Żywica epoksydowa

Żywice syntetyczne odgrywają dziś ważną rolę w wielu dziedzinach. Żywice epoksydowe stanowią szczególnie ważną podgrupę żywic syntetycznych. W przeciwieństwie do innych żywic syntetycznych, żywice epoksydowe są polieterami z dwiema terminalnymi grupami epoksydowymi – stąd ich nazwa.

Podobnie jak wszystkie inne żywice syntetyczne, są one utwardzalne, tzn. są żywicami reaktywnymi: dodatek specjalnego utwardzacza powoduje, że po utwardzeniu stają się one tworzywem termoutwardzalnym, tzn. nie można ich już odkształcać pod wpływem ciepła (odporność na ciepło). Proces utwardzania zapewnia im nie tylko dobrą odporność na temperaturę, ale także wysoką odporność na chemikalia. Właściwości te otwierają szerokie spektrum zastosowań – jako farby i powłoki, żywice laminujące, tzw. żywice odlewnicze, środki do osadzania oraz do formowania niektórych elementów. Żywice EP są również stosowane w budowie łodzi.

Rodzaje żywic epoksydowych

Termin “żywica epoksydowa” należy rozumieć jedynie jako pojęcie zbiorcze – ze względu na różne procesy produkcyjne, a co za tym idzie różne właściwości i obrabialność, istnieje wiele różnych żywic epoksydowych.

Najważniejszą grupę stanowią żywice EP na bazie glicydylu. Wytwarza się je przez połączenie epichlorohydryny z diolami lub poliolami (alkoholami wielowodorotlenowymi), związkami fenolowymi, takimi jak bisfenol A lub kwasami dikarboksylowymi.

Prawie trzy czwarte całej dzisiejszej produkcji żywic epoksydowych odbywa się przy udziale bisfenolu A. W wyniku niskocząsteczkowych przemian powstaje lepka, krystalicznie czysta ciecz, czyli płynne żywice epoksydowe. W wyniku reakcji o wyższej masie cząsteczkowej powstają bezbarwne substancje stałe.

Jeśli zamiast bisfenolu A zastosuje się nowolak, powstają żywice o wysokiej lepkości do bardzo twardych (EPN i ECN). Po utwardzeniu powstałe termoutwardzalne tworzywa nie są zbyt elastyczne, ale są bardzo odporne na temperaturę i chemikalia. Jeśli wymagane są właściwości szczególnie trudnopalne, do produkcji stosuje się zwykle bromowany bisfenol A.

Oprócz tych bardzo powszechnych i rozpowszechnionych metod produkcji istnieje wiele innych, o bardziej drugorzędnym znaczeniu. Produkty końcowe mogą być następnie skategoryzowane pod względem technicznym według różnych właściwości:

• rozkład masy molowej
• liczba hydroksylowa
• równoważnik wagowy epoksydu
• temperatura zeszklenia

Wartości te mają jednak tylko znaczenie techniczne i nie mają znaczenia dla praktycznego zastosowania.

Utwardzacz

W tym przypadku większe znaczenie ma jednak rodzaj utwardzania: zasadniczo rozróżnia się tak zwane “utwardzanie na zimno” (odbywa się już w temperaturze pokojowej), gdy jako utwardzacze stosowane są aminy wielowartościowe lub aminy alifatyczne. Jeśli jako utwardzacze stosowane są aminy aromatyczne, wymagane jest utwardzanie na gorąco, a w przypadku utwardzaczy kwaśnych, takich jak dietyltriamina, do utwardzenia konieczna jest nawet bardzo wysoka temperatura.

Jeśli spojrzeć na reakcję utwardzania z chemicznego punktu widzenia, staje się jasne, że dla całkowitego przekształcenia całej żywicy w tworzywo sztuczne bardzo ważny jest stosunek ilości utwardzacza do ilości żywicy. Tylko w bardzo wąskich granicach można “dopasować” pewne właściwości, takie jak elastyczność, twardość lub odporność na kwasy, poprzez zmianę proporcji mieszanki. Jeśli proporcje nie są prawidłowe, niewystarczająca ilość utwardzacza może spowodować powstanie lepkiej, miękkiej powierzchni, która nie może się całkowicie utwardzić, ponieważ pozostały jeszcze resztki żywicy, które nie mogą zostać przekształcone z powodu braku utwardzacza.

Nawiasem mówiąc, reakcja żywicy z utwardzaczem (reakcja egzotermiczna) generuje bardzo wysokie ciepło reakcji, zwłaszcza w przypadku żywic o wysokiej reaktywności. Ciepło to musi być odprowadzane jak najlepiej, w przeciwnym razie żywica ucierpi.

Szybkość, z jaką przebiega reakcja, zasadniczo określa tzw. żywotność garnka, czyli okres, w którym żywica może być jeszcze aktywnie przetwarzana. W zależności od rodzaju produktu czas przetwarzania może wynosić od kilku godzin do zaledwie kilku minut. Podczas mieszania z pojemnika należy wymieszać tylko taką ilość, jaka może być wykorzystana w okresie użytkowania pojemnika. Nie można ponownie upłynnić mieszanej ilości przetworzonej, którą się już nie zarządza.

W celu uzyskania podanej żywotności należy zawsze uwzględnić temperaturę otoczenia – jeżeli temperatura przetwarzania jest wyższa niż 20 °C (jest to standardowa wartość wyjściowa), żywotność może być krótsza niż podana. Żywotność garnka zmniejsza się o połowę na każde dodatkowe 10 °C temperatury. To samo dotyczy przetwarzania większych ilości. Producent może jednak w pewnym stopniu wpłynąć na trwałość garnka poprzez dodanie do produktu różnych środków.

Produkcja żywicy epoksydowej o niskiej lepkości zapewnia również łatwiejszą penetrację porowatych materiałów przez żywicę – na przykład w powłokach betonowych. Zmieniona lepkość ma również wpływ na czas przydatności do użytku i czas utwardzania.

Czasy utwardzania również mogą się różnić w zależności od produktu, a zawarte w nim wypełniacze mogą je również znacząco zmienić. Początkowo cienka żywica epoksydowa szybko staje się coraz bardziej lepka, aż w końcu twardnieje.

Typowe właściwości

Ciężar utwardzonych żywic waha się zazwyczaj od około 1000 do 1200 kg/m³. Wytrzymałość na rozciąganie wynosi w większości przypadków około 80 MPa, przewodność cieplna wynosi zazwyczaj około 0,21 W/mK, ale może wahać się od 1,2 W/mK do około 6 W/mK w zależności od rodzaju produktu i składu.

Pozostałe właściwości chemiczne i mechaniczne mogą się znacznie różnić w zależności od produktu. Trudno o nich generalizować, i o to chodzi. Żywice epoksydowe, oprócz swoich naturalnych właściwości, należą do grupy substancji, które można bardzo wszechstronnie i precyzyjnie dostosować do wszystkich możliwych wymagań.

Ogólne obszary zastosowania

Kiedy większość ludzi myśli o epoksydowych, pierwszą rzeczą, którą prawdopodobnie myślą o ich podłogi garażu. W rzeczywistości posadzki przemysłowe i garażowe są bardzo ważnym obszarem zastosowania powłok epoksydowych. Jeśli wsypie się małe ziarno kamienia, to z wylanej żywicy epoksydowej w połączeniu z kruszywem powstaje kamienny dywan.

WSKAZÓWKA: W przypadku czystych powłok powierzchniowych należy zawsze ostrożnie usuwać pęcherzyki powietrza, najlepiej za pomocą wałka do paznokci. W przeciwnym razie również one stwardnieją – i pozostaną zamknięte w żywicy na zawsze. Ponadto uwięzione pęcherzyki powietrza osłabiłyby nośność powierzchni.

Jako powłoka, żywice EP chronią również konstrukcje stalowe przed korozją, na przykład w przemyśle stoczniowym, ale służą również jako spoiwo do farb, a także jako materiał uszczelniający, na przykład w terrariach.

Żywice EP są stosowane jako żywice odlewnicze do produkcji wielu komponentów w procesie odlewania. Jeśli doda się do nich włókna węglowe, szklane i aramidowe (tzw. kompozyty włókniste), powstaje tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem szklanym, czyli dobrze znany GRP.

Obwody drukowane są również wykonywane z żywic EP, są one również używane do formowania i obudowywania elementów, które mają być izolowane elektrycznie. W szkutnictwie żywice epoksydowe są również stosowane do naprawy kadłubów łodzi wykonanych z żywicy poliestrowej, która sama w sobie nie jest odporna na działanie wody morskiej.

Ryzyko dla zdrowia i środki ostrożności podczas produkcji i stosowania

Podstawowa zasada, którą należy zapamiętać: po utwardzeniu żywica epoksydowa jest całkowicie nietoksyczna, a nawet w większości bezpieczna dla żywności. Jednakże, w stanie nieutwardzonym, żywice EP stwarzają znaczne ryzyko i zagrożenia dla zdrowia.

Obecnie trwa ponowna ocena zagrożeń stwarzanych przez nieutwardzone żywice epoksydowe ze względu na ich szerokie zastosowanie. Jednakże duża liczba symboli zagrożenia już teraz zdobi produkty przeznaczone do użytku prywatnego – są to etykiety, które należy traktować bardzo poważnie. Należy zawsze bardzo dokładnie przestrzegać instrukcji obsługi i zaleceń dotyczących bezpieczeństwa. W razie potrzeby należy również zwrócić uwagę na ochronę środowiska i kontrolę zanieczyszczeń wody przy poszczególnych pracach – w tym zakresie istnieją obszerne przepisy pracy przy obchodzeniu się z żywicą epoksydową, które oczywiście obowiązują również osoby prywatne przy stosowaniu żywic EP.

Szczególnie szkodliwy jest bezpośredni kontakt ze skórą. Zaleca się stosowanie kombinezonu ochronnego, przy obróbce obowiązkowe są odpowiednie rękawice. Rękawice powinny być jak najgrubsze, jednorazowe rękawice, czy to z lateksu czy nitrylu, zupełnie nie nadają się jako ochrona. Substancje szkodliwe dla skóry przenikają przez rękawice nitrylowe w ciągu kilku minut.

Połknięcie przez drogi oddechowe stanowi stosunkowo mniejsze ryzyko, ale nawet w tym przypadku należy zawsze zapobiegać, pracując z żywicą epoksydową tylko w pomieszczeniach o bardzo dobrej wentylacji.

Wniosek

Z żywicą epoksydową spotykamy się w wielu miejscach i w bardzo różnych formach praktycznie każdego dnia – nie zdając sobie z tego sprawy. Jeśli jednak używasz go samodzielnie, na przykład do pokrycia podłogi, ważne jest, aby zdawać sobie sprawę z zagrożeń, jakie stwarzają nieutwardzone żywice.