چکیده :
سادگی در آماده‌سازی و اجرای محصولات پخت‌شده باعث شده رزین‌های اپوکسی به‌عنوان ماده‌ای منتخب در کامپوزیت‌های پیشرفته، به‌ویژه کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف، مطرح شوند. با این حال، به دلیل چگالی بالای اتصالات عرضی، رزین‌های اپوکسی ذاتاً شکننده هستند. افزایش اندازه مولکولی عامل پخت ممکن است به کاهش چگالی اتصالات عرضی منجر شود. مقاومت در برابر شعله و پایداری حرارتی نیز از محدودیت‌های دیگر این رزین‌ها هستند.

رزین‌های اپوکسی به طور گسترده در پوشش‌ها، مواد الکترونیکی، چسب‌ها و ماتریس‌های کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف استفاده می‌شوند. خواص نهایی رزین‌های اپوکسی پخت‌شده به نوع رزین، عامل پخت و فرآیند پخت بستگی دارد. برای بهبود عملکرد رزین‌های اپوکسی در دماهای بالا، توجه به توسعه عامل‌های پخت جدید حاوی گروه آمیدی معطوف شده است.

مقدمه:

رزین‌های اپوکسی نخستین بار در سال 1909 توسط پریلسچایف کشف شدند [2]. این رزین‌ها به‌عنوان پیش‌پلیمرهایی با وزن مولکولی کم طبقه‌ بندی می‌شوند که حاوی بیش از یک گروه اپوکسید در ساختار خود هستند .

شکل1: ساختار اپوکسی

واکنش‌های پخت، رزین‌های اپوکسی را به رزین‌های ترموست تبدیل می‌کنند که این فرآیند با استفاده از طیف گسترده‌ای از عوامل پخت انجام می‌شود. خواص رزین‌های اپوکسی به ترکیب خاص نوع رزین اپوکسی و عامل پخت مورد استفاده بستگی دارد[3].

به دلیل خواص مکانیکی برجسته، چسبندگی مناسب به بسیاری از بسترها، و مقاومت بالای حرارتی و شیمیایی، رزین‌های اپوکسی امروزه به طور گسترده در حوزه‌های مختلف استفاده می‌شوند. این مواد در تولید کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف، چسب‌ها، پوشش‌های با عملکرد بالا، و مواد محصورکننده کاربرد دارند.

این مقاله به بررسی روش‌های سنتز و فرآیند پخت رزین‌های اپوکسی می‌پردازد. همچنین، به آماده‌سازی و کاربرد کامپوزیت‌های مبتنی بر رزین‌های اپوکسی نیز پرداخته شده است.

سنتز رزین‌ اپوکسی

رزین‌های اپوکسی بیسفنولA-

واکنش اپی‌کلروهیدرین با بیسفنول A-در حضور یک کاتالیزور بازی منجر به تولید دی‌گلیسیدیل‌اتر بیسفنولA- (DGEBA)  می‌شود. خواص رزین DGEBA به تعداد واحدهای تکراری در ساختار آن بستگی دارد:

  DGEBA   مایع دارای وزن مولکولی پایین است. DGEBA  جامدیا مایع با ویسکوزیته بالا دارای وزن مولکولی بالاتر است.[4]

یانگ و همکاران [5] رزین اپوکسی با ویسکوزیته پایین را از طریق واکنش پلی‌اتیلن گلیکول و رزین اپوکسی DGEBA سنتز کردند. این رزین اپوکسی تحت اشعه UV با استفاده از یک آغازگر کاتیونی پخت شد و درجه پخت رزین در کمتر از 40  ثانیه به بیش از 90 درصد رسید.

چوپ و همکارنش [6]رزین‌ اپوکسی با وزن مولکولی بالا را از روغن‌های اصلاح‌شده طبیعی و بیسفنولA-، یا رزین‌های اپوکسی ساخته شده از بیسفنولA- سنتز کردند. نتیجه این ترکیبات نشان داد که مایعات به شدت ویسکوز هستند.

وو و همکاران [7] رزین‌ اپوکسی کوپلیمر بامبو مایع‌شده – بیسفنولA-  را طی یک فرآیند دو مرحله‌ای سنتز کردند. از آنجایی که واکنش پخت یک واکنش گرمازا است، پخت این رزین اپوکسی کوپلیمر می‌تواند در دمای اتاق انجام شود.

رزین‌ اپوکسی سیکلوآلیفاتیک

واکنش 3’-سیکلوهگزنیل‌متیل 3- سیکلوهگزن‌کربوکسیلات با پراستیک اسید منجر به تولید 3   4’-اپوکسی‌سیکلوهگزیل‌ متیل 3, 4- اپوکسی‌سیکلوهگزن‌کربوکسیلات می‌شود که یک رزین اپوکسی سیکلوآلیفاتیک (CAE) است. ساختار شیمیایی CAE در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3: ساختار شیمیایی CAE

این رزین (CAE) دارای یک ساختار اشباع‌ شده و زنجیره‌ای آلیفاتیک است که به پایداری فوق‌العاده در برابر اشعه UV ، خواص الکتریکی عالی و پایداری حرارتی بالا کمک می‌کند. این ویژگی‌ها برای رزین‌هایی که در ساخت اجزای ساختاری مورد استفاده قرار می‌گیرند و نیازمند عملکرد در دماهای بالا و محیط‌های دشوار هستند، بسیار حائز اهمیت است. [8]

رزین اپوکسی -bis[3-(4,5-epoxy-1,2,3,6-tetrahydrophthalimido) propyl] tetramethyldisiloxane (BISE)  که حاوی حلقه ایمید و سیلوکسان است، توسط تائو و همکاران [9] سنتز شد. پس از پخت کامل، این رزین دمای انتقال شیشه‌ای Tg کمتری نسبت به رزین‌های CAE تجاری نشان داد، اما از پایداری حرارتی خوبی برخوردار بود.

گائو و همکاران [10] رزین اپوکسی سیکلوآلیفاتیک-سیلیکونی شفاف را با یک فرآیند دو مرحله‌ای برای استفاده در بسته‌بندی دستگاه‌های اپتو-الکترونیکی سنتز کردند. این رزین‌ها جذب آب پایین‌تر، مقاومت حرارتی و UV بالاتر و پایداری حرارتی بهتری نشان دادند.

رزین‌های اپوکسی سه‌ عاملی

رزین‌ اپوکسی سه ‌عاملی تری‌متیلول پروپان-ان-تری‌گلیسیدیل اتر که در شکل 4 نشان داده شده است، از واکنش تری‌متیلول پروپان و اپی‌کلروهیدرین قابل تولید است. این رزین اپوکسی به دلیل ویسکوزیته پایین، حالت غیرکریستالی و ماهیت پلاستیکی خود می‌تواند در دماهای پایین پخت شود.

شکل 4: ساختار تری‌متیلول پروپان-ان-تری‌گلیسیدیل اتر

رزین‌ اپوکسی چهارعاملی

واکنش 1,3-دی‌آمینوبنزن یا 4,4′-آمینو‌دی‌فنیل‌متان با اپی‌کلروهیدرین منجر به تولید رزین‌ اپوکسی چهار عاملی می‌شود. ساختارهای شیمیایی این رزین‌ها در شکل 5 نشان داده شده است. این رزین‌ها به دلیل تراکم بالای پیوندهای متقاطع و عملکرد بالای اپوکسی، در کاربردهایی که نیاز به مقاومت حرارتی بالا دارند، استفاده می‌شوند. رزین‌های پخت‌شده مقاومت به UV  بالا، مقاومت شیمیایی عالی، پایداری حرارتی خوب و مدول بالا از خود نشان می‌دهند.

• (b)
  شکل 5: ساختار شیمیایی رزین‌ اپوکسی چهارکاره

آئوف و همکاران رزین‌ اپوکسی چندعاملی را سنتز کردند که پس از پخت، تراکم پیوندهای متقاطع بالاتر و بازده کربن بالاتری نسبت به DGEBA در شرایط مشابه نشان داد.

• رزین‌ اپوکسی نوولاک

رزین‌ اپوکسی نوولاک از طریق واکنش رزین فنولیک نوولاک با اپی‌کلروهیدرین ساخته می‌شوند. ساختار شیمیایی این رزین‌ها در شکل 6 نشان داده شده است. این رزین‌ها به دلیل گروه‌های اپوکسید متعدد، تراکم پیوندهای متقاطع بالایی دارند و از خواص شیمیایی، مقاومت حلالی و حرارتی عالی برخوردار هستند.

شکل 6: ساختار شیمیایی رزین‌ اپوکسی نوولاک

واکنش افزودنی 9,10-دی‌هیدرو-9-اوکسا-10-فسفوفنانترن 10-اکسید با رزین‌ اپوکسی نوولاک منجر به تولید رزین‌های اپوکسی چندکاره حاوی فسفر می‌شود. این رزین‌ها پایداری حرارتی بالا، Tg  بالا و عملکرد قابل‌توجهی در تست UL-94  از خود نشان دادند .

• رزین‌ اپوکسی زیست ‌بنیان

پروتئین‌ها، نشاسته، کربوهیدرات‌ها، روغن‌ها و چربی‌هایی که از منابع طبیعی تجدیدپذیر به دست می‌آیند، به دلیل قابلیت زیست‌تجزیه‌پذیری و هزینه پایین خود به طور فزاینده‌ای مورد توجه قرار گرفته‌اند. روغن‌های گیاهی شامل ترکیبات پیچیده‌ای از مخلوط‌های چندجزئی مختلف تری‌گلیسیریدها هستند، که همان استرهای گلیسرول و اسیدهای چرب محسوب می‌شوند. تری‌گلیسیریدهایی که دارای انواع متعددی از پیوندهای غیراشباع هستند، به‌راحتی با استفاده از پراکسیدهای آلی یا H₂O₂ اپوکسید می‌شوند. این روغن‌های گیاهی اپوکسید شده، به دلیل ویژگی‌های تجدیدپذیری و هزینه پایین، پتانسیل بالایی برای استفاده در کاربردهای صنعتی دارند

روغن کرچک اپوکسید شده (ECO) و روغن سویا اپوکسید شده (ESO) توسط پارک و تولاسیرامان و همکاران با واکنش اسید استیک کریستالی و H₂O₂ با روغن کرچک یا سویا سنتز شدند. ساختار شیمیایی ESO و ECO در شکل 7 نمایش داده شده است.

(a) ESO

(b) ECO

شکل 7: ساختارهای شیمیایی ESO و ECO

• سیستم اپوکسی حاوی فلورین

وجود فلورین در مونومرها و الیگومرهای فلورینه برای اصلاح رزین‌ اپوکسی ، ویژگی‌های منحصربه‌فردی مانند دامنه دمایی گسترده، ضریب اصطکاک پایین، جذب آب کم، مقاومت شیمیایی برجسته، و ثابت دی‌الکتریک پایین به این مواد افزوده است. پلیمرهای حاوی فلورین که جذابیت استفاده تجاری را افزایش می‌دهند، برای تولید محصولات کاملاً ساخته شده از پلیمرهای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند .

رزین‌ اپوکسی DGEBA حاوی گروه CF₃ توسط پارک و همکاران سنتز شده است. ساختار شیمیایی رزین‌ اپوکسی DGEBA حاوی گروه CF₃ در شکل 8 نشان داده شده است. رزین‌ اپوکسی پخت‌شده نسبت به DGEBA معمولی، ثابت دی‌الکتریک پایین‌تر و خواص مکانیکی متفاوتی دارد.

شکل 8: ساختار شیمیایی رزین‌ اپوکسی DGEBA حاوی گروه CF₃.

رزین‌ اپوکسی حاوی فلورین توسط پارک و همکاران سنتز شدند. با افزایش میزان فلورین در مخلوط‌های رزین‌ اپوکسی چهارعاملی و رزین اپوکسی حاوی فلورین، انرژی سطحی کل این مخلوط‌ها به تدریج کاهش یافت، در حالی که مقاومت به آب آنها افزایش پیدا کرد.

تائو و همکاران از طریق یک فرایند چهار مرحله‌ای، رزین‌ اپوکسی فلورینه 1,1-بیس(4-گلیسیدیل‌استرفنیل)-1-(3′-تری‌فلوئورومتیل‌فنیل)-2,2,2-تری‌فلوئورواتان (BGTF) را سنتز کردند. ساختار BGTF در شکل 9 نشان داده شده است.

رزین‌ اپوکسی BGTF کاملاً پخت‌شده، پایداری حرارتی خوبی را با دمای انتقال شیشه‌ای در محدوده 170 تا 175 درجه سانتی‌گراد نشان می‌دهد و همچنین خواص دی‌الکتریک بهتری نسبت به رزین اپوکسی DGEBA دارد.

شکل 9: ساختار شیمیایی BGTF.

• رزین‌های اپوکسی حاوی فسفر

از طریق مهار شعله در فاز گاز و تقویت ذغال در فاز متراکم، ترکیبات فسفری می‌توانند ویژگی‌های مقاومتی بسیار خوبی در برابر آتش به رزین‌های اپوکسی ببخشند. رزین‌های اپوکسی حاوی فسفر، گاز و دود کمتری نسبت به ترکیبات حاوی هالوژن تولید می‌کنند. با استفاده از ترکیبات اکسیران حاوی فسفر، می‌توان فسفر را به‌طور کووالانسی در ساختار رزین‌های اپوکسی وارد کرد .

مواد بسته‌بندی الکترونیکی دوستدار محیط زیست حاوی رزین‌های اپوکسی فسفری توسط لیو و همکاران سنتز شد. رزین‌های اپوکسی حاوی فسفر در شکل 10 نشان داده شده‌اند. رزین‌های اپوکسی پس از پخت، شفاف و با دمای انتقال شیشه‌ای بالا (227 درجه سانتی‌گراد) و مدول مکانیکی بالا بودند.

•          (b)

شکل 10: ساختارهای شیمیایی رزین‌های اپوکسی حاوی فسفر

برای کاربرد مواد مقاوم در برابر آتش، وانگ و همکاران رزین‌های اپوکسی حاوی فسفر را سنتز کردند. رزین اپوکسی حاوی فسفر و عامل پخت حاوی نیتروژن، اثرات هم‌افزایی نشان داده و رفتار مقاوم در برابر آتش را به طور چشمگیری بهبود بخشیدند. لی و همکاران محصولی با دمای گذار شیشه‌ای (Tg) بالا، مقاومت عالی در برابر آتش و دمای تجزیه بالا را با واکنش بین هگزاکیس (4-هیدروکسی‌فنکسی)-سیکلو‌تری‌فسفازن و DGEBA تولید کردند که به یک رزین‌ اپوکسی جدید مبتنی بر فسفازن تبدیل شد.

• رزین‌های اپوکسی حاوی سیلیکون

سیلیکون به دلیل اثرات زیست‌محیطی کمتر نسبت به مواد موجود، به عنوان یک ماده مقاوم در برابر آتش دوستدار محیط زیست شناخته می‌شود. دو روش برای سنتز رزین‌های اپوکسی حاوی سیلیکون وجود دارد:

1. استفاده از واکنش ترانس‌اتر‌سازی بین آلکوکسی‌سیلان و گلیسیدول یا تراکم سیلوکسان‌های پایان‌یافته با هیدروکسیل با رزین‌های اپوکسی یا اپی‌کلروهیدرین.
2. وارد کردن سیلوکسان‌ها به ترکیبات اپوکسی از طریق واکنش‌های هیدروسیلیلاسیون.

این رزین‌ها مزایای رزین‌های اپوکسی و سیلیکونی را ارائه می‌دهند رزین‌های اپوکسی حاوی سیلیکون که توسط مرکادو و همکاران سنتز شده‌اند، در شکل 11 نشان داده شده‌اند. رزین‌های اپوکسی حاوی سیلیکون پخت‌شده دارای شاخص اکسیژن محدود (LOI) بالا و Tg متوسط هستند.

شکل 11: ساختارهای شیمیایی رزین‌های اپوکسی حاوی سیلیکون

دو رزین‌ اپوکسی حاوی سیلیکون جدید برای کاربردهای بسته‌بندی الکترونیکی توسط لی و همکاران سنتز شده‌اند. ساختار این رزین‌ها در شکل 12 نشان داده شده است. رزین‌های اپوکسی پخت‌شده دارای Tg بالا، خواص مکانیکی خوب و پایداری حرارتی عالی هستند. رزین‌های اپوکسی حاوی سیلیکون (DGEBA-Si) که با افزودن DGEBA به دی‌کلرودی‌فنیل سیلان توسط پارک و همکاران سنتز شده‌اند، دارای خواص مکانیکی بهبود‌یافته و Tg پایین‌تر نسبت به رزین‌ اپوکسی DGEBA خالص هستند. رزین‌های حاوی سیلوکسان پایان‌یافته با اپوکسی که توسط وانگ و همکاران سنتز شده‌اند، دارای استحکام برشی بالا، پایداری حرارتی خوب و استحکام کششی بالا هستند.

           (a)                                                                             (b)

شکل12: ساختارهای شیمیایی رزین‌های اپوکسی حاوی سیلیکون

فرایند پخت

افزایش یا کنترل واکنش پخت رزین‌ اپوکسی از ویژگی‌های عوامل پخت رزین‌ اپوکسی است. افزودن عامل پخت به بهبود فرایند پخت رزین‌ اپوکسی کمک می‌کند. ساختار مولکولی عوامل پخت نقش مهمی در سینتیک پخت و Tg دارد. عوامل پخت براساس ترکیب شیمیایی به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند:

• عامل پخت نوع آمینی

عامل‌های پخت نوع آمینی برای رزین‌های اپوکسی به سه دسته عمده: آمین‌های سیکلوآلیفاتیک، آلیفاتیک یا آروماتیک تقسیم می‌شوند. حلقه‌های اپوکسی از طریق افزوده‌سازی هسته‌دوست با عوامل پخت آمینی واکنش می‌دهند. ساختارهای شیمیایی 4,4′-دی‌آمینودی‌فنیل متان (DDM) و 4,4′-دی‌آمینودی‌فنیل سولفون (DDS) در شکل 13 نشان داده شده‌اند.

• عامل پخت قلیایی

ایمیدازول‌ها و آمین‌های نوع سوم در دسته عوامل پخت قلیایی قرار می‌گیرند. در واکنش بین رزین‌های اپوکسی و سایر عوامل پخت، ایمیدازول‌ها به‌عنوان شتاب‌دهنده‌های اولیه استفاده می‌شوند و می‌توانند به‌عنوان تنها عامل پخت نیز به کار روند آمین‌های نوع سوم نیز به‌طور رایج به‌عنوان شتاب‌دهنده برای سایر عوامل پخت رزین‌ اپوکسی استفاده می‌شوند. این مواد معمولاً همراه با آمین‌ها، پلی‌آمیدها، آمیدوآمین‌ها، مرکانتان‌ها، پلی‌سولفیدها و انیدریدها برای تسریع واکنش بین اپوکسی و سخت‌کننده به کار می‌روند. عوامل پخت قلیایی طولانی‌ترین زمان انبارش در دمای اتاق را ارائه می دهند.

• عامل پخت انیدریدی

ویژگی‌های برجسته عوامل پخت انیدریدی شامل خواص الکتریکی عالی، خواص فیزیکی خوب و مقاومت شیمیایی بالا است. این مواد دارای زمان پخت طولانی هستند. آمین، واکنش پخت عوامل انیدریدی را کاتالیز می‌کند. رایج‌ترین انیدریدها شامل متیل تتراهیدروفتالیک انیدرید (MTHPA)، فتالیک انیدرید (PA)، 3،4،5،6-تتراهیدروفتالیک انیدرید (3,4,5,6-THPA)، متیل هگزاهیدروفتالیک انیدرید (MHHPA) و هگزاهیدروفتالیک انیدرید (HHPA) هستند [34]. ساختارهای شیمیایی PA و HHPA

شکل 13: ساختارهای شیمیایی DDM و DDS

(a)PA                                                                            (b) HHPA                                                             

شکل 14: ساختارهای شیمیایی PA و HHPA

• عوامل پخت کاتالیزی

عوامل پخت کاتالیزی تحت شرایط پایه‌ای، مانند دمای اتاق و نور داخلی، غیرفعال هستند؛ اما در اثر تحریک خارجی مانند گرمایش یا تابش نوری فعالیت نشان می‌دهند. این فرایند از طریق پلیمریزاسیون کاتیونی که توسط عامل پخت کاتالیزی آغاز می‌شود، انجام می‌گیرد. استفاده از عوامل پخت کاتالیزی باعث بهبود قابلیت مدیریت رزین‌های اپوکسی و پایداری ذخیره‌سازی آن‌ها می‌شود. نمک‌های بنزیل‌پیریدیوم، بنزیل‌سولفونیوم، بنزیل‌آمونیوم و فسفونیوم در دسته عوامل پخت کاتالیزی قرار می‌گیرند

سیستم‌های پخت

سیستم‌های پخت رزین‌ اپوکسی شامل واکنش‌های شیمیایی گروه‌های اپوکسید در رزین‌های اپوکسی با یک عامل پخت است که منجر به تشکیل یک شبکه سه‌بعدی به شدت متقاطع می‌شود.

• پخت در دمای اتاق

پخت رزین‌ اپوکسی که در دمای اتاق انجام می‌شود از عوامل پخت مناسب برای دمای اتاق، مانند پلی‌آمین‌های آلیسیکلیک، پلی‌آمین‌های آلیفاتیک، آمین‌های آروماتیک بهبودیافته و پلی‌آمیدهای با وزن مولکولی کم، استفاده می‌کند. پخت در دمای اتاق باعث افزایش مقاومت الکتریکی، کاهش Tg، افزایش مقاومت ضربه، انعطاف‌پذیری بالاتر و مقاومت در برابر شوک حرارتی می‌شود .

• پخت حرارتی

رزین‌های اپوکسی که در دماهای بالاتر پخت می‌شوند، معمولاً از دی‌سیاندی‌آمید، رزین‌های رزول، انیدریدهای اسیدی، رزین‌های آمینی، آمین‌های آروماتیک یا هیدرازیدها به‌عنوان عوامل پخت استفاده می‌کنند. سیستم پخت در دماهای بالا معمولاً شامل یک مرحله پیش‌پخت در دمای پایین و یک مرحله پس‌پخت در دمای بالا است. ویژگی‌هایی مانند مقاومت شیمیایی عالی ،  Tgبالا، استحکام کششی بالا و مقاومت حرارتی زیاد در رزین‌های اپوکسی پخت‌شده در دماهای بالا مشاهده می‌شود.

• پخت نوری

پخت رزین‌های اپوکسی با استفاده از نور شدید، پرتو الکترونی، اشعه مادون قرمز یا فرابنفش و حضور یک آغازگر نوری انجام می‌شود. زمان پخت در این روش کاهش می‌یابد و علاوه بر آن، فرایندی قابل اعتمادتر و کنترل‌شده‌تر نسبت به سایر روش‌های پخت ارائه می‌دهد.

کامپوزیت‌های مبتنی بر اپوکسی

رزین‌های اپوکسی با ساختاری بسیار متقاطع، قوی و شکننده هستند و مقاومت نسبتاً کمتری در مقابل شروع و رشد ترک دارند که این موضوع کاربرد آن‌ها را در بسیاری از زمینه‌ها مانند مواد ساختاری محدود می‌کند. برای بهبود خواص فیزیکی، از عوامل تقویت‌کننده یا مقاوم‌کننده مختلفی استفاده می‌شود.

• سیستم‌های اپوکسی اصلاح‌شده با ترموپلاستیک

اجزای ترموپلاستیک مانند پلی‌سولفون‌ها (PSF)، پلی(اکریلونیتریل-کو-بوتادین-کو-استایرن) (ABS)، پلی(اتر سولفون‌ها) (PES)، پلی(اتر ایمیدها) (PEI)، پلی(اتر کتون) (PEK) و پلی‌ایمیدها (PI) به ماتریس اپوکسی اضافه می‌شوند تا مقاومت رزین‌های اپوکسی را افزایش دهند. سیستم‌های اپوکسی اصلاح‌شده با ترموپلاستیک از طریق جدایش فازی ناشی از پلیمریزاسیون عامل ترموپلاستیک تهیه می‌شوند که در ابتدا با رزین‌ اپوکسی قابل اختلاط است اما در طول پلیمریزاسیون به فازهای جداگانه تقسیم می‌شود. خواص نهایی این سیستم‌ها به مورفولوژی جدایش فازی و ساختارهای مشترک یا معکوس فازی که به طور مؤثر مقاومت را بهبود می‌بخشند، بستگی دارد .

• کامپوزیت‌های اپوکسی/معدنی

با افزودن ذرات معدنی مختلف به رزین‌های اپوکسی، مقاومت شکست افزایش می‌یابد. افزودن ذرات معدنی از طریق مکانیزم‌های مقاوم‌سازی مانند مسدود کردن یا خم کردن ترک، انحراف مسیر ترک و پل‌سازی توسط ذرات، باعث افزایش مقاومت در برابر تغییر شکل و رشد ترک می‌شود. با افزایش ذرات معدنی، سختی، مقاومت شکست و مدول نیز افزایش می‌یابد.

• کامپوزیت‌های اپوکسی/الیاف کربن

الیاف کربنی با استحکام و مدول بالا می‌توانند در انواع مواد ماتریسی مورد استفاده قرار گیرند. وقتی فشار یا تنش به یک کامپوزیت الیاف کربن اعمال می‌شود، این تنش یا فشار از طریق ماده ماتریس از یک الیاف کربنی به دیگری منتقل می‌شود. اگر اتصال بین الیاف و ماتریس رزین ضعیف باشد، تنش به طور ناقص منتقل شده و باعث شکست یا گسیختگی اتصال بین ماتریس رزین و الیاف می‌شود. یک محلول پلیمری به نام “سایزینگ” برای بهبود چسبندگی استفاده می‌شود. الیاف کربنی با سایزینگ پوشانده می‌شوند تا چسبندگی با ماتریس رزین‌ اپوکسی بهبود یابد کامپوزیت‌های الیاف کربن/اپوکسی به دلیل ویژگی‌های مقاومت بالا و سختی خاص بیشتر از سایر کامپوزیت‌های با عملکرد بالا برای کاربردهای سازه‌ای استفاده می‌شوند

• کامپوزیت‌های نانو اپوکسی/ رُس

رُس مبتنی بر مونت ‌موریلونیت یک سیلیکات لایه‌ای با ساختار 2:1 است که بارهای منفی را منتقل می‌کند و این بارها توسط کاتیون‌های بین‌لایه‌ای مانند یون‌های Na+ و Mg2+ خنثی می‌شوند. در فرآیند ساخت کامپوزیت‌های رس/پلیمر، تجمع ذرات رس مشاهده می‌شود. این تجمع باعث کاهش مقاومت سایشی و خواص مکانیکی می‌شود. رایج‌ترین روش برای رفع این مشکل، جایگزینی کاتیون‌های معدنی Na+ در سطح رس با کاتیون‌های آلی مانند ذرات آلکی‌آمونیوم است. زمانی که این رس‌های سطح‌اصلاح‌شده به ماتریس پلیمر وارد می‌شوند، دو نوع مورفولوژی تشکیل می‌دهند: ساختارهای نانوکامپوزیتی اینترکالیت یا اکسترکالیت کامپوزیت‌های نانویی رس/اپوکسی با غلظت‌های کم رس در مقایسه با ماتریس‌های اپوکسی خالص و کامپوزیت‌های معمولی، پایداری حرارتی، مقاومت مکانیکی، کاهش اشتعال‌پذیری و نفوذپذیری بهتری نشان می‌دهند. عملکرد برتر کامپوزیت‌های رس/اپوکسی به دلیل نسبت سطح به حجم بسیار بالا در نانوکامپوزیت‌ها است که ناشی از اندازه ذرات در مقیاس نانومتری است .

• کامپوزیت‌های اپوکسی/نانولوله‌های کربنی

نانولوله‌های کربنی (CNTs) دارای نسبت طول به قطر بسیار بالایی هستند که به آن‌ها خواص الکترونیکی، حرارتی و مکانیکی بی‌نظیری می‌بخشد. به همین دلیل، نانولوله‌های کربنی به‌عنوان پرکننده‌های مناسب برای بهبود عملکرد کامپوزیت‌ها به کار می‌روند. با این حال، پراکندگی کم و تعاملات سطحی ضعیف نانولوله‌های کربنی در شبکه‌های اپوکسی، استفاده از آن‌ها را محدود کرده است.

رکیب‌های مکانیکی مانند اختلاط با نیروی بالا و برش زیاد از جمله روش‌های رایج هستند. روش‌های فیزیکی شامل جذب یا پوشاندن سطح نانولوله‌های کربنی (CNTs) با پلیمرها یا سورفکتانت‌ها می‌باشند. همچنین، روش‌های شیمیایی شامل اتصال کووالانسی زنجیره‌های پلیمر به سطح CNTها بوده که باعث بهبود قابل توجه در تعاملات بین آن‌ها و شبکه اپوکسی می‌شود. پراکندگی همگن نانولوله‌های کربنی هم‌راستا با تعاملات شیمیایی مناسب با رزین‌های اپوکسی می‌تواند انتقال بار مؤثر را فراهم کرده و مسیر هدایت الکترون‌ها و فونون‌ها را ایجاد کند. کامپوزیت‌های CNT/اپوکسی ویژگی‌های حرارتی، الکتریکی و مکانیکی منحصربه‌فردی را ارائه می‌دهند.

زمینه‌های کاربردی

• رنگ‌ها و پوشش‌ها

پردازش آسان، مقاومت مکانیکی و خوردگی، سختی، ایمنی بالا، مقاومت شیمیایی و حلال، جمع‌شدگی کم پس از خشک شدن، و چسبندگی عالی به بسیاری از زیرلایه‌ها باعث شده است که رزین‌های اپوکسی به‌عنوان پوشش‌های ضدخوردگی سنگین استفاده شوند. به‌عنوان مثال، قوطی‌های فلزی با اپوکسی پوشش داده می‌شوند تا از زنگ‌زدگی جلوگیری شود، به‌ویژه هنگام بسته‌بندی گوجه‌فرنگی که یک ماده غذایی اسیدی است. رزین‌های اپوکسی همچنین در کف‌پوش‌های تزئینی و کارایی بالا مانند کف‌پوش‌های ترازو، تراشه‌ای و سنگدانه‌های رنگی استفاده می‌شوند.

• چسب‌ها

چسب‌های اپوکسی بخشی از دسته “چسب‌های ساختاری” هستند. با توجه به پیوندهای قوی که این چسب‌ها ایجاد می‌کنند، در ساخت هواپیما، اسنوبرد، چوب‌های گلف، خودروها، دوچرخه‌ها، قایق‌ها و اسکی‌ها استفاده می‌شوند. در کاربردهای مهندسی برودتی، بهینه‌سازی مقاومت برشی اپوکسی در دماهای برودتی و محیط ضروری است. چسب‌های اپوکسی تجاری با افزودن ترموپلاستیک‌های جداشده فازی، ذرات لاستیکی یا ذرات معدنی سخت بهینه‌سازی می‌شوند و برای فعال‌سازی پیوند شیمیایی در دماهای بالا خشک می‌شوند.

• ابزارآلات صنعتی

سیستم‌های اپوکسی در کاربردهای صنعتی برای تولید قالب‌ها، مدل‌های اصلی، لایه‌ها، ریخته‌گری‌ها، و سایر ابزارهای تولید صنعتی استفاده می‌شوند. این ابزارهای “پلاستیکی” جایگزین فلز، چوب و مواد سنتی شده و به‌طور کلی بازده فرایند را افزایش می‌دهند و در عین حال هزینه کلی را کاهش داده یا زمان تولید را کوتاه می‌کنند. کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف اپوکسی در تعمیر قطعات فلزی و لوله‌های توخالی مؤثر بوده و به‌عنوان واحدهای تحمل بار در سیلندرهای ذخیره هیدروژن عمل می‌کنند.

• صنعت هوافضا

هزینه پایین و خواص چسبندگی بالا باعث شده است که رزین‌های اپوکسی به‌طور گسترده در چسب‌های ساختاری صنعت هوافضا استفاده شوند. رزین‌های اپوکسی تقویت‌شده با الیاف شیشه‌ای، کربنی، کولار یا بورون بیشترین پتانسیل را در این صنعت دارند.

• مواد الکترونیکی

رزین‌های اپوکسی به‌عنوان عایق‌های الکتریکی عالی از قطعات الکتریکی در برابر اتصال کوتاه، گردوغبار و رطوبت محافظت می‌کنند. این مواد در موتور‌ها، ژنراتورها، ترانسفورماتورها، کلیدهای برق و بوشینگ‌ها به‌کار می‌روند. همچنین، ترکیبات قالب‌گیری اپوکسی (EMC) به‌عنوان مواد پوششی برای دستگاه‌های نیمه‌رسانا مورد استفاده قرار می‌گیرند. کامپوزیت‌های اپوکسی با پرکننده‌هایی مانند سیلیس، پودر شیشه و مواد معدنی در بسته‌بندی الکترونیکی کاربرد دارند.

• سیستم‌های زیست‌پزشکی

رزین‌های اپوکسی در کاربردهای زیست‌پزشکی نیز به‌کار می‌روند. مواد مبتنی بر کلاژن در کاربردهای بالینی مانند پانسمان زخم، پیوند عروق و دریچه‌های قلبی آئورتی استفاده شده‌اند. مشتقات نانوالماس-اپوکسی به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، کاربرد گسترده‌ای در سیستم‌های زیست‌پزشکی یافته‌اند.

نتیجه‌گیری

در این مقاله، انواع مختلف رزین‌های اپوکسی و عوامل پخت مورد بررسی قرار گرفته‌اند. ویژگی‌های رزین‌های اپوکسی بازسازی‌شده به نوع رزین اپوکسی، عامل پخت و فرآیند پخت مورد استفاده بستگی دارد. استحکام رزین‌های اپوکسی را می‌توان با افزودن اجزای ترموپلاستیک، مواد معدنی، الیاف کربن، سرامیک و نانولوله‌های کربنی بهبود بخشید. رزین‌ اپوکسی طیف گسترده‌ای از کاربردها را شامل می‌شوند، از جمله پوشش‌ها، صنعت هوافضا، مواد الکترونیکی و سیستم‌های زیست‌پزشکی.

REFERENCES

1. C.A. May, Epoxy Resins, Chemistry and Technology, 2nd ed., Marcel Dekker, New York, Basel, 1988.
2. S.J. Park, F.L. Jin, L. Nicolais, in: L. Nicolais, A. Borzacchiello (Eds.), Wiley Encyclopedia of Composites, John Wiley & Sons, 2011.
3. H.R. Jeon, J.H. Park, M.Y. Shon, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 19 (2013) 849.
4. F.L. Jin, C.J. Ma, S.J. Park, Materials Science and Engineering A, 528 (2011) 8517.
5. C. Yang, Z.G. Yang, Journal of Applied Polymer Science, 129 (2013) 187.
6. P. Czub, Polymer Advanced Technologies, 20 (2009) 194.
7. C.C. Wu, W.J. Lee, Journal of Applied Polymer Science, 116 (2010) 2065.
8. M.J. Yoo, S.H. Kim, S.D. Park, W.S. Lee, J.W. Sun, J.H. Choi, S. Nahm, European Polymer Journal, 46 (2010) 1158.
9. Z. Tao, S. Yang, J. Chen, L. Fan, European Polymer Journal, 43 (2007) 1470.
10. N. Gao, W.Q. Liu, Z.L. Yan, Z.F. Wang, Optical Materials, 35 (2013)   567.

مقالات مرتبط : رزین اپوکسی چیست ؟ و چه کاربردهایی دارد؟