Эпоксидная смола

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
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[править | править исходный текст]

Эпоксидные смолы стойки к действию галогенов, некоторых кислот (к сильным кислотам, особенно к кислотам-окислителям, имеют слабую устойчивость), 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:

  • Склеенная 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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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
Синтактические 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, износостойкость, размерная стабильность От 3,1 до 15,0
Полимербетоны Направляющие металлорежущих станков, станины 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[править | править исходный текст]

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.

Химическая стойкость полиэпоксидных и эпоксидных смол[править | править исходный текст]

Таблица ниже описывает химическую стойкость полиэпоксидных и эпоксидных смол ко многим рабочим средам.

Химическая стойкость полиэпоксидных и эпоксидных смол
Химическое вещество Химическая устойчивость
Азотная кислота , Nitric Acid Неустойчивое вещество
Амилацетат, Amyl acetate Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Амины, Amines Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Аммоний 10%, Ammonia 10% Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Аммоний жид, Ammonia - Liquid Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Анилин, Aniline Сносная (при t < 72oF, 22oC)
Ацетат натрия, Sodium Acetate Отличная 
Ацетилен, Acetylene Отличная
Ацетон, Acetone Неустойчивое вещество
Бензин, Gasoline Отличная
Бензол, Benzol Отличная (при t< 72oF, 22oC)Б
Бертолетова соль, Sodium Chlorate Отличная 
Бикарбонат калия, Potassium Bicarbonate Отличная 
Бикарбонат натрия, Sodium Bicarbonate Отличная 
Бисульфат натрия, Sodium Bisulfate Отличная 
Бисульфит кальция, Calcium Bisulfite Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Борная кислота, Boric acid Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Бром, Bromine Неустойчивое вещество
Бромид калия, Potassium Bromide Отличная 
Бромистоводородная кислота 100%, Hydrobromic Acid,100% Неустойчивое вещество
Бура (пироборнокислый натрий), Borax Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Бутадиен (дивинил), Butadiene gas Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Бутан газ, Butane gas Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Бутилацетат, Butyl acetate Хорошая (при t< 72oF, 22oC)
Винная кислота, Tartaric Acid Отличная 
Гексан, Hexane Хорошая
Гексан, Hydraulic Fluid Отличная
Гексафторкремнекислота. Fluosilicic acid Сносная
Гептан, Heptane Отличная
Гидроксид аммония, Ammonium Hydroxide Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Гидроксид бария, Barium Hydroxide Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Гидроксид калия, Potassium Hydroxide Отличная 
Гидроксид кальция, Calcium Hydroxide Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Гидроксид магния, Magnesium Hydroxide Отличная
Гидроксид натрия, Sodium Hydroxide, 50% Хорошая (при t < 120oF, 50oC)
Гипохлорид кальция, Calcium Hypochlorite Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Гипохлорит натрия 100%, Sodium Hypochlorite, 100% не устойчивое вещество
Глицерин, Glycerine Отличная
Глюкоза, Glucose Хорошая
Дизельное топливо,Diesel Fuel Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Диоксид серы, Sulfur Dioxide Отличная (при t < 72oF, 22oC)
Дистиллированная вода, Water - Distilled Отличная 
Дихлорэтан, Dichloroethane Хорошая (при t< 120oF, 50oC)
Дихромат калия, Potassium Dichromate Сносная
Дубильная кислота, Tannic Acid Отличная 
Железный купорос, Ferrous Sulfate Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Жирная кислота, Fatty Acids Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Гидроксид алюминия, Aluminum Hydroxide Хорошая (при t< 72oF, 22oC)
Изопропиловый спирт, Alcohol - Isopropyl Отличная
Карбонад аммония, Ammonium Carbonate Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Карбонат бария, Barium Carbonate Отличная (при t < 72oF, 22oC)
Карбонат калия, Potassium Carbonate Отличная 
Карбонат кальция, Calcium Carbonate Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Карбонат натрия, Sodium Carbonate Сносная (при t < 72oF, 22oC)
Касторовое масло, Oil - Castor Отличная
Керосин, Kerosene Отличная
Ксилол, Xylene Отличная 
Лигроин, Naphtha Отличная
Лимонная кислота, Citric Acid Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Малеиновая кислота, Maleic Acid Отличная
Масляная кислота, Butyric Acid Сносная (при t < 72oF, 22oC)
Метиловый спирт, Alcohol - Methyl Хорошая (при t < 72oF, 22oC)
Метилэтилкетон, Methyl Ethyl Ketone Сносная (при t< 72oF, 22oC)
Молочная кислота, Lactic Acid Хорошая (при t < 72oF, 22oC)
Морская (соленая) вода, Water - Sea, Salt Отличная 
Моча, Urine Отличная 
Муравьиная кислота, Formic Acid Сносная (при t< 72oF, 22oC)
Мыло, Soaps Отличная 
Нафталин, Naphthalene Отличная
Нитрат аммония, Ammonium Nitrate Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Нитрат калия, Potassium Nitrate Отличная 
Нитрат магния, Magnesium Nitrate Отличная
Нитрат меди, Copper Nitrate Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Нитрат натрия, Sodium Nitrate Отличная
Нитрат серебра, Silver Nitrate Отличная
Олеиковая кислота, Oleic acid Отличная 
Перекись водорода 10%, Hydrogen Peroxide, 10% Сносная (при t< 72oF, 22oC)
Пиво, Beer Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Пикриновая кислота, Picric Acid Отличная
Плавиковая кислота 75%, Hydrofluoric Acid, 75% Хорошая (при t< 72oF, 22oC)
Пропан жид., Propane, liquid Отличная
Реактивное топливо, Jet Fuel Отличная
Ртуть, Mercury Отличная
Свежая вода, Water - Fresh Отличная 
Серная кислота 75-100%, Sulfuric Acid, 75-100% Сносная (при t < 72oF, 22oC)
Сероводород, Hydrogen Sulfide Отличная
Силикат натрия, Sodium Silicate Отличная 
Соляная кислота 20%, Hydrochloric acid, 20% Хорошая (при t< 72oF, 22oC)
Стеариновая кислота, Stearic Acid Хорошая
Сульфат алюминия, Aluminum Sulfate Отличная (при t < 72oF, 22oC)
Сульфат аммония, Ammonium Sulfate Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Сульфат бария, Barium Sulfate Сносная (при t< 72oF, 22oC)
Сульфат железа, Ferric Sulfate Отличная (при t < 72oF, 22oC)
Сульфат калия, Potassium Sulfate Отличная
Сульфат кальция, Calcium Sulfate Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Сульфат магния, Magnesium Sulfate Отличная
Сульфат натрия, Sodium Sulfate Отличная 
Сульфат никеля, Nickel Sulfate Отличная
Сульфид бария, Barium Sulfide Хорошая (при t < 72oF, 22oC)
Сульфит натрия, Sodium Sulfite Отличная
Терпентин, Turpentine Хорошая
Тетрахлорид углерода, Carbon Tetrachloride Отличная (при t < 72oF, 22oC)
Тиосульфит натрия, Sodium Thiosulfate Отличная 
Толуол, Toluene Хорошая (при t < 72oF, 22oC)
Углекислота, Carbonic Acid Хорошая (при t< 72oF, 22oC)
Углекислый газ, Carbon dioxide gas Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Углекислый магний, Magnesium Carbonate Отличная
Уксус, Vinegar Отличная 
Уксусная кислота, Acetic Acid (20%) Отличная
Уксуснокислый свинец, Lead acetate Отличная
Фенол (оксибензол), Phenol Хорошая
Формальдегид 40%, Formaldehyde, 40% Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Фосфат аммония, Ammonium Phosphate Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Фосфорная кислота, Phosphoric Acid Хорошая
Фреон, Freon Отличная
Фторид алюминия, Aluminum Fluoride Хорошая (при t< 72oF, 22oC)
Фтористые газы, Fluorine gas Неустойчивое вещество
Фтористый натрий, Sodium Fluoride Отличная 
Хлорид алюминия, Aluminum Chloride Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Хлорид аммония, Ammonium Chloride Отличная (при t < 72oF, 22oC)
Хлорид бария, Barium Chloride Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Хлорид железа, Ferric Chloride Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Хлорид калия, Potassium Chloride Отличная 
Хлорид кальция, Calcium Chloride Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Хлорид магния, Magnesium Chloride Отличная
Хлорид меди, Copper Chloride Отличная
Хлорид натрия, Sodium Chloride Отличная 
Хлорид никеля, Nickel Chloride Отличная
Хлорид цинка, Zinc Chloride Отличная 
Хлористое железо, Ferrous Chloride Отличная (при t< 72oF, 22oC)
Хлористое олово, Stannic Chloride Отличная 
Цианид натрия, Sodium Cyanide Отличная 
Цианистый водород, Hydrocyanic Acid Отличная
Щавелевая кислота, Oxalic Acid Отличная
Этилацетат, Ethyl acetate Сносная (при t< 72oF, 22oC)
Этиленгликоль, Ethylene glycol Сносная (при t< 72oF, 22oC)
Этиловый спирт, Alcohol - Ethyl Отличная (при t< 120oF, 50oC)
Этилхлорид, Ethyl chloride Отличная (при t< 72oF, 22oC)

См. также[править | править исходный текст]

Литература[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  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.