Faserverbundwerkstoffe seit 1985

Harzsysteme

Zum Ein­satz in Faserver­bundw­erk­stof­fen muss ein Harzsys­tem fol­gende Eigen­schaften aufweisen:

  • gute mech­a­nis­che Eigenschaften
  • gute Haf­tung (an den Fasern)
  • gute ZĂ€higkeit
  • gute BestĂ€ndigkeit gegenüber Umwelteinflüssen

Mechanische Eigenschaften des Harzes

Die Grafik 11 zeigt die Belas­tungs-/Ver­for­mungs-Kurve eines „ide­alen“ Harzsys­tems. Dieses Mate­r­i­al weist eine hohe End­fes­tigkeit auf, es ist sehr steif (wie an dem Anfangs steilen Ver­lauf der Kurve zu erken­nen) und es neigt nicht zu plöt­zlichem Ver­sagen, ist also zĂ€h bzw. nicht spröde (plas­tis­che Verformung).

plastische Verformung

In diesem Zusam­men­hang sollte man wis­sen, dass es bei der Auf­nahme ein­er Zuglast durch einen Faserver­bundw­erk­stoff beson­ders darauf ankommt, dass das eine Harz min­destens so hohe Dehn­fĂ€higkeit wie die Fas­er aufweist. Ist seine Dehn­fĂ€higkeit niedriger, ver­sagt die Harz­ma­trix, noch bevor die Fas­er überhaupt richtig zum Tra­gen kommt. Grafik 12 stellt die Bruchdehnun­gen von unver­stĂ€rk­tem E‑Glas, R‑Glas, Kohlen­stoff und Aramid dar – also jew­eils den reinen Fasern (nicht im Ver­bund mit Harz). Um zum Beispiel mit R‑Glas (Bruchdehnung 5,3 %) opti­mal zusam­me­nar­beit­en zu kön­nen, muss das ver­wen­dete Harzsys­tem eine min­destens so hohe Bruchdehnung haben (>5,3 %), damit die Fas­er mit ihrer ganzen Fes­tigkeit zum Tra­gen kom­men kann.

dehnung

Haftungseigenschaften des Harzsystems

Eine gute Haf­tung des Harzes an der Fas­er ist eine unab­d­ing­bare Voraus­set­zung für die Fes­tigkeit des Faserver­bundw­erk­stoffes. Nur so kön­nen ein­geleit­ete KrĂ€fte gut in die Tiefe des Werk­stoffes weit­ergeleit­et und Mikrobrüche zwis­chen Harz und Fas­er ver­mieden werden

ZĂ€higkeit des Harzsystems

Die ZĂ€higkeit des Harzes ist seine FĂ€higkeit, die Weit­er­ver­bre­itung eines ein­mal ange­fan­genen Bruchs zu unterbinden; es ist schwierig, diese Eigen­schaft für einen Faserver­bundw­erk­stoff genau zu bes­tim­men. Ein Blick auf die Bruchdehnungskurve des Harzes gibt einen guten Hin­weis auf die von dem Faserver­bundw­erk­stoff zu erwartende ZĂ€higkeit; je mehr Last das Harz aufnehmen kann, ohne zu ver­sagen, um so zĂ€her und damit bruch­fester ist das Mate­r­i­al. Umgekehrt wird ein Faserver­bundw­erk­stoff mit ein­er sehr sprö­den Matrix schon bei niedri­gen Belas­tun­gen anfan­gen, nach und nach zu brechen (was sich z.B. bei ein­fachen Poly­ester/E‑­Glas-Lam­i­nat­en durch deut­lich hör­bares Knis­tern unter Last bemerk­bar macht), bis es schließlich ganz ver­sagt. Für lange Halt­barkeit ist dem­nach eine genaue Abstim­mung der Bruchdehnung­seigen­schaften von Fas­er und Harz sehr wichtig.

BestĂ€ndigkeit des Harzes gegen Umwelteinflüsse

Wass­er, UV-Licht und u.U. aggres­sive Medi­en sind Ein­flussfak­toren, die jeden Werk­stoff – beson­ders in mar­itimer Umge­bung – schnell altern lassen. Es kommt hier einzig auf die Eigen­schaften des Harzes an, denn als umgeben­des Mate­r­i­al bildet es stets die Außen­schicht und tren­nt die eingeschlosse­nen Fasern von der Umwelt. Wider­ste­ht ein Harz diesen Einflüssen nicht, ist ein schneller Ver­fall des Werkstückes die unab­wend­bare Folge.

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 AbhĂ€ngigkeit des Ein­flusses von WĂ€rme auf ihre Eigen­schaften in „ther­mo­plas­tis­che“ und „duro­plas­tis­che“ Sys­teme. Ther­mo­plas­te wer­den, Ă€hn­lich wie Met­alle, unter Ein­wirkung von WĂ€rme weich (bis hin zur Schmelze) und erhĂ€rten 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 Faserver­stĂ€rkun­gen nutzen; allerd­ings find­et man in dem Bere­ich der faserver­stĂ€rk­ten 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 verĂ€n­dern und kein­er­lei Reak­tio­nen durchlaufen.

Im Gegen­satz dazu entste­hen duro­plas­tis­che Matrixsys­teme erst durch AushĂ€r­tung infolge ein­er chemis­chen Reak­tion „vor Ort“, die durch Zufuhr von WĂ€rme beschle­u­nigt wer­den kann. Harz und HĂ€rter reagieren nach ihrem Ver­mis­chen zu einem irre­versiblen, fes­ten Ver­bund. Sie sind durch Zufuhr von WĂ€rme 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 aus­ge­fĂ€llt wer­den. Obwohl die Duro­plas­te durch WĂ€rme 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 hĂ€ngt von sein­er chemis­chen Zusam­menset­zung, aber auch von der Höhe sein­er AushĂ€r­tung­stem­per­atur und der Qual­itĂ€t 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 sys­temab­hĂ€ngige max­i­male Belas­tung­stem­per­atur deut­lich ober­halb des Tg, bei deren Über­schre­itung das Molekulargefüge dann irrepara­bel beschĂ€digt 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.

 

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