Отверждение

ОТВЕРЖДЕНИЕ, необратимое превращение жидких реак-ционноспособных олигомеров и(или) мономеров в твердые неплавкие и нерастворимые сетчатые полимеры. Процесс получения эластичных сетчатых полимеров (резин) из каучу-ков наз. вулканизацией. В результате отверждения фиксируется структура и обеспечивается заданный комплекс св-в реактопластов (см. Пластические массы, Композиционные материалы), гср-метиков, клеев (см. Клеи синтетические), лаков (см. Лакокрасочные покрытия), компаундов полимерных.

Осуществляется отверждение путем взаимод. функц. групп от-верждающихся мономеров и(или) олигомеров (также и композиций на их основе) между собой или с функц. группами спец. в-в (отвердителей), входящих в структуру образующихся сетчатых полимеров.

Отвердители-полифункциональные соед. (напр., ди- и полиамины, фенолы, гликоли, ангидриды ди- и тетракарбо-новых к-т). К отвсрдителям относят также радикальные инициаторы (орг. пероксиды, диазосоединения), вызывающие отверждение олигомеров, содержащих ненасыщ. группы, и катализаторы ионной полимеризации (третичные амины, к-ты Льюиса или др.), ускоряющие отверждение олигомеров, имеющих ненаеыщ. или циклич. группы. Инициаторы отверждения часто используют в сочетании с ускорителями (нафтенат Со или др.). Нек-рые отвердители могут содержать в молекуле как реак-ционноспособные, так и катализирующие группы, напр. производные триэтаноламина. Кол-во отвердителя определяется кол-вом функц. групп в нем и в олигомере; а кол-во инициатора или катализатора-их активностью и обычно составляет 0,1-5%. Для замедления отверждения используют ингибиторы полимеризации.

Отверждение проводят под действием тепла, УФ или др. излучений, при повыш. или пониж. давлении, на воздухе или без доступа О₂.

Механизм реакций отверждения зависит от природы функц. групп в мономере или олигомере (смоле), типа отвердителя, инициатора или катализатора и условий проведения процесса. По механизму поликонденсации происходит, напр., отверждение феноло-, карбамидо- и меламино-формальд. смол, по механизму полиприсоединения-отверждение эпоксидных смол первичными и вторичными аминами, по механизму радикальной полимеризации-отверждение олигоэфиракрилатов, полиалки-ленгликольмалеинатов (фумаратов), олигоэфиров аллило-вого спирта, по механизму ионной полимеризации-отверждение эпоксидных смол третичными аминами, комплексами ВF₃-амин, по механизму циклотримеризации - отверждение смол на основе мономеров, содержащих ацетиленовые, нитрильные или изоцианатные группы. При отверждении часто протекает неск. разных р-ций. Кроме того, отверждение может сопровождаться побочными р-циями, напр. гидролизом и(или) окислительно-деструктивными процессами.

Образование сетчатого полимера при отверждении происходит в гомог. или гетерог. условиях. Гомогенные условия реализуются при отверждении по механизму поликонденсации или полиприсоединения. В этом случае отверждение подразделяют на две стадии - начальную, до образования непрерывной сетки (геля), и конечную - после гелеобразования до предельных степеней превращения. На конечной стадии отверждения образуется аморфный густосетчатый полимер. Степень превращ. в начале гелеобразования, кол-во и параметры мол. структуры геля и химически не связанных с ним молекул (золя) рассчитывают статистич. методами с учетом функциональности и соотношения исходных реагентов (см. Функциональность полимеров). С увеличением их функциональности и приближением соотношения к стехиометрическому начало гелеобразования смещается в сторону меньших глубин превращений.

Негомогенные (микро- или макрогетерог.) условия отверждения значительно более вероятны, чем гомогенные, особенно в случае отверждения смесей полифункцион. олигомеров разл. типов друг с другом или с модифицирующими компонентами. Микрогетерог. характер отверждения обусловлен локализацией гелеобразования в микрообластях (микрогелеобразованием) вследствие агрегирования компонентов отверждаемой смеси или инициирования р-ций по локальным активным центрам при отсутствии фазового расслоения композиции. Если происходит фазовое расслоение, процесс отверждения приобретает макрогетерог. характер, когда р-ции протекают в разных фазах, и на конечных стадиях отверждения образуется многофазная структура.

Гетерог. условия отверждения особенно часто проявляются при радикальной полимеризации ненасыщ. олигомеров. В этом случае отверждение подразделяют на три стадии. На первой при малых степенях превращ. происходит микрогелеобразова-ние вследствие локализации полимеризации на активных центрах. На второй - увеличение густоты сетки в микрогелях сопровождается вытеснением из них избытка золя (микро-синерезис) и возрастанием микрогетерогенности системы, представляющей собой дисперсию сетчатых микроглобул в среде олигомера. В результате агрегирования микроглобул при степени превращ. 0,25-0,30 образуется гетерог. непрерывная сетка (макрогель). На третьей стадии отверждения происходит уплотнение макрогеля и при степени превращ. 0,6-0,7 образуется непрерывная фаза статистически плотно упакованных микроглобул. Непрореагировавшие компоненты и примеси скапливаются в межглобулярном пространстве.

Присутствие орг. или неорг. наполнителей с активной пов-стью влияет на механизм отверждения и структуру образующихся сетчатых полимеров.

Формирование молекулярной и надмолекулярной структур при отверждении сопровождается релаксационными переходами в отверждающихся композициях, т.е. изменением формы и интенсивности мол. теплового движения и, следовательно, состояния и реологич. св-в композиции. При отверждении в гомог. изотермич. условиях осн. типы релаксац. переходов и реологич. состояний соответствуют осн. типам температурных переходов и физ. состояний аморфных полимеров (см. Аморфное состояние, Стеклования температура). Осн. реологич. состояния отверждающихся композиций - вязко-текучее, эластическое и стеклообразное (см. также Вязко-текучее состояние, Стеклообразное состояние). Переход из вязкотекучего состояния в эластическое в изотермич. условиях отверждение происходит в результате образования непрерывной сетки зацеплений при росте мол. массы до начала гелеобразования или хим. узлов при гелеобразовании. В первом случае потеря текучести носит обратимый характер, во втором - необратимый. Когда т-ра стеклования отверждаю-щейся композиции достигнет т-ры отверждения или превысит ее, происходит переход из вязкотекучего или эластич. состояния в стеклообразное (a-переход).

При гетерофазных условиях отверждения указанные релаксац. переходы происходят в каждой фазе.

Релаксац. переходы при отверждении определяют кинетику химических и фазовых превращений. Напр., при отверждении по механизму поликонденсации или полиприсоединения замедление р-ций обусловлено гл. обр. снижением тепловой подвижности взаимодействующих функц. групп, проявляющемся при стекловании особенно резко. Ускорение отверждение при этом вызывается обычно экзотермич. и(или) автокаталитич. эффектами. Предельная степень превращ. при т-ре отверждения, лежащей выше т-ры стеклования при полном отверждении, лимитируется только стерич. факторами.

При отверждении по механизму радикальной полимеризации обычно наблюдается индукционный период, продолжительность к-рого зависит от типа олигомера, активности и кол-ва инициатора и ингибитора, т-ры и др. Рост цепей быстро приводит к микрогелеобразованию, сопровождающемуся значит. возрастанием скорости полимеризации вследствие снижения скорости обрыва цепей (т. наз. гель-эффект) и резко выраженного экзотермич. эффекта, зависящего от т-ры отверждения, массы материала, его теплоемкости, интенсивности теплоотвода и др. Замедление полимеризации на более глубоких стадиях отверждения обусловлено снижением теплового сегментального движения при стекловании.

Скорость отверждения, лимитируемая хим., диффузионными и стерич. факторами, определяет жизнеспособность от-верждаемых композиций, т. е. время от момента их получения до необратимой потери текучести в результате гелеобразования.

Отверждение сопровождается объемными усадками и возникновением усадочных напряжений. Объемные усадки подразделяют на химические и термические. Первые зависят от мол. массы исходных олигомеров, типа и числа функц. групп и степени их превращения. Наименьшими хим. усадками обладают эпоксидные смолы (3-6%), наибольшими-ненасыщ. мономеры и олигомеры, а также олигомеры, отверждение к-рых сопровождается выделением низкомол. в-в. Возникновение больших усадочных напряжений обусловлено след. причинами: неравномерностью хим. и термич. усадок, выделением летучих в-в, а также несоответствием геом. изменений отверждающейся композиции стенкам формы, в к-рой происходит отверждение, или пов-сти, на к-рую нанесен лакокрасочный материал или клей (особенно при наличии прочной адгезионной связи по границе контакта или различий в коэффициентах температурного расширения). В стеклообразном состоянии эти напряжения не релаксируют и могут вызывать растрескивание или коробление материала и изделия. Регулированием скорости и глубины хим. и фазовых превращ. путем изменения состава отверждаемых композиций и условий отверждения или проведения дополнит. термообработки композиций удается снижать объемные усадки и регулировать остаточные напряжения.

Для исследования отверждения используют спектроскопию, дифференц. термич. анализ, дифференц. сканирующую калориметрию, дилатометрию, вискозиметрию, диэлькометрию и др. методы.

Лит.: Энциклопедия полимеров, т. 2. М., 1974, с. 535-38; Бабаевский П. Г., в кн.: Пластики конструкционного назначения, под ред. Е. Б. Трос-тянской, М., 1974, с. 75-119; Иржак В. И., Розенберг Б. А., Ениколо-пян Н.С., Сетчатые полимеры, М., 1979; Бабаевский П. Г., "Пластические массы", 1981, №4, с. 37-41; Акриловые олигомеры и материалы на их основе, М., 1983; Малкин А. Я., Куличихин С. Г., Реология в процессах образования и превращения полимеров, М., 1985; Иржак В. И., Розенберг Б. А., "Высокомолекулярные соединения", сер. А, 1985, т. 27, №9, с. 1795-1808.

П. Г. Бабаевский.