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Compositeforschung Latente Epoxidharze vergünstigen die Compositeherstellung

| Autor/ Redakteur: Dr. Mark Steinmann / Peter Königsreuther

Forscher am DITF in Denkendorf arbeiten an der Entwicklung 1-komponentiger Epoxidsysteme, die als latent bezeichnet werden. Lesen Sie hier, welche Verbesserungen für CFK- und GFK-Verarbeiter sich daraus ergeben können.

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Sogenannte latente Epoxidharze sind 1-komponentige Matrixsysteme, die einsatzfertig für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen (Composites) vorliegen, erklären Forscher des DTIF (Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung). Sie sollen einige Nachteile der etablierten Epoxide aus er Welt schaffen. Hier ein Probekörper.
Sogenannte latente Epoxidharze sind 1-komponentige Matrixsysteme, die einsatzfertig für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen (Composites) vorliegen, erklären Forscher des DTIF (Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung). Sie sollen einige Nachteile der etablierten Epoxide aus er Welt schaffen. Hier ein Probekörper.
(Bild: DITF)

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK), zu denen die bekannten Vertreter der glasfaser- und carbonfaserverstärkten Typen, GFK respektive CFK gehören, überzeugen mit hervorragenden Eigenschaften wie hoher Festigkeit, geringem Gewicht, Steifigkeit und der Fähigkeit zur Schwingungsdämpfung. So verwundert es nicht, dass diese Werkstoffe gefragt sind.

Die besonderen Eigenschaften der FVK, oder auch Composites, werden bisher jedoch durch die aufwändigen Herstellungsverfahren und den damit relativ hohen Produktionskosten teilweise überblendet. Zur weitreichendeneren Etablierung von FVK in der industriellen Serienproduktion sind folglich niedrige Rohstoffkosten sowie günstige Produktionstechniken nötig. Diese müssen so ausgelegt sein, dass sie die Herstellung von Bauteilen mit hoher und vor allem konstanter Qualität ermöglichen. Das sind Anforderungen, die besonders bei großen Bauteilen wie Rotorblättern von Windenergieanlagen nicht immer leicht zu erfüllen sind.

Die etablierten Epoxide haben ihre Tücken

Bei der Verarbeitung der üblichen duroplastischen 2-K-Epoxidsysteme stehen dem Erreichen dieser Ziele einige Hürden im Weg. So werden in Epoxiden meist Reaktionsbeschleuniger beigesetzt, die eine schnellere Härtung und damit eine günstige Produktion bewirken. Allerdings sind die Harze so schlecht lagerungs- und transportfähig, denn durch die Reaktionsbeschleuniger sind sie sehr reaktiv und müssen deshalb bis zur Verarbeitung mit hohem apparativen Aufwand definiert gekühlt werden, um die Härtungsreaktion zu unterdrücken.

Bei den etablierten 2-K-Epoxidsystemen mischt man Harz und Härter deshalb direkt vor der Verarbeitung an. Während der Verarbeitung findet die Vernetzung innerhalb einer kurzen Zeitspanne statt. Es besteht dabei die Gefahr der Vorvernetzung, die schon beginnt, bevor die textilen Lagen (Fasern) vollständig vom Harz imprägniert sind. Ist dieser Prozess nicht perfekt abgestimmt, und es gibt nicht infiltrierte Bereichen, ist das Bauteil später von minderer Qualität. Auch können Lufteinschlüsse bei der Vermischung von Harz und Härter entstehen, die sich nur durch aufwändige Entlüftungstechniken des Epoxidsystems reduzieren lassen.

Latente Epoxidsysteme schaffen Abhilfe

Den Aufwand, den diese anspruchsvollen Prozesse verursachen, zu reduzieren ist nun das Ziel eines Forschungsprojektes an den DITF Denkendorf, das sich mit der Optimierung und Etablierung von sogenannten latenten Epoxidsystemen befasst. In derartigen Systemen können Harz und Härter in einer bereits einsatzbereiten Mischung vorliegen (deshalb 1-K-Systeme). Diese Mischung ist zwar hoch reaktiv, doch die Polymerisation kann nicht unkontrolliert und verfrüht einsetzen, weil der verwendete reaktionsauslösende Präkatalysator chemisch geschützt ist. Das Harzsystem ist deshalb lagerfähig und von gleichbleibender Viskosität, was einen erheblichen Vorteil für den Infiltrationsprozess bedeutet. Und die Viskosität kann während der Verarbeitung sogar durch Wärmezufuhr verringert werden, sodass eine blasenfreie Infiltration der textilen Lagen noch besser möglich wird. Der Katalysator wird erst nach abgeschlossener Infiltration bei einer definierten Temperatur aktiviert. Das leitet dann eine schnelle und vollständige Polymerisation des Epoxidharzes ein.

Latente Epoxidharze haben keine Hemmungen

1-K-Systeme sind zwar grundsätzlich bereits kommerziell erhältlich. In diesen wird jedoch die Härterkomponente des Epoxidsystems nur gehemmt. Diese Systeme zeigen jedoch keine vollständige Latenz, weil dabei die Aktivierung über einen großen Temperaturbereich möglich ist und schon knapp über Raumtemperatur eine langsame Vernetzungsreaktion einsetzt.

Die an der Universität Stuttgart, Institut für Polymerchemie (IPOC), Lehrstuhl für Makromolekulare Stoffe und Faserchemie und den DITF entwickelten Systeme zeichnen sich hingegen durch ihre vollständige Latenz aus, denn das 1-K-System aus Harz und Härter ist über einen großen Temperatur- und Zeitbereich vollständig stabil und auch von gleichbleibender Viskosität.

Punktgenau steuerbare, schnelle Reaktion macht serientauglich

Die Vorteile des neu entwickelten 1-K-Epoxidsystems liegen vor allem darin begründet, dass auch große Bauteile unter gleichbleibender Qualität infiltrierbar sind und die anschließende Polymerisation punktgenau, schnell und somit in der seriellen Fertigung praxistauglich umsetzbar ist. Die Bauteile lassen sich mit konstanter Qualität fertigen. Lufteinschlüsse lassen sich fast vollständig vermeiden. Zu den verfahrenstechnischen Vorteilen zählt, dass keine Mischtechnik für das Harzsystem erforderlich ist und die 1-K-Harzsystem einfach und sicher gelagert und transportiert werden können.

Kostenhürden auch für KMU zu nehmen

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden an den DITF Denkendorf latente 1-K-Epoxidsysteme auf einen so hohen Entwicklungsstand gebracht, dass sie für die serielle, industrielle Fertigung ausgereift sind. Durch die Kostenersparnis, die sich dabei in der Prozesstechnik ergeben, kann folglich die finanzielle Hürde für die Verarbeitung von FVK auch von klein- und mittelständische Unternehmen einfacher genommen werden.

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