Краткое описание эпоксидных смол
" "" "ЭПОКСИДНЫЕ СМОЛЫ. Представляют самое универсальное семейство смол, при-меняемых для производства композитных конструкций. Практически по всем параметрам эти смолы обеспечивают самые высокие показатели клеевого шва и прочности. Смолы обладают крайне малой усадкой. Когда эпоксидная смола используется в качестве химически стойкого барьерного слоя, покрытие ею обладает очень низким водопоглощением (менее 0.5%) и можно быть уверенным в том, что отделочные покрытия будут иметь хорошее сцепление с эпоксидной основой. Современные эпоксидные смолы могут обладать низкой вяз-костью и контролируемым временем отверждения.
" "" "Эпоксидные смолы - это, пожалуй, самый доступный материал для точного холодного изготовления деталей в домашних условиях.
" "" "Эпоксидная смола (в дальнейшем - эпоксидка) представляет из себя вязкую смолу, которая после смешивания с отвердителем полимеризуется и переходит в твердую фазу. До полимеризации в смолу можно вводить всевозможные твердые наполнители, которые будут менять в желаемую сторону свойства полученной пластмассы.
" "" "Наиболее доступной и широкоизвестной эпоксидкой являются эпоксидные клеи ЭДП и ЭКФ. Упаковка содержит два компонента эпоксидную модифицированную смолу и отвердитель, которые перед употреблением смешиваются в соотношении от 8:1 до 10:1. Процесс полимеризации происходит при комнатной температуре в течение нескольких часов, а пол-ная полимеризация заканчивается спустя 12 часов. Чем больше содержание отвердителя в указанном выше соотношении, тем быстрее идет процесс полимеризации. Здесь важно точ-но отмерять исходные компоненты при изготовлении рабочей смеси, а в отношении отвердителя - лучше положить его немного больше, чем недоложить.
" "" "Второй из отечественных эпоксидных смол, пригодной для домашнего творчества, является эпоксидная смола ЭД-20..
" "" "Детальное вникание в химию смол для моделиста не так важно, но знание основ их химии поможет в успешном завершении проекта и позволит избежать ошибок и разных сюрпризов, которые могут возникнуть при работе со смолой.
" "" "Смола , лежащая в основе всех эпоксидных клеев, применяемых в судостроении, называется диглицидиловый эфир бисфенола А. Бисфенол А получают путем взаимодействия фенола с ацетоном при определенных условиях. Буква А обозначает ацетон, "фенол" обозначает фенольные группы, а "бис" обозначает двойку. Таким образом бисфенол А яв-ляется химическим продуктом, представляющим собой комбинацию двух молекул фенола с одной ацетона. Затем бисфенол А вступает в реакцию с веществом под названием эпихлор-гидрин. В результате реакции по обеим сторонам молекулы бисфенола А прикрепляются две ("ди-") глицидоловые группы . Получившееся вещество называется диглицидиловый эфир бисфенола А, или же основная эпоксидная смола. Именно глицидиловые группы взаимодействуют с атомами водорода аминов в отвердителе, в результате чего и получает-ся отвержденная эпоксидная смола.
" "" "Основная эпоксидная смола обладает высокой вязкостью и малопригодна для судостроительных целей, разве что в качестве клея в некоторых ситуациях. Производители эпоксидных составов приобретают смолу именно в такой форме и затем добавляют к ней определенные компоненты (модифицируют) для придания необходимых свойств.
" "" "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 ами-нов покидают азот и взаимодействуют с атомами кислорода глицидола. Таким образом, время отверждения определяется кинетикой данного амина, используемого в качестве от-вердителя. Это время можно изменить, применив другой отвердитель, добавив в смолу ак-селератор или изменив температуру или массу смеси смолы с отвердителем.
" "" "Реакция отверждения эпоксидных смол - 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 отверждения сводятся к этому основному правилу. Время жизнеспособности смеси и время работы с ней в основном определяются из-начальной 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
" "" "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 слу-чае банки), экзотермическая реакция повышает температуру клеевой смеси и реакция уско-ряется.
" "" "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 смешивани-ем. 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 по-верхности.
" "" "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 ге-леобразования скорость реакции замедляется по мере нарастания твердости. В твердых телах химические реакции протекают медленнее. От состояния мягкого липкого геля смола переходит к более твердому состоянию, 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 для судостроительных целей 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.
" "" "Эпоксидка плохо пристает к таким веществам, как полиэтилен (практически не пристает), полистирол, оргстекло... Если на эти материалы нанести защитный слой (например, из мастики для паркета), то после полимеризации эпоксидка легко от них отделяется. Защи-та мастикой металлических поверхностей, поверхностей из других пластмасс и поверхностей из эпоксидки позволяет также легко отделить отливку из эпоксидки после ее полимери-зации.
" "" "Процесс полимеризации эпоксидки связан с химической реакцией между ее компонентами, в ходе которой наблюдается выделение тепла. С другой стороны сама химическая реакция идет более интенсивно при более высоких температурах. По этой причине (если нет достаточного отвода тепла от полимеризующейся массы) происходит ее разогрев, а в случае клея ЭДП иногда температура может подняться до 50 - 60 градусов. Это следует учитывать при выборе материала для изготовления формы... (при таких температурах форма из пластилина поплывет, а отливка будет безнадежно испорчена).
" "" "Реакция полимеризации идет наиболее интенсивно в приграничном слое. При использовании эпоксидки с твердым наполнителем (цемент, гипс и т.д.) поверхность этого приграничного слоя резко возрастает, и процесс полимеризации идет быстрее, чем без наполнителя. Кроме того, отвод тепла с этого приграничного слоя ограничен и наблюдается саморазогрев смеси, что также необходимо учитывать.
" "" "При повышении температуры смола повышает свою текучесть и снижает вязкость, поэтому для заливки мелких деталей раствор необходимо первоначально нагрет до 25 - 30 градусов. Далее в него добавляем наполнитель и только после этого отвердитель. Такая последовательность приготовления исходной массы в наибольшей степени будет гарантировать однородность конечной пластмассы. При понижении температуры и во влажной атмосфере процесс полимеризации смолы замедляется, а при высокой влажности полимери-зация вообще может не произойти до конца.
" "" "До тех пор, пока эпоксидка не полимеризовалась, она ведет себя как вязкая жидкость со всеми вытекающими отсюда последствиями. Введеный в эпоксидку наполнитель в зависимости от его удельного веса либо опускается вниз (цемент, например) либо всплывает (деревянная крошка, отдельные пузырьки воздуха). Это необходимо учитывать для пра-вильной ориентации литьевой формы в течение процесса полимеризации, чтобы на ответ-ственных поверхностях не образовались нежелательные раковины от воздушных пузырей и т.п.
" "" "Основной минус отечественной эпоксидки - это трудность избавления от воздушных пузырьков, которые образуются в процессе приготовления и перемешивания исходной массы. Рецепт тут один - давать отстояться смеси, чтобы пузыри всплыли, повысить текучесть смолы повышением ее температуры и физическое удаление пузырей, прилипших к поверх-ностям формы при помощи острого предмета. Помогает так-же заливка раствора в форму не напрямую, а через промежуточный предмет тонкой струйкой (тогда большинство микро-пузырей исчезнет на промежуточных поверхностях в процессе заливки).
" "" "При работе с эпоксидкой необходимо использовать одноразовую (лучше пластиковую) посуду для приготовления каждой новой партии смеси.
" "" "Исходные компоненты эпоксидки требуют тщательной дозировки, для осуществления которой удобно использовать одноразовые пластиковые шприцы (выпускаются объемом 2, 5 и 10 см3). Смола заливается в шприц сверху. Отвердитель можно набрать в шприц обыкновенным образом.
" "" "Для нанесения на форму защитного слоя, особенно в труднодоступных местах удобно пользоваться ватными палочками. При их помощи также удаляют излишки мастики.
" "" "Для удаления воздушных пузырей все углубления в форме после заливки "проходятся" острой деревянной зубочисткой. Дерево не приносит вреда форме и защитному слою, но помогает воздушным пузырям оторваться от поверхности формы и всплыть...
" "" "Наполнителями называют добавки к приготовленной смоле, вносимые для увеличения ее объема, предотвращения подтеков и для окрашивания. Для этих целей могут служить самые разные материалы вплоть до песка и опилок. Однако опилки обладают неоднородностью, песок - большим весом, причем то и другое может содержать инородные включения. Поэтому промышленностью разработан ряд наполнителей с предсказуемыми свойствами с областью применения от мороженого до бетона.
" "" "В качестве наполнителей чаще всего используют цемент, алебастр (строительный гипс), мел (зубной порошок), древесную крошку. Процентное содержание наполнителя в смеси (по объему) может доходить до 50% (пока смесь не потеряет свою текучесть). Рекомендуют добавлять наполнителя около 30-40%. При таком соотношении удается получить конечный пластик с требуемыми свойствами, снижается расход эпоксидки, и, в тоже время, сохраняется ее достаточная подвижность в процессе литья.
" "" "Цемент, как наполнитель хорошо применять при изготовлении всевозможных форм для литья. Конечный пластик получается прочным (видимо сказывается и некоторое "схватывание" цемента). Следует только учесть, что имеющийся в продаже цемент перед приго-товлением смеси необходимо просеять через марлю, т.к. в нем много комков большого размера.
" "" "Алебастр. Немного хуже, чем цемент, с точки зрения наполнителя, но вполне подходит для экономии эпоксидки.
" "" "Мел (зубной порошок). Вполне приемлем с точки зрения свойств, как наполнителя, но обладает одной паршивой особенностью - очень гигроскопичен, а эпоксидка не любит воды. Поэтому от применения мела лучше воздержаться или в крайнем случае перед засыпкой его в смесь хорошенько просушить для удаления влаги.
" "" "Древесная крошка. Обладает низким удельным весом и незаменима при изготовлении пластика с удельным весом ниже, чем у исходной эпоксидки. Чем мельче крошка - тем лучше будет конечный пластик. В процессе смешивания с эпоксидкой древесная крошка пропитывается смолой и образуются мелкие локальные частицы с твердой поверхностью, которые не впи-тывают влагу. Получить приемлемую древесную крошку можно либо зажав деревянную болванку в токарном станке по дереву и опиливая ее поверхность очень грубой наждачной бумагой, либо используя кругнасадку для электродрели с грубой шкуркой, опиливая ею де-ревянную болванку... в любом случае деревянная болванка до ее "перевода в опилки" должна быть просушена.
" "" "Аэросил. Тиксотропная добавка . Добавляется для исключения подтеков смолы, особенно на вертикальных и наклонных поверхностях. Смесь аэросила со смолой может применяться как шпаклевочно - заполнительный материал высокой плотности. Может применяться вместе с другими наполнителями для придания смеси консистенции сметаны.
" "" "Микросфера. Микроскопические пустотелые наполненные газом шарики в форме мелкозернистого порошка. Обладает низким весом и плотностью. Делает смолу воздушной и повышает вязкость, образуя в больших объемах пенистый материал. Идеальна для шпаклевочных составов, замазок , для заполнения угловых стыков и при ламинировании, где требуются хорошие свойства заполнения швов. Главное ее достоинство в том, что отвержденная смола с такой добавкой хорошо шлифуется, и чем больше такой добавки, тем легче шлифование. Однако надо знать меру, поскольку при избыточном ее количестве смесь трудна в нанесении. Микросфера понижает прочность клеевого шва и не должна использоваться при создании конструктивных связей типа усовых соединений.
" "" "Волокно. Добавляются в смолу для повышения ее вязкости при склеивании. Смола с такой добавкой отлично заполняет зазоры, хорошо пропитывает поверхности и не создает обедненных клеем швов, особенно на торцевых поверхностях. Волокно бывает стеклянное рубленое, стеклянное молотое, синтетическое и хлопчатобумажное. Хлопок с целлюлозой обладают наименьшей прочностью, зато повышают тиксотропность и могут служить заменой микросфере для заполнения смолой швов.
" "" "Древесная мука. Применяется для повышения густоты шпаклевок, замазок или клеев при натуральной отделке древесины. Смола с такой добавкой по консистенции мало похожа на сметану и с ней не так легко работать.
" "" "Графитовый порошок. Применяется в качестве пигментирующей добавки и для создания скользящих наружных поверхностей гоночных судов . Это мелкозернистый порошок черного цвета. Не используется на солнце. Графит является проводником электрического тока и в соленой воде может вызывать электролитические проблемы.
" "" "Алюминиевая пудра и двуокись титана. Обычно служат в качестве пигментов. Добавление алюминия в смолу дает при покрытии поверхность серого цвета. При добавлении больших количеств улучшает обрабатываемость смолы. Двуокись титана придает смоле белый цвет. Применение пигментов в смоле не заменяет ее покраски при эксплуатации на солнце. По-лезно добавить двуокись титана в смолу при нанесении последнего покрытия, при оклейке стеклотканью, для подготовки под покраску.
" "" "Тальк. Также может служить наполнителем. Проведение большого количества экспериментов с тальком в широком спектре ситуаций показало, что он по свойствам близок к аэросилу и микросфере с одинаковой первоначальной прочностью клеевого шва. Однако под вопросом осталась способность талька поглощать влагу и при определенных обстоятельствах это может иметь неясные последствия. По этой причине часто придерживаются консервативной практики и избегают его применения.
" "" "Перечисленные выше твердые наполнители позволяют получить довольно качественный твердый пластик, но следует учитывать, что иногда он будет и хрупким... (вспомним, что хорошая сталь с высокой твердостью легко ломается..., - аналогичную картину мы име-ем и с самодельным пластиком). Для снижения хрупкости и повышения пластичности в смесь можно вводить жидкие пластификаторы, наиболее доступным из которых является касторовое масло.
" "" "Процентное содержание пластификатора определяется экспериментально в каждом конкретном случае для соотношения смола-отвердитель-наполнитель... (как правило, это одна-две капли масла).
" "" "Выводы: Тиксотропными свойствами обладают аэросил , синтетическое волокно и древесная мука.
" "" "Повышают объем смеси фенольные микрошарики , кварцевые микросферы и древесная мука. Хотя все эти добавки делают смолу густой , только древесная мука придает ей тиксотропность. Попытка приготовить нерастекающуюся шпаклевку на микросфере приведет к приготовлению смеси , которую невозможно размазать. Их надо применять только в паре с тиксотропными добавками. Лучше всего для этого подходит аэросил , т.к. такая смесь лучше всего наносится.
" "" "Волокнистые материалы (рубленое/молотое/синтетическое/хб волокно) повышают прочность материала на разрыв и могут применяться для создания несущих конструктивную нагрузку стыков. Перечислены в порядке убывания прочности.
Температурные режимы полимеризации эпоксидной смеси
" "" "При изготовлении ответственных изделий, которые должны будут выдерживать значительные нагрузки лучше всего, если процесс полимеризации эпоксидки будет проходить при комнатной температуре, т.е. температуре, при которой в дальнейшем и будет эксплуа-тироваться данное изделие. Это способствует получению изделия с минимальными внут-ренними напряжениями. Не забывайте, что эпоксидка обладает достаточно большим коэф-фициентом линейного расширения и разница в 20 градусов между стадией полимеризации и рабочими условиями может существенно повлиять на конечные результаты. По времени это около 12 часов.
" "" "Сократить время полимеризации без создания излишних напряжений можно повысив температуру смолы спустя 4 часа после ее приготовления до 40-50 градусов и выдержав ее при этой температуре в течении часа.
" "" "Для литья менее ответственных изделий можно с самого начала поместить форму с заливкой в духовку и выставить температуру 60 - 70 градусов. Выдержав при такой температуре 1 час, еще через пару часов получаем готовое изделие. Следует отметить, что при таком режиме полимеризации смола в самом начале процесса становится очень текучей и все оставшиеся в ее объеме воздушные пузыри объединяются в один и поднимаются к вер-ху формы, что может привести к образованию раковины в отливке, при использовании формы замкнутого объема.