Was ist Phenolharz?
Phenolharze haben eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit, chemische Beständigkeit und Isoliereigenschaften und werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. in Automobilen, elektronischen Bauteilen und Isoliermaterialien. Phenolharze sind Harze, die durch Polymerisationsreaktionen unter Verwendung von Phenolen und Aldehyden als Rohstoffen gewonnen werden. Ihre physikalischen Eigenschaften ändern sich durch die Veränderung der chemischen Struktur der als Rohstoffe verwendeten Phenole und Aldehyde und der dem Harz zugesetzten Additive.
Phenolharze werden in zwei Typen mit unterschiedlichen chemischen Strukturen eingeteilt: den Novolak-Typ, der durch säurekatalysierte Reaktionen gewonnen wird, und den Resol-Typ, der durch basenkatalysierte Reaktionen gewonnen wird. Bei ersteren kommt es zu einer Aushärtungsreaktion, wenn sie mit einem Härter wie Epoxidharz gemischt und erhitzt werden, während bei letzteren eine Aushärtungsreaktion nur durch Erhitzen ohne Härter erfolgt. Weitere Unterschiede sind die Thermoplastizität beim Novolak-Typ und die Duroplastizität beim Resol-Typ.
Anwendungen von Phenolharzen
Phenolharze waren der erste von Menschen hergestellte Kunststoff der Welt, der 1907 von Bakelite erfunden wurde. Es handelt sich um ein Harz mit hervorragender Wärmebeständigkeit, chemischer Beständigkeit, Isolierung und mechanischer Festigkeit, das noch immer in zahlreichen Industriezweigen verwendet wird. Phenolharze werden zum Beispiel in Hochtemperatur-Prozesskomponenten wie Harzen für Autobremsen und in der Stahl- und Glasindustrie verwendet. Weitere Anwendungen sind die Isolierung von Gehäusen und Harze für Photoresists.
Phenolharze können ihre physikalischen Eigenschaften ändern, indem sie die chemische Struktur des Harzes durch Veränderung der Struktur der als Rohstoffe verwendeten Phenole und Aldehyde und durch Veränderung der Zusatzstoffe wie Füllstoffe verändern. Es ist daher notwendig, das am besten geeignete Phenolharz entsprechend den gewünschten Eigenschaften auszuwählen.
Arten von Phenolharzen
Zu den Phenolharzen, die durch Reaktion von Phenolen mit Aldehyden gewonnen werden, gehören die „Novolac-Typ“- und die „Resol-Typ“-Harze. Novolac-Harze werden durch Reaktion mit einem sauren Katalysator hergestellt und sind wiederverwendbare thermoplastische Harze. Resol-Harze hingegen sind nicht wiederverwendbare wärmehärtende Harze, die durch Basenkatalyse gewonnen werden.
Novolac-Harze härten aus, wenn sie zusammen mit einem Härter, z. B. einem Epoxidharz, erwärmt werden, wodurch ein Harz mit hohem Molekulargewicht entsteht. Resol-Typen hingegen härten durch Erhitzen oder Säure auch ohne einen Härter aus. Infolgedessen können sich Resolharze auch während der Lagerung mit der Zeit verändern, was zu einem hohen Molekulargewicht führt.
Synthese von Phenolharzen
Phenolharze werden durch Additionskondensation von Phenolen und Aldehyden gewonnen. Die Reaktion von Phenol und Formaldehyd wird hier als typisches Beispiel dargestellt.
Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich die erhaltenen Verbindungen zwischen säure- und basenkatalysierten Reaktionen. Bei der Säurekatalyse kommt es zu einer elektrophilen Substitutionsreaktion an der ortho- oder para-Position der OH-Gruppe des Phenols, das mit Formaldehyd reagiert. Nach der Reaktion kommt es zu einer Kondensationsreaktion mit einem anderen Phenol, wobei ein Novolharz entsteht.
Wird hingegen ein basischer Katalysator verwendet, reagieren mehrere Formaldehyde mit dem Benzolring des Phenols zu einem öligen Gemisch, das als Resol bezeichnet wird. Durch Erhitzen entsteht ein duroplastisches Harz, in dem die Resole miteinander reagieren und sich verbinden.
Die Struktur und die physikalischen Eigenschaften des auf diese Weise erhaltenen Phenolharzes sind unterschiedlich, da die Bindungsstellen und die Menge der reagierenden Phenole und Aldehyde bei Verwendung von sauren und basischen Katalysatoren unterschiedlich sind.
Nachteile von Phenolharzen und zu beachtende Punkte
Phenolharze haben zwar verschiedene Vorteile, aber auch einige Nachteile. So werden Phenolharze beispielsweise bei Kontakt mit einer starken Base wie Natriumhydroxid in Gegenwart von Wasser hydrolysiert, was zu einem Abbau des Harzes führt.
Außerdem können Phenolharze nur begrenzt eingefärbt werden, da das Harz selbst gelb oder rotbraun gefärbt ist und bei Oxidation schwarz wird. Phenolharze haben auch den Nachteil, dass sie zwar hart, aber spröde sind.