بررسی رزین های اپوکسی

مقدمه
بخش اصلی پوششهای حفاظتی، رزین است که سایر اجزاء را در درون خود نگه داشته و به عنوان محمل رنگ وظایف عمده ای را در سیستم پوششی به عهده دارد و معمولاً رنگ را بر حسب نوعرزین آن می شناسند.
از وظایف اصلی رزین در پوشش، ایجاد فیلم رنگ روی سطح است. ترکیبات با اندازه ملکولی کوچک ممکن است روی سطح به خوبی پهن شوند ولی قادر نیستند که فیلم ایجاد نمایند.
رزین ها در حقیقت پلیمرهایی و یا به عبارت بهتر کوپلیمرهایی با وزن ملکولی بالا هستند که در درون زنجیره خود گروههای فعالی دارند. رزین های پلی استر، پلی آمید، پلی اوراتان، پلی اوره، پلی سیلیکون، اوره فرمالدئیدی همگی مثال های انواع پلیمرهایی هستند که در صنعت رنگ و پوشش کاربرد دارند. این پلیمرها اکثراً در دمای محیط، مایع با ویسکوزیته بالا و ظاهر عسل مانند، شفاف با فام زرد روشن تا مایل به قهوه ای هستند و یا به صورت پولک و دانه های جامدی هستند که برحسب نیاز در حلال مناسب حل می شوند.
طرز تهیه رزینهای اپوکسی
رزینهای اپوکسی از همان اوایل پیدایش جای پای خود را در میان دیگر مواد گوناگون صنایع رنگسازی به عنوان یکی از مواد مهم این صنعت باز نمودند که این موفقیت بیشتر به خاطر خصائص فراوان و متنوع این رزینها می باشد. درحقیقت دست یک فرمولیست را در ارائه فرمولهای مختلف رنگ از قبیل انواع رنگهای سخت شونده با آمین و کراس لینک شونده بر اثر حرارت که مقاومت بسیار خوبی در مقابل حلالها و مواد شیمیایی دارند باز نموده است. از مصارف مهم رزینهای اپوکسی در ساخت رنگهای اپوکسی، چسبها، دوغاب و مواد درزگیر آب می باشد.
رزینهای اپوکسی یک رزین ترموست می باشند و بیش از ۸۵ درصد رزینهای اپوکسی موجود از واکنش اپی کلر و هیدروین و دی فنیلول پروپان (۲-۲- بیس- ۴- هیدروکسی فنیل پروپان به نام تجاری بیس فنل A) حاصل میشوند که یک نمونه دیگر تولید رزین اپوکسی اولفینی است.
طرز تهیه رزینهای اپوکسی بیس فنل A
رزینهای اپوکسی که از واکنش بیس فنل A و اپی کلرویدرین تهیه می گردند از مرغوب ترین نوع رزینهای اتر- کلسیدی می باشند. بیس فنل A از واکنش تراکمی استن با دومول فنل در حضور کاتالیزور اسیدی به دست می اید و اپی کلروهیدرین از واکنش پروپیلن با کلرین حاصل می شود.
واکنش یک مول بیس A با حداقل دو مول اپی کلروهیدرین در محیط قلیایی و یا از بین رفتن گروههای فنلی و تشکیل گروههای هیدروکسی، تولید مادۀ واسطه کلریدرین می کند که با ادامه واکنش محصول دی گلیسیدیل اِتربیس فنل A (DGEBA) بدست می آید.
(DGEBA) میتواند مجدداً با گروه فعال بیس فنل A موجود در محیط واکنش داده و پلی اتر خطی با جرم ملکولی بالا ایجاد نماید. درصورت افزایش مقدار زیادی از پلی کلروهیدرین (دو تا ده برابر مقدار لازم) و کنترل واکنش میتوان DGEBA را با خلوص بالای ۹۰% به دست آورد. در عین حال درصورتی که مقصود از واکنش، ایجاد رزین اپوکسی با زنجیره طولانی باشد میتوان با کنترل واکنش و ترکیب مول به مول بیس فنل A و اپی کلروهیدرین، از واکنش n+1 مول بیس فنل A با n+2 مول اپی کلروهیدرین رزینی به دست آورد که طول زنجیره ملکولی آن n باشد.
نتیجه این روش که به نام فرآیند یک مرحله ای (OSP) یا فرآیند Taffy معروف است ایجاد پلی اترهای خطی با دو گروه اپوکسی در دو انتها و گروههای هیدروکسیل و حلقه بنزنی در وسط زنجیره خواهد بود. گروههای خاص شیمیایی در زنجیره خواص خاصی به انها می دهد.
– پیوند اِتری (-c-o-c-) مقاومت شیمیایی را موجب می شود.
– پیوند متیل (-CH3) سبب انعطاف و سختی زنجیره می شود.
– گروه هیدروکسیل –OH عامل چسبندگی به سطح است.
– حلقه آروماتیک مقاومت دمایی و سختی را افزایش می دهند.
– حلقه اپوکسید فقط در دو انتهای زنجیره قرار دارد که عامل ایجاد شبکه سه بعدی و فیلم سخت اپوکسی روی سطح است.
رزین اپوکسی مخلوطی از الیگومرهای با تعداد n مختلف است که هرچه n افزایش پیدا کند جرم ملکولی رزین افزایش می یابد. رزین های با n<=1 مایع هستند ولی با افزایش n از ۲ تا ۱۳ رزین ها جامد خواهند بود.
رزین های اپوکسی از جرم مولی ۲۰۰ تا ۲۷۰۰ متغیر است و با تغییر جرم مولی ویسکوزیته رزین از ۷ تا ۱۵۰ پواز و حالت رزین از مایع تا رزین جامد با نقطه ذوب بالا تغییر می کند؛ ولی د رهر حال با طویل شدن اندازه زنجیره دو حلقه اپوکسی در دو انتهای زنجیره دیده می شود و همین حلقه است که باعث ایجاد شبکه سه بعدی میشود.
یک رزین اپوکسی میتواند ماکزیمم دو عامل اپوکسی در انتها و تعداد صفر تا n عامل ئیدروکسیل در طول زنجیر ملکول و به فواصل معین داشته باشد.
عوامل ئیدروکسیل رزین را قطبی ساخته و در نتیجه باعث چسبندگی این رزین بر روی سطوح فلزی یا غیرفلزی می گردند. ملکول شامل بندهای کربن به کربن (-c-c-) و اتر به کرب (-c-o-c-) می باشد که هر دوی آنان از بندهای بسیار پایدار می باشند و حتی پایدارتر از بندهای استری هستند که به سادگی بر اثر واکنش یا بازها صابونیفای می شوند. بنابراین رزین های اپوکسی مقاومت شیمیایی بسیار خوبی دارند.
عامل فنلی که در رزینهای فنیلک باعث افزایش رنگ می گردد بالعکس در رزینهای اپوکسی به خاطر تبدیل به عامل اتری باعث کاهش رنگ رزینهای اپوکسی می گردد. وجود حلقه های بنزنی در رزینهای اپوکسی باعث سخت تی بیشتر و در نتیجه شکنندگی پلیمر حاصل گشته و می بایست آنان را جهت رسیدن به خواص لازم با رزین های دیگری اصلاح و یا کراس لینک نمود. عمل کراس لینک از طریق عوامل اپوکسی و یا ئیدروکسیل صورت می پذیرد و ازآنجائیکه این عوامل به فواصل زیادی از هم قرار دارند پلیمر حاصل فیلمی با انعطاف پذیری مناسب می باشد. رزین های اپوکسی از مایع غلیظ گرفته تا جامد در دسترس می باشند و اگر چنانچه در فرمول تهیه آنان مقدار بیس فنل A از مقدار اپی کلروئیدرین کمتر باشند رزین حاصل مایع است و درصورتیکه برابر و یا زیادتر باشد جامد است.
رزین جامد ….. n>1 ؛ رزین مایع….. n<=1
نکته قابل توجه این است که در صنعت بیس فنل دیگر یافت میشود بنام بیس فنل F که ویسکوزیته کمتری از بیس فنلA دارد.
همانطور که قبلاً هم ذکر شد بیس فنل A از واکنش فنل و استون حاصل می گردد. از واکنش تراکمی فنل یاکروزول با فرمالدئید بیس فنل F تولید می شود که محصول این واکنش مخلوطی از انواع ایزومر با جرم ملکولی بالا خواهد بود.
از واکنش بیس فنل و اپی کلروهیدرین مخلوطی از سه ایزومر فضایی از بیس گلیسیدل اکسی فنیل متان حاصل می گردد و در مقایسه با بیس فنل A عدد اپوکسی و ضریب فعالیت کمتری دارد. این فعالیت سبب می شود که رزین اپوکسی بیس فنل F مقاومت بیشتری نسبت به حلال داشته باشد. رزین های اپوکسی بیس فنل F نیز مشابه رزین های بیس فنل A تمایل زیادی به کریستال شدن دارند. اختلاط این دو نوع رزین ویسکوزیته را متعادل می کند و برای کاربردهای ساختمانی مناسب تر خواهند بود.
رزین های اپوکسی بر مبنای بیس فنل AR=CH3
رزین های اپوکسی بر مبنای بیس فنل FR=H
رزینهای اپوکسی- اولیفینی
این رزینها از طریق اپوکسی نمودن بندهای دوگانه کربن کربن اولیفینها ساخته میشوند که در پروسه ساخت آنها از اسید پراستیک به عنوان عامل اپوکسی کننده استفاده می شود. به عنوان مثال رزین گلیسیدیل متاکریلات یک رزین اپوکسی متاکریلات میباشد که فیلم حاصل از رزینهای اپوکسی- اولیفینی مقاومت بهتر و بیشتری از فیلم های حاصل از رزین های اپوکسی- اترگلیسیدی (بیس فنل) در مقابل آب و مواد دارد و اما بالعکس مقاومت ضعیف تری در مقابل مواد شیمیایی از خود نشان می دهند و به همین علت کمتر از رزینهای بیس فنلی در ساخت رنگهای صنعتی- حفاظتی استفاده می گردند. اختلاف دیگر آنها در این است که رزینهای اپوکسی- اولیفینی با مواد سخت کننده اسیدی سریعتر از مواد سخت کننده آمینی وارد واکنش می شوند.
نقش رزینهای اپوکسی در صنایع رنگ و رزین
نقش رزینهای اپوکسی در صنایع رنگ و رزین را به طوری کلی میتوان به دو قسمت تقسیم نمود یکی به عنوان یک پلی الکل و دیگری به عنوان یک رزین تشکیل دهنده فیلم. در این بخش هریک راب ه طور مختصر بررسی می کنیم:
نقش رزینهای اپوکسی در صنایع رنگ به عنوان تشکیل دهنده رنگ
رزین های اپوکسی تشکیل دهنده فیلم ممکن است خود رزینهای اپوکسی، اپوکسی استر یا اپوکسی آلکید یا هرگونه رزین دیگری که با اپوکسی اصلاح شده است باشند؛ که در هر دو سیستم هوا- خشک و کوره ای بکار میروند. همانطور که قبلاً ذکر شد از آنجائیکه فیلم حاصل از رزینهای اپوکسی شکننده است از این رو آنان را با رزینهای دیگر کراس-لینک می کنند که تعدادی از آنان با این شرح می باشند:
– سیستمهای کوره ای
۱- رزینهای اپوکسی- فنلینک
رزینهای اپوکسی فنلی یکی از رزینهای بسیار مقاوم در مقابل مواد شیمیایی و حلالها می باشند. از پوششهای مذکور بیشتر جهت پوشش داخلی لوله های استیلی و چاه های حفاری نفتی نام برد و همچنین به علت داشتن مقاومت الکتریکی عالی از آن جهت پوشش سیم های الکتریکی و ساخت تعدادی از سفارشات ارتش که نیازمند به مقاومت شیمیایی بسیار عالی هستند، استفاده می گردد و امروزه به علت ارزان بودن قیمت و داشتن مقاومت شیمیایی بسیار خوب مصرفشان رو به افزایش است.
۲- رزینهای اپوکسی آمینو
فیلم حاصل از اصلاح یک رزین اپوکسی با رزین اوره- فرم آلوئید هرچند که مقاومت شیمیایی کمتری از سیستم اپوکسی فنلیک دارد اما در عوض رنگ روشنتر، درجه حرارت پخت کمتر و مقاومت زنگ زدگی بیشتری از آن دارد. دو فاکتور رنگ روشنتر و درجه حرارت پخت کمتر باعث تقدم انتخاب این سیستم بر سیستم اپوکسی فنلیک می گردد.
در جدول زیر انواع دیگر رزین اپوکسی آمینو را نام برده و معایب و مزایای آن را ذکر کرده ایم.
نکته: آمین های نوع اول دو مرتبه سریعتر از آمین های نوع دوم واکنش می دهند. همچنین سرعت واکنش به ساختمان شیمیایی آمین وابسته است. برای مثال آمینهای آروماتیک نسبت به آمین های آلیناتیک به دمای بیشتری جهت انجام واکنش نیاز دارند.
نتیجه گیری
ما با طرز تهیه دو نوع رزین اپوکسی آشنا شدیم؛ یکی اپوکسی- بیس فنلی A و F و دیگری اولفینی که در صنایع رنگسازی کاربرد دارد و متوجه شدیم که در رزینهای اپوکسی بیس فنلی تعداد گروه های اپوکسی در جامد بودن و مایع بودن محصول نقش دارند و رزین اپوکسی بیس فنول F دارای ویسکوزیته کمتر است از نوع A است آن و با اصلاح رزین اپوکسی به صورت ادغام آن با رزین های مختلف رزینهای با کیفیت بالاتری حاصل می گردد.