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Glasfaserverstärkter Kunststoff




Glasfaserverstärkter Kunststoff, kurz GFK (englisch GFRP – glass-fibre reinforced plastic), ist ein Faser-Kunststoff-Verbund aus einem Kunststoff und Glasfasern. Als Basis kommen sowohl duroplastische Kunststoffe (z. B. Polyesterharz [UP] oder Epoxidharz) als auch thermoplastische Kunststoffe (z. B. Polyamid) in Frage.

Endlos-Glasfasern wurden erstmals 1935 industriell in den USA als Verstärkungsfasern hergestellt. Die Massenproduktion wurde in den 1930er Jahren von Games Slayter (Owens Corning) und anderen entwickelt – damals diente das Material vor allem der Dämmung von Häusern. Das erste Flugzeug aus GFK war die Fs 24 Phönix der Akaflieg Stuttgart aus dem Jahr 1957.[1]

GFK ist umgangssprachlich auch als Fiberglas bekannt. Das Wort Fiberglas ist ein Anglizismus, der sich aus fiberglass (AE) bzw. fibreglass (BE), dem englischen Wort für Glasfaser, gebildet hat. In der Nicht-Fachwelt wird oft nur von den Fasern gesprochen, wenn von GFK oder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) die Rede ist. Immer sind aber die faserverstärkten Kunststoffe gemeint, denn ohne die gestalt- und oberflächengebende Kunststoffmatrix wären die Bauteile gar nicht herstellbar.[2]

Inhaltsverzeichnis

Eigenschaften und Anwendungsgebiete


Eigenschaften

Fasertyp: E-Glasfaser
Matrixtyp: Epoxidharz
Faservolumenanteil 60 %
alle Angaben sind charakteristische
Durchschnittswerte

Grundelastizitätsgrößen
\({\displaystyle E_{\|}}\) 44 500 N/mm²
\({\displaystyle E_{\perp }}\) 13 000 N/mm²
\({\displaystyle G_{\perp \|}}\) 5 600 N/mm²
\({\displaystyle G_{\perp \perp }}\) 5 100 N/mm²
\({\displaystyle \nu _{\|\perp }}\) 0,25
Dichte
\({\displaystyle \rho }\) 2,0 g/cm³
Grundfestigkeit
\({\displaystyle R_{\|}^{+}}\) 1 000 N/mm²
\({\displaystyle R_{\|}^{-}}\) 900 N/mm²
\({\displaystyle R_{\perp }^{+}}\) 50 N/mm²
\({\displaystyle R_{\perp }^{-}}\) 120 N/mm²
\({\displaystyle R_{\perp \|}}\) 70 N/mm²
Wärmeausdehnungskoeffizienten
\({\displaystyle \alpha _{\|}}\) 7·10−6 1/K
\({\displaystyle \alpha _{\perp }}\) 27·10−6 1/K

Glasfaserverstärkte Kunststoffe sind ein kostengünstiger und dennoch sehr hochwertiger Faser-Kunststoff-Verbund. In mechanisch hoch beanspruchten Anwendungen findet sich glasfaserverstärkter Kunststoff ausschließlich als Endlosfaser in Geweben oder in UD-Bändern.

Verglichen mit Faser-Kunststoff-Verbunden aus anderen Verstärkungsfasern hat der glasfaserverstärkte Kunststoff im Verbund mit einer passenden Kunststoffmatrix hohe Bruchdehnung, hohe elastische Energieaufnahme, aber einen relativ niedrigen Elastizitätsmodul. Selbst in Faserrichtung liegt er unter dem von Aluminium. Für Bauteile mit hohen Steifigkeitsanforderungen ist er daher nicht geeignet, dafür aber gut für Blattfedern und ähnliche Bauteile.

Glasfaserverstärkter Kunststoff hat auch in aggressiver Umgebung ein ausgezeichnetes Korrosionsverhalten. Dies macht ihn zu einem geeigneten Werkstoff für Behälter im Anlagenbau oder auch für Bootsrümpfe. Da diese Rümpfe auch unmagnetisch sind, wurde das Material schon ab 1966 zum Bau von Minensuchbooten verwendet.[3]

Die über der von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff liegende Dichte wird bei diesen Anwendungen in Kauf genommen.

Mit einer geeigneten Matrix hat glasfaserverstärkter Kunststoff eine gute elektrische Isolationswirkung, was ihn zu einem gut brauchbaren Werkstoff der Elektrotechnik macht. Besonders Isolatoren, die hohe mechanische Lasten übertragen müssen, werden aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt. Schaltschränke für den Außenbereich werden wegen der Beständigkeit und Stabilität des Materials häufig aus GFK gefertigt.

Marktlage

2015 wurden in Europa ca. 1.069.000 Tonnen GFK hergestellt. Wichtigster Abnehmer war mit 35 % der Gesamtmenge die Transportindustrie, gefolgt von der Konstruktionsindustrie (unter anderem für Rotorblätter von Windkraftanlagen) sowie die Elektronik- und Sportgeräteindustrie mit 30 %.[4]

Im Jahr 2014 wurden in Europa die folgenden Mengen an glasfaserverstärktem Kunststoff verarbeitet:

Insgesamt wurden 1.043 kt glasfaserverstärkter Kunststoff in Europa im Jahr 2014 verarbeitet.[5]

Sorten


Einige typische Sorten glasfaserverstärkter Kunststoffe sind:

EN 60893-3 NEMA LI 1-1998 MIL
Epoxidharz-Laminat EP GC 202 FR-4 MIL-I-24768/27 (GEE-F)
Epoxidharz-Laminat EP GC 204 FR-5 MIL-I-24768/28 (GEB-F)
Epoxidharz-Laminat EP GC 201 G-10 MIL-I-24768/2 (GEE)
Epoxidharz-Laminat EP GC 203 G-11 MIL-I-24768/3 (GEB)
Melaminharz-Laminat MF GC 201 G-5 MIL-I-24768/8 (GMG)
Melaminharz-Laminat MF GC 201 G-9 MIL-I-24768/1 (GME)
Phenol-Formaldehydharz-Laminat PF GC 301 G-3 MIL-I-24768/18 (GPG)
Polyesterharz-Laminat UP GM 201 GPO-1 MIL-I-24768/4 (GPO-N-1)
Polyesterharz-Laminat UP GM 202 GPO-2 MIL-I-24768/5 (GPO-N-2)
Polyesterharz-Laminat UP GM 203 GPO-3 MIL-I-24768/6 (GPO-N-3)
Polyesterharz-Laminat GPO-1P MIL-I-24768/31 (GPO-N-1P)
Polyesterharz-Laminat GPO-2P MIL-I-24768/32 (GPO-N-2P)
Polyesterharz-Laminat GPO-3P MIL-I-24768/33 (GPO-N-3P)
PTFE-Laminat MIL-I-24768/7 (GTE)
Silikonharz-Laminat SI GC 201 G-7 MIL-I-24768/17 (GSG)

Typische Bauteile


Kurz- und langfaserverstärkte Bauteile

Kurzfaserverstärkte Bauteile finden vor allem Verwendung als Verkleidungen oder werden wegen der guten Formbarkeit und großen Gestaltungsfreiheit hergestellt. Kurzfaserverstärkte Bauteile weisen meist ein quasiisotropes Verhalten auf, da die Kurzfasern zufällig verteilt vorliegen. Eine schwach ausgeprägte Orthotropie kann beim Spritzguss von kurzfaserverstärkten Thermoplasten entstehen. Die Fasern orientieren sich dabei entlang der Fließlinien. Die Beimischung von Kurzglasfasern zu Thermoplasten verbessert deren Steifigkeit, Festigkeit und insbesondere deren Verhalten bei hohen Temperaturen. Das Kriechen kurzfaserverstärkter Thermoplaste ist geringer als das des Grundmaterials.

Endlosfaserverstärkte Bauteile

Endlosfaserverstärkte Bauteile werden mit definierten Materialeigenschaften hergestellt. Immer häufiger finden sie Verwendung im Leichtbau.

Dabei werden als Matrix meist Duroplaste verwendet. Zum Beispiel wurde unter dem Begriff Fiberglas ein Verbundwerkstoff aus gewobenen Glasfasermatten und Polyesterharz bekannt.

Anwendungen (Auswahl)


Probleme bei der Herstellung und Verarbeitung


Bei der Verwendung von Polyesterharzen werden Styroldämpfe freigesetzt. Diese reizen die Schleimhäute und Atemwege. Deshalb schreibt die GefStoffV einen maximalen Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) von 86 mg/m³ vor. In bestimmten Konzentrationen kann sogar ein explosionsfähiges Gemisch entstehen. Bei der Weiterbearbeitung von GFK-Bauteilen (Schleifen, Schneiden, Sägen) entstehen Feinstäube und Späne mit glasigen Filamenten sowie klebrige Stäube in erheblichen Mengen. Diese beeinträchtigen die Gesundheit von Menschen und die Funktionalität der Maschinen und Anlagen. Damit Arbeitsschutzvorschriften eingehalten und die Wirtschaftlichkeit nachhaltig gewährleistet werden kann, ist die Installation von effektiven Absaug- und Filteranlagen nötig.[6]

Entsorgung/Verwertung


GFK kann in der Zementproduktion als Ersatzbrennstoff beigemischt werden, wobei der Kunststoffanteil Energie liefert und der Glasanteil Teil des Zementrohstoffs wird.[7] Die Firma Neocomp GmbH hat dieses Verfahren entwickelt und wendet es derzeit an (Stand: September 2019).[8]

Siehe auch


Weblinks


Commons: Glasfaserverstärkter Kunststoff  – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Literatur


Einzelnachweise


  1. H. Schürmann: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden. Springer, 2005. ISBN 978-3-540-40283-1.
  2. AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V. (Hrsg.): Handbuch Faserverbund-Kunststoffe. Vieweg + Teubner, 2010. ISBN 978-3-8348-0881-3.
  3. Ю.В.Апальков: Корабли ВМФ СССР. Том IV – Десантные и минно-тральные корабли. Sankt Petersburg 2007, ISBN 978-5-8172-0135-2, S. 111 und folgende
  4. Möglichkeiten zur Wiederverwertung von Rotorblättern von Onshore-Windenergieanlagen (PDF) (Seite nicht mehr abrufbar, Suche in Webarchiven  Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. Hintergrundpapier des Bundesverbandes Windenergie; abgerufen am 4. Februar 2018.
  5. Elmar Witten, Thomas Kraus, Michael Kühnel: Composites-Marktbericht 2015. (PDF; 1,3 MB) In: avk-tv.de. AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe, 21. September 2015, abgerufen am 11. April 2016.
  6. Volker Türschmann, Christian Jakschik, Hans-Jürgen Rothe: Problemlösungen in der GFK-Fertigung – Thema: Reine Luft bei der Fertigung glasfaserverstärkter Kunststoffteile (GFK). (PDF) (Nicht mehr online verfügbar.) In: ult.de. ULT AG, März 2011, archiviert vom Original am 13. August 2012; abgerufen am 11. April 2016.
  7. Antwort auf die mündliche Anfrage: Wie entsorgt man ein Windrad? Niedersächsisches Institut für Umwelt, Energie, Bauen und Klimaschutz, 15. Juni 2017, abgerufen am 23. September 2019.
  8. Simon Schomäcker: Recycling von Glasfaser-Kunststoff: Aus Windkrafträdern wird Straßenbelag. Deutschlandfunk, 10. Februar 2017; abgerufen am 23. September 2019








Kategorien: Faserverstärkter Kunststoff | Textiler Verbundwerkstoff








Stand der Informationen: 22.11.2020 12:53:30 CET

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