Работа с эпоксидными смолами. С чего начать

Работа с эпоксидными смолами. С чего начать.
Нижеследующий материал основан на опыте наших клиентов и не является официальной инструкцией по использованию. Советы носят рекомендательный характер. За последствия следования этим советам наша компания ответственности не несет.

Краткая версия этого документа, содержащая только инструкцию по работе с эпоксидными смолами в наиболее распространенной области их применения без обзора различных марок эпоксидных смол, отвердителей и пластификаторов, находится здесь: «Краткая инструкция по работе с эпоксидными смолами».
Фотографии – иллюстрации к некоторым вопросам размещены в фотогалерее.

Этот материал подготовлен в связи с тем, что по нашему опыту подготовленные ранее документы «Часто задаваемые вопросы» и «Немного теории» слишком сложны для тех, кто никогда не сталкивался с эпоксидными смолами ранее. Здесь мы по возможности кратко и доступно поможем Вам сориентироваться в нашем ассортименте и дадим информацию, необходимую для того, чтобы выполнять наиболее типичные работы с эпоксидными смолами.

Наиболее часто эпоксидные смолы применяются в качестве (1) эпоксидного клея, (2) пропиточного материала вместе со стеклотканью для изготовления и ремонта различных корпусов (лодки, элементы кузова автомобиля и др.) или выполнения гидроизоляции помещений (пол и стены подвальных помещений, бассейны), а также как (3) самый доступный способ в домашних условиях изготовить изделие из стеклопластика, как сразу готовое после отливки в форму, так и с возможностью последующей обработки резанием и шлифовки.

Использование эпоксидной смолы в качестве эпоксидного клея (1) наиболее простое, большинству оно хорошо знакомо по выпускаемым в нашей стране еще со времен СССР коробкам с эпоксидным клеем ЭДП, состоящим из эпоксидной смолы ЭД-20 производства завода им. Я.М.Свердлова (г. Дзержинск) и отвердителя ПЭПА (см. «Часто задаваемые вопросы», вопрос 2). Смешение смолы с отвердителем в этом случае как правило выполняется в крайне небольших объемах (несколько граммов), поэтому перемешивание производится при комнатной температуре и не вызывает затруднений, а точность пропорции отвердитель / смола не столь важна (стандартная пропорция – 1:10, допустима приличная передозировка отвердителя, вплоть до 1:5).

Совсем другое дело, когда необходимо приготовить для работы большой объем смолы с отвердителем, хотя бы несколько килограммов. Эта операция сильно отличается от приготовления нескольких граммов эпоксидного клея, что часто вызывает недоумение у наших клиентов, которые неоднократно пользовались эпоксидным клеем в бытовых целях, но при работе с достаточно большим объемом смолы столкнулись с трудностями. Еще более сложным делом является изготовление достаточно массивного изделия из смолы (т.е. фактически изготовление стеклопластика), которое должно быть, например, достаточно прозрачным, чистым, не содержать пузырей воздуха, равномерно отвердеть в толще и по поверхности. Этот вопрос мы рассмотрим в конце.
Итак, для начала рассмотрим использование эпоксидной смолы в качестве пропиточного материала или герметика (2). Сначала кратко пробежимся по ассортименту товара, который предлагает наша фирма. Для рассматриваемых целей подойдет практически любая смола ЭД-20 или ЭД-22 или их импортные аналоги. Что выбрать?
ЭД-20 – наиболее часто используемая эпоксидная смола (на ее долю приходится не менее 90% всех наших продаж), ЭД-22 отличается на 2% бОльшим содержанием эпоксидных групп (т.е. 22% против 20%), более «короткой» молекулой полимера (см. «Немного теории»), соответственно более низкой вязкостью, как правило, для отечественных смол более высоким качеством и ценой. (В настоящий момент никто из отечественных производителей не выпускает качественную смолу ЭД-22 высшего сорта, соответствующую ГОСТу.) Для использования в качестве пропитки обычно удобнее использовать более жидкую смолу (кроме случаев, когда возможно стекание со стен), но, строго говоря, результат из более жидкой смолы получится менее прочным («короче» молекула полимера) и менее термостойким. Так например, для ремонта корпусов морских катеров или при строительстве мостов и путепроводов для получения максимальной прочности и адгезии используют смолу ЭД-16 (см. «Часто задаваемые вопросы», вопрос 3). Но реально на практике большой разницы в прочности изделия из смолы ЭД-20 и ЭД-22 нет, бОльшее значение имеет технология. Необходимо также заметить, что несмотря на то, что при одной и той же температуре смола ЭД-22 имеет более низкую вязкость, чем ЭД-20, значительно бОльшую разницу в вязкости можно получить изменением температуры смолы.
Мы можем предложить смолу ЭД-20 производства завода им. Я.М.Свердлова (г. Дзержинск), т.е. ту же, которая входит в состав клея ЭДП. Это достаточно качественный продукт, его применение хорошо известно. К недостаткам можно отнести плохую цветность (эта смола имеет заметный цвет от желтого до желто-коричневого, тогда как импортные смолы практически прозрачные), по сравнению с импортными смолами неравномерность свойств, наличие посторонних включений (попросту говоря, соринок), высокое по сравнению с импортными смолами содержание хлор-иона и омыляемого хлора (т.е. токсичность).
Все импортные смолы являются высокопрозрачными (в слое до 5 см, а иногда и до 10-15 см желтизна практически неразличима) и высокочистыми (содержание хлор-иона и омыляемого хлора на 1-2 порядка ниже, чем в отечественных). По цене импортные смолы не дороже отечественных, часто даже дешевле. Назовем три основных недостатка импортных смол: недопустимость использования импортных материалов в большом количестве производств, опирающихся на ГОСТы и ТУ (1); недостаточная проработанность технологий, учитывающих пусть и незначительные, но все же существующие отличия каждой марки импортной смолы от ЭД-20 (2); кристаллизация при хранении (см. «Часто задаваемые вопросы», вопросы 8 и 14) (3).
Наибольшее число наших продаж по импортным смолам приходится на смолу D.E.R. 330 – аналог смолы ЭД-22, производства «Dow Chemical Comp.» (Германия). Также хорошо себя зарекомендовали сравнительно недавно появившиеся на нашем рынке смолы 128 (аналог ЭД-20, наиболее прозрачная и наиболее вязкая из всего нашего ассортимента аналогов ЭД-20, ЭД-22) и 127 (аналог ЭД-22) производства «NanYa Plastics Corp.» (Тайвань), а также смола Epoxy 520 производства «Spolchemie» (Чехия). Последняя является на наш взгляд наиболее полным высококачественным аналогом ЭД-20 для рассматриваемых здесь видов работ.
Заметим, что некоторые наши клиенты, в свое время с большой неохотой перешедшие с отечественной смолы ЭД-20 на ее импортные аналоги (в связи с закрытием производства смолы на «Уфахимпром» некоторое время имел место большой дефицит отечественной продукции), сейчас ни в коем случае не хотят возвращаться к ЭД-20.
Наш ассортимент включает в себя два отвердителя – ПЭПА (полиэтиленполиамин) и ТЭТА (триэтилентетрамин). Оба этих отвердителя могут применяться со всеми рассмотренными выше смолами. Не вдаваясь в технические подробности, укажем основные различия в их свойствах и применении.
Полиэтиленполиамин (ПЭПА) (этот отвердитель входит в состав клея ЭДП) мы рекомендуем использовать в подавляющем большинстве случаев, т.к. с ним работать значительно проще, он хорошо работает при комнатных температурах, а также «прощает» мелкие отклонения от технологии. Существует две существенные причины, когда использование ПЭПА нежелательно или невозможно. ПЭПА представляет собой вязкую темно-коричневую жидкость. Соответственно если необходима прозрачность изделия, применеие ПЭПА невозможно (1). Согласно ТУ, по которому изготавливается ПЭПА, 65-75% продукта составляет т.н. «кубовый остаток», т.е. неконтролируемые примеси, а на долю собственно отвердителя остается только 25-35%. Кубовый остаток не участвует в реакции смолы с отвердителем и остается в изделии. Поэтому мы не рекомендуем использовать ПЭПА в случае, если готовое изделие предназначается для бытового использования, хранения чистой воды (бассейн), контактирования с пищей и пр. (2). Иногда поверхность изделия, отвержденного ПЭПА, кажется жирной на ощупь – следствие присутствия жирных кислот в кубовом остатке.
Триэтилентетрамин (ТЭТА) – импортный продукт (на сегодня производства «Dow Chemical Comp.»), представляет собой прозрачную низковязкую жидкость, достаточно едкую и с резким запахом. Согласно сертификатам анализа, массовая доля собственно ТЭТА в продукте составляет не менее 96%. Триэтилентетрамин имеет в своем составе меньшее число третичных аминогрупп, чем полиэтиленполиамин, поэтому его отверждающая способность ниже, особенно при комнатных температурах (см. «Немного теории»). При использовании ТЭТА очень важно точно соблюдать технологию, это не всегда хорошо получается у тех, кто не имеет большого опыта работы с эпоксидными смолами. Доотверждение как правило происходит только при повышенных температурах, при комнатной температуре поверхность изделия часто остается липкой. Но в случае успешного отверждения с использованием ТЭТА, изделие будет обладать бОльшей механической прочностью, однородностью свойств, прозрачностью и химической чистотой, чем при использовании ПЭПА.
Если необходимо, чтобы отвержденное изделие не было ломким и хрупким как стекло, в смолу необходимо добавлять пластификатор. Пластификатор также обязательно нужно использовать при изготовлении достаточно большого изделия, поскольку в противном случае возможно появление трещин еще на стадии затвердевания. Мы предлагаем два пластификатора – дибутилфталат (ДБФ) и эпоксидная алифатическая смола ДЭГ-1. Оба этих пластификатора могут применяться со всеми рассмотренными выше смолами и отвердителями.
Дибутилфталат является универсальным пластификатором, спектр его применения достаточно широк, пластификация эпоксидных смол – одно из направлений. ДБФ достаточно плохо вступает в реакцию со смолой, для достижения результата смолу с ДБФ необходимо «варить», т.е. медленно нагревая до 50-60°С, интенсивно перемешивать в течение 2-3 часов. ДБФ дает крайне небольшой пластический эффект, его обычно бывает достаточно для предотвращения растрескивания изделий в процессе затвердевания или на морозе. Существует мнение, что со временем ДБФ испаряется из уже готового изделия, и пластичность пропадает. Максимальная дозировка ДБФ – 10%.
Смола ДЭГ-1 – пластификатор и активный разбавитель, специально разработан для пластифицирования эпоксидных смол. Он прекрасно смешивается со смолой, допустимы различные пропорции (от 1 до 20% и более; обычно 5-10%) и может давать очень мощный пластический эффект (при большой доле ДЭГ-1 отвержденная смола будет напоминать битум; ДЭГ-1, являясь эпоксидной смолой, может быть отвержден и в чистом виде). Смола в смеси с пластификатором может храниться сколь угодно долго, такая смола называется модифицированной. Используя пластификатор следует помнить, что при увеличении пластичности снижается механическая прочность изделия (отвержденный в чистом виде ДЭГ-1 можно раскрошить руками). К недостаткам ДЭГ-1 следует отнести коричневый цвет (ДБФ – прозрачная жирная жидкость), что не позволяет использовать его для изготовления прозрачных изделий.
Итак, мы подошли непосредственно к технологии работы со смолой.
Реакция смолы с отвердителем необратима, настоятельно рекомендуем сначала потренироваться на небольших пробных образцах.
Для успешного перемешивания смолы с пластификатором и отвердителем, смолу желательно нагреть до температуры выше комнатной, чтобы она стала менее вязкой. Для смолы, которая может кристаллизоваться при хранении, необходимо убедиться, что она прозрачная, не мутная, в противном случае нагреванием до 40-50°С и интенсивным перемешиванием вернуть ее в прозрачное состояние (см. «Часто задаваемые вопросы», вопрос. 8). Для нагревания смолы удобно использовать «водяную баню» – опустить емкость со смолой в воду температурой 50-60°С и помешивать для равномерного нагревания. Внимание! Избегайте попадания воды в смолу. Избегайте нагрева смолы до температуры выше 60°С. В случае перегрева возможно «закипание» смолы, смола станет матово-белой и покроется пеной – такая смола непригодна к использованию.
Сначала в смолу добавляют пластификатор, смолу с ДБФ необходимо «варить» (см. выше), при использовании ДЭГ-1 – просто тщательно перемешать. Для перемешивания удобно использовать строительный миксер-насадку на дрель. Соотношение смола / пластификатор может быть различным в зависимости от требуемого пластического эффекта, но обычно добавляется 5-10% пластификатора (см. «Часто задаваемые вопросы», вопросы 1 и 5).
После смешения смолы с пластификатором в нее добавляют отвердитель. Иногда имеет смысл немного охладить смолу (до 30°С), чтобы уменьшить риск «закипания» смолы. Стандартное соотношение отвердитель / смола – 1:10. В некоторых специфических технологических процессах оно может сильно отличаться от общепринятого – быть от 1:5 до 1:20, но в подавляющем большинстве случаев используется соотношение, близкое к стандартному.
Отвердитель необходимо лить в смолу, очень медленно, постоянно перемешивая. Сильная передозировка отвердителя даже временно в части емкости может привести к «закипанию» смолы (смола станет матово-белой и покроется пеной), в этом случае вся смола будет испорчена. Необходимо иметь в виду, что процесс смешивания смолы с отвердителем экзотермический (выделяется тепло), смола будет нагреваться. Иногда в процессе добавления отвердителя или сразу по окончании смешивания возникает лавинообразный процесс – смола очень быстро сильно нагревается и практически моментально «встает» (затвердевает). Точная причина этого нам неизвестна, думаем, что это связано с передозировкой отвердителя и слишком высокой исходной температурой смолы.
Жизнеспособность смеси смолы с отвердителем обычно 30 минут – 1 час (это сильно зависит от температуры смолы, типа отвердителя и его количества; можно добиться и бОльшего времени). По окончании работ изделие рекомендуется сначала отверждать при температуре, немного превышающей комнатную. В течение 2-3 часов происходит т.н. отверждение «до отлипания» (первичная полимеризация), после чего изделие можно сильно нагреть, D.E.R. 330 – до 70°С (по другим смолам нет точной информации, возможно, немного меньше), что позволит закончить процесс отверждения за 5-6 часов. При комнатной же температуре полная полимеризация может продлиться несколько суток (до 7 дней, согласно литературе), а при использовании ТЭТА поверхность может так и остаться липкой (см. «Часто задаваемые вопросы», вопросы 6 и 13).
Заметим, что несколько граммов клея ЭДП прекрасно смешиваются и отверждаются при комнатной температуре, но когда в работе используется большое количество смолы, технология должна быть другая. В случае полной невозможности нагревать изделие во время отверждения, лучше всего использовать отечественную смолу ЭД-20 и отвердитель ПЭПА. Но даже в этом случае полимеризация должна проходить при температуре не менее 20°С, в противном случае процесс может затянуться на неопределенное время.
В рассмотренных выше работах со смолой (пропитка стеклоткани, проклейка, гидроизоляция и т.п.) слой смолы обычно не превышает 1-2 мм. Если необходима бОльшая толщина, то материал обычно накладывают слоями, дожидаясь первичной полимеризации предыдущего слоя перед нанесением следующего. Процесс несколько усложняется, если необходимо изготовить объемное изделие из смолы (стеклопластик) (3). Смолу можно отливать в форму, для обеспечения возможности отделения готового изделия от формы форма смазывается жиром (например, техническим вазелином). Добавляя в смолу порошковый краситель, можно придать изделию любой цвет. Отлитое из смолы изделие можно в дальнейшем подвергать механической обработке резанием и шлифовке.
Для отливки объемного изделия отечественная смола малопригодна, т.к. из-за неравномерности свойств изделие может неравномерно отвердиться в толще. Наиболее подходящим материалом для отливки объемного изделия может быть смола D.E.R. 330 и отвердитель ТЭТА (скорее всего, любая высококачественная импортная смола и ТЭТА). Первичная полимеризация («до отлипания») обычно происходит при температуре до 30°С в течение 3 часов, после чего изделие (еще в форме) ставят в печь при температуре около 70°С еще на несколько часов до окончательного отверждения (см. «Часто задаваемые вопросы», вопрос 13). Еще одной проблемой может стать присутствие пузырьков воздуха в смоле. Частично от них можно избавиться нагреванием и перемешиванием смолы, для гарантированного достижения результата рекомендуется использовать вакуумный формовщик.