Duroplaste

Grundlagen und Eigenschaften

Duroplaste, korrekt Duromere genannt, sind Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung durch Erwärmung oder andere Maßnahmen nicht mehr verformt werden können. Sie bestehen aus harten, amorphen und unlöslichen Polymeren. Ihre Makromoleküle sind durch kovalente Bindungen engmaschig vernetzt. Deshalb erweichen oder schmelzen sie beim Erhitzen nicht; nach der Aushärtung können sie nur noch spanabhebend bearbeitet werden.

Die Ausgangsstoffe sind meist Kunstharze beziehungsweise Prepolymere. Diese sind vor der Aushärtung noch schmelzbar oder löslich und können, häufig mit Füll- und Farbstoffen versetzt, gegossen oder warmgepresst werden. Die Prepolymere sind tri- oder mehrfunktionelle Verbindungen. Mit Härtern und gegebenenfalls Katalysatoren oder durch hohe Temperaturen polymerisieren sie und bilden ein engmaschiges Netzwerk. Die Vernetzung kann durch Erwärmung oder Bestrahlung ausgelöst werden; teilweise entsteht die nötige Wärme auch durch die exotherme Reaktion eines Härters mit flüssigem Harz.

Die Begriffe Kunstharz und Duroplast werden nicht immer eindeutig verwendet. Fachlich kann ein Duroplast als gehärtetes Kunstharz bezeichnet werden. Die schmelzbaren Vorprodukte werden gelegentlich ebenfalls Duroplaste genannt. Für den ausgehärteten, nicht mehr schmelzbaren Kunststoff wird analog zu Thermoplasten auch die Bezeichnung Thermodur verwendet. Die englische Bezeichnung thermoset bedeutet „thermisch aushärtend“.

Einordnung der Kunststoffe

Nach ihrem mechanisch-thermischen Verhalten werden Kunststoffe in drei Gruppen eingeteilt: Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste.

• Thermoplaste bestehen aus unvernetzten Polymeren, sind schmelzbar und besitzen eine Glastemperatur. Häufig weisen sie eine teilkristalline Struktur auf.
• Elastomere besitzen weitmaschig vernetzte Polymere. Diese Weitmaschigkeit erlaubt es dem Material, sich unter Zugbelastung zu strecken.
• Duroplaste bestehen aus engmaschig vernetzten Polymeren. Wegen der starken Vernetzung können sie nicht aufgeschmolzen werden. Beim Überschreiten ihrer Zersetzungstemperatur zerfallen sie durch Pyrolyse.

Auf starke mechanische Einwirkung reagieren Duroplaste eher mit Rissen oder Sprüngen. Ihre wichtigsten Vorteile sind hohe thermomechanische Festigkeiten sowie ein im Vergleich zu Metallen geringes spezifisches Gewicht. Nach der Herstellung sind sie steifer und härter als Thermoplaste, unlöslich und wenig anfällig für Verformung unter Last und Wärme. Gleichzeitig sind sie schlagempfindlicher.

Herstellung und Härtung

Für duromere Kunststofferzeugnisse werden zunächst aus Monomeren niedermolekulare Vorprodukte, also Kunstharze, hergestellt. Je nach Monomerart geschieht dies durch Polykondensation oder Polyaddition. Anschließend mischt man die Harze mit Härtern und gegebenenfalls Beschleunigern sowie Zusatzstoffen wie Farbstoffen und Trennmitteln. Feste Füll- und Verstärkungsstoffe werden als Harzträger eingesetzt. Ihr Anteil liegt häufig bei 40 bis 65 %. Faserartige Harzträger werden mit Anteilen von 12 bis fast 80 % zugesetzt und beeinflussen die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts wesentlich.

Die Formmassen werden beispielsweise durch Formpressen, Spritzgießen oder Schichtpressen in die gewünschte Form gebracht. Danach setzt die Härtung, also die Vernetzung der Harze, ein. Sie wird häufig durch Wärme, aber auch durch UV- oder IR-Strahlung gefördert.

Bei Kondensationsharzen erfolgt die Härtung durch Polykondensation. Dabei entsteht in der Regel Wasser als Kondensat. Die Verarbeitung findet bei 140 bis 180 °C und hohem Druck statt, damit Wasserdampf das Produkt nicht aufplatzen lässt. Phenolharz, Harnstoffharz und Melaminharz härten beispielsweise über solche Kondensationen aus.

Bei Reaktionsharzen erfolgt die Härtung durch Polyaddition oder radikalische Kettenpolymerisation. Dabei werden keine flüchtigen Verbindungen abgespalten, sodass Gießen und Laminieren ohne erhöhten Druck möglich sind. Reaktionsharze sind für faserverstärkte Kunststoffe besonders wichtig. Mit Harz vorimprägnierte Fasern, sogenannte Prepregs, werden zu Laminaten in der gewünschten Form verarbeitet und anschließend gehärtet. Beispiele sind Epoxidharze, vernetzbare Polyurethane und ungesättigte Polyesterharze.

Anwendungen und Recycling

Duroplaste werden unter anderem für folgende Produkte und Bauteile verwendet:

• Bremsbeläge sowie Leistungs- und Leitungsschutzschalter
• Matrixwerkstoffe in Faserverbundkunststoffen, etwa kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) und glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK)
• Gehäuse und Verkapselungen elektronischer Bauteile und Baugruppen
• Haushaltsteile wie Bügeleisenhitzeschilde, Topfgriffe und Herdleisten
• Kabelbahnen, Karosserieteile und Motorraumbauteile wie Wasserpumpengehäuse, Riemenscheiben, Kommutatoren und Ansaugstutzen
• Reflektoren von Autoscheinwerfern und Schutzhelme, beispielsweise Feuerwehrhelme

Ausgehärtete Duroplaste können wegen ihrer vernetzten Polymerketten nicht wiederholt aufgeschmolzen und verarbeitet werden. Bei faserverstärkten Kunststoffen kann die Struktur jedoch durch mechanische oder thermische Verfahren aufgebrochen werden. Dadurch lassen sich partikel- und faserförmige Fraktionen zurückgewinnen, die erneut zur Verstärkung eingesetzt werden können.