Nhựa epoxy chuyển sang trạng thái không nóng chảy, không hòa tan, có cấu trúc mạng lưới không gian ba chiều dưới tác dụng của chất đóng rắn. Các chất này phản ứng với các nhóm chức của nhựa epoxy, đặc biệt nhóm epoxy. Các phản ứng chính của epoxy là cộng hợp với các hợp chất chứa nguyên tử H hoạt động và trùng hợp epoxy theo cơ chế ion. Do vậy các chất đóng rắn được phân thành hai nhóm chính:
+ Chất đóng rắn cộng hợp + Chất đóng rắn trùng hợp
1.4.6.1. Chất đóng rắn cộng hợp (chứa nguyên tử H hoạt động) + Chất đóng rắn amin
Bao gồm các hợp chất chứa nhóm amin: amin thẳng, amin thơm, dị vòng và các sản phẩm biến tính của amin...
Các chất đóng rắn amin hầu như có thể đóng rắn được tất cả nhựa epoxy ngoại trừ epoxyeste vì không chứa nhóm epoxy
Cơ chế đóng rắn: H hoạt động của amin kết hợp với oxi của nhóm epoxy để mở vòng tạo nhóm hydroxyl, sau đó nó tiếp tục phản ứng với các nhóm epoxy khác
ví dụ: diamin kết hợp với các nhóm epoxy
Khoa học và kỹ thuật vật liệu Nguyễn Thị Thanh Nhàn 23
Khi đóng rắn ở mật độ cao hơn sẽ có mạng lưới không gian
Khoa học và kỹ thuật vật liệu Nguyễn Thị Thanh Nhàn 24 Trong phản ứng đóng rắn epoxy + amin cần chú ý đến điều kiện đóng rắn cực
đại. Để có sự đóng rắn cực đại (phản ứng hoàn toàn) thì “số đương lượng gam của epoxy (dựa trên số nhóm chức epoxy) phải bằng với số đương lượng gam của amin (dựa trên số H linh động của amin). Nghĩa là cứ một nhóm epoxy sẽ phản ứng với một H của amin.
Một cách tổng quát để phản ứng khâu mạch diễn ra được thì độ chức trung bình của hai tác nhân phải lớn hơn 2 và số nhóm chức trên mỗi chất là lớn hơn 2.
Cụ thể là nhựa epoxy phải có ít nhất 2 nhóm epoxy và trên amin có ít nhất 2 H linh động. Nếu độ chức trung bình bằng 2 thì chỉ đóng rắn ở dạng mạch thẳng (không có mạng không gian)
Một số chất đóng rắn polyamin thẳng hay dùng là: Dietylentriamin (DETA;
trietylen tera amin (TETA); polyetylen polyamin (PEPA)…tuy nhiên, nhược điểm của polyamin mạch thẳng là dễ hút ẩm, mùi khó chịu, độc. Trong môi trường ẩm tạo cacbamat không hòa tan làm bề mặt vật liệu mờ đục
(cacbamat không hòa tan) Để khắc phục nhược điểm của amin thẳng người ta đã tạo ra nhiều polyamin thẳng biến tính (adduct) . Adduct từ phản ứng của nhựa epoxy lỏng, thấp phân tử với một lượng amin dư, adduct của DETA với butylacrylat (H2N - (CH2)2 -NH - (CH2)2 -NH -CH2 - CH2 - COOC4H9), adduct của DETA với acrynitryl (H2N - (CH2)2 -NH - (CH2)2 - NH - CH2- CH2 -CN)…
Khoa học và kỹ thuật vật liệu Nguyễn Thị Thanh Nhàn 25 Một số amin thơm:
+ Chất đóng rắn axit
So với chất đóng rắn amin, chất đóng rắn axit ít bị ăn da hơn, ít bị tỏa nhiệt nhiều hơn. Tính chất cơ lý của nhựa như tính chịu hóa học, độ bền nhiệt, khả năng chịu axit cao hơn, nhưng khả năng chịu kiềm kém
Cơ chế đóng rắn: H hoạt động của axit phản ứng với nhóm epoxy của nhựa epoxy tạo nhóm hydroxyl, sản phẩm này lại tác dụng với axit khác và tách nước, sau đó nó tiếp tục kết hợp với nhóm epoxy khác
Một số chất đóng rắn dạng anhydrit:
Khoa học và kỹ thuật vật liệu Nguyễn Thị Thanh Nhàn 26
Cơ chế đóng rắn của anhydrit phức tạp hơn. Đầu tiên là phản ứng mở vòng nhóm anhydryt bằng nhóm hydroxyl của rượu hoặc nước. Sau đó có thể diễn ra năm phản ứng, trong đó quan trọng nhất là phản ứng của nhóm cacboxyl với nhóm epoxy và phản ứng của nhóm hydroxyl với nhóm epoxy
1.4.6.2. Chất đóng rắn trùng hợp:
Chất đóng rắn cộng hợp có tác dụng xúc tác mở vòng để thực hiện phản ứng trùng hợp cation và anion
+ Trùng hợp cation: được khởi đầu bởi axit Lewis như BF3, TiCl4, phức BF3O(C2H5)
Cơ chế trùng hợp: Đầu tiên chất khởi đầu tạo phức với oxi của vòng epoxy tạo thành phức không bền và phức này nhanh chóng chuyển thành ioncacboni hay oxoni (trung tâm tham gia vào phản ứng trùng hợp)
Khoa học và kỹ thuật vật liệu Nguyễn Thị Thanh Nhàn 27
+ Trùng hợp anion: dễ điều khiển hơn, phản ứng được điều chỉnh bởi amin bậc 3 (bazo Lewis)