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Kunststoffe und Chemie
 
Die chemische Industrie hat in den letzten ca. 40 Jahren eine Vielzahl unterschiedlicher Systeme entwickelt, die alle im Modell- und Formenbau ihre Bedeutung haben. Im Wesentlichen muss man dabei unterscheiden, ob der Anwender diese Kunststoffe vor der Arbeit selbst vermischen muss, oder aber ob es sich um fertig formulierte Systeme handelt. Im nachfolgenden Text werden nur die Systeme behandelt, die vom Anwender vor der Verarbeitung selbst aus wenigstens zwei, in der Regel flüssigen Komponenten angemischt werden. Diese Kunststoffsysteme lassen sich im Wesentlichen in folgende Gruppen unterteilen:
 
- Epoxidharze
- Polyesterharze
- Polyurethanharze
- Silicone
 
So unterschiedlich die Eigenschaften der Kunststoffe im ausreagierten Zustand sind, so unterschiedlich ist auch die chemische Reaktion, die zu dem Kunststoff führt.
 
Alle hier genannten Systeme bestehen in der Regel aus zwei flüssigen Komponenten, wovon eine die Harzkomponente und die andere die Härterkomponente ist. Nur bei Siliconen spricht man aufgrund der gummielastischen Eigenschaft des Endprodukts nicht von Härter, sondern von Vernetzer. Um die gewünschte Endeigenschaft zu erhalten, ist das Mischungsverhältnis der beiden Komponenten vom Hersteller vorgegeben. Auch die Abbinde- oder Topfzeit wird angegeben. Diese ist aber meist von der Menge, d.h. der Ansatzgröße und von der Umgebungstemperatur abhängig. Grundsätzlich kann man sagen, dass die Reaktion mit dem Härter (Vernetzer) umso schneller abläuft, je wärmer es ist. Entsprechend verkürzt sich auch die Topfzeit.
 
Die chemische Reaktion, die zwischen Härter und Harz abläuft, ist eine so genannte Polymerisationsreaktion und gehört in das Gebiet der organischen Chemie. Das ist der Oberbegriff des Bereichs der Chemie, der sich mit den Stoffen beschäftigt, die auf der Basis von Kohlenstoffatomen (C) aufgebaut sind. Diese Stoffe haben Moleküle, also die kleinsten Baugruppen eines Stoffes, gänzlich unterschiedlicher Bauart. Moleküle werden unter anderem nach ihrer Bauart unterschieden in:
 
- aliphatische Kohlenwasserstoffe
- aromatische Kohlenwasserstoffe
 
Aliphatische Kohlenwasserstoffe sind organische, verzweigte oder unverzweigte, ketten- oder ringförmige Moleküle. Der Begriff kommt aus dem Griechischen aleiphar = fettig. Kurz gesagt sind dies alle Moleküle, die nicht aromatisch sind. Aromatische Kohlenwasserstoffe hingegen basieren in ihrer Struktur auf dem Benzolring, einem Ring aus sechs Kohlenstoffen, die mit je abwechselnd drei Doppel- und Einfachbindungen verbunden sind (konjugierte Doppelbindungen).
 
Ein weiteres wichtiges Unterscheidungsmerkmal von Molekülen sind die funktionellen Gruppen. Das sind die bei der Reaktion mit anderen Stoffen aktiven Stellen im Molekül. Bei Harzen und Härtern sind an der Reaktion nur die funktionellen Gruppen beteiligt, wogegen der Rest des Moleküls nicht verändert wird. Wohl aber hat er einen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit und auf den Charakter der Komponente. Wichtige funktionelle Gruppen sind beispielsweise die OH-Gruppe der Alkohole, die COOH-Gruppe der organischen Säuren (Carbonsäuren) und die NH2-Gruppe der (primären) Amine. Entsprechend ihrem Charakter können diese Gruppen miteinander eine chemische Reaktion eingehen. Neben der Reaktion der funktionellen Gruppen besteht auch noch die Möglichkeit einer Reaktion an einer Doppel- oder Dreifachbindung in einem Molekül.
 
Die Reaktion zwischen Harz und Härter führt bei Epoxiden, Polyestern und Polyurethanen grundsätzlich zu duromeren Werkstoffen. Kennzeichnend hierfür ist, im Gegensatz zu den Thermoplasten, dass die Reaktionsprodukte durch Wärme nicht mehr aufschmelzbar sind. Dies hat seinen Grund in der räumlichen Vernetzung der kettenförmigen Makromoleküle. Ähnlich verhält es sich mit Siliconen, die ebenfalls durch Wärme nicht mehr aufschmelzbar sind, aber aufgrund der elastischen Eigenschaften zu den Elastomeren gehören. Auch Silicone sind räumlich vernetzt.
 
Die Reaktion von Harz und Härter ist eine Polymerisationsreaktion. Unterschieden wird bei Polymerisationen zwischen Polyadditionsreaktionen und Polykondensationsreaktionen. Dies ist für den Formenbau von entscheidender Bedeutung. Bei einer Polyadditionsreaktion entsteht bei der Reaktion grundsätzlich kein Spalt- oder Reaktionsnebenprodukt. Aus der Form kann also kein Reaktionsprodukt entweichen, und sie kann folglich auch weitgehend geschlossen gebaut werden. Bei Polykondensationsreaktionen entsteht bei der Reaktion zwischen Harz und Härter (Vernetzer) dagegen neben dem gewünschten Reaktionsprodukt noch ein weiteres Nebenprodukt. Dies ist meist flüssig oder leichtflüchtig, weshalb man auch von Kondensat spricht. Bei Veresterungsreaktionen ist dieses Kondensat Wasser. Bei kondensationsvernetzenden Silikonen sind dies in der Regel kurzkettige Alkohole. Die bei der Reaktion entstehenden Kondensate müssen beim Formenbau berücksichtigt werden.
 
Bei fast allen chemischen Reaktionen wird Energie in Form von Wärme frei. Diese freiwerdende Wärme nennt man Exothermie. Zudem ist für den Start einer Reaktion eine bestimmte Energie (= Wärme) erforderlich, ohne die eine Reaktion nicht starten würde. Die Aktivierung der Reaktion kann durch Zugabe von geeigneten Katalysatoren günstig beeinflusst werden. So kann sowohl die Starttemperatur abgesenkt als auch die Reaktionszeit verkürzt werden. Damit ist aber auch die Gefahr verbunden, dass sich im System eine zu große Wärme entwickelt. Deshalb müssen die Reaktionszeiten auf die Ansatzgröße abgestimmt werden. So wie es Katalysatoren gibt, stellt die Chemie auch Inhibitoren zur Verfügung, die die Reaktionszeit abbremsen können. Durch solche einfach zu dosierenden Topfzeitverlängerer kann ein eigentlich schnelles System auch für den Verguss in größeren Volumen eingesetzt werden.
 
Neben der Verwendung von Katalysatoren und Inhibitoren haben auch die oft in Gießsystemen eingesetzten Füllstoffe einen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit. In den allermeisten Fällen wirken Füllstoffe reaktionsverlangsamend. Die Reaktionspartner haben es schlicht schwerer, zueinander zu finden. Allerdings gibt es auch hier Ausnahmen. So wirkt eine Alkali angereicherte Oberfläche von Aluminiumhydroxid (ATH) beispielsweise bei der Verwendung in Polyurethansystemen katalytisch. Feuchte Füllstoffe führen zu unerwünschtem „Wachsen“ der Gießlinge, was an der Reaktion des Isocyanats mit dem Wasser unter Bildung von Kohlendioxid liegt. Schwermetallhaltige Farbpigmente unterbinden eine Vernetzung von additionsvernetzenden Silikonen gänzlich. Grundsätzlich ist vor der Verwendung von Füllstoffen die Eignung zu prüfen. In der Regel wird dies von den Lieferanten aber bereits getan.
1. Einführung
2. Kunststoffe und Chemie
3. Epoxidharze
4. Polyesterharze
5. Polyurethanharze
6. Silicone
7. Eigenschaften und Prüfung
8. Modellbauwerkstoffe
9. Rapid Prototyping
10. Klebstoffe
Allgemeines
Gefahrensymbole
Transportsymbole
R-Sätze
S-Sätze