Эпоксидная смола

редактировать
Шприц «5-минутного» эпоксидного клея, предоставив отдельные отсеки для эпоксидной смолы и отвердителя Структура эпоксида группа, реактивная функциональная группа, присутствующая во всех эпоксидных смолах

эпоксидная, относится к любому из основных компонентов или отвержденных конечных продуктов эпоксидных смол, а также к разговорным названию функциональной группы эпоксида. Эпные смолы, также известные как полиэпоксиды, представляют собой класс реактивных форполимеров и полимеров, которые содержат эпоксидные группы.

Эпоксидные смолы могут реагировать (сшитые ) либо сами с собой посредством каталитической гомополимеризации, либо с широким диапазоном сореагентов, включая полифункциональные амины, кислоты (и ангидриды кислот ), фенолы, спирты и тиолы (обычно называемые меркаптанами). Эти сореагенты часто называют отвердителями или отвердителями, реакцию сшивки обычно называют отверждением.

Взаимодействие полиэпоксидов между или с полифункциональными отвердителями образует термореактивный ер, часто с хорошими механическими свойствами и высокой термической и химической стойкостью. Эпоксидная смола имеет широкий спектр применения, включая металлические покрытия, использование в электронике / электрических компонентах / светодиодах, электрические изоляторы высокого напряжения, производство малярных кистей, армированный волокном пластик и адгезив для конструкционных и других целей.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Химия
    • 2.1 На основе бисфенола
    • 2.2 Новолаки
    • 2.3 Алифатические
    • 2.4 Галогенированные
    • 2,5 Разбавители
    • 2,6 Глицидиламин
  • 3 Отверждение
    • 3.1 Гомополимеризация
    • 3.2 Амины
    • 3.3 Ангидриды
    • 3.4 Фенолы
    • 3.5 Тиолы
  • 4 Области применения
    • 4.1 Краски и покрытия
    • 4.2 Клеи
    • 4.3 Промышленное оборудование и композиты
    • 4.4 Композиты для ветряных турбин
    • 4.5 Электрические системы и электроника
    • 4.6 Нефть и нефтехимия
    • 4.7 Потребительские и морские приложения
    • 4.8 Аэрокосмические приложения
    • 4.9 Биология
    • 4.10 Искусство
  • 5 Производство
  • 6 Риски для здоровья
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Внешние ссылки

История

Конденсация эпоксидов и аминов впервые была описана и запатентована Полом Шлаком из Германии в 1934 году. Заявления об открытии эпоксидных смол на основе бисфенола-А включают Пьер Кастан в 1943 году. Работа Кастана лицензирована швейцарской компанией Ciba, Ltd., которая является одним из основных производителей эпоксидных смол в мире. Эпоксидный бизнес Ciba был выделен в Vantico в 1990-х годах, который был продан в 2003 году и стал бизнес-единицей Advanced Materials в Huntsman Corporation в США. В 1946 году Сильван Гринли, работающая в компании Дэво и Рейнольдс, запатентовала смолу, полученную из бисфенола-А и эпихлоргидрина. Devoe Raynolds, действовавшая в заре индустрии эпоксидных смол, была продана Shell Chemical ; разделение, участвовавшее в этой работе, в конечном итоге было продано, и через ряд других корпоративных сделок теперь является частью Hexion Inc..

Химия

Реакция связывания гидроксруппы с эпихлоргидрином с последующим дегидрогалогенированием

Большинство коммерчески используемых эпоксидных мономеров получают реакцию соединения с кислотными гидроксигруппами и эпихлоргидрином. Сначала гидроксигруппа реагирует в реакции сочетания с эпихлоргидрином с последующим дегидрогалогенированием. Эпоксидные смолы, полученные из таких эпоксидных мономеров, называются эпоксидными смолами на основе глицидила. Гидроксигруппа может происходить из полиолов (простых полиэфирполиолов), фенольных соединений или дикарбоновых кислот. Фенолами могут быть соединения, такие как бисфенол A и новолак. Полиолы могут быть соединениями, такими как 1,4-бутандиол. Ди- и полиолы приводят к диглицидным полиэфирам. Дикарбоновые кислоты, такие как гексагидрофталевая кислота, используются для смол на основе диглицидных эфиров. Вместо гидроксигруппы с эпихлоргидрином также может взаимодействовать атом азота амина или амида.

Синтез эпоксида с использованием перкислоты

Другим способом производства эпоксидных смол является превращение перкислоты или с их использованием: отличие от эпоксидных смол на основе глицидила, это производство такой эпоксидной смолы мономеры не требуют кислотного атома водорода., но алифатической двойной связи.

Эпоксидную группу также иногда называют оксирановой группой.

на основе бисфенола

Синтез диглицидилового эфира бисфенола A

Наиболее распространенные эпоксидные смолы на основе взаимодействия эпихлоргидрина (ECH) с бисфенолом A, в результате образуется другое химическое вещество, известное как диглицидиловый эфир бисфенола A (широко известное как BADGE или DGEBA). Смолы на основе бисфенола являются наиболее широко продаваемыми смолами, но также другие бисфенолы аналогично реагируют с эпихлоргидрином, например, бисфенол F.

. В этой двухстадийной реакции эпихлоргидрин сначала создать к бисфенолу. A (образует бис (3-хлор-2-гидроксипропокси) бисфенол A), затем в реакции конденсации со стехиометрическим воздействием гидроксида натрия образуется бисепоксид. Атом хлора выделяется в виде хлорида натрия (NaCl), атом водорода - в виде воды.

Диглицидиловые эфиры с более высокой молекулярной массой (n ≥ 1) образцидные в результате реакции диглицидового эфира бисфенола A с дополнительным бисфенолом A, это называется форполимеризацией:

Синтез бисфенол-A-диглицидилового эфира с высокой молярная масса

Продукт, представляющий несколько повторяющихся звеньев (n = от 1 до 2), представляет собой вязкую прозрачную жидкость; это называется жидкой эпоксидной смолой. Продукт, большее количество повторяющихся звеньев (n = от 2 до 30), при комнатной температуре представляет собой бесцветное твердое вещество, которое соответствует твердой эпоксидной смолой.

Вместо бисфенола A для бис <10227>эпоксидирования <207 могут быть другиефенолы (особенно бисфенол F ) или бромированные бисфенолы (например, тетрабромбисфенол A ).>и форполимеризация. Бисфенол F может образовывать эпоксидную смолу аналогично бисфенолу А. Эти смолы обычно имеют более низкую вязкость и более высокое среднее содержание эпоксидной смолы на грамм, чем смолы бисфенола А, что (после отверждения) придает им повышенную химическую стойкость..

Важные эпоксидные смолы получения объединения эпихлоргидрина и бисфенола A с получением диглицидиловых эфиров бисфенола A.

Структура эпоксидной смолы на основе диглицидилового эфира бисфенола-A : n обозначает количество полимеризованных субъединиц и обычно находится в диапазоне от 0 до 25

Увеличение отношений бисфенола А к эпихлоргидрину во время производства дает более высокомолекулярные линейные полиэфиры с глицидильными концевыми группами, которые являются полутвердыми или твердокристаллическими. материалы при комнатной температуре в зависимости от достигнутой молекулярной массы. Этот путь известен как процесс «ириски». Более современные методы производства эпоксидных смол с более высокой молекулярной массой заключаются в том, начать с жидкой эпоксидной смолы (LER) и добавить рассчитанное количество бисфенола A, и добавить катализатор и реакционную смесь нагреть примерно до 160 ° C (320 ° F). Этот процесс как известен «продвижение». По мере увеличения молекулярной массы смолы содержание эпоксида уменьшается, и материал все больше и больше ведет себя как термопласт. Поликонденсаты с очень высокой молекулярной массой (около 30 000 - 70 000 г / моль) образуют класс, известный как фенокси-смолы, и практически не содержат эпоксидных групп (поскольку концевые эпоксидные группы незначительны по сравнению с общим размером молекулы). Однако эти смолы содержат гидроксильные группы по всей цепи, которые также могут подвергаться другим реакциям сшивания, например, аминопластами, фенопластами и изоцианатами.

Эпоксидные смолы включают полимерные или полуполимерные материалы или олигомер, и поэтому редко в виде чистых веществ, поскольку существует переменная длина цепи является результатом используемой системы полимеризации их. Для конкретных применений могут быть произведены марки высокой чистоты, например с использованием процесса очистки дистилляцией. Одним из недостатков жидкостей является высокая структура, которая требует плавления для образования возможностей обработки.

Важным критерием для эпоксидных смол является содержание эпоксидных групп. Это выражается как «эквивалентная масса эпоксида», которая представляет собой соотношение между молекулярной массой мономера и эпоксидных групп. Этот параметр используется для расчета массы сореагента (отвердителя) текущего при отверждении эпоксидных смол. Эпоксидные смолы обычно отверждают с помощью стехиометрического или почти стехиометрического количества отвердителя для достижения наилучших физических свойств.

Новолаки

Общая структура эпоксифенолового новолака с n обычно в диапазоне от 0 до 4. Соединение присутствует в форме различных структурных изомеров.

Новолаки выполняют действиями фенол с метаналем (формальдегидом). Реакция эпихлоргидрина и новолаков дает новолаки с глиильными остатками, такими как эпоксифеноловый новолак (EPN) или эпоксикрезоловый новолак (ECN). Эти смолы от высоковязких до твердых частиц обычно содержат от 2 до 6 эпоксидных групп на молекулу. При оттверждении образуются полимеры с высокой степенью сшивки, обладающие высокой температурной и химической стойкостью, но низкой механической гибкостью из-за высокой функциональности этих смол.

Реакция фенолов с формальдегидом и последующим глицидилированием эпихлоргидрином дает эпоксидированные новолаки, такие как в виде эпоксидных фенольных новолаков (EPN) и эпоксидных крезольных новолаков (ECN). Высокая эпоксидная функциональность этих смол образует сильно сшитую полимерную сеть, демонстрирующую высокую температуру и химическую стойкость, но низкую гибкость.

Алифатические

Структурная формула 3,4-эпоксициклогексилметил-3 ', 4'-эпоксициклогексанкарбоксилата

Существует два распространенных типа алифатических эпоксидных смол: полученных эпоксидных связей (циклоалифатические растительные эпоксиды и эпоксид двойного)) и те, которые образуются в результате реакции с эпихлоргидрином (глицид эфиры и сложные эфиры).

Циклоалифатические эпоксиды содержат одно или несколько алифатических колец в молекуле, в которой содержится оксирановое кольцо (например, 3,4-эпоксицикексилметил-3 ', 4'-эпоксиклогексанкарбоксилат ). Их получают реакцией циклического алкена с надкислотой (см. Выше). Циклоалифатические эпоксиды характеризуются своей алифатической структурой, высоким уровнем оксирана и отсутствием хлора, что приводит к низкой вязкости (после отверждения) хорошей атмосферостойкости, низкой диэлектрической постоянной и высокой Tg. Однако алифатические эпоксидные смолы очень медленно полимеризуются при комнатной температуре, поэтому обычно требуются более высокие температуры и подходящие ускорители. Ароматические эпоксидные смолы имеют более низкую электронную плотность, чем ароматические, циклоалифатические эпоксиды менее легко реагируют на нуклеофилами, чем эпоксидные смолы на основе бисфенола А (которые имеют ароматические эфирные группы). Это означает, что обычные нуклеофильные отвердители, такие как амины, вряд ли подходят для сшивки. Следовательно, циклоалифатические эпоксиды обычно гомополимеризуются термически или УФ-излучением в электрофильной или катионной реакции. Из-за низких диэлектрических постоянных и отсутствия хлора циклоалифатические эпоксиды часто используются для герметизации электронных систем, таких как микрочипы или светодиоды. Они также используются для красок и лаков, отверждаемых излучением. Однако из-за их высокой цены их использование до сих пор ограничивалось такими применениями.

Эпоксидированные растительные масла образуются путем эпоксидирования ненасыщенных жирных кислот путем реакции с надкислотами. В этом случае перкислоты также могут быть образованы in situ при взаимодействии карбоновых кислот с пероксидом водорода. По сравнению с LER (жидкими эпоксидными смолами) они имеют очень низкую вязкость. Однако если они используются в больших количествах в качестве реактивных разбавителей, это часто приводит к снижению химической и термической стойкости и снижению механических свойств от определенных эпоксидов. Крупномасштабные эпоксидированные растительные масла, такие как эпоксидированные соевые масла и масла для линз, в степени используются в качестве вторичных пластификаторов и стабилизаторов стоимости ПВХ.

Алифатических глицидилэпоксидных смол с низкой молярной массой (моно-, би- или полифункциональных). образуется в результате реакции эпихлоргидрина с алифатическими спиртами или полиолами (образуются глицидиловые эфиры) или с алифатическими карбоновыми кислотами (образуются глицидиловые эфиры). Реакцию проводят в присутствии, такого как гидроксид натрия, аналогично образованию бисфенол А-диглицидилового эфира. Также алифатические глицидилэпоксидные смолы обычно имеют низкую вязкость по с ароматическими эпоксидными смолами. Поэтому они добавляются к другим эпоксидным смолам как реактивные разбавители или как. Эпоксидные смолы, изготовленные из (длинноцепочечных) полиолов, также добавлены для улучшения прочности на разрыв и ударной вязкости.

Родственным классом является циклоалифатическая эпоксидная смола, которая содержит одно или несколько циклоалифатических колец в молекуле (например, 3,4-эпоксициклогексилметил-3,4-эпоксициклогексанкарбоксилат). Этот класс также имеет более низкую вязкость при комнатной температуре, но предлагает более высокую термостойкость, чем алифатические эпоксидные разбавители. Однако высокая реакционная способность довольно низкая по сравнению с другими классами эпоксидных смол, обычно требуется высокотемпературное отверждение с использованием подходящих ускорителей. В этих материалах отсутствует ароматичность, как в смолах на основе бисфенола A и F, стойкость к ультрафиолетовому излучению значительно улучшается.

Галогенированные

Галогенированные эпоксидные смолы добавляются для достижения особых свойств, в частности, используются бромированные и фторированные эпоксидные смолы.

Бромированный бисфенол А используется, когда требуются огнестойкие свойства, например, в некоторых электрических приложениях (например, печатные платы ). Тетрабромированный бисфенол A (TBBPA, 2,2-бис (3,5-дибромфенил) пропцидан) или его диглииловый эфир, 2,2-бис [3,5-дибром-4- (2,3-эпоксипропокси) фенил] пропан, может быть добавлен в состав эпоксидной смолы . Затем композиция может вступать в реакцию таким же образом, как и чистый бисфенол А. Некоторые (несшитые) эпоксидные смолы с очень высокой молярной массой добавляются к техническим термопластам, опять же для достижения огнезащитных свойств.

Фторированные эпоксидные смолы были исследованы для некоторых высокоэффективных приложений, таких как фторированный диглицидный эфир 5-гептафторпропил-1,3-бис [2- (2,3-эпоксипропокси) гексафтор- 2- пропил] бензол. Он имеет небольшое поверхностное натяжение, его можно использовать в качестве смачивающего агента (поверхностно-активного вещества) для контакта со стекловолокном. Его реакционная способность по отношению к отвердителям сравнима с реакцией бисфенола А. После отверждения эпоксидная смола превращается в термореактивный пластик с высокой химической стойкостью и низким водопоглощением. Однако коммерческое использование фторированных эпоксидных смол ограничено их высокой стоимостью и низким T g.

Разбавители

Разбавители для эпоксидных смол обычно образуются путем глицидилирования алифатических спиртов или полиолов. Полученные материалы могут быть монофункциональными (например, глицидиловый эфир додеканола), дифункциональными (диглицидиловый эфир бутандиола) или более функциональными (например, триметилолпропан триглицидиловый эфир). Эти смолы обычно обладают низкой вязкостью при комнатной температуре (10-200 мПа · с) и часто называются реактивными разбавителями. Они редко используются по отдельности, а используются для изменения (уменьшения) вязкости других эпоксидных смол. Это привело к появлению термина «модифицированная эпоксидная смола» для обозначения смол, содержащих реактивные разбавители, снижающие вязкость.

Глицидиламин

Глицидиламин эпоксидные смолы представляют собой эпоксидные смолы с более высокой функциональностью, которые образуются при взаимодействии ароматических аминов с эпихлоргидрином. Важными промышленными сортами являются триглицидил-п-аминофенол (функциональная группа 3) и N, N, N ', N'-тетраглицидил-бис- (4-аминофенил) -метан (функциональная группа 4). Смолы имеют вязкость от низкой до средней при комнатной температуре, что облегчает их обработку, чем смолы EPN или ECN. Это в сочетании с высокой реакционной способностью, а также высокой термостойкостью и механическими свойствами полученной отвержденной сети делает их важными материалами для применения в аэрокосмических композитах.

Отверждение

Структура застывшего эпоксидного клея. Отвердитель триамина показан красным цветом, смола - черным. Эпоксидные группы смолы прореагировали с отвердителем и больше не присутствуют. Материал сильно сшит и содержит много групп ОН, которые придают адгезионные свойства.

Для отверждения эпоксидной смолы можно использовать несколько десятков химикатов, включая амины, имидазолы, ангидриды и светочувствительные химические вещества.

Как правило, неотвержденные эпоксидные смолы обладают плохой механической, химической и термостойкостью. Однако хорошие свойства получаются при взаимодействии линейной эпоксидной смолы с подходящими отвердителями с образованием трехмерных поперечно-сшитых термореактивных структур. Этот процесс обычно называют процессом отверждения или гелеобразования. Отверждение эпоксидных смол - это экзотермическая реакция, и в некоторых случаях выделяется достаточно тепла, чтобы вызвать термическое разложение, если его не контролировать.

Отверждение может быть достигнуто путем реакции эпоксидной смолы с самим собой (гомополимеризация) или путем образования сополимера с полифункциональными отвердителями или отвердителями. В принципе, любая молекула, содержащая реактивный водород, может реагировать с эпоксидными группами эпоксидной смолы. Обычные классы отвердителей для эпоксидных смол включают амины, кислоты, ангидриды кислот, фенолы, спирты и тиолы. Относительная реакционная способность (сначала самая низкая) находится примерно в следующем порядке: фенол < anhydride < aromatic amine < cycloaliphatic amine < aliphatic amine < thiol.

В то время как некоторые комбинации эпоксидной смолы / отвердителя отверждаются при температуре окружающей среды, для многих требуется тепло, обычно при температурах до 150 ° C (302 ° F) и до 200 ° C (392 ° F) для некоторых специализированных систем. Недостаточный нагрев во время отверждения приведет к неполной полимеризации сети и, таким образом, к снижению механической, химической и термостойкости. Температура отверждения обычно должна достигать температуры стеклования (Tg) полностью отвержденной сетки для достижения максимальных свойств. Иногда температуру повышают ступенчато, чтобы контролировать скорость отверждения и предотвратить чрезмерное тепловыделение в результате экзотермической реакции.

Отвердители, которые проявляют только низкую или ограниченную реакционную способность при температуре окружающей среды, но которые вступают в реакцию с эпоксидными смолами при повышенной температуре, называются скрытыми отвердителями. При использовании скрытых отвердителей эпоксидную смолу и отвердитель можно смешивать и хранить в течение некоторого времени перед использованием, что является преимуществом для многих промышленных процессов. Очень латентные отвердители позволяют производить однокомпонентные (1K) продукты, при этом смола и отвердитель поставляются конечному пользователю предварительно смешанными и требуют только тепла для начала отверждения. Однокомпонентные продукты обычно имеют более короткий срок хранения, чем стандартные двухкомпонентные системы, и для продуктов может потребоваться хранение и транспортировка в охлажденном состоянии.

Реакция отверждения эпоксидной смолы может быть ускорена добавлением небольших количеств ускорителей. Третичные амины, карбоновые кислоты и спирты (особенно фенолы) являются эффективными ускорителями. Бисфенол А является высокоэффективным и широко используемым ускорителем, но в настоящее время его все чаще заменяют этим веществом из-за проблем со здоровьем.

Гомополимеризация

Эпоксидная смола может реагировать сама с собой в присутствии анионного катализатора (основания Льюиса, такого как третичные амины или имидазолы) или катионного катализатора (кислоты Льюиса, такой как бор трифторидный комплекс) с образованием затвердевшей сети. Этот процесс известен как каталитическая гомополимеризация. Получающаяся в результате сеть содержит только эфирные мостики и демонстрирует высокую термическую и химическую стойкость, но является хрупкой и часто требует повышенной температуры для процесса отверждения, поэтому в промышленности она находит только нишевые применения. Гомополимеризация эпоксидной смолы часто используется, когда требуется УФ-отверждение, поскольку могут использоваться катионные УФ-катализаторы (например, для УФ-покрытий ).

Амины

Полифункциональные первичные амины образуют важный класс эпоксидных отвердителей. Первичные амины подвергаются реакции присоединения с эпоксидной группой с образованием гидроксильной группы и вторичного амина. Вторичный амин может дополнительно реагировать с эпоксидом с образованием третичного амина и дополнительной гидроксильной группы. Кинетические исследования показали, что реакционная способность первичного амина примерно вдвое выше, чем у вторичного амина. Использование дифункционального или полифункционального амина образует трехмерную сшитую сеть. Алифатические, циклоалифатические и ароматические амины используются в качестве отвердителей эпоксидных смол. Отвердители аминового типа изменяют как технологические свойства (вязкость, реакционная способность), так и конечные свойства (механические, температурные и термостойкость) отвержденной сополимерной сетки. Таким образом, аминовая структура обычно выбирается в соответствии с применением. Общий потенциал реакционной способности для различных отвердителей можно примерно заказать; алифатические амины>циклоалифатические амины>ароматические амины, хотя алифатические амины со стерическими препятствиями около аминогрупп могут реагировать так же медленно, как некоторые ароматические амины. Более низкая реактивность увеличивает время работы процессоров. Термостойкость обычно увеличивается в том же порядке, поскольку ароматические амины образуют гораздо более жесткие структуры, чем алифатические амины. Ароматические амины широко использовались в качестве отвердителей эпоксидной смолы из-за превосходных конечных свойств при смешивании с исходной смолой. За последние несколько десятилетий озабоченность по поводу возможных неблагоприятных воздействий на здоровье многих ароматических аминов привела к увеличению использования альтернатив алифатическим или циклоалифатическим аминам. Амины также смешиваются, аддуктируются и вступают в реакцию для изменения свойств, и эти аминовые смолы чаще используются для отверждения эпоксидных смол, чем чистый амин, такой как ТЭТА. все чаще полиамины НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ используются, помимо прочего, для снижения профиля токсичности.

Структура ТЕТА, типичного отвердителя. Аминные (NH2) группы реагируют с эпоксидными группами смолы во время полимеризации.

Ангидриды

Эпоксидные смолы можно термически отверждать ангидридами для создания полимеров со значительным сохранением свойств при повышенных температурах в течение продолжительных периодов времени.. Реакция и последующее сшивание происходят только после раскрытия ангидридного кольца, например вторичными гидроксильными группами в эпоксидной смоле. Гомополимеризация также может происходить между эпоксидными и гидроксильными группами. Высокая латентность ангидридных отвердителей делает их подходящими для систем обработки, которые требуют добавления минеральных наполнителей перед отверждением, например для электрических изоляторов высокого напряжения. Скорость отверждения можно повысить, подбирая ангидриды с подходящими ускорителями. Для диангидридов и, в меньшей степени, моноангидридов нестехиометрические эмпирические определения часто используются для оптимизации уровней дозирования. В некоторых случаях смеси диангидридов и моноангидридов могут улучшить дозировку и смешивание с жидкими эпоксидными смолами.

Фенолы

Полифенолы, такие как бисфенол А или новолаки, могут реагировать с эпоксидными смолами при повышенных температурах (130–180 ° C, 266–356 ° F), обычно в присутствии катализатора.. Полученный материал имеет эфирные связи и демонстрирует более высокую химическую стойкость и стойкость к окислению, чем обычно получается при отверждении с помощью амина или ангидрида. Поскольку многие новолаки представляют собой твердые вещества, этот класс отвердителей часто используется для порошковых покрытий.

Тиолов

Также известные как меркаптаны, тиолы содержат серу, которая очень легко вступает в реакцию с эпоксидной группой даже при температуре окружающей среды. или ниже температуры окружающей среды. Хотя полученная сетка обычно не проявляет высокой температуры или химической стойкости, высокая реакционная способность тиоловой группы делает ее полезной для применений, в которых отверждение при нагревании невозможно или требуется очень быстрое отверждение, например для бытовых клеев и химических анкеров анкеров. Тиолы обладают характерным запахом, который можно обнаружить во многих двухкомпонентных бытовых клеях.

Области применения

Области применения материалов на основе эпоксидной смолы обширны и включают покрытия, клеи и композитные материалы, например, с использованием углерода армирующие волокна и стекловолокно (хотя полиэфир, сложный винилэфир и другие термоотверждающиеся смолы также являются используется для стеклопластика). Химический состав эпоксидных смол и ряд коммерчески доступных вариантов позволяет производить отверждаемые полимеры с очень широким диапазоном свойств. Как правило, эпоксидные смолы известны своей превосходной адгезией, химической и термостойкостью, механическими свойствами от хороших до отличных и очень хорошими электроизоляционными свойствами . Многие свойства эпоксидных смол могут быть изменены (например, доступны эпоксидные смолы с наполнителем серебром с хорошей электропроводностью, хотя эпоксидные смолы обычно являются электроизоляционными). Доступны варианты, обеспечивающие высокую теплоизоляцию или теплопроводность в сочетании с высоким электрическим сопротивлением для электронных устройств.

Как и в случае с другими классами термореактивных полимерных материалов, смешивание различных сортов эпоксидной смолы, а также использование добавок, пластификаторы или наполнители обычно используются для достижения желаемых технологических или конечных свойств или для снижения стоимости. Использование смесей, добавок и наполнителей часто называют составлением.

Краски и покрытия

Двухкомпонентные эпоксидные покрытия были разработаны для тяжелых условий эксплуатации на металлических подложках и потребляют меньше энергии, чем термоотверждаемые порошковые покрытия. Эти системы обеспечивают прочное защитное покрытие с превосходной твердостью. Однокомпонентные эпоксидные покрытия имеют форму водной эмульсии и могут быть очищены без растворителей.

Эпоксидные покрытия часто используются в промышленности и автомобилестроении, поскольку они более термостойкие, чем краски на латексной и алкидной основе. Эпоксидные краски имеют тенденцию к ухудшению качества, так называемому «потускнению», из-за воздействия ультрафиолета.

Изменение цвета, известное как пожелтение, является обычным явлением для эпоксидных материалов и часто вызывает озабоченность в области искусства и консервации. Эпоксидные смолы со временем желтеют, даже если они не подвергаются воздействию УФ-излучения. Существенные успехи в понимании пожелтения эпоксидных смол были достигнуты Дауном сначала в 1984 году (естественное темное старение), а затем в 1986 году (старение при высокой интенсивности света). Даун исследовал различные адгезивы на основе эпоксидной смолы, отверждаемые при комнатной температуре, подходящие для использования при консервации стекла, проверяя их склонность к пожелтению. Фундаментальное молекулярное понимание пожелтения эпоксидной смолы было достигнуто, когда Крауклис и Эхтермейер обнаружили механистическое происхождение пожелтения в широко используемой аминной эпоксидной смоле, опубликованной в 2018 году. Они обнаружили, что молекулярной причиной пожелтения эпоксидных смол является термоокислительная эволюция карбонильных групп в полимерной углерод-углеродной основной цепи через атаку нуклеофильных радикалов.

Полиэфирные эпоксидные смолы используются в качестве порошковых покрытий для стиральных машин, сушилок и другой "бытовой техники". Эпоксидные порошковые покрытия на основе сплавления (FBE) широко используются для защиты от коррозии стальных труб и фитингов, используемых в нефтегазовой промышленности, трубопроводов для питьевой воды (стальных) и армирования бетона арматуры. Эпоксидные покрытия также широко используются в качестве грунтовок для улучшения адгезии автомобильных и морских красок, особенно на металлических поверхностях, где коррозионная стойкость (ржавчина) важна. Металлические банки и контейнеры часто покрываются эпоксидной смолой для предотвращения ржавчины, особенно для таких продуктов, как помидоры, которые кислые. Эпоксидные смолы также используются для декоративных полов, таких как полы из терраццо , полы из стружки и полы из цветного заполнителя.

Эпоксидные смолы были модифицированы различными способами. Взаимодействовали с жирными кислотами, полученными из масел, с получением сложных эфиров эпоксидных смол, которые отверждались так же, как и алкиды. Типичными были L8 (80% льняного семени, D4 (40% дегидратированного касторового масла). Они часто вступали в реакцию со стиролом для получения стирольных эфиров эпоксидной смолы, используемых в качестве грунтовок. Отверждение фенольными смолами для изготовления футеровки барабана, отверждение сложных эфиров аминовыми смолами и предварительная обработка отверждение эпоксидных смол аминосмолами для получения стойких верхних покрытий.

Одним из лучших примеров была система использования эпоксидных смол без растворителей для грунтования судов во время строительства, при этом использовалась система горячего безвоздушного распыления с предварительным смешиванием в головной части. Это устранило проблему удержания растворителя под пленкой, что впоследствии вызвало проблемы с адгезией.

Клеи

Специальная эпоксидная смола достаточно прочна, чтобы выдерживать силы между плавником
доски для серфинга и плавником. Эта эпоксидная смола водонепроницаема и способна от верждаться под водой. Эпоксидная смола синего цвета слева все еще отверждается.

Эпоксидная смола клеи являются основной частью этого класса клеев. так называемые «конструкционные клеи» или «инженерные клеи» (включая p полиуретан, акрил, цианоакрилат и другие химические вещества.) Эти высокоэффективные клеи используются в конструкции самолетов, автомобилей, велосипедов, лодок, клюшек для гольфа, лыж, сноуборды и другие приложения, где требуются высокопрочные соединения. Эпоксидные клеи могут быть разработаны для решения практически любых задач. Их можно использовать в качестве клея для дерева, металла, стекла, камня и некоторых пластиков. Они могут быть гибкими или жесткими, прозрачными или непрозрачными / цветными, быстро схватывающимися или медленными. Эпоксидные клеи лучше по термостойкости и химической стойкости, чем другие обычные клеи. Как правило, эпоксидные клеи, отвержденные при нагревании, будут более термостойкими и химически стойкими, чем отвержденные при комнатной температуре. Прочность эпоксидных клеев ухудшается при температурах выше 350 ° F (177 ° C).

Некоторые эпоксидные смолы отверждаются под воздействием ультрафиолетового света. Такие эпоксидные смолы обычно используются в оптике, волоконной оптике и оптоэлектронике.

Промышленной оснастке и композитах

Эпоксидные системы используются в промышленных инструментах для производить формы, мастер-модели, ламинаты, отливки, приспособления и другие вспомогательные средства промышленного производства. Этот «пластиковый инструмент» заменяет металл, дерево и другие традиционные материалы и, как правило, повышает эффективность и либо снижает общую стоимость, либо сокращает время выполнения многих промышленных процессов. Эпоксидные смолы также используются при производстве армированных волокном или композитных деталей. They are more expensive than polyester resins and vinyl ester resins, but usually produce stronger and more temperature-resistant thermoset polymer matrix composite parts.

Wind turbine technology composites

Epoxy resins are used as bonding matrix along with glass or carbon fiber fabrics to produce composites with very high strength to weight characteristics, allowing longer and производство более эффективных лопастей ротора. Кроме того, для морских и наземных ветроэнергетических установок эпоксидные смолы используются в качестве защитных покрытий на стальных опорах, опорных стойках и бетонных фундаментах. Сверху наносятся верхние покрытия из алифатического полиуретана для обеспечения полной защиты от ультрафиолета, продления срока службы и снижения затрат на обслуживание. Электрические генераторы, соединенные трансмиссией с лопастями ротора, преобразуют механическую энергию ветра в полезную электрическую энергию и используют эпоксидную электроизоляцию и высокие термостойкие свойства. То же самое касается трансформаторов, вводов, прокладок и композитных кабелей, соединяющих ветряные мельницы с сетью. В Европе компоненты энергии ветра составляют самый большой сегмент применения эпоксидной смолы, около 27% рынка.

Электрические системы и электроника

Эпоксидная инкапсулированная гибридная схема на печатной плате. Внутри карманного калькулятора. Темный комок эпоксидной смолы в центре покрывает микросхему процессора.

Составы эпоксидной смолы важны в электронной промышленности и используются в двигателях, генераторах, трансформаторах, распределительных устройствах, вводах, изоляторах, печатных монтажных платах (PWB) и полупроводниках. инкапсулянты. Эпоксидные смолы являются отличными электрическими изоляторами и защищают электрические компоненты от короткого замыкания, пыли и влаги. В электронной промышленности эпоксидные смолы являются основной смолой, используемой при формовании интегральных схем, транзисторов и гибридных схем и изготовления печатных плат. Печатная плата самого большого объема - «плата FR-4 » - представляет собой сэндвич из слоев стеклоткани, скрепленных в композит эпоксидной смолой. Эпоксидные смолы используются для приклеивания медной фольги к подложкам печатных плат и являются компонентом паяльной маски на многих печатных платах.

Гибкие эпоксидные смолы используются для заливки трансформаторов и индукторов. Использование вакуумной пропитки неотвержденной эпоксидной смолы позволяет избежать образования воздушных пустот между обмоткой и сердечником, а также между обмоткой и изолятором. Затвердевшая эпоксидная смола является электрическим изолятором и гораздо лучше проводит тепло, чем воздух. Значительно сокращается количество горячих точек трансформатора и индуктора, что дает компоненту более стабильный и более длительный срок службы по сравнению с продуктом без повреждений.

Эпоксидные смолы наносятся с использованием технологии дозирования смолы.

Нефть и нефтехимия

Эпоксидные смолы могут использоваться для закупоривания отдельных слоев в резервуаре, которые производят чрезмерное количество рассола. Этот метод называется «водоотталкивающая обработка».

Потребительские и морские применения

Эпоксидные смолы продаются в хозяйственных магазинах, как правило, в виде упаковки, содержащей отдельные смолу и отвердитель, которые необходимо немедленно смешать перед использованием. Они также продаются в лодочных магазинах в качестве ремонтных смол для морского применения. Эпоксидные смолы обычно не используются во внешнем слое лодки, потому что они портятся под воздействием УФ света. Они часто используются во время ремонта и сборки лодок, а затем покрываются обычной или двухкомпонентной полиуретановой краской или морскими лаками, обеспечивающими защиту от ультрафиолета.

Есть две основные области использования моря. Из-за лучших механических свойств по сравнению с более распространенными полиэфирными смолами эпоксидные смолы используются для промышленного производства компонентов, где требуется высокое соотношение прочности / веса. Во-вторых, их прочность, свойства заполнения зазоров и отличная адгезия ко многим материалам, включая дерево, вызвали бум в любительских строительных проектах, включая самолеты и лодки.

Обычный гелькоут, разработанный для использования с полиэфирными смолами и винилэфирными смолами, не прилипает к эпоксидным поверхностям, хотя эпоксидная смола очень хорошо прилипает при нанесении на поверхности из полиэфирных смол. «Flocoat», который обычно используется для покрытия Интерьер яхт из стеклопластика также совместим с эпоксидными смолами.

Эпоксидные материалы имеют тенденцию к более безопасному отверждению, тогда как материалы на основе сложного полиэфира имеют тенденцию к отверждению быстро, если используется много катализатора. Химические реакции в обоих случаях экзотермические. Большие количества смеси выделяют собственное тепло и ускоряют реакцию, поэтому обычно смешивают небольшие количества, которые можно использовать быстро.

Несмотря на то, что полиэфирные смолы и эпоксидные смолы обычно объединяют, их свойства достаточно различаются, чтобы с ними правильно обращаться как с отдельными материалами. Полиэфирные смолы обычно имеют низкую прочность, если они не используются армирующим материалом, таким как стекловолокно, относительно хрупкие, если не армированы, и имеют низкую адгезию. Эпоксидные смолы, напротив, по своей сути прочны, несколько гибки и обладают отличной адгезией. Однако полиэфирные смолы намного дешевле.

Эпоксидные смолы обычно требуют точного смешивания двух компонентов, которые образуют третий химикат. В зависимости от требуемых отношений может быть любое соотношение от 1: 1 или более 10: 1, но в любом случае они должны быть точно перемешаны. Конечный продукт - это точно термоотверждаемый пластик. Пока они не смешаны, эти два элемента относительно инертны, хотя «отвердители» имеют тенденцию быть более химически активными и должны быть защищены от атмосферы и влаги. Скорость реакции можно изменить, используя различные отвердители, которые могут изменить природу конечного продукта, или контролируемую температуру.

Нап, полиэфирные смолы обычно доступны в «промотированной форме», так что переходное смешанных смол от жидких к твердым уже идет, хотя и очень медленно. Единственная переменная, доступная пользователю, - это изменение скорости этого процесса с использованием катализатора, часто метилэтилкетона пероксида (MEKP ), который очень токсичен. Присутствует небольшое количество катализатора, которое проходит через некоторое время с приемлемой скоростью. Таким, скорость отверждения сложных полиэфиров может регулироваться образом и типом катализатора, а также температурой.

В качестве клея эпоксидные смолы связываются тремя способами: а) механические, поскольку склеиваемые поверхности имеют шероховатость; б) из-за близости, поскольку отвержденные смолы физически настолько близки к склеиваемым поверхностям, что их трудно разделить; в) ионно, потому что эпоксидные смолы образуют ионные связи на атомном уровне со связующими поверхностями. Последний, по сути, самый сильный из трех. Напротив, полиэфирные смолы могут связываться только с использованием двух из них, что снижает их применимость в качестве клея и при ремонте судов.

Применение в аэрокосмической отрасли

В аэрокосмической промышленности эпоксидная смола используется в качестве структурного матричного материала, который армируется волокном. Типичные армирующие волокна включают стекло, углерод, кевлар и бор. Эпоксидные смолы также используются как структурный клей. Такие материалы, как дерево и другие «низкотехнологичные», склеиваются эпоксидной смолой. Эпические смолы обычно превосходят другие типы смол с точки зрения механических свойств и устойчивости к разрушению окружающей среды.

Биология

Водорастворимые эпоксидные смолы, такие как Durcupan, обычно используются для встраивание образцов с электронного микроскопа в пластик, чтобы их было разрезать (нарезать тонкими ломтиками) с помощью микротома, а затем отобразить.

Искусство

Эпоксидная смола, смешанная с пигментом, может быть использована в качестве краски среда путем наливания слоев изображения друг на друга для формирования целостного. Он также используется в ювелирных изделиях, в качестве смолы для отделки украшений и этикеток, а также для декупажа предметов искусства, столешниц и столов.

Производство

Мировой рынок эпоксидных смол в 2016 году оценивался примерно в 8 миллиардов долларов. На рынке эпоксидных смол доминирует Азиатско-Тихоокеанский регион, на который приходится 55,2% от общей доли рынка. Китай является основным и потребителем в мире, потребляя почти 35% мирового производства смол. На мировом рынке представлено около 50–100 основных производителей или товарных эпоксидных смол и отвердителей. В Европе в 2017 году было произведено около 323000 тонн эпоксидной смолы, объем продаж составил около 1055 миллионов евро. Германия является крупнейшим рынком эпоксидных смол в Европе, за ней следуют Италия, Франция, Великобритания, Испания, Нидерланды и Австрия.

Эти товарные эпоксидные смолы производители, указанные выше, обычно не продают эпоксидные смолы в форме, пригодной для более мелких конечных потребителей, поэтому существует еще одна группа компаний, которые закупают эпоксидное сырье у крупных производителей и затем компаундирует (смешивает, модифицирует или иным образом настраивает) эпоксидные системы из этого сырья. Эти компании известны как «разработчики рецептур». Большинство продаваемых эпоксидных систем используют эти инструменты рецептур, и они составляют более 60% долларовой стоимости рынка эпоксидных смол. Эти составы рецептур могут модифицировать эпоксидные смолы сотнями способов - путем добавления минеральных наполнителей (тальк, диоксид кремния, оксид алюминия и т. Д..) путем добавления пластификаторов, веществ, уменьшающих вязкость,, красителей, загустителей, ускорителей, усилителей адгезии, и т. д. Эти модификации сделаны для снижения затрат, улучшения характеристик и для повышения удобства обработки. В результате типичный разработчик рецептур продает десятки или даже тысячи рецептур, каждый из которых соответствует требованиям конкретных приложений или рынка.

Сырье для производства эпоксидной смолы сегодня в основном нефти, хотя некоторые источники растительного происхождения в настоящее время становятся коммерчески доступными (например, глицерин растительного происхождения, использование для производства эпихлоргидрина ).

Риск для здоровья

Основной риск, связанный с использованием эпоксидной смолы, часто связан с компонентом отвердителя, а не с самой эпоксидной смолой. В частности, аминные отвердители обычно коррозионно-активны, но могут также быть классифицированы как токсичные или канцерогенные / мутагенные. Ароматические амины представляют особую опасность для здоровья (большинство из них являются известными или предполагаемыми канцерогенами), но их теперь использование ограничено конкретными промышленными применениями, и обычно используются более безопасные алифатические или циклоалифатические амины.

Жидкие эпоксидные смолы в неотвержденном состоянии. в основном классифицируют как раздражающие глаза и кожу, а также токсичные для водных организмов. Твердые эпоксидные смолы обычно безопасны, чем жидкие эпоксидные смолы. Одним из особых связанных с эпоксидными смолами, является сенсибилизация. Было показано, что риск более выражен в эпоксидных смолах, быстрые низкомолекулярные эпоксидные разбавители. Воздействие эпоксидных смол со временем может вызвать аллергическую реакцию. Сенсибилизация обычно из-за многократного воздействия (например, из-за плохой рабочей гигиены или отсутствия защитного оборудования) в течение длительного периода времени возникает. Иногда аллергическая реакция проявляется через несколько дней после заражения. Аллергическая реакция часто проявляется в виде дерматита, особенно в областях, подверженных наибольшему воздействию (обычно руки и предплечья). Использование эпоксидной смолы является основным инструментом профессиональной астмы среди пользователей пластмасс. Бисфенол A, который используется для производства обычного класса эпоксидных смол, является известным эндокринным разрушителем.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Найдите эпоксидная в Викисловарь, бесплатный словарь.
Последняя правка сделана 2021-05-19 12:31:30
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте