酚醛树脂

酚醛樹脂(Phenol formaldehyde resins,PF),也稱為酚醛塑料(phenolic resins)或酚塑料(phenoplasts),是一種合成聚合物,由苯酚或其衍生物與甲醛反應製得。作為電木的基礎,酚醛樹脂是最早實現商業化的合成樹脂。它們曾被廣泛用於製造模塑產品,包括撞球、實驗室檯面,以及作為塗料和黏合劑。它們曾一度是生產電路板的主要材料,但現已大多被環氧樹脂和玻璃纖維布(如防火的FR-4電路板材料)所取代。

主要有兩種生產方法。一種是讓苯酚和甲醛直接反應,生成一種熱固性網狀聚合物;另一種則是限制甲醛用量,生產出一種稱為諾沃拉克(novolac)的預聚物,這種預聚物可以進行模塑,然後透過添加更多甲醛和加熱來固化。 在生產和投入材料方面有許多變化,用以生產各種具有特殊用途的樹脂。

形成與結構
酚醛樹脂作為一類,是透過逐步聚合反應形成的,該反應可以是酸催化或鹼催化的。由於甲醛在溶液中主要以亞甲基二醇低聚物的動態平衡形式存在,因此甲醛的「反應性」形式濃度取決於溫度和酸鹼值(pH)。

苯酚在鄰位和對位(即2、4和6位)與甲醛反應,最多可讓3個甲醛單元連接到苯環上。所有情況下的初始反應都涉及形成羥甲基苯酚:

: HOC6H5 + CH2O → HOC6H4CH2OH
羥甲基能夠與另一個游離的鄰位或對位點反應,或者與另一個羥甲基反應。第一種反應生成亞甲基橋,第二種則形成醚橋:

: HOC6H4CH2OH + HOC6H5 → (HOC6H4)2CH2 + H2O
: 2 HOC6H4CH2OH → (HOC6H4CH2)2O + H2O
生成的雙酚(HOC6H4)2CH2(有時稱為「二聚體」)稱為雙酚F(bisphenol F),它是生產環氧樹脂的重要單體。雙酚F可以進一步連接,生成三酚、四酚及更高階的酚類低聚物。

諾沃拉克
的一段結構,顯示了甲酚亞單元的主導地位和交聯的存在。]]
諾沃拉克(Novolaks或novolacs)是甲醛與苯酚的莫耳比小於一的酚醛樹脂。它們通常不是由苯酚本身,而是由甲酚(甲基苯酚)生產。聚合反應使用酸催化(如硫酸、草酸、鹽酸,很少使用磺酸)來完成。 酚類單元主要透過亞甲基和/或醚基團連接。其分子量在幾千左右,對應大約10-20個苯酚單元。所得聚合物是熱塑性的,需要添加固化劑或硬化劑才能形成熱固性材料。

六亞甲基四胺(Hexamethylenetetramine)是一種用於交聯諾沃拉克的硬化劑。在溫度高於90°C時,它會形成亞甲基和二亞甲基氨基橋。甲階酚醛樹脂(Resoles)也可用作諾沃拉克樹脂的固化劑(硬化劑)。無論哪種情況,固化劑都是甲醛的來源,甲醛在諾沃拉克鏈之間提供橋樑,最終使體系完全交聯。
和杜拉模(Duramold)中。

重返大氣層的太空船使用酚醛樹脂作為燒蝕防熱罩的關鍵組件(例如阿波羅飛船上的AVCOAT)。當防熱罩表皮溫度可達1000-2000°C時,樹脂會因氣動加熱而發生熱解。該反應吸收大量熱能,從而隔離了防熱罩的更深層。熱解反應產物的排氣和炭化材料透過摩擦(燒蝕)被移除,也有助於飛行器的隔熱,因為這些材料機械地帶走了所吸收的熱量。

商品名稱
*電木(Bakelite)最初是由酚醛樹脂和木粉製成的。
*Ebonol是一種紙填充酚醛樹脂,設計用作弦樂和木管樂器中烏木的替代品。
*Novotext是棉纖維增強酚醛樹脂,使用隨機取向的纖維。

  • Tufnol是一種層壓塑料,有片材和棒材形式,由浸漬酚醛樹脂的紙或布層在熱壓下製成。其對油和溶劑的高耐受性使其適用於許多工程應用。

*花藝海綿(Oasis Floral Foam)是「一種開孔酚醛泡沫,能輕易吸水,用作插花的基座。」
*Paxolin是一種樹脂黏合紙產品,長期用作印刷電路板的基材,儘管在許多應用中正被玻璃纖維複合材料取代。
*Richlite是一種紙填充酚醛樹脂,用途廣泛,從檯面、砧板到吉他指板。

生物降解
酚醛樹脂可被白腐真菌「黃孢原毛平革菌」(Phanerochaete chrysosporium)和「酚紅球菌」(Rhodococcus phenolicus)降解。

參見
*脲醛樹脂(Urea-formaldehyde)
*對叔丁基苯酚甲醛樹脂(Para tertiary butylphenol formaldehyde resin)

參考資料

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