Glasfaserverstärkte Kunststoffe

Produkte aus GFK-Verbundwerkstoffen

In einer Welt, in der Leichtbau, hohe Festigkeit und Energieeffizienz zunehmend an Bedeutung gewinnen, sind Hersteller permanent auf der Suche nach innovativen Materialien. Besonders in Industrien wie dem Automobilbau, der Luftfahrt oder dem Bauwesen, aber auch in der Sportartikelherstellung stehen Materialien im Fokus, die gleichzeitig leicht und belastbar sind. Hier kommen sogenannte Verbundwerkstoffe ins Spiel – eine Werkstoffklasse, welche die Stärken verschiedener Materialien kombiniert und dadurch Lösungen für Herausforderungen bietet, bei denen herkömmliche Werkstoffe wie Metalle oder unverstärkte Kunststoffe an ihre Grenzen stoßen.

Ein besonders bedeutender Vertreter dieser Werkstoffklasse sind glasfaserverstärkte Kunststoffe, häufig abgekürzt mit GFK bzw. im englischen Sprachraum mit FRP für „fibre(glass) reinforced plastic“. GFK zählen zu den faserverstärkten Verbundwerkstoffen, die aus einer Kunststoffmatrix als Grundmaterial und eingebetteten Glasfasern als Verstärkungsmaterial bestehen. Diese Kombination führt zu herausragenden mechanischen Eigenschaften wie hoher Zug- und Biegefestigkeit, geringem Gewicht und hoher Korrosionsbeständigkeit, was sie für zahlreiche Anwendungen äußerst interessant macht.

Was sind glasfaserverstärkte Kunststoffe und wie werden sie hergestellt?

Wie die verwandten carbon- bzw. kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe (CFK) gehören glasfaserverstärkte Kunststoffe, oft auch Glasfaserkunststoffe, zur Klasse der Verbundwerkstoffe. Sie bestehen aus zwei Hauptkomponenten: einer Matrix aus duroplastischen Epoxid- oder Polyesterharzen (EP bzw. UP) oder thermoplastischen Kunststoffen wie etwa Polypropylen (PP) oder Polyamid (PA), in welche dünne, fadenartige Glasfasern eingebettet sind. Die so gewonnenen Kunststoffe werden auch als Glasmatrix-Verbundwerkstoffe bezeichnet.

Die Kunststoffmatrix sorgt dabei für die Formgebung und den Schutz der Fasern, die Fasern nehmen eine verstärkende Funktion ein. Die Ausrüstung des Polymer-Grundmaterials mit Glasfasern führt nicht nur zu einer deutlichen Steigerung der mechanischen Belastbarkeit und Festigkeit, sondern verbessert auch die Thermostabilität und Witterungsfestigkeit des Materials. Je nach Menge und Komposition dieser Materialien können zudem gezielt technische Eigenschaften wie Elastizität, Zugfestigkeit und Stoßfestigkeit beeinflusst werden. Aufgrund des Aufbaus sind GFK umgangssprachlich auch als Fiberglas bekannt, ein aus dem englischen Wort für Glasfaser abgeleiteter Anglizismus.

Welche Auswirkungen hat die Orientierung der Glasfasern in GFK-Verbundwerkstoffen?

Die Fasern sind auf dem Markt in Form von Endlosfasern auf Spulen erhältlich. Der Durchmesser solcher Filamente beträgt nur ein Hundertstel Millimeter, allerdings liegen sie in Form von Fasersträngen vor, die aus Tausenden einzelner Fasern zusammengesetzt sind. Solch ein Strang oder Bündel aus parallel angeordneten Einzelfasern wird als „Roving“ bezeichnet.

Bevor die Faserstränge in die Kunststoffmatrix eingebracht werden, müssen die Fasern separiert werden. Sie können dabei in kurze Stücke geschnitten und ungeordnet im Material verteilt werden. Der hierbei entstehende Verbundwerkstoff weist isotrope, also in alle Richtungen nahezu gleiche Eigenschaften auf.

REM-Aufnahme der Bruchkante eines glasfaserverstärkten Kunststoffs

Häufig ist jedoch die gezielte Ausrichtung langer Fasern in einer Vorzugsrichtung innerhalb des Materials technisch vorteilhafter. Die Eigenschaften des entstehenden Verbunds sind dann stark richtungsabhängig, auch anisotrop genannt.

Die verstärkende Wirkung der Faseraufmachung, also die Ausrichtung der Fasern im Verbund, steht in starkem Zusammenhang mit der Zugrichtung der einwirkenden Kräfte. Zeigen alle Fasern in eine Richtung, spricht man von unidirektionaler Faserorientierung. Dies ist etwa bei GFK-Gewindestangen und -Profilen der Fall, in denen die Glasfasern längs deren Achse ausgerichtet sind, was zu einer sehr hohen Zugfestigkeit in dieser Richtung führt.

Auch bei sogenannten Gelegen liegt eine unidirektionale Verstärkung vor. Die Fasern dieser textilen Halbzeuge sind parallel angeordnet und miteinander nur leicht verbunden. Eine andere Art textiler Halbzeuge sind Gewebe, Geflechte und Gewirke, deren Fäden überkreuz verschiedenartig verknüpft vorliegen können. Sie eignen sich insbesondere für die Herstellung großflächiger Bauteile.

Die Verbundmaterialien können auch in Schichten mit abwechselnd unterschiedlicher Faserorientierung aufgebaut sein. Beispielweise verlaufen in Verbunden mit einer 0°/90°-Ausrichtung die Fasern in den Schichten abwechselnd im rechten Winkel zueinander. Ebenfalls verbreitet sind Verbunde mit einer 0°/45°/90°-Ausrichtung.

Thermoplastische Matrixmaterialien müssen üblicherweise aufgeschmolzen werden, um die gläsernen Verstärkungskomponenten gleichmäßig umhüllen zu können. Bei Duroplasten liegt das Grundmaterial auch in Form von Mono- oder Oligomeren vor, welche erst im Verlauf des Fügeprozesses polymerisieren und sich verfestigen, etwa zu Epoxidharzen.

Kraftübertragung bei faserverstärkten Kunststoffen

Bei Belastung reagiert das Matrixmaterial elastisch bzw. plastisch. Es erfolgt ein Lasttransfer von der Matrix auf die eingebetteten Fasern, welche eine höhere mechanische Festigkeit besitzen. Die Wahrscheinlichkeit für ein Versagen des Werkstoffs wird auf diese Weise verringert.

Die Voraussetzung für eine derartige Kraftübertragung ist ein fester Verbund der Fasern mit der Matrix. Dies ist nicht ganz trivial, haben die anorganische Glasfasern doch eher lipophobe Eigenschaften, während die kohlenwasserstoffbasierten Kunststoffmatrizen als lipophil anzusehen sind.

Abhilfe schaffen hier Haftvermittler wie etwa Organosilane, mit denen die Fasern beschichtet werden. Siliziumorganische Verbindungen weisen eine Kohlenstoff-Bindung auf, entweder direkt am Silizium-Atom oder über Sauerstoff-, Stickstoff- oder Schwefel-Atome verknüpft. Solche auch als Adhäsionsvermittler bekannten Stoffe besitzen zwei funktionelle Gruppen, die sowohl Matrix als auch Faser chemisch oder physikalisch binden und dadurch eine Art „Brücke“ zwischen den Komponenten unterschiedlicher Polarität bauen können.

Eigenschaften & Anwendungen von GFK-Werkstoffen

Im Vergleich zu unverstärkten Kunststoffen zeichnen sich glasfaserverstärkte Kunststoffe durch deutlich bessere mechanische Eigenschaften aus. Unverstärkte Kunststoffe, wie beispielsweise reines Polypropylen oder Polyester, bieten zwar Vorteile hinsichtlich Flexibilität und Verarbeitbarkeit, stoßen jedoch bei höheren mechanischen Anforderungen schnell an ihre Grenzen. Ihre Festigkeit und Steifigkeit sind im Vergleich zu GFK deutlich geringer, zudem sind sie weniger widerstandsfähig gegenüber widrigen äußeren Bedingungen wie hoher Belastung, Abrieb, Korrosion oder extremen Temperaturen.

Die Kombination aus leichter Kunststoffmatrix und robusten Glasfasern vereint das geringe Gewicht und die chemische Beständigkeit der Kunststoffe mit der hohen Festigkeit der Glasfasern. Insbesondere wegen des gegenüber Stahl und anderen metallischen Industriewerkstoffen deutlich geringeren Eigengewichtes sind GF-Kunststoffe besonders für den Flugzeug-, Kraftfahrzeug- und Schiffsbau, aber auch für den Bau von Windkraftanlagen, Sportgeräten und Behältern wertvolle Materialoptionen.

In Labor und Technik werden glasfaserverstärkte Bauteile als Rohre, Stäbe und Profile ebenso verwendet wie als Befestigungselemente wie beispielsweise Muttern, Unterlegscheiben, Distanzhülsen oder Gewindestangen. Und als elektrisch nichtleitende Komponenten findet man sie auch in vielen Bereichen der Elektronikindustrie, etwa als GF-verstärkte Isolierstützer.

Rohre, Stäbe und Profile aus GFK

Rohre, Profile und Stäbe aus GF-Kunststoffen sind wesentliche Bauelemente in zahlreichen Industriebranchen und Bauprojekten. Diese Bauteile bieten eine Kombination aus hoher mechanischer Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und geringem Gewicht, was sie zu einer bevorzugten Wahl gegenüber traditionellen Materialien wie Stahl oder Aluminium macht.

• Runde GFK-Rohre oder rechteckige GFK-Rohre werden häufig in Umgebungen eingesetzt, in denen Korrosionsbeständigkeit eine Schlüsselanforderung darstellt, etwa in der chemischen Industrie, im Wasser- und Abwasserbereich sowie im Schiffbau. Dank ihrer Resistenz gegenüber einer Vielzahl von Chemikalien, Salzwasser und Feuchtigkeit bieten sie im Vergleich zu metallischen Rohren erhebliche Vorteile. Auch sind sie wesentlich leichter als Stahlrohre, was den Transport und die Installation vereinfacht.
• GFK-Stäbe finden sich häufig im Maschinenbau als Verstärkungs- und Trägerelemente oder in Anwendungen, bei denen eine hohe Zugfestigkeit bei geringer Dichte erforderlich ist. Da sie nicht rosten und eine bessere Langzeitstabilität in korrosiven Umgebungen bieten, werden solche Rundstäbe zunehmend als Alternative zu Betonstahl in der Bauindustrie genutzt, beispielsweise in Brückenkonstruktionen, Küstenbauten und Tunnelprojekten.
• Haupteinsatzgebiete für GFK-Profile sind die verarbeitende Industrie und das Handwerk. Aufgrund ihrer Formstabilität, Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und Chemikalien sowie ihrer hohen Festigkeit werden sie als tragende Strukturen in Bereichen verwendet, in denen herkömmliche Materialien versagen. Zu den gängigsten Formen gehören Normprofile wie U-, L- und Rechteckprofile. Sie werden beispielsweise als mechanische Führungs- und Leitelemente, als Kantenschutz oder als verschleißarme Führungen für Rolltore eingesetzt.
   

Befestigungselemente aus GFK-Polyamiden

Weiterhin werden aus GFK Befestigungselemente gefertigt, vorrangig aus glasfaserverstärktem Polyamid (GF-PA), aber auch aus Epoxidharzen.

• Muttern aus GF-PA, etwa Hutmuttern, Griffmuttern oder Rändelmuttern sind formstabil und besitzen eine hervorragende Schlagzähigkeit. Sie sind robust gegenüber mechanischer Beanspruchung und daher gut geeignet für kraftübertragende Anwendungen mit hohen Belastungen. Vierkantmuttern aus Epoxidharz weisen eine noch höhere UV-Beständigkeit auf, sind sowohl thermisch als auch elektrisch isolierend und werden in der Labortechnik, Galvanotechnik und Elektrotechnik eingesetzt.
• Gewindestangen sind wichtige Konstruktionsbauteile. Neben PA, Messing oder Stahl werden sie auch aus glasfaserverstärktem Epoxidharz als GFK-Gewindestangen angeboten.
• Distanzhülsen aus GFK haben die Funktion, Bauteile in einer bestimmten räumlichen Anordnung zu halten und zu stützen. Sie zeichnen sich durch hohe Steifigkeit und exzellente Isolierungseigenschaften aus. GFK-Distanzbolzen mit Innen- oder Außengewinde erfüllen ähnliche Aufgaben wie Distanzhülsen, jedoch mit integrierten Gewindeanschlüssen.
   

Gewindeadapter und Schlauchtüllen aus GF-Polypropylen

Werkstoff der Wahl für Gewindeadapter und Schlauchtüllen aus GFK ist glasfaserverstärktes Polypropylen (GF-PP). Der Thermoplast ist bereits an sich bekannt für seine Zähigkeit und Flexibilität, durch die Verstärkung mit Glasfasern wird diese Zähigkeit noch gesteigert. GF-PP ist daher besonders widerstandsfähig gegen Bruch und mechanische Beanspruchung. Die Beständigkeit gegenüber vielen Säuren, Laugen und organischen Lösungsmitteln bleibt auch bei der glasfaserverstärkten Variante erhalten.

Gewindeadapter wie etwa Verschluss-Schrauben, Doppelnippel, oder Gewindemuffen aus GF-PP dienen dazu, Gewindeverbindungen herzustellen oder verschiedene Anschlüsse miteinander zu verbinden. Sie sind besonders dort nützlich, wo metallische Adapter aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit oder Korrosionsanfälligkeit ungeeignet sind.

Schlauchtüllen sind Verbindungselemente, die in fluidtechnischen Systemen Schläuche an verschiedene Bauteile oder Systeme anschließen. Aus hellgrauem GF-PP gefertigt, finden sie sich in unserem Sortiment mit zylindrischem G-Außengewinde. Sie behalten auch bei wechselnden Temperaturen ihre Festigkeit und Dichtigkeit, was sie ideal für den Einsatz in Außenanlagen oder in thermisch beanspruchten Umgebungen macht.

Elektrische Isolatoren auf Basis von glasfaserverstärkten Polyestern

Isolatoren wie Isolierstützer, Mittelspannungsisolatoren, Isolierdistanzstücke und Isolierdistanzbolzen bestehen aus Materialien, die den elektrischen Strom nicht oder nur sehr schlecht leiten. Als Konstruktionsbauteile finden sie in der Chemietechnik für Leistungsschalter, Schaltkammern oder Schalttrennschalter Verwendung.

Rote Isolierstützer aus mit 15 % Glasfasern verstärktem Polyester werden tonnenförmig, in konischer oder als Sechskant-Ausführung angeboten. Sie besitzen beidseitig Innengewinde aus Stahl, die gegeneinander isoliert sind, ihre Härte, Schlagzähigkeit und Spannungsreißfestigkeit ist beachtlich. Sie besitzen eine elektrische Durchschlagfestigkeit von 10 kV/mm, entsprechen den Anforderungen der Brandklasse UL 94 HB und erlauben einen Einsatz im Temperaturbereich von -40 bis +80 °C.

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