Grote industriële polymeren

Fenolformaldehyde

Veel mensen dateren het begin van de moderne kunststofindustrie tot 1907, toen Leo Hendrik Baekeland, een in België geboren Amerikaanse chemicus, patent vroeg op een fenol-formaldehyde-thermohardende stof die uiteindelijk bekend werd onder de handelsnaam Bakelite. Ook bekend als fenolharsen, waren fenol-formaldehyde-polymeren de eerste volledig synthetische polymeren die in de handel werden gebracht. Hoewel vormproducten niet langer hun belangrijkste toepassing vertegenwoordigen, vertegenwoordigen ze door hun gebruik als lijm nog steeds bijna de helft van de totale productie van thermohardende polymeren.

Experimenten met fenolharsen dateren van vóór Baekeland's werk. In 1872 condenseerde de Duitse chemicus Adolf von Baeyer trifunctioneel fenol en difunctioneel formaldehyde, en in de daaropvolgende decennia onderzochten Baeyer's student Werner Kleeberg en andere chemici de producten, maar ze slaagden er niet in de reactie voort te zetten omdat ze niet in staat waren de amorfe harsachtige producten te kristalliseren en te karakteriseren. Het was Baekeland die er in 1907 in slaagde de condensatiereactie te beheersen om de eerste kunsthars te produceren. Baekeland was in staat om de reactie te stoppen terwijl de hars nog in een smeltbare, oplosbare staat was (de A-fase), waarin het kon worden opgelost in oplosmiddelen en gemengd met vulstoffen en versterkingen die het tot een bruikbare kunststof zouden maken. De hars, in dit stadium een resol genoemd, werd vervolgens naar het B-stadium gebracht, waar het, hoewel bijna ongrijpbaar en onoplosbaar, nog steeds door warmte kon worden verzacht tot de uiteindelijke vorm in de vorm. De volledig uitgeharde thermohardende trap was de C-trap. In 1911 begon Baekeland's General Bakelite Company met activiteiten in Perth Amboy, NJ, VS, en kort daarna gebruikten veel bedrijven bakeliet plastic producten. In een kunststoffenmarkt die vrijwel werd gemonopoliseerd door celluloid, een licht ontvlambaar materiaal dat gemakkelijk oploste en zacht werd door warmte, vond bakeliet een acceptabele acceptatie omdat het onoplosbaar en onsmeltbaar kon worden gemaakt. Bovendien zou het thermohardende product aanzienlijke hoeveelheden inerte ingrediënten verdragen en zou het daarom kunnen worden gewijzigd door de toevoeging van verschillende vulstoffen, zoals houtmeel, katoenvlokken, asbest en gehakte stof. Vanwege zijn uitstekende isolerende eigenschappen werd de hars verwerkt tot stopcontacten, knoppen en wijzerplaten voor radio's en werd hij gebruikt in de elektrische systemen van auto's.

Er worden twee methoden gebruikt om fenol-formaldehyde-polymeren te maken. In de ene een overmaat formaldehyde reageren met fenol in aanwezigheid van een basekatalysator in wateroplossing de resol, dat een laag molecuulgewicht prepolymeer met CH op ₂ OH-groepen bevestigd aan de fenolringen. Bij verhitting condenseert het resol verder, met verlies van water en formaldehyde, waardoor thermohardende netwerkpolymeren ontstaan. De andere methode is het laten reageren van formaldehyde met een overmaat fenol met behulp van een zure katalysator om prepolymeren te produceren die novolacs worden genoemd. Novolacs lijken op het polymeer, behalve dat ze een veel lager molecuulgewicht hebben en nog steeds thermoplastisch zijn. Uitharden tot netwerkpolymeer wordt bereikt door de toevoeging van meer formaldehyde of, meer gebruikelijk, van verbindingen die bij verhitting ontleden tot formaldehyde.

Fenol-formaldehyde-polymeren zijn uitstekende houtlijmen voor multiplex en spaanplaat omdat ze chemische bindingen vormen met de fenollike lignine-component van hout. Houtlijmen vormen in feite de grootste markt voor deze polymeren. De polymeren zijn donker van kleur als gevolg van nevenreacties tijdens polymerisatie. Omdat hun kleur vaak het hout bevlekt, zijn ze niet geschikt voor decoratieve binnenbekleding. Ze zijn echter de favoriete lijm voor multiplex buiten, vanwege hun goede vochtbestendigheid.

Fenolharsen, steevast versterkt met vezels of vlokken, worden ook gevormd tot hittebestendige objecten zoals elektrische connectoren en handgrepen van het apparaat.

Ureum-formaldehyde-polymeren

Harsen gemaakt van ureum-formaldehyde-polymeren werden in de jaren twintig van de vorige eeuw commercieel gebruikt in lijmen en bindmiddelen. Ze worden op vrijwel dezelfde manier verwerkt als resoles (dwz met behulp van overtollig formaldehyde). Net als fenol worden de polymeren gebruikt als houtlijmen, maar omdat ze lichter van kleur zijn, zijn ze meer geschikt voor multiplex en decoratieve lambrisering binnenshuis. Ze zijn echter minder duurzaam en hebben onvoldoende weersbestendigheid voor buitentoepassingen.

Ureum-formaldehyde-polymeren worden ook gebruikt om textielvezels te behandelen om de rimpel- en krimpweerstand te verbeteren, en ze worden gemengd met alkydverven om de oppervlaktehardheid van de coating te verbeteren.

Melamine-formaldehyde-polymeren

Deze verbindingen zijn vergelijkbaar met ureum-formaldehyde-harsen in hun verwerking en toepassingen. Bovendien maakt hun grotere hardheid en waterbestendigheid ze geschikt voor decoratief serviesgoed en voor fabricage in het tafelblad en het aanrechtproduct ontwikkeld door de Formica Corporation en verkocht onder de handelsmerknaam Formica.

Op melamine gebaseerde polymeren worden ook veelvuldig gebruikt als verknopingsmiddelen in gebakken oppervlaktecoating-systemen. Als zodanig hebben ze veel industriële toepassingen gehad, bijvoorbeeld in aflakken voor auto's en in afwerkingen voor apparaten en metalen meubelen. Het gebruik ervan in coatings neemt echter af vanwege beperkingen op de emissie van formaldehyde, een belangrijk onderdeel van deze coatings.

Cellulose

Cellulose (C ₆ H ₇ O ₂ [OH] ₃) is een in de natuur voorkomend polymeer bestaande uit herhalende glucose-eenheden. In zijn natuurlijke staat (bekend als inheemse cellulose) wordt het al lang geoogst als commerciële vezel - zoals in katoen, vlas, hennep, kapok, sisal, jute en ramee. Hout, dat bestaat uit cellulose in combinatie met een complex netwerkpolymeer genaamd lignine, is een veelvoorkomend bouwmateriaal. Papier wordt ook gemaakt van natuurlijke cellulose. Hoewel het een lineair polymeer is, is cellulose thermohardend; dat wil zeggen, het vormt permanente, gebonden structuren die niet kunnen worden losgemaakt door warmte of oplosmiddelen zonder chemische ontleding te veroorzaken. Het thermohardende gedrag komt voort uit sterke dipolaire attracties die bestaan tussen cellulosemoleculen en geeft eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van onderling verbonden netwerkpolymeren.

In de 19e eeuw werden methoden ontwikkeld om houtcellulose chemisch van lignine te scheiden en vervolgens de cellulose terug te regenereren tot de oorspronkelijke samenstelling voor gebruik als zowel een vezel (rayon) als een plastic (cellofaan). Ester- en etherderivaten van cellulose werden ook ontwikkeld en gebruikt als vezels en kunststoffen. De belangrijkste verbindingen waren cellulosenitraat (nitrocellulose, verwerkt tot celluloid) en celluloseacetaat (voorheen bekend als acetaat rayon maar nu eenvoudigweg bekend als acetaat). Beide chemische derivaten waren gebaseerd op de cellulosestructuur