Zum EinÂsatz in FaserverÂbundwÂerkÂstofÂfen muss ein HarzsysÂtem folÂgende EigenÂschaften aufweisen:
- gute mechÂaÂnisÂche Eigenschaften
- gute HafÂtung (an den Fasern)
- gute ZĂ€higkeit
- gute BestĂ€ndigkeit gegenuÌber UmwelteinfluÌssen
Mechanische Eigenschaften des Harzes
Die Grafik 11 zeigt die BelasÂtungs-/VerÂforÂmungs-Kurve eines âideÂalenâ HarzsysÂtems. Dieses MateÂrÂiÂal weist eine hohe EndÂfesÂtigkeit auf, es ist sehr steif (wie an dem Anfangs steilen VerÂlauf der Kurve zu erkenÂnen) und es neigt nicht zu plötÂzlichem VerÂsagen, ist also zĂ€h bzw. nicht spröde (plasÂtisÂche Verformung).
In diesem ZusamÂmenÂhang sollte man wisÂsen, dass es bei der AufÂnahme einÂer Zuglast durch einen FaserverÂbundwÂerkÂstoff besonÂders darauf ankommt, dass das eine Harz minÂdestens so hohe DehnÂfĂ€higkeit wie die FasÂer aufweist. Ist seine DehnÂfĂ€higkeit niedriger, verÂsagt die HarzÂmaÂtrix, noch bevor die FasÂer uÌberhaupt richtig zum TraÂgen kommt. Grafik 12 stellt die BruchdehnunÂgen von unverÂstĂ€rkÂtem EâGlas, RâGlas, KohlenÂstoff und Aramid dar â also jewÂeils den reinen Fasern (nicht im VerÂbund mit Harz). Um zum Beispiel mit RâGlas (Bruchdehnung 5,3 %) optiÂmal zusamÂmeÂnarÂbeitÂen zu könÂnen, muss das verÂwenÂdete HarzsysÂtem eine minÂdestens so hohe Bruchdehnung haben (>5,3 %), damit die FasÂer mit ihrer ganzen FesÂtigkeit zum TraÂgen komÂmen kann.
Haftungseigenschaften des Harzsystems
Eine gute HafÂtung des Harzes an der FasÂer ist eine unabÂdÂingÂbare VorausÂsetÂzung fuÌr die FesÂtigkeit des FaserverÂbundwÂerkÂstoffes. Nur so könÂnen einÂgeleitÂete KrĂ€fte gut in die Tiefe des WerkÂstoffes weitÂergeleitÂet und MikrobruÌche zwisÂchen Harz und FasÂer verÂmieden werden
ZĂ€higkeit des Harzsystems
BestĂ€ndigkeit des Harzes gegen UmwelteinfluÌsse
WassÂer, UV-Licht und u.U. aggresÂsive MediÂen sind EinÂflussfakÂtoren, die jeden WerkÂstoff â besonÂders in marÂitimer UmgeÂbung â schnell altern lassen. Es kommt hier einzig auf die EigenÂschaften des Harzes an, denn als umgebenÂdes MateÂrÂiÂal bildet es stets die AuĂenÂschicht und trenÂnt die eingeschlosseÂnen Fasern von der Umwelt. WiderÂsteÂht ein Harz diesen EinfluÌssen nicht, ist ein schneller VerÂfall des WerkstuÌckes die unabÂwendÂbare Folge.
Diverse Harze
Alle Harze, die bei der HerÂstelÂlung von FaserverÂbundÂkunÂstÂstofÂfen eingeÂsetÂzt werÂden, gehören im weitesten Sinne zu den PolyÂmeren. Alle PolyÂmere haben gemeinÂsam, dass sie aus langketÂtiÂgen MolekuÌlen zusamÂmengeÂsetÂzt werÂden, die wiederum eine Vielzahl sich wiederÂholenÂder, einÂfachÂer EinzelÂbausteine sind. Von MenÂschenÂhand hergestellte PolyÂmere heiĂen âSynÂthetisÂche Harzeâ oder auch einÂfach âHarzeâ. Harze unterteilt man in AbhĂ€ngigkeit des EinÂflusses von WĂ€rme auf ihre EigenÂschaften in âtherÂmoÂplasÂtisÂcheâ und âduroÂplasÂtisÂcheâ SysÂteme. TherÂmoÂplasÂte werÂden, Ă€hnÂlich wie MetÂalle, unter EinÂwirkung von WĂ€rme weich (bis hin zur Schmelze) und erhĂ€rten bei AbkuÌhlung wieder. Dieser Prozess der ĂberÂschreÂitung und anschlieĂenÂden UnterÂschreÂitung des SchmelzpunkÂtes kann beliebig oft wiederÂholt werÂden, ohne dass es einen EinÂfluss auf die EigenÂschaften des MateÂriÂales hat. TypÂisÂche TherÂmoÂplasÂte sind Nylon, PolypropyÂlen und ABS; auch solche TherÂmoÂplasÂte lassen sich durÂchaus als Matrix fuÌr FaserverÂstĂ€rkunÂgen nutzen; allerdÂings findÂet man in dem BereÂich der faserverÂstĂ€rkÂten TherÂmoÂplasÂte noch uÌberwiegend KurzÂfasern (meisÂtens aus EâGlas) vor, die den entsteÂhenÂden FaserverÂbunÂden verÂgleÂichÂsweise niedrige FesÂtigkeitÂen verÂleiÂhen. TherÂmoÂplasÂte liegen stets als ferÂtig hergestellte WerkÂstoffe vor, die sich im VerÂlauf ihrer VerÂarÂbeitung chemisch nicht mehr verĂ€nÂdern und keinÂerÂlei ReakÂtioÂnen durchlaufen.
Im GegenÂsatz dazu entsteÂhen duroÂplasÂtisÂche MatrixsysÂteme erst durch AushĂ€rÂtung infolge einÂer chemisÂchen ReakÂtion âvor Ortâ, die durch Zufuhr von WĂ€rme beschleÂuÂnigt werÂden kann. Harz und HĂ€rter reagieren nach ihrem VerÂmisÂchen zu einem irreÂversiblen, fesÂten VerÂbund. Sie sind durch Zufuhr von WĂ€rme nicht wieder zu erweÂichen. Manche DuroÂplasÂte (z.B. PheÂnole) reagieren unter Abgabe eines fluÌchtigen AbfallÂproÂdukÂtes (KonÂdenÂsaÂtionÂsreakÂtion), andere â wie vor allem EpoxÂide und PolyÂester â reagieren durch AddiÂtion (AddiÂtionÂsreakÂtion), ohne dass irgendwelche AbfallÂstoffe ausÂgeÂfĂ€llt werÂden. Obwohl die DuroÂplasÂte durch WĂ€rme nicht zu verfluÌssigen sind, weisen sie doch eine TemÂperÂaturÂgrenÂze auf, oberÂhalb derÂer ihre mechÂaÂnisÂchen EigenÂschaften drastisch schlechter werÂden. Man nenÂnt diese TemÂperÂatur auch âGlasuÌbergangstemperaturâ (Tg); der genaue Tg eines HarzsysÂtems hĂ€ngt von seinÂer chemisÂchen ZusamÂmensetÂzung, aber auch von der Höhe seinÂer AushĂ€rÂtungÂstemÂperÂatur und der QualÂitĂ€t der Dosierung und MisÂchung der EinzelkomÂpoÂnenÂten ab.
OberÂhalb des Tg erweÂicht die bis dahin harte, kristalline MolekuÂlarstrukÂtur des Harzes; es wird weichÂer und alle vorsteÂhend beschriebeÂnen FesÂtigkeitÂen gehen deutÂlich nach unten. KuÌhlt man das Harz wieder unter den Tg ab, so gewinÂnt es seine urspruÌnglichen EigenÂschaften zuruÌck. AllerdÂings hat jedes Harz eine sysÂtemabÂhĂ€ngige maxÂiÂmale BelasÂtungÂstemÂperÂatur deutÂlich oberÂhalb des Tg, bei deren ĂberÂschreÂitung das MolekulargefuÌge dann irreparaÂbel beschĂ€digt wird. Obwohl es in der FaserverÂbundtechÂnik eine Vielzahl von duroÂplasÂtisÂchen PolyÂmeren gibt, werÂden die meisÂten Bauteile doch im wesentlichen aus drei verÂschiedeÂnen HarzsysÂteme hergestellt: PolyÂester, Vinylester und Epoxid.