Способ получения отвердителя

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано в лакокрасочной промышленности, а также в других отраслях, применяющих эпоксидные композиционные материалы. Преимущественной областью применения способа получения отвердителя является изготовление электроизоляционных эпоксидных полимерных материалов. Техническая задача - повышение экономичности и технологичности процесса, увеличение срока годности отвердителя и повышение морозоустойчивости изделий с использованием эпоксидного отвержденного компаунда. Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения отвердителя для эпоксидных олигомеров и композитов на их основе путем взаимодействия триэтаноламина со сложными эфирами алкилкарбоновых кислот растительных масел взаимодействие осуществляют в присутствии азотсодержащих красителей в количестве 0,2-4,7 масс.%, а в качестве сложных эфиров алкилкарбоновых кислот используют касторовое масло при содержании триэтаноламина 19,2-77,0 масс.% и касторового масла 18,3-80,6 масс.%, а процесс ведут при 130-220°С в течение 2-6 часов. 1 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к способу получения отвердителей для эпоксидных олигомеров и композитов на их основе и может быть использовано в лакокрасочной промышленности, а также в других отраслях, использующих эпоксидные композиционные материалы в качестве покрытий, клеев, герметиков, компаундов, например, в электро- и радиотехнике, приборостроении, атомной технике, в химической, нефтяной, пищевой промышленности, в судостроении, в машиностроении и др. Преимущественной областью применения отвердителя является получение электроизоляционных эпоксидных материалов с высокими физико-механическими свойствами и морозостойкостью, например, при заливке статоров электродвигателей, работающих в диапазоне перепадов температур от -60 до +50°С.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен способ получения отвердителей - низкомолекулярных полиамидов, предназначенных для получения композиционных материалов на основе низкомолекулярных эпоксидных олигомеров, например, ПО-200 (ТУ 6-10-1255-72), ПО-201 (ТУ 6-10-1304-72), ПО-300 (ТУ 6-1-1108-71). Способ осуществляется в две стадии. На первой из них получают метиловые эфиры жирных кислот соевого масла путем переэтерификации растительного масла метанолом, проводимой в присутствии катализатора. На второй стадии полученные метиловые эфиры взаимодействуют с полиэтиленполиаминами или диэтилентриамином [Сырье и полупродукты для лакокрасочных материалов: Справ. пособие. Под ред. М.М.Гольдберга. - М.: Химия, 1978. 510 с., с.153]. Недостатками существующих способов являются их стадийность, длительность, применение токсичных видов сырья (метанол, амины), а также выделение побочных продуктов реакций - глицерина и токсичного метанола.

Полиамиды, получаемые по известному способу и применяемые для получения эпоксидных композитов, позволяют достичь высоких физико-механических свойств полимерных эпоксидных материалов, но не дают жизнеспособных композитов и не позволяют получать морозостойкие эпоксидные полимерные изделия.

Известен способ получения отвердителя - этаноламидов технического рапсового масла (этаноламиды ТР) для эпоксидных олигомеров и композитов на их основе [Полимерная композиция. Пат. 2140935 Россия, МКИ С 08 G 59/44, С 08 L 63/02, С 08 К 5/20 // С 09 К 3/10. Усачева Т.С., Лебедев Г.А., Койфман О.И., Месник О.М., Лекомцева Н.Б.; Ивановская государственная химико-технологическая академия. Акционерное общество "Ивхимпром" - N 97113116/04; заявл. 30.07.97; опубл. 10.11.99, Бюл. N31] путем взаимодействия технического триэтаноламина и рапсового масла. Способ осуществляется в две стадии. На первой стадии рапсовое масло подвергают реакции переэтерификации метанолом в присутствии катализатора и в результате получают смесь сложных метиловых эфиров алкилкарбоновых кислот рапсового масла. Процесс ведут при температуре 28-35°С, полученные эфиры отделяют от избытка метанола и глицерина отстаиванием. Данная стадия характеризуется большой длительностью (время цикла 17 часов), обусловленной необходимостью отстаивания эфиров кислот. В качестве побочного продукта образуется глицерин.

На второй стадии метиловые эфиры алкилкарбоновых кислот реагируют с триэтаноламином. Процесс ведут при температуре 140°С в течение 3-5 часов в присутствии катализатора. Синтез сопровождается образованием побочного продукта - метанола, который отгоняют и утилизируют.

Недостатками прототипа являются его двухстадийность и большая продолжительность процесса. Глицерин и метанол, как побочные продукты первой и второй стадий, зачастую не утилизируются. Кроме того, этаноламиды технического рапсового масла со временем теряют способность к отверждению, т.е. срок годности их ограничен. Эпоксидные материалы, отвержденные этаноламидами ТР, не являются морозостойкими.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретательская задача состояла в разработке способа получения отвердителя, позволяющего повысить экономичность и технологичность процесса, увеличить срок годности получаемого отвердителя, а также улучшить качество эпоксидного отвержденного компаунда - а именно повысить морозоустойчивость изделий с его применением.

Поставленная задача решена путем создания способа получения отвердителя, включающего взаимодействие триэтаноламина со сложными эфирами алкилкарбоновых кислот растительных масел, при этом взаимодействие осуществляют в присутствии азотсодержащих красителей в количестве 0,2-4,7 масс.%, а в качестве сложных эфиров алкилкарбоновых кислот используют касторовое масло при содержании триэтаноламина 19,2-77,0 масс.% и касторового масла 18,3-80,6 масс.%, а процесс ведут при 130-220°С в течение 2-6 часов.

Процесс осуществляют в одну стадию. При этом получают отвердитель - этаноламиды касторового масла (этаноламиды КМ), - представляющий собой однородную окрашенную массу, отверждающий эпоксидные олигомеры и композиты на их основе. Полученный продукт характеризуется значениями аминных и кислотных чисел.

Сведения, подтверждающие осуществимость изобретения

Пример 1.

В сосуд-реактор с мешалкой загружают расчетное количество реагентов: 80,6 г касторового масла, 19,2 г триэтаноламина и 0,2 г азотсодержащего красителя - нигрозина. Включают мешалку и обогрев сосуда. Нагревают содержимое реактора до 130°С со скоростью 5 град/мин и выдерживают при этой температуре 6 часов. Контроль процесса осуществляют по совместимости компонентов (наличие или отсутствие расслаивания при выдержке в течение часа) и методом газожидкостной хроматографии. Определяют основные показатели отвердителя и по окончании процесса содержимое реактора сливают в тару.

Пример 2.

В сосуд-реактор с мешалкой загружают расчетное количество реагентов: 49,2 г касторового масла, 49,2 г триэтаноламина и 1,6 г азотсодержащего красителя - кислотного ярко-красного. Включают мешалку и обогрев сосуда. Нагревают содержимое реактора до 150°С со скоростью 5 град/мин и выдерживают при этой температуре 4 часа. Контроль процесса осуществляют по совместимости компонентов (наличие или отсутствие расслаивания при выдержке в течение часа) и методом газожидкостной хроматографии. Определяют основные показатели отвердителя и по окончании процесса содержимое реактора сливают в тару.

Пример 3.

В сосуд-реактор с мешалкой загружают расчетное количество реагентов: 18,3 г касторового масла, 77 г триэтаноламина и 4,7 г азотсодержащего красителя - кислотного желтого светопрочного. Включают мешалку и обогрев сосуда. Нагревают содержимое реактора до 200°С со скоростью 5 град/мин и выдерживают при этой температуре 3 часа. Контроль процесса осуществляют по совместимости компонентов (наличие или отсутствие расслаивания при выдержке в течение часа) и методом газожидкостной хроматографии. Определяют основные показатели отвердителя и по окончании процесса содержимое реактора сливают в тару.

Пример 4.

В сосуд-реактор с мешалкой загружают расчетное количество реагентов: 49,2 г касторового масла, 49,2 г триэтаноламина и 2,4 г азотсодержащего красителя - прямого синего. Включают мешалку и обогрев сосуда. Нагревают содержимое реактора до 220°С со скоростью 5 град/мин и выдерживают при этой температуре 2 часа. Контроль процесса осуществляют по совместимости компонентов (наличие или отсутствие расслаивания при выдержке в течение часа) и методом газожидкостной хроматографии. Определяют основные показатели отвердителя и по окончании процесса содержимое реактора сливают в тару.

Как видно из приведенных примеров, процесс получения отвердителя протекает в одну стадию и характеризуется небольшим временем цикла (2...6 часов). Кроме того, при проведении процесса побочные продукты (глицерин, метанол) не образуются, поэтому не требуется их отделение и утилизация, что повышает экономичность и технологичность процесса.

По агрегатному состоянию заявляемый отвердитель представляет собой жидкость, окрашенную в цвет примененного красителя или продуктов его термических превращений. Аминное число отвердителя 80-440 мг HCL/г, кислотное число - 5-20 мг КОН/г.

Полученный таким способом отвердитель хорошо совмещается с различными диановыми и алифатическими эпоксидными олигомерами (марок ЭД-20, ЭД-16, Э-40, оксилин-6, лапроксиды и др.).

В заданное количество эпоксидного олигомера при перемешивании вводили расчетную массу отвердителя, нагревали до температуры 90°С и гомогенизировали систему, а далее заливали компаунд в изделие, которое помещали в сушилку и отверждали компаунд при 90°С в течение 15 часов. Соотношение эпоксидный олигомер/отвердитель изменяли в интервале 1/1-6/1.

Жидкий композит проверяли на жизнеспособность и готовили из него образцы для испытаний на морозостойкость в интервале температур от -60 до +50°С. Морозостойкость определяли по методике предприятия ОАО ЗиД г. Ковров Владимирской обл. на изделиях, выпускаемых этим заводом. Физико-механические свойства отвержденных композитов определяли по соответствующим ГОСТам: ударная вязкость - ГОСТ 4647-80, твердость - ГОСТ 4670-77, предел текучести при изгибе (сжатии). Определяли также срок годности отвердителя путем изготовления образцов компаундов и определения их способности к отверждению. Максимальный срок испытаний на данный показатель составил 18 месяцев.

Свойства компаундов с полученным заявляемым способом отвердителем приведены в таблице

Таблица Свойства эпоксидных компаундов с применением отвердителей - этаноламидов КМ
Номер примера	Срок годности отвердителя, мес.	Морозостойкость компаунда	Жизнеспособность композита, сутки	Ударная вязкость, кДж/м2	Соотношение смола/отвердитель	Режим отверждения: температура, °С/время, час
1	2	3	4	5	6	7
1	более18	уд	40	11	3,3:1	90/15
2	более18	уд	35	13	1:1	90/15
3	более18	уд	50	10	6:1	90/15
4	более20	уд	45	12	1:1	90/15
прототип	10	неуд	30	9	6:1	100/3
		неуд	30	9	6:1	90/15
		неуд	15	9	2,5:1	120/1
неуд	15	9	2,5:1	90/15

Испытания показали, что на момент завершения работы срок годности отвердителя превышал аналогичный показатель для прототипа в 2 раза. Образцы изделий, изготовленных с применением отвердителя - этаноламидов КМ, - полученного по заявляемому способу, выдерживают испытания на морозостойкость (удовлетворительная). Морозостойкость изделий с отвердителем-прототипом неудовлетворительная. По показателю жизнеспособности получаемые компаунды превосходят прототип (35-50 и 30 суток соответственно). Кроме того, испытания показали, что физико-механические свойства отвержденных компаундов (пределы текучести, твердость по Бринелю) лежат на уровне прототипа или превосходят его. Твердость по Бринелю: прототип - 118, заявляемый образец - 120-125 мПа. Пределы текучести (при сжатии/при изгибе): прототип - 115/90, заявляемые образцы - 118/105 мПа. По показателю "ударная вязкость" заявляемые образцы также превосходят прототип (см. таблицу).

Таким образом, в интервале заявленных параметров способа получения отвердителя и при соотношении эпоксидный олигомер/отвердитель от 6:1 до 1:1 поставленная задача достигается. Заявляемый отвердитель - этаноламиды КМ - позволяет получить эпоксидные композиты с высокой жизнеспособностью, их способностью отверждаться как при обычных (нормальных) условиях, так и при нагреве. Полимерные эпоксидные материалы, получаемые с применением заявляемого отвердителя, обладают высокими физико-механическими свойствами и дополнительно, в отличие от прототипа, являются морозостойкими.

Способ получения отвердителя для эпоксидных олигомеров и композитов на их основе путем взаимодействия триэтаноламина со сложными эфирами алкилкарбоновых кислот растительных масел, отличающийся тем, что взаимодействие осуществляют в присутствии азотсодержащих красителей в количестве 0,2-4,7 мас.%, а в качестве сложных эфиров алкилкарбоновых кислот используют касторовое масло при содержании триэтаноламина 19,2-77 мас.% и касторового масла 18,3-80,6 мас.%, а процесс ведут при 130-220°С в течение 2-6 ч.