Высокомолекулярные соединения. Полистирол и его сополимеры

Полиаминостирол можно перевести в четвертичную аммониевую соль алкилированием под иодистым метилом:

Действием фосгена на полнаминостирол, суспендированный в толуоле, получен полностью замещенный поли-4-изоцианатстирол. Одновременно с цианатными группами в полимере возникают поперечные мостики --NH--СО--NH--. Поли-4-изоцианатстирол присоединяет молекулы белка (10--15 мг на 1 г полимера). Присоединение происходит в результате взаимодействия цианатных групп с аминогруппами белка.

Полиазостирол используют для дальнейших химических превращений. Примером может служить реакция полиазостирола с ксантогенатом калия с образованием полистиролтиола:

Действием треххлористого фосфора на раствор полистирола в диоксане или четыреххлористом углероде в полимер вводят фосфонилхлоридные группировки. При гидролизе образуются звенья, содержащие группы фенилфосфонистой и фенилфосфинистой кислот. Реакция сопровождается поперечным соединением макромолекул!

Степень превращения составляет 30--36%. Число поперечных мостиков, содержащих фосфор, зависит от концентрации раствора и температуры.

При действии на продукт фосфорилирования полистирола азотной кислотой происходит гидролиз фосфенилхлоридных групп с одновременным окислением трехвалентного фосфора в пятивалентный:

Полистирол можно фосфорилировать и хлорокисью фосфора. При нагревании до 60°С в течение 8 ч раствора полистирола и хлорокиси фосфора в четыреххлористом углероде и последующем гидролизе можно получить полимер, содержащий 12,5% фосфора. Степень превращения равна 70%. В полимере содержится 28% звеньев фенилфосфоновой кислоты (I), остальное -- звенья дифенилфосфиновой кислоты (II) и трифенилфосфиноксиде (III):

(I)

(II) (III)

Такой полимер не растворяется в воде, но набухает в ней. Кривая потенциометрического титрования полимера показывает, что он ведет себя как двухосновная кислота.

Полистирол можно хлорметилировать монохлорметиловым эфиром в присутствии или . Монохлорметиловый эфир является одновременно растворителем полимера и продукта его хлорметилирования. Процесс развивается в двух направлениях -- происходит образование полихлорметилстирола и соединение макромолекул полистирола поперечными метиленовыми мостиками:

Реакция сопровождается гелеобразованием. По мере снижения концентрации полистирола в эфире уменьшается вероятность реакции между макромолекулами. В разбавленных растворах (1:10) реакция между макромолекулами возможна при 20°С только после превращения 64% полистирола в полихлорметилстирол. Содержание хлора в полихлорметилстироле или в полихлорметил-б-метилстироле достигает 10,7--16,8% после хлорметилирования в течение 11 ч при 25°С или 8 ч при 48°С.

Атомы хлора в полихлорметилстироле можно легко заместить аминогруппами. При этом образуются соответственно полимерные первичные, вторичные или третичные амины или четвертичные аммониевые соли:

Потенциометрическим титрованием установлено, что полимер относится к высокоосновным веществам. Принадлежность полимера к растворимым полиэлектролитам высокой основности подтверждается резким увеличением вязкости растворов в области низких концентраций. При аминировании первичными или вторичными аминами происходит одновременное поперечное соединение макромолекул.



5.3 Блоксополимеры на основе полистирола

Блоксополимеризацию полистирола в подавляющем большинстве случаев проводят для повышения кислородостойкости и прочности каучуков и для понижения хрупкости полистирола (ударопрочный полистирол). В последнем случае широко применяется блоксополимеризация полистирола с полибутадиеном, и особенно с сополимером бутадиена со стиролом и бутадиена с акрилонитрилом (блоксополимеры АБС).

Блоксополимеры получаются в результате рекомбинации макрорадикалов, возникших при механической деструкции смеси полимеров в атмосфере азота. В блоксополимерах АБС остается значительное количество гомополистирола, в котором диспергирован в виде мельчайших частиц сополимер бутадиена со стиролом или с акрилонитрилом. Блоксополимер выполняет функцию стабилизатора этой системы, располагаясь в пограничных слоях.

Ударная вязкость сополимеров АБС достигает 80 -- 100 , при этом теплостойкость, жесткость и твердость очень мало отличаются от тех же показателей полистирола.

Блоксополимеры с заданными структурой и свойствами, не содержащие гомополимеров, можно получить, применяя «живущий» полистирол. Этот способ пока используется в лабораторной практике. Если применить в качестве катализатора анионной полимеризации стирола Nа-нафталин или Na-дифенил в тетрагидрофуране, то начальным активным центром будет ион-радикал, который димеризуется с образованием бифункционального карбаниона:



*

2

Активный центр инициирует рост бимакроаниона. Процесс проходит без обрыва и передачи кинетической цепи до полного израсходования мономера.

В зависимости от способа разрушения комплекса бимакроанион -- катион натрия можно получить телофункциональный полистирол с различными концевыми функциональными группами.

Так, при действии окиси этилена образуются гидроксильные группы:

O

При действии двуокиси углерода - карбоксильные:

При действии аллилхлорида - аллильные:

При действии n-аминоэтилбензоата - аминогруппы:

Это дает возможность использовать полистирол для блоксополимеризации с полиамидами, гетероцепными полиэфирами, полиуретанами и другими полимерами, концевые функциональные группы которых могут реагировать с телофункциональным полистиролом.

5.4 Сополимеры стирола и его производных

Стирол легко сополимеризуется с подавляющим большинством мономеров. Реакция сополимеризации стирола может протекать по радикально-цепному или ионному механизму (например, с хлоропреном). Сополимеризацию проводят для повышения прочности и теплостойкости полимера и для понижения его растворимости.

Для повышения упругости полимера стирол сополимеризуют с мономерами, которые в сополимере выполняют функцию структурного пластификатора. В качестве пластифицирующих мономеров применяют изобутилен, бутадиен, высыхающие масла. Сополимеры отличаются высокой упругостью, но температура их стеклования ниже, чем у полистирола. Для устранения этого недостатка получают совместные полимеры трех компонентов, например стирола, бутадиена и акрилонитрила.

Хорошими пленкообразующими свойствами обладают сополимеры стирола и высыхающих масел. По скорости высыхания, адгезии к различным материалам, светостойкости, поверхностной твердости и кислородостойкости лак, приготовленный из такого сополимера, значительно превосходит масляные лаки.

Для повышения температуры стеклования полимера и стойкости к бензолу и смазочным маслам стирол сополимеризуют с высокополярными мономерами. Известны сополимеры стирола с акрилонитрилом ( = 110°С), хлорзамещенными (=100°С) и фторзамещенными стирола. Такие сополимеры не только имеют более высокую температуру стеклования, но и превосходят полистирол по поверхностной твердости. Относительные активности стирола и акрилонитрила при сополимеризации -- величины одного порядка, это облегчает процесс радикально-цепной сополимеризации, а сополимеры имеют однородный состав независимо от метода их синтеза. Диэлектрические свойства сополимеров стирола с полярными мономерами хуже, чем у полистирола.

Если необходимо создать высококачественный диэлектрик с повышенной теплостойкостью, стирол сополимеризуют с винилнафталином, аценафталином или с винилкарбазолом. В последнем случае теплостойкость повышается до 130°С (вместо 80°С для полистирола).

Большое применение находят сополимеры стирола и дивинилбензола сетчатой структуры. Звенья дивинилбензола образуют поперечные мостики между макромолекулами:

Изменяя соотношение стирола и дивинилбензола, можно в широких пределах варьировать частоту сетки, а также температуру стеклования и степень набухания сополимера в растворителях.

Активность дивинилбензола в сополимеризации определяется взаимным расположением винильных групп. В о-дивинилбензоле полимеризация по второй синильной группе стерически затруднена, и в сополимере мало поперечных связей. n-Дивинилбензол полимеризустся со скоростью, близкой к скорости полимеризации стирола, и с такой же энергией активации (20,8 ккал/моль). Скорость полимеризации м-дивинилбензола выше скорости полимеризации n-дивинилбензола (при 80°С в 2,21 раза)» энергия активации полимеризации мета-изомера равна 17,8 ккал/моль.

Сетчатый сополимер наиболее регулярной структуры, плотность сетки которого можно регулировать количеством дивинилбензола в смеси мономеров, получается сополимеризацией стирола с параизомером. О плотности полимерной сетки сополимера стирола с изомерами дивинилбензола можно судить по степени набухания сополимеров, полученных в одинаковых условиях:

Коэффициент

набухания

в бензоле

1,0% пара-изомера…………………………….. 4,28

1,0% мета-изомера…………………………….. 4,70

2.0% пара-изомера…………………………….. 2,99

2,0% мета-изомера…………………………….. 3,31

Сополимеры стирола и дивинилбензола сульфируют концентрированной серной кислотой в среде дихлорэтана. Нерастворимые в воде, но набухающие в ней полимерные сульфокислоты сетчатого строения

применяют в качестве катионнообменных фильтров.

Сополимеры стирола и дивинилбензола можно подвергнуть хлорметилированию:



При температуре кипения хлорметилового эфира степень замещения после 6--8 ч обработки достигает 87--90%.

Хлорметилирование сополимеров стирола можно проводить и методом Блана действием параформа и хлористого водорода в присутствии катализаторов Фриделя -- Крафтса. Таким путем можно достигнуть 65--85%-ного замещения за 14--15 ч. Степень замещения зависит от степени набухания сополимера. Хлорметилированные сополимеры используют для дальнейших превращений.

Большое применение находят продукты аминирования хлорметилированного сополимера:

Степень ионизации нерастворимого полимерного основания зависит от строения радикалов при атоме азота. Наиболее высока степень ионизации полимера, содержащего метильные радикалы. Величину ионизации полимера можно понизить, присоединяя к азоту фенильный радикал или вводя в состав алифатических радикалов алектроноакцепторные атомы или группы.

Взаимодействием хлорметилированного сополимера стирола и дивинилбензола с триалкил(арил)фосфином или диалкилсульфидом получены нерастворимые полимерные фосфониевые и сульфониевые соединения:

Последние вступают в реакции обмена с растворами солей, но легко окисляются, находясь в форме основания. Нерастворимые полимерные соединения применяют в качестве анионитовых фильтров для извлечения анионов из растворов слабых кислот или солей.

Хлорметилированные сополимеры стирола и дивинилбензола можно превратить в нерастворимые тиолы, замещая атомы хлора в сополимере сульфгидрильными группами:

Такие сополимеры находят применение в качестве восстановителей или окислителей металлов переменной валентности.

Хлорметилированные сополимеры удается аминировать динитрилом иминодиуксусной или иминодипропионовой кислоты, а также иминами диэфиров этих кислот. После омыления присоединенных групп сополимер приобретает способность образовывать клешневидные комплексы с ионами металлов:

RCN

RCN

RCOOH |

RCOOH |

Присоединением к хлорметилированному сополимеру диалкилзамещенной аминокислоты с числом метиленовых групп между функциональными группами больше шести получены полимерные биполярные соединения. Эти соединения вступают в реакцию обмена одновременно с катионом и анионом соли, находящейся в растворе, полностью извлекая ее. Для восстановления первоначальной структуры биполярного полимера соль вытесняют большим избытком воды:



В последние годы широкое применение нашли сополимеры стирола с ненасыщенными полиэфирами. Полиэфиры имеют сравнительно низкий молекулярный вес и легко растворяются в стироле, метилметакрилате, винилацетате и многих других мономерах. В присутствии инициаторов происходит сополимеризация с образованием сополимера трехмерной структуры, (например, сополимеризация полигликольмалеината и стирола):



Свойства сополимера можно изменять в широких пределах, подбирая различные мономеры и варьируя состав ненасыщенного полиэфира. Инициаторами реакций сополимеризации являются перекиси или гидроперекиси. В присутствии восстановителей сополимеризация легко протекает при комнатной температуре.

Сополимеры стирола и ненасыщенных эфиров служат связующим в стеклотекстолитовых и стекловолокнитовых изделиях. Их используют и в качестве пленкообразующих быстросохнущих лаковых покрытий, наносимых без растворителя, в качестве клеев для склеивания металлов и древесины и электроизоляционных заливочных компаундов.



6. Преимущества и недостатки высокомолекулярных соединений. Преимущества и недостатки полистирола

Высокомолекулярные соединения обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из них:

1) способность образовывать высокопрочные анизотропные волокна и пленки

2) способность к большим обратимым, так называемым высокоэластическим, деформациям

3) способность набухать перед растворением и образовывать высоковязкие растворы.

Эти свойства обусловлены высокой молекулярной массой высокомолекулярных соединений, цепным строением макромолекул, их гибкостью и наиболее полно выражены у линейных высокомолекулярных соединений. По мере перехода от линейных цепей к разветвленным, редким трехмерным сеткам и, наконец, к частым сетчатым структурам комплекс характерных свойств высокомолекулярных соединений становится все менее выраженным. Трехмерные высокомолекулярные соединения с очень большой частотой сетки нерастворимы, неплавки и неспособны к высокоэластичным деформациям.

Преимущества недостатки полистирола:

Полистирол обладает характеристиками, позволяющими изготавливать из него изделия различной формы. Плотность полистирола составляет около 1 г/см3, а температура размягчения - от 82 до 95 градусов. Температура плавления полистиролов составляет около 300 градусов, полистирол обладает низкой теплопроводностью, а рабочий диапазон температур, при которых изделия из полистирола не подвергаются деформациям, составляет от - 60 до + 80 градусов. Еще одной характеристикой полистирола является его низкая диэлектрическая проводимость.

Полистирол также обладает характеристиками, позволяющими противостоять влиянию различных агрессивных сред. Например, изделия из полистирола не растворяются в целом ряде слабых растворов кислот, воде и щелочах, но растворяются в стироле и различных ароматических углеводородах.

К отрицательным характеристикам полистирола также стоит отнести его высокую горючесть, данный материал легко вспыхивает и горит, образуя обилие копоти и сажи. Для повышения противопожарных свойств полистирола, которые необходимы при изготовлении строительных материалов, в полистирол добавляют различные присадки, которые понижают его горючесть. К отрицательным характеристикам полистирола стоит отнести хрупкость и склонность к растрескиванию.

Изделия из полистирола легко окрашиваются, данная характеристика полистирола привлекает изготовителей сувениров и рекламной продукции. Также полистирол нетоксичен, что позволяет его использовать для изготовления одноразовой посуды.

Для повышения прочностных характеристик полистирола при изготовлении полимерного материала применяется метод сополимеризации стирола с различными видами каучуков. Подобная технология позволяет создать молекулярную структуру, которая препятствует образованию трещин.

Используя различные добавки, можно получать полистиролы с различными физико-химическими характеристиками, необходимыми для применения в определенных областях человеческой деятельности.



7. Применение высокомолекулярных соединений

7.1 Полимеры в пищевой промышленности

В пищевой промышленности широкое применение находят полимерные соединения и материалы на их основе. Используемые полимерные материалы в первую очередь должны быть инертными, не токсичным и соответствовать к тем требованиям, которые предъявляются по санитарно- гигиеническим нормам. При контакте этих материалов с продуктами питания не должны изменяться органолептические свойства - вкус, запах, цвет и др., а также они не должны содержать вредные (токсичные) компоненты, которые могут экстрагироваться пищевыми средами или взаимодействовать с ними.

Высокомолекулярные соединения в пищевой промышленности в основном используются в качестве конструкционных материалов и покрытий в пищевом машиностроении, которое является одним из крупных потребителей полимерных материалов. Они применяются в виде аппаратуры, оборудования, машин, аппаратов, а также в качестве транспортных лент, приводных ремней и др. Из полимеров изготовляются подшипники, прокладки аппаратов, оборудования, уплотнительные рукава, различные детали.

Полимерные материалы используются в качестве покрытий металлических шнеков, покрытий для защиты от коррозии (антикоррозионные), покрытий обладающих низкой прилипаемостью (антиадгезионные), а также служат роль декоративно - защитных покрытий пищевого оборудования.

Для создания большого производства расфасовочно-упаковочного оборудования и расширения сети магазинов самообслуживания потребуется широкое использование таро-упаковочных изделий из самого полимерного соединения, а также из комбинированного материала на основе бумаги, фольги и т.д. Так, из полимерных материалов изготовляется хозяйственно-бытовая утварь различного назначения -- ведра, баки, бутыли, тазы, стаканы и т.д.

Полимеры служат исходным сырьем для изготовления пленочных материалов. Это упаковочные пленки, гидро-, электроизоляционные пленки, поляроидные пленки, пленки для парников, теплиц, а также многослойные пленки различного назначения. Полимеры в комбинации с другими материалами на основе бумаги, фольги и др. применяются в качестве упаковочных материалов для мясных, молочных, рыбных продуктов и для овощей и фруктов, а также как упаковка для хлебобулочных, кондитерских изделий и др. Комбинированные упаковочные материалы используются для упаковки полуфабрикатов, концентратов, соков, воды, растворов, для микрокапсулирования продуктов питания и др.

Использование полимерных пленочных материалов способствует совершенствованию и автоматизации технологических процессов в производстве продуктов питания, увеличивает сроки хранения и сокращает их потери.

Высокомолекулярные соединения используют в качестве уплотнительных паст, представляющих собой растворы или дисперсии полимерных композиций, имеющих важное значение при упаковке пищевых продуктов в металлическую, стеклянную и другую тару.

В пищевой промышленности широкое применение находят лакокрасочные полимерные материалы, предназначенные для защиты металлической консервной тары от коррозии. Покрытия эти должны обладать высокой устойчивостью к действию различных консервирующих агентов, к условиям стерилизации, механическим воздействиям при изготовлении тары и хорошей адгезией к ее поверхности. Наиболее перспективными полимерами являются эпоксифенольные консервные лаки, а также белковоустойчивые эмали, получаемые путем добавления в лаки оксида цинка и др.

Листы и пленки иономеров (сополимеры б-олефинов и непредельных моно-дикарбоновых кислот) широко используются для обкладки различных емкостей пищевого назначения, а также для упаковки пищевых продуктов.

Прозрачные, гибкие и стройные по отношению к растворителям трубы и шланги, сосуды из иономеров можно применять в пищевой фармацевтической, химической промышленности.

7.2 Полимеры в машиностроении и электротехнике

Ведущее место полимерные материалы занимают в машиностроении, потребление их соизмеримо с потреблением стали. Все возрастающее применение находят лакокрасочные материалы, синтетические волокна, резины и др. Из полимеров изготовляют обширный ассортимент деталей и узлов машин, а также технологическую оснастку различного назначения. Полимерные материалы используются в производстве деталей общемашиностроительного назначения (подшипники, зубчатые колеса, ремни, шкивы и др.) в различных отраслях машиностроения - авиа-, автомобиле-, судостроения, электро-, радиотехнике, на железнодорожном транспорте и др.

Развитие важнейших отраслей современной техники неразрывно связано с использованием материалов, обладающих высокой термостойкостью, прочностью, устойчивостью против агрессивных сред, а также селективностью свойств. Особое место среди этих материалов отводится неорганическим на основе оксидов металлов. К ним относятся специальные стекла, огнеупоры, керметы, покрытия для защиты металлов от газовой коррозии, а также соединения, применяемые в лазерной технике. Термостойкие материалы, в основном, определяют прогресс в ракетной, космической, авиационной, атомной и других областях техники. Так, успешное развитие ракетных и авиационных двигателей возможно при наличии материалов, способных выдерживать высокие эксплуатационные температуры, быть устойчивыми против воздействия воздушно-газового потока, иметь высокую коррозионную и эрозионную стойкость. Создание материалов, которые надежно работали бы в этих условиях, является сложной и важной задачей и требует определенного подхода, связанного с применением металлов, керамики, пластмасс, так и их комбинации друг с другом.

С каждым годом возрастает выпуск пластмасс, содержащих различные наполнители, кремнийсодержащие (песок, кварц, тальк, слюда, асбест, стеклянное волокно), углеродные (сажа, графит, кокс и др.), порошкообразные металлы и их оксиды, гидрооксиды, органические и неорганические соединения. Вводимые наполнители не только способствуют удешевлению пластмасс, но и улучшают физические, механические свойства. Важное значение приобрело стеклянное волокно для получения армированных пластмасс. Наполнители существенную роль играют в повышении огнестойкости пластмасс. Например, гидрооксид алюминия не только снижает горючесть, но и дымовыделение полимерных материалов.

Наибольшей прочностью среди конструкционных материалов обладают стеклопластики, которые находят большее применение в транспортном машиностроении, строительстве, судостроении, электротехнике, электронике и др., а также как антикоррозионные материалы.

Антифрикционные полимерные материалы обладают большой износостойкостью и низким коэффициентом трения, поэтому используются для изготовления подшипников скольжения. Они также отличаются большой теплостойкостью, стабильностью размеров в условиях эксплуатации и длительным сроком службы при больших значениях несущей способности Они используются для изготовления подшипников скольжения. Так, у фторопласта-4, наполненного графитом, износостойкость возрастает в 1000 раз. Подшипники из такого материала могут работать без смазки, в агрессивных средах.

Полимеры используются для создания электрооборудования с высокими технико-экономическими характеристиками и повышенной эксплуатационной надежностью. Они являются основой или обязательными компонентами практически всех элементов изоляции электрических машин, аппаратов и кабельных изделий, а также защитой изоляции от механических воздействий и агрессивных сред. Полимерные соединения применяются для изготовления конструкционных и полупроводящих материалов, ктеящих составов и др.

Отрасли электротехнической и электронной промышленности являются одними из главных потребителей полимеров. Полимерные материалы применяются для изоляции проводов, кабелей, в качестве обмоточных проводов электрических машин, электродвигателей самого различного назначения - машин с особенно тяжелыми условиями эксплуатации, шахтных двигателей, тяговых двигателей магистральных электровозов, двигателей, работающих в условиях радиационного облучения, при добыче нефти, руды, при выкачивании воды из артезианских скважин, а также в производстве электромашиностроения (асинхронных двигателей, высоковольтных машин, трансформаторов, коммутационной аппаратуры, силовых конденсаторов и др.).

Применение полимеров для изоляции силовых кабелей для передачи электроэнергии больших мощностей позволяет отказаться от использования металлических оболочек и облегчает их монтаж и эксплуатацию. Выпускают по- лиолефиновые самозатухающие материалы для создания кабелей, пригодных для эксплуатации при напряжении более 230 кВ. Полиэтилен и др. являются основными изоляционными материалами для кабелей связи, кабелей специального назначения и т.д.

Различные пластмассы и резины используют для изготовления конструкционных, фрикционных, антифрикционных, антикоррозионных, уплотняющих и амортизационных деталей, а также в качестве гидро-, термо-, звуко- и электроизоляционных, декоративных материалов в различных отраслях транспорта.

7.3 Полимеры в медицине

Полимеры широкое применение находят в медицине для изготовления изделий медицинской техники, в качестве материалов в восстановительной хирургии (протезирование клапанов сердца и сосудов, медицинские нити, клеящие композиции, протезы конечностей, суставов, сухожильных и мышечных связок, искусственные хрусталики, радужные оболочки глаза, стоматологические протезы и др.).

В медицине используются многочисленные аппараты, которые выполняют роль отдельных органов, или являются средствами поддержания функциональных систем человеческого организма такие аппараты как аппараты искусственного кровообразования (ЛИК), перитониального диализа (АИП), а также вживляемые стимуляторы сердца и других органов.

Полимеры применяются как фармакологические препараты, лекарственные вещества направленного пролонгированного действия, микрокапсулированные и др.

Наиболее широкие масштабы использования приобрели водорастворимые высокомолекулярные вещества в качестве крове- или плазмозаменителей (противошоковые, дезинтоксикационные и препараты парентерального питания).

7.4 Применение высокомолекулярных соединений в строительной индустрии

Уникальные физико-механические свойства высокомолекулярных веществ, а также их ценные архитектурно- строительные характеристики обуславливают широкое применение полимеров в строительном производстве. Строительство является одним из крупных потребителей полимерных материалов и использование их в этой отрасли непрерывно возрастает из года в год и одновременно расширяется их ассортимент.

Традиционно применяемые в строительстве материалы с каждым годом все меньше отвечают задачам, стоящим перед индустриальными методами их производства и перед современной архитектурой. Полимерные материалы обладают необходимым комплексом ценных физико-химических и строительно-эксплуатационных свойств.

Важной проблемой современного индустриального строительства - сокращение сроков возведения зданий и их максимальное облегчение, так как использование тяжелых материалов связано с большой стоимостью транспортных расходов и применением тяжелой механизации. Полимеры в этом отношении имеют главные преимущества перед другими строительными материалами своей легкостью и большой удельной прочностью, что ведет к существенному уменьшению массы строительных конструкций.

Полимербетоны (пластбетоны) - строительные материалы, составленные из полимерных соединений и минеральных компонентов (песок, щебень и др.). В качестве полимерных составляющих в полимербетоне используются главным образом термореактивные полимеры. Таковыми являются эпоксидные, фенолформальдегидные, фурановые, полиэфирные, карбамидные, поливинилацетатные, кумароно-инденовые полимеры. Чаще используются дешевые фур- фуролацетоновые полимеры, которые отличаются химической стойкостью и термостойкостью. Высокую устойчивость к истиранию имеют бетоны на основе фурановых и эпоксидных полимеров. Эпоксидные полимербетоны отличаются высокой адгезией к большинству сухих строительных материалов.

Полимербетоны, не содержащие цемента, используются для устройства монолитных бесшовных полов, отделочных и защитных покрытий, ремонта и омоноличивания бетонных элементов. Из них изготовляют элементы наружной облицовки гидротехнических сооружений, рассчитанных на особо тяжелые эксплуатационные условия. Уменьшению теплопроводности и объемной массы строительного материала способствуют использование крупнопористого полимербетона с особо легкими заполнителями.

В строительном производстве возрастает интерес к бетонам на основе минеральных вяжущих веществ, обладающих высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Такие материалы называют бетонополимерами. Их получают введением в бетонную смесь модифицирующих добавок в виде латексов натурального, бутадиенстирольного, бута- диенакрилнитрильного, полихлоропренового и других каучуков. Также можно использовать водные дисперсии термопластичных полимеров (поливинилацетат, сополимеры винилацетата с винилхлоридом, винилиденхлоридом, дибутилмалеинатом и винилпропионатом. При добавлении жидких термореактивных полиэфиров или эпоксидных полимеров в цементные бетоны отверждение смеси происходит в процессе гидратации цемента. Также можно вводить в бетоны растворимые в воде фенолформальдегидные, карбамидные полимеры и поливиниловый спирт. Полимерные добавки способствуют армированию и уплотнению бетона, повышая его прочность и адгезию смеси к затвердевшему бетону, а также позволяют изменить реалогические свойства и кинетику твердения бетонных смесей. При этом обеспечивается твердение бетонов при низких температурах и предотвращается коррозия железной арматуры.

Полимерцементы - материалы на основе композиционного связующего, представляющего органические полимерные соединения и неорганические вяжущие вещества. В полимерцементе органическим компонентом служат водные дисперсии поливинилацетата, латексы каучуков, водорастворимые эпоксидные, полиэфирные, фурановые и карбамидные полимеры, эфиры целлюлозы. Неорганическими вяжущими являются портландцемент, глиноземистый и магнезиальный цемент, жидкое стекло, гипс, известь.

Различают полимерцементные бетоны, строительные растворы и отделочные составы. При получении бетонов и растворов используют грубодисперсные наполнители: для бетонов -- песок, щебень, а для растворов -- песок. Отделочные составы изготовляют из мелкодисперсных материалов -- мел, каменная мука, молотый песок, асбест, тальк. Можно получить цветные отделочные составы с использованием органическим красителем и неорганических пигментов.

Полимерцементы применяют главным образом для отделочных работ, приклеивания керамических плит, выравнивания бетонных поверхностей, заделки различных стыков, для внутренней и внешней отделки зданий, для целей гидро-, маслоизоляции, защиты стальной арматуры и т.п.

Газонаполненные (вспененные) полимеры можно получить из любых полимеров. Наиболее известны на основе полиуретана, полистирола, поливинилхлорида, эпоксидных, феноло- и мочевиноформальдегидных полимеров. Вспененные полимеры обладают легкостью, высокими тепло-, звукоизоляционными свойствами. Их делят на пенопласты (материалы с закрытыми, не сообщающимися между собой ячейками) и поропласты (материалы с сообщающимися между собой ячейками). Пористая структура создается при помощи газо- или пенообразующих веществ (фреонов, порофоров, CC, ПВА), которые вводятся в полимеры. Получают их в виде блоков или формованных изделий или деталей. Пенопласты делят на легкие (высоковспененные) с плотностью до 500 кг/ и облегченные (частично вспененные) с плотностью 500-800 кг/ , а также на эластичные, полужесткие и жесткие.

Для введения газовой фазы в полимерные материалы применяются следующие способы:

добавление компонентов, которые, взаимодействуя между собой, выделяют большое количество газообразных продуктов;

введение специальных веществ (порофоров), которые при термическом, каталитическом, световом разложении выделяют газообразные вещества.

действием сжатого газа или легкокипящей жидкости насыщают полимеры, находящиеся в вязкотекучем состоянии.

механическое и пневматическое вспенивание воздухом и другими газами в жидкий полимер.

удаление частиц твердого вещества путем вымывания, выплавления, сублимации и др. из полимерного материала, предварительно введенного в исходный полимер.

Пенопласты обладают лучшими теплоизоляционными свойствами, чем традиционные теплоизолирующие материалы. Величина коэффициента теплопроводности, в большей степени зависит от природы газа, заполняющего ячейки, чем от природы полимера. Лучшие теплоизоляционные, диэлектрические, влаго- и водопоглощения показатели имеют пенопласты, имеющие закрытую структуру ячеек.

Пенопласты широко используются в качестве легкого конструкционного и теплоизоляционного материала для изготовления двух- и многослойных конструкций. Это - несущие и навесные стеновые панели и перегородки, защитная и декоративная облицовка. Для этих целей наиболее пригодны пеноуретаны, пеностирол, пенофенопласты. Как теплоизоляционный материал они применяются для изготовления холодильников, морозильных установок, рефрижераторов, хранилищ и др. пенопласты с закрытыми ячейками из-за низкого водопоглощения используют при изготовлении плавучих изделий (буи, бакены, понтоны), спасательных средств (пояса, нагрудники, плоты, легкие лодки и катера). Эластичные пенопласты применяют как амортизационный материал в производстве мягкой мебели, подошвы для обуви, спортивного инвентаря, в виде листов используются для дублирования с тканями, для подкладки для ковров. В качестве прокладок в шлемах, касках, защитных рукавиц при работе с отбойными молотками, в вентиляционных установках эластичные полиуретановые, поливинилхлоридные материалы служат для звукоизоляции и уменьшения вибрации.

Пенопласты с открытыми ячейками нашли применение для глушения шумов, для фильтрации газов и жидкостей и как упаковочные материалы.

Стеклопластики - материалы, получаемые из полимерного связующего и наполнителя стекловолокна - нити и ткани. В качестве связующего чаще используют полиэфирные, эпоксидные, фенолформальдегидные и другие полимеры. Стеклопластики отличаются высокой прочностью, прочность их зависит от природы полимера и массового соотношения компонентов. Наиболее прочным является стеклопластик с содержанием 65-70% кварцевого или бесщелочного стекловолокна.

В строительном производстве имеет широкое применение стеклопластик СВАМ (стекловолокнистый анизотропный материал). Для получения его используют стеклошпон с параллельно расположенными волокнами, такая ориентация волокон в стеклопластике придает ему высокую механическую прочность. С помощью их можно создавать сооружения самой неожиданной и причудливой формы. Из них изготовляют декоративные материалы, крупногабаритные панели, плиты для стен, перекрытий, зонтичных конструкций и объемных санитарно-технических блоков, гаражи, складские помещения и т.п.

Листы из стеклопластиков (волокнистые, плоские) пропускают до 80 % светового излучения, используют их для кровли, перекрытий и перегородок. Из них формуют балки, уголки, детали и изделия различного профиля.

Материал из стеклопластика имеет самое широкое применение для изготовления различных строительных предметов, санитарно-технического оборудования и для гидроизоляционных работ и занимает одно из ведущих мест среди других традиционных материалов (дерево, камень, сталь и бетон) в строительстве.

Полимерные пленочные материалы занимают важное место в строительном производстве. Получают их из полимерных соединений с добавлением пластификаторов, наполнителей, стабилизаторов и красителей. В основном они выполняют роль гидроизоляционных, кровельных и антикоррозионных материалов. Наиболее широко применяется полиэтиленовая пленка низкого давления для гидро-, пароизоляпионных целей, например, при изоляции фундаментов от грунтовых вод, при этом полиэтилен обладает высокой гнилостойкостью, не разрушается микроорганизмами. Пленки используются для остекления теплиц, временное остекление строящихся зданий, для покрытия строительных листов и сооружающих объектов в непогоду, а также для защиты строительной площадки от атмосферных воздействий, от пыли при сносе старых построек.

Важное значение приобретают пленки из полипропилена, которые отличаются более качественными характеристиками. Ее используют для гидроизоляции фундаментов подземных объектов, земляных плотин и туннелей. Роль подобных пленочных материалов возрастает в связи с новой эрой - эрой воздушной архитектуры, где главное место занимают безопорные сооружения, несущим элементом конструкции которых является воздух.

Клеи, мастики и герметики.

Многие полимерные композиции используются в строительстве в качестве клеев, мастики герметиков. Склеивание литых, слоистых и волокнистых материалов, элементов различных изделий и конструкций из древесины, металла и бетона проводится с помощью различных клеев на основе поливинилацетата, фенолформальдегидных, эпоксидных, полиуретановых, перхлорвиниловых и других полимеров. Так, для производства древесностружечных (ДСП), древесноволокнистых (ДВП) плит используются фенолальдегидные клеи; для склеивания стекловолокнистых материалов с металлом - фенолкаучуковые клеи; полиуретановыми эпоксидными клеями склеивают различные неорганические материалы друг с другом и металлом. Феноло-, мочевиноформальде- гидные клеи широко применяют для склеивания фанерных плит и строительных конструкции из древесины, металлов, пластмасс, стекла, керамики и т.д. приклеивание декоративно-облицивочных материалов проводят перхлорвиниловым клеем и поливинилацетатной дисперсией.

Клеящие мастики готовят из битумных битумно-резиновых, кумароно-каучуковых, коллоксилиновых, казеино-цементных и других композиций. Так, известную клеящую мастику синтелакс, используемую для приклеивания полимерных покрытий пола, плит из полистирола, поливинилхлорида, рулонных покрытий, получают из синтетического латекса, наполнителей и загустителей.

Герметизацию стыков крупнопанельных зданий и других строительных объектов проводят с помощью герметиков, которые представляют собой специальные пленки и прокладки, изготовленные из полиизобутилена, полиэтилена в смеси с парафином и наполнителями, а также битумно-резиновые и бутилкаучуковые композиции.

Герметиками могут быть различные мастики на основе битума, дегтя, асфальта, канифоли, казеина, резины, полиэтилена, латексов, эпоксидных, фенолформальдегидных, кремнийорганических, кумароновых и фурановых полимеров. Трещины по бетону можно покрывать эластичной композицией на основе сульфохлорированного полиэтилена, тиокола и сульфированного каучука.

Для герметизации стыков кровельных панелей и других строительных конструкций используют герметизирующую липкую ленту -- ликален, изготовленную на основе синтетических каучуков, наполнителей и пластификаторов. Герметизацию стыков между стеклом и металлом и других строительных конструкций проводят с помощью тиоколовых пленок и мастик; а также с использованием самополимеризующего продукта, получаемого в качестве побочных веществ при синтезе каучука и называемого этинолем (дивинилацетиленовый лак).

Для герметизации открытых стыков наружных стеновых панелей применяют воздухозащитную ленту - герволеит, представляющую собой рулонный пленочный гидроизоляционный материал на основе синтетических каучуков, термоэластопластов и наполнителей.

Дальнейший прогресс в строительной практике и архитектуре в значительной степени связан с увеличением доли применяемых различных видов полимеров. Использование полимерных строительных материалов способствует созданию красивых, прочных и экономичных зданий. Внедрение новых полимерных материалов дает возможность разработать эффективные конструкции, использовать индустриальные методы их производства.

В строительстве наиболее перспективными являются трехслойные ограждающие панели, покрытия для полов на тепло- и звукоизолирующей основе и др., а также наполненные комбинированные полимеры, из которых изготовляют новые конструктивные узлы, детали и элементы зданий.



Заключение

Высокомолекулярные соединения являются основной составной частью большого числа конструкционных материалов, применение которых связано с, выполнением тех или иных механических функций. Такие материалы должны обладать высокой прочностью, эластичностью, твердостью, и в этом отношении с высокомолекулярными соединениями могут соперничать лишь металлы.

С каждым годом возрастает производство синтетических полимеров. Быстро развиваются такие отрасли промышленности, как промышленность пластических масс, синтетических волокон, синтетического каучука, лаков (лакокрасочная промышленность) и клеев, электроизоляционных материалов и др.

Что касается строительной индустрии, то сегодня сложно представить её без использования различных полимерных материалов, наличие которых позволяет создавать все более сложные, но и в то же время более лёгкие и прочные конструкции. Изучение высокомолекулярных соединений позволяет получать вещества с сочетаниями любых желаемых свойств, что делает такие соединения исключительно важными и необходимыми в любой современной индустрии, как строительство, машиностроение, медицина и др.

Со времени своего появления высокомолекулярные соединения стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни и сегодня уже невозможно представить современный мир без них.



Литература

1. А.И. Артеменко - «Органическая химия», Москва «Высшая Школа», 1987;

2. И.П. Лосев, Е.Б. Тростянская - «Химия синтетических полимеров», Москва «Химия», 1971;

3. О.Я. Нейланд - «Органическая химия», Москва «Высшая Школа», 1990;

4. А.М. Шур - «Высокомолекулярные соединения», Москва «Высшая Школа»,1981.

Размещено на Allbest.ru