Эпоксидные, винилэфирные и полиэфирные смолы.

{RANDOM_PARAGRAPH=100-400}

Из чего состоит стеклопластик? Компоненты стеклокомпозита

К связующим для изготовления стеклопластика относят термопласты (полиамиды, полиимиды, полипропилен, полисульфон) и реактопласты (олигомеры, работающие в присутствии отвердителя). Реактопластами являются ненасыщенные полиэфирные смолы, винилэфирные смолы, эпоксидные смолы.

Полиэфирные ненасыщенные смолы

В состав полиэфирных ненасыщенных смол входят растворы продуктов поликонденсации гликолей с малеиновым ангидридом и модифицирующими кислотами в мономерах. Это ненасыщенные олигомеры (олигоэфиры): полималеинаты, олигоэфиракрилаты.

Многокомпонентная смесь полиэфирных ненасыщенных смол включает в себя ряд химических веществ с необходимыми для формирования стеклокомпозита функциями (табл. 2). Для полимеризации смолы необходимы дополнительные компоненты. Это акселераторы (ускорители) и катализаторы (отвердители).

Полиэфир образуется при поликонденсации многоатомных спиртов (гликолей) с многоосновными кислотами (фумаровая или адипиновая кислота) или ангидридами (малеиновый ангидрид, фталевый ангидрид).

После полимеризации полиэфирный олигомер приобретает трехмерную сетчатую структуру. Если исходный продукт имел относительно малую молекулярную массу, соответствующую 2000, то в результате полимеризации его молекулярная масса резко возрастает.

Растворителем для полиэфирных ненасыщенных смол служит стирол, а также нелетучий диметакрилат триэтиленгликоля.

Инициатор отверждения – это перекись или гидроперекись, которая при взаимодействии с ускорителем запускает процесс полимеризации. В качестве ускорителя используют соли кобальта, в частности нафтенат и октоат кобальта.

Эпоксидная смола

Эпоксидные смолы образуются в результате реакции поликонденсации эпихлоргидрина с многоатомными фенолами, спиртами, полиаминами, многоосновными кислотами и представляют собой олигомеры.

При применении эпоксидной смолы в качестве связующего на характеристики стеклокомпозита влияет выбранный вид отвердителя (гексаметилендиамин, полиэтиленполиамины, малеиновый ангидрид).

Наиболее используемая эпоксидно-диановая смола, которая применяется в составе с различными видами отвердителей. Это третичные амины и их аналоги, а также фенолы. Технические характеристики представлены в таблице 3 для высшего сорта эпоксидной смолы.

Винилэфирные смолы

Представляют собой полиэфирные ненасыщенные смолы с эпоксидной основой. Содержание стирола составляет 35 %.

В зависимости от состава винилэфирные смолы имеют следующие разновидности:

• винилэфирная смола на основе бисфенола А;
• бромсодержащие винилэфирные смолы, обладают высокой химической стойкостью в широком спектре рН;
• винилуретановые смолы, получают путем введения уретановых групп в состав винилэфирных смол, что повышает их анизотропные свойства;
• наволочные формальдегидные смолы с высокой стойкостью к высоким температурам и окислителям.

В качестве инициаторов отверждения для винилэфирных смол применяют перекиси и гидроперекиси, а ускорителями являются нафтенаты, октоаты кобальта и амины. Отвердителем служит пероксид метилэтилкетона с повышенным содержанием димера, а также гидропероксид кумола, который является наиболее предпочтительным из-за отсутствия вспенивания.

После отверждения связующие на основе винилэфирных смол приобретают следующие характеристики и свойства:

Ключевые отличия полиэфирной смолы от эпоксидной

Поделиться:

В прикладной химии используется большое количество смол — винилэфирные, акриловые, полиуретановые и т.д. Однако вне промышленного производства, в домашних условиях массово применяются две разновидности смол: полиэфирные (ПС) и эпоксидные (ЭС). В огромном количестве случаев (например, изготовление обвеса для автомобиля) они более или менее взаимозаменяемы. Тогда какую выбрать? Давайте рассмотрим различия между ними, что у них общего, преимущества и недостатки каждой.

И эпоксидные, и полиэфирные смолы относятся к термореактивным пластмассам. Это значит, что после отверждения их нельзя вернуть в жидкое состояние (те смолы, которые можно расплавить нагреванием, называются термопластичными). Эпоксидные смолы двухкомпонентные: собственно смола и отвердитель. Комбинируя эти компоненты и различные добавки и присадки, можно получить огромное количество смесей, отвечающих любым требованиям. Например, смола ЭД-20 + прозрачный отвердитель ТЭТА + присадка-пластификатор ДБФ дадут почти прозрачную и устойчивую к ударам (пластичную) смесь. Смола ЭД-16 + отвердитель Этал-45М дадут высокопрочную тёмно-коричневую смесь.

Преимущества эпоксидных смол:
— Высокая прочность и устойчивость к износу.
— Мощное клеевое соединение. Эпоксидная смола — очень крепкий и надёжный клей с высочайшей адгезией. Хорошей иллюстрацией этих двух свойств является ситуация, когда поверх полиэфирного стеклопластика приклеивают какую-либо деталь с помощью ЭС. Если к детали приложить чрезмерное усилие, то она не оторвётся сама, а вырвет кусок полиэфирного стеклопластика: клеевой шов на ЭС будет прочнее всей конструкции на ПС.
— Малая усадка или её. Большинство пластмасс при отверждении несколько деформируются, но у эпоксидных систем эта деформация минимальна.
— Высокая водонепроницаемость. В силу этого свойства для изготовления лодок и катеров используются только эпоксидные системы.

Недостатки эпоксидных смол:
— Медленная полимеризация (пользоваться изделием можно спустя сутки, а если подразумеваются сильные нагрузки — трое суток).
— Стоимость выше, чем у полиэфирных.

Резюмируя, можно сказать, что эпоксидные смолы намного прочнее и долговечнее, но дороже и медленнее.

В отличие от эпоксидных смол, полиэфирные могут отверждаться без добавления дополнительных компонентов. Дело в том, что реакция отверждения начинается ещё в процессе изготовления смолы на заводе, но она занимает очень много времени. Поэтому дополнительные компоненты, которые продаются в паре с ПС, являются не участниками хим.реакции, а её ускорителями (катализаторами). После добавления катализатора ПС отверждается за короткий срок, обычно менее часа.

Преимущества полиэфирных смол:
— Низкая стоимость.
— Быстрое отверждение.
— Отсутствие выраженного изменения вязкости.

Недостатки полиэфирных смол:
— Невысокая прочность.
— Значительная усадка
— Плохие гидроизоляционные свойства.
— Короткий срок годности, что связано с тем, что они способны отверждаться и сами, без катализатора (покупать ПС можно только свежей).
— Воздух для ПС является ингибитором, и та её поверхность, которая контактирует с воздухом при отверждении, может оставаться липкой бесконечно. Это требует дополнительных манипуляций (например, покрытие плёнкой ПВА) и т.д.

Резюмируя, можно сказать, что полиэфирные смолы слабее с конструкционной точки зрения (хотя и вполне пригодны для изготовлнения декоративных деталей, не подвергающихся нагрузкам, например, автомобильных бамперов), а их основное достоинство — дешевизна.

Выводы: Исходя из перечисленных выше свойств, можно вывести следующие закономерности: Эпоксидные смолы рекомендуется использовать в судостроении (и других типах работ, требующих гидроизоляции и надёжности), изготовлении прочностных изделий, отливки изделий с высокой точностью, а также для склейки «на века». Хорошей иллюстрацией будет то, что ЭС используются в авиа- и ракетостроении. Полиэфирные смолы чаще используют для автотюнинга, при формовании небольших декоративных, где не очень важна точность (усадка), а также в подобных отраслях, где низкая стоимость и простота работы важнее прочности и устойчивости.

Отрофталевые, изофталевые и винилэфирные смолы

Если вам вдруг показалось, что теперь вы все знаете о полиэфирной смоле, мы готовы вылить на вас очередную порцию информации.

Рано или поздно при путешествиях по полиэфирным дебрям вы наткнетесь на понятия “ортофталевой” , “изофталевой” и “винилэфирной” смол. Имеют ли эти термины значение в нашей судостроительной практике ? Для начала, не стоит впадать в отчаяние – все три типа относятся к полиэфирным смолам и являются их разновидностями. Основные различия, по крайней мере с точки зрения химии, заключаются в том , что при схожести техпроцесса они различаются молекулярной массой и строением. Причины этих различий заключаются в характеристиках конечного стеклопластика и условиях его эксплуатации.

Ортофталевые и изофталевые смолы имеют различия в кислотной основе смолы. С точки зрения молекулярного строения изофталевые смолы усторены более сложно чем ортофталевые, а винилэфирные сложнее тех и других. Однако все три – это полиэфирные смолы. Чтобы излишне не усложнять ситуацию, скажем сразу, что самый распространенный тип смол в стеклопластиковом судостроении (особенно если речь идет о любительском) – это ортофталевые. Почему ? В первую очередь – из-за своей низкой стоимости, а также из-за того, что характеристики, которыми обладают изофталевые и винилэфирные смолы, как правило, не нужны большинству лодок (хотя в применении изофталевых и наблюдается рост).

Каковы же могут быть причины применения изофталевой и винилэфирной смолы вместо ортофталевой ? Та и другая обладают улучшенными физико-механическими свойствами и обеспечивают стеклопластику более высокие характеристики. К примеру, у изофталевой смолы выше коррозионная стойкость и стойкость к растворителям (по сравнению с ортофталевой) , она более прочная и лучше держит удары. Именно поэтому ее чаще всего используют в гелькоутах. У изофталевой и винилэфирной смолы также лучше адгезионные свойства.

По своей химической и коррозионной стойкости винилэфирные смолы обходят изофталевые, и к тому же сохраняют свои высокие механические свойства при повышенных температурах – качество, весьма ценное при использовании в аэрокосмической отрасли. Их высокая химическая стойкость находит применение при изготовлении стеклопластиковых емкостей и в различных отраслях промышленности.

Винилэфирным смолам свойственна эластичность при растяжении ; это обеспечивает изготовленному на их основе ламинату более высокие характеристики, что важно там, где нет возможности избежать высоких нагрузок (циклических и вибрационных) на этапе проектирования. Сферой применения, где такие качества могут быть в цене, являются, к примеру, быстроходные гоночные катера для открытого моря.

У многих специалистов по стеклопластиковым композитам и химиков в области смол вызывает недоумение возросший интерес к винилэфирным смолам в судостроении. Как они утверждают, совершенно достаточной прочности и других механических характеристик можно достичь , применяя самую обычную орто- и изофталевую смолу с правильными стекломатериалами по правильной технологии. Если не поставлена задача сохранения высокой прочности при повышенных температурах или стойкости к химическим веществам и коррозии – нет никакого смысла платить лишнюю цену за использование винилэфирной смолы. Позже мы еще будем обращаться к более подробному обсуждению этих видов смол.

У винилэфирной смолы имеются и другие недостатки. Срок годности у них зачастую гораздо меньше чем у обычных полиэфирных. Многие поступают в продажу непредускоренными и требуют самостоятельного введения ускорителя. Этот момент осложняется тем, что с винилэфирными смолами применяются иные, более сложные системы в виде известного нам нафтената кобальта в паре с веществом под названием диметиланилин (или ДМА) – крайне опасного и являющегося канцерогеном.

Из-за того, что для винилэфирной смолы помимо катализатора могут потребоваться еще два ускорителя, работать с ними сложнее в плане сроков желатинизации и полимеризации, т.к. они зависят от пропорций сразу трех ингредиентов. Для любителя это может оказаться слишком сложным и привести к ошибкам с непредсказуемыми результатами. Именно по этой причине, и с учетом потенциальной угрозы здоровью и безопасности, некоторые эксперты в области смол считают, что введение ускорителей в полиэфирную смолу нельзя доверять конечному потребителю. Независимо от того, предускорен винилэфир или нет, потребителю рекомендуется обращаться к производителю или поставщику смолы за рекомендациями по ее пригодности для конкретных изделий и правильному построению техпроцесса.

Может возникнуть вопрос – оправдано ли вообще использование винилэфирных смол ? Многие производители быстроходных судов, строящие единичные экземпляры для участия в соревнованиях, считают, что да . В особенности это касается тех, кто использует ее в комбинации с высокомодульными армирующими материалами, рассматриваемыми далее. Они аргументируют это тем, что характеристика любого композитного материала зависит не только от материалов армирования , их комбинации и ориентации в ламинате , но также и от типа применяемой смолы. Считается, что винилэфиры обеспечивают повышенную ударопрочность, противостоят абразивному износу, более водостойки , эластичны, в особенности когда используются совместно с высокомодульными волокнами.

На данный момент проведено недостаточно испытаний, которые бы подтвердили эти заявления, и многие специалисты склоняются к мысли, что применение винилэфирных смол вместо прочих полиэфирных, является скорее данью моде. Тем не менее, автор имел возможность ознакомиться с эмпирическими результатами сравнительных испытаний винилэфирной и полиэфирной смолы в сэндвичевой конструкции , состоящей из пенопластового заполнителя и тонких наружных оболочек из высокомодульного материала. И хотя данные говорили о лучшей адгезии оболочек к заполнителю и лучшей ударопрочности, в случае применения этих смол любителями, их реальные и мнимые достоинства просто не оправдывают связанных с этим расходов и проблем. В большинстве случаев характеристик ортофталевой полиэфирной смолы будет совершенно достаточно, а если нужно нечто лучшее, всегда можно обратиться к полиэфирной изофталевой. И если в настоящее время изофталевые смолы стоят на 10% дороже ортофталевых, то винилэфирные стоят практически вдвое дороже. Для большинства любителей один только этот фактор ставит крест на использовании данного вида смол.

Полиэфирная смола: описание, недостатки, достоинства

Между полиэфирной смолой и эпоксидной есть еще одно отличие – первая затвердевает без дополнительных добавок. Процесс полимеризации начинается еще на заводе, в момент изготовления ПС. Но происходит он очень медленно. Поэтому в комплекте к этой смоле обычно продаются компоненты, которые ускоряют процесс затвердевания.

После добавки к смоле ускорителей она затвердевает в течение часа: вначале становится желеобразной, а затем твердеет. Остановить процесс полимеризации невозможно.

Достоинства полиэфирной смолы:

1. Недорого стоит (в 3-5 раз дешевле, чем ЭС). Дополнительные компоненты также стоят дешевле, чем для ЭС.
2. Мало изменяет вязкость.
3. Быстро твердеет после добавки ускорителя – в течение 1-2 часов. Чтобы остановить процесс, в состав добавляются специальные ингибиторы.
4. Затвердевшая ПС обладает упругостью, она эластична.

Минусы полиэфирной смолы:

1. Сильная деформация (усадка).
2. Минимальная прочность.
3. Низкие гидроизоляционные свойства.
4. Минимальный срок годности. Связан с тем, что остановить процесс затвердевания невозможно. Поэтому покупать смолу можно только свежей.
5. Воздух для ПС – ингибитор. То есть при соприкосновении с воздухом, поверхность ПС становится липкой. Избавиться от этого можно только с помощью каких-то дополнительных манипуляций. Например, покрытия поверхности ПС пленкой ПВХ.
6. Имеет сильный запах, поэтому работать в помещении с ПС можно только при регулярном проветривании и в респираторе. В жилых помещениях работать с ПС вообще не рекомендуется.
7. ПС токсична, содержит стирол. А значит, она опасна для здоровья человека.

Получается, что ПС слабее по своим свойствам, чем ЭС. Но применяются для изготовления декоративных изделий, которые не подвергаются нагрузке или повреждениям. Главное же преимущество ПС по сравнению с ЭС – низкая стоимость.

Плюсы и минусы

Профессиональный подход в сравнении двух материалов сводится к анализу их технических характеристик. Однако «голые» показатели едва ли станут полезными для мастера-любителя, поэтому постараемся дать оценку этим показателям, условно разделив их на плюсы и минусы. Сначала рассмотрим эпоксидную смолу. Недостатков у нее мало, по сравнению с достоинствами, но не стоит делать поспешных выводов в плане выбора.

• Еще с середины прошлого века эпоксидная смола зарекомендовала себя, как надежный клей. Сегодня этот материал встречается в виде десятков модификаций , но все они сохранили первозданную функцию. Смола – превосходный клей, который «работает» практически со всеми материалами. Исключение составляют полиэтилены, термопласт, тефлоны, в том числе и оргстекло, полипропилен, поликарбонат.
• Срок хранения эпоксидной смолы (при раздельном хранении ее компонентов) может достигать пяти лет, а отвердителя – от 1 до 2 лет. Но практика показывает, что основной состав остается действенным даже после 20 лет хранения. Нарушается лишь пропорция при смешивании с отвердителем. Приходится нужных свойств достигать методом проб. Возможно, потребуется количество отвердителя увеличить.
• Эпоксидная смола в чистом виде, без примесей, не имеет запаха. Считается, что работы по заливке должны проводиться с использованием средств защиты, так как вещество в жидком состоянии токсично. Во-первых, современные компоненты экологически безопасны и не причиняют вреда человеку. Во-вторых, после отверждения изделия не имеют запаха. Они могут контактировать с кожей, одеждой и продуктами питания. Специфический запах имеет отвердитель. Он пахнет аммиаком. Но запах не настолько интенсивно распространяется, поэтому с эпоксидкой можно работать даже в жилом помещении, чего нельзя сказать о полиэфирной смоле.
• Структура полимера делает его влагонепроницаемым. Слой смолы может выполнять защитную функцию от проникновения влаги и действия химически активных веществ. Эмалями на основе эпоксидки покрывают трубопроводы и цистерны.
• Показатель вязкости можно менять, независимо от модели смолы. Добавляя разбавители или пластификаторы, мастер добивается нужной вязкости без потери качества материала. Эти добавки изготовлены на основе олигомеров эпоксидных групп, поэтому, как и основной состав, вступают в реакцию с отвердителем и полимеризуются.
• Мастер, работающий с эпоксидкой, имеет возможность изготовления точного по форме и габаритам изделия. Усадка материала составляет 0,3-0,5% процентов, а при добавлении некоторых наполнителей она уменьшается до 0,2%.
• Плотность отвержденной эпоксидной смолы на 20-30% процентов меньше, чем плотность полиэфирки. При этом эпоксидная смола не отстает по показателю прочности от своего «конкурента».

Есть у полимера и определенные минусы. Некоторые из них можно минимизировать, но чаще всего приходится мириться и ставить в приоритет другие показатели. Одним из самых существенных недостатков отмечается длительность процесса полимеризации. Первый этап длятся около часа. В течение этого времени изделие приобретает способность сохранять свою форму. В следующие 24 часа происходит отверждение смолы. Ее прочность составляет до 70% от максимального показателя. Полное отверждение наступает спустя 6-7 суток после заливки.

Второй недостаток – относительно высокая стоимость. Если речь идет о производственных масштабах, то расходы на материал достаточно велики. Использование эпоксидки в быту оправдывает финансовые расходы при условии, что получен качественный результат.

В случае с полиэфирной смолой ситуация обстоит с точностью до наоборот. У нее недостатков больше, чем достоинств, однако то малое количество положительных факторов имеет определяющее значение. Начнем с достоинств.

• Неоспоримым плюсом считается ценовая доступность материала. В среднем, полиэфирная смола в 3-5 раз дешевле эпоксидной. Помимо этого, отмечаются низкие затраты на дополнительные компоненты. Так, для полимеризации потребуется всего лишь 1-2% процента катализатора, играющего роль отвердителя, что существенно экономит бюджет. Напомним, что в случае с эпоксидной смолой доля отвердителя практически равна доле основного компонента.
• Еще отмечается, как достоинство материала, скорость полимеризации. Полиэфирная смола полностью застывает за 1,5-2 часа. Это очень удобно, особенно при создании многослойных изделий. Но мастер должен предварительно оценивать свои возможности. Если планируемую работу ему не удастся выполнять за установленный срок, то в смолу придется вносить ингибиторы, замедляющие реакцию полимеризации.
• Затвердевшая смола обладает упругостью при деформации изгиба и кручения. Отлитые плиты эластичны. В некоторых условиях это имеет решающее значение. Материал может служить неплохим виброизолятором. Примечательно то, что после длительных периодически меняющихся нагрузок свойства слоя смолы не меняется. Но амплитуда колебаний должна быть небольшой, иначе конструкция разрушается.

Отрицательные качества у полиэфирных смол не только присутствуют, они по своей численности превосходят количество достоинств.

• Самым вопиющим недостатком считается наличие токсичного стирола. Даже ненасыщенные смолы, отличающиеся пониженным содержанием растворителя, опасны для здоровья человека. Поэтому работать со смолой можно только в респираторе, в специальных технических помещениях, оборудованных хорошей вентиляцией. В домашних условиях производить заливку смолы ни в коем случае нельзя.
• Полиэфирная смола плохо контактирует с эпоксидной. Например, если полиэфирку наносить на эпоксидку, то материалы вскоре начнут расслаиваться. Для создания подобного соединения рекомендуется эпоксидную смолу заливать на затвердевшую полиэфирную. В жидком состоянии материалы не взаимодействуют совсем.
• Быстрая полимеризация вынуждает мастера выполнять работы в спешке. Необходимо тщательно подготовиться к заливке, чтобы не тратить время на поиск инструмента.
• Если производится заливка материала в форму, то желательно использовать эпоксидную смолу, так как полиэфирка дает значительную усадку. Рассчитать точный объем жидкого вещества для получения заготовки нужной формы практически невозможно.
• Несмотря на то, что во многих источниках указано, что полиэфирная смола обладает гидроизоляционными свойствами, ее стараются не использовать в условиях повышенной влажности. Вода проникает через мельчайшие поры. Лодки из полиэфирки после летнего сезона становятся тяжелее, что свидетельствует о пропитке материала водой. Приходится покрывать корпуса специальными составами.
• Непродолжительный срок хранения материала повышает риск покупки начавшего полимеризоваться полиэфира. Даже если срок хранения не истек, смола, при несоблюдении условий хранения, может оказаться непригодной к заливке.
• Клеевые качества у полиэфирной смолы присутствуют, однако они значительно ниже, чем у эпоксидной.

Нюансы выбора

Смолы полиэфирные поставляются в «запущенной» реакции полимеризации, то есть через определенное время переходят в твердое состояние. И если приобрести старую смолу, то она не будет обладать заявленными свойствами и характеристиками. Многие производители дают на свою продукцию гарантию свежести.

Срок годности полиэфирных смол составляет порядка шести месяцев. Если соблюдать правила хранения, к примеру, держать состав в холодильнике, при этом не замораживая, использовать смолу можно на протяжении года. Нельзя допускать попадания прямых солнечных лучей, а также температуры окружающей среды выше +20 градусов.

{RANDOM_PARAGRAPH=401-800}
{RANDOM_SECTION=500-3000}