Alifaatsed amiinid epoksikatteaines: kaasaaitaja kõvadusele ja keemilisele vastupidavusele

Kuidas alifaatsed amiinid tekitavad epoksi kõvenemist ja ristside tihedust

Amiini ja epiroolringi avatud polümerisatsiooni mehhanism

Epoksiidide alustavad kõvadumist siis, kui alifaatsete amiinidega toimub nii nimetatud nukleofiilne rõngasavane reaktsioon. Kui primaarsed amiinrühmad NH2 puutuvad kokku epoksirõngastega, püüavad need tegelikult kinni süsiniku aatomitest, mis ootavad mingit sündmust. See lõhub terve oksiraani struktuuri ja loob uued keemilised sidemed, tulemuseks sekundaarsed hüdroksüülrühmad ning ka sekundaarsed amiinid. Järgmine samm on üsna huvitav – need äsja tekkunud sekundaarsed amiinid jätkavad reageerimist veelgi rohkemate epoksimolekulidega, moodustades tertsiaarseid amiine ja veelgi rohkem hüdroksüülrühmi. See ahelreaktsioon võimaldab materjalil astmeliselt kasvada, kuni see tahkeks muutub. Lõpptulemus on keeruline kolmemõõtmeline võrgustruktuur, kus iga üksik amiinhüdrogeen toimib sidemena materjali erinevate osade vahel. Tööstuslikust vaatenurgast on oluline mõista, kuidas see toimib, sest reaktsiooni kiirus ja efektiivsus sõltuvad suuresti temperatuuri kontrollimisest ja õigete segu suhetest. Tootjatel tuleb neid tegureid hoolikalt tasakaalustada, et saavutada lõpptoodetes optimaalsed omadused.

Miks alifaatilised amiinid võimaldavad kiiret, madala temperatuuriga kõvenemist kõrge ristseose tihedusega

Sirgete ahelate alifaatsete amiinide molekulaarne liikumine on väga hea ja need elektronidega küllastunud lämmastikuaatomid teevad neist erakordselt reageerivad. Kuna nende liikumist takistab vähe ruumi, reageerivad need ühendid epoksirühmadega hästi isegi siis, kui on jahedam. Kui vaadata, kuidas need võrrelduvad teiste tüüpidega, näiteks tsükloalifaatsete või aromaatsete amiinidega, siis sirgete ahelatega versioonid sekkuvad kiiremini, moodustavad tihedamaid võrgustruktuure ja kõvenevad ikka korralikult umbes miinus viie kraadi Celsiuse juures. Ajakirjas Journal of Coatings Technology ilmunud 2023. aasta uuring näitas, et need materjalid saavutavad geelifaasi umbes 80 protsenti kiiremini kui tsükloalifaatsed analoogid vaid 15 kraadil. Need loovad ka ristsidemed, mis on ligikaudu 40 protsenti tihedamad võrreldes polüamiididega kõvenenud süsteemidega, nagu näitasid salvestusmoodulitest tehtud mõõtmised. Milles see nii hästi töötab? Võtame näiteks TETA, millel on sidestumiseks saadaval viis aktiivset vesinikupunkti. See rohkus viib lõpptootes palju tihedamate võrgustruktuurideni, tõstes klaasnihepunkti 20 kuni 35 kraadi Celsiuse võrra kõrgemale kui tavapäraste epoksiviinade puhul tavaliselt näha.

Alifaatse amiini struktuuri-omaduste seosed kõvaduse optimeerimiseks

Primaarsed ja sekundaarsed amiinifunktsioonid ning kõvaduse arengu kiirus

Aminoid hinnates tõusevad esmased esile, kuna neil on kaks reageerivat vesinikku igal lämmastikuaatomil. See tähendab, et need moodustavad palju tihedama ristseose võrgu ja kiirendavad kõvenemisprotsessi võrreldes teisaste amiinidega, millel on saadaval ainult üks reageeriv vesinik. Näiteks saavutavad esmased alifaatilised amiinid toatemperatuuril (umbes 25°C) juba umbes 90% oma lõplikust kõvadusest vaid 24 tunni jooksul, samas kui teisaste amiinidele kulub sarnaste tasemeteni jõudmiseks tavaliselt 48–72 tundi. Huvitav on, et see kiirem võrgu moodustumine tõstab tegelikult klaasini temperatuuri (Tg) ligikaudu 15–20°C võrra võrreldes teisaste amiinide süsteemidega, nagu on järjepidevalt näidanud dünaamiline mehaaniline analüüs. Teisest küljest reageerivad teisased amiinid aeglasemalt, mis aitab kontrollida eksotermilise soojuse teket ja hoiab kõvenemise ajal sisepingete madalamal. See muudab neid vähem tõenäoliseks põhjuseks ärritavatele mikropurrudesse paksemates detailides. Seega, kui keegi vajab midagi, mis kiiresti kõvastub, näiteks intensiivse liiklusega põrandate puhul, siis on esmased amiinid mõistlik valik. Kuid keerukate kuju puhul, kus sisepingete haldamine on kõige olulisem, on eelistatavam valik enamasti siiski teisased amiinid, isegi nende aeglasema kõvenemise tõttu.

DETA, TETA ja IPDA võrdlemine: paindlikkuse, kõvaks ja raskuse tasakaalustamine

DETA ja TETA kuuluvad primaarsete alifaatlike amiinide perekonda, mida tunnustatakse nende kiire kõvendusomaduste ja kõva pinna loomise võime poolest, kuigi nende paindlikkuse omadused erinevad. DETA-l on lineaarne molekulaarne struktuur, mis annab talle umbes Shore D 85 jäikuse ning mõistliku paindlikkuse taseme. TETA lisab oma struktuurile veel ühe amiinrühma, moodustades tihedamad ristside, mis toovad kaasa oluliselt kõvema materjali (Shore D 88–90 vahemik) ja parema keemilise vastupanu. IPDA viib selle veelgi edasi kui tsükloalifaatne sekundaarne amiin, andes maksimaalse jäikuse (Shore D 92–94) ja suurepärase stabiilsuse veekeskkondades, kuigi selle kõvendumise aeg on umbes 30% pikem kui DETA puhul. Paljud merekatsete projektidega tegelevad professionaalid eelistavad seetõttu TETAt, kuna see pakub hea tasakaalu kõvaduse ja vajaliku paindlikkuse vahel. Kui valmistajad segavad IPDA-d DETA-ga, tekivad ka huvitavad sünergiad – kõvunemisaeg lüheneb ligikaudu 20% võrreldes puhta IPDA kasutamisega, samas säilitades siiski üle 90% esialgsest kõvadusest pärast QUV-i kiirendatud ilmastikukatset.

Alifaatsete amiinide kõvendatud epoksiained: suurepärase keemilise ja niiskuskindluse saavutamine

Tihedad ristseotud võrgustikud, mis takistavad lahustite, hapete ja leeliste tungimist

Alifaatsete amiinide kõvendatud epoksiained on väga muljetavaldava ristsidestatuse tihedusega, mis sageli ületab 0,5 mol/cm³ vastavalt hiljutistele uuringutele ajakirjast Polymer Science Journal (2023). See loob tihe molekulaarse paigutuse, mis sobib hästi agressiivsete keemiliste aineteha kaitsmiseks. Porest suurusega alla 2 nanomeetri takistavad lahustite, hapete ja leeliste liikumist, mistõttu need materjalid sobivad suurepäraselt pinnasekaitsena tööstuspõrandate puhul, kus toimub pidev kokkupuude keemiliste ainetega. Testides vastavalt ASTM D1654 standardile säilitasid proovid umbes 95% oma esialgsest adhesioonitugevusest isegi pärast ühe kuu kestnud niisutamist lahustes, mille pH vaheseisus oli 3 kuni 12. See on märkimisväärselt parem võrreldes teiste variantidega, nagu polüamiidide kõvendatud epoksiained, mille korrosioonikindlus on sarnastes tingimustes tavaliselt umbes 40% madalam.

Alifaatse selgroo keemia poolt pakutav hüdrofoobsus ja hüdrolüütiline stabiilsus

Alifaatsetes süsivesinikes olevad pikad ahelad sisaldavad palju nendesid polaarseid metüleenrühmi (-CH2-), mis loomulikult tõukavad vett eemale. Need pinnad on tavaliselt veekontaktinurga üle 85 kraadi, mistõttu vesi hoopis tilgaks koguneb, mitte ei imbu. Alifaatsete amiinide erinevus eostpõhistest kõvendajatest seisneb sidemete puudumises, mis võivad laguneda veega kokkupuutudes. See tähendab, et need ei lagune nii lihtsalt niiskes keskkonnas. Süsinik-süsiniku struktuur säilitab tugevuse ka siis, kui seda on pikka aega mõjutanud niiske või märg keskkond, mis takistab probleeme nagu paisumine või kihtide lõhustumine. Laevadel ja rannikuvälised platvormidel tehtud testid näitasid, et need pinnakatted neelavad umbes 5% rohkem massi peale täisaastase viibimise soolases vees. See on tegelikult kolm korda parem kui aromaatsete amiinidega pinnakatete korral sama rasketes mereoludes.

Reaalmaailma rakendused: infrastruktuur, mererakendused ja tööstuslikud kaitsekatted

Alifaatsete amiinide kõvendatud epoksiained leiduvad kasutust igasugustes infrastruktuurides, merekeskkondades ja tööstuskohtades, kuna need vastupidavad väga hästi rasketele tingimustele. Näiteks sildade ja hoonete puhul kaitsevad need kaane terast ja betooni ilmastumise ja rooste eest, mis tähendab, et konstruktsioonid kestavad kauem ja neid ei pea pidevalt remontima. Mere peal laevadel, offshoreplatvormidel ja dokkides võitlevad samad kaaned soolase vee kahjudega, suudavad taluda hästi kulumist ning vastupidavad isegi päikese kahjulikele mõjudele, kui need on korralikult lisakaanega kinnitatud. Ka tehased ja tööstusplatsid loovad selle toote peale, et hoida torujuhtede, mahutite ja seadmete turvalisust keemiliste ja mehaaniliste kulumiste eest, mis aitab tagada tööde sujuva käigu ja töötajate ohutuse. Eriline on nende kiire kõvenemine, kivistunud lõpptoode ja asjaolu, et need lihtsalt jätkavad oma tööd aasta aastalt üsna rasketes keskkondades.

KKK

Mis on alifaatsed amiinid ja miks on need olulised epoksikõvendites?

Alifaatsed amiinid on ühendid, millel on lämmastikuaatomid ja mis on eriti reaktiivsed epoksikõvendis. Need võimaldavad kiiret kõvenemist madalatel temperatuuridel ning tagavad kõrge ristseostatuse tiheduse, mis parandab epoksikiudude vastupidavust ja tõhusust.

Kuidas erinevad primaarsed ja sekundaarsed amiinid kõvendamise ja kõvaduse poolest?

Primaarsel amiinil on kaks reageerivat vesinikku ja see kõveneb kiiremini, saavutades kiiresti kõrge kõvaduse, mis on kasulik kiirrakendustes. Sekundaarne amiin kõveneb aeglasemalt, aidates reguleerida soojust ja sisepinget, mistõttu sobib see keerukate kuju puhul.

Millised eelised on alifaatsete amiinidega kõvenenud epoksiomadel teiste epoksiomade ees?

Alifaatsete amiinidega kõvenenud epoksiomad pakuvad paremat keemilist ja niiskuskindlust tihedate ristseostuvõrkude ja hüdrofoobsete omaduste tõttu. Need toimivad paremini agressiivsetes keskkondades, mistõttu on need ideaalsed tööstus-, meremeede- ja infrastruktuurirakendusteks.