ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Органические вяжущие вещества — это высокомолекулярные природные или синтетические вещества, способные:

• приобретать жидко-вязкую консистенцию при нагревании или при действии растворителей или же имеющие жидко-вязкую консистенцию в исходном состоянии;

• с течением времени самопроизвольно или под действием определенных факторов (температуры, веществ-отвердителей и др.) переходить в твердое состояние.

При этом как в жидком, так и в твердом состоянии эти вещества имеют хорошую адгезию к другим материалам.

В зависимости от происхождения, химического и вещественного состава органические вяжущие делят на следующие группы:

• черные вяжущие (битумы и дегти);

• природные смолы, клеи и полимеры;

• синтетические полимерные продукты.

Природные высокомолекулярные вещества применяют как в их естественном состоянии, так и после химической модификации, придающей им необходимые свойства. Например, целлюлозу применяют в виде эфиров (нитроцеллюлоза, метилцеллюлоза и т. п.). Битумы также часто подвергают модификации.

Самая обширная группа органических вяжущих — синтетические полимеры. Их получают из низкомолекулярных продуктов (мономеров) полимеризацией и поликонденсацией. Специфическая группа полимеров — каучуки и каучукоподобные полимеры, обладающие высокоэластичными свойствами — способностью к большим упругим деформациям; их также называют эластомерами.

В зависимости от отношения к нагреванию и растворителям органические вяжущие 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 способно растворяться в соответствующих растворителях. К термопластам относятся битумы, смолы, многие широко распространенные полимеры — полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и др.

Термореактивными называют 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 не только под действием нагрева (отсюда пошел термин «термореактивные вещества»), но и под действием веществ отвердителей, УФ и γ-излучения и других факторов. Отвержденные термореактивные полимеры, как правило, более теплостойки, чем термопластичные.

Термореактивные вяжущие поступают на строительство часто в виде вязких жидкостей, называемых не совсем правильно «смолами». В химической технологии такие продукты частичной полимеризации (с молекулярной массой менее 1000), имеющие линейное строение молекул и способные к дальнейшему укрупнению, называют олигомерами.

К термореактивным органическим вяжущим относятся, например, эпоксидные и полиэфирные олигомеры (смолы), олифы, каучуки в смеси с вулканизаторами и др.

ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ПОЛИМЕРЫ

Термопластичными называют полимеры, способные многократно размягчаться при нагревании и отвердевать при охлаждении. Эти и многие другие свойства термопластичных полимеров объясняются линейным строением их макромолекул. При нагревании взаимодействие между молекулами ослабевает и они могут сдвигаться одна относительно другой (как это происходит с частицами влажной глины), полимер размягчается, превращаясь при дальнейшем нагревании в вязкую жидкость. На этом свойстве базируются различные способы формования изделий из термопластов, а также соединение их сваркой.

Однако на практике не все термопласты так просто можно перевести в вязко-текучее состояние, так как температура начала термического разложения некоторых полимеров ниже температуры их текучести (поливинилхлорида, фторпластов и др.). В таком случае используют различные технологические приемы, снижающие температуру текучести (например, вводя пластификаторы) или задерживающие термодеструкцию (введением стабилизаторов, переработкой в среде инертного газа).

Линейным строением молекул объясняется также способность термопластов не только набухать, но и хорошо растворяться в правильно подобранных растворителях. Тип растворителя зависит от химической природы полимера. Растворы полимеров, даже очень небольшой концентрации (2...5 %), отличаются довольно высокой вязкостью, причиной этого являются большие размеры полимерных молекул по сравнению с молекулами обычных низкомолекулярных веществ. После испарения растворителя полимер вновь переходит в твердое состояние.

На этом основано использование растворов термопластов в качестве лаков, красок, клеев и вяжущего компонента в мастиках и полимер-растворах.

К недостаткам термопластов относятся низкие теплостойкость (обычно не выше 80...120° С), низкая поверхностная твердость, хрупкость при пониженных температурах и текучесть при высоких, склонность к старению под действием солнечных лучей и кислорода воздуха.

Наибольшее применение в строительстве имеют следующие термопластичные полимеры: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, перхлорвинил, поливинилацетат и поливиниловый спирт, полиизобутилен, полиакрилаты.

Кроме полимеров, получаемых из одного мономера, синтезируют сополимеры — продукты, получаемые совместной полимеризацией (сополимеризацией) двух и более мономеров. В таком случае образуются материалы с новым комплексом свойств. Так, винилацетат полимеризуют совместно с винилхлоридом для получения сополимера более прочного и водостойкого, чем поливинилацетат, но сохраняющего его высокие адгезионные свойства. Широкий спектр сополимеров выпускают на базе акриловых мономеров.

Полиэтилен — продукт полимеризации этилена. Это один из наиболее распространенных полимеров — роговидный, жирный на ощупь, слегка просвечивающийся материал, легко режется ножом; при поджигании горит и одновременно плавится с характерным запахом горящего парафина. Плотность полиэтилена 920...960 кг/м3. В зависимости от молекулярной массы и способа полимеризации полиэтилен плавится при 90...130° С. При комнатной температуре полиэтилен практически не растворяется ни в одном из растворителей, но набухает в бензоле и хлорированных углеводородах; при температуре выше 70...80° С он растворяется в указанных растворителях.

Полиэтилен обладает высокой химической стойкостью, биологически инертен. Прочность при растяжении у него довольно высокая — 20...45 МПа; но при длительном действии нагрузки, составляющей более 50...60 % от предельной, у полиэтилена начинает проявляться свойство текучести. Полиэтилен сохраняет эластичность до — 70° С. Он легко перерабатывается в изделия и хорошо сваривается. Его недостатки — низкие теплостойкость и твердость, горючесть и быстрое старение под действием солнечного света. Защищают полиэтилен от старения, вводя в него наполнители (сажу, алюминиевую пудру) и стабилизаторы.

Из полиэтилена делают пленки (прозрачные и непрозрачные), трубы, электроизоляцию; вспененный полиэтилен в виде листов и труб используется для целей тепло- и звукоизоляции и в качестве герметизирующих прокладок.

Полипропилен — полимер, по составу близкий к полиэтилену. При синтезе полипропилена образуется несколько различных по строению полимеров: изотактический, атактический и синдиотактический.

В основном применяется изотактический полипропилен. Он отличается от полиэтилена большей твердостью, прочностью и теплостойкостью (температура размягчения около 170° С), но переход в хрупкое состояние происходит уже при минус 10...20° С. Плотность полипропилена 920...930 кг/м3; прочность при растяжении 25...30 МПа. Применяют полипропилен практически для тех же целей, что и полиэтилен, но изделия из него более жесткие и формоустойчивые.

Атактический полипропилен (АПП) получается при синтезе полипропилена как неизбежная примесь, но легко отделяется от изотактического полипропилена экстракцией (растворением в углеводородных растворителях). АПП — мягкий эластичный продукт плотностью 840...845 кг/м3 с температурой размягчения 30...80° С. Применяют АПП как модификатор битумных композиций в кровельных материалах.

Полиизобутилен — каучукоподобный термопластичный полимер, эластичный каучукоподобный материал (молекулярная масса 100 000...200 000).

Полистирол (поливинилбензол) — прозрачный жесткий полимер плотностью 1050...1080 кг/м3; при комнатной температуре жесткий и хрупкий, а при нагревании до 800...1000° С размягчающийся. Прочность при растяжении (при 20° С) 35...50 МПа. Полистирол хорошо растворяется в ароматических углеводородах (влияние бензольного кольца, входяшего в состав молекул полистирола), сложных эфирных и хлорированных углеводородах. Полистирол горюч и хрупок. Для снижения хрупкости полистирол синтезируют с другими мономерами или совмещают с каучуками (ударопрочный полистирол).

В строительстве полистирол применяют для изготовления теплоизоляционного материала — пенополистирола (плотностью 10...50 кг/м3), облицовочных плиток и мелкой фурнитуры. Раствор полистирола в органических растворителях — хороший клей.

Поливинилацетат — прозрачный бесцветный жесткий при комнатной температуре полимер плотностью 1190 кг/м3. Поливинилацетат растворим в кетонах (ацетоне), сложных эфирах, хлорированных и ароматических углеводородах, набухает в воде; в алифатических и терпеновых углеводородах не растворяется. Поливинилацетат не стоек к действию кислот и щелочей; при нагреве выше 130...150° С он разлагается с выделением уксусной кислоты. Положительное свойство поливинилацетата — высокая адгезия к каменным материалам, стеклу, древесине.

В строительстве поливинилацетат применяют в виде поливинилацетатной дисперсии (ПВАД) — сметанообразной массы белого или светло-кремового цвета, хорошо смешивающейся с водой. Поливинил-ацетатную дисперсию получают полимеризацией жидкого винилацетата, находящегося в виде мельчайших частиц (менее 5 мкм) в воде. Для стабилизации эмульсии винилацетата используют поливиниловый спирт. При полимеризации капельки винилацетата превращаются в твердые частицы поливиналацетата, таким образом получается поливинилацетатная дисперсия, стабилизатором которой служит тот же поливиниловый спирт. Содержание полимера в дисперсии около 50 %. Поливинилацетатная дисперсия выпускается средней (С), низкой (Н) и высокой (В) вязкости в пластифицированном и непластифицированном виде. Пластификатором служит дибутилфталат, содержание которого указывается в марке индексом. В грубодисперсной ПВАД, обычно применяемой в строительстве, содержание пластификатора следующее (% от массы полимера): 5...10 (индекс 4), 10...15 (индекс 7) и 30...35 (индекс 20).

По внешнему виду пластифицированная и непластифицированная дисперсии почти не отличаются одна от другой. Поэтому, чтобы определить вид дисперсии, небольшое ее количество наносят на чистое стекло и выдерживают при комнатной температуре до высыхания. У пластифицированной дисперсии образуется прозрачная эластичная пленка, у непластифицированной — пленка ломкая, снимается со стекла с трудом, крошится.

Необходимо помнить, что пластифицированная дисперсия неморозостойка и при замораживании необратимо разрушается с осаждением полимера. Поэтому в зимнее время пластификатор поставляют в отдельной упаковке. Для пластификации пластификатор перемешивают с дисперсией и выдерживают 3...4 ч для его проникновения в частицы полимера. Непластифицированная дисперсия выдерживает не менее четырех циклов замораживания — оттаивания при температуре до — 40° С. Срок хранения ПВАД при температуре 5...20° С — 6 мес.

Поливинилацетат широко применяют в строительстве. На его основе делают клеи, водно-дисперсионные краски, моющиеся обои. ПВАД применяют для устройства наливных мастичных полов и для модификации цементных растворов (полимерцементные растворы и бетоны ). Дисперсией, разбавленной до 5...10 %-ной концентрации, грунтуют бетонные поверхности перед приклеиванием облицовки на полимерных мастиках и перед нанесением полимерцементных растворов.

Недостаток материалов на основе дисперсий поливинилацетата — чувствительность к воде: материалы набухают, и на них могут появиться высолы. Это объясняется наличием в дисперсиях заметного количества водорастворимого стабилизатора и способностью самого полимера набухать в воде. Так как дисперсия имеет слабокислую реакцию (рН 4,5...6), при нанесении на металлические изделия возможна коррозия металла.

Поливинилхлорид — самый распространенный в строительстве полимер — представляет собой твердый материл без запаха и вкуса, бесцветный или желтоватый (при переработке в результате термодеструкции может приобрести светло-коричневый цвет). Плотность поливинилхлорида 1400 кг/м3; предел прочности при растяжении 40...60 МПа. Температура текучести поливинилхлорида 180...200° С, но уже при нагревании выше 160° С он начинает разлагаться с выделением НСl. Это обстоятельство затрудняет переработку поливинилхлорида в изделия.

Поливинилхлорид хорошо совмещается с пластификаторами. Это облегчает переработку и позволяет получать пластмассы с самыми разнообразными свойствами: жесткие листы и трубы, эластичные погонажные изделия, мягкие пленки. Поливинилхлорид хорошо сваривается; склеивается он только некоторыми видами клеев, например перхлорвиниловым. Положительное качество поливинилхлорида -высокие химическая стойкость, диэлектрические показатели и низкая горючесть.

В строительстве поливинилхлорид применяют для изготовления материалов для полов (различные виды линолеума, плитки), труб, погонажных изделий (поручни, плинтусы и т. п.) и отделочных декоративных пленок и пенопластов.

Перхлорвинил — продукт хлорирования поливинилхлорида, содержащий 60...70 % (по массе) хлора, вместо 56 % в поливинилхлориде. Плотность перхлорвинила около 1500 кг/м3. Он характеризуется очень высокой химической стойкостью (к кислотам, щелочам, окислителям); трудносгораем. В отличие от поливинилхлорида перхлорвинил легко растворяется в хлорированных углеводородах, ацетоне, этилацетате, толуоле, ксилоле и других растворителях. Положительное качество перхлорвинила — высокая адгезия к металлу, бетону, древесине, коже и поливинилхлориду. Сочетание высокой адгезии и хорошей растворимости позволяет использовать перхлорвинил в клеях и окрасочных составах. Перхлорвиниловые краски благодаря высокой стойкости этого полимера используются для отделки фасадов зданий .

После работы с составами, содержащими перхлорвиниловый полимер, необходимо тщательно вымыть руки горячей водой с мылом и смазать их жирным кремом (вазелином, ланолином и т. п.). При сильном загрязнении рук их предварительно вытирают ветошью, смоченной в уайт-спирите (применять для этой цели бензол, толуол, этилированный бензин запрещается).

Кумароноинденовые полимеры — полимеры, получаемые полимеризацией смеси кумарона и индена, содержащихся в каменноугольной смоле и продуктах пиролиза нефти. Кумароноинденовый полимер имеет небольшую молекулярную массу (менее 3000) и в зависимости от ее значения может быть каучукоподобным или твердым хрупким материалом. Снизить хрупкость кумароноинденовых полимеров можно совмещая их с каучуками, фенолформальдегидными смолами и другими полимерами. Эти полимеры хорошо растворяются в бензоле, скипидаре, ацетоне, растительных и минеральных маслах. Кумароноинденовые полимеры в расплавленном или растворенном виде хорошо смачивают другие материалы, а после затвердевания сохраняют адгезию к материалу, на который были нанесены. Из них изготовляют плитки для полов, лакокрасочные материалы и приклеивающие мастики.

ТЕРМОРЕАКТИВНЫЕ ПОЛИМЕРЫ

Молекулы термореактивных полимеров до их отверждения имеют линейное строение, такое же, как молекулы термопластичных полимеров, но размер молекул реактопластов существенно меньше, чем у термопластов (такие продукты называют олигомерами).

В отличие от термопластов, у которых молекулы химически инертны и не способны соединяться друг с другом, молекулы термореактивных олигомеров химически активны. Они либо содержат двойные (ненасыщенные) связи, либо химически активные группы. Поэтому при определенных условиях (при нагревании, облучении или добавлении веществ отвердителей) молекулы термореактивных олигомеров соединяются друг с другом, образуя сплошную пространственную сетку, как бы одну гигантскую макромолекулу.

После отверждения свойства полимеров существенно изменяются: они перестают размягчаться при нагревании, не растворяются, а только набухают в растворителях, становятся более прочными, твердыми и термостойкими.

К термореактивным полимерам, используемым в строительстве, относятся фенолоальдегидные, карбамидные, полиэфирные, эпоксидные и полиуретановые.

Фенолоальдегидные полимеры — первые синтетические полимеры, выпуск которых начался в начале XX в.

Фенолформальдегидные полимеры — наиболее распространенный полимер этого класса. Их получают поликонденсацией фенола и формальдегида. Характерная особенность этих полимеров — коричневый цвет. В зависимости от соотношения сырьевых компонентов можно синтезировать новолачные и резольные олигомерные смолы.

Новолачные смолы отверждаются только при добавлении веществ-отвердителей (например, уротропина), а без них ведут себя как термопластичные полимеры (при нагревании плавятся и затвердевают при охлаждении).

Резольные смолы способны к отверждению при нагревании без добавления отвердителей. Они сначала плавятся, потом в расплавленном состоянии начинают густеть и постепенно необратимо переходить в твердое состояние.

До отверждения фенолформальдегидные смолы хорошо растворяются в спиртах, ацетоне и других растворителях. Фенолформальдегидные полимеры имеют хорошую адгезию к тканям, древесине и другим материалам и хорошо совмещаются с наполнителями. Отвержденные полимеры обладают высокой химической стойкостью; они прочны, но хрупки. Для повышения эластичности и улучшения клеящих свойств их модифицируют другими полимерами. Например, совмещая фенолформальдегидную смолу резольного типа с поливинилбутиралем получают водостойкие и прочные клеи типа БФ (БФ-2, БФ-3, БФ-6). Такие клеи могут склеивать материалы при обычной температуре, но при горячем отверждении имеют большую прочность.

Резорцинформальдегидные смолы аналогичны по свойствам фенолформальдегидным. Так как резорцин значительно активнее фенола, то отверждение резорцинформальдегидных смол может происходить без нагревания. Поэтому резорциновые смолы используют для получения замазок, мастик: и клеев холодного отверждения. Твердость, тепло- и химическая стойкость резорцинформальдегидных полимеров выше, чем фенолформальдегидных.

Фенолоальдегидные полимеры в неотвержденном состоянии токсичны, поэтому при работе с ними необходимо соблюдать правила техники безопасности.

Карбамидные полимеры — продукты поликонденсации мочевины и ее производных с формальдегидом; к ним относятся мочевиноформальдегидные и меламиноформальдегидные полимеры. По своим свойствам карбамидные полимеры имеют много общего с фенолформальдегидными. Особенностью карбамидных полимеров является их бесцветность, светостойкость, отсутствие запаха и меньшая токсичность.

Мочевиноформальдегидные полимеры — один из самых дешевых полимеров, что объясняется доступностью и простотой синтеза. В строительстве Мочевиноформальдегидные полимеры широко применяют в качестве полимерного связующего. Для этих целей используют главным образом водные растворы мочевино-формальдегидных смол. Отверждение смол производится с помощью кислотных отвердителей при обычной температуре или при нагревании.

Недостаток мочевиноформальдегидных полимеров — большая усадка при отверждении и недостаточная водостойкость отвержденного полимера. Для получения более водостойких материалов мочевиноформальдегидные полимеры модифицируют высшими спиртами, получая этерифицированные полимеры, растворимые в спиртах.

Большинство мочевиноформальдегидных полимеров используют для склеивания древесины и изготовления древесностружечных плит.

Меламиноформальдегидные полимеры более дорогие, так как для их синтеза применяют более дорогое сырье — меламин. В отвержденном состоянии они имеют лучшие, чем мочевиноформальдегидные полимеры, свойства. Они характеризуются высокой твердостью и водостойкостью. Часто применяют смешанные мочевино- и меламиноформальдегидные полимеры.

Из меламиноформальдегидных полимеров получают клеи для склеивания древесины, бумаги. Пример материала, получаемого на таких клеях, — декоративный бумажно-слоистый пластик, имеющий гладкую, твердую поверхность, с довольно высокой термостойкостью, и ламинированные покрытия для полов (ламинат).

Большое количество карбамидных полимеров после соответствующей модификации используют для получения высококачественных лаков и красок, например для окраски автомашин.

Ненасыщенные полиэфиры — олигомерные продукты в виде вязких жидкостей, способные переходить в твердое состояние при введении отвердителей. В строительстве применяют полиэфирные смолы двух типов: полиэфирмалеинаты и полиэфиракрилаты.

Полиэфирмалеинатные смолы представляют собой раствор линейного ненасыщенного, т. е. способного к сшивке, полиэфира в стироле. Если в эту смолу ввести инициирующую пару: перекисный инициатор (например, гипериз) и ускоритель разложения перекиси (например, нафтенат кобальта), то перекись, распадаясь, инициирует химическую активность стирола и он сшивает молекулы полиэфира по ненасыщенным связям в пространственную сетку. При этом жидкая смола превращается в твердый прочный материал. Обычно принимают соотношение смолы, инициатора и ускорителя 100 : 3 : 8. При 20° С процесс отверждения длится 20...60 ч, но смола теряет текучесть (желируется) через 0,5...2 ч.

Полиэфиракрилаты — олигомерные смолы, но не содержащие стирола и отверждаемые перекисными отвердителями в сочетании с ускорителями.

В отвержденном виде полиэфирные полимеры характеризуются высокой прочностью и химической стойкостью. Для снижения хрупкости и получения высокопрочных конструкционных материалов их армируют стекловолокном. Такие материалы называют стеклопластиками.

В строительных отделочных работах полиэфирные смолы используют для устройства наливных бесшовных полов, изготовления замазок и шпатлевок. Большое количество полиэфирных смол применяют для лакирования и полирования поверхности древесины.

Эпоксидные полимеры — большая группа олигомерных продуктов (от низковязких жидкостей до твердых смол), получивших свое название по эпоксидным группам, входящим в молекулу олигомеров. По этим эпоксидным группам линейные молекулы олигомерных смол можно сшивать отвердителями, главным образом аминными соединениями (например, полиэтиленполиамином ПЭПА). В связи с высокими эксплуатационными свойствами эпоксидные полимеры нашли широкое применение в различных областях техники.

Характерные особенности эпоксидных полимеров — высокая адгезия к большинству материалов, универсальная химическая стойкость, водостойкость и водонепроницаемость. Прочность отвержденных эпоксидных смол высокая — до 100...150 МПа.

В строительстве чаще применяют эпоксидные смолы марок ЭД-16, ЭД-20, представляющие собой жидкости желтого цвета различной вязкости. При введении отвердителя уже при нормальной температуре смола через 2...4 ч желируется, а через 8...12 ч необратимо затвердевает. Нагревание ускоряет твердение и увеличивает степень отверждения. Положительное качество эпоксидных смол — малая усадка при твердении, что повышает прочность и трещиностойкость изделий на их основе. Для повышения эластичности в смолы можно вводить пластификаторы.

Эпоксидные полимеры применяют для устройства наливных бесшовных полов высокой износо- и химической стойкости, изготовления конструкционных строительных клеев (для склеивания и ремонта бетонных и металлических конструкций), применяют также в красках и шпатлевочных составах, в герметиках и полимеррастворах специального назначения.

Полиуретановые полимеры в главной цепи макромолекулы содержат уретановую группу (— HN — СО — О —). Промышленное производство полиуретанов с каждым годом увеличивается благодаря большому разнообразию полиуретановых полимеров, обладающих ценными свойствами. Полиуретаны отличаются высокой прочностью и очень высокой стойкостью к истиранию. Поэтому их применяют при изготовлении шин, конвейерных лент, подошв для обуви, покрытий полов общественных и промышленных зданий и спортивных площадок. Большое количество полиуретанов используют для получения пенопластов, эластичных материалов (поролона) и жестких строительных пенопластов. Одна из интереснейших разновидностей пенополиуретанов — пенополиуретаны, наносимые напылением: жидкую полиуретановую смолу разбрызгивают из распылителя на изолируемую поверхность, на которой в течение 10...30 с полиуретан вспенивается и отвердевает. Отвердителем одного из типов полиуретановых смол служит вода, поэтому лаками на этих смолах можно покрывать и влажные поверхности.

При работе с олигомерными полиуретановыми продуктами, в особенности фенольными, необходимо строго соблюдать технику безопасности, так как эти продукты раздражающе действуют на кожу и слизистые оболочки, а также являются сильными аллергенами. Рабочие места должны иметь хорошую вентиляцию, а работающие — снабжены средствами индивидуальной защиты (перчатками, очками, респираторами).