5 Сырье и полуфабрикаты для производства ГИМ
Используются органическое сырье: битумы, дегти, полимеры, растворители, пластификаторы и др.; неорганические – порошкообразные и волокнистые наполнители, посыпочные вещества: песок, отходы слюды, мелкозернистый щебень и т.п.
5.1 Органические вяжущие вещества
К органическим вяжущим относят вещества на основе высокомолекулярных углеводородов. Основными из них являются битумы, дёгти, полимеры.
5.1.1 Битумы
5.1.1.1 Химический и групповой состав
Химический состав битумов, %: С – от 70-80; Н – от 10 до 15; О – от 5 до 10; S – от 1 до 5; N – до 1. S , N , O – входят в состав активных функциональных групп.
В состав битумов входят углеводороды метанового (CNH2N+2), нафтенового (CNH2N) и ароматического (CNH2N-6) рядов. В состав основной части молекул битума входит от 25 до 150 атомов углерода. Молекулярная масса составляет от 400 до 5000 кислородных единиц.
Ароматические углеводороды более устойчивы к атмосферным воздействиям. Метановые (парафины) имеют прямую цепь; при охлаждении способны выкристаллизовываться, ухудшая свойства битумов.
Нафтеновые углеводороды при окислении частично переходят в смолы.
Свойства битумов определяются их групповым составом, который устанавливают по различию растворимости битумов в органических растворителях и адсорбируемости на различных адсорбентах.
Групповой состав битумов представлен маслами, смолами, асфальтенами, карбенами, карбоидами, асфальтогеновыми кислотами, парафинами.
Указанные компоненты группового состава различаются между собой химическим составом, длиной и типом молекулы, свойствами, содержанием в битуме.
Масла – растворяются в бензине или эфире. Молекулярная масса – от 300 до 600; содержание в битуме – от 30 % до 60 %.
Смолы – молекулы циклические или гетероциклические, молекулярная масса – от 600 до 1000; высокое содержание S, O, N обусловливает их повышенную поверхностную активность (адгезию); содержание в битумах – от 20 % до 40 %.
Асфальтены – твердые неплавкие вещества плотностью более 1 г/см3, молекулярная масса изменяется от 1200 до 6000; в бензине нерастворимы; растворимы в хлороформе и горячем бензоле; содержание в битуме – от 10 % до 40 %; повышают температуростойкость, вязкость и твёрдость битумов; под действием ультрафиолета переходят в карбены.
Карбены и карбоиды – содержатся в крекинг-битумах в количестве от 1 % до 3 %. По свойствам карбены близки асфальтенам, но содержат больше углерода и имеют большую плотность; растворимы только в сероуглероде CS2. Карбоиды не растворимы в известных растворителях.
Асфальтогеновые кислоты растворяются в этиловом спирте, полярны, относятся к ПАВ. Содержание в битумах достигает 3 %. Обеспечивают высокую адгезию битумов к каменным материалам.
Парафины – твердые метановые углеводороды. Ухудшают свойства битумов (повышают хрупкость). В битумах содержатся в количестве от 6 % до 8 %.
По внутреннему строению битумы – коллоидная система, дисперсной средой в которой является раствор смол в маслах, а дисперсной фазой – асфальтены, карбены и карбоиды с размером частиц от 18 до 20 мкм.
5.1.1.2 Получение битумов
Природные битумы образовались из нефти под воздействием биологических и климатических факторов, в результате чего из нефти частично испарялись лёгкие соединения, происходили процессы окисления и полимеризации.
Содержатся в пористых горных породах либо скапливаются на поверхности земной коры в виде озёр. Содержание битума в породах составляет от 5 % до 20 %.
Нефтяные битумы получают при переработке нефти следующими способами:
1) атмосферно-вакуумной перегонкой получают остаточные битумы – гудроны;
2) окислением нефтяных остатков (гудронов) кислородом воздуха – окисленные битумы;
3) окислением (путём продувки воздухом) крекинг-остатков, образующихся при переработке мазута способом крекинга (при высоких температурах и давлениях) – крекинговые битумы.
Наиболее распространены окисленные битумы. Характер процесса окисления определяется исходной температурой размягчения гудрона (от 18 °С до 22 °C по КиШ – прибору «кольцо и шар»), расходом воздуха, продолжительностью и температурой окисления (от 250 °С до 280 °C).
Окисление может осуществляться в аппаратах периодического либо непрерывного действия. Агрегатами периодического действия являются аппараты полуколонного типа, при объединении их в группу из трёх аппаратов они могут работать по непрерывной схеме.
Схема работы аппарата полуколонного типа представлена на рисунке 25, а конструктивные особенности подобных аппаратов на рисунке 26. Технологическая схема окисления битума в этих установках изображена на рисунке 27.
Рисунок 25 – Полуколонный аппарат
1- корпус; 2 – штуцер для отвода газа; 3 – стояк; 4 – часть стенки корпуса; 5 – маточник
Рисунок 26 – Схема маточников (барботеров) в горизонтальном (а) и вертикальном (б) конвертерах
Аппарат полуколонного типа представляет собой вертикально расположенный цилиндрический сосуд диаметром 2,5 м и высотой 15 м. Рабочая вместимость 50 м3. По центру расположена труба для подачи воздуха, которая до дна не доходит на расстояние от 0,5 до 0,6 м и заканчивается крестообразным барботёром. Последний имеет отверстия, расположенные под углом 30° к осям труб. Через отверстия подаётся воздух под давлением 0,2 МПа, под действием струй которого битум приводится во вращение, а воздух поднимается вверх, насыщая и окисляя битум.
1 – битумный куб; 2 – труба для отвода отработанного воздуха и газа; 3 – труба для подачи воздуха; 4 – компрессор; 5 – воздушная магистраль; 6 – насосы; 7 – магистраль для подачи битума; 8 – холодильник для охлаждения битума; 9 – маточник; 10 – газосборник; 11 – дымовая труба; 12 – теплообменник (ёмкость) для тяжелого нефтяного остатка; 13 – магистраль для подачи гудрона; 14 – раздаточник
Рисунок 27 – Технологическая схема производства окисленного битума в установках периодического действия
Горизонтальные конвертеры имеют емкость 35 м 3, диаметр 3 м и длину 5 м.
Внутри конвертера на расстоянии от 0,3 до 0,5 м от дна расположены две трубы с отверстиями, направленными вниз под углом 45 °. Размеры отверстий увеличиваются от середины к концам труб. Эти трубы-маточники (барботеры) по середине соединены общим патрубком с приваренным к нему стояком (такая же труба). Конец стояка выведен наружу, по нему подается воздух от воздуходувки в барботеры. Вверху корпуса имеется штуцер для отвода газов из конвертера, люк с крышкой для наблюдения и штуцеры для установки измерительных приборов. Конвертеры облицованы кирпичом; снизу имеются топки для сжигания топлива – газа или мазута.
1 – ёмкость для сырья; 2 – компрессорная установка; 3 – воздушная магистраль; 4 – паровая магистраль; 5 – обратная воздушная магистраль с ловушками; 6 – битумные кубы; 7 – насос; 8 – аварийная ёмкость; 9 – парообразователь; 10 – раздаточник; 11 – подающая магистраль; 12 – обратная магистраль; 13 – насос; 14 – куб
Рисунок 28 – Технологическая схема производства окисленного битума в установках непрерывного действия
Нефтяной битум более высокого качества получается в аппаратах трубчатого типа, работающих по непрерывной схеме. Трубчатый реактор состоит из серии вертикальных труб диаметром 200 мм и высотой 10 м, соединенных между собой переходными звеньями. Общая длина труб реактора – 310 м, рабочая вместимость – 9,75 м3.
С одного конца реактора осуществляется подача в него воздуха и битума – исходного и рециркулята, – а другой конец реактора соединен с сепаратором, где происходит отделение газа от битума. Газ сжигается в печи дожига, а битум частично идет на рециркуляцию, а частично в продуктовый бак.
1 – реактор; 2 – сепаратор; 3 – циклонная печь; 4 – продуктовый бак; 5 – продуктовый насос; 6 – насос сырьевой паровой; 7 – насос циркуляционный паровой; 8 – электродвигатель
Рисунок 29 – Аппарат трубчатого типа
Реакция окисления протекает при температуре от 260 °C до 270 °С. Производительность реактора – от 15 до 17 т/ч при получении битума с температурой размягчения в интервале от 85 °C до 95 °С по КиШ. Рециркуляция окисленного битума позволяет обеспечить устойчивость процесса окисления битума в реакторе. Чем больше кратность циркуляции, тем устойчивее протекает процесс окисления. Но увеличение коэффициента кратности циркуляции повышает расход электроэнергии, поэтому значение коэффициента поддерживают в пределах от 6 до 10.
5.1.1.3 Свойства битумов
Свойства зависят от структуры, состава и температуры. Полярность молекул характеризует распределение электрических зарядов на молекулах компонентов битумов. Она определяет адгезию, когезию, величину и скорость смачивания.
О полярности органических вяжущих судят по коэффициенту растворимости, рассчитываемому по формуле
где А – растворимость битума в метиловом спирте, %;
В – растворимость битума в бензоле, %.
Для нефтяных битумов значения коэффициента растворимости α изменяются от 5 до 35. Чем больше коэффициент растворимости, тем выше полярность и тем лучше сцепление битума с минеральными материалами. Адгезия битумов в отношении каменных материалов оценивается по сохранению плёнки на щебне в процессе кипячения его зёрен в воде.
Вязкость вязких битумов определяется по глубине проникновения иглы в битум в течение 5 с при температуре 25 °C либо в течение 60 с при температуре 0 °C. Определяемая при этом пенетрация является величиной обратной вязкости. Переход от пенетрации к динамической вязкости осуществляется по формуле Зааля
где ηн – динамическая вязкость, Па∙с;
П – пенетрация , град.
Вязкость жидких битумов характеризуется временем истечения, с, определённого количества битума через отверстие вискозиметра при стандартной температуре. Обозначение вязкости C525 либо C1060, где верхний индекс характеризует диаметр отверстия, мм; нижний – температуру испытания °С.
При повышении температуры вязкость битумов снижается. Графическая зависимость вязкости битумов от температуры представлена на рисунке 30.
Рисунок 30 – Изменение вязкости битумов при нагревании
Пластичность вязких битумов характеризуется их растяжимостью (дуктильностью). Определяется при температурах 0 °C и 25 °С и обозначается D0 и D25; измеряется в см.
Температура размягчения характеризует переход битума из твёрдого или вязкопластического состояния в жидкое. Определяется на приборе “кольцо и шар” (КиШ).
Переход битума в хрупкое состояние наблюдается при температуре затвердевания, которую определяют на приборе Фрааса, схема которого представлена на рисунке 31. Ей соответствует появление первой трещины в слое битума, нанесённого на стальную пластинку, подвергаемую изгибу при охлаждении со скоростью 1 °C в минуту. Чем ниже температура хрупкости, тем более трещиностойки материалы на основе этого вяжущего.
Количественной характеристикой вязкого состояния является интервал пластичности – разность температур размягчения и хрупкости битумов. Чем больше интервал, тем выше качество битума.
1 – сосуд Дьюара; 2 – пробирка; 3 – соосные трубки; 4 – захваты; 5 – латунная пластинка с испытуемым образцом; 6 – термометр; 7 – механизм перемещения внутренней трубки
Рисунок 31 – Прибор для определения температуры хрупкости битума (Фрааса)
Теплоустойчивость битумов характеризуется не только температурой размягчения, но и индексом пенетрации
где А – коэффициент, рассчитываемый по формуле
где П25 – пенетрация при 25 °C;
tp – температура размягчения, С по КиШ.
Битумы с ИП менее 2 имеют повышенную чувствительность к изменению температуры, а с ИП более 2 характеризуются высокой термоустойчивостью и малой хрупкостью при низких температурах.
Температура вспышки определяется нагревом открытого тигля с битумом. Периодически к поверхности битума подносят зажженную спичку. За характеристику принимают температуру, при которой пары образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени.
Начальную температуру, когда пламя держится более 5 с, называют температурой воспламенения.
Теплопроводность битума составляет от 1,45 до 1,47 Вт/(м∙К).
В зависимости от основных свойств и назначения битумы подразделяют на следующие разновидности и марки.
Нефтяные дорожные: БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300, БН 60/90, БН 90/130, БН 130/200, БН 200/300 [24].
Цифры дроби показывают на допустимые для данной марки пределы показателей пенетрации при 25 °C.
Кровельные и гидроизоляционные битумы: пропиточные – БНК-40/180 и БНК45/190; покровные – БНК-90/40 и БНК-90/30 [12]. Числитель дроби указывает среднее значение показателей температуры размягчения, в °С, знаменатель – среднее значение пенетрации при 25 °C.
Твердые строительные битумы: БН 50/50, БН 70/30, БН 90/10 предназначены для изоляции нефте- и газопроводов [10]. Числитель указывает температуру размягчения, а знаменатель – средние значения пределов изменения пенетрации.
Битумы нефтяные изоляционные: БНИ-IV-3, БНИ-IV, БНИ-V; применяют для изоляции трубопроводов от коррозии [13].
Битумы хрупкие марок Б, В и Г выпускают для лакокрасочной промышленности [22]. Характеризуются высокой температурой размягчения (от 100 °С до 135 °C), малой пенетрацией (от 5° до 10°) при 25 °С, полной растворимостью в льняном масле.
Жидкие битумы при нормальных условиях характеризуются жидкой консистенцией [16]. В зависимости от класса и вязкости различают марки:
– среднегустеющие – СГ 40/70 , СГ 70/130, СГ 130/200;
– медленногустеющие – МГ 40/70, МГ 70/130, МГ 130/200, МГО 40/70, МГО 70/130, МГО 130/200. Битумы марок МГО получают из остаточных или частично окисленных нефтепродуктов или из их смесей.
Цифры в маркировке – условная вязкость по вискозиметру с отверстием 5 мм при температуре 60 °C.
Битумы класса СГ – среднегустеющие, получают разжижением вязких дорожных битумов легкими фракциями нефтепродуктов; классов МГ и МГО – медленногустеющие. Битумы класса МГ получают разжижением вязких дорожных битумов жидкими нефтепродуктами.
При получении битумов класса СГ в качестве разжижителя используют бензин, лигроин, керосин; при получении медленногустеющих – масляные нефтепродукты, природные смолистые нефти, мазут.
При разжижении битумов вязкие битумы нагревают до температуры от 80 °C до 90 °С, если применяют лёгкие разжижители, и от 130 °C до 140 °С при использовании более тяжелых разжижителей. Последние также предварительно нагревают в отдельной емкости, а затем добавляют в разжижаемый битум при перемешивании.
Жидкие битумы используют как подогретыми до 100 °C, так и в холодном состоянии (при температуре от 15 °С до 20 °C). Со временем жидкие битумы загустевают за счет испарения летучих фракций, окисления и других процессов.
К основным свойствам жидких битумов относят условную вязкость, скорость загустевания, свойства остатка после испарения летучих фракций (температура размягчения), адгезию, температуру вспышки, погодоустойчивость.
5.1.2 Дёгти
5.1.2.1 Химический и групповой состав
Дёгти состоят из высокомолекулярных углеводородов, в основном ароматического ряда, и их производных, т.е. соединений углеводородов с S, N, O.
Дёгти характеризуются переменным групповым составом, который определяют при фракционной разгонке.
В дёгтях содержатся:
– твёрдые углистые неплавкие вещества, нерастворимые в органических растворителях – “свободный углерод”;
– твёрдые неплавкие дёгтевые смолы, растворимые в пиридине;
– вязкопластичные плавкие дёгтевые смолы, растворимые в бензоле и хлороформе (придают дёгтям эластичность);
– жидкие дёгтевые масла (лёгкие – с температурой кипения ниже 170 °C, средние – от 170 °С до 270 °C, тяжёлые – от 270 °С до 300 °C, антраценовые – от 300 °С до 360 °C). При перегонке сырых дегтевых смол получают жидкие фракции и твердый остаток – пек. Пек – черная хрупкая масса плотностью от 1,25до 1,3 г/см3. В его состав входят смолистые вещества, свободный углерод и дисперсные частицы угля и кокса.
Дегти – сложная дисперсная система, в которой средой являются масла, а дисперсной фазой – “свободный углерод” и твердые смолы. На поверхности частиц углерода находятся слои молекул вязкопластичных смол, кислых и основных веществ. В дегте имеются как анион-, так и катионактивные вещества, благодаря которым дегти имеют хорошую адгезию как к основным, так и к кислым подкладкам. В присутствии ПАВ дегти быстро окисляются и полимеризуются, а, следовательно, и стареют быстрее, чем битумы. Их структура менее устойчива, чем у битумов.
Примерный состав каменноугольных дёгтей, %:
– дёгтевые масла – от 60 до 80;
– вязкопластичные смолы – от 10 до 15;
– твёрдые смолы – от 5 до 10;
– свободный углерод (нерастворимая часть) – от 5 до 25;
– нафталин – не более 7;
– антрацен – не более 10;
– фенолы – не более 5.
5.1.2.2 Получение дёгтей
Дегти производят главным образом из каменных обогащённых углей в процессе коксования последних. В зависимости от конструкции печи процесс может протекать при различных температурных режимах:
– высокотемпературный – от 1250 °C до 1300 °С;
– среднетемпературный – от 1100 °С до 1200 °C;
– низкокотемпературный – от 500 °C до 700 °С.
Чем ниже температура переработки, тем в большем количестве образуются летучие вещества, которые направляются в холодильники и конденсируются. В состав конденсата входит сырой дёготь и аммиачная вода. Выход дёгтя около 5 % от массы угля.
Отделение дёгтей от воды осуществляется в дёгтеотстойниках, из которых дёготь направляется в дёгтеперегонную установку. Дёгтеперегонные установки бывают периодического и непрерывного действия.
Установка периодического действия, схема которой представлена на рисунке 32, имеет в своём составе теплообменник-обезвоживатель, из которого обезвоженный дёготь направляется в перегонный куб, а пары воды в холодильник, а затем в виде конденсата в накопительную ёмкость. Из перегонного куба, имеющего автономный подогрев, пары дёгтя отправляются в теплообменник-обезвоживатель, а затем в холодильники, а из них конденсат сливается в сборники продуктов перегонки, в каждом из которых собирается определённая фракция. Отбор фракций осуществляется поочерёдно от низкотемпературной к высокотемпературной.
По окончании перегонки в кубе остаётся пек, который затем сливается в пекотушитель (пеки воспламеняются при температуре около 400 °C).
5.1.2.3 Свойства дёгтей
Свойства дёгтей зависят от их состава и структуры. Основным свойством является вязкость, быстро понижающаяся при повышении температуры. Условная вязкость характеризуется временем истечения в секундах 50 мл дёгтя через отверстие диаметром 5 или 10 мм при температурах 30 °C или 50 °С. Определение проводят на стандартных вискозиметрах. В зависимости от вязкости выделяют марки: Д1, Д-2, Д-3, Д-4, Д-5 и Д-6.
Для получения дёгтя требуемой вязкости часто сплавляют два дёгтя различной вязкости либо сплавляют дёготь с пеком. Такие дёгти называют составленными, в то время как полученные перегонкой – отогнанные.
Дёгти – биостойки, имеют чёрный цвет, токсичны. Температура вспышки – от 150 °C до 190 °С, а воспламенения – от 180 °C до 270 °С. Истинная плотность – от 1,1 до 1,3 г/см3.
Вследствие испарения легколетучих фракций, а также окисления и полимеризации ненасыщенных высокомолекулярных углеводородов дёгти быстро стареют и теряют погодоустойчивость.
Для повышения вязкости, теплоустойчивости и улучшения других свойств в каменноугольную смолу или низкомарочный дёготь при температуре от 180 °С до 200 °C вводят серу и серусодержащие материалы. При этом наблюдается дегидратация углеводородов и изменение межмолекулярных связей.
1, 2 – сборники продуктов перегонки; 3, 4 – водяные холодильники; 5 – теплообменник-обезвоживатель; 6 – шлемовая труба; 7 – вертикальный куб; 8 – сливная труба;
9 – пекотушитель; 10 – пековая емкость
Рисунок 32 – Технологическая схема дегтеперегонной установки периодического действия
Улучшения качества дёгтей также достигают введением минеральных дисперсных наполнителей в количестве до 30 % (молотый известняк, доломит, каменноугольная и цементная пыль). Такие дёгти называют наполненными. Их марки: ДН-7 с вязкостью C1050 от 3 до 70 с и ДН-8 с вязкостью C1050 от 70 до 120 с.
5.1.3 Основные мономеры, олигомеры, полимеры и сополимеры
В технологии гидроизоляционных материалов всё большее применение находят полимеры, которые используются в качестве добавок в ГИМ.
Исходным сырьем для получения полимеров являются мономеры и олигомеры. Мономеры представляют собой простейшие углеводороды с различным характером цепи. Простейшим из них является метан СН4, молекулы которого не склонны к полимеризации.
Более сложные углеводороды с многоатомными цепями уже обладают способностью к полимеризации. Различают мономеры:
1) с неразветвлёнными (нормальными) цепями, например, этан Н3С – СН3 , пропан Н3С – СН2 – СН3, бутан Н3 С – СН2 – СН2 – СН3 и т.д.;
2) с разветвлёнными цепями, например,
3) с кольцевыми (циклическими) цепями, например,
Углеводороды с насыщенными связями обладают малой химической активностью. Углеводороды с разветвлёнными цепями называют парафинами, а с кольцевыми – циклопарафинами. Они входят в состав битумов, существенно снижая их активность.
Благодаря способности атомов углерода соединяться между собой не только одной, но и несколькими валентностями, в молекулах углеводородов могут наблюдаться как двойные, так и тройные связи. Такие углеводороды называются ненасыщенными. В качестве примера можно рассмотреть: этилен Н2С = СН2 – с двойной связью; ацетилен НС ≡ СН – с тройной связью и циклическое соединение – бензол – с двойными связями
Соединения, содержащие двойные и тройные связи, легко вступают во взаимодействие с другими веществами либо между собой; при этом наблюдается процесс полимеризации, т.е. увеличения длины цепи и образования полимера. Полимер со сравнительно короткой цепью – три, пять и более мономеров – носит название олигомера.
Как правило, полимеры наряду с углеводородом и водородом в своей цепи содержат и другие атомы в виде так называемых функциональных групп, например, CI, NO, O, NH2, SH, N, SO3H, NO2, COH, CO, COOH.
Сополимеры – полимеры, получаемые совместной полимеризацией двух и более различных мономеров, что обеспечивает приобретение ими комплекса более универсальных свойств.
Наибольшее распространение в технологии ГИМ имеют следующие полимеры.
Полиэтилен [ – CH2 – CH2 – ]n.
Относится к термопластичным полимерам, т.е. при нагревании размягчается, а при охлаждении затвердевает, причём такое превращение может наблюдаться многократно.
Полиэтилен получают из этилена способом полимеризации тремя методами: 1) при высоком; 2) при среднем; 3) при низком давлении. Полиэтилен низкой плотности и высокой эластичности, т.е. наиболее ценный, получают при высоком давлении (от 120 до 250 МПа) и повышенной температуре (от 170 °C до 270 °С). В технологии ГИМ полиэтилен используют в виде пленок, лент, защитных покрытий. Может входить в состав смешанного вяжущего. Химически стоек, но теряет эластичность и стареет на свету и под действием кислорода.
Полипропилен
Относится к термопластичным полимерам. Используют при изготовлении пленок для парогидроизоляции, листов для облицовки ёмкостей с агрессивными жидкостями. Также как и полиэтилен, быстро стареет и становится хрупким под действием кислорода и ультрафиолетовых лучей.
Процессы старения замедляются при вводе в полиэтилен от 2 % до 3 % сажи, фенолов и аминов, а в состав полипропилена – от 1 % до 2 % пигментов.
Поливинилхлорид [– CH2 – CHCl – ] n
Термопластичный полимер, растворяется в органических растворителях. При нагревании до температуры от 140 °C до 150 °С разлагается с выделением хлористого водорода. Обладает низкой светостойкостью, хрупкостью при отрицательной температуре, низкой адгезией к другим материалам. Для гидроизоляции используют в виде плёнок, листов, прокладок.
Полиизобутилен
Представляет собой продукт полимеризации изобутилена – газа, получаемого при крекинге нефти. Относится к каучукоподобным термопластам. Для гидроизоляции применяют высокомолекулярный полиизобутилен (молекулярная масса от 150000 до 225000), близкий по своим свойствам к каучуку, с высокой химической стойкостью, водонепроницаемостью, но с низкой атмосферостойкостью. Растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах. Обладает хорошей, холодной адгезией к металлу и бетону.
Для гидроизоляции применяют в виде листов и плёнок, для изготовления нетвердеющих герметиков, в качестве добавки к битумам. Асфальтобетоны на таких битумах имеют повышенные упругоэластические свойства, прочность и водоустойчивость.
Поливинилацетат
Получают полимеризацией винилацетата, который в свою очередь синтезируют из ацетилена и уксусной кислоты. Используется в виде водной дисперсии в качестве связующего водоэмульсионных красок при производстве полимерцементных и полимербетонных материалов, клеящих мастик.
Полистирол – является полимером стирола.
Выпускается эмульсионный, в виде порошка, либо "блочный" – прозрачное твердое вещество. Молекулярная масса от 50000 до 300000. Стоек к действию воды, минеральных кислот, щелочей. Имеет высокую прочность, светостоек. Легко перерабатывается литьем под давлением при температуре от 180 °С до 230 °C. Хорошо склеивается синтетическими клеями, но он горюч, хрупок, имеет низкую теплостойкость. Используется в гидроизоляционных покрытиях в виде пленок.
Улучшение свойств полистирола достигают путем его сополимеризации с другими мономерами, каучуками, введением волокнистых наполнителей.
Полиакрилаты – полимеры производных акриловой и метакриловой кислот, чаще всего используют метилметакрилаты и акрилонитрил.
Метилметакрилат представляет собой бесцветную жидкость.
Акрилонитрил CH2 = CН – CN также бесцветная жидкость.
Получение полиметилметакрилата осуществляют блочным, суспензионным и эмульсионным способами.
Полиакрилаты представляют собой прозрачные твердые, эластичные или мягкие термопластичные полимеры. Обладают высокой водо-, тепло- и химической стойкостью, свето- и атмосферостойкостью.
Листовой полиметилметакрилат используют для изготовления светопрозрачных ограждений, а эмульсионный – для изготовления лаков, красок, добавок в бетоны.
Полиуретан – гетероцепные полимеры; в основной цепи макромолекулы наряду с углеродом содержат кислород и азот. Получают путем ступенчатой полимеризации диизоцианитов с многоатомными спиртами. В зависимости от вида исходного сырья могут быть термопластичными или термореактивными. Характеризуются достаточно высокой химической стойкостью, устойчивостью против действия кислорода и озона. Растворяются фенолами, концентрированными серной и муравьиной кислотами. Имеют высокую механическую прочность.
Используются для изготовления клеев, лакокрасочных покрытий, герметиков, гидроизоляционных пленок.
Инден-кумароновые полимеры – смеси продуктов полимеризации индена и кумарона. Инден С9Н8 и кумарон С8Н6О – бесцветные маслянистые жидкости, являющиеся продуктами переработки каменноугольных и сланцевых смол и нефти. Полимеры представляют собой твердые продукты, молекулярной массой от 1000 до 3000 и плотностью от 1050 до 1200 кг/м3. Хорошо растворяются в органических растворителях (бензол, толуол, скипидар); при нагревании совмещаются с растительными маслами, синтетическими жирными кислотами. Могут быть получены и в виде смол.
Используют для изготовления лаков, красок, клеевых мастик, плиток для полов.
Фенолформальдегидные полимеры получают реакцией поликонденсации, которая протекает по механизму замещения и сопровождается выделением низкомолекулярных побочных продуктов (воды, спирта, аммиака и др.). Могут быть получены термопластичными (новолачные) и термореактивными (резольные).
Реакция образования полимера протекает по схеме
6 H
5 OH + n CH
2O → [ – C
6 H
3 OH – CH
2 – C
6 H
3 OH ]
n + n H
2 O (11)
Новолачные полимеры и олигомеры – твердые вещества, хорошо растворимые в ацетоне, метиловом и этиловом спиртах и нерастворимые в ароматических углеводородах. Резольные олигомеры и особенно полимеры – химически более стойки; характеризуются и большей теплостойкостью. Перевод новолачных олигомеров в резольные осуществляют вводом отвердителя – уротропина (от 10 % до 15 %).
Применяют для изготовления твердеющих мастик, лаков, клеев, пластмасс.
Фурановые полимеры получают в результате взаимодействия фурфурола С5Н4О2 либо фурилового спирта С5Н6О2 с ацетоном СН3СОСН3. При этом получаются фурфуролацетоновые олигомеры (низкомолекулярные полимеры), которые хорошо сочетаются с различными термопластичными и термореактивными полимерами, синтетическими каучуками и битумами.
При повышении температуры они переходят в неплавкое и нерастворимое (термореактивное) состояние без отвердителей. Используют в качестве связующего полимербетонов, противокоррозионных мастик, при производстве клеев и лаков.
Эпоксидные полимеры – отвержденные продукты, получаемые на основе соединений, содержащих эпоксидную группу
Сначала получают эпоксидные олигомеры с низкой молекулярной массой (от 400 до 600), представляющие собой вязкие жидкости. Превращение олигомера в нерастворимое состояние (полимер) происходит как на холоде, так и при повышенных температурах, в зависимости от вида отвердителя. Отверждение олигомера не сопровождается образованием побочных продуктов.
Эпоксидные полимеры менее хрупки, чем другие, например фенолформальдегидные; имеют высокую прочность – от 100 до 130 МПа при сжатии; химически и водостойки.
Олигомеры выпускают немодифицированными и модифицированными каучуками, фторопластами и др.
В строительстве используют для изготовления плёнок, лаков, герметиков.
Кремнийорганические полимеры (полиоргансилоксаны) – высокомолекулярные соединения, содержащие в основной цепи макромолекул атомы кремния.
Исходными компонентами для их производства служат алкил(арил)хлорсиланы и замещенные эфиры ортокремневой кислоты. Алкил (арил) хлорсиланы R-Si-Cl3, R2-Si-Cl2, R3-Si-Cl (где R – органический радикал) – бесцветные жидкости. Замещённые эфиры ортокремневой кислоты R-Si-(OR)3, R-Si-(OR')2, R-Si-OR'' – также бесцветные жидкости.
Процесс синтеза полимеров сводится к поликонденсации исходных вышеперечисленных компонентов. В зависимости от свойств исходных веществ образуются как термопластичные, так и термореактивные полимеры жидкой, высокоэластичной или твёрдой консистенции.
Для изготовления лаков твёрдые полимеры растворяют в толуоле.
Полиоргансилоксаны – нетоксичны, не обладают коррозионной активностью, плотность от 920 до 2000 кг/м3, водо- и термостойки.
Для гидроизоляции используют кремнеорганические жидкости ГКЖ-10, ГКЖ11, ГКЖ-94 и ГКЖ-94М, представляющие собой растворы в органических растворителях либо водные эмульсии этих растворов.
Недостаток полиоргансилоксанов – слабая адгезия к древесине, металлам и ряду других материалов. Полимеры можно использовать для изготовления низкомолекулярных каучуков, герметизирующих мастик.
Синтетические каучуки
Представляют собой продукты полимеризации мономеров: бутадиена, дивинила, стирола, акрилонитрила, хлоропрена, изобутилена, дихлорэтана, силанов, изоцианитов, фторсоединений и др.
Основной способ их производства – полимеризация в водных эмульсиях. Выпускают в виде водных дисперсий (латексов), а также в виде кусков, брикетов, полотнищ, скатанных в рулоны.
Структура каучуков линейная; макромолекулы его представляют собой гибкие длинные цепи, чем и объясняется эластичность каучуков.
В промышленности каучуки в чистом виде практически не применяют. Более популярны резина или вулканизированный каучук. Вулканизация заключается в сшивке линейных молекул каучука поперечными связями и осуществляется с помощью вулканизаторов (как правило, серы) и ускорителей вулканизации (окись цинка, тиурам, дифенилгуанидин).
Каучуки используют при производстве гидроизоляционных и герметизирующих материалов, клеев, водоэмульсионных красок, полимербетонов.
В технологии ГИМ наибольшее распространение получили следующие разновидности каучуков.
Хлорпреновый каучук. Имеет высокую свето- и атмосферостойкость, хорошую эластичность, прочность. Наиболее дешевыми с высокой адгезией хлорпреновыми каучуками являются наириты; добавленные в небольшом количестве в виде латекса в битум они существенно улучшают его растяжимость. Их используют и для изготовления герметиков.
Тиоколовые или полисульфидные каучуки. Имеют высокую морозостойкость, стойкость к органическим растворителям, но теплостойкость и атмосферостойкость у них ограничены. Применяют для изготовления герметизирующих замазок и мастик, в качестве антикоррозионного покрытия, наносимого газопламенным напылением.
Бутилкаучук. Продукт сополимеризации изобутилена и изопрена. Может вулканизироваться, имеет высокую химическую стойкость. Относительное удлинение от 600 % до 750 %, предел прочности при растяжении от 12,8 до 19,2 МПа. Используют при изготовлении герметизирующих мастик и прокладок.
Бутадиеновые каучуки. Являются наиболее распространёнными. До 90 % синтетических каучуков выпускаются с использованием бутадиена. Из них наиболее широко используемым является бутадиенстирольный СКС-30. Характеризуется большой эластичностью, теплостойкостью.
В гидроизоляционных работах каучуки чаще всего используются в виде синтетических латексов, представляющих собой водные дисперсии полимеров и синтетических каучуков. В состав латексов также входят эмульгаторы, противостарители, регуляторы полимеризации, а для улучшения качественных характеристик плёнок также вводят наполнители, смолы, пластификаторы.
5.1.4 Битумно-дегтевые вяжущие материалы
Получают смешением битумов с дегтями или с дегтевыми продуктами. Они обладают повышенной активностью к взаимодействию с минеральными материалами и органической основой (картон, ткань), более высокой смачивающей и адгезионной способностью, повышенной биологической и химической стойкостью.
Содержание дегтя не должно превышать значений от 20 % до 30 %, что обеспечивает устойчивость и однородность композиции. При увеличении количества дегтя следует выбирать маловязкие дегти, т.е. с малым содержанием «свободного углерода», который повышает вязкость и температуру размягчения дегтевых материалов. При смешивании битумов с дегтевыми маслами достигается полная смешиваемость при высоких концентрациях масел.
К битумно-дегтевым материалам может быть отнесен гудрокам. Имеет повышенную биологическую и химическую стойкость, эластичность, адгезию; однороден; сохраняет свойства при многократных разогревах. Получают совместным окислением гудрона или битума с антраценовым маслом (или другой антисептической добавкой) в реакторах периодического или непрерывного действия. Технологическая схема производства гудрокама в трубчатом реакторе непрерывного действия представлена на рисунке 33.
Окисление циркулирующей массы до необходимой вязкости гудрокама проводится при температуре от 240 °C до 250 °С воздухом, подаваемым через смеситель из компрессора. При совместном окислении вяжущее имеет повышенную термостойкость, более стойко к атмосферным воздействиям.
Гудрокампек получают окислением предварительно смешанного антраценового масла с пеком и битума. В дальнейшем технология гудрампека не отличается от таковой для гудрокама.
1 – битумохранилище; 2 – емкость дегтя; 3 – насосы; 4 – кран дозирующий; 5 – емкость предварительного смешения; 6 – аккумулятор; 7 – насос циркуляционный; 8 – печь трубчатая; 9 – кран для дозирования смеси в реактор; 10 – насос циркуляционный; 11 – реактор трубчатый; 12 – сепаратор; 13 – конденсатор; 14 – печь для сжигания газов; 15 – емкость для продукта; 16 – насос продуктовый
Рисунок 33 – Технологическая схема производства гудрокама в трубчатом реакторе
5.1.5 Битумно-резиновые вяжущие материалы
С целью повышения эластичности, теплостойкости, долговечности и прочности битумов в них вводят каучук или менее дефицитную регенерированную резину, получая таким образом битумно-резиновые или резиново-битумные вяжущие.
Получение регенерированной резины осуществляют из износившихся автопокрышек, содержащих более 50 % каучука, либо из отходов заводов резинотехнических изделий. Старую резину предварительно измельчают в крошку размером от 1,0 до 1,5 мм и очищают с помощью кислот и щелочей, нагревают, добавляют мягчители. При производстве гидроизоляционных материалов регенерация резины упрощается; на резину находящуюся в среде горячего битума или дегтя, воздействуют механически, что приводит к девулканизации резины.
Получение резиновой крошки из покрышек осуществляется следующим образом (рисунок 34):
1) от покрышек отрезают бортовые кольца;
2) режут покрышки ножницами на некрупные куски, которые затем подают на размалывающие вальцы, валки которых имеют винтовую нарезку на поверхности.
Конец ознакомительного фрагмента.