Εποξική ρητίνη

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Μετάβαση στην πλοήγηση Πήδηση στην αναζήτηση
Μια σύριγγα εποξικής κόλλας «5 λεπτών», που περιέχει ξεχωριστά διαμερίσματα για την εποξική ρητίνη και το σκληρυντικό.
Δομή της ομάδας εποξειδίου, μια δραστική λειτουργική ομάδα που υπάρχει σε όλες τις εποξικές ρητίνες

Οι εποξικές ρητίνες, επίσης γνωστές ως πολυεποξείδια, είναι μια κατηγορία αντιδρώντων προπολυμερών και πολυμερών που περιέχουν ομάδες εποξειδίου.[1] Το όνομα IUPAC για μια ομάδα εποξειδίου είναι οξιράνιο.

Οι εποξικές ρητίνες μπορούν να αντιδράσουν (διασταυρωμένα) είτε με τον εαυτό τους μέσω καταλυτικού ομοπολυμερισμού είτε με ένα ευρύ φάσμα συν-αντιδρόντων συμπεριλαμβανομένων πολυλειτουργικών αμινών, οξέων (και ανυδρίτες οξέων), φαινολών, αλκοολών και θειολών (συνήθως ονομάζονται μερκαπτάνες). Αυτά τα συν-αντιδρώντα συχνά αναφέρονται ως σκληρυντικά και η αντίδραση διασύνδεσης αναφέρεται συνήθως ως σκλήρυνση.

Η αντίδραση των πολυεποξειδίων με τον εαυτό τους ή με πολυλειτουργικά σκληρυντικά σχηματίζει ένα θερμοσκληραινόμενο πολυμερές, συχνά με ευνοϊκές μηχανικές ιδιότητες και υψηλή θερμική και χημική αντοχή. Οι εποξικές ρητίνες έχουν ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως επικαλύψεις μετάλλων, σύνθετα υλικά,[2] χρήση σε ηλεκτρονικά, ηλεκτρικά εξαρτήματα, LED, ηλεκτρικούς μονωτές υψηλής τάσης, κατασκευή πινέλων, πλαστικά υλικά ενισχυμένα με ίνες και κόλλες για δομικούς[3] και άλλους σκοπούς.[4][5]

Οι κίνδυνοι για την υγεία που συνδέονται με την έκθεση σε ενώσεις εποξικής ρητίνης περιλαμβάνουν δερματίτιδα εξ επαφής και αλλεργικές αντιδράσεις, καθώς και αναπνευστικά προβλήματα από την αναπνοή των ατμών και τη σκόνη λείανσης, ειδικά όταν δεν έχουν θεραπευθεί πλήρως.[6][7][8]

Ιστορία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η συμπύκνωση εποξειδίων και αμινών αναφέρθηκε για πρώτη φορά και κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από τον Πάουλ Σλακ στη Γερμανία το 1934.[9] Οι ισχυρισμοί για ανακάλυψη εποξικών ρητινών με βάση τη δισφαινόλη-Α περιλαμβάνουν τον Πιερ Καστάν[10] το 1943. Το έργο του Καστάν έλαβε άδεια από την Ciba, Ltd. της Ελβετίας, η οποία έγινε ένας από τους τρεις μεγαλύτερους παραγωγούς εποξικών ρητινών παγκοσμίως. Η επιχείρηση εποξικών προϊόντων της Ciba διασπάστηκε ως Vantico στα τέλη της δεκαετίας του 1990, η οποία πουλήθηκε στη συνέχεια το 2003 και έγινε η επιχειρηματική μονάδα Advanced Materials της αμερικανικής Huntsman Corporation. Το 1946, ο Σίλβαν Γκρίνλι, εργαζόμενος για την Devoe & Raynolds Company, κατοχύρωση με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας ρητίνη που προέρχεται από δισφαινόλη-Α και επιχλωροϋδρίνη.[11] Η Devoe & Η Raynolds, η οποία ήταν ενεργή στις πρώτες μέρες της βιομηχανίας εποξειδικών ρητινών, πουλήθηκε στη Shell Chemical. Το τμήμα που εμπλέκεται σε αυτό το έργο τελικά πουλήθηκε και μέσω μιας σειράς άλλων εταιρικών συναλλαγών αποτελεί πλέον μέρος της Hexion Inc.[12]

Εφαρμογές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι εφαρμογές για υλικά με βάση εποξικές ουσίες είναι εκτενείς και θεωρούνται πολύ ευέλικτα.[13] Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν επιστρώσεις, κόλλες[14][15] και σύνθετα υλικά όπως αυτά που χρησιμοποιούν ενίσχυση με ίνες άνθρακα και υαλοβάμβακα (αν και πολυεστέρες, βινυλεστέρες και άλλες θερμοσκληραινόμενες ρητίνες χρησιμοποιούνται επίσης για πλαστικό ενισχυμένο με γυαλί). Η χημεία των εποξικών ρητινών και το εύρος των εμπορικά διαθέσιμων παραλλαγών επιτρέπει την παραγωγή πολυμερών ωρίμανσης με ένα πολύ ευρύ φάσμα ιδιοτήτων. Έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς με συστήματα σκυροδέματος και τσιμέντου.[16] Σε γενικές γραμμές, τα εποξικά είναι γνωστά για την εξαιρετική πρόσφυση, την χημική και θερμική αντοχή τους, τις καλές έως εξαιρετικές μηχανικές τους ιδιότητες και τις πολύ καλές ηλεκτρικές μονωτικές τους ιδιότητες. Πολλές ιδιότητες των εποξικών ουσιών μπορούν να τροποποιηθούν (για παράδειγμα, είναι διαθέσιμα εποξικά υλικά με πλήρωση αργύρου με καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, αν και τα εποξικά είναι συνήθως ηλεκτρικά μονωτικά). Διατίθενται παραλλαγές που προσφέρουν υψηλή θερμομόνωση ή θερμική αγωγιμότητα σε συνδυασμό με υψηλή ηλεκτρική αντίσταση για ηλεκτρονικές εφαρμογές.[17]

Όλες οι ποσότητες του μείγματος παράγουν τη δική τους θερμότητα επειδή η αντίδραση είναι εξώθερμη. Μεγάλες ποσότητες παράγουν περισσότερη θερμότητα και έτσι θα αυξήσουν σημαντικά τον ρυθμό της αντίδρασης και έτσι θα μειώσουν το χρόνο εργασίας (διάρκεια ζωής στο δοχείο). Επομένως, είναι καλή πρακτική η ανάμειξη μικρότερων ποσοτήτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν γρήγορα για να αποφευχθεί η σπατάλη και να είναι πιο ασφαλές. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι σκλήρυνσης.[18]

Οι εποξικές κόλλες αποτελούν σημαντικό μέρος της κατηγορίας συγκολλητικών που ονομάζονται «δομικές κόλλες» ή «τεχνικές κόλλες» (που περιλαμβάνει τις πολυουρεθάνη, ακρυλικές, κυανοακρυλικές και άλλες χημικές ουσίες.) Αυτές οι κόλλες υψηλής απόδοσης χρησιμοποιούνται στην κατασκευή αεροσκαφών, αυτοκινήτων, ποδηλάτων, σκαφών, μπαστουνιών γκολφ, σκι, χιονοσανίδων και αλλού όπου απαιτούνται δεσμοί υψηλής αντοχής. Οι εποξικές κόλλες μπορούν να αναπτυχθούν για να ταιριάζουν σχεδόν σε κάθε εφαρμογή. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κόλλες για ξύλο, μέταλλο, γυαλί, πέτρα και ορισμένα πλαστικά. Μπορούν να γίνουν εύκαμπτες ή άκαμπτες, διαφανείς ή αδιαφανείς/χρωματισμένες με γρήγορη σκλήρυνση ή αργή. Οι εποξικές κόλλες έχουν καλύτερη θερμική και χημική αντοχή από άλλες κοινές κόλλες. Γενικά, οι εποξειδικές κόλλες που σκληρύνονται με θερμότητα θα είναι πιο ανθεκτικές στη θερμότητα και τις χημικές ουσίες από αυτές που σκληρύνονται σε θερμοκρασία δωματίου. Η αντοχή των εποξικών κόλλων υποβαθμίζεται σε θερμοκρασίες άνω των 350 °F (177 °C) °C.[19]

Η εποξική ρητίνη, αναμεμειγμένη με χρωστική ουσία, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέσο βαφής, ρίχνοντας στρώματα το ένα πάνω στο άλλο για να σχηματιστεί μια πλήρης εικόνα.[20] Χρησιμοποιείται επίσης σε κοσμήματα, ως ρητίνη θόλου για διακοσμήσεις και ετικέτες, και σε εφαρμογές τύπου decoupage για έργα τέχνης, πάγκους και τραπέζια. Έχει χρησιμοποιηθεί και μελετηθεί για τη διατήρηση της τέχνης και της ιστορικής δομής.[21][22][23]

Παραγωγή[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η παγκόσμια αγορά εποξικής ρητίνης αποτιμήθηκε σε περίπου 9,1 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2021 και προβλέπεται να αποφέρει έσοδα περίπου 14,7 δισεκατομμυρίων δολαρίων μέχρι το 2028, πρόκειται να καταγράψει CAGR σχεδόν 6,8% κατά την περίοδο από το 2022 έως το 2028.[24] Στην αγορά της εποξικής ρητίνης κυριαρχεί η περιοχή Ασίας-Ειρηνικού, η οποία συνεισφέρει το 55,2% του συνολικού μεριδίου αγοράς. Η Κίνα είναι ο μεγαλύτερος παραγωγός και καταναλωτής παγκοσμίως, καταναλώνοντας σχεδόν το 35% της παγκόσμιας παραγωγής ρητίνης. Η παγκόσμια αγορά αποτελείται από περίπου 50–100 κατασκευαστές εποξικών ρητινών και σκληρυντικών. Στην Ευρώπη, περίπου 323.000 τόνοι εποξικής ρητίνης κατασκευάστηκαν το 2017, δημιουργώντας περίπου 1.055 εκατομμύρια ευρώ σε πωλήσεις. Η Γερμανία[25] είναι η μεγαλύτερη αγορά εποξικών ρητινών στην Ευρώπη, ακολουθούμενη από την Ιταλία, τη Γαλλία, το Ηνωμένο Βασίλειο, την Ισπανία, την Ολλανδία και την Αυστρία.

Αυτοί οι κατασκευαστές εποξικών προϊόντων που αναφέρονται παραπάνω συνήθως δεν πωλούν εποξικές ρητίνες σε μορφή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μικρότερους τελικούς χρήστες, επομένως υπάρχει μια άλλη ομάδα εταιρειών που αγοράζει εποξικές πρώτες ύλες από τους μεγάλους παραγωγούς και στη συνέχεια συνθέτει (αναμιγνύει, τροποποιεί ή προσαρμόζει με άλλο τρόπο) εποξικά συστήματα από αυτές τις πρώτες ύλες. Αυτές οι εταιρείες είναι γνωστές ως «διαμορφωτές». Η πλειοψηφία των εποξικών συστημάτων που πωλούνται παράγονται από αυτούς τους παρασκευαστές και αποτελούν πάνω από το 60% της αξίας σε δολάρια της αγοράς εποξικών προϊόντων. Υπάρχουν εκατοντάδες τρόποι με τους οποίους αυτοί οι παρασκευαστές μπορούν να τροποποιήσουν τις εποξικές ουσίες—με την προσθήκη ορυκτών πληρωτικών (ταλκ, πυριτίου, αλουμίνας, κ.λπ.), προσθέτοντας ελαστικοποιητές, μειωτές ιξώδους, χρωστικές, πυκνωτικά, επιταχυντές, ενισχυτές πρόσφυσης κ.λπ. Αυτές οι τροποποιήσεις γίνονται για τη μείωση του κόστους, τη βελτίωση της απόδοσης και τη βελτίωση της ευκολίας επεξεργασίας. Ως αποτέλεσμα, ένας τυπικός παρασκευαστής πουλάει δεκάδες ή και χιλιάδες σκευάσματα — το καθένα προσαρμοσμένο στις απαιτήσεις μιας συγκεκριμένης εφαρμογής ή αγοράς.

Κίνδυνοι υγείας[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι υγρές εποξικές ρητίνες στην ακατέργαστη κατάστασή τους ταξινομούνται ως επί το πλείστον ως ερεθιστικές για τα μάτια και το δέρμα, καθώς και ως τοξικές για τους υδρόβιους οργανισμούς.[26] Οι στερεές εποξειδικές ρητίνες είναι γενικά πιο ασφαλείς από τις υγρές εποξειδικές ρητίνες και πολλές είναι ταξινομημένες ως μη επικίνδυνα υλικά. Ένας ιδιαίτερος κίνδυνος που σχετίζεται με τις εποξικές ρητίνες είναι η ευαισθητοποίηση. Ο κίνδυνος έχει αποδειχθεί πιο έντονος στις εποξικές ρητίνες που περιέχουν εποξειδικά αραιωτικά χαμηλού μοριακού βάρους.[27] Η έκθεση σε εποξικές ρητίνες μπορεί, με την πάροδο του χρόνου, να προκαλέσει αλλεργική αντίδραση. Η ευαισθητοποίηση συμβαίνει γενικά λόγω επανειλημμένης έκθεσης (π.χ. λόγω κακής υγιεινής εργασίας ή έλλειψης προστατευτικού εξοπλισμού) για μεγάλο χρονικό διάστημα. Η αλλεργική αντίδραση εμφανίζεται μερικές φορές αρκετές ημέρες από την έκθεση. Η αλλεργική αντίδραση είναι συχνά ορατή με τη μορφή δερματίτιδας, ιδιαίτερα σε περιοχές όπου η έκθεση ήταν υψηλότερη (συνήθως χέρια και πήχεις). Η χρήση εποξικών ουσιών είναι η κύρια πηγή επαγγελματικού άσθματος μεταξύ των χρηστών πλαστικών.[28] Η ασφαλής απόρριψη χρειάζεται επίσης εξέταση, αλλά συνήθως περιλαμβάνει σκόπιμη σκλήρυνση για την παραγωγή στερεών αντί υγρών αποβλήτων.[29]

Παραπομπές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. May, Clayton (2018). Epoxy Resins: Chemistry and Technology (2nd έκδοση). CRC Press. σελ. 65. ISBN 978-1-351-44995-3. 
  2. Rodríguez-Uicab, Omar; Abot, Jandro L.; Avilés, Francis (January 2020). «Electrical Resistance Sensing of Epoxy Curing Using an Embedded Carbon Nanotube Yarn» (στα αγγλικά). Sensors 20 (11): 3230. doi:10.3390/s20113230. ISSN 1424-8220. PMID 32517164. Bibcode2020Senso..20.3230R. 
  3. Miturska, Izabela; Rudawska, Anna; Müller, Miroslav; Hromasová, Monika (January 2021). «The Influence of Mixing Methods of Epoxy Composition Ingredients on Selected Mechanical Properties of Modified Epoxy Construction Materials» (στα αγγλικά). Materials 14 (2): 411. doi:10.3390/ma14020411. ISSN 1996-1944. PMID 33467604. Bibcode2021Mate...14..411M. 
  4. «US Patent Application for FIRE-RESISTANT GLAZING Patent Application (Application #20130196091 issued August 1, 2013) - Justia Patents Search». patents.justia.com. Ανακτήθηκε στις 27 Απριλίου 2022. 
  5. Sukanto, Heru; Raharjo, Wijang Wisnu; Ariawan, Dody; Triyono, Joko; Kaavesina, Mujtahid (2021-01-01). «Epoxy resins thermosetting for mechanical engineering» (στα αγγλικά). Open Engineering 11 (1): 797–814. doi:10.1515/eng-2021-0078. ISSN 2391-5439. Bibcode2021OEng...11...78S. https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/eng-2021-0078/html. 
  6. «Health Effects from Overexposure to Epoxy • WEST SYSTEM». WEST SYSTEM. Ανακτήθηκε στις 11 Ιουνίου 2021. 
  7. Mathias, C. G. Toby (1987). «Allergic Contact Dermatitis from a Nonbisphenol A Epoxy in a Graphite Fiber Reinforced Epoxy Laminate». Journal of Occupational Medicine 29 (9): 754–755. ISSN 0096-1736. PMID 3681510. https://www.jstor.org/stable/45007846. 
  8. Holness, D. Linn; Nethercott, James R. (1989). «Occupational Contact Dermatitis Due to Epoxy Resin in a Fiberglass Binder». Journal of Occupational Medicine 31 (2): 87–89. ISSN 0096-1736. PMID 2523476. https://www.jstor.org/stable/45015475. 
  9. Schlack, P. (1938) "Manufacture of amines of high molecular weight, which are rich in nitrogen". German Patent 676117, U.S. Patent 2.136.928
  10. [1], "Process for the manufacture of thermosetting synthetic resins by the polymerization of alkylene oxide derivatives" 
  11. [2], "Synthetic drying compositions" 
  12. «History of Epoxy Resin». epoxyflooringtech.com. 27 Μαρτίου 2017. 
  13. Capricho, Jaworski C.; Fox, Bronwyn; Hameed, Nishar (2020-01-02). «Multifunctionality in Epoxy Resins». Polymer Reviews 60 (1): 1–41. doi:10.1080/15583724.2019.1650063. ISSN 1558-3724. https://doi.org/10.1080/15583724.2019.1650063. 
  14. Schulenburg, Jan Olaf; Kramer, Andreas (2004). «Structural Adhesives - Improvements in Vehicle Crash Performance». SAE Transactions 113: 111–114. ISSN 0096-736X. https://www.jstor.org/stable/44699912. 
  15. Tsuchida, Masahiro; Naito, Kimiyosi; Fujii, Toru (1995). «Effects of CNBR Modification on Mode I Fracture of Epoxy Adhesives for Automotive Application». SAE Transactions 104: 25–33. ISSN 0096-736X. https://www.jstor.org/stable/44473201. 
  16. WYLIE, FREDERICK R. (1973). «Epoxy Patched Concrete Pavements». The Military Engineer 65 (428): 416–417. ISSN 0026-3982. https://www.jstor.org/stable/44558229. 
  17. May, Clayton A. (1987). Epoxy Resins: Chemistry and Technology (2nd έκδοση). New York: Marcel Dekker Inc. σελ. 794. ISBN 0-8247-7690-9. 
  18. Unnikrishnan, K. P.; Thachil, Eby Thomas (2006-01-01). «Toughening of epoxy resins». Designed Monomers and Polymers 9 (2): 129–152. doi:10.1163/156855506776382664. https://doi.org/10.1163/156855506776382664. 
  19. Morena, John J (1988). Advanced Composite Mold Making. New York: Van Nostrand Reinhold Co. Inc. σελίδες 124–125. ISBN 978-0-442-26414-7. 
  20. McCreight, Tim· Bsullak, Nicole (2001). Color on Metal: 50 Artists Share Insights and Techniques. Guild Pub. ISBN 978-1-893164-06-2. 
  21. Down, Jane L. (1984). «The Yellowing of Epoxy Resin Adhesives: Report on Natural Dark Aging». Studies in Conservation 29 (2): 63–76. doi:10.2307/1506076. ISSN 0039-3630. https://www.jstor.org/stable/1506076. 
  22. «The Application of Epoxy Resins for the Restoration of Historic Structures». Bulletin of the Association for Preservation Technology 3 (1): 59–63. 1971. ISSN 0044-9466. https://www.jstor.org/stable/27670051. 
  23. Selwitz, Charles (1995). «The Use of Epoxy Resins for the Stabilization of Deteriorated Masonry». APT Bulletin: The Journal of Preservation Technology 26 (4): 27–34. doi:10.2307/1504447. ISSN 0848-8525. https://www.jstor.org/stable/1504447. 
  24. Research, Zion Market. «Epoxy Resin Market- By Application (Paints & Coatings, Wind Energy, Composites, Construction, and Electrical & Electronics): Global Industry Perspective, Comprehensive Analysis, and Forecast, 2022–2028». www.zionmarketresearch.com (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 11 Μαΐου 2022. 
  25. THE SOCIO-ECONOMIC VALUE OF EPOXY RESINS. Epoxy Resins Committee. 2017.
  26. Holness, D. Linn; Nethercott, James R. (1989). «Occupational Contact Dermatitis Due to Epoxy Resin in a Fiberglass Binder». Journal of Occupational Medicine 31 (2): 87–89. ISSN 0096-1736. PMID 2523476. https://www.jstor.org/stable/45015475. 
  27. Tavakoli, S. M. (2003). An assessment of skin sensitisation by the use of epoxy resin in the construction industry. TWI Ltd. (ISBN 071762675X)
  28. MayoClinic --> Occupational asthma May 23, 2009
  29. «Disposal of 2 part epoxy». Απριλίου 2013.