Эпоксидная смола

Структура эпоксидной смолы - продукта конденсации эпихлоргидрина с бисфенолом А, n = 0-25

Эпоксидная смола в олигомеры, содержащие эпоксидные группы и способные под действием отвердителей (полиаминов и др.) образовывать сшитые полимеры. Наиболее распространенные эпоксидные смолы в продукты поликонденсации эпихлоргидрина с фенолами, чаще всего в с бисфенолом А.

Свойства

Эпоксидные смолы стойки к действию галогенов, кислот, щелочей, обладают высокой адгезией к металлам. Из эпоксидных смол готовят различные виды клея, пластмассы, электроизоляционные лаки, текстолит (стекло- и углепластики), заливочные компаунды и пластоцементы. Эпоксидная смола в зависимости от марки и производителя, выглядит как прозрачная жидкость желто-оранжевого цвета напоминающая мёд, или как коричневая твердая масса, напоминающая гудрон. Жидкая смола может иметь очень разный цвет в от белого и прозрачного до винно-красного (у эпоксидированного анилина). Следующие свойства имеет чистая, не модифицированная смола без наполнителей.

• Модуль эластичности: $E\approx3000-4500 \frac{\rm{N}}{\rm{mm}^2}$
• Предел прочности: $R\approx 80 \frac{\rm{N}}{\rm{mm}^2}$
• Плотность: $\rho\approx1{,}2 \frac{\rm{g}}{\rm{cm}^3}$

Хотя отверждённая по правильной технологии эпоксидная смола считается абсолютно безвредной при нормальных условиях, её применение сильно ограничено, так как при отверждении в промышленных условиях в ЭС остается некоторое количество золь-фракции в растворимого остатка. Он может нанести серьёзный урон здоровью, если будет вымыт растворителями и попадет внутрь организма. В неотверждённом виде эпоксидные смолы являются достаточно ядовитыми веществами и могут также навредить здоровью. По этой причине при работе с ЭС требуется соблюдать определенные правила:

• Склееная при помощи ЭС посуда не может быть использована в дальнейшем для приготовления и употребления пищи.
• При работе следует надевать резиновые перчатки.
• При работе с отвердителями и смолами в твердом виде требуется использовать противопылевой респиратор.
• При попадании брызг ЭС в глаз нужно срочно промыть глаз холодной водой и обратиться к врачу.
• Не рекомендуется отверждать смолу в бытовой духовке.

Модификация

Эпоксидные смолы поддаются модификации. Различают химическую и физическую модификацию.

Первая заключается в изменении строения сетки полимера путём добавления соединений, встраивающихся в состав оной. Как пример в добавление лапроксидов (простых полиэфиров спиртов, содержащих глицидиловые группы, например ангидрида глицерина) в зависимости от функциональности и молекулярной массы придаёт отверждённой смоле эластичность, за счёт увеличения молекулярной массы межузлового фрагмента, но понижает её водостойкость. Добавление галоген- и фосфорорганических соединений придаёт смоле большую негорючесть. Добавление фенолформальдегидных смол позволяет отверждать эпоксидную смолу прямым нагревом без отвердителя, придаёт большую жёсткость, улучшает антифрикционные свойства, но понижает ударную вязкость.

Физическая модификация достигается добавлением в смолу веществ, не вступающих в химическую связь со связующим. Как пример в добавление каучука позволяет увеличить ударную вязкость отверждённой смолы. Добавление коллоидного диоксида титана увеличивает её коэффициент преломления и придаёт свойство непрозрачности к ультрафиолетовому излучению.

Получение

Схема производства жидких эпоксидных смол периодическим методом. 1 - реактор; 2, 6 - холодильники; 3 - приёмник; 4 - фильтры; 5 - аппарат для отгонки толуола; 7 - сборник.

Впервые эпоксидная смола была получена французским химиком Кастаном в 1936 году.

Эпоксидную смолу получают поликонденсацией эпихлоргидрина с различными органическими соединениями: от фенола до пищевых масел, скажем соевого (например, в Казахстане разработана технология получения из отходов кожевенного производства). Такой способ носит название «эпоксидирование».

Ценные сорта эпоксидных смол получают каталитическим окислением непредельных соединений. Например, таким образом получают циклоалифатические смолы, ценные тем, что они совершенно не содержат гидроксильных групп, и поэтому очень гидроустойчивы, трекинго- и дугостойки.

Для практического применения смолы нужен отвердитель. Отвердителем может быть полифункциональный амин или ангидрид, иногда кислоты. Также применяют катализаторы отверждения в кислоты Льюиса и третичные амины, обычно блокированные комплексообразователем наподобие пиридина. После смешения с отвердителем эпоксидная смола может быть отверждена в переведена в твердое неплавкое и нерастворимое состояние. Если это полиэтиленполиамин (ПЭПА), то смола отвердеет за сутки при комнатной температуре. Ангидридные отвердители требуют 10 часов времени и нагрева до 180 °C в термокамере (и это ещё без учёта каскадного нагрева со 150 °C).

Применение

Перевернутая верхняя часть лодки из стеклоткани с ЭС

Применение эпоксидной смолы, как изолятора для гибридной интегральной схемы

На основе эпоксидных смол производятся различные материалы, применяемые в различных областях промышленности. Углеволокно и ЭС образуют углепластик (используется как конструктивный материал в различных областях: от авиастроения (см. Боинг-777) до автостроения). Композит на основе ЭС используются в крепёжных болтах ракет класса земля-космос. ЭС с кевларовым волокном в материал для создания бронежилетов.

Зачастую эпоксидные смолы используют в качестве эпоксидного клея или пропиточного материала в вместе со стеклотканью для изготовления и ремонта различных корпусов или выполнения гидроизоляции помещений, а также как самый доступный способ в быту изготовить продукт из стекловолокнита, как сразу готовое после отливки в форму, так и с вероятностью дальнейшего разрезания и шлифовки.

Из стеклоткани с ЭС делают корпуса плавсредств, выдерживающие очень сильные удары, различные детали для автомобилей и других транспортных средств.

В качестве заливки (герметика) для различных плат, устройств и приборов.

Также эпоксидные смолы используются в строительстве (см. Сиднейский оперный театр).

Из эпоксидных смол изготовляются самые различные предметы и вещи (скажем, мундштуки).

Эпоксидные смолы используют в качестве бытового клея. Использовать эпоксидный клей довольно просто. Смешивание эпоксидной смолы с отвердителем как правило выполняется в крайне малых объемах (несколько граммов), поэтому перемешивание производится при комнатной температуре и не вызывает затруднений, точность пропорции смола/отвердитель при смешивании зависит от производителя эпоксидной смолы или отвердителя, необходимо использовать только те пропорции которые рекомендованы производителем, так как от этого зависит время отвердевания и физические свойства получившегося продукта (отступлении от нужной пропорции как правило приводит к изменению времени отвердевания, в крайних случаях можно получить нетвердый продукт). В качества отвердителей применяют: отвердители холодного триэтилентетрамин (ТЭТА), полиэтиленполиамин (ПЭПА), полисебациновый ангидрид и горячего отверждения малеиновый ангидрид (ДЭТА). Как правило стандартная пропорция составляет от 10:1 до 5:1, но в некоторых случаях может доходить до 1:1. Запрещается смешивать сразу большое количество смолы с отвердителем без использования специальных аппаратов для смешивания во избежание вскипания.

Основные области применения эпоксидных смол:
Отрасль применения	Основные виды эпоксидных материалов	Основное назначение	Преимущественные показатели	Экономический эффект применения, отнесенный к стоимости материала
Строительство	Полимербетоны, компаунды, клеи	Разметочные полосы дорог, плиты для полов, наливные бесшовные полы	Физико-механические показатели, износо-химстойкость, беспыльность, высокая адгезия	от 3 до 29
	Покрытия (лакокрасочные, порошковые, водно-дисперсионные)	Декоративно-облицовачные и защитные функции	Малая усадка, химическая стойкость
	Связующие для стекло- и углепластиков	Ремонт железобетонных конструкций, дорог, аэродромов. Склеивание конструкций мостов и др. Вытяжные трубы и ёмкости хим. производств. Трубопроводы	Атмосферостойкость, Химстойкость, Прочность, Теплостойкость
Электромашиностроение и радиотехника	Компаунды, связующие для армированных пластиков, покрытия, прессматериалы, пенопласты	Герметизация изделий, электроизоляционные материалы (стеклопластик и др.). Заливка трансформаторов и др. Эл. изоляционные и защитные покрытия.	Радиопрозрачность, высокие диэлектрические показатели, малая усадка при отверждении, отсутствие летучих продуктов отверждения	От 0,1 до 7,0; 300-800 (электроника)
Судостроение	Связующие для стеклопластиков	Судовые гребные винты, лопатки компрессоров	Прочность, кавитационнная стойкость	75
	Покрытия из жидких ЛКМ и порошков	Сосуды для газов и топлива	Водо-, химстойкость, абразивная стойкость
	Cинтактические пенопласты	Обтекатели гребных винтов	Ударопрочность при низких температурах
Машиностроение, в т.ч. автомобилестроение	Компаунды, Лакокрасочные материалы, Клеи	Ремонт и заделка дефектов литьевых изделий, формы, штампы, оснастка, инструмент (модели, копиры и т.д.)	Прочность, твердость, изностойкость, размерная стабильность	От 3,1 до 15,0
	Полимербетоны	Направляющие металлорежущих станков, cтанины прецезионных станков	Теплостойкость, высокая адгезия к подложкам и наполнителям, функциональные и антифрикционные свойства	320 (тяжелые станки)
	Связующие для армированных пластиков	Емкости, трубы из стеклопластиков «мокрой» намотки	Хим.стойкость Ударопрочность
	Прессматериалы и порошки	Подшипники и др. антифрикционные материалы, пружины, рессоры из эпоксидных пластиков, электропроводящие материалы
Авиа-и ракетостроение	Связующее для армированных стекло-и органопластиков	Силовые конструкции и обшивки крыльев, фюзелляжа, оперения, конуса сопел и статоры реактивных двигателей	Высокая удельная прочность и жесткость, радиопрозрачность, абляционные свойства (теплозащитные)
	Покрытия защитные	Лопасти вертолета, топливные баки ракет, корпус реактивного двигателя, баллоны для сжатых газов	Стойкость к действию топлива

Интересные факты об эпоксидных смолах

Хотя самые высокотоннажные марки смол ЭД-20, ЭД-22 и ЭД-16 при нормальных условиях являются высоковязкими жидкостями, температура кристаллизации олигомеров, их составляющих, лежит ниже 20°C. Жидкое состояние смол связано с тем, что олигомеры с длиной цепи отличной от длины цепи других молекул не дают им образовать упорядоченную структуру для кристаллизации. Всё же некоторое количество кристаллической фазы, называемых «пачками» присутствует в растворах, что неизбежно влияет на свойства отверждаемой смолы. Один из методов физической модификации смолы заключается в предварительном разрушении этих агрегатов с помощью ультразвука. Замечательно то, что при такой обработке смола меняет свой цвет с золотистого на зелёный.

Большинство олигомеров, состоящих из одинаковых молекул и выделенных в чистом виде из ЭД упомянутых выше марок при нормальных условиях являются твёрдыми кристаллическими веществами.

См. также

• Эпоксиды

Литература

• Казанский государственный университет, «Высокомолекулярные соединения», уч. пособие

Ссылки

• Электронная энциклопедия по эпоксидным материалам