Эпоксидная смола — олигомеры , содержащие эпоксидные группы и способные под действием отвердителей (полиаминов и др.) образовывать сшитые полимеры . Наиболее распространённые эпоксидные смолы — продукты поликонденсации эпихлоргидрина с фенолами , чаще всего — с бисфенолом А . Смолы на основе бисфенола А часто называются эпоксидно-диановыми в честь русского химика А. П. Дианина , впервые получившего бисфенол А .

Свойства

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: ${\displaystyle \rho \approx 1{,}2{\frac {\rm {g}}{\rm {{cm}^{3}}}}}$ .

Токсичность

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. ^{[ источник не указан 1039 дней ]}

Эпоксидные смолы мутагенны , а у отдельных компонентов некоторых смол обнаружена и канцерогенность . Эти свойства в какой-то мере может иметь и собственно эпоксидное кольцо , так как оно способно связываться с ДНК . Некоторые смолы у некоторых людей вызывают аллергию. Чаще всего наблюдаемое вредное влияние эпоксидных смол — раздражение покровов тела . Они относятся к основным причинам профессионального аллергического контактного дерматита . В качестве отвердителей эпоксидных смол чаще всего используют амины , которые тоже проявляют токсичность и раздражающее действие . Для работы с эпоксидными смолами необходимы непроницаемые перчатки (сменяемые при загрязнении смолами, так как многие их компоненты проникают через тонкий пластик), респиратор и хорошая вентиляция. Токсичность менее вязких смол обычно выше, чем более вязких .

Модификация

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 .

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 ^{[ источник не указан 3015 дней ]} .

Получение

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

Эпоксидную смолу получают поликонденсацией эпихлоргидрина с различными органическими соединениями: от фенола до пищевых масел , например, соевого ^{[ источник не указан 3015 дней ]} . 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 .

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 (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).

Применение

Из эпоксидных смол готовят различные виды клея , пластмассы , электроизоляционные лаки , текстолит ( стекло- и углепластики ), заливочные компаунды и пластоцементы .

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. ^{[ источник не указан 1445 дней ]} Эпоксидная смола с кевларовым волокном — материал для создания бронежилетов. ^{[ источник не указан 1445 дней ]}

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 , 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 .

Также эпоксидные смолы используются в строительстве.

Из эпоксидных смол изготовляются самые различные предметы (например, мундштуки ), разнообразные сувениры и украшения.

Эпоксидные смолы используют в качестве бытового клея . Использовать эпоксидный клей довольно просто. Смешивание эпоксидной смолы с отвердителем, как правило, выполняется в очень 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 ( англ. ), ( англ. ), и горячего отверждения малеиновый ангидрид (ДЭТА) .

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 . 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.

Основные области применения эпоксидных смол :
Отрасль применения	Основные виды эпоксидных материалов	Основное назначение	Преимущественные показатели	Экономический эффект применения, отнесённый к стоимости материала
Строительство	Полимербетоны, компаунды, клеи	Разметочные полосы дорог, плиты для полов, наливные бесшовные полы	Физико-механические показатели, износо-химстойкость, беспыльность, высокая адгезия	от 3 до 29
	Покрытия (лакокрасочные, порошковые, водно-дисперсионные)	Декоративно-облицовочные и защитные функции	Малая усадка, химическая стойкость
	Связующие для стекло- и углепластиков	Ремонт железобетонных конструкций, дорог, аэродромов. Склеивание конструкций мостов и другого. Вытяжные трубы и ёмкости химических производств. Трубопроводы	Атмосферостойкость, химическая стойкость, прочность, теплостойкость
Электромашиностроение и радиотехника	Компаунды, связующие для армированных пластиков, покрытия, прессматериалы, пенопласты	Герметизация изделий, электроизоляционные материалы (стеклопластик и другие). Заливка трансформаторов и другого. Электроизоляционные и защитные покрытия.	Радиопрозрачность, высокие диэлектрические показатели, малая усадка при отверждении, отсутствие летучих продуктов отверждения	От 0,1 до 7,0; 300—800 (электроника)
Судостроение	Связующие для стеклопластиков	Судовые гребные винты, лопатки компрессоров	Прочность, кавитационная стойкость	75
	Покрытия из жидких ЛКМ и порошков	Сосуды для газов и топлива	Водо-, химическая, абразивная стойкость
	Синтактические пенопласты	Обтекатели гребных винтов	Ударопрочность при низких температурах
Машиностроение, в том числе автомобилестроение	Компаунды, Лакокрасочные материалы, Клеи	Ремонт и заделка дефектов литьевых изделий, формы, штампы, оснастка, инструмент (модели, копиры и так далее)	Прочность, твёрдость, износостойкость, размерная стабильность	От 3,1 до 15,0
	Полимербетоны	Направляющие металлорежущих станков, станины прецизионных станков	Теплостойкость, высокая адгезия к подложкам и наполнителям, функциональные и антифрикционные свойства	320 (тяжёлые станки)
	Связующие для армированных пластиков	Ёмкости, трубы из стеклопластиков «мокрой» намотки	Химическая стойкость, ударопрочность
	Прессматериалы и порошки	Подшипники и другие антифрикционные материалы, пружины, рессоры из эпоксидных пластиков, электропроводящие материалы
Авиа- и ракетостроение	Связующее для армированных стекло-и органопластиков	Силовые конструкции и обшивки крыльев, фюзеляжа, оперения, конусы сопел и статоры реактивных двигателей	Высокая удельная прочность и жёсткость, радиопрозрачность, абляционные свойства (теплозащитные)
	Покрытия защитные	Лопасти вертолёта, топливные баки ракет, корпус реактивного двигателя, баллоны для сжатых газов	Стойкость к действию топлива

Химическая стойкость полиэпоксидных и эпоксидных смол

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

Химическая стойкость полиэпоксидных и эпоксидных смол
Химическое вещество	Химическая устойчивость
Азотная кислота	Неустойчивое вещество
Амилацетат	Отличная (при t < +22 °C)
Амины	Отличная (при t < +22 °C)
Аммиак 10 %	Отличная (при t < +22 °C)
Аммиак жидкий	Отличная (при t < +22 °C)
Анилин	Сносная (при t < +22 °C)
Ацетат натрия	Отличная
Ацетилен	Отличная
Ацетон	Неустойчивое вещество
Бензин	Отличная
Бензол	Отличная (при t < +22 °C)
Бертолетова соль	Отличная
Бикарбонат калия	Отличная
Бикарбонат натрия	Отличная
	Отличная
	Отличная (при t < +22 °C)
Борная кислота	Отличная (при t < +22 °C)
Бром	Неустойчивое вещество
Бромид калия	Отличная
Бромистоводородная кислота 100 %	Неустойчивое вещество
Бура ( )	Отличная (при t < +22 °C)
Бутадиен ( дивинил )	Отличная (при t < +22 °C)
Бутан (газ)	Отличная (при t < +22 °C)
Бутилацетат	Хорошая (при t < +22 °C)
Винная кислота	Отличная
Гексан	Хорошая
Гидравлическая жидкость	Отличная
	Сносная
Гептан	Отличная
Гидроксид аммония	Отличная (при t < +22 °C)
Гидроксид бария	Отличная (при t < +22 °C)
Гидроксид калия	Отличная
Гидроксид кальция	Отличная (при t < +22 °C)
Гидроксид магния	Отличная
Гидроксид натрия , 50 %	Хорошая (при t < +50 °C)
Гипохлорит кальция	Отличная (при t < +22 °C)
Гипохлорит натрия 100 %	Неустойчивое вещество
Глицерин	Отличная
Глюкоза	Хорошая
Дизельное топливо	Отличная (при t < +22 °C)
Диоксид серы	Отличная (при t < +22 °C)
Дистиллированная вода	Отличная
Дихлорэтан	Хорошая (при t < +50 °C)
Дихромат калия	Сносная
Дубильная кислота	Отличная
Железный купорос	Отличная (при t < +22 °C)
Жирные кислоты	Отличная (при t < +22 °C)
Гидроксид алюминия	Хорошая (при t < +22 °C)
Изопропиловый спирт	Отличная
Карбонат аммония	Отличная (при t < +22 °C)
Карбонат бария	Отличная (при t < +22 °C)
Карбонат калия	Отличная
Карбонат кальция	Отличная (при t < +22 °C)
Карбонат натрия	Сносная (при t < +22 °C)
Касторовое масло	Отличная
Керосин	Отличная
Ксилол	Отличная
Лигроин	Отличная
Лимонная кислота	Отличная (при t < +22 °C)
Малеиновая кислота	Отличная
Масляная кислота	Сносная (при t < +22 °C)
Метиловый спирт	Хорошая (при t < +22 °C)
Метилэтилкетон	Сносная (при t < +22 °C)
Молочная кислота	Хорошая (при t < +22 °C)
Морская (солёная) вода	Отличная
Моча	Отличная
Муравьиная кислота	Сносная (при t < +22 °C)
Мыло	Отличная
Нафталин	Отличная
Нитрат аммония	Отличная (при t < +22 °C)
Нитрат калия	Отличная
Нитрат магния	Отличная
Нитрат меди	Отличная (при t < +22 °C)
Нитрат натрия	Отличная
Нитрат серебра	Отличная
Олеиновая кислота	Отличная
Перекись водорода 10 %	Сносная (при t < +22 °C)
Пиво	Отличная (при t < +22 °C)
Пикриновая кислота	Отличная
Плавиковая кислота 75 %	Хорошая (при t +22 °C)
Пропан жидкий	Отличная
Реактивное топливо	Отличная
Ртуть	Отличная
Пресная вода	Отличная
Серная кислота 75—100 %	Сносная (при t < +22 °C)
Сероводород	Отличная
Силикат натрия	Отличная
Соляная кислота 20 %	Хорошая (при t < +22 °C)
Стеариновая кислота	Хорошая
Сульфат алюминия	Отличная (при t < +22 °C)
Сульфат аммония	Отличная (при t < +22 °C)
Сульфат бария	Сносная (при t < +22 °C)
Сульфат железа	Отличная (при t < +22 °C)
Сульфат калия	Отличная
Сульфат кальция	Отличная (при t < +22 °C)
Сульфат магния	Отличная
Сульфат натрия	Отличная
Сульфат никеля	Отличная
Сульфид бария	Хорошая (при t < +22 °C)
Сульфит натрия	Отличная
Терпентин	Хорошая
Тетрахлорид углерода	Отличная (при t < +22 °C)
Тиосульфат натрия	Отличная
Толуол	Хорошая (при t < +22 °C)
Углекислота	Хорошая (при t < +22 °C)
Углекислый газ	Отличная (при t < +22 °C)
Углекислый магний	Отличная
Уксус	Отличная
Уксусная кислота , 20 %	Отличная
Уксуснокислый свинец	Отличная
Фенол ( оксибензол )	Хорошая
Формальдегид 40 %	Отличная (при t < +22 °C)
	Отличная (при t < +22 °C)
Фосфорная кислота	Хорошая
Фреон	Отличная
Фторид алюминия	Хорошая (при t < +22 °C)
Фтор газообразный	Неустойчивое вещество
Фтористый натрий	Отличная
Хлорид алюминия	Отличная (при t < +22 °C)
Хлорид аммония	Отличная (при t < +22 °C)
Хлорид бария	Отличная (при t < +22 °C)
Хлорид железа	Отличная (при t < +22 °C)
Хлорид калия	Отличная
Хлорид кальция	Отличная (при t < +22 °C)
Хлорид магния	Отличная
Хлорид меди	Отличная
Хлорид натрия	Отличная
Хлорид никеля	Отличная
Хлорид цинка	Отличная
Хлористое железо	Отличная (при t < +22 °C)
Хлористое олово	Отличная
Цианид натрия	Отличная
Цианистый водород	Отличная
Щавелевая кислота	Отличная
Этилацетат	Сносная (при t < +22 °C)
Этиленгликоль	Сносная (при t < +22 °C)
Этиловый спирт	Отличная (при t < +50 °C)
Этилхлорид	Отличная (при t < +22 °C)

См. также

• Эпоксиды

Примечания

Литература

• / сост.: Собанов А. А., Курамшин А. И., Бурнаева Л. М. и др.. — Казань: Изд-во КазГУ, 2000. — С. 26—27. — 42 с.