Faserverbundwerkstoffe seit 1985

Harzsysteme

Zum Ein­satz in Faserver­bundw­erk­stof­fen muss ein Harzsys­tem fol­gende Eigen­schaften aufweisen:

  • gute mech¬≠a¬≠nis¬≠che Eigenschaften
  • gute Haf¬≠tung (an den Fasern)
  • gute Z√§higkeit
  • gute Best√§ndigkeit gegenuŐąber UmwelteinfluŐąssen

Mechanische Eigenschaften des Harzes

Die Grafik 11 zeigt die Belas¬≠tungs-/Ver¬≠for¬≠mungs-Kurve eines ‚Äěide¬≠alen‚Äú Harzsys¬≠tems. Dieses Mate¬≠r¬≠i¬≠al weist eine hohe End¬≠fes¬≠tigkeit auf, es ist sehr steif (wie an dem Anfangs steilen Ver¬≠lauf der Kurve zu erken¬≠nen) und es neigt nicht zu pl√∂t¬≠zlichem Ver¬≠sagen, ist also z√§h bzw. nicht spr√∂de (plas¬≠tis¬≠che Verformung).

plastische Verformung

In diesem Zusam¬≠men¬≠hang sollte man wis¬≠sen, dass es bei der Auf¬≠nahme ein¬≠er Zuglast durch einen Faserver¬≠bundw¬≠erk¬≠stoff beson¬≠ders darauf ankommt, dass das eine Harz min¬≠destens so hohe Dehn¬≠f√§higkeit wie die Fas¬≠er aufweist. Ist seine Dehn¬≠f√§higkeit niedriger, ver¬≠sagt die Harz¬≠ma¬≠trix, noch bevor die Fas¬≠er uŐąberhaupt richtig zum Tra¬≠gen kommt. Grafik 12 stellt die Bruchdehnun¬≠gen von unver¬≠st√§rk¬≠tem E‚ÄĎGlas, R‚ÄĎGlas, Kohlen¬≠stoff und Aramid dar ‚Äď also jew¬≠eils den reinen Fasern (nicht im Ver¬≠bund mit Harz). Um zum Beispiel mit R‚ÄĎGlas (Bruchdehnung 5,3 %) opti¬≠mal zusam¬≠me¬≠nar¬≠beit¬≠en zu k√∂n¬≠nen, muss das ver¬≠wen¬≠dete Harzsys¬≠tem eine min¬≠destens so hohe Bruchdehnung haben (>5,3 %), damit die Fas¬≠er mit ihrer ganzen Fes¬≠tigkeit zum Tra¬≠gen kom¬≠men kann.

dehnung

Haftungseigenschaften des Harzsystems

Eine gute Haf¬≠tung des Harzes an der Fas¬≠er ist eine unab¬≠d¬≠ing¬≠bare Voraus¬≠set¬≠zung fuŐąr die Fes¬≠tigkeit des Faserver¬≠bundw¬≠erk¬≠stoffes. Nur so k√∂n¬≠nen ein¬≠geleit¬≠ete Kr√§fte gut in die Tiefe des Werk¬≠stoffes weit¬≠ergeleit¬≠et und MikrobruŐąche zwis¬≠chen Harz und Fas¬≠er ver¬≠mieden werden

Zähigkeit des Harzsystems

Die Z√§higkeit des Harzes ist seine F√§higkeit, die Weit¬≠er¬≠ver¬≠bre¬≠itung eines ein¬≠mal ange¬≠fan¬≠genen Bruchs zu unterbinden; es ist schwierig, diese Eigen¬≠schaft fuŐąr einen Faserver¬≠bundw¬≠erk¬≠stoff genau zu bes¬≠tim¬≠men. Ein Blick auf die Bruchdehnungskurve des Harzes gibt einen guten Hin¬≠weis auf die von dem Faserver¬≠bundw¬≠erk¬≠stoff zu erwartende Z√§higkeit; je mehr Last das Harz aufnehmen kann, ohne zu ver¬≠sagen, um so z√§her und damit bruch¬≠fester ist das Mate¬≠r¬≠i¬≠al. Umgekehrt wird ein Faserver¬≠bundw¬≠erk¬≠stoff mit ein¬≠er sehr spr√∂¬≠den Matrix schon bei niedri¬≠gen Belas¬≠tun¬≠gen anfan¬≠gen, nach und nach zu brechen (was sich z.B. bei ein¬≠fachen Poly¬≠ester/E‚ÄϬ≠Glas-Lam¬≠i¬≠nat¬≠en durch deut¬≠lich h√∂r¬≠bares Knis¬≠tern unter Last bemerk¬≠bar macht), bis es schlie√ülich ganz ver¬≠sagt. FuŐąr lange Halt¬≠barkeit ist dem¬≠nach eine genaue Abstim¬≠mung der Bruchdehnung¬≠seigen¬≠schaften von Fas¬≠er und Harz sehr wichtig.

Best√§ndigkeit des Harzes gegen UmwelteinfluŐąsse

Wass¬≠er, UV-Licht und u.U. aggres¬≠sive Medi¬≠en sind Ein¬≠flussfak¬≠toren, die jeden Werk¬≠stoff ‚Äď beson¬≠ders in mar¬≠itimer Umge¬≠bung ‚Äď schnell altern lassen. Es kommt hier einzig auf die Eigen¬≠schaften des Harzes an, denn als umgeben¬≠des Mate¬≠r¬≠i¬≠al bildet es stets die Au√üen¬≠schicht und tren¬≠nt die eingeschlosse¬≠nen Fasern von der Umwelt. Wider¬≠ste¬≠ht ein Harz diesen EinfluŐąssen nicht, ist ein schneller Ver¬≠fall des WerkstuŐąckes die unab¬≠wend¬≠bare Folge.

Diverse Harze

Alle Harze, die bei der Her¬≠stel¬≠lung von Faserver¬≠bund¬≠kun¬≠st¬≠stof¬≠fen einge¬≠set¬≠zt wer¬≠den, geh√∂ren im weitesten Sinne zu den Poly¬≠meren. Alle Poly¬≠mere haben gemein¬≠sam, dass sie aus langket¬≠ti¬≠gen MolekuŐąlen zusam¬≠menge¬≠set¬≠zt wer¬≠den, die wiederum eine Vielzahl sich wieder¬≠holen¬≠der, ein¬≠fach¬≠er Einzel¬≠bausteine sind. Von Men¬≠schen¬≠hand hergestellte Poly¬≠mere hei√üen ‚ÄěSyn¬≠thetis¬≠che Harze‚Äú oder auch ein¬≠fach ‚ÄěHarze‚Äú. Harze unterteilt man in Abh√§ngigkeit des Ein¬≠flusses von W√§rme auf ihre Eigen¬≠schaften in ‚Äěther¬≠mo¬≠plas¬≠tis¬≠che‚Äú und ‚Äěduro¬≠plas¬≠tis¬≠che‚Äú Sys¬≠teme. Ther¬≠mo¬≠plas¬≠te wer¬≠den, √§hn¬≠lich wie Met¬≠alle, unter Ein¬≠wirkung von W√§rme weich (bis hin zur Schmelze) und erh√§rten bei AbkuŐąhlung wieder. Dieser Prozess der √úber¬≠schre¬≠itung und anschlie√üen¬≠den Unter¬≠schre¬≠itung des Schmelzpunk¬≠tes kann beliebig oft wieder¬≠holt wer¬≠den, ohne dass es einen Ein¬≠fluss auf die Eigen¬≠schaften des Mate¬≠ri¬≠ales hat. Typ¬≠is¬≠che Ther¬≠mo¬≠plas¬≠te sind Nylon, Polypropy¬≠len und ABS; auch solche Ther¬≠mo¬≠plas¬≠te lassen sich dur¬≠chaus als Matrix fuŐąr Faserver¬≠st√§rkun¬≠gen nutzen; allerd¬≠ings find¬≠et man in dem Bere¬≠ich der faserver¬≠st√§rk¬≠ten Ther¬≠mo¬≠plas¬≠te noch uŐąberwiegend Kurz¬≠fasern (meis¬≠tens aus E‚ÄĎGlas) vor, die den entste¬≠hen¬≠den Faserver¬≠bun¬≠den ver¬≠gle¬≠ich¬≠sweise niedrige Fes¬≠tigkeit¬≠en ver¬≠lei¬≠hen. Ther¬≠mo¬≠plas¬≠te liegen stets als fer¬≠tig hergestellte Werk¬≠stoffe vor, die sich im Ver¬≠lauf ihrer Ver¬≠ar¬≠beitung chemisch nicht mehr ver√§n¬≠dern und kein¬≠er¬≠lei Reak¬≠tio¬≠nen durchlaufen.

Im Gegen¬≠satz dazu entste¬≠hen duro¬≠plas¬≠tis¬≠che Matrixsys¬≠teme erst durch Aush√§r¬≠tung infolge ein¬≠er chemis¬≠chen Reak¬≠tion ‚Äěvor Ort‚Äú, die durch Zufuhr von W√§rme beschle¬≠u¬≠nigt wer¬≠den kann. Harz und H√§rter reagieren nach ihrem Ver¬≠mis¬≠chen zu einem irre¬≠versiblen, fes¬≠ten Ver¬≠bund. Sie sind durch Zufuhr von W√§rme nicht wieder zu erwe¬≠ichen. Manche Duro¬≠plas¬≠te (z.B. Phe¬≠nole) reagieren unter Abgabe eines fluŐąchtigen Abfall¬≠pro¬≠duk¬≠tes (Kon¬≠den¬≠sa¬≠tion¬≠sreak¬≠tion), andere ‚Äď wie vor allem Epox¬≠ide und Poly¬≠ester ‚Äď reagieren durch Addi¬≠tion (Addi¬≠tion¬≠sreak¬≠tion), ohne dass irgendwelche Abfall¬≠stoffe aus¬≠ge¬≠f√§llt wer¬≠den. Obwohl die Duro¬≠plas¬≠te durch W√§rme nicht zu verfluŐąssigen sind, weisen sie doch eine Tem¬≠per¬≠atur¬≠gren¬≠ze auf, ober¬≠halb der¬≠er ihre mech¬≠a¬≠nis¬≠chen Eigen¬≠schaften drastisch schlechter wer¬≠den. Man nen¬≠nt diese Tem¬≠per¬≠atur auch ‚ÄěGlasuŐąbergangstemperatur‚Äú (Tg); der genaue Tg eines Harzsys¬≠tems h√§ngt von sein¬≠er chemis¬≠chen Zusam¬≠menset¬≠zung, aber auch von der H√∂he sein¬≠er Aush√§r¬≠tung¬≠stem¬≠per¬≠atur und der Qual¬≠it√§t der Dosierung und Mis¬≠chung der Einzelkom¬≠po¬≠nen¬≠ten ab.

Ober¬≠halb des Tg erwe¬≠icht die bis dahin harte, kristalline Moleku¬≠larstruk¬≠tur des Harzes; es wird weich¬≠er und alle vorste¬≠hend beschriebe¬≠nen Fes¬≠tigkeit¬≠en gehen deut¬≠lich nach unten. KuŐąhlt man das Harz wieder unter den Tg ab, so gewin¬≠nt es seine urspruŐąnglichen Eigen¬≠schaften zuruŐąck. Allerd¬≠ings hat jedes Harz eine sys¬≠temab¬≠h√§ngige max¬≠i¬≠male Belas¬≠tung¬≠stem¬≠per¬≠atur deut¬≠lich ober¬≠halb des Tg, bei deren √úber¬≠schre¬≠itung das MolekulargefuŐąge dann irrepara¬≠bel besch√§digt wird. Obwohl es in der Faserver¬≠bundtech¬≠nik eine Vielzahl von duro¬≠plas¬≠tis¬≠chen Poly¬≠meren gibt, wer¬≠den die meis¬≠ten Bauteile doch im wesentlichen aus drei ver¬≠schiede¬≠nen Harzsys¬≠teme hergestellt: Poly¬≠ester, Vinylester und Epoxid.

 

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