IV. Высокомолекулярные соединения (стр. 3 )

IV.6.4. Плёнкообразующие вещества

Почти все плёнкообразующие вещества – органические соединения. К ним относятся соединения, способные образовывать предохранительные пленки за определенный отрезок времени. Например, олифы, клеи, масла, синтетические смолы. Их важнейшими свойствами являются адгезия к поверхности, твёрдость, эластичность, влагонепроницаемость, стойкость к воздействию внешней среды.

В лакокрасочных материалах пленкообразующие вещества играют роль связующих. В настоящее время синтетические пленкообразующие вещества всё больше заменяют натуральные.

При эксплуатации плёнки стареют, теряют прочность, становятся хрупкими, т. о. изменяется их структура. Чтобы улучшить их эксплуатационные свойства, добавляют вещества, препятствующие ухудшению свойств и улучшающие качество плёнок. Необходимым условием долговечности плёнок является правильный выбор материала для определенных условий.

IV.6.5. Композиционные материалы

Композиционные материалы (композиты) состоят из основы (органической, полимерной, углеродной, металлической, керамической), армированной наполнителем в виде высокопрочных волокон или нитевидных кристаллов. В качестве основы используются синтетические смолы (алкидные, фенолоформальдегидные, эпоксидные и др.) и полимеры (полиамиды, фторопласты, силиконы и др.)

Армирующие волокна и кристаллы могут быть металлическими, полимерными, неорганическими (стеклянными, карбидными, нитридными, борными). Армирующие наполнители в значительной степени определяют механические, теплофизические и электрические свойства полимеров. Многие композиционные полимерные материалы по прочности не уступают металлам. Композиты на основе полимеров, армированных стекловолокном (стеклопластики), обладают высокой механической прочностью (прочностью при разрыве 1300–2500 Па) и хорошими электроизоляционными свойствами. Композиты на основе полимеров, армированных углеродными волокнами (углепластики), сочетают высокую прочность и вибропрочность с повышенной теплопроводностью и химической стойкостью. Боропластики (наполнители – борные волокна) имеют высокую прочность, твердость и низкую ползучесть.

Композиты на основе полимеров используются как конструкционные, электро - и теплоизоляционные, коррозионостойкие, антифрикционные материалы в автомобильной, станкостроительной, электротехнической, авиационной, радиотехнической, горнорудной промышленности, космической технике, химическом машиностроении и строительстве.

IV.6.6. Применение полимеров при изготовлении бетонов

Цементные бетоны обладают рядом недостатков. Пористость бетона обуславливает проницаемость жидкостей, что уменьшает его морозоустойчивость, сопротивляемость действию кислот и солей. Свежий бетон плохо сцепляется с ранее уложенным. Цементные бетоны обладают плохой пластичностью, недостаточной износостойкостью и прочностью при растяжении.

С целью уменьшения этих недостатков применяют полимеры. Возможны три способа использования полимеров для создания бетонов.

Полимерцементные материалы образуются при добавке 5–10 % полимера в бетонную или растворную смесь. Так как полимер должен хорошо смешиваться с бетонной смесью, применяют водорастворимые фенолформальдегидные полимеры, водные суспензии поливинилацетата, каучуков, акриловых полимеров.

Бетонополимер – затвердевший бетон, пропитанный мономерами или олигомерами, которые после соответствующей обработки превращаются в полимер. Поры и пустоты в бетоне оказываются заполненными полимером, благодаря чему повышается прочность, износостойкость и морозоустойчивость бетона. Для получения бетонополимера используют стирол и метилметакрилат.

В полимербетоне (пластбетон) связующим является не минеральное вяжущее, а термореактивные полимеры: эпоксидные, полиэфирные, фенолформальдегидные. Наполнителем служат измельченные минеральные вещества. Пластбетон с успехом используется для ремонта строительных конструкций (заделка трещин, исправление поверхностей).

IV.7. Карбоцепные полимеризационные соединения

IV.7.1. Полиэтилен

Полиэтилен получается полимеризацией этилена тремя способами:

1. При высоком давлении до 1500 атм и температуре до 200 °С с использованием кислорода в качестве катализатора.

2. При низком давлении 1–7 атм и температуре до 70 °С с металлорганическими катализаторами.

3. При среднем давлении 35–40 атм и температуре 120–150 °С в углеводородных растворителях с оксидами металлов переменной валентности в качестве катализаторов.

Молекулы полиэтилена имеют зигзагообразную структуру обычной парафиновой цепи с небольшим числом боковых цепей и наличием на концах цепи двойных связей. Как и парафины, полиэтилен обладает хорошей химической стойкостью к действию большинства кислот, раст­воров солей, щелочей и растворителей. При повышенной температуре он набухает в бензоле, толуоле, четыреххлористом углероде. Наличие некоторого числа третичных атомов углерода обуславливает повышенную чувствительность к окислению и старению. Чтобы уменьшить это действие, добавляют стабилизаторы. При введении в полиэтилен 2 % сажи срок службы полиэтилена увеличивается в 30 раз. Водопоглощение полиэтилена незначительно (0.03÷0.04 % за 30 суток). Морозостойкость (температура хрупкости) ниже -70 °С. В зависимости от условий получения свойства полиэтилена меняются. Свойства полиэтилена, полученного при разных условиях, приведены в табл. IV.7.1.

Таблица IV.7.1

Свойства полиэтилена в зависимости от условий получения

Показатели	Высокое давление	Низкое давление	Среднее давление
Молекулярный вес	10000–50000	70000–800000	70000–500000
Число ответвлений на 1000 атомов углерода	20–50	5–15	1,5–15
Плотность, г/см3	0,92–0,93	0,94–0,96	0,96–0,97
Температура размягчения (плавления)	105–110	120–130	128–130
Степень кристалличности	55–64	85–87	90
Температура плавления, °С	105–108	120–125	127–130
Теплоемкость, °С	108–110	120–128	128–133
Разрушение на растяжение, кг/см2	120–160	220–320	250–400
Твердость по Бринеллю, кг/см2	1,4–2,5	4,5–5,8	5,6–6,5

При уменьшении степени кристалличности увеличивается эластичность и мягкость. Полиэтилен низкого давления отличается от полиэтилена высокого давления большей плотностью, большей прочностью на разрыв, твердостью и повышенной теплостойкостью.

Полиэтилен хорошо подвергается обработке экструзией, заключающейся в продавливании через отверстие соответствующей формы, прессованием и литьем. Изделия из полиэтилена легко свариваются.

Порошкообразный полиэтилен наносят на металлические поверхности методом газового напыления.

Из полиэтилена изготавливают трубопроводы для воды и агрессивных жидкостей (кислот, щелочей и т. д.), оболочки кабелей, шланги, а также различные декоративные плитки и покрытия в целях защиты от атмосферных воздействий и коррозии.

IV.7.2. Полипропилен

Полипропилен получается полимеризацией пропилена в растворителе (бензин, гептан, пропан) при давлении 10–40 атм, температуре 50 ºС и в присутствии катализатора.

В зависимости от условий получения различают 4 типа структуры:

1. Изотактическая.

— СН2 — СН — СН2 — СН — СН2 — СН —

| |

СН3 СН3

2. Синдиотактическая.

СН3

|

— CH2 — СН — СН2 — CН — CH2 — СН —

| |

СН3 СН3

3. Атактическая c неупорядоченным расположением метильных групп.

4. Стереоблокполимеры с чередующимися участками изотактической и атактической структуры.

Стереоизомеры полипропилена существенно различаются по механическим, физическим и химическим свойствам.

Например, максимальная температура плавления атактического полипропилена около 80 °С, изотактического – 165–170 °С, что обусловлено большей кристалличностью последнего.

Кристаллический (изотактический) полипропилен более распространен и обладает лучшими свойствами: большей прочностью, твердостью и теплостойкостью, плохим склеиванием. Наоборот, аморфный (атактический) полимер – гибкий, мягкий и липкий материал.

Для уменьшения деструкции полимера (действие света, тепла, кислорода) применяют стабилизаторы. При действии ультрафиолетовых лучей (300–370 нм) полимер теряет механическую прочность.

Полипропилен обладает высокой стойкостью к кислотам, щелочам, растворам солей. В органических растворителях набухает при повышенной температуре.

Изделия из полипропилена получают теми же методами, что и полиэтилен. Они отличаются большей стойкостью к истиранию и поверхностной твердостью, чем у полиэтилена. Из полипропилена изготавливают трубы для горячего водоснабжения и транспортировки агрессивных жидкостей, плёнку, более прозрачную, чем у полиэтилена, листы, вентиляционные решётки, санитарно-техническое оборудование, посуду, эластичную и высокопрочную изоляцию. Для повышения морозостойкости полипропилен смешивают с полиэтиленом.

Аморфный полипропилен используется для изготовления строительных клеев, замазок, уплотняющих мастик и липких плёнок.

IV.7.3. Полиизобутилен

Полимеризация изобутилена идет легко при температуре около -100 °С в присутствии катализаторов.

СН3 СН3

| |

n СН2 = С → (— СН2 — С —)n

| |

СН3 СН3

Полиизобутилен с молекулярной массой ниже 50000 - жидкость. В строительной технике применяют твердые полиизобутилены с молекулярной массой 100000÷500000, которые являются каучукоподобными материалами, сохраняющими эластичные свойства до 55 °С.

Полиизобутилен физиологически безвреден, при комнатной температуре устойчив к действию щелочей, кислот, не растворим в полярных растворителях (спирт), растворим в углеводородах и их галогенпроизводных, не стоек к действию солнечного света. Имеет аморфную структуру, при растяжении легко кристаллизуется.