Polyester Harz - Polyester resin

Polyesterharze sind synthetische Harze, die durch die Reaktion von zweibasigen organischen Säuren und mehrwertigen Alkoholen gebildet werden . Maleinsäureanhydrid ist ein häufig verwendeter Rohstoff mit Disäure-Funktionalität in ungesättigten Polyesterharzen. Ungesättigte Polyesterharze werden in Sheet Molding Compounds , Bulk Molding Compounds und dem Toner von Laserdruckern verwendet . Wandplatten aus Polyesterharzen hergestellt mit verstärktem Fiberglas -so genannten glasfaserverstärktem Kunststoff (FRP) -sind typischerweise in Restaurants verwendet, Küchen, Toiletten und anderen Bereichen , die abwaschbar wartungsarme Wände erfordern. Sie werden auch häufig bei vor Ort ausgehärteten Rohranwendungen verwendet . Auch die US-Verkehrsministerium spezifizieren sie für den Einsatz als Overlays auf Straßen und Brücken. In dieser Anwendung werden sie als PCO-Polyester-Beton-Overlays bezeichnet. Diese basieren in der Regel auf Isophthalsäure und werden mit Styrol in hohen Anteilen geschnitten – in der Regel bis zu 50 %. Polyester werden auch in der verwendeten Ankerbolzen Klebstoffe obwohl epoxy basierenden Materialien werden ebenfalls verwendet. Viele Unternehmen haben und führen styrolfreie Systeme hauptsächlich aufgrund von Geruchsproblemen ein, aber auch wegen Bedenken, dass Styrol ein potenzielles Karzinogen ist. Die meisten Polyesterharze sind viskose, blass gefärbte Flüssigkeiten, die aus einer Lösung eines Polyesters in einem reaktiven Verdünnungsmittel bestehen, das normalerweise Styrol ist, aber auch Vinyltoluol und verschiedene Acrylate enthalten kann.

Ungesättigtes Polyester

Ungesättigte Polyester sind Kondensationspolymere, die durch die Reaktion von Polyolen (auch als mehrwertige Alkohole bekannt ), organischen Verbindungen mit mehreren Alkohol- oder Hydroxygruppen, mit ungesättigten und in einigen Fällen gesättigten zweibasigen Säuren gebildet werden. Typische verwendete Polyole sind Glykole einschließlich Ethylenglykol , Propylenglykol und Diethylenglykol ; typische verwendete Säuren sind Phthalsäure , Isophthalsäure , Terephthalsäure und Maleinsäureanhydrid . Wasser, ein Kondensationsnebenprodukt von Veresterungsreaktionen , wird kontinuierlich durch Destillation entfernt, wodurch die Reaktion nach dem Prinzip von Le Chatlier zum Abschluss gebracht wird . Ungesättigte Polyester werden im Allgemeinen als Harzlösung in einem reaktiven Verdünnungsmittel an Teilehersteller verkauft; Styrol ist das gebräuchlichste Verdünnungsmittel und der Industriestandard. Das Verdünnungsmittel ermöglicht die Kontrolle über die Viskosität des Harzes und ist auch an der Härtungsreaktion beteiligt. Das zunächst flüssige Harz wird durch Vernetzung von Ketten in einen Feststoff umgewandelt . Dies geschieht durch die Bildung von freien Radikalen an ungesättigten Bindungen, die sich in einer Kettenreaktion zu anderen ungesättigten Bindungen in benachbarten Molekülen ausbreiten und sie dabei verbinden. Ungesättigtheit liegt im Allgemeinen in Form von Maleat- und Fumarat-Spezies entlang der Polymerkette vor. Maleat/Fumarat polymerisiert im Allgemeinen nicht über Radikalreaktionen, reagiert jedoch leicht mit Styrol. Maleinsäureanhydrid und Styrol bilden bekanntlich alternierende Copolymere und sind tatsächlich der Lehrbuchfall dieses Phänomens. Dies ist ein Grund dafür, dass Styrol als Industriestandard-Reaktionsverdünner für ungesättigte Polyesterharze so schwer auf dem Markt zu verdrängen ist, trotz zunehmender Bemühungen, das Material zu verdrängen, wie etwa der kalifornischen Proposition 65 . Die anfänglichen freien Radikale werden durch Zugabe einer Verbindung induziert, die sich leicht in freie Radikale zersetzt. Diese Verbindung ist in der Industrie als Katalysator bekannt, aber Initiator ist ein passenderer Begriff. Übergangsmetallsalze werden üblicherweise als Katalysator für die Kettenwachstums-Vernetzungsreaktion zugesetzt, und in der Industrie wird diese Art von Additiv als Promotor bezeichnet; Es wird allgemein davon ausgegangen, dass der Promotor die Bindungsdissoziationsenergie des Radikalinitiators senkt. Kobaltsalze sind die am häufigsten verwendeten Promotoren. Häufig verwendete Radikalstarter sind organische Peroxide wie Benzoylperoxid oder Methylethylketonperoxid .

Polyesterharze sind wärmehärtend und härten wie andere Harze exotherm aus. Die Verwendung von überschüssigem Initiator, insbesondere bei Anwesenheit eines Katalysators, kann daher während des Härtungsprozesses zu Verkohlung oder sogar Entzündung führen. Überschüssiger Katalysator kann auch dazu führen, dass das Produkt bricht oder ein gummiartiges Material bildet.

Ungesättigte Polyester (UPR) werden in vielen verschiedenen industriell relevanten Märkten eingesetzt, werden aber im Allgemeinen als Matrixmaterial für verschiedene Arten von Verbundwerkstoffen verwendet . Glasfaserverstärkte Komposite umfassen das größte Segment in dem UPH verwendet werden und kann über verarbeitet werden SMC , BMC , Pultrusion , ausgehärtete-in-place pipe (bekannt als Unterfütterungs in Europa), Filamentwicklung , Vakuumformen , Spray-up - Formen , Resin Transfer Moulding (RTM) sowie viele weitere Verfahren. UPR wird auch in nicht verstärkten Anwendungen mit gemeinsamen Beispiele sind verwendet Gelcoats , Hemdknöpfe, mine-Bolzen , Kegelkugelkerne , Polymerbeton und Kunststein / Kunstmarmors .

Chemie

Mechanismus der DMAA-katalysierten Isomerisierung von Maleat zu Fumarat
Beispiel für ein DCPD-Harz
Beispiel für ein Nadic

In der organischen Chemie wird ein Ester als Kondensationsprodukt einer Carbonsäure und eines Alkohols gebildet , wobei Wasser als Kondensatnebenprodukt gebildet wird. Ein Ester kann auch mit einem Acylhalogenid und einem Alkohol hergestellt werden, wobei in diesem Fall das Kondensatnebenprodukt ein Halogenwasserstoff ist .

Polyester sind eine Kategorie von Polymeren, in denen sich die Esterfunktionalität innerhalb der Hauptkette wiederholt. Polyester sind ein klassisches Beispiel für Stufenwachstumspolymere , bei denen eine difunktionelle (oder höherwertige) Säure oder ein Acylhalogenid mit einem difunktionellen (oder höherwertigen) Alkohol umgesetzt wird. Polyester werden kommerziell sowohl als gesättigte als auch als ungesättigte Harze hergestellt. Das am häufigsten und am häufigsten produzierte Polyester ist Polyethylenterephthalat (PET) , das ein Beispiel für einen gesättigten Polyester ist und in Anwendungen wie Fasern für Kleidung und Teppiche, Lebensmittel- und Flüssigkeitsbehälter (wie Wasser-/Sodaflaschen) Verwendung findet. sowie Filme.

In der Chemie der ungesättigten Polyester (UPR) sind ungesättigte Stellen entlang der Kette vorhanden, normalerweise durch Einbau von Maleinsäureanhydrid, aber auch Maleinsäure und Fumarsäure werden verwendet. Maleinsäure und Fumarsäure sind Isomere, wobei Maleinsäure das cis-Isomer und Fumarsäure das trans-Isomer ist. Die Esterformen dieser beiden Moleküle sind Maleat bzw. Fumarat. Bei der Härtung eines UPR reagiert die Fumaratform bekanntlich schneller mit dem Styrolradikal, so dass häufig Isomerisierungskatalysatoren wie N,N-Dimethylacetoacetamid (DMAA) im Syntheseprozess verwendet werden, der die Maleate in Fumarate umwandelt; die Isomerisierung kann auch mit erhöhter Reaktionszeit und Temperatur gefördert werden. In der UPR-Industrie basiert die Klassifizierung der Harze im Allgemeinen auf der primären gesättigten Säure. Beispielsweise ist ein Harz, das hauptsächlich Terephthalsäure enthält, als Tere-Harz bekannt, ein Harz, das hauptsächlich Phthalsäureanhydrid enthält, ist als Ortho-Harz bekannt, und ein Harz, das hauptsächlich Isophthalsäure enthält, ist als Iso-Harz bekannt. Dicyclopentadien (DCPD) ist ebenfalls ein üblicher UPR-Rohstoff und kann auf zwei verschiedene Arten eingearbeitet werden. In einem Verfahren wird das DCPD in situ gecrackt, um Cyclopentadien zu bilden, das dann über eine Diels-Erle-Reaktion mit Maleat/Fumarat-Gruppen entlang der Polymerkette umgesetzt werden kann . Diese Art von Harz ist als Nadic-Harz bekannt und wird als Ortho des armen Mannes bezeichnet, da viele ähnliche Eigenschaften eines Ortho-Harzes zusammen mit den extrem niedrigen Kosten des DCPD-Rohmaterials geteilt werden. In einem anderen Verfahren wird Maleinsäureanhydrid zuerst mit Wasser oder einem anderen Alkohol geöffnet, um Maleinsäure zu bilden, und wird dann mit DCPD umgesetzt, wobei ein Alkohol aus der Maleinsäure über eine der Doppelbindungen des DCPD reagiert. Dieses Produkt wird dann verwendet, um das UPR-Harz mit Endkappen zu versehen, was ein Produkt mit Ungesättigtheit an den Endgruppen ergibt. Diese Art von Harz wird als DCPD-Harz bezeichnet.

Ortho-Harze sind die gebräuchlichste Art von UPR, und viele sind als Allzweckharze bekannt. FRP-Verbundwerkstoffe, die Orthoharze verwenden, werden in solchen Anwendungen wie Bootsrümpfen, Badeartikeln und Bowlingkugelkernen gefunden.

Iso-Harze sind im Allgemeinen am oberen Ende von UPR-Produkten, sowohl wegen der relativ höheren Kosten der Isophthalsäure als auch wegen der überlegenen Eigenschaften, die sie besitzen. Iso-Harze sind der primäre Harztyp, der bei Gelcoat-Anwendungen verwendet wird, die einer Farbe ähnlich sind, jedoch in eine Form gesprüht werden, bevor das FRP geformt wird und eine Beschichtung auf dem Teil zurückbleibt. Gelcoat-Harze müssen eine niedrigere Farbe (fast klar) haben, um dem Teil keine zusätzliche Farbe zu verleihen oder damit sie richtig gefärbt werden können. Gelcoats müssen außerdem eine hohe Beständigkeit gegen UV-Bewitterung und Wasserblasenbildung aufweisen.

Tere-Harze werden oft verwendet, wenn ein hoher Modul und eine hohe Festigkeit erwünscht sind, die geringen Farbeigenschaften eines Iso-Harzes jedoch nicht erforderlich sind. Terephthalsäure ist im Allgemeinen kostengünstiger als Isophthalsäure, aber beide verleihen einem UPR-Produkt ähnliche Festigkeitseigenschaften. Es gibt eine spezielle Untergruppe von Tere-Harzen, bekannt als PET-UPR-Harze, die durch katalytisches Cracken von PET-Harz im Reaktor hergestellt werden, um eine Mischung aus Terephthalsäure und Ethylenglykol zu ergeben. Zusammen mit Maleinsäureanhydrid werden dann weitere Säuren und Glykole zugegeben und ein neues Polymer entsteht. Das Endprodukt ist funktionell das gleiche wie ein Tere-Harz, kann jedoch oft kostengünstiger hergestellt werden, da Alt-PET billig beschafft werden kann. Wenn ein glykolmodifiziertes PET (PET-G) verwendet wird, können dem Harz aufgrund einiger der exotischen Materialien, die bei der PET-G-Produktion verwendet werden, außergewöhnliche Eigenschaften verliehen werden. Tere- und PET-UPR-Harze werden in vielen Anwendungen verwendet, einschließlich vor Ort ausgehärteter Rohre.

Biologischer Abbau

Es wurde gezeigt, dass Flechten Polyesterharze zersetzen, wie in archäologischen Stätten in der römischen Stadt Baelo Claudia Spanien zu sehen ist.

Vorteile

Polyesterharz bietet folgende Vorteile:

  1. Ausreichende Beständigkeit gegen Wasser und eine Vielzahl von Chemikalien.
  2. Ausreichende Witterungs- und Alterungsbeständigkeit.
  3. Kostengünstig.
  4. Polyester halten einer Temperatur von bis zu 80 °C stand.
  5. Polyester haben eine gute Benetzung gegenüber Glasfasern.
  6. Relativ geringe Schrumpfung zwischen 4–8% während der Aushärtung.
  7. Die lineare Wärmeausdehnung reicht von 100–200 x 10 −6 K −1 .

Nachteile

Polyesterharz hat folgende Nachteile:

  1. Starker Styrolgeruch
  2. Schwieriger zu mischen als andere Harze, wie z. B. ein Zweikomponenten-Epoxid
  3. Die giftige Natur seiner Dämpfe und insbesondere seines Katalysators MEKP stellen ein Sicherheitsrisiko dar, wenn kein angemessener Schutz verwendet wird
  4. Nicht geeignet zum Verkleben vieler Untergründe
  5. Die fertige Aushärtung ist höchstwahrscheinlich schwächer als eine gleiche Menge eines Epoxidharzes

Siehe auch

Verweise