Современные материалы для изготовления пластмассовых конструкций играют ключевую роль в различных отраслях промышленности, строительстве и других сферах, где требуется сочетание прочности, легкости и устойчивости к воздействию внешней среды. Одним из наиболее популярных типов таких материалов являются стеклопластики и их производные, которые активно применяются для создания высокоэффективных и долговечных конструкций. Эти композитные материалы основываются на использовании смол и наполнителей, таких как стекловолокно, стеклоткани и другие, что обеспечивает их исключительные физико-механические характеристики.
С развитием технологий и потребностей промышленности в более легких, прочных и долговечных материалах, стеклопластики, оргстекло, винипласт и другие пластмассовые конструкции находят все более широкое применение. Они служат основой для создания таких элементов, как светопрозрачные покрытия, антикоррозийные конструкции, а также различные элементы для строительства и производства. В этом контексте, важно рассмотреть ключевые типы материалов, их состав, свойства и области применения, чтобы обеспечить наилучший выбор в зависимости от конкретных требований.
Первые стеклопластики начали развиваться в середине 20 века, когда промышленность столкнулась с необходимостью создания материалов, способных выдерживать агрессивные условия эксплуатации при одновременно низком весе. Эпоксидные и полиэфирные смолы стали основой для производства стеклопластиков, а с использованием стекловолокна появились композиты, которые значительно улучшили прочностные характеристики материалов.
Первые попытки создать пластиковые материалы с улучшенными механическими свойствами были предприняты еще в конце 19 века, когда были изобретены первые синтетические смолы, такие как бакелит и фенольные смолы. Однако только в 1930-е годы, с развитием химической промышленности, стали доступны более совершенные полимеры, что открыло широкие возможности для создания стеклопластиков и других высокопрочных материалов.
С конца 1940-х годов стеклопластики начинают использоваться в авиационной, космической и автомобильной промышленности, а затем и в строительстве, где они успешно заменили традиционные материалы благодаря своей легкости и устойчивости к коррозии.
Стеклопластики — это высокоэффективные материалы, где связующими являются различные смолы (эпоксидная, фенольная, полиэфирная и другие), а наполнителями служат стекловолокна (например, в СВАМ), стеклянные нити (например, в марках АГ-4С и АГ-4В), стеклоткани (например, в КАСТ), а также рубленое стекловолокно, применяемое в полиэфирных прозрачных и окрашенных стеклопластиках. Стеклопластики изготавливаются в виде плоских и волнистых листов с размерами до 6 м в длину, до 1,5 м в ширину и толщиной от 1 до 2,5 мм. Брикетированные материалы, такие как АГ-4С и АГ-4В, изготавливаются в форме компактных блоков.
Эти материалы активно используются в обшивках трехслойных панелей для объектов с агрессивной внешней средой, для создания светопрозрачных покрытий и стен, а также для изготовления световых фонарей. Стеклопластики незаменимы в производстве радиопрозрачных и немагнитных конструкций для специального назначения.
Оргстекло (или полиметилметакрилат) представляет собой прозрачные листы, изготовленные из метилового эфира метакриловой кислоты. Эти листы могут иметь длину до 1,5 м, ширину от 400 до 600 мм и толщину в диапазоне от 0,8 до 24 мм. Оргстекло используется в производстве светопрозрачных конструкций, таких как покрытия и стены теплиц, парников, оранжерей и в других изделиях, требующих прозрачности.
Винипласт — это материал, получаемый на основе поливинилхлоридной смолы. Винипласт выпускается в виде листов размерами до 1500×650 мм с толщиной от 2 до 20 мм. Одним из ключевых преимуществ винипласта является высокая стойкость к воздействию кислот, щелочей и растворов солей, что делает его идеальным материалом для применения в качестве антикоррозийного конструкционного материала.
Пленки и ткани, используемые в строительстве, включают полиамидные и полиэфирные пленки, армированные капроновыми сетками. Пленки бывают прозрачными, полупрозрачными и непрозрачными, и выпускаются в рулонах длиной до 40 м, шириной 1000 и 1800 мм и толщиной от 0,5 до 0,71 мм. Ткани производятся на основе капронового текстиля, иногда с использованием хлопка и льна, и покрываются тонким слоем резины или смолы для обеспечения воздухонепроницаемости. Эти ткани могут быть однослойными или многослойными и выпускаются в длине до 20 м и шириной 85-90 см с толщиной 0,47-0,71 мм. Пленки и ткани часто применяются в пневматических конструкциях.
Пенопласты (например, полистирольные, полихлорвиниловые, фенольные и полиуретановые) изготавливаются с помощью вспенивания соответствующих полимеров и выпускаются блоками размером до 1800×3000 мм и толщиной до 100 мм.
Сотопласты имеют структуру, напоминающую пчелиные соты, и изготавливаются из хлопчатобумажных тканей, крафт-бумаги, изоляционной бумаги, пропитанных синтетическими смолами и антипиренами. Размеры сотопластов могут варьироваться: длина — от 1000 до 1500 мм, ширина — от 550 до 650 мм, толщина — до 350 мм.
Пено- и сотопласты широко используются в качестве среднего слоя в трехслойных панелях.
Листовой асбестоцемент применяется для обшивок трехслойных панелей, предоставляя дополнительные характеристики прочности и стойкости.
Таблица 1. Физико-механические свойства полимерных листовых материалов
| Свойства | Полиизобутиленовые | Поливинилхлоридные | Полиэтиленовые | ||||
| ПСГ | ПТА | УП-50 | Винипласт | Пластикат | ПВП | ПНП | |
| Плотность, г/см3 | 1,35—1,42 | 2,43 | 1,3 | 1,38—1,4 | 1,35—1,38 | 0,95 | 0,92—0,9 |
| Прочность при разрыве, МПа | 5,5 | 3,2 | 1 | 40—60 | 7—10 | 22—28 | 11—12 |
| Растяжимость,
% |
500 | 35 | 200 | 10—15 | 100—150 | 800 | 450 |
| Остаточное удлинение, % | 200 | 2 | 100 | До 5 | 25—50 | 25 | 75 |
| Температура размягчения, °С | 120 | — | 100 | 65 | 120 | 130 | 120 |
| Температура хрупкости, °С | –24 | –20 | –50 | –10 | –15 | –65 | –70 |
| Водопоглощение за 24 ч, % | 0,5 | 0,1 | 0,3 | 0,5 | 0,3 | 0,01 | 0,01 |
Таблица 2. Физико-механические свойства стеклопластиков
| Стеклопластики | Плотность, г/см2 | Предел прочности, МПа | Удельная ударная вязкость | Водопоглощение за 24 ч | Светопропускаемость,
% |
||
| При растяжени и | При сжатии | При изгибе | |||||
| Стеклотекстолиты | 1,85 | 230—280 | — | — | 60—115 | 1,5—3 | Непрозрачны |
| КАСТ
и КАСТ-В |
— | 110—170 | — | — | 45—85 | — | |
| СВАМ | 1,9 | 200 | 130 | 200 | — | — | |
| Стеклоэфиропласты | 1,4 | 65 | 75 | 100 | — | — | До 85 |
В конструкциях оконных и дверных блоков применяют полиэфирные стеклопластики, стеклонаполненные термореактивные материалы на основе полиэфирных смол, которые обладают теплопроводностью дерева, прочностью и долговечностью металла, биологической стойкостью, влагои атмосферостойкостью полимера (табл. 18).
Таблица 3. Сравнительные характеристики стеклопакетов с другими материалами
| Физико-механические характеристики | Стеклопластик | Стекло | ПВХ | Сталь | Алюминий | Древесина (сосна) |
| Плотность, т/м3 | 1,6—2 | 2,2 | 1,4 | 7,8 | 2,7 | 0,46—0,53 |
| Разрушающее напряжение при сжатии (растяжении), мН/м2 (мПа) | 410—1180 | 35 | 41—48 | 410—430 | 80—430 | 40—80 |
| Разрушающее напряжение при изгибе, мН/м2 (мПа) | 690—1240 | 25—50 | 80 | 400 | 275 | 80 |
| Модуль упругости при растяжении, гПа | 21—40 | 50—85 | 2,8 | 210 | 70 | 11 |
| Модуль упругости при изгибе, гПа | 27—41 | 50—85 | 2,8 | 21—0 | 70 | 10 |
| Коэффициент линейного расширения, ×10 °С | 5—14 | 3,2—11 | 57—75 | 11—14 | 22—23 | 5,4—34 |
| Коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅К) | 0,3—0,35 | 0,45 | 0,15—0,35 | 46 | 140—190 | 0,04—0,1 |
Таблица 4. Расчетные характеристики конструкционных пластмасс
| Материалы | Расчетные сопротивления, МПа | Модули, МПа | Коэффициенты | |||||
| растяжению Ro | изгибу Rи | сжатию Rc | срезу Rcp | упругости E | сдвига G | Пуассона γ | линейного расширения
α•10–6 |
|
| Стеклопластики: СВАМ | 160 | 250 | 140 | 50 | 24000 | — | 0,13 | 10 |
| АГ-4В | 36 | 54 | 60 | — | — | — | 0,13 | 10 |
| АГ-4С | 220 | 110 | 90 | — | 15000 | 5700 | 0,13 | 10 |
| Полиэфирный | 15 | 15 | 15 | 9 | 3000 | — | 0,13 | 25 |
| Термопласты: | ||||||||
| оргстекло | 15 | 25 | 20 | 14 | 1,4 | — | — | — |
| винипласт листовой марки ВН (непрозрачный) | 14 | 20 | 14 | 8,5 | 1,6 | — | — | — |
| то же, марки ВП (прозрачный) | 13 | 18 | 14 | 8,6 | 1,6 | — | — | — |
| Пенопласты полистирольные: марки ПСБ плотностью, кгс/м3:
20 30 марки ПСБ-Т плотностью, кгс/м3: 20 40 60 марки ПС-1 плотностью 100 кгс/м3 марки ПС-4 плотностью 40 кгс/м3 полихлорвиниловые марки ПХВ-1 плотностью 100 кгс/м3 фенольные марки ФРП-1, ФЛ-1 плотностью 60 кгс/м3 |
0,015 | — | 0,015 | 0,015 | 0,002 | 0,001 | 0,13 | — |
| 0,03 | — | 0,03 | 0,02 | 0,004 | 0,001 | 0,13 | — | |
| 0,015 | — | 0,015 | 0,015 | 0,002 | 0,002 | 0,13 | — | |
| 0,04 | — | 0,04 | 0,03 | 0,005 | 0,005 | — | — | |
| 0,06 | — | 0,06 | 0,05 | 0,008 | 0,011 | — | — | |
| 0,34 | — | 0,16 | 0,18 | 0,02 | 0,004 | — | — | |
| 0,08 | — | 0,05 | 0,05 | 0,004 | 0,011 | — | — | |
| 0,3 | — | 0,15 | 0,14 | 0,02 | 0,011 | — | — | |
| 0,02 | — | 0,03 | 0,02 | 0,004 | 0,03 | — | — | |
| Сотопласты на основе: | ||||||||
| крафт-бумаги | — | — | 0,16 | 0,1 | 0,036 | 0,011 | — | — |
| хлопчатобумажной ткани | — | — | 0,7 | 0,31 | 0,08 | 0,036 | — | — |
| пропитанной бумаги | — | — | 0,05 | 0,012 | 0,013 | 0,009 | — | — |
Таблица 5. Коэффициенты для материалов конструкций, эксплуатируемых при повышенных влажности и температуре
Примечание. Эксплуатация винипласта при температуре ниже –10 ºС не рекомендуется.
Материалы для изготовления пластмассовых конструкций, такие как стеклопластики, оргстекло, винипласт и другие, продолжают оставаться важными и незаменимыми в современных технологиях и строительстве. Благодаря уникальному сочетанию свойств, таких как прочность, устойчивость к агрессивным воздействиям внешней среды и легкость, эти материалы обеспечивают высокую долговечность и надежность конструкций.
Современные тенденции в области пластмассовых материалов направлены на улучшение их характеристик, включая повышение устойчивости к химическим воздействиям, улучшение термостойкости и механических свойств. Применение этих материалов в таких областях, как создание радиопрозрачных конструкций, антикоррозийных покрытий, а также в легких конструкциях, продолжает набирать популярность. Пластмассовые материалы также играют важную роль в инновационных областях, таких как создание энергетически эффективных и экологически чистых технологий.
