Эпоксидная смола

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

Эпоксидная смола — олигомеры, содержащие эпоксидные группы и способные под действием отвердителей (полиаминов и др.) образовывать сшитые полимеры. Наиболее распространенные эпоксидные смолы — продукты поликонденсации эпихлоргидрина с фенолами, чаще всего — 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 — 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 — 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^[1].

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 — 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^[2].

Физическая модификация достигается добавлением в смолу веществ, не вступающих в химическую связь со связующим. Как пример — добавление каучука позволяет увеличить ударную вязкость отверждённой смолы. Добавление коллоидного диоксида титана увеличивает её коэффициент преломления и придаёт свойство непрозрачности к ультрафиолетовому излучению^[3].

Получение

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

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^[3]. 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 — кислоты Льюиса и третичные амины, обычно блокированные комплексообразователем наподобие пиридина. После смешения с отвердителем эпоксидная смола может быть отверждена — 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 — материал для создания бронежилетов.

Зачастую эпоксидные смолы используют в качестве эпоксидного клея или пропиточного материала — 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 качестве отвердителей применяют: отвердители холодного триэтилентетрамин (ТЭТА), полиэтиленполиамин (ПЭПА), полисебациновый ангидрид и горячего отверждения малеиновый ангидрид (ДЭТА).^[4][5] 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.^[6]

Основные области применения эпоксидных смол:[7]
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. Примечательно 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

Примечания

1. ↑ Так как при разгерметизации формы может произойти вытекание смолы на поверхности духовки, в результате чего последующее приготовление пищи в ней омрачается специфическим запахом горелого пластика в приготовляемой пище.
2. ↑ ^{1 2} А. Ф. Николаев, В. К. Крыжановский, В. В. Бурлов и др. Технология полимерных материалов / Под ред. В. К. Крыжановского. — СПб.: Профессия, 2008. — 544 с.
3. ↑ ^{1 2} По материалам реферативного журнала «Химия»
4. ↑ Отвердители для эпоксидных смол
5. ↑ Современные отвердители эпоксидных смол
6. ↑ Эпоксидная смола
7. ↑ Хозин В. Г. Усиление эпоксидных полимеров. — Казань: ПИК «Дом печати», 2004. — 446 с.

Клей

Бустилат | БФ | Жидкие гвозди | Жидкое стекло (Силикатный клей) | Канцелярский клей | Костный клей (Столярный клей) | ПВА | Полиуретановые клеи | Суперклей | Эпоксидная смола (Холодная сварка) | Термоклей