Wie hoch ist die Wasseraufnahmerate von Phenol-Formaldehyd-Harz?

Einführung

Phenol-Formaldehyd (PF)-Harzesind duroplastische Harzsysteme, die in Formmassen, Laminaten, Verbundwerkstoffen und anderen industriellen Materialsystemen verwendet werden. Da die Feuchtigkeitsaufnahme für die Bewertung der Dimensions-, elektrischen oder mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen relevant sein kann, ist die Wasseraufnahme ein praktischer Gesichtspunkt bei der Beurteilung von PF-basierten Materialien unter definierten Betriebs- oder Testbedingungen. Es gibt jedoch keinen einheitlichen Wasseraufnahmewert, der alle Phenol-Formaldehydharz-Materialien charakterisiert. Eine aussagekräftige Antwort erfordert eine klare Definition des Materialzustands, der Formulierung, der Probengeometrie, der Konditionierung, der Expositionsbedingungen und der Testmethode.

Kurze Antwort

Es gibt keinen einheitlichen Wert für die Wasseraufnahme, der allgemein für alle Phenol-Formaldehyd-Harzmaterialien gilt. Ein gemeldetes Wasserabsorptionsergebnis sollte die Testmethode, die Probe, die Konditionierung, das Expositionsmedium, die Temperatur und die Dauer angeben. Bei PF-basierten Materialien sollten auch der Materialzustand und die Formulierung identifiziert werden, damit Daten von reinem Harz, Formmassen, Laminaten oder Verbundwerkstoffen nicht als austauschbar behandelt werden. Ebenso wichtig ist, dass Wasseraufnahme und Wassergehalt unterschiedliche Konzepte sind, die unterschiedliche Testmethoden erfordern und unterschiedliche Fragen beantworten.

Welches Material wird tatsächlich getestet?

Für die Interpretation der Wasserabsorption müssen PF-verwandte Materialien möglicherweise nach Materialzustand und Formulierung unterschieden werden. Relevante Testobjekte können sein:

• Ungehärtetes flüssiges Harz oder Harzlösung
• Festes Harz, einschließlich Flocken oder anderen gelieferten festen Formen
• Pulverharz
• Teilweise ausgehärtetes Material
• Vollständig ausgehärtete Probe aus reinem Kunstharz
• Phenolische Formmasse
• Laminieren
• Gefüllte Formulierung
• Faserverstärkter Verbundwerkstoff
• Fertiges Bauteil

Diese Materialzustände und Formulierungen sind keine austauschbaren Prüfobjekte. Ein aus einem Materialzustand ermittelter Wasserabsorptionswert sagt nicht automatisch das Verhalten eines anderen voraus. Ohne eine entsprechende Vergleichsbasis sollte nicht davon ausgegangen werden, dass ein für einen Materialzustand erhaltenes Ergebnis eine formulierte Verbindung, ein Verbundwerkstoff, ein Laminat oder eine fertige Komponente darstellt.

Die Wasseraufnahme ist nicht dasselbe wie der Wassergehalt

Diese Unterscheidung ist für die korrekte Interpretation der PF-Harzdaten von grundlegender Bedeutung.

Unter Wasseraufnahme versteht man den Vorgang, bei dem ein Material unter definierten Einwirkungsbedingungen Wasser aus seiner Umgebung aufnimmt. Sie wird an festen Proben unter Verwendung von Verfahren wie ASTM D570 oder ISO 62 gemessen.

Unter Wassergehalt versteht man die Wassermenge, die zum Zeitpunkt der Prüfung bereits in einem Material vorhanden ist. ISO 15512:2019 spezifiziert Methoden zur Bestimmung des Wassergehalts in Kunststoffen in Form von Pulver, Granulat und Fertigartikeln und legt ausdrücklich fest, dass diese Methoden nicht die Kinetik und das Gleichgewicht der Wasserabsorption gemäß ISO 62 testen.

Für Pulver oder andere anwendbare Materialformen kann der Wassergehalt als separater Materialparameter angegeben oder gemessen werden. Es sollte nicht die Wasseraufnahme einer ausgehärteten Probe ersetzen. Umgekehrt beschreibt ein Wasseraufnahmeergebnis einer ausgehärteten Probe nicht den Wassergehalt des Rohmaterials vor der Verarbeitung.

Warum eine universelle PF-Wasserabsorptionszahl nicht angemessen ist

Mehrere Faktoren beeinflussen das Wasserabsorptionsverhalten und sollten identifiziert werden, sofern sie für die Interpretation oder den Vergleich relevant sind:

• Materialform: Rein ausgehärtetes Harz, Formmasse, Laminat und Verbundwerkstoff sind unterschiedliche Testobjekte.
• Harzformulierung: Reines Harz, gefüllte Verbindungen, Laminate und verstärkte Verbundstoffe sind unterschiedliche Materialsysteme, daher sollten die Ergebnisse der getesteten Formulierung zugeordnet werden.
• Aushärtezustand: Der Aushärtungszustand sollte beim Berichten oder Vergleichen von Proben angegeben werden, da nicht davon ausgegangen werden sollte, dass unterschiedlich vorbereitete Proben dasselbe Testobjekt darstellen.
• Probengeometrie: Dicke und freiliegende Oberfläche beeinflussen die Geschwindigkeit und das scheinbare Ausmaß der Absorption.
• Probenvorbereitung: Vorbereitung, Abmessungen und Konditionierung sollten angegeben werden, sofern dies durch die ausgewählte Testmethode erforderlich ist.
• Konditionierung und Exposition: Temperatur, Medium (flüssiges Wasser versus feuchte Luft) und Dauer sind alle relevant.
• Testmethode: ASTM D570 und ISO 62 unterscheiden sich in Probenspezifikation, Verfahren und Berichtsgrundlage.

Ein Wasserabsorptionsergebnis ist besser interpretierbar, wenn die relevanten Informationen zu Material, Probe, Konditionierung und Exposition verfügbar sind. Ohne solche Informationen hat eine Wasserabsorptionszahl nur einen begrenzten Vergleichswert.

Novolak und Resol: Die Einstufung ist nicht ausschlaggebend für das Testergebnis

Novolake und Resole sind innerhalb dieser Gruppe unterschiedliche KlassenPhenolharze. Novolake sind im Allgemeinen thermoplastische Phenolvorpolymere, die üblicherweise mit einem Härtungssystem wie Hexamethylentetramin (HMTA) kombiniert werden, um ein Duroplast zu bilden, während Resole hitzereaktive Phenolharze sind, die weiter aushärten können.

Diese Klassifizierung allein bestimmt jedoch nicht die Wasseraufnahme einer ausgehärteten Formmasse, eines Laminats, eines Verbundwerkstoffs oder eines Fertigteils. Für den direkten Vergleich von Materialien auf Novolak- und Resolbasis sind Proben erforderlich, die unter gleichwertigen Bedingungen vorbereitet, ausgehärtet und getestet wurden. Ohne einen solchen kontrollierten Vergleich kann keine allgemeine Rangfolge festgestellt werden.

ASTM D570-22

ASTM D570-22 deckt die Bestimmung der relativen Wasserabsorptionsrate von Kunststoffen beim Eintauchen ab. Der Anwendungsbereich umfasst gegossene, heißgeformte und kaltgeformte Harzprodukte, homogene und laminierte Kunststoffe in Stab- und Rohrform sowie Platten mit einer Dicke von 0,13 mm oder mehr.

Die Norm weist darauf hin, dass die Zeit bis zur Sättigung stark von der Probendicke abhängt und dass die Beziehung zwischen Feuchtigkeitsgehalt und Eigenschaften wie elektrischem Isolationswiderstand, dielektrischen Verlusten, mechanischer Festigkeit und Abmessungen von der Art der Exposition, der Teileform und den inhärenten Materialeigenschaften abhängt. Bei ASTM D570 handelt es sich eher um eine Testmethode als um eine PF-spezifische Produktspezifikation. Ob für ein bestimmtes Material ein D570-Ergebnis erforderlich ist, sollte in der entsprechenden Beschaffungs- oder Produktspezifikation festgelegt werden.

ISO 62:2008

ISO 62:2008 beschreibt Verfahren zur Bestimmung der Feuchtigkeitsaufnahme in Richtung der Dicke von Vollkunststoffen und zur Bestimmung der Wassermenge, die von in Wasser getauchten oder feuchter Luft ausgesetzten Proben definierter Abmessungen absorbiert wird. Sie gilt für feste Kunststoffe, schließt jedoch Zellkunststoffe, Granulate und Pulver ausdrücklich aus.

ISO 62 bietet kontrollierte Verfahren zum Vergleich der Wasserabsorption definierter fester Kunststoffproben unter bestimmten Expositionsbedingungen. ISO 62 definiert einen Testrahmen für die Wasseraufnahme von Kunststoffen. Seine Anwendbarkeit auf ein bestimmtes PF-Material sollte anhand der Materialform und der relevanten Spezifikation festgestellt werden.

ASTM D570 vs. ISO 62

Sowohl ASTM D570 als auch ISO 62 befassen sich mit der Wasseraufnahme von festen Kunststoffen, unterscheiden sich jedoch in Umfang, Probenspezifikation und Verfahrensdetails. ASTM D570-22 gibt die technische Gleichwertigkeit mit ISO 62 an, wenn die in ASTM D570 Abschnitt 6.2 beschriebene Probe verwendet wird. Diese Aussage sollte nicht als automatische Äquivalenz aller unter den beiden Standards generierten Ergebnisse interpretiert werden. Die geltenden Verfahrens- und Berichtsanforderungen des ausgewählten Standards müssen befolgt werden.

Wassergehalt in Pulverform oder anderen anwendbaren Materialformen

Bei PF-Materialien, die in einer Form geliefert werden, die von einer anwendbaren Wassergehaltsmethode abgedeckt wird, ist der Wassergehalt ein von der Wasseraufnahme einer ausgehärteten festen Probe getrennter Parameter. ISO 15512:2019 deckt Kunststoffe in Form von Pulver, Granulat und Fertigartikeln ab. Diese Messungen werden ausdrücklich von der Wasserabsorptionskinetik und dem Wasserabsorptionsgleichgewicht gemäß ISO 62 unterschieden. Es sollte nicht davon ausgegangen werden, dass sie für jedes flüssige PF-Harzsystem gelten.

Wie Formulierung und Materialzustand die Interpretation beeinflussen

Die Daten zur Wasseraufnahme sollten dem gesamten getesteten Material zugeordnet werden. Eine ausgehärtete Probe aus reinem Harz, eine gefüllte Formmasse, ein Laminat und ein verstärkter Verbundwerkstoff sind unterschiedliche Testobjekte. Ein für einen gemessenen Wert sollte nicht ohne repräsentative Beweise direkt auf einen anderen übertragen werden. Ein für ein Rohharz oder eine definierte Probe gemessener Wert sollte nicht allein als Wasserabsorptionswert eines anders formulierten oder fertigen Materials betrachtet werden.

So vergleichen Sie Wasserabsorptionsdaten

Für einen aussagekräftigen Vergleich sind gleichwertige Testbedingungen oder eine klare Darstellung relevanter Unterschiede erforderlich. Das Folgende ist ein praktischer Vergleichsrahmen und keine vollständige Berichtscheckliste gemäß ASTM D570 oder ISO 62. Bevor Sie zwei Wasserabsorptionswerte vergleichen, bestätigen Sie Folgendes:

• Genaue Material- oder Sortenbezeichnung
• Materialzustand (reines Harz, Compound, Laminat, Verbundwerkstoff)
• Harztyp, sofern relevant
• Formulierungsdetails (Füllstoffe, Verstärkungen, Zusatzstoffe)
• Heilungszustand
• Testmethode und -ausgabe (ASTM D570-22, ISO 62:2008 oder andere)
• Probenabmessungen
• Konditionierungsverfahren
• Expositionsmedium (flüssiges Wasser oder feuchte Luft)
• Temperatur
• Dauer
• Ob der Wert ein Ergebnis mit angegebener Dauer oder ein Gleichgewichtsergebnis darstellt
• Berechnungsgrundlage und Einheiten
• Akzeptanzkriterien und ihre technischen Grundlagen

Unterschiede im Materialzustand, der Probenvorbereitung, den Expositionsbedingungen, der Methode oder der Berichtsgrundlage sollten behoben werden, bevor Werte als direkt vergleichbar behandelt werden.

TDS, CoA und Testbericht

Bei den folgenden Unterscheidungen handelt es sich eher um praktische Überlegungen zur Dokumentation als um Dokumentdefinitionen, die in ASTM D570, ISO 62 oder ISO 15512 vorgeschrieben sind.

Ein technisches Datenblatt (TDS) kann typische, nominale oder Spezifikationsbereichsinformationen für ein Material enthalten. Ein Analysezertifikat (CoA), sofern bereitgestellt, kann Chargen- oder Chargen-spezifische Ergebnisse enthalten und auch relevante Akzeptanzgrenzen auflisten. Ein Testbericht kann die Testmethode, die Probe oder Probe, die Bedingungen und das gemeldete Ergebnis angeben.

Format und Inhalt des Dokuments variieren je nach Lieferant, Material und Transaktion. Käufer sollten daher prüfen, ob ein gemeldeter Wert eine typische Eigenschaft, einen Spezifikationsgrenzwert oder ein chargenspezifisches Testergebnis darstellt.

Häufige Interpretationsfehler

Fehler 1: Alle PF-Harze haben einen Standardwert für die Wasseraufnahme.

Korrektur: Die Wasseraufnahme ist eine Eigenschaft eines definierten Materials in einem definierten Zustand, gemessen unter definierten Bedingungen.

Fehler 2: Der Wert für den Wassergehalt eines Pulvers entspricht der Wasseraufnahme des ausgehärteten Harzes.

Korrektur: Wassergehalt (ISO 15512) und Wasseraufnahme (ISO 62) sind unterschiedliche Messungen.

Fehler 3: Die Novolac/Resol-Klassifizierung allein sagt die Wasseraufnahme vorher.

Korrektur: Für den Vergleich sind kontrollierte Proben und Bedingungen erforderlich.

Fehler 4: ASTM D570- und ISO 62-Ergebnisse sind automatisch austauschbar.

Korrektur: ASTM D570 gibt die technische Gleichwertigkeit mit ISO 62 nur an, wenn die in ASTM D570 Abschnitt 6.2 beschriebene Probe verwendet wird.

Fehler 5: Ein reines Harzergebnis sagt automatisch ein gefülltes Verbundwerkstoff- oder fertiges Bauteil voraus.

Korrektur: Reines Harz, gefüllte Compounds, Laminate, Verbundwerkstoffe und fertige Bauteile sind unterschiedliche Materialsysteme bzw. Testobjekte. Ein Ergebnis von einem sollte nicht automatisch auf ein anderes übertragen werden.

Fehler 6: Ein typischer TDS-Wert ist automatisch ein Batch-Ergebnis.

Korrektur: TDS, CoA und Testberichte erfüllen unterschiedliche Funktionen.

Was Käufer angeben sollten

Bei der Anforderung oder Auswertung von Daten zur Wasserabsorption von PF-Harz sollten die folgenden Informationen angegeben werden, sofern diese für die Anwendung relevant sind:

• Harz-/Materialform (flüssig, fest, Pulver, Flocken usw.)
• Klassenbezeichnung
• Gegebenenfalls Harzklasse (Novolak oder Resol)
• Vorgesehener Formulierungs- und Verarbeitungsweg
• Aushärtezustand des Testobjekts
• Prüfobjekt (unverarbeitetes Harz, Formmasse, Laminat, Verbundwerkstoff, Fertigteil)
• Teststandard und Edition
• Probengeometrie
• Konditionierungsverfahren
• Belichtungsmedium, Temperatur und Dauer
• Akzeptanzgrenze und ihre technischen Grundlagen
• Erforderliche Dokumentation (TDS, CoA, Prüfbericht)

Die Prüfmethode sollte entsprechend der Materialform und der zu bewertenden Eigenschaft ausgewählt werden; ASTM D570 und ISO 62 betreffen die Wasseraufnahme anwendbarer fester Kunststoffe, während ISO 15512 den Wassergehalt innerhalb des angegebenen Anwendungsbereichs behandelt. Nicht jedes Beschaffungsszenario erfordert alle diese Spezifikationen, aber Klarheit über den Materialzustand und die Testbedingungen ist für einen aussagekräftigen Datenvergleich unerlässlich.

Abschluss

Die Wasseraufnahme vonPhenol-Formaldehyd-Harzkann nicht durch eine einzige universelle Zahl dargestellt werden. Dabei handelt es sich um eine Eigenschaft eines bestimmten Materials in einem bestimmten Zustand, die unter definierten Bedingungen und mit einer definierten Methode gemessen wird. Die angegebenen Werte sind nur dann zum Vergleich nützlich, wenn die Materialidentität, der Aushärtungszustand, die Probenvorbereitung, die Expositionsbedingungen und die Testmethode bekannt sind. Wasseraufnahme und Wassergehalt sind unterschiedliche Konzepte, die unterschiedliche Testmethoden erfordern. Für einen anwendungsrelevanten Vergleich können Daten einer repräsentativen ausgehärteten Formulierung, Probe oder eines fertigen Materials aussagekräftiger sein als ein Wert, der an einem wesentlich anderen Testobjekt gemessen wurde.

Professioneller CTA

Kunden, die Phenol-Formaldehyd-Harz für feuchtigkeitsempfindliche Anwendungen bewerten, können die Harz- oder Materialform, die beabsichtigte Formulierung, das Testobjekt, die anwendbare Wasserabsorptionsmethode oder Wassergehaltsmethode, die Expositions- oder Konditionierungsbedingungen und die Akzeptanzkriterien angeben, damit die verfügbare Qualitätsdokumentation anhand der angegebenen Anforderungen überprüft werden kann.

Referenzen

[1] ASTM International. (2022). ASTM D570-22, Standardtestmethode für die Wasseraufnahme von Kunststoffen.https://doi.org/10.1520/D0570-22

[2] Internationale Organisation für Normung. (2008). ISO 62:2008, Kunststoffe – Bestimmung der Wasseraufnahme (3. Aufl.).
https://www.iso.org/standard/41672.html

[3] Internationale Organisation für Normung. (2019). ISO 15512:2019, Kunststoffe – Bestimmung des Wassergehalts (5. Aufl.).
https://www.iso.org/standard/73834.html

[4] Pilato, LA (Hrsg.). (2010). Phenolharze: Ein Jahrhundert des Fortschritts. Springer Berlin, Heidelberg.https://doi.org/10.1007/978-3-642-04714-5

[5] Asim, M., Saba, N., Jawaid, M., Nasir, M., Pervaiz, M. & Alothman, OY (2018). Ein Überblick über Phenolharz und seine Verbundwerkstoffe. Current Analytical Chemistry, 14(3), 185–197.https://doi.org/10.2174/1573411013666171003154410