M2 Herstellung durch Harzaushärtung (Vernetzungskinetik)

Thema

Bei der Verarbeitung dieses Laminats durchläuft das Duroplastharz der Matrix eine Vernetzungsreaktion. Dieses Modell beschreibt die Kinetik dieser Reaktion mithilfe eines autokatalytischen kinetischen Modells nach Kamal-Sourour: Im Gegensatz zu einer Reaktion, deren Geschwindigkeit nur mit dem Verbrauch des Reaktanten abnimmt, katalysieren bei einer autokatalytischen Reaktion die Vernetzungsprodukte selbst die Reaktion und sorgen so für deren Fortsetzung. Da diese Produkte die Reaktion katalysieren, steigt die Vernetzungsgeschwindigkeit zunächst mit fortschreitender Reaktion an, bevor sie wieder abfällt, sobald der Reaktant verbraucht ist.

Die kinetischen Konstanten, die diese Vernetzungsreaktion bestimmen, hängen wiederum von der Aushärtungstemperatur ab, gemäß einer Arrhenius-Gleichung: Höhere Aushärtungstemperaturen führen zu höheren kinetischen Konstanten und einer schnelleren Vernetzungsreaktion; niedrigere Aushärtungstemperaturen führen zu niedrigeren kinetischen Konstanten und einer langsameren Vernetzungsreaktion.

Der Verlauf der Vernetzungsreaktion, unabhängig von ihrer Geschwindigkeit, führt gemäß dem Castro-Macosko-Modell zu einer Erhöhung der Harzviskosität: Mit fortschreitender Vernetzung verbinden sich die Polymerketten zu immer größeren Molekülnetzwerken, und je größer diese Netzwerke sind, desto viskoser wird das Harz. Schreitet die Vernetzung ausreichend fort, steigt die Viskosität gemäß demselben Castro-Macosko-Modell immer stärker an, bis der Gelpunkt erreicht ist.

Am Gelpunkt umschließt das durch die Vernetzung gebildete Molekülnetzwerk erstmals das gesamte Volumen des Harzes, wodurch dieses aufhört, flüssig zu fließen: Der Gelpunkt markiert präzise den Übergang der Matrix vom flüssigen zum festen Zustand. Setzt sich die Vernetzung über diesen Gelpunkt hinaus fort, härtet die nun feste Matrix weiter aus, verhält sich aber nie wieder wie eine Flüssigkeit.

Dieses Modell, mit der es initiierten Vernetzungsreaktion, legt daher die Prozessbedingungen für zwei weitere Modelle fest: das Modell, das die klassische Laminattheorie beschreibt, und das Modell, das die effektiven elastischen Eigenschaften jeder Schicht beschreibt. Da dieses Modell den Zeitpunkt des Gelpunktüberschreitens und des Abschlusses der Vernetzung der Matrix bestimmt, können die beiden anderen Modelle als Ausgangspunkt annehmen, dass die Matrix bereits die endgültigen Eigenschaften erreicht hat, die sie erst nach der Beschreibung des Zustandekommens dieser Eigenschaften durch dieses Modell annimmt.

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