Polyesterharze: Grundlagen für Composite-Anwendungen

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Polyesterharze sind die am weitesten verbreiteten Harzsysteme, insbesondere in der Schifffahrtsindustrie. Der weitaus größte Teil der in Verbundbauweise gefertigten Jollen, Yachten und Arbeitsboote nutzt dieses Harzsystem.

Polyesterharze wie diese sind vom „ungesättigten“ Typ. Ungesättigtes Polyesterharz ist ein Duroplast, das unter den richtigen Bedingungen von einem flüssigen oder festen Zustand aus gehärtet werden kann. Es ist üblich, ungesättigte Polyesterharze als „Polyesterharze“ oder einfach als „Polyester“ zu bezeichnen. Es gibt eine ganze Reihe von Polyestern, die aus verschiedenen Säuren, Glycolen und Monomeren hergestellt werden und alle unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.

Es gibt zwei Haupttypen von Polyesterharzen, die in der Verbundwerkstoffindustrie als Standard-Laminiersysteme verwendet werden. Orthophthalisches Polyesterharz ist das Standard-Economy-Harz, das von vielen verwendet wird. Isophthalisches Polyesterharz wird mittlerweile in Branchen wie der Schifffahrt bevorzugt, wo seine überlegene Wasserbeständigkeit erwünscht ist.

Die Abbildung unten zeigt die idealisierte chemische Struktur eines typischen Polyesters. Beachten Sie die Positionen der Estergruppen (CO–O–C) und der reaktiven Stellen (C*=C*) innerhalb der Molekülkette:

Die meisten Polyesterharze sind viskose, blassfarbene Flüssigkeiten, die aus einer Lösung eines Polyesters in einem Monomer bestehen, das meist Styrol ist. Die Zugabe von Styrol in Mengen bis zu 50 % erleichtert die Handhabung des Harzes durch Viskositätsreduzierung. Das Styrol erfüllt zudem die lebenswichtige Funktion, das Harz von flüssig zu fest aushärten zu lassen, indem es die Molekülketten des Polyesters „vernetzt“, ohne dass Nebenprodukte entstehen. Diese Harze können daher ohne Druck geformt werden und werden als „Kontakt“- oder „Niederdruck“-Harze bezeichnet. Polyesterharze haben eine begrenzte Lagerzeit, da sie über längere Zeiträume von selbst aushärten oder „gellen“. Oft werden während der Harzherstellung kleine Mengen Inhibitor zugesetzt, um diese Gellwirkung zu verlangsamen.

Für den Einsatz im Formenbau erfordert ein Polyesterharz die Zugabe mehrerer Hilfsprodukte. Diese sind im Allgemeinen:

• ein Katalysator,
• ein Beschleuniger, oder
• Additive für thixotrope Eigenschaften, Pigment, Füllstoff oder chemische/feuerbeständige Eigenschaften.

Ein Hersteller kann das Harz in seiner Grundform oder mit beliebigen der oben genannten Additive bereits vormischt liefern. Harze können auf die Anforderungen des Verformers abgestimmt sein, sodass lediglich der Katalysator vor dem Formen hinzugefügt werden muss. Wie erwähnt, wird ein ungesättigtes Polyesterharz bei ausreichender Zeit von selbst aushärten. Diese Polymerisationsrate ist für praktische Zwecke zu langsam, daher werden Katalysatoren und Beschleuniger verwendet, um die Polymerisation des Harzes innerhalb einer praktikablen Zeit zu erreichen. Katalysatoren werden kurz vor der Verwendung dem Harzsystem zugesetzt, um die Polymerisationsreaktion zu initiieren. Der Katalysator nimmt nicht an der chemischen Reaktion teil, sondern aktiviert lediglich den Prozess. Ein Beschleuniger wird dem katalysierten Harz zugesetzt, um die Reaktion bei Werkstatttemperatur und/oder mit höherer Geschwindigkeit ablaufen zu lassen. Da Beschleuniger ohne Katalysator kaum Einfluss auf das Harz haben, werden sie manchmal vom Polyesterhersteller dem Harz beigemischt, um ein „vorbeschleunigtes“ Harz zu erzeugen.

Die Molekülketten des Polyesters können wie folgt dargestellt werden, wobei „B“ die reaktiven Stellen im Molekül angibt:

Mit der Zugabe von Styrol „S“ und in Gegenwart eines Katalysators vernetzt das Styrol die Polymerketten an jeder der reaktiven Stellen zu einem hochkomplexen dreidimensionalen Netzwerk wie folgt:

Das Polyesterharz wird dann als „ausgehärtet“ bezeichnet. Es ist nun ein chemisch beständiges (und meist) hartes Festkörper. Der Vernetzungs- oder Aushärtungsprozess wird „Polymerisation“ genannt. Es handelt sich um eine nicht umkehrbare chemische Reaktion. Die „nebeneinander“ liegende Art dieser Vernetzung der Molekülketten führt dazu, dass Polyesterlaminate unter Schockbelastung unter Sprödigkeit leiden.

Bei der Vorbereitung des Harzgemischs vor dem Formen ist große Sorgfalt geboten. Das Harz und alle Additive müssen sorgfältig gerührt werden, um alle Komponenten gleichmäßig zu verteilen, bevor der Katalysator hinzugefügt wird. Dieses Rühren muss gründlich und vorsichtig erfolgen, da jede in das Harzgemisch eingebrachte Luft die Qualität des endgültigen Formteils beeinträchtigt. Dies gilt insbesondere beim Laminieren mit Lagen von Verstärkungsmaterialien, da sich Luftblasen im resultierenden Laminat bilden können, die die Struktur schwächen. Es ist auch wichtig, Beschleuniger und Katalysator in sorgfältig abgemessenen Mengen zuzugeben, um die Polymerisationsreaktion so zu steuern, dass die besten Materialeigenschaften erzielt werden. Zu viel Katalysator führt zu zu schneller Gelierzeit, zu wenig Katalysator resultiert in Unterhärtung.

Das Einfärben des Harzgemischs kann mit Pigmenten erfolgen. Die Wahl eines geeigneten Pigmentmaterials, obwohl es nur zu etwa 3 % des Harzgewichts hinzugefügt wird, muss sorgfältig bedacht werden, da es leicht die Aushärtungsreaktion beeinflussen und das endgültige Laminat durch ungeeignete Pigmente verschlechtern kann.

Füllstoffe werden aus verschiedenen Gründen umfangreich mit Polyesterharzen verwendet, darunter:

• zur Kostensenkung des Formteils,
• zur Erleichterung des Formprozesses, oder
• zur Verleihung spezifischer Eigenschaften an das Formteil.

Füllstoffe werden oft in Mengen bis zu 50 % des Harzgewichts zugesetzt, wobei solche Zugabemengen die Biege- und Zugfestigkeit des Laminats beeinflussen. Der Einsatz von Füllstoffen kann beim Laminieren oder Gießen dicker Bauteile vorteilhaft sein, wo sonst erhebliche exotherme Erwärmung auftreten würde. Die Zugabe bestimmter Füllstoffe kann auch zur Erhöhung der Feuerbeständigkeit des Laminats beitragen.

Für aktuelle Informationen zu Poly-/Vinylesterharzen besuchen Sie compositesworld.com/zones/poly-vinyl-esters.