Термореактивные полимеры

Термореактивные полимеры (реактопласты) — это полимерные материалы, которые в результате химической реакции (отверждения) образуют неплавкую и нерастворимую пространственную (сетчатую) структуру. В отличие от термопластов, которые обратимо размягчаются при нагревании, термореактивные полимеры после отверждения не могут быть повторно расплавлены или переформованы без разрушения химических связей. Ключевой особенностью является необратимость процесса перехода из вязкотекучего в твердое состояние.

История

Первые промышленные термореактивные полимеры появились в начале XX века. В 1907 году бельгийско-американский химик Лео Бакеланд синтезировал бакелит — феноло-формальдегидную смолу. Этот материал, обладающий высокой термостойкостью и электроизоляционными свойствами, стал основой для развития электротехнической промышленности. В 1920-х годах были разработаны меламино-формальдегидные и мочевино-формальдегидные смолы, а в 1930-х — полиэфирные и эпоксидные смолы. В середине XX века, с развитием ракетно-космической техники, началось активное применение термореактивных полимеров в качестве связующих для композиционных материалов (углепластиков, стеклопластиков).

Классификация

Термореактивные полимеры классифицируют по химической природе, способу отверждения и области применения.

По химическому составу

Феноло-формальдегидные смолы (ФФС): продукты поликонденсации фенола и формальдегида. Отличаются высокой прочностью, термостойкостью (до 200 °C) и химической стойкостью. Используются в производстве пресс-порошков, клеев, лаков.
Эпоксидные смолы: содержат эпоксидные группы, отверждаются аминами, ангидридами или кислотами. Обладают высокой адгезией, механической прочностью и малой усадкой. Применяются в клеях, герметиках, покрытиях, связующих для композитов.
Полиэфирные смолы (ненасыщенные): продукты поликонденсации многоатомных спиртов и ненасыщенных кислот. Отверждаются при введении инициаторов (пероксидов) и ускорителей. Используются в производстве стеклопластиков, литьевых изделий, автомобильных кузовов.
Полиуретаны: образуются при реакции изоцианатов и полиолов. В зависимости от рецептуры могут быть как термореактивными (сшитыми), так и термопластичными. Термореактивные полиуретаны применяются для получения жестких и эластичных пенопластов, эластомеров.
Меламино-формальдегидные смолы: продукт конденсации меламина и формальдегида. Отличаются высокой твердостью, стойкостью к царапинам и термостойкостью. Используются для декоративных ламинатов (HPL), посуды, клеев.
Кремнийорганические (силиконовые) смолы: содержат атомы кремния в основной цепи. Обладают исключительной термостойкостью (до 300 °C и выше), гидрофобностью и диэлектрическими свойствами. Применяются в высокотемпературных покрытиях, герметиках, электроизоляции.
Аминоформальдегидные смолы (мочевино-формальдегидные): продукт конденсации мочевины и формальдегида. Дешевы, но менее термостойки, чем фенольные. Используются в производстве ДСП, ДВП, клеев.

По способу отверждения

Горячего отверждения: требуют нагрева для инициирования реакции (например, фенольные смолы).
Холодного отверждения: отверждаются при комнатной температуре за счет введения катализаторов или отвердителей (например, эпоксидные клеи).
Светоотверждаемые: отверждаются под действием ультрафиолетового или видимого излучения (например, акрилатные смолы для стоматологии).

Химические основы

Термореактивные полимеры образуются в результате реакций поликонденсации или полимеризации, приводящих к образованию трехмерной сетки. В исходном состоянии (олигомеры или мономеры) они имеют линейную или разветвленную структуру и могут быть жидкими, вязкими или твердыми. При нагреве или введении отвердителя происходит химическое сшивание (crosslinking) — образование ковалентных связей между макромолекулами. В результате образуется единая пространственная сетка, которая не может быть разрушена без разрыва химических связей.

Свойства

Основные свойства термореактивных полимеров:

Термостойкость: сохраняют форму и свойства при высоких температурах (от 150 до 300 °C и выше в зависимости от типа).
Механическая прочность: высокая жесткость, прочность на сжатие и изгиб, низкая ползучесть.
Химическая стойкость: устойчивы к действию растворителей, кислот, щелочей (кроме сильных окислителей).
Электроизоляционные свойства: низкая диэлектрическая проницаемость, высокое удельное сопротивление.
Низкая усадка при отверждении (особенно у эпоксидных смол).
Хрупкость: многие термореактивные полимеры склонны к хрупкому разрушению при ударных нагрузках.
Необратимость: после отверждения не могут быть переработаны повторно.

Технологии переработки

Термореактивные полимеры перерабатывают методами, не требующими повторного нагрева:

Литье под давлением (реакционное литье, RIM): жидкие компоненты смешиваются и подаются в форму, где происходит отверждение.
Прессование (компрессионное, трансферное): порошкообразные или гранулированные пресс-материалы (пресс-порошки) загружаются в нагретую форму и выдерживаются под давлением.
Литьевое прессование: материал подается в форму через литниковую систему.
Напыление: смесь компонентов наносится на поверхность, где отверждается.
Формование (контактное, вакуумное, автоклавное): для композиционных материалов (стеклопластиков, углепластиков).
3D-печать: стереолитография (SLA) и DLP-печать используют светоотверждаемые смолы.

Применение

Термореактивные полимеры широко применяются в различных отраслях:

Электротехника и электроника: корпуса приборов, изоляторы, печатные платы (стеклотекстолит), обмотки трансформаторов, герметики.
Строительство: клеи, герметики, полимерные полы, лаки, краски, теплоизоляционные пенопласты (пенополиуретан).
Машиностроение: детали двигателей, подшипники, шестерни, кузова автомобилей (стеклопластики), корпуса лодок.
Авиа- и ракетостроение: композиционные материалы (углепластики, органопластики) для обшивки, силовых элементов, теплозащиты.
Медицина: стоматологические материалы (пломбы, протезы), хирургические клеи, имплантаты.
Бытовая техника: корпуса приборов, посуда (меламиновая), ручки инструментов.
Производство композитов: связующие для стеклопластиков, углепластиков, базальтопластиков.

Критика и ограничения

Основным недостатком термореактивных полимеров является невозможность их вторичной переработки. После отверждения они не могут быть расплавлены и переформованы, что создает проблему утилизации отходов. Традиционные методы (сжигание, захоронение) экологически небезопасны. Разрабатываются технологии химической переработки (деполимеризации, пиролиза) и использования реактопластов в качестве наполнителей для других материалов, однако они пока не получили широкого промышленного применения. Кроме того, многие термореактивные полимеры (например, фенольные смолы) выделяют при отверждении летучие вещества (формальдегид, фенол), что требует соблюдения мер безопасности.

Интересные факты

Бакелит, изобретенный в 1907 году, считается первым полностью синтетическим полимером.
Из эпоксидной смолы изготавливают «эпоксидные полы», которые отличаются высокой износостойкостью и химической стойкостью.
Полиуретановые пенопласты (пенополиуретан) широко используются в качестве теплоизоляции в строительстве и холодильной технике.
Некоторые термореактивные полимеры, например, силиконовые смолы, способны выдерживать температуры до 600 °C в инертной атмосфере.

Источники

Энциклопедия полимеров. Том 3. — М.: Советская энциклопедия, 1977.
Коршак В. В. Технология пластических масс. — М.: Химия, 1985.
Бартенев Г. М., Зеленев Ю. В. Физика и механика полимеров. — М.: Высшая школа, 1983.
Малкин А. Я., Чалых А. Е. Диффузия и вязкость полимеров. Методы измерения. — М.: Химия, 1979.
Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология / Под ред. А. А. Берлина. — СПб.: Профессия, 2009.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →