Liejimo procesas epoksidiniuose sistemose prasideda, kai kietikliai sąveikauja su epoksido grupėmis, esančiomis dervos molekulėse. Ypač nagrinėjant aminės pagrindu pagamintus kietiklius, jie iš esmės inicijuoja nukleofilines atakas prieš epoksidinio žiedo struktūras, kurios sukuria hidroksilo grupes, padedančias plisti tarpusavyje susietai tinklo struktūrai. Šio proceso greitis labai priklauso nuo tinkamo maišymo santykio tarp epoksidų ir aminų bei tinkamo temperatūros valdymo.
Naujausi polimerų mokslų tyrimai rodo, kad jei gamintojai neteisingai parinks šiuos santykius, galutiniame produkte gali būti apie 12-18 procentų mažesnė tarpusavyje susietų grandžių tankis. Kai kurios trečiosios eilės aminės iš tikrųjų veikia kaip katalizatoriai, sumažindamos reikalingą reakcijai energiją ir pagreitindamos procesą. Kita vertus, anhidrido kietikliai reikalauja gana didelės šilumos, kad visiškai sureaguotų, nes kambario temperatūros sąlygomis jie beveik nesureaguoja. Galutinio tinklo veikimas labai priklauso nuo to, kokią molekulinę struktūrą turi kietiklis.
Paimkime tiesinės alifatinės amines - jos sukuria tankiai supakuotus tinklus, kurie gali išlaikyti stiklo perdavimo temperatūrą virš 120 laipsnių Celsijaus. Dėl to jos yra beveik būtinos aukštos kokybės aviacijos kompozitinėms medžiagoms. Cikloalifatiniai kietikliai veikia kitaip. Jie suteikia grandinėms didesnio lankstumo, todėl iš jų pagamintos detalės dažniau pasižymi geresniu smūgio atsparumu - kai kuriuose tyrimuose pastebėtas apie 40 % pagerėjimas, tačiau mažesniu cheminio stabilumo lygiu.
Naujausi tyrimai rodo, kad hiperšakoti kietikliai, regis, pasiekia tikslų pusiausvyrą. Nustatyta, kad tokie kietikliai gali padidinti atsparumą trūkinėjimui apie 25 % neprarandant Tg vertės DGEBA pagrindu paremtose sistemose. Paslaptis, matyt, slypi tame, kaip jie integruojami į tinklo struktūrą ir tuo pačiu metu paskirsto apkrovas per visą medžiagą. 6-24 val. 1-3 val. Anhidridai užtikrina geresnį šiluminį ir cheminį atsparumą, tačiau reikalauja aukštesnės kietinimo temperatūros. Fenoliniai kietikliai puikiai veikia šarminėse aplinkose, o aminai dominuoja greitai kietinančiose aplikacijose. Hibridinės formulės, naudojančios 60 % aminų ir 40 % anhidrido, pasiekia 20 % greitesnį kietinimą nei grynos anhidrido sistemos, derindamos greitą reakcijos pradžią su aukštos temperatūros našumu.
Tarp kietiklio cheminės sudėties ir kietinimo kinetikos vykstantis sąveika lemia galutines medžiagos savybes. Tikslus tarpusavyje susieto tankio ir reakcijos greičio kontrolė užtikrina optimalią mechaninę stiprumą, išvengiant ankstyvo gelio susidarymo arba nepilno kietinimo. Kryžminio susiejimo procesas prasideda tada, kai sukietinimo medžiaga pradeda veikti epoksido grupes, sukuriant stiprius kovalentinius ryšius, kurie sudaro šias 3D tinklo struktūras. Kai žiūrime į sistemas, modifikuotas pripildymo medžiagomis ar plastifikatoriais, jų kietinimosi būdas keičiasi dėl fizinės kliūtys ar kitų sąveikų, tokių kaip vandeniliniai ryšiai.
Paimkime silicio dioksido nanodaleles - jų pridėjimas apie 10-20 procentų iš tikrųjų sulėtina kietinimąsi apie 15 procentų. Molekulės tiesiog nebegauna judėti taip laisvai. Tačiau čia taip pat yra kompromisas. Tos pačios nanodalelės padeda sukurti žymiai vientisesnę tinklo struktūrą. Jos veikia tarsi šablonai, nurodantys, kur turėtų formuotis kryžminiai ryšiai, dėl ko visa sistema galiausiai tampa nuoseklesnė.
Didesnės funkcinės grupės koncentracijos greitina tinklo vystymąsi, tačiau gali sukelti vietinį perdaug susikryžminimą. Dvigubinant aminų kietiklio kiekį nuo 1,2 mol/kg iki 2,4 mol/kg padidėja tempiamoji stipris 40 %, tačiau sumažėja ilgėjimas ties lūžimu 32 %, kas rodo trupumą. Siekiant užtikrinti struktūrinį vientisumą, būtina palaikyti stechiometrinį balansą tarp dervos ir kietiklio ±5 % ribose. Cikloalifatinės aminės sistemos sukietėja gana greitai, per pusvalandį pasiekiant apie 90 % konversijos, nors jų naudojimo trukmė apribojama mažiau nei 60 minučių. Kita vertus, anhidrido pagrindu pagaminti produktai dėl lėtesnio reagavimo gali būti saugomi lentynose apie šešis mėnesius kambario temperatūroje.
Kalbant apie katalizatorius, imidazoliai ir tretinės aminės puikiai tinka gelio susidarymui vėlinti, nesutrikdydami aukštoje temperatūroje vykstančio sukietėjimo proceso. Šie priedai gamintojams suteikia lankstumo apdorojimo laikui, kartu užtikrinant gerą galutinį rezultatą. Dauguma įmonių šį balansą tarp greičio ir kontrolės laiko gamybos planavimui laiko labai svarbiu.
Mokslininkai projektuoja hiperšakotas polimerus, kurie veikia geriau su įprastais epoksidiniais kietikliais, kontroliuodami jų dendritinių struktūrų formavimąsi. Šios medžiagos turi apvalią, trimačią formą su daugybe galinių grupių, tokių kaip hidroksilai ar aminai, kurios iš tiesų dalyvauja tarpusavyje susiejime. Kuriant polietero arba Polisiloksano tipų versijas, mokslininkai paprastai lėtai pridėja monomerus temperatūroje nuo maždaug 60 iki 90 laipsnių Celsijaus, kas padeda sukurti siauresnius molekulinio svorio diapazonus. Įdomus reiškinys stebimas tiriant alifatinių ir aromatinių hiperšakotų poliesterių reakcijas su DGEBA. Alifatiniai junginiai dažniausiai reaguoja apie 40 procentų greičiau, nes jų lankstūs grandinės dariniai sumažina tai, ką chemikai vadina erdviniu trukdymu, todėl jie efektyvesni tam tikroms pramonės sritims, kur svarbi reakcijos sparta.
Hiperšakoti polimerai padidina medžiagų atsparumą keliomis prasmėmis, įskaitant nanorango fazių atskyrimą, įtrūkimų nukrypimą, kai tie įtrūkimai pasiekia šakojimosi taškus, bei įtempių perskirstymą dėka dinaminių kovalentinių ryšių, kuriuos juose pastebime. Kai jų koncentracija yra tarp 5 ir 15 svorio procentų, šie polimerai natūraliai sudaro miciline struktūras, kurios lūžio metu gali sugerti apie 60 % daugiau energijos, palyginti su nekeistais epoksidiniais dervomis. Tai veikia taip gerai dėl pačios šakotos struktūros, kuri leidžia ryšiams pergrupuotis veikiant slėgiui, todėl smūgio atsparumas sistemose, kuriose pridėtas polisiloksanas, padidėja maždaug 25 %. Be to, čia yra ir dar vienas įdomus dalykas: visi šie patobulinimai vyksta išlaikant geras vidines savybes net tada, kai tinklas yra labai tankus, kartais viršijantis 85 %. Toks našumas, neprarandant kitų svarbių charakteristikų, daro hiperšakotus polimerus itin vertingus pažangių medžiagų taikymuose.
Dvigubi dinaminiai tinklai veikia, sujungdami įprastus kovalentinius tarpus su šiais specialiais adaptacijos ryšiais, tokiu kaip disulfido ar imino jungtys. Tai suteikia medžiagai geroves visuminės vidžioelastinės savybės. Atsižvelgiant į faktinius našumo skaičius, šios naujos medžiagos gali ištempti 25-40 procentų toliau nei standartiniai epoksidiniai dervos prieš sulūžtant, tačiau vis tiek išlaiko savo struktūrinį standumą. Pakartotinėms apkrovos ciklams esant, tie dinaminiai ryšiai laikinai nutrūksta, o vėliau vėl susidaro, kas padeda sugerti smūgio energiją ir sumažina įtrūkimų plitimą per medžiagą apie 60 procentų, pagal bandymus.
Inžinieriams, projektuojantiems dalis lėktuvų varikliams ar palydovų komponentams, kur nuolatiniai virpesiai yra kasdienės veiklos dalis, tokia ilgaamžiškumas išsiskiria kaip verta apsvarstymo alternatyva tradicinėms medžiagoms. Dinaminių kovalentinių ryšių buvimas labai svarbus, kiek energijos sugeria sušąstant epoksidinėms medžiagoms. Kai kas nors sminga į šias medžiagas, ryšiai tyčia nutrūksta smūgio metu, todėl sugeriama apie 300 džaulių vienam kvadratiniam metrui. Toks sugerties lygis yra trigubai didesnis už įprastas anhidrido pagrindu sukurtas sistemas.
Vitrimerinės struktūros, turinčios boronio esterinio tipo ryšius, taip pat pasižymi gana geru savęs taisymo gebėjimu. Apie 80 laipsnių Celsijaus temperatūroje šios medžiagos pasiekia beveik 94 procentų savarankiško atsistatymo gebėjimą, todėl net po pažeidimo atkuria didžiąją dalį savo stiprumo. Toks „protingas“ elgesys ypač svarbus automobilių klijams. Automobiliai reikalauja tokių medžiagų, kurios ištveria nuolatines temperatūros kaitas ir pastovius smūgius nesusidėdamos, bet kartu leidžia gamintojams jas remontuoti, o ne tiesiog visiškai keisti.
Epoksidinių sistemų kietiklių paskirtis ir kaip jos formuoja tinklą
Kokia yra epoksidinių kietiklių paskirtis epoksidinės dervos sušutimo procese? Epoxy dervių kietikliai inicijuoja tarpjungimų reakcijas su epoxy dervomis, suformuodami trimatį tinklą, kuris lemia dervos sukietėjimą. Kaip kietiklio molekulinė struktūra veikia galutinį epoxy tinklą? Kietiklio molekulinė struktūra lemia sukietėjusio tinklo tankį ir lankstumą, tai veikia tokias savybes kaip atsparumas trūkinėjimui, cheminis atsparumas ir stiklinimo temperatūra.
Kas yra hiperšakoti polimerai ir kaip jie padidina epoxy atsparumą smūgiams? Hiperšakoti polimerai yra specialiai sukurti taip, kad sąveikautų su epoxy kietikliais, padidindami atsparumą smūgiams, gerindami apkrovos pasiskirstymą ir padidindami energijos sugertį smūgio metu. Kaip dinaminės kovalentinės jungtys veikia epoxy medžiagų našumą? Dinaminės kovalentinės jungtys leidžia epoxy medžiagoms sugerti daugiau energijos ir pačiai susitaisyti, pagerinant ilgaamžiškumą ir lankstumą esant pakartotinėms apkrovoms.
Populiariausios epoksidinių sistemų dervos ir jų kietikliai
Epoksidinė derva yra universali medžiaga, plačiai naudojama įvairiose srityse dėl savo išskirtinių savybių. Ji pasižymi atsparumu cheminiam poveikiui, elastingumu ir puikiomis klijavimo savybėmis. Epoksidinė derva "L" dažniausiai parduodama su įvairiais kietikliais, tokiais kaip "S", "L", "EPH500" ir "EPH161". Kietėjimo laikas tiesiogiai priklauso nuo pasirinkto kietiklio: Su kietikliu "S" derva sustingsta per 15 minučių. Su kietikliu "L" kietėjimo laikas yra 40 minučių. Su kietikliu "EPH500" procesas trunka 60 minučių. Su kietikliu "EPH161" pilnas sukietėjimas pasiekiamas per 90 minučių. Šios dervos laminavimo savybės yra itin panašios į aviacijoje naudojamų dervų savybes, kas leidžia jas pritaikyti sudėtingose konstrukcijose. Deformacija nuo šilumos prasideda jau nuo 60°C, naudojant kietiklius "S", "L" ir "EPH500". Naudojant kietiklį "EPH161" ir atlikus terminį grūdinimą, šis rodiklis pakyla iki 120°C.
Epoksidinė derva "L" pasižymi mažu klampumu, todėl ji yra idealiai tinkama stiklo, anglies ir aramido audiniams impregnuoti. Dėl mažo paviršiaus įtempimo, didelio atsparumo dilimui ir minimalaus traukimosi, ši derva puikiai tinka medžio, putplasčio ir metalo klijavimui. Skaidri epoksidinė derva maisto pramonėje. Ypač vertinga yra skaidri epoksidinė derva, skirta paviršių, turinčių tiesioginį sąlytį su maistu, padengimui. Ji idealiai tinka pjaustymo lentelių, padėklų, lėkščių, taurių, stalo įrankių, peilių ir stalviršių apdailai. Ši derva yra netoksiška ir sertifikuota sąlyčiui su maistu, atitinka ES reglamentą Nr. 10/2011.
Tai dviejų komponentų vidutinio klampumo epoksidinė derva, turinti puikų paviršiaus baigiamąjį sluoksnį su UV spindulių apsauga nuo pageltimo. Produktas pasižymi išskirtiniu mechaniniu atsparumu įbrėžimams ir geru atsparumu pagrindinėms rūgštinėms medžiagoms. Dėl vidutinio klampumo konsistencijos, ji puikiai tinka netoksiškų paviršių sukūrimui. Pagrindinės skaidrios epoksidinės dervos savybės: didelis skaidrumas, puikus mechaninis atsparumas, geras atsparumas chemikalams, didelis techninių audinių impregnavimas ir sutvirtinimas, ilgas darbo laikas, blizgus ir savaime išsilyginantis paviršius, atsparumas karščiui iki 70°C. Komponentų maišymo santykis 100:55 svorio. Rekomenduojamas liejimui, kai sluoksnio storis neviršija 5 mm.
Super skysta epoksidinė derva marmurui ir granitui yra dviejų komponentų sistema, skirta kapiliarų ir smulkių įtrūkimų užpildymui. Ji pasižymi puikiomis kibumo ir mechaninėmis savybėmis, atsparumu chemikalams ir tirpikliams, o po poliravimo suteikia blizgesį. Komponentai „A“ ir „B“ maišomi santykiu 2:1. Darbo laikas 30-35 minutėms 20°C, aukštesnė temperatūra spartina stingimą.
Vandeniu skiedžiama epoksidinė derva grindų gruntavimui yra dviejų komponentų sistema, skirta mineralinių grindų paviršių gruntavimui ir impregnavimui. Ji išskiria mažiau LOJ ir sertifikuota pagal AgBB kontrolės kriterijus. Pagrindinės savybės: difuziška vandens garams, atsparumas cheminėms medžiagoms, mažai LOJ, tinka drėgniems paviršiams, patvirtinta Vokietijos statybos instituto. Dėl mažo LOJ kiekio ši derva ypač tinkama higienos reikalavimus turinčioms patalpoms.
Šias dervas galima taikyti įvairiose srityse: nuo grindų iki paviršių impregnavimo ir klijavimo. Prevencinis dėmesys saugumui ir atliekų tvarkymui užtikrina darnią industrinę praktiką. Epoksidinės dervos kietėjimo procesas yra svarbus norint pasiekti optimalias mechanines ir chemines savybes: sumaišant dervą su kietikliu vyksta egzoterminė reakcija, išskiriama šiluma, mišinys pereina iš skysto į gelinį ir galutiniame etape į kietą būseną. Tyrimuose svarbu valdyti kietinimo laiką ir darbo laiką, priklausomai nuo temperatūros sąlygų.
| Kietiklio tipas | Sustingimo laikas | Deformacijos pradžia | Pritaikymas |
|---|---|---|---|
| S | 15 min | 60°C | Aviacinių dervų laminavimas |
| L | 40 min | 60°C | Stikle impregnavimas, platus taikymas |
| EPH500 | 60 min | 60°C | Gamybinių dalių kietinimas |
| EPH161 | 90 min | 120°C su termininiu grūdint | Gilesnės laminavimo užduotys |
Deformacija nuo šilumos prasideda nuo 60°C naudojant "S", "L" ir "EPH500" kietiklius. Naudojant "EPH161" ir termiškai grūdinant, rodiklis gali siekti 120°C. Dervos impregnavimui ir klijavimui skiriamas dėmesys platei pritaikymo spektrui.
tags: #epoksidiniu #medzio #kietikliu #i