Duroplaste

Duroplaste sind eine Klasse von Kunststoffen, die sich nach dem Aushärten durch Hitze oder andere Verfahren nicht mehr verformen lassen. Sie zeichnen sich durch Eigenschaften wie hohe Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Leichtbauweise aus und finden daher in vielen Bereichen Anwendung, vom Bauwesen bis zur Elektrotechnik. Epoxidharze, Polyesterharze oder Phenolharze sind Beispiele für Duroplaste.

Die Vorprodukte von Duroplasten, sogenannte Prepolymere, sind in der Regel Kunstharze. Diese sind noch schmelzbar oder löslich und können mit Füll- und Farbstoffen versetzt werden. Die Verarbeitung erfolgt durch Gießen oder Warmverpressen. Die Prepolymere sind tri- oder mehrfunktionelle Verbindungen, die mithilfe von Härtern und gegebenenfalls Katalysatoren oder durch hohe Temperaturen polymerisieren. Diese Polymerisation führt zu einer engmaschigen Vernetzung der Makromoleküle und den charakteristischen Eigenschaften von Duroplasten.

Klassifikation

Duroplaste sind eine von drei Gruppen, in die Kunststoffe nach ihrem mechanisch-thermischen Verhalten eingeteilt werden. Die anderen Gruppen sind Thermoplaste und Elastomere. Thermoplaste sind schmelzbar und können wiederverformt werden. Duroplaste hingegen sind aufgrund ihrer starken Vernetzung nicht schmelzbar und zersetzen sich bei hohen Temperaturen (Pyrolyse). Auf hohe mechanische Einwirkung reagieren sie mit Rissen oder Sprüngen. Im Vordergrund stehen bei Duroplasten ihre hohen thermomechanischen Festigkeiten und im Vergleich zu Metallen ihre geringen spezifischen Gewichte.

Herstellung

Duroplaste entstehen in einem mehrstufigen Verfahren, das die Synthese der Kunstharze, das Mischen und Versetzen sowie die Formgebung und Härtung umfasst.

Synthese der Kunstharze: Aus Monomeren werden niedermolekulare Vorprodukte, die Kunstharze, hergestellt. Je nach Art der Monomere erfolgt die Bildung durch Polykondensation oder Polyaddition.

Mischen und Versetzen: Die Harze werden mit Härter, Beschleuniger und weiteren Zusatzstoffen gemischt. Dazu zählen Farbstoffe, Trennmittel, Füll- und Verstärkungsstoffe (Harzträger). Der Anteil der Harzträger liegt meist zwischen 40 und 65 %, bei faserartigen Harzträgern kann er bis zu 80 % betragen. Die Harzträger verbessern die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts.

Formgebung und Härtung: Die erhaltene Formmasse wird durch Verfahren wie Formpressen, Spritzgießen oder Schichtpressen in die gewünschte Form gebracht. Während dieses Prozesses härtet das Harz (vernetzt) aus. Die Härtung kann durch Wärme, aber auch durch UV- oder IR-Strahlung beschleunigt werden.

Chemische Verlauf der Härtung

Der chemische Verlauf der Härtung spielt eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von Formstoffen. Je nach Art des Harzes erfolgt die Härtung durch Polykondensation oder Polyaddition/ Kettenpolymerisation, was wiederum die Verarbeitung und Eigenschaften des Endprodukts beeinflusst. Zwei Haupttypen von Harzen werden verwendet: Kondensationsharze und Reaktionsharze.

Kondensationsharze:

• * Härtung durch Polykondensation unter Abspaltung von Wasser (Kondensat).
• * Verarbeitung bei hohen Temperaturen (140-180 °C) und hohem Druck, um das Aufplatzen durch Wasserdampf zu verhindern.
• * Beispiele: Phenolharz, Harnstoffharz, Melaminharz.

Reaktionsharze:

• * Härtung durch Polyaddition oder radikalische Kettenpolymerisation ohne Abspaltung von flüchtigen Verbindungen.
• * Gießen und Laminieren ohne erhöhten Druck möglich.
• * Wichtige Rolle bei faserverstärkten Kunststoffen.
• * Verarbeitung von vorimprägnierten Fasern (Prepregs) zu Laminaten.
• * Beispiele: Epoxidharze, vernetzbare Polyurethane, ungesättigte Polyesterharze.

Die Wahl des Harzes und die Art der Härtung bestimmen also die Verarbeitungsmöglichkeiten und Eigenschaften des Formstoffs. Kondensationsharze erfordern hohe Temperaturen und Druck, während Reaktionsharze flexibler in der Verarbeitung sind und häufig für faserverstärkte Kunststoffe verwendet werden.

Recycling

Duroplaste zeichnen sich wie beschrieben durch ihre hohe Festigkeit und Hitzebeständigkeit aus. Diese Eigenschaften sind jedoch gleichzeitig der Grund dafür, dass sie nach dem Aushärten nicht mehr einfach recycelt werden können.

Es gibt verschiedene Verfahren, um die Struktur von Duroplasten aufzubrechen und sie so zu recyceln. Dazu gehören mechanische Verfahren wie Zerkleinern und Mahlen sowie thermische Verfahren wie Pyrolyse. Durch diese Verfahren können partikel- und faserförmige Fraktionen gewonnen werden, die als Füllstoffe oder Verstärkungsmittel in neuen Duroplasten verwendet werden können.

Das Recycling von Duroplasten ist jedoch noch immer mit einigen Herausforderungen verbunden. Zum einen ist der Energieverbrauch der Verfahren relativ hoch. Zum anderen können die gewonnenen Rezyklate nicht immer die gleichen Eigenschaften wie Neumaterial erreichen.

Dieser Eintrag basiert auf dem Artikel Duroplaste aus der freien Enzyklopädie Wikipedia. Es gilt die GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Eine Liste der Autoren ist auf Wikipedia verfügbar.