راتنج فينول فورمالديهايد

راتنجات فينول فورمالدهيد (PF)، وتُسمى أيضًا بالراتنجات الفينولية أو الفينوبلاستات، ^{[ 1 ]} هي بوليمرات اصطناعية تُحضّر بتفاعل الفينول أو مشتقاته مع الفورمالديهايد . استُخدمت راتنجات PF كأساس للباكليت ، وكانت أول الراتنجات الاصطناعية التجارية. وقد شاع استخدامها في إنتاج المنتجات المصبوبة، بما في ذلك كرات البلياردو وأسطح المختبرات، بالإضافة إلى الطلاءات والمواد اللاصقة . كانت في وقت من الأوقات المادة الأساسية المستخدمة في إنتاج لوحات الدوائر الإلكترونية، ولكن تم استبدالها إلى حد كبير براتنجات الإيبوكسي وأقمشة الألياف الزجاجية ، كما هو الحال مع مواد لوحات الدوائر الإلكترونية المقاومة للحريق FR-4 .

توجد طريقتان رئيسيتان لإنتاج الراتنج. الأولى هي تفاعل الفينول مع الفورمالديهايد باستخدام حمض كعامل مساعد، حيث ينتج عن زيادة كمية الفينول بوليمر أولي يُعرف باسم نوفولاك ، والذي يمكن تشكيله ثم معالجته بإضافة المزيد من الفورمالديهايد والحرارة. ^{[ 2 ] [ 3 ]} أما الطريقة الثانية، فتعتمد على زيادة كمية الفورمالديهايد واستخدام قاعدة كعامل مساعد، مما ينتج عنه بوليمر أولي يُعرف باسم ريزول . وتوجد اختلافات عديدة في كل من عملية الإنتاج والمواد الأولية المستخدمة لإنتاج مجموعة واسعة من الراتنجات لأغراض خاصة.

تتكون راتنجات الفينول-فورمالديهايد، كمجموعة، من خلال تفاعل بلمرة متدرج النمو، والذي يمكن تحفيزه إما حمضياً أو قاعدياً . وبما أن الفورمالديهايد يوجد بشكل أساسي في المحلول على هيئة توازن ديناميكي لبوليمرات قليلة الوحدات من ميثيلين جليكول ، فإن تركيز الشكل التفاعلي للفورمالديهايد يعتمد على درجة الحرارة ودرجة الحموضة.

يتفاعل الفينول مع الفورمالديهايد في المواقع أورثو وبارا (المواقع 2 و4 و6) ، مما يسمح بربط ما يصل إلى 3 وحدات من الفورمالديهايد بالحلقة. يتضمن التفاعل الأولي في جميع الحالات تكوين هيدروكسي ميثيل فينول.

HOC ₆ H ₅ + CH ₂ O → HOC ₆ H ₄ CH ₂ OH

تستطيع مجموعة الهيدروكسي ميثيل التفاعل إما مع موقع أورثو أو بارا حر آخر، أو مع مجموعة هيدروكسي ميثيل أخرى. ينتج عن التفاعل الأول جسر ميثيلين ، بينما ينتج عن التفاعل الثاني جسر إيثر .

HOC ₆ H ₄ CH ₂ OH + HOC ₆ H ₅ → (HOC ₆ H ₄ ) ₂ CH ₂ + H ₂ O

2 HOC ₆ H ₄ CH ₂ OH → (HOC ₆ H ₄ CH ₂ ) ₂ O + H ₂ O

يُطلق على ثنائي الفينول (HOC ₆ H ₄ ) ₂ CH ₂ (الذي يُسمى أحيانًا "دايمر") اسم ثنائي الفينول F ، وهو مونومر مهم في إنتاج راتنجات الإيبوكسي . ويمكن لثنائي الفينول F أن يرتبط بروابط أخرى لتكوين ثلاثي ورباعي وجزيئات فينولية أعلى.

النوفولاك (أو النوفولاك) هي راتنجات فينول-فورمالديهايد بنسبة مولية للفورمالديهايد إلى الفينول أقل من واحد. تُصنع عادةً باستخدام الكريزولات (ميثيل فينولات) بدلاً من الفينول نفسه. تُستكمل عملية البلمرة باستخدام التحفيز الحمضي بحمض الكبريتيك ، وحمض الأكساليك ، وحمض الهيدروكلوريك ، ونادرًا ما تُستخدم أحماض السلفونيك . ^{[ 4 ]} ترتبط الوحدات الفينولية بشكل أساسي بمجموعات الميثيلين و/أو الإيثر. تتراوح الأوزان الجزيئية في حدود بضعة آلاف، ما يعادل حوالي 10-20 وحدة فينول. البوليمرات الناتجة عن هذا التفاعل لدنة حراريًا، وتتطلب عامل معالجة أو مُصلِّبًا لتكوين مادة متصلبة حراريًا .

يُضاف سداسي ميثيلين رباعي الأمين كمصلب لتكوين روابط متقاطعة في راتنج النوفولاك. عند درجة حرارة أعلى من 90  درجة مئوية، يُشكّل جسورًا من الميثيلين وثنائي ميثيلين أمينو. كما يُمكن استخدام الريزولات كعامل مُصلّب لراتنجات النوفولاك. في كلتا الحالتين، يُعدّ عامل التصلب مصدرًا للفورمالديهايد الذي يُوفّر جسورًا بين سلاسل النوفولاك، مما يُؤدي في النهاية إلى ترابط النظام بشكل كامل. ^{[ 2 ]}

تُستخدم مواد نوفولاك في العديد من التطبيقات كمواد لاصقة للإطارات ، وراتنج عالي الحرارة، ومادة رابطة للمواد الحرارية المرتبطة بالكربون، وفرامل الكربون، ومواد مقاومة للضوء ، وكعامل معالجة لراتنجات الإيبوكسي .

تُصنع راتنجات الفينول-فورمالديهايد المحفزة بالقاعدة بنسبة فورمالديهايد إلى فينول أكبر من واحد (عادةً حوالي 1.5). تُسمى هذه الراتنجات بالريزولات. يُخلط الفينول والفورمالديهايد والماء والمحفز بالكمية المطلوبة، حسب نوع الراتنج المراد تكوينه، ثم يُسخن المزيج. في المرحلة الأولى من التفاعل، عند حوالي 70  درجة مئوية، تتكون مادة لزجة سميكة بنية محمرة، غنية بمجموعات هيدروكسي ميثيل وإيثر البنزيل.

يزداد معدل التفاعل المحفز بالقاعدة مبدئيًا مع ارتفاع الرقم الهيدروجيني ، ويبلغ ذروته عند الرقم الهيدروجيني 10 تقريبًا. النوع المتفاعل هو أنيون الفينوكسيد (C₆H₅O⁻ ₎ الناتج _عن ^{نزع بروتون الفينول.} تنتشر الشحنة السالبة على الحلقة العطرية ، مما ينشط المواقع 2 و4 و 6، والتي تتفاعل بدورها مع الفورمالديهايد.

باعتبارها موادًا متصلبة حراريًا ، تتشابك فينولات الهيدروكسي ميثيل عند تسخينها إلى حوالي 120  درجة مئوية لتكوين روابط ميثيلين وميثيل إيثر عبر إزالة جزيئات الماء. عند هذه النقطة، يصبح الراتنج شبكة ثلاثية الأبعاد، وهو ما يميز راتنجات الفينول المبلمرة. يمنح التشابك العالي هذا النوع من راتنجات الفينول صلابته، وثباته الحراري الجيد، ومقاومته للمواد الكيميائية. تُعرف راتنجات الريزول باسم راتنجات "الخطوة الواحدة" لأنها تتصلب دون الحاجة إلى عامل تشابك، على عكس راتنجات النوفولاك، وهي راتنجات "الخطوتين".

تُعدّ مواد الراتنج البوليمرية من أهم المواد المستخدمة على نطاق واسع في لصق وربط مواد البناء. ومن التطبيقات النموذجية لها: الخشب الرقائقي الخارجي، وألواح الخشب الموجه (OSB)، والصفائح الهندسية عالية الضغط .

عندما تصل النسبة المولية للفورمالديهايد إلى الفينول إلى واحد، نظريًا، ترتبط جميع جزيئات الفينول ببعضها عبر روابط الميثيلين، مُكَوِّنةً جزيئًا واحدًا، ويكون النظام مُتشابكًا بالكامل. لهذا السبب، لا تتصلب مطاطات النوفولاك (نسبة الفورمالديهايد إلى الفينول أقل من 1) دون إضافة عوامل مُتشابكة، بينما تتصلب مطاطات الريزول ذات الصيغة (نسبة الفورمالديهايد إلى الفينول أكبر من 1).

تُستخدم الراتنجات الفينولية في العديد من المنتجات الصناعية. تُصنع الصفائح الفينولية عن طريق تشريب طبقة أو أكثر من مادة أساسية، مثل الورق أو الألياف الزجاجية أو القطن، بالراتنج الفينولي، ثم تُرقق هذه المادة المشبعة بالراتنج تحت تأثير الحرارة والضغط. يتصلب الراتنج تمامًا خلال هذه العملية، مُشكلاً مصفوفة بوليمرية حرارية . يعتمد اختيار المادة الأساسية على الاستخدام المقصود للمنتج النهائي. تُستخدم الفينولات الورقية في تصنيع المكونات الكهربائية، مثل لوحات الدوائر المطبوعة، وفي الصفائح المنزلية، وفي الألواح المركبة الورقية . تُعد الفينولات الزجاجية مناسبة بشكل خاص للاستخدام في سوق محامل السرعة العالية . تُستخدم الكرات المجهرية الفينولية للتحكم في الكثافة. يُعد الراتنج الفينولي المادة الرابطة في وسادات الفرامل العادية (العضوية) وأحذية الفرامل وأقراص القابض. يُستخدم الورق المُرتبط بالراتنج الصناعي ، المصنوع من الراتنج الفينولي والورق، في صناعة أسطح العمل. من الاستخدامات الأخرى للراتنجات الفينولية صناعة مادة ديروبلاست ، التي اشتهرت باستخدامها في سيارات ترابانت .

تُستخدم الراتنجات الفينولية أيضًا في صناعة الخشب الرقائقي الخارجي المعروف باسم الخشب الرقائقي المقاوم للعوامل الجوية والغليان (WBP) لأن الراتنجات الفينولية ليس لها نقطة انصهار ولكن لها نقطة تحلل فقط في نطاق درجة الحرارة 220 درجة مئوية (428 درجة فهرنهايت) وما فوق.  

يُستخدم الراتنج الفينولي كمادة رابطة في مكونات تعليق مكبرات الصوت المصنوعة من القماش .

كرات البلياردو عالية الجودة مصنوعة من راتنجات الفينول، على عكس البوليستر المستخدم في المجموعات الأقل تكلفة.

في بعض الأحيان يختار الناس أجزاء من راتنج الفينول المقوى بالألياف لأن معامل التمدد الحراري الخاص بها يتطابق بشكل وثيق مع معامل التمدد الحراري للألمنيوم المستخدم في أجزاء أخرى من النظام، كما هو الحال في أنظمة الكمبيوتر المبكرة ^{[ 5 ]} و Duramold .

قام مزور اللوحات الهولندي هان فان ميغيرين بخلط الفينول فورمالديهايد مع ألوانه الزيتية قبل خبز القماش النهائي، وذلك لتزييف جفاف الطلاء على مر القرون.

تستخدم المركبات الفضائية العائدة إلى الغلاف الجوي راتنج فينول فورمالديهايد كمكون أساسي في الدروع الحرارية المقاومة للحرارة (مثل طلاء AVCOAT في وحدات أبولو). ونظرًا لأن درجة حرارة سطح الدرع الحراري قد تصل إلى 1000-2000  درجة مئوية، فإن الراتنج يتحلل حراريًا بفعل التسخين الديناميكي الهوائي. يمتص هذا التفاعل كمية كبيرة من الطاقة الحرارية، مما يعزل الطبقات الداخلية للدرع الحراري. كما يساهم انبعاث الغازات الناتجة عن تفاعل التحلل الحراري وإزالة المواد المتفحمة بالاحتكاك (التآكل) في عزل المركبة، وذلك بنقل الحرارة الممتصة في هذه المواد ميكانيكيًا.

• كان الباكليت يُصنع في الأصل من الراتنج الفينولي ودقيق الخشب .
• إيبونول عبارة عن راتنج فينولي مملوء بالورق مصمم كبديل لخشب الأبنوس في الآلات الوترية وآلات النفخ الخشبية .
• نوفوتكست عبارة عن مادة فينولية مقواة بألياف القطن، باستخدام ألياف موجهة بشكل عشوائي.
  • التوفنول هو بلاستيك مُرقّق متوفر على شكل صفائح وقضبان، مصنوع من طبقات من الورق أو القماش المشبع براتنج فينولي ومضغوط تحت تأثير الحرارة. وقد جعلته مقاومته العالية للزيوت والمذيبات مناسبًا للعديد من التطبيقات الهندسية. ^{[ 6 ]}
• رغوة الأزهار من أواسيس هي "رغوة فينولية ذات خلايا مفتوحة تمتص الماء بسهولة وتستخدم كقاعدة لتنسيقات الزهور." ^{[ 7 ]}
• باكسولين هو منتج ورقي مرتبط بالراتنج يستخدم منذ فترة طويلة كمادة أساسية للوحات الدوائر المطبوعة ، على الرغم من أنه يتم استبداله بمركبات الألياف الزجاجية في العديد من التطبيقات.
• مادة ريتشلايت هي راتنج فينولي مملوء بالورق وله استخدامات عديدة، من أسطح الطاولات وألواح التقطيع إلى ألواح أصابع الجيتار .

يتحلل مركب الفينول فورمالدهيد بواسطة فطر العفن الأبيض Phanerochaete chrysosporium و Rhodococcus phenolicus . ^{[ 8 ] [ 9 ]}

• اليوريا-فورمالديهايد
• راتنج بارا ثالثي بوتيل فينول فورمالدهيد