Строительство. Стройматериалы

Строительные материалы и изделия

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Общие сведения о полимерах

Полимеры и композиционные материалы на их основе - пластмассы - сравнительно новая разновидность строительных материалов и изделий. Например, широко известный в настоящее время полиэтилен впервые был получен в 1939 г. в Англии. А само понятие «полимер» возникло лишь в первой половине XIX в.

Слово «полимер» греческого происхождения: polys -многочисленный, meros - часть, доля. Термин «полимеры» введен И. Я. Берцелиусом в 1833 г.

В современном представлении полимеры - это высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся элементарных звеньев одинаковой структуры. Эти элементарные звенья соединены между собой ковалентны-ми связями в длинные цепи различного строения (линейные, разветвленные) или же образуют жесткие и пластичные пространственные решетки.

Молекулы полимерных соединений, состоящие из очень большого числа элементарных звеньев, называют макромолекулами.

К высокомолекулярным соединениям принято относить вещества, молекулярная масса которых превышает 5000, к низкомолекулярным - вещества с молекулярной массой менее 500.

Соединения с промежуточными значениями молекулярной массы, т. е. продукты синтеза с молекулярной массой до 1000 единиц, имеющие линейное строение молекул и способные к дальнейшему укрупнению, называют олигомерами.

Чаще всего это вязкие жидкости, например эпоксидные или полиэфирные смолы до их отверждения.

В настоящее время большинство полимеров получают путем синтеза из простых низкомолекулярных веществ, причем в образовании их может принимать участие не один, а несколько типов элементарных звеньев. В зависимости от состава звеньев и вида химической связи в молекулах различают органические, элементоорганические и неорганические полимеры.

Органическими полимерами называют соединения, содержащие в главной цепи и боковых радикалах атомы углерода, водорода, кислорода, азота, серы и галогенов. Это могут быть также вещества, в состав молекул которых входят и другие элементы, если атомы их не образуют главную цепь и не соединены непосредственно с атомами углерода.

К элементоорганическим полимерам относят соединения, цепи которых построены из атомов углерода и элементов, не входящих в состав природных органических соединений (атомы кремния, алюминия, титана, олова и др.), например кремнийор-ганические полимеры.

Неорганическими полимерами называют высокомолекулярные соединения, не содержащие атомов углерода.

Простые низкомолекулярные соединения, из которых построены цепи полимеров, а также исходные вещества, образующие полимеры при различных реакциях, называют мономерами.

Высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, т. е. которые получают совместной полимеризацией нескольких мономеров, называют сополимерами. Если же соединения построены из одинаковых мономеров, то такие полимеры называют еще гомо-полимерами.

По структуре полимеры и сополимеры имеют обычно аморфное строение. Однако существуют также полимеры с кристаллической и аморфно-кристаллической структурой, т. е. состоящие как из ориентированных (кристаллических) участков, так и неориентированных (аморфных).

По способу соединения мономерных звеньев различают полимеры линейные, разветвленные и сетчатые.

Сетчатые или пространственные полимеры построены из длинных цепей, соединенных друг с другом в трехмерную сетку поперечными химическими связями

Различают также природные, искусственные и синтетические полимеры.

Природные полимеры - это в основном биополимеры (белковые вещества, природные смолы, целлюлоза и др.). Однако в строительстве используются в основном искусственные и синтетические полимеры.

Искусственными называют полимеры, полученные путем химической модификации природных. Например, ацетилцеллю-лоза (ацетатный шелк), нитроцеллюлоза и карбоксиметилцел-люлоза - продукты химических превращений природного полимера - целлюлозы, резина и эбонит - продукты вулканизации природного каучука.

Синтетические полимеры (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и др.) получают синтезом из низкомолекулярных сравнительно простых по химическому составу веществ. Первый синтетический полимер - фенолоформальдегидная смола -появился в начале XX в.

В зависимости от отношения к нагреванию и растворителям полимеры делят на термопластичные и термореактивные.

Термопластичными называют вещества, которые при нагревании переходят из твердого состояния в жидкое (плавятся), а при охлаждении вновь затвердевают; причем такие переходы могут повторяться много раз. Термопластичность объясняется линейным строением молекул и невысоким межмолекулярным взаимодействием. По этой же причине большинство термопластов способны растворяться в соответствующих растворителях. К термопластам относятся битумы, смолы, многие широко распространенные полимеры - полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и др.

Термореактивные - вещества, у которых переход из жидкого состояния в твердое происходит необратимо. При этом у них меняется молекулярная структура: линейные молекулы соединяются в пространственные сетки - гигантские макромолекулы. Такое необратимое твердение (этот процесс называют также «отверждение», «сшивка», «вулканизация») происходит под действием не только нагрева (отсюда пошел термин «термореактивные вещества»), но и веществ-отвердителей, УФ- и у-из-лучения и других факторов. Отвержденные термореактивные полимеры, как правило, более теплостойки, чем термопластичные.

К термореактивным полимерам относят фенолоальдегидные, карбамидные, эпоксидные и полиэфирные олигомеры (смолы), олифы, каучуки в смеси с вулканизаторами и др.

В строительстве полимеры используют главным образом в виде пластмасс, полимерных материалов и изделий, а также конструкций из них.

Основным сырьем для производства полимеров являются углеводороды, получаемые из нефти, природный газ, продукты углепереработки, целлюлоза и др.

По химическому характеру реакций, лежащих в основе получения синтетических полимеров, их разделяют на полимериза-ционные и поликонденсационные.

Полимеризационные полимеры получают методом полимеризации. При этой реакции происходит объединение молекул одного и того же вещества в одну большую молекулу высокомолекулярного вещества - полимера без выделения побочных продуктов. При этом вещество приобретает новые свойства, сохраняя прежний химический состав. Так получают полиэтилен, поливинилхлорид, полиизобутилен, полистирол, полиакри-латы и некоторые другие полимеры, нашедшие широкое применение в технологии строительных материалов.

Поликонденсационные полимеры получают в процессе реакции поликонденсации двух или нескольких низкомолекулярных веществ. В этом случае наряду с основным продуктом поликонденсации - полимером образуются побочные соединения (вода, спирты, хлористый водород и др.). Масса получаемого полимера меньше массы исходных веществ, а его химический состав отличается от химического состава исходных продуктов. В отличие от полимеризации поликонденсация происходит только между веществами, содержащими функциональные группы. Методом поликонденсации получают полиэфирные, фенолоальдегид-ные, эпоксидные, кремнийорганические и другие полимеры.

Особую группу составляют полимеры, получаемые методом химической модификации природных полимеров (целлюлоза, казеин, каучуки, растительные масла) с целью улучшения их свойств. Под модификацией в данном случае понимают целенаправленное изменение структуры полимера путем изменения состава его функциональных групп, образования дополнительных боковых цепей и сшивок, изменения полярности и фазового состава. Этот метод получения полимеров используется при переработке целлюлозы (нитроцеллюлоза, карбоксиметилцеллю-лоза) и растительных масел (олифы).