______________ 2007 р.

 

Формат _____А5_______

 

Обсяг ______________ стор.

 

Тираж ______________прим.

 

Видавничий центр КТУ, вул.ХХІІ партз’їзду, 11

м.Кривий Ріг