آشنایی با رزین اپوکسی , خواص رزین اپوکسی و کاربرد های رزین اپوکسی
رزین اپوکسی چیست؟
در اینجا چند تعریف برای رزین اپوکسی را میتوانید بخوانید:
رزینهای اپوکسی دستهای از پیش پلیمرها و پلیمرها هستند که هنگام واکنش با سختکنندهها یا عوامل پخت، مادهای قوی و بادوام را تشکیل میدهند که در انواع کاربردهای تجاری و صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند.
پولی پوکساید یا همان اپوکسی یک نوع بسپار ترموست یا به عبارت روان تر نوعی گرما سخت است که از ترکیب و فعل و انفعالات دو جز اصلی اپوکساید رزین و سختکنندهها که به هاردنر (سختکننده) معروف هستند تشکیل میگردد. رزین اپوکسی از تکپارها که مولکولهای واحدی هستند و از به هم پیوستن آنها بسپارها یا همان پلیمرها که مولکولهای بزرگ را تشکیل میدهند، با زنجیر کوتاه که در انتهایشان یک گروه اپوکساید قرار دارد تشکیل میشود.[۱]
رزین اپوکسی دارای دو جزء اساسی هاردنر و رزین می باشد که هاردنر به منظور سفت و محکم کردن رزین به آن افزوده می شود.
رزین اپوکسی چگونه تولید میشود؟
رزین های اپوکسی نووالاک از واکنش اپی کلرو هیدرین با فنل فرم آلدهید غلیظ به دست می آید که دارای ساختاری شبکه ای ولیکن بسیار فشرده می باشد به همین علت پوشش های بر پایه رزین های اپوکسی نووالاک دارای ساختاری مستحکم و خواص عالی می باشند.
بیشتر مونومرهای اپوکسی مورد استفاده تجاری از واکنش یک ترکیب با گروه های هیدروکسی اسیدی و اپی کلروهیدرین تولید می شوند . ابتدا یک گروه هیدروکسی در یک واکنش کوپلینگ با اپی کلروهیدرین و به دنبال آن هیدروهالوژناسیون واکنش نشان می دهد . رزین های اپوکسی تولید شده از این گونه مونومرهای اپوکسی، رزین های اپوکسی بر پایه گلیسیدیل نامیده می شوند. گروه هیدروکسی ممکن است از دیولهای آلیفاتیک ، پلیالها (پلیالهای پلیاتر)، ترکیبات فنولیک یا اسیدهای دی کربوکسیلیک مشتق شوند . فنل ها می توانند ترکیباتی مانند بیسفنول A و نوولاک باشند . پلی ال ها می توانند ترکیباتی مانند 1،4-بوتاندیول باشند. دی و پلی ال ها منجر به گلیسیدیل اترها می شوند . اسیدهای دی کربوکسیلیک مانند اسید هگزا هیدروفتالیک برای رزین های استر دی گلیسید استفاده می شود. به جای یک گروه هیدروکسی، همچنین اتم نیتروژن یک آمین یا آمید را می توان با اپی کلروهیدرین واکنش داد.
سنتز اپوکسید با استفاده از پراسید
راه دیگر تولید رزینهای اپوکسی، تبدیل آلکنهای آلیفاتیک یا سیکلوآلیفاتیک با پراسیدها است : [13] [14] برخلاف رزینهای اپوکسی مبتنی بر گلیسیدیل، تولید چنین مونومرهای اپوکسی به یک اتم هیدروژن اسیدی نیاز ندارد، بلکه به یک اتم دوگانه آلیفاتیک نیاز دارد. رابطه، رشته.
گروه اپوکسید گاهی اوقات به عنوان گروه اکسیران نیز نامیده می شود.
تولید رزین اپوکسی بر پایه بیس فنل آ
ترکیب شیمیایی متفاوت به نام بیسفنول A دی گلیسیدیل اتر (که معمولاً با نام BADGE یا DGEBA شناخته می شود) می شود. رزین های مبتنی بر بیسفنول A گسترده ترین رزین های تجاری هستند، اما سایر بیسفنول ها نیز به طور مشابه با اپی کلروهیدرین واکنش می دهند، به عنوان مثال بیسفنول F.
در این واکنش دو مرحله ای، ابتدا اپی کلروهیدرین به بیس فنل A اضافه می شود (بیس(3-کلرو-2-هیدروکسی پروپوکسی)بیسفنول A تشکیل می شود)، سپس در یک واکنش تراکمی با مقدار استوکیومتری هیدروکسید سدیم، یک بی سپوکسید تشکیل می شود. اتم کلر به صورت کلرید سدیم (NaCl) و اتم هیدروژن به صورت آب آزاد می شود.
دی گلیسیدیل اترهای با وزن مولکولی بالاتر (n ≥ 1) از واکنش بیسفنل A دی گلیسیدیل اتر تشکیل شده با بیسفنول A بیشتر تشکیل می شوند که به این پیش پلیمریزاسیون گفته می شود:
سنتز بیسفنول-A-دی گلیسیدیل اتر با جرم مولی بالا
محصولی متشکل از چند واحد تکرار ( n =1 تا 2) یک مایع چسبناک و شفاف است. به این رزین اپوکسی مایع می گویند. محصولی که دارای واحدهای تکرار شونده بیشتری است ( n =2 تا 30) در دمای اتاق یک جامد بی رنگ است که به ترتیب رزین اپوکسی جامد نامیده می شود.
به جای بیسفنول A، بیسفنول های دیگر (به ویژه بیسفنول F ) یا بیسفنول های بروم دار (مثلا تترابرومبیسفنول A ) می توانند برای اپوکسیداسیون و پیش پلیمریزاسیون مذکور استفاده شوند . بیسفنول F ممکن است به شکلی مشابه بیسفنول A تحت تشکیل رزین اپوکسی قرار گیرد. این رزین ها معمولاً ویسکوزیته کمتر و میانگین محتوای اپوکسی در هر گرم نسبت به رزین های بیسفنول A دارند که (پس از پخت) مقاومت شیمیایی آنها را افزایش می دهد.
رزین های اپوکسی مهم از ترکیب اپی کلروهیدرین و بیسفنول A برای تولید بیسفنول A دی گلیسیدیل اترها تولید می شوند .
ساختار رزین اپوکسی دی گلیسیدیل اتر بیسفنول-A:
n تعداد زیر واحدهای پلیمریزه شده را نشان می دهد و معمولاً در محدوده 0 تا 25 قرار دارد.
افزایش نسبت بیسفنول A به اپی کلروهیدرین در طول ساخت، پلیاترهای خطی با وزن مولکولی بالاتر با گروههای انتهایی گلیسیدیل تولید میکند که بسته به وزن مولکولی به دست آمده در دمای اتاق، مواد بلوری نیمه جامد تا سخت هستند. این مسیر سنتز به عنوان فرآیند “تافی” شناخته می شود. مسیر معمول برای رسیدن به رزینهای اپوکسی با وزن مولکولی بالاتر، شروع با رزین اپوکسی مایع (LER) و اضافه کردن مقدار محاسبهشده بیسفنول A است و سپس یک کاتالیزور اضافه میشود و واکنش تا حدود 160 درجه سانتیگراد (320 درجه فارنهایت) گرم میشود. این فرآیند به عنوان “پیشرفت” شناخته می شود. [15] با افزایش وزن مولکولی رزین، محتوای اپوکسید کاهش مییابد و ماده بیشتر و بیشتر شبیه یک ترموپلاستیک رفتار میکند.. پلی کندانسات با وزن مولکولی بسیار بالا (حدود 30000-70000 گرم در مول) کلاسی را تشکیل می دهند که به عنوان رزین فنوکسی شناخته می شود و عملاً هیچ گروه اپوکسیدی ندارند (زیرا گروه های اپوکسی انتهایی در مقایسه با اندازه کل مولکول ناچیز هستند). با این حال، این رزین ها حاوی گروه های هیدروکسیل در سرتاسر ستون فقرات هستند که ممکن است تحت واکنش های پیوند متقابل دیگری نیز قرار گیرند، به عنوان مثال با آمینوپلاست ها، فنوپلاست ها و ایزوسیانات ها .
رزین های اپوکسی مواد پلیمری یا نیمه پلیمری یا یک الیگومر هستند و به ندرت به عنوان مواد خالص وجود دارند، زیرا طول زنجیره متغیر ناشی از واکنش پلیمریزاسیون مورد استفاده برای تولید آنهاست. درجه خلوص بالا را می توان برای کاربردهای خاصی تولید کرد، به عنوان مثال با استفاده از فرآیند تصفیه تقطیر. یکی از نکات منفی گریدهای مایع با خلوص بالا، تمایل آنها به تشکیل جامدات کریستالی به دلیل ساختار بسیار منظم آنها است که پس از آن برای فعال کردن پردازش نیاز به ذوب دارند.
یک معیار مهم برای رزین های اپوکسی، مقدار اپوکسی است که به محتوای گروه اپوکسید متصل است. این به عنوان ” وزن معادل اپوکسید ” بیان می شود، که نسبت بین وزن مولکولی Rorar و تعداد گروه های اپوکسید است. این پارامتر برای محاسبه جرم هم واکنش دهنده (سخت کننده) مورد استفاده در هنگام پخت رزین های اپوکسی استفاده می شود. اپوکسی ها معمولاً با مقادیر استوکیومتری یا نزدیک به استوکیومتری سخت کننده پخت می شوند تا به بهترین خواص فیزیکی دست یابند.
ویژگی های رزین اپوکسی
اپوکسی ها به دلیل دوام، چسبندگی قوی، مقاومت شیمیایی و سایر خواص تخصصی در طیف وسیعی از کاربردهای مصرفی و صنعتی مورد استفاده میشوند.
- چسبندگی قوی
- بی بو و بی مزه
- قابل استفاده در خانه
- آتشزا نبودن؛ اما، ضد حریق نیست
- استحکام کششی، فشاری و خمشی بسیار بالا
- عایق جریان الکتریسیته و همچنین به عنوان رسانا مورد استفاده قرار میگیرد
- مقاومت بالا در برابر دما پس از خشک شدن
- تنوع رنگ زیاد
- مقاومت خوب نسبت به مواد شیمیایی (اسیدها، بازها، چربیها)
کاربرد های رزین اپوکسی
1- کاربردهای انرژی تجدیدپذیر
پوکسی ها به انواع محصولات و فناوری ها کمک می کنند که به افزایش بهره وری انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای کمک می کنند. بسیاری از منابع انرژی تجدیدپذیر – باد، خورشید، گاز طبیعی، فنآوریهای جدید باتری و موارد دیگر- برای کارآمدتر، مقرون به صرفهتر و مقیاسپذیرتر به نوآوریهای فناوری اپوکسی وابسته هستند.
2-ساختمان و ساخت و ساز
رزینهای اپوکسی مورد استفاده در کاربردهای ساختمانی و ساختمانی میتوانند با افزایش دوام قطعات ساختاری چسبهای مهندسی و رنگها، به افزایش طول عمرساختمانها و کاهش نیاز به بازسازی و رنگآمیزی کمک کنند.
3-رنگ ها و پوشش ها
رنگ های تقویت شده با اپوکسی به سرعت خشک میشوند و یک پوشش با دوام و مستحکم را پدید میآورند.
4- کفپوش
رزین های اپوکسی کاربرد گسترده ای در انواع کفپوشها به خصوص کفپوش های استریل دارند.ماهیت بادوام اپوکسی ها به این معنی است که کف های با روکش اپوکسی را می توان با استفاده از محصولات پاک کننده قوی تر ضد عفونی نمود.
5- تولید مخازن و لوله ها
رزین های اپوکسی کاربرد گسترده ای در تولید مخازن کامپوزیتی و لوله ها دارند. از آنجایی که پوشش لوله اپوکسی در برابر کلر و میکروب ها بادوام و مقاوم است، می تواند جایگزین مناسبی برای جایگزینی لوله های قدیمی باشد.
6- چسب های مستحکم
اپوکسی تقزیبا به همه چیز خوب میچسبد.
7- هوافضا
رزینهای اپوکسی در هوافضا برای هواپیماها و سیستمهای ماهوارهای بهعنوان چسبنده برای تقویتکنندههایی مانند شیشه و کربن استفاده میشوند و به قوی و سبکتر شدن آنها کمک میکنند. آنها همچنین می توانند برای مقاومت در برابر دمای شدید هواپیماها ساخته شوند و می توانند به ماندگاری بیشتر قطعات ساختاری کمک کنند.
در صنعت هوافضا، اپوکسی به عنوان ماده ماتریس ساختاری استفاده می شود که سپس توسط فیبر تقویت می شود. تقویت کننده های الیافی معمولی شامل شیشه، کربن، کولار و بور هستند. از اپوکسیها به عنوان چسب ساختاری نیز استفاده می شود. موادی مانند چوب و سایر موادی که دارای فناوری پایین هستند با رزین اپوکسی چسبانده می شوند. اپوکسی ها عموماً از نظر خواص مکانیکی و مقاومت در برابر تخریب محیطی از اکثر انواع رزین های دیگر بهتر عمل می کنند.
انواع سخت کننده ها اپوکسی ( هاردنر های اپوکسی)
سختکنندهها نیز که به هاردنر معروف هستند را به دو گروه کلی پلی آمید و پلی آمین میتوان تقسیم نمود که هر کدام بر اساس مورد مصرف و کاربری مورد انتظار از اپوکسی بدست آمده مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
سختکنندههای آمینی را معمولاً برای اپوکسیهای بدون حلال با کاربری چسب و کفپوش یا برای کاربریهایی که ضخامت بالایی از مواد مد نظر است مورد استفاده قرار میدهند. اما پلی آمیدها را نمیتوان در ضخامتهای بالا مورد استفاده قرار داد.
به عبارت کلی تر میتوان گفت اپوکسیهای پلی آمینی به عنوان چسب و کفپوش یا در صنایع قالب سازی و تزئینی و اپوکسیهای پلی آمیدی به عنوان رنگهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند.
نکات ایمنی کار با اپوکسی ها
اپوکسی ها تحت آزمایش های گسترده ای برای اثرات بهداشتی و محیطی قرار گرفته اند. در حالی که اپوکسی پخت شده بی اثر است و بعید است که هیچ خطری برای سلامتی ایجاد کند، برخی از رزین ها و سخت کننده های مورد استفاده در فرآیند پخت ممکن است خواص خطرناکی از خود نشان دهند و می توانند اثرات تحریک کننده یا حساس کننده ایجاد کنند. سیستم های اپوکسی را می توان با رعایت اقدامات احتیاطی اولیه و پیروی از دستورالعمل های ایمنی خاص به صورت ایمن اداره کرد.
رزین های اپوکسی عمدتاً در کاربردهای ساختمانی و ساختمانی استفاده می شوند. کارگران ممکن است در معرض رزین های اپوکسی پخته نشده قرار بگیرند اگر به طور نامناسب محافظت شوند یا با ابزار مناسب با رزین های اپوکسی کار نکنند. 4 تماس ممکن است هنگام حمل ظروف رزین های اپوکسی رخ دهد. هنگام مخلوط کردن، پخش کردن، پاشش یا نورد کردن اجزای اپوکسی؛ یا هنگام دفع ظروف خالی و مواد زائد. اثرات تماس با اپوکسی های خشک نشده می تواند شامل قرمزی یا متورم شدن پوست و آسیب پوست باشد. استفاده صحیح از تجهیزات محافظ شخصی (PPE) و محافظ پوست می تواند به محافظت از کارگران در برابر تماس با پوست کمک کند. اپوکسی اروپا بروشور ایمنی را با راهنمایی در مورد استفاده ایمن از رزین های اپوکسی در محیط های صنعتی تهیه کرده است. 4
علاوه بر این، نهادهای تنظیم کننده استاندارد مانند انجمن آمریکایی آزمایش و مواد (ASTM) 5 و سازمان بین المللی استانداردسازی (ISO) 6 استانداردهایی را تعیین می کنند تا اطمینان حاصل شود که مواد و فرآیندها سازگار و متناسب با هدف هستند.
بیسفنول A (BPA) برای ساخت رزین های اپوکسی استفاده می شود. آسترهای اپوکسی ساخته شده با BPA یک مانع محافظ در ظروف فلزی ایجاد می کنند تا از فاسد شدن یا آلوده شدن غذاهای کنسرو شده به باکتری یا زنگ جلوگیری کند. رزین های اپوکسی مورد استفاده در بسته بندی مواد غذایی برای چندین دهه توسط سازمان غذا و داروی ایالات متحده (FDA) ، سازمان ایمنی غذای اروپا (EFSA) و بسیاری از آژانس های دولتی دیگر در سراسر جهان تایید شده اند . FDA بیان می کند که BPA در سطوح فعلی که در مواد غذایی از کاربردهای تماس با غذا مانند پوشش های قوطی فلزی وجود دارد، ایمن است. 7 تنها آثار باقی مانده از BPA در رزین اپوکسی باقی می ماند و یا در طول فرآیند پخت واکنش نشان می دهد یا در رزین عمل آوری شده جاسازی و بی حرکت می شود.