Wat zijn aminoharsen?
Aminoharsen zijn condensatiepolymeren die worden gevormd door de reactie van carbonylverbindingen met verbindingen die amino-, imino- of amidegroepen bevatten. De reactie laat water vrij en de resulterende producten zijn oligomeren, ook wel prepolymeren genoemd.
Een grote verscheidenheid aan carbonyl- en stikstofbevattende verbindingen kan worden gebruikt om aminoharsen te produceren, maar de meest voorkomende zijn formaldehyde, ureum en melamine. Deze verbindingen worden gebruikt omdat ze relatief goedkoop en gemakkelijk te verkrijgen zijn. Het type chemische reactie dat optreedt, bepaalt het molecuulgewicht van het prepolymeer.
Inhoudsopgave
Aminoharsen worden op grote schaal geproduceerd in moderne industriële fabrieken (zie het artikel over de productie van aminoharsen). Ze bieden een aantal technische voordelen, waaronder goede hechting, waterbestendigheid en chemische bestendigheid.
De geschiedenis van aminoharsen begon met de synthese van ureum en formaldehyde in de 19e eeuw. De eerste commerciële aminoharsen werden geproduceerd in het begin van de 20e eeuw. Een grote doorbraak vond plaats in de jaren 1930 met de ontwikkeling van harsgebonden spaanplaat.
Tegenwoordig worden aminoharsen gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder:
- Kleefstoffen voor spaanplaat, MDF, multiplex en andere houtproducten
- Gelamineerde balken en parketvloeren
- Meubelmontage
- Papierversterking
- Vormmassa’s
- Tapijtrug
- Lederen hulpmiddelen
- Bodemverbeteraars
- Beschermende oppervlaktecoatings
- Decoratieve papierverzadiging
Aminoharsen zijn een veelzijdige en belangrijke klasse polymeren met een breed scala aan toepassingen.
1. Fysische eigenschappen van aminoharsen
Aminoharsen zijn commercieel verkrijgbaar in twee vormen: geconcentreerde oplossingen en vaste stoffen, zoals poeders.
De oplossingen zijn doorgaans op waterbasis, maar alcoholen worden gebruikt als oplosmiddelen in oppervlaktecoatingharsen. De oplossingen variëren in kleur van kleurloos en helder tot melkachtig en troebel. Ze zijn ook plakkerig bij aanraking en hebben een hoge viscositeit, doorgaans 20–70.000 mPa·s (gemeten bij 20 °C).
De geur van aminoharsoplossingen kan variëren afhankelijk van het vrije formaldehydegehalte, variërend van geurloos tot karakteristiek tot scherp. De dichtheid van de oplossingen bij de commercieel verkrijgbare concentraties van 50–80% vaste stoffen is 1,15–1,31 g/cm³.
Een belangrijke eigenschap van aminoharsoplossingen is hun watertolerantie, of de hoeveelheid water die kan worden toegevoegd zonder dat er vaste stoffen neerslaan. Bij relatief lage temperaturen, onder ongeveer 20 °C, vertonen veel aminoharsoplossingen een uitgesproken troebelheid en een ongewoon grote toename in viscositeit.
Sommige aminoharsoplossingen vertonen ook het fenomeen van pseudoplasticiteit (thixotropie), wat betekent dat de viscositeit afneemt naarmate de schuifkracht toeneemt. Thixotropie is niet altijd wenselijk, maar het kan nuttig zijn in sommige toepassingen.
In poedervorm zijn aminoharsen wit. De commercieel verkrijgbare gesproeidroogde poeders hebben een deeltjesgrootte van 15-70 μm, maar altijd kleiner dan 200 μm. De bulkdichtheid van de poeders is 0,5-0,8 kg/L.
Wanneer aminoharspoeders in water worden opgelost, vormen ze doorgaans melkachtige vloeistoffen. In sommige gevallen kunnen echter heldere oplossingen worden bereikt. Bloemachtige additieven kunnen worden gemengd met sommige aminoharsen, die vervolgens in meer of mindere mate de kleur van het additief kunnen aannemen.
2. Chemische reacties van aminoharsen
Aminoharsen zijn mengsels van verschillende stoffen, zelfs wanneer ze uit slechts twee componenten worden bereid. Ureum-formaldehydeharsen bestaan bijvoorbeeld uit hydroxymethylverbindingen, oligomeren en methyleen-ureum. De chemische eigenschappen van aminoharsen zijn gemeenschappelijk voor alle of de meeste ervan.
Een van de belangrijke chemische eigenschappen van aminoharsen is dat formaldehyde langzaam wordt afgesplitst van hydroxymethylverbindingen en additiereacties ondergaat met andere aminogroepen.
Een andere belangrijke chemische eigenschap van aminoharsen is dat hydroxymethylverbindingen langzaam condenseren bij afwezigheid van warmte of reageren met ureum om methyleenverbindingen te geven. Deze reactie is verantwoordelijk voor de geleidelijke toename in viscositeit die aminoharsen ondergaan tijdens opslag.
Deze reacties worden versneld door zure katalysatoren en verhoogde temperaturen. Daarom worden zuren of zuurvormende stoffen gebruikt als verharders die de condensatie versnellen bij de verwerking van aminoharsen.
Aminoharsoplossingen worden over het algemeen licht alkalisch gemaakt, d.w.z. pH 7,5-9, om ze te stabiliseren. De pH neemt echter langzaam af naarmate er mierenzuur wordt gevormd. Dit effect is uitgesprokener voor ureum-formaldehydeharsen en veel minder significant in melamine-formaldehydeharsen.
De hydroxymethylgroepen in aminoharsen kunnen met alcoholen worden omgezet in de overeenkomstige ethers. Deze reactie wordt gebruikt in oppervlaktecoatingharsen en impregneerharsen voor de vervaardiging van op papier gebaseerd kantenbandmateriaal.
De vrije formaldehyde, die aanwezig is in concentraties van 0,03% tot ongeveer 2%, is van praktisch belang. Het reageert met ammoniumzouten van zuren om hexamethyleentetramine en het vrije zuur te geven, dat als verharder fungeert.
Harspoeders condenseren ook in de loop van de tijd om relatief hoge moleculaire massaproducten te geven, maar in dit geval is de reactie minstens vijf keer langzamer.
3. Grondstoffen voor aminoharsen
De grondstoffen voor aminoharsen zijn formaldehyde, ureum, melamine, thioureum en gesubstitueerde ureums. Guanamines en aniline worden ook gebruikt.
- Formaldehyde is de belangrijkste grondstof voor aminoharsen. Het is verkrijgbaar in de vorm van vaste paraformaldehyde, waterige oplossing of ureum-formaldehyde precondensaat.
- Ureum is de op één na belangrijkste grondstof voor aminoharsen. Het is verkrijgbaar als een wit kristallijn product of als prills.
- Melamine is een minder gebruikelijke grondstof voor aminoharsen. Het is een wit poeder dat sublimeert bij verhitting.
- Thioureum is een relatief dure grondstof die niet in grote hoeveelheden wordt gebruikt.
- Gesubstitueerde ureums zijn een groep ureumderivaten die worden gebruikt in gespecialiseerde toepassingen.
Naast deze grondstoffen kunnen verschillende modificatoren worden gebruikt om de eigenschappen van aminoharsen te verbeteren. Deze modificatoren omvatten alifatische alcoholen, glycolen, suikers, suikeralcoholen, polysacchariden en caprolactam.
De keuze van grondstoffen en modificatoren voor aminoharsen is afhankelijk van de specifieke toepassing. Ureum-formaldehydeharsen worden bijvoorbeeld veel gebruikt in lijmen, terwijl melamine-formaldehydeharsen worden gebruikt in laminaten en serviesgoed.
Referentie
- Amino Resins; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a02_115.pub2
