Résine phénol formaldéhyde - Phenol formaldehyde resin
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100.105.516 
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Tableau de bord CompTox ( EPA )
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Sauf indication contraire, les données sont données pour les matériaux dans leur état standard (à 25 °C [77 °F], 100 kPa). |
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| Références de l'infobox | |
Les résines phénol formaldéhyde (PF) ou résines phénoliques (appelées aussi peu fréquemment phénoplastes) sont des polymères synthétiques obtenus par la réaction du phénol ou du phénol substitué avec le formaldéhyde . Utilisés comme base pour la bakélite , les PF ont été les premières résines synthétiques commerciales (plastiques). Ils ont été largement utilisés pour la production de produits moulés, notamment des boules de billard , des plans de travail de laboratoire, ainsi que comme revêtements et adhésifs . Ils étaient autrefois le matériau principal utilisé pour la production de cartes de circuits imprimés, mais ont été largement remplacés par des résines époxy et des tissus en fibre de verre , comme les matériaux de cartes de circuits imprimés FR-4 résistants au feu .
Il existe deux principales méthodes de production. L'un réagit directement au phénol et au formaldéhyde pour produire un polymère en réseau thermodurcissable , tandis que l'autre restreint le formaldéhyde pour produire un prépolymère connu sous le nom de novolaque qui peut être moulé puis durci avec l'ajout de plus de formaldéhyde et de chaleur. Il existe de nombreuses variations dans la production et les matières premières utilisées pour produire une grande variété de résines à des fins spéciales.
Formation et structure
Les résines phénol-formaldéhyde, en tant que groupe, sont formées par une réaction de polymérisation par étapes qui peut être catalysée par un acide ou une base . Étant donné que le formaldéhyde existe principalement en solution en tant qu'équilibre dynamique d' oligomères de méthylène glycol , la concentration de la forme réactive du formaldéhyde dépend de la température et du pH.
Le phénol réagit avec le formaldéhyde aux sites ortho et para (sites 2, 4 et 6) permettant jusqu'à 3 unités de formaldéhyde de se fixer sur le cycle. La réaction initiale implique dans tous les cas la formation d'un hydroxyméthyl phénol :
- HOC 6 H 5 + CH 2 O → HOC 6 H 4 CH 2 OH
Le groupe hydroxyméthyle est capable de réagir soit avec un autre site ortho ou para libre, soit avec un autre groupe hydroxyméthyle. La première réaction donne un pont méthylène , et la seconde forme un pont éther :
- 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
Le diphénol (HOC 6 H 4 ) 2 CH 2 (parfois appelé "dimère") est appelé bisphénol F , qui est un monomère important dans la production de résines époxy . Le bisphénol-F peut en outre lier la génération d'oligomères tri- et tétra-phénoliques et supérieurs.
Novolaques
Les novolaques (ou novolaques) sont des résines phénol-formaldéhyde avec un rapport molaire formaldéhyde/phénol inférieur à un. Au lieu du phénol lui-même, ils sont souvent produits à partir de crésols (méthylphénols). La polymérisation est menée à son terme en utilisant une catalyse acide-tel que l' acide sulfurique , l' acide oxalique , l' acide chlorhydrique et , rarement, sulfoniques aminés. Les motifs phénoliques sont principalement liés par des groupes méthylène et/ou éther. Les poids moléculaires sont de quelques milliers, correspondant à environ 10 à 20 unités phénol. Le polymère obtenu est thermoplastique et nécessite un agent de durcissement ou un durcisseur pour former un thermodurcissable .
L'hexaméthylènetétramine est un durcisseur ajouté pour réticuler la novolaque. À une température supérieure à 90 °C, il forme des ponts aminés méthylène et diméthylène. Les résols peuvent également être utilisés comme durcisseur (durcisseur) pour les résines novolaques. Dans les deux cas, l'agent de durcissement est une source de formaldéhyde qui fournit des ponts entre les chaînes novolaques, réticulant finalement complètement le système.
Les novolaques ont de multiples utilisations comme agent collant pour pneus , résine haute température, liant pour réfractaires liés au carbone, freins au carbone, photoresists et comme agent de durcissement pour les résines époxy .
Semelles
Les résines phénol-formaldéhyde catalysées par une base sont fabriquées avec un rapport formaldéhyde/phénol supérieur à un (généralement autour de 1,5). Ces résines sont appelées résols. Le phénol, le formaldéhyde, l'eau et le catalyseur sont mélangés dans la quantité souhaitée, en fonction de la résine à former, puis sont chauffés. La première partie de la réaction, à environ 70 °C, forme un matériau collant brun rougeâtre épais, riche en groupes hydroxyméthyle et éther benzylique.
La vitesse de la réaction catalysée par une base augmente initialement avec le pH , et atteint un maximum à environ pH = 10. L'espèce réactive est l'anion phénoxyde (C 6 H 5 O − ) formé par déprotonation du phénol. La charge négative est délocalisée sur le cycle aromatique , activant les sites 2, 4 et 6, qui réagissent alors avec le formaldéhyde.
Étant thermodurcissables , les hydroxyméthylphénols se réticuleront lors du chauffage à environ 120 °C pour former des ponts méthylène et éther méthylique par élimination des molécules d'eau. À ce stade, la résine est un réseau tridimensionnel, typique des résines phénoliques polymérisées. La réticulation élevée confère à ce type de résine phénolique sa dureté, sa bonne stabilité thermique et son étanchéité aux produits chimiques. Les résols sont appelés résines "en une étape" car ils durcissent sans agent de réticulation contrairement aux novolaques, une résine "en deux étapes".
Les résols sont les principaux matériaux de résine polymère largement utilisés pour le collage et le collage de matériaux de construction. Le contreplaqué extérieur, les panneaux à copeaux orientés (OSB), le bois d'œuvre composite contrecollé (LCL) sont des applications typiques.
La réticulation et le rapport formaldéhyde/phénol
Lorsque le rapport molaire formaldéhyde:phénol atteint un, en théorie, chaque phénol est lié par des ponts méthylène, générant une seule molécule, et le système est entièrement réticulé. C'est pourquoi les novolaques (F:P <1) ne durcissent pas sans l'ajout d'agents de réticulation, et pourquoi les résols de formule F:P >1 le feront.
Applications
Les résines phénoliques sont présentes dans une myriade de produits industriels. Les stratifiés phénoliques sont fabriqués en imprégnant une ou plusieurs couches d'un matériau de base tel que le papier, la fibre de verre ou le coton avec de la résine phénolique et en laminant le matériau de base saturé de résine sous chaleur et pression. La résine polymérise complètement (durci) au cours de ce processus formant la matrice polymère thermodurcie . Le choix du matériau de base dépend de l'application prévue du produit fini. Les papiers phénoliques sont utilisés dans la fabrication de composants électriques tels que les panneaux perforés, dans les stratifiés ménagers et dans les panneaux composites en papier . Les verres phénoliques sont particulièrement bien adaptés pour une utilisation sur le marché des roulements à grande vitesse . Des micro-ballons phénoliques sont utilisés pour le contrôle de la densité. L'agent liant dans les plaquettes de frein, les segments de frein et les disques d'embrayage normaux (organiques) est la résine phénolique. Le papier lié à la résine synthétique , fabriqué à partir de résine phénolique et de papier, est utilisé pour fabriquer des comptoirs. Une autre utilisation des résines phénoliques est la fabrication de Duroplast, utilisé dans les automobiles Trabant.
Les résines phénoliques sont également utilisées pour fabriquer du contreplaqué extérieur communément appelé contreplaqué résistant aux intempéries et à l'ébullition (WBP), car les résines phénoliques n'ont pas de point de fusion mais seulement un point de décomposition dans la zone de température de 220 °C (428 °F) et plus.
Résine phénolique est utilisée en tant que liant dans haut - parleur conducteur éléments de suspension qui sont faites de tissu .
Les boules de billard haut de gamme sont fabriquées à partir de résines phénoliques, par opposition aux polyesters utilisés dans des ensembles moins chers.
Parfois, les gens choisissent des pièces en résine phénolique renforcée de fibres parce que leur coefficient de dilatation thermique correspond étroitement à celui de l'aluminium utilisé pour d'autres parties d'un système, comme dans les premiers systèmes informatiques et Duramold .
Le faussaire de peinture hollandais Han van Meegeren a mélangé du phénol formaldéhyde avec ses peintures à l'huile avant de cuire la toile finie, afin de simuler le dessèchement de la peinture au fil des siècles.
Appellations commerciales
- La bakélite était à l'origine fabriquée à partir de résine phénolique et de farine de bois .
- Novotext est un coton phénolique renforcé de fibres, utilisant des fibres orientées de manière aléatoire.
- La mousse florale Oasis est "une mousse phénolique à cellules ouvertes qui absorbe facilement l'eau et est utilisée comme base pour les compositions florales".
- Le paxolin est un papier lié à la résine utilisé depuis longtemps comme matériau de base pour les cartes de circuits imprimés , bien qu'il soit remplacé par des composites en fibre de verre dans de nombreuses applications.
- Le tufnol est un plastique stratifié disponible sous forme de feuilles et de tiges, qui est composé de couches de papier ou de tissu qui ont été imbibées de résine phénolique et pressées à chaud. Sa haute résistance aux huiles et aux solvants l'a rendu approprié pour de nombreuses applications d'ingénierie.
- Ebonol est une résine phénolique remplie de papier conçue pour remplacer le bois d' ébène dans les instruments à cordes et à vent .
Biodégradation
Le phénol-formaldéhyde est dégradé par le champignon de la pourriture blanche Phanerochaete chrysosporium .