Глава 9. Полимерные материалы и изделия в дорожной отрасли

 

Общие сведения о полимерах и пластмассах

Общие положения

Наряду с органическими и минеральными вяжущими, каменными и другими материалами при строительстве, ремонте и содержании дорог применяются материалы и изделия на основе пластмасс – полимерные материалы.

Такие материалы применяют:

- для укрепления грунтов в дорожных одеждах;

- в качестве модифицирующих добавок к битумам, асфальто- и цементобетонам;

- в качестве отделочных, гидроизоляционных и звукоизоляционных материалов;

- в качестве твердых и пленочных изделий.

Пластмассы являются хорошими заменителями таких дефицитных материалов, как металлы, древесина, олифа и др. Они часто наиболее предпочтительны для работы в дорожных конструкциях, работающих в экстремальных условиях (частые переходы через нулевую температуру, при очень низких и высоких температурах, при высокой влажности, в агрессивных средах).

Применение полимерных материалов способствует улучшению условий и производительности труда рабочих, дальнейшей индустриализации дорожного строительства (капсулирование битума, гранулирование асфальтовяжущего вещества для производства асфальтобетонных смесей).

Дальнейший технический прогресс в дорожной отрасли требует от дорожников видов, исходного сырья, свойств и областей рационального использования материалов.

 

Общие сведения о полимерах

 

Полимеры – высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из огромного количества молекул низкомолекулярных соединений (мономеров), соединенных друг с другом силами ковалентных связей в макромолекулы.

Макромолекулы во много тысяч раз превышают размеры обычных молекул. В качестве примеров возьмем жидкость (Н₂О) и твердый материал (СаСО₃).

Молекула воды состоит из трех атомов, а ее молекулярная масса равна 18 единицам; молекула силикальцита состоит из пяти атомов, а ее молекулярная масса равна 100.

Молекулы полимеров содержат сотни тысяч атомов, а их молекулярная масса достигает десятков и сотен тысяч единиц и более. Так, например, молекула целлюлозы (природный полимер) построена из 1200000 атомов с молекулярной массой 300000, с у искусственного полимера – полиэтилена – молекулярная масса колеблется в пределах от 10000 до 40000.

Полимеры разделяют на органические и неорганические. Главным отличием органических полимеров является наличие в их молекулах атомов углерода, которых в молекулах неорганических полимеров нет.

В строительстве наибольшее распространение получили искусственные органические полимеры.

В большинстве случаев органические полимеры содержат многократно повторяющиеся структурные элементарные звенья (мономеры).

Основная цепь у макромолекул полимеров обычно состоит из атомов углерода (карбоцепные полимеры). Например, полиэтилен (- СН₂ - СН₂ -)_n

Н Н Н Н

½ ½ ½ ½

¾ С ¾ С ¾ С ¾ С ¾

½ ½ ½ ½

Н Н Н Н

 

Индекс n обозначает число повторяющихся звеньев мономеров, входящих в состав полимера:

где М - молекулярная масса полимера;

m – то же мономера.

Иногда цепь полимера состоит из атомов углерода с чередованием атомов других элементов: кислорода, хлора, серы, азота, фосфора. Такие полимеры называются гетероцепными (ненасыщенные полиэфиры, полиамиды).

Ненасыщенные полиэфиры выпускаются промышленностью в виде полиэфирных смол, используемых при производстве стеклопластиков, лаков, клеев.

Полиамиды – синтетические полимеры, содержащие повторяющиеся группы - СО - NH - в основной цепи макромолекулы. Применяются при производстве пленок, синтетических волокон, клеев.

В основную цепь макромолекулы полимера могут включаться атомы кремния, алюминия, титана, никеля, отсутствующих в природных соединениях. Такие полимеры называются элементоорганическими.

Элементоорганические полимеры могут содержать в основной цепи атомы кремния, алюминия, титана и других элементов, не входящих в состав обычных органических соединений. Так, например,

R R

½ ½

соединения типа ¾ Si ¾ O ¾ Si ¾ O ¾ имеют в макромолекуле кремний-

½ ½

H H

кислородные связи, именуемые силоксановыми.

По строению молекул органические полимеры могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми (трехмерными).

При линейном строении все молекулы вытянуты в виде цепей, в которых атомы мономера, являющиеся исходным низкомолекулярным соединением, химически связаны между собой. Разветвленные макромолекулы характерны наличием мономерных звеньев, ответвленных от основной цепи полимера. Сетчатые (пространственные) макромолекулы характеризуются химической «сшивкой» отдельных линейных или разветвленных цепей полимера поперечными связями (рис. 9.1).

Полимеры с макромолекулами линейного и разветвленного строения при нагревании плавятся с изменением свойств, а также способны растворяться в соответствующих органических растворителях. При охлаждении такие полимеры вновь отверждаются (так в отношении полимеров называется процесс отвердевания). Они способны многократно размягчаться при нагревании и отверждаться при охлаждении; их называют термопластичными (термопластами). Полимеры с макромолекулами трехмерного строения имеют повышенную устойчивость к термическим и механическим воздействиям, не растворяются, а лишь набухают в растворителях. Они не могут размягчаться при повторном нагревании; их именуют термореактивными (реактопластами). При высокотемпературном нагревании они подвержены деструкции и сгоранию.

Органические полимеры в твердом состоянии имеют обычно аморфную структуру. Однако существуют полимеры, которые в твердом состоянии характеризуются кристаллической или аморфно-кристаллической структурами.

Основными видами сырья для производства полимеров служат природные и нефтяные газы, аммиак, каменный уголь, древесина и др.

В зависимости от способа получения полимеры разделяют на две группы: полимеризационные (термопласты) и поликонденсационные (реактопласты).

Полимеризационные полимеры получают полимеризацией исходных мономеров путем соединения элементарных звеньев мономера в длинные цепи. Поскольку при полимеризации мономеров атомы и их группировки не отщепляются, то побочных продуктов в реакциях не образуется, а химический состав мономера и полимера остается одинаковым. В полимеризации могут участвовать два и более мономера, тогда ее называют сополимеризацией, а продукт – сополимером.

В процессе поликонденсации протекают более сложные химические реакции, в результате чего образуется не только основной продукт, но и побочные соединения – вода, спирт и другие, так что химический состав получаемого сополимера всегда будет отличаться от химического состава исходных продуктов поликонденсации.

По мере протекания процессов полимеризации и поликонденсации число атомов в образуемых макромолекулах возрастает и растет молекулярная масса формирующихся полимеров.

Все синтетические высокомолекулярные соединения, полученные полимеризацией или поликонденсацией (за исключением эфиров целлюлозы и каучуков), принято называть синтетическими смолами.

По отношению к нагреванию синтетические смолы делят на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).