Эпоксидная смола

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, немодифицированная смола без наполнителей:

• модуль упругости: ${\displaystyle E\approx 3000-4500{\frac {\rm {N}}{\rm {{mm}^{2}}}}}$;
• предел прочности: ${\displaystyle R\approx 80{\frac {\rm {N}}{\rm {{mm}^{2}}}}}$;
• плотность: ${\displaystyle \rho \approx 1{,}2{\frac {\rm {g}}{\rm {{cm}^{3}}}}}$.

Хотя отверждённая по правильной технологии эпоксидная смола считается^[кем?] абсолютно безвредной при нормальных условиях, её применение сильно ограничено, так как при отверждении в промышленных условиях в эпоксидной смоле 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 достаточно ядовиты и могут также навредить здоровью. Но наиболее вредны многие отвердители, в том числе наиболее широко распространенные отверждающие при комнатной температуре — аминные.

Эпоксидные смолы мутагенны, а у отдельных компонентов некоторых смол обнаружена и канцерогенность[2][3]. Эти свойства в какой-то мере может иметь и собственно эпоксидное кольцо, так как оно способно связываться с ДНК[4]. Некоторые смолы у некоторых людей вызывают аллергию. Чаще всего наблюдаемое вредное влияние эпоксидных смол — раздражение покровов тела[5]. В качестве отвердителей эпоксидных смол чаще всего используют амины, которые тоже проявляют токсичность и раздражающее действие[5][3][6]. Для работы с эпоксидными смолами необходимы непроницаемые перчатки (сменяемые при загрязнении смолой) и хорошая вентиляция. Токсичность менее вязких смол обычно выше, чем более вязких[2][4][6].

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[7].

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.

Схема производства жидких эпоксидных смол периодическим методом. 1 — реактор; 2, 6 — холодильники; 3 — приёмник; 4 — фильтры; 5 — аппарат для отгонки толуола; 7 — сборник[7].

Впервые эпоксидная смола была получена швейцарским химиком Кастаном в 1936 году[1].

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).

Перевёрнутая верхняя часть лодки из стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой

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[1].

На основе эпоксидных смол производятся различные материалы, применяемые в различных областях промышленности. Углеволокно и эпоксидная смола образуют углепластик (используется как конструктивный материал в различных областях: от авиастроения (см. Боинг-777) до автостроения). Композит на основе эпоксидных смол используется в крепёжных болтах ракет класса земля-космос. Эпоксидная смола 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 эпоксидной смолой 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.

Эпоксидные смолы — основной класс заливочных сред для просвечивающей электронной микроскопии: они хорошо сохраняют ультраструктуру объектов, легко поддаются резке, имеют малую усадку и достаточно стабильны под электронным лучом. С другой стороны, они не всегда хорошо пропитывают ткани и довольно ядовиты[2].

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 твёрдый 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)[8][9].

Наиболее часто встречающиеся пропорции смолы по отношению к отвердителю колеблются от 1:0,4 до 1:0,1, однако встречаются и варианты 1:1, 1:0,5 и даже 1:0,05. Производители советуют использовать специальные аппараты при смешивании большого количества смолы или производить смешивание и заливку в несколько этапов. В зависимости от характеристик эпоксидной смолы, большое её количество в сочетании с отвердителем может спровоцировать вскипание смолы, появление излишнего количества пузырей[10]. Это свойство присуще эпоксидным смолам, отверждаемым аминными отвердителями, а также сильно зависит от соотношения объёма 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.

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

• Эпоксиды

• Методические указания к курсу «Высокомолекулярные соединения». Учебное пособие / сост.: Собанов А. А., Курамшин А. И., Бурнаева Л. М. и др.. — Казань: Изд-во КазГУ, 2000. — С. 26—27. — 42 с.

• Электронная энциклопедия по эпоксидным материалам