Harztypen im Bootsbau

Die meisten Boote und Yachten sind aus glasfaserverstärktem Kunststoff – kurz GFK – gebaut, also aus Kunstharz. Welche Eigenschaften die verschiedenen Harztypen haben und wozu sie gebraucht werden

In seiner einfachsten Form ist ein Verbundwerkstoff eine Komposition aus mindestens zwei Materialkomponenten, deren geschickte Kombination einen neuen Werkstoff mit neuen mechanischen Eigenschaften ergibt. In der Bootsbaupraxis sind dies meistens ein umgebender Werkstoff (die sogenannte „Matrix“) – in unserem Falle die Laminierharze – und eine Verstärkung in Form einer Faser, die der Matrix mehr Festigkeit und Steifigkeit verleiht (die „Armierung“). Die Einbettung der Fasern in eine Harzmatrix erschließt die volle Bandbreite der mechanischen Eigenschaften. Das Harz leitet die anliegenden Kräfte in den Werkstoff ein und verteilt sie gleichmäßig auf benachbarte Fasern.

Die Auswahl des Harzes hat einen großen Einfluss auf die Langlebigkeit und auch auf den möglichen Verwendungszweck eines Bauteils. Zum Einsatz in Faserverbundwerkstoffen muss ein Harzsystem gute mechanische Eigenschaften, eine gute Haftung an den Fasern, eine gute Zähigkeit und eine gute Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen aufweisen.

Moderne Verbundfaserwerkstoffe und Sandwichkerne ermöglichen den Bau stabiler aber gleichzeitig leichter Schiffe Bild: CTM

Polyesterharze

Polyesterharz ist das bei weitem am meisten genutzte System bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen, insbesondere in der Yachtbau-Industrie. Es ist vergleichsweise preisgünstig, gut zu verarbeiten und verfügt über die geforderten Materialeigenschaften. Hunderttausende zum Teil Jahrzehnte alte Boote und Yachten weltweit sind ein nicht wegzudiskutierender Beweis dafür.

Man unterscheidet vor allem zwei gängige Systeme: Orthophtalische Polyester sind die einfachen, preiswerten Systeme. Kommt es auf gute mechanische Eigenschaften und vor allem gute Wasserfestigkeit an, finden isophthalische Polyesterharze – oft auch als Isophthalsäureharze bezeichnet – Verwendung.

Die meisten Polyesterharze bestehen aus einer Lösung von Polyestern in einem Monomer, das sind niedermolekulare, reaktionsfähige Moleküle, die sich zu unverzweigten oder verzweigten Polymeren zusammenschließen können. Bei Polyester ist dies meistens Styrol. Je mehr Styrol ein Harz enthält, desto flüssiger wird es und desto besser lässt es sich verarbeiten. Das Styrol sorgt für den typischen stechenden Geruch und ist auch der Reaktivverdünner für die Reaktion zu einem festen Produkt. Bei der Verarbeitung ist auf eine gute Belüftung und entsprechenden Atemschutz zu achten. Styrol ist vor allem für die Vernetzung der Polyestermoleküle untereinander zuständig, bei der keine flüchtigen Beiprodukte entstehen. Solche Harze können ohne weiteres unter Verzicht auf eine zusätzliche Verdichtung (etwa durch Pressen) im sogenannten Kontakt-Laminierverfahren verarbeitet werden.

Um nach der Verarbeitung zu einem Laminat auszuhärten, wird dem Polyesterharz unmittelbar vor Beginn des Herstellungsprozesses ein Härter hinzugefügt, der den Reaktionsprozess in Gang setzt. Viele Harze benötigen eine Mindesttemperatur, darum braucht es bei Raumtemperatur eine dritte Komponente, den Beschleuniger, der die Reaktion bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht. Heute sind Harze zumeist vorbeschleunigt, so dass die dritte Kompenente nicht extra beigemischt werden muss. Der dann stattfindende Vernetzungsprozess wird als Polymerisation bezeichnet und ist nicht reversibel. Die Vorbereitung der Systemkomponenten zum Mischen erfordert große Sorgfalt. Auch die korrekte Dosierung des Härters ist wichtig: Zuviel davon ergibt eine zu kurze Gelierzeit, zu wenig bedeutet eine nicht vollständige Durchhärtung des Systems.

Verschiedene Füllstoffe dienen zum Andicken des Harzes zum Beispiel für Verklebungen, Hohlkehlen Bild: CTM

Vinylesterharze

Die Molekularstruktur von Vinylesterharzen ist derjenigen von Polyester recht ähnlich, die Verarbeitung ist entsprechend. Auch hier ist Styrol das entsprechende Monomer. Allerdings ist die Anordnung der reaktiven Bereiche anders. Vinylester ist dadurch wesentlich zäher und widerstandsfähiger als Polyester. Auch weist Vinylester weniger der wasserempfindlichen Ester-Gruppen auf und ist deutlich beständiger gegen die Zersetzung durch Wasser (Hydrolyse).

Es findet im Yachtbau im Unterwasserbereich darum oft Anwendung als Sperrschicht auf Polyesterlaminaten zur Vorbeugung gegen die gefürchteten Osmoseschäden. Vinylester zeichnet sich im Vergleich zu Polyester auch durch eine deutlich bessere Schlagzähigkeit aus, die mit seiner enger vernetzten Molekularstruktur zusammenhängt. Moderne Vinylestersysteme besitzen eine sehr hohe Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Festigkeit und ihrer Beständigkeit.

Epoxidharze

Als Laminierharz für Boote und Yachten ist Epoxidharz nicht nur aufgrund seiner Wasserfestigkeit und seiner ausgezeichneten Klebeeigenschaften geradezu prädestiniert, beispielsweise zur Herstellung von Hochleistungsyachten und als Schutzschicht im Unterwasserbereich. Doch auch im Serienyachtbau werden Epoxidharze verwendet. Epoxidharze finden Verwendung als Kleber, Gießharze, Dichtungsmassen, Versiegelungen, Lacke und Farben und natürlich als Matrixsysteme bei der Herstellung unterschiedlichster Komponenten in Faserverbundbauweise. Epoxidharze verspröden jedoch schnell unter der Einwirkung von UV-Strahlen. Deswegen müssen Bauteile aus Epoxidharz immer vor dem Einfluss der Sonneneinstrahlung geschützt werden, zum Beispiel durch eine hochwertige Lackierung.

Das fertige Reaktionsgemisch reagiert – in Abhängigkeit des gewählten Harzsystems – bei Temperaturen von ca. 5°C bis 150°C und bildet einen harten, hochbelastbaren Kunststoff. Die Verarbeitung der Harz-Härter Mischung muss mit sehr großer Sorgfalt erfolgen. Teilweise sind Toleranzen von gerade einmal +/- 1 Prozent bei der Zugabe des Härters zulässig, um eine maximale Güte des Laminates zu gewährleisten. Zudem müssen die herstellerseitig empfohlenen Verarbeitungstemperaturen exakt eingehalten werden. Hautkontakt kann schwere Allergien auslösen und ist durch entsprechende Schutzkleidung zu vermeiden.

Einer der wichtigsten Vorteile der Epoxidharze ist deren geringe Schrumpfung während der Aushärtung, wodurch Spannungen im Laminat und der bekannte Relief-Effekt (Abbildung der Faserstruktur) an sichtbaren Oberflächen vermieden werden. Hinzu kommt die gute Klebkraft an unterschiedlichsten Materialien und die guten Materialeigenschaften in Sachen Festigkeit und Beständigkeit.

Der Begriff „Epoxid“ bezieht sich auf eine chemische Gruppe, in der ein Sauerstoffatom in unterschiedlicher Weise an zwei Kohlenstoffatome gebunden ist. Die Molekularstruktur der Epoxide ähnelt derjenigen der Vinylester; langkettige Moleküle mit jeweils einer offenen Bindung an jedem Ende, die allerdings anstelle von Estern aus Epoxid-Gruppen gebildet werden. Die Abwesenheit der Hydrolyse anfälligen Ester ist der Grund für die bessere Wasserbeständigkeit der Epoxidharze.

Im Gegensatz zu den katalytisch aushärtenden Polyesterharzen härten Epoxide durch einen additiven Härtungsprozess aus – die Polyaddition. Der Härter, oft ein Amin, bildet mit den Molekülen des Harzes eine feste Struktur, in der – vereinfacht beschrieben – immer jeweils zwei Epoxid-Moleküle an ihren reaktiven Enden durch das „Andocken“ eines Amines miteinander verbunden sind.

Fertig konfektionierte Reparaturkits erleichtern dem Selbstbauer die Durchführung kleinerer Reparaturen Bild: CTM

Osmose

Osmose nennt man den gerichteten Fluss molekularer Teilchen durch eine halbdurchlässige Membran mit der Neigung, die Konzentrationsunterschiede gelöster Teilchen auf beiden Seiten auszugleichen. In der Natur ist Osmose dafür verantwortlich, dass reife Kirschen oder Tomaten im Regen platzen können. Am Boot sorgt sie dafür, dass Wasser in das Laminat wandert. Alle genannten Harzsysteme lassen in einer maritimen Umgebung geringe Mengen Wasser durch ihr Molekulargefüge hindurch.

Osmoseschäden gehen meistens einher mit schlechter Verarbeitung und einem hohen Alter des Schiffes. Auslöser sind meistens Luftblasen im Laminat – etwa durch schlechte Entlüftung bei der Herstellung – oder im Gelcoat – an Ecken und Kanten mit geringem Radius. In diese Blasen diffundiert Wasser durch den Kunststoff ein. Durch die Hydrolyse des Polyesters wird das Laminat zerstört. Die entstehenden Zersetzungsprodukte sammeln sich in den Blasen im Kunststoff. Durch das Konzentrationsgefälle zwischen innen und außen entsteht der osmotische Druck, der dafür sorgt, dass immer mehr Wasser in die Blase gelangt. Daher wird sich eine solche Blase immer weiter mit Wasser füllen und weiter wachsen.

Hat die Osmose einmal begonnen, hilft nur noch das konsequente Entfernen der befallenen Bereiche bis zum gesunden Laminat. Zur sicheren Vermeidung von Osmose sollten im Außenhautbereich Harze verwendet werden, die wenig Wasser hindurchlassen und vor allem stabil gegen den chemischen Angriff der Wassermoleküle sind. Dafür eignen sich am besten Harze wie Epoxid oder Vinylester. Derartige Systeme sind auch unter Wasser stabil und verleihen dem Laminat zudem höchste Festigkeit. Nach einer Sanierung oder auch vorbeugend kann eine Hydrolysesperre mit den dafür vorgesehenen Anstrichen helfen, Osmose zu verhindern.

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