Появившись впервые, как самостоятельное химическое соединение в 1936 году, эпоксидная смола вот уже скоро как век продолжает свое победное шествие по миру. Этот олигомер с эпоксидными или оксиранными насыщенными трехчленными гетероциклами с одним кислородным атомом в цикле являются циклическими простыми эфирами. И они оставались бы в этом скромном качестве все время после их открытия, если бы не одна важная их особенность – высокая способность присоединения полимерных цепочек в реакциях раскрытия цикла, или полимеризации.
При расчетах молекулярного взаимодействия быстро выяснилась такая особенность любых получаемых эпоксидных соединений, как отвердение их в результате соединения с полуфункциональными аминами, ангидридами и, иногда, кислотами. После введения в массу смолы отвердителя начинается неостановимый процесс полимеризации, при котором даже при комнатной температуре (условная величина, означающая температурный диапазон от 18 до 25°C градусов) превращает жидкую, вязкую или твердо-аморфную (в зависимости от вида) смолу в очень твердое соединение, а с добавлением некоторых наполнителей в виде диоксида титана, алюминиевой пудры, кварцевого песка или кевларовых волокон – в нечто подобное броне.
Сферы применения
Эпоксидные смолы, которые применяются в быту, и, отчасти, в производстве, затвердевают при обычных комнатных температурах. Речь в таких случаях идет о смешивании эпоксидной диановой основы с такими веществами, как полиэтиленполиамин (ПЭПА), триэтилентетрамин (ТЭТА) и полисебационный ангдрид. Эти отвердители, запускающие процесс полимеризации после активного смешивания с эпоксидной основой, считаются отвердителями по холодному способу.
Но есть иные запускающие реакцию отверждения вещества, относящиеся к инициаторам отверждения по горячему способу. Это малеиновый ангидрид ДЭТА, для корректного действия которого требуется сначала каскадный нагрев до 150°C градусов, а потом еще и выдержка в специальных автоклавах при температуре 180°C градусов. Получаемые таким методом полимеры обладают повышенной стойкостью к огню, кислотам и щелочам и используются в экстремальных условиях, или там, где на полученные таким способом материалы будет оказываться серьезная длительная нагрузка.
Пример, композитные отливки для крыльев и фюзеляжей магистральных пассажирских авиалайнеров или бронежилеты, где ткань из кевларовых волокон пропитана эпоксидным составом.
Обычная стеклоткань, пропитанная эпоксидными смолами в их смеси с отвердителями, после укладки в соответствующие формы после застывания превращается в корпуса маломерных судов или детали корпусов больших плавсредств.
Или в кузова автомобилей, которые оказываются прочнее и дешевле кузовов из профильного стального или алюминиевого листа. Конечные изделия, если матрица для их изготовления была выдержана по размерам точно, могут даже не нуждаться в доводке в виде обтачивания и шлифовки. Дополнительная обработка в таких случаях сводится к окраске.
Одно из ценнейших качеств эпоксидных смол при соединении их с отвердителями – образование составов-компаундов, то есть клеев или заливок, не изменяющих свой объем после застывания. Это качество бывает незаменимым во многих сферах человеческой деятельности: от создания карбоновых композитных изделий до клеев, где важно сохранение заполняемого составом объема до и после смешивания и застывания, как это бывает в микроэлектронике, при защитной заливке микросхем.
История создания
Первые циклические простые эфиры, являющиеся основой эпоксидных смол, были получены русским химиком А. П. Дианиным еще в 1891 году. Им было синтезировано вещество, которое через 40 с лишним лет стало основой для такого ключевого компонента эпоксидок, как дифенилолпропан или бисфенол А. Впрочем, в честь «прародителя» это вещество во всем мире теперь называют дианом. В английской версии названия — «epoxy-dian resins» -эпоксидно-диановые смолы.
Но общее состояние науки, как и математического аппарата, описывающего химические процессы, не позволил в то время сполна оценить открытие, и долгое время к диану отношение было пренебрежительным. Пока в начале 30-х годов уже ХХ столетия немецкий химик Пауль Шлак из «ИГ Фарбениндустри» не получил первые полноценные эпоксидные смолы. В 1936 году химик из Швейцарии П. Кастан разработал теорию их взаимодействия с отвердителями, а первый промышленный образец, после доводки технологий, получили американцы, выпустив и запатентовав в 1940 году первый эпоксидный клей «Araldite 1».
В СССР эпоксидными соединениями заинтересовались в конце 50, и уже в 1960 году химия эпоксидный соединений с стране так рванула вперед в своем развитии, что оставила далеко позади западных производителей. Были открыты заводы по производству эпоксидных смол в Сумгаите, Котовске, Ленинграде, Уфе и Дзержинске.
В настоящее время, при всем многообразии выпускаемых в мире эпоксидных смол, их можно свести в шесть разных по способу производства и применению групп:
- алифатические (моно- и высокофункциональные);
- бисфеноловые (или диановые) А и Б;
- фенольные и крезольные (новолачные);
- акрилэпоксидные;
- глицидиловые;
- светоотверждаемые и водоразбавляемые (производятся в очень маленьких количествах из-за их высокой стоимости).
Самым широко распространенным отвердителем, используемым в быту, по праву считают ПЭПА, который, однако, в большинстве случаев представляет собой не чистый полиэтиленполиамин, а смесь из более чем 25 аминов, в числе которых и такие применяемые в чистом виде (в отдельных случаях), как ТЭА, АЭП, триэтилтетрамин и ДЭТА. Наличие последнего не в чистом виде, а в смеси с аминами «холодного» отверждения, требует некоторого искусственного повышения температуры процесса – хотя, конечно, не 150 и 180°C градусов при чисто «горячем» способе полимеризации, как это имеет место в случае использования чистого малеинового ангидрида ДЭТА.
Особенности протекания реакций соединения эпоксидки и отвердителя
Но экзотермической, то есть протекающей с большим выделением тепла, является реакция отверждения всех без исключения видов эпоксидок. И величина этого выделения во многом зависит от точности соблюдения пропорций смешивания компонентов.
Соотношение эпоксидной смолы может быть самым разным – от 1 : 1 до 10 : 1. Подробная и точная информация пишется в инструкции по применению, и пренебрегать ее советами и рекомендациями не стоит.
Емкости для смолы и отвердителя обычно имеют деления, по которым компоненты отливают в сосуд, где они смешиваются. Но для большей точности отмеривания отвердителя лучше обзавестись медицинским одноразовым шприцем, где деления отсчитывают доли в 0,1 мл. Потому что недостаток этого вещества в смоле может вызвать неполное ее застывание, а избыток спровоцирует чрезмерный нагрев, закипание и даже задымление смеси, из-за слишком бурно протекающей реакции.
Правда, эпоксидные смолы в смеси с отвердителем ПЭПА отличаются одной неприятной особенностью: при смешивании их в компактном объеме, близком по форме к шару или кубу, происходит быстрый, через 15-20 минут после смешивания, нагрев смеси до критических значений, то есть до таких, когда смесь начинает пузыриться и даже дымиться. Естественно, пользователь просто не успевает ею воспользоваться. Поэтому рекомендуют сразу после смешивания, как можно быстрее употребить смесь в дело. При заливке полов, например, вылить и разровнять смолу с отвердителем через 8-10 минут после того, как компоненты смешали. В такой форме – разлитой по полу слоем от 2 до 6 мм, смола будет застывать почти без выделения тепла, схватываясь примерно через 3-4 часа, а полностью полимеризуясь за сутки.
Столы из эпоксидки
Эпоксидные смолы последнего поколения (совершенно прозрачные и неокрашенные в массе, то есть бесцветные, как вода) часто используют в своей работе дизайнеры, делая эксклюзивную мебель. В том числе, отливая из них столешницы для журнальных столиков и даже для полноценных кухонных столов, барных стоек или кухонных стенок. Только в качестве отвердителей для таких смол применяют не сильно окрашенную и вызывающую экзотермическую реакцию коричневую или винно-красную ПЭПА, а модифицированные бесцветные отвердители с медленным действием, такие, как УП-0633М или 921(ОП). Последний позволяет разводить как большие компактные объемы до 10 и более литров сразу, так и заливать эпоксидку в один слой толщиной до 100 мл.
Столешницы могут отливаться как полностью из окрашенной в нужный цвет специальными красителями с сохранением прозрачности эпоксидки, так и с наполнителями в виде декоративных элементов: гальки, «галечная отмель», бисера или пластиковых бус, металла, в т. ч. и уложенных ровным слоем монет и т. д. Популярны также «голубые реки» или «ручьи» из подкрашенной с синий цвет эпоксидной смолы между двух «берегов» из дерева, в качестве которого берут специальной формы доски-слэбы с фигурной выемкой естественной формы, которые заливают нужным объемом смолы заподлицо.
Так же популярны столешницы из эпоксидки для кухонных стенок. Тем более, что применяемые для таких отливок смолы обладают повышенной прочностью и износоустойчивостью, а также не боятся воздействия агрессивных сред и УФ-излучения.