Resina de fenol formaldehído
 | |
| Identificadores | |
|---|---|
| |
| Araña química |
|
| Tarjeta informativa de la ECHA | 100.105.516 |
Panel de control CompTox ( EPA ) |
|
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para los materiales en su estado estándar (a 25 °C [77 °F], 100 kPa). | |
Las resinas de fenol formaldehído (PF) ( resinas fenólicas o fenoplastos [1] ) son polímeros sintéticos obtenidos por la reacción de fenol o fenol sustituido con formaldehído . Utilizadas como base para la baquelita , las PF fueron las primeras resinas sintéticas comerciales. Se han utilizado ampliamente para la producción de productos moldeados, incluidas bolas de billar , encimeras de laboratorio y como revestimientos y adhesivos . En un momento dado, fueron el material principal utilizado para la producción de placas de circuitos , pero se han reemplazado en gran medida por resinas epoxi y tela de fibra de vidrio , como ocurre con los materiales de placas de circuito FR-4 resistentes al fuego.
Existen dos métodos principales de producción. Uno hace reaccionar el fenol y el formaldehído directamente para producir un polímero de red termoendurecible , mientras que el otro restringe el formaldehído para producir un prepolímero conocido como novolac que se puede moldear y luego curar con la adición de más formaldehído y calor. [2] [3] Existen muchas variaciones tanto en la producción como en los materiales de entrada que se utilizan para producir una amplia variedad de resinas para fines especiales.
Formación y estructura
Las resinas de fenol-formaldehído, como grupo, se forman mediante una reacción de polimerización por crecimiento escalonado que puede ser catalizada por un ácido o por una base . Dado que el formaldehído existe predominantemente en solución como un equilibrio dinámico de oligómeros de metilenglicol , la concentración de la forma reactiva del formaldehído depende de la temperatura y el pH.
El fenol reacciona con el formaldehído en los sitios orto y para (sitios 2, 4 y 6), lo que permite que hasta 3 unidades de formaldehído se adhieran al anillo. La reacción inicial en todos los casos implica la formación de un hidroximetilfenol:
- HOC6H5 + CH2O → HOC6H4CH2OH
El grupo hidroximetilo es capaz de reaccionar con otro sitio orto o para libre, o con otro grupo hidroximetilo. La primera reacción da lugar a un puente metileno y la segunda forma un puente éter :
- HOC6H4CH2OH + HOC6H5 → ( HOC6H4 ) 2CH2 + H2O
- 2HOC6H4CH2OH → ( HOC6H4CH2 ) 2O + H2O
El difenol (HOC 6 H 4 ) 2 CH 2 (a veces llamado "dímero") se llama bisfenol F y es un monómero importante en la producción de resinas epoxi . El bisfenol-F puede unirse generando oligómeros de trifenol, tetrafenol y fenoles superiores.
Novolacas
Las novolacas (o novolacs) son resinas de fenol-formaldehído con una relación molar de formaldehído a fenol de menos de uno. En lugar del propio fenol, a menudo se producen a partir de cresoles (metilfenoles). La polimerización se completa utilizando catálisis ácida como ácido sulfúrico , ácido oxálico , ácido clorhídrico y, raramente, ácidos sulfónicos . [4] Las unidades fenólicas están unidas principalmente por grupos metileno y/o éter. Los pesos moleculares están en los miles bajos, correspondientes a aproximadamente 10-20 unidades de fenol. El polímero obtenido es termoplástico y requiere un agente de curado o endurecedor para formar un termoendurecible .
La hexametilentetramina es un endurecedor que se añade para reticular las novolacas. A una temperatura superior a 90 °C, forma puentes de metileno y dimetilenamino. Los resoles también se pueden utilizar como agente de curado (endurecedor) para las resinas novolacas. En cualquier caso, el agente de curado es una fuente de formaldehído que proporciona puentes entre las cadenas de novolacas, y finalmente reticula por completo el sistema. [2]
Las novolacas tienen múltiples usos como adhesivo para neumáticos , resina de alta temperatura, aglutinante para refractarios unidos con carbono, frenos de carbono, fotorresistencias y como agente de curado para resinas epoxi .
Resoles
Las resinas de fenol-formaldehído catalizadas por bases se fabrican con una proporción de formaldehído a fenol mayor que uno (normalmente alrededor de 1,5). Estas resinas se denominan resoles. Se mezclan fenol, formaldehído, agua y catalizador en la cantidad deseada, dependiendo de la resina que se vaya a formar, y luego se calientan. La primera parte de la reacción, a unos 70 °C, forma un material espeso, pegajoso, de color marrón rojizo, rico en grupos hidroximetil y éter bencílico.
La velocidad de la reacción catalizada por una base aumenta inicialmente con el pH y alcanza un máximo a pH = 10. La especie reactiva es el anión fenóxido (C 6 H 5 O − ) formado por la desprotonación del fenol. La carga negativa se deslocaliza sobre el anillo aromático , activando los sitios 2, 4 y 6, que luego reaccionan con el formaldehído.
Al ser termoendurecibles , los hidroximetilfenoles se reticulan al calentarlos a unos 120 °C para formar puentes de metileno y metil éter mediante la eliminación de moléculas de agua. En este punto, la resina es una red tridimensional, algo típico de las resinas fenólicas polimerizadas. La alta reticulación le da a este tipo de resina fenólica su dureza, buena estabilidad térmica e impermeabilidad química. Los resoles se conocen como resinas de "un solo paso", ya que curan sin un agente de reticulación, a diferencia de las novolacas, una resina de "dos pasos".
Los resoles son materiales de resina polimérica de uso generalizado para pegar y unir materiales de construcción. Los tableros de madera contrachapada para exteriores, los tableros de virutas orientadas (OSB) y los laminados de alta presión diseñados son aplicaciones típicas.
Reticulación y relación formaldehído/fenol
Cuando la relación molar de formaldehído:fenol llega a uno, en teoría todos los fenoles están unidos entre sí a través de puentes de metileno, generando una única molécula, y el sistema está completamente reticulado. Por eso las novolacas (F:P <1) no se endurecen sin la adición de un agente reticulante, y por eso los resoles con la fórmula F:P >1 sí lo hacen.
Aplicaciones
Las resinas fenólicas se encuentran en una gran cantidad de productos industriales. Los laminados fenólicos se fabrican impregnando una o más capas de un material base como papel, fibra de vidrio o algodón con resina fenólica y laminando el material base saturado de resina bajo calor y presión. La resina se polimeriza completamente (cura) durante este proceso formando la matriz de polímero termoendurecible . La elección del material base depende de la aplicación prevista del producto terminado. Los fenólicos de papel se utilizan en la fabricación de componentes eléctricos como placas perforadas, en laminados domésticos y en paneles compuestos de papel . Los fenólicos de vidrio son particularmente adecuados para su uso en el mercado de cojinetes de alta velocidad . Los microesferas fenólicas se utilizan para el control de la densidad. El agente aglutinante en pastillas de freno normales (orgánicas), zapatas de freno y discos de embrague son resina fenólica. El papel aglutinado con resina sintética , hecho de resina fenólica y papel, se utiliza para hacer encimeras. Otro uso de las resinas fenólicas es la fabricación de duroplast , famoso por su uso en los automóviles Trabant .
Las resinas fenólicas también se utilizan para fabricar madera contrachapada para exteriores, comúnmente conocida como madera contrachapada resistente a la intemperie y a la ebullición (WBP), porque las resinas fenólicas no tienen punto de fusión, sino solo un punto de descomposición en la zona de temperatura de 220 °C (428 °F) y superior.
La resina fenólica se utiliza como aglutinante en los componentes de suspensión de los controladores de altavoces que están hechos de tela .
Las bolas de billar de gama alta están hechas de resinas fenólicas, a diferencia de los poliésteres utilizados en juegos menos costosos.
A veces, las personas seleccionan piezas de resina fenólica reforzada con fibra porque su coeficiente de expansión térmica coincide estrechamente con el del aluminio utilizado para otras partes de un sistema, como en los primeros sistemas informáticos [5] y Duramold .
El falsificador de pinturas holandés Han van Meegeren mezcló fenol formaldehído con sus pinturas al óleo antes de hornear el lienzo terminado, para simular el secado de la pintura a lo largo de los siglos.
Las naves espaciales de reentrada atmosférica utilizan resina de fenol formaldehído como componente clave en los escudos térmicos ablativos (por ejemplo, AVCOAT en los módulos Apollo). Como la temperatura de la superficie del escudo térmico puede alcanzar los 1000-2000 °C, la resina se piroliza debido al calentamiento aerodinámico. Esta reacción absorbe una cantidad significativa de energía térmica, aislando las capas más profundas del escudo térmico. La desgasificación de los productos de la reacción de pirolisis y la eliminación del material carbonizado por fricción (ablación) también contribuyen al aislamiento del vehículo, al eliminar mecánicamente el calor absorbido en esos materiales.
Nombres comerciales
- La baquelita se fabricaba originalmente a partir de resina fenólica y harina de madera .
- El ebonol es una resina fenólica rellena de papel diseñada como reemplazo de la madera de ébano en instrumentos de cuerda y de viento .
- Novotext es un tejido fenólico reforzado con fibras de algodón, que utiliza fibras orientadas aleatoriamente.
- Oasis Floral Foam es "una espuma fenólica de celdas abiertas que absorbe fácilmente el agua y se utiliza como base para arreglos florales". [6]
- Paxolin es un producto de papel unido con resina que se ha utilizado durante mucho tiempo como material base para placas de circuitos impresos , aunque está siendo reemplazado por compuestos de fibra de vidrio en muchas aplicaciones.
- El tufnol es un plástico laminado disponible en láminas y barras, que se fabrica a partir de capas de papel o tela empapadas en resina fenólica y prensadas con calor. Su alta resistencia a los aceites y disolventes lo hace adecuado para muchas aplicaciones de ingeniería. [7]
- Richlite es una resina fenólica rellena de papel que tiene muchos usos, desde tableros de mesa y tablas de cortar hasta diapasones de guitarra .
Biodegradación
El fenol-formaldehído es degradado por el hongo de podredumbre blanca Phanerochaete chrysosporium . [8]
Véase también
Referencias
- ^ "Fenoplastos". polymerdatabase.com . Consultado el 13 de junio de 2021 .
- ^ ab A. Gardziella, LA Pilato, A. Knop, Resinas fenólicas: química, aplicaciones, estandarización, seguridad y ecología, 2.ª edición, Springer, 2000
- ^ Wolfgang Hesse "Resinas fenólicas" en Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2002, Wiley-VCH, Weinheim. doi :10.1002/14356007.a19_371.
- ^ Ralph Dammel (1993). "Química básica de las novolacas". Resinas resistentes a base de diazonaftoquinona . Int. Soc. Ingeniería óptica. ISBN 9780819410191.
- ^ JG Ferguson, WE Grutzner, DC Koehler, RS Skinner, MT Skubiak y DH Wetherell. "Aparatos y equipos ESS n.º 1". The Bell System Technical Journal. 1964. pág. 2417.
- ^ "Smithers Oasis Resource Center". Archivado desde el original el 7 de abril de 2008. Consultado el 21 de octubre de 2010 .
- ^ Godwin, R. (abril de 2015). "¿Qué es el tufnol?". ahistoryoftufnol.org .
- ^ Gusse AC; Miller PD; Volk TJ (julio de 2006). "Los hongos de podredumbre blanca demuestran la primera biodegradación de la resina fenólica". Environmental Science and Technology . 40 (13): 4196–9. Bibcode :2006EnST...40.4196G. doi :10.1021/es060408h. PMID 16856735.
