Органічні в’яжучі речовини

9.1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Органічні в'яжучі речовини - це високомолекулярні при-рідні або синтетичні речовини, здатні:

• купувати рідко-в'язку консистенцію при нагріванні або при дії розчинників або ж мають рідко-в'язку консистенцію в початковому стані;

• з плином часу мимоволі або під дією визна-ділених факторів (температури, речовин-затверджувачів та ін.) Пере-ходити в твердий стан.

При цьому як в рідкому, так і в твердому стані ці речовини мають хорошу адгезію до інших матеріалів.

Залежно від походження, хімічного і речового складу органічні в'яжучі ділять на наступні групи:

• чорні в'язкі (бітуми і дьогті);

• природні смоли, клеї і полімери;

• синтетичні полімерні продукти.

Природні високомолекулярні речовини застосовують як в їх природному стані, так і після хімічної модифікації, при-дає їм необхідні властивості. Наприклад, целюлозу застосовують у вигляді ефірів (нитроцеллюлоза, метилцелюлоза і т. П.). Бітуми також часто піддають модифікації.

Найбільша група органічних в'яжучих - синтетичні полімери. Їх отримують з низькомолекулярних продуктів

Залежно від ставлення до нагрівання і розчинників орга-нічних в'яжучі ділять на термопластичні і термореактивні.

Термопластичними називають речовини, які при нагріванні переходять з твердого стану в рідке (плавляться), а при охолодженні знову тверднуть; причому такі переходи можуть повторюватися багато разів. Термопластичність пояснюється лінійною будовою молекул і невисоким міжмолекулярним взаємодією. З цієї ж причини більшість термопластів здатне розчинятися у відповідних розчинниках. До термопластів відносяться бітуми, смоли, багато широко поширені полімери - поліетилен, полівінілхло-рид, полістирол і ін.

Термореактивними називають речовини, у яких перехід з жид-кого стану в тверде відбувається необоротно. При цьому у них

просторові сітки - гігантські макромолекули. Таке необр-тімое твердіння (цей процес називають також «затвердіння», «пошивши - кал,« вулканізація ») відбувається не тільки під дією нагрівання (звідси пішов термін« термореактйвние речовини »), а й під дією речовин отвердителей, УФ і у-випромінювання та інших факторів. Затверділі термореактивні полімери, як правило, більш тепло-стійки, ніж термопластичні.

Термореактивні в'яжучі надходять на будівництво часто у вигляді в'язких рідин, званих не зовсім правильно "смолами». У хімічній технології такі продукти часткової полімеризації (з молекулярною масою менше 1000), що мають лінійну будову молекул і здатні до подальшого укрупнення, називають олігоме-рами.

До термореактивним органічним в'яжучим відносяться, наприклад, епоксидні і поліефірні олігомери (смоли), оліфи, каучуки в суміші з вулканізатор і ін.

Органічні в'яжучі істотно відрізняються від неорганічному-ських (мінеральних). Адгезійні властивості багатьох органічних вяза-жущіх значно вище, ніж мінеральних. Міцність на стиск у них порівнянна з міцністю мінеральних, а при вигині і розтягується-ванні у багато разів вище. Слід пам'ятати, що у термопластичних в'яжучих міцність швидко падає при підвищенні температури через розм'якшення полімеру. Органічні в'яжучі характеризуються низ-кою термостійкістю. Залежно від складу і будови темпера-туру їх розм'якшення становить 80. 250 ° С. У більшості своїй це горючі речовини.

Більшість органічних в'яжучих водо - і хімічно стійки (вони добре протистоять дії кислот, лугів і сольових розчинів). Вартість органічних в'яжучих значно вище, ніж мінеральних, а обсяги їх виробництва - набагато нижче.

Зі сказаного видно, що відмінності органічних в'яжучих від мі-ральним носять як позитивний, так і негативний характер. Тому кожен вид в'яжучих має свої раціональні області застосування, які обираються з урахуванням всіх його властивостей. В останні роки широко використовується модифікація мінеральних в'яжучих органіч-ськими з метою отримання композиційних матеріалів з принципо-но новим набором властивостей (див. § 2.1).

Органічні в'яжучі [3] використовуються в будівництві для напів-чення клеїв, мастик, лакофарбових матеріалів (див. Гл. 18), полімер-них і полімерцементних розчинів і бетонів (див. § 12.8). Більша ж частина синтетичних полімерів використовується при виробництві пластмас, до складу яких, як правило, входять наповнювачі та інші компоненти, що знижують вартість і надають пластмасам спе-ціальні властивості.

Висока вартість полімерних в'яжучих висуває на перший план при їх використанні задачу зниження полімероемкості, т. Е. Отримання необхідного результату при мінімальних витратах полімеру. Тому полімерні в'яжучі застосовують в основному для отримання тонких облицювальних виробів (плиток, плівок, погонажних виробів), фарбувальних і клеять складів, захисних хімічно стійких по-критий, а також для виготовлення газонаповнених пластмас - теплоізоляційних матеріалів з унікально низькою щільністю (10. 50 кг / м3).

Першими органічними в'яжучими, які почали застосовувати в будівництві, були бітуми і дьогті. Є свідчення примі-вати бітумних матеріалів в I тисячолітті до н. е. в Месопотамії при будівництві «висячих» садів Семіраміди, тунелю під Евфра-те і асфальтованих мостових. Відомо застосування бітумних матеріалів в Стародавньому Римі. Середньовічні будівельники, в тому числі і наші предки, застосовували смоли і дьогтю для захисту деревини від гниття.

Хоча бітуми і дьогті мають різне походження і дещо відрізняються складом, обидва володіють загальними характерними властивості-ми. При нагріванні вони оборотно розріджується і в такому стані добре змочують інші матеріали, а при охолодженні тверднуть, міцно склеює змочені ними матеріали. Крім того, бітуми і дьогті водостійкі і водонепроникні, і якщо ними просочити або покрити інші матеріали, то вони набувають гідрофобні (водо-відразливі) властивості. Бітуми і дьогті добре розчиняються в органічних розчинниках. Перераховані властивості визначили використання бітумів і дьогтів для отримання клеять і гідро-ляціонному матеріалів, а також для отримання спеціальних дорожніх бетонів - асфальтобетонів.

Бітуми (від лат. Bitumen - смола) - при кімнатній температурі в'язкопластичні або тверді речовини чорного або темно-коричне-вого кольору, що представляють собою складну суміш високомолекуляр-них вуглеводнів і їх неметалічних похідних. Залежно від походження бітуми можуть бути природні та штучні (техногенні); джерелом утворення або отримання бітумів і в тому, і в іншому випадку є нафта.

Природні бітуми зустрічаються у вигляді асфальтових порід, наприклад, піску, пористого вапняку, просочених бітумом (содер - жание бітуму від 5 до 20%). Такі породи зустрічаються в Венесуелі. Канаді, на острові Тринідад і ін. Є родовища практично чистих бітумів, наприклад, бітумні озера на Сахаліні. Природні бітуми утворилися при розливі нафти в результаті випаровування з неї легких фракцій і часткового окислення киснем повітря. Світові запаси природного бітуму понад 500 млрд. Т.

Штучні бітуми утворюються у вигляді залишку при отриманні з нафти палива і масел - нафтові бітуми.

Бітуми - складні колоїдно-дисперсні системи, що складаються з декількох груп речовин:

• тверді високомолекулярні речовини (асфальтени, карб, карбоіди), що надають бітуму твердість;

• смолисті речовини, що додають бітуму клейкість;

• нафтові олії, які надають бітуму в'язкість і термопластйч - ність.

У цій дисперсної системі масла є дисперсійним середовищем, а асфальтени - дисперсною фазою; смоли грають роль стабілізується-тора дисперсії (рис. 9.1). При нагріванні масла розріджується і бітум стає рідко-в'яз-ким, а при охолодженні густіють і тверднуть і бітум стає твердим і навіть крихким.

Бітуми ділять на три типи по області їх застосування: дорожні (для асфальтобетонів), покрівельні (для м'яких покрівельних ма-лов) і будівельні (для виготовлення мастик, гідроізоляції тощо.). Кожен тип бітумів в залежності від складу може мати відмінності-ні марки (табл. 9.1).

з яких: температура розм'якшення, твердість і еластичність.

Температуру розм'якшення визначають на стандартному приладі «Кільце і куля» (рис. 9.2), Температурою розм'якшення вважається тим-пература, при якій кулька провалюється крізь бітум, заплавлені - ний в кільце. (Зверніть увагу: у бітуму, як у складній кол-лоідной системи, немає певної температури плавлення: він раз-пом'якшується поступово.)

Мал. 9.2. Визначення температури раз-м'якшення бітуму:

а - схема приладу «Кільце і куля»; б - положе-ня кульки на початку випробування; в - положення кульки в кінці випробування; 1 - стакан; 2..Л - диски; 5 - термометр; 6 - кріпильні стрижні

1 - столик; 2 голка; 3 - затискний устройст-во; 4 -стержень голкотримача; 5 - ціферб-лат; 6 - стрілка; 7 - штанга; 8 - кронштейн; 9-штатив; / 0-дзеркало; 11 - підставка

Твердість (в'язкість) бітуму визначають на приладі пенетрометр (рис. 9.3) із занурення голки в образний, бітуму (одиниця шкали приладу 0,1 мм) при температурі 25 ° С.

Розтяжність бітуму визначають за абсолютним подовженню (в см) стандартного зразка бітуму, розтягуємо в воді при 25 ° С зі швидкістю 5 см / хв (рис. 9.4).

Мал. 9.4. Визначення розтяжності бітуму.

а - дуктілометре; б - розбірна, форма; 1 - ящик з-оцинкованої сталі; 2 - гвинт; 3 - Салазі - ки; 4 - гайка; 5 - зразок бітуму; 6 - нерухома опора; 7 - редуктор; 8 - електродвигун - ^. тель; 9-стрілка; 10 - лінійка (по ній фіксується подовження в момент розриву) # 9632; '

Транспортують бітуми в фанерних барабанах або паперових мішках. Зберігають в закритих складах або під навісом таким чином, щоб на бітум не потрапляли прямі сонячні промені - Бітум - пальне. речовина, тому при роботі з ним, особливо при розігріві бітуму, слід дотримуватися вимог пожежної безпеки.

Дьоготь - продукт сухий (без доступу повітря) перегонки твердих видів палива (деревини, вугілля, горючих сланців, торфу і т. П.), Що представляють собою в'язку темно-буру рідину з характерним «Дегтярний» запахом.

Дьоготь, ймовірно, один з найстаріших хімічних продуктів, по-одержуваних людиною. З найдавніших часів на Русі було розвинене «дегтекуреніе» - отримання дьогтю з берести (тонкої березової кори). Бересту нагрівали без доступу повітря до 200. 300 ° С. При цьому обра-зовивать темна в'язка рідина з сильним запахом. Пізніше стали; виробляти дьоготь з деревини берези та інших листяних порід.

Дьоготь використовувався для просочення дерев'яних споруд, ло-док, рибальських сіток, мастила чобіт і т. П. Така обробка захищала від гниття, завдяки антисептичними та гідрофобізуючі дії дьогтю. Антісептірующіе властивості дьогтю використовуються і в медицині (мазь Вишневського, дігтярне мило і т. П.). Копчення продуктів (риби, м'яса) також засновано на обробці їх продуктами сухої перегонки деревини.

У великих масштабах дьоготь став проводитися з кінця XIX в. коли стала розвиватися металургія. Дьоготь є побічним про-продуктом при коксуванні вугілля (високотемпературної - до 1000 ° С обробки кам'яного вугілля з метою отримання коксу).

Дьогті, як і бітуми, - складна дисперсна система, що складається з великого числа (кілька тисяч) різних вуглеводнів (рідких і твердих) і їх неметалевих похідних. Але на відміну від бітуму, де переважають парафінові вуглеводні, в дьогті багато аромати-чеських вуглеводнів і їх похідних (бензолу, толуолу, нафталіну, фенолу та ін.). Саме вони надають дьогтю антисептичні властивості.

Сирий дьоготь практично не застосовується. Його розганяють, отримуючи розчинники, різні масла (антраценовое, креозотове і ін.) І твердообразноє речовина - пек.

Пек (від голл. Річок - смола) - аморфний крихкий при звичайних температурах залишок від перегонки сирої дьогтю при температурі понад 360 ° С. Він складається з смолистих речовин, «вільного вуглецю», антрацену, масел і інших слаболетучіх з'єднань. Пеки застосовують для отримання складеного дьогтю, сплавом його з маслами, і пекового лаку, розчиненням його в ароматичних розчинниках. Складові дьогті використовують для гідроізоляції і антисептуючими покриття деревини.

Дьогті менш атмосферостойки, ніж бітуми. Під дією сонячного випромінювання і кисню вони окислюються, перетворюючись в тверді крихкі продукти; це пояснюється наявністю в дьогті, на відміну від бітуму, активних реакційноздатних сполук. Дьогті та продукти на їх основі - канцерогени, тому їх викорис-тання в місцях, де можливий їх тривалий контакт з людиною, заборонено.

При роботі з дьогтю і пеком слід пам'ятати, що вони і їх пари можуть викликати запалення або алергічні реакції при контакті зі шкірою і особливо - слизовими оболонками.

Загальний недолік бітумів і деггей - вузький інтервал температур, при яких матеріали на їх основі мають міцність і ела-ністю. При зниженні температури до 0. -10 ° С вони стають крихкими, а при підвищенні до 40. 60 ° С починають текти. Для роз-ренію інтервалу експлуатаційних температур бітуми і дьогті моди-фіціруют, додаючи термопластичні полімери і каучуки.