Термореактивен полимер: дефиниция, втвърдяване, свойства и приложения

Термореактивната пластмаса, наричана още термореактивна, е полимерен материал, който се втвърдява необратимо. Втвърдяването може да се извърши чрез:
- топлина (обикновено над 200 °C (392 °F)) - химична реакция
(например двукомпонентна епоксидна смола
) - облъчване, например обработка с електронен лъч

Преди втвърдяване термореактивните материали обикновено са течни или податливи, така че могат да бъдат формовани в крайната си форма. Други се използват като лепила. Други са твърди материали. Някои твърди термореактивни полимери се използват като формовъчна смес в полупроводници и интегрални схеми (ИС). Веднъж втвърдена, термореактивната смола не може да бъде претоплена и разтопена обратно до течна форма.

Какво се случва при втвърдяване (кръстосване)

В основата на втвърдяването на термореактивните полимери стои процесът на образуване на химични връзки между веригите на полимера — т.нар. кръстосване (crosslinking). При достигане на определено ниво на кръстосване материалът преминава от податлива / лепкава матрица в твърда, тримерна мрежа. Този процес е необратим: след формиране на пространствената мрежа полимерът не може да бъде превърнат обратно в разтопима течност чрез нагряване.

Методи на втвърдяване и контрол

Термично — нагряване активира реакциите на втвърдяване или започва разпадането на инициатори (пероксиди). Температурите варират според системата; някои термореактивни смоли изискват високи температури (>200 °C), други се втвърдяват при по-ниски или при допълнителна постобработка (post-cure).
Химично — двукомпонентни системи (например епоксидни смоли с втвърдител) се активират при смесване; катализатори и ускорители променят скоростта на реакцията.
Лъчево — облъчване с електронни лъчи или UV-лампи стартира полимеризация/втвърдяване при специфични системи.
Контрол на втвърдяването — важни фактори са температура, време, присъствие на катализатори, съотношение на компонентите и дебелина/масивност на детайла (поради екзотермичен ефект).

Основни свойства

Висока твърдост и размерна стабилност — благодарение на кръстосаната структура.
Топлинна и химична устойчивост — подходящи за високи температури и агресивни среди в сравнение с много термопластици.
Електрическа изолация — чести приложения в електрониката и електротехниката.
Неразтопимост — не могат да се рециклират чрез претопяване; това налага специални подходи за рециклиране или повторна употреба.
Често по-крехки в сравнение с някои термопластици, освен ако не са подсилени (стъклени или карбонови влакна).

Типични видове термореактивни полимери

Епоксидни смоли (epoxy) — широко използвани като лепила, покрития и матрица за композити.
Фенолни смоли (Bakelite) — висока топлоустойчивост и негоримост; използвани в електрически изолатори и спирачни накладки.
Незаситени полиестери — често в стъкло-реинфорсирани пластмаси (GRP/FRP) за лодки, резервоари и корпуси.
Полиуретани (термореактивни варианти) — използват се за пяни, лепила и покрития.
Силиконови термореактивни смоли — гъвкавост при високи и ниски температури.
Меламин-формалдехидни, цианатни естери и др. — всеки тип има специфични предимства.

Обработване и формиране

Преди втвърдяване материалите могат да бъдат:

Капани или леени в калъпи (casting),
Налягани чрез компресионно (compression molding) или трансферно формоване (transfer molding),
Използвани в реакционно инжекционно формоване (reaction injection molding, RIM),
Импрегниране на влакна (prepreg), пултрузия, намотка (filament winding) за композити.

При по-големи части се следи екзотермичният ефект — бързото отделяне на топлина по време на втвърдяване може да доведе до локално прегряване или дефекти.

Приложения

Силно структурни композити за авиация и автомобилостроене.
Електроизолация, капсулиране и пълнене на компоненти в електрониката — например формоване и защита на полупроводници и интегрални схеми.
Лепила и покрития с добра химична и топлинна устойчивост.
Потребителски и индустриални изделия — уреди, части, спирачни накладки, корпуси и др.

Предимства и недостатъци

Предимства: висока здравина, термо- и химическа устойчивост, отлична размерна стабилност и електрична изолация.
Недостатъци: не могат да бъдат лесно рециклирани чрез топене, често по-крехки без подсилване, изискват контролирани условия на втвърдяване и понякога имат агресивни или опасни компоненти (формалдехид, изоцианати и др.).

Безопасност и екологични аспекти

При работа с термореактивни смоли е важно да се следват указанията за безопасност: използване на защитни ръкавици, очила, адекватна вентилация и контрол на емисиите (VOC). Някои втвърдители са силни алергени или токсични при продължителен контакт. При втвърдяване екзотермът може да причини изгаряния или да доведе до нежелани реакции, ако не се контролира.

Относно рециклирането — традиционните термореактивни полимери не подлежат на повторно топене. Възможности за управление на отпадъците включват механично смилане и използване като пълнител, пиролиза/газификация за енергийно възстановяване или напреднали методи за химично рециклиране. В научните изследвания се разработват нови видове „възстановими“ или адаптивни мрежи (вitrimers), които позволяват рециклиране при по-малки химически промени.

Кратки препоръки при избор

Изберете тип смола според изискванията за температура, механика и химическа устойчивост.
Оценете нуждата от подсилване (стъклени или карбонови влакна) за постигане на желаните механични свойства.
Планирайте процеса на втвърдяване (температурен профил, време, пост-обработка) за избягване на дефекти и за постигане на оптимални свойства.

Процес

В процеса на втвърдяване смолата се превръща в пластмаса или каучук чрез процес на омрежване. Добавя се енергия и/или катализатори, които предизвикват реакция на молекулните вериги в химически активни места (например ненаситени или епоксидни места), като се свързват в твърда триизмерна структура. При омрежването се образува молекула с по-голямо молекулно тегло, в резултат на което се получава материал с по-висока температура на топене. По време на реакцията молекулното тегло на полимера се увеличава до такава степен, че температурата му на топене е по-висока от температурата на околната среда. Така материалът се превръща в твърд материал.

Неконтролираното прегряване на материала води до достигане на температурата на разлагане преди достигане на точката на топене. Така че термореактивният материал не може да бъде разтопен и оформен отново след втвърдяването му. Това означава, че термореактивните материали не могат да се рециклират, освен като материал за пълнеж.

Свойства

Термореактивните материали обикновено са по-здрави от термопластичните, което се дължи на тази триизмерна мрежа от връзки (омрежване). Термореактивните материали също така са по-подходящи за високотемпературни приложения до температурата на разпадане. Те обаче са по-крехки. Много термореактивни полимери са трудни за рециклиране.

Свързани страници

Вулканизация
Епоксидно покритие, залепено чрез сливане
Термопластичен

Въпроси и отговори

В: Какво представлява термореактивният полимер?

О: Термореактивният полимер е полимерен материал, който се втвърдява необратимо.

В: Как може да се извърши втвърдяването на термореактивен материал?

О: Втвърдяването на термореактивен полимер може да се извърши чрез топлина (обикновено над 200°C), химическа реакция (например двукомпонентна епоксидна смола) или облъчване, като например обработка с електронен лъч.

В: Могат ли термореактивните материали да бъдат формовани в крайната им форма?

О: Да, термореактивните материали обикновено са течни или податливи преди втвърдяване, така че могат да бъдат формовани в крайната си форма.

В: Всички термореактивни полимери ли са твърди?

О: Не, някои термореактивни полимери се използват като лепила, а други са твърди.

В: Къде се използват твърди термореактивни полимери?

О: Някои твърди термореактивни полимери се използват като формовъчни смеси в полупроводници и интегрални схеми (ИС).

Въпрос: Може ли втвърдена термореактивна смола да се нагрее отново и да се разтопи до течна форма?

О: Не, веднъж втвърдена, термореактивната смола не може да бъде претоплена и разтопена обратно до течна форма.

В: Какво е другото наименование на термореактивния полимер?

О: Друго наименование на термореактивния полимер е термореактивен.