Verarbeitung von Polyurethan-Gießharzen Aus einem Guss

Um elektronische Baugruppen vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit oder mechanischer Beschädigung zu schützen, werden diese oft vergossen. Damit bei Prototypen in der Entwicklung der Handverguss fachgerecht ausgeführt wird, sind so manche einfache Regeln zu beachten. Dieser Beitrag zeigt auch an praktischen Beispielen mögliche Fehlerquellen und Maßnahmen zur Fehlervermeidung.

Verarbeitung von Polyurethan-Gießharzen

Um elektronische Baugruppen vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit oder mechanischer Beschädigung zu schützen, werden diese oft vergossen. Damit bei Prototypen in der Entwicklung der Handverguss fachgerecht ausgeführt wird, sind so manche einfache Regeln zu beachten. Dieser Beitrag zeigt auch an praktischen Beispielen mögliche Fehlerquellen und Maßnahmen zur Fehlervermeidung.

Hin und wieder werden elektronische Baugruppen vergossen, um sie gegen Umwelteinflüsse, Störungen elektrischer sowie mechanischer Art und vor Manipulation zu schützen. Weitere Gründe für den Verguss sind eine verstärkte elektrische Isolierung und eine verbesserte Ableitung von Verlustwärme. Die chemische Basis der meisten Gießharzsysteme sind Polyurethane und Polyurethan-Epoxid-Mischsysteme. Deren Eigenschaften lassen sich in sehr weiten Grenzen variieren, wodurch sich die Vergussmasse an viele Aufgabenstellungen optimal anpassenlässt. Im Folgenden soll kurz auf die chemischen Grundlagen der Polyurethane eingegangen werden. Anschließend zeigt dieser Beitrag an praktischen Beispielen mögliche Fehlerquellen beim Handverguss und Maßnahmen zur Fehlervermeidung.

Polyurethangießharze sind Zweikomponentensysteme, die aus einer Harz- und einer Härterkomponente bestehen. Die Harzkomponente ist aus so genannten Polyolen aufgebaut, welche häufig mit Füllstoffen und verschiedenen Additiven ausgerüstet werden. Polyole sind Verbindungen höherer Molekularmasse, deren chemische Basis meistens Polyester oder Polyether sind. Ihr Charakteristikum ist dabei ihre funktionelle Gruppe, die Hydroxy- oder auch Alkoholgruppe, von der sie je nach Polyol unterschiedlich viele tragen. Die Härterkomponente eines Polyurethangießharzes besteht aus so genannten Isocyanaten. Diese chemischen Verbindungen tragen als funktionelle Gruppe die Isocyanatgruppe.

Die Härtung der Polyurethane zu polymeren Kunststoffen beruht auf einer chemischen Reaktion der Alkoholgruppe des Harzes mit der Isocyanatgruppe des Härters. Im Gegensatz zur Polymerisationen, bei denen es ausreicht, die Reaktion an einer Stelle der Grundmasse auszulösen, ist es beim polyadditionsvernetzenden Polyurethan notwendig, die Reaktionspartner durch homogene Mischung in »räumliche Nähe« zu bringen.

Eine für Gießharze meistens unerwünschte Eigenschaft der Isocyanatgruppe ist ihre Reaktionsfähigkeit mit Wasser. Reagieren beide Stoffe, kommt es zur Bildung von gasförmigem Kohlendioxid in der Reaktionsmasse. Ausdrücklich gewünscht wird diese Reaktion bei der Herstellung von Schaumstoffen, wo das entstehende CO2 die schäumende Komponente darstellt. Tritt diese Reaktion hingegen bei der Bildung von Vergussmassen auf, so entstehen mehr oder weniger stark von Blasen durchsetzte Formkörper. In manchen Fällen kann sich anstelle einer massiven Vergussmasse ein regelrechter Schaum entwickeln. In der Folge verliert die Vergussmasse ihre gewünschten mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Formel:

2 R-NCO + H22 —> R-NH-CO-NH-R + CO2 (Gas).

Aus diesem Grund wird der Harzkomponente eines Polyurethangießharzes eine Wasser bindende Substanz zugesetzt, ein so genanntes Zeolith. Geeignete Zeolithe haben eine hohe Affinität zu Wasser, binden dieses an sich und sorgen so für eine störungsfreie Reaktion der Polyole der Harzkomponente mit den Isocyanatgruppen der Härterkomponente zu Polyurethan.

Moderne Polyurethansysteme zeichnen sich durch gute Verarbeitungseigenschaften und moderate Reaktionsverläufe aus. Werden einige grundsätzliche Verfahrensrichtlinien bei der Verarbeitung eingehalten, so sind die Vergießergebnisse von hoher Güte und die Eigenschaftswerte der Formstoffe reproduzierbar.

Bei der einfachsten Form des Vergießens werden beide Komponenten aus Verkaufsgebinden in ein Behältnis im vorgeschriebenen Mischungsverhältnis eingewogen und von Hand vermischt. Ein solcher Handverguss findet Anwendung bei Kleinserien, Einzelanfertigungen oder Probeverguss. Außer auf das korrekte Mischungsverhältnis muss der Anwender darauf achten, dass beide Komponenten homogen vermischt sind (schlierenfrei) und keine Luft eingerührt wird. Nachdem er das Material sorgfältig gemischt hat, muss er darauf achten, es innerhalb der vom Hersteller angegeben Topfzeit zu vergießen. Danach ist die Viskosität des Harzes bereits so sehr angestiegen, dass Lufteinschlüsse bei den zu vergießenden Bauteilen unvermeidlich sind, würde weiter vergossen werden.

Nun zu einigen Fehlerbildern und wie man diese Fehler vermeidet. Bei der Prüfplatte aus Bild 1 wurden beide Komponenten nicht homogen vermischt. Die sichtbaren Schlieren zeigen Bereiche unvermischter Harz- bzw. Härterkomponente. Auch bei Unverträglichkeit von Harz und Härter kann es zu diesem Fehlerbild kommen. Um dem abzuhelfen, sollte der Anwender mit einem flachen, in seinen Abmessungen der Rührgefäßgröße angepassten Rührstab (Linealform) in gleichförmiger Kreisbewegung so lange rühren, bis das Material frei von Schlieren ist (Richtwert: drei Minuten). Dabei nicht hektisch rühren, Behälterwandbereiche regelmäßig abstreifen.