Сетевое издание

Международный студенческий научный вестник

ISSN 2409-529X

Полимеры все чаще используют как важнейшую составную часть композиционных материалов. Например, полимербетонов, полимерцементных бетонов и т.д. Спектр применения полимеров в строительстве весьма широк. Они повсеместно используются для: покрытия полов, внутренней отделки стен и потолков, гидроизоляции и герметизации зданий, изготовления тепло- и звукоизоляционных материалов (поропласты, пенопласты), кровельных и антикоррозионных материалов и покрытий, конструкционно-отделочных и ограждающих элементов зданий и для многих других целей.

На современном этапе жизни человечества происходит интенсивное развитие науки, техники и производства. Высокий уровень современных технологий требует применения в строительстве качественно новых материалов. Современное производство предъявляет высокие требования к строительным материалам: прочность, плотность, стойкость к действию агрессивных сред, низкая тепло-, звуко-, влагопроводность.

Применяемые в настоящее время материалы на основе минеральных вяжущих: бетон, железобетон, силикатные бетоны, которые не всегда соответствуют предъявляемому уровню требований. Поэтому в настоящее время промышленность строительных материалов развитых стран производит широкую номенклатуру продукции на основе полимеров[1].

Одна из эффективных областей применения полимерных материалов в строительстве – создание на их основе высокопрочных и химически стойких полимербетонов. В зависимости от вида применяемого полимера полимербетоны могут обладать: высокой прочностью, химической стойкостью, долговечностью и рядом других свойств. Кроме того, полимербетоны сравнительно просты в изготовлении, технологичны, имеют качественные декоративные свойства[2].

Полимербетоны представляют собой композиционные материалы, получаемые в результате отверждения смесей, образованных полимерным связующим и заполнителем (мелким и крупным). Под полимерным связующим понимают композиции из жидко-вязких синтетических смол, модифицирующих, отверждающих и инициирующих добавок и тонкодисперсного наполнителя.

Полимербетоны классифицируют по виду полимерного связующего вещества, средней плотности, химической стойкости, прочностным характеристикам. Полимербетоны разделяют на две группы — термореактивные и термопластичные. Первая группа подразделяется на карбамидно-фенольные, полиэфирные, фурановые, полиуретановые и эпоксидные, вторая группа — на инденкумароновые и метилметакрилатные. По средней плотности каждый полимербетон из первой группы может быть сверхтяжелым при 3500—4000 кг/м3, тяжелым — 2200—2400 кг/м3, легким — 1600—1900 кг/м3 и сверхлегким — 400—500 кг/м3; каждый из второй группы — тяжелым и легким. Чаще всего используют фурфуролацетоновую ФА, фурано-эпоксидную ФАЭД-20, насыщенную полиэфирную ПН-1 или ПН-63, унифицированную карбамидную КФ-Ж смолы, метилметакрилат ММА (мономер) и др. Отвердителями могут быть: при использовании ФА — бензолсульфокислота БСК; ФАЭД-20 — полиэтиленполиамид ПЭПА; ПН-1 и ПН-63 — гидроперекись изопропилбензола ГЦ и ускоритель — нафтенат кобальта НК; КФ-Ж — соляно-кислый анилин; для мономера метилметакрилата (ММА) — система, в которую входят диметиланилин БМА и перекись бензоила. Содержание олигомер-полимерного компонента составляет от 10 до 200 кг на 1м3 бетона[3].

Наполнителями размеров частиц менее 0,15 мм служат кварцевая, андезитовая и диоритовая мука, маршаллит, графитовый порошок и др. Их удельная поверхность должна быть не ниже 2500—3000 см2/г. Помол нередко совмещается с активацией поверхности путем введения добавок (модификаторов), хотя при длительном хранении обработанного порошка возможна потеря приобретенной активности за счет адсорбции реагентов из внешней среды. Среди наполнителей и заполнителей могут быть и искусственные — стеклохолст, стекловолокно и др.

Связующее вещество и наполнитель образуют при их объединении наполненный полимер, составляющий матричную часть полимербетона. Заполняющую часть в нем формирует крупный и мелкий (песчаный) зернистый материал. В качестве крупного заполнителя используют кислотостойкие щебень или гравий, керамзит, аглопорит, шунгизит. Размеры зерен щебня должны быть до 50 мм, песка — до 5 мм, размеры частиц наполнителя — менее 0,15 мм[4].

Полимербетоны на основе метилметакрилата – это особая разновидность метилметакрилатного наливного покрытия, появившаяся менее полувека назад. И до сих пор он все еще является особенным материалом, не имеющим аналогов по своим потрясающим свойствам. Такие полимербетоны представляют собой раствор, состоящий из сухого наполнителя и соответствующего жидкого отвердителя. Сухой компонент обычно продается в мешках по – 15 кг, а жидкий – в канистрах емкостью 2 л. Сухую смесь разводят жидким отвердителем до получения однородной массы. Ею заливают поверхности, нуждающиеся в ремонте. Полимербетоны на основе метиметакрилата обладают целым рядом достоинств. Покрытие обладает полной гидроизоляцией и устойчивостью к атмосферным воздействиям, высокими электроизоляционными свойствами, высокой устойчивостью к химическим воздействиям, промышленным солям и реагентам[5].

Этот быстротвердеющий раствор на основе метилметакриловых смол подходит для ремонтных целей в условиях действующего производства.

Целью представленной работы являлось получение связующего материала для ремонтных композиций и бетонополимеров, которое было бы освобождено от основных недостатков. Основными недостатками являются повышенное водопоглощение и влагопоглощение, сопровождаемое соответственно повышением пористости системы и снижением прочностных характеристик.

Поставленную цель предполагалось решить путем введения в композицию кремнийорганических полимерных соединений. В качестве объектов исследования было использовано связующее холодного отверждения следующего состава, м.ч.: ММА - 100; полиизоцианат – 10; диметиланилин – 7; перекись бензоила – 5.

В качестве кремнийорганического модификатора использовалась полиметилфенилсилоксановая смола [ПФСС] производимая на Новочебоксарском химическом заводе. Полиметилфенилсилоксановая смола имеет ряд достоинств: 1) обладает высокой атмосферостойкостью в условиях различного климата, т.к. образует защитный эффект высокопрочной полимерной пленки на поверхности материала; 2) превосходно сохраняет внешний вид после длительного воздействия высоких температур; 3) обладает хорошей стойкостью к окислительной деструкции и действию солнечной радиации; 4) высыхание покрытий до высокой твёрдости и прочности с сохранением высокой эластичности происходит в широком диапазоне температур[6]. Модифицирующая кремнийорганическая смола вводилась в композицию в виде 50% раствора полимера в метилметакрилате.

В качестве наполнителя использовался тонкоизмельченный кварцевый песок с размером частиц 10 – 40 мкм. Ремонтная композиция готовилась путем смешения 100 м.ч. связующего с заданным количеством модификатора и 300 м.ч. наполнителя. После загрузки тестообразной массы в форму и последующего виброуплотнения при температуре 20оС проходил процесс отверждения образцов при температуре 200С. Полученные образцы испытывались в соответствии со стандартными методиками.

Как показали проведенные испытания, время жизнеспособности композиции до перехода ее в твердое состояние не превышает 2 часа, причем процесс отверждения сопровождается сильным экзотермическим эффектом (табл.1).

Последующий набор прочностных характеристик наблюдается в течение последующих трех недель. Это объясняется, по-видимому, последующими медленно протекающими процессами анионной полимеризации метилметакрилата. Введение небольшого количества кремнийорганических модификаторов на первом этапе приводит к существенному повышению предела прочности при сжатии отвержденной композиции.

Рис.1. Зависимость прочностных характеристик от содержания модификатора: 1-выдержка 14 суток, 2 - выдержка -28 суток, 3 –выдержка – 56 суток

Рассматривая зависимость прочностных характеристик от содержания модификатора (рис.1) можно заметить, что максимум прочностных характеристик приходится при содержании 2,5 – 3,0 м.ч. ПФСС на 100 м.ч. связующего.

Появление максимума связано, по-видимому, с частичной сшивкой полимерной матрицы за счет наличия в используемых кремнийорганических смолах значительного количества реакционноспособных групп. Кроме этого возрастание прочности проявляется и за счет аппретирующего эффекта, достигаемого взаимодействием силанольных групп на поверхности кварцевого песка с гидроксильными группами полифенилсилоксановой смолы. Однако при дальнейшем повышении концентрации кремнийорганических смол наблюдается спад прочностных характеристик отвержденных композиций. Это должно быть связано с тем, что при превышении содержания ПФС более 3 м.ч., избыток не вступившей в реакцию смолы начинает выступать в роли самостоятельного связующего. А так как физико-механические свойства ПФС крайне низки, то следует ожидать, что и дальнейшее повышение содержания кремнийорганической смолы в связующем будет приводить к существенному ухудшению физико – механических характеристик композиции.

При введении ПФС в композицию наблюдается снижение водопоглощения. Введение 5 м.ч. ПФС на 100 м.ч. связующего приводит к снижению водопоглощения практически в 4 раза по сравнению с композицией без кремнийорганической смолы. Для сравнения исследовалось водопоглощение той же ремонтной композиции, но с добавкой промышленного гидрофобизатора ГКЖ – 94. В этом случае водопоглощение снижается всего на 15 – 20% по сравнению с модификацией ПФСС при одинаковом соотношении модификаторов. Поэтому можно считать, что ПФСС является дополнительно и гидрофобизатором для рассматриваемой рецептуры. Обратного эффекта – повышения прочностных характеристик за счет введения в ремонтный состав гидрофобизирующей кремнийорганической жидкости – не наблюдалось.

Адгезия — это связь между приведенными в контакт разнородными поверхностями. Причины возникновения адгезионной связи — действие межмолекулярных сил или сил химического взаимодействия. Адгезия обусловливает склеивание твердых тел — субстратов — с помощью клеющего вещества — адгезива, а также связь защитного или декоративного лакокрасочного покрытия с основой. Адгезия играет также важную роль в процессе сухого трения. В случае одинаковой природы соприкасающихся поверхностей следует говорить об аутогезии (автогезии), которая лежит в основе многих процессов переработки полимерных материалов[7].

Адгезионные свойства полимеров зависят от формы молекулы, т.е. от пространственного расположения структурных элементов цепи. Положительное влияние оказывает гибкость цепей и большая плотность упаковки. Определенное влияние на адгезию оказывает молекулярная масса полимеров. Полимеры с малой молекулярной массой в большинстве случаев имеют хорошие адгезионные свойства, и наоборот, полимеры с высокой молекулярной массой характеризуются недостаточной адгезией. Однако возможно оптимальное значение молекулярного числа, полученного в результате полимеризационных или поликонденсационных процессов, когда адгезия будет достаточно высокой. На адгезионные свойства полимеров большое влияние оказывают ряд технологических факторов и их различное сочетание. Разница в температурных коэффициентах линейного расширения полимера и восстанавливаемого материала, иногда приводящая к разрушению соединения, может быть уменьшена наполнителем и модификатором [8].

В данной работе адгезионные характеристики (предел прочности при отрыве) к различным строительным материалам определялись путем нанесения тонкого слоя ремонтной композиции на соответствующую подложку, приклеиванию через 30 суток к отвержденному составу цианакрилатным клеем стальных грибков и последующему их отрыву адгезиметром. Исследования показали, что влияние ПФС в приведенном диапазоне исследований незначительно (табл.2).

Таким образом, проведенные исследования показали, что введение небольшого количества кремнийорганического модификатора позволяет существенным образом повысить эксплуатационные характеристики ремонтных композиций на основе ММА.