Физико-химические свойства эпоксидных связующих
Общая характеристика эпоксидных связующих для композиционных материалов
В современном мире инженерии и строительства эпоксидные связующие занимают центральное место в создании композиционных материалов, обеспечивая выдающиеся механические, химические и термические свойства. Эпоксидные смолы, из-за своей уникальной химической структуры и превосходной производительности, стали неотъемлемой частью современных промышленных и технологических приложений. В данной главе мы рассмотрим общие характеристики эпоксидных связующих, их структуру, свойства и широкий спектр применения в композитных материалах.
Эпоксидные связующие представляют собой полимеры, основанные на эпоксидных смолах, содержащие в молекуле не менее двух эпоксидных (оксирановых, α-оксидных) или глицидиловых групп, включают множество разнообразных соединений. Эти структуры являются основой для характеристических химических и физических свойств эпоксидов.
Основные свойства эпоксидных связующих:
1.Прочность и жесткость
Эпоксидные композиционные материалы отличаются высокой механической прочностью и жесткостью. Это обусловлено возможностью эпоксидных связующих образовывать кросс-связи, создавая долговечные и устойчивые структуры.
2.Термическая стабильность
Эпоксидные композиты обладают отличной термической стабильностью, что позволяет использовать их в широком температурном диапазоне без потери свойств.
3.Адгезия
Эпоксидные связующие обеспечивают превосходную адгезию к различным поверхностям, включая металлы, стекло, дерево и полимеры, что делает их универсальными для различных применений.
4.Процессы вулканизации
Процессы вулканизации эпоксидных связующих предоставляют уникальные возможности контроля над структурой и свойствами материала. Внимание к условиям отверждения важно для достижения оптимальных результатов.
Современные исследования в области эпоксидных связующих фокусируются на создании экологически безопасных формул, повышении устойчивости к химическим воздействиям и расширении области применения в секторе высокотехнологичных материалов.
Эпоксидные связующие играют ключевую роль в создании композиционных материалов, обеспечивая выдающиеся характеристики, необходимые для различных отраслей.
Реакции отверждения эпоксидных связующих холодного отверждения
Реакции отверждения играют ключевую роль в формировании структуры и свойств эпоксидных связующих холодного отверждения. Эти процессы, срабатывающие при низких температурах, обеспечивают возможности для широкого применения в различных областях, начиная от производства композитов и заканчивая ремонтными работами.
Механизм отверждения:
Отверждение аминами (кроме некоторых, как, например, триэтаноламин, дициандиамид) происходит при нормальной температуре 25 °С или небольшом нагреве (70–80 °С). Поэтому эта группа называется отвердителями холодного отверждения.
Результатом реакции отверждения является образование прочной и устойчивой структуры с высокой механической прочностью и жесткостью. Способность образовывать прочные и устойчивые соединения при низких температурах делает их важным элементом в множестве промышленных и технических приложений.
Технология получения эпоксидных связующих холодного отверждения
Технология получения эпоксидных связующих холодного отверждения представляет процесс, включающий разработку формул, выбор компонентов и оптимизацию условий отверждения. Ключевые аспекты технологии производства эпоксидных связующих, предназначенных для использования при низких температурах.
Компоненты эпоксидных связующих
Эпоксидные связующие холодного отверждения обычно состоят из двух компонентов: эпоксидной смолы и отверждающего агента. Основным компонентом эпоксидных связующих является смесь олигомерных продуктов с эпоксидными группами в концевых звеньях - эпоксидные смолы. Их получают двумя способами. Первый — это взаимодействие эпихлоргидрина с двухатомными (реже полиатомными) спиртами или фенолами с образованием диглицидных оксиэфиров. Второй способ - эпоксидирование соединений, содержащих двойные связи (циклоалифатические эпоксидные смолы).
Наибольшее распространение нашли эпоксидные смолы, получаемые из эпихлоргидрина и дифенилолпропана (бисфенола А), часто называемые диановыми (смолы типа ЭД), или из эпихлоргидрина и продуктов поликонденсации метилолфенолов, получившие название полиэпоксидные или эпоксифенольные смолы (смолы ЭФ, ЭН и др.). В последнее время стали применять смолы из эпихлоргидрина и анилина (смола ЭА), диаминодифенилметана (смола ЭМДА), л-аминофенола (смола УП-610), производных циануровой кислоты (смола ЭЦ), а также циклоалифатические эпоксидные смолы, получаемые эпоксидированием дициклопентадиена (смола ДЦПД). Низковязкие продукты реакции эпихлоргидрина с ди- и триэтиленгликолем (смолы марок ДЭГ и ТЭГ) используют в качестве активных разбавителей или модификаторов эпоксидных связующих на основе смол ЭД и ЭФ.
В качестве отвердителей эпоксидных смол чаще всего применяют полифункциональные амины и ангидриды кислот. Для снижения токсичности алифатических аминов применяют их продукты, обладающие малой летучестью, например продукты взаимодействия с жирными кислотами (низкомолекулярные полиамиды Л-19, Л-20 и др. с концевыми аминными группами) или с эпоксидной смолой. Ароматические амины, обычно диамины, значительно менее активны в реакциях с эпоксидными группами, чем алифатические. При комнатной температуре ароматические диамины находятся в кристаллическом состоянии и их температура плавления довольно высока, что затрудняет их растворение в смоле. Для снижения температуры плавления и улучшения растворимости в эпоксидной смоле используют эвтектические смеси различных ароматических диаминов или их модифицируют для подавления способности к кристаллизации.
Ангидриды кислот, используемые в качестве отвердителей эпоксидных смол, нетоксичны, но чрезвычайно гигроскопичны, обычно имеют высокую температуру плавления, особенно ароматические ангидриды, и способны возгоняться. Активность ангидридов в реакциях с функциональными группами эпоксидных смол довольно низка, поэтому обычно используют катализаторы этих реакций - третичные амины, например диметиланилин, триэтаноламин и другие или их соли в сочетании с сокатализаторами.
Для отверждения эпоксидных смол используются также различные смолы, например, фенолоформальдегидные резольные смолы (связующие ЭДФ, ЭР-1-130), аминоформальдегидные смолы, продукты конденсации фенола и алифатических аминов с формальдегидом и др. Отверждение эпоксидных смол резольными происходит в результате взаимодействия метилольных групп феноло-формальдегидной смолы с гидроксильными группами эпоксидной смолы и фенольных гидроксилов с эпоксидными группами. Резольная смола вводится в количестве 20–30% от массы эпоксидной.
Отвердитель смешивают с эпоксидной смолой в расплаве. Если вязкость расплава велика или слишком высока температура плавления одного из компонентов, то смешение производят с использованием инертного растворителя, например ацетона, который затем необходимо тщательно удалить, или активного разбавителя - низковязкой эпоксидной смолы (ДЭГ, ТЭГ и т. п.).
Каждый из компонентов, входящих в состав эпоксидных связующих, достаточно устойчив в атмосферных условиях, и длительность их хранения не лимитируется. Исключение составляют аминосодержащие эпоксидные смолы, которые способны к аутокаталитической полимеризации с быстрым нарастанием вязкости вплоть до гелеобразования. Смесь эпоксидных смол с аминными отвердителями быстро отверждаtтся, т. е. обладает ограниченной жизнеспособностью, поэтому компоненты эпоксидного связующего нужно смешивать непосредственно перед изготовлением реактопласта и формованием изделий из него.
Точное контролирование времени отверждения позволяет адаптировать технологию под различные условия применения, включая производственные процессы и ремонтные работы.
Технология получения эпоксидных связующих холодного отверждения представляет собой сложный и многогранный процесс, требующий современных методов исследований и технологического совершенствования.
Разнообразие и применение холодных эпоксидных связующих для холодного отверждения
Эпоксидные связующие холодного отверждения представляют собой класс материалов, предназначенных для использования при низких температурах. Разнообразие их составов и свойств для широкого спектра применений в различных отраслях промышленности. В этой главе рассмотрим различные разновидности холодных эпоксидных связующих и их многоаспектное применение.
Разновидности холодных эпоксидных связующих:
1. Двухкомпонентные Системы
Двухкомпонентные холодные эпоксидные связующие состоят из эпоксидной смолы и отверждающего агента, которые активируются при смешивании. Это обеспечивает точный контроль над реакцией отверждения и делает их идеальными для применения в строительстве, производстве композитов и ремонтных работах.
2. Однокомпонентные системы
Однокомпонентные системы обычно содержат активатор отверждения, который активизируется при воздействии внешних факторов, таких как влажность. Эти связующие удобны в применении и находят применение в условиях, где сложно обеспечить точное смешивание двух компонентов, например, в полевых условиях.
3. Системы с низкой вязкостью
Холодные эпоксидные связующие с низкой вязкостью созданы для проникновения в малые трещины и поры. Эти материалы обладают высокой текучестью, что обеспечивает равномерное покрытие и прекрасную адгезию к различным поверхностям.
Применение холодных эпоксидных связующих:
1. Строительство и Ремонт
Холодные эпоксидные связующие широко используются в строительстве и ремонте. Они применяются для склеивания, заполнения трещин, крепления конструкций и обеспечивают быстрое отверждение, что существенно сокращает временные рамки проектов.
2. Производство композитов
В производстве композитных материалов, таких как стеклопластик, холодные эпоксидные связующие применяются для создания прочных и легких конструкций. Их отличная адгезия к волокнам обеспечивает стабильность и прочность композитных изделий.
3. Электроника и микроэлектроника
Эпоксидные связующие холодного отверждения нашли применение в электронике благодаря своей низкой вязкости, что позволяет создавать тонкие и надежные соединения. Их использование в производстве микросхем и электронных устройств гарантирует высокую надежность и стабильность.
4. Медицинская промышленность
В медицинской сфере холодные эпоксидные связующие применяются для создания биосовместимых материалов. Они используются в зубопротезировании, ортопедии и изготовлении медицинских приборов, где требуется высокая прочность и надежность материалов.
Разнообразие и многоаспектное применение холодных эпоксидных связующих делают их важным инструментом в современных технологиях и промышленности. От их использования в строительстве до применения в медицинской сфере эти материалы продолжают развиваться, предоставляя новые возможности и решения для различных отраслей.