Fenolna smola

Industrijske uporabe in tehnologije

Uvod

Fenolne smole - preteklost, sedanjost in prihodnost…
… Je prišla renesansa za prvi sintetični polimer?

Paul Ashford, Anthesis-Caleb
regulativni in tržni svetovalci Anthesis-Caleb pri Evropskem združenju za fenolne smole (EPRA)

Zavidljiva preteklost

Skupina za fenolne smole je že pred več kot desetimi leti praznovala stoletnico belgijskega državljana, Lea Hendrika Baekelanda, ki je odkril družbeno vrednost reagiranja fenola s formaldehidom za nastanek fenolne smole. Dogodek je bil septembra 2007 zabeležen na simpoziju, ki ga je organizirala Univerza v Gentu, kjer je Baekeland doktoriral in poučeval več let.

Industrija evropskih fenolnih smol je bila dobro zastopana na prireditvi, ki jo je delno sponzorirala Evropska zveza za fenolne smole (EPRA) in takrat novo ustanovljeno združenje Global Phenolic Resins Association (GPRA).

Vendar, kaj se je zgodilo s tehnologijo, ki jo je Baekeland izumil, ko jo je prodal Union Carbide ob njegovi upokojitvi leta 1938? Ta članek poskuša raziskati to vprašanje in poudariti, kako bi se lahko fenolne smole razvijale v prihodnosti.

Vsestranski produkt…

Da ste »prvi v vrsti« prinaša pomembne prednosti! Upoštevajoč dejstvo, da so naravne smole (npr. Shellac) obstajale že mnogo let prej, so za ta izdelek obstajali že dobro uveljavljeni trgi. Vendar pa niti Baekeland ni mogel predvideti širine uporabe, za katero naj bi se uporabil njegov izum „bakelit“ - še posebej, kadar se uporablja v obliki praška za oblikovanje.

Izjava »tisoč uporab« verjetno ni bila pretirana, saj je uvedba »bakelita« sovpadala z rastočo rastjo povpraševanja po električnih izdelkih in bolj tradicionalnih predmetih, kot je posoda za kuhanje.

Danes se zdi precej ironično, da je čisti uspeh „bakelita“ povzročil, da je povezan s preteklostjo celo do te mere, da je bil pred kratkim ikona »retro« gibanja. Toda fenolne smole so daleč od tega, da bi bile stvar preteklosti, saj so šele sedaj začeli spoznavati njihov dejanski potencial.

... gospodar večih!

Ker so se začeli pojavljati konkurenčni materiali - sprva pod krinko drugih sintetičnih termoreaktivnih smol (npr. epoksi), kasneje pa cenejši termoplasti na oljni osnovi, je postalo jasno, da je treba fenolne smole usmeriti na področja uporabe, za katere so njihove lastnosti najbolj primerne. Te lastnosti so bile opredeljene kot odpornost na visoke temperature in njihove lepilne lastnosti. Naslednji seznam področij uporabe je zato postal sinonim za današnji trg fenolnih smol:

Gradbeništvo

  • Lepila za vezane plošče
  • Veziva za izolacijo iz mineralne volne
  • Izolacijske pene
  • Dekorativni laminati
  • Komponente za sodobna lepila
  • Abrazivi

Prevoz

  • Uporaba pod pokrovom (zmesi za vlivanje)
  • Torni materiali za zavore in sklopke
  • Kompoziti, ojačani z vlakni
  • Livarne in ognjevzdržne smole
  • Smole za ojačitev gume

Gospodinjski aparati in drugi izdelki

  • Kuhinjska posoda (zmesi za vlivanje)
  • Premazi za pločevinke
  • Formulacije za črnilo
  • Električni laminati

Na podlagi teh temeljnih dejavnosti se je uporaba fenolnih smol skozi desetletja po prodaji dejavnosti Baekelanda podjetju Union Carbide dosledno povečevala. Povpraševanje se je razlikovalo glede na regijo, pri čemer je verjetno najboljši primer prevlada lepil za lepljenje vezanih plošč v Severni Ameriki, kjer tehnike gradnje z okvirjem iz lesa ostajajo prevladujoče in zelo odvisne od stabilnih in vodoodpornih veziv.

 

Glede na vrsto tržnih raziskovalnih virov je svetovni trg za fenolne smole leta 2015 dosegel blizu 5 milijonov ton, vrednost pa je presegla 10 milijard USD. Vzorci uporabe so bili ocenjeni na naslednji način:

Vir: Grand View Markets

Še pomembneje je, da je večina tržnih ocen napovedala CAGR v višini> 5 % v obdobju do leta 2021, kar kaže, da so osnovni tržni temelji za industrijo močni.

Trgovina med regijami običajno predstavlja manj kot 10 % celotnega povpraševanja, kar odraža dejstvo, da se prevažanje smol (zlasti tekočih) na dolge razdalje običajno ne šteje za stroškovno učinkovito. Zato regionalna proizvodnja v večini primerov vzporedno zahteva povpraševanje. Kjer je povsod po svetu potrebna najsodobnejša tehnologija (npr. v tornih materialih ali smolah za ojačanje gume), so se običajno sklepali licenčni sporazumi, ki so omogočili tak prevoz. V zadnjih letih pa so se pojavili številni resnično svetovni proizvajalci, ki lahko prenašajo tehnologije interno.

Na regionalni ravni lastni podatki združenja EPRA podpirajo globalne trende, ki jih opazujejo tržni raziskovalci. Združenje pokriva več kot 90 % evropskega prostega trga, razen livarskih smol. Na podlagi podrobnega zbiranja statističnih podatkov EPRA poroča o trgu z več kot 800.000 tonami na leto, pri čemer je skupna aktivnost v letu 2017 znašala 6,1 %. Posebej močna rast je bila zabeležena v gradbeništvu z vezivi za mineralno volno v višini 7 %, vezivom za les v višini 8,2 % in izolacijskimi penami v višini 13,3 %, čeprav z nižje osnove.

Požarne lastnosti kot nadaljnja iztočnica

Korak nazaj v koriščenju fenolne smole je povzročilo dejstvo, da so se v zadnjem delu dvajsetega stoletja začele pojavljati nekatere pomanjkljivosti cenejše termoplastične poti, zlasti v zvezi z ognjem in dimom. Številni požari v Evropi in drugod so poudarili potrebo po materialih, ki prikazujejo vse prednosti polimernih materialov, vendar brez pomanjkljivosti, ki so jih imeli trenutni uveljavljeni materiali.

Na podlagi tega povpraševanja po materialih z večjo zmogljivostjo je fenolna industrija uvedla paleto izdelkov, ki temeljijo na odlični lastni požarni odpornosti fenolne matrice (nizko širjenje plamena in izjemno nizke emisije dima). Med njimi so morda najbolj znane fenolne pene in fenolni kompoziti, ojačani z vlakni.

Fenolna pena je bila še posebej uspešna v nekaterih delih Evrope, kjer je požarna odpornost glavnih materialov ali izpostavljenih elementov najpomembnejša. To se ujema s še večjo rastjo uporabe fenolne pene na Japonskem, kjer gostota prebivalstva in metode gradnje omogočajo, da je fenolna izolacija očitna izbira.

Je prišlo do pričakovane renesanse?

Pred desetimi leti je avtor v podobnem članku domneval, da bi lahko prišlo do renesanse pri uporabi fenolne kemije. Gotovo dokazi v vmesnih letih kažejo, da se je konkurenčno pozicioniranje fenolnih smol v veliki meri izboljšalo kljub vplivu finančne krize v obdobju 2008-09 in rasti konkurence v številnih sektorjih (glej naslednji odstavek). Zato se zdi smiselno sklepati, da je renesansa resnično prišla.

Z nešteto konkurenčnih materialov, ki so zdaj na trgu, je običajno na voljo ena ali več konkurenčnih možnosti za večino področij uporabe. Ker pa je globalni trg fenolnih smol sredi 20. stoletja doživel precejšen proces rafiniranja, je sedanji portfelj uporab ostal izjemno trden in je le znatno pod vplivom tega ali bo uporaba sama ogrožena. Del razloga za to je bil nenehen razvoj in izpopolnjevanje tehnologije.

Tehnično razlikovanje v konkurenčnem svetu

Ker se je globalna kemijska ureditev v zadnjih desetih letih zelo uveljavila, so člani EPRA vložili veliko truda v zagotavljanje skladnosti s povečanjem njihovega razumevanja področij uporab pri nadaljnjih uporabnikih in z njimi povezanimi scenariji izpostavljenosti. To je bilo zlasti pomembno zaradi prerazvrstitve formaldehida in je privedlo do uvedbe formaldehidne smole z nizko vsebnostjo prostega formaldehida, ki je bila v številnih sektorjih dobro sprejeta.

Morda je še pomembneje, da je zahteva po omejitvi emisij formaldehida dodatno poudarila dejstvo, da je fenol-formaldehidna vez zelo stabilna in ne hidrolizira. To zagotavlja minimalne emisije formaldehida v celotnem življenjskem ciklu strjenih izdelkov, kar je vse pomembnejši dejavnik v gradbenem sektorju, saj se zahteve po kakovosti zraka v zaprtih prostorih še naprej zvišujejo.

Zaključek

V več kot stoletni uporabi so se fenolne smole izkazale kot zares edinstvene - kar ne more trditi noben drug polimer! Baekeland bi bil na to dejstvo zelo ponosen, vendar dvomim, da bi počival na svojih lovorikah. Poskušal bi odkriti naslednjo revolucionarno uporabo za svoj izum!

Poleg tega bi bil Baekeland zelo zadovoljen, ko bi videl, da je njegov material doživel nekaj renesanse s ključnimi značilnostmi kemije, ki razlikuje fenolne smole od drugih materialov na način, ki družbi še naprej daje edinstveno vrednost.

Člani EPRA so odgovorni za nadaljevanje te renesanse in zato veliko vlagajo v zagotovila, ki jih zahtevajo vedno zahtevnejše stranke. To vključuje dokaze, da se ustrezno opiše inertna značilnost popolnoma strjene matrice, ki je bila v obliki bakelita pri nas prisotna že več kot 100 let.

Paul Ashford – Marec 2018