Polyesterharze:Die Grundlagen

Anmerkung der Redaktion:Dieser Inhalt wurde ursprünglich auf NetComposites.com veröffentlicht. NetComposites wurde im Februar 2020 von der Muttergesellschaft von CompositesWorld, Gardner Business Media, übernommen.

Polyesterharze sind die am weitesten verbreiteten Harzsysteme, insbesondere in der Schifffahrtsindustrie. Bei weitem die Mehrheit der aus Verbundwerkstoffen gebauten Jollen, Yachten und Arbeitsboote verwendet dieses Harzsystem.

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

Es gibt zwei Haupttypen von Polyesterharzen, die als Standard-Laminiersysteme in der Verbundwerkstoffindustrie verwendet werden. Orthophthalisches Polyesterharz ist das von vielen Menschen verwendete wirtschaftliche Standardharz. Isophthalisches Polyesterharz wird jetzt zum bevorzugten Material in Industrien wie der Schifffahrt, wo seine überlegene Wasserbeständigkeit wünschenswert ist.

Die folgende Abbildung 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, blasse Flüssigkeiten, die aus einer Lösung eines Polyesters in einem Monomer bestehen, das normalerweise Styrol ist. Der Zusatz von Styrol in Mengen von bis zu 50 % trägt zur leichteren Handhabung des Harzes durch Verringerung der Viskosität bei. Das Styrol erfüllt auch die entscheidende Funktion, das Harz durch „Vernetzen“ der Molekülketten des Polyesters von einer Flüssigkeit zu einem Feststoff ohne die Bildung von Nebenprodukten aushärten zu lassen. Diese Harze können daher ohne Anwendung von Druck geformt werden und werden als „Kontakt“- oder „Niederdruck“-Harze bezeichnet. Polyesterharze haben eine begrenzte Lagerfähigkeit, da sie über einen langen Zeitraum von selbst aushärten oder „gelieren“. Während der Harzherstellung werden oft kleine Mengen Inhibitor hinzugefügt, um diese Gelierwirkung zu verlangsamen.

Zur Verwendung beim Formen erfordert ein Polyesterharz die Zugabe mehrerer Hilfsprodukte. Diese Produkte sind im Allgemeinen:

• ein Katalysator,
• ein Beschleuniger oder
• Additive für thixotrope Eigenschaften, Pigment-, Füllstoff- oder Chemikalien-/Feuerbeständigkeit.

Ein Hersteller kann das Harz in seiner Grundform oder mit einem der oben genannten Zusatzstoffe, die bereits enthalten sind, liefern. Harze können nach den Anforderungen des Formers formuliert werden, die einfach für die Zugabe des Katalysators vor dem Formen bereit sind. Wie bereits erwähnt, härtet ein ungesättigtes Polyesterharz bei ausreichender Zeit von selbst aus. Diese Polymerisationsgeschwindigkeit ist für praktische Zwecke zu langsam und daher werden Katalysatoren und Beschleuniger verwendet, um die Polymerisation des Harzes innerhalb eines praktischen Zeitraums zu erreichen. Katalysatoren werden dem Harzsystem kurz vor der Verwendung zugesetzt, um die Polymerisationsreaktion zu starten. Der Katalysator nimmt nicht an der chemischen Reaktion teil, sondern aktiviert lediglich den Prozess. Dem katalysierten Harz wird ein Beschleuniger zugesetzt, damit die Reaktion bei Werkstatttemperatur und/oder mit einer höheren Geschwindigkeit ablaufen kann. Da Beschleuniger in Abwesenheit eines Katalysators wenig Einfluss auf das Harz haben, werden sie manchmal vom Polyesterhersteller dem Harz zugesetzt, um ein „vorbeschleunigtes“ Harz zu erzeugen.

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

Durch Zugabe von Styrol „S“ und in Gegenwart eines Katalysators vernetzt das Styrol die Polymerketten an jeder der reaktiven Stellen, um ein hochkomplexes dreidimensionales Netzwerk wie folgt zu bilden:

Das Polyesterharz wird dann als „ausgehärtet“ bezeichnet. Es ist jetzt ein chemisch beständiger (und normalerweise) harter Feststoff. Der Vernetzungs- oder Härtungsprozess wird als „Polymerisation“ bezeichnet. Es handelt sich um eine nicht umkehrbare chemische Reaktion. Die „Nebeneinander“-Natur dieser Vernetzung der Molekülketten führt dazu, dass Polyesterlaminate bei Stoßbelastungen spröde werden.

Bei der Vorbereitung der Harzmischung vor dem Formen ist große Sorgfalt erforderlich. Das Harz und alle Additive müssen sorgfältig gerührt werden, um alle Komponenten gleichmäßig zu dispergieren, bevor der Katalysator zugegeben wird. Dieses Rühren muss gründlich und vorsichtig sein, da jegliche Luft, die in die Harzmischung eingeführt wird, die Qualität des endgültigen Formteils beeinflusst. Dies ist insbesondere beim Laminieren mit Schichten von Verstärkungsmaterialien der Fall, da sich im resultierenden Laminat Luftblasen bilden können, die die Struktur schwächen können. Es ist auch wichtig, den Beschleuniger und den Katalysator in sorgfältig abgemessenen Mengen zuzugeben, um die Polymerisationsreaktion zu kontrollieren und die besten Materialeigenschaften zu erzielen. Zu viel Katalysator führt zu einer zu schnellen Gelierungszeit, während zu wenig Katalysator zu einer Unterhärtung führt.

Die Einfärbung der Harzmischung kann mit Pigmenten erfolgen. Die Wahl eines geeigneten Pigmentmaterials muss, auch wenn es nur mit etwa 3% Harzgewicht zugegeben wird, sorgfältig überlegt werden, da die Härtungsreaktion leicht beeinflusst und das endgültige Laminat durch die Verwendung ungeeigneter Pigmente zersetzt werden kann.

Füllmaterialien werden aus verschiedenen Gründen häufig mit Polyesterharzen verwendet, darunter:

• um die Formkosten zu senken,
• um den Formprozess zu erleichtern, oder
• um dem Formteil spezifische Eigenschaften zu verleihen.

Füllstoffe werden oft in Mengen von bis zu 50 % des Harzgewichts zugegeben, obwohl solche Zugabemengen die Biege- und Zugfestigkeit des Laminats beeinflussen. Die Verwendung von Füllstoffen kann beim Laminieren oder Gießen dicker Bauteile von Vorteil sein, wo sonst eine erhebliche exotherme Erwärmung auftreten kann. Auch die Zugabe bestimmter Füllstoffe kann zur Erhöhung der Feuerbeständigkeit des Laminats beitragen.

Aktuelles zu Poly/Vinylester-Harzen finden Sie unter compositesworld.com/zones/poly-vinyl-esters.