سنتز رزین اپوکسی

تولید رزین‌های اپوکسی شامل دو مرحله است. نخست باید یک دی‌اپوکسی به دست آورد و در مرحله‌ی بعد باید آن را با یک دی‌آمین شبکه‌ای نمود. بنابراین درباره‌ی این دو مرحله به طور جداگانه صحبت خواهیم کرد.

ساخت یک دی‌اپوکسی
پخت اپوکسی با یک دی‌آمین

 

ساخت یک دی‌اپوکسی

این مرحله در نوع خود، یک پلیمریزاسیون مرحله‌ای محسوب می شود. ابتدا پیش پلیمر را با استفاده از بیس فنل A و اپی کلروهیدرین تهیه می کنیم. با کلیک کردن اینجا، می توانید این مولکول ها را در حالت سه بعدی ببینید. واکنش مربوطه، به این صورت است که شما آن را در صفحه ی اپوکسی هم ملاحظه کردید:

 

این واکنش چگونه صورت می گیرد؟ اولین اتفاقی که می افتد، این است که NaOH با بیس فنل A معاوضه ی کوچکی انجام می دهد تا نمک سدیم بیس فنل A را به وجود آورد:

برای دیدن فیلمی از این مرحله‌ی واکنش، اینجا کلیک کنید.

این نمک، همان طور که خواهید دید، اکسیژنی با سه زوج الکترون دارد که این سه زوج الکترون با هیچ اتمی به اشتراک گذاشته نشده‌اند. به همین دلیل این اکسیژن تمایل دارد که الکترون‌هایش را با اتم‌های کم‌الکترون‌تر به اشتراک بگذارد. به این ترتیب اکسیژن، اتم کربنی روی اپی‌کلروهیدرین مجاور می‌یابد که می‌تواند از تعدادی از این الکترون ها استفاده کند. این اتم کربن دقیقاً مجاور کلر است. کلر موظف است که یک زوج الکترون را با آن کربن، به اشتراک بگذارد، ولی از آن جایی که الکترونگاتیو است، تمایل دارد آن زوج الکترون را تصاحب کند. بنابراین، اکسیژن یک زوج از الکترون‌هایش را به اتم کربن می‌بخشد. البته کربن تنها می‌تواند چهار زوج الکترون را به طور هم­زمان به اشتراک بگذارد، در نتیجه اگر می‌خواهد زوج الکترون اکسیژن را بگیرد، باید یک زوج را رها کند. بنابراین از الکترون‌هایی که با کلر به اشتراک گذاشته است چشم‌پوشی می‌کند، و اتم کلر را رها می‌کند و از ساختار مولکول خارج می‌سازد.

برای دیدن فیلمی از این واکنش، اینجا کلیک کنید.

دیدیم که با مولکولی شبیه به بیس فنل A‌، با این تفاوت که یک گروه اپوکسی روی خود دارد، واکنش را تا اینجا به پایان می رسانیم و NaCl هم به دست می آوریم.

پس از آن چه اتفاقی می افتد؟ اتفاقات مختلفی می تواند روی دهد. از صفحه ی اپوکسی به خاطر بیاورید که گفتیم چگونه این پیش پلیمرها در وزن های مولکولی مختلفی به دست می‌آیند. گاهی درجه ی پلیمریزاسیونشان به بزرگی ۲۵ است و گاهی هم به این کوچکی هستند:

اینکه پیش پلیمرها، چقدر بزرگ یا کوچک شوند، به نسبت اپی کلروهیدرین به بیس فنل

A در مخلوط واکنش، بستگی دارد. اجازه دهید این نسبت را ۲ مولکول اپی کلروهیدرین به ازای هر مولکول بیس فنل A قرار دهیم. حال بیایید ببینیم چه اتفاقی برای مولکولی که با این نسبت تهیه کرده ایم، پیش می آید:

آنچه روی می دهد این است که ما در طرف دیگر مولکول نیز، به یک گروه اپوکسی دست می یابیم. واکنش سپس متوقف می شود، زیرا دیگر گروه های نمکی بیس فنل A بیشتری برای واکنش باقی نمانده است.

ولی اگر برای هر مولکول بیس فنل A کمتر از ۲ مولکول اپی کلروهیدرین وجود داشته باشد، چه رخ خواهد داد؟ در این صورت، تمام گروه های نمکی بیس فنل A نمی توانند با اپی کلروهیدرین واکنش دهند. بیایید اکنون نسبتمان را سه مولکول اپی‌کلروهیدرین برای هر دو مولکول بیس فنل A در نظر بگیریم. وقتی که همه ی مولکول های اپی کلروهیدرین واکنش دادند، مامخلوطی با نسبت ۵۰:۵۰ از این دو مولکول داریم:

دو مولکول سپس می‌توانند با هم واکنش دهند تا این مولکول را به وجود آورند:

برای دیدن فیلمی از این مرحله‌ی واکنش، اینجا کلیک کنید.

حال ما یک دیمر داریم که تصادفاً یک نمک سدیم هم هست. در این میان، به بار منفی روی اتم اکسیژن توجه داشته باشید. وقتی یک مولکول آب وارد شود (به خاطر می آورید که ما در طی تهیه ی نمک سدیم از بیس فنل A‌، مقداری مولکول آب نیز به دست آوردیم)، یک زوج الکترون از این اکسیژن دارای بار منفی به یکی از هیدروژن های آب حمله می کنند و آن را از آب می‌رباید.

برای دیدن فیلمی از این مرحله ی واکنش، اینجا کلیک کنید.

حالا آن اکسیژن یک گروه الکلی تشکیل می دهد، و ما مجدداً NaOH به دست می آوریم. NaOH را بخاطر می آورید؟

هر چه مقدار اپی کلروهیدرین نسبت به نمک بیس فنل A بیشتر باشد، الیگومر به دست آمده بزرگ تر خواهد بود. آیا می توانید علت آن را حدس بزنید؟ برای دستیابی به تریمر، از چه نسبتی باید استفاده کنید؟

حال، اگر می‌خواهید فیلمی از تمام فرآیند ببینید، اینجا کلیک کنید.

پخت اپوکسی با یک دی‌آمین

وقتی شما پیش‌پلیمرهای دی‌اپوکسی را ساختید، باید همه‌ی آنها را به هم متصل کنید. این کار با افزودن یک دی‌آمین انجام می‌گیرد. این دی‌آمین، وقتی که گروه‌های اپوکسی را در انتهای پیش‌پلیمر می‌بینید، کار جالبی انجام می‌دهد. زوج الکترون‌های تنهای گروه‌های آمینی، گروه‌های اپوکسی را خواهند دید و مشاهده خواهند کرد که اکسیژن اپوکسی، از آنجایی که الکترونگاتیو است، در حال کشیدن همه‌ی الکترون‌ها از اتم‌های کربن مجاور به سمت خود است. سپس الکترون‌های دی‌آمین با نظری به آن اتم‌های کربن درمی‌یابند که با این وضعیت به راحتی می‌توانند الکترون‌هایشان را به اتم کربن انتهای مولکول بدهند.

 

برای دیدن فیلمی از این مرحله ی واکنش، اینجا کلیک کنید.

انجام این کار، کربن الکترون‌هایی را که با اکسیژن به طور نابرابر به اشتراک گذاشته بود، رها می‌کند. پیوند بین کربن و اکسیژن شکسته می‌شود و پیوند جدیدی بین کربن و نیتروژن آمین تشکیل می‌شود. به این ترتیب، یک بار منفی روی اکسیژن و یک بار مثبت روی نیتروژن باقی خواهد ماند.

اکسیژن الکترون‌ها را دوست دارد، ولی ۳ زوج الکترون دارد که با هیچ اتم دیگری به اشتراک نگذاشته است. پس یکی از آن جفت الکترون‌های غیرپیوندی، هیدروژن متصل به نیتروژن مثبت را پیدا می‌کند و سپس به آن هیدروژن حمله می‌کند.

برای دیدن فیلمی از این مرحله ی واکنش، اینجا کلیک کنید.

بدین ترتیب یک پیوند بین اکسیژن و هیدروژن تشکیل می‌شود و هیدروژن در حالی که الکترون‌های خود را جا گذاشته است، از نیتروژن جدا می‌شود. این اتفاق با در نظر گرفتن بار مثبت اولیه‌ی نیتروژن، موجب خنثی شدن آن می‌گردد.

اگر دوست دارید فیلمی از تمام این فرآیند ببینید، اینجا کلیک کنید.

گروه آمینی هنوز یک هیدروژن بر روی خود دارد و می‌تواند با شیوه‌ای کاملاً یکسان، با گروه اپوکسی دیگری وارد واکنش شود. به تعدادی که آمین، هیدروژن دارد، به همان تعداد می‌تواند با گروه‌های اپوکسی واکنش دهد. این چیزی است که ما تا اینجای کار به آن دست یافته ایم:

به خاطر بیاورید که از یک دی‌آمین استفاده می‌کنیم، بنابراین گروه آمینی انتهای دیگر دی‌آمین هم می‌تواند با دو گروه اپوکسی واکنش دهد. در نتیجه با چهار پیش‌پلیمر اپوکسی متصل به یک مولکول دی‌آمین، کار را به پایان می‌رسانیم.

به خاطر بیاورید، انتهای دیگر پیش پلیمرهای دی اپوکسی به مولکول های دی آمین دیگری متصل شده اند. پس از این طریق، تمام مولکول های دی‌آمین و همه ی مولکول های دی اپوکسی، در یک مولکول بزرگ، یعنی یک شبکه ی دارای اتصال عرضی، به هم وصل می شوند. این شبکه، چیزی شبیه به این است: