Термореактивный полимер

В материаловедении , термореактивный полимер часто называемый термореактивным , представляет собой полимер , который получается путем необратимого отверждения (« отверждения ») мягкого твердого или вязкого жидкого форполимера ( смолы ). ^[1] Отверждение вызывается теплом или подходящим излучением и может быть ускорено высоким давлением или смешиванием с катализатором . Тепло не обязательно применяется снаружи, оно часто генерируется в результате реакции смолы с отвердителем ( катализатором , отвердителем ). Отверждение приводит к химическим реакциям, которые создают обширные поперечные связи между полимерными цепями, образуя неплавкую и нерастворимую полимерную сетку.

Исходный материал для изготовления термореактивных материалов обычно является пластичным до отверждения или жидким, и часто его предназначен для придания ему окончательной формы. Его также можно использовать в качестве клея . После затвердевания термореактивный материал нельзя расплавить для изменения формы, в отличие от термопластичных полимеров, которые обычно производятся и распространяются в виде гранул, а затем формуются в конечный продукт путем плавления, прессования или литья под давлением .

Химический процесс

Отверждение термореактивной смолы превращает ее в пластик или эластомер ( каучук ) путем сшивания или удлинения цепи за счет образования ковалентных связей между отдельными цепями полимера . Плотность сшивок варьируется в зависимости от смеси мономеров или преполимеров, а также механизма сшивки:

Акриловые смолы, полиэфиры и виниловые эфиры с ненасыщенными участками на концах или в основной цепи обычно связываются путем сополимеризации с ненасыщенными мономерными разбавителями, при этом отверждение инициируется свободными радикалами, образующимися в результате ионизирующего излучения, или фотолитическим или термическим разложением радикального инициатора – на интенсивность сшивки влияет степень ненасыщенности основной цепи форполимера; ^[2]

Эпоксидные функциональные смолы могут подвергаться гомополимеризации с анионными или катионными катализаторами и нагреванием или сополимеризоваться посредством реакций нуклеофильного присоединения с многофункциональными сшивающими агентами, которые также известны как отверждающие агенты или отвердители. По мере протекания реакции образуются все более крупные молекулы и развиваются сильно разветвленные сшитые структуры, причем на скорость отверждения влияют физическая форма и функциональность эпоксидных смол и отвердителей. ^[3] – постотверждение при повышенной температуре вызывает вторичное сшивание гидроксильных функциональных групп основной цепи, которые конденсируются с образованием эфирных связей;

Полиуретаны образуются, когда изоцианатные смолы и форполимеры комбинируются с полиолами с низкой или высокой молекулярной массой, при этом строгие стехиометрические соотношения необходимы для контроля нуклеофильной аддитивной полимеризации - степень сшивки и полученный физический тип (эластомер или пластик) регулируются в зависимости от молекулярной массы. и функциональность изоцианатных смол, преполимеров и выбранных точных комбинаций диолов, триолов и полиолов, при этом на скорость реакции сильно влияют катализаторы и ингибиторы; полимочевины образуются практически мгновенно, когда изоцианатные смолы комбинируются с длинноцепными аминофункциональными полиэфирными или полиэфирными смолами и короткоцепочечными диаминовыми наполнителями - реакция нуклеофильного присоединения амина-изоцианата не требует катализаторов. Полимочевины также образуются при контакте изоцианатных смол с влагой; ^[4]

Фенольные , амино- и фурановые смолы отверждаются путем поликонденсации, включающей выделение воды и тепла, при этом инициирование отверждения и контроль экзотермы полимеризации зависят от температуры отверждения, выбора катализатора или загрузки и метода обработки или давления – степени предварительной полимеризации и уровня Остаточное содержание гидроксиметила в смолах определяет плотность сшивки. ^[5]

Полибензоксазины отверждаются путем экзотермической полимеризации с раскрытием цикла без выделения каких-либо химических веществ, что приводит к практически нулевой усадке при полимеризации. ^[6]

Смеси термореактивных полимеров на основе мономеров и преполимеров термореактивных смол можно составлять, наносить и обрабатывать различными способами для создания отличительных свойств отверждения, которые невозможно достичь с помощью термопластичных полимеров или неорганических материалов. ^[7]^[8]

Характеристики

Термореактивные пластмассы, как правило, прочнее термопластичных материалов благодаря трехмерной сети связей (сшивке), а также лучше подходят для применения при высоких температурах вплоть до температуры разложения, поскольку они сохраняют свою форму, поскольку прочные ковалентные связи между полимерными цепями не могут быть созданы. легко сломать. Чем выше плотность сшивки и содержание ароматических веществ в термореактивном полимере, тем выше устойчивость к тепловому разложению и химическому воздействию. Механическая прочность и твердость также улучшаются с увеличением плотности сшивок, хотя и за счет хрупкости. ^[9] Обычно они разлагаются перед плавлением.

Твердые пластиковые термореактивные материалы могут подвергаться постоянной или пластической деформации под нагрузкой. Эластомеры, которые являются мягкими, упругими или эластичными и могут деформироваться и возвращаться к своей первоначальной форме при снятии нагрузки.

Обычные термореактивные пластмассы или эластомеры нельзя расплавить и изменить форму после отверждения. Обычно это предотвращает переработку отходов для тех же целей, за исключением использования в качестве наполнителя. ^[10] Новые разработки, включающие термореактивные эпоксидные смолы, которые при контролируемом и ограниченном нагревании образуют сшитые сетки, позволяют многократно изменять форму, как кварцевое стекло, за счет обратимых реакций обмена ковалентных связей при повторном нагревании выше температуры стеклования. ^[11] Существуют также термореактивные полиуретаны, которые, как показано, обладают переходными свойствами и, таким образом, могут быть переработаны или переработаны. ^[12]

Армированные волокнами материалы

При смешивании с волокнами термореактивные смолы образуют армированные волокнами полимерные композиты, которые используются при изготовлении OEM конструкционных композитных материалов с заводской отделкой или запасных частей. ^[13] а также при нанесении на месте, отвержденном и законченном композитном ремонте. ^[14]^[15] и защитные материалы. При использовании в качестве связующего для заполнителей и других твердых наполнителей они образуют полимерные композиты, армированные частицами, которые используются для заводского защитного покрытия или изготовления компонентов, а также для нанесения и отверждения на месте строительства или в целях технического обслуживания .

Материалы

Эпоксидная смола ^[16] используется в качестве матричного компонента во многих армированных волокнами пластиках, таких как стеклопластик и пластик, армированный графитом ; кастинг; инкапсуляция электроники; ^[17] строительство; защитные покрытия; клеи; герметизация и соединение.
Полиимиды и бисмалеимиды используются в печатных платах и в корпусных деталях современных самолетов, аэрокосмических композитных конструкциях, в качестве материала покрытия и для армированных стекловолокном труб.
Эфиры цианата или полицианураты для применения в электронике, где необходимы диэлектрические свойства и высокие требования к температуре стекла в компонентах из композитных материалов аэрокосмической отрасли.
Системы из полиэфирной смолы и стекловолокна: листовые формовочные массы и объемные формовочные массы; накальная обмотка; мокрое ламинирование; ремонтные составы и защитные покрытия.
Полиуретаны : изоляционные пены, матрасы, покрытия, клеи, автомобильные детали, печатные валы, подошвы для обуви, напольные покрытия, синтетические волокна и т. д. Полиуретановые полимеры образуются путем объединения двух би- или более функциональных мономеров/олигомеров.
Гибриды полимочевины и полиуретана, используемые для изготовления устойчивых к истиранию гидроизоляционных покрытий.
Вулканизированная резина .
Бакелит смола фенолформальдегидная — , используемая в электрических изоляторах и пластиковых изделиях.
Дюропласт , легкий, но прочный материал, похожий на бакелит, ранее использовавшийся при производстве автомобилей Trabant , в настоящее время используемый для предметов домашнего обихода.
Карбамидоформальдегидная пена, используемая в фанере , ДСП и древесноволокнистых плитах средней плотности.
Меламиновая смола, используемая на поверхностях столешниц ^[18] и немного пластиковой посуды. ^[19]
Диаллилфталат (DAP) используется в высокотемпературных электрических разъемах и других компонентах, соответствующих военным стандартам. Обычно наполненный стеклом.
Эпоксидно-новолачные смолы, используемые для печатных плат, электроизоляции, клеев и покрытий для металла.
Бензоксазины , используемые отдельно или в гибридах с эпоксидными и фенольными смолами, для конструкционных препрегов, жидких формовочных и пленочных клеев для изготовления, склеивания и ремонта композитов.
Пресс-форма или направляющие формы (черные пластиковые детали в интегральных схемах или полупроводниках).
Фурановые смолы, используемые при производстве устойчивых биокомпозитных конструкций, ^[20] цементы, клеи, покрытия и литейные/литейные смолы.
Силиконовые смолы, используемые для изготовления термореактивных композитов с полимерной матрицей и в качестве предшественников композитов с керамической матрицей.
Тиолит — электроизоляционный термореактивный фенольный ламинат.
Винилэфирные смолы, используемые для мокрого ламинирования, формования и быстросхватывающихся материалов для промышленной защиты и ремонта.

Приложения

Применение/процесс и методы использования термореактивных материалов включают защитное покрытие , бесшовные полы , в гражданском строительстве , строительные растворы для швов и инъекций строительные растворы , литейные пески, клеи , герметики , отливки , заливку , электроизоляцию , герметизацию , твердые пены , мокрое ламинирование . , пултрузия , гелькоуты , накальная намотка , препреги и формование.

Конкретными методами формования термореактивных материалов являются:

Реактивное литье под давлением (используется для таких предметов, как ящики для бутылок из-под молока)
Формование экструзией (используется для изготовления труб, нитей ткани и изоляции для электрических кабелей)
Компрессионное формование (используется для придания формы SMC и BMC ) термореактивным пластикам
Спин-литье (используется для изготовления рыболовных приманок и приманок , игровых миниатюр , статуэток , эмблем, а также изготовления и запасных частей)

См. также

Ссылки

^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « Термореактивный полимер ». два : 10.1351/goldbook.TT07168
^ Технология ненасыщенных полиэфиров, изд. П. Ф. Брюинз, Гордон и Брич, Нью-Йорк, 1976 г.
^ Химия и технология эпоксидных смол, изд. Б. Эллис, Springer Нидерланды, 1993 г., ISBN 978-94-010-5302-0
^ Справочник по полиуретанам, изд. Г. Эртель, Хансер, Мюнхен, Германия, 2-е издание, 1994 г., ISBN 1569901570 , ISBN 978-1569901571
^ Основы и применение реактивных полимеров: краткое руководство по промышленным полимерам (Библиотека дизайна пластмасс), William Andrew Inc., 2-е издание, 2013 г., ISBN 978-1455731497
^ «Полибензоксазины» . База данных свойств полимеров .
^ Краткая энциклопедия полимерной науки и техники, изд. Дж. И. Крошвиц, Уайли, Нью-Йорк, 1990 г., ISBN 0-471-5 1253-2
^ Применение промышленных полимеров: основная химия и технологии, Королевское химическое общество, Великобритания, 1-е издание, 2016 г., ISBN 978-1782628149
^ С.Х. Гудман, Х. Додюк-Кениг, изд. (2013). Справочник по термореактивным пластмассам (3-е изд.). США: Уильям Эндрю. ISBN 978-1-4557-3107-7 .
^ Открытый университет (Великобритания), 2000. Проектирование и производство T838 с использованием полимеров: введение в полимеры , стр. 9. Милтон Кейнс: Открытый университет
^ Д. Монтарналь, М. Капелот, Ф. Турнильяк, Л. Лейблер, Science, 2011, 334, 965-968], дои : 10.1126/science.1212648
^ Фортман, Дэвид Дж.; Джейкоб П. Брутман; Кристофер Дж. Крамер ; Марк А. Хиллмайер; Уильям Р. Дихтель (2015). «Механически активированные полигидроксиуретановые витримеры без катализаторов». Журнал Американского химического общества. два : 10.1021/jacs.5b08084
^ Композиты с полимерной матрицей: использование материалов, проектирование и анализ, SAE International, 2012, ISBN 978-0-7680-7813-8
^ PCC-2 Ремонт оборудования, работающего под давлением, и трубопроводов, Американское общество инженеров-механиков, 2015 г., ISBN 978-0-7918-6959-8
^ ISO 24817 Композитный ремонт трубопроводов: квалификация и проектирование, установка, испытания и проверки, 2015, ICS: 75.180.20
^ Гусман, Энрике; Куньони, Жоэль; Гмюр, Томас (2014). «Многофакторные модели композита из углеродного волокна и эпоксидной смолы, подвергающегося ускоренному старению под воздействием окружающей среды». Композитные конструкции . 111 (4): 179–192. дои : 10.1016/j.compstruct.2013.12.028 .
^ Кулкарни, Ромит; Вапплер, Питер; Солтани, Махди; Хайбат, Мехмет; Гюнтер, Томас; Грозингер, Тобиас; Циммерманн, Андре (1 февраля 2019 г.). «Оценка литья под давлением термореактивных материалов для тонкостенной конформной герметизации электронных корпусов уровня платы» . Журнал производства и обработки материалов . 3 (1): 18. дои : 10.3390/jmmp3010018 .
^ Роберто К. Данте, Диего А. Сантамария и Хесус Мартин Хиль (2009). «Сшивка и термическая стабильность реактопластов на основе новолака и меламина». Журнал прикладной науки о полимерах . 114 (6): 4059–4065. дои : 10.1002/app.31114 .
^ https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/02652038609373566
^ Т. Малаба, Дж. Ван, Журнал композитов, том. 2015, Номер статьи 707151, 8 страниц, 2015 г. дои : 10.1155/2015/707151

[1] ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « Термореактивный полимер ». два : 10.1351/goldbook.TT07168

[2] Технология ненасыщенных полиэфиров, изд. П. Ф. Брюинз, Гордон и Брич, Нью-Йорк, 1976 г.

[3] Химия и технология эпоксидных смол, изд. Б. Эллис, Springer Нидерланды, 1993 г., ISBN 978-94-010-5302-0

[4] Справочник по полиуретанам, изд. Г. Эртель, Хансер, Мюнхен, Германия, 2-е издание, 1994 г., ISBN 1569901570 , ISBN 978-1569901571

[5] Основы и применение реактивных полимеров: краткое руководство по промышленным полимерам (Библиотека дизайна пластмасс), William Andrew Inc., 2-е издание, 2013 г., ISBN 978-1455731497

[6] «Полибензоксазины» . База данных свойств полимеров .

[7] Краткая энциклопедия полимерной науки и техники, изд. Дж. И. Крошвиц, Уайли, Нью-Йорк, 1990 г., ISBN 0-471-5 1253-2

[8] Применение промышленных полимеров: основная химия и технологии, Королевское химическое общество, Великобритания, 1-е издание, 2016 г., ISBN 978-1782628149

[9] С.Х. Гудман, Х. Додюк-Кениг, изд. (2013). Справочник по термореактивным пластмассам (3-е изд.). США: Уильям Эндрю. ISBN 978-1-4557-3107-7 .

[10] Открытый университет (Великобритания), 2000. Проектирование и производство T838 с использованием полимеров: введение в полимеры , стр. 9. Милтон Кейнс: Открытый университет

[11] Д. Монтарналь, М. Капелот, Ф. Турнильяк, Л. Лейблер, Science, 2011, 334, 965-968], дои : 10.1126/science.1212648

[12] Фортман, Дэвид Дж.; Джейкоб П. Брутман; Кристофер Дж. Крамер ; Марк А. Хиллмайер; Уильям Р. Дихтель (2015). «Механически активированные полигидроксиуретановые витримеры без катализаторов». Журнал Американского химического общества. два : 10.1021/jacs.5b08084

[13] Композиты с полимерной матрицей: использование материалов, проектирование и анализ, SAE International, 2012, ISBN 978-0-7680-7813-8

[14] PCC-2 Ремонт оборудования, работающего под давлением, и трубопроводов, Американское общество инженеров-механиков, 2015 г., ISBN 978-0-7918-6959-8

[15] ISO 24817 Композитный ремонт трубопроводов: квалификация и проектирование, установка, испытания и проверки, 2015, ICS: 75.180.20

[16] Гусман, Энрике; Куньони, Жоэль; Гмюр, Томас (2014). «Многофакторные модели композита из углеродного волокна и эпоксидной смолы, подвергающегося ускоренному старению под воздействием окружающей среды». Композитные конструкции . 111 (4): 179–192. дои : 10.1016/j.compstruct.2013.12.028 .

[17] Кулкарни, Ромит; Вапплер, Питер; Солтани, Махди; Хайбат, Мехмет; Гюнтер, Томас; Грозингер, Тобиас; Циммерманн, Андре (1 февраля 2019 г.). «Оценка литья под давлением термореактивных материалов для тонкостенной конформной герметизации электронных корпусов уровня платы» . Журнал производства и обработки материалов . 3 (1): 18. дои : 10.3390/jmmp3010018 .

[18] Роберто К. Данте, Диего А. Сантамария и Хесус Мартин Хиль (2009). «Сшивка и термическая стабильность реактопластов на основе новолака и меламина». Журнал прикладной науки о полимерах . 114 (6): 4059–4065. дои : 10.1002/app.31114 .

[19] ttps://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/02652038609373566

[20] Т. Малаба, Дж. Ван, Журнал композитов, том. 2015, Номер статьи 707151, 8 страниц, 2015 г. дои : 10.1155/2015/707151

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]