Warum Harzauswahl entscheidend ist: Verbundwerkstoff-Festigkeit & Leistung steigern

Die Schlüsselkomponenten eines Verbundwerkstoffs sind Fasern und ein Harz. Die Fasern, typischerweise aus Glas- oder Carbonfaser, liefern Festigkeit und Steifigkeit, aber wenn sie allein verwendet werden, können sie nicht in eine Form gebracht werden, in der diese Eigenschaften anwendbar sind. Das Imprägnieren der Fasern mit Harz gefolgt von Aushärtung ermöglicht es jedoch, ihre Festigkeit, Steifigkeit und Leichtgewicht für eine Vielzahl von Anwendungen zu konstruieren, während dem Verbundwerkstoff noch weitere Vorteile hinzugefügt werden.

Bei der Harzauswahl gibt es viele Optionen sowie die Möglichkeit, Harzadditive einzubinden, um Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Daher ist es sehr wichtig, sich der Unterschiede zwischen Harzen bewusst zu sein und wie ihre Auswahl die Eigenschaften eines Verbundwerkstoffs beeinflussen kann.

Bestehende Eigenschaften ergänzen

Alle Verbundwerkstoffe teilen gemeinsame vorteilhafte Eigenschaften: Festigkeit, Steifigkeit, Leichtgewicht und Beständigkeit gegen raue Umgebungen. Jedes dieser Merkmale kann durch den Einsatz eines Harzes, das es ergänzt, dominanter gemacht werden. Um das geeignetste Harz auszuwählen, ist es zunächst notwendig zu bestimmen, was sein dominantes Merkmal sein soll.

Eine kosteneffiziente Möglichkeit, eine gewichtsparende Verbundwerkstofflösung zu schaffen, ist die Verwendung eines ungesättigten Polyesterharzes, das relativ gute mechanische, elektrische und chemische Eigenschaften besitzt. Es kann für eine Reihe routinemäßiger Anwendungen wie Transport, strukturelle und Bauprofile angepasst werden.

Wenn eine Anwendung jedoch einen höheren Grad an Steifigkeit oder Festigkeit erfordert, ist ein Epoxidharz vorzuziehen. Die Bindung zwischen einem Epoxidharz und der Faser ist stark, was bedeutet, dass höhere Scherlasten zwischen den Fasern übertragen werden können, was dem Verbundwerkstoff bessere Festigkeitswerte gibt. Kombiniert mit dem höheren Faseranteil, den das Epoxidharz ermöglicht, kann ein Verbundwerkstoff mit hervorragender Festigkeit und hoher Steifigkeit hergestellt werden, der bei Bedarf weiter für Hochtemperaturanwendungen modifiziert werden kann.

Alternativ, wenn ein Verbundwerkstoff Beständigkeit gegen raue Umgebungen zusätzlich zu Steifigkeit erfordert, können Vinylesterharze die bessere Wahl sein. Die molekulare Struktur von Vinylester erleichtert chemische Beständigkeit, so dass, wenn ein Verbundwerkstoff für eine Meeresumgebung oder eine industrielle Anwendung bestimmt ist, wo Säuren oder Laugen vorhanden sind, die Verwendung eines Vinylesters die Leistung des Verbundwerkstoffs verbessert.

Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffprofilen, die mit Schrauben montiert werden müssen, muss der Verbundwerkstoff robust sein, um Risse und Brüche zu verhindern. Dies kann durch strukturelles Design erreicht werden, aber die Auswahl eines geeigneten Harzes ermöglicht eine vereinfachte Struktur und reduzierte Kosten, was den Verbundwerkstoff für eine breitere Palette von Anwendungen geeignet macht. Polyurethan ist beispielsweise im Vergleich zu ungesättigtem Polyester extrem zäh, was es ideal für solche Anwendungen macht.

Neue Eigenschaften hinzufügen

Die Auswahl eines Harzes, das die wertvollsten Merkmale eines Verbundwerkstoffs ergänzt, wird die Leistung und Lebensdauer Ihres Verbundwerkstoffs verbessern. Allerdings ist die Verbesserung bestehender Eigenschaften nicht der einzige Vorteil, den man durch die Zeit gewinnt, ein geeignetes Harz auszuwählen.

Harze können auch völlig neue Eigenschaften zu einer Verbundwerkstofflösung hinzufügen. Harzadditive können in das Harz eingebunden werden, um eine Reihe von Vorteilen zu erzielen, von einer einfachen Verbesserung der Oberflächenqualität oder der Zugabe von Farbe bis hin zu komplexeren Verbesserungen wie UV-Beständigkeit oder antimikrobiellen und antiviralen Eigenschaften.

Beispielsweise, da Harze sich natürlich zersetzen, wenn sie dem Sonnenlicht ausgesetzt sind, ermöglicht die Zugabe von Ultraviolettabsorbern zur Widerstand gegen UV-Strahlung Verbundwerkstoffen, eine bessere Leistung in lichtintensiven Umgebungen zu erzielen, die normalerweise Versprödung und Zersetzung des Materials verursachen würden.

Ebenso können antimikrobielle Additive in ein Harz eingemischt werden, um Bakterien- oder Pilzkontamination zu verhindern. Dies ist nützlich für jede Verbundwerkstofflösung, die von Menschen berührt wird, wie Maschinen, öffentlicher Verkehr und Medizinprodukte.

Additiveinfluss

Es ist wichtig zu beachten, dass in einigen Fällen die Einbindung von Harzadditiven die Eigenschaften eines Verbundwerkstoffs verändern kann. In einigen Fällen werden beispielsweise flammhemmende Additive in so hohen Mengen benötigt, um effizient zu wirken, dass man die Faseranzahl im Verbundwerkstoff reduzieren muss, was dessen Festigkeit und Steifigkeit verringert.

Die Harzwahl ist ein wesentlicher Teil der Erstellung einer Verbundwerkstofflösung und sollte nicht übersehen werden. Die wichtigste Funktion eines Verbundwerkstoffs festzulegen und das Harz so zu gestalten, dass es die Fähigkeit des Verbundwerkstoffs verbessert, diese Funktion auszuführen, ermöglicht es uns, eine Verbundwerkstofflösung zu schaffen, in der Fasern und Harz harmonisch zusammenarbeiten.

Über den Autor

Sami Pirinen

Sami Pirinen (PhD in Materialchemie) ist seit 2017 Chemiker und technischer Support-Kontakt bei Exel Composites. Er arbeitet als Teil von Exels F&E-Team an der Entwicklung von Harzlösungen, um Kundenanforderungen an Verbundwerkstoffprodukte zu erfüllen. Er forscht auch an neuen Harzmaterialien, um die Möglichkeiten von Verbundwerkstoffen zu erweitern, neue Anwendungen zu erreichen.