Полимерное связующее

Полимерное связующее — это высокомолекулярное соединение или композиция на его основе, предназначенная для соединения (склеивания) дисперсных частиц, волокон или других материалов в монолитную композицию. Полимерные связующие являются основным компонентом многих композиционных материалов, пластмасс, клеев, герметиков, лакокрасочных покрытий и строительных смесей. Они обеспечивают прочность, долговечность, химическую стойкость и придают конечному изделию заданные эксплуатационные свойства.

История

Первые упоминания о природных полимерных связующих (битумы, смолы, каучуки) относятся к древним цивилизациям. В Древнем Египте использовали битум для мумификации и строительства, а в Древней Греции — природные смолы для склеивания. Однако бурное развитие полимерных связующих началось в XIX—XX веках с развитием химии высокомолекулярных соединений.

В 1839 году Чарльз Гудьир открыл вулканизацию каучука, что позволило создавать эластичные связующие. В 1907 году Лео Бакеланд синтезировал фенолформальдегидную смолу (бакелит) — первый полностью синтетический полимер, ставший основой для многих композиционных материалов. В середине XX века были разработаны эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые и акриловые связующие, что привело к созданию современных композитов, клеев и покрытий.

Классификация

Полимерные связующие классифицируют по нескольким признакам:

По происхождению

• Природные (битумы, канифоль, натуральный каучук, целлюлоза, крахмал).
• Синтетические (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиамиды, эпоксидные смолы, полиуретаны, акриловые полимеры и др.).

По типу отверждения

• Термопластичные — обратимо размягчаются при нагревании и затвердевают при охлаждении (например, полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол). Используются в клеях-расплавах, термопластичных композитах.
• Термореактивные — необратимо отверждаются под действием тепла, катализаторов или УФ-излучения, образуя трехмерную сетчатую структуру (например, эпоксидные, фенолформальдегидные, полиэфирные смолы). Отвержденные термореактивные связующие не плавятся и не растворяются.

По агрегатному состоянию

• Твердые (порошки, гранулы, пленки).
• Жидкие (растворы, дисперсии, олигомеры).
• Пастообразные (шпаклевки, герметики).

По назначению

• Связующие для композиционных материалов (стеклопластики, углепластики, органопластики).
• Клеевые связующие (для склеивания металлов, пластмасс, дерева, керамики).
• Связующие для строительных смесей (цементные, гипсовые, полимерные добавки).
• Связующие для лакокрасочных материалов (пленкообразователи).
• Связующие для герметиков и уплотнителей.

Основные виды полимерных связующих

Эпоксидные смолы

Эпоксидные связующие — термореактивные олигомеры, отверждаемые аминами, ангидридами или другими отвердителями. Отличаются высокой адгезией к большинству материалов, высокой механической прочностью, химической стойкостью и низкой усадкой при отверждении. Широко применяются в авиастроении, судостроении, электронике, строительстве (клеи, компаунды, пропитки).

Полиэфирные смолы

Ненасыщенные полиэфирные смолы — термореактивные связующие, отверждаемые при комнатной температуре с помощью инициаторов (пероксидов) и ускорителей. Используются в производстве стеклопластиков, литьевых изделий, автомобильных деталей. Обладают хорошей технологичностью, но меньшей прочностью и химической стойкостью по сравнению с эпоксидными.

Фенолформальдегидные смолы

Термореактивные смолы, получаемые поликонденсацией фенола и формальдегида. Обладают высокой теплостойкостью, стойкостью к кислотам и растворителям. Применяются в производстве абразивных инструментов, слоистых пластиков (гетинакс, текстолит), клеев для фанеры и ДСП.

Полиуретановые связующие

Термореактивные или термопластичные полимеры, получаемые реакцией изоцианатов с полиолами. Отличаются высокой эластичностью, износостойкостью, адгезией к различным материалам. Используются в клеях, герметиках, покрытиях, эластичных пенопластах, а также в производстве композиционных материалов.

Акриловые связующие

Термопластичные или термореактивные полимеры на основе акриловой и метакриловой кислот. Обладают высокой светостойкостью, атмосферостойкостью, прозрачностью. Применяются в лакокрасочной промышленности, клеях, герметиках, акриловых стеклах, а также в стоматологии и ортопедии.

Полиамидные связующие

Термопластичные полимеры, характеризующиеся высокой прочностью, износостойкостью и химической стойкостью. Используются в клеях-расплавах, в производстве композиционных материалов (органопластики), а также в 3D-печати.

Свойства и характеристики

Основные свойства полимерных связующих, определяющие их применение:

• Адгезия — способность к сцеплению с поверхностью субстрата. Высокая адгезия характерна для эпоксидных, полиуретановых и акриловых связующих.
• Прочность — механическая прочность отвержденного связующего (предел прочности при растяжении, сжатии, изгибе).
• Термостойкость — способность сохранять свойства при повышенных температурах. Фенолформальдегидные и эпоксидные смолы имеют высокую термостойкость (до 200–300 °C).
• Химическая стойкость — устойчивость к воздействию кислот, щелочей, растворителей, масел.
• Усадка — изменение объема при отверждении. Низкая усадка характерна для эпоксидных смол (0,5–2%), высокая — для полиэфирных (до 7–10%).
• Эластичность — способность к деформации без разрушения. Полиуретаны и акриловые связующие обладают высокой эластичностью.
• Вязкость — технологический параметр, определяющий удобство нанесения и пропитки. Регулируется добавлением растворителей или разбавителей.

Применение

Композиционные материалы

Полимерные связующие являются матрицей для армирующих наполнителей (стеклянных, углеродных, органических волокон). Наиболее распространены эпоксидные, полиэфирные, фенолформальдегидные и полиуретановые связующие. Композиты на их основе применяются в авиастроении (крылья, фюзеляжи), автомобилестроении (кузова, детали), судостроении (корпуса лодок, яхт), строительстве (мосты, панели), спортивном инвентаре (лыжи, клюшки, ракетки).

Клеи и герметики

Полимерные связующие — основа большинства промышленных и бытовых клеев. Эпоксидные клеи используются для склеивания металлов, стекла, керамики, пластмасс. Полиуретановые клеи — для эластичного склеивания (обувь, мебель, автомобили). Акриловые клеи — для прозрачного склеивания (оргстекло, поликарбонат). Герметики на основе полиуретанов, силиконов и акрилов применяются для уплотнения швов и стыков.

Лакокрасочные материалы

Полимерные связующие (пленкообразователи) определяют свойства покрытий: эпоксидные — для антикоррозионных грунтовок, полиуретановые — для износостойких лаков, акриловые — для атмосферостойких красок, фенолформальдегидные — для термостойких эмалей.

Строительные смеси

Полимерные связующие добавляют в цементные, гипсовые и известковые смеси для улучшения адгезии, водостойкости, эластичности и прочности. Например, поливинилацетатная дисперсия (ПВА) используется в шпаклевках, полиакрилаты — в плиточных клеях, полиуретаны — в гидроизоляционных составах.

3D-печать

Термопластичные полимерные связующие (PLA, ABS, полиамид, поликарбонат) используются в качестве филаментов для FDM-печати. Также существуют фотополимерные связующие для SLA- и DLP-печати, отверждаемые УФ-излучением.

Технологии переработки

Полимерные связующие перерабатываются различными методами в зависимости от их типа и назначения:

• Смешение — приготовление композиций (смешивание с наполнителями, отвердителями, пластификаторами, пигментами).
• Нанесение — кистью, валиком, распылением, окунанием, экструзией, шпателем.
• Отверждение — при комнатной температуре, нагреве, УФ-облучении, под давлением.
• Формование — литье, прессование, экструзия, пултрузия, намотка, вакуумная инфузия.

Экологические аспекты

Полимерные связующие, особенно термореактивные, после отверждения практически не поддаются вторичной переработке. Это создает проблему утилизации отходов композиционных материалов. Разрабатываются биоразлагаемые и перерабатываемые связующие на основе растительных масел, полимолочной кислоты (PLA), полигидроксиалканоатов (PHA). Также ведутся работы по созданию связующих, отверждаемых при низких температурах, что снижает энергозатраты.

Интересные факты

• Первый синтетический полимер — бакелит (фенолформальдегидная смола) — был создан в 1907 году и использовался в качестве связующего для абразивов и электроизоляционных материалов.
• Эпоксидные смолы были впервые синтезированы в 1936 году швейцарским химиком Пьером Кастаном.
• Полиуретановые связующие используются в производстве подошв для обуви, автомобильных сидений и матрасов.
• В России и странах СНГ полимерные связующие активно применяются в авиастроении (композиты для самолетов Су, МиГ, Ил) и ракетостроении.

Источники

• Энциклопедия полимеров. — М.: Химия, 1972–1977.
• Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология / под ред. А. А. Берлина. — М.: Профессия, 2009.
• Крыжановский В. К., Бурлов В. В. Прикладная химия полимеров. — СПб.: Химиздат, 2005.
• ГОСТ 32794-2014 «Композиты полимерные. Термины и определения».
• Справочник по полимерным связующим / под ред. В. А. Воскресенского. — М.: Машиностроение, 1985.