رزین اپوکسی چیست؟
رزین اپوکسی پلیاترهایی هستند که از واکنش تراکمی ترکیبات دارای گروههای عامل اپوکسید با الکلها و بویژه فنل‌های چند ظرفیتی حاصل میگردد مشروط به اینکه در ترکیب حاوی گروه اپوکسید یک عامل فعال و قابل جایگزینی دیگر نیز موجود باشد.
تمام رزینهای اپوکسی خطی هستند و 2 تا عامل اکسیران در دو انتهای زنجیر دارند. گروه اپوکساید متشکل از دو اتم کربن است که با یک پیوند به یکدیگر و یک پیوند به شکل پل به یک اتم اکسیژن متصل هستند و یک حلقه سه تایی تشکیل میدهند که حلقه سه تایی بوجود آمده را گروه عامل اپوکسید می‌نامند. شکل یک حلقه اپوکسید (اکسیران) را نشان میدهد.
| 2HC |
| CH2 |
| O |
گروه اپوکسید بسیار واکنشگر است و دلیل عمده آن همانطور که بیان شده وجود پتانسیل بالا در حلقه سه تایی و تمایل این حلقه به باز شدن و یا تخریب است که مسلما با آنمتالپی منفی همراه است، به عبارت دیگر از نقطه نظر ترمودینامیکی باز شدن حلقه اکسیران همیشه با آزاد شدن مقداری انرژی همراه میباشد.
رزینهای اپوکسی بر پایه بیس فنل A بیشترین مصرف را در ساخت رزین اپوکسی دارا میباشد و از بیس فنل A و اپی کلروهیدرین سنتز میشوند.
اپی کلرو هیدرین (1-2 اپوکسی- 3- کلرو پروپان) مایعی است بی رنگ با بوی ضعیف و نسبتا مطبوع میباشد. اپی کلرو هیدرین دارای دو گروه عامل میباشد، گروه اپوکسید و اتم کلر و هر دو در مجاورت قلیا تحت تاثیر قرار میگیرد، بویژه گروه اپوکسید و بخصوص زمانی که در مجاورت اپی کلرو هیدرین ترکیباتی با اتمهای هیدروژن فعال وجود داشته باشد. اپی کلرو هیدرین ترکیبی است بسیار واکنشگر و با بسیاری از ترکیبات شیمیایی به سهولت وارد فعل و انفعال میگردد.
بیس فنل A (4-‘4 دی هیدروکسی، 2-2 دی فنیل پروپان) با جرم مولی 228/3 گرم بر مول قابل حل در استن، دی اتیل اتر میباشد و لازم است اشاره شود که حرف Aاز استون مشتق میشود مانند بیس فنل F که منظور از F فرمآلدهید است.
تقسیم بندی ساختاری رزینهای اپوکسی
رزینهای اپوکسی را به طور عام میتوان از دو جنبه تقسیم بندی نمود:
1. از لحاظ ساختار شیمیایی
رزینهای با ساختار آروماتیک، رزینهای آلیفاتیک و رزینهای دارای ساختار شیمیایی سیکلوآلیفاتیک میباشد.
مهمترین رزینهای اپوکسی ساختار آروماتیک داشته و عموما بر پایه بیس فنل A ساخته میشوند. این رزینها از لحاظ گروههای اپوکسید دو عاملی بوده و در صورتیکه بیس فنل A با بیس فنل F جایگزین شود رزینهای حاصل چند عاملی یعنی دارای گروههای اپوکسید متعدد خواهند بود. به این نوع رزینها بعضا نوکسی نیز اطلاق میشومد زیرا در ساخت آنها عملا نوالاکها نقش دارند.
2. از نقطه نظر سخت‌شوندگی (اختلاط با هاردنر):
از نظر چگونگی سخت شدن رزینهای اپوکسی را میتوان به سه گروه تقسیم کرد.
- گروههای دارای اپوکسید اکوی والانت تا 250: در شرایط معمولی به صورت مایع بوده و عمدتا با پلیآمینها و آنیدریدهای آلی سخت میشوند. بیشترین کاربرد این رزینها در پوششهای اپوکسی فاقد حلال میباشد.
- گروههایی که در شرایط معمولی جامد بوده و دارای اپوکسید اکوی والانت بین 450 تا 1000 میباشند. این رزینها که دارای مولاریته نسبتا پایین هستند با ترکیبات آمین مانند پلیآمینها، پلی‌آمینو آمیدها، بازهای مانیش و… سخت میشوند. بیشترین مصرف را در رنگ‌ها و لاک‌های اپوکسی دو جزئی دارا میباشند.
- گروه رزینهای دارای اپوکسید اکوی والانت تا 5000 که معمولا از طریق گروههای هیدروکسیل با ایزوسیاناتها سخت میشوند. لازم به ذکر است که با افزایش مولکولاریته درصد گروههای هیدروکسیل موجود در رزین بر خلاف آنچه که در مورد گروههای اپوکسید صادق است افزایش مییابد.
از لحاظ تعداد و تنوع بیشترین رزینهای اپوکسی آنهایی هستند که در ساخت رنگ و لاک و همچنین انواع پوششهای حفاظتی مورد استفاده قرار میگیرند و غالبا محصول ترکیب بیس فنل A و اپی کلرو هیدرین هستند.
کاربرد رزینهای اپوکسی
خواص رزینهای اپوکسی و مواد حاصل از آنها را میتوان به طور خلاصه به شرح زیر عنوان نمود:
قدرت چسبندگی بسیار خوب روی سطوح مختلف، سختی، استحکام، انعطافپذیری قابل قبول، ثبات نوری نسبی، عایق بودن، فاقد بو، مقاومت رطوبتی بالا، مقاومت در برابر مواد شیمیایی و… با توجه به خواص مذکور این رزینها کاربردهای فراوانی داشته و روز به روز بر مواد مصرف و دامنه‌ی کاربرد آنها افزوده میگردد، کاربرد انواع رزینهای اپوکسی عبارتند از:
- پوششهای سخت شونده در محیط جهت حفاظت از خوردگی
- پوششهای مقاوم در صنایع ساختمانی از جمله کف سالن‌های صنعتی
- رنگ‌ها و پوششهای پودری
- رنگ‌ها و پوشش‌ها جهت استفاده در وسایل تزئینی
- پودرهای قابل پرس شدن
- انواع چسب‌ها
- مواد پلیمری تقویت شده با الیاف
- پوششهای سختشونده در حرارت
- ملاتهای اپوکسی (خود تراز شونده)
رنگ‌های اپوکسی پودری
اولین پودرهایی که به روش الکترواستاتیک مورد استفاده قرار گرفتند پودرهای با ساختار شیمیایی اپوکسی بودند که از اواسط سالهای 1960به بازار عرضه شدند. و امروزه درصد زیادی از رنگ‌های پودری را به خود اختصاص میدهند. دلایل رشد روزافزون استفاده از این نوع رنگ‌ها را میتوان در نکات ذیل خلاصه نمود: خواص ضدخوردگی بسیار خوب، چسبندگی فوق‌العاده، توان بسیار خوب ذرات در جذب بار الکتریکی، تنوع فراوان در فرمولاسیون، عوامل مثبت زیست محیطی و بالاخره قیمت نسبتا مناسب.
رزینهای اپوکسی مصرفی در این رنگ‌ها در اکثر موارد رزینهای ساخته شده بر پایه بیس فنل Aو اپی کلروهیدرین بوده و دارای اپوکسی اکوی والانت 900-800 میباشد. در این شرایط رزینهای مذکور قابل پودر شدن (آسیاب شدن) بوده و هنگام آسیاب کردن موارد دیگر مورد نیاز از جمله سختکننده مورد نیاز به آن اضافه میشود، سپس پودر حاصل از طریق الکترواستاتیک روی سطوح مورد نظر پاشیده میشود.
رنگ‌های پودری اپوکسی را میتوان از لحاظ شرایط سخت‌شوندگی به سه گروه تقسیم نمود.
الف) عامل پخت (سخت شونده) معمولی با شرایط سخت‌شوندگی حدود 200 درجه سانتی گراد و 20-10 دقیقه
ب) سختشونده با شرایط حدود 200 درجه سانتی گراد و 5-4 دقیقه
پ) و بالاخره گروه سوم که بسیار سریع سخت میشوند و در حرارت 250 درجه سانتیگراد در کمتر از یک دقیقه عمل میکنند، این گروه معمولا روی صفحات از پیش گرم شده و نسبتا ضخیم اعمال میگردد.
بیشتر بخوانید: رنگ پودری چیست؟
سرعت سخت شوندگی به قدری زیاد است که سخت شدن پس از اعمال در کوره معمولا ضرورتی پیدا نمیکند. زیرا ضخامت سطح به حدی است که گرمای لازم را برای مدتی در خود نگهداری میکند و این گرما قادر است لایههای رنگ را سخت کند.
- از نقطه نظر شیمیایی مهمترین گروه سختکنندهها در رنگ‌های پودری بر پایه رزینهای اپوکسی دی سیان دی آمید و مشتقات آن میباشد. ساختار شیمیایی دی سیان دی آمید و یک دی سیان دی آمید اصلاح شده در شکل (29) نشان داده شده است.
جهت هر مولکول سختکننده دی سیان دی آمید معمولا 5-4 گروه اپوکسید مصرف شده و در حرارت حدود 200 درجه سانتی گراد پخت انجام میشود. البته میتوان به کمک شتابدهندهها (کاتالیزورها در حرارتهای پایینتری پخت را انجام داد و از این طریق در مصرف انرژی صرفه جویی کرد. مکانیزم سخت شدن رزین اپوکسی با عامل پخت آمینی (در رنگ‌های پودری دی سیان دی آمید) در مطالب بالا کاملا نشان داده شده است.
شکل 30- مکانیزم سخت شدن رزین اپوکسی با آنیدرید
- دومین گروه از سختکنندهها از لحاظ اهمیت و میزان مصرف آنیدریدهای پلیاسیدهای آلی میباشند، مانند هگزا هیدروفنالیک آنیدرید که در حرارت بالا واکنش میکند و مکانیزم سخت شدن با این گروه از عامل پخت به این صورت است که ابتدا با گروههای هیدروکسیل و سپس با گروههای اپوکسید رزین وارد فعل و انفعال میشود. شکل 30 مکانیزم را نشان میدهد.
این پلیآنیدریدها برای رنگ‌های پودری به صورت جامد و برای رنگ‌های غیر پودری اپوکسی به صورت محلول استفاده میشود و در هر دو حالت از طریق حرارت سخت میشوند. فیلم‌های کوره های حاصل خواص کاربردی بسیار خوبی از لحاظ مقاومت‌های شیمیایی، انعطافپذیری و چسبندگی داشته و عاری از بو هستند.
- و نهایتا گروه دیگر سخت کنندههای مناسب برای رنگ‌های اپوکسی پودری، پلیاسترهای اسیدی (دارای گروههای فعال کربوکسیل) هستند که محصولات حاصل از آنها و رزینهای اپوکسی را معمولا هیبرید میگویند.
رزینهای اپوکسی با سخت کنندههای پلیاستری به دو روش سخت شده و تشکیل فیلم میدهند.
الف) سخت شدن و تشکیل فیلم از طریق حرارت: به این ترتیب که اختلاط این رزین با رزینهای دیگر و قرار گرفتن مخلوط در حرارت باعث سخت شدن میشود.
ب) سخت شدن یا تشکیل فیلم به روش اکسیداتیو (هواخشک).
مکانیزم فعل و انفعالات در رزین اپوکسی با عامل پخت استری به این صورت است که هم گروههای اپوکسید موجود در رزین یک پل استری و در جوار آن یک گروه هیدروکسیل جدید و همچنین گروههای هیدروکسیل موجود در رزین در ترکیب با مولکولهای دیگری از اسید چرب موجود قابل استریفیکاسیون هستند. با انتخاب نوع و میزان اسید چرب به عنوان شریک واکنش برای رزین اپوکسی این خواسته عملی میگردد که مورد الف و یا ب مورد نظر است. مکانیزم سخت شدن رزین اپوکسی با عامل پخت استری در شکل (31) نشان داده شده است.
رنگ‌ها و پوشش‌ها جهت استفاده در وسایل تزئینی
یکی دیگر از موارد استفاده رزین اپوکسی در وسایل تزئینی است که به دلیل سخت شوندگی بالا و شفافیت آن شهرت بسیار زیادی در این صنعت پیدا کرده‌است. که افراد علاقمند به هنر با رزین اپوکسی وسایل زیادی را ساخته و طراحی میکنند.