Органические вяжущие вещества

Тип работы:
Лекция
Предмет:
Строительство


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

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 г-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 °C. Растяжимость битума определяют по абсолютному удлинению (в см) стандартного образца битума, растягиваемого в воде при 25 °C 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 °C они становятся хрупкими, а при повышении до 40… 60 °C 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 °C прочность асфальтобетона составляет 2,2… 2,4МПа, то при 50 °C — 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 °C 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 °C. 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 °C, 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 °C,. 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 °C 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 °C 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 ©, 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 °C, но уже при нагревании выше 160 °C 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.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой