Эпоксидная смола состав компонентов

Основы химии эпоксидных смол

Знание химии эпоксидных смол (ЭС) не требуется для большинства рутинных действий – склейки, пропитки небольшого объёма стеклоткани. Но иногда всё же крайне желательно иметь представление об их химических свойствах. Особенно для тех, кто:
— работает с большими объёмами смол;
— работает с прозрачными составами;
— имеет большие по времени проекты, которые предполагают работу в разных условиях и температурных режимах (например, начало работы летом и окончание зимой).

Синтез эпоксидных смол.

Синтез эпоксидной смолы не очень сложен. Два вещества с короткими и несложными формулами – бисфенол А и эпихлоргидрин – реагируют друг с другом, в результате получается диглицидиловый эфир бисфенола А (ДГЭБА), он же и есть – основная эпоксидная смола.
Сама по себе основная эпоксидная смола обладает очень высокой вязкостью и используется только как сырьё для получения других смол. Существует ряд смол, очень близких по составу к ДГЭБА (например, DER-332), но и они встречаются редко. Производители эпоксидных составов приобретают смолу именно в виде ДГЭБА и затем добавляют к ней определенные компоненты (модифицируют). Имено эти модификации обеспечивают большое разнообразие ЭС с самыми разными свойствами на рынке.

Отвердители эпоксидных смол.

Отвердители, применяемые с эпоксидной смолой при комнатной температуре – в основном полиамины. Они изготавливаются с применением аммиака, отчего обладают резким запахом и имеют щелочную реакцию. Классические примеры отвердителей — ПЭПА (полиэтиленполиамин) и ТЭТА (триэтилентетрамин). Этал-45М, хотя и является также аминным соединением, не имеет резкого запаха.

Как происходит отверждение эпоксидных смол?

Суть реакции такова: атомы водорода (из аминогрупп отвердителя) взаимодействуют с атомами кислорода (из глицидиловых групп эпоксидной смолы).
Ниже представлена наглядная схема, как это происходит. Участки, где происходит реакция, обведены красным. В нижней части схемы видна сформировавшаяся сетка связей. Эта трехмерная разветвлённая структура обеспечивает смоле отличные физические свойства: прочность, твердость, устойчивость к химически агрессивным средам.

Соотношение смолы и отвердителя определяется соотношением участвующих в реакции атомов кислорода и атомов водорода. Изменение химически верного соотношения приведет к тому , что останутся атомы кислорода или водорода, которые в реакции не участвовали. В итоге сетка химических связей будет иметь разрывы и промежутки, и смола не наберёт свою максимальную прочность.

От чего зависит время отверждения эпоксидной смолы?

Время отверждения эпоксидной смолы зависит от реакционной активности атомов водорода аминных групп отвердителя. Это время можно изменить, применяя разные отвердители или нагревая смолу. И здесь есть ряд нюансов и хитростей.
Реакция отверждения ЭС – экзотермическая, и это очень важно. Это означает , что в ходе реакции выделяется тепло. Это же самое тепло и ускоряет реакцию: по правилам термодинамики при повышении температуры на каждые 10°С скорость реакции удваивается. Соответственно, повлиять на скорость отверджения проще всего, регулируя температуру смеси.

Что такое желатинизация? Как её отсрочить?

Временем желатинизации (или гелеобразования) называется время, по прошествии которого смола перестаёт течь и становится твёрдой. По сути, это время, в ходе которого полимеризуется основная масса смолы. Мы уже знаем, что это время зависит от температуры смеси. Но вот интересный нюанс: в чашке смола застывает быстрее, чем будучи нанесённой тонким слоем на поверхность. Этот эффект объясняется просто: тонкая плёнка быстро остывает, и экзотермическая реакция не может его ускорить – всё тепло уходит в воздух.
Получается, что время жизнеспособности смолы до её отверждения можно увеличить путем увеличения площади поверхности, уменьшения массы смеси или охлаждением смолы и отвердителя перед смешиванием. Опытные специалисты обычно готовят смесь в нужном объёме, который можно быстро нанести.

Сколько времени занимает отверждение?

В твердых телах химические реакции протекают медленнее, и, когда смола первично отверждается, дальнейшая реакция сильно замедляется. При нормальной температуре смола достигает от 60 до 80% окончательной прочности спустя 24 часа. Уже твёрдая на ощупь смола продолжит набирать твердость и прочность до двух недель, а в холоде – ещё дольше. Однако для большинства целей можно считать, что смолы, полимеризующиеся при комнатной температуре, окончательно отверждаются спустя 72 часа при 20°С.

Типичные ошибки

Важно, что при слишком быстром добавлении отвердителя (обычно он должен добавляться тонкой струйкой, порциями или по каплям) возможно лавинообразное нарастание температуры смеси: она буквально закипает и отверждается мгновенно. Кроме того, высокая температура смещает оттенок даже прозрачных или относительно прозрачных смесей (например, ЭД-20 + ТЭТА) в сторону жёлтого цвета.
Крайне нежелательно использовать эпоксидную смолу как финишное покрытие изделия, несмотря на её высокую прочность. Дело в том, что незащищенная эпоксидная смола плохо перносит солнечный свет (УФ излучение). Спустя примерно полгода нахождения под ярким солнечным светом начинается ее разрушение. Защитить смолу можно при помощи краски и лака, содержащих УФ защиту.
Необходим очень осторожный подход при применении эпоксидных смол в паре с полиэфирными. При этом надо соблюдать одно главное правило : эпоксидную смолу можно наносить поверх отвержденной полиэфирной , которая при этом обезжирена и зачищена , но никогда нельзя наносить полиэфирную поверх отвержденной эпоксидной . Амины , не вступившие в реакцию в эпоксидной смоле , будут препятствовать катализатору (пероксиду) полиэфирной смолы, в результате чего на их границе смола будет не полностью отвержденной. Такое соединение очень ненадёжно.

Смола эпоксидная: свойства и применение

Каждый человек не понаслышке знает, что такое смола эпоксидная. Она широко применяется в домашнем хозяйстве и в разных отраслях промышленности. Возможности использования эпоксидных смол продолжают расширяться из-за постоянного усовершенствования ее состава.

Что представляет собой смола эпоксидная

Это вид синтетических смол, которые способны затвердевать при условии добавления отвердителя. В свободном виде смола практически не применяется. Все ее полезные свойства проявляются только после полимеризации отвердителем. Эпоксидные смолы отвердевают при температуре от -15 до +80 ºС.

При смешивании разных видов эпоксидной смолы и добавления отвердителя образовывается материал с совершенно уникальными свойствами: жесткий, твердый, прочный и в то же время мягкий, словно резина. Смолы в твердом состоянии характеризуются высокой прочностью, тепло- и водостойкостью, а также владеют диэлектрическими свойствами. Также смола эпоксидная устойчива к воздействию щелочей, галогенов и кислот. Растворить материал можно только в ацетоне и сложных эфирах.

Характерные особенности отвердевшего вещества – малая усадка и полное отсутствие выделения летучих веществ.

Отвердитель для эпоксидной смолы

Эпоксидное соединение состоит из двух компонентов, которые при смешивании вступают в реакцию полимеризации. Компонент, вызывающий этот процесс, называется отвердителем.

Отвердитель для эпоксидной смолы позволяет получать разнообразные эпоксидные материалы. С этой целью используют фенолы и третичные амины. Соотношение отвердителя и эпоксидной смолы должно находиться в пределах, обусловленных химическими свойствами компонентов. Так, недостаток или избыток отвердителя существенно понижает качество эпоксидного состава. Следствием этого является снижение устойчивости к химическим веществам, воде, термическим факторам, уменьшается прочность. При недостатке отвердевающего вещества эпоксидное изделие становится липким. При избытке отвердителя вещество будет постепенно выделяться на поверхность эпоксидного состава. Наиболее часто при изготовлении полимера придерживаются соотношения 1:1.

Виды эпоксидной смолы

В зависимости от вида применяемого состава различают эпоксидные смолы холодного и горячего отвердения. Первый вид эпоксидной смеси получается в результате применения отвердителя холодного типа. В основном он используется в бытовых целях, на малых производствах, а также в тех случаях, где нельзя использовать термическую обработку.

Для производства высокопрочных изделий, устойчивых к химическим реагентам, высокой температуре и сильным нагрузкам используют горячие отвердевающие компоненты. Они способствуют образованию более густой молекулярной сетки. Сейчас разработаны эпоксидные составы, которые могут отвердевать даже во влажной среде. Например, в морской воде.

Применение эпоксидной смолы

В силу постоянного совершенствования структуры эпоксидного состава, сферы его применения постоянно расширяются. Наиболее часто смола эпоксидная используется в таких целях:

  1. Пропитка стеклонити и стеклоткани. Эпоксидный состав служит склеивающим средством для обработки деталей в авиационной промышленности, производства стеклопластика в строительстве, машино- и кораблестроительстве, для ремонта водного транспорта и кузова автомобиля.
  2. Создание гидроизоляционного покрытия. Водоотталкивающее свойство – важное качество, которым обладает эпоксидная смола. Применение для гидроизоляции бассейнов, подвалов, пола и стен разных помещений, считается важнейшим назначением эпоксидного состава.
  3. Пропитка пористых материалов (бетона, дерева и т. д.) для повышения их прочности.
  4. Придание стойкости химическому покрытию. Так, эпоксидные смолы добавляют в состав красок и других материалов для внутренней и наружной отделки домов.
  5. Изготовление разных герметиков и клеев, применяемых в промышленности и домашнем хозяйстве.
  6. Другие цели: изделия для дизайнерских работ, украшения, бижутерия. Для этих целей используют прозрачную эпоксидную смолу, известную под названием «ювелирная».

Стоимость смолы

Эпоксидная смола является весьма доступным материалом. Ее можно свободно приобрести в любом хозяйственном магазине или заказать в интернете. Производители и посредники предлагают широкий ассортимент составов для самостоятельного изготовления полимера, а также разные готовые клеи, стеклопластики, основой которых является эпоксидная смола. Цена на такую продукцию в разных магазинах может отличаться. В основном она составляется с учетом качественных характеристик, марки производителя и объема упаковки. Так, цена 1 кг эпоксидной смолы высшего сорта Днепродзержинского завода имени Я. М. Свердлова стоит 450 рублей, а 1 кг отвердителя предприятия «Уралхимпласт» можно купить за 485 рублей. Немного дороже стоят декоративные прозрачные заливки, из которых можно изготавливать сувениры, декорации и даже заливать пол. В их основе также применяется эпоксидная смола. Цена за 1 кг импортного материала может составить от 520 до 620 рублей. За брендовый отвердитель придется заплатить от 400 до 700 рублей. Большие упаковки эпоксидных составов стоят намного дешевле.

ЭПОКСИДНЫЕ СМОЛЫ

ЭПОКСИДНЫЕ СМОЛЫ, олигомеры, содержащие в молекуле одну или более глицидиловых либо эпоксидных групп; способны под действием отвердителей превращаться в сшитые (сетчатые) полимеры. Эпоксидные группы могут находиться в алифатич. циклах или цепях, глицидиловые — чаще всего на концах цепей.
Э поксидные смолы, содержащие в молекуле глицидиловые группы, синтезируют из эпихлоргидрина (иногда глицидола) и соед. с активным атомом водорода (спирты, фенолы, тиофенолы, карбоновые к-ты, амины, амиды и т. п.):

Присоединение эпихлоргидрина с раскрытием цикла и образованием 1,2-хлоргидрина происходит под действием оснований, к-т или солей; дегидрохлорирование промежут. 1,2-хлоргидрина протекает в присут. оснований и приводит к образованию глицидиловых концевых групп, дальнейшее взаимод. к-рых с соед., содержащими активный атом Н, дает эпоксидные смолы. Олигомеры с концевыми глицидиловыми группами обычно получают в избытке эпихлоргидрина.
В ходе синтеза эпоксидных смол протекает также ряд побочных р-ций: гидролиз и алкоголиз эпихлоргидрина и образующихся глицидиловых групп, полимеризация и изомеризация эпоксигрупп в карбонильные, аномальное раскрытие цикла эпихлоргидрина с образованием 1,3-хлоргидрина.
Наиб. распространены эпоксидные смолы на основе 2,2-ди(4-гидроксифенил)пропана (дифенилолпропана, диана, бисфенола А) -т. наз. диановые эпоксидные смолы общей ф-лы I.

При синтезе низкомол. диановых смол (мол. м. 350-450) молярное соотношение дифенилолпропана и эпихлоргидрина 1:(8-10). Смесь в-в нагревают до кипения и постепенно (5-8 ч) добавляют к ней 40 %-ный водный р-р NaOH; непрореагировавший эпихлоргидрин и воду непрерывно отгоняют из зоны р-ции в виде азеотропной смеси. Эпоксидные смолы с мол. м. 500-1000 получают аналогичным способом, но при молярном соотношении 1:(1,5-1,9); процесс ведут в присут. р-рителей -ксилола, толуола либо их смесей с бутиловым спиртом или циклогексаноном. Эпоксидные смолы с мол. м. 1000-3500 синтезируют поликонденсацией низкомол. эпоксидных олигомеров с ди-фенилолпропаном в расплаве при 140-210 °С (катализаторы — третичные амины, мочевина, Na2СО3). Диановые эпоксидные смолы-вязкие жидкости или твердые хрупкие в-ва от светло-желтого до коричневого цвета; раств. в толуоле, ксилоле, ацетоне, метилэтилкетоне, метилизобутилкетоне и их смесях со спиртами, напр. бутиловым (табл.).
Э поксидные смолы с эпоксидными группами в алифатич. циклах или цепях получают окислением (эпоксидированием) ненасыщенных соед. надкислотами (напр., надуксусной к-той). Практич. значение имеют диэпоксиды тетрагидробензилового эфира тетрагидробензойной к-ты (П), дициклопентенилового эфира (Ш), 4-винилциклогексена (IV), эпоксидированные олигомеры дивинила. Эти эпоксидные смолы- высоковязкие жидкости, р-римые в большинстве полярных р-рителей.

Ярко выраженный полярный характер связи С — О в эпоксидном цикле в сочетании с его высокой напряженностью обусловливает способность эпоксидных смол раскрывать цикл под действием нуклеоф. и электроф. реагентов (отвердителей) с образованием твердых сетчатых полимеров. В качестве нуклеоф. отвердителей используют алифатич. и ароматич. первичные и вторичные ди- и полиамины, многоосновные к-ты и их ангидриды, многоатомные спирты, фенолы и их тиопроизвод-ные, а также полиамиды, феноло-формальдегидные смолы резольного и новолачного типа, третичные амины и их соли; в качестве электроф. отвердителей — к-ты Бренстеда и Льюиса, способные образовывать с эпоксидным циклом триалкилоксониевый ион. Процесс отверждения нуклеоф. агентами протекает по механизму р-ции поликонденсации или анионной полимеризации, электрофильными — только по механизму катионной полимеризации.
Для получения эпоксидных композиций пониженной вязкости используют т. наз. жидкие отвердители (аминоэфиры, жидкий изомер метилтетрагидрофталевого ангидрида) в сочетании с химически активными разбавителями, содержащими эпоксидные группы (напр., с глицидиловыми эфирами гликолей, алкилфенолов и разветвленных карбоновых к-т, эпоксидированными маслами и терпенами). Для увеличения вязкости в композиции вводят высокомол. соед. (напр., поливинилбутираль) или мелкодисперсные наполнители (напр., аэросил) в кол-ве 3-5%.
Различают низко- и высокотемпературные процессы отверждения эпоксидных смол. Процесс низкотемпературного («холодного») отверждения (

20 °С) обычно проводят с использованием алифатич. полиаминов или продуктов их конденсации с фенолом, формальдегидом и многоосновными карбоновыми к-тами; глубина отверждения обычно не превышает 65-70%; система достигает полной конверсии лишь при послед, прогревании при 50-100 °С в течение 2-12 ч.
При высокотемпературном («горячем») отверждении осн. отвердители — ароматич. полиамины (м-фенилендиамин, 4,4′-диаминодифенилметан, 4,4′-диаминодифенилсульфон), феноло- и мочевиноальдегидные смолы, ди- и поликарбоновые к-ты и их ангидриды [гл. обр. фталевый, метилтетрагидрофгалевый, гексагидрофталевый, малеиновый, эндометилентетрагидрофталевый (эндиковый) и их смеси]; в качестве катализаторов иногда используют малолетучие третичные амины и их соли. Проводят горячее отверждение при 100-300 °С в течение неск. секунд (в тонких слоях) или неск. часов.
Отвержденные эпоксидные смолы имеют микрогетерогенную структуру глобулярного типа, формирование к-рой наблюдается уже в жидкой фазе на начальных стадиях отверждения; размер частиц зависит от состава неотвержденной эпоксидной смолы и условий отверждения, уменьшаясь с возрастанием т-ры. Ниже приведены нек-рые св-ва отвержденных диановых эпоксидных смол:

Плотн. при 20 °С, г/см 3 1,16-1,25
Т-ра стеклования, °С 60-180
Теплопроводность, Вт/(м х К) 0,17-0,19
Уд. теплоемкость, кДж/(кг х К) 0,8-1,2 Температурный коэф. линейного расширения, град -1 (45-65) х 10 -6
Теплостойкость по Мартенсу, °С 55-170
Относит. удлинение, % 0,5-6
Диэлектрич. проницаемость (20 °С, 1 МГц) 3,5-5
Тангенс угла диэлектрич. потерь (20 °С, 1 МГц) 0,01-0,03
Уд. электрич. сопротивление (20 °С), Ом х см 10 14 -10 16
Ударная вязкость, кДж/м 2 5-25
Влагопроницаемость, г/см х ч х мм рт. ст. 2,1 х 10 -10
Коэф. диффузии воды, см 2 /ч до 10 -6

Ссылка на основную публикацию