Epoxidharz

Epoxidharz
Ein Arbeiter kitten einen Granit mit eingefärbten Epoxidharz

Kunstharze spielen heute in vielen Bereichen eine wichtige Rolle. Eine besonders bedeutsame Untergruppe der Kunstharze sind dabei Epoxidharze. Im Gegensatz zu anderen Kunstharzen tragen Epoxidharze dabei als Polyether zwei endständige Epoxidgruppen – das gibt ihnen den Namen.

Wie alle anderen Kunstharze auch sind sie härtbar, sie sind also Reaktionsharze: die Zugabe eines speziellen Härters führt dazu, dass sie in ausgehärtetem Zustand zu einem duroplastischen, d. h. durch Wärmeeinwirkung nicht mehr verformbaren Kunststoff werden (Wärmeformbeständigkeit). Die Aushärtung sorgt auch dafür, dass sie nicht nur gut temperaturbeständig sondern auch sehr chemikalienbeständig werden. Mit diesen Eigenschaften tut sich ein weites Anwendungsfeld auf – als Lacke und Beschichtungen, als Laminierharze, als sogenannte Gießharze, als Einbettungsmittel und als Formmittel für bestimmte Komponenten. Auch im Bootsbau finden EP-Harze Verwendung.

Arten von Epoxidharzen

Der Begriff „Epoxidharz“ ist lediglich als ein Überbegriff zu verstehen – ausgehend von unterschiedlichen Herstellungsprozessen und in der Folge auch unterschiedlichen Eigenschaften und Verarbeitbarkeit gibt es eine ganze Anzahl von verschiedenen Epoxidharzen.

Die bedeutsamste Gruppe stellen dabei die Glycidyl-basierten EP-Harze dar. Sie werden aus der Verbindung von Epichlorhydrin mit Diolen oder Polyolen (mehrwertigen Alkoholen), Phenol-Verbindungen wie Bisphenol A oder Dicarbonsäuren hergestellt.

Nahezu drei Viertel der gesamten Epoxidharz-Produktion wird heute mithilfe von Bisphenol A hergestellt. Niedrigmolekulare Umsetzungen erzeugen dabei eine viskose, glasklare Flüssigkeit, also flüssige Epoxidharze. Höhermolekulare Umsetzungen erzeugen farblose Feststoffe.

Werden statt Bisphenol A Novolake verwendet, entstehen hochviskose bis sehr feste Harze (EPN und ECN). Nach dem Aushärten sind die entstehenden Duroplaste zwar wenig flexibel, dafür aber hoch temperatur- und chemikalienbeständig. Sind besonders flammhemmende Eigenschaften gefragt, wird zur Herstellung meist bromiertes Bisphenol A verwendet.

Neben diesen sehr häufigen und weit verbreiteten Herstellungswegen gibt es noch zahlreiche weitere von eher untergeordneter Bedeutung. Die Endprodukte kann man technisch dann nach verschiedenen Eigenschaften kategorisieren:

  • der Molmassenverteilung
  • der Hydroxylzahl
  • dem Epoxid-Äquivalentgewicht
  • der Glasübergangstemperatur

Diese Werte haben allerdings nur technisch Bedeutung und keinerlei Relevanz für die praktische Anwendung.

Härter

Etwas größere Bedeutung hat dort aber die Art der Härtung: Man unterscheidet hier prinzipiell zwischen der sogenannten „Kalthärtung“ (erfolgt bereits bei Zimmertemperatur), wenn mehrwertige Amine oder aliphatische Amine als Härter eingesetzt werden. Verwendet man als Härter aromatische Amine, ist dagegen eine „Heißhärtung“ erforderlich, bei sauren Härtern wie Diethyltriamin sind sogar sehr hohe Temperaturen zum Härten erforderlich.

Sieht man sich die Aushärtungs-Reaktion chemisch an, wird klar, dass für eine vollständige Umsetzung des gesamten Harzes zum Kunststoff das Verhältnis von Härtermenge und Harzmenge sehr wichtig ist. Nur in sehr engen Grenzen lassen sich durch die Variation des Mischungsverhältnisses bestimmte Eigenschaften wie Elastizität, Härte oder Säurebeständigkeit „einstellen“. Stimmt das Verhältnis nicht, kann das bei zu wenig vorhandenem Härter zu einer klebrigen, weichen Oberfläche führen, die nicht vollständig aushärten kann, weil immer noch Harzreste vorhanden sind, die mangels Härter nicht umgesetzt werden können.

Bei der Umsetzung von Harz und Härter (exotherme Reaktion) entsteht übrigens eine sehr hohe Reaktionswärme, insbesondere bei stark reaktiven Harzen. Diese Wärme muss möglichst gut abgeführt werden, da sonst das Harz darunter leidet.

Wie schnell die Umsetzung der Reaktion erfolgt, bestimmt ganz wesentlich die sogenannte Topfzeit, also jenen Zeitraum, in dem man das Harz noch aktiv verarbeiten kann. Je nach Produktart können die Verarbeitungszeiten einige Stunden oder auch nur einige Minuten betragen. Beim Anmischen sollte man immer nur so viel aus dem Gebinde anmischen, wie man in der Topfzeit auch tatsächlich verarbeiten kann. Die angemischte Verarbeitungsmenge, die man nicht mehr schafft, kann nicht wieder verflüssigt werden.

Für die angegebene Topfzeit ist auch immer die Umgebungstemperatur zu beachten – liegt die Verarbeitungstemperatur höher als 20 °C (das ist der Standard-Ausgangswert) kann die Topfzeit kürzer werden als angegeben. Je zusätzlichen 10 °C Temperatur halbiert sich die Topfzeit. Das Gleiche gilt auch bei der Verarbeitung von größeren Mengen. Durch Zugabe verschiedener Mittel kann der Hersteller die Topfzeit aber in gewissem Maß beim Produkt beeinflussen.

Die Herstellung von niedrigviskosem Epoxidharz sorgt zudem auch dafür, dass poröse Werkstoffe leichter vom Harz durchdrungen werden können – etwa bei der Betonbeschichtung. Die geänderte Viskosität hat ebenfalls Einfluss auf die Topfzeit und die Härtezeit.

Auch die Härtzeiten können von Produkt zu Produkt unterschiedlich sein, enthaltene Füllstoffe können sie zusätzlich deutlich verändern. Das anfangs dünnflüssige Epoxidharz wird dabei schnell immer dickflüssiger, bis es schließlich gehärtet ist.

Typische Eigenschaften

Ausgehärtete Harze bewegen sich meist zwischen Gewichten von rund 1.000 bis 1.200 kg/m³. Die Zugfestigkeit liegt in den meisten Fällen um 80 MPa, die Wärmeleitfähigkeit liegt meist bei 0,21 W/mK, kann sich aber je nach Produktart und Zusammensetzung zwischen 1,2 W/mK und rund 6 W/mK bewegen.

Die übrigen chemischen und mechanischen Eigenschaften können je nach Produkt sehr unterschiedlich ausfallen. Sie lassen sich kaum verallgemeinern und das ist auch Sinn der Sache. Epoxidharze gehören neben ihren natürlichen Eigenschaften auch zur Gruppe jener Stoffe, die sich sehr umfassend und sehr exakt an alle möglichen Anforderungen anpassen lassen.

Allgemeine Verwendungsbereiche

Bei Epoxidharz denken die meisten vermutlich als erstes an ihren Garagenboden. Tatsächlich sind Industrie- und Garagenböden ein sehr wichtiges Anwendungsfeld für Epoxidharz-Beschichtungen. Wird eine kleine Steinkörnung eingestreut, entsteht dann aus dem gegossenen Epoxidharz in Verbindung mit der Gesteinskörnung ein Steinteppich.

TIPP: Bei reinen Oberflächenbeschichtungen müssen immer sorgfältig die Luftblasen entfernt werden, am besten mit einer Nagelrolle. Sie härten sonst mit aus – und bleiben für immer im Harz eingeschlossen erhalten. Zudem würden eingeschlossene Luftblasen dann die Belastbarkeit der Oberfläche schwächen.

Als Anstrich schützen EP-Harze daneben auch Stahlkonstruktionen, etwa im Schiffsbau, vor Korrosion, dienen aber auch als Bindemittel für Lacke und daneben auch als Abdichtmaterial, etwa für Terrarien.

Als Gießharz werden EP-Harze zur Herstellung von zahlreichen Bauteilen im Gussverfahren verwendet, werden Kohlenstoff-, Glas- und Aramidfasern (sogenannten Faserverundstoffe) hinzugefügt, entsteht glasfaserverstärkter Kunststoff, das bekannte GFK.

Auch Leiterplatten werden aus EP-Harzen hergestellt, daneben verwendet man es auch zum Ver- und eingießen von Bauteilen, die elektrisch isoliert werden sollen. Im Bootsbau werden Epoxidharze auch zur Reparatur von Bootsrümpfen aus Polyesterharz verwendet, das selbst nicht seewasserbeständig ist.

Gesundheitsrisiko und Vorkehrungsmaßnahmen bei der Herstellung und Verwendung

Als Grundsatz kann man sich merken: ist Epoxidharz einmal ausgehärtet, ist es völlig ungiftig und sogar meist lebensmittelecht. In nicht ausgehärtetem Zustand gehen von EP-Harzen aber beträchtliche Gesundheitsrisiken und Gefahren aus.

Derzeit findet wegen der umfangreichen Verwendung gerade eine Neubewertung der Gefahrenlage statt, die von nicht ausgehärtetem Epoxidharz ausgehen. Bereits jetzt zieren allerdings eine Menge Gefahrensymbole auch die für die Privatanwendung vorgesehenen Produkte – Kennzeichnungen, die man durchaus sehr ernst nehmen sollte. Anwendungsvorschriften und Sicherheitsempfehlungen sollte man unbedingt immer ganz genau folgen. Gegebenenfalls muss man bei einzelnen Arbeiten auch auf den Umwelt- und den Gewässerschutz achten – diesbezüglich gibt es umfassende Arbeitsvorschriften für den Umgang mit Epoxidharz, die natürlich auch für Privatpersonen gelten, wenn sie EP-Harze einsetzen.

Besonders schädlich ist der direkte Kontakt mit der Haut. Ein Schutzanzug ist empfehlenswert, geeignete Handschuhe sind zum Verarbeiten zwingend erforderlich. Die Handschuhe sollten dabei möglichst dick sein, Einweghandschuhe, egal ob aus Latex- oder Nitril, sind als Schutz völlig ungeeignet. Die für die Haut schädlichen Stoffe würden die Nitrilhandschuhe beispielsweise innerhalb von Minuten durchdringen.

Die Aufnahme über die Atemwege birgt vergleichsweise etwas geringere Risiken, selbst die sollte man aber immer bekämpfen, indem man grundsätzlich nur bei sehr guter Belüftung der Räume mit Epoxidharz arbeitet.

Fazit

Epoxidharz begegnet uns in sehr vielen Bereichen und in ganz unterschiedlichen Formen praktisch tagtäglich – ohne das uns das bewusst ist. Wenn man es selbst anwendet, etwa um einen Boden zu beschichten, sollte man sich der Gefahren, die von noch nicht ausgehärteten Harzen ausgehen, aber unbedingt bewusst sein.

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