Phenol formaldehyde

Phenol formaldehyde (PF) polymer merupakan salah satu jenis polimer sintetis yang tertua, yang telah dikembangkan pada awal abad ke 20. Resin ini banyak digunakan untuk laminasi maupun komposit karena daya tahannya yang sangat baik luar. Bahan ini bisa menghasilkan daya adhesi yang baik, kekuatan polimer yang tinggi dan stabilitas yang sangat baik. Dalam banyak pengujian, perekat Phenol formaldehyde menunjukkan terjadinya banyak kegagalan pada kayu (bukan pada ikatan) dan ketahanan yang tinggi terhadap delaminasi. Ada banyak kemungkinan formulasi yang bisa dihasilkan, dan pemilihan yang salah dapat menyebabkan kekuatan ikatan yang rendah. Diantara faktor yang dapat menyebabkan kekuatan adhesi yang rendah adalah tidak cukupnya waktu untuk menghasilkan polimerisasi yang lengkap, resin dengan berat molekul yang terlalu tinggi yang menyebabkan kurangnya sempurnanya pembasahan dan penetrasi, waktu perakitan yang tidak cukup untuk terjadinya penetrasi kayu yang baik, atau terlalu tingginya waktu atau tekanan yang menyebabkan penetrasi berlebihan dari perekat dan bondline yang hungry. Secara umum, perekat PF dapat memenuhi kebutuhan ikatan untuk hampir semua pengeleman pada aplikasi kayu apabila harga dan heat curing tidak merupakan issu yang penting.

Untuk semua perekat jenis ini, phenol direaksikan dengan formaldehyde atau precursor formaldehyde pada kondisi yang tepat untuk menghasilkan resin yang dapat mengalami polimerisasi lebih lanjut selama proses pengeringan. Ada dua tipe dasar pre polymer, yaitu novolaks yang memiliki rasio formaldehyde : phenol (F / P) kurang dari 1 dan biasanya dibuat dalam kondisi asam, dan resin resole yang dibuat pada kondisi basa dengan F / P rasio lebih besar dari 1. Meskipun sekilas proses asam dan basa mungkin tampak serupa, tetapi reaksi kimia dan struktur polimer yang terjadi sangat berbeda. Untuk banyak aplikasi perekat kayu, maka resin resole lebih banyak digunakan karena mereka dapat menghasilkan larutan perekat yang memiliki sifat pembasahan kayu yang baik dan waktu pengeringan yang dapat diatur dengan pemanasan sehingga memungkinkan pengaturan waktu yang cukup untuk perakitan.

Penambahan formaldehyde tergantung pada kelompok elektron yang menyumbangkan hydroxyl untuk aktivasi dari cincin aromatik, khususnya pada posisi ortho dan para terhadap gugus hydroxyl; posisi ini adalah kondisi dimana nucleophilic cukup untuk menyerang electrophilic formaldehyde. Meskipun ketiga situsnya diaktifkan, kondisi reaksi yang akan mengontrol situs mana yang lebih reaktif terhadap kondisi awal dan modifikasi berikutnya. Tersedianya tiga posisi untuk reaksi mengarah pada kemampuan untuk membentuk crosslinked polymer yang diperlukan untuk menghasilkan kekuatan dan daya tahan yang baik.

Resin novolak dibuat menggunakan kondisi asam pada pH 4 sampai 7 dengan rasio formaldehyde : phenol 0,5 sampai 0,8. Pertama kali dilakukan penambahan acid-activated formaldehyde pada phenol melalui reaksi nucleophilic pada activated ortho atau para pada phenol. Molekul ini kemudian kehilangan molekul air pada kondisi asam karena proses stabilisasi dengan kelompok phenol. Kemudian kelompok methiyene menjadi reactive dengan kelompok phenol yang lain untuk membentuk methylene-bridged dimer. Kelanjutan dari proses ini adalah terbentukanya oligomer novolak dengan berat molekul rendah. Dalam kondisi asam, proses linking terjadi lebih cepat daripada addition, yang akan mengakibatkan selalu terbentuk polimer jika kandungan formaldehyde selalu tersedia. Untuk membentuk polimer dari oligomer tersebut, maka diperlukan tambahan formaldehyde biasanya diadakan dalam bentuk paraformaldehyde, yang biasa disebut sebagai harderner yang ditambahkan sesaat sebelum aplikasi. Oligomer novolak umumnya tidak digunakan untuk perekatan kayu karena kelarutan terhadap air yang rendah dan keasamannya yang tinggi.

Resin resole umumnya dibuat dengan menggunakan alkali hydroxides dengan formaldehyde dengan rasio 1,0 sampai 3,0 pada pH 7 sampai 13. Ikatan kimia yang terjadi melibatkan reaksi dari base activated phenol dengan formaldehyde, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.18. Berbeda dengan reaksi dalam suasana asam, penambahan formaldehyde untuk phenol dalam kondisi basa adalah proses yang berlangsung cepat, sedangkan konversi hydroxymethyl derivatives ke oligomer adalah proses yang lambat. Dengan demikian, tingkat formaldehyde yang lebih tinggi dapat digunakan tanpa membentuk polymer sampai dilakukan pemanasan yang cukup. Beberapa hydroxymethylphenols mungkin akan dimerize untuk membentuk suatu bismethylene ether bridge dan kemudian selalu dikonversi ke metilen bridge species. Proses ini digunakan untuk membangkitkan oligomer dengan kelompok reaktif yang cukup di bawah pemanasan yang tepat. Molekul-molekul pada gambar 9.18 menunjukkan spesies yang sepenuhnya difungsikan, tetapi rasio molar dari formaldehyde dengan phenol yang kurang dari 3, akan menghasilkan tercukupinya kelompok reactive untuk membentuk backbone polymer dan beberapa titik crosslinking. Penggambaran ini menggambarkan hanya satu posisi dari reaksi, tetapi harus diingat bahwa semua ortho dan para adalah kondisi yang reaktif, dengan pemilihan posisi terutama diakibatkan oleh kondisi reaksi. Setelah diaplikasikan pada kayu, resin ini kemudian dikonversi pada perekat akhir dengan menggunakan pemanasan yang cukup bersama-sama dengan penguapan air. Struktur pada Gambar 9.18 menunjukkan mobilitas yang terbatas dari rantai polimer; ada juga kelompok hydroxylmethyl yang tidak dapat menemukan situs yang reaktif.

GAMBAR 9.18. Phenol-formaldehyde melibatkan pembentukan pertama dari kelompok hidroksimetil, diikuti dengan polimerisasi parsial ke oligomer yang membentuk perekat. Setelah aplikasi perekat pada substrat maka reaksi polymerisasi terjadi dan membentuk jaringan crosslinking polymer.

Lem phenol formaldehyde bisa berfungsi di hampir semua aplikasi untuk perekatan kayu, selama ikatan dan assembling dapat dipanaskan. Seperti banyak perekat lainnya, suatu produk lem komersial mengandung lebih dari sekedar resin, tetapi juga beberapa bahan lain tergantung pada aplikasi yang akan dilakukannya. Bahan aditif yang paling banyak ditambahkan adalah urea untuk memperbaiki flow, untuk menangkap free formaldehyde, dan untuk mengurangi harga. Secara umum diasumsikan bahwa urea tidak menjadi bagian dari polymer backbone karena polymerizability nya yang rendah. Untuk kayu lapis, bahan-bahan pengisi dan extender ditambahkan untuk memberikan kesempatan holdout di permukaan dan mengendalikan rheology pada metode-metode aplikasi khusus.