Harzauswahl

Die Verwendung von Harz in einem Verbundwerkstoffprofil erfüllt zwei Hauptfunktionen: das Verstärkungsmaterial zu binden und in der richtigen Position zu halten, um die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs bereitzustellen. Je nach Art des verwendeten Harzes trägt es auch zu einer Vielzahl von Vorteilen bei, darunter Korrosions- oder Temperaturbeständigkeit und elektrische Isolierung. Einige der gebräuchlichsten Harze, die zusammen mit Karbonfaser- und Glasfaserverstärkungen verwendet werden, sind Polyester, Vinylester, Polyurethan und Epoxid.

Polyester (UPE)

Polyesterharze sind eine der am häufigsten verwendeten Harzarten, insbesondere in der maritimen Industrie. Sie kommen oft in ungesättigter Form vor, was das Harz zu einem Duroplast macht, das unter den richtigen Bedingungen von einem flüssigen in einen festen Zustand aushärtet. Die meisten Polyesterharze bestehen aus einer Polyesterlösung und einem Monomer, das typischerweise Styrol ist. Das Styrol trägt zur Verringerung der Viskosität des Harzes bei und erleichtert die Handhabung. Gleichzeitig kann es durch die Vernetzung der Molekülketten des Polyesters – ein Verfahren, das als Polymerisation bekannt ist – von einer Flüssigkeit zu einem Feststoff aushärten.

Polyesterharze lassen sich deshalb ohne die Notwendigkeit von Druck formen und werden oft als „Niederdruck“-Harze bezeichnet. Polyesterharze haben eine gute chemische Beständigkeit und zeigen unter schwachen alkalischen eine gute und unter schwachen sauren Bedingungen eine noch bessere Leistung.

Die typischen mechanischen Eigenschaften der Polyester-/Glasfaserprofile sind in der folgenden Tabelle beschrieben.

   Einheit Struktur = UCU  Struktur = U 
Typischer Glasgehalt [%-vol]  55-58 %  58-65 % 
Zugfestigkeit [Mpa]  600-900  1000-1200 
Zugmodul [Gpa]  38-42  42-45 
Biegefestigkeit [Mpa]  700-1000  1000-1300 
Biegemodul [Gpa]  35-40  40-43 
Wärmeausdehnungskoeffizient   [10-6/K]  9-11  6-8 
Dichte [kg/dm3]  1.9-2.0  1.9-2.0 

Struktur: U = unidirektional, C = überkreuz gewundend

Polyesterharze können so modifiziert werden, dass sie schwer entflammbar oder selbstlöschend sind.

Vinylester (VE)

Vinylesterharze kombinieren die besten Eigenschaften von Polyester- und Epoxidharzen in einer Lösung. Sie sind in der Regel stärker als Polyester und widerstandsfähiger als Epoxide, da sie eine hybride Form von Polyesterharz sind, die durch Epoxid verstärkt wurde.

Vinylester sind dehnungstoleranter als Polyester, sodass sie Stöße besser unbeschädigt absorbieren können und weniger zu Spannungsrissen neigen. Das Harz hat auch weniger offene Stellen in seiner molekularen Kette, was es widerstandsfähiger gegen das Eindringen von Wasser macht.

Epoxide (EP)

Epoxidharze sind eine weitere Variante von Duroplastharzen und werden häufig mit hoch leistungsfähigen Verstärkungen wie Karbon oder einem hohen Volumen an Glasfasern verwendet. Im Gegensatz zu Polyesterharzen werden Epoxide jedoch mit einem Härter statt einem Katalysator ausgehärtet.

Der Härter, oft ein Amin, härtet das Epoxid während einer zusätzlichen Reaktion, die beide Materialien einbezieht. Bei der chemischen Reaktion entstehen zwei Epoxidstellen, die eine Verbindung mit jeder Aminstelle und eine komplexe dreidimensionale Struktur bilden. Damit diese Reaktion präzise erfolgen kann, ist es wichtig, dass das richtige Mischverhältnis von Harz und Härter erreicht wird. Wenn die Amin- und Epoxidmoleküle nicht gut vermischt sind, können nicht reagiertes Harz oder Härter in der Matrix verbleiben und die Eigenschaften des Verbundmaterials beeinflussen.

Epoxidharze bieten eine Reihe von für Verbundwerkstoffe vorteilhaften Eigenschaften. So minimiert ihre geringe Schrumpfung während des Härtungsprozesses das Risiko von internen Spannungen, und Epoxidharze ermöglichen zudem eine hohe elektrische Isolierung und gute Chemikalienbeständigkeit.

Polyurethanes (PU)

Während des Pultrusionsprozesses kann Polyurethan eine ausgezeichnete Alternative zu Epoxid für mechanisch hoch beanspruchte Anwendungen wie Federn bieten, da ein hoher Faservolumenanteil verwendet werden kann. Dieser hohe Faseranteil bewirkt zudem eine hohe Steifigkeit, was geringere Wanddicken und damit Gewichtseinsparungen ermöglicht. Polyurethanharze sind für ihre Chemikalien- und Ölbeständigkeit bekannt und sie sind in der Regel sehr abrieb- und reißfest.

Die Zähigkeit des Harzes ist im Vergleich zu Polyester und Vinylestern überlegen und es Schrauben auch ohne Verwendung von Überkreuzverstärkungen hervorragenden Halt. Darüber hinaus ist das Harz sowohl mit Standard-Glasfaser als auch mit Hochleistungs-Karbonfaser kompatibel.

Harzzusätze

Harze sind nicht immer allein verwendbar und häufig können Additive zur Matrix hinzugefügt werden, um noch weitere Vorteile zu bieten. Im Allgemeinen werden Additive aus drei Gründen in den Mix integriert: um Kosten zu reduzieren, zusätzliche Eigenschaften zu bieten oder dem Gesamtherstellungsprozess zu nutzen.

Preissenkende Additive oder Füllstoffe helfen Herstellern, die Menge an teuren Materialien, die sie verwenden müssen, zu reduzieren und so den Preis des Fertigprodukts zu senken. Bei der Zugabe von mit der Funktion eines Verbundwerkstoffs in Bezug stehenden Additiven können auch Pigmente einbezogen werden, die die Farbe des Fertigprodukts verändern. Dies ist besonders nützlich, wenn der Endbenutzer eine Anzahl von Verbundwerkstofflösungen erhält, die zu einem Endprodukt zusammengebaut werden, da er anhand der Farbe jedes Teils leicht seine Einbaulage erkennen kann.

Prozessbezogene Additive können sowohl dem Pultrusionsprozess als auch dem ausgehärteten Profil direkte Vorteile bieten. So können beispielsweise Additive eingesetzt werden, um Schrumpfungen während des Aushärtungsprozesses zu vermeiden und damit der Bildung von Rissen im Verbundwerkstoff entgegenzuwirken, was gleichzeitig zur Verbesserung von internen Spannungen beiträgt.