Фенолформальдегидная смола
| |
| Идентификаторы | |
|---|---|
| ХимическийПаук |
|
| Информационная карта ECHA | 100.105.516 |
Панель управления CompTox ( EPA )
|
|
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
| |
Фенолформальдегидные смолы (ФФ) ( фенольные смолы или фенопласты [1] ) — синтетические полимеры, получаемые реакцией фенола или замещенного фенола с формальдегидом . ПФ, использованные в качестве основы для бакелита , были первыми коммерческими синтетическими смолами. Они широко используются для производства формованных изделий, в том числе бильярдных шаров , лабораторных столешниц, а также в качестве покрытий и клеев . Когда-то они были основным материалом, используемым для производства печатных плат, но в значительной степени были заменены эпоксидными смолами и стекловолоконной тканью, а также огнестойкими FR-4 материалами для печатных плат .
Существует два основных способа производства. Один из них напрямую реагирует с фенолом и формальдегидом с образованием термореактивного сетчатого полимера , а другой ограничивает использование формальдегида для получения преполимера, известного как новолак , который можно формовать, а затем отверждать с добавлением большего количества формальдегида и нагреванием. [2] [3] Существует множество вариаций как в производстве, так и в исходных материалах, которые используются для производства самых разных смол специального назначения.
Формирование и структура
[ редактировать ]Фенолоформальдегидные смолы, как группа, образуются в результате реакции ступенчатой полимеризации , которая может катализироваться кислотой или основанием . метиленгликоля Поскольку формальдегид существует преимущественно в растворе в виде динамического равновесия олигомеров , концентрация реакционноспособной формы формальдегида зависит от температуры и pH.
Фенол реагирует с формальдегидом по орто- и пара- сайтам (сайты 2, 4 и 6), позволяя прикрепить к кольцу до 3 единиц формальдегида. Начальная реакция во всех случаях включает образование гидроксиметилфенола:
- HOC 6 H 5 + CH 2 O → HOC 6 H 4 CH 2 OH
Гидроксиметильная группа способна реагировать либо с другим свободным орто- или паразитом, либо с другой гидроксиметильной группой. Первая реакция дает метиленовый мостик , а вторая образует эфирный мостик:
- HOC 6 H 4 CH 2 OH + HOC 6 H 5 → (HOC 6 H 4 ) 2 CH 2 + H 2 O
- 2 HOC 6 H 4 CH 2 OH → (HOC 6 H 4 CH 2 ) 2 O + H 2 O
Дифенол (HOC 6 H 4 ) 2 CH 2 (иногда называемый «димером») называется бисфенолом F и является важным мономером в производстве эпоксидных смол . Бисфенол-F может дополнительно связывать олигомеры три-, тетра- и высших фенолов.
Новолакс
[ редактировать ]
Новолаки (или новолаки) представляют собой фенолформальдегидные смолы с молярным соотношением формальдегида к фенолу менее единицы. Вместо самого фенола их часто производят из крезолов (метилфенолов). Полимеризацию доводят до завершения с помощью кислотного катализа, таких как серная кислота , щавелевая кислота , соляная кислота и редко сульфоновые кислоты. [4] Фенольные звенья в основном связаны метиленовыми и/или эфирными группами. Молекулярные массы составляют несколько тысяч, что соответствует примерно 10–20 фенольным единицам. требуется отвердитель или отвердитель Полученный полимер является термопластичным, и для образования термореактивного материала .
Гексаметилентетрамин представляет собой отвердитель, добавляемый в сшивку новолака. При температуре выше 90 °С образует метилен- и диметиленаминомосты. Резолы также можно использовать в качестве отвердителя (отвердителя) новолачных смол. В любом случае отвердитель является источником формальдегида, который образует мостики между новолачными цепями, в конечном итоге полностью сшивая систему. [2]
Новолаки имеют множество применений в качестве средства повышения клейкости шин , высокотемпературной смолы, связующего для огнеупоров на углеродной связке, углеродных тормозов, фоторезистов и в качестве отвердителя для эпоксидных смол .
ты решаешь
[ редактировать ]
Фенолформальдегидные смолы с основным катализом производятся с соотношением формальдегида к фенолу более единицы (обычно около 1,5). Эти смолы называются резолами. Фенол, формальдегид, воду и катализатор смешивают в желаемом количестве, в зависимости от образуемой смолы, а затем нагревают. Первая часть реакции, при температуре около 70 °C, образует густой красновато-коричневый липкий материал, богатый гидроксиметильными и бензильными эфирными группами.
Скорость реакции, катализируемой основанием, первоначально увеличивается с ростом pH и достигает максимума примерно при pH = 10. Реакционноспособным веществом является феноксид-анион (C 6 H 5 O − ) образуется при депротонировании фенола. Отрицательный заряд делокализуется по ароматическому кольцу , активируя центры 2, 4 и 6, которые затем реагируют с формальдегидом.
Будучи термореактивными , гидроксиметилфенолы при нагревании примерно до 120 °C сшиваются с образованием мостиков метилена и метилового эфира за счет удаления молекул воды. На этом этапе смола представляет собой трехмерную сетку, типичную для полимеризованных фенольных смол. Высокая степень сшивки придает этому типу фенольной смолы твердость, хорошую термическую стабильность и химическую непроницаемость. Резолы называют «одноэтапными» смолами, поскольку они отверждаются без сшивающего агента, в отличие от новолаков, «двухэтапных» смол.
Резолы – это основные полимерные смолы, широко используемые для склеивания строительных материалов. наружная фанера, ориентированно-стружечные плиты (OSB), инженерный ламинат высокого давления Типичными вариантами применения являются .
Сшивка и соотношение формальдегид/фенол
[ редактировать ]Когда молярное соотношение формальдегид:фенол достигает единицы, теоретически каждый фенол связывается друг с другом посредством метиленовых мостиков, образуя одну молекулу, и система полностью сшивается. Вот почему новолаки (F:P <1) не затвердевают без добавления сшивающих агентов, а резолы с формулой F:P >1 затвердевают.
Приложения
[ редактировать ]Фенольные смолы встречаются во многих промышленных продуктах. Фенольные ламинаты изготавливаются путем пропитки одного или нескольких слоев основного материала, такого как бумага, стекловолокно или хлопок, фенольной смолой и ламинирования пропитанного смолой основного материала под воздействием тепла и давления. смола полностью полимеризуется Во время этого процесса (отверждается), образуя термореактивную полимерную матрицу . Выбор основного материала зависит от предполагаемого применения готового изделия. Бумажные фенольные смолы используются в производстве электрических компонентов, таких как перфорированные платы, в бытовых ламинатах и в бумажных композитных панелях . Стеклянные фенольные смолы особенно хорошо подходят для использования на рынке высокоскоростных подшипников . Для контроля плотности используются фенольные микрошарики. Связующим веществом в обычных (органических) тормозных колодках, тормозных колодках и дисках сцепления является фенольная смола. Бумага, скрепленная синтетической смолой , изготовленная из фенольной смолы и бумаги, используется для изготовления столешниц. Еще одним применением фенольных смол является производство дюропласта , который широко используется в Трабант Автомобили .
Фенольные смолы также используются для изготовления фанеры для наружных работ, широко известной как фанера , устойчивая к атмосферным воздействиям и кипячению (WBP), поскольку фенольные смолы не имеют точки плавления, а имеют только точку разложения в температурной зоне 220 ° C (428 ° F) и выше.
Фенольная смола используется в качестве связующего вещества в динамиков подвески компонентах тканевых .
более высокого качества Бильярдные шары изготавливаются из фенольных смол, в отличие от полиэфиров, используемых в менее дорогих наборах.
Иногда люди выбирают детали из фенольной смолы, армированные волокном, потому что их коэффициент теплового расширения близко соответствует коэффициенту теплового расширения алюминия, используемого для других частей системы, как в ранних компьютерных системах. [5] и Дюрамолд .
Голландский фальсификатор картин Хан ван Меегерен смешивал фенолформальдегид со своими масляными красками перед обжигом готового холста, чтобы имитировать высыхание краски на протяжении веков.
Космические корабли , возвращающиеся в атмосферу, используют фенолформальдегидную смолу в качестве ключевого компонента абляционных теплозащитных экранов (например, AVCOAT на модулях Аполлона). Поскольку температура оболочки теплозащитного экрана может достигать 1000-2000 °С, смола пиролизуется за счет аэродинамического нагрева. Эта реакция поглощает значительную тепловую энергию, изолируя более глубокие слои теплового экрана. Выделение продуктов реакции пиролиза и удаление обугленного материала трением (абляция) также способствуют изоляции автомобиля за счет механического отвода тепла, поглощенного этими материалами.
Торговые названия
[ редактировать ]
- Бакелит изначально изготавливался из фенольной смолы и древесной муки .
- Эбонол — это фенольная смола с бумажным наполнителем, разработанная для замены эбенового дерева в струнных и деревянных духовых инструментах.
- Novotext – это фенольный материал, армированный хлопковым волокном, в котором используются случайно ориентированные волокна.
- Oasis Floral Foam — это «фенольная пена с открытыми порами, которая легко впитывает воду и используется в качестве основы для цветочных композиций». [6]
- Паксолин — это бумажный продукт, связанный смолой, который долгое время использовался в качестве основного материала для печатных плат , хотя во многих приложениях его заменяют композитами из стекловолокна.
- Туфнол — это ламинированный пластик, доступный в виде листов и стержней, который изготавливается из слоев бумаги или ткани, пропитанных фенольной смолой и спрессованных под воздействием тепла. Его высокая стойкость к маслам и растворителям сделала его пригодным для многих технических применений. [7]
- Richlite — это фенольная смола с бумажным наполнителем, которая имеет множество применений: от столешниц и разделочных досок до накладок гитарных грифов .
Биодеградация
[ редактировать ]Фенол-формальдегид разлагается грибом белой гнили Phanerochaete chrysosporium . [8]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Фенопласты» . www.polymerdatabase.com . Проверено 13 июня 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б А. Гардзиелла, Л. А. Пилато, А. Кноп, Фенольные смолы: химия, применение, стандартизация, безопасность и экология, 2-е издание, Springer, 2000 г.
- ^ Вольфганг Гессе «Фенольные смолы» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2002, Wiley-VCH, Вайнхайм. два : 10.1002/14356007.a19_371 .
- ^ Ральф Даммел (1993). «Основная химия новолаков». Резисты на основе диазонафтохинона . Межд. Соц. Оптическая инженерия. ISBN 9780819410191 .
- ^ Дж. Г. Фергюсон, В. Е. Грутцнер, Д. К. Келер, Р.С. Скиннер, М.Т. Скубиак и Д.Х. Уэтерелл. «Приборы и оборудование ESS № 1» . Технический журнал Bell System. 1964. п. 2417.
- ^ «Ресурсный центр Смитерс Оазис» . Архивировано из оригинала 7 апреля 2008 года . Проверено 21 октября 2010 г.
- ^ Годвин, Р. (апрель 2015 г.). «Что такое Туфнол?» . ahistoryoftufnol.org .
- ^ Гюссе переменного тока; Миллер П.Д.; Волк Т.Дж. (июль 2006 г.). «Грибки белой гнили демонстрируют первое биоразложение фенольной смолы». Экологические науки и технологии . 40 (13): 4196–9. Бибкод : 2006EnST...40.4196G . дои : 10.1021/es060408h . ПМИД 16856735 .