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Duroplaste

Begriffsbestimmung

Duroplastische Werkstoffe, auch als Duroplaste, Duromere oder Harze bezeichnet, bilden eine Untergruppe der Kunststoffe, die einen hohen dreidimensionalen Vernetzungsgrad der chemischen Hauptvalenzbindungen aufweisen. Aufgrund dieser makromolekularen Struktur werden sie den glasartigen und harten Kunststoffen zugeordnet. Im Zusammenhang mit der Recyclefähigkeit zeichnet sie ein wesentliches Merkmal aus, dass sie genau wie die Elastomere nach der Aushärtung bzw. Vernetzung nicht unter Wärmeeinwirkung verformbar oder aufschmelzbar sind und oberhalb der Zersetzungstemperatur durch Pyrolyse zersetzt oder verbrannt werden.

Makroskopische Eigenschaften

Die makroskopischen energieelastischen Eigenschaften sind z. B. durch hohe Zugfestigkeiten und E-Moduli, sehr niedrige Bruchdehnungen und geringe Schlagzähigkeiten (siehe: Zähigkeit) geprägt. Zur Klassifizierung wird oft der Begriff „spröde Werkstoffe“ benutzt, obwohl die Bezeichnung Kunststoffe mit geringer Duktilität sachlich richtiger wäre. Die Einordnung wird dabei oftmals anhand der Bruchdehnung vorgenommen, die bei diesen Werkstoffen kleiner als 10 % ist, zumeist noch deutlich unter diesem Grenzwert. Auf mechanische oder mechanisch-thermische Beanspruchungen reagieren diese Kunststoffe oft mit Rissinitiierung und sprödem Versagen, wobei teilweise auch eine hohe Schrumpfneigung (siehe auch Schrumpfversuch) besteht. Aufgrund der teilweise exothermen Aushärtung entstehen partiell hohe Eigenspannungen oder Verfärbungen infolge der thermischen Belastung.

Faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix

Aufgrund dieser Eigenschaften werden diese Kunststoffe unter ökonomischen und konstruktiven Gesichtspunkten entweder mit anorganischen Füllstoffen gestreckt oder mit verschiedenen Fasern (Glasfasern, Kohlenstofffasern, Mineralfasern, Aramid- oder Naturfasern) verstärkt (siehe Faserverstärkte Kunststoffe), wodurch sich die Festigkeit, die Schlagzähigkeit und die Bruchdehnung stark verändern. Dabei können Füll- oder Verstärkungsgrade von bis zu 70 M.-% erreicht werden (globtops in der Mikroelektronik, Karosserie- und Flugzeugbau). Die spezifischen Festigkeiten oder Moduli können dabei höhere Werte als die der metallischen Werkstoffe erreichen. Gleichzeitig wird dadurch die Entstehung von Eigenspannung reduziert, wobei insbesondere bei Verstärkung (Glas- oder Karbonflies, Glasgewirke, GF- oder CF-Matten als auch Rovings) die Anisotropie der Eigenschaften erheblich zunehmen kann.

Die wichtigsten technisch genutzten Duroplaste sind die Epoxid- und Polyesterharze, die Amino- und Phenoplaste, die Melaminharze als auch die Polyurethane und vernetzten Polyacrylate, wobei neben den Silikonen auch manche Biopolymere dieser Werkstoffgruppe zugeordnet werden können.

Zumeist werden die Duroplaste im Polykondensationsverfahren hergestellt, wobei die Polymerketten durch Wärme, Bestrahlung oder auch chemische Additive (Härter) vernetzen. Mithilfe von Katalysatoren oder thermischer Aktivierung entstehen dabei zunächst lineare Makromoleküle, die dann durch eine dreidimensionale Vernetzung eine mechanisch und thermisch stabile Überstruktur ausbilden.

Die Herstellungsverfahren von Kunststoffbauteilen reichen heute vom Handauflege-Verfahren über das Pressen und Spritzpressen bis zum prepreg-Verfahren und dem Spritzgießen.


Literaturhinweise

[1] Altstädt, V.: Prüfung von Verbundwerkstoffen. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 547–600 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[2] Elsner, P., Eyerer, P., Hirth, T. (Hrsg.): Domininghaus – Kunststoffe, Eigenschaften und Anwendungen. Springer Verlag, Berlin (2012) 8. neu bearbeitete und erweiterte Auflage, (ISBN 978-3-642-16172-8; siehe AMK-Büchersammlung unter G 4))
[3] Schürmann, H.: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden. Springer Verlag, Berlin (2007) 2. Auflage (ISBN 978-3-540-72190-1)
[4] Neitzel, M., Mitschang, P., Breuer, U.: Handbuch Verbundwerkstoffe: Werkstoffe, Verarbeitung, Anwendung. Carl Hanser Verlag, München (2014), (ISBN 3-446-43696-1)
[5] Ehrenstein, G. W.: Faserverbund-Kunststoffe. Carl Hanser Verlag, München (2006) 2. Auflage, (ISBN 978-3-446-22716-4; siehe AMK-Büchersammlung unter G 6-2))
[6] Erhard, G.: Konstruieren mit Kunststoffen. Carl Hanser Verlag, München (2008) 4. Auflage (ISBN 978-3-446-41646-8; siehe AMK-Büchersammlung unter G 59)
[7] Ehrenstein, G. W.: Mit Kunststoffen konstruieren. 3. Auflage, Carl Hanser Verlag, München (2007) 3. Auflage (ISBN 978-3-446-41322-7)
[8] Ehrenstein, G. W.: Polymerwerkstoffe – Struktur – Eigenschaften – Anwendung. Carl Hanser Verlag, München (2011) 3. Auflage (ISBN 978-3-446-42283-4)