Duroplaste Beispiele: Harze, Anwendungen und Recycling

Duroplaste Beispiele finden sich in fast jedem Haushalt, vom Lichtschalter über den Toilettendeckel bis zum Griff der Bratpfanne. In der Industrie stecken sie in Rotorblättern, Leiterplatten, Bremsbelägen und Bootsrümpfen. Gemeinsam ist diesen Kunststoffen eine Eigenschaft, die sie gleichzeitig wertvoll und problematisch macht. Einmal ausgehärtet, lassen sie sich nie wieder schmelzen, was sie im heißen Motorraum unersetzlich macht und am Ende ihres Lebens zu einem der schwierigsten Abfälle der Kunststoffindustrie.

Was Duroplaste ausmacht

Duroplaste, auch Duromere genannt, sind Kunststoffe, deren Molekülketten beim Aushärten dreidimensional und engmaschig miteinander vernetzt werden. Dieses Netz ist chemisch fest verbunden und kann sich bei Erwärmung nicht mehr lösen. Ein Duroplast wird deshalb nicht weich, wenn er heiß wird, sondern behält seine Form, bis er sich bei sehr hohen Temperaturen zersetzt und verkohlt.

Aus dieser Struktur folgt fast alles Weitere. Duroplaste sind hart und steif und behalten auch bei Wärme ihre Maße. Sie widerstehen vielen Chemikalien, isolieren elektrisch sehr gut und haben eine hohe Kriechstromfestigkeit, weshalb die Elektrotechnik seit über hundert Jahren auf sie setzt. Die Kehrseite ist ihre Sprödigkeit. Bei Schlag oder Stoß brechen sie eher, als dass sie sich verformen, und wer einmal einen alten Bakelit-Telefonhörer hat fallen lassen, kennt das.

Hergestellt werden Duroplaste aus flüssigen oder pastösen Harzen, die durch Wärme, einen Härter oder Strahlung vernetzen. Weil sie danach nicht mehr formbar sind, muss die endgültige Form schon vor oder während der Aushärtung entstehen. Das prägt die gesamte Verarbeitung und unterscheidet sie grundlegend von Thermoplasten wie Polyethylen oder Polypropylen.

Die wichtigsten Duroplaste mit Beispielen

Fünf Harzklassen decken den größten Teil der duroplastischen Anwendungen ab. Ihre Kürzel stehen auf Datenblättern und oft auch als Kennzeichnung direkt auf dem Bauteil.

Phenolharz ist der älteste vollsynthetische Kunststoff überhaupt. Der belgisch-amerikanische Chemiker Leo Baekeland ließ es 1907 als Bakelit patentieren. Bis heute ist es wegen seiner Hitzebeständigkeit das Bindemittel in Bremsbelägen und Schleifscheiben. Das wohl bekannteste Duroplast-Produkt Deutschlands fuhr allerdings auf vier Rädern. Die Karosserie des Trabant bestand aus Duroplast, einem Verbund aus Baumwollfasern und Phenolharz, weil Stahlblech in der DDR knapp war.

Melaminharz ist besonders hart und kratzfest und bildet die Oberfläche vieler Küchenarbeitsplatten und beschichteter Möbel. Melamingeschirr ist bruchfest und beliebt für Kinder und Camping, sollte aber laut Bundesinstitut für Risikobewertung nicht über 70 Grad erhitzt und nicht in der Mikrowelle verwendet werden, weil dann Melamin und Formaldehyd in die Speisen übergehen können.

Im Leichtbau führt kein Weg an Epoxidharz vorbei. Als Matrix für Glas- oder Kohlenstofffasern bildet es glasfaser- und kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, aus denen Rotorblätter von Windkraftanlagen, Flugzeugrümpfe und Rennräder bestehen. Auch die grünen Leiterplatten in fast jedem Elektrogerät sind ein Verbund aus Glasfasergewebe und Epoxid, in der Elektronik als FR-4 bekannt.

Ungesättigte Polyesterharze sind günstiger als Epoxid und werden dort eingesetzt, wo große Flächen und mittlere Festigkeit gefragt sind, etwa bei Bootsrümpfen, Wohnmobilaufbauten und Fassadenplatten. Wer schon einmal eine Delle im Auto ausgebessert hat, hat mit Polyesterspachtel einen Duroplast selbst ausgehärtet.

Daneben gibt es vernetzte Polyurethane, etwa in Hartschaum-Dämmplatten und Industrieböden, sowie Silikon- und Vinylesterharze für Spezialanwendungen. Vinylester steckt zum Beispiel in Chemietanks und Abwasserrohren, weil es Säuren und Laugen besser verträgt als Polyester. Silikonharze halten Temperaturen von deutlich über 200 Grad stand und werden deshalb für Hitzeschutzlacke an Auspuffanlagen und Öfen genutzt. Gerade diese Nischen zeigen, wie stark die Wahl des Harzes von einem einzigen Kriterium abhängen kann.

Wie Duroplaste verarbeitet werden

Duroplaste werden in Form gebracht, solange das Harz noch fließfähig ist, und härten dann in der Form aus. Welches Verfahren passt, hängt vor allem von Bauteilgröße und Stückzahl ab.

• Formpressen. Eine vorbereitete Formmasse wird in ein beheiztes Werkzeug gelegt und unter hohem Druck verpresst. Für flächige Teile nutzt man Harzmatten mit Glasfasern, sogenanntes SMC, für dickere, kompakte Bauteile teigartige Massen, sogenanntes BMC. Typische Produkte sind Karosserieteile, Schaltschränke und Scheinwerferreflektoren.
• Duroplast-Spritzgießen. Es funktioniert ähnlich wie bei Thermoplasten, nur mit umgekehrten Temperaturen. Die Masse wird im Zylinder bei mäßiger Temperatur fließfähig gehalten und härtet im heißen Werkzeug bei rund 160 bis 190 Grad aus. So entstehen Steckdosen, Topfgriffe und Elektronikgehäuse in großen Stückzahlen.
• Harzinjektion (RTM). Trockene Fasermatten werden in eine geschlossene Form gelegt, dann wird flüssiges Harz unter Druck eingespritzt. Das Verfahren liefert hochfeste Bauteile mit glatter Oberfläche auf beiden Seiten, etwa für Fahrzeug- und Flugzeugstrukturen.
• Handlaminieren und Vakuuminfusion. Für große Einzelteile wie Bootsrümpfe oder Rotorblätter werden Fasern lagenweise in eine offene Form gelegt und mit Harz getränkt, bei der Infusion unter Vakuumfolie.
• Wickeln und Pultrusion. Für Rohre, Druckbehälter und Profile werden Fasern harzgetränkt um einen Kern gewickelt oder kontinuierlich durch ein beheiztes Werkzeug gezogen.

Bei allen Verfahren braucht die Aushärtung Zeit und setzt Wärme frei. Die Zykluszeiten sind deshalb meist länger als beim Thermoplast-Spritzguss, und Ausschuss lässt sich nicht einfach wieder einschmelzen, was in der Kalkulation oft unterschätzt wird. Wer von Thermoplast auf Duroplast umstellt, muss außerdem mit höherem Werkzeugverschleiß rechnen, weil gefüllte Formmassen mit Glasfasern oder Mineralien die Oberflächen der Werkzeuge stärker angreifen. Im Gegenzug entfällt bei vielen Duroplastteilen eine Nachbehandlung, weil die Oberfläche direkt aus der Form hart und kratzfest ist.

Duroplast oder Thermoplast erkennen

Ob ein Bauteil aus einem Duroplast oder einem Thermoplast besteht, zeigt am zuverlässigsten ein Wärmetest. Halte eine heiße Lötkolbenspitze oder eine erhitzte Nadel an eine unauffällige Stelle. Ein Thermoplast wird weich, die Spitze sinkt ein und zieht beim Herausziehen Fäden. Ein Duroplast bleibt hart, verfärbt sich höchstens dunkel und riecht verbrannt, bei Phenolharz deutlich nach Phenol.

Ohne Lötkolben helfen Gewicht und Klang. Duroplaste sind meist schwerer und fühlen sich kühler an, und beim Anklopfen klingen sie hell und hart statt dumpf. Viele Bauteile tragen außerdem eine Werkstoffkennzeichnung nach ISO-Norm, die zwischen spitzen Klammern steht, etwa >PF< oder >MF<. Fehlt sie, hilft bei Bauteilen aus der Produktion ein Blick ins Datenblatt oder eine Anfrage beim Lieferanten.

Recycling und Entsorgung

Duroplaste lassen sich nicht wie Thermoplaste einschmelzen und neu formen, und genau das macht ihr Recycling schwierig. Solange die Mengen klein waren, fiel das kaum ins Gewicht. Mit dem Ausbau von Windenergie und Leichtbau ist daraus ein echtes Mengenproblem geworden.

Besonders sichtbar wird das bei Rotorblättern. Sie bestehen größtenteils aus glas- oder kohlenstofffaserverstärktem Epoxid- oder Polyesterharz, und in Deutschland gehen in den kommenden Jahren Tausende ältere Anlagen vom Netz. Auf Deponien dürfen solche Abfälle wegen ihres organischen Anteils nicht abgelagert werden. Der heute gängigste Weg ist das Zementwerk. Die Blätter werden zerkleinert und als Ersatzbrennstoff und Rohstoff eingesetzt, wobei das Harz Energie liefert und die Glasfasern als mineralischer Bestandteil in den Zementklinker eingehen. In der Branche heißt das Co-Processing.

Daneben werden drei weitere Wege verfolgt. Beim mechanischen Recycling wird das Material gemahlen und als Füllstoff in neuen Bauteilen verwendet, was die Qualität aber deutlich mindert. Bei Pyrolyse und Solvolyse wird das Harz thermisch oder chemisch zersetzt, um vor allem die teuren Kohlenstofffasern zurückzugewinnen. Und schließlich arbeiten Hersteller an neuen Harzen, die sich am Lebensende gezielt auflösen lassen. Siemens Gamesa hat 2021 ein erstes recycelbares Rotorblatt vorgestellt, dessen Harz sich in einer schwach sauren Lösung von den Fasern trennen lässt. Bis solche Blätter in großer Zahl ausgemustert werden, vergehen allerdings noch zwanzig bis dreißig Jahre, für den aktuellen Rückbau hilft die Technik also nicht.

Im Haushalt ist die Sache einfacher. Kleine Duroplastteile wie Topfgriffe oder Schalter gehören in den Restmüll, nicht in die Gelbe Tonne, weil sie in den Sortieranlagen für Verpackungen nicht verwertet werden können. Produktionsabfälle aus Betrieben, etwa Angüsse, Fehlteile oder Schleifstaub, gehen dagegen als eigener Abfallstrom an einen zugelassenen Entsorger, der sie meist ebenfalls energetisch verwertet.

Duroplaste, Thermoplaste und Elastomere im Vergleich

Nach ihrem Verhalten bei Wärme teilt man Kunststoffe in drei Gruppen ein, und Duroplaste stehen am harten, unbeweglichen Ende dieser Skala.

In der Produktion entscheidet selten der Geschmack zwischen den Gruppen. Wo ein Bauteil dauerhaft heiß wird, elektrisch isolieren muss oder unter Last seine Form keinen Millimeter verändern darf, führt an einem Duroplast meist kein Weg vorbei.

Häufige Fragen zu Duroplasten

Ist Bakelit ein Duroplast?

Ja, Bakelit ist ein Phenolharz und gilt als erster vollsynthetischer Duroplast. Leo Baekeland meldete es 1907 zum Patent an. Bakelit wurde lange für Telefone, Radiogehäuse, Steckdosen und Isolatoren verwendet und steckt bis heute in Bremsbelägen und Schleifscheiben.

Welche Nachteile haben Duroplaste?

Duroplaste sind spröde und können bei Schlag brechen statt sich zu verformen. Sie lassen sich nach dem Aushärten nicht mehr umformen oder verschweißen, und ihr Recycling ist aufwendig, weil sie nicht eingeschmolzen werden können. Die Verarbeitung dauert zudem meist länger als bei Thermoplasten.

Welche drei Kunststoffgruppen gibt es?

Kunststoffe werden in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere eingeteilt. Thermoplaste werden bei Wärme weich und lassen sich einschmelzen, Duroplaste bleiben hart und formstabil, Elastomere sind dauerhaft elastisch wie Gummi.

War der Trabant aus Duroplast?

Ja, die Karosserie des Trabant bestand aus Duroplast, einem Verbundwerkstoff aus Baumwollfasern und Phenolharz. Er wurde verwendet, weil Stahlblech in der DDR knapp war. Die Teile waren leicht und rosteten nicht, ließen sich aber kaum reparieren oder recyceln.