Polyesterharsen: Essentiële gids voor composiettoepassingen

Opmerking redacteur: Deze content was oorspronkelijk gepubliceerd op NetComposites.com. NetComposites werd overgenomen door CompositesWorld's moedermaatschappij, Gardner Business Media, in februari 2020.

Polyesterharsen zijn de meest gebruikte harsystemen, met name in de maritieme industrie. Bei bei de meerderheid van dingen, jachten en werkboten die in composieten gebouwd worden, maken gebruik van dit harsysteem.

Polyesterharsen zoals deze zijn van het "ongezouten" type. Ongezouten polyesterhars is een thermohard, in staat om te verharden van een vloeibare of vaste toestand wanneer blootgesteld aan de juiste omstandigheden. Het is gebruikelijk om onverzadigde polyesterharsen te noemen "polyesterharsen," of simpelweg "polyesters." Er is een heel reeks polyesters gemaakt van verschillende zuren, glycolen en monomeren, allemaal met variërende eigenschappen.

Er zijn twee principiële typen polyesterhars gebruikt als standaard lamineringssystemen in de composietenindustrie. Orthoftale polyesterhars is de standaard economische hars die door veel mensen gebruikt wordt. Isoftale polyesterhars wordt nu het bevorzugde materiaal in industrieën zoals maritiem, waar de superieure waterweerstand gewenst is.

De onderstaande figuur toont de geïdealiseerde chemische structuur van een typische polyester. Let op de posities van de estergroepen (CO – O – C) en de reactieve plaatsen (C* = C*) binnen de moleculaire keten:

Meeste polyesterharsen zijn vloeibare, bleekgekleurde vloeistoffen bestaande uit een oplossing van een polyester in een monomeer dat meestal styreen is. De toevoeging van styreen in hoeveelheden tot 50% helpt de hars gemakkelijker te hanteren door de viscositeit te verlagen. Het styreen voert ook de vitale functie uit om de hars te laten verharden van een vloeibare naar een vaste stof door "cross-linking" de moleculaire ketens van de polyester, zonder de evolutie van enige bijproducten. Deze harsen kunnen dus gevormd worden zonder het gebruik van druk en worden "contact" of "lage-druk" harsen genoemd. Polyesterharsen hebben een beperkte opslaglevensduur omdat ze na lange tijd van zelf zullen instellen of "gelen." Vaak worden kleine hoeveelheden inhibitor toegevoegd tijdens de harsproductie om deze gel-actie te vertragen.

Voor gebruik in vormgeving, vereist een polyesterhars de toevoeging van diverse hulpproducten. Deze producten zijn doorgaans:

• een katalysator,
• een versneller, of
• additieven voor thixotrope eigenschappen, pigment, vuller of chemische/brandweerstand.

Een fabrikant kan de hars leveren in zijn basisvorm of met een van de bovenstaande additieven al inbegrepen. Harsen kunnen geformuleerd worden naar de vormgevers eisen klaar voor simpele toevoeging van de katalysator voor de vormgeving. Zoals vermeld, gegeven voldoende tijd zal een onverzadigde polyesterhars zichzelf instellen. Deze polymerisatiesnelheid is te langzaam voor praktische doeleinden en daarom worden katalysatoren en versnellers gebruikt om de polymerisatie van de hars binnen een praktische tijdperk te bereiken. Katalysatoren worden aan het harsysteem toegevoegd vlak voor gebruik om de polymerisatiereactie te initiëren. De katalysator neemt niet deel aan de chemische reactie maar activeert simpelweg het proces. Een versneller wordt aan de gekatalyseerde hars toegevoegd om de reactie te laten verlopen bij werkplaatstemperatuur en/of met een grotere snelheid. Aangezien versnellers weinig invloed hebben op de hars in de afwezigheid van een katalysator, worden ze soms door de polyesterfabrikant aan de hars toegevoegd om een "pre-versnelde" hars te creëren.

De moleculaire ketens van de polyester kunnen als volgt voorgesteld worden, waar "B" de reactieve plaatsen in het molecuul aangeeft:

Met de toevoeging van styreen "S," en in de aanwezigheid van een katalysator, cross-linkt het styreen de polymere ketens op elk van de reactieve plaatsen om een hoogst complexe driedimensionale netwerk te vormen als volgt:

De polyesterhars wordt dan gezegd "gehard" te zijn. Het is nu een chemisch bestendige (en meestal) harde vaste stof. Het cross-linking of verhardingsproces heet "polymerisatie." Het is een niet-omkeerbare chemische reactie. De "zij-aan-zij" aard van dit cross-linking van de moleculaire ketens neigt ertoe te betekenen dat polyesterlaminaten lijden aan broosheid wanneer schokbelasting toegepast wordt.

Grote zorg is nodig in de voorbereiding van de harsmengsel voor de vormgeving. De hars en eventuele additieven moeten zorgvuldig geroerd worden om alle componenten gelijkmatig te disperseren voordat de katalysator toegevoegd wordt. Dit roeren moet grondig en voorzichtig zijn aangezien elke lucht die in het harsmengsel geïntroduceerd wordt de kwaliteit van de eindvorming beïnvloedt. Dit is met name zo bij lamineren met lagen van versterkingsmaterialen want luchtbellen kunnen gevormd worden binnen het resulterende laminaat wat de structuur kan verzwakken. Het is ook belangrijk om de versneller en katalysator in zorgvuldig gemeten hoeveelheden toe te voegen om de polymerisatiereactie te controleren om de beste materiaaleigenschappen te geven. Te veel katalysator zal te snelle gelatietijd veroorzaken, terwijl te weinig katalysator zal resulteren in onder-verharding.

Kleurgeving van het harsmengsel kan uitgevoerd worden met pigmenten. De keuze van een geschikt pigmentmateriaal, zelfs als het maar bij ongeveer 3% harsgewicht toegevoegd wordt, moet zorgvuldig overwogen worden aangezien het gemakkelijk is de verhardingsreactie te beïnvloeden en de eindlaminaat te degraderen door gebruik van ongeschikte pigmenten.

Vulmaterialen worden uitgebreid gebruikt met polyesterharsen voor een verscheidenheid aan redenen inclusief:

• om de kosten van de vormgeving te verlagen,
• om het vormgevingsproces te faciliteren, of
• om specifieke eigenschappen aan de vormgeving te geven.

Vullers worden vaak in hoeveelheden tot 50% van het harsgewicht toegevoegd, hoewel dergelijke toevoegingsniveaus de buig- en trekkingsterkte van het laminaat zullen beïnvloeden. Het gebruik van vullers kan nuttig zijn in het lamineren of gieten van dikke componenten waar anders aanzienlijke exothermische verhitting kan optreden. Toevoeging van bepaalde vullers kan ook bijdragen aan het verhogen van de brandweerstand van het laminaat.

Voor het laatste over poly/vinylester harsen, bezoek compositesworld.com/zones/poly-vinyl-esters.