§ 24. Добавки к синтетическими органическим вяжущим материалам
Синтетические и органические вяжущие материалы, используемые для изготовления клеев и мастик, в чистом виде, как правило, применяют очень редко. В большинстве случаев в них добавляют разные вещества, облегчающие работу с ними и повышающие их эксплуатационные качества: растворители, наполнители, пластификаторы.
Растворители. Основное назначение растворителей — придать вяжущему и клеевому составу жидкую консистенцию, удобную для нанесения на поверхность. Процесс действия растворителя можно представить так. Вязкость жидкости или твердое состояние вещества обусловливается силами притяжения между молекулами вещества. В растворе, представляющем смесь молекул растворенного вещества и растворителя, молекулы последнего проникают между молекулами вещества и понижают связь между ними. В результате раствор приобретает большую подвижность, чем первоначальное вещество, понижается вязкость жидкости, а твердое вещество в растворе переходит в жидкое состояние. Однако взаимной растворимостью обладают не все жидкости. Например, керосин и вода после интенсивного перемешивания сразу разделяются на два отчетливых слоя, а спирт с водой может смешиваться в любых соотношениях. При этом в зависимости от их соотношения получается или раствор спирта в воде или раствор воды в спирте.
Растворители, применяемые в отделочных работах, должны обладать химической стойкостью,, т. е. не должны взаимодействовать с растворяемым веществом. Тесная связь двух или нескольких веществ легче всего
достигается, когда смешиваемые вещества близки по своей химической природе, а также по размеру и форме молекул. Кроме того, не всегда желательно, чтобы растворитель взаимодействовал со склеиваемыми материалами. Если же растворитель химически взаимодействует или растворяет склеиваемые материалы, то после нанесения клея на обрабатываемые поверхности склеивать их можно лишь после того, как растворитель испарится из клея.
Значительно реже в клеях и мастиках используют химическое изменение растворителя. Например, при добавке скипидара в полихлоропреновый клей часть его окисляется кислородом воздуха и способствует превращению растворимой пленки хлоропрена в нерастворимую.
Негигроскопичность — также важное свойство растворителей. Наличие даже небольшого количества воды в растворителе затрудняет применение клея и резко снижает качество соединения.
Используемые растворители должны обладать минимальной токсичностью. Органические растворители или их пары оказывают вредное воздействие на человека, поэтому при работе с ними строго соблюдают меры безопасности, в частности, обеспечивают хорошее проветривание помещений, в которых ведутся работы; р необходимых случаях применяют защитные приспособления— перчатки и респираторы.
По степени уменьшения токсичности растворители располагают в такой последовательности: дихлорэтан, ксилол, толуол,. бензол, ацетон, этилацетат, уайтспирит, бензин «галоша», скипидар.
При работе с растворителем необходимо учитывать его огнеопасность. Подавляющее большинство органических растворителей горючи, а их пары вместе с воздухом при определенной концентрации образуют взрывоопасную смесь. Поэтому в помещениях, где хранятся растворители и производится работа с ними или клеями и мастиками, содержащими их, надо строго соблюдать правила противопожарной безопасности. В помещениях нельзя разводить открытого огня, курить, все подсоединения, электрических приборов должны исключить возможность искрообразования. Кроме того, должно быть обеспечено хорошее проветривание. Наиболее взрывоопасны пары скипидара, затем идут: бензин, сольвентнафт, толуол, бензол, ксилол, этилацетат, ацетон, этиловый спирт, дихлорэтан, уайтспирит.
Скорость испарения растворителя должна обеспечивать необходимое течение технологического процесса. Большинство клеев и мастик, применяемых в отделочных работах, твердеет за счет испарения растворителя, поэтому скорость нарастания прочности клеевого соединения находится в прямой зависимости от скорости испарения растворителя. По условиям технологии эта скорость должна находиться в определенных пределах. Если она мала, то перед наклеиванием очень больших изделий необходимо выдерживать клеевой слой в течение длительного времени, так как при, испарении растворителя из верхнего слоя клея на его поверхности образуется пленка, дающая «сухой отлип», а внутри остается некоторое количество, растворителя.
При большой скорости испарения растворителя работать с клеем или мастикой неудобно и, кроме того, на поверхности клея может образоваться пленка, затрудняющая испарение растворителя из внутренних слоев.
Если растворитель взаимодействует с приклеиваемым изделием, то егo неиспарившаяся часть может вызвать на поверхности изделия пузыри и вздутия. Скорость испарения характеризуется значением относительной летучести, которая показывает, во сколько раз медленнее по сравнению с ацетоном испаряется данный растворитель при равных условиях. Значения относительной летучести для некоторых растворителей приведены ниже:
Ацетон........................... 1 Толуол......................... 2,9
Этилацетат…………..... 1,4 Этиловый спирт…….. 4
Бензол……………........ 1,4 Ксилол......................... 6,5
Бензин «галоша»……… 1,7 Уайтспирит………… 19—29
Дихлорэтан.................... 2 Скипидар..................... 29—34
В зависимости от принадлежности к видам химических соединений растворители подразделяются на терпеновые, углеводородные, кислородсодержащие и хлорированные.
Терпеновые растворители получают при переработке сосновой древесины или смолы.
Скипидар (ГОСТ 16943—71)—бесцветная, иногда с желтоватым оттенком, жидкость плотностью .0,852— 0,864 г/см3. Температура ее кипения около 150° С, а температура вспышки равна 30—32° С. Скипидар нетоксичен, но пары его при концентрации выше 0,3 мг/л воздуха вызывают головную боль, тошноту. Он хорошо растворяет органические масла, канифоль, глифталевые, полиэфирные и эпоксидные смолы и их сополимеры .со стиролом. Изза относительно высокой стоимости скипидар применяют ограниченно в отделочных работах, где он вытесняется более дешевыми углеводородными растворителями.
К самым дешевым углеводородным растворителям относятся алифатические углеводородные соединения — наиболее легкие фракции, получаемые при перегонке сырой нефти. Они менее токсичны, чем другие углеводороды, но и растворяющая способность их также меньше. Все они горючи. Их пары при большой концентрации способны образовывать взрывоопасные смеси с воздухом.
Керосин — прозрачная бесцветная или желтоватая жидкость с голубым отливом плотностью 0,82—0,84 г/см3. Растворяющая способность невелика. Изза резкого запаха применяют только для растворения битума.
Бензин (ГОСТ 8505—57) прозрачная, большей частью бесцветная жидкость с характерным запахом плотностью 0,70—0,78 т/см3. Он легко испаряется и воспламеняется. Смесь паров с воздухом взрывоопасна. Промышленность выпускает различные виды бензина, отличающиеся разной степенью очистки, показателем чего служит размер интервала температуры кипения. Так, интервал температуры кипения автомобильного бензина — 70—225° С, авиационного — 40—180°С, «галоши» и экстракционного — 80—120° С. Последние наименее токсичны. В них нет примесей кислот и добавок, которые могут быть в других бензинах.
Бензин растворитель или уайтспирит (ГОСТ 3134—52) —средняя фракция между тяжелым бензином и тракторным керосином. Интервал температуры кипения 150—210° С. Плотность 0,762—0,795 г/см3. Невысокая стоимость и малая токсичность обусловили широкое применение уайтспирита в'' качестве растворителя в отделочных работах, несмотря на невысокую растворяющую способность. Следует иметь в виду, что эфироцеллюлозные и некоторые эпоксидные составы он не растворяет.
Другая группа углеводородных растворителей — ароматические углеводороды — представляет собой химические соединения, характеризующиеся наличием в структуре молекулы замкнутых колец из атомов углерода и водорода. Название ароматические они получили изза того, что первые полученные соединения этого типа обладали приятным запахом, но это свойство не обязательно для всех соединений этой группы. Получают ароматические углеводороды в основном на коксохимических заводах из каменного угля, а также из нефти.
Ароматические углеводороды (бензол, ксилол, толуол) обладают более высокой растворяющей способностью, чем алифатические. Однако их применение ограничено более высокой токсичностью. Чаще всего применяют бензол и смесь ксилолов — сольвент.
Бензол нефтяной ,,(ГОСТ 9572—68)—бесцветная, летучая, огнеопасная жидкость с своеобразным запахом плотностью 0,88 г/см3. Пары его, смешиваясь с воздухом, образуют взрывчатую смесь. Бензол плохо растворим в воде, нерастворим в глицерине. Он хорошо смешивается с углеводородными соединениями (бензин, : керосин, масла, скипидар), растворяет жиры, каучук и другие органические вещества.
Нефтяной сольвент (ГОСТ 10214—62)—бесцветная прозрачная жидкость плотностью 0,865—0,885 г/см3 с температурой кипения 150—185° С. Промышленность выпускает сольвент трех марок: А, Б и В, различающихся плотностью и температурой кипения. Кроме ксилолов, которые сами ядовиты, в сольвенте могут быть примеси фенолов — сильно ядовитого вещества. Поэтому при работе с сольвентом, как и с бензолом, надо соблюдать необходимые правила безопасности.
К кислородсодержащим растворителям относятся органические соединения, в состав которых, кроме углерода и водорода, входят атомы кислорода: спирты, сложные эфиры (ацетаты) и кетоны. Кислородсодержащие растворители хорошо растворяют нитроцеллюлозу, мочевино и меламиноформальдегидные и виниловые полимеры. Изза высокой стоимости их часто применяют в виде добавки к углеводородным растворителям.
Из спиртов в качестве растворителей чаще всего используют метиловый и этиловый (РОСТ 17299—71) спирты. По химическому составу это простейшие углеводороды: метан СН4 и этан СгН6, у которых один атом водорода замещен гидроксильной группой ОН. Таким образом, химическая формула метилового спирта— СН3ОН и этилового — СгН5ОН.
По внешнему виду это бесцветные прозрачные жидкости с характерным запахом. Плотность метилового спирта 0,793, а этилового — 0,791 г/см3. Молекулярная масса соответственно равна 32,04 и 46,07, температура кипения 64,5 и 78,5° С. Несмотря на небольшую разницу между температурами кипения, скорость испарения метилового спирта почти в два раза больше, чем этилового. Оба они смешиваются с водой в неограниченном количестве. Чтобы растворить нитроцеллюлозу, их смешивают со сложными эфирами. Они хорошо растворяют масла и жиры, что позволяет использовать их для обезжиривания поверхностей. Этиловый и метиловый спирты .токсичны, особенно ядовит метиловый спирт.
Из сложных эфиров в качестве растворителей чаще всего применяют соединения спиртов с уксусной кислотой— ацетаты: метилацетат — из метилового спирта, этилацетат — из этилового и бутилацетат (ТОСТ 5.1315—72)—из бутилового. Они представляют собой бесцветные жидкости с более или менее сильным сладковатым фруктовым запахом. Плотность метилацетата 0,935, этилацетата — 0,886 и бутилацетата — 0,875 г/см3. Температура кипения соответственно составляет 60,0; 77,1; 126,5° С. Наличие примесей может несколько изменять эти показатели в ту и другую сторону. Наиболее быстро испаряется мётилацетат; этилацетат, примерно в 5 раз и бутилацетат в 10 раз медленнее. Они хорошо растворяют нитроцеллюлозу, фенолоформальдегидные и фталевоглицериновые полимеры. Все они токсичны. Длительное вдыхание их паров даже при небольшой концентрации вызывает тошноту, головокружение и головную боль. Поэтому при работе с ними, как и с большинством растворителей, следует хорошо проветривать помещение.
Кетоны составляют большую группу органических соединений, но в качестве растворителя широко применяют простейший из них— ацетон технический (ГОСТ 2768—69) — бесцветную жидкость с характерным эфирным запахом и плотностью 0,79 г/см3. При обычной температуре он легко испаряется. Ацетон хорошо смешивается в заданном соотношении с водой, спиртом, эфиром, минеральными и растительными маслами, бензином, керосином, скипидаром и некоторыми другими. Он хорошо растворяет органические и большинство синтетических смол. , Благодаря способности растворять жиры ацетон используют для обезжиривания поверхностей, склеиваемых синтетическими клеями.
Из хлорированных углеводородов в качестве растворителя используют дихлорэтан — бесцветную жидкость со слабым запахом плотностью 1,25 г/см3, с температурой кипения 84,5° С. Скорость испарения несколько меньше, чем этилового спирта. Дихлорэтан — сильный растворитель. Горючесть его умеренная. Несмотря на положительные качества применяют его редко, так как он сильно действующий яд.
Наполнители. Добавка наполнителя улучшает показатели физикомеханических свойств, повышает теплостойкость и консистенцию, уменьшает усадку и удешевляет стоимость клеевой композиции. Наполнителями в клеевых составах служат порошкообразные тонкоизмельченные материалы с крупностью зерен меньше 150 мкм (0,15 мм). В качестве наполнителей для клеевых составов используют каолин, цементы, каменную муку и другие материалы. Большинство наполнителей не вступает в химическую реакцию с вяжущим веществом. Их называют инертными наполнителями. Однако в отдельных случаях применяют наполнители, участвующие в реакции твердения вяжущего вещества. Их называют активными, или усилителями, так как их добавка повышает прочностные показатели клеевого соединения.
При промышленном изготовлении различных материалов и изделий на синтетических вяжущих (пластмассах), кроме порошкообразных, используют волокнистые (асбест, стекловолокно) и листообразные (бумага, хлопчатобумажная ткань) наполнители.
Пластификаторы. Пластификаторы (или смягчители) вводят в клеевые составы для повышения эластичности клеевой пленки. В качестве пластификаторов применяют главным образом мономерные химические соединения и полимерные смолообразные вещества. Действие пластификатора в несколько упрощенном виде объясняется тем, что относительно небольшие молекулы пластификатора, распределяясь между молекулами полимера, уменьшают количество связей между молекулами полимера. С уменьшением этих связей молекулы полимера получают большую свободу взаимного перемещения, что внешне выражается в повышении эластичности затвердевшего полимера.
Однако, уменьшая число боковых связей между молекулами полимера, пластификатор снижает прочность полимера. Для более эффективного действия пластификатор должен обладать способностью растворять или растворяться в полимере. Кроме того, пластификатор должен иметь высокую температуру кипения, так как в противном случае он будет испаряться из соединения.
В клеях и мастиках в качестве пластификатора применяют дибутилфталат (ГОСТ 2102—67)—прозрачную маслянистую на ощупь жидкость с молекулярной массой 278, плотностью 1,05 г/см2 и температурой кипения около 340° С.
Из полимерных пластификаторов иногда применяют полиэфирные смолы.
Из специальных добавок применяют инициаторы— вещества, вызывающие твердение высокомолекулярного вяжущего вещества, катализаторы — вещества, ускоряющие время отверждения.