Эпоксидная смола, как матричный материал
Министерство образования и науки Российской Федерации
Казанский Государственный Технологический Университет
Кафедра: Химии и технологии гетерогенных систем
Реферат на тему: «Эпоксидная
смола, как матричный материал.»
Выполнил студент гр. 1131-82: Егоров Р.
Проверил
доцент: Микрюков К.В.
Казань,2006
Содержание
Введение
1.Химия
эпоксидных смол.
2.Процесс отверждения.
3.Применение
4.Физико-химические показателям эпоксидно-диановых смол
марок ЭД-16 и ЭД-20
5.Требования безопасности смол эпоксидно-диановых
неотверждённых
Список использованных источников
Введение
Широкое применение эпоксидных материалов в
промышленности обусловлено структурными особенностями эпоксидных полимеров: возможностью
получения их в жидком и твёрдом состоянии, отсутствием летучих веществ
при отверждении, способностью отверждаться в широком температурном интервале,
незначительной усадкой, нетоксичностью в отверждённом состоянии, высокими
значениями адгезионной и когезионной прочности, химической стойкостью. В связи
с этим, эпоксидные смолы можно рекомендовать в качестве матричного компонента
для получения материалов и конструкций, обладающих высокими
физико-механическими и вибропоглощающими свойствами.
1.Химия эпоксидных смол.
Эпоксидные
смолы – общая формула:
Эпокс. группа
n может достигать 25, но чаще всего встречаются эпоксидные
смолы с количеством эпоксидных групп меньше 10.
Например
ЭД-20 имеет только 2 эпоксидные группы и выглядит так:
Чем больше
степень полимеризации, тем гуще смола. Чем меньше номер, указанный на смоле,
тем больше эпоксидных групп в составе смолы.
Например если
n приблизительно равно 25 то смола при комнатной
температуре будет твердым пластиком.
Для смол с
меньшим содержанием n для ее отверждения нужно в ее
состав вводить отвердители, которые выглядят следующим образом:
Триэтилентетрамин:
Полиэтиленполиамин
выглядит также как триэтилентетрамин, но у полиэтиленполиамина третичных
амидных групп больше:
В реакцию со
смолой для ее отверждения вступают третичные амидные группы, которые находятся
на концах молекул. Эти группы наиболее подвижные, они более легко вступают в
реакцию отверждения. Третичные амидные группы любого отвердителя вступают в
реакцию с эпоксидными группами смолы. Образуется неподвижная сетчатая структура
отвержденной смолы. Она становится пластичной и твердой.
Отвердители
бывают двух видов:
-холодного
отверждения (ПЭПА, ТЭТА), т.е. отвердители, которые отверждают смолу при
комнатной температуре. Приблизительный расход отвердителя ПЭПА и ТЭТА на смолу
– 1:10 (смола: отвердитель- 1:10).Следует пояснить, что несмотря на разную
отверждающую способность полиэтиленполиамина и триэтилентетрамина (у
полиэтеленполиамина она выше) расход обоих отвердителей на смолу примерно
одинаковый, т.к. согласно ТУ у полиэтиленполиамина массовая доля собственно
ПЭПА составляет лишь 25–35% (остальное – кубовый остаток), а у
триэтилентетрамина массовая доля ТЭТА составляет не менее 95%.
-горячего
отверждения (малеиновый ангидрид, ДЭТА и др.) т.е. отвердители, которые
отверждают смолу при температуре 50-60°С.
При
взаимодействии эпоксидной смолы с отвердителем проходит следующая реакция:
Чем больше в смоле эпоксидных
групп, тем больше будет появляться в процессе реакции «веточек», которые будут
создавать пластичный полимер, взаимодействуя между собой с помощью различных
химических связей.
Для того чтобы
эпоксидная смола вместе с отвердителем в отвержденном состоянии была более
пластична и не ломалась (не трескалась) нужно добавлять пластификаторы. Они
также как и отвердители бывают разные, но все нацелены на то, чтобы придать
смоле пластичные свойства. При добавлении пластификатора смола после
отверждения не лопается и не трескается с течением времени. Наиболее часто
используемым пластификатором является дибутилфталат. Он выглядит так:
2.Процесс
отверждения.
Отвердители , применяемые с
эпоксидной смолой при комнатной температуре , в большинстве своем полиамины .
То есть органические молекулы , содержащие две и более аминогруппы .
Аминогруппы по структуре напоминают аммиак , только присоединены к органическим
молекулам . И как и аммиак , амины являются сильными щелочами . Из-за этого
сходства отвердители эпоксидных смол зачастую обладают аммиачным запахом ,
который наиболее ощутим в замкнутом объеме сосуда хранения сразу после его
открывания . На воздухе же этот запах мало ощутим из-за высокого давления паров
полиаминов.
Вступающие в реакцию аминогруппы представляют собой атомы азота с
присоединенными к ним одним-двумя атомами водорода . Эти атомы водорода
взаимодействуют с атомами кислорода из глицидиловых групп эпоксидной смолы и
получается отвержденная смола - термореактивная пластмасса с большим
количеством пространственных связей . При нагревании она размягчается , но не
плавится . Трехмерная структура обеспечивает ей отличные физические свойства.
Соотношение атомов кислорода глицидола и атомов водорода аминов с
учетом различных молекулярных масс и плотностей и определяет в конечном счете
соотношение смолы и отвердителя . Изменение указанного соотношения приведет к
тому , что останутся вакантные атомы кислорода или водорода в зависимости от
отклонения в ту или другую сторону . В итоге отвержденная смола будет обладать
меньшей прочностью из-за неполного образования пространственных связей.
Отвердители эпоксидных смол не являются катализаторами .
Катализаторы способствуют реакции , но химически не являются частью конечного
продукта . Отвердители же эпоксидных смол образуют пары с молекулами смолы ,
что сказывается на конечных свойствах отвержденного продукта.
Время отверждения эпоксидной смолы зависит от реакционной
активности атомов водорода аминов.И хотя присоединенная органическая молекула
не принимает непосредственного участия в химической реакции, она влияет на то ,как
скоро атомы водорода аминов покидают азот и взаимодействуют с атомами кислорода
глицидола. Таким образом ,время отверждения определяется кинетикой данного
амина ,используемого в качестве отвердителя. Это время можно изменить, применив
другой отвердитель, добавив в смолу акселератор или изменив температуру или
массу смеси смолы с отвердителем.
Реакция отверждения ЭС - экзотермическая .Это означает , что при
ее отверждении выделяется тепло . Скорость , с которой смола отверждается ,
зависит от температуры смеси . Чем выше температура , тем быстрее реакция.
Скорость ее удваивается при повышении температуры на 10° С и наоборот . К
примеру , если при 20° С смола становится свободной на отлип за 3 часа , то при
30°С на это потребуется 1,5 часа и 6 часов при 10°С . Все возможности повлиять
на скорость отверджения сводятся к этому основному правилу . Время
жизнеспособности смеси и время работы с ней в основном определяются изначальной
температурой смеси смолы с отвердителем.
Временем желатинизации (гелеобразования) называется время ,
необходимое для данной массы , находящейся в компактном объеме для ее обращения
в твердое состояние. Это время зависит от первоначальной температуры смеси и
следует вышеописанному правилу. К примеру , если 100 г смеси смолы с отвердителем обращаются в твердое состояние за 15 минут при исходной температуре
в 25°С , то при исходной температуре в 15°С на это потребуется около получаса .
Если при тех же 25°С эти 100 г равномерно размазать по площади в 1 м² , полимеризация займет свыше двух часов . Время полимеризации помимо температуры зависит и
от отношения площади к массе смолы.
Суть происходящего заключается в следующем . В ходе реакции
выделяется тепло . Если выделяемое тепло сразу поглощается окружающей средой
(как это происходит со смолой в виде тонкой пленки) , температура
полимеризующейся смолы не возрастает и скорость реакции остается неизменной .
Если же смола занимает компактный объем (как в случае банки) , экзотермическая
реакция повышает температуру клеевой смеси и реакция ускоряется.
Время работы со смолой составляет примерно 75% от времени
желатинизации из-за геометрической формы емкости . Его можно увеличить путем
увеличения площади поверхности, уменьшения массы смеси или охлаждением смолы и
отвердителя перед смешиванием. Вязкость смеси в емкости будет расти (к примеру
, при 25°С) в абсолютных единицах в силу полимеризации , но из-за разогрева
смеси будет казаться , что вязкость уменьшается. Клей на стадии 75% времени
желатинизации будет казаться очень жидким (из-за высокой температуры) , но если
при этом его охладить до комнатной температуры , он окажется очень густым .
Густая же смола на стадии частичной полимеризации не так хорошо пропитывает
стеклоткань и ложится на склеиваемые поверхности . Опытные специалисты либо
готовят смесь , которая сразу наносится , либо для замедления реакции
увеличивают площадь поверхности.
И хотя скорость полимеризации смолы и зависит от температуры , сам
механизм от нее не зависит . Быстрее всего реакция протекает в жидком состоянии
смолы. По ходу полимеризации смола меняет состояние с жидкого на липкое вязкое
гелеобразное . После гелеобразования скорость реакции замедляется по мере
нарастания твердости. В твердых телах химические реакции протекают медленнее.
От состояния мягкого липкого геля смола переходит к более твердому , постепенно
теряя липучесть. Со временем липучесть исчезнет и смола продолжит набирать твердость
и прочность.
При нормальной температуре смола достигает от 60 до 80%
окончательной прочности спустя 24 часа. Дальнейшее отверждение будет
продолжаться в течение последующих нескольких недель , достигнув в конце концов
точки , когда дальнейшее отверждение будет невозможно без значительного роста
температуры. Однако можно считать , что смолы , полимеризующиеся при комнатной
температуре , окончательно отверждаются спустя 72 часа при 20°С.
Как правило, лучше работать с возможно малым временем полимеризации,
насколько это позволяет конкретная ситуация . Это дает возможность переходить к
следующему этапу , не тратя времени на ожидание отверждения клея. Клеевая
пленка с малым временем полимеризации меньшее время остается липкой и успеет
подцепить меньше следов на ней насекомых , их самих и прочего летучего мусора.
Эпоксидные смолы могут в процессе отверждения образовывать на
своей поверхности тонкую пленку. Она формируется в присутствии углекислого газа
и паров воды , особенно в холодную сырую погоду , нежели в теплую и солнечную
.Эта пленка водорастворима и должна быть удалена перед шлифовкой или покраской.
Незащищенная эпоксидная смола плохо перносит солнечный свет (УФ
излучение) . Спустя примерно шесть месяцев нахождения под ярким солнечным
светом начинается ее распад. Дальнейшее облучение вызывает меление и неизбежное
ее разрушение с потерей всех физических свойств. Решение проблемы лежит в
защите смолы при помощи краски и лака , содержащих УФ защиту.
Необходим очень осторожный подход при применении эпоксидных смол в
паре с полиэфирными . При этом надо соблюдать одно главное правило : эпоксидную
смолу можно наносить поверх отвержденной полиэфирной , которая при этом
обезжирена и зачищена , но никогда нельзя наносить полиэфирную поверх
отвержденной эпоксидной . Амины , не вступившие в реакцию в эпоксидной смоле ,
будут препятствовать катализатору (пероксиду) полиэфирной смолы , в результате
чего на их границе смола будет не полностью отвержденной. Шлифование
поверхности никак не влияет на присутствие аминов. Клеевое соединение при этом
будет слабым , хотя поверхность и будет выглядеть отвержденной.
3.Применение.
Эпоксидно-диановые
смолы используются в электротехнической, радиоэлектронной промышленности,
авиа-, судо- и машиностроении, в строительстве в качестве компонента заливочных
и пропиточных компаундов, клеев, герметиков, связующих для армированных
пластиков, в лакокрасочных материалах, стеклопластике.
Покрытия на основе эпоксидно-диановых смол характеризуются следующими
свойствами:
хорошая адгезия к металлу, стеклу, керамике,
высокая твердость,
эластичность,
ценные диэлектрические свойства,
стойкость в агрессивных средах.
Эпоксидно-диановые смолы марок
ЭД-22, ЭД-20, ЭД-16, ЭД-10 и ЭД-8, используемые в электротехнической,
радиоэлектронной промышленности, авиа-, судо- и машиностроении, в строительстве
в качестве компонента заливочных и пропиточных компаундов, клеев, герметиков,
связующих для армированных пластиков;
Растворы эпоксидных смол марок ЭД-20, ЭД-16, Э-40 и Э-40Р в различных
растворителях (концентрация по требованию заказчика). Эти смолы используются
для изготовления эмалей, лаков, шпатлевок и в качестве полуфабриката для
производства других эпоксидных смол, заливочных композиций и клеев;
Эпоксидные смолы, модифицированные пластификаторами - смолы марок
К-153, К-115, К-168, К-176, К-201, К-293, УП-5-132 и КДЖ-5-20, -используемые
для пропитки, заливки, обволакивания и герметизации деталей и в качестве клеев,
электроизоляционных заливочных композиций, изоляционных и защитных покрытий,
связующих для стеклопластиков; композиция марки К-02Т, используемая для
пропитки многослойных намоточных изделий с целью их цементации, повышения
влагостойкости и электроизоляционных свойств.
Модифицированные эпоксидные смолы марки ЭПОФОМ используются на
различных промышленных и гражданских объектах в качестве антикоррозионных
покрытий для защиты металлических и бетонных строительных конструкций и
емкостного оборудования от воздействия химически агрессивных сред (особенно
кислот, щелочей, нефтепродуктов, промышленных и канализационных стоков),
атмосферных осадков и повышенной влажности. Эти смолы также применяются для
устройства гидроизоляции и монолитных наливных покрытий бетонных полов,
грунтовки и нанесения отделочного слоя. На основе смолы марки ЭПОФОМ получают
заливочные и пропиточные композиции с высоким содержанием армирующих тканей и
наполнителей, композиционные материалы и износостойкие покрытия. ЭПОФОМ
применяется в качестве пропиточной составляющей рукавного материала для ремонта
и восстановления трубопроводов канализационных сетей, напорных сетей холодного
и горячего водоснабжения без их демонтажа и извлечения труб из грунта
(бестраншейным методом);
композиции марки ЭЗП, используемые для покрытия емкостей-хранилищ вина, молока
и других жидких пищевых продуктов, а также различных видов жидкого топлива
(бензина, керосина, мазута и др.). Покрытие успешно работает в диапазоне
температур от - 40 до 8СГС;
4.Физико-химические
показателям эпоксидно-диановых смол марок ЭД-16 и ЭД-20 должны соответствовать
следующим нормам:
Наименование
показателя
|
Норма
для сорта
|
|
ЭД-20
|
ЭД-16
|
|
Высший
|
Первый
|
Высший
|
Первый
|
Вязкая
|
Высоковязкая
|
|
прозрачная, без видимых механических включений и следов воды,
жидкость
|
2. Цвет по железокобальтовой шкале, не более
|
3
|
8
|
3
|
8
|
3. Массовая доля эпоксидных групп, %
|
20.0-22.5
|
16-18
|
4. Массовая доля хлорид-иона (Cl-), %, не более
|
0.001
|
0.005
|
0.002
|
0.004
|
5. Массовая доля омыляемого хлора, %, не более
|
0.8
|
0.3
|
0.5
|
0.6
|
6. Массовая доля гидроксильных групп, %, не более
|
1.7
|
-
|
2.5
|
-
|
7. Массовая доля летучих веществ, %, не более
|
0.2
|
0.8
|
0.2
|
0.4
|
8. Динамическая вязкость, Паґ с, при:
|
|
|
|
|
(25 ± 0.1) оС
|
13-20
|
12-25
|
-
|
-
|
(50 ± 0.1) оС
|
-
|
-
|
15-18
|
5-20
|
9. Время желатинизации, ч, не менее
|
8.0
|
4.0
|
4.0
|
3.0
|
Смолы не взрывоопасны, но горят
при внесении в источник огня. Летучие компоненты эпоксидно-диановых смол -
толуол и эпихлоргидрин - относятся к легкогорючим веществам, по степени
воздействия на организм - к веществам 2-го класса опасности
Эпоксидно-диановые смолы
упаковывают во фляги, в том числе разового использования, барабаны, стальные
сварные бочки. Допускается упаковка эпоксидно-диановых смол марок ЭД-20 и ЭД-16
в барабаны, изготовленные из оцинкованной стали и герметизированные
дополнительной промазкой продольного и обоих закатных швов мастикой на основе
эпоксидной смолы.
Эпоксидно-диановые смолы хранят
в плотно закрытой таре в закрытых складских помещениях при температуре не выше
40 оС
5.ТРЕБОВАНИЯ
БЕЗОПАСНОСТИ
СМОЛЫ ЭПОКСИДНО-ДИАНОВЫЕ НЕОТВЕРЖДЕННЫЕ
ГОСТ 10587-84
Класс
опасности
|
|
Основные
свойства и виды опасности
|
Основные свойства
|
|
Взрыво- и пожароопасность
|
Взрывобезопасны, но горят при внесении в источник огня. Летучие
компоненты эпоксидно-диановых смол, толуол и эпихлоргидрин, относятся к
легкогорючим веществам.
|
Опасность для человека
|
Летучие компоненты эпоксидно-диановых смол, толуол и
эпихлоргидрин, относятся к веществам 2-го класса опасности. При работе со
смолами возможны два пути проникновения в организм вредных веществ - ингаляционный,
который обусловлен наличием в смолах летучих компонентов (толуола и
эпихлоргидрина), и кожный - непосредственным контактом с компонентами смолы.
Летучие компоненты оказывают общетоксическое и раздражающее действие на кожу
и слизистые оболочки верхних дыхательных путей и глаз, вызывают тяжелые
изменения в легких, печени и почках, острые и хронические отравления,
головокружение, рвоту и потерю аппетита.
|
Индивидуальные средства защиты
|
Спецодежда, средства защиты. В рабочих помещениях должны быть
умывальники с горячей и холодной водой. Запрещается мытье рук растворителями.
|
Необходимые
действия в аварийных ситуациях
|
Общего характера.При утечке и россыпи
|
|
При пожаре
|
Средства пожаротушения: углекислотные и порошковые огнетушители,
вода, пар, инертный газ, асбестовое полотно, песок.
|
При возгорании
|
|
Меры первой помощи
|
Брызги смол должны быть немедленно удалены сухими марлевыми
тампонами. Затем пораженное место следует обработать этиловым спиртом,
тщательно промыть водой с мылом, осушить бумажным полотенцем одноразового
использования и смазать мягкой мазью на основе ланолина, вазелина или
касторового масла
|
Список использованных источников.