Żywice epoksydowe

Składnikami żywic epoksydowych są zwykle polifenole, rzadziej poliglikole, oraz epichlorohydryna lub oligomery posiadające na końcach ugrupowania epoksydowe. Do utwardzania żywic epoksydowych stosuje się utwardzacze: aminowe, amidowe i poliamidowe, bezwodnikowe oraz typu kwasów i zasad Lewisa.

Utwardzone żywice stają się nierozpuszczalne i nietopliwe, bardzo przyczepne do prawie wszystkich materiałów (w tym do metali, szkła, ceramiki, drewna), chemoodporne i mało wrażliwe na działanie chemikaliów oraz posiadają doskonałe właściwości dielektryczne – izolacyjne (bardzo słabo przewodzą prąd).

Żywice epoksydowe to duża grupa, do której należą najlepsze dostępne obecnie żywice. Generalnie epoksydy mają lepsze właściwości mechaniczne od innych żywic i są bardziej odporne na czynniki środowiskowe, dlatego też jest to właściwie jedyny typ żywicy używany do wyrobu części samolotów. Jeśli chodzi o laminowanie, to dzięki lepszym właściwościom adhezyjnym i odporności na degradację pod wpływem wody, nadają się idealnie do takich zastosowań jak budowa łodzi. Epoksydy stosuje się powszechnie jako podstawowy materiał do produkcji wysokiej jakości łodzi lub jako materiał służący do powlekania kadłubów czy też zastąpienia żywic i żelkotów poliestrowych uszkodzonych wskutek działania wody.

Nazwa ‘epoksyd’ odnosi się do grupy chemicznej, składającej się z atomu tlenu połączonego z dwoma atomami węgla, które są związane ze sobą. Najprostszy epoksyd to pierścień z trzech elementów, znany jako ‘epoksyd alfa’ albo ‘epoksyd 1,2’. Struktura chemiczna takiego epoksydu, widoczna poniżej, stanowi najbardziej charakterystyczny element cząsteczki każdego bardziej złożonego epoksydu.

Struktura chemiczna prostego epoksydu

Struktura chemiczna prostego epoksydu (tlenek etylenu)

Żywice epoksydowe wyróżniają się zwykle brązowym lub bursztynowym kolorem i mają szereg użytecznych właściwości. Zarówno żywica w ciekłej postaci jaki i utwardzacze mają niską lepkość i są łatwe w użyciu. Żywice epoksydowe łatwo i szybko się utwardzają w każdej temperaturze od 5°C do 150°C, w zależności od użytego utwardzacza. Jedna z najbardziej przydatnych właściwości epoksydów to ich niski skurcz podczas utwardzania, który minimalizuje efekt „przebijania włókien” i wewnętrzne naprężenia. Duża siła adhezji i doskonałe właściwości mechaniczne idą w parze z dobrą izolacją elektryczną i wysoką odpornością chemiczną. Epoksydy znajdują różne zastosowania w przemyśle jako kleje, uszczelniacze, środki do robienia odlewów, lakiery, farby i żywice do laminowania.

Żywica epoksydowa ma postać długiego łańcucha cząsteczkowego o strukturze podobnej do winyloestru z miejscami reaktywnymi na obu końcach. Różnica polega na tym, że miejsca reaktywne utworzone są przez grupy epoksydowe, a nie estrowe. Brak grup estrowych sprawia, że epoksydy mają bardzo dobrą odporność na wodę. Cząsteczka epoksydu ma też w centrum dwie grupy pierścieniowe, które znoszą naprężenia mechaniczne i termiczne znacznie lepiej niż grupy liniowe, dzięki czemu epoksydy mają bardzo dobrą wytrzymałość, sztywność i właściwości termiczne.

Na rysunku pokazano strukturę chemiczną typowego epoksydu. Należy zwrócić uwagę na brak grup estrowych w łańcuchu cząsteczkowym.

Struktura chemiczna typowego epoksydu

Struktura chemiczna typowego epoksydu (eter diglicylowy bisfenolu A)

Epoksydy różnią się od żywic poliestrowych tym, że do ich utwardzenia potrzebny jest ‘utwardzacz’, a nie katalizator. Utwardzacz, często będący aminą, utwardza epoksyd poprzez reakcję przyłączenie (addycji), w której obie substancje reagują ze sobą. Zwykle przebiega ona w ten sposób, że każda grupa aminowa łączy się dwoma miejscami reaktywnymi w epoksydzie. W rezultacie powstaje trójwymiarowa struktura cząsteczkowa widoczna na rysunku poniżej:

Struktura żywicy epoksydowej po utwardzeniu

Schemat żywicy epoksydowej (struktura trójwymiarowa po utwardzeniu)

Ponieważ cząsteczki amin reagują z cząsteczkami epoksydów w stałym stosunku, żywicę i utwardzacz należy wymieszać w odpowiednich proporcjach, aby mieć pewność, że reakcja przebiegnie do końca. Jeśli proporcje będą nieprawidłowe nieprzereagowana żywica lub utwardzacz pozostanie w matrycy, co odbije się na właściwościach osiągniętych po utwardzeniu. Aby ułatwić mieszanie producenci zwykle opracowują komponenty tak, aby proporcje mieszanie były proste i łatwe do odmierzenia wg objętości lub wagi.

Porównanie właściwości żywicy

Wybór żywicy do produkcji jakiekolwiek komponentu zależy od jej właściwości, z których najważniejsze dla większości struktur kompozytowych są:

  • Adhezja
  • Właściwości mechaniczne
  • Degradacja pod wpływem wody

Adhezja

Jak już powiedziano adhezja żywicy ma duży wpływ na właściwości mechaniczne kompozytu. Ważna jest siła adhezji matrycy do włókien zbrojenia lub rdzenia w przekładce. Spośród trzech przedstawionych typów żywicy najgorszą adhezję mają żywice poliestrowe. Żywice winyloestrowe są pod tym względem lepsze, ale zdecydowanie najlepsze właściwości mają epoksydy, dlatego często używa się ich w klejach o dużej wytrzymałości. Epoksydy zawdzięczają te właściwości swojemu składowi chemicznemu i obecność polarnych grup wodorotlenowych i eterowych. Ponieważ epoksydy mają niski skurcz, punkty styku między żywicą i materiałem klejonym nie zostają naruszone w czasie utwardzania. Właściwości adhezyjne epoksydów są szczególnie użyteczne przy wyrobie laminatów mających jako rdzeń ‘plaster miodu’, gdzie ze względu na niewielką powierzchnię potrzebna jest duża siła adhezji.

Wytrzymałość łączenia między żywicą i włóknami nie zależy wyłącznie od adhezji żywicy, ale również od preparacji włókien zbrojenia.

Właściwości mechaniczne

Dwie ważne właściwości żywicy to jej wytrzymałość na rozciąganie i sztywność. Na rysunku widać wyniki testów, przeprowadzonych na żywicach poliestrowych, winyloestrowych i epoksydowych będących obecnie w sprzedaży, utwardzonych w 20°C i 80°C.

Porównanie właściwości mechanicznych poliestrów, winyloestrów i epoksydów

Porównanie wytrzymałości na rozciąganie o modułu sprężystości przy rozciąganiu żywicy

Jak widać po utwardzeniu przez 7 dni w temperaturze otoczenia typowa żywica epoksydowa ma większą wytrzymałość i sztywność niż typowa żywica poliestrowa lub winyloestrowa. Widać też korzyści z dotwardzenia przez 5 godzin w temperaturze 80°C.

Dla projektantów i konstruktorów wykorzystujących kompozyty ważny jest też skurcz żywicy po utwardzeniu. Jego przyczyną jest zmiana położenia i ustawienia przez cząsteczki żywicy, kiedy jest ona w stanie ciekłym i częściowo zżelowanym. W przypadku poliestrów i winyloestrów utwardzenie wymaga znacznie większego przemieszczenia cząsteczek i dlatego skurcz może dochodzić do 8%. Reakcja w epoksydach jest inna i powoduje niewielkie przemieszczenie przy jednoczesnym braku produktów ubocznych w postaci związków lotnych, co przekłada się na niewielki skurcz rzędu 2%. Brak skurczu to jeden z powodów, dla których właściwości mechaniczne epoksydów są lepsze niż poliestrów, bo nie powoduje on naprężeń, które mogą osłabić materiał. Ponadto skurcz laminatu na grubość może doprowadzić do powstania efektu „przebijania” włókien zbrojenia, defektu kosmetycznego, który jest trudny i kosztowny do usunięcia.

Degradacja pod wpływem wody

Ważną właściwością każdej żywicy, szczególnie w środowisku morskim, jest odporność na degradację pod wpływem wody. Wszystkie żywice zatrzymują trochę wilgoci, która zwiększa wagę laminatu, ale znaczenie ma sposób w jaki wpływa ona na łączenia między żywicą i włóknami w laminacie, powodując stopniowe i długotrwałe pogorszenie jego właściwości mechanicznych. Zarówno żywice poliestrowe jak i winyloestrowe są podatne na degradację pod wpływem wody ze względu na obecność w ich strukturze cząsteczkowej grup estrowych wrażliwych na hydrolizę. W efekcie cienki laminat poliestrowy powinien zachować jedynie 65% wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe po zanurzeniu w wodzie przez rok, podczas gdy laminat epoksydowy w tej samej sytuacji zachowa około 90%.

Wpływ zanurzenia w wodzie na wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe żywic poliestrowych i epoksydowych

Wpływ czasu wchłaniania wody w 100°C na wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe

Rysunek 23 pokazuje wpływ wody na laminat poliestrowy i epoksydowy ze zbrojeniem szklanym, wchłaniający wodę w 100°C. Wchłanianie wody w podwyższonej temperaturze powoduje przyśpieszoną degradację właściwości zanurzonego w niej laminatu.

Osmoza

W środowisku morskim wszystkie laminaty przepuszczają niewielkie ilości wody w formie pary. Przechodząca przez nie woda wchodzi w reakcję ze wszystkimi komponentami ulegającymi hydrolizie, tworząc malutkie komórki ze skoncentrowanym roztworem. W cyklu osmotycznym więcej wody zostaje wciągnięte przez półprzepuszczalną powłokę laminatu, tym samym rozrzedzając go. Zwiększa ona ciśnienie cieczy w komórce nawet do 700 psi. Wreszcie ciśnienie odkształca lub rozrywa laminat lub żelkot i prowadzi do powstania charakterystycznej ‘ospowatej’ powierzchni. Komponenty ulegające hydrolizie w laminacie to m.in. brud i resztki uwięzione w środku w czasie produkcji, ale również łącza estrowe w utwardzonych poliestrach i w mniejszym stopniu winyloestrach.

Aby zapobiec zjawisku osmozy, w początkowych etapach produkcji laminatu trzeba użyć żywicy o małej przepuszczalności wody i wysokiej odporności na jej wpływ. W połączeniu ze zbrojeniami o podobnych właściwościach i przy wysokiej jakości laminowaniu, można niemal zupełnie wyeliminować zjawisko powstawania pęcherzy na laminacie. Łańcuch polimerów na bazie epoksydu ma doskonałą odporność na wodę i środki chemiczne, niską przepuszczalność wody i bardzo dobre właściwości mechaniczne.

Systemy epoksydowe

1. Systemy uniwersalne

  • Zestaw podręczny SP
  • Żywica SP 106
  • System SP 320 do nakładania powłoki epoksydowej bez zawartości rozpuszczalnika
Zestaw podręczny SP
  • Idealny do napraw i drobnych prac dzięki bardzo szybkiemu czasowi żelowania, równemu 8 minut przy temp. 20°C
  • Sprzedawany w niewielkich opakowaniach z żywicą i utwardzaczem (250ml żywicy i 125ml utwardzacza)
  • Nadaje się do klejenia, powlekania, laminowania i wypełniania.
  • Mieszane w stosunku 2:1
  • Jeden zestaw pompek (nieskalibrowanych)

Zestaw SP Handipack - żywica i utwardzacz z dozownikami

SP 106
  • Używane do klejenia, powlekania, laminowania i wypełniania
  • Wybór utwardzaczy, mieszanych w stosunku objętości 5:1.
  • Proste w użyciu dzięki systemowi pompek.
  • Dobre właściwości utwardzania przy niskiej temperaturze.
  • Wykorzystując proszek wypełniający można zmienić mieszankę żywicy i utwardzacza w bardzo skuteczny środek wypełniający lub klejący.
  • Idealna do budowy i naprawy jachtów drewnianych

Zestaw SP106 - żywica i utwardzacz

Żywica do powlekania SP320
  • Doskonała przejrzystość i narastanie grubości powłoki.
  • Nakładana przy pomocy pędzla, rolki lub poduszki piankowej.
  • Nie jest odporna na promieniowanie UV, więc musi być powleczona warstewką poliuretanu.
  • Przed nałożeniem żywicy SP320 drewno należy uszczelnić przy użyciu Eposeal.
Eposeal 300
  • Uszczelniacz epoksydowy na bazie rozpuszczalnika o niskiej gęstości
  • Nadaje się do stosowania na większości materiałów np. drewnie, cemencie, kamieniu i cegłach.
  • Można go użyć do położenia warstwy ochronnej przed nałożeniem SP320 lub SP106
  • Dopuszczalny okres użytkowania do 20 godzin, łatwy w użyciu
  • Dostępny w opakowaniach o wadze 1kg i 5kg (żywica i utwardzacz)
Przykłady stosowania SP106 i SP320

Szkielet łodzi Uszczelnianie kadłuba łodzi żywicą SP Wnętrze kadłuba łodzi po uszczelnieniu Wnętrze kadłuba łodzi po uszczelnieniu

2. Systemy do laminowania ręcznego i vacuum
  • Ampreg 21 i Ampreg 21FR
  • Ampreg 22
  • Ampreg 26
Ampreg 21 i Ampreg 21FR
  • Najnowsza żywica laminująca, dostępna od 2007
  • Dzięki niskiej początkowej lepkości nadaje się idealnie do zwilżania ciężkich włókien/tkanin
  • Wybór utwardzaczy o prędkościach od Extra Wolnej do Szybkiej
  • Bardziej przyjazna dla zdrowia w porównaniu z Ampregiem 22
  • Żywica pozbawiona pigmentów - jest bardzo przejrzysta
  • Ampreg 21FR – żywica uniepalniona
  • Idealny do budowy elementów zbrojonych włóknem o bardzo dużej gramaturze

Ampreg 21 został zoptymalizowany do produkcji dużych struktur kompozytowych metodą laminowania ręcznego i z użyciem worka próżniowego. Względnie niska początkowa lepkość mieszaniny Ampreg 21 zapewnia dobre przesycanie ciężkich zbrojeń. Kompozycja ta została opracowana w celu zapewnienia wysokiego bezpieczeństwa pracy. Ampreg 21 gwarantuje znakomite właściwości mechaniczne i termiczne zarówno po utwardzeniu w temperaturze otoczenia jak i po dotwardzeniu w podwyższonej temperaturze (50°C). System jest dostępny z utwardzaczami o szybkościach reakcji od Szybkiego do Ekstra Wolnego.

Ampreg 22
  • Ampreg 22 jest uznanym i najszerzej stosowanym systemem laminującym Gurit.
  • Utwardzacze mają szybkości od Ekstra Wolnej do Szybkiej i dla wygody są one dostępne w wielu kolorach. Utwardzacze można mieszać ze sobą w celu uzyskania efektu pośredniego.
  • Idealny do budowy dużych i zaawansowanych struktur kompozytowych
  • Średnia lepkość nadaje się dla wielkich struktur o pionowych powierzchniach. Najlepsze wyniki uzyskuje się w temperaturze 18°C i wyższej

Utwardzacz Ampreg 22 w kolorach czerwonym, zielonym i niebieskim

Ampreg 22 to znany i szeroko stosowany system do laminowania na mokro i metodą worka próżniowego, który wykorzystuje najnowsze osiągnięcia chemii w zakresie epoksydów. Dzięki długiemu czasowi użytkowania oraz niskim egzotermii i lepkości nadaje się on idealnie do wyrobu dużych, wysokiej jakości struktur kompozytowych.

Ampreg 22 składa się z żywicy i 5 utwardzaczy do wyboru, pozwalających uzyskać pełen zakres właściwości. Czas laminowania z utwardzaczem 14-godzinnym wynosi ponad 14 godzin w temperaturze 20°C, przy czym poziom egzotermii pozostaje niski nawet w grubszych warstwach. Z kolei utwardzacz Szybki sprawdza się przy niewielkich wyrobach, które dzięki bardzo szybkiemu czasowi utwardzania w temperaturze 25-30°C można wyjąć z formy już po kilku godzinach.

Niska początkowa lepkość pozwala na produkcję laminatu przez wtłaczanie, metodą worka próżniowego lub ciśnieniowego, przez nawijanie włókien ciągłych lub wtrysk żywicy z zastosowaniem próżni. Niska lepkość w połączeniu z dobrym odpowietrzaniem mieszanki żywicy i utwardzacza dają pewność, że włókna będą należycie przesączone i wzmocnione, co jest szczególnie pomocne przy impregnacji włókien aramidowych i węglowych.

Żywica Ampreg 22 ma kolor żółty, natomiast utwardzacze występują w różnych kolorach. Dzięki temu łatwo rozróżnić składniki i ocenić, czy zostały odpowiednio wymieszane np. utwardzacz Ekstra Wolny w kolorze niebieskim po zmieszaniu z żywicą powinien dać kolor zielony. Zawartość rozpuszczalnika w żywicy Ampreg 22 należy do najniższych wśród dostępnych żywic epoksydowych. Dzięki temu oraz dzięki szczególnym właściwościom utwardzaczy system jest znacznie bezpieczniejszy w użyciu niż inne produkty.

Ampreg 26
  • Optymalne właściwości mechaniczne
  • Wysokie Tg po utwardzeniu w podwyższonej temperaturze

Ampreg 26 to najwyższej jakości epoksydowy system do laminowania SP-High Modulus, idealny do produkcji dużych, wysokiej jakości struktur kompozytowych. Dzięki dobrym właściwościom mechanicznym laminatu oraz wysokiemu Tg, uzyskiwanemu po dotwardzeniu, nadaje się znakomicie do mocno obciążonych aplikacji , zwłaszcza tam, gdzie wymagane są ponadprzeciętne właściwości termiczne. Ampreg 26 został zoptymalizowany do laminowania ręcznego i procesów wykorzystujących metodę worka próżniowego, ale można go wykorzystywać w innych procesach jak RTM, infuzja próżniowa, pultruzja lub nawijanie włókien.

3. System do infuzji Prime 20LV

Infuzja kadłuba łodzi żywicą PRIME 20LV Infuzja kadłuba łodzi żywicą PRIME 20LV

PRIME™ 20LV to kolejna generacja epoksydowego systemu do infuzji PRIME™ 20, zaprojektowanego specjalnie do procesów infuzji z wykorzystaniem żywicy, w tym RTM (formowanie z prasowaniem), SCRIMP™ i RIFT (infuzja żywicy z . PRIME™ 20LV ma znacznie mniejszą lepkość i dłuższy czas użytkowania, dzięki czemu nadaje się idealnie do infuzji bardzo dużych elementów ze skomplikowanymi zbrojeniami w ramach jednego procesu. Wyjątkowo niska egzotermia umożliwia wyrób elementów o dużej grubości bez ryzyka przedwczesnego ich żelowania, spowodowanego wydzielaniem ciepła w wyniku reakcji egzotermicznych, oraz zwiększa żywotność formy.

PRIME™ 20LV wykorzystywany był z powodzeniem do formowania komponentów w ramach jednego procesu od wąskich masztów jachtowych z włókna węglowego po 80-stopowe kadłuby jachtowe i łopaty turbin wiatrowych. Po dotwardzeniu w temperaturze 50°C uzyskuje on znakomite właściwości mechaniczne i fizyczne, dzięki czemu gotowy laminat pod względem właściwości sytuuje się między laminatami uzyskanymi poprzez laminowanie ręczne i prepregami utwardzonymi w niskiej temperaturze.

System PRIME™ 20LV jest dostępny z trzema utwardzaczami, oferując wybór czasów używalności i utwardzania. Pozwala to tak dobrać prędkość żelowania żywicy, aby była zbliżona do czasu infuzji budowanego elementu. Testy przeprowadzone przez SP High-Modulus wykazały, że PRIME™ 20LV z utwardzaczem Wolnym lub Ekstra Wolnym łączy się znakomicie z niektórymi żywicami winyloestrowymi. Dzięki temu budujący łodzie mogą łączyć ze sobą żelkoty poliestrowe i wysokiej jakości systemy epoksydowe wykorzystując winyloester jako warstwę pośrednią, uzyskując w ten sposób zwiększoną wytrzymałość i lepsze właściwości kadłubów/pokładów, a jednocześnie zachowując wysoki połysk i łatwość naprawy, które charakteryzują systemy poliestrowe.

System Prime 20LV z utwardzaczem standardowym
  • Żywica epoksydowa do infuzji o niskiej lepkości
  • Pozwala na budowę dużych i skomplikowanych elementów
  • Trzy utwardzacze
    • Szybki - czas żelowania 3h przy temp. 20°C
    • Wolny - czas żelowania 5h przy temp. 20°C
    • Ekstra wolny - czas żelowania 10h przy temp. 20°C
System Prime 20LV z utwardzaczem ULV (o ultra niskiej lepkości)
  • Krótki czas infuzji
  • Wyższa jakość za niższą cenę
  • Znakomita wytrzymałość po utwardzeniu w temperaturze otoczenia
  • Idealny dla producentów łodzi, którzy chcą łączyć żelkoty poliestrowe z laminatami z epoksydu
  • Nowy produkt wprowadzony we wrześniu 2009,
  • O 50% niższa lepkość w porównaniu z Prime 20,
  • Lepsze nawilżanie wzmocnień/zbrojeń,
  • Dostępne prędkości żelowania: wolna (3-4h przy temp. 20°C) i ekstra wolna (7-10h przy temp. 20°C)

Infuzja kadłuba łodzi żywicą PRIME 20LV Infuzja żywicą PRIME 20LV

Opracował Łukasz Łukaszuk