Получение синтетических полимеров. Получение полимеров (основные методы) Общая характеристика способов получения полимеров

Полимеризация

Это реакция соединения молекул мономеров, протекающая без изменения элементного состава и не сопровождающаяся выделением побочных продуктов.

Различают цепную и ступенчатую полимеризацию. Цепная полимеризация состоит из трех стадий:

В качестве активного центра может быть радикал. Для появления радикала требуется энергия - тепловая, световая, ионизирующего излучения. Можно радикал ввести извне (инициатор). Катализатор может ускорять любой вид полимеризации.

В качестве инициатора применяют вещества, при нагревании разлагающиеся с образованием радикалов. Например, перекись бензоила:

Реакция роста цепи определяет скорость процесса полимеризации, молекулярную массу полимера и строение полимерной цепи.Это определяется такими процессами, как:

В качестве активного центра может быть катион или анион. В катионном варианте центром является ион карбония:

Реакция идет на катализаторах, например таких как:

AlCl3,SnCl4,TiCl4

В анионном варианте центр - карбанион:

Катализаторы - щелочные металлы, их алкилы и др.

При совместной полимеризации двух и более мономеров можно в широком диапазоне изменять свойства сополимеров. Важный пример, используемый при получении ионообменных мембран и ионитов, это сополимеризация стирола и дивинилбензола, когда образуется сополимер пространственного строения.

Рис. 1.
Схема реакции сополимеризации стирола и дивинилбензола.

Полимеризацию проводят в газовой фазе, в массе мономеров, в растворе (два варианта: когда растворитель растворяет и мономер и полимер - лаковый способ, полимер потом осаждают; когда растворитель растворяет только мономер, а полимер выпадает в осадок); в эмульсии (дисперсионная фаза - вода, а мономер - в каплях; добавляют эмульгаторы - ПАВ, стабилизирующие эмульсию; продукт такой полимеризации называется латексом, их применяют непосредственно или коагулируют электролитами); в твердой фазе (вблизи температуры плавления).

.Поликонденсация

Поликонденсация - синтез полимеров взаимодействием бифункциональных и полифункциональных мономеров сопровождающийся выделением низкомолекулярного продукта (воды, спирта, NH3, солей и др.). Бывает линейной, если на молекуле мономера две функциональные группы и трехмерной, если групп больше двух.

Обычно поликонденсация - процесс равновесный, т.е. выделяется побочный продукт. В связи с этим образующиеся полимеры имеют меньшую молекулярную массу.

В процессе поликонденсации используют мономеры с амино-, карбокси-, гидроксигруппами, причем легко образуются полимеры из различных мономеров, что очень важно для получения полимеров с заданными свойствами. Примеры на рис.2.

Рис.2. Примеры реакций поликонденсации

Выбор способа проведения поликонденсации определяется физико-химическими свойствами исходных веществ и образующихся полимеров. Можно проводить поликонденсацию в расплаве, в растворе, в эмульсии и в твердой фазе. Для расплава и твердой фазы требуется высокая температура.

Именно поликонденсация лежит в основе образования , целлюлозы, крахмала. Ее широко используют в промышленности для синтеза полиамидов, поликарбонатов, фенолоформальдегидных смол, полисульфонов, кремнийорганических соединений.

Синтез полимеров с неорганическими атомами в цепях

В этих реакциях возможны те же механизмы полимеризации и поликонденсации. Например, полиорганосилоксаны образуются так:

Рис. 3. Схема синтеза полиорганосилоксанов

Связь Si-O-Si называется силоксановой. В качестве боковых заместителей могут быть любые алкильные или арильные радикалы. Могут быть здесь группы - О - R. Неорганические атомы могут быть и в боковых цепях, и в главной цепи. Иногда соединения классифицируют по этому признаку. На рис. 4 . представлены различные группы гетероцепных соединений.

Рис. 4. Группы гетероцепных соединений.

Реакции функциональных групп

Многие полимеры нельзя получить путем полимеризации из мономеров либо потому, что исходные мономеры не существуют, либо они не полимеризуются. Выход - в синтезе таких полимеров из других полимеров. Реакции такой модификации не должны приводить к деструкциям. Они называются полимераналогичными превращениями и проходят на функциональных группах:

Так получают ацетаты целлюлозы и другие ее эфиры, замещая гидроксильные группы на:

Поливиниловый спирт получают омылением поливинилацетата (см. рис.5.)

Рис. 5. Схема синтеза ПВС

Синтез привитых сополимеров и блоксополимеров

Их получают из гомополимеров, либо из гомополимера и мономера. Возможно их образование по механизму передачи цепи, когда активный атом возникает в середине цепи. Возможен их синтез по методу активации молекулы полимера, по методу введения в полимер функциональных групп, которые распадаются при нагревании с образованием радикалов.

Реакции деструкции полимеров

Это реакции разрыва главной цепи полимера. Причины могут быть физические (термическая, механическая, фотохимическая и радиационная), а также химические (окислительные реакции, гидролиз и другие).

Термическая деструкция

Ее интенсивность зависит от величины энергии связи между атомами. Связь С-С очень устойчива, однако наличие атомов водорода сильно понижает ее устойчивость:

На прочность связи С-С влияет степень разветвленности полимеров и наличие заместителей в молекуле. Наиболее ослаблено место связи боковой и главной цепи. Полиэтилен более термостоек, чем полипропилен и полиизобутилен:

Некоторые заместители повышают термостойкость. Например, фтор:

Кислород в любом месте цепи сильно снижает термостойкость.

Механическая деструкция

К механическим воздействиям относятся измельчение, вальцевание, смешение, продавливание через отверстия и др. Деструкция обусловлена локализацией механической энергии, возникновением внутренних напряжений, соизмеримых с энергией химической связи.

Радиационная деструкция

Степень деструкции зависит от энергии частиц и интенсивности облучения (суммарно от полученной дозы). Деструкция идет с образованием радикалов, ненасыщенных связей, с выделением газов. Иногда облучение способствует увеличению молекулярной массы (сшивки). Это заметно на ПАК, ПВС, ПВП, полиакриламиде.

Окислительная деструкция

Устойчивость полимера зависит от наличия окисляемых групп и связей в макромолекуле. Среди окислителей известны О2, Сl2, О3. Если Сl и F имеются в молекуле как заместители, устойчивость полимера возрастает. Она падает при нагревании, на свету.

Гидролиз

Это реакция присоединения молекул воды по месту разрыва химических связей. Наиболее подвержены гидролизу соединения, имеющие ацетальные, амидные и эфирные связи:

Большое значение имеет гидролизирующий агент. Целлюлоза очень слабо гидролизуется щелочью и сильно разбавленными кислотами по ацетальной связи. Наиболее сильными гидролизирующими агентами являются серная, соляная и фтористоводородная кислоты, которые омыляют целлюлозу до глюкозы.

Полиамиды гидролизуются в концентрированных серной, соляной и муравьиной кислотах:

Ацидолиз

Это деструкция под действием карбоновых кислот с образованием более низкомолекулярных продуктов (см. рис.2.12). Степень деструкции пропорциональна количеству дикарбоновой кислоты.

Аминолиз

Деструкция, протекающая под действием аминов. Пример: взаимодействие полиамидов с гексаметилендиамином:

Рис. 6. Примеры реакций ацидолиза и аминолиза

Реакции сшивания

Это реакции образования поперечных химических связей между макромолекулами с образованием пространственной сетки. В резиновой промышленности эти реакции называются вулканизацией, в промышленности - отверждением.

При небольшом количестве поперечных связей (редкая сетка) получаются мягкие эластичные продукты, т.е. если степень сшивки полимера невысока, он сохраняет свою растворимость. Большое количество сшивок приводит к формированию очень жесткой структуры.

Поперечные связи могут образовываться между атомами углерода без добавления каких-либо веществ или при помощи вулканизаторов или отвердителей. Сера в каучуках - резина и эбонит (от 3 до 32% масс.).

Так как при высокой плотности поперечно-сшивающих связей образуется нерастворимая трехмерная сетчатая структура, то такие сильносшитые материалы получают в результате термообработки и они называются термореактивными или термоотвержденными. Продукты - неплавкие и нерастворимые.

Полимеры, у которых при нагревании не образуется поперечных связей, которые сохраняют свою растворимость и способность к плавлению, называются термопластичными.

Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов.Молекулы полимеров, называемые также макромолекулами, состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Вследствие большой молекулярной массы макромолекул полимеры приобретают некоторые специфические свойства. Поэтому они выделены в особую группу химических соединений.

Различают неорганические, органические и элементоорганические полимеры. Органические полимеры, в свою очередь, подразделяют на природные (натуральные – каучук, шелк, шерсть, хлопок и т.д.), искусственные (получаемые путем химической обработки природных полимеров) и синтетические (синтетические полимеры, каучуки, волокна и т.д.). В настоящей теме рассматриваются, в основном, органические синтетические полимеры.

Получают полимеры из мономеров путем синтеза методами полимеризации или поликонденсации. Отдельную группу также составляют олигомеры, которые по значению молекулярной массы занимают промежуточное положение между низкомолекулярными (мономерами) и высокомолекулярными соединениями (ВМС).

Рассмотримполучение полимеров методом полимеризации (полиприсоединения).Полимеризация – это реакция соединения молекул мономера, протекающая за счет разрыва кратных связей и не сопровождающаяся выделением побочных низкомолекулярных продуктов, т. е. не приводящая к изменению элементного состава мономера.

В реакцию полимеризации вступают, в основном, ненасыщенные мономеры с кратными связями между углеродными атомами, или между углеродом и любым другим атомом (C = C, C = N, C º C, C = O, С = С = О, С = С = С, C = N), а также соединения с циклическими группами, способными раскрываться (например, оксид этилена).

В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов у мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием макромолекул, например:

nCH 2 = CH 2 "(- CH 2 – CH 2 -) n nCH 2 = CH " (- CH 2 – CH -) n

этилен полиэтилен

nCH = CH " (- CH = CH -) n C 6 H 5 C 6 H 5

ацетилен полиацетилен стирол полистирол

nH 2 C = CH-CH = CH 2 " (- CH 2 – CH = CH – CH 2 -) n

бутадиен полибутадиен (бутадиеновый каучук)

По числу видов участвующих мономеров различают гомополимеризацию (один вид мономера) и сополимеризацию (два и более видов мономеров).

Как любая химическая реакция, полимеризация начинается с разрыва одних химических связей и возникновением других. Разрыв двойных связей ведет к уменьшению энергии системы и является самопроизвольным экзотермическим процессом (ΔG < 0, ΔH < 0). Однако без внешних воздействий (инициаторов, катализаторов и т.д.) полимеризация протекает обычно медленно. Полимеризация является цепной реакцией и протекает в три основные стадии: 1) инициирование, 2) рост цепи, 3) обрыв цепи. В зависимости от характера активных частиц различают радикальную или ионную полимеризации.

При радикальной полимеризации процесс протекает по гомолитическому механизму и инициируется свободными радикалами.

Процесс инициирования – образования активных центров (в данном случае, радикалов или макрорадикалов) происходит в результате теплового (действие высоких температур порядка 700-1000 0 С), фотохимического (излучение света (hn)), радиационного (действие a, b, g и R-излучения), химического (введение инициаторов: пероксидов, азотосоединений (имеющих функциональную группу – N = N-) и других соединений с ослабленными связями) или других видов взаимодействий. На стадии инициирования происходит образование свободного радикала (R*), который легко взаимодействует с различными непредельными соединениями (мономерами):

R* + CH 2 = СНR " R*CH 2 – С · НR

2) Реакция роста цепи заключается в многократном присоединении молекул мономера к усложняющемуся каждый раз радикалу с сохранением свободного электрона в концевом звене растущей макромолекулы. Другими словами, растущая макромолекулярная цепь должна оставаться в период ее роста свободным макрорадикалом. В результате таких последовательных реакций присоединения двойная связь мономера превращается в простую, что сопровождается выделением энергии за счет разности энергий s- и p-связей.

3) Обрыв цепи связан с исчезновением свободного электрона у последнего звена макромолекулы. Чаще всего это происходит в результате соединения между собой двух радикалов (т.н. реакция рекомбинации ), что приводит к возникновению цепи, которая не способна к дальнейшему росту. Следовательно, происходит взаимодействие радикалов с образованием валентнонасыщенных молекул. Однако свободные радикалы (макрорадикалы), являясь исключительно реакционноспособными частицами, взаимодействуют не только с мономерами, но и с растворителем, различными примесями и с образовавшимися макромолекулами. При этом неподеленный электрон (активный центр) может перейти на любую другую молекулу. Подобные реакции называются реакциями передачи цепи .

В результате рост цепи прекращается, а молекула-передатчик, в данном случае молекула мономера, инициирует новую реакционную цепь. Если передатчиком служит полимер, то может произойти разветвление цепи. Обрыв цепи может также произойти при образовании малоактивных радикалов, которые не способны инициировать реакцию. Такие вещества называют ингибиторами .

Таким образом, регулирование длины и, соответственно, молекулярной массы макромолекул можно осуществлять с помощью инициаторов, ингибиторов и других веществ. Тем не менее, передача и обрыв цепи могут происходить на различных этапах роста цепи, поэтому макромолекулы имеют различную молекулярную массу, т. е. они полидисперсны. Полидисперсность является отличительной особенностью полимеров.

Методом радикальной полимеризации синтезируют такие известные полимеры, как поливинилхлорид, полистирол, полиэтилен, бутадиеновые каучуки, полиметилметакрилат и др. (см. табл. 8). По активности при радикальной полимеризации мономеры можно расположить в такой ряд: бутадиен, стирол, метилметакрилат, акрилонитрил, винилхлорид.

Ионная полимеризация протекает по гетеролитическому механизму и инициируется ионами (анионами или катионами). Именно они и играют в этом случае роль активных центров. Соответственно, различают анионную и катионную полимеризацию . Инициаторами катионной полимеризации служат электроноакцепторные соединения, в том числе протонные кислоты, например H 2 SO 4 и HCI, неорганические – апротонные кислоты (SnCI 4 , TiCl 4 , AlCl 3 и др.), металлоорганические соединения АI(С 2 Н 5) 3 и др. В качестве инициаторов анионной полимеризации используются элекронодонорные вещества и соединения, в том числе щелочные и щелочноземельные металлы, алкоголяты щелочных металлов и др. Часто одновременно используется несколько инициаторов полимеризации.

Рост цепи можно записать уравнениями реакции: при катионной полимеризации:

M n + + M " M + n +1

при анионной полимеризации:

M n - + M " M - n+1

С помощью некоторых комплексных инициаторов удается получить полимеры, имеющие регулярную структуру (стереорегулярные полимеры). Например, таким комплексным инициатором может быть комплекс тетрахлорида титана и триалкилалюминия AlR 3 .

Таблица 8.

Мономеры и получаемые из них гомополимеры

Метод ионной полимеризации используется в производстве полиизобутилена, полиформальдегида, полиамидов, например поли-έ-капроамида (капрона), синтетических каучуков, например бутадиенового каучука (см. табл. 8). Мономеры по реакционной активности можно расположить в ряд: акрилонитрил, метакрилонитрил, метилметакрилат, стирол, бутадиен.

Методом полимеризации получают 3/4 всего объема выпускаемых полимеров. Полимеризацию проводят в массе, растворе, эмульсии, суспензии или газовой фазе.

Полимеризация в массе (в блоке) – это полимеризация жидкого мономера (мономеров) в неразбавленном состоянии. При этом получают достаточно чистый полимер. Основная сложность проведения процесса связана с отводом теплоты. При полимеризации в растворе мономер растворен в растворителе. При таком способе полимеризации легче отводить теплоту и регулировать состав и структуру полимеров, однако возникает задача удаления растворителя.

Эмульсионная полимеризация (полимеризация в эмульсии) заключается в полимеризации мономера, диспергированного в воде. Для стабилизации эмульсии в среду вводят поверхностно-активные вещества. Достоинство способа – легкость отвода теплоты, возможность получения полимеров с большой молекулярной массой и высокая скорость реакции, недостаток – необходимость отмывки полимера от эмульгатора. Способ широко применяется в промышленности для получения каучуков, полистирола, поливинилхлорида, поливинилацетата, полиметилакрилата и др.

При суспензионной полимеризации (полимеризации в суспензии) мономер находится в виде капель, диспергированных в воде или другой жидкости. В результате реакции образуются полимерные гранулы размером от 10 -16 до 10 -13 м. Недостаток метода – необходимость стабилизации суспензии и отмывки полимеров от стабилизаторов.

При газовой полимеризации мономер находится в газовой фазе, а полимерные продукты – в жидком или твердом состоянии. Метод применятся для получения полипропилена и других полимеров.

Рассмотрим метод поликонденсации . Это реакции синтеза полимера из соединений, имеющих две или более функциональные группы, сопровождающиеся образованием низкомолекулярных продуктов (H 2 O, NH 3 , HCl, CH 2 O и др.). Поликонденсация бифункциональных соединений получила название линейной , например:

2NH 2 – (CH 2) 5 – COOH "

аминокапроновая кислота

" NH 2 – (CH 2) 5 – CO – NH – (CH 2) 5 – COOH + H 2 O "

NH 2 – (CH 2) 5 – CO – NH – (CH 2) 5 – COOH + NH 2 – (CH 2) 5 – COOH "

" NH 2 – (CH 2) 5 – CO – NH – (CH 2) 5 – CO

Конечным продуктом является поли-έ-капроамид [-CO-NH-(CH 2) 5 -] n .

Поликонденсация соединений с тремя или более функциональными группами называется трехмерной . Примером трехмерной поликонденсации служит взаимодействие мочевины и формальдегида:

NH 2 -CO-NH 2 + CH 2 O " NH 2 -CO-NH-CH 2 OH

NH 2 -CO-NH-CH 2 OH + CH 2 O " CH 2 OH-NH-CO-NH-CH 2 OH

2 CH 2 OH-NH-CO-NH-CH 2 OH"

" H 2 O + CH 2 OH-NH-CO-NH-CH 2 -O-CH 2 -NH-CO-NH-CH 2 OH

На первом этапе синтезируется олигомер линейной структуры, а на втором этапе при нагревании в кислой среде происходит дальнейшая поликонденсация олигомера с выделением CH 2 O и возникновением сетчатой структуры:

[-CH 2 - NH-CO-NH-CH 2 -O] n

Такой полимер невозможно превратить в исходное состояние, он не обладает термопластичными свойствами и называется термореактивным полимером .

Кроме рассмотренной химической связи между мономерами при поликонденсации возникают химические связи между другими группами мономеров,

Так как в процессе поликонденсации наряду с высокомолекулярными образуются низкомолекулярные продукты, то элементные составы полимеров и исходных веществ не совпадают. Этим поликонденсация отличается от полимеризации. Поликонденсация протекает по ступенчатому механизму, при этом промежуточные продукты являются стабильными, т.е. поликонденсация может остановиться на любой стадии. Образующиеся низкомолекулярные продукты реакции (H 2 O, NH, HCI, CH 2 O и др.) могут взаимодействовать с промежуточными продуктами поликонденсации, вызывая их расщепление (гидролиз, аминолиз, ацидолиз и др.). Поэтому низкомолекулярные продукты приходится удалять из реакционной среды.

Монофункциональные соединения, присутствующие в реакционной среде, взаимодействуют с промежуточными продуктами, образуя нереакционноспособные соединения. Это приводит к обрыву цепи, поэтому исходные мономеры должны быть очищены от монофункциональных соединений. Монофункциональные соединения могут образовываться в ходе реакции из-за термической или окислительной деструкции промежуточных соединений. Это приводит к остановке реакции поликонденсации и уменьшению молекулярной массы полимера.

Поликонденсацию проводят в расплаве, растворе или на межфазной границе.

Поликонденсацию в расплаве ведут без растворителей, нагревая мономеры при температуре на 10 - 20 0 C выше температуры плавления (размягчения) полимеров (обычно 200 - 400 0 C). Процесс начинается в среде инертного газа и заканчивается в вакууме.

При поликонденсации в растворе используют растворитель, который также может служить абсорбентом низкомолекулярного продукта.

Межфазная поликонденсация происходит на границе раздела фаз газов, растворов или двух несмешивающихся жидкостей и обеспечивает получение полимеров с высокой молекулярной массой.

Методом поликонденсации получают примерно четвертую часть выпускаемых полимеров, например поли-έ-капроамид, полигексаметиленадипинамид (нейлон), полиуретаны, смолы (фенолоформальдегидные, мочевиноформальдегидные) и др.

Таким образом, полимеры получают методами полимеризации и поликонденсации. Полимеризация протекает по цепному механизму. При поликонденсации образуются как полимеры, так и низкомолекулярные продукты.

Полимеры, методы получения полимеров. Достоинства и недостатки.

Основную массу полимеров составляют органические вещества, однако известно и немало неорганических и элементорганических полимеров. Характерной чертой полимера является то, что при образовании его молекулы соединяется большое число одинаковых или разных молекул низкомолекулярных веществ - мономеров. Это приводит к тому, что получается длинная цепная молекула, которую называют макромолекулой. Составляющие ее низкомолекулярные повторяющиеся структурные единицы, или элементарные звенья, соединены прочными химическими связями. Сами же макромолекулы связаны между собой слабыми физическими межмолекулярными силами.
Цепное строение макромолекул и различная природа связей вдоль и между цепями определяет комплекс особых физико-химических свойств полимерного материала, таких, как, например, одновременное сочетание в нем прочности, легкости и эластичности, способности образовывать пленки и волокна. Цепное строение макромолекул ответственно также за то, что полимеры могут значительно набухать в жидкостях, образовывая при этом ряд систем, промежуточных между твердым телом и жидкостью. Растворы полимеров отличаются повышенной вязкостью.
Соединение мономеров в макромолекулы происходит в результате химических реакций, которые протекают по законам цепных или ступенчатых процессов. Число повторяющихся звеньев в макромолекуле определяет молекулярную массу полимера, которая может составлять десятки, сотни тысяч и миллионы углеродных единиц. Какой бы реакцией ни был получен полимер, он всегда состоит из набора макромолекул, различных по размеру, поэтому молекулярная масса полимера оценивается некоторой средней величиной.

При переработке, которая обычно проводится при повышенных температурах, в полимер, как правило, вводят различные необходимые добавки, такие как пластификаторы, наполнители, стабилизаторы, модификаторы свойств и другие.

Полимеризация и поликонденсация Синтетические полимеры получают в результате реакций полимеризации и поликонденсации.
Полимеризация - это процесс соединения друг с другом большого числа молекул мономера за счет кратных связей (С = С, С = О и др.) или раскрытия циклов, содержащих гетероатомы (О, N, S). При полимеризации обычно не происходит образования низкомолекулярных побочных продуктов, вследствие чего полимер и мономер имеют один и тот же элементный состав,
Поликонденсация - зто процесс соединения друг с другом молекул одного или нескольких мономеров, содержащих две и да более функциональные группы (ОН, СО, СОС, NHS и др.) способные к химическому взаимодействию, при котором происходит отщепление низкомолекулярных продуктов. Полимеры, получаемые поликонденсационным способом, по элементному составу не соответствуют исходным мономерам.

Полимеризация мономеров с кратными связями протекает по законам цепных реакций в результате разрыва непредельных связей. Макромолекула при цепной полимеризации образуется очень быстро и сразу же приобретает конечные размеры, т. е не возрастает при увеличении длительности процесса.
Полимеризация мономеров циклического строения происходит за счет раскрытия цикла и в ряде случаев пропекает не по цепному, а по ступенчатому механизму. Макромолекула при ступенчатой полимеризации образуется постепенно, т. е. сначала образуется димер затем тример и т.д., поэтому молекулярная масса полимера растет со временем.
Принципиальное отличие ценной полимеризации от ступенчатой и от поликонденсации состоит в том, что на разных стадиях процесса реакционная смесь всегда состоит из мономера и полимера и не содержит ди-, три-, тетрамеров. С увеличением продолжительности реакции растет лишь число макромолекул полимера, а мономер расходуется постепенно. Молекулярная масса полимера не зависит от степени завершенности реакции или, что то же, от конверсии мономера, которая определяет только выход полимера.

Существует ряд преимуществ ПКМ над традиционными видами материалов (металлов, керамики, дерева и т.п.):
1) уникальное сочетание свойств, нехарактерное для других материалов (прочностных, деформационных, ударных, упругостных, температурных, реологических, адгезионных, электрических, фрикционных, теплопроводных и других);
2) возможность управления свойствами ПКМ путем простого изменения состава и условий получения;
3) сохранение основных достоинств полимеров:
- сравнительная легкость переработки;
- низкая плотность.
Главное из преимуществ ПКМ по сравнению с традиционными материалами – это уникальное сочетание свойств. Как правило, композиционные материалы не являются “чемпионами” по отдельно взятому свойству. Но по сочетанию определенных свойств им нет равных.

Определение нормальной густоты гипсового теста

Нормальную густоту гипсового теста определяют вискозиметром Суттарда

Прибор Суттарда состоит из латунного или медного цилиндра, имеющего внутренний диаметр 50 мм и высоту 100 мм, и квадратного листового стекла, размер сторон которого 200 мм.

На стекло или бумагу, подкладываемую под стекло, наносят концентрические окружности диаметром от 60 до 200 мм, причем окружности диаметром до 140 мм наносят через 10 мм, а остальные - через 20 мм.

Навеску гипса (300 г) затворяют водой, взятой в количестве примерно 70% от массы гипса. Гипс добавляют к воде и быстро размешивают в течение 30 сек. до получения однородной массы, которую оставляют на 1 мин в спокойном состоянии, затем, дважды резко перемешав, заливают в цилиндр, установленный в центре стекла, и выравнивают поверхность гипса с краями цилиндра. Потом резким и точным движением поднимают цилиндр снизу вверх; при этом тесто разливается на стекле в конусообразную лепешку, величина которой зависит от консистенции теста. На все это затрачивается не более 30 сек.

Требуемой густотой обладает тесто, которое дает лепешку диаметром 120 мм. Нормальная густота выражается количеством воды в кубических сантиметрах, приходящимся на 100 г гипса.

Определение выхода известкового теста ускоренным методом. Определение содержания в нём непогасившихся зерен

Выход известкового теста. Ускоренное определение выхода известкового теста производят следующим образом. 200 г извести в кусках, каждый размером около 2 см, помещают в керамическую или оцинкованную посуду, объем которой легко измерить. Известь заливают водой так же, как при определении скорости гашения, и кипятят 1 ч. Во время кипячения доливают горячую воду так, чтобы она все время покрывала тесто. По окончании кипячения продолжают нагревать тесто до получения трещин на его поверхности. Выход определяют измерением получившегося объема, который умножают на 5, так как он определяется в расчете на 1 кг. Ориентировочно известь I сорта дает выход теста более 2,4 л/кг, II сорта – 2-2,4 л/кг, III сорта – 1,6-2 л/кг.

Определение содержания непогасившихся зерен. Для этого обычно используют тесто, образовавшееся в результате проведения предыдущего опыта. Это тесто доводят до консистенции молока, выливают на мелкое сито (ячейки 0,6 мм) и промывают под слабой струей воды, не растирая оставшиеся комочки и зерна. Полученный таким образом остаток высушивают при 100-105°С, охлаждают и взвешивают. Полученная масса остатка в граммах, деленная на два, дает содержание непогасившихся зерен в извести. Ориентировочно кальциевая известь I сорта должна содержать 7% непогасившихся зерен, II сорта – 11%, III сорта – 14%.

Изверженные горные породы.

Изверженные (магматические) горные породы. По виду и характеру образования их делят на глубинные (интрузивные), излившиеся (эффузивные). Изверженные горные породы образовались в результате того, что расплавленная силикатная масса - магма, составляющая внутренний слой земного шара, находясь под большим давлением слоев литосферы, при уменьшении внешнего давления и увеличении внутреннего изливалась в верхние слои земного шара и застывала, образуя горные породы.

В зависимости от содержания кремнезема изверженные горные породы делят на кислые (более 65% 5102), средние (65-55% 5102) и основные (менее 55% 5Ю2).

Глубинные (интрузивные) горные породы образовались при остывании магмы на большой глубине под слоем верхних пород в условиях высокой температуры и давления. Для них характерны полнокристаллические структуры, где отдельные слагающие их, минералы различимы невооруженным глазом, и массивные текстуры.

Проведение испытаний

3.2.1. Для испытания на равномерность изменения объема цемента готовят тесто нормальной густоты согласно п.п. 1.2.4 и 1.2.5.

Две навески теста массой 75 г каждая, приготовленные в виде шариков, помещают на стеклянную пластинку, предварительно протертую машинным маслом. Постукивают ею о твердое основание до образования из шариков лепешек диаметром 7-8 см и толщиной в середине около 1 см. Лепешки заглаживают смоченным водой ножом от наружных краев к центру до образования острых краев и гладкой закругленной поверхности.

3.2.2. Приготовленные по п. 3.2.1 лепешки хранят в течение (24±2) ч с момента изготовления в ванне с гидравлическим затвором, а затем подвергают испытанию кипячением.

3.2.3. По истечении времени хранения по п. 3.2.2. две цементные лепешки вынимают из ванны, снимают с пластинок и помещают в бачок, с водой на решетку. Воду в бачке доводят до кипения, которое поддерживают в течение 3 ч, после чего лепешки в бачке охлаждают и производят их внешний осмотр немедленно после извлечения из воды.

3.2.4. Цемент соответствует требованиям стандарта в отношении равномерности изменения объема, если на лицевой стороне лепешек не обнаружено радиальных, доходящих до краев, трещин или сетки мелких трещин, видимых невооруженным глазом или в лупу, а также каких-либо искривлений и увеличения объема лепешек. Искривления обнаруживают при помощи линейки, прикладываемой к плоской поверхности лепешки, при этом обнаруживаемые искривления не должны превышать 2 мм на краю или в середине лепешки. Допускается в первые сутки после испытаний появление трещин усыхания, не доходящих до краев лепешек, при условии сохранения звонкого звука при постукиваний лепешек одна о другую. Образцы лепешек, выдержавших и не выдержавших испытание на равномерность изменения объема, приведены на черт. 8.

Лепешку из теста, приготовленную по п. 3.2.1 и хранимую по п. 3.2.2, вместо кипячения подвергают обработке в автоклаве по следующему режиму: подъем давления от атмосферного до 2,1 МПа -в течение 60-90 мин, выдержка при давлении 2,1 МПа -в течение 3 ч, снижение давления от 2,1 МПа от атмосферного -около 60 мин. После этого лепешку извлекают из автоклава, охлаждают до температуры помещения и немедленно ее осматривают.

Получение нефтяных битумов.

Нефтяные битумы получают на нефтеперерабатывающих заводах из различных нефтей отличающихся друг от друга химическим составом и свойствами.

Нефть на заводах подвергается фракционной перегонке с целью получения светлых продуктов (бензина, лигроина, керосина) смазочных масел и других видов нефтепродуктов. Нефтяные остатки после отбора более легких по массе фракций - гудрон, крекинг - в дальнейшем используют в качестве сырья для получения нефтяных битумов заданных свойств. В настоящее время нефтяные битумы получают при атмосферно-вакуумной перегонке нефти (остаточные битумы); окислением нефтяных остатков (окисленные битумы) и смешением остатков, образующихся при перегонке нефти (компаундированные битумы).

Остаточные битумы представляют собой продукты малой вязкости и обычно подвергаются окислению.

Окисленные битумы получают путем продувки воздухом нефтяных остатков (гудрона) на специальных окислительных установках до заданной вязкости. В результате взаимодействия кислорода воздуха с гудроном в процессе продувки идет реакция образования высокомолекулярных компонентов окисленного битума и повышение его вязкости. За последнее время освоен метод непрерывного окисления битума. Нефтяные остатки при температуре около -210°С поступают в реактор, где с помощью специальных аппаратов (диспергаторов) засасывается воздух и распределяется в окисляемом продукте. В данной технологии наряду с интенсификацией процесса окисления улучшается качество окисленного битума.

Смешанные (компаундированные) битумы получают в основном путем смешения битума деасфальтизации (остаточный продукт после обработки гудрона жидким пропаном) с масляными дистиллятами.

Нефтяные битумы, как твердые или вязкопластичные, так и жидкие, находят широкое применение в строительстве. Их используют для устройства дорожных покрытий, покрытий аэродромов, устройства плоских кровель, ирригационных каналов, производства гидроизоляционных и кровельных материалов в лакокрасочной и химической промышленности.

27. Определение пористости материала (общей, открытой).

Насыщение образца

Охлажденный и высушенныйобразец помещают в емкость для вакуумирования, вакуумируют до давления не выше2,5 КПа (25 мбар) в течение 15 мин.

Для проверки полногоудаления воздуха из открытых пор отсоединяют емкость от вакуумного насоса и спомощью манометра устанавливают, что давление не повышается из-за дегазацииобразца. После проверки емкость для вакуумирования подсоединяют к вакуумномунасосу и подают насыщающую жидкость так, чтобы через 3 мин образец был покрытслоем жидкости примерно на 20 мм. Затем насос отключают и выдерживают 30 миндля насыщения жидкостью открытых пор.

Допускается проводитьвакуумирование образцов в течение 5 мин при давлении, не превышающемпарциальное давление паров насыщающей жидкости, затем (после отключения насоса)соединить емкость с атмосферой и извлечь образцы из емкости.

Образцы с открытойпористостью менее 12 % выдерживают в жидкости не менее 4 ч, если такая операцияпредусмотрена в нормативной документации на продукцию.

Обработка результатов

8.1. Кажущуюся плотность r b в г/см 3 вычисляютпо формуле

8.2. Открытую пористость П а

(2)

8.3. Общую пористость П t , в процентах вычисляют по формуле

(3)

8.4. Закрытую пористость П f в процентах вычисляют поформуле

П f = П t - П а (4)

8.5. Водопоглощение W в процентах вычисляют поформуле

(5)

8.6. В уравнениях (1) - (5) использованы следующие обозначения:

m 1 -масса сухого образца, г;

m 2 - результат взвешивания образца, погруженного в жидкость, г;

m 3 - масса насыщенного жидкостью образца, г;

Плотность воды притемпературе 20 °С, г/см 3 ;

r - истинная плотностьматериала, г/см 3 ; определяется по ГОСТ 2211;

r l - плотность насыщающей жидкости при температуре испытаний в г/см 3 ;для дистиллированной воды

28. Минеральные вяжущие вещества. Классификация, применение. Воздушные вяжущие вещества.

Минеральные вяжущие вещества - это материалы, которые при смешивании с водой образуют пластично-вязкое тесто, способное со временем самопроизвольно затвердевать, переходя в камневидное состояние. После затвердевания вяжущее вещество скрепляет в одно целое, т.е. как бы связывает между собой, камни либо зерна сыпучих материалов - песка, гравия, щебня.

Минеральные вяжущие выпускают в виде тонких высокодисперсных порошков (цемента, гипсового вяжущего). Реже применяют вяжущие в виде высоковязких жидкостей (жидкого стекла, фосфатных вяжущих). Как правило, минеральные вяжущие переводят в рабочее состояние путем смешивания с водой. Этот процесс называют затворением вяжущего. Некоторые вяжущие, например магнезиальный цемент, затворяют водными растворами солей.

По химическому составу минеральные вяжущие вещества подразделяют на следующие основные группы: строительная известь; гипсовые вяжущие; цементы; смешанные вяжущие (известково-шлаковые, из-вестково-пуццолановые); магнезиальные вяжущие; жидкое (растворимое стекло).

В зависимости от условий твердения вяжущего, а также от области применения различают воздушные и гидравлические вяжущие вещества.

Воздушные вяжущие способны затвердевать и сохранять прочность длительное время только на воздухе. К этой группе относят воздушную известь, гипсовые вяжущие, магнезиальный цемент. При систематическом увлажнении затвердевшие воздушные вяжущие теряют прочность, поскольку они неводостойки. Поэтому эти вяжущие можно применять лишь в таких частях сооружений, которые не подвергаются действию
воды.

Основной характеристикой вяжущих веществ является прочность, по которой оценивают марку вяжущего.
Кроме прочности учитывают скорость твердения вяжущего, т.е. темп набора прочности. Различают два этапа твердения вяжущего - схватывание и собственно твердение. Момент, когда тесто вяжущего начинает загустевать и утрачивает пластичность, называют началом схватывания. Все технологические операции по приготовлению, транспортированию и укладке бетонной смеси и раствора производят до начала схватывания, пока масса еще не утратила пластичности. В этом важное практическое значение данного показателя.
Со временем вяжущее тесто окончательно загустевает и переходит в твердое камневидное тело. Период, характеризующий собственно твердение, у вяжущих веществ может быть различным. Наибольшей быстротой твердения отличаются гипсовые вяжущие: они твердеют за несколько часов. Цементы набирают марочную прочность через 28 сут. Известковые вяжущие относятся к медленнотвердеющим.
До начала схватывания смесь вяжущего вещества с водой называют тестом (например, цементное тесто); после его затвердевания образуется камень (например, цементный).

Применяются минеральные вяжущие вещества в смеси только с водой или с водой и заполнителями - песком, гравием, щебнем.

29. Пластифицированный портландцемент. Состав, свойства и области применения.

Пластифицированный портландцемент - гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким измельчением портландцементпого клинкера и гидрофильной поверхностно-активной добавки при обычной дозировке гипса. В качестве поверхностно-активного вещества применяют концентраты сульфитно-дрожжевой бражки в количестве 0,15-0,25% массы цемента в пересчете на сухое вещество. По прочностным показателям пластифицированный портландцемент не отличается от обычного портландцемента (имеет марки 400, 500, 550 и 600). Главная его особенность заключается в повышении пластичности бетонной смеси.

В результате:

снижается трудоемкость при укладке бетонной смеси, ускоряется бетонирование и повышается качество укладки бетона в сооружениях;
уменьшается расход портландцемента в бетоне в результате меньшей дозировки цемента и воды (цементного теста) при сохранении заданной пластичности бетонной смеси;
повышается прочность и морозостойкость бетона за счет снижения водоцементного отношения при сохранении заданной пластичности бетонной смеси.

Пластифицированный портландцемент получают введением при помоле обыкновенного портландцемента пластифицирующих поверхностно-активных добавок. В качестве поверхностно-активных добавок применяют концентраты сульфитно-спиртовой бражки (СДБ), удовлетворяющей требованиям МРТУ 13-04-35-66.
Добавка вводится в сухом виде или в виде водного раствора в количестве 0,15-0,25% от массы цемента в пересчете на сухое вещество. Оптимальное содержание добавки для данного цемента устанавливается опытным путем и зависит от минералогического состава клинкера, тонкости помола цемента и содержания в нем гидравлических добавок.
Основные свойства пластифицированного портландцемента и требования, предъявляемые к ним стандартом, те же, что и у обыкновенного портландцемента, за исключением требования к его пластичности. Раствор из смеси пластифицированного портландцемента с нормальным песком состава 1: 3 при водоцементном отношении, равном 0,40, должен обладать такой пластичностью, при которой расплыв конуса из этого раствора после 30 встряхиваний составляет не менее 125 мм. Обыкновенный портландцемент при этих же условиях дает расплыв конуса 105-110 мм.
Пластифицированный портландцемент отличается от обыкновенного способностью придавать бетонным смесям повышенную подвижность (текучесть), что обеспечивает их более легкую укладку и уплотнение при формировании бетонных изделий. Так как подвижность бетонных смесей зависит в основном от содержания воды, то применение пластифицированного портландцемента позволяет уменьшить водосодержание смеси без изменения ее подвижности. Это в свою очередь позволяет сэкономить цемент, повысить прочность и морозостойкость бетона.

Рулонные материалы на основе битума. Исходные материалы, свойства и области применения в строительстве.

Это кровельный материал.

Рулонные материалы. Кровлю из рулонных материалов делают из нескольких слоёв, составляющих кровельный ковёр. В низ ковра укладывают подкладочные материалы (беспокровные), а верхний слой устраивают из покровных материалов, имеющих покровный слой из тугоплавкого битума и посыпку: крупнозернистую(К), мелкозернистую(М) или пылевидную(П). Допускается выпуск кровельного рубероида с чешуйчатой посыпкой (РКЧ).

Выпускают основные и безосновные рулонные материалы. Основные изготовляют путём обработки основы (кровельного картона, асбестовой бумаги, стеклоткани и др.) битумами, дегтями и их смесями. Безосновные получают в виде полотнищ определённой толщины, применяя прокатку смесей, составленных из органического вяжущего (чаще битума), наполнителя (минерального порошка или измельчённой резины) и добавок (антисептика, пластификатора).

Рулонные битумные материалы должны обладать устойчивостью к механическим нагрузкам (иметь определенные деформационно-прочностные, в том числе демпфирующие свойства) и разнообразным атмосферным воздействиям (не разрушаться под влиянием ультрафиолетовых лучей, кислорода, температуры, влаги и т.д.) При этом требования устойчивости материалов к разрушениям неодинаковы в широком интервале эксплуатационных температур. Совместить выполнение столь многочисленных и разнообразных требований в каком-либо битумном составе практически невозможно, поэтому рулонные битумные материалы (вследствие выполнения различных функций при эксплуатации в кровле) должны быть многослойными и к каждому из этих слоев следует предъявлять специальные требования. Отметим, что наплавляемые материалы тоже являются многослойными. Имея крайне низкий уровень индустриальной готовности, они в то же время полностью соответствуют принципу функционального назначения по количеству слоев: в них содержится защитный атмосферный слой минеральных гранул, армирующий слой основы с мягким пропиточным битумом и нижний слой приклеивающей мастики.

Из-за высокой хрупкости битумного слоя у наплавляемых рубероидов появляются трещины, поэтому их следует модифицировать полимерами. Для модификации битумов используются в основном полимеры с линейной углеродной (полиэтилен, полипропилен) или разветвленной цепью (полиизобутилен, сополимеры пропилена), а также полимеры, включающие ароматические кольца (дивинилстирольные каучуки).

Лучшим сырьем для кровельных битумов являются высокосмолистые, малопарафинистые нефти нафтенового или нафтеново-ароматического основания.

36.Определение активных СаО и MgO в извести.

Контрольное определение содержания активных СаО и MgO в вяжущем производят титрованием 1 н. раствором соляной кислоты. Рекомендуется навеска 7 г вяжущего для титрования. Длительность титрования смеси извести с тонкомолотым песком зависит от содержания примесей в последнем. Оптимальная продолжительность определения активных СаО и iVLgO в вяжущем до первого исчезновения окраски водного раствора извести с добавленным фенолфталеином составляет 20 мин для кварцевых и полевошпатных песков, 35-40 мин для песка с глинистыми примесями.

Морозостойкость строительных материалов - способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения и без значительного снижения прочности. Морозостойкость измеряется количеством циклов замораживания и оттаивания, проводимых в лабораторных условиях.

Стандартизированный метод оценки морозостойкости бетона характеризуется числом циклов замораживания и оттаивания образцов при нормированных условиях испытания без существенного снижения прочности. Этот метод предложен в 1886 г. Н.А. Белелюбским и позволяет оценить стойкость бетона при некотором условном экстремальном режиме его работы: полном водонасыщении и непрерывном циклическом замораживании при общей длительности одного цикла 4,5-6,5 ч. При основном стандартном способе испытаний замораживание производится при -15 - -20°С на воздухе, а оттаивание при +20°С в воде. Для ускорения испытаний температуру замораживания снижают до -40 - -60°С, насыщают образцы водным солевым раствором, уменьшают их размеры и сокращают длительность циклов.
Часто при испытании морозостойкости для определения фактического изменения прочности через заданное число циклов используют коэффициент морозостойкости Кмрз =Rмрз / Rк, где Rмрз - прочность бетона после принятого числа циклов испытаний; Rк - прочность контрольных образцов. Марка бетона по морозостойкости считается обеспеченной через требуемое число циклов, если Кмрз > 0,95.
Наряду с определением морозостойкости путем прямого испытания прочности бетона через определенное число циклов замораживания и оттаивания применяют неразрушающие методы: определение скорости ультразвуковых волн; измерение динамического модуля упругости, а также остаточных деформаций (относительного удлинения образцов после испытания).
Ультразвуковые испытания (Образец помещают в испытательную ванну, наполненную водой, и определяют время распространения в нем ультразвука поочередно по всем каналам измерения способом сквозного прозвучивания. Направление прозвучивания должно быть перпендикулярно к направлению укладки бетонной смеси) продолжаются до характерного перелома на кривой времени прохождения ультразвука от числа циклов (в логарифмическом масштабе). Этот перелом обусловлен образованием и развитием микротрещин в бетоне при его циклическом замораживании.
Динамический модуль упругости измеряют прозвучиванием образцов продольными (реже поперечными) ультразвуковыми волнами. Снижение динамического модуля упругости на 40-45% свидетельствует об интенсивном морозном разрушении бетона.
Дополнительным показателем стойкости бетона при морозном разрушении служат потери массы. Этот показатель более приемлем, когда деструкция бетона носит характер поверхностного шелушения, например, для дорожных бетонов. Потери массы при определении морозостойкости бетона ограничивают не более 5%.
С. В. Шестоперов для экспрессной оценки степени повреждения материалов при попеременном замораживании и оттаивании предложил 5-балльную шкалу для растворов и 10-бальную для бетонов. Качество бетона на 1ой подготовительной стадии разрушения оценивается от 10 баллов, когда образцы не имеют никаких изменений, до 7 баллов, когда начинается шелушение граней и ребер и образуются лунки при наличии неморозостойких зерен заполнителей. На второй завершающей стадии разрушения состояние образцов по мере разрушения может быть охарактеризовано последовательно в убывающем порядке от 6 до 1 балла. Предложено также балльную оценку состояния образцов производить по нескольким критериям в зависимости от степени их влияния на развитие деструктивных процессов.

47. Химический и минералогический состав портландцемента и его влияние на основные свойства .

Определение марки цемента.

Определение марки цемента испытанием на изгиб лепешек из цементного теста (способ проф. Б.Г. Скрамтаева). Этому опыту подвергают те цементные лепешки, которые прошли испытание на равномерность изменения объема. Рекомендуется испытывать 5 пропаренных цементных лепешек или лепешки в возрасте 28 суток. Испытания проводят с помощью приспособления, которое несложно изготовить в условиях обычной строительной площадки. Оно состоит из доски с прорезью 25x6 см и металлического хомута с крюком (рис. 1.11). Цементную лепешку кладут на края выреза в доске так, чтобы пролет лепешки составлял
6 см. На лепешку надевают хомут, к которому подвешивают ведро, нагружаемое обычно песком. Нагрузку увеличивают постепенно, до разрушения лепешки. Прочность лепешки на излом вычисляют по формуле:

R изл = 1,3Р/dh 2 ,

где R изл – прочность на излом, МПа; Р – масса груза с ведром и хомутом, кг; d – диаметр лепешки, см; h – толщина лепешки в середине, см.

Толщину и диаметр лепешки измеряют с точностью до 1 мм после испытания, что практически удобнее. По пяти результатам испытаний подсчитывают среднее значение; оно и является окончательным результатом. После этого марку цемента ориентировочно определяют по табл. 1.124.

Определение марки цемента испытанием на изгиб балочек из цементного теста. Изготовляют шесть балочек размером 2x2x13 см из цементного теста нормальной густоты. Метод изготовления следующий: в форму (желательно металлическую (рис. 1.12) укладывают цементное тесто, уплотняют его и штыкуют ножом 10 раз; после этого форму 20-30 раз встряхивают легкими ударами о край стола, поверхность теста заглаживают смоченным в воде ножом; в таком виде балочки выдерживают 20 ч во влажных опилках, после чего форму помещают в бачок над кипящей водой для пропаривания в течение 4 ч. После остывания в бачке до комнатной температуры форму вынимают, раскрывают и балочки испытывают.

Испытания проводят на простейшем устройстве, которое можно собрать в условиях любого строительства (рис. 1.13).

Расстояние между опорами (обрезки уголка) должно быть 10,7 см. При этом условии прочность балочек на изгиб будет равна 2Р, где Р – масса груза, приложенная посередине балочки и вызвавшая ее разрушение, кг. За результат испытания принимают среднюю величину из четырех наибольших. Полученная прочность на изгиб, умноженная на 4, соответствует примерной марке цемента.

Определение марки цемента по результатам испытаний пропаренных стандартных образцов (уточненный метод Б.Г. Скрамтаева, Г.И. Горчакова и Н.Д. Тагунцева). Стандартными считаются образцы-балочки размером 4x4x16 см, изготовленные из раствора состава 1:3 на стандартном (Вольском) песке с водоцементным отношением 0,4. Стандартный песок может быть заменен специально приготовленным естественным: для этого обычный песок просеивают и берут только фракцию, оставшуюся на сите с отверстиями 0,63 и прошедшую через сито с отверстиями 1,25 мм; кроме того, он должен быть промыт и прокален на огне. Смесь сначала тщательно перемешивают вручную без воды, затем добавляют воду и перемешивают в течение 5 мин стальной ложкой. После этого массу укладывают в форму (их выпускают стандартными), уплотняют сначала послойно стальным пестиком с тупым концом диаметром 10-16 мм, а потом постукиванием формы о край стола (метод предусматривает отсутствие стандартной виброплощадки для уплотнения). Избыток раствора срезают ножом, поверхность заглаживают.

Образцы в формах ставят под колпак, в котором для увлажнения находится сосуд с водой, и выдерживают в течение 24 ч. После этого балочки расформовывают и пропаривают в приспособлении (рис. 1.9) в следующем режиме: подъем температуры до 100°С – 2 ч, пропаривание при 100°С – 4 ч, остывание образцов – 2 ч. Испытания остывших образцов проводят на приспособлении, показанном на рис. 1.13. Прочность образцов на изгиб вычисляют по формуле:

где R изг – прочность на изгиб, МПа; – расстояние между опорами, равное 0,1 м; b, h – соответственно ширина и высота балки, м.

Чтобы установить марку цемента, полученную R изг умножают на переходной коэффициент, характеризующий отношение прочности на изгиб образцов в 28-суточном возрасте к прочности на изгиб пропаренных образцов. Он колеблется для различных цементов от 1,2 до 1,7. В среднем для портландцементов его можно принимать 1,4-1,5.

Деформативные свойства

Основные понятия, термины, определения

Деформативные свойства материалов проявляются при воздействии на них механических и термических нагрузок, в результате которых в материале возникают различного рода деформации , напряженное состояние и, наконец, наступает разрушение .

Деформация - это нарушение взаимного расположения множества частиц материальной среды, которое приводит к изменению формы и размеров тела и вызывает изменение сил взаимодействия между частицами, т.е. возникновение напряжений. Заметим, что чаще деформации вызывают напряжения, и поэтому, как правило, строят графики зависимости напряжений от деформаций, а не наоборот.

Простейшими элементами деформации являются относительное удлинение и сдвиг.

Относительное удлинениё «ε» стержня или материального волокна среды длины «l» есть отношение изменения (l - l o ) к первоначальной длине: ε = (l-l o)/l o .

Сдвигом называется изменение угла у между элементарными волокнами, исходящими из одной точки и образующими прямой угол до деформации (см. рис. 5.1).

В твердых телах деформация называется упругой , если она исчезает после снятия нагрузки, и пластической, если она после снятия нагрузки не исчезает; если она исчезает не полностью, то называется упругопластической, если она изменяется во времени и обратима, то называется вязкоупругой .

Разрушение - это ослабление взаимосвязи между частицами при нарушении сплошности структуры.

Различают хрупкое , т.е. мгновенное (без деформации) и пластическое (с деформацией) разрушение твердого тела.

Таким образом, к этой группе свойств можно отнести упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, прочность и твердость.

Упругость

Упругость - свойство изменять форму и размеры под действием нагрузок и самопроизвольно восстанавливать исходную конфигурацию при прекращении внешних воздействий.

Упругость тел обусловлена силами взаимодействия атомов, из которых они построены. В твердых телах при температуре абсолютного нуля и отсутствии внешних воздействий атомы занимают равновесное положение, в котором сумма всех сил, действующих на каждый атом со стороны остальных, равна нулю, а потенциальная энергия атома минимальна.

Константы упругости

Количественно упругость характеризуется константами, свойственными каждому материалу. При этом необходимо учитывать, что большинство свойств, кроме плотности и теплоемкости, связано с анизотропией структуры. Упругость является ярко выраженным анизотропным свойством. Поэтому следует различать упругость кристаллов и анизотпропных материалов и упругость изотропных тел.

Поликристаллические тела и материалы в целом изотропны, анизотропия их свойств проявляется только в результате формования или обработки, например прессования, штампования, прокатки, уплотнения и т.п. Таким образом, формируется анизотропия свойств керамической плитки, черепицы, стального листа и т.д. В дальнейшем рассматривается упругость только изотропных свойств, для которых не применимы представления об ориентированных кристаллографических осях и пр.

Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и др. методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья.

Синтетические полимеры получают в результате реакций полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация - это процесс соединения друг с другом большого числа молекул мономера за счет кратных связей (С = С, С = О и др.) или раскрытия циклов, содержащих гетероатомы (О, N, S). При полимеризации обычно не происходит образования низкомолекулярных побочных продуктов, вследствие чего полимер и мономер имеют один и тот же элементный состав,

Поликонденсация - зто процесс соединения друг с другом молекул одного или нескольких мономеров, содержащих две и да более функциональные группы (ОН, СО, СОС, NHS и др.) способные к химическому взаимодействию, при котором происходит отщепление низкомолекулярных продуктов. Полимеры, получаемые поликонденсационным способом, по элементному составу не соответствуют исходным мономерам.

Полимеризация мономеров с кратными связями протекает по законам цепных реакций в результате разрыва непредельных связей. Макромолекула при цепной полимеризации образуется очень быстро и сразу же приобретает конечные размеры, т. е не возрастает при увеличении длительности процесса.

Полимеризация мономеров циклического строения происходит за счет раскрытия цикла и в ряде случаев пропекает не по цепному, а по ступенчатому механизму. Макромолекула при ступенчатой полимеризации образуется постепенно, т. е. сначала образуется димер затем тример и т.д., поэтому молекулярная масса полимера растет со временем.

Принципиальное отличие ценной полимеризации от ступенчатой и от поликонденсации состоит в том, что на разных стадиях процесса реакционная смесь всегда состоит из мономера и полимера и не содержит ди-, три-, тетрамеров. С увеличением продолжительности реакции растет лишь число макромолекул полимера, а мономер расходуется постепенно. Молекулярная масса полимера не зависит от степени завершенности реакции или, что то же, от конверсии мономера, которая определяет только выход полимера.

Многие полимеры нельзя получить ни полимеризацией, ни поликонденсацией, поскольку или неизвестны исходные мономеры, или мономеры не образуют высокомолекулярных соединения, синтез таких полимеров осуществляют, исходя из высокомолекулярных соединений, макромолекулы которых содержат реакционноспособные функциональные группы. По этим группам полимеры вступают и те же реакции, что и содержащие такие группы низкомолекулярные соединения.

Реакции в цепях полимера могут происходить без существенного изменения молекулярной массы полимера (таи называемые полимер-аналогичные превращения), с увеличением молекулярной массы полимера (синтез привитых и блок сополимеров) или с уменьшением молекулярной массы (деструкция макромолекул).

Достоинства полимерных материалов - достаточно высокие прочность и износостойкость, хорошие антифрикционные свойства и химическая стойкость. Ремонт деталей с применением полимерных материалов не требует сложного оборудования, малотрудоемок, сопровождается невысоким нагревом детали (250-320 °С), допускает большие износы (1-1,2 мм), в ряде случаев не требует последующей механической обработки. Применяется для заделки трещин, вмятин, пробоин, раковин, отколов, для восстановления размеров изношенных деталей, для изготовления быстроизнашивающихся деталей или их отдельных частей, для противокоррозионной защиты. Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, авиастроении, в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины, волокна, пластмассы, пленки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.

Традиционно изделия из полимеров отличаются надежностью и высоким качеством.

Применение полимерных материалов в домашнем хозяйстве с самого начала было одной из первых задач промышленности, производящей полимеры. Для этого было много предпосылок. Их легко окрашивать в любые цвета, и благодаря этому они могут украсить наши будни.

Моющиеся обои из пенистого материала обеспечивают одновременно уют и праздничную обстановку в помещении.

Современные надежные в эксплуатации покрытия для пола, изготавливаемые из полимерных материалов, также облегчают уборку помещений. Особо следует отметить, что для их изготовления можно применять отходы переработки полимеров.

86. Отделочные полимерные материалы .

Сырье для производства полимерных материалов. Основные технологиче­ские операции при производстве полимеров. Номенклатура полимерных материалов. Обои влагостойкие и бумажные.

Полимер – органическое вещество, длинные молекулы которого построены из одинаковых многократно повторяющихся звеньев - мономеров.

Типы полимеров:

1. Природные ; образуются в результате жизнедеятельности растений и животных и содержатся в древесине, шерсти, коже. Это протеин, целлюлоза, крахмал, лигнин, латекс.

Например: кожа, меха, шерсть, шёлк, хлопок, цемент, известь, глина.

2. синтетические; Чаще всего в строительстве используют синтетические, искусственные полимеры. Иначе их называют смолами. полученные синтезом из низкомолекулярных веществ, не имеющих аналогов в природе. К синтетическим полимерам относятся пластмассы и др. Структурными единицами (мономерами) пластмасс являются низкомолекулярные (маленькие) молекулы, которые выделяют из нефти, угля или природного газа .

Например: на их основе производят плёнки, лакокрасочные материалы, аккумуляторы, телевизоры, розетки, капрон, нейлон, поролон…

Виды полимеров:

Твёрдые (пластмассы);

Пластично-вязкие (мастики);

Жидко-тягучие (лаки, краски) сост из раств полимера, пигментов и инертных добавок. Различные: акриловые, эмалевые…

Свойства пластмассы:

1. Легкое изменение формы;

2. Легкий вес;

3. Легкая резка;

4. Низкая себестоимость;

5. Отливка любых форм.

Основные полимеры:

· ПВХ (поли-винил-хлорид) выдерживает большие нагрузки;

· Полистирол

· Полиэтилен;

· полипропилен

· Каучук, искусственная резина.

Отделочные материалы из полимеров:

1. Конструкционно-отделочные материалы ;

Например : стеклопластики, все ДСП и т.д.. ! имеют срок годности

2. Материалы для отделки стен и потолков;

Например: рулонные материалы, плитки, панели, линолеум, натяжные потолки, наливные полы, ковровые синт покрытия, линолеум… при горении тлеет, выделяя вред газы.

3. Профильно-погонажные изделия;

Например: плинтусы, молдинги, накладки и т.д..

4. Керамогранит.

Виды обоев по основе:

1. Бумажные;

2. Тканевые;

3. Флизелиновые;

4. Жидкие. (не полимеры)

5. Виниловые.

Бумажные обои –пропускают воздух и дают возможность стенам «дышать». Основные недостатки – они рвутся и тянутся, выгорают и желтеют и поэтому имеют непродолжительный срок службы.

Правда, в последнее время появились бумажные обои высокого качества,

среди них есть даже влагостойкие, пропитанные водоотталкивающим составом.

Среди бумажных обоев очень популярны обои дуплекс , состоящие из двух или

более слоев бумаги. Нередко эти обои покрываются специальными составами,

которые улучшают их свето – и влагостойкость. Лидером среди дуплексных обоев

считаются тисненые обои.

Виниловые обои – основу которого составляет флизелин или бумага, а верхний слой - поливинилхлорид;

Виниловые обои являются моющимися, водостойкими и долговечными. Как правило, винил стоек к воздействию солнечных лучей, поэтому краски не меняют своего качества на поверхности в течение 20 лет.

Виниловые обои являются двухслойными. Верхний слой ПВХ является защитным слоем от влаги, света и всевозможных механических воздействий. Виниловые обои, как правило, пропитываются различными составами, предохраняющими от образования грибков и плесени.

Текстильные – рулонный материал для внутренней отделки помещений, состоящий из нескольких слоев, лицевой стороной является ткань;

В основе текстильных обоев лежит простое бумажное полотно. Текстиль представляет собой наклеенные на основу нити из натуральных и смешанных волокон или искусственных тканей. Как правило, текстильные обои обладают повышенной звуко и теплоизоляцией и устойчивы к

выгоранию на солнце. Такими обоями можно оклеивать как стены, так и потолки в

жилых помещениях и офисах.

Текстильные обои бывают нескольких видов:

велюровые, льняные, шелковые, фетровые, джутовые и обои на синтетической основе .

Флизелиновые – рулонный материал для оклейки стен, состоит из двух слоев – флизелина (минерального волокна с целлюлозой) и полимерного покрытия;

Обои на основе флизелина можно приклеивать обычным обойным клеем.

Жидкие обои в первоначальном виде представляют сухую смесь, готовые обои получают при смешивании с водой;

Особые виды обоев:

- фото-обои ;

- тиснёные обои – с проступающей фактурой;

- звукопоглощающие - на бумажной основе с ворсовой поверхностью; Звукопоглощающие обои пылесосят.

- стеклообои - особый тип рулонного настенного покрытия, изготавливаемый ткацким методом из стеклонитей различной плотности и толщины, с последующей пропиткой специальным составом для придания тканому полотну стабильности.

Особенности: огнестойкость, долговечность, экологичность, прочность.

Например: для отделки путей эвакуации.

Металлические обои. (сатинированные) –

с рисунком красками, в состав которых входит алюминиевая или бронзовая пудра.

Металлическая поверхность обоев–фольги износоустойчива и хорошо моется, но она паронепроницаема.

Типы обоев:

Обычные: негрунтованные (рисунок печатается непосредственно на белой или цветной бумаге); грунтованные (рисунок наносится на предварительно окрашенную поверхность бумаги); фоновые (без рисунка, однотонной матовой окраски), тисненые (с рельефно выступающим рисунком);

Влагостойкие обои: печатные, изготовляемые на красках с добавкой водостойких полимеров; печатные с защитной плёнкой на лицевой стороне, образованной полимерными эмульсиями и лаками; получаемые нанесением тонкой цветной полимерной плёнки на бумажную основу с последующим тиснением; в виде безосновной полимерной непрозрачной плёнки с печатным рисунком;

Влагостойкие обои отличаются повышенной устойчивостью к истиранию и влаге, их можно мыть тёплой водой с моющими средствами.

§ Звукопоглощающие обои

Качество обоев определяется по основным характеристикам: влагостойкости,

плотности, светостойкости, паропроницаемости и цены.

Влагостойкость – возможность мыть обои водой. Такие обои покрыты эмульсионной

краской из синтетических смол. Влагостойкие обои используются на кухне,

в ванных комнатах.

Плотность . Обои делятся на легкие и плотные.

Светостойкость – подверженность обоев выгоранию на солнце.

Паропроницаемость – возможность поверхности правильно просыхать,

влияет на микроклимат помещения

Виды обоев по типу приклеивания:

Внахлёст;

Бесшовные.

Раппорт – базовый элемент орнамента, многократно повторяющаяся часть узора.

Полимеризация и поликонденсация

Синтетические полимеры получают в результате реакций полимеризации и поликонденсации. Получение полимеров реакцией полимеризации и поликонденсации - основные пути синтеза ВМС на сегодняшний день.

Полимеризация — это процесс соединения друг с другом большого числа молекул мономера за счет кратных связей (С = С, С = О и др.) или раскрытия циклов, содержащих гетероатомы (О, N, S). При полимеризации обычно не происходит образования низкомолекулярных побочных продуктов, вследствие чего полимер и мономер имеют один и тот же элементный состав.

Поликонденсация — зто процесс соединения друг с другом молекул одного или нескольких мономеров, содержащих две и да более функциональные группы (ОН, СО, СОС, NHS и др.) способные к химическому взаимодействию, при котором происходит отщепление низкомолекулярных продуктов. Полимеры, получаемые поликонденсационным способом, по элементному составу не соответствуют исходным мономерам.

Полимеризация мономеров с кратными связями протекает по законам цепных реакций в результате разрыва непредельных связей. Макромолекула при цепной полимеризации образуется очень быстро и сразу же приобретает конечные размеры, т. е не возрастает при увеличении длительности процесса.

Полимеризация мономеров циклического строения происходит за счет раскрытия цикла и в ряде случаев пропекает не по цепному, а по ступенчатому механизму.

Макромолекула при ступенчатой полимеризации образуется постепенно, т. е. сначала образуется димер затем тример и т.д., поэтому молекулярная масса полимера растет со временем.

Принципиальное отличие ценной полимеризации от ступенчатой и от поликонденсации состоит в том, что на разных стадиях процесса реакционная смесь всегда состоит из мономера и полимера и не содержит ди-, три-, тетрамеров. С увеличением продолжительности реакции растет лишь число макромолекул полимера, а мономер расходуется постепенно. Молекулярная масса полимера не зависит от степени завершенности реакции или, что то же, от конверсии мономера, которая определяет только выход полимера.

Реакции в цепях полимеров

Многие полимеры нельзя получить ни полимеризацией, ни поликонденсацией, поскольку или неизвестны исходные мономеры, или мономеры не образуют высокомолекулярных соединений при получении полимеров реакцией полимеризации и поликонденсации. Синтез таких полимеров осуществляют, исходя из высокомолекулярных соединений, макромолекулы которых содержат реакционноспособные функциональные группы. По этим группам полимеры вступают и те же реакции, что и содержащие такие группы низкомолекулярные соединения.

Реакции в цепях полимера могут происходить без существенного изменения молекулярной массы полимера (таи называемые полимер-аналогичные превращения), с увеличением молекулярной массы полимера (синтез привитых и блок сополимеров) или с уменьшением молекулярной массы (деструкция макромолекул).

Литература

1. Энциклопедия полимеров.. М., Советская энциклопедия. Т. 1, 1972, Т. 2, 1974, т. 3, 1977.
2. Бранцхин E. А., Шульгина Э. С., Технология пластических масс. М., Химия, 1974

Объявления о покупке и продаже оборудования можно посмотреть на

Обсудить достоинства марок полимеров и их свойства можно на

Зарегистрировать свою компанию в Каталоге предприятий