Ինչպես ընտրել ճիշտ ալիֆատիկ ամինը կոնկրետ էպօքսիդային կիրառումների համար

Ալիֆատիկ ամինների քիմիայի և սառեցման մեխանիզմների հասկացում

Նուկլեոֆիլ ռեակցիայի ճանապարհներ. Ինչպես են ալիֆատիկ ամինները սկսում էպօքսիդային օղակի բացումը

Երբ ալիֆատիկ ամինները սառեցնում են էպօքսիդները, դա իրականացվում է այն այնպես, ինչպես քիմիկոսները անվանում են «նուկլեոֆիլային հարձակում»: Ըստ էության, այս ամինների ազոտի ատոմները հարձակվում են էպօքսիդային օղակի կառուցվածքում գտնվող էլեկտրոֆիլ ածխածնի ատոմների վրա: Եկեք մի փոքր մանրամասնենք սա. առաջնային ամինները սկզբում բացում են օղակը, ինչի արդյունքում առաջանում են երկրորդային ամիններ և հիդրոքսիլային խմբեր: Այնուհետև այդ երկրորդային ամինները շարունակում են ռեակցիան՝ վերջնականապես առաջացնելով երրորդային ամիններ: Այստեղ մենք ստանում ենք մի քայլ առ քայլ աճող գործընթաց, որի ընթացքում տարբեր ռեզինային շղթաների միջև առաջանում են կովալենտ կապեր: Հետաքրքիրն այն է, որ սա բնականաբար տեղի է ունենում սենյակային ջերմաստիճանում՝ առանց որևէ հատուկ կատալիզատորի անհրաժեշտության: Էլեկտրոն տվող ալկիլային խմբերի առկայությունը այս ամիններին ավելի արդյունավետ դարձնում է իրենց գործառույթում: Այս բարձրացված նուկլեոֆիլության շնորհիվ ալիֆատիկ ամինները մոտավորապես 30–40 %-ով ավելի արագ են աշխատում, քան իրենց արոմատիկ համախառնուկները: Իսկ այս արագության տարբերությունը գործնական կարևորություն ունի, քանի որ այն հնարավորություն է տալիս արտադրողներին անհրաժեշտության դեպքում ճշգրտել խառնուրդի օգտագործման ժամանակահատվածը՝ երբեմն աշխատելով ընդամենը մի քանի րոպե, իսկ այլ դեպքերում՝ մի քանի ժամ տևող ժամանակահատվածով՝ կախված պահանջներից: Սառեցման ընթացքում ստեղծված այս համաչափ ցանցային կառուցվածքներն իրականում հիմք են հանդիսանում այսօրվա ամենաբարձր կատարողականություն ցուցաբերող արդյունաբերական ծածկույթների և կառուցվածքային սոսնձերի համար, որոնք օգտագործվում են տարբեր արտադրական ոլորտներում:

Ամինի համարժեք քաշ, ֆունկցիոնալություն և դրանց ուղղակի ազդեցությունը խաչաձև կապի խտության վրա

Էքսպոզիցիոն ցանցերի ճարտարապետությունը ճշգրտելիս հիմնարար գործիքներ են ամինային համարժեքի վրա չափված համարժեք զանգվածը (գրամներով) և մեկ մոլեկուլում ակտիվ ջրածնի ֆունկցիոնալության քանակը: Երբ աշխատում ենք ցածր համարժեք զանգվածով նյութերի հետ, յուրաքանչյուր գրամ նյութում ավելի շատ ռեակտիվ կենտրոններ են առկա: Չորս ֆունկցիոնալ միացությունները, ինչպես օրինակ՝ տետրաէթիլենպենտամինը (TETA), առաջացնում են շատ ավելի խիտ խաչաձև կապեր, քան երկու ֆունկցիոնալ միացությունները: Սա ընդհանուր առմամբ բարձրացնում է ապակենման ջերմաստիճանը (Tg) մոտավորապես 15–25 °C-ով, ինչպես նաև մեծացնում է կարծրության ցուցանիշները մոտավորապես 20–35 միավորով Shore D սանդղակով: Մյուս կողմից, այնպիսի ծավալային, ճյուղավորված մոլեկուլները, ինչպես օրինակ՝ իզոֆորոնդիամինը (IPDA), տալիս են վերահսկվող ճկունություն, որը օգնում է նյութերին դիմանալ ճաքերին՝ չդառնալով չափից շատ մեղմ: Պրակտիկայում ճիշտ խառնման հարաբերությունների ընտրությունը շատ կարևոր է: Եթե հարաբերությունները խախտվեն, ապրանքների արտադրողները հաճախ ստանում են թույլ տեղամասեր անբավարար սերտաճման դեպքում կամ բեկվելու ավելի մեծ հավանականություն ավելի շատ սերտաճման դեպքում:

Կարևոր մետրիկաներ:

• Համարժեք քաշ = մոլեկուլային քաշ ÷ ակտիվ ջրածնային ատոմներ
• Խաչաձև կապի խտություն ∝ ֆունկցիոնալություն ÷ համարժեք քաշ
• T _գ աճում է ≈0.5 °C-ով յուրաքանչյուր 1 % խաչաձև կապի խտության աճի դեպքում

Ալիֆատիկ ամինի կառուցվածքի համապատասխանեցումը կատարողական պահանջներին

Գծային, ճյուղավորված և ցիկլոալիֆատիկ. կարծրություն, ճկունություն և Tg-ի փոխզիջումներ

Նյութերի մոլեկուլների կառուցվածքը որոշում է, թե ինչպես են դրանք աշխատում տարբեր պայմաններում: Վերցնենք, օրինակ, գծային ամինները, ինչպես օրինակ՝ դիէթիլենտրիամինը (DETA): Դրանք ստեղծում են ճկուն ցանցային կառուցվածքներ՝ միջին սահմանային ջերմաստիճաններով (Tg), որոնք տատանվում են մոտավորապես 20–30 % երկարացման սահմանում: Սա դրանք դարձնում է հիասքանչ ընտրություն՝ այն դեպքերում, երբ անհրաժեշտ են ծածկույթներ, որոնք կարող են դիմանալ հարվածների՝ չճեղքվելով: Մյուս կողմից, ճյուղավորված ամինները այլ բան են անում՝ դրանք բարձրացնում են խաչաձև կապերի խտությունն ու կարծրությունը, սակայն դա իրենից ներկայացնում է ճկունության նվազում: Դրանք ավելի լավ են աշխատում այն կիրառումներում, որտեղ ամենակարևորը ձևի և կոշտության պահպանումն է: Կյանսալիֆատիկ ամինները, ինչպես օրինակ՝ IPDA-ն, ամենևին այլ մոտեցում են առաջարկում: Դրանք միավորում են կարծր ցիկլիկ կառուցվածքները և որոշ ալիֆատիկ հատկություններ՝ առաջացնելով հիասքանչ ջերմային բնութագրեր, որտեղ Tg-ն գերազանցում է 180 °C-ը (մոտավորապես 356 °F), իսկ ջերմային քայքայումը սկսվում է 220 °C-ից բարձր (մոտավորապես 428 °F): Ավելին, նրանք պահպանում են բավարար քիմիական դիմացկունություն՝ չնայած իրենց ավելի ծավալային մոլեկուլային կառուցվածքին: Այստեղ փոխզիջման գործոնը ճկունության նվազումն է՝ համեմատած իրենց գծային համարժեքների հետ, որի պատճառով նյութերի գիտնականները պետք է շատ զգույշ լինեն մոլեկուլային ճարտարապետության ընտրության հարցում՝ համապատասխան արդյունաբերական պահանջների համար ճիշտ միացությունը ընտրելու համար:

Պրիմար և սեկունդար ամինների ռեակտիվությունը. Փակման արագություն, պահպանման ժամկետ և վերջնական ցանցի համասեռություն

Երբ խոսքը վերաբերում է էպօքսիդային ռեակցիաներին, առաջնային ամինները առանձնանում են նրանով, որ դրանք շատ ավելի նուկլեոֆիլ են և սովորաբար 30–40 տոկոսով ավելի արագ են աշխատում էպօքսիդների հետ՝ համեմատած երկրորդային ամինների հետ: Սա նշանակում է, որ գելավորման ժամանակը հաճախ իջնում է 20 րոպեից ցածր, իսկ ստվարացումը սենյակային ջերմաստիճանում տեղի է ունենում բավականին արագ: Սակայն այսօրվա խոնավ միջավայրերում աշխատող արտադրողների համար կա մեկ կարևոր նկատառում: Առաջնային ամինների ինտենսիվ ռեակցիայի արագությունը մշակման ընթացքում սովորաբար ավելի ուժեղ ջերմության արտանետում է առաջացնում և մեծացնում մակերեսի գունափոխման («մաշկի վրա վարդագույն երանգի առաջացման») հավանականությունը: Ի հակադրություն դրան, երկրորդային ամինները օգտագործողներին տրամադրում են զգալիորեն երկար աշխատանքային ժամանակ՝ սովորաբար չորսից ութ ժամ, մինչև մշակումը անհրաժեշտ լինի: Դրանք նաև նյութերի ներսում ավելի լավ ցանցային կառուցվածքներ են ստեղծում և ավելի մեղմ էքզոթերմիկ ռեակցիաներ են առաջացնում, ինչը դրանք հատկապես օգտակար է դարձնում մեծ ծավալների կամ ջերմաստիճանային տատանումների նկատմամբ զգայուն նախագծերի համար: Այնուամենայնիվ, առաջնային ամինները ապահովում են գերազանց խաչաձև կապի խտություն և ավելի բարձր ապակենման ջերմաստիճան, սակայն երբեմն՝ հարվածային դիմացկունության հատկությունների հաշվին: Երկրորդային բաղադրությունները ընդհանուր առմամբ պահպանում են մեխանիկական հատկությունների լավ հավասարակշռություն՝ միաժամանակ ամբողջությամբ ստվարացած վիճակում ավելի լավ քիմիական դիմացկունություն ապահովելով: Վերջնականապես, ընտրվող տարբերակը հիմնականում կախված է արտադրական պահանջներից: Այն արտադրամասերի համար, որոնք առաջնային կենտրոնանում են արագության և արտադրանքի ծավալի վրա, առաջնային ամինները տրամաբանական ընտրություն են: Սակայն երբ առավել կարևոր է ճշգրտությունը՝ միաժամանակ ապահովելով արտադրանքի որակի պահպանումը տարբեր միջավայրային պայմաններում, շատ արդյունաբերական կիրառումներում ավելի խելամիտ ընտրություն են հանդիսանում երկրորդային կամ խառը համակարգերը:

Համեմատական ընտրության ուղեցույց. DETA, TETA և IPDA՝ հիմնական կիրառումների համար

Օպտիմալ ալիֆատիկ ամինի ընտրությունը պահանջում է մոլեկուլային կառուցվածքի համաձայնեցումը գործառնական պահանջների հետ՝ ըստ ոլորտների: Այս համեմատությունը գնահատում է երեք արդյունաբերական ստանդարտ ամիններ՝ DETA, TETA և IPDA՝ դրանց տարբեր ամրացման պրոֆիլների և վերջնական օգտագործման ցուցանիշների հիման վրա:

DETA. Արագ ամրանող, ճկուն ցանցեր ընդհանուր նպատակների համար նախատեսված պատերազմների համար

Դիէթիլենտրիամինը, կամ ԴԵՏԱ-ն, ինչպես հաճախ են այն անվանում, աշխատում է իր երեք ակտիվ ջրածնի ատոմների շնորհիվ, այդ թվում՝ երկու առաջնային ամինային խմբերի, որոնք սկսում են էպօքսի օղակի բացման գործընթացը նույնիսկ սենյակային ջերմաստիճանում: Այս ռեակցիայի արդյունքում ստացվում է բավարար խաչաձև կապի խտությամբ ցանց: Նյութը կարող է ձգվել մոտավորապես 15–20 % մինչև կոտրվելը, բավարար հարվածային դիմացկունություն ունի և լավ կպչում է մետաղական մակերեսներին, բետոնին և կոմպոզիտային նյութերին: ԴԵՏԱ-ի հետ աշխատելու հեշտության մեկ այլ պատճառ նրա ցածր վիսկոզությունն է, որը թույլ է տալիս այն հեշտությամբ խառնել և կիրառել: Սակայն կա մեկ թերություն. նյութի աշխատաժամանակը (pot life) մոտավորապես 30 րոպե է, այսինքն՝ կիրառման ժամանակը կարևոր է: Հենց դրա համար էլ շատ արդյունաբերական կիրառումներում նախընտրում են ԴԵՏԱ-ն պաշտպանիչ ծածկույթների համար, օրինակ՝ նավթամուղերի, ծանր մեքենաների մասերի և մշտապես ջերմաստիճանային փոփոխությունների ենթարկվող կառույցների վրա: Նյութի ճկունությունը կանխում է միկրոճեղքերի առաջացումը ժամանակի ընթացքում, ինչը հաճախ է տեղի ունենում ավելի կոշտ ծածկույթների դեպքում:

TETA. Բարձր խաչաձև կապման խտություն մաշվածության դեմ դիմացող հատակապատումների և կոմպոզիտների համար

ՏԵՏԱ-ն ունի այս չորս ռեակտիվ ջրածնային ատոմները՝ երեք առաջնային և մեկ լրացուցիչ երկրորդային ջրածնային ատոմ, որը թույլ է տալիս նյութում ստանալ իրականում շատ խիտ խաչաձև կապում: Դա նշանակում է, որ մակերևույթները կարող են հասնել 80-ից բարձր ցուցանիշի՝ ըստ Շորի D սանդղակի (կարծրության չափման սանդղակ), ինչպես նաև առատորեն դիմացնել մաշվելուն: Սա դարձնում է ՏԵՏԱ-ն իդեալական ընտրություն այն վայրերի համար, որտեղ հատակները ամենօրյա բեռնվածության են ենթարկվում, օրինակ՝ արդյունաբերական համալիրներում կամ բաղադրյալ նյութերում մետաղալարերի ամրացման ժամանակ: Մեկ այլ կարևոր առանձնահատկություն է այս ծածկույթների դիմացկունությունը յուղերի, տարբեր լուծիչների և նույնիսկ արտադրական պայմաններում հաճախ օգտագործվող ուժեղ հիմնային մաքրման միջոցների նկատմամբ: Սակայն կա մեկ փոխզիջում. իր բարձր ռեակտիվության պատճառով աշխատանքային ժամանակը նվազում է մոտավորապես 20–25 րոպեի, մինչև սկսվի սառչելը: Բայց այստեղ ամենակարևորը հետևյալն է. երբ ՏԵՏԱ-ի համակազմը ճիշտ է հավասարակշռված բաղադրության մեջ, այդ համակարգերը գործարանային պայմաններում կարող են դիմանալ մոտավորապես տասն անգամ ավելի շատ ոտքերի հարվածների, քան սովորական էպոքսիդային ծածկույթները, առանց ճաքերի կամ ամբողջությամբ մաշվելու:

IPDA. Հավասարակշռված կոշտություն, UV կայունություն և քիմիական դիմացկունություն ծովային և ավիատիեզերական կիրառման համար

Իզոֆորոնդիամինը, կամ կարճ՝ IPDA-ն, միավորում է ցիկլոալիֆատիկ կարծրությունը համեմատաբար մեծ ստերիկ խոչընդոտների հետ՝ ստեղծելով այն, ինչ շատերը անվանում են հատկությունների գագաթնակետային հավասարակշռություն: Դիտարկեք այսպես. աշխատելիս IPDA-ի հետ տեխնիկները ստանում են մոտավորապես 45–60 րոպե օգտագործման համար պիտանի ժամանակ («pot life»), մինչև նյութը սկսի սառչել: Ավելին, IPDA-ով պատրաստված նյութերը ցուցադրում են առատ ՈՒՖ կայունություն և հիասքանչ դիմացկունություն ինչպես ջրի ազդեցության, այնպես էլ վառելիքների ազդեցության նկատմամբ: Դա պայմանավորված է այդ հատուկ խոչընդոտված կառուցվածքով, որը զգալիորեն նվազեցնում է լուսային օքսիդացման ազդեցությունը: Փորձարկումները ցույց են տվել, որ այդ նյութերը պահպանում են իրենց սկզբնական ձգման ամրության 90 %-ից ավելին՝ նույնիսկ 1000 ժամ շարունակ ենթարկվելով ՈՒՖ ճառագայթման, ինչը զգալիորեն գերազանցում է սովորական գծային ամինների ցուցանիշները: Եվ մի забացնենք նաև աղաջրի դիմացկունությունը: IPDA-ով սառչեցված էպոքսիդային նյութերը կարող են մնալ ծովի ջրում 500 ժամից ավելի երկար ժամանակ՝ առանց նկատելի մաշվելու: Սա դրանք հատկապես արժեքավոր է դարձնում ավիատիեզերական կիրառումներում, որտեղ կոմպոզիտային շերտերը պետք է պահպանեն իրենց ամբողջականությունը, ինչպես նաև ծովային լաքապատման մեջ, որտեղ նավերը ամիսներ շարունակ են ծովում լինում: Այն արդյունաբերությունների համար, որտեղ երկարատև պաշտպանությունն ու հաստատուն տեսքը առավել կարևոր են, IPDA-ն ապահովում է հենց այն, ինչ անհրաժեշտ է:

Ալիֆատիկ ամինների ընտրության օպտիմալացումը շրջակա միջավայրի նկատմամբ կայունության համար

Էպոքսիդների երկարաժամկետ աշխատանքային ցուցանիշները հիմնականում կախված են այն ամինային քիմիայի ընտրությունից, որը լավագույնս համապատասխանում է տվյալ միջավայրի ազդեցության գործոններին՝ ոչ միայն մեխանիկական կամ ջերմային բնույթի ազդեցություններին: Ծովային և ափամերձ շրջաններում սովորաբար անհրաժեշտ են ցիկլոալիֆատիկ ամիններ, օրինակ՝ IPDA-ն, քանի որ այս նյութերի կառուցվածքը բնականաբար դիմացկուն է ջրի ներթափանցմանը և աղի ազդեցության տակ քայքայմանը: Աղաջուրը կարող է կոռոզիայի ընթացքը արագացնել մոտավորապես երեք անգամ այն դեպքում, երբ այն տեղի է ունենում ներքին շրջաններում, այսպիսով՝ այս պաշտպանությունը շատ կարևոր է: Արդյունաբերական պայմաններում ծանր քիմիական միջավայրերի դեմ պայքարի ժամանակ ճյուղավորված շղթայով ամինները, օրինակ՝ TETA-ն, ավելի լավ են դիմացկուն թթուների և հիմների նկատմամբ՝ շնորհիվ իրենց խիտ խաչաձև կապման կառուցվածքի, որը նվազեցնում է քայքայման արագությունը մոտավորապես 40 տոկոսով՝ նույնիսկ ծանր քիմիական պայմաններում: Արտաքին միջավայրում կայունությունը նույնպես անհրաժեշտ է: Տարածական խոչընդոտված ամինները կանխում են այն ազատ ռադիկալների առաջացումը, որոնք առաջանում են UV ճառագայթման ազդեցության տակ, ինչը թույլ է տալիս արտադրանքներին մնալ աշխատանքային վիճակում 10.000 ժամից ավելի երկար՝ համաձայն QUV փորձարկումների: Հարաբերական խոնավության մակարդակի վերահսկումը նույնպես կարևոր է: Դանդաղ ռեակցիայի ենթարկվող ամինները խոնավության համար ժամանակ են տալիս դուրս գալու մինչև նյութը սկսի գելացվել, ինչը օգնում է խուսափել փքվածությունից կամ վատ սառեցումից: Եվ մի забыть նաև ժամանակի ընթացքում ջերմաստիճանի փոփոխությունների մասին: Ստացված նյութի ապակիացման ջերմաստիճանը (Tg) պետք է համապատասխանի իրական շահագործման ջերմաստիճաններին: Եթե այդ համապատասխանությունը բացակայում է, ապա ջերմաստիճանը Tg-ից ցածր իջնելիս առաջանում են մանր ճեղքեր, իսկ ջերմաստիճանը Tg-ից բարձր բարձրանալիս՝ նյութը փափկում է և ձևափոխվում, որոնք երկուսն էլ վնասում են պաշտպանիչ հատկությունները և ծածկույթի կառուցվածքային ամրությունը:

Հաճախ տրամադրվող հարցեր

Ինչն է ալիֆատիկ ամինների օգտագործման հիմնական առավելությունը էպոքսիդային համակարգերի ամրացման ժամանակ:

Ալիֆատիկ ամինները ամրանում են մոտավորապես 30-40 % ավելի արագ, քան արոմատիկ ամինները, ինչը հնարավորություն է տալիս ավելի մեծ ճկունություն ցուցաբերել խառնուրդի կյանքի տևողության և մշակման ժամանակի ճշգրտման մեջ:

Ինչպես է ամինի կառուցվածքը ազդում նրա կատարման վրա ամրացված էպոքսիդային համակարգում:

Գծային ամինները սովորաբար ավելի լավ ճկունություն են ապահովում, մինչդեռ ճյուղավորված ամինները ավելի լավ են խաչաձև կապման խտության և կարծրության համար: Ցիկլոալիֆատիկ ամինները ապահովում են կարծրություն և գերազանց ջերմային հատկություններ:

Ինչն են TETA-ի հիման վրա ստեղծված էպոքսիդային համակարգերի հիմնական կիրառման ոլորտները:

TETA-ն ամենալավն է օգտագործվում բարձր մաշվածության դիմացկունություն rich կիրառումներում, օրինակ՝ արդյունաբերական հատակներում և կոմպոզիտային նյութերի ամրացման մեջ, քանի որ այն ունի խիտ խաչաձև կապման հատկություն:

Ինչու՞ է IPDA-ն նախընտրվում ծովային և երկնային կիրառումներում:

IPDA-ն առաջարկում է հիասքանչ ՈՒՖ կայունություն, քիմիական դիմացկունություն և աղաջրի դիմացկունություն, ինչը այն հարմարեցնում է երկարատև և բարձր դիմացկունություն պահանջող կիրառումների համար՝ ծանր պայմաններում:

Ինչպե՞ս է ամինային համարժեք զանգվածը կապված խաչաձևման խտության հետ

Համարժեք զանգվածը օգնում է որոշել նյութում ռեակտիվ կենտրոնների քանակը, ինչը ազդում է խաչաձևման խտության վրա, որն իր հերթին ուղղակիորեն ազդում է ստվարացված էպոքսիդային նյութի մեխանիկական հատկությունների վրա: