Полиэфирные смолы: основное руководство для композитных применений

Примечание редактора: Этот контент был изначально опубликован на NetComposites.com. NetComposites была приобретена материнской компанией CompositesWorld, Gardner Business Media, в феврале 2020 года.

Полиэфирные смолы — самые широко используемые смольные системы, особенно в судостроительной промышленности. Огромное большинство шлюпок, яхт и рабочих судов, построенных из композитов, используют эту смольную систему.

Такие полиэфирные смолы являются типа «ненасыщенных». Ненасыщенная полиэфирная смола — это термореактивный полимер, способный отвердевать из жидкого или твердого состояния при соответствующих условиях. Обычно ненасыщенные полиэфирные смолы называют просто «полиэфирными смолами» или «полиэстерами». Существует целый спектр полиэстеров, изготовленных из разных кислот, гликолей и мономеров, все имеющие разные свойства.

Существует два основных типа полиэфирной смолы, используемых как стандартные ламинирующие системы в композитной промышленности. Ортофталевая полиэфирная смола — стандартная экономная смола, используемая многими людьми. Изофталевая полиэфирная смола становится предпочтительным материалом в таких отраслях, как судостроение, где желательна ее высокая водостойкость.

На рисунке ниже показана идеализированная химическая структура типичного полиэстера. Обратите внимание на позиции эфирных групп (CO–O–C) и реактивных центров (C*=C*) внутри молекулярной цепи.

Большинство полиэфирных смол — вязкие светлоцветные жидкости, состоящие из раствора полиэфира в мономере, который обычно является стиролом. Добавление стирола в количествах до 50% помогает сделать смолу легче обрабатываемой за счет снижения ее вязкости. Стирол также выполняет жизненно важную функцию, позволяя смоле отвердевать из жидкого в твердое за счет «перекрестного связывания» молекулярных цепей полиэфира без выделения каких-либо побочных продуктов. Эти смолы поэтому могут формоваться без применения давления и называются «контактными» или «низкодавленными» смолами. Полиэфирные смолы имеют ограниченный срок хранения, так как они сами застывают или «гелируются» за длительный период времени. Часто небольшие количества ингибитора добавляются при производстве смолы для замедления этого процесса геляции.

Для использования в формовке полиэфирная смола требует добавления нескольких вспомогательных продуктов. Эти продукты в общем:

• катализатор,
• акселератор, или
• добавки для тиксотропных свойств, пигмент, наполнитель или химическую/огнестойкость.

Производитель может поставлять смолу в базовой форме или с любыми из вышеуказанных добавок, уже включенными. Смолы могут быть сформулированы под требования формовщика, готовые просто к добавлению катализатора перед формовкой. Как упоминалось, данного достаточно времени, ненасыщенная полиэфирная смола застынет сама по себе. Эта скорость полимеризации слишком медленна для практических целей, поэтому катализаторы и акселераторы используются для достижения полимеризации смолы в практичный временной период. Катализаторы добавляются в смольную систему непосредственно перед использованием для инициации реакции полимеризации. Катализатор не участвует в химической реакции, а просто активирует процесс. Акселератор добавляется в катализированную смолу, чтобы позволить реакции идти при мастерской температуре и/или с большей скоростью. Поскольку акселераторы мало влияют на смолу в отсутствии катализатора, они иногда добавляются производителем полиэфира в смолу для создания «предварительно акселерированной» смолы.

Молекулярные цепи полиэфира можно представить следующим образом, где «B» указывает на реактивные центры в молекуле:

С добавлением стирола «S» и в присутствии катализатора стирол перекрестно связывает полимерные цепи в каждом из реактивных центров, образуя высоко сложную трехмерную сеть следующим образом:

Полиэфирная смола тогда считается «отвердевшей». Теперь это химически стойкое (и обычно) твердое твердое тело. Процесс перекрестного связывания или отверждения называется «полимеризацией». Это необратимая химическая реакция. «Бок-o-бок» природа этого перекрестного связывания молекулярных цепей склоняет к тому, что полиэфирные ламинаты страдают от хрупкости при ударных нагрузках.

Большая осторожность нужна при подготовке смольной смеси перед формовкой. Смола и любые добавки должны быть тщательно перемешаны для равномерного распределения всех компонентов перед добавлением катализатора. Это перемешивание должно быть тщательным и осторожным, так как любой воздух, введенный в смольную смесь, влияет на качество конечной формовки. Это особенно важно при ламинировании со слоями армирующих материалов, так как пузырьки воздуха могут образовываться внутри результирующего ламината, что ослабляет структуру. Также важно добавлять акселератор и катализатор в тщательно измеренных количествах для контроля реакции полимеризации для получения лучших материальных свойств. Слишком много катализатора вызовет слишком быстрое время геляции, тогда как слишком мало катализатора приведет к недоотверждению.

Окрашивание смольной смеси может выполняться пигментами. Выбор подходящего пигментного материала, даже если он добавляется примерно на 3% веса смолы, должен тщательно рассматриваться, так как легко повлиять на реакцию отверждения и деградировать конечный ламинат использованием неподходящих пигментов.

Наполнители используются широко с полиэфирными смолами по разным причинам, включая:

• для снижения стоимости формовки,
• для облегчения процесса формовки, или
• для придачи специфических свойств формовке.

Наполнители часто добавляются в количествах до 50% веса смолы, хотя такие уровни добавления влияют на изгибную и разрывную прочность ламината. Использование наполнителей может быть полезным при ламинировании или литье толстых компонентов, где иначе может возникнуть значительный экзотермический нагрев. Добавление определенных наполнителей также может способствовать повышению огнестойкости ламината.

Последние новости о полиэфирных/винилэфирных смолах см. на compositesworld.com/zones/poly-vinyl-esters.