Alifatični amini u epoksidnim premazima: doprinos tvrdoći i otpornosti na hemikalije

Kako alifatični amini pokreću učvršćivanje epoksida i gustinu premostljavanja

Mehanizam polimerizacije otvaranja epoksidnog prstena između amina i epoksida

Епоксидне смоле започињу процес везивања када алифатични амини учествују у такозваним нуклеофилним реакцијама отварања прстена. Када примарне аминогрупе NH2 дођу у контакт са епоксидним прстеновима, ефективно хватају те атоме угљеника који чекају да се нешто догоди. Ово распада целу оксиран структуру и стvara нове хемијске везе, што резултира секундарним хидроксилним групама, као и секундарним аминима. Шта се дешава затим је прилично занимљиво – ови новоформирани секундарни амини настављају да реагују са додатним епоксидним молекулима, стварајући терцијарне амине и још више хидроксилних група на својем путу. Ова ланчана реакција омогућава материјалу да расте корак по корак све док не постане чврст. Коначни резултат је комплексна тродимензионална мрежа у којој сваки појединачни амински водоник служи као тачка повезивања између различитих делова материјала. Са индустријског становишта, разумевање овог процеса има велики значај јер брзина и ефикасност реакције зависе у великој мери од фактора као што су контрола температуре и постизање правилних односа мешавине. Произвођачи морају пажљиво уравнотежити ове варијабле како би постигли оптимална својства својих готових производа.

Зашто алифатични амини омогућавају брзо отврђавање на ниским температурама са високом густином укрштања

Алифатични амини са ланчаним низом имају веома добру молекулску покретљивост, а атоми азота пунови електрона чине их изузетно реактивним. Пошто им не постоји много препрека на путу, ови једињени добро реагују са епоксидним групама чак и када температура опадне. Када се упореде са другим типовима као што су циклоалифатични или ароматични амини, верзије са ланчаним низом обично полимеризују брже, стварају гушће мреже између молекула и и даље се потпуно отврђују до око минус пет степени Celзијуса. Исследивање објављено у часопису Journal of Coatings Technology 2023. године показало је да ови материјали могу достићи гел стање око 80 одсто брже од својих циклоалифатичних аналога само при 15 степени. Такође, стварају укршне везе које су гушће за око 40 одсто у поређењу са системима отврђеним помоћу полиамида, према мерењима извршеним тестовима модула трансконзервације. Шта ово чини толико ефикасним? Узмимо на пример TETA – има пет активних водониковних центара доступних за везивање. Ова изобиљност доводи до знатно гушћих мрежних структура у готовом производу, повећавајући температуру стаклесте транзиције за 20 до 35 степени Целзијуса више него што би обичне епоксидне смоле нормално показале.

Однос структуре и својстава алифатичних амина за оптимизацију тврдоће

Примарна у односу на секундарну аминску функционалност и кинетика развоја тврдоће

Када је реч о аминима, примарни се истичу зато што имају два реактивна водоника на сваком атому азота. То значи да стварају много гушће мреже повезивања и убрзавају процес отврдњавања у поређењу са секундарним аминима, који имају само један доступан реактивни водоник. На пример, примарни алифатични амини могу достигнути око 90% своје коначне тврдоће само за 24 сата, када се чувају на собној температури (око 25°C), док секундарним аминима обично треба између 48 и 72 сата да достигну сличне нивое. Занимљиво је да ова бржа формација мреже заправо повећава температуру стаклесте транзиције (Tg) за отприлике 15–20°C у односу на системе засноване на секундарним аминима, што је константно показивала динамичка механичка анализа. С друге стране, секундарни амини реагују спорије, што помаже у контроли генерисања егзотермне топлоте и одржава нижи ниво унутрашњих напона током отврдњавања. Због тога су они мање склони стварању досадних микропукотина у дебљим деловима. Дакле, ако некоме треба нешто што брзо отврдњава, на пример за подове са интензивним саобраћајем, примарни амини имају смисла. Али за сложене форме где је управљање унутрашњим напонима најважније, секундарни амини су ипак паметнији избор, упркос њиховом споријем времену отврдњавања.

Upoređivanje DETA, TETA i IPDA: balansiranje fleksibilnosti, krutosti i tvrdoće

DETA и TETA припадају породици примарних алифатичних амина познатих по својствима брзог везивања и способности да производе чврсте површине, иако се разликују у односу на карактеристике флексибилности. DETA има линеарну молекулску структуру која јој даје отприлике Шор D 85 чврстоће са прилично добром флексибилношћу. TETA додаје још једну аминску групу у своју структуру, стварајући гушће унапредне везе које резултирају значајно чвршћим материјалом (опсег Шор D 88–90) као и бољом отпорношћу према хемикалијама. IPDA иде још даље као циклоалифатични секундарни амин, остварујући максималну чврстоћу на нивоу Шор D 92–94 са изузетном стабилношћу у воденим срединама, иако тражи око 30% дуже време за везивање у поређењу са DETA. Многи стручњаци који раде на пројектима морских преко покривача често преферирају TETA зато што остварује добар баланс између чврстоће и неопходне флексибилности. Када формулације помешају IPDA са DETA, добијају и неке интересантне синергије – време везивања се смањује за отприлике 20% у поређењу са применама чисте IPDA, а и даље задржавају више од 90% почетне чврстоће након QUV теста убрзаног старења услед временских прилика.

Alifatični amini-otvrdnjavani epoksi: Postizanje izuzetne otpornosti na hemikalije i vlagu

Gusto prepletena mreža kao barijera protiv prodora rastvarača, kiseline i alkali

Alifatični amini-otvrdnjavani epoksi imaju zaista impresivne gustine premostenja, često preko 0,5 mol/cm³ prema nedavnim istraživanjima iz časopisa Polymer Science Journal (2023). To stvara gusto molekularno uređenje koje deluje kao dobra zaštita od agresivnih hemikalija. Sa porama manjim od 2 nanometra, ovi materijali blokiraju kretanje rastvarača, kiselina i alkalija, što ih čini odličnim za premaze na industrijskim podovima gde je konstantna izloženost hemikalijama. Kada se testiraju prema standardima ASTM D1654, uzorci zadrže oko 95% svoje originalne čvrstoće lepljenja, čak i nakon mesec dana uranjanja u rastvore sa vrednostima pH od 3 do 12. To je prilično izuzetno u poređenju sa drugim opcijama poput poliamid-otvrdnjavanih epoksi smola, koje obično pokazuju oko 40% manju otpornost na koroziju u sličnim uslovima.

Hidrofobnost i hidrolitička stabilnost koje pruža hemija alifatičnog lanca

Дуги ланци алифатичних угљоводоника садрже мноштво неполарних метилен група (-CH2-), које природно одбијају воду. Ове површине обично имају контактни угао воде изнад 85 степени, због чега вода само формира капи уместо да се упије. Разлика између алифатичних амина и оних заснованих на естру је у отсуству веза које се могу распасти кад су изложени води. То значи да се не разграђују тако лако кад су мокри. Угљенично-угљенична структура остаје јака чак и након дужег боравка у влажним или мокрим условима, што спречава проблеме попут стварања мехурића или одвајања слојева. Тестови спроведени на бродовима и офшор платформама показали су да ови премази апсорбују само око 5% више тежине након годину дана у сланој води. То је заправо три пута боље него код премаза направљених од ароматичних амина који су изложени истим напорним условима на мору.

Примена у стварном свету: инфраструктура, морска и индустријска заштитна премазивања

Епоксиди отврђени алифатичним аминима користе се на разним местима у инфраструктури, морским условима и индустријским објектима због своје изузетне отпорности на тешке услове. На пример, код мостова и зграда, ови премази штите челик и бетон од временских прилика и корозије, чиме се продужује век трајања конструкција без потребе за сталним поправкама. На мору, на бродовима, објектима у отвореном мору и доковима, исти ти премази спречавају оштећења услед слане воде, добро подносе абразију и чак отпорно су према штетном дејству сунца, уколико су правилно запечаћени додатним слојем. Фабрике и погони такође рачунају на ове материјале да би заштитили цевоводе, резервоаре за складиштење и опрему од хемикалија и физичког хабања, чиме се осигурава непрекидан рад и већа сигурност радника. Оно што их заиста истиче је брзина отврђивања, изузетно чврста површина и константна перформанса годинама заједно у веома неповољним условима.

Često postavljana pitanja

Šta su alifatični amini i zašto su važni u očvršćavanju epoksi smola?

Alifatični amini su jedinjenja sa atomima azota koji imaju visoku reaktivnost, posebno u očvršćavanju epoksi smola. Oni omogućavaju brzo očvršćavanje pri niskim temperaturama i dovode do visoke gustine premostljavanja, što poboljšava izdržljivost i efikasnost epoksi smola.

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

Primarni amini imaju dva reaktivna vodonika i brže se otvrdnjavaju, brzo dostižući visoke nivoe tvrdoće, što je pogodno za brze primene. Sekundarni amini sporije očvršćavaju, pomažući u upravljanju toplotom i unutrašnjim naponima, zbog čega su pogodniji za složene oblike.

Koje prednosti imaju epoksi smole očvršćene alifatičnim aminima u odnosu na druge epoksije?

Epoksi smole očvršćene alifatičnim aminima nude superiornu otpornost na hemikalije i vlagu zahvaljujući gustim mrežama premostljavanja i hidrofobnim svojstvima. One bolje rade u ekstremnim sredinama, zbog čega su idealne za industrijske, morske i infrastrukturne primene.