Учебное пособие: Органические вяжущие вещества

Луганский Национальный Аграрный Университет

Кафедра Материаловедения

Тема: ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Выполнил:

студент 633 гр. Комаров Роман

Проверил:

Сумасшедший Погостнов

Луганск 2008

Лекция 12. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Органические вяжущие вещества – это высокомолекулярные природные или синтетические вещества, способные в жидко-вязком состоянии под действием определенных факторов (температуры, веществ-отвердителей и др.) переходить в твердое состояние.

Органические вяжущие делят на: черные вяжущие (битумы и дегти); природные смолы, клеи и полимеры.

Природные полимеры 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 подвергают модификации.

Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных продуктов (мономеров) полимеризацией и поликонденсацией. Каучуки и каучукоподобные полимеры, обладают способностью к большим упругим деформациям; их называют эластомерами.

Органические вяжущие делят на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные при нагревании многократно переходят из твердого состояния в жидкое, а при охлаждении вновь затвердевают. 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.

Термореактивные переходят из жидкого состояния необратимо. У них меняется молекулярная структура: линейные молекулы соединяются в пространственные сетки – гигантские макромолекулы. Твердение происходит не только под действием нагрева, но и под действием веществ отвердителей, ультрафиолетового и γ-излучения и других факторов. Термореактивные полимеры более теплостойки, чем термопластичные.

Термореактивные вяжущие (с молекулярной массой менее 1000), имеющие линейное строение молекул и способные к дальнейшему укрупнению, называют олигомерами, например полиэфирные, эпоксидные.

Органические вяжущие применяют для получения клеев, мастик, лакокрасочных материалов, полимерных и полимерцементных растворов и бетонов. Полимерные вяжущие применяют для получения тонких облицовочных изделий (плиток, пленок, погонажных изделий), покрасочных и клеящих составов, защитных химически стойких покрытий, а также для изготовления газонаполненных пластмасс – теплоизоляционных материалов с очень низкой плотностью (10...50 кг/м3).

12.1 Битумы и дегти и материалы на их основе

Битумы при комнатной температуре вязкопластичные или твердые вещества темного цвета, представляют собой сложную смесь высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных. Они могут быть природными и искусственными.

Природные битумы встречаются в виде асфальтовых пород, например, песка, пористого известняка, пропитанных битумом. Природные битумы образовались при разливе нефти в результате испарения из нее легких фракций частичного окисления кислородом воздуха. Мировые запасы природного битума составляют более 500 млрд.т.

Искусственные битумы получают из нефти топлива и масел – нефтяные битумы. Битумы – сложные коллоидно-дисперсные системы, состоящие из нескольких групп' веществ: твердые высокомолекулярные вещества (асфальтены, карбены, карбоиды), придающие битуму твердость; смолистые вещества, придают битуму клейкость; нефтяные масла, придают битуму вязкость и термопластичность. В этой дисперсной системе масла являются дисперсионной средой, а асфальтены – дисперсной фазой; смолы играют роль стабилизатора дисперсии (рис.12.1). При нагреве масла разжижаются и битум становится жидко-вязким, а при охлаждении густеют и затвердевают и битум становится твердым и даже хрупким.

Рис . 12.1. Схема коллоидно-дисперсного строения битума

Битумы делят на: дорожные (БНД), кровельные (БНК) и строительные (БН). Каждый тип битумов в зависимости от состава может иметь различные марки. Марки битумов определяют по комплексу показателей, основные из которых: температура размягчения, твердость и растяжимость.

Температуру размягчения определяют на стандартном приборе «Кольцо и шар». Температурой размягчения считается температура, при которой шарик проваливается сквозь битум, заплавленный в кольцо. Твердость (вязкость) битума определяют на приборе пенетрометр по погружению иглы в образец битума (единица шкалы прибора 0,1 мм) при температуре 25°С. Растяжимость битума определяют по абсолютному удлинению (в см) стандартного образца битума, растягиваемого в воде при 25°С со скоростью 5см/мин.

Битумы транспортируют в фанерных барабанах или бумажных мешках, хранят в закрытых складах или под навесом. Битум - горючее вещество, поэтому при работе с ним, необходимо соблюдать правила пожарной безопасности.

Дегти менее атмосферостойки, чем битумы. Под действием солнечного излучения и кислорода они окисляются, превращаясь в твердые хрупкие продукты; это объясняется наличием в дегте, активных реакционноспособных соединений. Дегти и продукты на их основе – канцерогенны, поэтому их использование в местах, где возможен длительный контакт с человеком, запрещено. Они вызывают воспаление кожи.

Общий недостаток битумов и дегтей – узкий интервал температур, при которых материалы на их основе обладают прочностью и эластичностью. При понижении температуры до 0...10°С они становятся хрупкими, а при повышении до 40...60°С начинают течь. Для расширения интервала эксплуатационных температур битумы и дегти модифицируют, добавляя термопластичные полимеры и каучуки.

Асфальтовые бетоны – широко применяемые в дорожном строительстве. Термин «асфальт» имеет два значения:

горная порода пористая (известняк и т. п.) или рыхлая (песок и т. п.), пропитанная природным битумом (содержание битума 2...20%);

искусственная смесь тонкоизмельченного минерального наполнителя (обычно порошка известняка) с битумом (12...60%).

Природные асфальты применялись еще в глубокой древности для гидроизоляционных и дорожных работ. Искусственный асфальт используется как вяжущее для приготовления асфальтовых бетонов. Роль минерального порошка в таком вяжущем заключается не только в снижении расхода битума, но и в повышении температуры его размягчения. Это важно, например, для сохранения прочности асфальтобетона в летнее время.

Асфальтовые растворы – смесь асфальтового вяжущего с песком. Расход вяжущего должен быть таким, чтобы заполнить пустоты в песке с некоторым избытком (10...15%), необходимым для обволакивания песчинок.

Асфальтовые бетоны - смесь асфальтового вяжущего песка и крупного заполнителя. В этом случае количество асфальтового раствора берут таким, чтобы заполнить пустоты в щебне с некоторым избытком (10...15%) для получения плотного бетона. Обычно пористость асфальтобетона – 5...7%. Чем выше пористость, тем меньше долговечность асфальтобетона, так как при этом возрастает водопоглощение, снижается коррозионная стойкость и морозостойкость. Плотные асфальтобетоны практически водонепроницаемы и могут применяться как гидроизоляционный материал.

Прочность асфальтовых бетонов и растворов заметно изменяется при колебаниях температуры. Так, если при 20°С прочность асфальтобетона составляет 2,2...2,4МПа, то при 50°С - только 0,8...1,2МПа. При этом снижается модуль упругости и возрастает ползучесть асфальтобетона.

Асфальтовые бетоны более стойки к коррозионным воздействиям, чем цементные, но разрушаются от воздействий жидких топлив и масел. Износостойкость асфальтовых бетонов выше, чем цементных.

Асфальтовые бетоны и растворы применяют для устройства верхних покрытий дорог, аэродромов, полов промышленных зданий, плоских кровель, стяжек, а также для создания гидроизоляционных слоев и экранов и заполнения компенсационных швов.

Технология изготовления асфальтобетона. Для получения пластичной удобоукладываемой асфальтобетонной смеси используют два метода: нагрев смеси до 140...170°С для полного разжижения битума; приготовление смеси на жидких битумах, гудронах (с последующим их отвердеванием за счет испарения летучих компонентов) или на битумных эмульсиях (отвердевание происходит после испарения воды).

В состав асфальтобетонного завода входят цех по обогащению и переработке каменных материалов, включающий дробильно-сортировочное оборудование для производства фракционированного щебня и помольную установку для получения минерального порошка, битумный цех, состоящий из битумохранилища, битумоплавильных котлов и насосных станций, смесительный цех, в котором размещено оборудование по приготовлению асфальтобетонной смеси. Принципиальная технологическая схема изготовления асфальтобетона представлена на рис.12.2. Лучшее качество имеют «горячие» асфальтобетоны. Укладывают и уплотняют асфальтобетонные смеси при помощи специальных асфальтоукладчиков и тяжелых катков. При малых объемах работ возможно ручное уплотнение.

Рис.12.2. Технологическая схема производства асфальтобетона:

1– питатель; 2– элеватор; 3– сушильный барабан; 4– пылеулавливающая установка; 5– топка; 6– горячий элеватор; 7– грохот; 8– элеватор минерального порошка; 9– бункер для горячих материалов; 10– бункер; 11– лопастной двухвальный смеситель; 12– битумная труба с соплами в смесителе; 13– дозатор поверхностно-активных добавок; 14– дозатор битума.

Долговечность асфальтобетона во многом зависит от качества укладки и обеспечения его сцепления с нижележащими слоями; на долговечность существенно влияет также качество основания. Для повышения качества асфальтобетонов битумы модифицируют полимерами (полиэтиленом, полипропиленом, синтетическими каучуками); для этой цели рационально использовать вторичное полимерное сырье и промышленные отходы.

12.2 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.

Линейным строением молекул объясняется способность термопластов не только набухать, но и хорошо растворяться в растворителях. 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 полимеррастворах.

К недостаткам термопластов относят низкую теплостойкость (не выше 80...120°С), низкую поверхностную твердость, хрупкость при низких 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 – роговидный, жирный на ощупь, слегка просвечивающийся материал, легко режется ножом; при поджигании горит и одновременно плавится с характерным запахом горящего парафина. Плотность 920...960 кг/м3. 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; и растворяется в них при температуре выше 70...80°С, химически стоек, биологически инертен. Прочность при растяжении – 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,. легко перерабатывается в изделия и хорошо сваривается. Его недостатки – низкие теплостойкость и твердость, горючесть и быстрое старение под действием солнечного света. Полиэтилен защищают от старения, вводя в него наполнители (сажу, алюминиевую пудру) и стабилизаторы.

Из полиэтилена изготавливают пленки, трубы, электроизоляцию; вспененный полиэтилен в виде листов и труб используется для тепло- и звукоизоляции и в качестве герметизирующих прокладок. Полипропилен – полимер, по составу близкий к полиэтилену.

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...50МПа. Полистирол хорошо растворяется в ароматических углеводородах, сложных эфирных и хлорированных углеводородах. Полистирол горюч и хрупок. Для снижения хрупкости полистирол синтезируют с другими мономерами или совмещают с каучуками (ударопрочный полистирол).

Полистирол применяют для изготовления теплоизоляционного материала – пенополистирола (плотностью 10...50кг/м3), облицовочных плиток и мелкой фурнитуры. Полистирол растворенный 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.

Поливинилацетат применяют в виде поливинилацетатной дисперсии (ПВАД) – сметанообразной массы белого или светлокремового цвета, хорошо смешивающейся с водой. Поливинилацетатную дисперсию получают полимеризацией жидкого винилацетата, находящегося в виде мельчайших частиц (менее 5мкм) в воде. Для стабилизации эмульсии винилацетата используют поливиниловый спирт. При полимеризации капельки винилацетата превращаются в твердые частицы поливиналацетата, таким образом получается поливинилацетатная дисперсия. 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).

Пластифицированная дисперсия неморозостойка и при замораживании необратимо разрушается с осаждением полимера. Поэтому в зимнее время пластификатор поставляют в отдельной упаковке.

На основе поливинилацетата изготавливают клеи, водно-дисперсионные краски, моющиеся обои. ПВАД применяют для устройства наливных мастичных полов и для модификации цементных растворов. 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 ПВАД: набухание и появление высолов. 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 – представляет собой твердый материл без запаха и вкуса, бесцветный или желтоватый. Плотность поливинилхлорида 1400кг/м3; предел прочности при растяжении 40...60МПа. Температура текучести поливинилхлорида 180...200°С, но уже при нагревании выше 160°С он начинает разлагаться с выделением соляной кислоты. Поливинилхлоридные изделия хорошо свариваются и склеиваются перхлорвиниловым клеем.

Положительное качество поливинилхлорида – высокие химическая стойкость и низкая горючесть. Поливинилхлорид применяют для изготовления материалов для полов (различные виды линолеума, плитки), труб, погонажных изделий (поручни, плинтусы и т. п.) и декоративных пленок и пенопластов.

Перхлорвинил – продукт хлорирования поливинлхлорида, содержащий 60..:70% (по массе) хлора, вместо 56% в поливинилхлориде. Плотность около 1500кг/м3, химически стойкий к кислотам, щелочам, окислителям; трудносгораем. Перхлорвинил растворяется в хлорированных углеводородах, ацетоне, этилацетате, толуоле, ксилоле и других растворителях. Сочетание высокой адгезии и хорошей растворимости позволяет использовать перхлорвинил в клеях и окрасочных составах. Перхлорвиниловые краски используют для отделки фасадов зданий.

При работе с этим полимером, необходимо соблюдать технику безопасности (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).

12.3 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 (олигомерв). 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 связи, либо химически активные группы. Поэтому при нагревании, облучении или добавлении 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.

В строительстве применяются фенолформальдегидные, карбамидные, полиэфирные, эпоксидные и полиуретановые полимеры, для получения замазок, мастик и клеев.

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

К природным олигомерным и полимерным продуктам, применяемым в строительстве и других отраслях хозяйства, относятся природные смолы, ненасыщенные (высыхающие) масла, целлюлоза и некоторые белковые вещества. Для получения вяжущих веществ природные продукты, как правило, модифицируют с целью улучшения их свойств.

Органические вяжущие вещества в чистом виде применяют очень редко. В большинстве случаев в них добавляют различные вещества либо облегчающие работу с вяжущими, либо улучшающие их эксплуатационные свойства. К таким добавкам относятся растворители, наполнители, пластификаторы, отвердители, инициаторы отверждения и др.