Новости Нефтегазовая пром.
Выставки Наука и технология


Эпоксидная смола

Эпоксидная смола


Эпоксидная смола



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 распространённые эпоксидные смолы — продукты поликонденсации эпихлоргидрина с фенолами, чаще всего — с бисфенолом А. Смолы на основе бисфенола А часто называются эпоксидно-диановыми в честь русского химика А. П. Дианина, впервые получившего бисфенол А.


Свойства

Эпоксидные смолы стойки к действию галогенов, некоторых кислот (к сильным кислотам, особенно к кислотам-окислителям, имеют слабую устойчивость), щелочей, обладают высокой адгезией к металлам. Эпоксидная смола в зависимости от марки и производителя выглядит как прозрачная жидкость жёлто-оранжевого цвета, напоминающая мёд, или как коричневая твёрдая 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 упругости:  E ≈ 3000 − 4500 N/mm2;
  • предел прочности:  R ≈ 80 N/mm2;
  • плотность:  ρ ≈ 1,2 g/cm3.

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 остаётся некоторое количество золь-фракции — растворимого остатка. Он может нанести серьёзный урон здоровью, если будет вымыт растворителями и попадёт внутрь организма. В неотверждённом виде эпоксидные смолы являются достаточно ядовитыми веществами и могут также навредить здоровью.


Эпоксидная смола

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.

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.

Получение

Эпоксидная смола

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 швейцарским химиком Кастаном в 1936 году.

Эпоксидную смолу получают поликонденсацией эпихлоргидрина с различными органическими соединениями: от фенола до пищевых масел, например, соевого. 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 твёрдое 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

Эпоксидная смола

Перевёрнутая верхняя часть лодки из стеклоткани с ЭС
Эпоксидная смола

Применение эпоксидной смолы как изолятора для гибридной интегральной схемы

Из эпоксидных смол готовят различные виды клея, пластмассы, электроизоляционные лаки, текстолит (стекло- и углепластики), заливочные компаунды и пластоцементы.

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 используется 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 изготовить в быту продукт из стекловолокнита, как сразу готовый после отливки в форму, так и с возможностью 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.

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

Эпоксидные смолы используют в качестве бытового клея. Использовать эпоксидный клей довольно просто. Смешивание эпоксидной смолы с отвердителем, как правило, выполняется в крайне малых объёмах (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 отверждения и физические свойства получившегося продукта - отступление от нужной пропорции, как правило, приводит к изменению времени отверждения и изменению конечных свойств материала - при меньшем количестве отвердителя увеличивается время отверждения вплоть до невозможности полностью получить твердый материал, при большем количестве отвердителя - нагрев смеси вплоть до вспенивания и резкого отверждения и получение очень хрупкого материала.

В качестве отвердителей применяют: отвердители холодного триэтилентетрамин (ТЭТА), полиэтиленполиамин (ПЭПА), полисебациновый ангидрид и горячего отверждения малеиновый ангидрид (ДЭТА).

Как правило, стандартная пропорция смола-отвердитель составляет от 10:1 до 5:1, но в некоторых случаях может доходить до 2:1, 1:1. Запрещается смешивать сразу большое количество смолы с отвердителем без использования специальных аппаратов для смешивания во избежание сильного разогрева и вспенивания смолы. Стоит отметить, что это свойство присуще эпоксидным смолам, отверждаемым аминными отвердителями, а также сильно зависит от соотношения объема к площади поверхности отверждаемой смолы, например, 1 литр смеси смолы с отвердителем в ёмкости размером 10×10×10 см сильно разогреется и вскипит, но тот же объём смолы, нанесённый на поверхность площадью 10 квадратных метров, отвердится за стандартные 24 часа без какого-либо заметного нагрева.


Основные области применения эпоксидных смол:
Отрасль примененияОсновные виды эпоксидных материаловОсновное назначениеПреимущественные показателиЭкономический эффект применения, отнесённый к стоимости материала
СтроительствоПолимербетоны, компаунды, клеиРазметочные полосы дорог, плиты для полов, наливные бесшовные полыФизико-механические показатели, износо-химстойкость, беспыльность, высокая адгезияот 3 до 29

Покрытия (лакокрасочные, порошковые, водно-дисперсионные)Декоративно-облицовочные и защитные функцииМалая усадка, химическая стойкость

Связующие для стекло- и углепластиковРемонт железобетонных конструкций, дорог, аэродромов. Склеивание конструкций мостов и другого. Вытяжные трубы и ёмкости химических производств. ТрубопроводыАтмосферостойкость, химическая стойкость, прочность, теплостойкость
Электромашиностроение и радиотехникаКомпаунды, связующие для армированных пластиков, покрытия, прессматериалы, пенопластыГерметизация изделий, электроизоляционные материалы (стеклопластик и другие). Заливка трансформаторов и другого. Электроизоляционные и защитные покрытия.Радиопрозрачность, высокие диэлектрические показатели, малая усадка при отверждении, отсутствие летучих продуктов отвержденияОт 0,1 до 7,0; 300—800 (электроника)
СудостроениеСвязующие для стеклопластиковСудовые гребные винты, лопатки компрессоровПрочность, кавитационная стойкость75

Покрытия из жидких ЛКМ и порошковСосуды для газов и топливаВодо-, химическая, абразивная стойкость

Синтактические пенопластыОбтекатели гребных винтовУдаропрочность при низких температурах
Машиностроение, в том числе автомобилестроениеКомпаунды, Лакокрасочные материалы, КлеиРемонт и заделка дефектов литьевых изделий, формы, штампы, оснастка, инструмент (модели, копиры и так далее)Прочность, твёрдость, износостойкость, размерная стабильностьОт 3,1 до 15,0

ПолимербетоныНаправляющие металлорежущих станков, станины прецизионных станковТеплостойкость, высокая адгезия к подложкам и наполнителям, функциональные и антифрикционные свойства320 (тяжёлые станки)

Связующие для армированных пластиковЁмкости, трубы из стеклопластиков «мокрой» намоткиХимическая стойкость, ударопрочность

Прессматериалы и порошкиПодшипники и другие антифрикционные материалы, пружины, рессоры из эпоксидных пластиков, электропроводящие материалы

Авиа- и ракетостроениеСвязующее для армированных стекло-и органопластиковСиловые конструкции и обшивки крыльев, фюзеляжа, оперения, конусы сопел и статоры реактивных двигателейВысокая удельная прочность и жёсткость, радиопрозрачность, абляционные свойства (теплозащитные)

Покрытия защитныеЛопасти вертолёта, топливные баки ракет, корпус реактивного двигателя, баллоны для сжатых газовСтойкость к действию топлива

Химическая стойкость полиэпоксидных и эпоксидных смол

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

Химическая стойкость полиэпоксидных и эпоксидных смол
Химическое веществоХимическая устойчивость
Азотная кислота, Nitric acidНеустойчивое вещество
Амилацетат, Amyl acetateОтличная (при t < +22 °C)
Амины, AminesОтличная (при t < +22 °C)
Аммиак 10 %, Ammonia 10 %Отличная (при t < +22 °C)
Аммиак жидкий, Ammonia — LiquidОтличная (при t < +22 °C)
Анилин, AnilineСносная (при t < +22 °C)
Ацетат натрия, Sodium acetateОтличная
Ацетилен, AcetyleneОтличная
Ацетон, AcetoneНеустойчивое вещество
Бензин, GasolineОтличная
Бензол, BenzolОтличная (при t < +22 °C)
Бертолетова соль, Sodium chlorateОтличная
Бикарбонат калия, Potassium bicarbonateОтличная
Бикарбонат натрия, Sodium bicarbonateОтличная
Бисульфат натрия, Sodium bisulfateОтличная
Бисульфит кальция, Calcium bisulfiteОтличная (при t < +22 °C)
Борная кислота, Boric acidОтличная (при t < +22 °C)
Бром, BromineНеустойчивое вещество
Бромид калия, Potassium bromideОтличная
Бромистоводородная кислота 100 %, Hydrobromic acid, 100 %Неустойчивое вещество
Бура (пироборнокислый натрий), BoraxОтличная (при t < +22 °C)
Бутадиен (дивинил), Butadiene gasОтличная (при t < +22 °C)
Бутан газ, Butane gasОтличная (при t < +22 °C)
Бутилацетат, Butyl acetateХорошая (при t < +22 °C)
Винная кислота, Tartaric acidОтличная
Гексан, HexaneХорошая
Гидравлическая жидкость, Hydraulic fluidОтличная
Гексафторкремнекислота. Fluosilicic acidСносная
Гептан, HeptaneОтличная
Гидроксид аммония, Ammonium hydroxideОтличная (при t < +22 °C)
Гидроксид бария, Barium hydroxideОтличная (при t < +22 °C)
Гидроксид калия, Potassium hydroxideОтличная
Гидроксид кальция, Calcium hydroxideОтличная (при t < +22 °C)
Гидроксид магния, Magnesium hydroxideОтличная
Гидроксид натрия, Sodium hydroxide, 50 %Хорошая (при t < +50 °C)
Гипохлорит кальция, Calcium hypochloriteОтличная (при t < +22 °C)
Гипохлорит натрия 100 %, Sodium hypochlorite, 100 %Неустойчивое вещество
Глицерин, GlycerineОтличная
Глюкоза, GlucoseХорошая
Дизельное топливо, Diesel fuelОтличная (при t < +22 °C)
Диоксид серы, Sulfur dioxideОтличная (при t < +22 °C)
Дистиллированная вода, Water — distilledОтличная
Дихлорэтан, DichloroethaneХорошая (при t < +50 °C)
Дихромат калия, Potassium dichromateСносная
Дубильная кислота, Tannic acidОтличная
Железный купорос, Ferrous sulfateОтличная (при t < +22 °C)
Жирные кислоты, Fatty acidsОтличная (при t < +22 °C)
Гидроксид алюминия, Aluminum hydroxideХорошая (при t < +22 °C)
Изопропиловый спирт, Alcohol — isopropylОтличная
Карбонат аммония, Ammonium carbonateОтличная (при t < +22 °C)
Карбонат бария, Barium carbonateОтличная (при t < +22 °C)
Карбонат калия, Potassium carbonateОтличная
Карбонат кальция, Calcium carbonateОтличная (при t < +22 °C)
Карбонат натрия, Sodium carbonateСносная (при t < +22 °C)
Касторовое масло, Oil — castorОтличная
Керосин, KeroseneОтличная
Ксилол, XyleneОтличная
Лигроин, NaphthaОтличная
Лимонная кислота, Citric acidОтличная (при t < +22 °C)
Малеиновая кислота, Maleic acidОтличная
Масляная кислота, Butyric acidСносная (при t < +22 °C)
Метиловый спирт, Alcohol — methylХорошая (при t < +22 °C)
Метилэтилкетон, Methyl ethyl ketoneСносная (при t < +22 °C)
Молочная кислота, Lactic acidХорошая (при t < +22 °C)
Морская (солёная) вода, Water — sea, saltОтличная
Моча, UrineОтличная
Муравьиная кислота, Formic acidСносная (при t < +22 °C)
Мыло, SoapsОтличная
Нафталин, NaphthaleneОтличная
Нитрат аммония, Ammonium nitrateОтличная (при t < +22 °C)
Нитрат калия, Potassium nitrateОтличная
Нитрат магния, Magnesium nitrateОтличная
Нитрат меди, Copper nitrateОтличная (при t < +22 °C)
Нитрат натрия, Sodium nitrateОтличная
Нитрат серебра, Silver nitrateОтличная
Олеиновая кислота, Oleic acidОтличная
Перекись водорода 10 %, Hydrogen peroxide, 10 %Сносная (при t < +22 °C)
Пиво, BeerОтличная (при t < +22 °C)
Пикриновая кислота, Picric acidОтличная
Плавиковая кислота 75 %, Hydrofluoric acid, 75 %Хорошая (при t +22 °C)
Пропан жидкий, Propane liquidОтличная
Реактивное топливо, Jet fuelОтличная
Ртуть, MercuryОтличная
Пресная вода, Water — freshОтличная
Серная кислота 75—100 %, Sulfuric acid, 75—100 %Сносная (при t < +22 °C)
Сероводород, Hydrogen sulfideОтличная
Силикат натрия, Sodium silicateОтличная
Соляная кислота 20 %, Hydrochloric acid, 20 %Хорошая (при t < +22 °C)
Стеариновая кислота, Stearic acidХорошая
Сульфат алюминия, Aluminum sulfateОтличная (при t < +22 °C)
Сульфат аммония, Ammonium sulfateОтличная (при t < +22 °C)
Сульфат бария, Barium sulfateСносная (при t < +22 °C)
Сульфат железа, Ferric sulfateОтличная (при t < +22 °C)
Сульфат калия, Potassium sulfateОтличная
Сульфат кальция, Calcium sulfateОтличная (при t < +22 °C)
Сульфат магния, Magnesium sulfateОтличная
Сульфат натрия, Sodium sulfateОтличная
Сульфат никеля, Nickel sulfateОтличная
Сульфид бария, Barium sulfideХорошая (при t < +22 °C)
Сульфит натрия, Sodium sulfiteОтличная
Терпентин, TurpentineХорошая
Тетрахлорид углерода, Carbon tetrachlorideОтличная (при t < +22 °C)
Тиосульфат натрия, Sodium thiosulfateОтличная
Толуол, TolueneХорошая (при t < +22 °C)
Углекислота, Carbonic acidХорошая (при t < +22 °C)
Углекислый газ, Carbon dioxide gasОтличная (при t < +22 °C)
Углекислый магний, Magnesium carbonateОтличная
Уксус, VinegarОтличная
Уксусная кислота, Acetic acid (20 %)Отличная
Уксуснокислый свинец, Lead acetateОтличная
Фенол (оксибензол), PhenolХорошая
Формальдегид 40 %, Formaldehyde, 40 %Отличная (при t < +22 °C)
Фосфат аммония, Ammonium phosphateОтличная (при t < +22 °C)
Фосфорная кислота, Phosphoric acidХорошая
Фреон, FreonОтличная
Фторид алюминия, Aluminum fluorideХорошая (при t < +22 °C)
Фтор газообразный, Fluorine gasНеустойчивое вещество
Фтористый натрий, Sodium fluorideОтличная
Хлорид алюминия, Aluminum chlorideОтличная (при t < +22 °C)
Хлорид аммония, Ammonium chlorideОтличная (при t < +22 °C)
Хлорид бария, Barium chlorideОтличная (при t < +22 °C)
Хлорид железа, Ferric chlorideОтличная (при t < +22 °C)
Хлорид калия, Potassium chlorideОтличная
Хлорид кальция, Calcium chlorideОтличная (при t < +22 °C)
Хлорид магния, Magnesium chlorideОтличная
Хлорид меди, Copper chlorideОтличная
Хлорид натрия, Sodium chlorideОтличная
Хлорид никеля, Nickel chlorideОтличная
Хлорид цинка, Zinc chlorideОтличная
Хлористое железо, Ferrous chlorideОтличная (при t < +22 °C)
Хлористое олово, Stannic chlorideОтличная
Цианид натрия, Sodium cyanideОтличная
Цианистый водород, Hydrocyanic acidОтличная
Щавелевая кислота, Oxalic acidОтличная
Этилацетат, Ethyl acetateСносная (при t < +22 °C)
Этиленгликоль, Ethylene glycolСносная (при t < +22 °C)
Этиловый спирт, Alcohol — ethylОтличная (при t < +50 °C)
Этилхлорид, Ethyl chlorideОтличная (при t < +22 °C)