Dalsze - MILAR

Technologie
Żywice epoksydowe
Historia epoksydów sięga lat 20. i 30. XX w.,
kiedy to w Stanach Zjednoczonych dwaj naukowcy – dr Pierre Castan
wraz z dr S.O. Greenlee, z powodzeniem przeprowadzili
pierwsze próby wytworzenia żywic epoksydowych.
MARZENA CWALINA
alsze prace nad ich odkryciem
licencjonowała szwajcarska
firma Ciba, której pracownikiem
był dr Castan., a która stała się
jednym z trzech wiodących producentów
epoksydów na świecie. Wyodrębniony
wydział epoksydów firmy Ciba został w
roku 1990 sprzedany amerykańskiemu
koncernowi Huntsman, stając się częścią
dywizji „Advanced Materials”. Obecnie
firma Huntsman należy do czołówki
światowych producentów epoksydów.
D
Czym jest żywica epoksydowa?
Z chemicznego punktu widzenia jest
to oligomeryczny związek zawierający
co najmniej dwie grupy epoksydowe
(zwane również grupami oksiranowymi),
który pod wpływem związków chemicznych (zwanych utwardzaczami) ulega
poliaddycji i sieciowaniu (utwardzaniu).
Epoksydy należą do grupy żywic syntetycznych, o bardzo dobrej przyczepności do praktycznie wszystkich grup
materiałów, które po utwardzeniu tworzą
nierozpuszczalne i nietopliwe struktury. W zależności od masy cząsteczkowej i struktury, żywica ta występuje w
postaci lepkiej cieczy lub ciała stałego,
rozpuszczalnego w ketonach lub węglowodorach alifatycznych. Jako utwardzacze żywic epoksydowych stosowane są:
aminy, kwasy karboksylowe, difenole oraz
bezwodniki, które dobierane są w zależności od rodzaju żywicy oraz warunków,
m.in. temperatury utwardzania.
Ze względu na swoje własności, żywice te znalazły zastosowanie w przemyśle
elektrotechnicznym (izolatory), elektronicznym, na rynku wysokowydajnych
30 l Composites Review
I-III 2013
Włókna
pokryte
żywicą.
laminatów przemysłowych i specjalnych
oraz do produkcji klejów.
Wybór odpowiedniej żywicy w procesie wytwarzania laminatów jest parametrem krytycznym. Prawidłowo dobrana żywica powinna spełniać założone
parametry wytrzymałościowe i zmęczeniowe, być odporna na działanie czynników zewnętrznych, doskonale pokrywać
włókna i być łatwą w przetwarzaniu. Z
drugiej strony powinna również spełniać
wymagania norm i wytycznych dotyczących środowiska oraz BHP, a jej cena
powinna być dostosowana do założonego poziomu.
Spośród wielu istniejących na rynku
rozwiązań najpopularniejszymi są żywice:
• poliestrowa;
• winyloesterowa;
• epoksydowa.
Tabela 1. Zalety i wady żywic.
Zalety
Żywica poliestrowa
Łatwa w przetwarzaniu, niska temperatura
oraz szybki czas utwardzania kontrolowany przez ilość
akceleratora/katalizatora
Podwyższona odporność na działanie wody żywic
izoftalowych
Niska cena
Wady
Wysoka zawartość styrenu, palność
Umiarkowane własności mechaniczne
Duży skurcz
Wysoka absorpcja wody, podatność na osmozę
Żywica winyloestrowa
Wyższe niż poliestrów własności mechaniczne, większa
twardość i sprężystość
Wyśmienita odporność chemiczna/korozyjna
Wyższa niż poliestrów odporność na działanie wody
Zmienny czas reakcji, krótki czas utwardzania
Żywica epoksydowa
Bardzo wysokie własności mechaniczne. Bardzo dobrze
przylega do włókien, nie jest wymagany nadmiar żywicy.
Utwardzona żywica wykazuje wybitną wytrzymałość
zmęczeniową i odporność na mikropęknięcia
Wysoka odporność na działanie temperatury oraz wody
Niski skurcz. Niższe naprężenia wewnętrzne,
dłuższe utwardzanie (duże elementy).
Brak substancji lotnych.
Wysoka zawartość styrenu (>30%)
Cena wyższa niż poliestrów
Duży skurcz
Wymagane dotwardzanie dla polepszenia własności
Trudna w klejeniu i naprawach
Wyższa cena
Utwardzanie oraz dotwardzanie (temp. ok 50°C)
Stosunek mieszania składników jest parametrem
krytycznym
Wymagane szkolenie pracowników
www.composites.com.pl
Technologie
Tabela 2. Porównanie typowych własności żywic
Wytrzymałość na rozciąganie (MPa)
Sztywność (GPa)
Wydłużenie po zerwaniu (%)
Wytrzymałość na zginanie (MPa)
Moduł sprężystości (GPa)
Zakres temperaturowy (°C)
Skurcz liniowy (%)
Udarność
(K1c [MPa. m-1/2]/G1c [Jm-2]
Współcz. rozszerzalności cieplnej (10-6* C-1)
Lepkość (mPas, 25°C)
Łatwość przetwarzania
Zapach
Odporność chemiczna
Odporność temperaturowa
Odporność na osmozę
ORTHO
ORTHO/DCPD
ISO
ISO/NPG
Winyloester
Epoksyd
35 – 65
3,5 – 4,0
do 3
80 – 110
3–4
55 – 85
do 9
35 – 65
3,0 – 4,0
do 2,5
80- 110
3–4
55 – 85
do 9
60 – 80
3,5 – 4,0
do 3,5
90 – 130
3,5 – 4
70 – 100
do 9
50 – 60
2,0 – 3,5
do 3,5
n.z.
n.z.
70 – 100
do 9
50 – 80
3,0 – 3,5
do 4 – 5
120 – 140
3,5 – 4
95 – 130
do 7
0,4 – 1,0 / 300
0,8 / 190
0,4 – 1,0 / ?
?/?
0,5 – 3,0 / 600
100 – 120
100 – 400+
(regulowana przez
zawartość styrenu)
+++
Silny (styren)
–
+
–
100 – 120
200 – 500+
(regulowana,
styren)
++
Silny
–
+
–
100 – 120
100 – 120
15 – 25
40 – 130
3,0 – 4,0
do 8
110 – 130
3,5 120+
do 2
0,7 – 3,0 /
160 – 1700+
45 – 65
++
Silny
–
+
–
++
Silny
+++
+
++
+
Słaby (aminy)
++
+++
+++
300 – 1500+
+++
Silny
–
+
–
Źródło: IFREMER, w oparciu o badania nad 500 dostępnych na rynku produktów
Każda z wyżej wymienionych żywic
ma zespół zalet, ale i również wad, które
niejednokrotnie ograniczają ich zastosowanie. Tabela nr 1 „w pigułce” pokazuje
cechy definiujące zakres ich stosowania.
Bazując na tych informacjach można
pokusić się o stwierdzenie, że żywice
poliestrowe stosowane są w najprostszych laminatach przemysłowych, którym nie są stawiane wysokie wymagania
wytrzymałościowe, żywice winyloestrowe tam, gdzie głównie wymagana jest
odporność na działanie wody, z kolei
epoksydy w wysokowydajnych strukturach kompozytowych.
Jedną z głównych zalet żywic epoksydowych są wysokie parametry mechaniczne (tabela 2), które pozwalają na ich
stosowanie wszędzie tam, gdzie laminatom stawia się wysokie wymagania
wytrzymałościowe, udarnościowe oraz
odporność korozyjną.
Wieloletnie doświadczenie w wytwarzaniu systemów epoksydowych firmy
Huntsman oraz nacisk położony na rozwój epoksydów, doprowadziły do stworzenia wielu kompozycji epoksydowych
dostosowanych do praktycznie każdego
z procesów wytwarzania kompozytów.
Oferta obejmuje żywice do laminowania ręcznego, infuzji, RTM, ale również
specjalne systemy do pultruzji, nawija-
www.composites.com.pl
nia czy wytwarzania preimpregnatów.
Stworzona przez nich marka Araldite jest
znana na całym świecie, w każdej z dziedzin przemysłu kompozytowego.
Pierwszą z dziedzin, w której wytwarzano elementy na matrycy epoksydowej
było lotnictwo. Już ponad 60 lat temu,
wiodący producenci samolotów, zwrócili
się do producenta żywic Araldite (wówczas Ciba, obecnie Huntsman) o pomoc
w doborze materiałów do produkcji
nowych struktur lotniczych. Obecnie
żywice marki Araldite wykorzystywane
są w większości elementów kompozytowych stosowanych w najnowszej generacji samolotów i przyczyniły się do rozpowszechnienia lżejszych i mocniejszych
kompozytów opartych na włóknach
węglowych. Nowe modele samolotów
wytwarzane są w ponad 50 proc. z kompozytów, z których produkuje się m.in.
klapy, osłony silników, owiewki, spojlery
czy łopatki wentylatorów. Według specjalistów każdy funt masy samolotu to
10 tys. dol. w kosztach paliwa rocznie,
dlatego też taką uwagę przykłada się do
zwiększania udziału lekkich i wytrzymałych kompozytów w ogólnej strukturze
samolotu.
Potencjał laminatów epoksydowych
sprawdzony uprzednio w branży lotniczej spowodował ich wdrożenie również
Potencjał
laminatów
epoksydowych
sprawdzony
uprzednio
w branży
lotniczej
spowodował
ich wdrożenie
również
w innych
gałęziach
przemysłu.
w innych gałęziach przemysłu. Kolejną z
branż, w której notujemy znaczny wzrost
udziału materiałów kompozytowych jest
motoryzacja. Początkowo epoksydy stosowane w wytwarzaniu superszybkich
samochodów wyścigowych obecnie
znalazły zastosowanie również w modelach samochodów użytkowych wytwarzanych masowo. Kompozytowe maski,
dachy czy felgi nie należą już do nowości. W dzisiejszych czasach kompozyty
używane są również przy wytwarzaniu
elementów konstrukcyjnych czy wałów
napędowych i resorów. Poprzez zastąpienie tradycyjnych materiałów kompozytami producenci mogą obniżyć wagę
pojazdu, co bezpośrednio przekłada się
na zmniejszenie spalania i lepszy stosunek mocy do masy, który zapewni
lepszą wydajność. W ostatnich latach
firma Huntsman uczestniczyła w wielu
przełomowych projektach z branży
motoryzacyjnej, czego przykładem może
być wybór nowego systemu Araldite
do wytwarzania pierwszego podwozia
z włókien węglowych w Lamborghini
Aventador LP700-4.
Na uwagę zasługuje również stale
rosnący udział epoksydów na rynku
energii odnawialnej. Wyższe oczekiwania
dotyczące produkcji energii z siły wiatru,
doprowadziły do wzrostu wielkości turbin wiatrowych, szczególnie w morskich
I-III 2013 Composites Review l 31
Technologie
farmach wiatrowych. Trend zwiększania rozmiaru turbiny stworzył potrzebę
większych łopat dla poszerzenia obszaru
zasięgu i zdolności do przechwytywania
większej ilości energii. Łopaty wirnika o
długości 50 metrów, zyskują coraz większy udział w rynku, a 60 metrowe łopaty
są coraz powszechniejsze. Zwiększona
długość morskich łopat turbin wiatrowych skłania producentów do korzystania z zaawansowanych materiałów kompozytowych oraz innowacyjnych metod
produkcji. Huntsman oferuje szeroką
gamę systemów żywic epoksydowych
zatwierdzonych przez Germanischer
Lloyd (GL), które spełniają rygorystyczne
32 l Composites Review
I-III 2013
Zastosowanie
żywic
epoksydowych
przy
wytwarzaniu
sprzętu
sportowego.
wymagania dotyczące wydajności przetwarzania i produkcji łopat.
Oprócz wyżej wymienionych segmentów rynku stały wzrost zapotrzebowania na żywice epoksydowe notowany
jest również w przemyśle sportowym i
rekreacyjnym, w budowie wysokiej klasy
jachtów, w wytwarzaniu sprzętu wojskowego oraz w produkcji wysokowydajnych kompozytów przemysłowych.
zaostrzone normy środowiskowe powodują, że coraz to większa liczba producentów decyduje się na produkcję z
zastosowaniem żywic epoksydowych.
Aktualne prognozy analityków rynku
epoksydów przewidują stały wzrost
ich udziału w produkcji laminatów.
Zwiększenie oczekiwań odbiorców, wyższe wymagania wytrzymałościowe czy
Żywice epoksydowe firmy Huntsman
dostępne są w ofercie firmy Milar Sp. z
o.o. W przypadku zainteresowania zapraszamy na stronę www.milar.pl oraz do

kontaktu ze specjalistami.
Stały rozwój epoksydów pozwala na
projektowanie i wytwarzanie struktur
kompozytowych, które do niedawna
wydawały się niemożliwe do wytworzenia.
www.composites.com.pl