Żywica fenolowa

Zastosowania i technologie przemysłowe

Wprowadzenie

Żywice fenolowe – przeszłość, teraźniejszość i przyszłość…
...czy nadszedł renesans dla pierwszego w historii syntetycznego polimeru?

Paul Ashford, Anthesis-Caleb
Doradcy ds. regulacji i marketingu Europejskiego Stowarzyszenia Żywic Fenolowych (EPRA)

Godna pozazdroszczenia przeszłość

Już ponad dziesięć lat temu wspólnota producentów żywic fenolowych obchodziła stulecie odkrycia przez pochodzącego z Belgii Leo Hendrika Baekelanda, wartości społecznej reakcji fenolu z formaldehydem, w wyniku której otrzymuje się żywicę fenolową. To wydarzenie zostało upamiętnione we wrześniu 2007 r. przez sympozjum zorganizowane przez Uniwersytet w Gandawie, gdzie Baekeland ukończył studia doktoranckie i uczył przez kilka lat.

Europejska branża żywic fenolowych była szeroko reprezentowana podczas tego wydarzenia, częściowo sponsorowanego zarówno przez Europejskie Stowarzyszenie Żywic Fenolowych (EPRA), jak i nowopowstałe wówczas Globalne Stowarzyszenie Żywic Fenolowych (GPRA).

Co jednak stało się z technologią wynalezioną przez Baekelanda po tym, jak sprzedał ją firmie Union Carbide po przejściu na emeryturę w 1938 roku? Ten artykuł to próba odpowiedzi na to pytanie i pokazania w jaki sposób żywice fenolowe będzie można wykorzystywać w przyszłości.

Dobry we wszystkich dziedzinach…

Istnieją istotne zalety bycia „pierwszym w grze”! Biorąc pod uwagę fakt, że żywice pochodzące z naturalnych źródeł (np. Shellac) były już znane od wielu lat, istniały już ugruntowane rynki zbytu dla tego produktu. Jednak nawet Baekeland nie był w stanie przewidzieć zakresu przyszłego zastosowania jego wynalazku „bakelitu” – zwłaszcza w formie proszku do formowania.

„Tysiąc zastosowań” prawdopodobnie nie było przesadą, ponieważ wprowadzenie „bakelitu” zbiegło się z rosnącym popytem na artykuły elektryczne, a także bardziej tradycyjne przedmioty, takie jak naczynia kuchenne.

Dziś wydaje się dość ironiczne, że sam sukces „bakelitu” sprawił, że kojarzy się on z minioną epoką, nawet do tego stopnia, że ostatnio stał się ikoną ruchu „retro”. Żywice fenolowe są jednak dalekie od bycia częścią przeszłości, dopiero teraz zaczynamy dostrzegać ich prawdziwy potencjał.

…mistrz kilku!

Wraz z pojawieniem się konkurencyjnych materiałów – początkowo w formie innych syntetycznych żywic termoutwardzalnych (np. epoksydowych), a następnie tańszych tworzyw termoplastycznych na bazie oleju – stało się jasne, że żywice fenolowe powinny rozwijać się w kierunku zastosowań, dla których ich specyficzne właściwości są najbardziej odpowiednie. Tymi właściwościami była odporność na wysokie temperatury i właściwości adhezyjne. Poniższa lista zastosowań ukazuje zatem przekrój obecnego rynku żywic fenolowych:

Budownictwo

  • Kleje do sklejek
  • Spoiwa do izolacji z wełny mineralnej
  • Pianki izolacyjne
  • Laminaty dekoracyjne
  • Komponenty nowoczesnych klejów
  • Materiały ścierne

Transport

  • Oprzyrządowanie silników (mieszanki do formowania)
  • Materiały cierne do hamulców i sprzęgieł
  • Kompozyty wzmacniane włóknami
  • Żywice odlewnicze i ogniotrwałe
  • Żywice do wzmacniania gumy

Urządzenia gospodarstwa domowego i inne artykuły

  • Naczynia kuchenne (mieszanki do formowania)
  • Powłoki puszek
  • Formuły farb drukarskich
  • Laminaty elektryczne

Po sprzedaży wynalazku Baekelanda firmie Union Carbide wykorzystanie żywic fenolowych przez wiele lat stale rozwijało się w oparciu o te podstawowe kierunki. Popyt różnił się w poszczególnych regionach, czego najlepszym przykładem jest prawdopodobnie dominacja klejów do sklejki stosowanych w Ameryce Północnej, gdzie przeważają techniki budowlane oparte na szkielecie drewnianym, uzależnione w dużym stopniu od stabilnych oraz wodoodpornych spoiw.

 

Według wielu badań rynkowych, światowy rynek żywic fenolowych osiągnął w 2015 r. blisko 5 milionów ton, a jego wartość przekroczyła 10 miliardów dolarów. Określono następujący schemat wykorzystania:

Źródło: Grand View Markets

Co ważniejsze, większość ocen rynku przewidywała CAGR na poziomie >5% w okresie do 2021 r., wskazując, że podstawowe czynniki rynkowe dla branży pozostają silne.

Handel między regionami stanowi zazwyczaj mniej niż 10% całkowitego popytu, co odzwierciedla fakt, że transport żywic (zwłaszcza żywic płynnych) na duże odległości zwykle nie jest opłacalny. Dlatego też produkcja regionalna w większości przypadków ściśle pokrywa się z popytem. Wszędzie tam, gdzie wymagane są najnowocześniejsze rozwiąznia (np. w przypadku materiałów ciernych lub zastosowania żywic do wzmacniania gumy), powszechnym zjawiskiem jest zawieranie umów licencyjnych w celu umożliwienia takiego transferu technologii. Niemniej jednak, w ostatnich latach pojawiło się wielu producentów o prawdziwie globalnym zasięgu, którzy są w stanie dokonywać wewnętrznych transferów technologii.

Na poziomie regionalnym dane własne EPRA potwierdzają globalne tendencje obserwowane przez analityków rynku. Stowarzyszenie obejmuje ponad 90% europejskiego rynku zewnętrznego, z wyjątkiem żywic odlewniczych. Wielkość rynku oszacowana przez EPRA na podstawie szczegółowych danych statystycznych to ponad 800 000 ton/rok, uwzględniając 6,1% wzrost ogólnej aktywności w roku 2017. Szczególnie silny wzrost zanotowano w sektorze budowlanym, gdzie udział spoiw do wełny mineralnej zwiększył się o 7%, spoiw drewnianych o 8,2%, a udział izolacyjnych żywic piankowych o 13,3%, ale z niższego poziomu.

Właściwości ogniowe jako kolejny czynnik

Wracając do szerszych czynników sprzyjających rozpowszechnieniu żywic fenolowych, w drugiej połowie XX wieku zaczęły wychodzić na jaw wady tańszych tworzyw termoplastycznych, szczególnie w zakresie rozprzestrzeniania się ognia i dymu. Seria głośnych pożarów w Europie i w innych częściach świata zwróciła uwagę na potrzebę stosowania materiałów posiadających wszystkie zalety materiałów polimerowych, ale bez wad technologii o ugruntowanej pozycji.

To właśnie z uwagi na zapotrzebowanie na materiały o wyższych parametrach użytkowych przemysł fenolowy wprowadził na rynek szereg wyrobów opartych na matrycy fenolowej o doskonałej odporności ogniowej (wolne rozprzestrzenianie się płomienia i niezwykle niska emisja dymu). Wśród nich najbardziej znane są pianki fenolowe i kompozyty fenolowe wzmacniane włóknami.

Pianka fenolowa odniosła szczególny sukces w tych częściach Europy, w których odporność ogniowa materiałów podstawowych lub elementów narażonych na działanie ognia była najważniejsza. Jeszcze większy wzrost wykorzystania pianek fenolowych odnotowano w Japonii, gdzie gęstość zaludnienia i metody budowy czynią izolację fenolową oczywistym wyborem.

Czy nadszedł przewidywany renesans?

Dziesięć lat temu, w artykule podobnym do tego, autor spekulował, że renesans w stosowaniu chemii fenolowej może już nadchodzić. Z pewnością dowody z lat ubiegłych wskazują, że pozycja konkurencyjna żywic fenolowych znacznie się poprawiła, pomimo wpływu krachu finansowego z lat 2008-09 i wzrostu konkurencji w wielu sektorach (zob. następny akapit). W związku z tym wydaje się rozsądne stwierdzenie, że taki renesans naprawdę nadszedł.

Wraz z mnogością konkurencyjnych materiałów dostępnych obecnie na rynku istnieje zazwyczaj jedna lub więcej konkurencyjnych opcji dla większości zastosowań. Biorąc jednak pod uwagę fakt, iż światowy rynek żywic fenolowych przeszedł przez tak znaczny proces udoskonalenia w połowie XX wieku, jego obecny portfel zastosowań pozostał niezwykle stabilny i istotny wpływ jest wywierany na niego tylko wtedy, gdy samo zastosowanie jest zagrożone. Jednym z powodów takiego stanu rzeczy jest ciągły rozwój i udoskonalanie technologii.

Techniczna różnorodność na konkurencyjnym rynku

Z uwagi zauważalne zaostrzenie globalnych regulacji dotyczących chemikaliów w ciągu ostatnich dziesięciu lat, członkowie EPRA zainwestowali wiele w dążenie do zapewnienia zgodności poprzez poszerzanie wiedzy użytkowników na temat zastosowań żywic fenolowych i związanych z nimi scenariuszy narażenia. Ma to szczególne znaczenie w kontekście zmiany klasyfikacji formaldehydu i doprowadziło do wprowadzenia żywic formaldehydowych o bardzo niskiej zawartości wolnego formaldehydu, które zostały dobrze przyjęte w wielu sektorach.

Być może jeszcze ważniejsze jest to, że presja na ograniczenie emisji formaldehydu zwróciła jeszcze bardziej uwagę na fakt, że spoiwo fenolowo-formaldehydowe jest bardzo stabilne i nie ulega hydrolizie. Zapewnia to minimalną emisję formaldehydu przez cały cykl życia utwardzonych artykułów, co zyskuje na znaczeniu zwłaszcza w sektorze budowlanym, ponieważ standardy jakości powietrza w pomieszczeniach stale rosną.

Podsumowując

Żywice fenolowe w ciągu ponad stu lat użytkowania potwierdziły swój wyjątkowy charakter – nie można tego jeszcze powiedzieć o żadnym innym polimerze! Baekeland byłby z tego bardzo dumny, ale wątpię, by spoczął na laurach. Znalazłby kolejny przełomowy sposób wykorzystania swojego wynalazku!

Co więcej, Baekeland byłby bardzo zadowolony widząc, że jego materiał przeszedł coś w rodzaju renesansu, dzięki swoim kluczowym właściwościom chemicznym, które odróżniają żywice fenolowe od innych materiałów, i nadal zapewnia wyjątkową wartość dla społeczeństwa..

Członkowie EPRA muszą zadbać, aby ten renesans trwał i podejmują istotne wysiłki, aby spełnić oczekiwania coraz bardziej wymagającej bazy klientów. Dotyczy to również dowów pozwalających właściwie opisać obojętny charakter w pełni utwardzonej matrycy, która już od ponad 100 lat jest powszechnie znana jako bakelit.

Paul Ashford – marzec 2018 r.