Prepreg

Prepreg ist die englische Kurzform für preimpregnated fibres (amerikanisch: preimpregnated fibers), zu deutsch: "vorimprägnierte Fasern". Prepreg bezeichnet ein Halbzeug, bestehend aus Endlosfasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix, das v. a. im Leichtbau Verwendung findet. Die Endlosfasern können als reine unidirektionale Schicht, als Gewebe oder Gelege vorliegen. Prepreg wird bahnförmig, auf Rollen gewickelt, geliefert.

Prepregs sind maschinell verarbeitbar und werden daher hauptsächlich in automatisierten Prozessen eingesetzt. Sie ergeben eine gleichmäßige und hohe Qualität. Vorteile sind ihre niedrige Ondulation und der hohe Faservolumenanteil. Durch die Aushärtung unter hohen Temperaturen sind kurze Taktzeiten möglich. Die Verarbeitung erfordert einen hohen Investitonsaufwand z. B. für Autoklaven, Legeroboter, gekühlte Lagerhaltung.

Prepregs dürfen nicht mit duroplastischen Faser-Matrix-Halbzeugen wie BMC (Bulk Molding Compound) oder SMC (Sheet Molding Compound) verwechselt werden, welche nicht Endlosfasergewebe sondern kürzere Faserschnipsel, in der Regel < 50mm, als Faseranteil enthalten. In der wörtlichen Übersetzung des Worts Prepreg umfasst es sämtliche duroplastischen Faser-Matrix-Halbzeuge. Im deutschsprachigen Raum wird Prepreg überwiegend für ein endlosfaserverstärktes duroplastisches Halbzeug verwendet.

Anwendungsgebiete

• In der Luftfahrtindustrie wird Prepreg in großen Mengen verarbeitet. Während glasfaserverstärkter Kunststoff hauptsächlich für Kleinflugzeuge oder Rotorblätter von Hubschraubern verwendet wird, kommen die kostenintensiveren Kohlenstofffasern vermehrt bei Verkehrsflugzeugen und in der Militärtechnik der neuen Generation zur Anwendung. So zeichnet sich beispielsweise der Airbus A380 durch einen hohen Massenanteil an Kohlenstofffaser-Prepreg aus.
• In der Automobilindustrie wird anteilig wenig Prepreg verarbeitet. Durch den hohen Preis von Prepreg finden dort Formmassen wie BMC oder SMC Anwendung. Eine Ausnahme bildet der Motorsport.
• Raumfahrt
• Sportgeräte
• Segelyachten
• In der Elektrotechnik als "Zwischenlage" in Multilayer-Leiterplatten
• Bei Windenergieanlagen zum Rotorblattbau

Fasertypen

Als Fasertypen kommen alle gängigen Verstärkungsfasern in Frage. In der Praxis werden aber hauptsächlich

• Glasfasern
• Kohlenstofffasern
• Aramidfasern

zu Prepreg verarbeitet.

Matrix

Man unterscheidet die Matrixsysteme nach ihrer Aushärtetemperatur und dem Harztyp. Die Aushärtetemperatur beeinflusst im hohen Maß die Glasübergangstemperatur und damit die Einsatztemperatur. Bei Militärflugzeugen werden hauptsächlich 180°C-Systeme verwendet.

Zusammensetzung

Die Prepreg-Matrix besteht aus einer Mischung von Harz und Härter, in manchen Fällen noch ein Beschleuniger. Durch Tiefkühlen bei −20°C wird verhindert, dass das Harz mit dem Härter reagiert. Wird die Kühlkette unterbrochen, startet die Reaktion und das Prepreg wird unbrauchbar. Es gibt jedoch auch Hochtemperatur-Prepregs, welche eine gewisse Zeit bei Raumtemperatur gelagert werden können. Diese Prepregs können dann allerdings nur in einem Autoklaven unter erhöhter Temperatur ausgehärtet werden.

Durch spezielle Reifeverfahren und Zuschlagstoffe wird die gewünschte Klebrigkeit (tack) eingestellt. Dadurch ist es möglich, Prepreg auch auf konvexe Formen zu schichten.

Harztypen

Es werden überwiegend Harze auf Epoxidharzbasis verwendet. Prepregs auf Vinylesterbasis sind ebenfalls erhältlich. Da Vinylesterharze mit Aminbeschleuniger oder Kobalt vorbeschleunigt werden müssen, ist ihre Vearbeitungszeit bei Raumtemperatur kürzer als bei Prepregs auf Epoxidharzbasis. Als Katalysator (auch Härter genannt) kommen Peroxide wie Methylethylketonperoxid (MEKP), Acethylacetonperoxid (AAP) oder Cyclohexanonperoxid (CHP) zum Einsatz. Vinylesterharz wird bei hoher Schlagbeanspruchung eingesetzt.

Verarbeitung

Prepregs werden unter erhöhter Temperatur ausgehärtet. Sie können mit der Heißpresstechnik oder der Autoklavtechnik verarbeitet werden. Bei beiden Techniken erhöht sich durch den Druck der Faservolumenanteil.

Mit der Autoklavtechnik sind die besten Qualitäten herstellbar. Durch Kombination von Druck und Unterdruck entstehen Bauteile mit sehr geringen Lufteinschlüssen.

Der Aushärtung kann ein Temperprozess folgen, der der vollständigen Vernetzung dient.