Полиэфирные смолы: производство и работа с ними

За последние годы полиэфирные смолы обрели большую популярность. Прежде всего, они востребованы как ведущие компоненты во время производства стеклопластиков, прочных и лёгких конструкционных материалов.

Изготовление смол: первый этап

С чего начинается производство полиэфирных смол? Данный процесс начинается с перегонки нефти — во время этого выделяются различные вещества: бензол, этилен и пропилен. Они необходимы для получения антигидридов, многоосновных кислот, гликоли. После совместной варки все эти составляющие создают так называемую базовую смолу, которую на определённой стадии нужно разбавлять стиролом. Последнее вещество, к примеру, может составлять 50% от готовой продукции. В рамках этого этапа также допускается продажа уже готовой смолы, но стадия производства ещё не является оконченной: не следует забывать о насыщении разными добавками. Именно благодаря таким составляющим готовая смола обретает свои уникальные свойства.

Состав смеси может меняться производителем — тут многое зависит от того, где конкретно будут применять полиэфирную смолу. Специалисты подбирают самые оптимальные комбинации, результатом такой работы будут вещества с совершенно разными свойствами.

Производство смол: второй этап

Важно, чтобы готовая смесь была твёрдой — обычно ждут, когда процесс полимеризации дойдёт до конца. Если он прервался, а материал оказался в продаже — он полимеризован только отчасти. Если с ним ничего не делать, полимеризация продолжится, вещество обязательно затвердеет. В силу этих причин срок хранения смолы весьма ограничен: чем старее материал, тем хуже его конечные свойства. Полимеризация также может быть замедлена — для этого используют холодильники, там твердение не происходит.

Чтобы стадия производства завершилась, и получилась готовая продукция, к смоле также необходимо добавить два важных вещества: катализатор и активатор. Каждое из них выполняет свою функцию: в смеси начинается теплообразование, которое способствует процессу полимеризации. То есть источник тепла извне не требуется — всё происходит без него.

Ход процесса полимеризации регулируют — контролируют пропорции компонентов. Так как из-за контакта между катализатором и активатором может получиться взрывоопасная смесь, последний принято вводить в смолу исключительно в рамках производства, перед использованием добавляется катализатор, его обычно поставляют отдельно. Лишь когда процесс полимеризации будет полностью окончен, вещество затвердеет, можно сделать вывод о том, что производство полиэфирных смол закончено.

Исходные смолы

Что собой представляет данный материал в исходном состоянии? Это медоподобная, вязкая жидкость, цвет которой может варьироваться от тёмно-коричневого до светло-жёлтого. Когда вводят некоторое количество отвердителей, полиэфирная смола сначала слегка густеет, потом обретает студнеобразное состояние. Чуть позже консистенция напоминает резину, потом — вещество твердеет (становится неплавким, нерастворимым).

Такой процесс принято называть отверждением, так как он происходит за несколько часов при обычной температуре. Когда смола в твёрдом состоянии, она напоминает жёсткий прочный материал, который легко окрасить в самые разные цвета. Как правило, его используют в комбинации со стеклотканями (полиэфирными стеклопластиками), он выполняет функцию конструкционного элемента для изготовления различных изделий — такова полиэфирная смола. Инструкция при работе с подобными смесями очень важна. Необходимо соблюдать каждый её пункт.

Основные достоинства

Полиэфирные смолы в отверждённом состоянии являются замечательными конструкционными материалами. Для них характерны твёрдость, высокая прочность, прекрасные диэлектрические свойства, износостойкость, химическая стойкость. Не стоит забывать о том, что в процессе эксплуатации изделия из полиэфирной смолы безопасны с экологической точки зрения. Определённые механические качества смесей, которые используются совместно со стеклотканями, по своим показателям напоминают параметры конструкционной стали (в некоторых случаях даже превышают их). Технология изготовления дешева, проста, безопасна, поскольку вещество отверждается при обычной комнатной температуре, не требуется даже приложение давления. Выделения летучих и иных побочных продуктов не происходит, наблюдается разве что небольшая усадка. Таким образом, чтобы изготовить изделие, не нужны дорогостоящие громоздкие установки, нет необходимости и в тепловой энергии, благодаря чему предприятия быстро осваивают как крупнотоннажное, так и малотоннажное производство продукции. Не стоит забывать о низкой стоимости полиэфирных смол — этот показатель в два раза ниже, чем у эпоксидных аналогов.

Рост производства

Нельзя обойти вниманием тот факт, что на данный момент производство ненасыщенной полиэфирной смолы набирает обороты с каждым годом — это касается не только нашей страны, но и общих зарубежных тенденций. Если верить мнению специалистов, такая ситуация обязательно сохранится в обозримом будущем.

Недостатки смол

Разумеется, полиэфирные смолы также обладают некоторыми недостатками, как и любые другие материалы. К примеру, во время производства используется стирол как растворитель. Он огнеопасен, является весьма токсичным. На данный момент уже созданы такие марки, которые не имеют в своём составе стирола. Ещё один явный недостаток: горючесть. Немодифицированные ненасыщенные полиэфирные смолы горят точно так же, как твёрдые породы деревьев. Данную проблему решают: в состав вещества вводятся порошковые наполнители (низкомолекулярные органические соединения с содержанием фтора и хлора, трехокиси сурьмы), иногда используют химическое модифицирование — вводят тетрахлорфталевую, хлорэндиковую кислоты, некоторые многомеры: винилхлорацетат, хлорстирол, другие соединения, которые содержат хлор.

Состав смол

Если рассматривать состав полиэфирных ненасыщенных смол, здесь можно отметить многокомпонентную смесь химических элементов разной природы — каждый из них выполняет определённые задачи. Главными компонентами являются полиэфирные смолы, они выполняют разные функции. К примеру, полиэфир — это главный компонент. Он является продуктом реакции поликонденсации многоатомных спиртов, которые взаимодействуют с ангидридами или многоосновными кислотами.

Если говорить о многоатомных спиртах, то здесь востребованы диэтиленгликоль, этиленгликоль, глицерин, пропиленгликоль, дипропиленгликоль. В качестве ангидридов применяют адипиновую, фумаровую кислоты, фталевый и малеиновый ангидриды. Литьё полиэфирной смолы вряд ли было бы возможным, если бы полиэфир в состоянии готовности для переработки обладал невысокой молекулярной массой (около 2000). В процессе формования изделий он превращается в полимер, обладающий трехмерной сетчатой структурой, высокой молекулярной массой (после того, как вводят инициаторы отверждения). Именно такая структура обеспечивает химическую стойкость, высокую прочность материала.

Растворитель-мономер

Ещё один обязательный компонент — мономер-растворитель. При этом растворитель выполняет двоякую функцию. В первом случае он требуется для того, чтобы снизить вязкость смолы до уровня, который требуется для переработки (поскольку полиэфир сам по себе слишком густой).

С другой стороны, мономер принимает активное участие в процессе сополимеризации с полиэфиром, за счёт чего обеспечиваются оптимальная скорость полимеризации и высокая глубина отверждения материала (если рассматривать полиэфиры отдельно, их отверждение происходит достаточно медленно). Гидроперекись — тот самый компонент, который требуется для перевода в твёрдое состояние из жидкого — только так все свои качества обретает полиэфирная смола. Применение катализатора также обязательно при работе с полиэфирными ненасыщенными смолами.

Ускоритель

Этот ингредиент могут вводить в состав полиэфиров как во время изготовления, так и тогда, когда происходит переработка (до ввода инициатора). Для отверждения полимеров самыми оптимальными ускорителями можно назвать кобальтовые соли (октоат кобальта, нафтенат). Полимеризацию нужно не только ускорять, но также активировать, хотя в некоторых случаях её замедляют. Секрет в том, что если не использовать ускорители и инициаторы, в готовом веществе будут самостоятельно образовываться свободные радикалы, за счёт чего полимеризация будет происходить преждевременно — прямо при хранении. Чтобы предотвратить такое явление, не обойтись без замедлителя (ингибитора) отверждения.

Принцип действия ингибитора

Механизм действия этой составляющей такой: она взаимодействует со свободными радикалами, которые периодически возникают, в результате происходит образование малоактивных радикалов или же соединений, которые вовсе не имеют радикальной природы. Функцию ингибиторов обычно выполняют такие вещества: хиноны, трикрезол, фенон, некоторые из органических кислот. В состав полиэфиров вводят ингибиторы в малых количествах во время изготовления.

Другие добавки

Компоненты, которые описаны выше, — основные, именно благодаря им возможна работа с полиэфирной смолой как со связующим. Однако, как показывает практика, в процессе формования изделий достаточно большое количество добавок вводят в полиэфиры, которые, в свою очередь, несут самые разные функции, модифицируют свойства исходного вещества. Среди таких компонентов можно отметить порошковые наполнители — их вводят специально, чтобы снизить усадку, удешевить материал, увеличить огнестойкость. Следует также отметить стеклоткани (армирующие наполнители), применение которых обусловлено повышением механических свойств. Существуют и другие добавки: стабилизаторы, пластификаторы, красители и проч.

Стекломаты

Как по толщине, так по структуре стекловолокно может быть разным. Стекломаты — стекловолокна, которые рубят мелкими кусками, длина их варьируется в пределах 12-50 мм. Элементы между собой склеивают при помощи другого временного связующего, в качестве которого обычно выступает порошок или эмульсия. Смола эпоксидная полиэфирная используется для изготовления стекломатов, которые состоят из волокон, расположенных хаотично, стеклоткань же своим внешним видом напоминает обыкновенную ткань. Чтобы добиться максимально возможного упрочнения, следует использовать разные марки стеклоткани.

Вообще, стекломаты имеют меньшую прочность, зато их гораздо легче обрабатывать. Если сравнивать со стеклотканью, то этот материал лучше повторяет форму матрицы. Поскольку волокна достаточно короткие, имеют хаотичную ориентацию, мат едва ли может похвастаться большой прочностью. Однако его можно очень легко пропитать смолой, поскольку он мягок, при этом рыхл и толст, чем-то напоминает губку. Материал действительно мягкий, формованию поддаётся без проблем. Ламинат, к примеру, который делают из таких матов, отличается замечательными механическими свойствами, обладает высокой сопротивляемостью против атмосферных условий (даже в рамках длительного периода).

Где используют стекломаты

Мат находит себе применение в сфере контактного формования, чтобы можно было производить товары сложных форм. Изделия, выполненные из такого материала, применяют в самых разных областях:

• в сфере судостроительной промышленности (строительство каноэ, лодок, яхт, рыборезки, разных внутренних сооружений и проч.);
• стекломат и полиэфирная смола задействованы на автомобильном производстве (различные детали машин, цилиндры, фургоны, диффузоры, цистерны, информационные панели, корпуса и др.);
• в строительной индустрии (определённые элементы деревянных изделий, возведение автобусных остановок, разделительные перегородки и т. д.).

У стекломатов бывает разная плотность, как и толщина. Разделяют материал по весу одного квадратного метра, измеряют который в граммах. Встречается достаточно тонкий материал, практически воздушный (стекловуаль), также существует толстый, практически как одеяло (используют для того, чтобы изделие обрело нужную толщину, получило требуемую прочность).