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EPOXIDHARZ
Ein Epoxidharz (Kurzzeichen EP) besteht aus Polymeren (Polyether), die je nach Reaktionsführung unter Zugabe geeigneter Härter einen duroplastischen Kunststoff von hoher Festigkeit und chemischer Beständigkeit ergeben. Werden Epoxidharz und Härter gemischt, erfolgt je nach Zusammensetzung und Temperatur üblicherweise innerhalb von wenigen Minuten bis einigen Stunden die Aushärtung des ursprünglich viskosen Gemisches. In einzelnen Fällen beträgt die Aushärtungszeit auch mehrere Monate.
Wie bei allen mehrkomponentigen Reaktionsharzen muss beim Anmischen von Epoxidharz normalerweise das stöchiometrische Harz/Härter Verhältnis eingehalten werden – andernfalls verbleiben Teile von Harz oder Härter ohne Reaktionspartner. Bei einem zu hohen Harzanteil bleiben die Produkte weich, bei einem zu hohen Härteranteil wird das Material spröde und neigt zu klebrigen Oberflächen. Schon bei einer Abweichung von 10 % der Anteile reduziert sich die Festigkeit auf einen Bruchteil. Einige Epoxidsysteme sind jedoch ausdrücklich für eine Variation des Mischungsverhältnisses innerhalb enger Grenzen geeignet. Dadurch lassen sich Härte, Elastizität und andere Eigenschaften beeinflussen. Ein Überschuss Harz ergibt erhöhte Flexibilität und bessere Beständigkeit gegenüber Säuren; ein Härterüberschuss steigert die Härte und die Lösemittelbeständigkeit. Weiterhin gibt es spezielle Aminhärter, die katalytisch eine anionische Polymerisation der Epoxidkomponente bewirken, wobei Polyether entstehen. Hier werden also nicht stöchiometrische Anteile Härter eingesetzt. Gleichfalls ist eine kationische Polymerisation durch saure Härter möglich.
Eine inhomogene Mischung der Komponenten hat ähnlich negative Effekte wie ein falsches Verhältnis der Komponenten, da die Polyaddition nur unvollständig abläuft.
Die Polyaddition ist stark exotherm. Daher dürfen insbesondere bei hochreaktiven Systemen keine beliebig großen Mengen von Harz und Härter gemischt werden. Die entstehende Reaktionswärme kann so groß werden, dass es zum Brand kommt; zumindest können jedoch die Eigenschaften des Harzes durch die Überhitzung negativ beeinflusst werden. Für Bauteile mit großen Wanddicken sollten daher nur niedrigreaktive Harze verwendet werden.
Die Verarbeitungsdauer von Reaktionsharzen wird Topfzeit genannt. Sie hängt von der Verarbeitungstemperatur, der Einstellung des Harzes und der Ansatzgröße ab. Übliche Topfzeiten liegen bei einigen Minuten bis hin zu mehreren Stunden. Während der Topfzeit steigt die Viskosität des Harzes in einer nichtlinearen Kurve immer weiter an, bis schließlich keine Verarbeitung mehr möglich ist. Daher sollte immer nur so viel Harz angesetzt werden, wie innerhalb der Topfzeit verarbeitet werden kann. Die Angabe der Topfzeit ist in der Regel bei einem Harz/Härter-Ansatz von 100 g gemacht – das heißt: größere Verarbeitungsmengen haben eine wesentlich kürzere Verarbeitungszeit.
Eine Erwärmung des angemischten Harzes verringert die Viskosität und verbessert dadurch im Allgemeinen die Verarbeitbarkeit, verkürzt aber auch die Topfzeit. Niedrigreaktive Epoxidharze benötigen lange Härtezeiten und möglichst eine erhöhte Härtungstemperatur (30–40 °C). Eine Erhöhung der Verarbeitungstemperatur um 10 °C bewirkt eine Halbierung der Topf- bzw. Aushärtezeit. Bei Bedarf können noch Beschleuniger (hochreaktive Härter) zugegeben werden, die die Reaktionszeit verkürzen. Epoxidharze können zur vollständigen Vernetzung und zum Erreichen einer höheren Wärmeformbeständigkeit nach der Aushärtung einer Warmhärtung unterzogen werden.
Beim Warmhärten (Temperung) steigt die Glasübergangstemperatur (Tg) der Matrix um ca. 20–25 °C über die maximale Warmhärtungstemperatur an – dies ist der sogenannte Temperaturvorlauf. Die Temperatursteigerung sollte bei der Warmhärtung max. 20 °C/h betragen. Unkonditionierte Formen sollten mit max. 10 °C/h gehärtet werden. Raumtemperaturanhärtende Systeme härten bei Raumtemperatur teilweise mit einer sehr spröden Matrix – eine Härtung über 40 °C/5–6 h beseitigt diese und verbessert zusätzlich die mechanischen Eigenschaften.
Epoxidharze werden häufig mit niedrigviskosen Zusätzen modifiziert. Durch die niedrigere Viskosität der Harzmischungen wird eine bessere Penetration in poröse Werkstoffe (Tränkung von Geweben, Beschichtung von Beton) erreicht oder die Verarbeitbarkeit im RTM-Verfahren verbessert. Andererseits erlauben derartige Harze eine höhere Beladung mit Füllstoffen, woraus bei der Härtung eine geringerer Volumenschrumpf resultiert. Ebenfalls können die mechanischen Eigenschaften des gehärteten Harzes verbessert werden, ebenso die Ökonomie. Für diese Zwecke werden bevorzugt Glycidylether verwendet, da diese – im Gegensatz zu nicht reaktiven Verdünnern – kovalent an das Polymer gebunden werden und daher auch nicht migrieren können.
Gebräuchlich als Reaktivverdünner sind:
- Monoglycidylether –- Glycidylether von einwertigen Phenolen oder Alkoholen
Monoglycidylether neigen dazu, die Polyaddition abzubrechen, da sie nur monofunktionell sind. Daher beeinträchtigen sie die Festigkeit und die Temperaturbeständigkeit, erhöhen aber die Flexibilität. Glycidylether von Phenolen wirken hier weniger nachteilig als Alkylglycidylether, werden aber toxikologisch ungünstiger beurteilt. Bei den Alkylglycidylethern werden langkettige (C12 – C14) wegen ihres niedrigen Dampfdrucks bevorzugt eingesetzt; sie lassen sich günstig aus Fettalkoholen herstellen.
- Polyglycidylether
Diese mehrfunktionellen Reaktivverdünner werden eingesetzt, wenn höhere Ansprüche an die mechanischen Eigenschaften gestellt werden. Da sie über mindestens zwei (wie der häufig eingesetzte Hexan-1,6-dioldiglycidylether) Epoxidgruppen verfügen, bewirken sie keinen Abbruch der Polyaddition.
Admin
Wie bei allen mehrkomponentigen Reaktionsharzen muss beim Anmischen von Epoxidharz normalerweise das stöchiometrische Harz/Härter Verhältnis eingehalten werden – andernfalls verbleiben Teile von Harz oder Härter ohne Reaktionspartner. Bei einem zu hohen Harzanteil bleiben die Produkte weich, bei einem zu hohen Härteranteil wird das Material spröde und neigt zu klebrigen Oberflächen. Schon bei einer Abweichung von 10 % der Anteile reduziert sich die Festigkeit auf einen Bruchteil. Einige Epoxidsysteme sind jedoch ausdrücklich für eine Variation des Mischungsverhältnisses innerhalb enger Grenzen geeignet. Dadurch lassen sich Härte, Elastizität und andere Eigenschaften beeinflussen. Ein Überschuss Harz ergibt erhöhte Flexibilität und bessere Beständigkeit gegenüber Säuren; ein Härterüberschuss steigert die Härte und die Lösemittelbeständigkeit. Weiterhin gibt es spezielle Aminhärter, die katalytisch eine anionische Polymerisation der Epoxidkomponente bewirken, wobei Polyether entstehen. Hier werden also nicht stöchiometrische Anteile Härter eingesetzt. Gleichfalls ist eine kationische Polymerisation durch saure Härter möglich.
Eine inhomogene Mischung der Komponenten hat ähnlich negative Effekte wie ein falsches Verhältnis der Komponenten, da die Polyaddition nur unvollständig abläuft.
Die Polyaddition ist stark exotherm. Daher dürfen insbesondere bei hochreaktiven Systemen keine beliebig großen Mengen von Harz und Härter gemischt werden. Die entstehende Reaktionswärme kann so groß werden, dass es zum Brand kommt; zumindest können jedoch die Eigenschaften des Harzes durch die Überhitzung negativ beeinflusst werden. Für Bauteile mit großen Wanddicken sollten daher nur niedrigreaktive Harze verwendet werden.
Die Verarbeitungsdauer von Reaktionsharzen wird Topfzeit genannt. Sie hängt von der Verarbeitungstemperatur, der Einstellung des Harzes und der Ansatzgröße ab. Übliche Topfzeiten liegen bei einigen Minuten bis hin zu mehreren Stunden. Während der Topfzeit steigt die Viskosität des Harzes in einer nichtlinearen Kurve immer weiter an, bis schließlich keine Verarbeitung mehr möglich ist. Daher sollte immer nur so viel Harz angesetzt werden, wie innerhalb der Topfzeit verarbeitet werden kann. Die Angabe der Topfzeit ist in der Regel bei einem Harz/Härter-Ansatz von 100 g gemacht – das heißt: größere Verarbeitungsmengen haben eine wesentlich kürzere Verarbeitungszeit.
Eine Erwärmung des angemischten Harzes verringert die Viskosität und verbessert dadurch im Allgemeinen die Verarbeitbarkeit, verkürzt aber auch die Topfzeit. Niedrigreaktive Epoxidharze benötigen lange Härtezeiten und möglichst eine erhöhte Härtungstemperatur (30–40 °C). Eine Erhöhung der Verarbeitungstemperatur um 10 °C bewirkt eine Halbierung der Topf- bzw. Aushärtezeit. Bei Bedarf können noch Beschleuniger (hochreaktive Härter) zugegeben werden, die die Reaktionszeit verkürzen. Epoxidharze können zur vollständigen Vernetzung und zum Erreichen einer höheren Wärmeformbeständigkeit nach der Aushärtung einer Warmhärtung unterzogen werden.
Beim Warmhärten (Temperung) steigt die Glasübergangstemperatur (Tg) der Matrix um ca. 20–25 °C über die maximale Warmhärtungstemperatur an – dies ist der sogenannte Temperaturvorlauf. Die Temperatursteigerung sollte bei der Warmhärtung max. 20 °C/h betragen. Unkonditionierte Formen sollten mit max. 10 °C/h gehärtet werden. Raumtemperaturanhärtende Systeme härten bei Raumtemperatur teilweise mit einer sehr spröden Matrix – eine Härtung über 40 °C/5–6 h beseitigt diese und verbessert zusätzlich die mechanischen Eigenschaften.
Epoxidharze werden häufig mit niedrigviskosen Zusätzen modifiziert. Durch die niedrigere Viskosität der Harzmischungen wird eine bessere Penetration in poröse Werkstoffe (Tränkung von Geweben, Beschichtung von Beton) erreicht oder die Verarbeitbarkeit im RTM-Verfahren verbessert. Andererseits erlauben derartige Harze eine höhere Beladung mit Füllstoffen, woraus bei der Härtung eine geringerer Volumenschrumpf resultiert. Ebenfalls können die mechanischen Eigenschaften des gehärteten Harzes verbessert werden, ebenso die Ökonomie. Für diese Zwecke werden bevorzugt Glycidylether verwendet, da diese – im Gegensatz zu nicht reaktiven Verdünnern – kovalent an das Polymer gebunden werden und daher auch nicht migrieren können.
Gebräuchlich als Reaktivverdünner sind:
- Monoglycidylether –- Glycidylether von einwertigen Phenolen oder Alkoholen
Monoglycidylether neigen dazu, die Polyaddition abzubrechen, da sie nur monofunktionell sind. Daher beeinträchtigen sie die Festigkeit und die Temperaturbeständigkeit, erhöhen aber die Flexibilität. Glycidylether von Phenolen wirken hier weniger nachteilig als Alkylglycidylether, werden aber toxikologisch ungünstiger beurteilt. Bei den Alkylglycidylethern werden langkettige (C12 – C14) wegen ihres niedrigen Dampfdrucks bevorzugt eingesetzt; sie lassen sich günstig aus Fettalkoholen herstellen.
- Polyglycidylether
Diese mehrfunktionellen Reaktivverdünner werden eingesetzt, wenn höhere Ansprüche an die mechanischen Eigenschaften gestellt werden. Da sie über mindestens zwei (wie der häufig eingesetzte Hexan-1,6-dioldiglycidylether) Epoxidgruppen verfügen, bewirken sie keinen Abbruch der Polyaddition.
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