《建筑功能材料》讲稿方案.ppt
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1、1,建筑功能材料,主讲:陈明凤,2,2,参考文献:1、化学建材,杨学稳等编,重庆大学出版社,20062、乳胶漆,林宣益编,化学工业出版社,20053、建筑防水卷材,沈春林等编,化学工业出版社,20044、建筑防水涂料,沈春林等编,化学工业出版社,20035、建筑防水密封材料,沈春林等编,化学工业出版社,20036、化学建材,张智强等编,重庆大学出版社,20007、建筑功能材料,马保国等编,武汉理工大学出版社,20108、建筑功能材料,张松榆等编,中国建材工业出版社,2012,3,3,建筑功能材料:具有防水、防火、保温、隔热、采光、隔声、装饰等建筑功能、非承重用材料。决定建筑物使用功能和建筑品质
2、。化学建材:以有机高分子(合成)树脂为主干成分制成的建筑材料。化学建材类型:建筑塑料(塑料管材、异型材、板材、壁纸及防水卷材等)、建筑涂料、建筑防水材料、胶粘剂、混凝土外加剂和其他复合材料等。化学建材在土建工程中的作用:1、在地基基础工程中,增加地基基础承载力,防治地下水渗透,保护和加强土体,如化学灌浆材料等;2、在主体工程中,改善混凝土使用性能,如操作性、稳定性、耐久性或某些特殊性能等,如聚合物混凝土、高性能混凝土等;3、在配套和装饰工程中,改进建筑物使用功能,如保温、隔热、防水 密封、吸光、采光、防火、防腐蚀、美化环境等。,4,4,第一篇 建筑塑料,第一章 概述第一节 发展塑料建材的意义塑
3、料建材的重要特点是节能。1吨塑料板可代替70吨钢材,1吨塑料包装材料可代替10m3木材;生产1m3PVC塑料只需70KJ能耗,而钢、铝分别是PVC的4.5、8.8倍。节能还表现在其密封性能上。建筑能耗约占总能耗的30%。在房屋建筑中,窗户传热量虽然只占22%,略低于外墙,但把通过窗户的传热量与缝隙空气渗透量相加,则约占建筑全部能耗的50%。,5,5,在使用能耗方面:采暖地区塑料窗代替普通金属窗,可节约采暖能耗3040%;塑料给排水管代替金属管节能达50%,提高供水能力20%左右,施工工效提高5060%;塑料线槽线管在住宅中得到普遍应用。,6,6,第二节 塑料建材性能特点,加工性能优良 多种方法
4、成型加工,制品形状多样。多种功能 塑料种类多、改变配方或改性可改变塑料性能。轻质性 塑料比重(0.82.2)只有钢材的1/81/4,混凝土的1/3,减轻施工时劳动强度和建筑物自重。装饰出色 制品形状、颜色、图案可任意设计。其他特性 1.老化已不是建筑中使用塑料的主要障碍,如塑料管的使用寿命比铸铁管长,最高可达50年;2.可燃,按有关规范设计使用;3.耐热性差,一般塑料的热变形温度仅6080;4.刚性小和易蠕变,不能作建筑结构材料使用;,7,7,5.热伸缩性大。热膨胀系数是传统建材的4倍以上。为防止热应力积累导致材料破坏,塑料板材拼接时要考虑塑料建材的柔性与伸缩性,在塑料管道系统中必须留有伸缩节
5、。塑料建材可代钢、代木,具有某些传统建材无法比拟的性能,可显著节省能源,保护生态环境,改善居住环境和条件,提高建筑物功能。,8,8,第三节 建筑塑料品种和选材原则,塑料建材用树脂主要有PVC、PS、PE、PP、ABS、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、脲醛树脂等。塑料原材料选材原则:满足制品使用性能要求,如力学性能、尺寸稳定性及热稳定性等;根据使用场所选择满足特殊要求的材料,如供水系统选用无毒材料,室内装饰选用低挥发性材料;在满足性能要求的基础上,选用低成本材料;根据制品形状和加工方法,选用具有良好加工性能材料。,9,9,第二章 建筑中的树脂和塑料,塑料主要成分:合成树脂(胶结材)、助剂和颜
6、填料。第一节 加聚树脂与塑料聚氯乙烯(PVC)PVC是建筑中应用量最大的塑料,可制成硬质或软质的,因含氯具有自熄性。PVC按聚合方法分:悬浮(粉状或悬浮树脂)和乳液聚合(糊状树脂)。粉状PVC分为疏松型(XS)和紧密型(XJ),粉状树脂颗粒较大,粒径为30150m,糊状树脂颗粒较细,粒径为0.22m。PVC受光热作用易分解,须加入稳定剂,防止和抑制PVC分解。PVC制品长期使用温度不宜超过55,经过改性的特殊配方制品耐温可达90。糊状PVC用来配制PVC糊:1、增塑糊(塑料溶胶),由糊状树脂和增塑剂组成,增塑剂比例高,为树脂量的80100%,粘度低。2、稀释糊(有机溶胶),增塑剂比例低,同时含
7、有稀释剂使粘度适中便于涂布。PVC糊主要用作涂布生产PVC墙纸和地板等。,10,10,粉状树脂用作制备塑料,分硬PVC和软PVC两大类。前者基本不含或含少量增塑剂,机械性能好,但抗冲击性较差,低温时呈脆性。在塑料门窗、建筑管道等硬质PVC中,通常加入改性树脂来提高抗冲击性能。软质PVC的软性变化范围较大,随所加增塑剂量而变。PVC耐溶剂性较好。常用溶剂为四氢呋喃和环己酮,可制成溶剂粘接剂。PVC在建筑中应用较广泛的有门窗、异型材、模板、地板、管道、管件、墙纸、护墙板和防水卷材等。,PVC衍生物:1.氯醋共聚物 醋酸乙烯含量愈高,加工性能和溶解性能愈好,但机械性能变差。低醋酸乙烯含量氯醋共聚物可
8、代替PVC生产塑料地板等,加工温度较低,塑化性能好;高醋酸乙烯含量氯醋共聚物溶解性能好,主要用来制造涂料、PVC印刷油墨等。2.氯偏(氯乙烯-偏氯乙烯)共聚物 主要以乳液形式作为制备涂料的基料,涂膜硬而坚韧。3.PVC氯化改性后称为过氯乙烯树脂,含氯量可从56.8%提高到6667%。,11,12,12,过氯乙烯树脂性能与PVC接近,其软化点比相同分子量的PVC高,而溶解性优于PVC。主要配成内外墙和地面涂料,耐老化性很好。聚乙烯(PE)HDPE、LDPE等。结晶性材料,室温下没有溶剂,高温时某些非极性烃类溶剂如四氯化碳和四氢萘可溶解它。能耐大多数酸碱,只有浓硫酸和浓硝酸会缓慢地侵蚀它,PE耐低
9、温性和抗冲击性比PVC好得多,易燃烧,燃烧时呈淡蓝色火焰并发生滴落。PE主要制造防水材料、给排水管、卫生洁具、薄膜、合成木材、装饰片材和钙塑材料等。,商品PE以熔融指数(MI)分级。MI是在一定温度下(PE为190)用2160g的荷重从直径2.1m、长8mm的毛细管中10min内挤出的克数。表征聚合物分子量。PE改性物 氯化聚乙烯(CPE),是PVC的抗冲击改性剂;氯磺化聚乙烯是弹性体,可提高PVC抗冲性;EVA弹性体,可改进PVC抗冲性。聚丙烯(PP)PP等规度愈高,结晶度愈高,机械性能愈好。无规PP性能很差,为无定形蜡状物质。PP等规度一般以在正庚烷中的不溶部分的重量百分数来表示。PP密度
10、在通用塑料中最小,约0.9。等规PP是结晶性非极性聚合物,常温下没有溶剂,高温下溶于高沸点脂肪烃和芳烃,PP燃烧性与PE接近,易燃且会滴落。,13,14,14,PP的商品等级用熔融指数来表示,测定温度为230。PP建材制品有管材、卫生洁具(如浴缸和整体淋浴室)、模板等,其纤维编织物作建筑施工时的大面积保护性网罩。聚苯乙烯(PS)本体和悬浮聚合,悬浮聚合PS为颗粒状,可生产可发性PS。工业生产的聚苯乙烯类聚合物主要有:通用型聚苯乙烯(GPPS)、高抗冲型聚苯乙烯(HIPS)、可发型聚苯乙烯(EPS)以及苯乙烯的共聚物如ABS、SAN、ACS和K树脂等。,15,15,PS在建筑中主要以泡沫塑料的形
11、式作为隔热隔音材料,也可制造灯具、发光平顶板等。1.通用型聚苯乙烯(GPPS)分子量约510万,本体、悬浮等经自由基聚合而成。GPPS透明性好,常称作晶状聚苯乙烯。商品GPPS 有三类:高耐热型:分子量高,添加剂少;中等流动型:中等分子量,含12%矿物油添加剂;高流动型:分子量低,含34%的矿物油。,16,16,通用型PS性能:无色透明类似玻璃的塑料,透光度可达8892%;机械强度较高,但抗冲性较差,即有脆性;燃烧时有大量黑烟碳束;耐溶剂性较差,能溶于苯、甲苯和乙苯等芳香族溶剂。2.高抗冲聚苯乙烯(HIPS)一般采用弹性体(顺丁或丁苯橡胶)对PS 进行化学或物理改性。早期采用机械混炼法,由于橡
12、胶分散不均匀,增韧效果不明显,因而发展了接枝聚合法,即将丁苯橡胶或丁基橡胶溶解于苯乙烯单体中进行本体或悬浮聚合。专用级HIPS可代替工程塑料。3.可发性PS(EPS)是苯乙烯经悬浮聚合的珠状产品。发泡剂可在聚合过程中加入制得可发性聚苯乙烯珠粒,也可在成型时加入,经加热加压使发泡剂渗入PS珠粒中,17,17,溶胀而得EPS珠粒,常用发泡剂是正戊烷。ABS塑料 丙烯腈使ABS有良好耐化学性及表面硬度,丁二烯使ABS坚韧,苯乙烯使它有良好加工性能。ABS树脂制备方法有混炼法和接枝共聚法,主要采用接枝共聚法。生产的ABS 树脂中单体含量范围为:丙烯腈2030%,丁二烯630%,苯乙烯4570%。ABS
13、具有坚韧、质硬、刚性等优异力学性能,广泛用作工程塑料。ABS为不透明塑料,呈浅象牙色。ABS在建筑中可制造管道、模板、异型板材等。,18,18,聚醋酸乙烯酯(PVAc)溶液和乳液聚合生产。溶液聚合溶剂为甲醇或乙醇,聚醋酸乙烯酯溶液可直接作PVA 的原料或加工成粘合剂。聚醋酸乙烯酯乳液可直接作粘合剂(白胶)或内墙涂料基料。PVAc软化点低,仅40左右,不能作塑料制品,大量作聚乙烯醇和聚乙烯醇缩甲醛的原料。,19,19,聚乙烯醇及其缩醛 PVA易溶于8090的热水,PVA可生产内墙涂料和粘合剂。聚乙烯醇缩醛中含有乙酰基、羟基、缩醛基,其性能也取决于这三种基团的比例。丙烯酸类树脂(AC)丙烯酸类单体
14、的均聚物和共聚物。有本体和悬浮聚合。本体为主要方法,可直接得到有机玻璃。悬浮法得到模塑粉。PMMA是透光率最高的一种塑料,透光率达92%,但表面硬度比无机玻璃差,易划伤。应用最多的是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),即有机玻璃,大量作窗玻璃代用品,还可制作外墙装饰板、浴缸等。,20,20,第二节 缩聚树脂与塑料,酚醛树脂(PF)酚类有苯酚、甲酚、二甲酚;醛类有甲醛、糠醛等,主要是苯酚-甲醛缩聚物。以酸(如HCl)为催化剂,酚与醛比例1时可合成热塑性酚醛树脂,为松香状;以碱为催化剂(如NH3、Ba(OH)2、NaOH等),且甲醛过量时,是热固性酚醛树脂。热塑性与热固性酚醛树脂可相互转化,热塑性用甲醛
15、处理可转变成热固性,热固性在酸性介质中用苯酚处理可变成热塑性。热固性酚醛树脂加热自身可固化;热塑性酚醛树脂须加入固化剂固化,常用固化剂是六次甲基四胺(俗称乌洛托品)。热塑性酚醛树脂与乌洛托品、木粉等混合,加热混炼使树脂变为B阶树脂,再粉碎即得PF模塑粉(电木粉)。酚醛树脂可制清漆、层压和模压塑料、泡沫塑料(发泡剂有(NH4)2SO4、CaHSO3等)、建筑小五金。,21,21,氨基树脂 主要有脲甲醛树脂和三聚氰胺甲醛树脂(密胺树脂)。1.脲甲醛树脂(UF)由脲(尿素)与甲醛缩聚制得。主要由加成反应和缩合反应两步得到线形或带支链的聚合物。成型过程中通过加热和加入草酸、邻苯二甲酸等固化促进剂(又称
16、为催化剂或变定剂)形成交联网状结构。脲甲醛树脂用作塑料仅占总产量的1/10,作塑料主要加工成模塑粉(电玉粉),可制作建筑小五金,大量用作粘合剂和涂料。2.三聚氰胺甲醛树脂(MF)MF耐水性、电气绝缘性均比UF好。MF除用作模塑料外,还可注塑成层压塑料,可用机械发泡制成现场发泡泡沫塑料,作空心墙的隔热层及粘结剂。不饱和聚酯树脂(UP)由不饱和及部分饱和二元酸(或酸酐)与饱和二元醇经缩聚获得线形初聚物,在缩聚反应时加入乙烯类单体制成粘稠液体经固化而得制品。,22,22,原料组成:1.二元酸 不饱和二元酸:顺丁烯二酸酐(马来酸酐)、反丁烯二酸(富马酸);饱和二元酸:邻苯二甲酸、间苯二甲酸、己二酸等。
17、2.二元醇:丙二醇、丁二醇及其缩合体等,一般采用丙二醇。3.交联单体:苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯。4.引发剂:常用氧化还原引发剂,如过氧化环己酮和环烷酸钴,过氧化苯甲酰和二甲基苯胺。5.添加剂 延长不饱和聚酯初聚物存放时间的阻聚剂;调节树脂流变性的触变剂。不饱和聚酯优点:工艺性好,可不加压或低压成型。缺点:固化收缩率大,为78%,加工时单体易挥发,劳动条件差。主要用来制作玻璃钢(约占整个树脂用量的80%),还可制造非增强模塑制品,如卫生洁具、人造大理石、塑料涂布地板等。,23,23,环氧树脂(EP)环氧树脂种类多,典型而用途广泛的是环氧氯丙烷与双酚A经缩聚得到的双酚A型环氧树脂,其产量占90%以上
18、。环氧树脂固化:一是环氧基与含活泼氢化合物化学反应而固化,如多元脂肪胺、多元芳胺、多乙烯多胺、多元酸及酸酐、分子量低的聚酰胺、聚酯、酚醛、密胺等树脂;二是叔胺、路易斯酸等催化剂作用下环氧基聚合而交联。环氧树脂分子量可用环氧当量或环氧值表示。环氧当量是含有1克当量环氧基的树脂克数;环氧值是100克环氧树脂中含有环氧基克当量数。环氧值=100/环氧当量,若环氧树脂为线形结构且分子两端为环氧基,则分子量为环氧当量的两倍,即:分子量=2环氧当量。未固化环氧树脂是线形热塑性树脂,为高粘度流体或低熔点固体,易溶于丙酮和二甲苯等溶剂。环氧树脂性能:与各种材料有很强粘结力,固化收缩率低(2%),工艺性好,可室
19、温低压成型,但粘度较高。,24,24,环氧树脂用途:增强塑料、浇铸塑料(大约百分之九十电子仪器的浇铸和密封均采用液体环氧树脂)、泡沫塑料、粘合剂和涂料等。聚氨酯树脂(PU)分子链中含有许多重复的氨基甲酸酯基团的聚合物统称为聚氨基甲酸酯(简称聚氨酯)。按使用单体不同,可制成热塑性塑料,用于合成革、弹性体、工业制品、涂料、粘合剂等,也可制成热固性树脂,用于软质、硬质和半硬质塑料,聚氨酯弹性体,聚氨酯泡沫等。聚氨酯原料:多异氰酸酯、多元醇、扩链剂、催化剂。1.多异氰酸酯 异氰酸酯基团活泼,可与醇、胺、酸、水和苯酚等含活泼氢化合物反应。聚氨酯产品中95%以上使用芳香族异氰酸酯。常用异氰酸酯:甲苯二异氰
20、酸酯(TDI)、二苯基甲烷异氰酸酯(MDI)。,25,25,2.多元醇 多元醇是构成聚氨酯结构中的弹性部分(软段)的母体,通常都制成预聚物。最常用的是聚醚型和聚酯型多元醇。聚醚型多元醇主要有聚氧化丙烯醚二醇和聚四氢呋喃醚二醇,通常用多元醇和环氧丙烷反应而成。聚酯二元醇是以二元酸如邻苯二甲酸、己二酸和多元醇如乙二醇、甘油等缩聚而得。通常用羟值表示聚醚或聚酯多元醇的羟基含量,即1克树脂中含有的羟基相当于KOH的毫克数。羟值越大,羟基含量越高。用于合成PU的聚醚或聚酯的羟值为50800。低羟值的用来生产软质PU,高羟值的用来生产硬质PU。3.扩链剂 典型扩链剂是低分子量二元醇和二元胺,与异氰酸酯反应
21、形成聚氨酯中的硬段。常用扩链剂是乙二醇、丁二醇和丙三醇,最重要的是丁二醇,二元胺大多是芳香族二元胺。,26,26,4.常用催化剂是二氮二环辛烷 聚氨酯制备时,首先合成预聚体,使用时扩链反应形成软和硬泡沫塑料、弹性体、涂料、粘合剂和密封剂等。聚氨酯泡沫塑料占聚氨酯总产量的90%左右。聚氨酯性能优异,强度高,耐化学性好,聚合简单,可在常温常压下聚合,可在施工现场发泡,异氰酸酯有一定毒性。有机硅聚合物(聚有机硅氧烷)单体为氯硅烷,水解后得单官能团、双官能团和三官能团三种硅醇单体。有机硅聚合物主要有硅油、硅树脂和硅橡胶,其中硅油占60%,硅橡胶占25%,硅树脂占15%。1.硅油 二官能团单体经水解缩聚
22、后的产物,常用的是甲基硅油。硅油用作高温传热介质、润滑剂、消泡剂和脱模剂、绝缘散热油、液体弹簧、吸振器及医用品等。2.硅树脂 由二官能团单体和三官能团单体经水解缩聚而得的支链形树脂。溶剂为甲苯、二甲苯,并加入催化剂,主要用于制漆,还适合作塑料。,27,27,3.硅橡胶 和硅油所用单体相同,分子量达到4010480104时可得硅橡胶。常见的是聚二甲基硅橡胶。硅橡胶可作高低温密封材料、耐热、耐寒、耐臭氧、耐电晕绝缘材料、隔热材料、医学人工器官、整形材料等。有机硅聚合物性能:(1)硅氧键能高,耐热性较好,耐热温度为200500;(2)分子主链外侧为一层非极性烃基,憎水性优异,电绝缘性好;(3)耐寒性
23、好,耐寒温度为-60。,有机硅材料的疏水性,28,29,29,第三节 玻璃纤维增强塑料(GRP),玻璃钢(GRP):玻璃纤维增强不饱和聚酯、环氧树脂等热固性塑料。树脂也可用酚醛树脂,纤维也可用碳纤维、硼纤维及聚合物纤维等。玻璃纤维按直径分:粗纤维直径大于30m;中级纤维直径为1030m;高级纤维直径为39m,供纺织成玻纤布。玻璃纤维按化学成分:有碱,含碱量大于10%;中碱,含碱量26%;无碱,含碱量小于1%。含碱量是指玻璃中碱金属含量,含碱量高的玻璃纤维耐酸碱性较差。GRP机械强度高,比强度超过一般钢材。GRP作结构材料使用时,由于弹性模量比钢材低得多,刚性小,一般只能承受自重或较小的负荷。玻
24、璃纤维制品类别 有纱、纺织布、毡、无纺布等。,30,30,GRP成型方法 有手糊法、喷射法(适于短切纤维)、模压法、缠绕法、挤拉成型法等。GRP在建筑中用作屋面材料和墙面围护材料的GRP板材,GRP的模制品有浴缸、水箱等,GRP的大口径管道可作地下排水管道。,31,31,第四节 聚氯乙烯(PVC)塑料原材料及配方,塑料大多是多组分体系,由基体材料(树脂和塑料辅助材料)和添加剂组成。PVC树脂 树脂是主要成分,含量为40100%。作用:决定塑料基本特性;粘结作用,将各种辅助材料粘结在一起。加入添加剂目的:改善成型和使用性能,延长寿命和降低成本。添加剂有十几个大类,上百个品种。增塑剂 使聚合物塑性
25、增加的物质称为增塑剂。增塑剂是具有极性或部分极性的高沸点、难挥发、与聚合物有良好相容性的液体或低熔点固体。增塑剂分为主增塑剂和副增塑剂。主增塑剂与树脂相容性好,塑化效率高,挥发性低,渗透性小。常用的有邻苯二甲酸酯类和磷酸酯类。副增塑剂(辅助增塑剂)与聚合物相容性差,与主增塑剂并用以降低成本。副增塑剂有脂肪族二元酸酯等耐寒型和环酯型增塑剂。增塑剂用于PVC、ABS及聚醋酸乙烯酯为原料的塑料制品中。,32,32,增塑剂性能:(1)相容性好。否则增塑剂易渗出到产品表面,影响成型加工和产品性能。(2)增塑效率高。增塑剂使塑料性能变化的程度。增塑效率以改变树脂的一定量物理性能(如硬度、模量等)时所需加入
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