Детали машин : Эпоксидная смола, как матричный материал
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
|
1. Внешний вид
|
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.
#"#">#"_Hlt87268731">
#"_Hlt87269354">
|