Kunststoffe
ε [%] f [N/mm²]
T Z = Zersetzungstemperatur Tmax = Gebrauchstemperatur
Festigkeit f
Verformung ε
Einsatzbereich B 1.39
Duroplaste Duroplaste sind die ältesten vollständig synthetischen Kunststoffe, sie wurden bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts industriell hergestellt und verarbeitet. Während Duroplaste für die Kunststoffindustrie insgesamt mit einem Marktanteil von ca. 20 % eine eher geringe Rolle spielen, sind sie im Bauwesen wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften und ihrer hohen chemischen Beständigkeit weitverbreitet. Im Gegensatz zu den anderen Kunststoffgruppen werden sie in Form eines flüssigen Vorprodukts (Reaktionsharz) verarbeitet. Beim Einbau von Fasern ergibt sich durch die gute Oberflächenbenetzung ein hochwertiger Verbund, weshalb sie für faserverstärkte Kunststoffe prädestiniert sind. Die chemische Vernetzungsreaktion im Kunststoff findet erst im Rahmen der Verarbeitung statt. Die Molekülketten eines Duroplasts bilden ein dichtes, engmaschiges und dreidimensionales Netz, sodass ein hartes und sprödes Gefüge entsteht. Das enge Netz von Molekülen verhindert das Eindiffundieren von Lösungsmitteln, weshalb Duroplaste chemisch sehr beständig sind. Eine Wärmezufuhr reicht nicht aus, um diesen Molekülverbund zu lösen, Duroplaste sind daher nicht schmelzbar (Abb. B 1.41). Die Temperaturstabilität von Duroplasten ist grundsätzlich höher als bei Thermoplasten, dennoch nehmen Festigkeit und E-Modul bereits unter 100 °C merklich ab (Abb. B 1.16, S. 36). Duroplaste variieren in Aufbau und Eigenschaften wesentlich breiter als Thermoplaste und Elastomere, weswegen man sie nach der Herstellung mit Kennzahlen näher bezeichnet, um den exakten chemischen Aufbau und dessen Eigenschaften nachvollziehen zu können, z. B. die Eignung für Außenanwendungen. Vorprodukte
Die Vorprodukte von Duroplasten sind Formmasse oder Gießharz, die ähnlich den Elastomeren erst bei der Endverarbeitung vernetzt werden. Formmassen sind rieselfähige oder zähflüssige Gemische aus Harz mit Härtern und Füllstoffen. Diese müssen lediglich erhitzt werden und härten daraufhin aus (Ein-Komponenten-System). Da alle für die chemische Ver-
46
Tmax TZ
B 1.40
netzung erforderlichen Komponenten in der Formmasse vorhanden sind, erhärten sie bei entsprechend langer Verweildauer auch unter Raumtemperatur. Sie sind daher nur begrenzt lagerfähig. Bei Gießharzen handelt es sich hingegen um reine Harze im flüssigen Zustand, der Härter (Katalysator) wird erst bei der Endverarbeitung hinzugefügt, woraus sich eine längere Lagerungsfähigkeit für das Vorprodukt ergibt (Zwei-Komponenten-System). Als Synonyme für Gießharz sind auch die Bezeichnung »Harz« bzw. »Kunstharz« oder »Reaktionsharz« gebräuchlich. Die unterschiedlichen Vorprodukte haben jedoch keinen nennenswerten Einfluss auf die chemische Zusammensetzung des fertigen Duroplasten. Phenoplaste, Phenolharze (PF)
ˉ Steckdosen, faserverstärkte Kunststoffe mit Brandschutzanforderung, Fassaden- und Türverkleidungen (Abb. B 1.39) Der unter dem Namen Bakelit bekannt gewordene, erste industriell gefertigte Phenoplast wurde bereits 1905 entwickelt (siehe Von der Alchemie zur Chemie, S. 10). Auch heute spielen Phenoplaste noch eine bedeutende Rolle in der Kunststoffindustrie, nicht zuletzt wegen der geringen Produktionskosten. Sie kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn hohe Gebrauchstemperaturen oder ein besseres Brandverhalten gefordert sind. Phenoplaste zeigen im Brandfall im Vergleich zu anderen Duroplasten eine geringere Rauchentwicklung und eine reduzierte toxische Emission. Phenolharze sind opak mit einer gelbbrauen Eigenfarbe, daher sind für das Endprodukt auch ausschließlich dunkle Einfärbungen möglich. Der Werkstoff neigt außerdem dazu, unter Lichteinwirkung nachzudunkeln. Im Vergleich zu anderen Duroplasten sind die mechanischen Kennwerte eher gering. Phenoplaste entstehen aus der Polykondensation von Phenol und Formaldehyd. Durch den Kondensationsprozess fällt während der Härtung Wasser als Nebenprodukt an, das abgeführt werden muss. Die Verarbeitungsmöglichkeiten von Phenoplasten sind sehr vielfältig, sie lassen sich z. B. als Formmasse in geschlossene Formen injizieren, als zähflüssiges Harz (Phenolharz) in eine Form gießen oder zum Faserverbundwerkstoff formen. Schaumstoff aus
T [°C] B 1.41
Phenolharz liefert sehr gute Dämmwerte. Außerdem werden Phenoplaste häufig bei Hartfaserplatten verwendet. Aminoplaste (UF, MF)
ˉ Steckdosen, Leim und Klebstoff, Schaumstoff (Abb. B 1.40) Aminoplaste wie das Harnstoff- (UF) oder Melaminharz (MF) sind sowohl hinsichtlich des chemischen Aufbaus als auch ihrer Eigenschaften den Phenoplasten ähnlich. Im Gegensatz zu diesen sind sie lichtecht, dunkeln also unter Sonnenlicht nicht nach und eignen sich daher speziell für Bauteile mit heller Einfärbung. UF ist ein Aminoplast mit einem besonderen Oberflächenglanz und einem hohen Härtegrad. Die mechanischen Eigenschaften sind mit den Phenolharzen vergleichbar. Das Schwinden ist geringer und die Maßbeständigkeit gut. Damit bietet sich UF grundsätzlich für die Fertigung maßhaltiger Bauteile an. MF hat darüber hinaus eine verbesserte Witterungsbeständigkeit. Ungesättigtes Polyesterharz (UP)
ˉ Versiegelungen, glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) (Abb. B 1.42) UP ist transparent bis schwach gelblich. Die mechanischen Eigenschaften liegen im Mittelbereich der Duroplasten. Vorteilhaft ist die hohe Zähigkeit auch bei niedrigen Temperaturen. Als nachteilig erweist sich hingegen die vergleichsweise hohe Schrumpfung beim Aushärten, welche durch Füllstoffe nur teilweise kompensiert werden kann. Das Maß der Schrumpfung ist von zahlreichen Faktoren abhängig, weshalb sie nicht durch eine entsprechende Formgebung ausgeglichen werden kann. Wegen der geringen Feuchteaufnahme eignet sich UP-Harz gut für Außenanwendungen. Seine Gebrauchstemperatur liegt erheblich unter der von Phenolharz. Da es nicht selbstverlöschend ist, werden bei Brandschutzanforderungen zusätzliche Flammschutzmittel benötigt. UP-Harz wird meist für die Fertigung von GFK eingesetzt, da es sich gut mit den Glasfasern verbindet, sich einfach verarbeiten lässt und zudem relativ preiswert ist. Bei zunehmender Faserverstärkung nimmt allerdings die Transparenz ab, daher ist GFK meist transluzent bis opak. Ausgangswerkstoff für die Fer-