Реактопласты

Реактопласты — это полимерные материалы (пластмассы), получаемые в результате необратимого химического процесса отверждения — реакции поликонденсации или полимеризации, в ходе которой образуется пространственная (сетчатая) трёхмерная структура. В отличие от термопластов, реактопласты после формования не способны повторно переходить в вязкотекучее состояние при нагреве, что обусловлено ковалентными связями между макромолекулами. Ключевыми свойствами реактопластов являются высокая термостойкость, твёрдость, химическая стойкость и стабильность размеров, однако они, как правило, более хрупки по сравнению с термопластами.

История

Первые промышленные реактопласты появились в начале XX века. В 1907 году американский химик Лео Бакеланд синтезировал бакелит — продукт конденсации фенола и формальдегида. Бакелит стал первой полностью синтетической пластмассой, не имевшей природных аналогов, и быстро нашёл применение в электротехнике, радиотехнике и производстве бытовых изделий (ручки, корпуса приборов). В 1920-х — 1930-х годах были разработаны другие типы реактопластов: меламино-формальдегидные смолы (1926), мочевино-формальдегидные смолы (1929), полиэфирные смолы (1930-е). В СССР производство реактопластов началось в 1930-х годах на основе феноло-формальдегидных смол (карболит). В послевоенные годы, с развитием авиационной и космической промышленности, возникла потребность в материалах, способных выдерживать высокие температуры, что привело к созданию кремнийорганических (силиконовых) и эпоксидных смол. В 1960-х — 1970-х годах были разработаны полиимиды, а в 1980-х — бисмалеимиды и цианатные эфиры, используемые в высокотехнологичных областях.

Химическая природа и отверждение

Реактопласты образуются из низкомолекулярных олигомеров или мономеров, которые в процессе отверждения (спивки) превращаются в нерастворимую и неплавкую сетку. Отверждение может происходить:

• При нагреве (термореактивное отверждение) — наиболее распространённый способ. Например, феноло-формальдегидные смолы отверждаются при 150–200 °C.
• Под действием катализаторов (отвердителей) — например, эпоксидные смолы отверждаются при добавлении аминов или ангидридов кислот.
• Под действием ультрафиолетового излучения (УФ-отверждение) — для акриловых и полиэфирных смол.
• При смешивании компонентов (двухкомпонентные системы) — например, полиуретановые эластомеры.

В результате образуется трёхмерная сетка, в которой молекулы соединены ковалентными связями. Это делает материал термостабильным до температуры разложения (обычно 200–350 °C, для некоторых — до 500 °C).

Классификация и виды

Реактопласты классифицируют по химической природе связующего:

Феноло-формальдегидные смолы (ФФС)

Получаются из фенола и формальдегида. Различают новолачные (термопластичные до отверждения) и резольные (термореактивные) смолы. Используются для производства пресс-материалов (карболит), клеёв, лаков. Обладают высокой термостойкостью (до 200 °C) и электроизоляционными свойствами.

Амино-формальдегидные смолы

Включают мочевино-формальдегидные (МФС) и меламино-формальдегидные (МФС) смолы. Отверждаются при нагреве с кислотными катализаторами. Применяются для производства ламинатов, декоративных покрытий, клеёв для древесины (ДСП, фанера). Меламино-формальдегидные смолы более водостойки и твёрды.

Эпоксидные смолы

Содержат эпоксидные группы. Отверждаются аминами, ангидридами или полиамидами. Отличаются высокой адгезией, химической стойкостью и механической прочностью. Используются для клеёв, компаундов, защитных покрытий, композиционных материалов (стеклопластики, углепластики).

Полиэфирные смолы

Ненасыщенные полиэфиры, отверждаемые стиролом или другими мономерами. Применяются для производства стеклопластиков (лодки, корпуса автомобилей, сантехника). Отверждение может происходить при комнатной температуре или при нагреве.

Полиуретаны

Образуются при реакции изоцианатов с полиолами. Могут быть жёсткими (пенопласты) или эластичными (пенополиуретан, покрытия). Отверждение происходит без нагрева. Используются для теплоизоляции, мебели, обуви, автомобильных деталей.

Кремнийорганические смолы (силиконы)

Содержат кремний-кислородную основу. Отверждаются при нагреве или под действием влаги. Обладают высокой термостойкостью (до 300 °C), гидрофобностью и эластичностью. Применяются для герметиков, уплотнителей, покрытий.

Полиимиды

Высокотемпературные реактопласты, выдерживающие до 400 °C. Используются в авиационной и космической технике, микроэлектронике. Отверждение требует высоких температур (250–400 °C) и длительного времени.

Бисмалеимиды и цианатные эфиры

Специализированные реактопласты для высокотемпературных композитов (авиация, ракетостроение). Отверждаются при 200–300 °C.

Свойства

Основные характеристики реактопластов:

• Термостойкость — не размягчаются при нагреве, сохраняют прочность до температуры разложения (обычно 200–350 °C, для полиимидов — до 400 °C).
• Твёрдость — высокая, часто превышает твёрдость термопластов.
• Хрупкость — низкая ударная вязкость, склонность к растрескиванию.
• Химическая стойкость — устойчивы к большинству растворителей, кислот и щелочей (кроме некоторых окислителей).
• Электроизоляционные свойства — высокое удельное сопротивление (10¹²–10¹⁶ Ом·см), низкая диэлектрическая проницаемость.
• Стабильность размеров — низкая усадка при отверждении и эксплуатации.
• Необратимость — после отверждения не могут быть переработаны повторно.

Применение

Реактопласты используются в отраслях, где требуется высокая термостойкость, жёсткость и химическая стойкость:

• Электротехника и электроника — корпуса приборов, изоляторы, печатные платы (эпоксидные стеклотекстолиты), трансформаторы (полиэфирные компаунды).
• Автомобильная промышленность — детали двигателей, тормозные колодки (феноло-формальдегидные смолы с наполнителями), кузовные панели (стеклопластики).
• Авиация и космонавтика — композиционные материалы на основе эпоксидных и полиимидных смол (углепластики, стеклопластики) для обшивки, лопаток, конструкций.
• Строительство — теплоизоляционные пенополиуретаны, декоративные ламинаты (меламино-формальдегидные смолы), клеи для древесины (мочевино-формальдегидные), герметики (силиконы).
• Химическая промышленность — защитные покрытия, трубы, ёмкости для агрессивных сред (эпоксидные и полиэфирные смолы).
• Бытовые изделия — посуда (меламино-формальдегидные смолы), ручки инструментов, корпуса бытовой техники (бакелит).

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая термостойкость (до 400 °C для полиимидов).
• Отличные электроизоляционные свойства.
• Химическая стойкость.
• Стабильность размеров при нагреве.
• Возможность создания композитов с высокой прочностью (стекло- и углепластики).

Недостатки:

• Хрупкость и низкая ударная вязкость.
• Невозможность вторичной переработки (не подлежат рециклингу).
• Длительное время отверждения (от минут до часов).
• Выделение летучих веществ при отверждении (формальдегид, стирол), что требует вентиляции.
• Сложность переработки (требуется точное соблюдение режимов температуры и давления).

Экологические аспекты

Реактопласты не поддаются повторной переработке в исходные мономеры из-за необратимости отверждения. Утилизация осуществляется преимущественно захоронением на полигонах или сжиганием с рекуперацией энергии. В ряде стран (ЕС, Япония) разрабатываются методы химической деполимеризации для некоторых типов реактопластов (например, полиуретанов), но промышленного масштаба они не достигли. При сжигании реактопластов могут выделяться токсичные вещества (формальдегид, цианиды, диоксины), поэтому требуется очистка дымовых газов. В России переработка реактопластов ограничена, основная масса отходов направляется на полигоны.

Перспективы развития

Современные исследования направлены на:

• Создание реактопластов с повышенной ударной вязкостью (модификация эластомерами, нанонаполнителями).
• Разработку «самовосстанавливающихся» реактопластов, способных залечивать трещины при нагреве.
• Использование биосырья (например, эпоксидных смол на основе растительных масел) для снижения экологического следа.
• Совершенствование технологий переработки (пиролиз, сольволиз) для извлечения ценных компонентов.

Источники

1. Энциклопедия полимеров. Т. 3. — М.: Советская энциклопедия, 1977. — С. 234–240.
2. Коршак В. В. Технология пластических масс. — М.: Химия, 1985. — 560 с.
3. Баранов В. А., Кузнецов И. А. Реактопласты: свойства и применение. — СПб.: Профессия, 2008. — 320 с.
4. ГОСТ 24888-81 «Пластмассы. Термины и определения».
5. Handbook of Thermoset Plastics / ed. by H. Dodiuk, S. H. Goodman. — 3rd ed. — William Andrew, 2013. — 800 p.