Obwohl der Aushärtungsprozess oft nur einen kleinen Teil der Produktion des Endprodukts ausmacht, ist er von entscheidender Bedeutung für dessen Qualität, so dass es wertvoll ist, den Aushärtungsprozess zu optimieren und dadurch z. B. die Zahl der Reklamationen und Rückrufe von Produkten zu verringern.

Die Herausforderung für die meisten Unternehmen besteht darin, dass ihnen das einschlägige Wissen über den Prozess und die optimalen Bedingungen, einschließlich Aushärtungszeit und -temperatur fehlt. Darüber hinaus ist es für ein Unternehmen wichtig, die Robustheit des Prozesses in Bezug auf Abweichungen im Mischungsverhältnis von Mehrkomponentensystemen zu kennen.

Eine breit anwendbare Analysemethode

Um diesen Fragen Rechnung zu tragen, haben wir eine thermische Analysemethode identifiziert und bewertet, die von Unternehmen eingesetzt werden kann, die ihre Produktion von z. B. duroplastischen Polymeren/Kunststoffsystemen optimieren wollen:

  • Harzsysteme in Bezug auf die Herstellung von Verbundwerkstoffen
  • Duroplastsysteme in Bezug auf die Herstellung von duroplastischen Kunststoffen
  • Beschichtungen – zum Beispiel Gelcoats, Lack- und Farbsysteme, Kantenschutzbeschichtungen usw.

Als modellhaftes Aushärtesystem wurde ein handelsübliches 2-Komponenten-Epoxidsystem auf Biobasis gewählt, das typischerweise für Vakuuminfusionsverfahren und RTM (Resin Transfer Moulding) bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen verwendet wird.

Bei diesen Herstellungsverfahren ist es entscheidend, dass der Aushärteprozess sorgfältig kontrolliert wird und die optimalen Bedingungen für Temperatur und Zeit bekannt sind, ebenso wie die Frage, wie stark oder wie wenig vom Mischungsverhältnis abgewichen werden kann und ob es möglich ist, die Aushärtezeit zu minimieren und damit die Produktion des Endprodukts zu optimieren.

Dokumentation für den Kunden

Neben der Optimierung der internen Herstellungsprozesse kann die Analysemethode auch zur Sicherung einer gleichmäßigen Qualität in der Produktion eingesetzt werden. Die Methode kann auch als Ausgangskontrolle genutzt und in das Qualitätssicherungssystem des Unternehmens implementiert werden. Das bedeutet weniger Ausschuss und damit eine effizientere Produktion.

Durch die Analyse kann das Unternehmen sicherstellen, dass der Aushärtungsgrad eingehalten wird und dass das Produkt oder Bauteil die spezifizierten Eigenschaften aufweist, die im Datenblatt des Lieferanten der Epoxidkomponenten beschrieben sind. Dies kann dazu beitragen, dem Unternehmen einen Wettbewerbsvorteil auf dem Markt zu verschaffen.

Komponenten dieser Art werden häufig in kritischen und großen Strukturen wie Windkraftanlagen verwendet, wo es regelmäßig zu Ausfällen und Schäden kommt. In Verbindung mit anderen Prüfungen bietet die Analysemethode die Möglichkeit, die Ursache von Schäden oder Ausfällen zu identifizieren und zu dokumentieren, da sie feststellen kann, ob das Bauteil oder die Einheit die spezifizierten Anforderungen an die Aushärtung und damit die mechanischen und thermischen Eigenschaften erfüllt.

Wozu kann die DSC-Analyse eingesetzt werden?

DSC (Differential Scanning Calorimetry) ist eine thermische Analyse, bei der der Wärmefluss zu und von einem Probekörper als Funktion der Temperatur oder der Zeit gemessen wird, während der Probekörper einem kontrollierten Temperaturprogramm in einer kontrollierten Atmosphäre ausgesetzt ist. Diese Methode wird zum Beispiel zur Bestimmung der Glasübergangstemperatur (Tg), der Kristallisationstemperatur (Tc) beim Abkühlen und der Schmelztemperatur (Tm) beim Erhitzen eines Materials verwendet. Die Temperaturen sind charakteristisch für bestimmte Kunststoff-/Harzsysteme, so dass die Ergebnisse auch im Rahmen der Qualitätskontrolle und zum Beispiel zur Identifizierung unbekannter/unregelmäßiger Materialien verwendet werden können.

DSC kann zur Bewertung der Aushärtungsraten und des Aushärtungsgrads eines duroplastischen Systems (z. B. eines Epoxidharzsystems) verwendet werden. Die Methode kann verwendet werden, um ein besseres Verständnis des wärmehärtenden Systems zu erlangen, wodurch die Produktionszeit (Aushärtezeit) für den Verbundwerkstoff/Duroplast/Beschichtung minimiert werden kann, und sie kann als Werkzeug zur Bewertung der optimalen Aushärtetemperatur im Hinblick auf die (thermischen/mechanischen) Eigenschaften des Materials verwendet werden. Darüber hinaus kann die Methode genutzt werden, um die Robustheit des Prozesses in Bezug auf Abweichungen im Mischungsverhältnis bei Mehrkomponentensystemen zu beurteilen.

Die während des Aushärtungsprozesses erzeugte Wärme und die Glasübergangstemperatur (Tg) sind wichtige Parameter, um ein Verständnis für die Aushärtung des Epoxidsystems zu erhalten. Die Tg eines Polymers ist die Temperatur, bei der das Material von einem harten, festen Zustand in einen zähflüssigeren, gummiartigen Zustand übergeht; es handelt sich also um einen Materialparameter, der für die Gebrauchstemperatur entscheidend ist. Tg hängt vom Grad der Aushärtung in einem bestimmten System ab, ist aber auch abhängig von der Art des Materials.

Hinter der Untersuchung der Epoxidaushärtung

Als Modellsystem wurde ein handelsübliches SUPER SAP INR 2-Komponenten-Epoxidsystem gewählt, das bei der Herstellung von Verbundwerkstoffprodukten für Vakuuminfusion und RTM eingesetzt werden kann. Das Epoxidharzsystem wird zunächst bei 23 °C ausgehärtet und anschließend bei verschiedenen Temperaturen nachgehärtet. Der Grad und die Geschwindigkeit der Aushärtung des SUPER SAP INR SYSTEMS wird mittels DSC untersucht. Ein typisches DSC-Thermogramm, das zur Beurteilung des Aushärtungsgrades und der Aushärtungsgeschwindigkeit verwendet wird, ist in Abbildung 1 dargestellt. Bei der Aushärtung gibt das Epoxid Wärme ab, was als exotherme Reaktion bezeichnet wird (im Gegensatz zu einer endothermen Reaktion, bei der Wärme absorbiert wird).

Der Wärmefluss wird in Abhängigkeit von der Zeit gemessen, die nach dem Vermischen der beiden Komponenten (Harz und Härter) verstrichen ist, und gibt an, wie viel Epoxidharz noch auszuhärten ist (ein hoher Wärmefluss bedeutet einen hohen Grad an Unausgehärtetheit, ein Wärmefluss = 0 bedeutet vollständige Aushärtung). Es werden vier verschiedene Diagramme gezeigt, die die verschiedenen Aushärtungsgrade (3 Minuten, 12 Stunden, 33 Stunden und 100 Stunden) bei Raumtemperatur beschreiben.

Die Studie wurde durchgeführt, um die Methode zu bewerten und zu beurteilen, wie sich eine unzureichende oder überschüssige Menge an Härter (±5 %) auf die Geschwindigkeit und den Grad der Aushärtung auswirkt. Es ist wichtig, daran zu denken, dass es sich nur um ein Modellsystem handelt, das Trends aufzeigen kann, da nur sehr kleine Testmengen von 10-15 mg für die Analyse verwendet werden. Um die Auswirkung der Probengröße zu beurteilen, wurde auch eine DSC-Prüfung an einer Probe von ca. 200 g durchgeführt, und zwar sowohl von der Mitte der Probe als auch von ihrer Oberfläche.