Эпоксидные клеевые смолы могут быть получены двумя основными способами:
а) взаимодействием эпихлоргидрина (или дихлоргид — рина) с двух — или многоатомными фенолами, резорцином, анилином, фенольными смолами, аминами, алифатическими диолами и некоторыми другими соединениями;
б) ‘прямым эжжеидироваиием ненасыщенных соединен и й н а д ки с л от а м и.
Первым способом получают диэпоксидные смолы на основе дифенилолпропана, диаминодифенилметана, анилина и фенолфталеина; алифатические диэпоксиды; по- лиэпоксидные смолы на основе эпоксиноволаков; эпокси — циануратные смолы и смолы на основе полифенолов. Путем прямого эпоксидирования получают диоксид ди- циклопентадиена, монооксивинилциклогексен, а также эпоксидированный дивинил, эпоксидированиый дивинил — стирол и другие соединения.
Эпоксидные соединения в неотвержденном состоянии представляют собой в зависимости от молекулярного веса вязкие жидкости или твердые продукты с относительно невысокой температурой плавления, хорошо растворимые в низших кетонах, толуоле, хлорированных углеводородах и других органических растворителях. Смолы нерастворимы в воде, бензине и ограниченно растворимы в спиртах.
Существует метод получения эпоксидных смол путем сплавления жидких низкомолекулярных продуктов с дифенилолпропаном. Известны также непрерывные способы получения эпоксидных олигомеров.
Большинство клеевых эпоксидных смол получают из эпихлоргидрина и дифенилолпропана1 в среде органиче-
ского растворителя. Реакция получения смолы протекает по следующей схеме:
Процесс поликонденсации осуществляется следующим образом2. В реакционный аппарат (рис. 1) последовательно загружают эпихлоргидрин и растворитель (толуол, ксилол, их смеси с бутанолом или циклогексаноном), после чего при перемешивании вводят дифенилолпропан. В течение 1 ч раствор перемешивается при охлаждении, затем к реакционной смеси постепенно добавляют водный раствор едкого натра при температуре не выше 75 °С. После этого раствор выдерживают в течение 3 чу отделяют водный слой от раствора образовавшейся смолы, нейтрализуют его двуокисью углерода и обезвоживают перегонкой азеотропной смеси в вакууме. Образовавшийся в процессе получения смолы раствор хлористого натрия отфильтровывают, от раствора смолы отгоняют растворитель. Таким способом обычно получают эпоксидные смолы с молекулярным весом 600—1000. При синтезе низкомолекулярных смол (мол. вес. 350— 400) растворителем является сам эпихлоргидрин, а процесс ведется в среде инертного газа.
Существуют и другие способы получения эпоксидных смол на основе дифенилолпропана3, в том числе метод поликонденсации на поверхности раздела двух несмеши — вающихся жидких фаз4. В СССР разработан одностадийный эмульсионный способ получения эпоксидных смол различного молекулярного веса. В качестве эмульгаторов предложены натриевая соль карбоксиметилцел — люлозы, сульфат целлюлозы и дрА
Процесс получения эпоксидной смолы методом сплавления жидких низкомолекулярных смол с дифенилолпропаном проводится при 160—200 СС в атмосфере инертио-
го газа. В этом случае образуются продукты с повышенным молекулярным весом*1.
Отечественной промышленностью выпускается большое число эпоксидных смол с различным молекулярным
весом на основе дифенилолпропана, отличающихся друг от друга содержанием эпоксидных групп, вязкостью и другими свойствами. Основные характеристики этих смол приведены в табл. 1. Смолы применяются для изготовления на их основе клеящих композиций различного назначения, компаундов и других материалов*.
Таблица 1. Свойства отечественных эпоксидных клеевых смол на основе дифенилолпропана
|
Свойства эпоксидных смол на основе дифенилолпропана и зпихлоргидрина, выпускаемых в США и Швейцарии, приведены в табл. 2 и 3.
Таблица 2. Свойства эпоксидных смол на основе дифенилолпропана, выпускаемых фирмой «СіЬа» (Швейцария)
|
Таблица 3. Свойства эпоксидных смол на основе дифенилолпропана, выпускаемых фирмой «Shell» (США)
|
Кроме дифенилолпропана для синтеза эпоксидных смол предложены резорцин, гидрохинон, флороглюцин, фенолфталеин и другие ароматические гидрокснлсодер- жащие соединения. Применяют также гсХ-Диоксидифе — нилметан и гсХ-дноксидифенилсульфон7’*.
Накопление ароматических ядер в молекуле эпоксида, а также введение некоторых гетероатомов, например фосфора, и атомов фтора, хлора, брома в большинстве случаев приводят к повышению теплостойкости и снижению горючести клеевых соединений17. Повышенной теплостойкостью обладают эпоксидированиые новолач — ные феноло-формальдегидиые олигомеры, получающиеся
и
снсн, о-<^> осн[1]сн—сн. |
а также полимеры глицидилового эфира тетрафенилол — этана
Прочность клеевых соединений на их основе выше прочности обычных эпоксидных клеев и очень незначительно изменяется10’11 в интервале температур 20—200 °С:
Клеящее вещество
Эпоксиноволак* ….
Глидидиловый эфир тетра — фенилолэтана….
Смола на основе дифенилолпропана (отвердите ль дициандиамид). .
Клеевые композиции, содержащие эпоксидные смолы на основе диоксидифенилсульфона, отличаются повышенной термостабильностью, но отверждаются с низкой скоростью.
Представляют интерес смолы, синтезируемые на основе фторированного аналога дифенилолпропана — 2,2-ди — (я-оксифенил) -гексафторпропана:
FjC /yZ/-QH
С
F8c/ он
На основе этого дифенола получена теплостойкая и трудно воспламеняющаяся эпоксидная смола с молекулярным весом 3500 (т. плавл. 132 °С), растворимая в циклогексаноне и способная отверждаться с применением обычных отвердителей12.
Для производства термостойких эпоксидных смол с пониженной горючестью предложены смолы на основе тетрахлор-бис-фенола7. Известны3 теплостойкие и негорючие смолы на основе бромированных продуктов с молекулярным весом до 100 000:
Эпоксидные смолы с высокой температурой плавления (до 182 °С) получены обработкой эпихлоргидрином в щелочной среде продукта конденсации резорцина с ацетоном13. Полимеры имеют следующее строение:
О
—сн2
сн,
I
с——
Термостойкие эпоксидные смолы получаются при взаимодействии с эпихлоргидрином неконденсированных многоядерных фенолов [например, три — (4-оксифенил) — метана]14, полифенолов, образующихся в результате реакции фенолов с ненасыщенными альдегидами (например, с акролеином)’3, дифенолов, получающихся при взаимодействии одноатомных фенолов с ароматическими соединениями, содержащими одну или две виниль — ные группы (стирол, дивинил бензол)?.
Высокой теплостойкостью характеризуются смолы, представляющие собой продукты реакции эпихлоргид — рина и фенолов с заместителями, содержащими кратные связи15:
Огнестойкие эпоксидные смолы предложено получать взаимодействием эпоксиновлачной смолы и галоген — замещениого фенола, например три-, тетра-, пентабром — фенола, или три-, тетра-, пентахлорфенола, или их смесей. Смолы отверждаются с помощью обычных отверди — телей16.
При реакции метилолзамещепных галогеи-бнс-цикло — гептенил-бис-фенолов с галогеналканами образуются эпоксиэфиры, характеризующиеся пониженной горючестью17.
Термостойкие эпоксидные смолы получают конденсацией фенолфталеино-формальдегидной смолы резольно — го типа с эпихлоргидрином в щелочной среде. Для получения композиций на основе этих смол пригодны обычные отвердители эпоксидов18.
Представляют интерес высокомолекулярные (молекулярный вес 25 тыс.— 70 тыс.) термопластичные гидр — оксилсодержащие полиэфиры, являющиеся продуктами взаимодействия дифенолов с эпихлоргидрином или три — хлоргидрпном19. Их называют феноксисмолами.
Отечественная смола марки ЭООС, содержащая не более 0,9% эпоксидных групп и 5—6% гидроксильных групп, получается гетерофазной поликонденсацией дифенилолпропана и трихлоргидрина, взятых в эквимолярном соотношении. Смола выпускается в виде раствора
в циклогексаноне. Такие смолы могут совмещаться с изоцианатами, феноло-, карбамидо — и меламино-форм — альдегидными смолами, что приводит к повышению механической прочности, теплостойкости и стойкости к действию ароматических углеводородов, кетонов и других растворителей.
Примером азотсодержащих клеящих полимеров является смола на основе /г’Ж-ди — (глицидиламино)-дифе — нилпропана:
О
/
V
Прочностные характеристики клеевых соединений на ее основе, их термостойкость и термостабильность достигают высоких значений (рис. 2 и З)11.
К числу теплостойких отечественных азотсодержащих эпоксидных полимеров относятся смолы марок ЭА (продукт конденсации анилина с эпихлоргидрином), ЭМДА (получается при взаимодействии 4,4′-диаминодифенилме — тана с эпихлоргидрином), а также смолы УП-610 (эпок — сиамино-фенольная), УП-622Ф (эпоксианилино-формаль- дегидная), УП-622А (эпоксианилино-ацетоновая), УП-
Марка смолы |
Плотность, |
Вязкость по Хспплсру |
Содержание» % |
||
г/глгЗ |
при 40° С, спа |
эпоксидных групп |
летучих, не более |
органического хлора |
|
ЭА, эпоксиан ялиновая |
— |
Не более 120 |
Не более 30 |
1,5 |
Не более 2,5 |
ЗМДА, продукт конденсации 4,4′-ди- аминодифеннлметана с зпихлоргвд- рином |
— |
10000—12000 |
31—38 |
0,4-1,5 |
0 |
УП-610, эпокснамино^фенолъная |
ив |
1100—1800 |
36—38 |
1,0 |
і, іб |
УП-622, эпоксианнлино-фурфурольная |
— |
Консистенция смолы ЭД-5 |
25—28 |
2,0 |
— |
УГЬ 622 Ф, зпоксиа н н лин о-форма ль де — гидная |
— |
То же |
26-29 |
2,0 |
— |
УП-622А, эпокснаннлино-ацетоновая |
1,2 |
500—1500 |
31—32 |
2,0 |
1,5 |
УП-622Ц, эпоксианилнпо-цнклогекса — неновая |
*— |
1500 |
32,2 |
1,0 1 |
622Ц (эпокси анилипо-циклогексаноновая). Некоторые свойства22 этих смол приведены в табл. 4,
Смола ЭА хорошо совмещается с другими эпоксид — ными продуктами, полиэфирными смолами и некоторыми синтетическими каучуками; используется для получения клеящих, герметизирующих и заливочных композиций, главным образом в качестве активного разбавителя смол ЭД-5 и ЭД-б.
Смола ЭМ ДА хорошо совмещается с эпоксидными смолами па основе дифенилолпропана; рекомендуется для получения клеев новышеппой теплостойкости,
Взаимодействием эпихлоргидрина с 3,9-ди — (оксифе — нилэтилен) — спироби — (л*-диоксалапом) получается эпоксидная смола, содержащая 13,54% эпоксидных групп, отличающаяся высокими показателями механической прочности. Отверждается аналогично смолам на основе дифенилолпропана.
На основе фенолфталеина получают продукт ЭФФ, представляющую собой твердое хрупкое вещество с температурой каплепадения 60—70 °С, содержащее 15—17% эпоксидных групп:
(Э
:н—ін,
соосн*—сн—сна
V
При совмещении смолы ЭФФ со смолой ЭД-5 получаются теплостойкие продукты с повышенной эластичностью.
В качестве разбавителя смол ЭД-5, ЭД-6 и других дифенилолпропановых смол применяется продукт марки ЭФ, получаемый при конденсации фурилового спирта с эп и хлор гидр и ном. Это — иизковязкая жидкость, содержащая 27—28% эпоксидных групп.
Для получения теплостойких композиций применяются смолы, представляЕощие собой продукты совмещения
дифенилолпропановых смол с фурфурольно-ацетоновой смолок ФА. К ним относятся смолы марок ФАЭД-8, ФАЭД-10, ФАЭД-11 и ФАЭД-13, теплостойкость которых (в отвержденном состоянии) достигает 130 °С.
Полиэтюксидные смолы, представляющие собой соединения, содержащие в цепи более двух эпоксидных групп, получают взаимодействием эпихлоргидрина с три — н полифупкциональными соединениями — новолачнымн смолами, циануровой кислотой, многоядерными фенолами и др., а также прямым эпоксидированием ненасыщенных соединений, содержащих в цепи более двух двойных связей3.
Смолы этого типа являются твердыми продуктами с температурой размягчения выше 50 °С. В отвержденном состоянии смолы обладают повышенной теплостойкостью, но более низкой эластичностью, чем дифепилол — пропановые. С целью снижения хрупкости и уменьшения вязкости композиций их совмещают со смолами ЭД-5, ЭД-Л и ЭА. Полиэпоксидные смолы применяют главным образом для изготовления теплостойких клесв.
Большой интерес для получения теплостойких клеев представляет смола ЭЦ, являющаяся продуктом конденсации циклического тримера циануровой кислоты с эпи — хлоргидрином (полиглицидилцианурат). Ниже показано, как изменяется вязкость композиции при введении смолы эш
ЭЦ |
Состав Пол игл и ци д и л циа і з у par t |
при 23 X |
Вязкость, пз при 30 еС |
при 100 X 200—500 |
эцд |
Пол и глици д и л циа н у р ат — f д нфе 11 и лолп р ап ано на п смола………….. |
6500—12 000 |
100—150 |
|
АД-30 |
Полиг ли цилилцка н у рат+ днфен нлолттрола нова я смола+эпоксианилино+ вал смола (ЭА) …. |
700—700 |
80—90 |
Жизнеспособность совмещенных смол значительно (в 3—5 раз) выше, чем смолы ЭЦ.
Композиции на основе смолы ЭЦ отверждаются ангидридами дн — и поликарбоновых кислот, триэтанолами — потитанатом, некоторыми ароматическими аминами и др.
Свойства полиэпоксидов зависят от свойств исходных Екшолачцых смол: с увеличением молекулярного веса но-
to
»
Тип пол и эпоксидной смолы |
Внешний вид |
Содержание, % |
||
эпоксидных групп |
нона хлора |
омыли смога хлора |
||
На основе новолачной смолы, содержащей |
Вязкая смола коричневого цвета |
20—24 |
0,10-0,15 |
1,0-1,5 |
2—3 элементарных звена На основе новолачной смолы, содержащей |
Вязкая смола желтого цвета |
21-25 |
0,10-0,15 |
1.8-2,0 |
10—12 элементарных звеньев На основе смолы из л-трст-бутилфенола |
Твердая смола коричневого цвета 1 |
11-17 |
0,20—0,23 |
1,5—1,9 |
Таблица 6. Свойства отечественных подиэпоксидных смол6
|
волака увеличивается вязкость полиэпоксидной смолы (табл. 5)7.
При совмещении со смолой ЭЦ продукта ФА получены^ теплостойкие композиции ЭЦФА-1 и ЭЦФА-3.
Некоторые характеристики отечественных полиэпок — сидных смол приведены в табл. 6.
Кроме этих смол, отечественной промышленностью производится полиэпоксидная смола 5Н, являющаяся продуктом взаимодействия эпихлоргидрина с начальным продуктом конденсации фенола и формальдегида. Смола 5Н представляет собой смесь низкомолекулярной полиэпоксидной смолы и фенилглицидилового эфира6.
Алифатические эпоксидные смолы получаются при конденсации эпихлоргидрина с алифатическими спиртами (гликолями) в присутствии трехфтористого бора или других кислотных катализаторов но следующей схеме:
НО—СНа—СН2—ОН + 2СНа—СН—СН2—СІ—— >
сн2—сн—сн2-о—сн2—сн2—о—сн2-сн—сн2
V ^сґ
Алифатические эпоксиды представляют собой низкомолекулярные соединения (молекулярный вес 200—350), используемые в качестве активных разбавителей различных композиций на основе дифенилолпропановых смол, позволяющих регулировать вязкость, эластичность и скорость отверждения композиций.
Алифатические смолы содержат 3—8% гидроксильных групп; при введении этих соединений в клеевые композиции ухудшается стойкость последних к действию воды. Обычно в композицию вводится около 20 вес. ч. алифатического соединения на 100 вес. ч. смолы. Свойства отечественных алифатических эпоксидных смол приведены в табл. 7.
Прямым эпоксидированием некоторых ненасыщенных соединений получают циклические, циклоалифатические и алифатические моно-, ди- и полиэпоксидные соединения. Эпоксидирование проводят надкислотами надуксусной, иадбеизойной и др. Отвержденные циклоалифатические эпоксиды устойчивы к действию УФ-света и токов утечки20. К этому классу соединений относятся смолы марок ДДЦПД, МВЦГ и др.
Содержание, % |
4> |
||||||
Марка смолы |
Внешний вид |
эпоксидных групп |
летучих, не более |
общего хлора |
иона хлора |
гидроксильных групп |
Вязкость, спз, не боле |
Э-181 (продукт конденсации этиленгликоля с эпихлоргид — рином) |
1 Іизковязкая жидкость от темно-желтого до краснокоричневого цвета |
25-30 |
7,0 |
Не более 0,5 |
— |
— |
80 |
МЭГ-1 (продукт конденсации этиленгликоля с эпнхлоргид — рином) |
То же |
24-26 |
2 |
0,5-1,5 |
0,06 |
3-4 |
50—100 |
ДЭГ -1 (продукт конденсации диэтиленгликоля с эпихлор — гидрином) |
Низковязкая жидкость от светло-желтого до коричневого цвета |
Не менее 24 |
2,0 |
2.0 |
4—5 |
70 |
|
ДЭГ-19 (продукт конденсации диэтиленгликоля с эпихлор — гидрином) |
То же |
17-22 |
2,5 |
2,5 |
0,1 |
7-9 |
80 |
ТЭГ-1 (продукт конденсации триэтиленгликоля с эпихлор — гидрином) |
То же |
19 |
2,5 |
2,5 |
0,1 |
100 |
|
ТЭГ-17 (продукт конденсации триэтиленгликоля с эпихлор — гидрином) |
То же |
15—20 |
2,5 |
2,5 |
7—9 |
100 |
Продукт ДДЦПД (диоксид дициклопентадиена) по* лучается эпоксидированием дициклопентадиена надуксусной кислотой и представляет собой диэпоксидное соединение, содержащее эпоксидные группы (48—52%) непосредственно в цикле. Это — кристаллический порошок с температурой плавления 184 °С, растворимый в бензоле, ацетоне и плохо растворимый в четыреххлористом углероде и метаноле; практически не растворяется в воде, хорошо совмещается с обычными эпоксидами.
Отвержденный продукт обладает очень высокой теплостойкостью и может служить основой клеевых компо — j зиций, выдерживающих длительное нагревание (до 500 ч) при 200 иС.
Продукт прямого эпоксидирования винилциклогексе — , на надуксусной кислотой марки МВЦГ представляет собой бесцветную низковязкую жидкость, образующую после отверждения (малеиновым ангидридом в присутствии перекисей) соединения, пригодные (в сочетании с другими эпоксидными смолами) для получения тепло — • стойких клеев.
Эпоксидные смолы на основе олигомеров дивинила и его сополимеров со стиролом также получают прямым эпоксидированием олигомеров надуксусной кислотой, і Отвержденные (малеиновым ангидридом) продукты имеют хорошую водостойкость и стабильные диэлектрические характеристики при длительном воздействии влаги и повышенных температур.
Высокой теплостойкостью и стойкостью к действию атмосферных факторов в сочетании с высокими диэлек — 1 трическими характеристиками, незначительно изменяющимися при повышении температуры, характеризуются: циклоацетальиая смола УП-612, смолы УП-632 и УП-639, содержащие сложноэфирные группы, а также смола УП-629, в которой сочетаются свойства дифецилолпропа — новых и циклоалифатических эпоксидов. Эти смолы могут совмещаться со смолами ЭД-5, ЭД-6 и д£.
Описанными выше методами получения эпоксидных смол не исчерпываются все возможности создания теплостойких и эластичных эпоксидных композиций, характеризующихся повышенными показателями диэлектрических свойств, водо — и атмосфсростойкостью, негорючестью, простотой применения. Широко используются разнообразные способы модификации уже готовых дифе-
нилолпропановых и других эпоксидных смол различными соединениями, функциональные группы которых взаимодействуют с эпоксидными группами смолы.
При модификации эпоксидную смолу смешивают с модифицирующим веществом (и с отвердителем) или непосредственно перед применением, или предварительно. В последнем случае образуется продукт, способный храниться достаточно долго без изменения свойств. Этот продукт превращается в клеящую композицию либо перед использованием (при введении отвердителя или при нагревании), либо непосредственно в процессе формирования клеевого соединения.
Одним из методов модификации эпоксидных смол является этерификация концевых и расположенных в цепи макромолекулы гидроксильных групп:
HOOCR’ HOOCR’
R—СН—СН2———— ► R—СИ—СН2—OOCR’————- ►
/ ’ I
О он
—— > R—СН—СН2— OOCR’ + Н20
I
OOCR’
В качестве модификаторов эпоксидных смол применяют различные гидроксилсодержащие соединения, кислоты растительных масел, элементоорганические соединения, в частности, алкоксисиланы, титанорганические соединения. Описан процесс модификации с одновременным отверждением эпоксидных смол бутилтитанатом3. К числу теплостойких клеящих полимеров относятся шоксиды, модифицированные феполо-формальдегидными смолами, а также кремнийорганическими соединениями27.
Известны композиции, представляющие собой эпоксидные смолы, модифицированные поливинилацеталями27, полиамидами, полиэфиракрилатами, акриловыми кислотами28, некоторыми фурановыми производными27, поливинилхлоридом27, алкиловыми эфирами 2,4,6-три — азинтрифосфиновой кислоты и другими органическими мономерными и полимерными соединениями27.
К числу полимеров, используемых для модификации эпоксидов с целью придания клеяшим составам на их основе повышенной эластичности используются полисульфиды, различные полиамиды, поливинилацетали,
а также каучуки, полиэфиракрилаты и другие соединения. Известно большое число эпоксидных клеевых смол и композиций, представляющих собой продукты модификации эпоксидов органическими и элементоорганическими термореактивными соединениями, термопластами и эластомерами. Эпоксидные смолы модифицируют сплавлением с резольными смолами при 95—ПО °С. При этом образуются теплостойкие клеевые смолы22.
Жидкие полисульфиды (в присутствии аминов) также являются модификаторами эпоксидных смол; они, j| придавая композициям повышенную эластичность, одно — I временно снижают теплостойкость.
Для модификации дифенилолпропановых смол 1 с целью придания им повышенной эластичности и водостойкости используются продукты этерификации алифатических эпоксидов жирными кислотами (ДЭГ-Ж), эфирами фталевой кислоты (ДЭГ-Ф) и изоцианатом (ДЭГ-У)*.
Используются самостоятельно и могут служить’модификаторами эпоксидных систем такие соединения как 6-метил-3,4-эпокситетрагидробензиловый эфир 6-метил — 3,4-эпокситетрагидробензойной кислоты (смола Унокс-201 фирмы «Union Carbide», США). Этой же фирмой выпускаются другие циклоалифатические эпоксиды: Унокс-207 (дициклопентадиенэпоксид), Унокс-289, пред — ! ставляющий собой ди-(6-метил-3,4-эпокситетрагидробен — 1 зиловый) эфир адипиновой кислоты18.
Для снижения вязкости и увеличения эластичности эпоксидных композиций применяют продукт конденсации ; фенола с эпихлоргидрином марки ЭФГ, содержащий 23% эпоксидных групп, и продукт ЭТФ-10, представляющий собой смесь алифатической смолы ЭЭТ-l (получающейся конденсацией эпихлоргидрина с этриолом) и фе — нилглицидилового эфира ЭФГ (1:1); продукт содержит 22% эпоксидных групп.
Отечественной промышленностью выпускаются олиго- диенэпоксиды, хорошо совмещающиеся с различными эпоксидными смолами с образованием композиций с повышенными морозостойкостью и эластичностью. К их числу относится олигодиенэпоксид25 ПДИ-ЗА с молекулярным весом 4000—5000, содержащий 2—3% эпоксидных групп, на основе олигодиенов и эпихлоргидрина, а также смолы УП-563 и УП-599, получающиеся на
основе дикарбонового олигодиенэпоксида и эпоксидных смол ЭД-5 и 3-181 соответственно. Эти смолы содержат 6—8% эпоксидных групп; при отверждении образуют эластичные полимеры6.