第九章、高分子建筑材料

第九章 高分子建筑材料第一节 高分子材料基本知识第二节 高分子建筑材料和制品用于建筑工程中的有机材料主要有：木材、沥青材料、合成高分子材料。合成高分子材料包括三大类：塑料、橡胶、化学纤维（其中塑料占3/4）。在塑料、橡胶的基础上衍生出胶粘剂、涂料。合成高分子材料的基本成分是合成高分子化合物。预计到21世纪初，合成高分子材料将占建筑材料用量的25%以上，主要用于制作建筑材料与制品、对传统建筑材料进行改性。合成高分子建筑材料，除少数用作结构材料代替钢材和木材外，绝大多数用作非结构材料及装饰装修材料。小资料：用于纺织的合成纤维，我国习惯以“纶”作后缀，如：涤纶（聚对苯二甲酸乙二酯）、锦纶（尼龙-6）、腈纶（聚丙烯睛）、氯纶（聚氯乙烯）、维尼纶（聚乙烯醇缩甲醛）。第一节高分子材料基本知识一、高聚物的基本知识在有机化合物中，一般将分子量为几十、几百的化合物称为低分子化合物，而将分子量在104以上的称为高分子化合物（有时将分子量在103以上的也称为高分子化合物）。常见的高分子有机化合物有：合成树脂、天然树脂、纤维素酯或醚、沥青等。高分子化合物分为两大类：天然高分子化合物（粮食、棉织品、木材、天然橡胶等）、合成高分子化合物（简称高聚物或聚合物或合成树脂）。后者发展应用迅速。高聚物是由单体（不饱和的低分子化合物）聚合而成。常用的聚合方法有两种：加成聚合、缩合聚合。加成聚合是在加热或催化剂的作用下，单体分子互相连结起来成为高聚物，反应过程中不产生副产物，所生成的高聚物具有与单体完全相同的组成。加聚反应生成的高聚物称为聚合树脂，为线型结构，绝大多数属热塑性树脂，由一种单体加聚而得的称为均聚物，以“聚”+单体名称命名，由两种以上单体加聚而得的称为共聚物，以单体名称+“共聚物”命名。建筑中常用的有：聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚四氟乙烯、丁苯胶乳等。缩合聚合是在加热和催化剂的作用下，单体分子互相结合成为高聚物，同时析出水、氨、醇等副产物（低分子化合物），所生成高聚物的组成与原始单体完全不同。缩聚反应生成的高聚物称为缩合树脂，多为体型结构，属热固性树脂，一般以单体名称+“树脂”命名。建筑中常用的有：酚醛树脂（PF）、脲醛树脂（UF）、环氧树脂（EP）、不饱和聚酯树脂（UP）、三聚氰胺甲醛树脂、有机硅树脂（SI）等。根据分子链的形态，高聚物分为：线型结构、支链型结构、网型结构、体型结构。一般地，线型结构的树脂：强度较低、弹性模量较小、变形较大、耐热性差、耐腐蚀性较差、可溶可熔、呈热塑性；体型结构的树脂：强度较高、弹性模量较大、变形较小、较硬脆且多无塑性、耐热性较好、耐腐蚀性较好、不溶不熔、呈热固性。加聚物多为线型、支链型结构，缩聚物可为线型、支链型、网型、体型结构（如酚醛树脂）。根据受热时的性能，高聚物分为：热塑性、热固性。热塑性高聚物为线型、支链型结构，热固性高聚物为体型结构。根据物质的聚集态结构，高聚物分为：晶态、非晶态。非晶态线型高聚物在温度由低到高的不同范围内，具有三种力学性能不同的状态：玻璃态、高弹态、粘流态。玻璃化温度低于室温的称为橡胶，高于室温的称为塑料。粘流温度以上可对高聚物进行塑造成型。体型高聚物一般仅有玻璃态。二、塑料的基本知识塑料是以合成树脂为主要成分，加入一定的添加剂，经加工成型制成的有机合成材料。塑料用于建筑始于1950年代，目前已成为继混凝土、钢材、木材之后的第四种重要的建筑材料。世界上用于建筑上的塑料已占全部建筑材料用量的11%，占塑料总产量的25%以上。建筑塑料主要用作装饰板材、保温材料、涂料、管道、门窗、防水及防腐材料等，玻璃纤维增强塑料可用作结构材料。1.塑料的组成（1）合成树脂合成树脂是塑料的基本成分，起胶结剂的作用，占塑料重量的40%100%，它决定了塑料的主要性质及成本。（2）添加剂为改善塑料的某些性能而加入的物质统称为添加剂（除填料外的也称助剂）。a.填料：作用是降低成本、提高强度、硬度、尺寸稳定性及耐热性。常用：木粉、滑石粉、硅藻土、石灰石粉、铝粉、碳黑、石棉、玻璃纤维等，掺量40%70%。b.增塑剂：作用是提高加工时的可塑性、调节塑料的机械性能（强度、韧性、柔软性、耐寒性等）。c.稳定剂：作用是改善塑料在加工、使用过程中对热、光、氧的耐久性。d.其他：润滑剂、固化剂、发泡剂、阻燃剂、着色剂、抗静电剂、稀释剂等。决定塑料性能的主要成分是树脂，而树脂的性质又决定于其成分（单体）及分子结构状况（线型、体型）。老化，指高分子材料在长期使用中，由于受机械力、空气中的氧、光、热等作用，出现强度降低、软化、发粘、发脆、失去弹性、变色等现象。老化的原因是高分子链的交链反应（线型结构转变为体型结构，使材料变硬、变脆、失去弹性。）或裂解反应（高分子链断裂，长链变短，分子量变小，使材料变粘、变软、强度下降。）。2.塑料的特性（1）加工性能优良可采用多种加工工艺（挤压、压铸、发泡）塑制成多种形状（薄膜、薄板、管材、异型材等）的产品，制品便于切割、焊接。通过改变塑料组成配方与生产工艺，可按需要调节制品的硬度、密度、表观密度、色泽等，制成具有特殊性能的工程材料，如强度超过钢材的碳纤维复合材料，具有承重、质轻、隔音、保温性能的复合板材，柔软而富有弹性的密封、防水材料等。（2）质轻塑料的密度一般为0.82.2g/cm3，平均值（1.45g/cm3）与木材接近，是钢的1/5、混凝土的1/3、铝的1/2。比强度接近或超过钢材，远超过混凝土，属于轻质高强材料。（3）装饰性能好塑料制品可着色、印刷、压花、烫金、电镀，表现出良好的质感和装饰效果。（4）耐水性、耐化学腐蚀性好：适用于防潮、防水工程，化工建筑。（5）隔热性、电绝缘性好：塑料的热导率一般为0.0240.81W/(m.K)，是金属的1/1500、混凝土的1/40。（6）耐热、耐燃、耐老化性差（7）弹性模量（刚度）小（仅为钢材的1/101/20）（8）经济性较好：目前塑料的成本较高，但随着高分子工业的发展，其成本在逐渐下降；而塑料生产的低能耗及优良的使用性能也会带来良好的综合效益。小资料：塑料的生产能耗是玻璃的50%、钢材的16%、铝材的8%第二节高分子建筑材料和制品一、常用建筑塑料1.热塑性塑料（1）聚氯乙烯（PVC）聚氯乙烯是由乙炔与氯化氢合成氯乙烯单体、再经聚合而成，属热塑性线型聚合物。聚氯乙烯是建筑中应用最多的一种塑料，有硬质、半硬质、软质、发泡制品。聚氯乙烯难燃，具有自熄性，可溶于环已酮、四氢呋喃。由于对光、热的不稳定性，以及强度较差，聚氯乙烯树脂不能单独使用，一般要加入其他助剂。耐热温度5070（硬质）、6580（软质）。硬聚氯乙烯制品强度较高，有极好的耐风化力，适用于天沟、水落管、外墙覆面板、天窗材料、给排水管道，易熔接粘合，产量大，价格低，使用温度低。加入发泡剂可制成泡沫塑料。软聚氯乙烯可挤压成板片、型材，作地面材料、装修材料（塑料地板、门窗、壁纸）、防水材料、止水带等。（2）聚乙烯（PE）聚乙烯由乙烯单体聚合而成，是产量最大、用途最广的一种热塑性树脂。按聚合方法分为三种：高压聚乙烯、低压聚乙烯、中压聚乙烯。聚乙烯耐低温性（-70）、耐化学腐蚀性、抗水性好，电绝缘性突出，强度不高，易燃，质地较软，吸收油类会引起膨胀、变色、破裂。最高使用温度为100。聚乙烯可作防水材料、涂料、绝缘材料等。聚乙烯塑料在建筑上常用来制成排水管、水箱、薄膜。（3）聚丙烯（PP）聚丙烯是一种结晶性高聚物。聚丙烯密度最低（0.900.91g/m3），易燃，不耐磨，常温下没有溶剂。耐热温度100120。聚丙烯常用于生产管材、卫生洁具、薄膜、纤维、地毯等。（4）聚苯乙烯（PS）聚苯乙烯透明度好，价廉，易于加工和染色，易燃，性脆，耐候性差，可溶于苯、甲苯、乙苯等芳香族溶剂。耐热温度6595。聚苯乙烯主要用于生产泡沫塑料、灯具、涂料等。商品聚苯乙烯分为：抗冲型、工业型、日用型、颗粒型。（5）ABS塑料（丙烯睛-丁二烯-苯乙烯共聚物）ABS是一种性能优良的工程塑料：聚丙烯睛具有良好的化学稳定性和表面硬度，聚丁二烯具有良好的韧性和耐低温性能，聚苯乙烯具有良好的加工性能。ABS用于生产建筑五金、压花装饰板、管材。（6）聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，有机玻璃）聚甲基丙烯酸甲酯是由丙酮、氰化物、甲醇反应生成的甲基丙烯酸甲酯单体加聚而成。PMMA是透光性最好的一种塑料，质轻、坚韧而具有弹性、耐水性及耐热性好，价格高，耐磨性差。耐热温度6590。PMMA可制成板材（平板、瓦楞板、珠光玻璃）、管材，用玻璃纤维增强可制作面盆、浴缸，PMMA水乳液可用于浸渍木材、水泥制品。（7）聚酰胺（PA，尼龙）尼龙由胺基酸缩聚而成。尼龙耐磨性突出，机械性能良好，冲击韧性好，耐油性好，消音性好，耐热温度130150，较难燃，可用作水管零部件、涂料。2.热固性塑料（1）酚醛塑料（PF）酚醛树脂通常以苯酚与甲醛缩聚而成。酚醛树脂在建筑上主要用于生产层压板、玻璃钢制品、胶粘剂等。未热固的酚醛树脂磨细后与木粉和颜料可配制“电木粉”，用于压塑成各种电工器材。（2）不饱和聚脂树脂（UP）不饱和聚脂树脂耐腐蚀、成型工艺性能好，可在室温下固化，固化时收缩较大。耐热温度120。不饱和聚脂树脂可用于生产玻璃钢、涂料、装饰板、人造大理石、管道等。（3）环氧树脂（EP）环氧树脂的品种牌号很多，其分类参见化工部标准HG2-742-72，其中生产最早、使用最广的是双酚A型环氧树脂（其产量占环氧树脂的80%90%），其牌号主要有：E-51、E-44、E-42等（E为双酚A型环氧树脂的代号，后续数字为平均环氧值。）。环氧树脂有较强的粘结力，可室温固化，固化时收缩很小。化学稳定性、耐热性、机械强度好，吸水率低。环氧树脂可用于生产玻璃钢、胶粘剂、涂料等。环氧树脂具有很多优良性能，在工程上使用较为广泛，产品有：粘合剂、密封材料、涂料、复合层压材料、浇注材料、浸渍材料等。在建筑上使用最广的是环氧树脂粘合剂（俗称万能胶），用于结构修补。（4）氨基塑料氨基塑料包括脲醛塑料（UF）、密胺塑料（MF）。脲醛树脂是由脲素和甲醛缩聚而成，耐热温度78。低分子量时呈液态，常用作粘合剂、涂料；高分子量时为白色固体，加工成的塑料商品称为电玉，可作装饰品、电气绝缘材料；经发泡处理可制得闭孔型硬质氨基泡沫塑料，用作填充保温绝热吸声材料。密胺树脂是由三聚氰胺和甲醛缩聚而成。低分子量未硬化的呈浅色或无色浆体，高分子量的为白色或浅色固体。密胺树脂可用于生产装饰层压板、涂料、粘合剂。MF加入亚硫酸钠聚合后可制成阴离子型高效表面活性剂，可用于混凝土作高效减水剂，价格较贵。（5）聚氨酯（PU）聚氨酯可制成单组份或双组份的涂料、粘合剂、弹性体、硬塑料、泡沫塑料（硬质、软质）。聚氨酯性能优良，生产工艺简便，可常温聚合、发泡。聚氨酯可用于生产泡沫塑料、涂料、胶粘剂、防水材料等。（6）有机硅树脂（SI）有机硅树脂有良好的流动性，便于施工。有机硅憎水、耐水、耐候、耐高温（250）、耐寒、耐腐蚀、电绝缘性好。有机硅可用于制作高级绝缘材料、防水材料。3.树脂基复合材料（1）玻璃钢（GRP）玻璃纤维增强塑料，俗称玻璃钢，具有轻质高强的特点，是合成高分子化合物用作结构材料的主要代表。玻璃钢由合成树脂胶结玻璃纤维或玻璃布制成，一般常用酚醛树脂、聚酯树脂、环氧树脂等热固性树脂，其中聚酯树脂因其化学稳定性好、价格较低而使用最多。玻璃钢密度1.52.0g/cm3，抗拉强度接近或超过碳素钢，但刚度比金属差，层间剪切强度低，耐老化性能不够理想。玻璃钢在航空、高压容器、军用及民用制品上得到广泛应用。在建筑工程中，可用作采光材料、围护材料、装饰装修材料，如：瓦楞形屋面板、整体采光罩、浮雕、浴盆、管道等。复合材料能综合各组分的优良特性，有针对性地改善材料某些方面的性能。复合材料的类型有：纤维复合材料、层合复合材料、颗粒复合材料。（2）蜂窝塑料以塑料板或金属薄板、胶合板为面板，中间为具有格子（多为六角形蜂窝状）的夹层（经树脂浸渍并固化的玻璃布或纸张），用氨基树脂或环氧树脂紧密粘合在两片面板之间，制成质轻、抗压和抗弯性能好的隔墙板、门板、地板、家具等。（3）增强塑料薄膜用玻璃纤维或尼龙纤维网制成的塑料薄膜，有较好的韧性，可用于建造半永久性或可拆迁的大跨度充气结构仓库和房屋。（4）钙塑材料树脂中加入大量碳酸钙、亚硫酸钙等钙盐填充料和必要的添加剂、加工塑制成的复合材料称为钙塑材料。钙塑材料尺寸稳定，难燃，便于锯、刨、钉、印刷、粘合等加工，可制成板材、管材、中空异形材等装修、保温、防水材料与用品，在建筑上广泛用作天花板、吸音板及墙面装修。（5）树脂混凝土以合成树脂作胶凝材料，加入固化剂、粉料、粗细骨料配制而成。参见特种混凝土部分的内容。二、常用建筑塑料制品（1）塑料壁纸塑料壁纸通常分为普通壁纸、发泡壁纸、特种壁纸（耐水壁纸、防火壁纸、彩色砂粒壁纸、植绒壁纸等）。（2）塑料地板塑料地板种类很多，按形状分为：块状、卷状；按柔性分为：软质、半硬质；按结构分为：单层、多层复合。塑料地板所使用的树脂有聚氯乙烯、聚乙烯-醋酸乙烯、氯乙烯-聚丙烯等，目前绝大部分为聚氯乙烯塑料地板。塑料涂布地面是由聚合物树脂砂浆和树脂涂料两层组成。砂浆由树脂、填料、颜料等现场调配，直接涂抹在地面上（厚约212mm），硬化后表面涂以树脂薄膜层（厚度小于1mm）。常用不饱和聚酯树脂、环氧树脂。塑料涂布地面具有施工简单、耐磨、无缝的特点，可用于耐化学腐蚀及卫生标准要求较高的地面，如医院手术室、食品加工厂、奶制品厂等，也适用于旧地面翻修。（3）化纤地毯世界地毯总产量中95%为化纤地毯。化纤地毯按加工方法分为：簇绒地毯、针扎地毯、机织地毯等，其中簇绒地毯使用最普遍。化纤地毯的构成：面层织物（常用聚丙烯睛纤维、尼龙纤维、聚丙烯纤维）、初级背衬（常用聚丙烯机织布或无纺布）、防松涂层（常用丁苯胶乳）、次级背衬（常用黄麻、聚丙烯、发泡型聚氨酯）。（4）塑料门窗塑料门窗是由硬质聚氯乙烯型材经焊接、拼装、修整而成的门窗制品，分为全塑门窗、复合塑料门窗（塑钢门窗）。塑料门窗具有保温、隔热、隔声、耐潮湿、耐腐蚀、不需涂装等特性，能在-4070的环境温度下使用30年以上。塑料门窗不能与发烟硫酸、硝酸、醋酸、氯气等接触。（5）塑料管道以塑料代铁已是国际上给排水管道发展的方向，塑料管道已成为建筑塑料中用量最大的品种（占建筑塑料产量的40%以上）。塑料管道有硬管、软管两种，建筑上主要使用硬质聚氯乙烯管。硬质聚氯乙烯压力管可用于建筑室内供水系统，硬质聚氯乙烯非压力管可用于住宅、旅馆、商店、医院建筑的排水排污系统。硬质聚氯乙烯管使用温度范围050，不能输送热水和蒸汽。（6）合成高分子防水材料包括防水卷材（树脂类、橡胶类、树脂-橡胶共混型）、密封材料。三、土工合成材料土工合成材料是以高分子材料制成的一种平面材料，置于土体内部、表面和各层土体之间，起着加强和保护土体的作用。土工合成材料大约在20世纪50年代开始应用于土工建筑。1953年美国垦务局首先在渠道上使用聚乙烯薄膜防渗；1955年以前，以合成纤维织物做成的沙袋已在荷兰、德国、日本等国家应用。土工合成材料分为五类：土工织物、土工膜、特种土工合成材料、复合型土工合成材料、土工泡沫。四、粘合剂凡能在两个物体表面之间形成薄膜并将它们紧密粘结在一起的材料称为粘合剂（又称胶粘剂）。粘结强度通常以拉伸剪切强度（单面搭接）进行评定。影响粘结强度的因素有：粘合剂的性质（粘度、极性、体积收缩等）、被粘材料的性质（极性、表面粗糙度等）、粘结工艺（表面处理、搭接长度、加热加压、胶层厚度等）、环境条件（温度、湿度）等。1.粘合剂的组成（1）粘料粘料是粘合剂的主要组成，起基本粘结作用。主要采用合成树脂，结构用粘合剂多采用热固性树脂（强度高，变形小，耐久性好），非结构用粘合剂多采用热塑性树脂。（2）固化剂固化剂使粘合剂硬化，常用固化剂为胺类、酸酐类等。（3）填料加入填料是为了增加强度、提高耐热性、降低成本。常用的填料有：石棉粉、滑石粉、铁粉等。（4）稀释剂稀释剂用于调节粘合剂的粘度，增加涂敷润湿性。常用的稀释剂有：环氧丙烷、丙酮等。（5）其它根据需要还可加入增韧剂、稳定剂、防腐剂等。2.常用建筑粘合剂建筑上使用较早的有机粘合剂有：牛皮胶、鱼胶、虫胶、沥青类材料等，目前大多采用合成高分子材料。（1）热固性树脂粘合剂a.环氧树脂粘合剂环氧树脂粘合剂是使用最普遍的粘结材料（俗称万能胶），其配方极多，所用固化剂对粘合剂的性能起重要作用。环氧树脂粘合剂具有粘合力强、收缩小、稳定性好等特点，对金属、木材、玻璃、硬塑料、混凝土都有很强的粘附力（但对聚乙烯、聚四氟乙烯、硅树脂、硅橡胶等少数几种塑料胶接性较差），还可用于水下作业。在建筑工程中，环氧树脂粘合剂不仅用作结构粘合剂，也是很好的防水防腐材料。b.不饱和聚脂树脂粘合剂不饱和聚脂树脂主要用于制造玻璃钢，但也可粘结陶瓷、玻璃钢、金属、木材、混凝土等，属无溶剂型粘合剂，可室温固化，应注意其固化收缩率很大（必要时可掺填料或夹填玻璃布）。（2）热塑性树脂粘合剂a.聚醋酸乙烯（PVAC）粘合剂俗称白胶，是一种使用方便、价格便宜、应用普遍的非结构粘合剂，对各种极性材料有较好的粘附力，特别对木材、纸张、皮革及某些塑料粘附力强，也可粘接玻璃、陶瓷、混凝土等，应注意其耐热温度低（40）、耐水性差、徐变大。b.聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯醇缩醛粘合剂聚乙烯醇是一种水溶性聚合物，其水溶液很适合粘结木材、纸张、织物等，但耐热性、耐水性、耐老化性很差，所以常与热固性粘合剂并用。聚乙烯醇缩甲醛（PVFL）俗称107胶或801建筑胶（经氨基化的聚乙烯醇缩甲醛，性能优于107胶），具有水溶性，成本低，为建筑装修工程常用的粘合剂，如粘贴塑料壁纸；加入水泥砂浆中可粘贴瓷砖、减少地板起尘等。c.丙烯酸酯类粘合剂应用最广泛的是以-氰基丙烯酸乙酯为主要原料制得的501、502胶，主要用于金属、非金属材料的粘结。（3）合成橡胶粘合剂a.氯丁橡胶（CR）粘合剂对水、油、弱酸、弱碱、有机溶剂都有良好的抵抗性，可粘接钢、铜、铝、玻璃、陶瓷、水泥制品、塑料等，在建筑上常用在水泥砂浆墙面或地面上粘贴橡胶及塑料制品。b.丁睛橡胶（GR-A）粘合剂对油类及许多有机溶剂的抵抗力极强，剥离强度高，可用于耐油、防腐制件的粘接或涂层。思考题1、热塑性树脂与热固性树脂主要不同点有哪些？2、粘合剂能与被粘结物牢固粘结的条件？思考题参考答案1、热塑性树脂与热固性树脂主要不同点有哪些？2、粘合剂能与被粘结物牢固粘结的条件？热塑性树脂为线型或支链型分子，耐热性差、耐腐蚀性差、可溶可熔、强度较低、变形较大，主要用于非结构材料。热固性树脂固化后形成体型分子，强度较大、粘结力强、耐热性好、变形小，主要用于结构材料，也可用于非结构材料。粘合剂与被粘物很好的浸润；极性粘合剂适用于粘结极性材料；粘合剂良好固化；胶层厚度适当。