Fenolhars

Inleiding

Fenolharsen – verleden, heden en toekomst…
…kunnen we spreken van een renaissance van de allereerste synthetische polymeer?

Paul Ashford, Anthesis-Caleb
Adviseurs voor regelgeving en marketing van de Europese Vereniging voor Fenolharsen (EPRA)

Een benijdenswaardig verleden

Het is al ruim tien jaar geleden dat de fenolharsgemeenschap de honderdste verjaardag vierde van een Belgische staatsburger, Leo Hendrik Baekeland, die de maatschappelijke waarde had ontdekt van de reactie tussen fenol en formaldehyde waarbij fenolhars ontstond. Het evenement werd in september 2007 gemarkeerd door een symposium georganiseerd door de Gentse Universiteit, waar Baekeland zijn doctoraatsdiploma had behaald en diverse jaren had gedoceerd.

De Europese fenolharsindustrie was goed vertegenwoordigd tijdens het evenement, dat gedeeltelijk werd gesponsord door de Europese Vereniging voor Fenolharsen (European Phenolic Resins Association of EPRA) en de vers opgerichte Wereldwijde Vereniging voor Fenolharsen (Global Phenolic Resins Association of GPRA).

Hoe is het verder gegaan met de technologie die Baekeland uitvond, nadat hij deze bij zijn pensionering in 1938 aan Union Carbide had verkocht? Dit artikel probeert die vraag te beantwoorden en mogelijke toekomstige toepassingen van fenolharsen te schetsen.

Manusje-van-alles...

Het is altijd goed de eerste te zijn! Omdat er al vele jaren daarvoor al natuurlijk gewonnen harsen (bijv. schellak) werden gebruikt, was er al een goede markt voor het product. Maar zelfs Baekeland had niet kunnen voorspellen welke vlucht de toepassing van zijn uitvinding ‘bakeliet’ zou nemen – met name als een spuitgietpoeder.

“Duizend toepassingen” was waarschijnlijk niet overdreven omdat de introductie van ‘bakeliet’ samenviel met de snel groeiende vraag naar elektrische apparaten en traditionelere producten zoals kookbenodigdheden.

Vandaag lijkt het nogal ironisch dat het geweldige succes van 'bakeliet' wordt geassocieerd met vervlogen tijden en is uitgegroeid tot baken van de retro-beweging. Fenolharsen behoren echter volstrekt niet tot het verleden, omdat hun ware potentieel namelijk pas onlangs werd onderkend.

...diverse voordelen!

Toen concurrerende materialen beschikbaar werden – eerst in de vorm van andere synthetische thermohardende harsen (bijv. epoxy) en later met goedkopere, op olie gebaseerde thermoplasten - werd duidelijk dat de focus van fenolharsen gericht zou moeten worden op toepassingen waar hun specifieke eigenschappen zich het best voor lenen. De sterkste eigenschappen zijn de hoge temperatuurvastheid en hun adhesieve kwaliteiten. De volgende lijst van toepassingen is daarom synoniem geworden voor de hedendaagse fenolharsmarkt:

Bouw

• Triplexlijmen
• Bindmiddelen voor minerale-wolisolatie
• Isolatieschuim
• Decoratieve laminaten
• Componenten voor moderne lijmen
• Schuurmiddelen

Transport

• Toepassingen onder de motorkap (spuitgietverbindingen)
• Wrijvingsmaterialen voor remmen en koppelingen
• Vezelversterkte composieten
• Spuitgiet- en hittebestendige harsen
• Rubberversterkende harsen

Huishoudelijke apparaten en andere artikelen

• Keukenapparaten (spuitgietverbindingen)
• Blikcoatings
• Inktformules
• Elektrische laminaten

In de decennia na de verkoop van het bedrijf van Baekeland aan Union Carbide is het gebruik van fenolharsen consistent gegroeid op basis van deze kernactiviteiten. De vraag varieert per regio, met waarschijnlijk als beste voorbeeld de dominantie van triplexlijmen in Noord-Amerika, waar bouwen met houten frames nog steeds wijd verspreid is en zeer afhankelijk van stabiele en waterbestendige bindmiddelen.

Volgens een reeks marktonderzoeken was de wereldwijde markt voor fenolharsen in 2015 goed voor bijna 5 miljoen ton met een waarde van meer dan 10 miljard USD. De gebruikspatronen werden als volgt geschat:

Nog belangrijker is dat de meeste markramingen een samengestelde jaarlijkse groei (CAGR) van > 5% in de periode tot 2021 voorspellen, waaruit blijkt dat de kernfactoren voor deze bedrijfstak sterk blijven.

De handel tussen regio's is meestal minder dan 10% van de totale vraag is, wat betekent dat het transport van harsen (met name vloeibare harsen) over grote afstanden meestal niet als kosteneffectief wordt beschouwd. Daarom valt de regionale productie in de meeste gevallen sterk samen met de vraag. Vanwege de wereldwijde vraag naar toonaangevende technologie (bijv. voor wrijvingsmaterialen of rubberversterkende harsen) worden er steeds vaker licentieovereenkomsten gesloten. De afgelopen jaren zijn enkele daadwerkelijk wereldwijd opererende producenten ontstaan die technologieën intern delen.

Op regionaal niveau ondersteunen de eigen gegevens van EPRA de wereldwijde trends die door marktonderzoekers zijn vastgesteld. De vereniging dekt ruim 90% van de Europese niet-monopolistische markt met uitzondering van gieterijharsen. Op basis van haar verzamelde gedetailleerde statistische gegevens meldt EPRA voor 2017 een markt van ruim 800.000 ton/jaar met een stijging van de algehele activiteit van 6,1%. Een sterke groei is met name gerapporteerd in de bouwsector met een stijging van 7% voor bindmiddelen voor minerale wol, 8,2% voor houtbindmiddelen en 13,3% voor isolatieschuimharsen, zij het met een lagere basis.

Brandeigenschappen als aanvullende drijvende kracht

Terugkijkend op de bredere drivers voor de toename van fenolharsen, kwamen aan het eind van de 20e eeuw de tekortkomingen van de goedkopere thermoplasten aan het licht, met name wat betreft brand en rook. Een reeks grote branden in Europa en elders vestigden de aandacht op de behoefte aan materialen die alle voordelen van polymeren hadden, maar zonder de nadelen van de gevestigde middelen.

Naar aanleiding van deze vraag naar materialen met betere prestatie-eigenschappen lanceerde de fenolharsindustrie een reeks producten gebaseerd op de uitstekende intrinsieke brandeigenschappen van de fenolmatrix (lage vlamspreiding en extreem lage rookemissies). Daarvan zijn fenolschuim en vezelversterkte fenolcomposieten wellicht de meest bekende.

Fenolschuim is vooral succesvol in delen van Europa waar de brandeigenschappen van kernmaterialen of blootgestelde elementen van cruciaal belang zijn. Dit correspondeert met de zelfs nog grotere toename van het gebruik van fenolschuim in Japan, waar isolatie met fenol vanwege de bevolkingsdichtheid en bouwmethoden een voor de hand liggende keuze is.

Is de verwachte renaissance werkelijkheid geworden?

Tien jaar geleden speculeerde een auteur in een soortgelijk artikel als dit dat een renaissance van het gebruik van de fenolchemie mogelijk aanstaande was. In de tussenliggende jaren is zeker aangetoond dat de concurrentiepositie van fenolharsen grotendeels verbeterd is, ondanks de gevolgen van de financiële crisis in 2008-2009 en de groeiende concurrentie in een aantal sectoren (zie volgende alinea). Daarom kan redelijkerwijs worden geconcludeerd dat er sprake is van een echte renaissance.

Vanwege de vele verschillende concurrerende materialen die nu verkrijgbaar zijn, zijn er meestal een of meerdere concurrerende opties voor de meeste toepassingen. Omdat de wereldwijde fenolharsmarkt in het midden van de 20e eeuw aanzienlijk verfijnd is geraakt, is het huidige assortiment aan toepassingen opmerkelijk robuust gebleven en wordt alleen merkbaar beïnvloed wanneer de toepassing zelf onder druk komt te staan. Dit is gedeeltelijk te wijten aan de continue ontwikkeling en verfijning van de technologie.

Technische differentiatie in een concurrerende wereld

Nu wereldwijde chemische wet- en regelgeving de afgelopen tien jaar echt merkbaar is geworden, hebben EPRA-leden flink geïnvesteerd in het garanderen van compliance via beter inzicht in de downstream gebruikerstoepassingen en de daarmee verband houdende blootstellingsscenario's. Dit is met name relevant na de herclassificatie van formaldehyde en heeft geleid tot de introductie van 'ultra-low free formaldehyde resins', die in een aantal sectoren goed zijn ontvangen.

Wellicht nog belangrijker is dat door de druk om formaldehyde-emissies te beperken extra nadruk is komen te liggen op het feit dat de fenol-formaldehyde-binding zeer stabiel is en niet hydrolyseert. Dit garandeert minimale formaldehyde-emissies gedurende de levenscyclus van de uitgeharde artikelen en dat wordt een steeds belangrijkere factor in de bouwsector omdat de luchtkwaliteitsnormen steeds strenger worden.

Ter afsluiting

Fenolharsen hebben al meer dan een eeuw lang bewezen uniek te zijn - dat kan van geen enkele andere polymeer beweerd worden! Het zou Baekeland met trots vervuld hebben, maar ik betwijfel of hij op zijn lauweren zou rusten. Hij zou op zoek zijn gegaan naar de volgende baanbrekende toepassing van zijn uitvinding!

Baekeland zou ook zeer dankbaar geweest zijn dat zijn materiaal min of meer een renaissance heeft ondergaan, waarbij de belangrijkste chemische eigenschappen van fenolharsen zich dusdanig onderscheiden van die van andere materialen dat ze een unieke bijdrage blijven leveren aan de maatschappij.

EPRA-leden zijn er verantwoordelijk voor dat deze renaissance blijft doorgaan en blijven intensief investeren om de garanties te geven aan afnemers met steeds hogere verwachtingen. Daartoe behoort het bewijs van het inerte karakter van de volledig uitgeharde matrix die al ruim 100 jaar als bakeliet beschikbaar is.

Paul Ashford – maart 2018