Duroplast

Duroplaste, auch Duromere genannt, sind Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung nicht mehr verformt werden können. Duroplaste sind harte, glasartige Polymerwerkstoffe, die über chemische Hauptvalenzbindungen dreidimensional fest vernetzt sind. Die Vernetzung erfolgt beim Mischen von Vorprodukten mit Verzweigungsstellen und wird entweder bei Raumtemperatur mit Hilfe von Katalysatoren chemisch oder bei hohen Temperaturen thermisch aktiviert.

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Klassifizierung

Duromere bilden eine von drei Gruppen, in die Polymere eingeteilt werden. Man unterscheidet hierbei je nach dem Vernetzungsgrad zwischen den makromolekularen Hauptketten nach Thermoplasten, Elastomeren und Duroplasten. Während die Thermoplaste keine Vernetzungsstellen aufweisen und daher aufschmelzbar sind, können Elastomere und Duroplaste aufgrund ihrer Vernetzung nicht aufgeschmolzen werden und zerfallen nach Überschreiten der Zersetzungstemperatur (Pyrolyse).

Duroplaste werden oft mittels Polykondensation hergestellt. Bei einem Aushärtungsprozess bilden sich hierbei lineare Kettenmoleküle, die sich auch untereinander dreidimensional vernetzen und dabei eine stabile Struktur bilden. Nach dem Aushärten können sie ihre Form nicht mehr verändern. Auf mechanische Einwirkung reagieren sie mit Rissen oder Sprüngen. Durch während der Polykondensation entstehende Spaltprodukte werfen Duroplaste anfangs oft Blasen. Zusätzlich neigen einige zum Schrumpfen, Springen und Zerbröseln. Letzteres liegt in dem Abbau von während der Herstellung entstehenden Eigenspannungen begründet.

Zu den Duroplasten zählen die Aminoplaste und die Phenoplaste, die beide über Methylenbrücken (—CH₂—) oder Methylenetherbrücken miteinander verbunden sind.

Geschichte

Duroplaste aus Kunstharzen gehören zu den ersten industriell produzierten Kunststoffen. Ihr ältester Vertreter ist das 1909 entdeckte Bakelit. Ursprünglich konnten sie nur in Pressformen aus ihren Vorstufen (z. B. Phenoplaste aus Phenolharzen) hergestellt werden und wurden deshalb auch als Pressmassen bezeichnet, im Gegensatz zu Thermoplasten, die man als Spritzgießmassen bezeichnete. Erst ab Mitte der 1960er Jahre wurden Verfahren entwickelt, die die Herstellung von Duroplasten im Spritzgießverfahren ermöglichten. Heutzutage werden Duroplaste in zahlreichen Verfahren verarbeitet. Im Vordergrund stehen dabei immer die hohe thermomechanische Festigkeit und das im Vergleich zu Metall geringe spezifische Teilegewicht.

Herstellung

Duroplaste entstehen, wenn trifunktionelle Monomere (mit drei reagierenden funktionellen Gruppen) miteinander reagieren, also z.B. Glycerin (Trihydroxypropan) und eine Dicarbonsäure zu einem Polyester oder Glycerin und ein Diisocyanat zu einem Polyurethan.

Duroplaste entstehen aber auch, wenn man z.B. unter Verwendung einer ungesättigten Dicarbonsäure (z.B. Malein- oder Fumarsäure = cis- oder trans-Butendisäure) einen ungesättigten Polyester herstellt und diesen anschließend an den ungesättigten Bindungen in einer Polymerisationsreaktion vernetzt.

Phenoplaste werden durch Polykondensation aus Phenol (seine Derivate) und Formaldehyd hergestellt (Vgl. Phenol-Formaldehyd-Harze). Als monomere Ausgangsprodukte können daher Phenol, Formaldehyd, Kresole, Resorcin u. a. verwendet werden.

Abhängig von Verhältnis und Kondensationsgrad entstehen Produkte mit unterschiedlichen Eigenschaften (Resole, Resitole, Resite usw.)

Je nach Verarbeitungsprozess werden Gießharze (Haushaltsartikel), Pressharze und Pressstoffe (Gebrauchsartikel), Schichtpressstoffe (Zahnräder, Wellenlager) sowie Ionenaustauschharze (Wofatite für die Wasserenthärtung) unterschieden.

Eigenschaften

Duroplaste sind in mancher Hinsicht das Gegenteil von Thermoplasten: Sie werden beim Erhitzen nicht weich und schmelzen nicht, sondern zersetzen sich, da ihre Schmelztemperatur über der Zersetzungstemperatur liegt.

Weiterhin verformen sie sich nicht, wenn man Zug auf sie ausübt, eher brechen sie. Insgesamt sind sie deutlich härter und spröder als Thermoplaste, will man sie bearbeiten, so muss man dies - wie bei Holz - mechanisch tun, also etwa durch Sägen, Feilen oder Raspeln (das wird in der Praxis jedoch dadurch vermieden, dass man sie gleich in der gewünschten Form herstellt). Chemisch betrachtet sind Duroplaste stark quervernetzte Kunststoffe.

Ein Stück Duroplast, wie beispielsweise ein Stück Gießharz (die durchsichtigen Plastikblöcke, in denen Urlaubssouvenirs wie Seepferdchen und Muscheln konserviert werden), ist also im Prinzip ein einziges Riesenmolekül. Je nach Zusammensetzung weisen die Duroplaste unterschiedliche Eigenschaften auf: Sie können beispielsweise spröde (durch Zuschlagsstoffe beeinflussbar), elektrisch isolierend, chemikalienbeständig, lebensmittelecht, farblos, hochfest sowie von besonderer Steifigkeit sein.

Anwendungsgebiete

• Motorraumanwendungen (Wasserpumpengehäuse, Bremskolben, Riemenscheiben, Kommutatoren, u.ä.)
• Schutzhelme, wie der Feuerwehrhelm
• Kabelbahnen (Ebo)
• Leistungs- und Leitungsschutzschalter
• Karosserieteile
• Reflektoren (Autoscheinwerfer)
• Haushalt (Bügeleisenhitzeschild, Topfgriffe und Herdleisten)

Ein weiteres Anwendungsgebiet war früher die Karosserieaußenhaut des Pkw Trabant.

Heutzutage werden zahlreiche Baugruppen aus Metall im Automobil-Motorraum durch Duroplast-Bauteile substituiert. Aufgrund der geringen Dichte, der höheren Temperaturstabilität und der häufig geringeren Bauteilkosten nimmt dieser Trend deutlich zu.