XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Эпоксидная смола
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
На моих ключах есть интересный брелок – прозрачный с настоящим скорпионом внутри, его можно рассмотреть с разных сторон (рисунок 1 в приложении 1). Похожего скорпиона только гораздо большего размера я увидел на занятиях по минералогии в Детской библиотеке № 4 МУК «Жуковская ЦБС» (рисунок 2 в приложении 1). Мы проходили тему: «Как отличить настоящие минералы от подделки», на котором преподаватель показал нам этот образец, как пример того, что многие могут спутать его с настоящим янтарём, с застывшими в нём организмами. Как оказалось, это была современная ручная работа, выполненная из эпоксидной смолы. Хотя все поверили, что это экземпляр, которому уже миллионы лет! Мне стало интересно узнать подробнее, что же такое эпоксидная смола и какие у неё свойства.
Цель проекта:
узнать как можно больше об эпоксидной смоле, изготовить различные изделия с применением эпоксидной смолы и проверить её свойства.
Актуальность работы:
в настоящий момент робототехника развивается во многих направлениях, необходимо исследовать возможность применения эпоксидной смолы в современных условиях.
Задачи исследования:
-
познакомиться с литературой по теме;
-
узнать историю изобретения и внедрения эпоксидной смолы;
-
понять основные свойства эпоксидной смолы;
-
узнать интересные факты про применение эпоксидной смолы;
-
научиться изготавливать поделки из эпоксидной смолы;
-
проверить свойства эпоксидной смолы на различных образцах.
Практическая ценность:
Результаты исследования могут быть применены при дальнейшем изучении перспективных направлений развития техники и создании действующих макетов различных устройств.
Гипотеза: применение эпоксидной смолы в сочетании с другими материалами позволяет получить изделия с уникальными свойствами
Объект исследования: эпоксидная смола.
Предмет исследования: свойства эпоксидной смолы, испытания образцов изделий из эпоксидной смолы.
Этапы проекта
1-й этап – подготовительный
На этом этапе были поставлены цель и задачи проекта, определены объект и предмет исследования, выполнен сбор информации.
2-й этап – исследовательский
Практическая деятельность по решению проблемы, экспериментирование.
3-й этап – обобщающий
Анализ проектной деятельности и выводы
4- й этап – презентация проекта
1. История открытия и развития эпоксидной смолы
Эпоксидная смола – комбинированное вещество, полимеризация (отверждение), набор максимальной прочности происходит при контакте со специальным веществом, отвердителем [1]. Эпоксидная смола используется как в практических целях, так и для творчества.
Впервые о таком соединении стало известно, когда русский ученый Н.А. Прилежаев в 1909 г вследствие ряда химических экспериментов открыл химическую реакцию эпоксидирования ненасыщенных соединений пероксибензойной кислотой.
Далее уже ближе к середине 30-х годов химик из Германии П. Шлак получил патент на метод формирования полиаминов с высокими значениями молекулярной массы, образуемых при реакции аминов с эпоксидными соединениями.
Следующим этапом развития этого химического вещества стал 1936 год, когда, ученый из Швейцарии синтезировал смолу янтарного цвета с низким порогом вязкости. Особого внимания были удостоены ее свойства: растворимость и отсутствие возможности плавкости после кристаллизации.
Его предложение по использованию этого материала заключалось в применении в сферах литья изделий и зубном протезировании. Патент на данное открытие был оформлен в 1939 году компанией "Ciba".
Широкое развитие использования этого материала в промышленности было начато в 1947 году. Основное количество эпоксидных соединений, которые и сейчас активно применяются в промышленности, получили синтезирование в период 50-60 годы – было разработано более 25 видов эпоксидных смол.
В настоящий момент в России эпоксидные смолы производят в Нижегородской области, в Татарстане и Башкирии, с учётом этого можно сделать вывод, что эпоксидная смола по-прежнему актуальна в жизнедеятельности человека.
2. Виды эпоксидных смол и их применение
Эпоксидная смола – материал, который позволяет решать множество практических и творческих задач. Добиться желаемого результата удастся, если уделить соответствующее внимание выбору смолы. Эпоксидные смолы можно разделить на две главные группы: конструкционные и декоративные [2].
Конструкционная смола. Она подготовлена для применения в практических целях, максимально прочна, тверда, отличается высокой степенью адгезии (прилипания) к любому материалу-основе, быстро застывает;
Одна из самых популярных универсальных марок – ЭД-20 [3]. Она позволяет добиться прочного соединения множества материалов, после отверждения отличается устойчивостью к нагрузкам. Допускается возможность добавления присадок, изменяющих характеристики готового материала.
Декоративная. Компоненты подобраны таким образом, что главные качества – не прочность и твердость, а текучесть, прозрачность, способность долгое время сохранять изначальный цвет вне зависимости от интенсивности использования, воздействия солнечных лучей.
Эпоксидная смола применяется в самых разных областях:
-
в машиностроении для штампов, оснастки, подшипников;
-
в судостроении для изготовления корпусов лодок, небольших кораблей, топливных емкостей, гребных винтов;
-
в авиационной и космической технике для лёгких и прочных детали крыльев, фюзеляжей и других частей, лопастей вертолетных винтов;
-
в радиотехнике – смола не проводит электрический ток, а потому подходит для изоляции проводки, плат;
-
в строительстве для наливных полов, как компонент плиточных клеев, шпаклевок и иных строительных смесей для максимального сцепления смеси с основанием (адгезии);
-
в быту – для соединения изделий из металла, кожи, дерева, пластмасс, стекла и других материалов;
-
в военной промышленности – наиболее прочные специализированные сорта используются, например, для изготовления бронежилетов, смола соединяет слои основного материала – арамидной ткани;
-
в качестве основы лакокрасочных материалов, обеспечивающих прочный, надежный защитный слой.
Зато в стоматологии, на которую делалась первоначальная ставка при открытии этого компонента, он себя не очень хорошо зарекомендовал, из-за чего и не получил широкого распространения.
Таким образом, можно сделать вывод, что эпоксидная смола широко применяется в прикладном искусстве и различной технике.
3. Изготовление поделок из эпоксидной смолы
В интернете я вместе с родителями нашёл информацию про интересные наборы для творчества из эпоксидной смолы (рисунок 3 в приложении 1).
Такие наборы включают: прозрачную эпоксидную смолу для декоративных целей; силиконовые формочки для заливки; набор декоративных элементов; красители (рисунок 4 в приложении 1); инструмент; средства индивидуальной защиты (маски, перчатки); инструкцию.
Я решил изготовить различные поделки из эпоксидной смолы для проверки свойств этого материала.
Основные этапы изготовления поделок:
-
подготовка рабочего места (обязательно необходимо укрыть стол плёнкой);
-
раскладка украшений в формочки;
-
взвешивание компонентов эпоксидной смолы;
-
смешивание компонентов смолы не менее 3 минут;
-
заливка эпоксидной смолы в формочки;
-
отверждение эпоксидной смолы;
-
извлечение поделок из форм и обработка их кромок.
Техника безопасности при работе с эпоксидной смолой: процесс заливки должен осуществляться в хорошо проветриваемом помещении, необходимо использовать защитную маску или респиратор (рисунок 5 в приложении 1), при непосредственном контакте со смолой необходимо работать в одноразовых перчатках.
Вместе с родителями и младшей сестрой я изготовил следующие поделки: брелоки; кольца; браслеты; кулоны; декоративные шары; фигурки животных (рисунки 6, 7, 8 в приложении 1); композицию “Космонавт” (рисунок 9 в приложении 1); фигурки танков и бронетранспортёров (рисунок 10 в приложении 1).
С учётом опыта, полученного в процессе изготовления поделок, можно сделать вывод, что из эпоксидной смолы можно сделать интересные поделки даже в домашних условиях.
4. Сложности при работе с эпоксидной смолой
При изготовлении поделок из эпоксидной смолы и исследовании её свойств я столкнулся с тем, что качественные детали получаются не всегда с первого раза, необходим “путь проб и ошибок”.
При заливке в форму образуются пузыри. Для решения этой проблемы применяются: нагрев смолы для увеличения текучести, прокалывание пузырей, вакуумирование залитой формы (откачка воздуха) – применяется в промышленности.
Долго отверждается или не отверждается (рисунок 11 в приложении 1). Необходимо соблюдать точные пропорции смолы и отвердителя; тщательно перемешивать смолу и отвердитель – не менее 3 минут; увеличить температуру окружающей среды при отверждении; пробовать наполнители на небольших образцах.
При извлечении из формы в верхней части деталей могут быть острые края (рисунки 12, 13 в приложении 1). Необходимо осторожно обработать края надфилем или наждачной бумагой.
Пропитывает материалы из бумаги, ухудшает вид поделки (рисунок 14 в приложении 1). Необходимо применить другой материал или обработать материал разделяющим составом – требуется проверка на небольшом образце.
Лёгкие декоративные материалы всплывают (шишки, опилки), а более тяжёлые оседают. Необходимо фиксировать детали в форме, продумывать укладку.
Трудно доставать поделки из некоторых форм. Необходимо применять формы из силикона или обрабатывать формы разделяющими составами, например, специальным воском.
Закипание смолы происходит при добавлении излишнего количества отвердителя или размешивании слишком большого количества смолы. Заливку больших объёмов необходимо производить частями или специальными смолами (рисунок 15 в приложении 1).
Таким образом, несмотря на кажущуюся простоту работы с эпоксидной смолой в процессе изготовления поделок могут возникать определённые сложности, которые, тем не менее, можно преодолеть.
5. Исследование свойств эпоксидной смолы
Главное свойство эпоксидной смолы
Эпоксидная смола начинает отверждаться, если смешать смолу и отвердитель. Как правило, они продаются комплектом, на упаковках обозначены пропорции, которые нужно соблюдать при смешивании. Пропорции могут быть различными и 10 к 1, и 10 к 6. Точность соблюдения пропорций – важнейшее условие работы. Важное правило – заливать необходимо отвердитель в смолу, а не наоборот.
Конкретное время застывания эпоксидной смолы определить возможно только опытным путём, всё зависит от марки смолы, пропорций с отвердителем и температуры окружающей среды.
Среднее время отверждения эпоксидной смолы при комнатной температуре (20…25°C) составляет 24 часа. Если положить форму со смолой на батарею отопления (50…60°C), то время отверждения уменьшится в 2-3 раза.
Добавление некоторых видов красителей значительно замедляет отверждение эпоксидной смолы – около 48 часов при (50…60°C).
Текучесть – одно из главных свойств эпоксидной смолы. Текучесть особенно важна при работе с древесиной и формами с мелкими деталями. Я сделал модели танка и бронетранспортёра (рисунок 10 в приложении 1), на которых отлично отпечатались все мелкие детали.
Прозрачность. Исследуя данное свойство, я попробовал залить эпоксидной смолой невысохшие свежие листья от мандаринов, веточку моркови, сухоцветы, веточки туи. Все они прекрасно были видны при застывании, но я сделал вывод, что не следует заливать свежие растения через несколько дней они потеряли свой красивый вид: веточки пожелтели, а листья покрылись белым налётом (рисунок 16 в приложении 1).
Стойкость к воде. Чтобы проверить, на сколько эпоксидная смола восприимчива к воде, я взял прозрачную ёмкость, положил в неё 3 свои поделки из эпоксидной смолы и залил водой. Поделки никак не изменились внешне ни на следующий день, ни даже через неделю (рисунок 17 в приложении 1). Из этого я сделал вывод, что на застывшую эпоксидную смолу влага никак не влияет.
Износостойкость. Раньше в отечественных машинах очень часто можно было увидеть красивую ручку переключения передач с цветком внутри. Она тоже была изготовлена с применением эпоксидной смолы. На неё воздействовали перепады температур (холод/жара в периоды зима/лето) и колебания влажности воздуха, непосредственное использование её при управлении машиной, а также выгорание под солнечными лучами в течении дня. Несмотря на всё это, они до сих пор прекрасно сохранились благодаря износостойкости эпоксидной смолы.
Твёрдость. Для получения более твёрдых образцов, я попробовал добавить в смолу сухой цемент (рисунок 12 в приложении 1). Поделки получились очень твёрдыми и прочными, по внешним признакам очень похожие на камни. Даже острые края, образовавшиеся при заливке, очень тяжело поддаются обработке. Это свойство важно при применении смолы, например, в строительстве.
Отсутствие усадки
Для проверки этого свойства я дважды изготовил фигурку медведя в одной силиконовой форме. При этом я использовал два разных красителя: сухой и жидкий. Объём заливаемой смолы также был равным. Получились две абсолютно одинаковые фигурки медведей с чётко передавшимися гранями от силиконовой формы (рисунок 18 в приложении 1). Значит, в процессе застывания эпоксидной смолы не произошло уменьшения раствора в размерах и объёмах после его заливки.
Способность склеивать различные материалы. Чтобы проверить это свойство я одновременно использовал максимальное количество различных материалов: дерево, камни, песок, металл, ракушки, ткани, бумагу, пластмассу, стекло, шишку, ягоды и веточки туи. У меня получилась красивая картина на тему эпохи динозавров. Все материалы отлично склеились между собой (рисунок 19 в приложении 1).
Химическая стойкость. Другую картину я сделал на тему космоса. Для этого я приготовил в двух стаканчиках чёрный и синий раствор эпоксидной смолы. Аккуратно по спирали залил их в форму из пенопласта, стараясь не смешивать между собой. Получилась поверхность, напоминающая открытый космос. Я положил в ещё незастывшую смолу фигурку космонавта, звёзды, луну и флаг. Когда композиция полностью застыла, мы с папой провели эксперимент, на проверку химической стойкости эпоксидной смолы. Проводить его необходимо обязательно на улице. Мы разрезали пополам 5-литровую пластиковую бутылку, в одну из половинок положили мою картину и стали аккуратно наливать ацетон. Пенопласт растворился за несколько секунд, а картине из эпоксидной смолы ацетон не нанёс никакого вреда (рисунок 20 в приложении 1). Из этого следует, что готовые изделия из эпоксидной смолы обладают высокой химической стойкостью.
Защита от коррозии. Для проверки этого свойства я взял металлическую пластину, зачистил её до металлического блеска и покрыл одну из её половин эпоксидной смолой слоем толщиной 1-2 мм. Для ускорения эксперимента в воду добавил чайную ложку соли, чтобы быстрее начала образовывать ржавчина. Через два дня нахождения металлической пластины в этом растворе, я заметил, что одна её половина стала оранжево-коричневого цвета, то есть на ней появилась коррозия. Вторая половина ржавчине не подверглась (рисунки 21, 22). Это свойство эпоксидной смолы можно использовать в машиностроении.
В процессе исследования свойств эпоксидной смолы я самостоятельно убедился в том, что этот материал можно применять для самых разных целей.
6. Комбинация свойств эпоксидной смолы
В одном изделии могут применяться сразу несколько свойств эпоксидной смолы, обеспечивая при этом работоспособность изделия. Я решил сделать модель торпедного катера “Комсомолец” поскольку мне нравятся корабли (рисунок 23 в приложении 1).
В одной модели торпедного катера одновременно используются следующие свойства эпоксидной смолы: способность пропитки и приклеивания армирующего материала (обшивка из стеклоткани), склеивание деталей (крепление надстроек на палубе), текучесть (заполнение пустот при установке двигателей и болтов) и, конечно, устойчивость к воде (рисунки 24-27, 29 в приложении 1).
Изготовление катера включало следующие этапы:
-
Подготовка документации – в качестве рабочей конструкторской документации использованы схемы и шаблоны корпуса катера, распечатанные в масштабе 1 к 1 на широкоформатном плоттере (рисунок 28 в приложении 1).
-
Перенос геометрии корпуса на заготовку из пенопласта – для этого схема-шаблон корпуса была наложена на пенопласт, контуры перенесены на заготовку с помощью острого карандаша (прокалыванием схемы с шагом 10…15 мм по контуру).
-
Вырезание заготовки корпуса из пенопласта.
-
Разметка нижней части корпуса.
-
Обработка нижней части корпуса наждачной бумагой.
-
Оклейка нижней части корпуса стеклотканью, пропитанной эпоксидной смолой – для этого пенопласт обмазывается тонким слоем эпоксидной смолы размешанной с отвердителем, затем аккуратно накладывается стеклоткань, разглаживаются морщины и выгоняются пузыри.
-
Отверждение эпоксидной смолы.
-
Обрезка наружного контура канцелярским ножом на деревянном основании.
-
Разметка палубы из листового поликарбоната по контуру корпуса.
-
Обрезка и обработка палубы.
-
Разметка надстроек из пенопласта (аналогично пунктам 2 и 4).
-
Вырезание надстроек.
-
Приклейка надстроек и дополнительной окантовки корпуса (картонная полоса 10…15 мм) с помощью эпоксидной смолы.
-
Установка магнитов на нижнюю часть палубы (с помощью винтов).
-
Вырезание ниш (углублений в корпусе) под двигатели, отсеки батарей и электронное оборудование.
-
Подгонка двигателей (предварительно необходимо демонтировать гребные винты).
-
Подгонка ответных частей для магнитов (болтов).
-
Заливка эпоксидной смолой валов двигателей и болтов крепления палубы.
-
Изготовление рулей – из мебельных петель, ПВХ пластика (обрезков вентиляционного короба).
-
Установка рулей (с помощью термоклея).
-
Установка батарей, рулевого сервопривода (рулевой машинки), модуля управления двигателями и приёмника ручного дистанционного управления.
-
Настройка работы электронных устройств.
-
Окраска корпуса и палубы.
-
Установка элементов оформления верхней палубы (остекление рубки, мачты, торпедные аппараты, антенна, пулемёты) (рисунок 27 в приложении 1).
-
Подъём флага на корабле.
-
Спуск корабля на воду.
-
Ходовые испытания корабля в искусственном водоёме (рисунок 29 в приложении 1).
Изготовление корабля позволило применить полученные навыки работы с эпоксидной смолой на сложном объекте и создать интересную радиоуправляемую модель.
Заключение
При работе над проектом «Эпоксидная смола» я узнал, что такое эпоксидная смола и кто её придумал. Я узнал свойства эпоксидной смолы: это текучесть, способность становиться твёрдой, прозрачность, стойкость к воде, химическая стойкость, склеивание и многие другие.
При работе над проектом я применил свои умения, полученные на занятиях по столярному делу и технологии.
В ходе исследования моя гипотеза подтвердилась: эпоксидная смола в сочетании с другими материалами позволяет создавать изделия с уникальными свойствами; изготовленные с помощью эпоксидной смолы поделки обладают хорошими эксплуатационными и художественными характеристиками.
Свойства эпоксидной смолы незаменимы в век роботов и разнообразных электронных устройств; в будущем эпоксидная смола незаменима и продолжит развитие в виде составов со специальными свойствами.
Я поделился знаниями об эпоксидной смоле с друзьями и одноклассниками.
Результатом своего проекта представляю выставку «Поделки из эпоксидной смолы». 16 декабря 2023 года в нашей школе проходила Благотворительная ярмарка, в которой я принял участие, продав несколько своих поделок из эпоксидной смолы (рисунок 30 в приложении 1).
Список источников и литературы
-
artepoxy.ru [Электронный ресурс] История происхождения эпоксидной смолы. 2024, https://artepoxy.ru/istoriya-proishozhdeniya-epoksidnoy-smoly, (дата обращения: 16.02.2024)
-
practeco.ru [Электронный ресурс] Какие бывают эпоксидные смолы, основные виды и их назначение. 2024, https://practeco.ru/vidy/raznovidnosti-epoksidki.html, (дата обращения: 16.02.2024)
-
nkj.ru [Электронный ресурс] Длинный век эпоксидки, кандидат химических наук Дмитрий Львович Старокадомский, журнал «Наука и жизнь», №12 декабрь 2023, https://www.nkj.ru/archive/articles/32969/, (дата обращения: 16.02.2024)
Приложение 1
Рисунок 1 – Скорпион в брелоке из эпоксидной смолы
Рисунок 2 – Скорпион в эпоксидной смоле
Рисунок 3 – силиконовые формы для творчества
Рисунок 4 – сухие и жидкие красители
\
Рисунок 5 – заливка в респираторе
Рисунок 6 – заливка в силиконовые формы из наборов
Рисунок 7 – поделки с наполнителями
Рисунок 8 – шишка в эпоксидной смоле
Рисунок 9 – космонавт
Рисунок 10 – военная техника
Рисунок 11 – недостаточное смешивание компонентов
Рисунок 12 – эпоксидная смола с цементом
Рисунок 13 – острые края на отливке
Рисунок 14 – пропитка краёв картона
Рисунок 15 – закипание эпоксидной смолы
Рисунок 16 – сухие и свежие растения
Рисунок 17 – исследование стойкости к воде
Рисунок 18 – повторяемость формы, минимальная усадка
Рисунок 19 – композиция из различных материалов
Рисунок 20 – химическая стойкость
Рисунок 21 – пластина в солёной воде
Рисунок 22 – пластина спустя несколько дней
Рисунок 23 – торпедный катер «Комсомолец»
Рисунок 24 – разметка корпуса
Рисунок 25 – взвешивание корпуса
Рисунок 26 – приклейка надстроек и окантовки
Рисунок 27 – установка зенитных пулемётов
Рисунок 28 – схема торпедного катера «Комсомолец»
Рисунок 29 – модель торпедного катера «Комсомолец»
Рисунок 30 – благотворительная ярмарка