Классификация полимерных материалов

№	Признак классификации	Группы	Особенности строения, примеры
1	Состав звеньев и вид химической связи	1.1. Органические 1.2. Элементоорганические 1.3. Неорганические	Атомы С, Н, О, S C+ Si (Al, Ti, Sb,….) Нет атомов углерода
2	Структура	2.1. Аморфная   2.2. Кристаллическая     2.3. Аморфно - кристаллическая	Неориентированная аморфная структура Ориентированная кристаллическая структура Состоит из участков ориентированной (кристаллической) и неориентированной (аморфной) структур
3	По способу соединения звеньев	3.1. Линейные   3.2. Разветвленные     3.3. Сетчатые, т.е. пространственные (3-х мерная сетка с поперечными химическими связями)	-А-А-А-А-…       А     ½     А     ½     -А-А-А-А-А- …              ½              А              ½              А     -А-А-А-А-А- А-… ½     ½ А     А      ½      ½  -А-А-А-А-А-А-
4	По происхождению	4.1. Природные   4.2. Искусственные, получаемые путем химической модификации природных веществ 4.3. Синтетические, получаемые синтезом из низкомолекулярных веществ	Биополимеры: целлюлоза, смолы Нитроцеллюлоза, резина, эбонит,…   Полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол,…
5	По отношению к нагреву	5.1 Термопластичные: при нагреве переходят из твердого состояния в жидкое (плавятся) 5.2 Термореактивные: переход из жидкого состояния в твердое необратим	Битумы, полиэтилен, поливинилхлорид, смолы, … Смолы, олифы, каучук,…

Достоинства пластмасс:

1. Относительно невысокая плотность материалов (900…1800 кг/м³), т.е. они в 5…6 раз легче стали. Это приводит к уменьшению размеров фундаментов и других строительных конструкций, в результате чего снижаются расходы на материалы и на их транспортировку.

2. По прочности многие пластмассы превосходят бетоны, древесину и кирпич.

3. Низкая теплопроводность пластмасс: l=0,03…0,04 Вт/(м×К) у теплоизоляционных материалов (минеральная вата,…) и l=0,2…0,7 Вт/(м×К) для остальных материалов (полиэтилен, поликарбонат,...). В результате их применения произошли революционные изменения в технологии строительства. Существенно уменьшилась толщина ограждающих конструкций (стен, перекрытий, окон, дверей), следствием чего стала существенная экономия основных строительных материалов.

4. Высокая химическая стойкость к воде, кислотам, растворителям. У пластмассовых материалов нет проблемы коррозии.

5. Низкая истираемость, что очень важно для изготовления половых покрытий (линолеум, ламинат,…).

6. Хорошо окрашиваются по массе, поэтому не надо дополнительной декоративной отделки.

7. Некоторые пластмассы хорошо пропускают свет (органические стекла, поликарбонат,…). Это позволяет широко использовать их в таких конструкциях как окна, теплицы.

8. Очень технологичны: легко обрабатываются резанием и сверлением, без особых проблем свариваются, обладают высокими литейными свойствами. Поэтому из них относительно просто можно изготовлять детали сложной конфигурации.

9. Высокая экологичность при использовании материалов в строительных и машиностроительных конструкциях: трубопроводах, деталях машин и ограждающих конструкциях.

10.  Эффективны в качестве клеев.

11.  Имеют большие технологические возможности при ремонте изношенных деталей.

Недостатки пластмасс:

1. Большинство пластмасс имеют низкую теплостойкость: +60…+80 °С у полистирола, полиэтилена, поливинилхлорида и полипропилена, а у остальных не более +200 °С (исключение кремнийорганические полимеры - до +350 °С).

2. Некоторые пластмассы горючи и выделяют при этом ядовитые газы. Совершенно негорючими являются пластмассы с большим содержанием кремния, хлора или фтора.

3.  При переработке и эксплуатации некоторых материалов выделяются горючие газы, например, фенолы из ДСП, растворители из линолеумов.

4.  Экологически неблагоприятная ситуация складывается при производстве некоторых пластмасс, или при изготовлении деталей из них.

5.  Коэффициент линейного расширения их до 10 раз выше, чем у сталей.

6.  Высокая усадка (5…8 %) при отвердевании.

7. Склонность некоторых пластмасс к старению (ухудшение их свойств под действием теплоты, света, кислорода и механических нагрузок).

8.  Низкий модуль упругости многих пластмасс.

9.  Большая ползучесть пластмасс при длительных нагрузках. С повышением температуры ползучесть увеличивается (прогибы и провисания материалов).

10. Острая проблема утилизации пластмасс. Они не гниют и не разлагаются, а при сгорании выделяют много вредных газов. Пути решения этой проблемы:   вторичное  использование  широкой   номенклатуры   пластмасс  (полиэтилен, капрон,…) или разработка и производство биологически разлагаемых полимеров.

 

Термопластичные полимеры

Термопластичные материалы (полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, поликарбонат и др.) очень широко применяются в строительстве.

Полиэтилен -  продукт полимеризации этилена, получаемого, в свою очередь, при термической переработке нефтяных газов (пропана, бутана, этана) и гидролизе нефтепродуктов. Различают полиэтилен низкого (0,05 МПа, температура ниже 80°С) и высокого давления (до 250 МПа и температура до 240…280 °С).

Прочность на растяжение (18…45 МПа) полиэтилена зависит от молекулярной массы, температура плавления составляет 110…125 °С, а эластичность сохраняется до –70 °С. Полиэтилен хорошо сваривается, из него получают без особых технологических сложностей различные изделия (трубы, фитинги, пленки, листы и др.) Недостатками его являются относительно низкая теплостойкость и быстрое старение под действием ультрафиолетового облучения (солнечного света), но добавлением стабилизаторов, например, 2% сажи, срок службы многократно увеличивается.

Полиэтилен может иметь простую линейную цепь из атомов углерода и водорода [-СН-СН-]n, или более сложную, т.е. разветвленную [-СН3-СН-]n.

Полипропилен [-СН3СН-СН-]n - продукт полимеризации газа (полипропилена) в растворителе. В отличие от полиэтилена он более твердый и прочный (s_в=25…30 МПа), более теплостойкий (температура размягчения 170 °С), но менее хладостойкий (переход в хрупкое состояние происходит уже при минус 10…20 °С). Полипропилен, как очень дешевый, надежный и легко свариваемый материал, широко применяется при монтаже трубопроводов воды внутри зданий.

Поликарбонаты [-(С6Н5)-СН3–О-С-О-]n - синтетические полимеры сложно разветвленной формулы, имеющей радикалы двухатомного фенола. Изделия из поликарбоната имеют высокую прочность, эластичны, оптически прозрачны, морозостойки (до –100 °С). Из них изготовляют очень эффективные покрытия для теплиц, балконов и лоджий, перегородки и многое другое.

Полистирол [-(С6Н5)- СН-СН2–]n - прозрачный жесткий  полимер, получаемый из стирола (жидкость при гидролизе нефти и сухой перегонки угля) полимеризацией под действием тепла и солнечного света. Из него изготовляют теплоизоляционные материалы плотностью 10…50 кг/м³ с очень низким коэффициентом теплопроводности.

Полимеры делятся на три группы (табл.7.2):

- термопластичные (термопласты);

- термореактивные (реактопласты);

- эластомеры (резины).

  Термопласты (полиэтилен, полиамиды и т.д.) при нагревании способны размягчаться и подвергаться многократной переработке. Реактопласты (эпоксидные композиции, текстолит и др.) при нагревании вначале размягчаются, а затем в результате химических реакций затвердевают и необратимо переходят в неплавкое и нерастворимое состояние.

Таблица 7.2.

Группы полимерных материалов

№	Группы	Подгруппы	Примеры
1   2     3	Термопластичные пластмассы (термопласты)   Термореактивные пластмассы (реактопласты)     Эластомеры (резины)	Группы материалов: 3.1. Неполярные полимеры (на базе только атомов углерода) 3.2. Полярные полимеры (например, вводятся атомы хлора)   Виды пластмасс: 2.1. Фенольно-формальдегидные 2.2. Аминосмолы 2.3. Эпоксидные 2.4. Полиэфирные 2.5. Сшиваемые полиуретаны   Классификация по содержанию их химических элементов: 1.1. Только углерод 1.2. В основе кислород 1.3. В основе кремний 1.4. В  основе сера         1.5.  Термопластичные	Винилы   Фторопласт, оргстекло, полиуретан     Натуральный каучук Окись олипропилена Фторокремний Полисульфид Полиуретан

 

Таблица 7.3.

Классификация наполнителей полимерных материалов

№	Типы наполнителей	Эффект от введения
1     2   3 4   5 6 7	Видоизменяющие механические свойства   Армирование   Пластификаторы Стабилизаторы   Замедлители горения Смазочные вещества Пигменты и красители	Для уменьшения стоимости материала (вводится мел, древесный порошок), но снижается прочность Повышение прочности (стеклянные волокна, сферические частицы) Повышается гибкость материала Повышение сопротивления материала деградации Увеличение сопротивляемости возгоранию Улучшают механическую обработку Для эстетических целей

Свойствами полимерных материалов можно управлять, так использованием некоторых технологических приемов можно обеспечить необходимые физические, технологические, механические и эксплуатационные характеристики материалов:

1. Усложнение 3-х мерной структурной сетки, выполняемое способами:

-увеличение длины и создание разветвлений в линейной цепи и введение боковых молекулярных цепей;

- введение больших групп в цепи;

-сшивание цепей.

2. Введение жидкости между структурными цепями увеличивает гибкость материала.

3. Уменьшением кристалличности увеличивают прочность и жесткость материала.

4. Включением наполнителей, ориентацией в определенном направлении цепей, смешиванием полимеров. Этими приемами можно получать различные свойства. Например, введением сажи существенно увеличивают прочность резины.

Трубопроводы изготовляют из полиэтилена, полипропилена, повинилхлорида и метало - и стеклопластика. В табл. 7.4. показаны годы и страны, где были впервые разработаны и начали широко использоваться полимерные материалы.

Таблица 7.4

Календарные годы и страны, в которых были созданы полимерные материалы

Материал	Обозначение	Год создания	Страна
Полиэтилен высокого давления	ПВД	1952	Англия, США
Полиэтилен низкого давления	ПНД	1955	Германия, США
Полипропилен	ПП	1958	Италия, США
Металлопластик	МП	1979	Англия

В последнее время  в нашей стране успешно внедряются пластмассовые трубы в системах газо-, тепло-, водоснабжения и водоотведения. При этом из-за отсутствия коррозии и повышенной износостойкости увеличиваются надежность и срок службы трубопроводов (до 50 лет и выше), существенно уменьшаются потери тепла в системах отопления, увеличивается производительность и снижаются затраты на монтаж и эксплуатацию трубопроводов, повышается качество воды.