Alifatski amini u epoksidnim premazima: doprinos tvrdoći i otpornosti na kemikalije

Kako alifatski amini pokreću otvrdnjavanje epoksida i povećavaju gustoću umreženja

Mehanizam polimerizacije otvaranja epoksidnog prstena s aminima

Epoksidne smole počinju otvrdavati kada alifatski amini uđu u tzv. nukleofilne reakcije otvaranja prstena. Kada primarne amino skupine NH2 dođu u kontakt s epoksidnim prstenima, one zapravo 'zahvate' one atome ugljika koji su spremni na reakciju. Time se raspada cijela oksiranska struktura i stvaraju nove kemijske veze, nastaju sekundarne hidroksilne skupine te sekundarni amini. Ono što se događa nakon toga prilično je zanimljivo – novodobiveni sekundarni amini nastavljaju reagirati s dodatnim epoksidnim molekulama, stvarajući tercijarne amine i još više hidroksilnih skupina na putu. Ova lancana reakcija omogućuje materijalu da raste korak po korak sve dok ne postane čvrst. Konačni rezultat je složena trodimenzionalna mreža u kojoj svaki pojedini aminski vodik djeluje kao spojna točka između različitih dijelova materijala. S industrijskog stajališta, važno je razumjeti kako to funkcionira jer brzina i učinkovitost reakcije u velikoj mjeri ovise o čimbenicima poput kontrole temperature i ispravnog omjera komponenti. Proizvođači moraju pažljivo uravnotežiti te varijable kako bi postigli optimalna svojstva svojih gotovih proizvoda.

Zašto alifatski amini omogućuju brzo otvrdnjavanje pri niskim temperaturama s visokom gustoćom umrežavanja

Alifatski amini u ravnom lancu imaju vrlo dobru molekularnu pokretljivost, a dušikovi atomi bogati elektronima čine ih iznimno reaktivnima. Budući da im ne postoji mnogo prostora koji ometa njihov put, ovi spojevi prilično dobro reagiraju s epoksidnim skupinama čak i kada temperature padnu. Uspoređujući ih s drugim tipovima poput cikloalifatskih ili aromatskih amina, amini u ravnom lancu obično stvrdnjavaju brže, grade gušće mreže između molekula i i dalje će se odgovarajuće otvrdnuti sve do oko minus pet stupnjeva Celzijusovih. Istraživanje objavljeno u časopisu Journal of Coatings Technology još 2023. godine pokazalo je da ovi materijali mogu dostići želatinizaciju oko 80 posto brže nego cikloalifatski supstituti samo pri 15 stupnjeva. Također stvaraju kovalentne veze koje su otprilike 40 posto gušće u usporedbi s sustavima otvrdnutima poliamidima, prema mjerenjima provedenima testiranjem modula elastičnosti. Što čini ovaj proces tako učinkovitim? Uzmimo primjerice TETA, koji ima pet aktivnih vodikovih atoma raspoloživih za vezanje. Ova obilnost vodi do znatno gušćih mrežastih struktura u konačnom proizvodu, povećavajući temperaturu staklastog prijelaza za 20 do 35 stupnjeva Celzijusovih u odnosu na ono što bi normalno pokazale redovite epoksidne smole.

Odnosi između alifatske aminske strukture i svojstava za optimizaciju tvrdoće

Primarna nasuprot sekundarnoj aminske funkcionalnosti i kinetika razvoja tvrdoće

Kada je riječ o aminima, primarni se ističu jer imaju dva reaktivna vodika na svakom atomu dušika. To znači da stvaraju znatno gušće mreže veza i ubrzavaju proces otvrdnjavanja u usporedbi s sekundarnim aminima, koji imaju samo jedan reaktivan vodik. Na primjer, primarni alifatični amini mogu doseći oko 90% svoje konačne tvrdoće već nakon 24 sata čuvanja na sobnoj temperaturi (oko 25°C), dok sekundarni amini obično trebaju između 48 i 72 sata da dostignu slične vrijednosti. Zanimljivo je da ovo brže formiranje mreže zapravo povećava temperaturu staklastog prijelaza (Tg) za otprilike 15-20°C u odnosu na sustave s sekundarnim aminima, što je konzistentno pokazala dinamička mehanička analiza. S druge strane, sekundarni amini reagiraju sporije, što pomaže u upravljanju generiranjem egzotermne topline i održava niže unutarnje napetosti tijekom otvrdnjavanja. To ih čini manje sklonima uzrokovati dosadne mikropukotine u debljim dijelovima. Dakle, ako netko treba nešto što se brzo otvrdne, npr. za podove s velikim prometom, primarni amini su logičan izbor. No za složene oblike gdje je upravljanje unutarnjim napetostima najvažnije, sekundarni amini ipak su pametniji izbor, unatoč njihovom sporijem vremenu otvrdnjavanja.

Usporedba DETA, TETA i IPDA: ravnoteža između fleksibilnosti, krutosti i tvrdoće

DETA i TETA pripadaju obitelji primarnih alifatičnih amina poznatih po svojstvima brzog otvrdnjavanja i sposobnosti stvaranja tvrdih površina, iako se razlikuju po karakteristikama fleksibilnosti. DETA ima linearnu molekularnu strukturu koja mu daje krutost od oko Shore D 85 s prilično dobrim razinama fleksibilnosti. TETA dodaje još jednu amino skupinu u svoju strukturu, stvarajući gušće poprijesne veze koje rezultiraju znatno tvrđim materijalom (u rasponu Shore D 88-90) te boljom otpornošću na kemikalije. IPDA ide još dalje kao cikloalifatični sekundarni amin, osiguravajući maksimalnu krutost u rasponu Shore D 92-94 s izuzetnom stabilnošću u vodenim okruženjima, iako traje otprilike 30% dulje da se otvrdne u usporedbi s DETOM. Mnogi stručnjaci koji rade na projektima premaza za brodogradnju često preferiraju TETU jer postiže dobar balans između tvrdoće i potrebne fleksibilnosti. Kada formulatori pomiješaju IPDA s DETOM, dobiju neke zanimljive sinergije – vrijeme otvrdnjavanja smanji se za otprilike 20% u usporedbi s isključivo IPDA primjenama, a istovremeno očuva više od 90% početne tvrdoće nakon provedbe ubrzanog testa starjenja QUV.

Alifatični amini-otvrdnjavani epoksi: Postizanje izvrsne otpornosti na kemikalije i vlagu

Gusto povezane mreže kao barijera protiv prodora otapala, kiseline i lužine

Alifatski amini-omreženi epoksi imaju zaista impresivne gustoće veza, često prelazeći 0,5 mol/cm³ prema nedavnim istraživanjima iz časopisa Polymer Science Journal (2023). To stvara gusto molekularno uređenje koje djeluje kao učinkovita zaštita od agresivnih kemikalija. S porama manjim od 2 nanometra, ovi materijali onemogućuju prodor otapala, kiselina i lužina, zbog čega su izvrsni za premaze na industrijskim podovima gdje je izloženost kemikalijama stalna. Kada se testiraju prema standardima ASTM D1654, uzorci zadrže oko 95% svoje izvorne čvrstoće prianjanja čak i nakon mjesec dana uranjanja u otopine s pH-om od 3 do 12. To je prilično izniman rezultat u usporedbi s drugim opcijama poput poliamid-omreženih epoksi premaza, koji obično pokazuju otprilike 40% manju otpornost na koroziju u sličnim uvjetima.

Hidrofobnost i hidrolitička stabilnost koje pruža kemija alifatskog lanca

Dugi lanci alifatskih ugljikovodika sadrže mnogo nepolarnih metilen skupina (-CH2-), koji prirodno odbijaju vodu. Ove površine obično imaju kut kontakta s vodom iznad 85 stupnjeva, zbog čega voda samo stvara kapije umjesto što se upija. Ono što razlikuje alifatske amin od tvrdača zasnovanih na esterima jest odsutnost veza koje se mogu raspasti kada su izložene vodi. To znači da se ne razgrađuju jednako lako u vlažnim uvjetima. Ugljikovo-ugljikova struktura ostaje jaka čak i nakon dugotrajnog izlaganja vlažnim ili mokrim uvjetima, čime se sprječavaju problemi poput mjehuričenja ili odvajanja slojeva. Ispitivanja provedena na brodovima i offshore platformama pokazala su da ovi premazi upiju tek oko 5% više težine nakon godine dana u slanoj vodi. To je zapravo tri puta bolje u usporedbi s premazima na bazi aromatskih amina koji su izloženi istim teškim uvjetima na moru.

Primjena u stvarnom svijetu: Infrastruktura, pomorski i industrijski zaštitni premazi

Epoksi smole očvrdnute alifatičnim aminima koriste se na različitim mjestima u infrastrukturi, pomorskim okruženjima i industrijskim objektima jer izvanredno podnose teške uvjete. Uzmimo mostove i zgrade, primjerice – ovakva prevlaka štiti čelik i beton od vremenskih utjecaja i korozije, što znači da konstrukcije dulje traju bez potrebe za stalnim popravcima. Na moru, na brodovima, offshore platformama i dokovima, iste te prevlake sprječavaju oštećenja zbog slane vode, dobro podnose abraziju i čak otpornost prema UV zračenju ako su dodatno zaštićene gornjim slojem. Ove tvari nužne su i u tvornicama i postrojenjima kako bi cjevovodi, spremnici za skladištenje i oprema bili zaštićeni od kemikalija te fizičkog trošenja, čime se osigurava nesmetan rad i veća sigurnost radnika. Ono što ih stvarno ističe je brzina kojom očvršćuju, izrazito čvrsta površina te sposobnost dugotrajnog rada godinama u vrlo nepovoljnim uvjetima.

Česta pitanja

Što su alifatski amini i zašto su važni u otvrdnjavanju epoksi smola?

Alifatski amini su spojevi s dušikovim atomima koji imaju visoku reaktivnost, posebno u otvrdnjavanju epoksi smola. Oni omogućuju brzo otvrdnjavanje pri niskim temperaturama te rezultiraju velikom gustoćom mrežnih veza, što poboljšava izdržljivost i učinkovitost epoksi smola.

U čemu je razlika između primarnih i sekundarnih amina u pogledu otvrdnjavanja i tvrdoće?

Primarni amini imaju dva reaktivna vodika i otvrdnjavaju brže, brzo postižući visoke razine tvrdoće, što je korisno za brze aplikacije. Sekundarni amini otvrdnjavaju sporije, pomažući u upravljanju toplinom i unutarnjim napetostima, zbog čega su pogodni za složene oblike.

Koje prednosti imaju epoksiji otvrdnuti alifatskim aminima u odnosu na druge epoksije?

Epoksiji otvrdnuti alifatskim aminima nude izvrsnu otpornost na kemikalije i vlagu zahvaljujući gustim mrežnim strukturama i hidrofobnim svojstvima. Oni bolje funkcioniraju u ekstremnim uvjetima, zbog čega su idealni za industrijske, pomorske i infrastrukturne primjene.