Добавить качества. Химические добавки к полимерным мембранам
Полимерные мембраны как кровельный материал появились в конце 1960-х гг. Этому способствовало быстрое развитие химической промышленности и строительства, а также заинтересованность рынка в получении новых качественных материалов. Высокие эксплуатационные свойства полимерных мембран и сегодня обеспечивают устойчивый спрос на эти материалы на рынке. Полимерные мембраны долговечны, просты в эксплуатации, их свойства не изменяются под воздействием климатических условий, что позволяет работать с ними круглогодично, при любых погодных условиях.
Полимерные мембраны – сложный по своему химическому составу продукт, и уже краткого перечня составляющих достаточно, чтобы понять это.
Существуют мембраны, устойчивые к воздействию битума и ультрафиолета, специальные особо прочные мембраны, обеспечивающие защиту основного гидроизолирующего полотна от динамических проколов и других повреждений. В зависимости от эксплуатационных свойств полимерные добавки образуют две основные группы: эластомеры и термопластики. К эластомерам относятся этилен-пропилен-диен-мономер (ЭПДМ), полиизобутилен (ПИБ), неопрен, к термопластикам – непосредственно ПВХ, этиленовые интерполимеры (ЭИП) и др.
В зависимости от назначения добавки делятся на пластификаторы, стабилизаторы, антиоксиданты, антистатики, противогрибковые и противопожарные добавки.
Для того чтобы полимерная мембрана не теряла своих свойств под воздействием ультрафиолета, к исходному сырью добавляют стабилизаторы. Стойкость мембраны к ультрафиолету зависит от состава и структуры полимера. Именно они определяют способность мембраны поглощать УФ-лучи. Они же «отвечают» и за химические процессы, происходящие на кровле, и за их «последствия»: быстрое старение материала и потеря им основных физико-механических свойств. Немалое значение при этом имеют и количество, и структура иных химических добавок, например стабилизаторов.
За меру светостойкости принимают величину, обратную скорости светового старения. Она характеризуется квантовым выходом фотопревращения. На практике за меру светостойкости, как правило, принимают время облучения, за которое происходят определенные изменения свойств материала под действием света.
Функция стабилизаторов заключается в том, что они поглощают активную часть излучения. Применение светостабилизаторов снижает скорость старения мембран в несколько раз. В качестве светостабилизаторов могут использоваться неорганические пигменты, органические соединения, содержащие хромофорные группы, металлоорганические соединения, стабильные радикалы и др.
В зависимости от вещества или соединения действие стабилизатора может быть основано на физическом или химическом принципах. В некоторых случаях могут одновременно протекать оба процесса. При этом надо иметь в виду, что эффективность стабилизатора определяется его совместимостью с ПВХ и склонностью миграции из полимера.
Физический принцип действия светостабилизатора основывается на его способности поглощать ультрафиолет и блокировать возбужденные состояния ПВХ и других компонентов, входящих в состав полимерного материала. Максимально эффективными являются светостабилизаторы, которые поглощают свет преимущественно в той же области, что и полимер.
В результате проходящих под воздействием солнечного излучения химических процессов образуются свободные радикалы. Химический принцип действия светостабилизаторов основывается на том, что образовавшиеся свободные радикалы вступают в реакцию с другими продуктами превращения полимеров. В ходе такой реакции образуются новые, более стойкие к излучению соединения. Выбор стабилизатора зависит от характеристик конечного продукта.
Первоначально основным сырьем для получения поливинилхлорида (ПВХ) были известь, уголь и каменная соль. Но и сегодня не все ПВХ производят из нефтепродуктов: большая часть продукции – 56 % – производится из соляной кислоты, которую в свою очередь получают из каменной соли, и 44 % – из этилена.
Как таковой ПВХ представляет собой «простой» белый порошок. Порошок этот взрывоопасен и вреден для здоровья и окружающей среды. Сам по себе ПВХ не является сырьем для дальнейшего производства, скорее, это одна из составляющих. Дальнейшая работа с ПВХ возможна только при добавлении к нему в процессе переработки иных компонентов. В то же время от свойств аддитивов напрямую зависят свойства ПВХ. Именно они придают материалам из ПВХ повышенную прочность и эластичность, поэтому и выбор тех или иных компонентов и их соотношений зависит от того, какими качествами должен обладать конечный продукт, и от условий его дальнейшей эксплуатации. В нашем случае – полимерные мембраны.
В состав ПВХ-мембраны входят три компонента. «Верхний» компонент – пластифицированный ПВХ. Этот слой может быть разного цвета, с текстурированной или нет поверхностью. Именно в этот слой вводятся в процессе производства стабилизаторы и другие химические добавки. «Средний» компонент, армирующий слой мембраны для механического крепления, представляет собой ткань из полиэфирной нити специального плетения. Армирование призвано обеспечить наибольшую прочность мембраны. «Нижний» компонент – как правило нестабилизированный ПВХ.
Для придания мембране пластичных свойств применяют так называемые пластификаторы.
В течение срока эксплуатации кровельным покрытиям неоднократно приходится выдерживать повышенные механические нагрузки. Это относится ко всем материалам, независимо от их типа, а также конфигурации кровли. Естественно, что у каждой ситуации свои особенности. Полимеры по своим свойствам материал довольно хрупкий. Поэтому, чтобы обеспечить прочность полимерных мембран в качестве «силовой» добавки к ним добавляют модификаторы ударной прочности. Они поглощают энергию механических воздействий. При переработке ПВХ модификатор равномерно смешивается с полимерной массой в сухом состоянии. Частицы модификатора не вступают с полимером в химическую реакцию. Мягкие частицы акрилата, входящие в состав модификатора, «обволакивают» частицы ПВХ, в то время как жесткий полимер обеспечивает необходимую степень скрепления материала. Модификатор образует в полимере своего рода защитную ударопрочную сетку, поэтому так важно равномерное распределение модификатора. В противном случае в конечном продукте, в полимерной мембране, возникают незащищенные участки, с которых и начнется в первую очередь разрушение материала. Использование же модификатора позволяет сбалансировать такие показатели, как жесткость, ударопрочность и твердость. Дополнительным положительным свойством является стабильность свойств ПВХ при низких температурах. Эффективность модификатора ударной прочности зависит от молекулярной массы используемого ПВХ, толщины стенок конечного продукта и структуры модификатора (соотношения ядро/оболочка).
Поливинилхлорид – диэлектрик с низкой диэлектрической проницаемостью, он обладает способностью накапливать заряды статического электричества, что в свою очередь может привести к сильному загрязнению материалов, а иногда и увеличению скорости распада ПВХ. Кроме того, разряды статического электричества представляют серьезную пожароопасность.
Для предотвращения возникновения статического электричества в качестве добавок к ПВХ применяют антистатики. Они предназначены для повышения электропроводности и увеличения диэлектрической проницаемости материалов. Применяют антистатики двух видов – внешние и внутренние.
Внутренние антистатики вводят в полимер перед переработкой, внешние наносят на поверхность изделия из раствора. Эффективность действия антистатиков напрямую зависит от их диффузионной способности. Срок действия внешних антистатиков намного меньше, чем срок действия внутренних, поэтому их концентрация при производстве должна быть выше.
В отличие от внешних антистатиков к выбору внутренних предъявляются особые требования. Эффективность применения внутренних антистатических добавок зависит от способности вступать в реакцию с частицами ПВХ, устойчивости к температуре переработки, а также от их влияния на стойкость к погодным условиям конечного продукта. Почти все антистатики снижают устойчивость ПВХ-материалов к перепадам температур.
Антистатики могут вступать во взаимодействие со стабилизаторами, поэтому очень важно заранее предусмотреть, какие стабилизаторы лучше применять в сочетании с тем или иным антистатиком. Свойства антистатиков обычно оценивают по их влиянию на поверхностное электрическое сопротивление материалов. При этом уменьшить влияние антистатиков на распад ПВХ можно путем введения в композицию соответствующих комплексообразователей.
Большинство полимерных материалов обладают малой огнестойкостью и являются горючими. Снижение горючести полимерных материалов достигается в основном путем их модификации или введением в материал антипиренов – компонентов, замедляющих процесс горения. Действие антипиренов основывается на двух принципах: плавлении легкоплавких веществ, вводимых в состав материала – это могут быть соли борной, фосфорной или кремниевой кислот, или на разложении при нагревании веществ, выделяющих газы, не поддерживающие горение, таких как аммиак или сернистый газ. В первом случае в результате плавления (антипирены плавятся уже при низких температурах) образуется тонкий защитный слой, препятствующий доступу кислорода к горящему материалу, а поглощение большого количества теплоты на плавление и испарение антипиренов в свою очередь предохраняет мембраны от нагревания до температуры разложения. Во втором случае негорючие газы, выделяющиеся при разложении солей, затрудняют воспламенение газообразных продуктов полимера и препятствуют распространению пламени.
От характеристик полимерной мембраны зависит и количество применяемых фунгицидов – антибактериальных и противогрибковых добавок. Например, такие добавки просто незаменимы для инверсионных эксплуатируемых кровель, где создаются идеальные условия для появления грибков и бактерий.
Варьируя состав и процентное соотношение химических добавок можно менять свойства материала в достаточно широких границах. Однако не следует забывать, что химические добавки взаимодействуют не только с самой ПВХ-основой материала, но и могут вступать в химические реакции друг с другом, подчас снижая свои действия и тем самым уменьшая прочностные характеристики мембраны. Так, большая концентрация антипиренов нейтрализует свойства некоторых стабилизаторов. Пластификатор, придавая мембране эластичность и повышенную прочность, в то же время ускоряет старение материала. Объясняется это главным образом тем, что пластификатор обладает способностью улетучиваться из материала.
В зависимости от составляющих материала, а также процесса производства выделяют несколько типов полимерных мембран, из которых наиболее распространенным являются ПВХ-мембраны.
Сегодня на рынке большинство производителей предлагают ПВХ-мембраны собственной разработки. Основная разница между мембранами заключается в составе сырья, в процентном содержании ПВХ и химических добавок.
