Полимеры - вещества, характеризующиеся многократным повторением одного или более составных звеньев (группы атомов), соединенных между собой в количестве, достаточном для проявления комплекса свойств, который остается практически неизменным при добавлении или удалении одного или нескольких звеньев.

При образовании молекулы полимера соединяется большое число одинаковых или разных молекул низкомолекулярных веществ - мономеров. При этом возникает длинная цепная молекула, называемая макромолекулой.

Макромолекула полимера построена из сотен и тысяч атомов, связанных между собой силами главных валентностей.

Мономеры – вещества, каждая молекула которых может образовать одно или несколько составных или повторяющихся составных звеньев.

В зависимости от происхождения полимеры подразделяют на природные, выделенные из природных материалов (целлюлоза, натуральная шерсть, натуральный каучук), синтетические, полученные путем синтеза из низкомолекулярных соединений (мономеров). Так, на основе акриловой кислоты можно получить органическое стекло и акрилатные каучуки.

По составу основной цепи макромолекул полимеры делят на гомоцепные, карбоцепные, гетероцепные. Под основной цепью полимера понимают такую последовательность химически связанных атомов, которая имеет существенно большую длину, чем длина боковых ответвлений.

Гомоцепными называют полимеры, основная цепь которых построена из атомов одинаковых элементов.

Карбоцепной полимер - это тип измененного полимера, у которого основная цепь состоит только из атомов углерода.

Гетероцепными называют полимеры, основная цепь которых построена из атомов различных элементов. К ним относятся полимеры, основная цепь которых кроме атомов углерода включает в себя атомы кислорода, азота, серы.

Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных соединений - мономеров - в результате реакции полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация - процесс последовательного соединения одинаковых или различных молекул мономеров в одну сложную молекулу высокомолекулярного вещества полимера без образования и выделения побочных низкомолекулярных соединений, вследствие чего элементарный состав полимера и мономера один и тот же. Реакцию полимеризации в общем виде можно изобразить уравнением: nA® An, где A - молекула мономера; An - макромолекула: n - степень полимеризации (число мономерных исходных молекул). Полимеризацией получают полиэтилен, поливинилхлорид, полиизобутилен, полистирол, полиакрилаты и другие полимеры, широко применяемые в технологии строительных материалов. Различают цепную и ступенчатую полимеризацию.

При цепной полимеризации образуемая макромолекула сразу же приобретает конечные размеры, т. е. не возрастает при увеличении длительности процесса. С увеличением продолжительности реакции растет лишь число макромолекул полимера, мономер расходуется постепенно. Реакцией цепной полимеризации получают такие полимеры, как полипропилен, полиэтилен, полистирол и т. д.

Ступенчатая полимеризация осуществляется путем постепенного ступенчатого присоединения молекул мономера, которое сопровождается перемещением какого-либо подвижного атома или группы атомов от одних молекул к другим. Реакцией ступенчатой полимеризации получают ограниченное число полимеров, таких как поликапроамид, полиформальдегид, полиуретаны и др.

На практике реакция полимеризации проходит в массе, растворе, эмульсии и суспензии.

При полимеризации в массе исходный мономер находится в жидкой фазе в неразбавленном виде (без растворителя или дисперсионной среды). В этом случае образуется твердый полимер (блок) или расплав.

Полимеризацию в растворе ведут двумя способами. При реакции первым способом и мономер и полимер растворяются в среде растворителя; конечным продуктом является раствор полимера (лак). При втором способе растворяется только мономер, а образуемый полимер выпадает в осадок и фильтруется.

При полимеризации в эмульсии мономер диспергируется в водной среде, содержащей водорастворимые инициаторы и эмульгаторы, которые обусловливают устойчивость как исходной эмульсии мономера, так и образующегося латекса.

Реакция полимеризации в суспензии отличается от реакции в эмульсии тем, что степень диспергирования мономера меньше и частицы образующегося полимера более крупные. Инициаторы растворяются в мономере, поэтому реакцию в суспензии можно рассматривать как микроблочную.

Поликонденсация - процесс соединения молекул одного или нескольких мономеров, в результате которого образуется макромолекула полимера и выделяется низкомолекулярный побочный продукт (вода, спирт, аммиак, хлористый водород).

Реакцию поликонденсации проводят в расплаве, растворе, эмульсии, суспензии, твердой фазе как в присутствии катализаторов, так и без них. Поликонденсацией получают фенолоформальдегидные, карбамидные, фурановые, эпоксидные и другие полимеры.

Под структурой полимеров понимают взаимное расположение в пространстве макромолекул, образующих полимер. Структура полимера зависит от величины, формы, строения макромолекул и характера взаимодействия между ними и обусловливает важнейшие свойства полимера. В зависимости от строения макромолекул различают три типа полимеров: линейные, разветвленные и пространственные.

Линейные полимеры - это соединения, макромолекулы которых представляют собой длинные цепи.

Разветвленные полимеры образованы цепями с боковыми ответвлениями. Число ответвлений и их длина различны.

Пространственные полимеры построены из длинных цепей макромолекул, которые соединены между собой в трехмерную сетку посредством поперечных мостиков (химических связей), состоящих из атомов или групп атомов.

Линейные и разветвленные полимеры размягчаются (плавятся) при нагревании и вновь затвердевают при охлаждении. Такое свойство полимеров называется термопластичностью, а сами полимеры – термопластичными, или термопластами. К термопластам относятся поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол и др. Пространственные полимеры неплавки и нерастворимы; они затвердевают при действии теплоты и давления и не размягчаются при повторном нагревании. Такие полимеры называют термореактивными, или реактопластами. К этой группе относятся карбамидные, фенолоформальдегидные, эпоксидные и другие полимеры.

Полимеры сочетают свойства газов (по упругости), жидкостей (по тепловому расширению, сжимаемости, текучести) и твердых тел (по способности сопротивляться деформации). Известны два основных агрегатных состояния полимерного вещества - твердое и жидкое. В жидком состоянии полимеры могут иметь аморфную или кристаллическую структуру. Существуют полимеры, структура которых может быть аморфной и кристаллической.

Полимеры кристаллической структуры характеризуются упорядоченностью расположения макромолекул, плотностью их упаковки, а полимеры аморфной структуры - беспорядочным взаимным расположением макромолекул. Различие в строении аморфных и кристаллических полимеров сказывается на их свойствах. Полимеры кристаллической структуры обладают повышенной теплостойкостью, высокой прочностью, жесткостью и плотностью, низкой эластичностью и способностью к деформациям. К таким полимерам относятся полипропилен, полиамиды, полиэтилен низкого давления, натуральный каучук.

Полимеры аморфной структуры обладают одинаковыми физико-механическими свойствами во всех направлениях. Большинство распространенных в промышленности полимеров - полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, поливинилацетат и др. - аморфные.

Молекулярная масса - важнейшая характеристика свойств полимеров, которая определяет их механические свойства: прочность на разрыв, эластичность, жесткость и т. д. С увеличением молекулярной массы повышаются температура плавления и вязкость растворов, уменьшается растворимость, увеличиваются эластичность и прочность полимеров, а иногда повышается их жесткость.

Пластмассами называют материалы на основе полимеров, обладающие пластичностью (текучестью) и способные при нагревании под давлением принимать заданную форму и устойчиво сохранять ее после охлаждения.

Пластмассы, получаемые на основе термопластичных полимеров, называют термопластичными, или термопластами, а получаемые на основе термореактивных полимеров - реактопластами. В строительстве широко применяют термопласты на основе поливинилхлорида - декоративные пленки, линолеумы для покрытия полов, трубы и т. д.; полиэтилена - трубы, пленки, соединительные детали; полипропилена - ручки для окон и дверей, декоративные и вентиляционные решетки, корпуса для различных изделий. В качестве реактопластов используют бумажно-слоистые и древесно-слоистые пластики на основе фенолоформальдегидных и мочевиноформальдегидных смол.

По композиционному составу различают два вида пластмасс: ненаполненные и наполненные.

Ненаполненные пластмассы состоят только из полимера и некоторых специальных добавок. К ним относятся полиэтиленовая пленка, полистирольные изделия и др.

Наполненные пластмассы содержат кроме полимера наполнители, стабилизаторы, пигменты. К наполненным пластмассам относятся различные виды линолеума и погонажные изделия из поливинилхлорида, бумажно-слоистые пластики и др.

В зависимости от физико-механических свойств при нормальной температуре, в основе которых лежит модуль упругости, пластмассы делят на жесткие, полужесткие, мягкие и эластичные.

Жесткие пластмассы - твердые упругие материалы аморфной структуры. Характеризуются незначительным удлинением, хрупким разрушением при разрыве. Примерами жестких пластмасс служат фенопласты и аминопласты.

Полужесткие пластмассы - твердые вязкоупругие материалы кристаллической структуры. Характеризуются высоким относительным удлинением при разрыве. К таким пластмассам относятся полипропиленовые трубы, полиамидные пластики.

Мягкие пластмассы обладают высоким относительным удлинением при разрыве и низким модулем упругости. К ним относятся полиэтиленовая пленка, трубы, поливинилацетатные пленки.

Эластичные пластмассы - мягкие, гибкие материалы, характеризующиеся большими деформациями при растяжении. Примером эластичных пластмасс служат каучуковые резины.

По назначению и отличительным признакам пластмассы бывают общего назначения, высокопрочные, антикоррозионные, прозрачные, морозостойкие и теплостойкие, электроизоляционные.

Пластмассы общего назначения - материалы, к показателям физико-механических и химических свойств которых не предъявляют особых требований. К этим материалом относятся отделочные, декоративные, упаковочные, хозяйственно-бытовые и другие изделия из пластмасс (поливинилхлорида, полипропилена, фенопластов и др.).

Высокопрочные пластмассы - полиформальдегид, полиэфирные пластики, поликарбонаты - характеризуются высоким пределом прочности при сжатии и изгибе, большой износостойкостью и высоким коэффициентом трения (фрикционные свойства). Эти материалы способны заменить бронзу и баббит, например, в подшипниках, втулках; их используют для изготовления труб, зубчатых колес, гребных винтов.

Антикоррозионные пластмассы — каучуки, полиизобутилен, эпоксипласты - обладают высокой химической стойкостью к воде, кислотам, растворам солей и органическим растворителям. Эти материалы используют вместо металлических деталей в оборудовании и конструкциях, эксплуатирующихся в агрессивных средах, из них изготовляют контейнеры-цистерны жидкого топлива.

Прозрачные пластмассы - полиметилметакрилат, полистирол - пропускают лучи света в широком диапазоне волн, и в частности ультрафиолетовую часть спектра, благодаря чему они не уступают по своим оптическим свойствам лучшим сортам стекла и хрусталя и значительно превосходят в этом силикатное стекло. Из таких пластмасс изготовляют оптические системы осветительной арматуры.

Морозостойкие пластмассы - полиизобутилен, этилцеллюлоза, поликарбонат - сохраняют эластичные свойства и гибкость при низких (минусовых) температурах. Изделия и конструкции, изготовленные из таких пластмасс, можно эксплуатировать в атмосферных условиях.

Теплостойкие пластмассы - полиорганосилоксаны, политрихлорэтилен, фенопласты - обладают способностью не размягчаться при повышении температуры. Такие пластмассы широко применяют в, промышленности и быту, в отдельных случаях они заменяют металл и керамику.

Электроизоляционные пластмассы - полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол - характеризуются низкой диэлектрической постоянной, высокой электрической прочностью, высоким объемным и поверхностным сопротивлением. Их применяют для изоляции проводов и электрооборудования в электротехнике, для замены эбонита.

Теплоизоляционные пластмассы - поливинилхлорид, полистерол, полиуретан, фенопласты - отличаются низкой теплопроводностью. К таким пластмассам относятся пористые газонаполненные материалы пенопласты и поропласты, применяемые для теплоизоляции холодильных приборов и установок, жилых помещений, многослойных стеновых панелей и т. п.

Пластмассы обладают ценными физико-механическими свойствами, которые способствуют их широкому распространению в строительстве.

Малая плотность (15...2200 кг/м³) пластмасс позволяет значительно снизить массу строительных конструкций, сократить транспортные расходы, упростить подъемно-транспортное оборудование при монтаже, улучшить теплозвукоизолирующие свойства конструкций. В среднем пластмассы, за исключением пенопластов, в два-три раза легче алюминия и в пять-восемь раз легче стали, меди, свинца.

Прочность пластмасс различна. Например, предел прочности при сжатии пластмасс с порошкообразным наполнителем составляет 100... 150 МПа, а стекловолокнистых пластмасс - 400 МПа, в то время как предел прочности при сжатии бетона, пропитанного полимерами (бетонополимеры), достигает 200...250 МПа. Предел прочности при растяжении стекловолокнистых пластмасс составляет 400...950 МПа, что немногим меньше прочности стали марки Ст5. Высокая прочность некоторых пластмасс позволяет применять их в несущих конструкциях.

Низкая истираемость пластмасс обусловливает их широкое применение в качестве покрытия при устройстве полов; например, истираемость линолеума 45...90 мкм, гранита - 40 мкм.

Химическая стойкость пластмасс высокая: они стойки по отношению к воде, растворам кислот, солей и щелочей. Срок службы деталей из пластмасс в коррозионных средах значительно выше, чем деталей из металла.

Теплопроводность пластмасс довольно низкая и зависит от их пористости. У пористых пластмасс теплопроводность 0,03 Вт/{м °С), у плотных 0,22...0,68 Вт/(м °С). Низкая теплопроводность позволяет изготовлять ограждающие конструкции зданий и сооружений тонкими и легкими.

Прозрачность и светопроницаемость многих пластмасс дает возможность успешно применять их для остекления специальных помещений, создавать новые конструкции оконных проемов и кровель большепролетных и промышленных зданий. Так, прозрачность органических стекол 83...94, а прозрачность алмаза принята за 100.

Высокие декоративные качества пластмасс значительно расширяют область их применения как отделочного материала, создают художественные возможности при разработке и создании интерьеров.

Пластмассы обладают ценными технологическими свойствами: сравнительно легко формуются (литье, штампование, прессование) и обрабатываются (распиливание, строгание, сверление), что позволяет из пластмасс получать разнообразные по форме и сложные по очертанию изделия. Пластмассы можно сваривать и склеивать между собой.

Отрицательные свойства пластмасс - горючесть, способность изменять свои размеры в процессе эксплуатации, большое удельное электрическое сопротивление, невысокая теплостойкость, повышенная ползучесть, старение.

Горючестью обладают многие виды линолеумов и отделочные пленки. При горении они выделяют ядовитые газы, легко воспламеняются.

Некоторые виды пластмасс в процессе эксплуатации способны изменять свои размеры. При применении пластмасс в качестве конструкционного или отделочного материала стабильность размеров - основной фактор выбора типа полимера. Изменение линейных размеров - усадка поливинилхлоридных материалов для покрытия полов и стен составляет 0,1...0,5%.

Большим удельным сопротивлением электрическому току характеризуются многие полимеры: фторопласты, поливинилхлорид, полистирол. Такие материалы плохо проводят электрический ток, а это приводит к тому, что в процессе эксплуатации они статически электризуются и неблагоприятно воздействуют на организм человека. Поэтому многие из этих материалов нельзя применять в культурно-бытовом строительстве. Чтобы понизить образование статической электризации, в состав полимера вводят специальные вещества - антистатики.

Теплостойкость пластмасс довольно низкая, она не превышает 200° С. При более высоких температурах многие пластмассы размягчаются и теряют свои свойства, что ограничивает их область применения в различных условиях эксплуатации (температура, механические напряжения).

Старение пластмасс - необратимое изменение свойств полимеров вследствие химических превращений под действием света, кислорода, воздуха, переменных температур, влажности и т. п., при этом ухудшаются декоративные свойства (цвет, прозрачность), резко снижаются показатели физико-механических свойств (прочность на растяжение, относительное удлинение), материал становится хрупким и может даже разрушаться. Поэтому в состав полимерных строительных материалов входят специальные добавки — стабилизаторы, антиоксиданты.