Materiały pomocnicze do nauki przedmiotu „Materiały budowlane” na kierunku
„Budownictwo” na Wydziale Inżynierii WAT.
Na prawach rękopisu. Prawa autorskie zastrzeżone. Wyrażam zgodę na
kserowanie wyłącznie na potrzeby studentów Wydziału Inżynierii WAT.
mgr inż. Tadeusz Błażejewicz
Edit by Kasieńka & Burson®
Na potrzeby grupy B8XXS1
TWORZYWA SZTUCZNE W BUDOWNICTWIE
1. TERMINOLOGIA.
Tworzywem sztucznym nazywa się materiał zawierający jako spoiwo
polimer
(substancję
organiczną
wielkocząsteczkową)oraz
ewentualnie
wypełniacze (mączki, włókna, tkaniny różnych rodzajów), plastyfikatory,
stabilizatory termiczne i świetlne oraz antyutleniacze, barwniki i inne dodatki
(antystatyczne, samogasnące, spieniające, biocydy itp.). Polimerami nazywa się
związki wielkocząsteczkowe o ciężarze cząsteczkowym powyżej 10000 (do
kilku milionów), o budowie liniowej, pierścieniowej lub przestrzennie
usieciowanej, o łańcuchach złożonych z atomów węgla (lub rzadziej krzemu).
Polimery o budowie liniowej (nie usieciowane przestrzennie, powstałe z
monomerów dwufunkcyjnych) są termoplastyczne (można je kształtować na
gorąco) i rozpuszczalne w rozpuszczalnikach o składzie zbliżonym do polimeru
(„podobne rozpuszcza podobne”), gdyż łańcuchy polimeru na gorąco lub w
rozpuszczalniku mogą się przesuwać względem siebie. Polimery o budowie
usieciowanej przestrzennie (z monomerów więcej niż dwufunkcyjnych) są
nietopliwe i nierozpuszczalne (przy słabym usieciowaniu mogą mięknąć na
gorąco i pęcznieć w rozpuszczalnikach). Polimery termoplastyczne można
wielokrotnie przerabiać na gorąco (możliwa regeneracja odpadów).
Istnieją 3 główne typy reakcji syntezy polimerów: polimeryzacja,
polikondensacja i poliaddycja. Te reakcje mogą też być prowadzone na placu
budowy przy utwardzaniu żywic chemoutwardzalnych, dlatego należy znać
podstawowe zasady prowadzenia w/w reakcji. Polimery otrzymane w procesie
polimeryzacji mają nazwy wywodzące się od nazwy monomeru i przedrostek
„-poli”, np.: polietylen, polipropylen, polistyren, polichlorek winylu, polioctan
winylu, poliamid, poliakrylany. Polimery uzyskane w reakcji polikondensacji
lub poliaddycji z monomerów więcej niż dwufunkcyjnych (tworzących lub
zdolnych do utworzenia więcej niż dwóch wiązań) noszą nazwę „żywice”:
żywice epoksydowe, żywice poliestrowe, żywice silikonowe, żywice fenolowo-
formaldehydowe, żywice mocznikowo-formaldehydowe, żywice melaminowo-
formaldehydowe, żywice poliuretanowe.
Polimeryzacja jest to proces łączenia się wielu cząsteczek takich samych
lub różnych monomerów (zawierających podwójne wiązania), któremu nie
towarzyszy wydzielanie się żadnych substancji ubocznych (procentowy skład
pierwiastkowy polimeru jest taki sam, jak monomeru). Polimeryzacja zachodzi
podczas utwardzania żywic poliestrowych. Inicjatorem reakcji może być ciepło
lub dodatek inicjatora, tj. substancji, która rozpada się na wolne rodniki
(cząsteczki z niesparowanym elektronem) inicjujące reakcję (nadtlenki lub
wodoronadtlenki). Ilość dodanego inicjatora może być różna – przy większych
ilościach reakcja biegnie szybciej, szybko wydziela się duża ilość ciepła
polimeryzacji, skurcz żywicy jest duży, a ciężar cząsteczkowy powstałego
polimeru jest mniejszy. Im wyższy ciężar cząsteczkowy polimeru, tym większa
wytrzymałość, większa twardość, wyższa odporność termiczna i większa
trwałość (bo wskutek starzenia cząsteczka polimeru rozpada się od końców, a
przy małym ciężarze cząsteczkowym zakończeń cząsteczek jest proporcjonalnie
więcej). Przy za małej ilości inicjatora może wystąpić niedotwardzenie żywicy.
W reakcji polimeryzacji różnych monomerów otrzymuje się kopolimery o
właściwościach odmiennych od podstawowego tworzywa. Jest to lepsza metoda
modyfikacji właściwości polimeru, niż wprowadzanie dodatków nie
wbudowanych w cząsteczkę polimeru (np.: przez dodanie do styrenu butadienu i
akrylonitrylu uzyskuje się tzw. kopolimery ABS, które mają znacznie większą
odporność na uderzenie, pękanie i lepsze właściwości mechaniczne niż
polistyren). Procesem odwrotnym do polimeryzacji jest depolimeryzacja lub
destrukcja. Depolimeryzacja zachodzi najczęściej pod wpływem wysokich
temperatur i umożliwia otrzymanie przez rozkład niektórych polimerów (np.:
polimetakrylanu metylu) wyjściowego monomeru. Jest to jedna z metod
przerobu odpadów z tworzyw sztucznych. Destrukcja zachodzi najczęściej
wskutek oddziaływania ultrafioletu ze słońca i tlenu z powietrza (naturalne
starzenie tworzyw) oraz pod wpływem wysokich temperatur, a jej produktami są
różne niskocząsteczkowe substancje organiczne. Objawem starzenia się
(destrukcji) tworzyw sztucznych jest często wzrost kruchości i pękanie
wyrobów.
Polikondensacją nazywa się proces łączenia się wielu cząsteczek z
jednoczesnym wydzieleniem się substancji małocząsteczkowej – najczęściej
wody. Aby uzyskać pożądane właściwości żywicy utwardzonej w wyniku
polikondensacji, należy zapewnić odparowanie wydzielającej się wody albo
związać ją przez napełniacz lub przez podłoże. Reakcję utwardzania
zapoczątkowuje się poprzez dodanie kwaśnego katalizatora lub przez
podgrzanie. Na zimno utwardza się (przez dodatek kwasu solnego w butanolu)
lakiery mocznikowo-formaldehydowe do parkietu, a na gorąco spoiwa
mocznikowo-formaldehydowe
i
fenolowo-formaldehydowe
w
płytach
wiórowych, sklejkach, płytach OSB oraz płytach HDF i MDF, a także spoiwo
melaminowo-formaldehydowe w gniazdkach, oprawkach i wyłącznikach
elektrycznych. Im wyższa temperatura utwardzania, im większy dodatek
katalizatora i im dłuższy czas utwardzania, tym bardziej usieciowana
(utwardzona) jest żywica. Im wyższy stopień usieciowania, tym lepsze
właściwości mechaniczne, lepszą odporność na wodę, wyższą odporność
termiczną i większą trwałość mają wyroby. Procesy kondensacji są odwracalne
– w sprzyjających warunkach (przy wzroście temperatury i wilgotności) reakcja
może przebiegać w kierunku tworzenia związków wyjściowych – z żywicy
może wydzielać się formaldehyd podejrzewany o działanie kancerogenne.
Zwiększoną emisję formaldehydu mogą wówczas wykazywać przede wszystkim
żywice słabo utwardzone (utwardzane na zimno lub zbyt krótko).
Poliaddycją nazywa się reakcję łączenia się cząsteczek wskutek
przeskoku ruchliwego atomu wodoru, bez wydzielania substancji ubocznej.
Według tego mechanizmu utwardzają się żywice epoksydowe oraz
poliuretanowe. Ilość utwardzacza musi być ściśle określona (dobrana
stechiometrycznie do ilości grup funkcyjnych w żywicy). Ilość ta dla różnych
typów utwardzaczy i różnych typów żywic jest podawana w instrukcjach
stosowania. Zarówno zwiększenie ilości utwardzacza ponad stechiometryczną,
jak i zaniżenie jego ilości daje złe efekty techniczne. Na ogół nie zachodzi
proces odwrotny do poliaddycji.
2. CHARAKTERYSTYCZNE WŁAŚCIWOŚCI TWORZYW
SZTUCZNYCH
Właściwości tworzyw sztucznych zależą od bardzo wielu czynników,
dlatego tworzywa o takiej samej nazwie ogólnej (np.: polichlorek winylu) mogą
się bardzo różnić właściwościami. Właściwości tworzyw sztucznych zależą od
następujących czynników:
- rodzaju polimeru;
- ciężaru cząsteczkowego, stopnia usieciowania i budowy przestrzennej;
- rodzaju, ilości i jakości dodatków np.: plastyfikatory o dużej lotności
odparowują z tworzywa, które w czasie eksploatacji staje się coraz bardziej
kruche i zaczyna pękać; trwałość tworzywa bardzo zależy od ilości i jakości
stabilizatorów termicznych i świetlnych oraz antyutleniaczy; napełniacze
włókniste znacznie zwiększą wytrzymałość na rozciąganie);
- stanu fizycznego polimeru (polimery termoplastyczne wykazują temperaturę
zeszklenia, przy której w sposób skokowy, często o rząd wielkości, zmieniają
się właściwości tworzywa – poniżej temperatury zeszklenia polimery stają
się kruche).
Ogólnie właściwości tworzyw można scharakteryzować następująco:
a) Gęstość nie napełnionych tworzyw jest mała i dla większości tworzyw
zawarta pomiędzy 900 i 1100 kg/m3. Tworzywa spienione mają gęstość
pozorną kilkadziesiąt razy mniejszą, a tworzywa z dużą ilością napełniaczy
około 2 ÷ 3 razy większą.
b) Właściwości mechaniczne tworzyw są bardzo zróżnicowane. Wszystkie
tworzywa mają stosunkowo niski moduł sprężystości, dlatego w zasadzie nie
są stosowane jako materiały konstrukcyjne (profile okienne muszą mieć duży
przekrój złożony z kilku komór, z żebrami usztywniającymi oraz dodatko-
wym kształtownikiem stalowym). Tworzywa wykazują znaczne pełzanie,
które się często nie stabilizuje. Większość tworzyw jest bardzo wrażliwa na
działanie karbu (gwałtownej zmiany przekroju w postaci nacięcia, rysy,
dziurki itp.). Wydłużenie przy zerwaniu może wynosić od kilku procent do
kilkunastu tysięcy (dla elastomerów). Wytrzymałość na rozciąganie tworzyw
nie napełnionych jest na ogół mała i nie przekracza 10 MPa, ale dla tworzyw
napełnionych włóknem szklanym, aramidowym (Kevlar), węglowym lub
włóknistymi monokryształami Al 2 O 3 (whiskersami), wytrzymałość właściwa
na rozrywanie jest większa, niż stali. Dlatego lamele z włókien węglowych
(pasma włókien przesycone żywicą epoksydową) znalazły zastosowanie do
wzmacniania
konstrukcji
żelbetowych
metodą
powierzchniowego
przyklejania. Udarność większości tworzyw jest niska; wyjątek stanowi
poliwęglan, który jest tworzywem kowalnym (wykonuje się z niego szyby
pancerne, klosze lamp ulicznych, daszki ochronne, świetliki, ekrany
przeciwdźwiękowe uliczne, tarcze policyjne itp.).
c) Właściwości cieplne.
Przewodnictwo cieplne tworzyw jest niskie (λ od 0,1 W/m ⋅ K do 0,6 W/m ⋅
K), a spienionych tworzyw bardzo niskie (λ od 0,023 W/m ⋅ K do 0,04 W/m
⋅ K), dlatego jednym z głównych kierunków zastosowania tworzyw w
budownictwie są materiały termoizolacyjne (styropian, poliuretany,
pianizol). Rozszerzalność termiczna tworzyw jest większa, niż materiałów
mineralnych i drewna (α t rzędu 10-4 do 10-5/K) oraz kilka razy większa, niż
metali, dlatego należy przewidywać luzy na ruchy termiczne rur z tworzyw
sztucznych (np.: CO) oraz szyb z poliwęglanu w ramach metalowych.
Odporność termiczna tworzyw jest znacznie niższa, niż materiałów
tradycyjnych – dla tworzyw termoplastycznych górny zakres pracy nie
przekracza na ogół 60 ÷ 90oC, a dla żywic chemoutwardzalnych 120 ÷
150oC (rzadko do 200oC). Do wyjątków należą żywice silikonowe o zakresie
pracy od –50o do +300oC oraz tworzywa fluorowe (teflon) odporne do
350oC. Tworzywa termoplastyczne topią się przy temperaturach rzędu 140 ÷
180oC, dlatego do przyklejania folii z tworzyw sztucznych nie wolno
stosować lepików na gorąco.
d) Palność tworzyw sztucznych.
Palność tworzyw jest zróżnicowana, ale na ogół duża. Niższą palność
wykazują tworzywa zawierające znaczną procentową zawartość chloru
(polichlorek winylu twardy), fluoru (teflon), lub azotu (żywice melaminowe,
poliakrylonitryl), jednakże w warunkach pożaru wydzielają one duże ilości
toksycznych gazów (chlorowodór, amoniak, cyjanowodór, tlenek węgla).
Tworzywa zawierające niepalny polimer lecz dużo palnych plastyfikatorów
(np.: miękki polichlorek winylu) lub napełniaczy, stają się łatwopalne ze
względu na obecność dodatków. Do wielu tworzyw dodaje się dodatki
samogasnące (styropian, poliuretany spienione, żywice epoksydowe), które
powodują, że po usunięciu źródła ognia tworzywo gaśnie wskutek odcięcia
dostępu powietrza przez ciężką chmurę gazową z chlorowców uwalniających
się podczas pirolizy tworzywa. Dodatki samogasnące uodparniają tworzywa
na zapalenie się pod wpływem słabych źródeł ognia. W warunkach
rozwiniętego
pożaru,
przy
silnych
ruchach
powietrza,
tworzywa
samogasnące palą się, wytwarzając duże ilości toksycznych gazów.
Większość tworzyw przy pożarze powoduje silne zadymienie (zwłaszcza
tworzywa zawierające w cząsteczce polimeru pierścienie aromatyczne).
Tworzywa termoplastyczne w warunkach pożaru topią się tworząc palące się
krople i nitki. Tego typu materiały nie mogą być wbudowywane na sufitach i
drogach ewakuacyjnych. Tworzywa węglowodorowe podczas pirolizy
wytwarzają nadmiar palnych gazowych produktów rozkładu, które
przemieszczając się z prądami powietrza mogą spowodować rozgorzenie w
pomieszczeniach przyległych do miejsca pożaru.
e) Odporność chemiczna.
Odporność chemiczna tworzyw jest na ogół znacznie większa, niż
materiałów tradycyjnych. Większość tworzyw jest odporna na wodę,
roztwory soli i kwasów. Dlatego jednym z najważniejszych zastosowań
tworzyw w budownictwie są materiały hydroizolacyjne, materiały do izolacji
chemoodpornych oraz do krycia dachów płaskich.
f) Odporność na starzenie atmosferyczne.
Odporność ta jest stosunkowo niska. Tworzywa są szczególnie wrażliwe na
działanie ultrafioletu z promieniowania słonecznego w połączeniu z tlenem z
powietrza. Wskutek utleniania materiały stają się bardziej kruche, żółkną i
pękają. Do bardzo wrażliwych należą polistyren (styropian) i polietylen
(folie). Odporność na starzenie można poprawić przez dodatek
antyutleniaczy i absorbentów ultrafioletu (stabilizatory dobrej jakości są
drogie, często toksyczne). Okres użytkowania tworzyw w warunkach korozji
atmosferycznej nie przekracza na ogół 20 lat, tylko dla niektórych
kauczuków syntetycznych jest rzędu 50 lat (folie na pokrycia dachowe).
Przezroczysta, bezbarwna, bez dodatku sadzy (występuje w folii czarnej)
folia polietylenowa bez dodatku stabilizatorów rozpada się po 1 – 2 latach
działania atmosfery, a z dodatkiem stabilizatorów po 4 – 6 latach.
g) Właściwości elektryczne.
Większość tworzyw ma bardzo dobre właściwości dielektryczne i służy jako
izolacje elektryczne, np.: izolacje przewodów elektrycznych z gumy,
polietylenu itp. Tłoczywa melaminowo-formaldehydowe , z których
prasowane są gniazdka elektryczne, wyłączniki i oprawki żarówek, wykazują
duży opór dla prądów powierzchniowych. Izolacji z tworzyw nie wolno
przeciążać nadmiernym poborem prądu, gdyż wskutek nagrzewania się
przewodów dochodzi do szybkiej termicznej destrukcji tworzywa, aż do
zwęglenia włącznie (wypalone gniazdka i oprawki). Częściowo zwęglone
tworzywo może zacząć przewodzić prąd elektryczny, co może spowodować
jego dodatkowe nagrzanie aż do samozapalenia się. Większość tworzyw ma
oporność właściwą w granicach od 108 do 1013 Ω ⋅ m, dlatego tworzywa
elektryzują się (maksimum elektryzacji przy 1011 Ω ⋅ m). Powstają przy tym
potencjały elektrostatyczne do 30 kV, źle oddziaływujące na zdrowie i
powodujące niekorzystną jonizację powietrza (powstawanie jonów
dodatnich). Iskra spowodowana przepływem ładunków elektrostatycznych
może powstać już przy różnicy potencjałów 200 V, a jej energia jest
wystarczająca do zainicjowania wybuchu par rozpuszczalników lub pyłów
organicznych w powietrzu. Do najbardziej elektryzujących się tworzyw
należą:
- anilana (poliakrylonitryl), z której wytwarza się wykładziny podłogowe
igłowe, dywany i odzież;
- poliestry (wanny z tworzyw, daszki faliste);
- polietylen (folie budowlane).
Aby uniknąć elektryzacji, wykładziny dywanowe powinny zawierać dodatki
antystatyczne. Antystatyczne posadzki żywiczne wykonuje się z żywic
epoksydowych z dodatkiem przewodzącego prąd napełniacza i układa na
uziemionej siatce miedzianej. Posadzki takie są wymagane w salach
komputerowych, pomieszczeniach zagrożonych wybuchem, przy elektroni-
cznej aparaturze medycznej itp.
h) Właściwości powierzchni.
Niektóre tworzywa charakteryzują się niską przyczepnością różnych spoiw
do ich powierzchni i mogą być wykorzystywane jako środki antyadhezyjne.
Należą tu:
- teflon;
- żywice silikonowe (kauczuki na formy do odlewania, lakiery
antyadhezyjne);
- polietylen (folie i woski).
3. CHARAKTERYSTYKA TWORZYW SZTUCZNYCH POWSZECHNIE
STOSOWANYCH W BUDOWNICTWIE.
3.1. Polichlorek winylu.
Tworzywo musi zawsze zawierać dodatek stabilizatorów termicznych i
świetlnych, gdyż wskutek starzenia (zwłaszcza termicznego) odrywa się
chlorowodór (w dużych ilościach powstaje w warunkach pożarowych) i biały
polimer zmienia barwę na różową. Polimer bez plastyfikatorów jest sztywny i
twardy – robi się z niego rury wodne na ciśnienie do 12 barów (1,2 MPa). Przy
wprowadzaniu do PCW od kilku do kilkunastu procent plastyfikatorów powstaje
polichlorek winylu półtwardy, stosowany na rury kanalizacyjne, profile okienne,
systemy rynnowe, rurki instalacyjne elektryczne podtynkowe, panele
elewacyjne (siding), przezroczyste płyty dachowe, płytki podłogowe twarde
(„Paviblock”). Przy wprowadzaniu do 70% plastyfikatora otrzymuje się
polichlorek winylu miękki, stosowany do wyrobu folii hydroizolacyjnych i
antykorozyjnych, folii do krycia dachów płaskich, tapet zmywalnych,
elastycznych
wykładzin
i
płytek
podłogowych,
izolacji
przewodów
elektrycznych małej mocy, profili dylatacyjnych. Jeżeli zastosowany do
produkcji plastyfikator jest niskiej jakości (o dużej lotności), to tworzywo
podczas eksploatacji stopniowo staje się coraz bardziej sztywne. Najlepsze są
plastyfikatory polimeryczne – nielotne (np.: kauczuk nitrylowy). Niektóre
wyroby, np.: płytki podłogowe, zawierają duże ilości napełniaczy (kredy), które
obniżają koszt i zwiększają twardość tworzywa. Tworzywo może być barwione
na różne kolory. Sam polimer jest niepalny, natomiast polichlorki zawierające
dużą ilość palnych plastyfikatorów pala się kopcącym płomieniem i wydzielają
duże ilości duszącego chlorowodoru. Polichlorek winylu jest termoplastyczny,
formowany na gorąco w temperaturze około 180oC. Twardsze odmiany można
eksploatować w temperaturach do około 95oC. Dolny zakres temperatury zależy
od rodzaju zastosowanego plastyfikatora i dla plastyfikatorów nie
polimerycznych nie przekracza –20oC. Gęstość tworzywa wynosi około 1,4 kg/l.
Tworzywo jest nienasiąkliwe, paroszczelne, odporne na roztwory kwasów, soli i
zasad (kwasoodporne w wysokim stopniu), a nieodporne na rozpuszczalniki
typu
ketonów
(aceton).
Polichlorek
winylu
można
kleić
(klejami
poliuretanowymi lub z PCW), można zgrzewać termicznie i prądami wysokiej
częstotliwości oraz spawać gorącym powietrzem (ewentualnie z drutem
spawalniczym z PCW).
3.2. Polietylen.
Jest to polimer węglowodorowy o budowie liniowej lub słabo
rozgałęzionej. Wyróżnia się odmiany:
- LDPE – o małej gęstości (0,92 g/cm3), dosyć miękki;
- HDPE – o wysokiej gęstości (0,96 g/cm3), dosyć twardy;
- PE-X – częściowo usieciowany, o podwyższonej odporności termicznej.
Polietylen stosowany jest bez napełniaczy, jest bezbarwny i przezroczysty
(w cienkich foliach), może być barwiony, z dodatków może zawierać
stabilizatory świetlne. Najtańszym stabilizatorem ultrafioletu jest sadza,
stosowana do czarnych folii budowlanych. Jest to tworzywo termoplastyczne,
można je eksploatować w temperaturach do +70oC. Jest tworzywem
łatwopalnym, przy spalaniu wydziela zapach świecy (parafiny), co umożliwia
identyfikację. Nie rozpuszcza się na zimno w żadnym rozpuszczalniku i nie ma
kleju do polietylenu. Jedyną metodą łączenia jest zgrzewanie na gorąco. Jest
nienasiąkliwy, odporny na roztwory soli, kwasów i zasad oraz większość
rozpuszczalników. Folie o grubości poniżej 0,2 mm są w pewnym stopniu
paroprzepuszczalne, folie grubsze są paroszczelne. Polietylen LDPE stosowany
jest do wyrobu folii (paroprzepuszczalnych – perforowanych, paroszczelnych,
przeciwwodnych, pęcherzykowych, kubełkowych), na izolacje przewodów
elektrycznych, jako sznur podpierający do kitów dylatacyjnych (polietylen
spieniony). Polietylen HDPE jest używany do wyrobu rur wodnych i gazowych.
W ramach powyższych odmian mogą występować rodzaje polietylenu różniące
się ciężarem cząsteczkowym. Tworzywa o wyższym ciężarze cząsteczkowym
będą bardziej sztywne, o wyższej wytrzymałości i mniejszym wydłużeniu przy
zerwaniu, o wyższej odporności termicznej i większej trwałości. Polietylen
usieciowany stosowany jest do wyrobu rur o podwyższonej odporności
termicznej oraz na większe ciśnienia.
3.3. Polipropylen.
Jest to tworzywo o właściwościach i składzie zbliżonym do polietylenu
HDPE, ale twardsze. W budownictwie jest stosowane przede wszystkim na rury
i łączniki centralnego ogrzewania. Produkowane są rury typoszeregu PN 16 do
PN 25 (liczba oznacza maksymalne dopuszczalne ciśnienie w barach przy
temperaturze 20oC). Łączone przez zgrzewanie instalacje z tworzyw sztucznych
oprócz zwykłej próby odbiorczej (brak wycieków przy ciśnieniu równym 1,5
maksymalnego dopuszczalnego ciśnienia roboczego) powinny być badane na
niedogrzanie spawów. Ta dodatkowa próba polega na impulsowym
przykładaniu ciśnienia 5 i 10 barów w kilku cyklach w czasie 5 minut. Ze
względu na bardzo dużą rozszerzalność termiczną rur z tworzyw sztucznych
instalacje centralnego ogrzewania powinny być prowadzone w grubych,
elastycznych osłonkach zapewniających swobodę ruchów termicznych lub w
odpowiednio szerokich bruzdach. Brak swobody odkształceń termicznych
prowadzi najczęściej do rozszczelnienia w miejscach łączeń klejonych lub
zgrzewanych.
3.4. Polistyren.
Jest to tworzywo węglowodorowe, z pierścieniami aromatycznymi w
charakterze podstawników głównego łańcucha, termoplastyczne, bezbarwne,
przezroczyste (może być barwione), skłonne do pękania, szybko się starzejące
pod wpływem ultrafioletu. W budownictwie jest stosowane wyłącznie w postaci
spienionej, tj. styropianu spienionego z granulek (EPS) lub w całej masie (XPS).
Jest to podstawowy materiał termoizolacyjny (o gęstości pozornej w granicach
od 10 do 40 kg/m3), o zakresie stosowania do około 70oC. Jest tworzywem
łatwopalnym, palącym się kopcącym płomieniem, Przez wprowadzenie do
cząsteczki
polistyrenu
atomów
chlorowców
otrzymuje
się
odmiany
samogasnące. Styropian rozpuszcza się w większości rozpuszczalników, za
wyjątkiem alkoholu etylowego. Styropian EPS jest materiałem o dużej
nasiąkliwości (nasiąkliwość długotrwała do 5% objętościowych, co odpowiada
333% wagowym). Styropian XPS jest nienasiąkliwy (nasiąkliwość objętościowa
rzędu 0,2%).
3.5. Poliamidy.
W zależności od budowy polimeru właściwości tworzywa mogą być
bardzo zróżnicowane. Jest to tworzywo termoplastyczne, palne, podczas pożaru
wykazuje zjawisko kroplenia i wydziela toksyczny amoniak (paląc się wydziela
zapach palonych włosów, co jest cecha rozpoznawczą). Stosowane jest
najczęściej bez napełniaczy, może zawierać cięte włókno szklane. Nasiąkliwość
tworzywa może dochodzić do 10%, a zawilgocone staje się bardziej miękkie i
ma gorszą wytrzymałość. Większość poliamidów jest przetwarzana na włókna
stosowane do wyrobu odzieży oraz na dywanowe wykładziny podłogowe i
dywany.
3.6. Polioctan winylu.
W budownictwie jest stosowany wyłącznie w postaci około 50% emulsji
w wodzie. Stanowi główny składnik farb emulsyjnych wewnętrznych, klejów do
drewna i do przyklejania mozaiki podłogowej. Jest nieodporny na alkalia
(świeże tynki wapienne i cementowe). Właściwości klejące i mechaniczne ma
trochę gorsze od emulsji akrylowych.
3.7. Poliakrylany.
Nazwa ta obejmuje bardzo dużą grupę polimerów o zróżnicowanych
właściwościach. Są to polimery termoplastyczne, o niskiej temperaturze
mięknienia, bardzo elastyczne i o bardzo dobrych właściwościach klejących.
Stosowane są jako:
- farby emulsyjne zewnętrzne i wewnętrzne;
- kleje do wykładzin (Osakryl) i do drewna;
- polimery samoemulgujące się, nadające właściwości klejące we wszystkich
zaprawach klejących do płytek podłogowych ceramicznych i do glazury oraz
do styropianu;
- emulsje do gruntowania (Unigrunt);
- emulsje uplastyczniające do zapraw i betonów cementowo-polimerowych
(Compacta Baudispersion);
- lakiery i farby rozpuszczalnikowe.
Występują również chemoutwardzalne żywice akrylowe, stosowane jako
spoiwo posadzek żywicznych.
3.8. Poliwęglany.
Jest to tworzywo przezroczyste, bezbarwne (może być barwione),
termoplastyczne, palne, kowalne. Przy ostrożnym kuciu można je rozklepać na
folię, ale tym niemniej jest wrażliwe na karb (pęknięcie). Ze względu na dużą
odporność na uderzenie oraz przezroczystość jest stosowane do wyrobu szyb
antywłamaniowych, na daszki ochronne, osłony przeciwwiatrowe, świetliki,
klosze lamp ulicznych (Lexan).
3.9. Żywice epoksydowe.
Utwardzane są przez dodanie utwardzaczy w ściśle określonej ilości.
Mogą być utwardzane na zimno (w temperaturach od +5oC do +30oC) lub na
gorąco (120 ÷ 200oC). W warunkach placu budowy utwardzanie prowadzi się
wyłącznie na zimno, stosując żywice i utwardzacze w postaci cieczy o
stosunkowo małej lepkości, umożliwiającej wykonanie robót. Przy doborze
żywicy podstawowej bierze się pod uwagę:
- moduł sprężystości utwardzonej żywicy (czy po utwardzeniu będzie sztywna,
czy elastyczna);
- lepkość żywicy (do iniekcji – o najmniejszej lepkości);
- czy jest bezrozpuszczalnikowa, czy zawiera dodatek rozpuszczalnika;
- właściwości mechaniczne po utwardzeniu.
Również dobór utwardzacza w istotny sposób wpływa na właściwości
tworzywa. Utwardzacze poliaminowe (np.: trójetylenoczteroamina – „Tecza”,
Utwardzacz Z-1) dają po utwardzeniu żywice sztywne, a poliaminoamidy
(Utwardzacz PAC, Versamid) żywice elastyczne. Większość utwardzaczy jest
wrażliwa na zawilgocenie – woda powoduje dezaktywację utwardzacza. W
ostatnich latach opracowano utwardzacze aminowe niewrażliwe na wodę, co
umożliwiło stosowanie żywic epoksydowych w postaci emulsji, np.: do
gruntowania
podłoży
betonowych.
Istnieje
możliwość
dodatkowego
uelastycznienia spoiw epoksydowych przez dodatek plastyfikatorów do żywic
epoksydowych. W zależności od rodzaju zastosowanego utwardzacza początek
wiązania żywic epoksydowych występuje po 5 ÷ 120 minutach. Podczas
utwardzania się żywic wydziela się duża ilość ciepła (nie wolno utwardzać
dużych mas nienapełnionej żywicy, gdyż spowoduje to spękania skurczowe i
destrukcję termiczną tworzywa), a skurcz żywicy jest rzędu 1 ÷ 2%.
Wytrzymałość na ściskanie utwardzonej żywicy dochodzi do 130 MPa.
Najbardziej popularny Utwardzacz Z-1 (Tecza) jest lotny, drażni skórę i błony
śluzowe (jest silnie alkaliczny), może powodować uczulenia objawiające się
czerwoną drobną wysypką i traci właściwości wiążące przy zawilgoceniu. Jest
dodawany w ilości 10 ÷ 12% wagowych (zależnie od typu żywicy);
przedozowanie powoduje kruchość żywicy i korozję stali stykającej się z nią, a
za mały dodatek powoduje niedotwardzenie. Początek wiązania żywicy z
Utwardzaczem Z-1 występuje po 30 – 40 minutach. Przy stosowaniu
utwardzaczy poliaminoamidowych reakcja rozpoczyna się po około 1 – 2
godzinach, biegnie wolniej, utwardzacz jest mniej wrażliwy na wilgoć,
otrzymuje się żywicę uelastycznioną, a ilość dodawanego utwardzacza można
zmieniać w granicach określonych przez producenta. Żywice epoksydowe są
stosowane jako:
- kleje konstrukcyjne do betonu i stali;
- materiały
do
iniekcji
przywracającej
nośność
(żywice
sztywne
konstrukcyjne) lub iniekcji uszczelniającej (żywice elastyczne);
- jako spoiwo i klej w lamelach węglowych do wzmacniania konstrukcji
żelbetowych;
- jako spoiwo posadzek żywicznych (żywice emulsyjne do posadzek
paroprzepuszczalnych i żywice bezrozpuszczalnikowe do posadzek
wodoszczelnych;
- jako spoiwo laminatów z włóknem szklanym i powłok hydroizolacyjnych;
- jako farby antykorozyjne na stal;
- jako kleje do kotew konstrukcyjnych;
- jako spoiwo zapraw i betonów żywicznych chemoodpornych.
3.10. Żywice poliestrowe nienasycone
Są to roztwory poliestru bezwodnika maleinowego w styrenie (około 50%
styrenu). Mają postać lepkich cieczy brązowo-żółtej barwy. Monomer styren
jest lotny, szkodliwy dla zdrowia, łatwopalny i tworzy mieszaniny wybuchowe z
powietrzem. Polimeryzacja żywicy może rozpocząć się po celowym lub
przypadkowym nagrzaniu. Podczas polimeryzacji wydziela się bardzo duża
ilość ciepła, która musi być odprowadzona, aby nie doszło do destrukcji lub
nawet samozapalenia się żywicy utwardzanej w dużej masie (np.: przy
nagrzaniu hoboka promieniowaniem słonecznym lub przy grzejniku). Na placu
budowy reakcję utwardzania prowadzi się na zimno przez dodatek 1 ÷ 2%
inicjatora (nadtlenku lub wodorotlenku – np.: pasty WNCH, Ketonoxu, Hartoxu)
oraz przyspieszacza – najczęściej 2% naftenianu kobaltu w ilości od 0,4 do
0,8%. Każdą z tych substancji należy osobno wymieszać z żywicą. Nie wolno
mieszać inicjatora z przyspieszaczem, gdyż wskutek gwałtownego rozkładu
grozi to wybuchem. Ilości układu utwardzającego oraz rodzaj inicjatora dobiera
się tak, aby uzyskać wymagane właściwości mechaniczne utwardzonej żywicy,
odpowiedni czas początku i końca wiązania oraz niski skurcz polimeryzacyjny.
Czas początku wiązania wynosi około 20 ÷ 40 minut, lecz można go wydłużyć
do kilku godzin przez dodatek inhibitorów polimeryzacji. Żywice poliestrowe
wykazują bardzo duży skurcz przy wiązaniu, tym większy im szybciej przebiega
reakcja i dochodzący do 9%. Z tego powodu narażone są na spękania
skurczowe, a dla ograniczenia skurczu ogranicza się ilość dodawanych
utwardzaczy, napełnia żywicę włóknem szklanym lub dużą ilością kruszywa,
albo utwardza ją w cienkich warstwach. Tlen z powietrza jest inhibitorem
reakcji polimeryzacji, dlatego podczas mieszania nie wolno żywicy
zapowietrzyć (należy stosować wolnoobrotowe mieszadła), a powierzchnię
stykającą się z powietrzem należy zabezpieczyć, np.: przez szczelne przykrycie
folią z celofanu, zasypanie piaskiem lub zastosowanie żywicy z dodatkiem
wosków, które podczas utwardzania wypływają na powierzchnię i odcinają
dostęp tlenu. Krajowe żywice poliestrowe noszą nazwę handlową Polimal.
Produkowane są:
- żywice konstrukcyjne sztywne Polimal 100 ÷ 109,
- żywice lakiernicze do mebli Polimal 111 ÷ 119,
- żywice chemoodporne Polimal 130,
- żywice tiksotropowe Polimal 140 ÷ 149,
- żywice elastyczne Polimal 150 ÷ 158,
- żywice samogasnące Polimal 160.
Żywice poliestrowe mają właściwości mechaniczne i odporność
chemiczną trochę gorsze od żywic epoksydowych i stanowią tańszy zamiennik
żywic epoksydowych w niektórych zastosowaniach. Pod wpływem związków
alkalicznych mogą ulegać hydrolizie. Aktualnie największe ilości tych żywic są
stosowane do wyrobu laminatów z włóknem szklanym (daszki faliste, rury,
obudowy, wanny, kadłuby łodzi), jako lakiery do mebli nakładane w warunkach
fabrycznych oraz jako spoiwo zapraw żywicznych. W latach 70-tych i 80-tych
bardzo duże ilości żywic były przetwarzane na masy podłogowe o nazwie
Plastidur P (poliestrowy). Posadzki te ze względu na duże skurcze wymagały
bardzo mocnych podłoży betonowych, były bardzo zawodne i zostały wycofane
ze stosowania (zastąpione posadzkami epoksydowymi).
3.11. Żywice poliuretanowe.
Jest to bardzo duża i szeroko stosowana w budownictwie grupa tworzyw.
Są stosowane jako gotowe wyroby (pianki poliuretanowe termoizolacyjne) lub
utwardzane na budowie (kleje, lakiery, żywice iniekcyjne, masy podłogowe,
pianki montażowe). Utwardzone żywice charakteryzują się elastycznością i
bardzo dużą siła klejenia (duża adhezja).
Resztę kazał samemu doczytać…
Najczęściej stosowane są żywice dwuskładnikowe:
- żywica (poliester lub polieter), sztywna lub elastyczna po utwardzeniu,
nietoksyczna;
- utwardzacz (izocyjanian), silnie toksyczny, tym bardziej niebezpieczny, im
bardziej lotny.
Reakcja utwardzania przebiega według mechanizmu poliaddycji, a ilość
utwardzacza musi być ściśle określona, zależnie od typu żywicy. Zestawy
dwuskładnikowe są najczęściej wrażliwe na wilgoć i mogą się spęcherzyć w
całej masie wskutek reakcji z wodą, w wyniku której wydziela się dwutlenek
węgla. Duża ilość żywic jest przerabiana na pianki poliuretanowe, które są
najlepszym (lecz drogim) materiałem termoizolacyjnym. Żywice poliuretanowe
są palne, a do pianek stosowane są żywice z dodatkami dającymi efekt
samogaśnięcia (tworzą toksyczne gazy pożarowe). Spienianie następuje wskutek
odparowania nisko wrzącej cieczy lub wskutek wydzielania dwutlenku węgla w
reakcji utwardzacza z wodą. Gęstość pianek termoizolacyjnych jest rzędu 30 ÷
50 kg/m3, λ = 0,023 ÷ 0,03 W/mK, wytrzymałość na ściskanie 0,15 MPa, a
nasiąkliwość poniżej 2%. Pianki nie są dopuszczone do stosowania wewnątrz
pomieszczeń przeznaczonych na pobyt ludzi. Czasy spieniania są bardzo
krótkie, dlatego proces prowadzi się przy użyciu specjalnych agregatów
spieniających. Piankę można odlewać w formach (wyrasta do wysokości około
1,5 m), można ją wstrzyknąć w szczelinę powietrzną w murze lub w rysę
wymagającą uszczelnienia, lub natrysnąć na powierzchnię ściany lub dachu.
Żywice poliuretanowe występują również jako jednoskładnikowe (wstępnie
przereagowane z nadmiarem utwardzacza), które utwardzają się wilgocią z
powietrza i są stosowane jako lakiery podłogowe na drewno.
3.12. Żywice mocznikowo-formaldehydowe i fenolowo-formaldehydowe.
Są to 50% roztwory niskocząsteczkowych żywic w wodzie. Utwardzane
są na gorąco lub na zimno przez dodatek kwaśnego katalizatora. Należy
odparować lub związać wodę zawartą w żywicy oraz wydzielającą się w
procesie polikondensacji podczas utwardzania. Proces kondensacji jest
odwracalny – przy wzroście temperatury i wilgotności z gotowych wyrobów
może wydzielać się gazowy formaldehyd, powodujący choroby dróg
oddechowych i podejrzewany o działanie kancerogenne (może się go wydzielać
tym więcej, im słabiej utwardzona jest żywica, a więc bardziej groźne są żywice
utwardzane na zimno oraz wyroby prasowane przy niższych temperaturach).
Żywice MF i FF służą jako spoiwo przy wyrobie sklejki, płyt wiórowych, płyt
MDF i HDF, płyt z wełny mineralnej, laminatów typu Unilam, gniazdek
elektrycznych, lakierów do parkietu.
3.13. Żywice silikonowe.
Zbudowane są one z łańcuchów nie węglowych, lecz siloksanowych
-Si-O-Si-. Charakteryzują się wysoką odpornością termiczną (do 350oC). Mają
właściwości hydrofobowe. Mają bardzo dobre właściwości antyadhezyjne. Mają
dobre właściwości dielektryczne. Charakteryzują się wysoką elastycznością.
Powyższe właściwości umożliwiły stosowanie żywic silikonowych jako:
- kity elastyczne do dylatacji;
- kity elastyczne do uszczelnień przeciwwodnych;
- emulsje i roztwory do hydrofobizacji kamienia, tynku, betonu i ceramiki;
- żywice chemoutwardzalne do wzmacniania strukturalnego skorodowanych
materiałów kamiennych, zwłaszcza piaskowca;
- emalie na gorące powierzchnie;
- emulsje antyadhezyjne do form i szalunków;
- kauczuki silikonowe do wykonywania elastycznych form odlewniczych.