Epoxidharz

Ein Epoxidharz (Kurzzeichen EP) besteht aus Polymeren die je nach Reaktionsführung unter Zugabe geeigneter Härter einen duroplastischen Kunststoff von hoher Festigkeit und chemischer Beständigkeit ergibt. Werden Epoxidharz und Härter gemischt erfolgt je nach Zusammensetzung und Temperatur üblicherweise innerhalb von wenigen Minuten bis einigen Stunden die Aushärtung des ursprünglich flüssigen Gemisches. In Extremfällen können bis zur vollständigen Aushärtung jedoch auch mehrere Monate vergehen.

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Verwendung

• vielseitiger Konstruktions-Klebstoff
• speziell eingestellte Epoxidharze finden als Metallkleber Anwendung
• Industriefußboden; Betonbeschichtung; Betonreparatur
• Anstrich; schwerer Korrosionschutz (Schiffbau, Stahlkonstruktionen)
• Elektrische Tauchlackierung (Automobilbau)
• Herstellung von Bauteilen im Gussverfahren
• Vergießen von elektrischen Bauteilen oder anderen Objekten
• Matrixmaterial für die Herstellung von Faserverbundbauteilen, unter anderem für Luft- und Raumfahrt, für den Motorsport und für den Yachtbau.
• Sanierung von Metallrohren bei Korrosion (z. B. bei Trinkwasserleitungen)
• Abdichtung von Holzterrarien (Terrarientechnik)
• Rohrinnensanierung von Trinkwasserleitungen
• Herstellung von Mineralgussgestellen für den Maschinenbau
• Rohrinnensanierung von Fußbodenheizungen
• Plastination
• Trägermaterial in der Kunst

Wegen des geringen Aufwands für die Herstellung im Handlaminierverfahren notwendigen Ausstattungsbedarfs und der hohen Festigkeit bei geringem Gewicht und den fast beliebigen Formgebungsmöglichkeiten ist dies auch im privaten Modellbaubereich beliebt.

Auf Grund seiner Ungiftigkeit (ausgehärtet) wird Epoxidharz auch sehr oft zum Terrarienbau verwendet. Da es flüssigkeitsundurchlässig ist, kann man es ebenso gut in Feuchtterrarien verwenden.

Im Yachtbau unterscheidet es sich von Polyesterharz dadurch, dass es zu keinen Osmoseschäden kommt, auch dann nicht, wenn Seewasser durch eine beschädigte Gelcoat-Schicht dringt und mit dem Werkstoff in Berührung kommt. Deshalb wird Epoxidharz auch zur Reparatur von Osmoseschäden an Polyesterharz-Bootsrümpfen verwendet.

Epoxidharz ist beim jetzigen Stand der Technik nicht recyclingfähig und die Stoffe zu dessen Herstellung werden überwiegend aus Erdöl gewonnen. Es laufen aber bereits Versuche, Epoxidharz auf Basis nachwachsender Rohstoffe zu gewinnen. Ziel ist es, ein ungiftiges, geruchloses und nicht allergenes Epoxidharz zu entwickeln.

Eigenschaften

Die nachfolgenden Eigenschaften gelten für das reine, unverstärkte Harz ohne Zuschlagstoffe.

• Elastizitätsmodul:
• Zugfestigkeit:
• Dichte:

Je nach Einstellung des Harzsystems kann die Temperaturfestigkeit bei heißhärtenden Systemen mehr als 250 °C betragen. Die Glasübergangstemperatur von kalthärtenden Systemen liegt bei etwa 60 °C. Epoxidharz quillt wie die Thermoplaste unter Feuchtigkeitsaufnahme.

Aufgrund der guten dielektrischen Eigenschaften findet Epoxidharz, z. B. als Vergussmasse, in der Elektroindustrie Anwendung.

Verarbeitung

Anders als bei Polyesterharz muss beim Anmischen von Epoxidharz normalerweise das stöchiometrische Harz/Härter Verhältnis eingehalten werden. Andernfalls verbleiben Teile von Harz oder Härter ohne Reaktionspartner, was klebrige Oberflächen und verminderte Festigkeit des Endprodukts zur Folge hat. Einige Epoxidsysteme sind jedoch ausdrücklich für eine Variation des Mischungsverhältnisses innerhalb enger Grenzen geeignet. Dadurch lassen sich Härte, Elastizität und andere Eigenschaften beeinflussen.

Eine inhomogene Mischung der Komponenten hat ähnlich negative Effekte wie ein falsches Verhältnis der Komponenten, da die Polymerisation nur unvollständig abläuft.

Die Polyaddition ist stark exotherm. Daher dürfen insbesondere bei hochreaktiven Systemen keine beliebig großen Mengen von Harz und Härter gemischt werden. Die entstehende Reaktionswärme kann so groß werden, dass es zum Brand kommt; zumindest können jedoch die Eigenschaften des Harzes durch die Überhitzung negativ beeinflusst werden. Für Bauteile mit großen Wanddicken sollten daher nur niedrigreaktive Harze verwendet werden.

Die Verarbeitungsdauer von Reaktionsharzen wird Topfzeit genannt. Sie hängt von der Verarbeitungstemperatur, der Einstellung des Harzes und der Ansatzgröße ab. Übliche Topfzeiten liegen bei einigen Minuten bis hin zu mehreren Stunden. Während der Topfzeit steigt die Viskosität des Harzes in einer nichtlinearen Kurve immer weiter an, bis schließlich keine Verarbeitung mehr möglich ist. Daher sollte immer nur so viel Harz angesetzt werden, wie innerhalb der Topfzeit verarbeitet werden kann. Die Angabe der Topfzeit ist in der Regel bei einem Harz/Härter-Ansatz von 100 g gemacht – das heißt: größere Verarbeitungsmengen haben eine wesentlich kürzere Verarbeitungszeit.

Eine Erwärmung des angemischten Harzes verringert die Viskosität und verbessert dadurch im Allgemeinen die Verarbeitbarkeit, verkürzt aber auch die Topfzeit. Niedrigreaktive Epoxidharze benötigen lange Härtezeiten und möglichst eine erhöhte Härtungstemperatur (30–40 °C). Eine Erhöhung der Verarbeitungstemperatur um 10 °C bewirkt eine Halbierung der Topf- bzw. Aushärtezeit. Bei Bedarf können noch Beschleuniger (hochreaktive Härter) zugegeben werden, die die Reaktionszeit verkürzen. Epoxidharze können zur vollständigen Vernetzung und zum Erreichen einer höheren Wärmeformbeständigkeit nach der Aushärtung einer Warmhärtung unterzogen werden.

Beim Warmhärten (Temperung) steigt die Glasübergangstemperatur (Tg) der Matrix um ca. 20–25 °C über die maximale Warmhärtungstemperatur an – dies ist der sogenannte Temperaturvorlauf. Die Temperatursteigerung sollte bei der Warmhärtung max. 20 °C/h betragen. Unkonditionierte Formen sollten mit max. 10 °C/h gehärtet werden. Raumtemperaturanhärtende Systeme härten bei Raumtemperatur teilweise mit einer sehr spröden Matrix – eine Härtung über 40 °C/5–6 h beseitigt diese und verbessert zusätzlich die mechanischen Eigenschaften.

Epoxidharz kann mit reaktiven Verdünnern (z. B. Glycidether vermischt werden, um die Viskosität des Harzes zu verringern. Dadurch wird eine bessere Tränkung von Geweben oder die Verarbeitbarkeit im RTM-Verfahren gewährleistet.

Epoxidharze können mit Zuschlagstoffen (z. B. pyrogene Kieselsäure) versehen werden, um sie thixotrop einzustellen. Dieses verdickte Harz kann als Füllmasse oder Klebstoff verwendet werden. Andere Zuschlagstoffe dienen als Füllmittel (Glass Bubbles/Phenolic Microballoons) um die Dichte des Harzes zu verringern, um die Griffigkeit bzw. Abrasionsbetändigkeit der Oberfläche zu verbessern (Quarzsand/Keramische Pulver) oder um die maximale Dauer-Betriebstemperatur zu steigern (Metallische Füllstoffe: Aluminium-, Eisen/Stahlpulver). Zuschlagstoffe können das Brandverhalten von Epoxidharz positiv beeinflussen Aluminumhydroxid. Dies ist besonders beim Einsatz in Verkehrsmitteln wichtig.

Die chemische Schrumpfung bei der Polymerisation ist mit 0,5…5 % deutlich geringer als bei den ungesättigten Polyesterharzen. Sie kann mit geeigneten Zuschlagstoffen sogar noch weiter verringert werden.

Gesundheit

Wirkung

Die Harz-Komponente enthält verschiedene Stoffe wie z. B. Bisphenol-Epichlorhydrin, die Haut und Augen reizen, Allergien auslösen können und schädlich für Wasserorganismen sind. Die Härter-Komponente enthält giftige und ätzende Stoffe wie z. B. Phenole und Amine und kann ebenfalls Allergien auslösen.

Phenol (auch Karbolsäure, Hydroxybenzol) verursacht auf der Haut chemische Verbrennungen und ist ein Nerven-/Zellgift. Wegen seiner bakteriziden Wirkung wurde es früher als Karbolsäure als Desinfektionsmittel, aber auch in Seifen und Kosmetika eingesetzt, was teilweise heute mit Beschränkungen noch erlaubt ist. Neben der Synthetisierung von Kunstharzen wurde es auch zur Produktion von Drogen sowie als Unkrautvertilger verwendet.

Epichlorhydrin, Diglycidylether und Präpolymere reagieren in Tests zur Mutagenität und Genotoxizität positiv und stehen im Verdacht, Krebs zu erzeugen. Bei Einzelstoffbetrachtung gilt dies nur bei hoher Dauerbelastung, welche Wirkpotentiale in einer komplexen Kombinations-Exposition zum Tragen kommen, ist jedoch nicht bekannt. Nach einer unterschiedlich langen Sensibilisierungsphase treten nicht therapierbare, allergische Kontakt-Ekzeme auf.

Beim Einatmen der Dämpfe können folgende Symptome auftreten: Schleimhautreizungen, Atemlähmung, Delirien und Herzstillstand. Eine chronische Exposition über die Atemluft kann zu Nervenstörungen und Nierenschädigung führen.

Der direkte Haukontakt ist als weitaus schädlicher anzusehen, als eine Aufnahme über die Atemwege (durch z. B. ungenügende Belüftung).

Schutz

Zum Hautschutz eignen sich ausschließlich spezielle Nitril- oder Butyl- Handschuhe. Ungeeignet sind dünne Einweg-Handschuhe unabhängig vom Material (z. B. Latex, Vinyl oder Nitril). Die allergenen Stoffe durchdringen diese Handschuhe auch ohne Beschädigung innerhalb weniger Minuten, während der Eigenschutz der Haut durch Schwitzen bei fehlender Belüftung geschwächt wird. Hautschutzsalben bieten ebenfalls keinen akzeptablen Schutz. Unter Umständen kann zusätzlich das Tragen eines Schutzanzugs notwendig sein. Aussagen von Epoxidharzherstellern, dass eine Dermatose meist nicht über eine harmlose Hautreizung hinausgehe und eine Anpassung (Desensibilisierung) der Haut eintrete (z. B. LANGE+RITTER 2007) ist mit äußerster Vorsicht zu begegnen.

Chemie

Quellen

• Umgang mit Epoxidharzen, Workshop des Unterausschusses IV Arbeitsplatzbewertung 25.6.01 GISBAU – Frankfurt/M. 2001
• Sicherheitsdatenblatt 91/155/EWG (EpoPlast Harz), Buehler GmbH Düsseldorf 2005
• L+R Katalog 2007 S. 108, LANGE+RITTER GmbH Gerlingen (D) 2007
• Arbeitsschutz Epoxidharze, R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH Waldenbuch 2007