Как пишется эпоксидная смола

This article is about the thermoset plastic materials. For the chemical group, see epoxide.

Epoxy is the family of basic components or cured end products of epoxy resins. Epoxy resins, also known as polyepoxides, are a class of reactive prepolymers and polymers which contain epoxide groups. The epoxide functional group is also collectively called epoxy.^[1] The IUPAC name for an epoxide group is an oxirane.

Epoxy resins may be reacted (cross-linked) either with themselves through catalytic homopolymerisation, or with a wide range of co-reactants including polyfunctional amines, acids (and acid anhydrides), phenols, alcohols and thiols (usually called mercaptans). These co-reactants are often referred to as hardeners or curatives, and the cross-linking reaction is commonly referred to as curing.

Reaction of polyepoxides with themselves or with polyfunctional hardeners forms a thermosetting polymer, often with favorable mechanical properties and high thermal and chemical resistance. Epoxy has a wide range of applications, including metal coatings, composites,^[2] use in electronics, electrical components (e.g. for chips on board ), LEDs, high-tension electrical insulators, paint brush manufacturing, fiber-reinforced plastic materials, and adhesives for structural^[3] and other purposes.^[4][5]

The health risks associated with exposure to epoxy resin compounds include contact dermatitis and allergic reactions, as well as respiratory problems from breathing vapor and sanding dust, especially when not fully cured.^[6][7][8]

History[edit]

Condensation of epoxides and amines was first reported and patented by Paul Schlack of Germany in 1934.^[9] Claims of discovery of bisphenol-A-based epoxy resins include Pierre Castan^[10] in 1943. Castan’s work was licensed by Ciba, Ltd. of Switzerland, which went on to become one of the three major epoxy resin producers worldwide. Ciba’s epoxy business was spun off as Vantico in the late 1990s, which was subsequently sold in 2003 and became the Advanced Materials business unit of Huntsman Corporation of the United States. In 1946, Sylvan Greenlee, working for the Devoe & Raynolds Company, patented resin derived from bisphenol-A and epichlorohydrin.^[11] Devoe & Raynolds, which was active in the early days of the epoxy resin industry, was sold to Shell Chemical; the division involved in this work was eventually sold, and via a series of other corporate transactions is now part of Hexion Inc.^[12]

Chemistry[edit]

Most of the commercially used epoxy monomers are produced by the reaction of a compound with acidic hydroxy groups and epichlorohydrin. First a hydroxy group reacts in a coupling reaction with epichlorohydrin, followed by dehydrohalogenation. Epoxy resins produced from such epoxy monomers are called glycidyl-based epoxy resins. The hydroxy group may be derived from aliphatic diols, polyols (polyether polyols), phenolic compounds or dicarboxylic acids. Phenols can be compounds such as bisphenol A and novolak. Polyols can be compounds such as 1,4-butanediol. Di- and polyols lead to glycidyl ethers. Dicarboxylic acids such as hexahydrophthalic acid are used for diglycide ester resins. Instead of a hydroxy group, also the nitrogen atom of an amine or amide can be reacted with epichlorohydrin.

The other production route for epoxy resins is the conversion of aliphatic or cycloaliphatic alkenes with peracids:^[13][14] In contrast to glycidyl-based epoxy resins, this production of such epoxy monomers does not require an acidic hydrogen atom but an aliphatic double bond.

The epoxide group is also sometimes referred to as a oxirane group.

Bisphenol-based[edit]

The most common epoxy resins are based on reacting epichlorohydrin (ECH) with bisphenol A,  resulting in a different chemical substance known as bisphenol A diglycidyl ether (commonly known as BADGE or DGEBA). Bisphenol A-based resins are the most widely commercialised resins but also other bisphenols are analogously reacted with epichlorohydrin, for example Bisphenol F.

In this two-stage reaction, epichlorohydrin is first added to bisphenol A (bis(3-chloro-2-hydroxy-propoxy)bisphenol A is formed), then a bisepoxide is formed in a condensation reaction with a stoichiometric amount of sodium hydroxide. The chlorine atom is released as sodium chloride (NaCl) and the hydrogen atom as water.

Higher molecular weight diglycidyl ethers (n ≥ 1) are formed by the reaction of the bisphenol A diglycidyl ether formed with further bisphenol A, this is called prepolymerization:

A product comprising a few repeat units (n = 1 to 2) is a viscous, clear liquid; this is called a liquid epoxy resin. A product comprising more repeating units (n = 2 to 30) is at room temperature a colourless solid, which is correspondingly referred to as solid epoxy resin.

Instead of bisphenol A, other bisphenols (especially bisphenol F) or brominated bisphenols (e. g. tetrabromobisphenol A) can be used for the said epoxidation and prepolymerisation. Bisphenol F may undergo epoxy resin formation in a similar fashion to bisphenol A. These resins typically have lower viscosity and a higher mean epoxy content per gram than bisphenol A resins, which (once cured) gives them increased chemical resistance.

Important epoxy resins are produced from combining epichlorohydrin and bisphenol A to give bisphenol A diglycidyl ethers.

Increasing the ratio of bisphenol A to epichlorohydrin during manufacture produces higher molecular weight linear polyethers with glycidyl end groups, which are semi-solid to hard crystalline materials at room temperature depending on the molecular weight achieved. This route of synthesis is known as the «taffy» process. The usual route to higher molecular weight epoxy resins is to start with liquid epoxy resin (LER) and add a calculated amount of bisphenol A and then a catalyst is added and the reaction heated to circa 160 °C (320 °F). This process is known as «advancement».^[15] As the molecular weight of the resin increases, the epoxide content reduces and the material behaves more and more like a thermoplastic. Very high molecular weight polycondensates (ca. 30,000–70,000 g/mol) form a class known as phenoxy resins and contain virtually no epoxide groups (since the terminal epoxy groups are insignificant compared to the total size of the molecule). These resins do however contain hydroxyl groups throughout the backbone, which may also undergo other cross-linking reactions, e.g. with aminoplasts, phenoplasts and isocyanates.

Epoxy resins are polymeric or semi-polymeric materials or an oligomer, and as such rarely exist as pure substances, since variable chain length results from the polymerisation reaction used to produce them. High purity grades can be produced for certain applications, e.g. using a distillation purification process. One downside of high purity liquid grades is their tendency to form crystalline solids due to their highly regular structure, which then require melting to enable processing.

An important criterion for epoxy resins is the Epoxy value which is connected to the epoxide group content. This is expressed as the «epoxide equivalent weight«, which is the ratio between the molecular weight of the Rorar and the number of epoxide groups. This parameter is used to calculate the mass of co-reactant (hardener) to use when curing epoxy resins. Epoxies are typically cured with stoichiometric or near-stoichiometric quantities of hardener to achieve the best physical properties.

Novolaks[edit]

Novolaks are produced by reacting phenol with methanal (formaldehyde). The reaction of epichlorohydrin and novolaks produces novolaks with glycidyl residues, such as epoxyphenol novolak (EPN) or epoxycresol novolak (ECN). These highly viscous to solid resins typically carry 2 to 6 epoxy groups per molecule. By curing, highly cross-linked polymers with high temperature and chemical resistance but low mechanical flexibility are formed due to the high functionality, and hence high crosslink density of these resins.^[13]

Aliphatic[edit]

There are two common types of aliphatic epoxy resins: those obtained by epoxidation of double bonds (cycloaliphatic epoxides and epoxidized vegetable oils) and those formed by reaction with epichlorohydrin (glycidyl ethers and esters).

Cycloaliphatic epoxides contain one or more aliphatic rings in the molecule on which the oxirane ring is contained (e.g. 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3′,4′-epoxycyclohexane carboxylate). They are produced by the reaction of a cyclic alkene with a peracid (see above).^[16] Cycloaliphatic epoxides are characterised by their aliphatic structure, high oxirane content and the absence of chlorine, which results in low viscosity and (once cured) good weather resistance, low dielectric constants and high T_g. However, aliphatic epoxy resins polymerize very slowly at room temperature, so higher temperatures and suitable accelerators are usually required. Because aliphatic epoxies have a lower electron density than aromatics, cycloaliphatic epoxies react less readily with nucleophiles than bisphenol A-based epoxy resins (which have aromatic ether groups). This means that conventional nucleophilic hardeners such as amines are hardly suitable for crosslinking. Cycloaliphatic epoxides are therefore usually homopolymerized thermally or UV-initiated in an electrophilic or cationic reaction. Due to the low dielectric constants and the absence of chlorine, cycloaliphatic epoxides are often used to encapsulate electronic systems, such as microchips or LEDs. They are also used for radiation-cured paints and varnishes. Due to their high price, however, their use has so far been limited to such applications.^[13]

Epoxidized vegetable oils are formed by epoxidation of unsaturated fatty acids by reaction with peracids. In this case, the peracids can also be formed in situ by reacting carboxylic acids with hydrogen peroxide. Compared with LERs (liquid epoxy resins) they have very low viscosities. If, however, they are used in larger proportions as reactive diluents, this often leads to reduced chemical and thermal resistance and to poorer mechanical properties of the cured epoxides. Large scale epoxidized vegetable oils such as epoxidized soy and lens oils are used to a large extent as secondary plasticizers and cost stabilizers for PVC.^[13]

Aliphatic glycidyl epoxy resins of low molar mass (mono-, bi- or polyfunctional) are formed by the reaction of epichlorohydrin with aliphatic alcohols or polyols (glycidyl ethers are formed) or with aliphatic carboxylic acids (glycidyl esters are formed). The reaction is carried out in the presence of a base such as sodium hydroxide, analogous to the formation of bisphenol A-diglycidyl ether. Also aliphatic glycidyl epoxy resins usually have a low viscosity compared to aromatic epoxy resins. They are therefore added to other epoxy resins as reactive diluents or as adhesion promoters. Epoxy resins made of (long-chain) polyols are also added to improve tensile strength and impact strength.

A related class is cycloaliphatic epoxy resin, which contains one or more cycloaliphatic rings in the molecule (e.g. 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexane carboxylate). This class also displays lower viscosity at room temperature, but offers significantly higher temperature resistance than the aliphatic epoxy diluents. However, reactivity is rather low compared to other classes of epoxy resin, and high temperature curing using suitable accelerators is normally required. As aromaticity is not present in these materials as it is in Bisphenol A and F resins, the UV stability is considerably improved.

Halogenated[edit]

Halogenated epoxy resins are admixed for special properties, in particular brominated and fluorinated epoxy resins are used.^[13]

Brominated bisphenol A is used when flame retardant properties are required, such as in some electrical applications (e.g. printed circuit boards). The tetrabrominated bisphenol A (TBBPA, 2,2-bis(3,5-dibromophenyl)propane) or its diglycidyl ether, 2,2-bis[3,5-dibromo-4-(2,3-epoxypropoxy)phenyl]propane, can be added to the epoxy formulation. The formulation may then be reacted in the same way as pure bisphenol A. Some (non-crosslinked) epoxy resins with very high molar mass are added to engineering thermoplastics, again to achieve flame retardant properties.

Fluorinated epoxy resins have been investigated for some high performance applications, such as the fluorinated diglycidether 5-heptafluoropropyl-1,3-bis[2-(2,3-epoxypropoxy)hexafluoro-2-propyl]benzene. As it has a low surface tension, it is added as a wetting agent (surfactant) for contact with glass fibres. Its reactivity to hardeners is comparable to that of bisphenol A. When cured, the epoxy resin leads to a thermosetting plastic with high chemical resistance and low water absorption. However, the commercial use of fluorinated epoxy resins is limited by their high cost and low T_g.

Diluents[edit]

Epoxy resins diluents are typically formed by glycidylation of aliphatic alcohols or polyols and also aromatic alcohols.^[17][18] The resulting materials may be monofunctional (e.g. dodecanol glycidyl ether), difunctional (1,4-Butanediol diglycidyl ether), or higher functionality (e.g. trimethylolpropane triglycidyl ether). These resins typically display low viscosity at room temperature (10–200 mPa.s) and are often referred to as reactive diluents.^[19] They are rarely used alone, but are rather employed to modify (reduce) the viscosity of other epoxy resins.^[20] This has led to the term ‘modified epoxy resin’ to denote those containing viscosity-lowering reactive diluents.^[21] The use of the diluent does effect mechanical properties and microstructure of epoxy resins.^[22] Mechanical properties of epoxy resins are generally not improved by use of diluents.^[23] Biobased epoxy diluents are also available.^[24]

Glycidylamine[edit]

Glycidylamine epoxy resins are higher functionality epoxies which are formed when aromatic amines are reacted with epichlorohydrin. Important industrial grades are triglycidyl-p-aminophenol (functionality 3) and N,N,N′,N′-tetraglycidyl-bis-(4-aminophenyl)-methane (functionality 4). The resins are low to medium viscosity at room temperature, which makes them easier to process than EPN or ECN resins. This coupled with high reactivity, plus high temperature resistance and mechanical properties of the resulting cured network makes them important materials for aerospace composite applications.

Curing[edit]

There are several dozen chemicals that can be used to cure epoxy, including amines, imidazoles, anhydrides and photosensitive chemicals.^[25] The study of epoxy curing is usually caried out by using Differential scanning calorimetry.^[26]

In general, uncured epoxy resins have only poor mechanical, chemical and heat resistance properties.^[27] However, good properties are obtained by reacting the linear epoxy resin with suitable curatives to form three-dimensional cross-linked thermoset structures. This process is commonly referred to as curing or gelation process.^[28] Curing of epoxy resins is an exothermic reaction and in some cases produces sufficient heat to cause thermal degradation if not controlled.^[29] Curing does induce residual stress in epoxy systems which have been studied.^[30] They may be alleviated with flexibilisers.

Curing may be achieved by reacting an epoxy with itself (homopolymerisation) or by forming a copolymer with polyfunctional curatives or hardeners. This curing is what produces the qualities of the substance such as resistance, durability, versatility, and adhesion. In principle, any molecule containing a reactive hydrogen may react with the epoxide groups of the epoxy resin. Common classes of hardeners for epoxy resins include amines, acids, acid anhydrides, phenols, alcohols and thiols. Relative reactivity (lowest first) is approximately in the order: phenol < anhydride < aromatic amine < cycloaliphatic amine < aliphatic amine < thiol.

While some epoxy resin/ hardener combinations will cure at ambient temperature, many require heat, with temperatures up to 150 °C (302 °F) being common, and up to 200 °C (392 °F) for some specialist systems. Insufficient heat during cure will result in a network with incomplete polymerisation, and thus reduced mechanical, chemical and heat resistance. Cure temperature should typically attain the glass transition temperature (T_g) of the fully cured network in order to achieve maximum properties. Temperature is sometimes increased in a step-wise fashion to control the rate of curing and prevent excessive heat build-up from the exothermic reaction.

Hardeners which show only low or limited reactivity at ambient temperature, but which react with epoxy resins at elevated temperature are referred to as latent hardeners. When using latent hardeners, the epoxy resin and hardener may be mixed and stored for some time prior to use, which is advantageous for many industrial processes. Very latent hardeners enable one-component (1K) products to be produced, whereby the resin and hardener are supplied pre-mixed to the end user and only require heat to initiate curing. One-component products generally have shorter shelf-lives than standard 2-component systems, and products may require cooled storage and transport.

The epoxy curing reaction may be accelerated by addition of small quantities of accelerators. Tertiary amines, carboxylic acids and alcohols (especially phenols) are effective accelerators. Bisphenol A is a highly effective and widely used accelerator, but is now increasingly replaced due to health concerns with this substance.

Homopolymerisation[edit]

Epoxy resin may be reacted with itself in the presence of an anionic catalyst (a Lewis base such as tertiary amines or imidazoles) or a cationic catalyst (a Lewis acid such as a boron trifluoride complex) to form a cured network. This process is known as catalytic homopolymerisation. The resulting network contains only ether bridges, and exhibits high thermal and chemical resistance, but is brittle and often requires elevated temperature for the curing process, so finds only niche applications industrially.
Epoxy homopolymerisation is often used when there is a requirement for UV curing, since cationic UV catalysts may be employed (e.g. for UV coatings).

Amines[edit]

Polyfunctional primary amines form an important class of epoxy hardeners. Primary amines undergo an addition reaction with the epoxide group to form a hydroxyl group and a secondary amine. The secondary amine can further react with an epoxide to form a tertiary amine and an additional hydroxyl group. Kinetic studies have shown the reactivity of the primary amine to be approximately double that of the secondary amine. Use of a difunctional or polyfunctional amine forms a three-dimensional cross-linked network.
Aliphatic, cycloaliphatic and aromatic amines are all employed as epoxy hardeners. Amine type hardeners will alter both the processing properties (viscosity, reactivity) and the final properties (mechanical, temperature and heat resistance) of the cured copolymer network. Thus amine structure is normally selected according to the application. Overall reactivity potential for different hardeners can roughly be ordered; aliphatic amines > cycloaliphatic amines > aromatic amines, though aliphatic amines with steric hindrance near the amino groups may react as slowly as some of the aromatic amines. Slower reactivity allows longer working times for processors. Temperature resistance generally increases in the same order, since aromatic amines form much more rigid structures than aliphatic amines. Aromatic amines were widely used as epoxy resin hardeners, due to the excellent end properties when mixed with a parent resin. Over the past few decades concern about the possible adverse health effects of many aromatic amines has led to increased use of aliphatic or cycloaliphatic amine alternatives. Amines are also blended, adducted and reacted to alter properties and these amine resins are more often used to cure epoxy resins than a pure amine such as TETA. Increasingly, water-based polyamines are also used to help reduce the toxicity profile among other reasons.^{[citation needed]}

Anhydrides[edit]

Epoxy resins may be thermally cured with anhydrides to create polymers with significant property retention at elevated temperatures for extended periods of time. Reaction and subsequent crosslinking occur only after opening of the anhydride ring, e.g. by secondary hydroxyl groups in the epoxy resin. Homopolymerization may also occur between epoxide and hydroxyl groups. The high latency of anhydride hardeners makes them suitable for processing systems which require addition of mineral fillers prior to curing, e.g. for high voltage electrical insulators. Cure speed may be improved by matching anhydrides with suitable accelerators. For dianhydrides, and to a lesser extent, monoanhydrides, non-stoichiometric, empirical determinations are often used to optimize dosing levels. In some cases, blends of dianhydrides and monoanhydrides can improve metering and mixing with liquid epoxy resins.^[31]

Phenols[edit]

Polyphenols, such as bisphenol A or novolacs can react with epoxy resins at elevated temperatures (130–180 °C, 266–356 °F), normally in the presence of a catalyst. The resulting material has ether linkages and displays higher chemical and oxidation resistance than typically obtained by curing with amines or anhydrides. Since many novolacs are solids, this class of hardeners is often employed for powder coatings.

Thiols[edit]

Also known as mercaptans, thiols contain a sulfur which reacts very readily with the epoxide group, even at ambient or sub-ambient temperatures. While the resulting network does not typically display high temperature or chemical resistance, the high reactivity of the thiol group makes it useful for applications where heated curing is not possible, or very fast cure is required e.g. for domestic DIY adhesives and chemical rock bolt anchors. Thiols have a characteristic odour, which can be detected in many two-component household adhesives.

Applications[edit]

The applications for epoxy-based materials are extensive and they are considered very versatile.^[32] The applications include coatings, adhesives^[33][34] and composite materials such as those using carbon fiber and fiberglass reinforcements (although polyester, vinyl ester, and other thermosetting resins are also used for glass-reinforced plastic). The chemistry of epoxies and the range of commercially available variations allows cure polymers to be produced with a very broad range of properties. They have been extensively used with concrete and cementitious systems.^[35] In general, epoxies are known for their excellent adhesion, chemical and heat resistance, good-to-excellent mechanical properties and very good electrical insulating properties. Many properties of epoxies can be modified (for example silver-filled epoxies with good electrical conductivity are available, although epoxies are typically electrically insulating). Variations offering high thermal insulation, or thermal conductivity combined with high electrical resistance for electronics applications, are available.^[36]

As with other classes of thermoset polymer materials, blending different grades of epoxy resin, as well as use of additives, plasticizers or fillers is common to achieve the desired processing or final properties, or to reduce cost. Use of blending, additives and fillers is often referred to as formulating.

All quantities of mix generate their own heat because the reaction is exothermic. Large quantities will generate more heat and thus greatly increase the rate of the reaction and so reduce working time (pot-life). So it is good practice to mix smaller amounts which can be used quickly to avoid waste and to be safer. There are various methods of toughening them, as they can be brittle.^[37] Rubber toughening is a key technology used for toughening.^[38][39]

Paints and coatings[edit]

Two part epoxy coatings were developed for heavy duty service on metal substrates and use less energy than heat-cured powder coatings. These systems provide a tough, protective coating with excellent hardness. One part epoxy coatings are formulated as an emulsion in water, and can be cleaned up without solvents.

Epoxy coatings are often used in industrial and automotive applications since they are more heat resistant than latex-based and alkyd-based paints. Epoxy paints tend to deteriorate, known as «chalking out», due to UV exposure.^[40] Epoxy coatings have also been used in drinking water applications.^[41]

Change in color, known as yellowing, is a common phenomenon for epoxy materials and is often of concern in art and conservation applications. Epoxy resins yellow with time, even when not exposed to UV radiation. Significant advances in understanding yellowing of epoxies were achieved by Down first in 1984 (natural dark aging) ^[42] and later in 1986 (high-intensity light aging).^[43] Down investigated various room-temperature-cure epoxy resin adhesives suitable for use in glass conservation, testing their tendency to yellow. A fundamental molecular understanding of epoxy yellowing was achieved, when Krauklis and Echtermeyer discovered the mechanistic origin of yellowing in a commonly used amine epoxy resin, published in 2018.^[44] They found that the molecular reason for epoxy yellowing was a thermo-oxidative evolution of carbonyl groups in the polymeric carbon–carbon backbone via a nucleophilic radical attack.

Polyester epoxies are used as powder coatings for washers, driers and other «white goods». Fusion Bonded Epoxy Powder Coatings (FBE) are extensively used for corrosion protection of steel pipes and fittings used in the oil and gas industry, potable water transmission pipelines (steel), and concrete reinforcing rebar. Epoxy coatings are also widely used as primers to improve the adhesion of automotive and marine paints especially on metal surfaces where corrosion (rusting) resistance is important. Metal cans and containers are often coated with epoxy to prevent rusting, especially for foods like tomatoes that are acidic. Epoxy resins are also used for decorative flooring applications such as terrazzo flooring, chip flooring, and colored aggregate flooring.

Epoxies have been modified in a variety of ways, including reacting with fatty acids derived from oils to yield epoxy esters, which were cured the same way as alkyds. Typical ones were L8 (80% linseed) and D4 (40% dehydrated castor oil). These were often reacted with styrene to make styrenated epoxy esters, used as primers. Curing with phenolics to make drum linings, curing esters with amine resins and pre-curing epoxies with amino resins to make resistant top coats. Organic chains maybe used to hydrophobically modify epoxy resins and change their properties. The effect of chain length of the modifiers has been studied.^[45]

One of the best examples was a system of using solvent free epoxies for priming ships during construction, this used a system of hot airless spray with premixing at the head. This obviated the problem of solvent retention under the film, which caused adhesion problems later on.

Adhesives[edit]

Epoxy adhesives are a major part of the class of adhesives called «structural adhesives» or «engineering adhesives» (that includes polyurethane, acrylic, cyanoacrylate, and other chemistries.) These high-performance adhesives are used in the construction of aircraft, automobiles, bicycles, boats, golf clubs, skis, snowboards, and other applications where high strength bonds are required. Epoxy adhesives can be developed to suit almost any application. They can be used as adhesives for wood, metal, glass, stone, and some plastics. They can be made flexible or rigid, transparent or opaque/colored, fast setting or slow setting. Epoxy adhesives are better in heat and chemical resistance than other common adhesives. In general, epoxy adhesives cured with heat will be more heat- and chemical-resistant than those cured at room temperature. The strength of epoxy adhesives is degraded at temperatures above 350 °F (177 °C).^[46]

Some epoxies are cured by exposure to ultraviolet light. Such epoxies are commonly used in optics, fiber optics, and optoelectronics.

Industrial tooling and composites[edit]

Epoxy systems are used in industrial tooling applications to produce molds, master models, laminates, castings, fixtures, and other industrial production aids. This «plastic tooling» replaces metal, wood and other traditional materials, and generally improves the efficiency and either lowers the overall cost or shortens the lead-time for many industrial processes. Epoxies are also used in producing fiber-reinforced or composite parts. They are more expensive than polyester resins and vinyl ester resins, but usually produce stronger and more temperature-resistant thermoset polymer matrix composite parts. Machine bedding to overcome vibrations is a use in the form of epoxy granite.

Wind turbine technology composites[edit]

Epoxy resins are used as bonding matrix along with glass or carbon fiber fabrics to produce composites with very high strength to weight characteristics, allowing longer and more efficient rotor blades to be produced.^[47] In addition, for offshore and onshore wind energy installations, epoxy resins are used as protective coatings on steel towers, base struts and concrete foundations. Aliphatic polyurethane top coats are applied on top to ensure full UV protection, prolong operational lifetimes and lowering maintenance costs. Electric generators, connected via the drivetrain with the rotor blades, convert mechanical wind energy to usable electric energy, and rely on epoxies electrical insulation and high thermal resistance properties. The same applies to transformers, bushings, spacers, and composites cables connecting the windmills to the grid. In Europe, wind energy components account for the largest segment of epoxy applications, about 27% of the market.^[48]

Electrical systems and electronics[edit]

Epoxy resin formulations are important in the electronics industry, and are employed in motors, generators, transformers, switchgear, bushings, insulators, printed wiring boards (PWB), and semiconductor encapsulants. Epoxy resins are excellent electrical insulators and protect electrical components from short circuiting, dust and moisture. In the electronics industry epoxy resins are the primary resin used in overmolding integrated circuits, transistors and hybrid circuits, and making printed circuit boards. The largest volume type of circuit board—an «FR-4 board»—is a sandwich of layers of glass cloth bonded into a composite by an epoxy resin. Epoxy resins are used to bond copper foil to circuit board substrates, and are a component of the solder mask on many circuit boards.

Flexible epoxy resins are used for potting transformers and inductors. By using vacuum impregnation on uncured epoxy, winding-to-winding, winding-to-core, and winding-to-insulator air voids are eliminated. The cured epoxy is an electrical insulator and a much better conductor of heat than air. Transformer and inductor hot spots are greatly reduced, giving the component a stable and longer life than unpotted product.

Epoxy resins are applied using the technology of resin dispensing.

Petroleum & petrochemical[edit]

Epoxies can be used to plug selective layers in a reservoir which are producing excessive brine. The technique is named «water shut-off treatment».^[28]

Consumer and marine applications[edit]

Epoxies are sold in hardware stores, typically as a pack containing separate resin and hardener, which must be mixed immediately before use. They are also sold in boat shops as repair resins for marine applications. Epoxies typically are not used in the outer layer of a boat because they deteriorate by exposure to UV light. They are often used during boat repair and assembly, and then over-coated with conventional or two-part polyurethane paint or marine-varnishes that provide UV protection.

There are two main areas of marine use. Because of the better mechanical properties relative to the more common polyester resins, epoxies are used for commercial manufacture of components where a high strength/weight ratio is required. The second area is that their strength, gap filling properties and excellent adhesion to many materials including timber have created a boom in amateur building projects including aircraft and boats.

Normal gelcoat formulated for use with polyester resins and vinylester resins does not adhere to epoxy surfaces, though epoxy adheres very well if applied to polyester resin surfaces. «Flocoat» that is normally used to coat the interior of polyester fibreglass yachts is also compatible with epoxies.

Epoxy materials tend to harden somewhat more gradually, while polyester materials tend to harden quickly, particularly if a lot of catalyst is used.^[49] The chemical reactions in both cases are exothermic.

While it is common to associate polyester resins and epoxy resins, their properties are sufficiently different that they are properly treated as distinct materials. Polyester resins are typically low strength unless used with a reinforcing material like glass fibre, are relatively brittle unless reinforced, and have low adhesion. Epoxies, by contrast, are inherently strong, somewhat flexible and have excellent adhesion. However, polyester resins are much cheaper.

Epoxy resins typically require a precise mix of two components which form a third chemical to get the stated properties. Depending on the properties required, the ratio may be anything from 1:1 or over 10:1, but in usually they must be mixed exactly. The final product is then a precise thermoset plastic. Until they are mixed the two elements are relatively inert, although the ‘hardeners’ tend to be more chemically active and should be protected from the atmosphere and moisture. The rate of the reaction can be changed by using different hardeners, which may change the nature of the final product, or by controlling the temperature.

By contrast, polyester resins are usually made available in a ‘promoted’ form, such that the progress of previously-mixed resins from liquid to solid is already underway, albeit very slowly. The only variable available to the user is to change the rate of this process using a catalyst, often Methyl-Ethyl-Ketone-Peroxide (MEKP), which is very toxic. The presence of the catalyst in the final product actually detracts from the desirable properties, so that small amounts of catalyst are preferable, so long as the hardening proceeds at an acceptable pace. The rate of cure of polyesters can therefore be controlled by the amount and type of catalyst as well as by the temperature.

As adhesives, epoxies bond in three ways: a) Mechanically, because the bonding surfaces are roughened; b) by proximity, because the cured resins are physically so close to the bonding surfaces that they are hard to separate; c) ionically, because the epoxy resins form ionic bonds at an atomic level with the bonding surfaces. This last is substantially the strongest of the three.^[50] By contrast, polyester resins can only bond using the first two of these, which greatly reduces their utility as adhesives and in marine repair.

Construction applications[edit]

Epoxies have been researched and used for construction for a few decades.^[51] Although they increase cost of mortars and concrete when used as an additive, they enhance properties. Research is ongoing to investigate the use of epoxies and other recycled plastics in mortars to enhance properties and recycle waste. Densifying plastic materials such as PET and plastic bags and then using them to partially replace aggregate and depolymerizing PET to use as a polymeric binder in addition to epoxy to enhance concrete are actively being studied.^[52]

Aerospace applications[edit]

In the aerospace industry, epoxy is used as a structural matrix material which is then reinforced by fiber. Typical fiber reinforcements include glass, carbon, Kevlar, and boron.
Epoxies are also used as a structural glue. Materials like wood, and others that are ‘low-tech’ are glued with epoxy resin. Epoxies generally out-perform most other resin types in terms of mechanical properties and resistance to environmental degradation.^[53]

Biology[edit]

Water-soluble epoxies such as Durcupan^[54][55] are commonly used for embedding electron microscope samples in plastic so they may be sectioned (sliced thin) with a microtome and then imaged.^[56]

Art[edit]

Epoxy resin, mixed with pigment, may be used as a painting medium, by pouring layers on top of each other to form a complete picture.^[57] It is also used in jewelry, as a doming resin for decorations and labels, and in decoupage type applications for art, countertops, and tables.^[58] It has been used and studied for art and historic structure preservation.^[59][60][61]

Production[edit]

The global epoxy resin market was valued at approximately $8 billion in 2016. The epoxy resin market is dominated by the Asia-Pacific region, which contributes 55.2% of the total market share. China is the major producer and consumer globally, consuming almost 35% of the global resin production. The global market is made up of approximately 50–100 manufacturers of basic or commodity epoxy resins and hardeners. In Europe, about 323,000 tonnes of epoxy resin were manufactured in 2017 generating some €1,055 million in sales. Germany ^[48] is the largest market for epoxy resins in Europe, followed by Italy, France, the UK, Spain, the Netherlands and Austria.

These commodity epoxy manufacturers mentioned above typically do not sell epoxy resins in a form usable to smaller end users, so there is another group of companies that purchases epoxy raw materials from the major producers and then compounds (blends, modifies, or otherwise customizes) epoxy systems from these raw materials. These companies are known as «formulators». The majority of the epoxy systems sold are produced by these formulators and they comprise over 60% of the dollar value of the epoxy market. There are hundreds of ways that these formulators can modify epoxies—by adding mineral fillers (talc, silica, alumina, etc.), by adding flexibilizers, viscosity reducers, colorants, thickeners, accelerators, adhesion promoters, etc. These modifications are made to reduce costs, to improve performance, and to improve processing convenience. As a result, a typical formulator sells dozens or even thousands of formulations—each tailored to the requirements of a particular application or market.

The raw materials for epoxy resin production are today largely petroleum derived, although some plant derived sources are now becoming commercially available (e.g. plant derived glycerol used to make epichlorohydrin).

Renewable, recycled, waterborne and biobased epoxy[edit]

As there is a general trend to renewable and «green» sources and greater use of biobased materials, research is ongoing in the epoxy arena too.^[62][63] Waterborne epoxy paints have been around since the 1970s and research is ongoing.^[64] There is also movement to use waste as well as recycled raw materials where possible. Waste granite filings are produced in the mining industry. Research is being done on innovative solutions such as using waste granite powders in epoxy resins and designing binders for coatings based on this.^[65]

Health risks[edit]

Liquid epoxy resins in their uncured state are mostly classed as irritant to the eyes and skin, as well as toxic to aquatic organisms.^[66] Solid epoxy resins are generally safer than liquid epoxy resins, and many are classified non-hazardous materials. One particular risk associated with epoxy resins is sensitization. The risk has been shown to be more pronounced in epoxy resins containing low molecular weight epoxy diluents.^[67] Exposure to epoxy resins can, over time, induce an allergic reaction. Sensitization generally occurs due to repeated exposure (e.g. through poor working hygiene or lack of protective equipment) over a long period of time. Allergic reaction sometimes occurs at a time which is delayed several days from the exposure. Allergic reaction is often visible in the form of dermatitis, particularly in areas where the exposure has been highest (commonly hands and forearms). Epoxy use is a main source of occupational asthma among users of plastics.^[68] Safe disposal also needs considering but usually involves deliberate curing to produce solid rather than liquid waste.^[69]

References[edit]

External links[edit]

• Epoxy Resin Systems (California Department of Public Health) Link Updated 31 August 2021
• The chemistry of epoxide

Further reading[edit]

• Epoxy resin technology. Paul F. Bruins, Polytechnic Institute of Brooklyn. New York: Interscience Publishers. 1968. ISBN 0-470-11390-1. OCLC 182890.{{cite book}}: CS1 maint: others (link)
• Flick, Ernest W. (1993). Epoxy resins, curing agents, compounds, and modifiers : an industrial guide. Park Ridge, NJ. ISBN 978-0-8155-1708-5. OCLC 915134542.
• Lee, Henry (1967). Handbook of epoxy resins. Kris Neville ([2nd, expanded work] ed.). New York: McGraw-Hill. ISBN 0-07-036997-6. OCLC 311631322.
• «Amines | Introduction to Chemistry». courses.lumenlearning.com. Retrieved 2021-07-22.

This article is about the thermoset plastic materials. For the chemical group, see epoxide.

Epoxy is the family of basic components or cured end products of epoxy resins. Epoxy resins, also known as polyepoxides, are a class of reactive prepolymers and polymers which contain epoxide groups. The epoxide functional group is also collectively called epoxy.^[1] The IUPAC name for an epoxide group is an oxirane.

Epoxy resins may be reacted (cross-linked) either with themselves through catalytic homopolymerisation, or with a wide range of co-reactants including polyfunctional amines, acids (and acid anhydrides), phenols, alcohols and thiols (usually called mercaptans). These co-reactants are often referred to as hardeners or curatives, and the cross-linking reaction is commonly referred to as curing.

Reaction of polyepoxides with themselves or with polyfunctional hardeners forms a thermosetting polymer, often with favorable mechanical properties and high thermal and chemical resistance. Epoxy has a wide range of applications, including metal coatings, composites,^[2] use in electronics, electrical components (e.g. for chips on board ), LEDs, high-tension electrical insulators, paint brush manufacturing, fiber-reinforced plastic materials, and adhesives for structural^[3] and other purposes.^[4][5]

The health risks associated with exposure to epoxy resin compounds include contact dermatitis and allergic reactions, as well as respiratory problems from breathing vapor and sanding dust, especially when not fully cured.^[6][7][8]

History[edit]

Condensation of epoxides and amines was first reported and patented by Paul Schlack of Germany in 1934.^[9] Claims of discovery of bisphenol-A-based epoxy resins include Pierre Castan^[10] in 1943. Castan’s work was licensed by Ciba, Ltd. of Switzerland, which went on to become one of the three major epoxy resin producers worldwide. Ciba’s epoxy business was spun off as Vantico in the late 1990s, which was subsequently sold in 2003 and became the Advanced Materials business unit of Huntsman Corporation of the United States. In 1946, Sylvan Greenlee, working for the Devoe & Raynolds Company, patented resin derived from bisphenol-A and epichlorohydrin.^[11] Devoe & Raynolds, which was active in the early days of the epoxy resin industry, was sold to Shell Chemical; the division involved in this work was eventually sold, and via a series of other corporate transactions is now part of Hexion Inc.^[12]

Chemistry[edit]

Most of the commercially used epoxy monomers are produced by the reaction of a compound with acidic hydroxy groups and epichlorohydrin. First a hydroxy group reacts in a coupling reaction with epichlorohydrin, followed by dehydrohalogenation. Epoxy resins produced from such epoxy monomers are called glycidyl-based epoxy resins. The hydroxy group may be derived from aliphatic diols, polyols (polyether polyols), phenolic compounds or dicarboxylic acids. Phenols can be compounds such as bisphenol A and novolak. Polyols can be compounds such as 1,4-butanediol. Di- and polyols lead to glycidyl ethers. Dicarboxylic acids such as hexahydrophthalic acid are used for diglycide ester resins. Instead of a hydroxy group, also the nitrogen atom of an amine or amide can be reacted with epichlorohydrin.

The other production route for epoxy resins is the conversion of aliphatic or cycloaliphatic alkenes with peracids:^[13][14] In contrast to glycidyl-based epoxy resins, this production of such epoxy monomers does not require an acidic hydrogen atom but an aliphatic double bond.

The epoxide group is also sometimes referred to as a oxirane group.

Bisphenol-based[edit]

The most common epoxy resins are based on reacting epichlorohydrin (ECH) with bisphenol A,  resulting in a different chemical substance known as bisphenol A diglycidyl ether (commonly known as BADGE or DGEBA). Bisphenol A-based resins are the most widely commercialised resins but also other bisphenols are analogously reacted with epichlorohydrin, for example Bisphenol F.

In this two-stage reaction, epichlorohydrin is first added to bisphenol A (bis(3-chloro-2-hydroxy-propoxy)bisphenol A is formed), then a bisepoxide is formed in a condensation reaction with a stoichiometric amount of sodium hydroxide. The chlorine atom is released as sodium chloride (NaCl) and the hydrogen atom as water.

Higher molecular weight diglycidyl ethers (n ≥ 1) are formed by the reaction of the bisphenol A diglycidyl ether formed with further bisphenol A, this is called prepolymerization:

A product comprising a few repeat units (n = 1 to 2) is a viscous, clear liquid; this is called a liquid epoxy resin. A product comprising more repeating units (n = 2 to 30) is at room temperature a colourless solid, which is correspondingly referred to as solid epoxy resin.

Instead of bisphenol A, other bisphenols (especially bisphenol F) or brominated bisphenols (e. g. tetrabromobisphenol A) can be used for the said epoxidation and prepolymerisation. Bisphenol F may undergo epoxy resin formation in a similar fashion to bisphenol A. These resins typically have lower viscosity and a higher mean epoxy content per gram than bisphenol A resins, which (once cured) gives them increased chemical resistance.

Important epoxy resins are produced from combining epichlorohydrin and bisphenol A to give bisphenol A diglycidyl ethers.

Increasing the ratio of bisphenol A to epichlorohydrin during manufacture produces higher molecular weight linear polyethers with glycidyl end groups, which are semi-solid to hard crystalline materials at room temperature depending on the molecular weight achieved. This route of synthesis is known as the «taffy» process. The usual route to higher molecular weight epoxy resins is to start with liquid epoxy resin (LER) and add a calculated amount of bisphenol A and then a catalyst is added and the reaction heated to circa 160 °C (320 °F). This process is known as «advancement».^[15] As the molecular weight of the resin increases, the epoxide content reduces and the material behaves more and more like a thermoplastic. Very high molecular weight polycondensates (ca. 30,000–70,000 g/mol) form a class known as phenoxy resins and contain virtually no epoxide groups (since the terminal epoxy groups are insignificant compared to the total size of the molecule). These resins do however contain hydroxyl groups throughout the backbone, which may also undergo other cross-linking reactions, e.g. with aminoplasts, phenoplasts and isocyanates.

Epoxy resins are polymeric or semi-polymeric materials or an oligomer, and as such rarely exist as pure substances, since variable chain length results from the polymerisation reaction used to produce them. High purity grades can be produced for certain applications, e.g. using a distillation purification process. One downside of high purity liquid grades is their tendency to form crystalline solids due to their highly regular structure, which then require melting to enable processing.

An important criterion for epoxy resins is the Epoxy value which is connected to the epoxide group content. This is expressed as the «epoxide equivalent weight«, which is the ratio between the molecular weight of the Rorar and the number of epoxide groups. This parameter is used to calculate the mass of co-reactant (hardener) to use when curing epoxy resins. Epoxies are typically cured with stoichiometric or near-stoichiometric quantities of hardener to achieve the best physical properties.

Novolaks[edit]

Novolaks are produced by reacting phenol with methanal (formaldehyde). The reaction of epichlorohydrin and novolaks produces novolaks with glycidyl residues, such as epoxyphenol novolak (EPN) or epoxycresol novolak (ECN). These highly viscous to solid resins typically carry 2 to 6 epoxy groups per molecule. By curing, highly cross-linked polymers with high temperature and chemical resistance but low mechanical flexibility are formed due to the high functionality, and hence high crosslink density of these resins.^[13]

Aliphatic[edit]

There are two common types of aliphatic epoxy resins: those obtained by epoxidation of double bonds (cycloaliphatic epoxides and epoxidized vegetable oils) and those formed by reaction with epichlorohydrin (glycidyl ethers and esters).

Cycloaliphatic epoxides contain one or more aliphatic rings in the molecule on which the oxirane ring is contained (e.g. 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3′,4′-epoxycyclohexane carboxylate). They are produced by the reaction of a cyclic alkene with a peracid (see above).^[16] Cycloaliphatic epoxides are characterised by their aliphatic structure, high oxirane content and the absence of chlorine, which results in low viscosity and (once cured) good weather resistance, low dielectric constants and high T_g. However, aliphatic epoxy resins polymerize very slowly at room temperature, so higher temperatures and suitable accelerators are usually required. Because aliphatic epoxies have a lower electron density than aromatics, cycloaliphatic epoxies react less readily with nucleophiles than bisphenol A-based epoxy resins (which have aromatic ether groups). This means that conventional nucleophilic hardeners such as amines are hardly suitable for crosslinking. Cycloaliphatic epoxides are therefore usually homopolymerized thermally or UV-initiated in an electrophilic or cationic reaction. Due to the low dielectric constants and the absence of chlorine, cycloaliphatic epoxides are often used to encapsulate electronic systems, such as microchips or LEDs. They are also used for radiation-cured paints and varnishes. Due to their high price, however, their use has so far been limited to such applications.^[13]

Epoxidized vegetable oils are formed by epoxidation of unsaturated fatty acids by reaction with peracids. In this case, the peracids can also be formed in situ by reacting carboxylic acids with hydrogen peroxide. Compared with LERs (liquid epoxy resins) they have very low viscosities. If, however, they are used in larger proportions as reactive diluents, this often leads to reduced chemical and thermal resistance and to poorer mechanical properties of the cured epoxides. Large scale epoxidized vegetable oils such as epoxidized soy and lens oils are used to a large extent as secondary plasticizers and cost stabilizers for PVC.^[13]

Aliphatic glycidyl epoxy resins of low molar mass (mono-, bi- or polyfunctional) are formed by the reaction of epichlorohydrin with aliphatic alcohols or polyols (glycidyl ethers are formed) or with aliphatic carboxylic acids (glycidyl esters are formed). The reaction is carried out in the presence of a base such as sodium hydroxide, analogous to the formation of bisphenol A-diglycidyl ether. Also aliphatic glycidyl epoxy resins usually have a low viscosity compared to aromatic epoxy resins. They are therefore added to other epoxy resins as reactive diluents or as adhesion promoters. Epoxy resins made of (long-chain) polyols are also added to improve tensile strength and impact strength.

A related class is cycloaliphatic epoxy resin, which contains one or more cycloaliphatic rings in the molecule (e.g. 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexane carboxylate). This class also displays lower viscosity at room temperature, but offers significantly higher temperature resistance than the aliphatic epoxy diluents. However, reactivity is rather low compared to other classes of epoxy resin, and high temperature curing using suitable accelerators is normally required. As aromaticity is not present in these materials as it is in Bisphenol A and F resins, the UV stability is considerably improved.

Halogenated[edit]

Halogenated epoxy resins are admixed for special properties, in particular brominated and fluorinated epoxy resins are used.^[13]

Brominated bisphenol A is used when flame retardant properties are required, such as in some electrical applications (e.g. printed circuit boards). The tetrabrominated bisphenol A (TBBPA, 2,2-bis(3,5-dibromophenyl)propane) or its diglycidyl ether, 2,2-bis[3,5-dibromo-4-(2,3-epoxypropoxy)phenyl]propane, can be added to the epoxy formulation. The formulation may then be reacted in the same way as pure bisphenol A. Some (non-crosslinked) epoxy resins with very high molar mass are added to engineering thermoplastics, again to achieve flame retardant properties.

Fluorinated epoxy resins have been investigated for some high performance applications, such as the fluorinated diglycidether 5-heptafluoropropyl-1,3-bis[2-(2,3-epoxypropoxy)hexafluoro-2-propyl]benzene. As it has a low surface tension, it is added as a wetting agent (surfactant) for contact with glass fibres. Its reactivity to hardeners is comparable to that of bisphenol A. When cured, the epoxy resin leads to a thermosetting plastic with high chemical resistance and low water absorption. However, the commercial use of fluorinated epoxy resins is limited by their high cost and low T_g.

Diluents[edit]

Epoxy resins diluents are typically formed by glycidylation of aliphatic alcohols or polyols and also aromatic alcohols.^[17][18] The resulting materials may be monofunctional (e.g. dodecanol glycidyl ether), difunctional (1,4-Butanediol diglycidyl ether), or higher functionality (e.g. trimethylolpropane triglycidyl ether). These resins typically display low viscosity at room temperature (10–200 mPa.s) and are often referred to as reactive diluents.^[19] They are rarely used alone, but are rather employed to modify (reduce) the viscosity of other epoxy resins.^[20] This has led to the term ‘modified epoxy resin’ to denote those containing viscosity-lowering reactive diluents.^[21] The use of the diluent does effect mechanical properties and microstructure of epoxy resins.^[22] Mechanical properties of epoxy resins are generally not improved by use of diluents.^[23] Biobased epoxy diluents are also available.^[24]

Glycidylamine[edit]

Glycidylamine epoxy resins are higher functionality epoxies which are formed when aromatic amines are reacted with epichlorohydrin. Important industrial grades are triglycidyl-p-aminophenol (functionality 3) and N,N,N′,N′-tetraglycidyl-bis-(4-aminophenyl)-methane (functionality 4). The resins are low to medium viscosity at room temperature, which makes them easier to process than EPN or ECN resins. This coupled with high reactivity, plus high temperature resistance and mechanical properties of the resulting cured network makes them important materials for aerospace composite applications.

Curing[edit]

There are several dozen chemicals that can be used to cure epoxy, including amines, imidazoles, anhydrides and photosensitive chemicals.^[25] The study of epoxy curing is usually caried out by using Differential scanning calorimetry.^[26]

In general, uncured epoxy resins have only poor mechanical, chemical and heat resistance properties.^[27] However, good properties are obtained by reacting the linear epoxy resin with suitable curatives to form three-dimensional cross-linked thermoset structures. This process is commonly referred to as curing or gelation process.^[28] Curing of epoxy resins is an exothermic reaction and in some cases produces sufficient heat to cause thermal degradation if not controlled.^[29] Curing does induce residual stress in epoxy systems which have been studied.^[30] They may be alleviated with flexibilisers.

Curing may be achieved by reacting an epoxy with itself (homopolymerisation) or by forming a copolymer with polyfunctional curatives or hardeners. This curing is what produces the qualities of the substance such as resistance, durability, versatility, and adhesion. In principle, any molecule containing a reactive hydrogen may react with the epoxide groups of the epoxy resin. Common classes of hardeners for epoxy resins include amines, acids, acid anhydrides, phenols, alcohols and thiols. Relative reactivity (lowest first) is approximately in the order: phenol < anhydride < aromatic amine < cycloaliphatic amine < aliphatic amine < thiol.

While some epoxy resin/ hardener combinations will cure at ambient temperature, many require heat, with temperatures up to 150 °C (302 °F) being common, and up to 200 °C (392 °F) for some specialist systems. Insufficient heat during cure will result in a network with incomplete polymerisation, and thus reduced mechanical, chemical and heat resistance. Cure temperature should typically attain the glass transition temperature (T_g) of the fully cured network in order to achieve maximum properties. Temperature is sometimes increased in a step-wise fashion to control the rate of curing and prevent excessive heat build-up from the exothermic reaction.

Hardeners which show only low or limited reactivity at ambient temperature, but which react with epoxy resins at elevated temperature are referred to as latent hardeners. When using latent hardeners, the epoxy resin and hardener may be mixed and stored for some time prior to use, which is advantageous for many industrial processes. Very latent hardeners enable one-component (1K) products to be produced, whereby the resin and hardener are supplied pre-mixed to the end user and only require heat to initiate curing. One-component products generally have shorter shelf-lives than standard 2-component systems, and products may require cooled storage and transport.

The epoxy curing reaction may be accelerated by addition of small quantities of accelerators. Tertiary amines, carboxylic acids and alcohols (especially phenols) are effective accelerators. Bisphenol A is a highly effective and widely used accelerator, but is now increasingly replaced due to health concerns with this substance.

Homopolymerisation[edit]

Epoxy resin may be reacted with itself in the presence of an anionic catalyst (a Lewis base such as tertiary amines or imidazoles) or a cationic catalyst (a Lewis acid such as a boron trifluoride complex) to form a cured network. This process is known as catalytic homopolymerisation. The resulting network contains only ether bridges, and exhibits high thermal and chemical resistance, but is brittle and often requires elevated temperature for the curing process, so finds only niche applications industrially.
Epoxy homopolymerisation is often used when there is a requirement for UV curing, since cationic UV catalysts may be employed (e.g. for UV coatings).

Amines[edit]

Polyfunctional primary amines form an important class of epoxy hardeners. Primary amines undergo an addition reaction with the epoxide group to form a hydroxyl group and a secondary amine. The secondary amine can further react with an epoxide to form a tertiary amine and an additional hydroxyl group. Kinetic studies have shown the reactivity of the primary amine to be approximately double that of the secondary amine. Use of a difunctional or polyfunctional amine forms a three-dimensional cross-linked network.
Aliphatic, cycloaliphatic and aromatic amines are all employed as epoxy hardeners. Amine type hardeners will alter both the processing properties (viscosity, reactivity) and the final properties (mechanical, temperature and heat resistance) of the cured copolymer network. Thus amine structure is normally selected according to the application. Overall reactivity potential for different hardeners can roughly be ordered; aliphatic amines > cycloaliphatic amines > aromatic amines, though aliphatic amines with steric hindrance near the amino groups may react as slowly as some of the aromatic amines. Slower reactivity allows longer working times for processors. Temperature resistance generally increases in the same order, since aromatic amines form much more rigid structures than aliphatic amines. Aromatic amines were widely used as epoxy resin hardeners, due to the excellent end properties when mixed with a parent resin. Over the past few decades concern about the possible adverse health effects of many aromatic amines has led to increased use of aliphatic or cycloaliphatic amine alternatives. Amines are also blended, adducted and reacted to alter properties and these amine resins are more often used to cure epoxy resins than a pure amine such as TETA. Increasingly, water-based polyamines are also used to help reduce the toxicity profile among other reasons.^{[citation needed]}

Anhydrides[edit]

Epoxy resins may be thermally cured with anhydrides to create polymers with significant property retention at elevated temperatures for extended periods of time. Reaction and subsequent crosslinking occur only after opening of the anhydride ring, e.g. by secondary hydroxyl groups in the epoxy resin. Homopolymerization may also occur between epoxide and hydroxyl groups. The high latency of anhydride hardeners makes them suitable for processing systems which require addition of mineral fillers prior to curing, e.g. for high voltage electrical insulators. Cure speed may be improved by matching anhydrides with suitable accelerators. For dianhydrides, and to a lesser extent, monoanhydrides, non-stoichiometric, empirical determinations are often used to optimize dosing levels. In some cases, blends of dianhydrides and monoanhydrides can improve metering and mixing with liquid epoxy resins.^[31]

Phenols[edit]

Polyphenols, such as bisphenol A or novolacs can react with epoxy resins at elevated temperatures (130–180 °C, 266–356 °F), normally in the presence of a catalyst. The resulting material has ether linkages and displays higher chemical and oxidation resistance than typically obtained by curing with amines or anhydrides. Since many novolacs are solids, this class of hardeners is often employed for powder coatings.

Thiols[edit]

Also known as mercaptans, thiols contain a sulfur which reacts very readily with the epoxide group, even at ambient or sub-ambient temperatures. While the resulting network does not typically display high temperature or chemical resistance, the high reactivity of the thiol group makes it useful for applications where heated curing is not possible, or very fast cure is required e.g. for domestic DIY adhesives and chemical rock bolt anchors. Thiols have a characteristic odour, which can be detected in many two-component household adhesives.

Applications[edit]

The applications for epoxy-based materials are extensive and they are considered very versatile.^[32] The applications include coatings, adhesives^[33][34] and composite materials such as those using carbon fiber and fiberglass reinforcements (although polyester, vinyl ester, and other thermosetting resins are also used for glass-reinforced plastic). The chemistry of epoxies and the range of commercially available variations allows cure polymers to be produced with a very broad range of properties. They have been extensively used with concrete and cementitious systems.^[35] In general, epoxies are known for their excellent adhesion, chemical and heat resistance, good-to-excellent mechanical properties and very good electrical insulating properties. Many properties of epoxies can be modified (for example silver-filled epoxies with good electrical conductivity are available, although epoxies are typically electrically insulating). Variations offering high thermal insulation, or thermal conductivity combined with high electrical resistance for electronics applications, are available.^[36]

As with other classes of thermoset polymer materials, blending different grades of epoxy resin, as well as use of additives, plasticizers or fillers is common to achieve the desired processing or final properties, or to reduce cost. Use of blending, additives and fillers is often referred to as formulating.

All quantities of mix generate their own heat because the reaction is exothermic. Large quantities will generate more heat and thus greatly increase the rate of the reaction and so reduce working time (pot-life). So it is good practice to mix smaller amounts which can be used quickly to avoid waste and to be safer. There are various methods of toughening them, as they can be brittle.^[37] Rubber toughening is a key technology used for toughening.^[38][39]

Paints and coatings[edit]

Two part epoxy coatings were developed for heavy duty service on metal substrates and use less energy than heat-cured powder coatings. These systems provide a tough, protective coating with excellent hardness. One part epoxy coatings are formulated as an emulsion in water, and can be cleaned up without solvents.

Epoxy coatings are often used in industrial and automotive applications since they are more heat resistant than latex-based and alkyd-based paints. Epoxy paints tend to deteriorate, known as «chalking out», due to UV exposure.^[40] Epoxy coatings have also been used in drinking water applications.^[41]

Change in color, known as yellowing, is a common phenomenon for epoxy materials and is often of concern in art and conservation applications. Epoxy resins yellow with time, even when not exposed to UV radiation. Significant advances in understanding yellowing of epoxies were achieved by Down first in 1984 (natural dark aging) ^[42] and later in 1986 (high-intensity light aging).^[43] Down investigated various room-temperature-cure epoxy resin adhesives suitable for use in glass conservation, testing their tendency to yellow. A fundamental molecular understanding of epoxy yellowing was achieved, when Krauklis and Echtermeyer discovered the mechanistic origin of yellowing in a commonly used amine epoxy resin, published in 2018.^[44] They found that the molecular reason for epoxy yellowing was a thermo-oxidative evolution of carbonyl groups in the polymeric carbon–carbon backbone via a nucleophilic radical attack.

Polyester epoxies are used as powder coatings for washers, driers and other «white goods». Fusion Bonded Epoxy Powder Coatings (FBE) are extensively used for corrosion protection of steel pipes and fittings used in the oil and gas industry, potable water transmission pipelines (steel), and concrete reinforcing rebar. Epoxy coatings are also widely used as primers to improve the adhesion of automotive and marine paints especially on metal surfaces where corrosion (rusting) resistance is important. Metal cans and containers are often coated with epoxy to prevent rusting, especially for foods like tomatoes that are acidic. Epoxy resins are also used for decorative flooring applications such as terrazzo flooring, chip flooring, and colored aggregate flooring.

Epoxies have been modified in a variety of ways, including reacting with fatty acids derived from oils to yield epoxy esters, which were cured the same way as alkyds. Typical ones were L8 (80% linseed) and D4 (40% dehydrated castor oil). These were often reacted with styrene to make styrenated epoxy esters, used as primers. Curing with phenolics to make drum linings, curing esters with amine resins and pre-curing epoxies with amino resins to make resistant top coats. Organic chains maybe used to hydrophobically modify epoxy resins and change their properties. The effect of chain length of the modifiers has been studied.^[45]

One of the best examples was a system of using solvent free epoxies for priming ships during construction, this used a system of hot airless spray with premixing at the head. This obviated the problem of solvent retention under the film, which caused adhesion problems later on.

Adhesives[edit]

Epoxy adhesives are a major part of the class of adhesives called «structural adhesives» or «engineering adhesives» (that includes polyurethane, acrylic, cyanoacrylate, and other chemistries.) These high-performance adhesives are used in the construction of aircraft, automobiles, bicycles, boats, golf clubs, skis, snowboards, and other applications where high strength bonds are required. Epoxy adhesives can be developed to suit almost any application. They can be used as adhesives for wood, metal, glass, stone, and some plastics. They can be made flexible or rigid, transparent or opaque/colored, fast setting or slow setting. Epoxy adhesives are better in heat and chemical resistance than other common adhesives. In general, epoxy adhesives cured with heat will be more heat- and chemical-resistant than those cured at room temperature. The strength of epoxy adhesives is degraded at temperatures above 350 °F (177 °C).^[46]

Some epoxies are cured by exposure to ultraviolet light. Such epoxies are commonly used in optics, fiber optics, and optoelectronics.

Industrial tooling and composites[edit]

Epoxy systems are used in industrial tooling applications to produce molds, master models, laminates, castings, fixtures, and other industrial production aids. This «plastic tooling» replaces metal, wood and other traditional materials, and generally improves the efficiency and either lowers the overall cost or shortens the lead-time for many industrial processes. Epoxies are also used in producing fiber-reinforced or composite parts. They are more expensive than polyester resins and vinyl ester resins, but usually produce stronger and more temperature-resistant thermoset polymer matrix composite parts. Machine bedding to overcome vibrations is a use in the form of epoxy granite.

Wind turbine technology composites[edit]

Epoxy resins are used as bonding matrix along with glass or carbon fiber fabrics to produce composites with very high strength to weight characteristics, allowing longer and more efficient rotor blades to be produced.^[47] In addition, for offshore and onshore wind energy installations, epoxy resins are used as protective coatings on steel towers, base struts and concrete foundations. Aliphatic polyurethane top coats are applied on top to ensure full UV protection, prolong operational lifetimes and lowering maintenance costs. Electric generators, connected via the drivetrain with the rotor blades, convert mechanical wind energy to usable electric energy, and rely on epoxies electrical insulation and high thermal resistance properties. The same applies to transformers, bushings, spacers, and composites cables connecting the windmills to the grid. In Europe, wind energy components account for the largest segment of epoxy applications, about 27% of the market.^[48]

Electrical systems and electronics[edit]

Epoxy resin formulations are important in the electronics industry, and are employed in motors, generators, transformers, switchgear, bushings, insulators, printed wiring boards (PWB), and semiconductor encapsulants. Epoxy resins are excellent electrical insulators and protect electrical components from short circuiting, dust and moisture. In the electronics industry epoxy resins are the primary resin used in overmolding integrated circuits, transistors and hybrid circuits, and making printed circuit boards. The largest volume type of circuit board—an «FR-4 board»—is a sandwich of layers of glass cloth bonded into a composite by an epoxy resin. Epoxy resins are used to bond copper foil to circuit board substrates, and are a component of the solder mask on many circuit boards.

Flexible epoxy resins are used for potting transformers and inductors. By using vacuum impregnation on uncured epoxy, winding-to-winding, winding-to-core, and winding-to-insulator air voids are eliminated. The cured epoxy is an electrical insulator and a much better conductor of heat than air. Transformer and inductor hot spots are greatly reduced, giving the component a stable and longer life than unpotted product.

Epoxy resins are applied using the technology of resin dispensing.

Petroleum & petrochemical[edit]

Epoxies can be used to plug selective layers in a reservoir which are producing excessive brine. The technique is named «water shut-off treatment».^[28]

Consumer and marine applications[edit]

Epoxies are sold in hardware stores, typically as a pack containing separate resin and hardener, which must be mixed immediately before use. They are also sold in boat shops as repair resins for marine applications. Epoxies typically are not used in the outer layer of a boat because they deteriorate by exposure to UV light. They are often used during boat repair and assembly, and then over-coated with conventional or two-part polyurethane paint or marine-varnishes that provide UV protection.

There are two main areas of marine use. Because of the better mechanical properties relative to the more common polyester resins, epoxies are used for commercial manufacture of components where a high strength/weight ratio is required. The second area is that their strength, gap filling properties and excellent adhesion to many materials including timber have created a boom in amateur building projects including aircraft and boats.

Normal gelcoat formulated for use with polyester resins and vinylester resins does not adhere to epoxy surfaces, though epoxy adheres very well if applied to polyester resin surfaces. «Flocoat» that is normally used to coat the interior of polyester fibreglass yachts is also compatible with epoxies.

Epoxy materials tend to harden somewhat more gradually, while polyester materials tend to harden quickly, particularly if a lot of catalyst is used.^[49] The chemical reactions in both cases are exothermic.

While it is common to associate polyester resins and epoxy resins, their properties are sufficiently different that they are properly treated as distinct materials. Polyester resins are typically low strength unless used with a reinforcing material like glass fibre, are relatively brittle unless reinforced, and have low adhesion. Epoxies, by contrast, are inherently strong, somewhat flexible and have excellent adhesion. However, polyester resins are much cheaper.

Epoxy resins typically require a precise mix of two components which form a third chemical to get the stated properties. Depending on the properties required, the ratio may be anything from 1:1 or over 10:1, but in usually they must be mixed exactly. The final product is then a precise thermoset plastic. Until they are mixed the two elements are relatively inert, although the ‘hardeners’ tend to be more chemically active and should be protected from the atmosphere and moisture. The rate of the reaction can be changed by using different hardeners, which may change the nature of the final product, or by controlling the temperature.

By contrast, polyester resins are usually made available in a ‘promoted’ form, such that the progress of previously-mixed resins from liquid to solid is already underway, albeit very slowly. The only variable available to the user is to change the rate of this process using a catalyst, often Methyl-Ethyl-Ketone-Peroxide (MEKP), which is very toxic. The presence of the catalyst in the final product actually detracts from the desirable properties, so that small amounts of catalyst are preferable, so long as the hardening proceeds at an acceptable pace. The rate of cure of polyesters can therefore be controlled by the amount and type of catalyst as well as by the temperature.

As adhesives, epoxies bond in three ways: a) Mechanically, because the bonding surfaces are roughened; b) by proximity, because the cured resins are physically so close to the bonding surfaces that they are hard to separate; c) ionically, because the epoxy resins form ionic bonds at an atomic level with the bonding surfaces. This last is substantially the strongest of the three.^[50] By contrast, polyester resins can only bond using the first two of these, which greatly reduces their utility as adhesives and in marine repair.

Construction applications[edit]

Epoxies have been researched and used for construction for a few decades.^[51] Although they increase cost of mortars and concrete when used as an additive, they enhance properties. Research is ongoing to investigate the use of epoxies and other recycled plastics in mortars to enhance properties and recycle waste. Densifying plastic materials such as PET and plastic bags and then using them to partially replace aggregate and depolymerizing PET to use as a polymeric binder in addition to epoxy to enhance concrete are actively being studied.^[52]

Aerospace applications[edit]

In the aerospace industry, epoxy is used as a structural matrix material which is then reinforced by fiber. Typical fiber reinforcements include glass, carbon, Kevlar, and boron.
Epoxies are also used as a structural glue. Materials like wood, and others that are ‘low-tech’ are glued with epoxy resin. Epoxies generally out-perform most other resin types in terms of mechanical properties and resistance to environmental degradation.^[53]

Biology[edit]

Water-soluble epoxies such as Durcupan^[54][55] are commonly used for embedding electron microscope samples in plastic so they may be sectioned (sliced thin) with a microtome and then imaged.^[56]

Art[edit]

Epoxy resin, mixed with pigment, may be used as a painting medium, by pouring layers on top of each other to form a complete picture.^[57] It is also used in jewelry, as a doming resin for decorations and labels, and in decoupage type applications for art, countertops, and tables.^[58] It has been used and studied for art and historic structure preservation.^[59][60][61]

Production[edit]

The global epoxy resin market was valued at approximately $8 billion in 2016. The epoxy resin market is dominated by the Asia-Pacific region, which contributes 55.2% of the total market share. China is the major producer and consumer globally, consuming almost 35% of the global resin production. The global market is made up of approximately 50–100 manufacturers of basic or commodity epoxy resins and hardeners. In Europe, about 323,000 tonnes of epoxy resin were manufactured in 2017 generating some €1,055 million in sales. Germany ^[48] is the largest market for epoxy resins in Europe, followed by Italy, France, the UK, Spain, the Netherlands and Austria.

These commodity epoxy manufacturers mentioned above typically do not sell epoxy resins in a form usable to smaller end users, so there is another group of companies that purchases epoxy raw materials from the major producers and then compounds (blends, modifies, or otherwise customizes) epoxy systems from these raw materials. These companies are known as «formulators». The majority of the epoxy systems sold are produced by these formulators and they comprise over 60% of the dollar value of the epoxy market. There are hundreds of ways that these formulators can modify epoxies—by adding mineral fillers (talc, silica, alumina, etc.), by adding flexibilizers, viscosity reducers, colorants, thickeners, accelerators, adhesion promoters, etc. These modifications are made to reduce costs, to improve performance, and to improve processing convenience. As a result, a typical formulator sells dozens or even thousands of formulations—each tailored to the requirements of a particular application or market.

The raw materials for epoxy resin production are today largely petroleum derived, although some plant derived sources are now becoming commercially available (e.g. plant derived glycerol used to make epichlorohydrin).

Renewable, recycled, waterborne and biobased epoxy[edit]

As there is a general trend to renewable and «green» sources and greater use of biobased materials, research is ongoing in the epoxy arena too.^[62][63] Waterborne epoxy paints have been around since the 1970s and research is ongoing.^[64] There is also movement to use waste as well as recycled raw materials where possible. Waste granite filings are produced in the mining industry. Research is being done on innovative solutions such as using waste granite powders in epoxy resins and designing binders for coatings based on this.^[65]

Health risks[edit]

Liquid epoxy resins in their uncured state are mostly classed as irritant to the eyes and skin, as well as toxic to aquatic organisms.^[66] Solid epoxy resins are generally safer than liquid epoxy resins, and many are classified non-hazardous materials. One particular risk associated with epoxy resins is sensitization. The risk has been shown to be more pronounced in epoxy resins containing low molecular weight epoxy diluents.^[67] Exposure to epoxy resins can, over time, induce an allergic reaction. Sensitization generally occurs due to repeated exposure (e.g. through poor working hygiene or lack of protective equipment) over a long period of time. Allergic reaction sometimes occurs at a time which is delayed several days from the exposure. Allergic reaction is often visible in the form of dermatitis, particularly in areas where the exposure has been highest (commonly hands and forearms). Epoxy use is a main source of occupational asthma among users of plastics.^[68] Safe disposal also needs considering but usually involves deliberate curing to produce solid rather than liquid waste.^[69]

References[edit]

External links[edit]

• Epoxy Resin Systems (California Department of Public Health) Link Updated 31 August 2021
• The chemistry of epoxide

Further reading[edit]

• Epoxy resin technology. Paul F. Bruins, Polytechnic Institute of Brooklyn. New York: Interscience Publishers. 1968. ISBN 0-470-11390-1. OCLC 182890.{{cite book}}: CS1 maint: others (link)
• Flick, Ernest W. (1993). Epoxy resins, curing agents, compounds, and modifiers : an industrial guide. Park Ridge, NJ. ISBN 978-0-8155-1708-5. OCLC 915134542.
• Lee, Henry (1967). Handbook of epoxy resins. Kris Neville ([2nd, expanded work] ed.). New York: McGraw-Hill. ISBN 0-07-036997-6. OCLC 311631322.
• «Amines | Introduction to Chemistry». courses.lumenlearning.com. Retrieved 2021-07-22.

Что такое эпоксидная смола?

Эпоксидная смола «Смола Маркет» — двухкомпонентный состав, который при добавлении отвердителя под воздействием химической реакции, полимеризации, превращается в прочный прозрачный материал.

Почему эпоксидная смола так популярна?

С каждым годом популярность эпоксидной смолы растет, это связано с популяризацией продукта через социальные сети блогерами и мастерами, которые создают своими руками уникальные работы невероятной красоты. Такие работы мы показываем и рассказываем, как их сделать своими руками в социальных сетях.

Как и где применять эпоксидную смолу?

Эпоксидная смола применяется в различных областях, например:

— Создание столешниц

— Рисование картин

— Заливка полов

— Ремонт лодок

— Создание ювелирных украшений, бижутерии

— Создание диорам

— Радиоэлектроника и электротехника

— Строительство

— Использование в качестве клея

Качества и свойства эпоксидной смолы

Эпоксидная смола обладает следующими свойствами:

— эластичность

— отличная сцепляемость с металлами, керамикой и стеклом

— высокая прочность поверхности покрытия

— стойкость к ультрафиолету и агрессивным средам

— прозрачность

Преимущества эпоксидной смолы от «Смола Маркет»

Преимущества наши эпоксидных смол заключается в специализации каждого состава на цели, которая стоит перед заливкой. Если вам нужно залить столешницу — приобретайте специальную смолу для столов. Если нужно создать картину по технике Resin Art — приобретайте смолу для рисования, для создания бижутерии приобретайте ювелирную смолу.

Наши составы адаптированы под ваши цели, а широкий ассортимент составов позволяет выбрать с точностью, какой состав и из какого ценового сегмента вам необходим для заливки.

Сертификация и безопасность

Наши составы сертифицированы и безопасны при контакте с холодной пищевой продукцией.

Чтобы защитить себя при работе с составом используйте средства безопасности:

— фартук

— перчатки

— респиратор

— защитные очки

Подготовьте рабочее пространство и рабочие инструменты заранее.

Постарайтесь оградить детей до 14 лет от использования нашей продукции. В случае, если вы обучаете ребенка работе с составом — делайте это под полным контролем и присмотром во избежание негативных последствий.

Эпоксидная смола: химический состав, получение, виды и марки

Эпоксидная смола — это материал, который способен отвердевать при определенных условий. Ее используют для восстановления, реставрации и защиты натурального и искусственного камня. Эпоксидная смола применяется и в других сферах. Из нее делают пластмассы, лаки, клей, текстолит и другие материалы.

Что такое эпоксидная смола?

В состав средства входят олигомеры — молекулы, состоящие из цепочки одинаковых составных звеньев. Еще можно обнаружить глицидиловую или эпоксидную группу. Под действием отвердителя олигомеры становятся полимерами. Эпоксидная группа находится в алифатических циклах или цепях, а глицидиловая обычно находится в конце цепи.

В чистом виде эпоксидная смола редко применяется. Добавки зависят от того, что именно планируется делать. Например, порошок (асбест, мел или цемент) уплотняет массу и делает ее особой прочной. Если нужно придать смоле воздушность, то используют мелкие шарики.

Еще варианты добавок:

• древесная крошка (уменьшает вес);
• стеклянные или хлопковые волокна (усиливают вязкость);
• аэросил (снижает вероятность подтеков);
• касторовое масло или другие пластификаторы (уменьшает хрупкость).

Иногда эпоксидную смолу смешивают с диоксидом титана или алюминиевой пудрой. Это окрашивает ее в базовые цвета. Иногда добавляют специальные красители.

Способы изготовления

Впервые состав был получен в начале XX века. Для изготовления эпоксидной смолы используется поликонденсация эпихлоргидрина. Так называют процесс синтеза полимеров. Обязательно добавляют органические компоненты. Например, пищевые масла.

Есть ценные виды эпоксидной смолы. Их изготавливают каталитическим окислением непредельных соединений. Благодаря этому в составе нет гидроксильных групп — соединений, где атомы кислорода и водорода связаны ковалентной связью. Благодаря этому эпоксидная смола становится устойчивой к водным и электрическим ударам.

Для использования эпоксидной смолы обязательно добавляется отвердитель. В качестве него используют кислоты, амин или ангидрид. Только при контакте с отвердителем эпоксидная смола застывает. Если это ПЭПА, то хватит суток. При использовании ангидридного отвердителя — 10 часов и температура 180°С.

Какой бывает эпоксидная смола

Материал можно разделить на две группы: холодного и горячего отвержения. Для первых нужна низкая температура воздуха, для вторых — высокая. Эпоксидная смола холодного отвержения применяется в домашних условиях. Для ее застывания достаточно температуры окружающего воздуха. Эпоксидная смола горячего отвержена нуждается в специальных условиях, зато она устойчива к нагрузкам и химическому воздействию.

Есть и другая классификация эпоксидных смол: по компонентам поликонденсации. Чаще всего встречается в продаже эпоксидно-диановая смола. В ее состав входят эпихлоргидрин и бисфенол А. У нее низкая стоимость, однако не самое лучшее качество. К тому же такая смола обладает желтоватым оттенком и не подойдет для случаев, когда важна прозрачность.

Эпоксидна-диановая смола маркируется буквами ЭД. Также используются цифры, которые характеризуют определенную вязкость. Так, средство ЭД-22 считается универсальным. У него низкая вязкость и со временем может застыть. Смола ЭД-20 отличается низкой вязкостью и лучшим качеством, а ЭД-16 — высокой вязкостью. Последняя не используется в быту, только в промышленности.

Отдельно выделяют группу ЭД для изготовления лакокрасочных средств. Она не встречается в свободной продаже. Также в промышленности встречаются модифицированные смолы. Свое название они получили за счет использования разных добавок. Например, ЭЗ-111 применяется для герметизации трансформатора, а УП-599 для заливки мест с повышенной вибрацией.

Еще одна группа — эпоксидные смолы специального назначения. Они отличаются от остальных тем, что определенные характеристики сильно улучшены. Так, УП-643улучшает стойкость стеклопластика, а ЭХД применяется в компаундах из-за высокого уровня прочности и огнеупорности.

Для бытовых целей достаточно эпоксидной смолы класса ЭД. Она состоит из двух компонентов — А и В. Для использования их смешивают в определенных пропорциях, подробности есть в инструкции.

Популярные марки эпоксидной смолы

На российском рынке есть продукция разных производителей. Например, QTP-1130. Продукция отличается прозрачностью, низкой вязкостью и самовыравниванием. Используется для заливки столешниц. Подходит для формирования тонкого слоя — до 3 мм.

Еще одна марка — «Арт-Эко». Компания производит смолу для художественных работ. В линейке продукции есть смола разного объема, а также пигменты и красители. Можно купить готовые наборы и изготавливать подделки.

Марка Tenax создана для работы с искусственным и натуральным камнем. Она подходит для резинатуры, восстановления и ремонта поверхностей. Бывает разных объемов. Можно купить как комплект, так и отдельно смолу и отвердитель. Эпоксидную смолу тоже можно колеровать. Продукция отличается высоким уровнем надежности.

Купить смолу можно у нас, в продаже есть и инструменты, например, болгарка, шлифовальные круги и многое другое.

эпоксидная смола

Эпоксидная смола. Что это такое? Как с ней работать? Что о ней нужно знать?

На чтение 6 мин Просмотров 1 Опубликовано 18.02.2021

В этой статье я познакомлю вас с эпоксидной смолой, расскажу о ее свойствах, технике безопасности и о том, на что следует обратить внимание при работе. Коротко и только о главном.

Содержание

1. Что же такое эпоксидная смола?
2. Где используется, что можно сделать из эпоксидной смолы?
3. Меры предосторожности при работе с эпоксидной смолой
4. Свойства эпоксидной смолы
5. Что может пригодиться для работы со смолой?

Что же такое эпоксидная смола?

Эпоксидная смола – олигомеры, содержащие эпоксидные группы и способные под действием отвердителей (полиаминов и др.) образовывать сшитые полимеры. (Википедия)

Простым языком – это одно или двухкомпонентное вещество, используемое для склеивания, ламинирования или заливки различных изделий.

Где используется, что можно сделать из эпоксидной смолы?

Эпоксидная смола востребована во многих сферах. В творчестве, в ремонте, в искусстве, в производстве различных изделий.

С помощью эпоксидной смолы рисуют картины, делают мебель и предметы интерьера, создают уникальные украшения из эпоксидной смолы, так же она имеет свойства клея, из эпоксидной смолы создают уникальные столешницы, заливают пол, делают столы из слэбов и эпоксидки (очень популярное название – стол-река), где ее только не применяют.

Ее можно окрасить в любой цвет, залить несколькими слоями, получить объемную экспозицию, поместить в нее различные наполнители, добиться неповторимого рисунка с помощью разных техник.

Сейчас очень большую популярность набирают украшения и предметы интерьера из эпоксидной смолы, сделанные своими руками. Материал доступен и прост в обращении. Но нельзя забывать, что необходимо соблюдать технику безопасности.

Меры предосторожности при работе с эпоксидной смолой

• Маска. Смола имеет небольшой химический запах, поэтому с ней необходимо работать в маске и в хорошо проветриваемом помещении
• Перчатки и фартук. При попадании на руки смолу достаточно сложно отмыть, но возможно. Тут на помощь придет спирт. Я использую изопропиловый. При попадании же на одежду – ее можно будет считать испорченной. Поэтому стоит предусмотреть либо защитные фартуки, либо надевать одежду, которую не жалко испортить.
• Защита рабочего места. Так же, рекомендуется застелить клеенкой поверхность, на которой работаете.
• Температура в помещении. Оптимальной температурой считается +18-+24 градуса по Цельсию. Не страшно если будет незначительно теплее или холоднее, но данный фактор может повлиять на время полимеризации смолы.
• Влажность. Не стоит работать со смолой в помещениях с высокой влажностью.
• Очки. При полировке смолы обязательно надевать маску и очки. Так как мелкие частички могут отлететь в глаза.

Свойства эпоксидной смолы

Как и любой другой материал, она обладает своим «характером». Постараюсь коротко описать.

• Прозрачность. Смола изначально прозрачная. Ее можно окрасить в любой цвет с помощью красителей. Единственный момент, при воздействии ультрафиолета со временем смола может дать желтоватый оттенок.
• Тягучесть. В зависимости от производителя можно выделить несколько видов тягучести: жидкая, средняя и густая. 
• Время застывания эпоксидной смолы. Полимеризация смолы так же зависит от многих характеристик. Начиная от заявленных производителем интервалов, заканчивая влажностью и температурой в помещении. Всегда смотрите инструкцию. Время отвердевания смолы может варьироваться от нескольких часов до нескольких дней.
• Высота слоя заливки. Существуют смолы для разных назначений. Некоторые смолы могут выдерживать высоту заливки 0,5см, некоторые 5 и даже 7 см. Это зависит от свойств самой смолы и всегда указывается на упаковке. Что будет, если залить толстый слой эпоксидной смолы? Смола сильно нагреется и закипит. Дотронувшись до такой смолы, можно запросто получить ожог. Над смолой вы сможете увидеть пар, а в смоле – пузыри. Заливка будет попросту испорчена.

Что может пригодиться для работы со смолой?

• Эпоксидная смола, естественно
• Весы. Смола продается как двухкомпонентное вещество – это сама смола и отвердитель. Пропорции смешивания у каждого производителя свои и всегда написаны на упаковке, смешивать на глаз не рекомендую. Если вы добавите больше отвердителя – ничего страшного, вы сократите так называемое «время жизни смолы», т.е время, когда вы можете с ней работать и что-то из нее «лепить». В случае, если отвердителя будет меньше, чем нужно – изделие не застынет, будет липким и исправить его вы уже не сможете.
• Одноразовая посуда. Это стаканчики, ложки, шпатели. Т.е то, в чем мы будем замешивать смолу и то, чем мы будем это делать. Я использую для этого пластиковую одноразовую посуду.
• Средства защиты и скатерть. Об этом говорила ранее в мера предосторожности при работе с эпоксидной смолой.
• Молды, формы или поверхность для заливки. В зависимости от того, что вы планируете делать нам потребуются силиконовые формы для заливки или поверхность, это может быть холст, деревянная доска или то, что вы захотите превратить в искусство.
• Спрей от пузырей или горелка. При перемешивании смолы образуется свободный воздух – пузыри. Для их удаления очень пригодится иметь специальный спрей или газовую горелку. Важно: не перегревать смолу в процессе. Так же для этого используют вакуумные камеры, но редко когда их можно встретить в домашних условиях.
• Красители. Тут все понятно, если вы хотите получить интересный цвет – вам понадобятся красители. 
• Наполнители. Декор вашего изделия зависит исклчительно от вашей фантазии. Вы можете сделать украшение из эпоксидной смолы с сухоцветами, с деревом, песком, камнями. Может это будет сервировочная доска с морем и морскими звездами, а может кулон с одуванчиком или цветами внутри. Выбирайте что по душе.

• Укрывной бокс. После того, как изделие залито, рекомендуется накрыть его чем-то пыленепроницаемым, для того, чтобы поверхность оставалась гладкой, без попавшей на нее пыли.
• Терпение. Да! Ваше терпение. Смола не любит, когда ее тревожат в период застывания. Поэтому сделали, накрыли и терпеливо ждем результата.
• Наждачная бумага, полировочные пасты, мини дрель. Все это нужно для полировки смолы. Если вы создаете украшения – то вам просто необходимо отполировать эпоксидную смолу после ее застывания. Начинать советуют с размера крупинок 400, заканчивать 2000-3000. Обязательно использовать пасту для полировки, вполне подойдет автомобильная.
• Акриловая краска или жидкая поталь. Это используется при изготовлении утвари, например, подстаканников из эпоксидной смолы, костеров, подносов, тарелок. Краской покрывают бока изделия, чтобы скрыть неровности, а также боковой рисунок. Вы так же можете использовать краску для разделения цветов в готовом изделии (например, жеода)

Ну а дальше – творите, экспериментируйте и у вас все получится! И помните, изделия из эпоксидной смолы всегда неповторимы. Каждое из них уникально и вероятность сделать что-то, что вам не понравится – стремится к нулю!

А как сделать оригинальное украшение из эпоксидной смолы можете найти здесь. 

На рынке строительных материалов эпоксидная смола появилась около 60 лет назад. Ее популярность доказывается хотя бы тем, что сам термин, хотя порой и в некорректном виде (эбоксидка), известен каждому обывателю, даже не интересующемуся строительным ремеслом. Однако в представлении большинства эпоксидка – это всего лишь клеевой состав.

На самом деле возможности смолы, продиктованные ее уникальными свойствами, необычайно широки. И те, кто решил избавиться от неосведомленности о качествах этого материала, открывает для себя по-настоящему новые горизонты. Эпоксидная смола применяется на производстве и в быту, причем вторая сфера применения сопряжена не столько со строительством, сколько с дизайнерским искусством и творчеством.

Оценить достоинства эпоксидной смолы можно лишь пополнив багаж знаний о ее составе, методах получения и истории открытия. В принципе, теоретический материал находится в отрытом доступе. Достаточно заглянуть в любой химический справочник и выделить интересующие моменты. Сложная терминология порой становится непреодолимым барьером для большинства читателей, поэтому попытаемся максимально простым языком донести всю необходимую информацию.

Химический состав

Эпоксидная смола, как химическое вещество, принадлежит к олигомерам, то есть, сложным органическим соединениям, состоящих из эпоксидных групп. Свои физические свойства в полной мере проявляет только в виде полимера. При взаимодействии с отвердителями, в качестве которых выступают амины, полиамиды, фенолформальдегидные смолы или ангидриды поликарбоновых кислот, олигомеры образуют структуру связанных полимеров. Получаются эпоксидные смолы путем поликонденсации эпихлоргидрина с бисфенолом А или с бисфенолом F. Смолы на основе бисфенола A встречаются чаще всего.

В честь русского ученого А.П. Дианина, который впервые получил бисфенол, смолы называются эпоксидно-диановыми и маркируются аббревиатурой «ЭД».

Заводя разговор о химическом составе, необходимо отметить, что эпоксидную смолу можно модифицировать. Существует два способа модификации: химический и физический.

1. Химическая модификация подразумевает реакцию с дополнительными элементами, в результате которой меняется сама формула, а по сути – строение сетки полимера. Например, после реакции с ангидридом глицерина или с другими полиэфирами спиртов глицидиловых групп меняется эластичность застывшей смолы. Одновременно при этом снижается ее водостойкость. Или можно повысить негорючесть материала, добавив в состав фосфорорганические или галогенорганические соединения. Реакция эпоксидки и фенолформальдегидной смолы дает однокомпонентную смесь, которая застывает без отвердителя, а лишь при нагревании.
2. Физическая модификация осуществляется смешиванием смолы с дополнительными компонентами, но без их вступления в химическую реакцию. Наличие в отвержденном материале каучука повышает показатель ударной вязкости, а смешивание основного состава с диоксидом титана меняет оптические свойства эпоксидки. Она становится непрозрачной для ультрафиолетового излучения.

Открытие и производство

Эпоксидная смола, как химическое вещество, начинает свою историю с 1908 года. В это время российский химик Н.А. Прилежаев впервые осуществил реакцию окисления алкенов. Продукт, получившийся в результате реакции с надкислотами (слово «эпоксидная» произошло от греческих «epi» — «над» и «oxy» — «кислый»), после взаимодействия с отвердителями превращался в полимер. Естественно, речь идет о прообразе современной эпоксидной смолы.

В 30-е годы прошлого века немецким ученым П. Шлаком был запатентован метод получения полиаминов, которые образовывались в результате реакции эпоксидных соединений и аминами. Эти соединения отличались наличием нескольких эпоксидных групп в одной молекуле.

Еще одна разновидность полимера появилась примерно в то же время, благодаря трудам швейцарского химика П. Кастана. Он получил неплавкое вещество, способное переходить в нерастворимое состояние. Так как химическая промышленность уже добилась некоторых успехов, новый материал стали активно использовать для создания протезов зубов. Патент на этот материал получила швейцарская компания Ciba.

Американцы вели параллельные разработка в области получения эпоксидных смол. С. Гриндли были получены аналогичные материалы, а в промышленном масштабе смолу начала выпускать только в 1947 году, причем сразу же производство стало расширяться. Уже за первые 15 лет его объем увеличился в несколько раз. Что же касается отечественного производства, то СССР, правопреемником которого считается Россия, почти на целое поколение отстал от Запада. Причиной тому послужили годы разрухи и последующего восстановления инфраструктуры в послевоенное время. Также следует учитывать относительно небольшой спрос на новый, пока еще неизвестный материал.

Зато уже к концу 60-х советское производство свело отставание на нет. Крупные заводы химической промышленности были открыты в Котовске, Дзержинске, Уфе, Ленинграде и Сумгаите. Они и сегодня составляют остов российского химпрома по производству композитных материалов. (Российские производители эпоксидки.) Помимо этого, после кризиса 90-х были образованы совместные предприятия, производящие эпоксидную смолу бытового назначения.

Как получают полимер

Реагенты для получения эпоксидной смолы приводятся во взаимодействие по строго установленному алгоритму в специальном устройстве – реакторе. К ним относятся:

• Дифенилолпропан;
• Эпихлоргидрин;
• Едкий натр.

Реактор сделан из нержавеющей стали и оснащен пароводяной рубашкой. Внутри него имеется мешалка для смешивания компонентов. Сначала загружается эпихлоргидрин ив реакторе происходит его нагрев до 50°C градусов. Затем запускается мешалка и порциями добавляется дифенилолпропан. После его полного растворения вносится раствор едкого натра, а температура в реакторе повышается до 70°C градусов. На следующем этапе активируется процесс конденсации, который длятся около 2 часов.

После отключения нагрева в раствор добавляется вода. Мешалка при этом продолжает работать. Практически готовая смола, температура которой составляет около 40°C градусов, отстаивается, в результате чего происходит разделение слоев. Верхний слой представлен водой. Ее отделяют, а смолу снова промывают чистой теплой водой. Таким образом, происходит вымывание поваренной соли. Этот цикл может повторяться 5-6 раз. Каждый цикл сопровождается проверкой наличия соли в воде.

На этапе сушки смолу из реактора не извлекают. Температуру внутри резервуара доводят до 50°C градусов, а затем включают холодильник и вакуумный насос. На поверхности воды образуется вспенивание, что свидетельствует о выходе воздуха в виде пузырьков, а на стенках реактора конденсируется вода. После прекращения вспенивания насос отключают, температура при этом повышается до 120°C градусов. О завершении процесса сигнализирует отсутствие конденсата. Состав смолы оценивают визуально на прозрачность. Готовую смесь переливают в алюминиевую тару.

Отверждение

Чаще всего в магазинах можно встретить двухкомпонентные составы. Необходимо понимать, что смола продается для строительства и бытовых нужд. Те марки материала, которые входят в состав более сложных композитных материалов, поставляются сразу на комбинаты, хотя многие отечественные производители, помимо эпоксидной смолы в чистом виде, получают стеклопластик, углепластик и прочие материалы.

После смешивания с отвердителем эпоксидка застывает. Процесс отверждения может проходить двумя способами. При использовании кислых отвердителей (ангидрид малеиновый, ангидрид метилтетрагидрофталевый, ангидрид фталевый, ангидрид додеценилянтарный) необходимо повышать температуру смеси до 200°C градусов. Поэтому такой синтез полимеров называется горячим отверждением. Холодное отверждение происходит при смешивании основного состава с аминами (гексаметилендиамин, полиэтиленполиамин, метафенилендиамин). Оно может быть выполнено в домашних условиях, так как происходит при комнатной температуре или при температуре равной 70°C градусам.

В зависимости от типа отверждения и от отвердителя, получают смолы разной консистенции.

• Малеиновый ангидрид дает материал в виде кристаллического белого порошка. Его используют при изготовлении пропиточных компаундов.
• Фталевый ангидрид образует чешуйки белого, желтого или розового цвета.
• При добавлении метилтетрагидрофталевого ангидрида получается белое кристаллическое вещество.
• Соединение с аминами позволяет получить белые и прозрачные материалы, использующиеся в качестве заливочных компаундов.

Свойства материала

Эпоксидная смола обладает рядом специфических особенностей, позволяющих использовать ее в самых разнообразных сферах. В зависимости от модификации, производитель имеет возможность выделить те или иные показатели для повышения эффективности практического применения.

Если описывать особенности каждой модификации, то получится некая таблица внушительных размеров.

Учитывая то, что наша аудитория желает познать качества эпоксидной смолы, как материала для строительства или прикладного искусства, выделим основные достоинства, характерные для всех видов смол.

Прежде всего, следует отметить, что застывшая эпоксидка сохраняет форму и объем. Это качество позволяет создавать изделия и использованием молдов. Причем смола после отверждения практически не дает усадки, то есть, объем застывшей заготовки не изменится.

Большинство марок достаточно устойчиво к воздействию абразивных веществ. Заметим, что при эксплуатации изделий из эпоксидной смолы (наливных полов, предметов мебели, ювелирных украшений) определены правила ухода. В них предписано бережное отношение. Тем не менее, гладкую глянцевую поверхность можно обслуживать практически любыми материалам.

Устойчивость к химически агрессивным средам позволяет домохозяйкам использовать различные чистящие средства. Даже если поверхность получила мелкие повреждения, то при наличии запаса смолы все погрешности реально исправить.

Эпоксидную смолу часто используют в качестве материала для гидроизоляции. Водонепроницаемость оказывает решающее значение при выборе способов отделки мебели или полов в помещениях повышенной влажности. Например, кухонные столы из эпоксидки имеют длительный срок эксплуатации, в то время как мебель из ламинированного ДСП приходит в негодность после воздействия влаги.

Глянец покрытия не боится ультрафиолетового излучения. Во время всего срока службы изделия из эпоксидки не теряют своей прозрачности и не выцветают. Некоторые марки смол обладают повышенными показателями прочности, что позволяет их использовать для покрытия полов в цехах и ремонтных мастерских.

Виды и марки

Существует несколько классификация эпоксидной смолы. Различные марки объединяются в группы по определенному признаку, параметру. Но большинство из этих классификаций носит чисто технический характер. Например, различают смолы Бисфеноловые, Алифатические, Новолачные, Глицидиловые и Аерилэпоксидные.

Читателю же интересна градация материала в плане его применимости. Приведем примеры конкретных марок, которые можно встретить в продаже. Отметим, что вся продукция отечественного производства сертифицирована по ГОСТ, поэтому имеет строго определенную маркировку, независимо от изготовителя. Исключение составляют импортные смолы.

Эпоксидно-диановые смолы:

• ЭД-22 кристаллизуется при длительном хранении и считается универсальным материалом, но только для промышленного производства.
• ЭД-20 – смола в жидком состоянии, требующая добавления отвердителя. Востребована покупателями по причине низкой стоимости и универсальности.
• ЭД-16 – материал высокой вязкости. Применяется в качестве связующего компонента при производстве стеклопластика.
• ЭД-10 и ЭД-8 изначально находятся в твердом состоянии. Используются в заливочных смесях для радиотехнической промышленности.
• Э-40 и Э-40р относятся к категории эпоксидно-диановых смол для ЛКП. Они входят в состав лаков, эмалей, шпатлевок.
• Э-41 – смола, обладающая аналогичными свойствами (как и Э-40), но может входить в состав клеев.

Эпоксидные модифицированные смолы:

• КДА-2 используется, как электроизолятор, служит связующей основой для стеклопластиков, а также выступает в качестве компонента для клея.
• К-02Т подходит для пропитки и цементации намоточных изделий.
• ЭЗ-111 применяется в качестве заливки радиодеталей, служит основным материалом герметизации трансформаторов.
• УП-563 и УП-599 обладает высокой адгезией. Поставляется на предприятия, где производится стеклопластик. Может выступать в роли заливочного компаунда.
• К-153 – герметизирующий материал.

Смолы специального назначения:

• ЭА обладает пониженной вязкостью и сама является составной частью заливочного компаунда. Ее уникальные свойства позволяют делать пропитку и производить растворители.
• УП-610 обладает повышенной прочностью.
• ЭХД – хлорсодержащая смола, обладает пониженной горючестью, высокой теплостойкостью и атмосферостойкостью. Используется в качестве защитного материала.

Применение

По областям применения смолы тоже можно разделить на группы. В строительстве смола широко применяется при нанесении разметочных полос на трассах, изготовлении плит для полов и для наливных полов. Эпоксидка, как материал для покрытия, востребована в декоративных и отделочных работах. В составе стеклопластика и углепластика она встречается в ремонте аэродромов, дорог и железобетонных конструкций. Проводятся даже такие сложные и ответственные ремонтные работы, как склеивание конструкций мостов.

Из смолы изготавливают гребные винты судов, а также лопатки компрессоров. Эпоксидка является основным материалом для производства газовых и жидкостных сосудов, резервуаров. В машиностроении полимер может исправить дефекты литья, используется для штампов и форм. Из смолы делают даже некоторые инструменты. Прочность материала позволяет изготавливать рессоры и пружины. Из стеклопластика на основе смолы делают антифрикционные накладки.

Широко применяется полимер и в авиастроении. Например, обшивки крыльев, на которые приходится большая нагрузка, сделаны из композитного материала на основе эпоксидных смол. Полимер встречается в таких узлах, как обшивка фюзеляжа, конуса сопел, оперение и детали реактивного двигателя. Лопасти вертолета, корпус двигателей в ракете и топливные баки сделаны из эпоксидки. Подводя итог, следует отметить, что смола применяется в таких отраслях, как строительство, электротехника, машиностроение, самолетостроение, ракетостроение и судостроение.

В быту

Экологическая безопасность материала позволяет использовать эпоксидные смолы в быту без каких-либо ограничений. Правилами техники безопасности определено, что работать с жидкими составами следует при наличии средств индивидуальной защиты. Особенное внимание следует уделить защите органов дыхания, так как до отверждения материал выделяет токсины. Но в твердом состоянии эпоксидка безопасна для человека.

Та смола, которая используется в промышленности, при кристаллизации дает золь-фракции. Это побочный продукт, обусловленный разрывом цепочки полимера. Если он в растворенном виде попадет в организм, то может причинить ущерб здоровью. Но в действительности на производстве все процессы автоматизированы, и вредное воздействие побочных продуктов на человека исключено.

В быту же ситуацию удалось исправить, благодаря современным технологиям. Те модели смол, которые сейчас продаются, безопасны для организма, как в виде компонентов, так и в виде готовой смеси.

Зачастую в смолу приходится вносить дополнительные компоненты. Речь идет не о модификации. Эти компоненты способны изменить внешний вид застывшего массива. Примером могут служить различные красители, блестки, люминофор. Все компоненты сначала смешиваются с основным составом, а только потом с отвердителем. Высокие показатели адгезии позволяют наполнять растворы практически любыми наполнителями. Играя цветом, дизайнер может создавать настоящие шедевры при оформлении напольного покрытия или при заливке столешницы, причем порой даже не требуется дополнительного декорирования.

Эпоксидные смолы — это многочисленный класс индивидуальных соединений (мономеров), олигомерных продуктов или линейных термопластичных полимеров, содержащих в своей структуре эпоксидные группы. Примером эпоксидной смолы могут служить следующие соединения: диглицидиловый эфир бисфенола А (I) и 3,4-эпокси-гексагидробензил-3,4-эпоксигексагидробензоат. Структурные схемы этих соединений представлены соответственно ниже:

Следует акцентировать внимание на том, что далеко не каждое вещество, содержащее в своем составе эпоксидные группы, можно отнести к классу эпоксидных смол. Основная характеристическая особенность эпоксидных смол — способность при определенных условиях превращаться в полимеры сетчатой структуры. Именно это позволяет применять смолы при изготовлении пластических материалов: эмалей, герметиков, клеев, пластиков, компаундов и т.д.

Так, полимерные сетки образуются, как правило, в двух случаях. Либо при химическом взаимодействии эпоксидной смолы с полифункциональным веществом (отвердителем, сшивающим агентом — диамины, карбоновые кислоты, малеиновый или фталевый ангидрид карбоновой кислоты), либо же при полимеризации эпоксидной смолы под действием каталитически активных соединений.

Кислые отвердители — для отверждения с кислыми отвердителями необходимо поддерживать температуру около 100 — 200 °С, в связи с чем такого рода отверждение называется горячим.

Аминные отвердители — процесс проводят при нормальной температуре 70 — 80 °С. Поэтому такие отвердители именуются «холодными отвердителями».

Ниже приведена таблица свойств некоторых отвердителей.

Отвердитель	Структурная формула	Внешний вид	Молекулярная масса	Температура плавления, °С
Малеиновый ангидрид		Белый кристаллический порошок	98,06	—
Фталевый ангидрид		Чешуйки и порошок белого цвета, бледно-желто-розового цвета	148,11	—
Метилтетрагидрофталевый ангидрид		Кристаллическое вещество белого цвета	166,09	—
Дициандиамид		Кристаллический порошок светло-серого или белого цвета	84,08	—
Триэтаноламин		Вязкая жидкость, прозрачная, оттенок от желтоватого до коричневого	149,19	1,1 — 1,2
Метафенилен-диамин		Бесцветные кристаллы	108,14	—
Гексаметилендиамин	NH2(CH2)6NH2	Белый кристаллический порошок	116,2	—

Смесь эпоксидной смолы и отвердителя образуют термореактивные композиции с такими свойствами как:

— при отвердевании не выделяется никаких летучих продуктов, при этом давая усадку всего лишь 2-2,5%;

— высокой адгезией к поверхности металла, на которой происходит отвердевание;

— отличной химической стойкостью и водостойкостью;

— высокой механической прочностью.

Обращаясь к свойствам эпоксидных смол, следует отметить, что они могут быть представлены жидкими, твердыми или вязкими соединениями, цвет которых варьируется от прозрачного до темно-коричневого цвета. ЭС достаточно легко растворяются в органических растворителях, преимущественно в ароматике, сложных эфирах, ацетоне.

Очень важной характеристикой для ЭС является содержание эпоксигрупп. Это свойство указывает на количество отвердителя, необходимого для отверждения смолы. Помимо этого определяют еще и содержание хлора, содержание летучести, температуру размягчения, температуру каплепадения, растворимость в ацетоне и вязкость. В нижеприведенной таблице указаны свойства эпоксидных смол.

Марка смолы	Температура размягчения (КиШ), °С	Содержание эпоксидных групп, %	Средняя молекулярная масса
ЭД-5	Жидкая	не менее 18	370 — 450
ЭД-6	Вязкая	14 — 18	450 — 600
ЭД-П	Густая, почти твердая	11 — 14	600 — 750
ЭД-Л	40 — 60	8 — 11	750 — 1000
Э-40	30	13,6 — 15,1	600
Э-41	76 — 80	6,8 — 8,3	1000
Э-44	84 — 87	4,5 — 5,7	1600

Более детально рассмотрим эпоксидные смолы на основе бисфенола А (дифенилолпропана, ДФП). Структурная схема представлена ниже:

Как правило, технические ЭСБА (смолы на основе бисфенола А), представляют собой смеси с различными показателями n — степенью полимеризации смолы. В таблице приведены физико-химические свойства первых шести полимергомологов, которые входят в состав ЭСБА.

	Свойства полимергомологов при n равном
	0	1	2	3	4	5
Внешний вид	Кристаллическое вещество	Вязкое смолообразное вещество	Твердое смолоподобное вещество
Молекулярная масса, г/моль	340,0	624,7	909,1	1193	1478	1762
Содержание эпоксидных групп	25,26	13,76	9,46	7,21	5,82	4,88
Содержание гидроксильных групп	0,00	2,72	3,74	4,27	4,60	4,82
Плотность, г/см	1,160	1,181	1,190	1,196	1,200	1,204
Показатель преломления	1,5626	1,5790	1,5867	1,5913	1,5942	—
Поверхностное натяжение, мН/м	54,6	56,2	57,3	58,0	58,5	59,1
Теплоемкость, Дж/(г*К)	2,29	2,28	2,28	2,28	2,28	2,28

Выделяют также смолы на основе ди- и полиолефинов, аминоэпоксидные смолы, циклоалифатические эпоксидные смолы, олигоуретанэпоксидные и галогенсодержащие эпоксидные смолы.

Теперь рассмотрим технологию производства эпоксидной смолы периодическим методом.

1 — реактор;

2,6 — холодильники;

3 — приемник;

4 — фильтры;

5 — аппарат для отгонки толуола;

7 — сборник.

Технологический процесс включает в себя основные стадии:

1) загрузка;

2) конденсация сырья;

3) промывка эпоксидной смолы (ЭС);

4) отгонка воды;

5) фильтрование с последующей сушкой.

Согласно приведенной выше схеме в реактор 1 с якорной мешалкой сначала загружается эпихлоргидрин (ЭХГ), а после — дифинилолпропан (ДФП). Смесь подвергается перемешиванию до тех пор, пока не примет вид однородной суспензии. После в реактор добавляется раствор NaOH (50%) или любой другой щелочи. Температуру в реакторе поддерживают сначала около 60 — 65 °С, а после ее повышают до 70 — 75 °С. Процесс завершается по истечении 5 часов. Далее отгоняют ЭХГ, который не вступил в реакцию. Его пары охлаждают в холодильнике 2, а конденсат собирается в конденсатосборнике 3. В последующем смолу необходимо промыть от продуктов побочных реакций и от образовавшегося хлорида натрия. Осуществляют это смесью толуола и воды в соотношении 40:60. Смесь отстаивается и разделяется на три слоя: нижний — водно-солевой, средний — водно-толуольная эмульсия с частью ЭС. Так, водно-солевую часть сливают в систему водоочистки, средний слой подается в экстракционную колонну с целью отделения смолы при помощи свежего толуола и воды.

Для полной отгонки толуола раствор эпоксидной смолы в толуоле пропускают для начала через рукавные фильтры, а потом переводят в аппарат 5. В холодильнике 6 пары толуола конденсируются, после чего направляются в сборник конденсата 7. Рекомендуется поддерживать температуру в аппарате 5 примерно 120 — 125 °С при остаточном давлении 0,02 МПа.

Готовая эпоксидная смола фильтруется и сливается в тару.

Известен способ получения жидких эпоксидных смол непрерывным методом.

1 — аппарат для получения раствора дифенилолпропана;

2 — аппарат для растворения эпихлоргидрина;

3 — реактор;

4,7 — отстойники;

5,9 — циклонные аппараты;

6, 10 — холодильники;

8 — фильтр;

11 — сборник смолы

Процесс получения эпоксидной смолы непрерывным методом включает в себя следующие стадии:

1) приготовление растворов дифенилолпропана и эпихлоргидрина;

2) поликонденсацию;

3) выделение смолы;

4) нейтрализация;

5) сушка.

Дифенилолпропан растворяют в водном растворе щелочи в аппарате 1 при температуре 75 °С. Аппарат 2 предназначен для получения раствора ЭХГ в бутиловом спирте. Растворы направляются в многосекционный реактор с мешалкой для проведения процесса поликонденсации. После реактора 1 смесь направляется в отстойник 4, предназначенный для разделения на водную и органическую части.

На выходе из отстойника органическая часть нейтрализуется двуокисью углерода и поступает в циклон 5, где отделяется азеотропная смесь с водой. В холодильнике 6 конденсируются пары, конденсат поступает на очистку, а для отделения от солей, например хлорида натрия и карбоната натрия, раствор смолы направляется в отстойник 7. Далее происходит фильтрация на фильтре 8, поступает в циклон 9, где отделяется бутиловый спирт.  В холодильнике 10 пары охлаждаются, а конденсат направляется на очистку. Эпоксидная смола поступает в сборник 11, после которых идет на слив в бидоны.

Стоит выделить преимущества эпоксидных смол относительно других смол. Так, например, эпоксидная смола отличается высокой прочностью клеевого шва, она устойчива к воздействию абразивных веществ (именно это снижает скорость ее износа), имеет достаточно низкую проницаемость влаги, небольшая степень усадки.

Известно, что в рецептуре разных производителей к эпоксидной смоле добавляются различные компоненты с целью обеспечения тех или иных свойств смолы.

Двуокись титана или алюминиевая пудра добавляются для окрашивания материала в белый или серый цвет;

Аэросил позволяет избавиться от непредусмотренных потеков смолы на вертикальных поверхностях;

Графит используется как красящий пигмент;

Натуральная древесная крошка применима для уменьшения удельного веса получаемого продукта;

Стеклянное или хлопковое волокно позволяет повысить вязкость ЭС, что обеспечивает заполнение всех зазоров и пропитку поверхности;

Микросферы же добавляют для придания «воздушности» материалу за счет своей низкой плотности;

Алебастр или цемент придают прочность материалу, уплотняют его структуру.

Марки эпоксидной смолы

Далее рассмотрим марки эпоксидных смол. Вся продукция проходит сертификацию по ГОСТ-у, поэтому обозначается конкретной маркировкой вне зависимости от производителя.

Марка	Свойства/применение
Эпоксидно — диановые смолы
ЭД-22	Универсальный материал для промышленного производства, может кристаллизоваться при длительном хранении
ЭД-20	Жидкообразная смола, необходимо добавление отвердителя. Дешевая и универсальная
ЭД-16	Высоковязкий материал. Выступает связующим компонентом в процессе производства пластика
ЭД-10 и ЭД-8	Применимы в радиотехнической промышленности, изначально твердые
Э-40 и Э-40р	Содержаться в составе лаков, шпатлевок и эмалей
Э-41	Те же самые свойства, что и у Э-40, но может содержаться в составе клея
Эпоксидные модифицированные смолы
КДА-2	Электроизоляционный материал, связующий компонент для стеклопластиков, компонент клея
К-02Т	Для пропитки цементации намоточных изделий
ЭЗ-111	Заливка для деталей радиотехники, основной материал, которым герметизируют трансформаторы
УП-563 и УП-599	Высокоадгезивный материал, применим в изготовлении стеклопластика
К-153	Материал для герметизации
Смолы специального назначения
ЭА	Имеет низкую вязкость, является составным компонентом заливочного компаунда, используется в получении пропиток и растворителей
УП-610	Имеет повышенный показатель прочности
ЭХД	Смола с содержанием хлора, имеет низкую горючесть, устойчива к температурам и воздействию окружающей среды. Применима в качестве защитного материала.

Для чего эпоксидная смола?

Нетрудно догадаться, что эпоксидные смолы имеют очень широкий спектр применения. Клеи, пластмассы, текстолит, компаунды, электроизоляционные лаки — все это готовится из различных видов эпоксидных смол. Также на основе ЭС производится углепластик (углеволокно + эпоксидная смола) — он применим как конструктивный материал, использовался в авиастроении Боинга-777 и в строительстве автомобилей. Соединив кевларовое волокно и эпоксидную смолу можно получить довольно качественный материал для создания бронированного жилета. Ни для кого не секрет, что эпоксидные смолы используют как эпоксидный клей и пропиточный материал. Корпуса плавательных средств производят соединением эпоксидной смолы и стеклоткани. Такие плавсредства устойчивы к очень сильным ударам. Также такое сочетание ЭС и стеклоткани используется для изготовления различных деталей автомобилей и прочих ТС.

Стоит отметить, что эпоксидная смола нашла свое применение как герметик для всевозможных устройств, плат и приборов, а также она используется как заливочное средство в электронной микроскопии. Именно это позволяет сохранить структуру объектов, материал легко режется, сохраняет свою стабильность под воздействием электронного луча. Есть и оборотная сторона — эпоксидные смолы не всегда отличаются хорошей способностью пропитывать ткани и считаются достаточно ядовитыми.

Эпоксидные смолы широко используются как бытовой клей. Можно смешать ЭС с отвердителем при комнатной температуре.

Отметим, что полимербетоны, клеи или компаунды, являющиеся видом эпоксидных материалов, применяются как разметочные полосы автомобильных дорог, как наливные полы или плиты для напольных покрытий. Как связующие для углепластиков и стеклопластиков ЭС используются при ремонте железобетонных сооружений, аэродромов, дорог. Из них также производят трубопроводы или емкости химических производств.

Компаунды и связующие для армированных пластиков встречаются при герметизации изделий, в производстве электроизоляционных материалов. ЭС могут быть использованы для производства сосудов и газов топлива, а синтактические пенопласты с добавлением ЭС — для обтекателей гребневых винтов.

Направляющие режущих металл станков, станицы прецизионных станков также получаются на основе полимербетонов с добавлением эпоксидных смол.