Grans polímers industrials

Fenol formaldehid

Moltes persones daten el començament de la moderna indústria del plàstic fins al 1907, quan Leo Hendrik Baekeland, un químic nord-americà d'origen belga, va sol·licitar una patent sobre un termoset de fenol-formaldehid que amb el nom de la marca Bakelite es va fer conegut. També coneguts com a resines fenòliques, els polímers de fenol-formaldehid són els primers polímers completament sintètics a comercialitzar-se. Tot i que els productes modelats ja no representen la seva aplicació més important, a través del seu ús com adhesius, encara representen gairebé la meitat de la producció total de polímers termoestables.

Els experiments amb resines fenòliques van precedir els treballs de Baekeland. El 1872, el químic alemany Adolf von Baeyer va condensar el fenol trifuncional i el formaldehid difuncional, i en les dècades posteriors, l'estudiant de Baeyer, Werner Kleeberg i altres químics, van investigar els productes, però no van aconseguir continuar la reacció perquè eren incapaços de cristal·litzar i caracteritzar els productes resinosos amorfs. Va ser Baekeland qui, el 1907, va aconseguir controlar la reacció de condensació per produir la primera resina sintètica. Baekeland va poder aturar la reacció mentre la resina es trobava encara en un estat fusible i soluble (l’etapa A), en la qual es podia dissoldre en dissolvents i barrejar-los amb farcits i reforços que la convertirien en un plàstic utilitzable. La resina, en aquesta fase anomenada resola, es va portar a l'estadi B, on, tot i ser gairebé infusible i insoluble, encara es pot suavitzar per la calor fins a la forma final del motlle. L'etapa termoset completament curada era l'etapa C. El 1911, la Companyia General de Bakelites de Baekeland va començar a operar a Perth Amboy, Nova York, EUA, i poc després moltes empreses van utilitzar productes plàstics de Bakelita. En un mercat de plàstics pràcticament monopolitzat pel cel·luloide, un material altament inflamable que es va dissoldre fàcilment i es va suavitzar amb la calor, Bakelite va trobar una bona acceptació perquè es podia fer insoluble i infusible. A més, el producte termoestablert toleraria quantitats considerables d’ingredients inerts i, per tant, es podria modificar mitjançant la incorporació de diversos farcits, com farina de llenya, ramat de cotó, amiant i teixit picat. A causa de les seves excel·lents propietats aïllants, la resina es va convertir en endolls, poms i quadrants per a ràdios i es va utilitzar en els sistemes elèctrics d'automòbils.

S’utilitzen dos mètodes per fer polímers de fenol-formaldehid. En un, un excés de formaldehid es fa reaccionar amb fenol en presència d'un catalitzador base en solució d'aigua per a produir el ressol, que és un prepolímer de baix pes molecular amb CH ₂ grups OH units als anells de fenol. En escalfar, la resola es condensa encara més, amb pèrdua d’aigua i formaldehid, per produir polímers de xarxa termoestablents. L’altre mètode consisteix en reaccionar el formaldehid amb un excés de fenol mitjançant un catalitzador àcid per produir prepolímers anomenats novolacs. Els Novolacs s’assemblen al polímer excepte que tenen un pes molecular molt inferior i continuen sent termoplàstics. El polimerització en xarxa es fa amb l'addició de més formaldehid o, més freqüentment, de compostos que es descomponen al formaldehid en escalfar.

Els polímers de fenol-formaldehid formen excel·lents adhesius de fusta per a xapes i taulers, ja que formen enllaços químics amb el component de lignina fenol·lica de la fusta. Els adhesius de fusta, de fet, representen el mercat més gran d’aquests polímers. Els polímers són de color fosc com a resultat de reaccions laterals durant la polimerització. Com que el seu color taca freqüentment la fusta, no són adequats per a entapissats decoratius interiors. No obstant això, són el adhesiu escollit per a les xapes exteriors, per la seva bona resistència a la humitat.

Les resines fenòliques, sempre reforçades amb fibres o flocs, també es modelen en objectes resistents a la calor com ara connectors elèctrics i nanses de l’aparell.

Polímers de la urea-formaldehid

Les resines fetes a partir de polímers d'urea-formaldehid van començar a utilitzar-se comercialment en adhesius i aglutinadors durant els anys vint. Es processen de la mateixa manera que les resoles (és a dir, amb excés de formaldehid). Igual que els fenòlics, els polímers s’utilitzen com a adhesius de fusta, però, com que són de color més clar, són més adequats per a contraxapats interiors i revestiments decoratius. Són menys duradores, però, no tenen una resistència atmosfèrica suficient per utilitzar-se en aplicacions exteriors.

Els polímers d'urea-formaldehid també s'utilitzen per tractar fibres tèxtils per millorar la resistència a les arrugues i les contraccions, i es barregen amb pintures alquídies per millorar la duresa superficial del recobriment.

Polímers de melamina-formaldehid

Aquests compostos són similars a les resines d’urea-formaldehid en el seu processament i aplicacions. A més, la seva major duresa i resistència a l’aigua els fa adequats per a la vaixella decorativa i per a la fabricació en el producte sobre tauleta i taulell desenvolupat per Formica Corporation i venut amb el nom comercial Formica.

Els polímers basats en melamina també s’han utilitzat àmpliament com a agents de reticulació en sistemes de recobriment superficial al forn. Com a tal, han tingut moltes aplicacions industrials, per exemple, en abrics d'automòbils i en acabats per a electrodomèstics i mobles metàl·lics. Tanmateix, el seu ús en recobriments està disminuint a causa de les restriccions a l’emissió de formaldehid, un component important d’aquests recobriments.

Cel·lulòsics

La cel·lulosa (C ₆ H ₇ O ₂ [OH] ₃) és un polímer natural format per unitats de glucosa repetides. En el seu estat natural (coneguda com a cel·lulosa autòctona), fa temps que es recol·lecta com a fibra comercial, com en cotó, lli, cànem, kapok, sisal, juta i rami. La fusta, que consisteix en cel·lulosa combinada amb un complex polímer de xarxa anomenat lignina, és un material de construcció comú. El paper també es fabrica a partir de cel·lulosa autòctona. Tot i que es tracta d’un polímer lineal, la cel·lulosa es termosegueix; és a dir, forma estructures enllaçades permanents que no es poden deixar anar per calor o dissolvents sense provocar una descomposició química. El seu comportament termoestableix sorgeix de fortes atraccions dipolars que existeixen entre les molècules de cel·lulosa, que donen propietats similars a les dels polímers de xarxa entrellaçats.

Al segle XIX, es van desenvolupar mètodes per separar químicament la cel·lulosa de fusta de la lignina i després per regenerar la cel·lulosa fins a la seva composició original per utilitzar-la com a fibra (raió) i com a plàstic (celofà). També es van desenvolupar èster i els derivats d'èter de la cel·lulosa i es van utilitzar com a fibres i plàstics. Els compostos més importants eren el nitrat de cel·lulosa (nitrocel·lulosa, convertit en cel·luloide) i acetat de cel·lulosa (abans conegut com a acetat rayon, però ara conegut simplement com acetat). Ambdós derivats químics es basaven en l'estructura de la cel·lulosa

sent X ₂ NO en el cas del nitrat i COCH ₃ en el cas de l’acetat.