Die Übersicht über Epoxidharze

Epoxidharz wird als Matrix für verstärkte Verbundwerkstoffe aufgrund seiner hervorragenden Haftung auf einer Vielzahl von Materialien und seiner guten mechanischen und chemischen Eigenschaften in zahlreichen Bereichen und Branchen eingesetzt. 

In diesem Leitfaden besprechen wir ausführlich die Eigenschaften, Anwendungen und Verbundwerkstoffe von Epoxidharz mit Kohlefaser, um Ihnen bei Projekten und Anwendungen mit verstärkten Verbundwerkstoffen Anleitung und Hilfestellung zu geben.

1. Was sind Epoxidharze? 

Epoxidharze, auch Polyepoxide genannt, sind eine Klasse von Polymeren mit mehr als zwei Epoxidgruppen. Sie werden meist durch die Reaktion von Epichlorhydrin mit Bisphenol A hergestellt. Epoxidharz ist ein Polymer mit zwei oder mehr Epoxidgruppen. Das Vorhandensein sekundärer Hydroxyl- und Epoxidgruppen in der Molekülstruktur verleiht Epoxidharzen eine hohe Haftung an einer Vielzahl von Substanzen.

2. Geschichte der Epoxidharze 

1943 gelang es dem deutschen Wissenschaftler Paul Schlack, Polymere mithilfe von Aminverbindungen herzustellen. 1946 veröffentlichte der Schweizer Wissenschaftler Pierre Castan ein Patent für flüssige, aushärtbare Epoxidharze und stellte deren hervorragende Hafteigenschaften unter Beweis. Diese Forschungen und Entwicklungen führten 1947 zur ersten industriellen Produktion von Epoxidharzen durch ein amerikanisches Unternehmen.

3. Arten von Epoxidharzen

Epoxidharze können je nach Molekularstruktur in folgende Arten unterteilt werden:

Bisphenol-Epoxidharze:

Die am häufigsten verwendete Form ist Bisphenol-A-Epoxidharz, allgemein bekannt als BPA-Epoxidharz. Aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften, hohen Haftung und chemischen Beständigkeit wird es häufig als Klebstoff und Verstärkungsmatrix im Bauwesen, in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau (Kohlefaser-Prepregs) und für Korrosionsschutzbeschichtungen für Schiffe und Brücken eingesetzt.

Cycloaliphatisches Epoxidharz:

Es besteht hauptsächlich aus mit Peroxiden epoxidierten alicyclischen Olefinen. Es ist beständig gegen hohe Temperaturen, UV-Strahlung und chemische Korrosion und behält auch nach längerer Einwirkung im Freien seine guten mechanischen Eigenschaften.

Aliphatische Epoxidharze: 

Sie enthalten eine aliphatische Kettenstruktur und bestehen hauptsächlich aus mit Peroxiden epoxidierten aliphatischen Olefinen. Sie verfügen über eine hohe Flexibilität, Schlagfestigkeit und Beständigkeit gegen niedrige Temperaturen.

Novolac-Epoxidharze:

Sie werden durch Kondensationsreaktion linearer Phenolharze mit Epichlorhydrin in alkalischer Umgebung hergestellt. Die Harze weisen nach der Aushärtung eine hohe Vernetzungsdichte, gute mechanische Eigenschaften, Wärmebeständigkeit und chemische Stabilität auf.

Glycidylamin-Epoxidharz:

Es enthält Amingruppen und entsteht hauptsächlich durch die Polyamin-Polykondensationsreaktion mit Epichlorhydrin. Nach dem Aushärten weist es eine hohe Hitzebeständigkeit und hervorragende mechanische Eigenschaften auf. Zusammen mit Kohlefasern, Glasfasern und anderen Materialien bildet es einen Verbundwerkstoff, der vor allem in der Luft- und Raumfahrt sowie im Hochleistungsautomobilbau eingesetzt wird.

Halogenierte Epoxidharze:

Seine Molekülkette enthält Halogenelemente, sodass es eine gute chemische Beständigkeit, elektrische Isoliereigenschaften und Lichtbogenfestigkeit aufweist. Geeignet für Umgebungen mit hoher Spannung und hohen Temperaturen, wird in Beschichtungen, Klebstoffen und elektronischen Verpackungen verwendet.

Epoxidharzverdünner:

Sie werden oft als Reaktivverdünner bezeichnet und dienen in der Regel zur Verdünnung von Epoxidharzen. Sie enthalten Epoxidgruppen, die die Epoxidharze verdünnen und gleichzeitig am Aushärtungsprozess des Epoxids beteiligt sind. Durch die Zugabe von Verdünnern können Sie die Formulierung von Epoxidharzen anpassen, um deren Fließfähigkeit, Viskosität und Aushärtungsgeschwindigkeit zu verbessern und so Ihren unterschiedlichen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden.

Die innovativste Anwendung von Epoxidharz ist die Verbindung mit Kohlefaser zur Herstellung verstärkter Verbundwerkstoffe. Bei der Wahl des Epoxidharzes als Matrixmaterial für Verbundwerkstoffe müssen Sie daher den Anwendungsbereich Ihres Projekts, die erforderlichen mechanischen Eigenschaften, die Aushärtungsbedingungen des Epoxidharzes und die Kosten umfassend berücksichtigen. Auch die Art der Kohlefaser und das Design des Verbundwerkstoffs müssen berücksichtigt werden.

4. Eigenschaften von Epoxidharz

Die wichtigsten Eigenschaften von Epoxidharz sind folgende:

Hervorragende mechanische Eigenschaften: 

Ausgehärtetes Epoxidharz weist eine ausgezeichnete Zugfestigkeit, Druckfestigkeit und Härte sowie eine hohe Biegefestigkeit auf. 

Gute Korrosionsbeständigkeit: 

Die besondere Molekularstruktur des Epoxidharzes führt zu seiner Beständigkeit gegenüber den meisten chemischen Lösungsmitteln wie Säuren, Laugen und Lösungsmitteln und weist gleichzeitig eine gute Stabilität in feuchter Umgebung auf.

Hervorragende elektrische Isoliereigenschaften: 

Aufgrund seiner hohen elektrischen Isolationseigenschaften eignet es sich für Hochfrequenzschaltungen und elektronische Kapselungsmaterialien.

Gute Hafteigenschaften: 

Aufgrund der speziellen Epoxidgruppen in seiner Molekülstruktur verfügt es über gute Hafteigenschaften auf Kohlefaser, Glasfaser, Kevlar, Kunststoff, Metall, Holz und vielen anderen Materialien. Es eignet sich hervorragend für die Herstellung verstärkter Verbundwerkstoffe.

Strahlungs- und Hochtemperaturbeständigkeit: 

Es weist eine gute Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, UV-Strahlung und Alterung auf und ist für den langfristigen Einsatz im Außenbereich geeignet.

Anti-Müdigkeit: 

Epoxidharz verfügt nach der Verbundhärtung mit vielen Materialien wie Kohlefaser und Glasfaser über gute Anti-Ermüdungseigenschaften und kann wiederholter Beanspruchung und zyklischer Belastung in einer Langzeitumgebung standhalten und dabei dennoch eine stabile Leistung beibehalten.

5. Epoxidharzanwendungen

Epoxidharz ist aufgrund seiner besonderen chemischen Struktur und der damit verbundenen guten Haftung, Hochtemperaturbeständigkeit, chemischen Resistenz und weiteren Eigenschaften in vielen Bereichen zu einem unverzichtbaren duroplastischen Grundwerkstoff geworden. Ein umfassendes Verständnis seiner Anwendung kann Ihnen daher helfen, die Anforderungen Ihres Projekts genauer zu erfassen.

Klebstoffe: 

Aufgrund seiner hervorragenden Haftung kann Epoxidharz zum Verkleben von Metallen, Kunststoffen, Holz, Keramik, Glas usw. verwendet werden. Beispielsweise kann es als Klebstoff zum Verbinden mehrerer Strukturteile von Flugzeugen, Drohnen und Raketen verwendet werden, um strukturelle Festigkeit und Stabilität zu gewährleisten.

Beschichtungen und Versiegelungen: 

Aufgrund seiner stabilen chemischen Eigenschaften spielt Epoxidharz eine wichtige Rolle in Korrosions- und Oxidationsschutzbeschichtungen sowie Versiegelungen. Der als Rohstoff hergestellte Lackfilm weist eine starke Haftung auf und wird daher in großen Mengen für Korrosionsschutzbeschichtungen und Versiegelungen auf der Oberflächenschicht von Außengeräten und Stahlkonstruktionen verwendet, die lange Zeit exponiert sind. Dies kann Oxidation und Rostbildung auf der Geräteoberfläche wirksam verhindern und die Lebensdauer der Geräte verlängern.

Elektronische Kapselung: 

Es verfügt über eine hohe elektrische Isolierung, chemische Stabilität und Fließfähigkeit und lässt sich leicht verarbeiten. Daher spielt es eine wichtige Rolle bei der Kapselung und dem Verguss elektronischer Komponenten, beispielsweise bei der Kapselung integrierter Schaltkreise, der Kapselung von LEDs, der elektromagnetischen Abschirmung und in anderen Bereichen.

Materialverstärkung: 

Epoxidharz kann auch als Matrixharz für die Herstellung von kohlefaser-, kevlar- und glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen verwendet werden. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften des Materials deutlich verbessert, beispielsweise bei der Herstellung von Verbundlaminaten und verstärkten Verbundstrukturbauteilen. Diese Materialien zeichnen sich durch hohe Festigkeit, geringes Gewicht und chemische Beständigkeit aus. Sie finden daher breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, bei Sportgeräten, in der Medizintechnik und in der industriellen Fertigung.

6. Verbundwerkstoff aus Epoxidharz und Kohlefaser – Leistungssteigerung

Die Kombination von Epoxidharzen und Kohlenstofffasern stellt eine bedeutende Materialinnovation dar und macht verstärkte Verbundwerkstoffe deutlich belastbarer. Die Vorteile ihrer Anwendung sind nachstehend aufgeführt.

Porositätsreduzierung

Ihr bevorzugtes Epoxidharz auf Bisphenol-A-Basis eignet sich als Klebstoff für Kohlefaserverbundwerkstoffe. Das hochflüssige Epoxidharz reduziert die Porosität der Kohlefaser nach vollständiger Infiltration des Kohlefaserbündels auf 1%. Dadurch wird die Spannung des Harzes gleichmäßig verteilt, was die Zugfestigkeit verbessert, lokale Brüche des Verbundwerkstoffs vermeidet und die Kosten senkt.

Verbesserung der mechanischen Eigenschaften: 

Sie können die Formel des Epoxidharzes ändern, um die physikalischen Eigenschaften von Kohlefaserverbundwerkstoffen zu verbessern. Beispielsweise kann die Änderung der Zähigkeitseigenschaften die Schlagfestigkeit der verstärkten Verbundwerkstoffe verbessern, die hauptsächlich in Hochleistungsrennteilen, Sportgeräten und Schutzausrüstungen verwendet werden.

Verbesserung der Hochtemperaturbeständigkeit: 

Sie können Bismaleimid wählen, um die Temperaturbeständigkeit von verstärkten Verbundstrukturteilen zu verbessern und so die Stabilität der Strukturteile bei hohen Temperaturen sicherzustellen.

Verbessern Sie die Effizienz: 

Epoxidharze können außerdem die Aushärtungszeit von Kohlefaserteilen und -komponenten verkürzen, wodurch die Zykluszeit erheblich reduziert und Ihre Produktivität gesteigert wird.

7. Einschränkungen von Epoxidharz bei Kohlefaserverbundwerkstoffen 

A. Instabile Qualität:

Aufgrund der Komplexität und Instabilität des Prozesses bei der Herstellung von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen können Probleme wie Materialblasenporosität, Delaminationsbrüche, Gratbildung und Ablösung auftreten. Diese Defekte verringern die Festigkeit des Materials und beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften der gesamten Struktur.

B. Hohe Kosten: 

Die Herstellungskosten von Kohlefaserverbundwerkstoffen sind zu hoch. Sie erfordern umfangreiche Produktionsanlagen sowie Hochtemperatur- und Hochdruckprozesse mit hohem Energieverbrauch. Zudem sind die Verbundwerkstoffe spröder, was die Betriebskosten unweigerlich erhöht.

C. Umweltbelastung:

Aufgrund der Vernetzung des duroplastischen Matrixharzes in Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen kann es nicht geschmolzen und plastifiziert werden. Es ist schwierig zu extrahieren und ineffizient, was das Recycling erschwert. Zudem gibt es keine professionelle Recyclingtechnologie, -ausrüstung und -stätte, was den Umweltschutz unter Druck setzt.

8. Zusammenfassung:

Mit fundierten Kenntnissen und einem umfassenden Verständnis von Epoxidharzen überwinden Sie die Leistungsgrenzen von Kohlefaserverbundwerkstoffen und bieten eine effektive und zuverlässige technische Anleitung für Ihre Projekte.

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