PUR als FVK-Matrix PUR als Matrixalternative für Composite-Verarbeiter

Autor / Redakteur: Peter Königsreuther / Peter Königsreuther

Epoxidharz-Rezepturen bilden das Standard-Matrixsystem für Faserverbundkunststoffe (FVK). Seit einiger Zeit drängen auch Polyurethane (PUR) als Matrixwerkstoffe auf den Markt. Genauere Informationen über den Stand dieser Technik und deren Vorteile, konnten sich die Besucher einer AVK-Auftaktveranstaltung zu diesem Thema jüngst in Frankfurt am Main vermitteln lassen.

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CFK und andere Composites werden meist mit einer Matrix aus Epoxidharzsystemen getränkt und ausgehärtet. Seit einiger Zeit drängen aber alternative Matrixkonzepte auf Polyurethanbasis (PUR) in den Fokus der Industrie. Um diese Technik bekannter zu machen, hat die AVK vor Kurzem zu einer ersten, und sehr erfolgreichen, Informationsveranstaltung eingeladen. Drei Referenten und über 60 Zuhörer ließen sich diese Gelegenheit nicht entgehen.
CFK und andere Composites werden meist mit einer Matrix aus Epoxidharzsystemen getränkt und ausgehärtet. Seit einiger Zeit drängen aber alternative Matrixkonzepte auf Polyurethanbasis (PUR) in den Fokus der Industrie. Um diese Technik bekannter zu machen, hat die AVK vor Kurzem zu einer ersten, und sehr erfolgreichen, Informationsveranstaltung eingeladen. Drei Referenten und über 60 Zuhörer ließen sich diese Gelegenheit nicht entgehen.
(Bild: Cannon)

Weil Polyurethane gewisse Vorteile für die Hersteller von Faserverbundstrukturen aufweisen, rücken diese in ihren Eigenschaften flexibel anpassbaren Polymere zusehends in den Fokus der Branche. Ihre Verarbeitung. Der Industrieverband Verstärkte Kunststoffe (AVK) hat deshalb Anfang Juli zu einer ersten kleinen Informationsveranstaltung zu diesem Thema eingeladen. Ziel dabei war es, anhand von Vorträgen und sich anschließender Diskussionsrunde den Wissensbedarf der Branche unter die Lupe zu nehmen. Drei Vortragsprotagonisten vermittelten dabei Informationen zu Materialsystemen, Verfahrenstechnik, Anwendungsmöglichkeiten und den besonderen Eigenschaften von Polyurthanen im Vergleich zu den üblichen Epoxidharzsystemen.

PUR fristet immer noch ein Schattendasein

Denn Polyurethane sind in diesem Bereich kein Newcomer, wie Dr.-Ing. Ingo Kleba von Rühl Puromer bei seinem Vortrag anmerkte. Kleba bemängelte jedoch, dass PUR bei vielen Experten der Compositebranche noch zu wenig geschätzt werde. Der AVK-Geschäftsführer und Gastgeber Dr. Elmar Witten hatte deshalb bewusst nicht nur AVK-Mitglieder zu dieser Event-Premiere eingeladen. Prompt kamen über 60 interessierte aus Industrie und Forschung, um sich über die Matrixalternative PUR aufklären zu lassen und um zu erfahren, wie es um die Technik steht und was man vom Einsatz dieses Duromeren in Composites erwarten kann sowie welche Potenziale für die Zukunft bestehen, um Faserverbundwerkstoffe vielleicht sogar Großserientauglich zu machen, was eine der zur Zeit größten Hürden etwa für den Masseneinsatz von gewichtsreduzierenden und damit ressourcenschonenden CFK-Komponenten im Automobilbau darstellt.

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Kleba betonte außerdem, dass sich PUR aufgrund sich ständig ändernder Anforderungen stets neu erfinden muss; und das auch kann. Nicht umsonst registriere man ein Wachstum von 5 %. Rühl Puromer bietet dabei für Compositeverarbeiter unter anderem die sogenannten Puropreg-Faserverbundsysteme an. Allgemeine Hauptvorteile von PUR sind laut Kleba die flexible Anpassung der Verarbeitungseigenschaften sowie der mechanischen Parameter, die höhere Zähigkeit im Vergleich zu Epoxidharzen sowie die deutlich tieferen Temperaturen, mit denen PUR-Rezepturen ausgehärtet werden können: statt bei etwa 120 °C bereits bei 80 °C. Bei manchen Anwendungen komme es außerdem darauf an, dass man eine lange Reaktionszeit hat, um etwa Einleger zu platzieren oder Prepregs zu legen, die Aushärtungsreaktion danach aber schnell in Gang kommen soll (Snap-Curing).

Lackierfreie Class-A-Oberflächen im Visier

Auch bei diesem Verarbeitungsaspekt können PUR-Systeme punkten, wie Kleba erklärte. Ein Rühl-Schwerpunkt, der in Richtung Serienfertigung abzielt, ist außerdem die PUR-Wabentechnik, bei der Papierwaben als leichtes und günstiges Kernmaterial für Sandwichbauteile genutzt werden. Anwendungen finden sich bei der Hutablage des Audi A7, dem Ladeboden des Mini oder dem Verdeckkasten-Deckel des Mercedes SLK. Auch Außenanwendungen an Fahrzeugen seien dabei ein interessantes Entwicklungsfeld. Rühl hat in diesem Zusammenhang bereits das Problem lösen können, dass sich die Papierwaben voll Wasser saugen. Mit einer einkomponentigen PUR-Imprägnierung hält es eine so behandelte Wabenstruktur nun länger in Wasser eingetaucht aus, als es die Vorschriften der OEMs verlangen, wie Kleba ausführte. Zur Zeit arbeite man bei Rühl außerdem auch hart an der Umsetzung einer class-A-fähigen Oberfläche, die nicht mehr lackiert werden müsse. Werden aliphatische PUR-Sorten dafür genutzt, sind die Bauteile außerdem lichtecht.

Zusätzlich war zu erfahren, dass sich beim Einsatz von PUR als Matrix sowohl Kurz-, Lang- als auch Fasermatten, Gelege und Gewebe als Verstärkungskomponente nutzen lassen. Die bekannten Verfahren, wie RTM, RSM, SRIM, RRIM oder LFI und CSM könnten dabei der Erscheinungsform der Faserverstärkung entsprechend genutzt werden. Die höhere Schlagzähigkeit belegte Kleba anhand des Vergleichs eines mittels RTM hergestellten PUR-CKF-Teils mit seinen 130 KJ/m² und eines ebenso gefertigten Teils auf Epoxidbasis, das nur maximal 85 KJ/m² verträgt.

PU-Teilefertigung so schnell wie Acrylglas-Thermoforming

Der Referent Pius Bühler von der Emil Frei GmbH & Co. KG machte den Zuhörern zunächst den feinen Unterschied zwischen Polyurea (PU) (Polyharnstoff) zu klassischem Polyurethan klarer. Denn Gelcoats (Deckschichten) auf PU-Basis sind bei Frei eine Expertendomäne. Wie Bühler erklärte, kämen die erreichbaren Zykluszeiten für großflächige Bauteile, wie etwa Duschwannen, an die Werte heran, wie sie auch beim Thermoformen von Acrylglas erreicht werden, also um die 30 min. Bauteile werden schichtweise aufgebaut: in eine Negativform wird eine Trennschicht appliziert, darauf spritzt man das Gelcoat. Es folgt eine Pufferschicht, eine Lage Verstärkungsfasern plus Matrix und am Schluss der sogenannte Topcoat. Die Aushärtung der PU-Systeme erfolgt dabei nicht durch eine klassische Reaktion sondern über eine Polyaddition. Denkbar sind auch Sandwiches mit einem Kern aus PUR der beidseitig mit einer faserverstärkten Lage aus kompaktem PUR besteht und bei dem PU-Gelcoat die Deckschicht(en) bildet. Lösungsmittel (etwa Styrol) sind zumindest bei der reinen PU-Verarbeitung nicht nötig und es wird kein CO2 agbespalten. So ergeben sich zu 100 % aus Feststoff bestehende Werkstoffe, die auch gegen Luftfeuchtigkeit unempfindlich sind.

Einzig von organischen Lösungsmitteln, wie Benzin, werden die fertigen Teile im Ernstfall angegriffen, wie Bühler erläuterte. PU-Materialien müssen zweikomponentig unter Hochdruck (150 bis 200 bar) via Kolbenpumpe verarbeitet werden, was außerdem den kostenseitigen Aufwand bei der Anlageninvestition erhöht, denn auch die Zuleitungen müssen beheizt werden. Die Rentabilitä, so Bühler, hängt aber von der Stückzahl und der Anwendung der Teile ab. Bevor man sich also für PU-Verarbeitung in Bezug auf die Compositeherstellung entscheidet, sollte die Wirtschaftlchkeit der Idee genauer betrachtet werden, die Formteile müssen später noch mit einer flüssigen Komponente beschichtet werden. Aber, so Bühler, werden so auch interessante Möglichkeiten in Sachen Design und Farbtonvielfalt umsetzbar, wie beispielsweise Oberflächen in Schieferoptik oder Metalliclack. Ein Haupteinsatzgebiet solcher Teile bietet bisher die Sanitärindustrie oder die Kühlmöbelherstellung für Großmärkte.

PUR-Verarbeitungs-Prozesskette für alle Belange

Auch die besten Werkstoffalternativen nützen einem nichts, wenn es an der passenden Verarbeitungstechnik hapert. Beispiele dafür, wie man sich ausrüsten kann, um Polyurethan-Composites wirtschaftlich zu fertigen, gab Thomas Bauer von Mahr Metering Systems. Mahr fokussiert sich dabei auf Niederdruckanlagen, wie Bauer betonte, denn der Trend bei der PUR-Verarbeitung weise in Richtung immer niedrigviskoser Systeme zwischen 100 und 150 MPas. Mit Planetenpumpen seien außerdem auch mehrere Komponenten hoch genau dosierbar und auch kleine PUR-Mengen könne man verarbeiten. Zusätzlich können die verschiedenen Komponenten auch zuverlässig gegeneinander und gegen Umwelteinflüsse (Luftfeuchte) abgeschirmt werden, bevor sie im Mischkopf miteinander vermengt werden. Mahr liefere für die Verfahren RTM, S- und R-RIM, dem Spaltimprägnieren sowie der Pultrusion alle nötigen Komponenten und habe auch für Hochdruckverfahren geeignete Systeme im Produktportfolio.

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