Duroplaste

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Duroplaste, auch Duromere[1] genannt, sind Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung durch Erwärmung oder andere Maßnahmen nicht mehr verformt werden können.[2] Sie enthalten harte, amorphe, unlösliche Polymere. Die Makromoleküle sind über kovalente Bindungen engmaschig vernetzt, was ihre fehlende Erweichung beim Erhitzen verursacht. Die Vorprodukte (Prepolymere) sind in der Regel Kunstharze, die noch schmelzbar bzw. löslich sind – und oft mit Füll- und Farbstoffen versetzt – gegossen oder warmgepreßt werden können. Die Prepolymere sind tri- oder mehrfunktionellen Verbindungen, die mit Hilfe von Katalysatoren (Härter) oder durch hohen Temperaturen polymerisieren und zu einer engmaschigen Vernetzung führen.

Sprachlich werden öfters die Worte Kunstharz und Duroplast nicht klar voneinander getrennt verwendet. Mit Kunstharz kann auch ein gehärteter Kunstharz, also ein Duroplast, gemeint sein. Die schmelzbaren Vorprodukte für Duroplaste werden gelegentlich selbst Duroplaste genannt.[2] Gelegentlich wird das Wort Thermodure für nicht schmelzbare Kunststoffe verwendet, um klar von den schmelzbaren Thermoplasten abzugrenzen.[1][3]

Klassifizierung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Duroplaste sind eine von drei Gruppen, in die Kunststoffe nach ihrem nach mechanisch-thermischem Verhalten eingeteilt werden. Man unterscheidet zwischen Thermoplasten, Elastomeren und Duroplasten. Während die Thermoplaste schmelzbar sind, können Duroplaste aufgrund ihrer hohen Vernetzung nicht aufgeschmolzen werden und zerfallen nach Überschreiten ihrer Zersetzungstemperatur (Pyrolyse). Auf hohe mechanische Einwirkung reagieren sie mit Rissen oder Sprüngen. Im Vordergrund steht bei Duroplaten ihre hohen thermomechanischen Festigkeiten und im Vergleich zu Metallen ihre geringen spezifischen Gewichte.

Polymerstruktur-engmaschig vernetzt.svg
Duroplaste bestehen aus engmaschig vernetzten Polymeren. Vernetzungen sind in der Abbildung als rote Punkte dargestellt.
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Elastomere bestehen aus weitmaschig vernetztes Polymeren. Die Weitmaschigkeit erlaubt unter Zugbelastung eine Streckung des Materials.
Polymerstruktur-teilkristallin.svg
Thermoplaste bestehen aus unvernetzten Polymeren, oft mit einer teilkristallinen Struktur (rot dargestellt). Sie haben eine Glastemperatur und sind schmelzbar.

Allgemeine Herstellung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zur Herstellung von duromeren Kunststofferzeugnissen werden erst niedermolekulare Vorprodukte (die Kunstharze) aus Monomeren gewonnen. Die Bildung der Harze kann je nach Art der Monomere über Polykondensation oder Polyaddition erfolgen. Die Harze werden mit Härter oder Beschleuniger und Zusatzstoffen, wie Farbstoffe und Trennmittel gemischt. Zu den Zusatzstoffen gehören auch feste Füll- und Verstärkungsstoffe (Harzträger), deren Anteil oft im Bereich von 40 bis 65 % liegt. Faserartige Harzträger werden im Bereich von 12 bis fast 80 % zugesetzt. Die Harzträger tragen wesentlich zu den mechanischen Eigenschaften des Endprodukts bei. Die erhaltenen Formmassen werden beispielsweise über Formpressen, Spritzgießen oder Schichtpressen in die gewünschte Form gebracht. Hier setzt die Härtung (Vernetzung) der Harze ein, oft gefördert durch Wärme, aber auch durch UV- oder IR-Strahlung. Der erhaltene duromere Formstoff hat im Vergleich zu einem Thermoplast eine höhere Steifigkeit und Härte, ist unlöslich, neigt kaum zur Verformung unter Last und Wärme, ist jedoch schlagempfindlicher.

Der chemische Verlauf der Härtung beeinflusst die Herstellung eines Formstoffes. Bei Kondensationsharzen erfolgt die Härtung über eine Polykondensation. Kondensat ist in der Regel Wasser. Die Verarbeitung erfolgt bei Temperaturen zwischen 140 bis 180 °C und hohen Verarbeitungsdruck, um zu verhindern, dass der Wasserdampf das Produkt aufplatzen lässt. Die Härtung beispielsweise von Phenolharz, Harnstoffharz und Melaminharz erfolgt über Kondensationen.

Bei Reaktionsharzen erfolgt die Härtung über Polyaddition oder radikalische Kettenpolymerisation, also ohne Abspaltung von flüchtigen Verbindungen. Hier ist Gießen und Laminieren ohne erhöhten Druck möglich. Reaktionsharze spielen bei faserverstärkten Kunststoffen eine wichtige Rolle. Mit Harzen vorimprägnierte Fasern (Prepregs) lassen sich zu Laminaten in eine gewünschte Form verarbeiten, die anschließend gehärtet wird. Beispiele für Reaktionsharze sind Epoxidharze, vernetzbare Polyurethane und ungesättigte Polyesterharze.

Anwendungsgebiete[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b Der Brockhaus, Naturwissenschaft und Technik, F. A. Brockhaus, Mannheim; Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 2003.
  2. a b ISO 472:2013(de), Kunststoffe – Begriffe. iso.org
  3. Wolfgang Kaiser: Kunststoffchemie für Ingenieure, 3. Auflage, Carl Hanser, München, 2011, S. 409ff.