Werkstoffkunde Kunststoff: Duroplast / Duromere
Was sind Duroplaste – und wie unterscheiden sie sich zu Thermoplasten?
stark durch chemische Vernetzung - Duroplaste sind reaktive Kunststoffe
Duroplaste sind vernetzte Polymere. Wie Thermoplaste auch, bestehen sie (im ausgehärteten Zustand als Bauteil) aus langen „poly“ Ketten von Molekülen (Monomere). Die Besonderheit bei Duromeren aber ist, dass diese Molekülketten untereinander durch chemische Bindungen miteinander verknüpft sind. Dadurch entsteht ein äußerst stabiles drei-dimensionales Molekülnetzwerk.
Diese chemischen Verknüpfungen von Duroplasten sind enorm stark im Vergleich zu den rein physikalischen Bindungskräften wie sie zwischen den Molekülketten bei Thermoplasten vorliegen. Und diese chemischen Bindungen bei Duroplasten bleiben auch unter Wärmeeinwirkung stark und formstabil.
Im Gegensatz dazu nehmen die physikalischen Bindungskräfte bei Thermoplasten mit steigender Temperatur ab und führen zu großen Eigenschaftsveränderungen bis hin zur plastischen Verformbarkeit (Glasübergangsbereich, Kristallitschmelzbereich).
Eigenschaften von Duroplast Kunststoffen
Auf diesen chemisch vernetzten Aufbau, den alle Duroplastmaterialien gleichermaßen besitzen, lassen sich auch ihre typischen Eigenschaften (Gebrauchs-/Bauteileigenschaften) zurückführen:
Hohe Härte und Steifigkeit
Hohe Wärmeformbeständigkeit
Vielfältige chemische Beständigkeit
Geringe thermische Ausdehnung (ähnlich zu einigen Metallen)
Nicht quellend und nicht schmelzbar
Minimale Duktilität (kaum plastisch verformbar)
Elektrisch und thermisch isolierend
Neben diesen Gebrauchseigenschaften besitzen Duroplaste aber auch ihnen eigene, extrem vorteilhafte Verarbeitungseigenschaften. Denn Duroplastwerkstoffe bestehen zunächst eigentlich aus unvernetzten Molekülketten (Oligomere, d.h. weniger lang als bei Thermoplasten) – den reaktiven Harzen. Vereinfacht ausgedrückt, reagieren diese Harze mit jeweils spezifischen Härtern (Harz-Härter-Systeme) über eine chemische Reaktion erst zum eigentlichen Duroplast. Der technologische Vorteil der sich daraus ergibt ist, dass die Harze aufgrund ihrer „kurzen“ Molekülketten eine relativ geringe Viskosität besitzen. D.h. eine sehr gute Fließfähigkeit.
Besondere Eigenschaften in der Verarbeitung von Duroplasten
Hohe Anteile von Füll- und Verstärkungsstoffen möglich (bis zu 80%)
Hohes Infiltrationspotential, z.B. von Faserstoffen, Drahtwicklungen
Druckarme Bauteilherstellung, z.B. bei empfindlichen elektronischen Komponenten
Geringe Bauteilwandstärken realisierbar, z.B. beim Overmolding/Umspritzen/Verkapseln
Gratbildung (Nachteil)
Die besonders gute Fließfähigkeit des Werkstoffs kann bei der Verarbeitung vorteilhaft sein, wenn niedrige Spritzdrücke z.B. beim Umspritzen von sensiblen Bauteilen wie Leiterplatten, PCBs, Statoren, Rotoren oder Bipolarplatten erforderlich sind.
Verarbeitung von Duroplast
Duroplastspritzguss wie Thermoplast?
Die Temperatur macht den Unterschied
Der prinzipielle Verfahrensablauf beim Spritzgießen von duroplastischen Formmassen ist analog zu dem von thermoplastischen. Duroplastische Formmasse: Das ist das verarbeitungsbereite Material aus Harz, Härter, Füll- und Verstärkungsstoffen sowie allen weiteren notwendigen Additiven. Die Prozessphasen Plastifizieren, Einspritzen, Nachdruck aufrechthalten, Verfestigen/Härten werden als Zyklus durchlaufen. Jedoch unterscheiden sich die einzelnen Phasen bzgl. der werkstoffspezifischen Maschinen-/Werkzeugkomponenten sowie Prozessparameter.
Der zunächst deutlichste Unterschied liegt in der quasi „umgekehrten“ Temperaturführung. Duroplastische Formmassen werden in medientemperierten Zylindern bei Temperaturen bis max. 90°C (materialspezifisch) möglichst schonend plastifiziert, um ein vorzeitiges Starten der Vernetzungsreaktion zu unterbinden. Dazu gehören auch moderate Staudrücke, Schneckendrehzahlen sowie Schneckenkernkompressionen. Als hochviskose Schmelze werden sie dann in ein meist elektrisch beheiztes Werkzeug eingespritzt. Während des Nachdrückens und einer Resthärtezeit (analog zur Restkühlzeit bei Thermoplasten) vollzieht sich die chemische Vernetzungsreaktion bzw. Härtungsreaktion. Werkzeugtemperaturen bis ca. 180°C beschleunigen dabei diesen Vorgang.
Anschließend kann das Bauteil im heißen Zustand entformt und entnommen werden. In diesem Zustand ist es irreversibel chemisch vernetzt und kann nun nicht mehr durch Temperatureinwirkung zum Schmelzen gebracht werden. Neben diesen grundsätzlichen Verfahrensmerkmalen gibt es selbstverständlich noch eine ganze Reihe wichtiger werkstoffspezifischer Details, die es vor allem bzgl. Werkzeug- und Prozessdesign zu beachten gibt.
Duroplast: welche Materialien gibt es?
Duroplastische Formmassen ist der Überbegriff für eine Vielzahl an unterschiedlichen Materialien. Nicht nur bezüglich der Füll- und Verstärkungsstoffe, sondern vor allem was die Harzbasis betrifft. Wie bei Thermoplasten, wo es Polyamide, Polypropylene, Poylcarbotate usw. gibt, gibt es auch bei Duromeren verschiedene Typen. Industriell relevante Duroplastwerkstoffe sind dabei:
Epoxidharz (EP)
Phenolharz (PF)
Ungesättigte Polyesterharze (UP)
Vinylesterharz (VE)
Melaminharz (MF)
Harnstoffharz (UF)
BMC - Bulk Molding Compound (Feuchtpolyester)
SMC – Sheet Molding Compound
Spezifische Materialinformationen und weitere Details zu Duroplasten veröffentlichen wir hier in Kürze.