Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein epoxidfreies
härtbares
Reaktionsharzsystem bereitzustellen, das eine hohe thermische und
mechanische Beständigkeit
aufweist und dennoch gut zu verarbeiten ist.
Vorteile der
Erfindung
Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die Bereitstellung eines Reaktionsharzsystems mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das Reaktionsharzsystem ist als Ein- oder Zweikomponentensystem
einsetzbar und enthält
als Füllstoff
Nanopartikel. Durch die Verwendung von Nanopartikeln als Füllstoff
können
Reaktionsharzsysteme realisiert werden, die einen Füllstoffanteil
von bis zu 90 Gew.% aufweisen und dennoch gieß- bzw. imprägnierfähig sind.
Auf diese Weise wird ein thermisch und mechanisch hoch belastbares
System geschaffen. Das Reaktionsharzsystem zeichnet sich im ausgehärteten Zustand
durch eine höhere
Bruchdehnung, einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
sowie eine hohe Abriebfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit aus.
Mit
den in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Reaktionsharzsystems möglich.
So
ist es von Vorteil, wenn das Reaktionsharzsystem als Einkomponentensystem
ausgeführt ist,
da dies eine vereinfachte Verarbeitung derselben im Produktionsprozess
ermöglicht.
Weiterhin weist das Reaktionsharzsystem vorzugsweise als Füllstoff Quarzgut-
oder Quarzmehlpartikel auf, die zu einer besonders ausgeprägten thermischen
Stabilität
sowie zu einem kleinen Ausdehnungskoeffzienten bzw. zu einer geringen
Dielektrizitätskonstante
führen.
Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung oberflächenmodifizierter
Nanopartikel.
Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht
darin, dass der Füllstoff
Partikel zweier unterschiedlicher Korngrößenverteilungen aufweist, wobei eine
Korngrößenverteilung
im Nanometerbereich liegt. Darüber
hinaus ist es von Vorteil, wenn das Reaktionsharzsystem im Harz
dispergierte Polymerpartikel in Form von Silikonelastomerpartikel
oder Elastomerpartikel eines Polyesters enthalten.
In
einer besonders vorteilhaften Ausführung weist das Reaktionsharzsystem
in der Harzkomponente dispergierte Elastomerpartikel mit einem Teilchendurchmesser
von 10 nm bis 100 μm
auf. Der Zusatz von Elastomerpartikeln als sogenannte Modifier bewirkt,
dass das Reaktionsharzsystem aufgrund seines hohen Vernetzungsgrades
spröde
wird.
Ausführungsbeispiele
Ein
Reaktionsharzsystem gemäß der vorliegenden
Erfindung weist drei Grundkomponenten auf, nämlich eine Harzkomponente A,
einen Füllstoff
B und Polymerpartikel C auf, die in der Harzkomponente A dispergiert
sind. Darüber
hinaus sind weitere Komponenten vorgesehen, wie beispielsweise ein oder
mehrere Entschäumer,
Sedimentationshemmer oder Haftvermittler.
Allgemein
ist zu beachten, dass das Reaktionsharzsystem vor und während der
Verarbeitung ein stabiles System bilden muss, um eine Entmischung
der Komponenten zu verhindern. So sollten die Füllstoffpartikel B bzw. Polymerpartikel
C stabile Dispersionen mit der Harzkomponente A bilden und, sofern
mehrere Harzkomponenten A vorliegen, die Harzkomponenten A stabile
Lösungen
oder Emulsionen untereinander. Diese Stabilität muss sowohl während der
Verarbeitung als auch bei der Aushärtung des Reaktionsharzsystems
gewährleistet
sein.
Als
Harzkomponente A kann grundsätzlich eine
Vielzahl monomerer, vernetzbarer Verbindungen oder Mischungen derartiger
Verbindungen verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung
von Verbindungen, die Polymere mit Amid- oder Imid-Funktionalitäten in der
Polymerhauptkette bilden, wie beispielsweise Polyamide, Polyamide,
Polyamidimide, Harnstoffharze, Melaminharze, Cyanatester und/oder Polyurethane.
Unter Cyanatester werden Polykondensate aus organischen Dicyanaten
mit ein- oder mehrwertigen Alkoholen verstanden.
Weiterhin
sind als Harzkomponente A Verbindungen geeignet, die Polymere mit
Carbonsäureesterfunktionalitäten in der
Polymerhauptkette bilden, wie beispielsweise Alkydharze, Acrylate,
Polyester oder Polyesterimide. Darüber hinaus sind auch Phenol- oder Silikonharze,
Cellulosederrivate oder Vinyl- sowie Formaldehydharze geeignet.
Unter den Phenolharzen sind dabei insbesondere Novolake und Resole
geeignet. Die Harzkomponente A kann eine oder mehrere der genannten
Verbindungen umfassen sowie weitere Harzkomponenten. Die Harzkomponente
A ist im Reaktionsharzsystem zu 5 bis 95 Gew.%, vorzugsweise zu
10 bis 60 Gew.%, insbesondere zu 12 bis 28 Gew.% enthalten.
Die
Reaktionsharzsystem enthält
weiterhin einen Füllstoff
B, durch dessen geeignete Wahl ein Schwund des Reaktionsharzsystems
im ausgehärteten
Zustand verringert werden kann und durch den sich die thermische
Stabilität,
Wärmeleitfähigkeit, Oberflächenhärte bzw.
Rissfestigkeit des Reaktionsharzsystems im ausgehärteten Zustand
erhöht.
Der Füllstoff
B enthält
Nanopartikel, wobei unter Nanopartikel eine Teilchenfraktion zu
verstehen ist, deren mittlere Korngrößenverteilung d50 sich
im Nanometerbereich bewegt. Als Füllstoffmaterialien eignen sich
beispielsweise Quarz, Aluminiumoxid, Kreide, Siliziumcarbid, Bornitrid,
Ruß oder
Talkum. Vorzugsweise weist der Füllstoff
B Partikel aus Quarzmehl bzw. Quarzgut oder Mischungen derselben
auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Füllstoff
B Partikel zweier unterschiedlicher Korngrößenverteilungen d50 auf.
Dabei ist ein erster Teil der Füllstoffpartikel
durch eine Korngrößenverteilung im
Nanometerbereich charakterisiert und ein zweiter Teil der Füllstoffpartikel
durch eine Korngrößenverteilung
d50 vorzugsweise im Mikrometerbereich. Alternativ
kann der Füllstoff
B zusätzlich
Fasern, beispielsweise aus Glas oder Kohlenstoff enthalten. Dies
ermöglicht
den Einsatz des Reaktionsharzsystems bei der Herstellung von Sportgeräten oder
Leiterplatten.
Durch
die Verwendung von Nanopartikeln ist es möglich, den Gesamtanteil an
Füllstoff
B innerhalb des Reaktionsharzsystems bis auf 90 Gew.% zu erhöhen, wobei
das Reaktionsharzsystem dennoch während des Verarbeitungs- bzw.
Aushärtungsvorganges
ausreichend fließfähig bleibt.
Der gesamte Füllstoffanteil
im Reaktionsharzsystem kann somit 2 bis 90 Gew.%, vorzugsweise 2
bis 70 Gew.% betragen, insbesondere 2 bis 25 Gew.%.
Als
besonders geeignet hat sich die Verwendung silanisierter Füllstoffpartikel
erwiesen, da durch eine Oberflächenmodifizierung
der Füllstoffpartikel eine
verbesserte Anbindung des Füllstoffs
B an die Harzmatrix A des Reaktionsharzsystems gewährleistet
ist. Um den Silanisierungsgrad des Füllstoffs B einstellen zu können, wird
der Füllstoff
entweder vorab mit einem Silanisierungsmittel behandelt und der vorsilanisierte
Füllstoff
dem Reaktionsharzsystem zugemischt; oder das Silanisierungsmittel
wird dem Reaktionsharzsystem zugesetzt und die eigentliche Silanisierungsreaktion
läuft im
Reaktionsharzsystem ab. Alternativ kann der Füllstoff B auch eine chemisch
modifizierte Oberfläche
in Form einer Polymerschicht beispielsweise aus PE oder PP aufweisen.
Als
dritte Komponente C enthält
das Reaktionsharzsystem darüber
hinaus in der Harzkomponente A dispergierte Polymerpartikel. Dabei
handelt es sich insbesondere um Elastomerpartikel, wobei polysiloxanhaltige
Elastomerpartikel bzw. Siliconpartikel, Elastomerpartikel aus einem
Polyester oder Elastomerpartikel aus einem Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat
(ABS) bevorzugt sind. Die Komponente C stellt vorzugsweise eine
Dispersion von Elastomerpartikeln in der Harzkomponente A dar. Die Elastomerpartikel
weisen vorzugsweise einen Teilchendurchmesser von 10 nm bis 100 μm auf.
Die
Silikonpartikel können
grundsätzlich ebenfalls
eine chemisch modifizierte Oberfläche in Form einer Polymerschicht
beispielsweise aus PMMA aufweisen.
Das
Reaktionsharzsystem enthält
bis zu 25 Gew.% an Polymerpartikeln C, bevorzugt sind bis zu 10
Gew.%.
Um
zu gewährleisten,
dass die Reaktionsharzsystem als Einkomponentensystem verarbeitbar ist,
ist als vierte Komponente beispielsweise ein Initiator D vorgesehen,
der eine ausreichend rasche Reaktion bei höherer Temperatur ermöglicht.
Derartige Initiatoren sind beispielsweise kationischer Art wie Iodonium-,
Bor-Iodonium- oder Chinoliniumverbindungen. Weiterhin sind Peroxide,
Verbindungen mit labilen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, Octoate® (ein
Kautschuk-Aktivator auf der Basis von Zinkdiethylhexoat) oder organometallische
Verbindungen auf der Basis von Zirkonium, Blei, Cobalt, Mangan oder Chrom
sowie Ethyhexanoat geeignet.
Der
Initiator kann darüber
hinaus einen Cokatalysator enthalten, der vor allem der Senkung
der Starttemperatur der Reaktion dient. Dieser kann ein Radikalbildner
wie beispielsweise Benzopinakol sein. Die Wahl des Initiators bestimmt
im wesentlichen den Reaktionsverlauf der Aushärtung. Die Kombination eines
kationischen Vernetzers mit einem Cokatalysator führt zu einem
geeigneten Reaktionsgeschwindigkeitsprofil, das durch eine eng einzugrenzende
optimale Reaktionstemperatur gekennzeichnet ist, bei der die Reaktion
zügig fortschreitet,
ohne dass bereits bei tieferen Temperaturen wie beispielsweise Raumtemperatur
eine schleppende Reaktion einsetzt. Dies ist darüber hinaus eine Voraussetzung
für die
Lagerfähigkeit
des Einkomponentensystems bei Raumtemperatur.
Eine
weitere Möglichkeit
besteht in der Ausbildung des Reaktionsharzsystems als Zweikomponentensystem.
Dabei besteht eine erste Komponente aus dem Initiator in Mischung
mit der Harzkomponente A und gegebenenfalls dem mineralischen Füllstoff (B)
und/oder den in der Harzkomponente (A) dispergierten Polymerpartikeln
(C) und die zweite Komponente aus einem Cokatalysator in Mischung
mit der Harzkomponente A und gegebenenfalls dem mineralischen Füllstoff
(B) und/oder den in der Harzkomponente (A) dispergierten Polymerpartikeln
(C).
Das
vorliegende Reaktionsharzsystem kann beispielsweise als Imprägnierharz,
Lack oder als Vergussmasse eingesetzt werden. Die Verarbeitung erfolgt
meist bei höherer
Temperatur. Das Reaktionsharzsystem weist bei entsprechender Erwärmung eine
so geringe Viskosität
und eine so hohe Kapillarwirkung auf, dass auch ungünstige Geometrien
wie Gießspalte
mit einem Durchmesser von < 300 μm beim Verguss
ausgegossen werden können.
Dies ermöglicht
gleichzeitig sehr kurze Taktzeiten. Das Reaktionsharzsystem wird
bei Temperaturen zwischen 15 bis 280°C vernetzt.
Bei
Verarbeitung als Imprägnierharz,
beispielsweise zur Imprägnierung
elektrischer Wicklungen, wird das Reaktionsharzsystem vorzugsweise mit
einem Lösungsmittel,
beispielsweise mit Styrol verdünnt,
die zu imprägnierende
Wicklung in Rotation versetzt und entweder in das flüssige Imprägnierharz
eingetaucht oder es wird das flüssige
Imprägnierharz
auf die rotierende Wicklung aufgetropft. Die Aushärtung der imprägnierten
Wicklung erfolgt beispielsweise thermisch oder über eine UV-unterstützte Vernetzung.
Bei
der Verarbeitung des Reaktionsharzes als Lack werden dem Reaktionsharzsystem
Lösungsmittel
zugegeben. Dabei kann es sich um übliche Lacklösungsmittel
wie Toluol, Xylol etc. handeln.
Das
Reaktionsharzsystem eignet sich in Abhängigkeit von seiner Polymerbasis
im ausgehärteten
Zustand auch für
Bauteile, die zumindest zeitweise Temperaturen bis zu 300°C ausgesetzt
sind, beispielsweise für
Drahtlacke.
So
kann das erfindungsgemäße Reaktionsharzsystem
vorzugsweise zum Verguss von elektrischen oder elektronischen Bauteilen
wie beispielsweise Dioden oder Zündspulen
zum Einsatz kommen. Weiterhin können
elektrische Wicklungen mit dem Reaktionsharzsystem imprägniert oder
Leiterdrähte
lackiert werden, sowie Leiterplatten und andere Laminate wie beispielsweise
auch Sportgeräte hergestellt
werden.