Ĺťywice syntetyczne

Żywice syntetyczne nazywane są także polimerami. Pod względem budowy chemicznej cząsteczki polimerów przypominają długi łańcuch, który składa się z wielu prostych, powtarzających się elementów. Polimery często klasyfikuje się na dwie główne grupy w zależności od tego jak zachowują się względem temperatury; p. termoutwardzalne i termoplastyczne. P. termoplastyczne (np. nylon, polipropylen, ABS), podobnie jak metale, przy podgrzewaniu miękną i ew. topią się i z powrotem twardnieją przy obniżeniu temperatury.

P. termoutwardzalne przybierają trwałą formę podczas chemicznej reakcji in situ, gdzie żywica i katalizator (substancja powodująca reakcję chemiczna, ale nie łączy się w molekuły z reagującą substancją) lub utwardzacz (substancja powodująca reakcję i łącząca się z podstawową substancja reagującą) po zmieszaniu przechodzą nieodwracalną reakcje chemiczną tworząc twardy produkt. Przed zmieszaniem z katalizatorem lub utwardzaczem żywice mają postać półpłynnej masy, podobnie jak żywice naturalne.

Po zapoczątkowanej przez wymieszanie z katalizatorem/utrwalaczem reakcji chemicznej półpłynna żywica po pewnym czasie (regulowanym ilością i/lub rodzajem katalizatora/utwardzacza) osiąga stan, w którym już przestaje płynąć i staje się produktem stałym – jest to punkt żelowania, zaś czas, który upłynie od zapoczątkowania reakcji do momentu osiągnięcia punktu żelowania nazywa się czasem żelowania. Musi upłynąć jednak jeszcze pewien czas, zanim żywica ostatecznie stwardnieje i nabierze w pełni swoich właściwości mechanicznych – jest to czas utwardzania. Niekiedy żywice poddawane są dodatkowemu utwardzaniu w podwyższonej temperaturze (np. przez 5 godzin w temp.80 st. C) dla dodatkowego polepszenia niektórych ich własności mechanicznych. Po uformowaniu produkt ten pozostaje twardy także przy podgrzaniu, chociaż powyżej pewnej temperatury (tzw. temperatura transpozycji szkła -Tg) ich własności mechaniczne mogą się zmienić, tworząc produkt bardziej elastyczny, zatem spadnie ich współczynnik sztywności i w rezultacie zmienia się siła ściskania i rozciągania. Schładzanie poniżej Tg przywraca poprzednie właściwości mechaniczne.

Jest mnóstwo różnych typów żywic, jednakże zdecydowana większość używana w produkcji elementów strukturalnych to żywice poly- lub winyl-estrowe i epoksydowe. Wśród pozostałych żywic warto wspomnieć o żywicach fenolowych (stosowanych gdzie potrzebna jest większa odporność ogniowa), cyjanoestrowych (o dużych własnościach dielektrycznych), poliuretanowych (o wysokiej twardości), bismaleidowych (odpornych na wysokie temperatury, stosowanych w przemyśle lotniczym) i polyimidowych (jeszcze bardziej odpornych na wysokie temperatury, stosowanych przy produkcji elementów silników lotniczych czy pocisków rakietowych; są też one kosztowne, tona tego surowca kosztuje ponad 120000 dolarów).

Wśród najpopularniejszych żywic estrowych i epoksydowych ze względu na cenę i łatwość stosowania najpowszechniej stosowane są żywice poliestrowe, m.in. w budowie jednostek pływających jak łodzie, jachty itp. Żywica poliestrowa wewnątrz łańcucha molekularnego ma dużo grup estrowych (CO-O-C), co czyni ją bardziej podatną na proces hydrolizy niż pozostałe dwie żywice, a także wewnątrz łańcucha elementy reaktywne (C*=C*), co po reakcji z katalizatorem stwarza strukturę licznych połączeń krzyżowych, w rezultacie dających mniejsze parametry odporności mechanicznej niż pozostałe dwie żywice.

Żywice poliestrowe mają ograniczony czas przechowywania (czas na półce), gdyż po długim okresie czasu (wiele miesięcy) ulegają procesowi żelowania nawet bez dodawania katalizatora. Katalizator dodawany jest, aby czas żelowania uczynić praktycznie przydatnym.

Oprócz katalizatora mogą być dodawane środki regulujące czas reakcji, pigmenty, wypełniacze, środki zwiększające odporność chemiczną i ogniową, w zależności od potrzebnych zastosowań i wymagań użytkownika. Poszczególne składniki muszą być odpowiednio dobrane także pod względem ilości; zbyt duża ilość katalizatora skróci czas żelowania, zbyt mała- nadmiernie wydłuży. Najczęściej jako katalizator dodawany jest styren.

Żywice vinylestrowe mają mniejszą ilość grup estrowych, co czyni je mniej podatnymi na hydrolizę, a części aktywne znajdują się na krańcach łańcucha molekularnego, co czyni po utwardzeniu strukturę bardziej odporna mechanicznie niż żywice poliestrowe. Dla przykładu, siła rozciągania dla żywicy poliestrowej i vinylestrowej wynosi około 5 MPa przy twardnieniu przez 7 dni w temperaturze pokojowej, ale po dodatkowym przegrzewaniu przez 5 godzin w temp.80 st wskaźnik ten wynosi ca 6,5 MPa dla z.poliestrowej i ca 8 MPa dla z winylestrowej. Moduł rozciągania po 7 dniach twardnienia w temperaturze pokojowej 20 st.C dla żywicy poliestrowej wynosi ca 2 GPa i ca 2,5 GPa dla żywicy vinylestrowej , natomiast dodatkowe podgrzewanie przez 5 godz. w temp. 80st.C poprawia te wskaźniki dla obu żywic (ca 2,9 GPa dla poliestrowej i ca 3 GPa dla vinylestrowej).

W czasie reakcji chemicznej po wymieszaniu żywicy estrowej z katalizatorem następuje znaczna transpozycja struktury molekularnej, co w efekcie daje m.in. efekt skurczenia się, nawet do 8%.

Żywice epoksydowe mają wyższe wskaźniki własności mechanicznych (siła rozciągania ca 6 MPa po 7 dniach w temp. 20st.C i ca 8 MPa po 5 godz. w temp. 80 st. C, moduł rozciągania ca 3,4 GPa), wyższą odporność chemiczną i termiczną a także lepsza przylepność (ca 2000 p.s.i. w porównaniu do 500 p.s.i. dla ż.vinylestrowej) i wyjątkowo dobrą odporność na wodę.

Nazwa „epoxy” ( z ang.) odnosi się do znajdującej się w molekule tej żywicy chemicznej grupy złożonej z atomu tlenu (ang. oxygen) połączonego z dwoma atomami węgla, które już zostały ze sobą w jakiś sposób związane.

Żywice epoxydowe, zwane też epoxydami, polyepoxydami czy polimerami epoxydowymi zazwyczaj otrzymuje się w wyniku reakcji pomiędzy epichlorohydryną i bisfenolem A (oba te czynniki, zwłaszcza epichlorohydryna, są niestety szkodliwe dla zdrowia i dopiero wyprodukowaną żywicę uważa się za produkt niemal nieszkodliwy, choć drażniący, zaś po utwardzeniu ż. epoxydowa jest produktem nieszkodliwym, jednakże zaleca się nie wdychanie pyłu powstającego przy jej obróbce mechanicznej). Jako utwardzacz stosuje się najczęściej aminę.

Za odkrywców w tej dziedzinie uważa się dr. Pierre Castan ze Szwajcarii (którego prace sponsorowała szwajcarska firma Ciba, zaś w latach dziewięćdziesiątych produkcja epoxydów tej firmy została zakupiona przez firmę Huntsman z USA) oraz dr.S.O.Greenlee z USA, pracującego dla firmy Devoe-Reynolds (którą to firmę sprzedano Shell Chemical potem Resolution Polymers, obecnie Hexion). Obecnie światowy business w dziedzinie epoxydów ocenia się na ok. 15 bil. dolarów, z czego ponad 30% to sprzedaż podstawowego surowca, którego producentami na skale światową są trzy firmy: Hexion (produkuje żywice pod handlowa nazwą „Epon”), Dow Chemical (produkuje „D.E.R.”) i Huntsman (produkuje „Araldite”), a ponadto istnieje kilkadziesiąt producentów na skale lokalną, wytwarzających m.in. specjalne żywice, utwardzacze, modyfikatory itp. Pozostałe 60% rynku należy do firm zwanych „formulatorami”, które opracowują setki formuł chemicznych dostosowanych do potrzeb poszczególnych branż czy użytkowników (z reguły skupiając się na danej branży czy grupie użytkowników) i które na bazie podstawowych surowców produkują określone rodzaje żywic przystosowanych do określonych zastosowań praktycznych. Można powiedzieć, że każda z tych firm stosuje specyficzną recepturę i nawet, jeśli produkty są oparte na tym samym surowcu bazowym, końcowy produkt może się znacznie różnić właściwościami.

Jak i w wielu innych dziedzinach gospodarki, tak i w budownictwie popularność zastosowań żywic rośnie, gdyż możliwe jest opracowanie receptury dokładnie odpowiadającej indywidualnym potrzebom budowlano-montażowym. W zależności od tego czy maja one służyć jako substancja wypełniająca, klejąca, wytrzymała na duże obciążenia czy odpowiadająca technice specyficznego montażu tworzy się odpowiednią recepturę.

Żywice stosowane jako element wiążący w pracach budowlano-montażowych i przenoszący duże obciążenia to głównie żywice estrowe i epoxydowe oraz różnego rodzaju mieszanki składające się z żywic epoxydowych, akrylowych i winylestrowych.

System wiązań chemicznych przystosowany do potrzeb budowlano-montażowych i zdolny do przenoszenia dużych obciążeń polega na wykorzystaniu właściwości żywic, tj. wysokich parametrów mechanicznych po utwardzeniu, ich plastyczności, możliwości nadania dowolnego kształtu przed utwardzeniem oraz ich zdolności przylepiania się niemal do każdego materiału i w niemal każdych warunkach. Do żywic dodawane są różne dodatkowe składniki, jak pigmenty, środki przyspieszające lub opóźniające reakcje, wypełniacze itd. i w zależności od receptury (którą można łatwo zmieniać) uzyskuje się produkt odpowiedni do wymagań klienta (parametry mechaniczne, łatwość stosowania, przystosowanie do stosowania w różnych warunkach itd.). Zazwyczaj nie udaje się osiągnąć receptury polepszającej wszystkie możliwe zalety i polepszenie jednych parametrów odbywa się kosztem pogorszenia innych parametrów, co musi także uwzględniać strategia marketingowa. Np. łatwość stosowania zazwyczaj nie idzie w parze z jakością i siłą wiązań, lepsze przystosowanie do wiązań w danym podłożu odbywa się kosztem pogorszenia uniwersalności i wiązania w innych podłożach, wiązanie w niskich temperaturach nie idzie w parze z łatwością użycia w wysokich temperaturach itd. Strategia marketingowa i receptura są ze sobą ściśle związane.