Résine époxy - A113

Epoxy résine
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Identificateur de document	113
Classe pertinente	Matériau
Tags	Matrice Polymères thermodurcissables Matériau Exlcusion
Propriétés lustrée Généralement de couleur claire à platine État Liquide visqueux à température ambiante Densité 960 1250 - XNUMX XNUMX kg/m3 point de rupture 100 - 250+ °C Dangers Système mondial harmonisé (SGH) Irritant pour les yeux Irritant cutané Sensibilisant respiratoire Liquide inflammable

Introduction

Les époxydes sont des résines thermodurcissables contenant un cycle époxyde oxirane réactif, qui se réticulent avec un agent durcisseur pour former un solide insoluble. Ils sont utilisés comme revêtements, adhésifs, matériaux d'encapsulation dans l'électronique et sont un choix populaire comme matrice matériau dans les composites renforcés de fibres (PRF). Par rapport aux résines polyesters, phénoliques et mélaminiques, les résines époxy sont avantageuses pour les caractéristiques suivantes :

• Stabilité dimensionnelle pendant le durcissement (faible retrait)
• Excellentes propriétés mécaniques (bonne dureté, résistance aux chocs et ténacité)
• Excellente adhérence
• Bonne résistance chimique
• Inertie chimique
• Polyvalence dans le choix de l'agent de durcissement et des conditions de durcissement

Domaine

Cette page couvre thermodurci résines époxy. Il présente les propriétés de formulation, de traitement et de conception, les avantages et les limites par rapport à d'autres systèmes de résines thermodurcissables (par exemple polyester, résines phénoliques, etc.), applications typiques et considérations clés. Des détails sur les microstructures, les transitions thermiques et la cinétique de durcissement des résines thermodurcissables sont donnés dans le Volume des connaissances fondamentales.

Importance

Les résines époxydes sont largement utilisées dans une large gamme de pierre composite pièces et structures. Ils constituent le matériau de matrice de choix pour les composites structurels hautes performances en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques et d'autres caractéristiques souhaitables. Ils sont souvent utilisés pour les composites polymères renforcés de fibres de verre (GFRP) et fibre de carbone composites renforcés (PRFC) sur résines polyester lorsque des performances mécaniques élevées sont requises.

Pré-requis :

Documents recommandés à consulter avant ou en parallèle avec ce document :

• Polymères thermodurcissables
• Degré de polymérisation
• Chaleur de réaction
• Transitions de phases thermiques des polymères
  

Description de l'objet

Niveau I

Niveau II

Niveau III

Chimiquement, les résines époxy sont caractérisées par leur structure oxirane réactive, appelée fonctionnalité « époxy » ou groupe époxy. L’époxy le plus simple, et l’un des plus couramment utilisés, est l’éther diglycidylique du bisphénol A (appelé DGEBA) C'est le produit de la réaction entre le bisphénol A et l'épichlorhydrine et sa structure est illustrée ci-dessous.

Illustration de la structure réactive de l'oxirane du groupe époxy et de la structure époxy commune de l'éther diglycidylique du bisphénol A (DGEBA).

En tant que liquide visqueux avant durcissement, les résines époxy ont une viscosité relativement faible. viscosité, permettant l'infusion de renfort et le formage des pièces. Dans cet état initial, les résines époxy contiennent de courtes molécules de faible poids moléculaire (comme le montre l'exemple DGEBA) jusqu'à ce que des réactions se produisent sur les sites du groupe époxy pendant le processus de durcissement qui transforme la résine liquide en solide. Ces réactions de polymérisation comprennent la polymérisation par croissance de chaîne et la formation de liaisons croisées entre les chaînes moléculaires, augmentant le poids moléculaire de la résine lorsque les molécules se rejoignent. Bien que cette réaction puisse se produire d'elle-même pour certains époxydes (homopolymérisation), elle est généralement obtenue par l'ajout d'une molécule d'agent de durcissement distincte - souvent une amine.

D’autres agents de durcissement époxy courants comprennent :

• Anhydrides
• Polyamide
• Agents catalytiques

Stœchiométrie de réaction époxy

Lors du processus de durcissement de l'époxy, des réactions de polymérisation ont lieu au niveau des sites réactifs du groupe époxy. Pour la réaction courante du durcisseur aminé, la structure cyclique époxy s'ouvre et réagit avec un hydrogène actif du durcisseur aminé.

Le choix de l'agent de durcissement époxy est un facteur clé pour déterminer les propriétés finales du système époxy. Pour obtenir des propriétés optimales, l'agent de durcissement réactif à l'époxyde doit être ajouté à peu près à la quantité stœchiométrique correcte. Dans l'exemple de l'agent de durcissement à base d'amine, il s'agit du nombre d'hydrogènes réactifs disponibles dans l'agent de durcissement par rapport aux groupes époxy réactifs disponibles dans la résine. Le rapport durcisseur/résine époxy fourni dans la fiche technique du système de résine est généralement supposé être la quantité stœchiométrique de 1:1. Cependant, une variation par rapport au rapport stœchiométrique de 1:1 est parfois appliquée pour modifier les propriétés de l'époxy durci.

Par exemple, les changements de propriétés époxy suivants qui peuvent résulter d'ajustements de la stoechiométrie amine-résine sont mis en évidence par le fournisseur d'époxy Reichhold :

Propriétés	Excès d'amine	Excès d'époxy
Résistance à l'eau	Réduit	Augmente
Distorsion thermique	Réduit	Réduit
Résistance à l'acide	Réduit	Augmente
Résistance aux alcalis	Aucun effet	Aucun effet
Résistance au solvant	Réduit	Réduit
Souplesse	Augmente	Réduit

À moins de demander conseil directement au fournisseur de résine, il est préférable pratique Suivez les instructions du fabricant de résine concernant la quantité d'agent de durcissement à ajouter ou utilisez le rapport stoechiométrique 1:1. Les propriétés durcies de l'époxy peuvent varier considérablement avec seulement quelques % de différence par rapport à la quantité stoechiométrique exacte.

Calcul du poids équivalent époxy (EEW)

Les quantités stœchiométriques correctes de l'agent de durcissement requis sont déterminées à l'aide du calcul du poids équivalent d'époxy (EEW), également appelé poids équivalent d'époxyde (EEW) dans certaines sources. Le calcul de l'EEW est nécessaire lorsque des charges de matrice ou des durcisseurs sont ajoutés à la résine, car leur masse ajoutée ne contient aucune molécule de groupe époxy réactif. La quantité d'agent de durcissement doit tenir compte de ce « poids mort de résine » ajouté.

L'EEW peut être calculé comme suit (exemple : agent de durcissement à base d'amine) :

Équation 1

Calcul de l'équivalent Amine H : (cette valeur peut déjà être fournie sur la fiche technique du durcisseur)

\(Amine\ H\ eq\ wt = \frac{MW\ des\ amines}{nombre\ d'hydrogènes\ actifs}\)

Où,

\( MW =\) Poids moléculaire

\( no.\ =\) Numéro physique

Équation 2

Calcul du rapport stoechiométrique de l'agent de durcissement à l'EEW\[phr\ d'amine = \frac{Amine\ H\ eq\ wt\ \fois 100}{Epoxy\ eq\ wt\ de\ résine}\]

Où,

\( phr\ =\) Parties pour cent

Équation 3

Calcul du poids équivalent époxy des mélanges époxy (y compris les additifs de remplissage) : (Une valeur pour l'EEW de la résine est généralement fournie sur la fiche technique de la résine. Sinon, elle peut souvent être fournie sur demande auprès du fournisseur de résine)

\(EEW\ du\ mélange = \frac{Poids \ total}{\frac{Poids \ a}{EEW \ a} + \frac{Poids \ b}{EEW \ b}}\)

Où,

\( Total \ Wt =\) Poids total de tous les matériaux réactifs et non réactifs (par exemple les charges) ensemble

\( EEW \ =\) Poids équivalent époxy de la résine a, Poids équivalent époxy de la résine b, etc.

\( Wt \ =\) Poids de la résine a, poids de la résine b, etc.

Réaction des amines

L'agent de durcissement aminé couramment utilisé réagit avec le groupe époxy par l'intermédiaire de l'hydrogène aminé actif. Voici une description détaillée de ce processus de réaction, résumée à partir de la documentation de Dow Epoxy .

Une réaction époxy/amine typique est illustrée ci-dessous.

Schéma de la réaction d'amine primaire avec l'époxy qui se produit avec un agent de durcissement aminé.

L'amine primaire est capable de réagir avec deux groupes époxydes. Après cette réaction initiale, une amine secondaire se forme et réagit à nouveau comme indiqué.

Schéma de la réaction d'amine secondaire avec l'époxy qui se produit avec un agent de durcissement aminé.

Les groupes hydroxyles formés sont théoriquement capables de réagir davantage avec les groupes époxy. Cependant, cette réaction est catalysée par l'amine tertiaire, qui en réalité est limitée car la réaction d'amine est trop immobile et entravée pour agir comme catalyseur. Au lieu de cela, les groupes hydroxyles formés fonctionnent pour aider à l'ouverture du cycle époxyde, agissant pour accélérer les réactions d'amine primaire et secondaire ultérieures .

Accélérateurs de réaction d'amine

Comme décrit, les hydroxyles peuvent aider à ouvrir la structure cyclique époxy pour les réactions d'amines primaires et secondaires. Des hydroxyles alcooliques et phénoliques peuvent être ajoutés comme accélérateurs de réaction d'amine pour réduire le temps de gélification et pour des résines de poids moléculaire plus élevé.

Réaction d'anhydride

La discussion a souligné l'augmentation spectaculaire de la fréquence et de la gravité des feux de forêt, largement attribuée aux changements climatiques et à des conditions météorologiques extrêmes. Les trois dernières années ont été exceptionnelles, dépassant largement les records précédents, avec des impacts écologiques, économiques (dommages assurés de plus de XNUMX millions de dollars dans des régions inattendues comme Terre-Neuve) et sociaux (fumée, évacuations) importants. Face à cette nouvelle réalité, un changement de paradigme est nécessaire, passant d'une approche réactive de suppression totale à une stratégie d'anticipation, de prévention et d'atténuation des risques. La science, incluant la vulgarisation des connaissances et le développement d'outils d'évaluation des risques, ainsi que la collaboration intersectorielle (gestion des urgences, assurance, soutien humanitaire) sont jugées essentielles pour élaborer des stratégies résilientes adaptées à l'ampleur croissante du défi.

Propriétés

Les propriétés matérielles de l'époxy varient considérablement selon les différents systèmes de résine époxy. Les propriétés liquides et solides dépendent fortement de la combinaison spécifique de résine époxy/agent de durcissement et du réseau de réticulation époxy durci qui en résulte.

Une gamme de valeurs typiques est donnée dans le tableau ci-dessous.

Résine liquide		Remarques :	Réf.
Viscosité à température ambiante	0.5 - 40+ Pa.s	La viscosité diminue généralement avec l'ajout d'un agent de durcissement (viscosité du mélange) et avec une température élevée.
Guérir le retrait	2 - 7% vol.
Résine solide
Résistance à la flexion	75 - 1890 MPa	Moyenne : 907 MPa
Module de flexion	2.4 - 205 GPa	Moyenne : 58.5 GPa
Résistance à la traction	5.2 - 97 MPa	Moyenne : 33.1 MPa
Module de traction	0.02 - 215 GPa	Moyenne : 35.2 GPa
Allongement à la rupture	0 - 50 %	Moyenne : 9.35 %
Température de transition vitreuse	1 - 285 oC	Moyenne: 123 oC

Méthodes de traitement applicables

Les résines époxy liquides peuvent être traitées avec les méthodes de fabrication suivantes :

• Lay-up des mains
• LCM
• Formage à la presse
• Enroulement filamentaire
• Pultrusion

Applications

Les secteurs ou produits typiques qui utilisent ce matériau comprennent :

• Energie éolienne
• Automobile
• Infrastructures (tuyauterie de transport de boues)
• Autres applications d'infrastructures structurelles (construction)
• Adhésifs

Considérations clés pendant l'utilisation

Préparation

Lors de l'utilisation de ce matériau, voici quelques-uns des aspects clés à prendre en compte pour garantir que la qualité de la pièce finale soit aussi élevée que possible. Les résines époxy doivent être agitées mécaniquement avant utilisation pour assurer un bon mélange entre les composants de la résine. Il est également recommandé de dégazer la résine lorsqu'elle est traitée avec des procédés sous vide, tels que le moulage par transfert de résine légère. Les résines époxy et en particulier de nombreux agents de durcissement sont sujets à l'absorption d'humidité pendant le stockage, ce qui peut dégazer pendant le traitement et former des porosités.

Stockage et manutention

Les résines époxy doivent être stockées dans des récipients hermétiquement fermés lorsqu'elles ne sont pas utilisées, dans un endroit sec et bien ventilé, de préférence entre 2 et 43 °C (35 et 110 °F). . Elles doivent être conservées à l'abri de la chaleur, des étincelles, des flammes et d'autres sources d'inflammation. La durée de conservation des résines époxy varie, mais 12 à 24 mois sont courants avec un stockage approprié (la durée de conservation exacte sera indiquée sur la fiche technique de la résine). Une cristallisation peut se produire si elle est stockée à moins de 25 °C , ensemencé par des particules de poussière ou des charges époxy , cependant, ce changement physique est réversible. L'accumulation de cristallisation peut être éliminée par simple chauffage à des températures d'environ 50 °C ou plus pendant une courte période de temps sans effets négatifs sur la résine époxy.

Fournisseurs locaux

Fournisseurs de produits

• Olin (ajout des systèmes époxy Dow en 2015)
• Chasseur
• Evonik
• Sika
• Hexion
• Reichhold
• SYSTÈME OUEST

Fournisseurs d’assistance experts

Parmi les personnes et entreprises capables d'apporter leur soutien à l'utilisation de ce matériau pour fabriquer des pièces composites, citons :

• Réseau de recherche sur les composites
• Réseau de connaissances sur les composites
• Polyvations

Références

À propos	Aide

Pour les composites à matrice polymère (PMC), la résine fait référence à la matrice ; la phase matérielle continue qui lie le renfort ensemble, maintient la forme et transfère la charge. Les résines sont divisées en deux groupes principaux : les thermodurcissables et les thermoplastiques.

La phase continue du matériau qui lie le renfort ensemble, maintient sa forme, transfère la charge, protège le renfort de l'environnement et des dommages, et fournit le support composite en compression.

Caractéristiques souhaitables :

• Résistance à l'humidité/aux produits chimiques
• Faible densité
• Processabilité

Les thermodurcissables sont une classe de polymères qui subissent une polymérisation et une réticulation pendant le durcissement à l'aide d'un agent durcissant et d'un chauffage ou d'un promoteur. Au départ, ils se comportent comme un fluide visqueux. Pendant le durcissement, ils passent d'un fluide visqueux à un gel caoutchouteux (matériau viscoélastique) et enfin à un solide vitreux.

S'ils sont chauffés après durcissement, ils deviennent initialement mous et caoutchouteux à des températures élevées. S'ils sont davantage chauffés, ils ne fondent pas mais se décomposent (brûlent)

Livré en deux parties : partie A (résine) et partie B (durcisseur). Lorsqu'il est mélangé, la réaction de durcissement commence et n'est pas réversible.

Les exemples incluent l'époxy ou le polyester.

Matériaux d'ingénierie (conçus pour avoir des propriétés spécifiques) fabriqués à partir de deux ou plusieurs matériaux constitutifs ayant des propriétés physiques ou chimiques différentes. Les constituants restent séparés et distincts au niveau macroscopique au sein de la structure finie.

Les fibres de carbone sont composées de grandes feuilles aromatiques semblables à celles du graphite. Ces couches graphitiques forment les unités structurelles de base en forme de rubans. On pense que la structure du ruban de fibres de carbone est un agencement colonnaire de cristallites de graphite désorientés parallèles à la longueur du ruban. Les cristallites tétragonales idéalisées sont empilées les unes au-dessus des autres, avec une légère désorientation entre les cristaux dans la direction de l'axe de la fibre, emprisonnant des aiguilles pointues comme des vides, où les limites entre les piles représentent les régions désordonnées.

Dans le traitement des composites, la viscosité est un indicateur de la facilité avec laquelle la matrice de résine se mélangera avec le renfort et de la façon dont elle restera en place pendant le traitement. Plus la viscosité est faible, plus la résine s'écoule facilement. La viscosité de la résine varie considérablement selon les chimies et les formulations.

Par définition scientifique, la viscosité est une mesure de la résistance d'un matériau à la déformation. Pour les liquides, c'est en réponse à des contraintes de cisaillement imposées.

Toute activité de fabrication et/ou de prise de décision qui se produit à n'importe quelle étape du cycle de conception de développement (par exemple, de la conception à la production).

Dans le contexte des connaissances en pratique, la pratique fait référence à l'utilisation systématique des connaissances scientifiques pour réduire les risques, les coûts et le temps de développement des composites.

Liquid Composite Molding (LCM), une famille de procédés d'infusion fait référence aux procédés qui saturent un renfort sec qui est sur/dans le moule au moyen d'un différentiel de pression (pression d'injection, vide, combinaison des deux).