Harzsysteme

Diverse Harze

Alle Harze, die bei der Her­stel­lung von Faserver­bund­kun­st­stof­fen einge­set­zt wer­den, gehören im weitesten Sinne zu den Poly­meren. Alle Poly­mere haben gemein­sam, dass sie aus langket­ti­gen Molekülen zusam­menge­set­zt wer­den, die wiederum eine Vielzahl sich wieder­holen­der, ein­fach­er Einzel­bausteine sind. Von Men­schen­hand hergestellte Poly­mere heißen „Syn­thetis­che Harze“ oder auch ein­fach „Harze“. Harze unterteilt man in Abhängigkeit des Ein­flusses von Wärme auf ihre Eigen­schaften in „ther­mo­plas­tis­che“ und „duro­plas­tis­che“ Sys­teme. Ther­mo­plas­te wer­den, ähn­lich wie Met­alle, unter Ein­wirkung von Wärme weich (bis hin zur Schmelze) und erhärten bei Abkühlung wieder. Dieser Prozess der Über­schre­itung und anschließen­den Unter­schre­itung des Schmelzpunk­tes kann beliebig oft wieder­holt wer­den, ohne dass es einen Ein­fluss auf die Eigen­schaften des Mate­ri­ales hat. Typ­is­che Ther­mo­plas­te sind Nylon, Polypropy­len und ABS; auch solche Ther­mo­plas­te lassen sich dur­chaus als Matrix für Faserver­stärkun­gen nutzen; allerd­ings find­et man in dem Bere­ich der faserver­stärk­ten Ther­mo­plas­te noch überwiegend Kurz­fasern (meis­tens aus E‑Glas) vor, die den entste­hen­den Faserver­bun­den ver­gle­ich­sweise niedrige Fes­tigkeit­en ver­lei­hen. Ther­mo­plas­te liegen stets als fer­tig hergestellte Werk­stoffe vor, die sich im Ver­lauf ihrer Ver­ar­beitung chemisch nicht mehr verän­dern und kein­er­lei Reak­tio­nen durchlaufen.

Im Gegen­satz dazu entste­hen duro­plas­tis­che Matrixsys­teme erst durch Aushär­tung infolge ein­er chemis­chen Reak­tion „vor Ort“, die durch Zufuhr von Wärme beschle­u­nigt wer­den kann. Harz und Härter reagieren nach ihrem Ver­mis­chen zu einem irre­versiblen, fes­ten Ver­bund. Sie sind durch Zufuhr von Wärme nicht wieder zu erwe­ichen. Manche Duro­plas­te (z.B. Phe­nole) reagieren unter Abgabe eines flüchtigen Abfall­pro­duk­tes (Kon­den­sa­tion­sreak­tion), andere – wie vor allem Epox­ide und Poly­ester – reagieren durch Addi­tion (Addi­tion­sreak­tion), ohne dass irgendwelche Abfall­stoffe aus­ge­fällt wer­den. Obwohl die Duro­plas­te durch Wärme nicht zu verflüssigen sind, weisen sie doch eine Tem­per­atur­gren­ze auf, ober­halb der­er ihre mech­a­nis­chen Eigen­schaften drastisch schlechter wer­den. Man nen­nt diese Tem­per­atur auch „Glasübergangstemperatur“ (Tg); der genaue Tg eines Harzsys­tems hängt von sein­er chemis­chen Zusam­menset­zung, aber auch von der Höhe sein­er Aushär­tung­stem­per­atur und der Qual­ität der Dosierung und Mis­chung der Einzelkom­po­nen­ten ab.

Ober­halb des Tg erwe­icht die bis dahin harte, kristalline Moleku­larstruk­tur des Harzes; es wird weich­er und alle vorste­hend beschriebe­nen Fes­tigkeit­en gehen deut­lich nach unten. Kühlt man das Harz wieder unter den Tg ab, so gewin­nt es seine ursprünglichen Eigen­schaften zurück. Allerd­ings hat jedes Harz eine sys­temab­hängige max­i­male Belas­tung­stem­per­atur deut­lich ober­halb des Tg, bei deren Über­schre­itung das Molekulargefüge dann irrepara­bel beschädigt wird. Obwohl es in der Faserver­bundtech­nik eine Vielzahl von duro­plas­tis­chen Poly­meren gibt, wer­den die meis­ten Bauteile doch im wesentlichen aus drei ver­schiede­nen Harzsys­teme hergestellt: Poly­ester, Vinylester und Epoxid.