Duroplastisches Polymer – Wikipedia

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EIN wärmehärtbares Polymer, Harz oder Kunststoff, oft a genannt duroplastischist ein Polymer, das durch Aushärten aus einem weichen festen oder viskosen flüssigen Präpolymer oder Harz irreversibel gehärtet wird.[1] Das Aushärten wird durch Wärme oder geeignete Strahlung induziert und kann durch hohen Druck oder Mischen mit einem Katalysator gefördert werden. Wärme muss nicht unbedingt extern angewendet werden. Es entsteht häufig durch die Reaktion des Harzes mit einem Härter (Katalysator, Härter). Das Aushärten führt zu chemischen Reaktionen, die eine ausgedehnte Vernetzung zwischen Polymerketten erzeugen, um eine zu erzeugen unschmelzbar und unlösliches Polymernetzwerk.

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Das Ausgangsmaterial zur Herstellung von Duroplasten ist normalerweise vor dem Aushärten formbar oder flüssig und wird häufig so gestaltet, dass es in die endgültige Form gebracht wird. Es kann auch als Klebstoff verwendet werden. Nach dem Aushärten kann ein Duroplast im Gegensatz zu thermoplastischen Polymeren, die üblicherweise in Form von Pellets hergestellt und verteilt und durch Schmelzen, Pressen oder Spritzgießen in die Endproduktform gebracht werden, nicht zum Umformen geschmolzen werden.

Chemischer Prozess[edit]

Das Härten eines duroplastischen Harzes wandelt es durch Vernetzung oder Kettenverlängerung durch Bildung kovalenter Bindungen zwischen einzelnen Ketten des Polymers in einen Kunststoff oder ein Elastomer (Kautschuk) um. Die Vernetzungsdichte variiert in Abhängigkeit von der Monomer- oder Präpolymermischung und dem Vernetzungsmechanismus:

Acrylharze, Polyester und Vinylester mit ungesättigten Stellen an den Enden oder am Grundgerüst werden im Allgemeinen durch Copolymerisation mit ungesättigten Monomerverdünnungsmitteln verbunden, wobei die Aushärtung durch freie Radikale aus ionisierender Strahlung oder durch photolytische oder thermische Zersetzung eines Radikalinitiators eingeleitet wird Die Intensität der Vernetzung wird durch den Grad der Ungesättigtheit des Grundgerüsts im Präpolymer beeinflusst.[2]

Epoxyfunktionelle Harze können mit anionischen oder kationischen Katalysatoren und Wärme homopolymerisiert oder durch nukleophile Additionsreaktionen mit multifunktionellen Vernetzungsmitteln, die auch als Härter oder Härter bekannt sind, copolymerisiert werden. Mit fortschreitender Reaktion werden immer größere Moleküle gebildet und hochverzweigte vernetzte Strukturen entstehen, wobei die Härtungsrate durch die physikalische Form und Funktionalität von Epoxidharzen und Härtungsmitteln beeinflusst wird[3] – Nachhärtung bei erhöhter Temperatur induziert eine sekundäre Vernetzung der Hydroxylfunktionalität des Grundgerüsts, die unter Bildung von Etherbindungen kondensiert;

Polyurethane entstehen, wenn Isocyanatharze und Präpolymere mit Polyolen mit niedrigem oder hohem Molekulargewicht kombiniert werden, wobei strenge stöchiometrische Verhältnisse für die Kontrolle der Polymerisation der nukleophilen Addition wesentlich sind – der Vernetzungsgrad und der resultierende physikalische Typ (Elastomer oder Kunststoff) werden aus dem Molekulargewicht eingestellt und Funktionalität von Isocyanatharzen, Präpolymeren und die genauen Kombinationen von ausgewählten Diolen, Triolen und Polyolen, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit stark von Katalysatoren und Inhibitoren beeinflusst wird; Polyharnstoffe bilden sich praktisch augenblicklich, wenn Isocyanatharze mit langkettigen aminfunktionellen Polyether- oder Polyesterharzen und kurzkettigen Diaminextendern kombiniert werden – die nukleophile Amin-Isocyanat-Additionsreaktion erfordert keine Katalysatoren. Polyharnstoffe bilden sich auch, wenn Isocyanatharze mit Feuchtigkeit in Kontakt kommen;[4]

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Phenol-, Amino- und Furanharze, die alle durch Polykondensation unter Freisetzung von Wasser und Wärme gehärtet wurden, wobei die Kontrolle der Aushärtungsinitiierung und der Exotherme der Polymerisation von der Härtungstemperatur, der Auswahl des Katalysators oder der Beladungs- und Verarbeitungsmethode oder dem Druck beeinflusst wurde – dem Grad der Vorpolymerisation und dem Grad des Rückstands Der Hydroxymethylgehalt in den Harzen bestimmt die Vernetzungsdichte.[5]

Benzoxazine werden durch eine exotherme Ringöffnungspolymerisation ohne Freisetzung von Chemikalien gehärtet, was bei der Polymerisation zu einer Schrumpfung nahe Null führt.[6]

Duroplastische Polymermischungen auf der Basis von duroplastischen Harzmonomeren und Vorpolymeren können auf verschiedene Weise formuliert, angewendet und verarbeitet werden, um charakteristische gehärtete Eigenschaften zu erzielen, die mit thermoplastischen Polymeren oder anorganischen Materialien nicht erreicht werden können.[7][8] Zu den Anwendungen und Verfahren für Duroplaste gehören Schutzbeschichtungen, nahtlose Fußböden, Tiefbau-Fugenmörtel zum Fügen und Spritzen, Mörtel, Gießereisande, Klebstoffe, Dichtungsmittel, Gussteile, Verguss, elektrische Isolierung, Einkapselung, 3D-Druck, feste Schäume, Nassverlegung -up Laminieren, Pultrusion, Gelcoats, Filamentwickeln, Pre-Pregs und Formen. Spezifische Methoden zum Formen von Duroplasten sind:

Eigenschaften[edit]

Duroplaste sind aufgrund des dreidimensionalen Bindungsnetzwerks (Vernetzung) im Allgemeinen stärker als thermoplastische Werkstoffe und eignen sich auch besser für Hochtemperaturanwendungen bis zur Zersetzungstemperatur, da sie ihre Form behalten, da starke kovalente Bindungen zwischen Polymerketten nicht möglich sind leicht gebrochen. Je höher die Vernetzungsdichte und der Aromatengehalt eines duroplastischen Polymers sind, desto höher ist die Beständigkeit gegen Wärmeabbau und chemischen Angriff. Die mechanische Festigkeit und Härte verbessern sich auch mit der Vernetzungsdichte, allerdings auf Kosten der Sprödigkeit.[9] Sie zersetzen sich normalerweise vor dem Schmelzen.

Harte Kunststoff-Duroplaste können unter Last dauerhaft oder plastisch verformt werden. Elastomere, die weich und federnd oder gummiartig sind und verformt werden können und beim Laden wieder ihre ursprüngliche Form annehmen.

Herkömmliche duroplastische Kunststoffe oder Elastomere können nach dem Aushärten nicht geschmolzen und umgeformt werden. Dies verhindert normalerweise das Recycling für den gleichen Zweck, außer als Füllmaterial.[10] Neue Entwicklungen mit duroplastischen Epoxidharzen, die bei kontrollierter und enthaltener Erwärmung vernetzte Netzwerke bilden, ermöglichen eine wiederholte Umformung wie Quarzglas durch reversible kovalente Bindungsaustauschreaktionen beim Wiedererhitzen über die Glasübergangstemperatur.[11] Es gibt auch duroplastische Polyurethane, von denen gezeigt wird, dass sie vorübergehende Eigenschaften haben und die somit wiederaufbereitet oder recycelt werden können.[12]

Faserverstärkte Materialien[edit]

Duroplastische Harze bilden beim Mischen mit Fasern faserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe, die bei der Herstellung von werkseitig hergestellten OEMs oder Ersatzteilen für Strukturverbundwerkstoffe verwendet werden.[13] und als vor Ort angewendete, ausgehärtete und fertige Verbundreparatur[14][15] und Schutzmaterialien. Wenn sie als Bindemittel für Aggregate und andere feste Füllstoffe verwendet werden, bilden sie partikelverstärkte Polymerverbundstoffe, die für die werksseitig aufgebrachte Schutzbeschichtung oder die Herstellung von Bauteilen sowie für vor Ort aufgebrachte und ausgehärtete Konstruktions- oder Wartungszwecke verwendet werden.

Beispiele[edit]

  • Polyesterharz-Glasfasersysteme: Blechformmassen und Massenformmassen; Filamentwicklung; nasse Laminierung; Reparaturmassen und Schutzbeschichtungen.
  • Polyurethane: Isolierschäume, Matratzen, Beschichtungen, Klebstoffe, Autoteile, Druckwalzen, Schuhsohlen, Fußböden, synthetische Fasern usw. Polyurethanpolymere werden durch Kombination von zwei zwei- oder höherfunktionellen Monomeren / Oligomeren gebildet.
  • Polyharnstoff / Polyurethan-Hybride für abriebfeste wasserfeste Beschichtungen.
  • Vulkanisierter Gummi.
  • Bakelit, ein Phenol-Formaldehyd-Harz, das in elektrischen Isolatoren und Kunststoffwaren verwendet wird.
  • Duroplast, leichtes, aber starkes Material, ähnlich wie Bakelit zur Herstellung von Autoteilen.
  • Harnstoff-Formaldehyd-Schaum für Sperrholz, Spanplatten und mitteldichte Faserplatten.
  • Melaminharz auf Arbeitsplattenoberflächen.[16]
  • Diallylphthalat (DAP), das in elektrischen Hochtemperatur- und Mil-Spec-Steckverbindern und anderen Komponenten verwendet wird. Normalerweise glasgefüllt.
  • Epoxidharz [17] verwendet als Matrixkomponente in vielen faserverstärkten Kunststoffen wie glasfaserverstärktem Kunststoff und graphitverstärktem Kunststoff; Gießen; elektronische Kapselung[18];; Konstruktion; Schutzbeschichtungen; Klebstoffe; Versiegeln und Fügen.
  • Epoxid-Novolak-Harze für Leiterplatten, elektrische Einkapselung, Klebstoffe und Metallbeschichtungen.
  • Benzoxazine, die allein oder mit Epoxid- und Phenolharzen hybridisiert werden, für strukturelle Prepregs, flüssige Form- und Filmklebstoffe für die Konstruktion, Verklebung und Reparatur von Verbundwerkstoffen.
  • Polyimide und Bismaleimide, die in Leiterplatten und in Körperteilen moderner Flugzeuge, Verbundstrukturen für die Luft- und Raumfahrt, als Beschichtungsmaterial und für glasfaserverstärkte Rohre verwendet werden.
  • Cyanatester oder Polycyanurate für elektronische Anwendungen mit Bedarf an dielektrischen Eigenschaften und hohen Glastemperaturanforderungen in Verbundbauteilen für die Luft- und Raumfahrt.
  • Form- oder Formkanäle (das schwarze Kunststoffteil in integrierten Schaltkreisen oder Halbleitern).
  • Furanharze zur Herstellung nachhaltiger Biokompositkonstruktionen,[19] Zemente, Klebstoffe, Beschichtungen und Gieß- / Gießereiharze.
  • Silikonharze, die für duroplastische Polymermatrix-Verbundwerkstoffe und als Keramikmatrix-Verbundwerkstoffvorläufer verwendet werden.
  • Thiolyte, ein elektrisch isolierendes duroplastisches Phenollaminatmaterial.
  • Vinylesterharze, die zum Nasslaminieren, Formen und schnell abbindenden industriellen Schutz- und Reparaturmaterial verwendet werden.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ IUPAC, Kompendium der chemischen Terminologie, 2. Aufl. (das “Goldbuch”) (1997). Online korrigierte Version: (2006–) “wärmehärtbares Polymer“. doi:10.1351 / goldbook.TT07168
  2. ^ Ungesättigte Polyestertechnologie, hrsg. PF Bruins, Gordon und Breach, New York, 1976
  3. ^ Chemie und Technologie von Epoxidharzen, hrsg. B. Ellis, Springer Netherlands, 1993, ISBN 978-94-010-5302-0
  4. ^ Polyurethan-Handbuch, hrsg. G Oertel, Hanser, München, 2. Auflage, 1994, ISBN 1569901570, ISBN 978-1569901571
  5. ^ Grundlagen und Anwendungen reaktiver Polymere: Ein kurzer Leitfaden für industrielle Polymere (Plastics Design Library), William Andrew Inc., 2. Auflage, 2013, ISBN 978-1455731497
  6. ^ “Polybenzoxazine”. Polymer Properties Database.
  7. ^ Concise Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, hrsg. JI Kroschwitz, Wiley, New York, 1990, ISBN 0-471-5 1253-2
  8. ^ Industrielle Polymeranwendungen: Grundlegende Chemie und Technologie, Royal Society of Chemistry, Großbritannien, 1. Auflage, 2016, ISBN 978-1782628149
  9. ^ SH Goodman, H. Dodiuk-Kenig, Hrsg. (2013). Handbuch für duroplastische Kunststoffe (3. Aufl.). USA: William Andrew. ISBN 978-1-4557-3107-7.
  10. ^ The Open University (UK), 2000. T838 Design und Herstellung mit Polymeren: Einführung in Polymere, Seite 9. Milton Keynes: The Open University
  11. ^ D. Montarnal, M. Capelot, F. Tournilhac, L. Leibler, Science, 2011, 334, 965-968]doi:10.1126 / science.1212648
  12. ^ Fortman, David J.; Jacob P. Brutman; Christopher J. Cramer; Marc A. Hillmyer; William R. Dichtel (2015). “Mechanisch aktivierte, katalysatorfreie Polyhydroxyurethan-Vitrimere”. Zeitschrift der American Chemical Society. doi:10.1021 / jacs.5b08084
  13. ^ Polymermatrix-Verbundwerkstoffe: Materialverwendung, Design und Analyse, SAE International, 2012, ISBN 978-0-7680-7813-8
  14. ^ PCC-2 Reparatur von Druckgeräten und Rohrleitungen, American Society of Mechanical Engineers, 2015, ISBN 978-0-7918-6959-8
  15. ^ ISO 24817 Verbundreparaturen für Rohrleitungen: Qualifizierung und Design, Installation, Prüfung und Inspektion, 2015, ICS: 75.180.20
  16. ^ Roberto C. Dante, Diego A. Santamaría und Jesús Martín Gil (2009). “Vernetzung und thermische Stabilität von Duroplasten auf Novolak- und Melaminbasis”. Journal of Applied Polymer Science. 114 (6): 4059–4065. doi:10.1002 / App.31114.
  17. ^ Guzman, Enrique; Cugnoni, Joël; Gmür, Thomas (2014). “Multifaktorielle Modelle eines Kohlefaser / Epoxid-Verbundwerkstoffs, der einer beschleunigten Alterung der Umwelt ausgesetzt ist”. Verbundstrukturen. 111 (4): 179–192. doi:10.1016 / j.compstruct.2013.12.028.
  18. ^ Kulkarni, Romit; Wappler, Peter; Soltani, Mahdi; Haybat, Mehmet; Günther, Thomas; Groezinger, Tobias; Zimmermann, André (1. Februar 2019). “Eine Bewertung des duroplastischen Spritzgusses für die dünnwandige konforme Verkapselung von elektronischen Gehäusen auf Platinenebene”. Zeitschrift für Fertigung und Materialverarbeitung. 3 (1): 18. doi:10.3390 / jmmp3010018.
  19. ^ T. Malaba, J. Wang, Journal of Composites, vol. 2015, Artikel-ID 707151, 8 Seiten, 2015. doi:10.1155 / 2015/707151


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