Эпоксидные смолы

Эпоксидные смолы - это многочисленный класс индивидуальных соединений (мономеров), олигомерных продуктов или линейных термопластичных полимеров, содержащих в своей структуре эпоксидные группы. Примером эпоксидной смолы могут служить следующие соединения: диглицидиловый эфир бисфенола А (I) и 3,4-эпокси-гексагидробензил-3,4-эпоксигексагидробензоат. Структурные схемы этих соединений представлены соответственно ниже:

Следует акцентировать внимание на том, что далеко не каждое вещество, содержащее в своем составе эпоксидные группы, можно отнести к классу эпоксидных смол. Основная характеристическая особенность эпоксидных смол - способность при определенных условиях превращаться в полимеры сетчатой структуры. Именно это позволяет применять смолы при изготовлении пластических материалов: эмалей, герметиков, клеев, пластиков, компаундов и т.д.

Так, полимерные сетки образуются, как правило, в двух случаях. Либо при химическом взаимодействии эпоксидной смолы с полифункциональным веществом (отвердителем, сшивающим агентом - диамины, карбоновые кислоты, малеиновый или фталевый ангидрид карбоновой кислоты), либо же при полимеризации эпоксидной смолы под действием каталитически активных соединений.

Кислые отвердители - для отверждения с кислыми отвердителями необходимо поддерживать температуру около 100 - 200 °С, в связи с чем такого рода отверждение называется горячим.

Аминные отвердители - процесс проводят при нормальной температуре 70 - 80 °С. Поэтому такие отвердители именуются «холодными отвердителями».

Ниже приведена таблица свойств некоторых отвердителей.

Смесь эпоксидной смолы и отвердителя образуют термореактивные композиции с такими свойствами как:

- при отвердевании не выделяется никаких летучих продуктов, при этом давая усадку всего лишь 2-2,5%;

- высокой адгезией к поверхности металла, на которой происходит отвердевание;

- отличной химической стойкостью и водостойкостью;

- высокой механической прочностью.

Обращаясь к свойствам эпоксидных смол, следует отметить, что они могут быть представлены жидкими, твердыми или вязкими соединениями, цвет которых варьируется от прозрачного до темно-коричневого цвета. ЭС достаточно легко растворяются в органических растворителях, преимущественно в ароматике, сложных эфирах, ацетоне.

Свойства эпоксидных смол

Очень важной характеристикой для ЭС является содержание эпоксигрупп. Это свойство указывает на количество отвердителя, необходимого для отверждения смолы. Помимо этого определяют еще и содержание хлора, содержание летучести, температуру размягчения, температуру каплепадения, растворимость в ацетоне и вязкость. В нижеприведенной таблице указаны свойства эпоксидных смол.

Более детально рассмотрим эпоксидные смолы на основе бисфенола А (дифенилолпропана, ДФП). Структурная схема представлена ниже:

Как правило, технические ЭСБА (смолы на основе бисфенола А), представляют собой смеси с различными показателями n - степенью полимеризации смолы. В таблице приведены физико-химические свойства первых шести полимергомологов, которые входят в состав ЭСБА.

Выделяют также смолы на основе ди- и полиолефинов, аминоэпоксидные смолы, циклоалифатические эпоксидные смолы, олигоуретанэпоксидные и галогенсодержащие эпоксидные смолы.

Производство эпоксидных смол

Теперь рассмотрим технологию производства эпоксидной смолы периодическим методом.

1 - реактор;

2,6 - холодильники;

3 - приемник;

4 - фильтры;

5 - аппарат для отгонки толуола;

7 - сборник.

Технологический процесс включает в себя основные стадии:

1) загрузка;

2) конденсация сырья;

3) промывка эпоксидной смолы (ЭС);

4) отгонка воды;

5) фильтрование с последующей сушкой.

Согласно приведенной выше схеме в реактор 1 с якорной мешалкой сначала загружается эпихлоргидрин (ЭХГ), а после - дифинилолпропан (ДФП). Смесь подвергается перемешиванию до тех пор, пока не примет вид однородной суспензии. После в реактор добавляется раствор NaOH (50%) или любой другой щелочи. Температуру в реакторе поддерживают сначала около 60 - 65 °С, а после ее повышают до 70 - 75 °С. Процесс завершается по истечении 5 часов. Далее отгоняют ЭХГ, который не вступил в реакцию. Его пары охлаждают в холодильнике 2, а конденсат собирается в конденсатосборнике 3. В последующем смолу необходимо промыть от продуктов побочных реакций и от образовавшегося хлорида натрия. Осуществляют это смесью толуола и воды в соотношении 40:60. Смесь отстаивается и разделяется на три слоя: нижний - водно-солевой, средний - водно-толуольная эмульсия с частью ЭС. Так, водно-солевую часть сливают в систему водоочистки, средний слой подается в экстракционную колонну с целью отделения смолы при помощи свежего толуола и воды.

Для полной отгонки толуола раствор эпоксидной смолы в толуоле пропускают для начала через рукавные фильтры, а потом переводят в аппарат 5. В холодильнике 6 пары толуола конденсируются, после чего направляются в сборник конденсата 7. Рекомендуется поддерживать температуру в аппарате 5 примерно 120 - 125 °С при остаточном давлении 0,02 МПа.

Готовая эпоксидная смола фильтруется и сливается в тару.

Известен способ получения жидких эпоксидных смол непрерывным методом.

1 - аппарат для получения раствора дифенилолпропана;

2 - аппарат для растворения эпихлоргидрина;

3 - реактор;

4,7 - отстойники;

5,9 - циклонные аппараты;

6, 10 - холодильники;

8 - фильтр;

11 - сборник смолы

Процесс получения эпоксидной смолы непрерывным методом включает в себя следующие стадии:

1) приготовление растворов дифенилолпропана и эпихлоргидрина;

2) поликонденсацию;

3) выделение смолы;

4) нейтрализация;

5) сушка.

Дифенилолпропан растворяют в водном растворе щелочи в аппарате 1 при температуре 75 °С. Аппарат 2 предназначен для получения раствора ЭХГ в бутиловом спирте. Растворы направляются в многосекционный реактор с мешалкой для проведения процесса поликонденсации. После реактора 1 смесь направляется в отстойник 4, предназначенный для разделения на водную и органическую части.

На выходе из отстойника органическая часть нейтрализуется двуокисью углерода и поступает в циклон 5, где отделяется азеотропная смесь с водой. В холодильнике 6 конденсируются пары, конденсат поступает на очистку, а для отделения от солей, например хлорида натрия и карбоната натрия, раствор смолы направляется в отстойник 7. Далее происходит фильтрация на фильтре 8, поступает в циклон 9, где отделяется бутиловый спирт.  В холодильнике 10 пары охлаждаются, а конденсат направляется на очистку. Эпоксидная смола поступает в сборник 11, после которых идет на слив в бидоны.

Стоит выделить преимущества эпоксидных смол относительно других смол. Так, например, эпоксидная смола отличается высокой прочностью клеевого шва, она устойчива к воздействию абразивных веществ (именно это снижает скорость ее износа), имеет достаточно низкую проницаемость влаги, небольшая степень усадки.

Известно, что в рецептуре разных производителей к эпоксидной смоле добавляются различные компоненты с целью обеспечения тех или иных свойств смолы.

Двуокись титана или алюминиевая пудра добавляются для окрашивания материала в белый или серый цвет;

Аэросил позволяет избавиться от непредусмотренных потеков смолы на вертикальных поверхностях;

Графит используется как красящий пигмент;

Натуральная древесная крошка применима для уменьшения удельного веса получаемого продукта;

Стеклянное или хлопковое волокно позволяет повысить вязкость ЭС, что обеспечивает заполнение всех зазоров и пропитку поверхности;

Микросферы же добавляют для придания «воздушности» материалу за счет своей низкой плотности;

Алебастр или цемент придают прочность материалу, уплотняют его структуру.

Марки эпоксидной смолы

Далее рассмотрим марки эпоксидных смол. Вся продукция проходит сертификацию по ГОСТ-у, поэтому обозначается конкретной маркировкой вне зависимости от производителя.

Применение эпоксидной смолы

Нетрудно догадаться, что эпоксидные смолы имеют очень широкий спектр применения. Клеи, пластмассы, текстолит, компаунды, электроизоляционные лаки - все это готовится из различных видов эпоксидных смол. Также на основе ЭС производится углепластик (углеволокно + эпоксидная смола) - он применим как конструктивный материал, использовался в авиастроении Боинга-777 и в строительстве автомобилей. Соединив кевларовое волокно и эпоксидную смолу можно получить довольно качественный материал для создания бронированного жилета. Ни для кого не секрет, что эпоксидные смолы используют как эпоксидный клей и пропиточный материал. Корпуса плавательных средств производят соединением эпоксидной смолы и стеклоткани. Такие плавсредства устойчивы к очень сильным ударам. Также такое сочетание ЭС и стеклоткани используется для изготовления различных деталей автомобилей и прочих ТС.

Стоит отметить, что эпоксидная смола нашла свое применение как герметик для всевозможных устройств, плат и приборов, а также она используется как заливочное средство в электронной микроскопии. Именно это позволяет сохранить структуру объектов, материал легко режется, сохраняет свою стабильность под воздействием электронного луча. Есть и оборотная сторона - эпоксидные смолы не всегда отличаются хорошей способностью пропитывать ткани и считаются достаточно ядовитыми.

Эпоксидные смолы широко используются как бытовой клей. Можно смешать ЭС с отвердителем при комнатной температуре.

Отметим, что полимербетоны, клеи или компаунды, являющиеся видом эпоксидных материалов, применяются как разметочные полосы автомобильных дорог, как наливные полы или плиты для напольных покрытий. Как связующие для углепластиков и стеклопластиков ЭС используются при ремонте железобетонных сооружений, аэродромов, дорог. Из них также производят трубопроводы или емкости химических производств.

Компаунды и связующие для армированных пластиков встречаются при герметизации изделий, в производстве электроизоляционных материалов. ЭС могут быть использованы для производства сосудов и газов топлива, а синтактические пенопласты с добавлением ЭС - для обтекателей гребневых винтов.

Направляющие режущих металл станков, станицы прецизионных станков также получаются на основе полимербетонов с добавлением эпоксидных смол.