Duroplaste

Duroplaste sind Kunststoffe, deren Molekülketten beim Aushärten über kovalente Bindungen zu einem dreidimensionalen Netz verknüpft werden. Die Reaktion läuft einmal und ist nicht umkehrbar: Wärme macht das Material nie wieder weich. In der Elektroisolierung treten Duroplaste in vier Formen auf, als Schichtpressstoff (Hartpapier, Hartgewebe, Glashartgewebe wie FR4), als Formmasse (SMC, BMC), als Gieß- und Vergussmasse und als Bindemittel in Glimmerlaminaten. Dieser Beitrag stellt Grenztemperatur, Wärmeklasse, Durchschlagfestigkeit, CTI und UL 94 für zehn Werkstoffe in einer Tabelle nebeneinander und leitet daraus die wichtigste Regel ab: Bei einem Laminat setzt der Träger die Temperaturgrenze, nicht das Harz. GOBA stanzt Isolierstoffe von 0,023 bis 3,0 mm Dicke in Teilegrößen bis 1.000 x 2.000 mm zu Isolierteilen und Formteilen, darunter Hartpapier bis in den Millimeterbereich, und schneidet Prepregs auf Epoxid-, Phenol- und Polyesterharzbasis in Breiten ab 5 mm.

Nach dem Aushärten ist ein Duroplast ein einziges Riesenmolekül

Vor der Aushärtung liegt das Harz als flüssiges oder schmelzbares Vorprodukt vor, danach sind alle Ketten zu einem einzigen Molekül verbunden. Wärme löst dieses Netz nicht, sie zerstört es irgendwann: Duroplaste schmelzen nicht, sie verkohlen oder zersetzen sich. Die Werkstoffnorm nennt die Gruppe Duromere, in der Elektrotechnik hat sich Duroplast durchgesetzt, beide Wörter meinen dasselbe.

Zwei Reaktionswege führen zum Netz. Phenol-, Harnstoff- und Melaminharze vernetzen durch Polykondensation: Unter Druck und bei 140 bis 180 °C spalten sie Wasser ab und verbinden sich zum Duroplast. Epoxid- und Polyurethanharze vernetzen durch Polyaddition mit einem Härter, ungesättigte Polyesterharze durch radikalische Vernetzung mit Styrol. Das erklärt, warum Epoxid und Polyurethan als Zweikomponentensysteme in die Fertigung kommen, Phenolharz dagegen als Pressmasse oder als vorimprägniertes Papier.

Das fertige Netz bestimmt alle Eigenschaften, die Duroplaste für Isolierteile interessant machen:

• Formstabilität unter Wärme. Das Material kriecht nicht und erweicht nicht, bis das Netz zerfällt.
• Hohe Steifigkeit und Druckfestigkeit, dafür geringe Bruchdehnung. Ein Duroplast biegt sich kaum, er bricht.
• Chemische Beständigkeit gegen Öle, Lösemittel und viele Säuren, weil kein Lösemittel das Netz aufquellen lässt.
• Geringe Wärmedehnung und hoher Volumenwiderstand, beides Voraussetzungen für maßhaltige Stützteile in Schaltanlagen und Motoren.
• Keine Schweißbarkeit und kein werkstoffliches Recycling. Verbunden wird geklebt oder geschraubt, Altteile werden zerkleinert und als Füllstoff eingesetzt.

Duroplast und Thermoplast: der Unterschied in einem Absatz

Der Unterschied liegt in einer einzigen Größe, der Vernetzung. Thermoplaste bestehen aus Ketten, die nur physikalisch zusammenhalten; sie erweichen bei Wärme, lassen sich schweißen, umformen und als Regranulat wiederverwenden. Duroplaste sind kovalent vernetzt und können nichts davon. Dafür bleiben sie unter Wärme steif und maßhaltig, während ein Thermoplast längst kriecht. Elastomere bilden die dritte Gruppe, weitmaschig vernetzt und gummielastisch. In einem Isoliersystem arbeiten alle drei zusammen: Die Nutauskleidung ist eine thermoplastische Folie, das Tränkharz darüber ein Duroplast, die Kabeltülle ein Elastomer. Die Bindungschemie der Gegenseite und die Kennwerte von PET bis PEEK beschreibt der Beitrag zu Thermoplasten, die Anwendungssicht auf beide Gruppen elektrisch isolierende Kunststoffe.

Welche Duroplaste zählen in der Elektroisolierung?

Sechs Harzfamilien decken praktisch alle duroplastischen Isolierstoffe ab. Jede hat eine typische Erscheinungsform, in der sie dem Einkauf begegnet, und eine typische Grenze, die über die Auswahl entscheidet.

Polyurethan taucht in beiden Welten auf: Vernetzte Vergussmassen sind Duroplaste, thermoplastische Polyurethane und PUR-Schäume nicht. Bakelit ist der historische Handelsname für Phenolharz-Pressmassen und steht bis heute stellvertretend für die ganze Gruppe. Faserverstärkte Duroplaste wie GFK und CFK gehören formal ebenfalls hierher, verhalten sich aber als Schichtverbund und sind Thema im Beitrag zu Verbundmaterialien.

Hartpapier, Hartgewebe und Glashartgewebe: die Schichtpressstoffe

Der größte Teil der duroplastischen Isolierteile besteht aus Schichtpressstoffen. Ein Träger aus Papier, Baumwollgewebe, Glasgewebe oder Glasmatte wird mit Harz getränkt, getrocknet und unter Druck und Wärme zu Platten oder Rohren verpresst. Die Bezeichnungen dafür stammen aus drei Systemen, die nebeneinander in Umlauf sind und dieselben Werkstoffe meinen.

Pertinax ist ein Markenname für Hartpapier, seit 2014 bei der Dr. Dietrich Müller GmbH, und wird im Sprachgebrauch für jedes Phenolharz-Papier-Laminat verwendet. FR4 kommt aus der Leiterplattenwelt: Das Kürzel steht für flame retardant, der Flammschutz stammt aus bromierten Epoxidharzen, und G10 ist derselbe Aufbau ohne diesen Zusatz. Wer in einer Anfrage HGW 2372.1, EP GC 202 oder FR4 schreibt, bestellt denselben Werkstoff.

Kennwerte von Duroplasten: Temperatur, Durchschlagfestigkeit, CTI und UL 94

Die Eigenschaften von Duroplasten lassen sich nur je Werkstoff sinnvoll beziffern, weil Harz, Träger und Füllstoff die Werte um ein Vielfaches verschieben. Die folgende Tabelle stellt die Kennwerte zusammen, die in der Werkstoffauswahl für Isolierteile den Ausschlag geben.

Grenztemperatur, Wärmeklasse nach IEC 60085, CTI nach IEC 60112 und UL 94 stammen aus den Werkstoffrichtwerten des Halbzeugherstellers Mertl (Katalog comco 2021) sowie aus der DuroBest-Reihe von AGK, die Durchschlagfestigkeit senkrecht zur Schicht aus der 1-Minuten-Prüfspannung am 3-mm-Prüfkörper nach DIN 53481 und IEC 60243-1, für FR4 ergänzt um das Dotherm-Datenblatt HGW 2372.1 und die Leiterplattenwerte nach NEMA LI 1. Die BMC-Zeile folgt dem Datenblatt der UP-Formmasse Kern UP 4385, die Glimmerzeile den Herstellerangaben von Dumico und ISO-tech. Alle Werte sind Richtwerte, für die Auslegung gilt das Datenblatt des Lieferanten. Dünne Platten erreichen je Millimeter deutlich höhere Durchschlagwerte als der 3-mm-Prüfkörper, die Einflussgrößen erklärt der Beitrag zur Durchschlagfestigkeit.

Die Tabelle liest sich zeilenweise wie eine Preisliste, spaltenweise wie eine Auswahlregel. Die Temperaturspalte zeigt, dass der Träger die Grenze setzt, nicht das Harz: Phenolharz selbst hält über 200 °C aus, das Phenol-Papier-Laminat endet bei 120 °C, weil die Zellulose vorher versprödet, und das Baumwoll-Hartgewebe schon bei 110 °C. Erst Glasgewebe hebt Epoxid auf 130 bis 155 °C, Silikon auf Glas erreicht 180 °C, und Glimmer mit 10 % Silikonbinder 500 bis 700 °C. Wer eine Isolierstoffklasse F oder H braucht, sucht also nach dem Träger, und die Zuordnung der Klassen zu Temperaturen liefert der Beitrag zu Isolierstoffklassen.

Die CTI-Spalte enthält die zweite Falle. Phenol-Hartpapier und Phenol-Hartgewebe liegen bei CTI 100, also in Materialgruppe IIIb nach IEC 60664-1, der schlechtesten. Melamin-Glasgewebe, Polyester-Glasmatte und BMC erreichen CTI 600 und damit Gruppe I. Bei gleicher Spannung darf ein Teil aus GPO3 mit deutlich kürzerer Kriechstrecke gebaut werden als eines aus Pertinax. In verschmutzter oder feuchter Umgebung kostet das günstige Hartpapier deshalb Bauraum, wie der Beitrag zur Kriechstromfestigkeit vorrechnet. Die UL-94-Spalte schließlich zeigt, dass V-0 kein Merkmal der Werkstoffklasse ist: Standard-Hartpapier und G10 haben keine Einstufung, FR4 und FR5 erhalten sie erst über bromiertes Harz, Melamin und UP-Glasmatte bringen sie aus dem Harz mit. Was hinter den Klassen steckt, steht im Beitrag zu UL 94.

Gießharze und Vergussmassen: Epoxid, Polyurethan und Silikon

Der zweite große Einsatz von Duroplasten ist flüssig: als Tränkharz in der Wicklung, als Gießharz für Durchführungen und Stützer und als Vergussmasse um Elektronik, Sensoren und Spulen. Die drei Harzfamilien unterscheiden sich weniger in der elektrischen Festigkeit als in Temperaturbereich und Härte.

Die Werte stammen aus dem Vergussmassen-Vergleich des Schweizer Verarbeiters Silitech und gelten für typische Zweikomponentensysteme. Für Hochspannung trägt Epoxid die Hauptlast: als Gießharz, weil es nach dem Aushärten hart, rissfrei und formstabil bleibt, und als Tränkharz im VPI-Verfahren, weil es Wicklung, Glimmerband und Nutisolation zu einem Block verbindet, der Wärmeklasse F oder H erreicht. Polyurethan wählt man, wenn das vergossene Bauteil Vibration sieht oder empfindliche Elektronik keine harte Schale verträgt. Silikon bleibt, wenn 150 °C nicht reichen oder das Teil nach dem Verguss zugänglich bleiben muss. Wie Tränken, Trickle und VPI ablaufen, beschreibt der Beitrag zum Isolierharz, die Auslegung der Isolierstrecken der Beitrag zur Hochspannungsisolierung. Für die Wärmeabfuhr aus vergossenen Modulen zählt die gefüllte Variante, mehr dazu unter Wärmeleitfähigkeit.

Glimmerlaminate: Duroplast als Bindemittel

Über 200 °C hinaus endet die Reihe der reinen Harzwerkstoffe, und der Duroplast wechselt die Rolle. In Glimmerplatten und Glimmerbändern hält ein Anteil von rund 10 % Silikon- oder Epoxidharz die Glimmerplättchen zusammen, die restlichen 90 % sind Mineral. Das Ergebnis hält als Muskovit-Platte 500 °C und als Phlogopit-Platte 700 °C dauerhaft aus, bei rund 25 kV/mm. Das Harz liefert hier Form und Verarbeitbarkeit, die Isolierwirkung kommt vom Glimmer. Wo ein Glimmerband in der Hochspannungswicklung liegt und wann eine Platte gewählt wird, erklären die Beiträge zu Mikanit und Glimmerband. Glasfaser- und Glimmerprodukte für hohe Temperaturen gehören bei GOBA zum Materialprogramm für Isolierteile und Formteile.

Wie werden Duroplaste hergestellt?

Die Herstellung von Duroplasten verläuft immer in zwei Stufen: Erst entsteht ein schmelzbares oder flüssiges Vorprodukt, dann wird es im Werkzeug oder im Bauteil endgültig vernetzt. Vier Verfahren decken die Elektrotechnik ab.

1. Pressen von Formmassen. Rieselfähige Phenol- oder Melaminharzmassen mit Füllstoffen von 40 bis 65 % werden bei 140 bis 180 °C in beheizten Werkzeugen verpresst oder spritzgepresst. So entstehen Schalter, Klemmenplatten und Gehäuse.
2. Schichtpressen. Papier, Gewebe oder Glasmatte laufen durch ein Harzbad, werden getrocknet und lagenweise unter Druck und Wärme zu Platten oder gewickelten Rohren verpresst. Das ergibt Hartpapier, Hartgewebe und Glashartgewebe als Halbzeug.
3. SMC und BMC. Ungesättigtes Polyesterharz wird mit Glasfasern und Mineralfüllstoff zu einer Matte (SMC) oder einer knetbaren Masse (BMC) vorgemischt und im heißen Werkzeug in einem Schritt geformt und ausgehärtet.
4. Gießen und Imprägnieren. Zweikomponentige Epoxid-, PUR- oder Silikonharze werden gemischt, in die Form oder unter Vakuum in die Wicklung gebracht und im Ofen vernetzt.

GOBA setzt hinter dem zweiten Verfahren an. Das Halbzeug kommt als Platte oder Rolle ins Haus und verlässt es als Zuschnitt oder Stanzteil. Die systematische Einordnung dieser Verfahren liefert DIN 8580.

Was beim Stanzen und Schneiden von Duroplasten zählt

Ein Datenblatt sagt nichts darüber, ob aus einer Hartpapierplatte ein sauberes Serienteil wird. Bei Duroplasten entscheiden fünf Punkte, die sich alle aus der Vernetzung ergeben.

• Dicke. Hartpapier PF CP 201 gilt laut Hersteller bis 2,5 mm als gut stanzbar. Unsere Stanzautomaten verarbeiten Materialdicken von 0,023 bis 3,0 mm bei Teilegrößen bis 1.000 x 2.000 mm, Hartpapier damit bis in den Millimeterbereich. Was darüber liegt, wird beim Halbzeughersteller gefräst oder mit Wasserstrahl geschnitten. Die machbare Stärke für Ihren Werkstoff bestätigen wir im Angebot.
• Werkzeug. Glasgewebe ist abrasiv und frisst Schneiden. Für Glashartgewebe und Glimmerplatten lohnt deshalb das Vollstahlwerkzeug mit seiner längeren Standzeit, während für Hartpapier in kleinen und mittleren Serien der günstigere Bandstahlschnitt reicht.
• Bruch statt Fließen. Ein Duroplast lässt sich nicht falzen, prägen, biegen oder warm verformen, er bricht an der Biegelinie. Konturen brauchen Radien statt scharfer Innenecken, Bohrungen einen Abstand zur Kante, der die Plattenstärke übersteigt. Alles, was gebogen werden muss, gehört in einen Thermoplast.
• Feuchte. Hartpapier HP 2061 nimmt an der 4-mm-Normprobe 600 mg Wasser auf, Glashartgewebe HGW 2372 nur 28 mg. Hartpapier wird deshalb trocken gelagert, und Maße werden nach der Konditionierung geprüft, sonst stimmt die Bohrung im Sommer nicht mehr.
• Staub. Beim Stanzen und Zerspanen von Phenolharz-Laminaten entsteht Feinstaub, der Phenol und Formaldehyd freisetzen kann. Absaugung an der Maschine ist Pflicht, nicht Kür.

Vor dem Aushärten sind Duroplaste ein anderes Material. Prepregs auf Epoxid-, Phenol- und Polyesterharzbasis, also mit Harz vorimprägnierte Gewebe, schneiden wir in Breiten ab 5 mm bei einer Breitentoleranz von plus minus 0,1 mm, ohne das Material zu erwärmen und mit temperaturkontrollierter Lagerung, damit die Harzverteilung erhalten bleibt. Details stehen unter Composite schneiden. Werkzeuge und Verfahren für Platten und Rollenware beschreibt Stanzen und Formen, und wenn Sie einen Sonderwerkstoff beistellen wollen, sprechen Sie uns über kundenspezifische Produkte an.

Welchen Duroplasten sollten Sie wählen?

Für Stütz- und Trennteile in trockener Umgebung bei Niederspannung empfehlen wir Hartpapier HP 2061 als Ausgangspunkt. Es ist der günstigste duroplastische Isolierstoff, gut stanzbar und mit 120 °C für Wärmeklasse E ausreichend. Von dort aus wechseln wir nur mit konkretem Grund, und die Gründe stehen in der Tabelle oben:

1. Feuchte, Öl oder Mittelspannung im Spiel? Dann Glashartgewebe HGW 2372 oder FR4. Die Wasseraufnahme sinkt um den Faktor 20, die Durchschlagfestigkeit verdoppelt sich mindestens.
2. Verschmutzte Umgebung oder enge Kriechstrecken? Dann Melamin-Glasgewebe oder Polyester-Glasmatte GPO3 mit CTI 600 statt Phenolharz mit CTI 100.
3. Brandschutzanforderung nach UL 94 V-0? Dann FR4, GPO3, BMC oder der Sondertyp HP 2062.9, nicht das Standard-Hartpapier.
4. Wärmeklasse H oder mehr? Dann Silikon-Glasgewebe für 180 °C und Glimmerplatte für alles darüber.

Abraten möchten wir von Baumwoll-Hartgewebe als Elektroisolierstoff. Mit 2 bis 3 kV/mm, CTI 100 und 110 °C liegt es in jeder Spalte hinter Hartpapier; seine Stärke sind Zahnräder, Gleitlager und Führungen, also Maschinenbau. Ebenso raten wir davon ab, FR4 pauschal als Klasse F zu führen: Je nach Hersteller liegt die Grenztemperatur zwischen 120 und 155 °C, und diese Angabe gehört in die Zeichnung, nicht in die Annahme. Wenn Sie unsicher sind, welcher Werkstoff Ihre Temperatur, Spannung und Umgebung trägt, klären wir das mit Ihnen unter Beratung und Service, bevor ein Werkzeug gebaut wird.

Sind Duroplaste als Isolierteil zu spröde?

Der Einwand kommt aus der Montage: Ein Duroplast bricht beim Einpressen, ein Thermoplast gibt nach, also sei die Folie die sichere Wahl. Der Einwand trifft die Materialeigenschaft, aber nicht die Konstruktion. Sprödigkeit ist die Kehrseite der Formstabilität, und genau diese wird gebraucht, wenn ein Teil unter Wärme und Druck seine Maße halten muss: als Stützer, Klemmenplatte, Trennwand, Distanzstück oder Nutverschlusskeil. Eine PET-Folie kriecht an dieser Stelle weg, ein Glashartgewebe mit 340 MPa Biegefestigkeit bleibt, wo es ist.

Bruchgefahr entsteht fast immer durch Geometrie, nicht durch die Werkstoffklasse. Scharfe Innenecken, Bohrungen dicht an der Kante und Presspassungen ohne Spiel sind die drei Ursachen, die wir in Zeichnungen am häufigsten sehen. Mit Radien, ausreichendem Randabstand und einem Träger aus Glasgewebe statt Papier verschwindet das Problem, ohne dass die Steifigkeit verloren geht. Wo ein Teil dagegen gefalzt, gebogen oder in eine Nut geschoben wird, ist der Duroplast die falsche Wahl, und wir empfehlen ein Formteil aus Folie oder Laminat aus unseren Isoliermaterialien. Die eigentliche Frage lautet deshalb: Welche Stelle im Isoliersystem muss steif sein, und welche darf nachgeben?

GOBA Fazit

Duroplaste sind die steifen Bauteile des Isoliersystems: Hartpapier, Glashartgewebe und Formmassen als Stütz- und Trennteil, Epoxid als Gieß- und Tränkharz, Silikon und Epoxid als Binder im Glimmer. Ihre Auswahl entscheidet sich an vier Zahlen, Grenztemperatur, Durchschlagfestigkeit, CTI und UL 94, und die Temperatur kommt vom Träger, nicht vom Harz. Alles, was gebogen werden muss, gehört in den Thermoplast daneben.

Wir stanzen Hartpapier und andere Isolierstoffe nach Zeichnung, schneiden Prepregs auf Breite und führen Glasfaser- und Glimmerprodukte für die hohen Wärmeklassen. Schicken Sie uns die Zeichnung mit Temperatur, Spannung und Umgebung, dann sagen wir Ihnen, welcher Duroplast trägt und ob er sich in Ihrer Dicke stanzen lässt.

FAQ zu Duroplasten

Welche Kunststoffe sind Duroplaste?

Zu den Duroplasten zählen Phenolharz (Bakelit, Hartpapier, Hartgewebe), Epoxidharz (FR4, Gießharz, Vergussmasse), Melaminharz, ungesättigtes Polyesterharz (GFK, SMC, BMC), Silikonharz und vernetzte Polyurethan-Vergussmassen. In der Elektroisolierung dominieren Phenolharz-Hartpapier für günstige Stützteile, Epoxid-Glashartgewebe für Feuchte und Mittelspannung sowie Epoxid als Tränk- und Gießharz.

Was ist der Unterschied zwischen Duroplasten und Thermoplasten?

Thermoplaste sind nicht vernetzt, werden bei Wärme weich und lassen sich mehrfach umformen, schweißen und recyceln. Duroplaste sind kovalent vernetzt, bleiben bis zur Zersetzung hart und lassen sich weder schmelzen noch schweißen. Im Isoliersystem übernimmt der Duroplast die steifen Stützteile und das Tränkharz, der Thermoplast die dünnen, biegbaren Folien.

Ist FR4 ein Duroplast, und was bedeutet die Bezeichnung?

Ja. FR4 ist ein Glashartgewebe aus Epoxidharz auf Glasgewebe mit bromiertem Flammschutz, in DIN 7735 als HGW 2372.1 und in EN 60893 als EP GC 202 geführt. FR steht für flame retardant, das Material erreicht UL 94 V-0. Es hält je nach Hersteller 120 bis 155 °C aus, erreicht CTI 200 und rund 10 kV/mm am 3-mm-Prüfkörper. G10 ist derselbe Aufbau ohne Flammschutz.

Kann man Duroplaste stanzen, biegen oder kleben?

Stanzen ja: Hartpapier PF CP 201 gilt laut Hersteller bis 2,5 mm als gut stanzbar, GOBA stanzt Isolierstoffe von 0,023 bis 3,0 mm Dicke in Teilegrößen bis 1.000 x 2.000 mm. Biegen nein: Duroplaste brechen an der Biegelinie und lassen sich auch unter Wärme nicht umformen. Kleben ja: Da Duroplaste nicht schweißbar sind, werden sie mit Epoxid- oder Cyanacrylatklebstoffen gefügt oder mechanisch verschraubt.

Sind Duroplaste recycelbar?

Werkstofflich nicht. Die kovalente Vernetzung bleibt beim Erwärmen bestehen, ein Regranulat wie bei Thermoplasten gibt es deshalb nicht. Ausgehärtete Duroplaste werden zerkleinert und als Füllstoff in neuen Formmassen oder im Bau eingesetzt, Faserverbunde teilweise thermisch oder chemisch in Faser- und Harzfraktionen getrennt.