Glasfaserverstärkte Kunststoffe

Glasfaserverstärkte Kunststoffe (Kurzzeichen GFK) bilden die größte Gruppe der Faserverbundwerkstoffe. Sie werden auch Fiberglas genannt. Obwohl Glasfasern die wahrscheinlich ältesten bekannten Kunstfasern sind, wurden die technischen Anwendungsgebiete für die Faser erst seit Mitte des 20 Jahrhunderts mit dem Einsatz als Verstärkungsfaser erschlossen. Kurz- oder Langglasfasern werden am häufigsten aus E-Glas gezogen. Die Faserdurchmesser betragen 3 - 20 Mikrometer.

Die Oberflächeneigenschaften von Glasfasern sind sehr wichtig, da selbst kleinste Oberflächendefekte das Verhalten bei Zugbelastung negativ beeinflussen können. Frisch gezogene Glasfasern werden deshalb während des Ziehprozesses mit einer Schlichte, die die Fasern gegen Beschädigung und Umwelteinflüsse schützt, überzogen. Die Schlichte wird in den meisten Fällen vor der Herstellung von Verbundwerkstoffen entfernt und durch eine bindende Substanz ersetzt, die für eine chemische Bindung zwischen Faser und Matrix sorgt.

Glasfasern haben wie Glas eine amorphe Struktur und somit isotrope Eigenschaften. Die Dehnung von Glasfasern ist vollelastisch und das Spannungsdehnungsverhalten bis zum Sprödbruch linear. Des Weiteren weisen Glasfasern eine gleichermaßen hohe Längs-Zug- und Längs-Druckfestigkeit auf. Aufgrund der niedrigen Fasersteifigkeit lassen sich Glasfasern auch um enge Radien gut drapieren.

Als Matrixstoff werden meist Duroplaste (z. B. Polyesterharz oder Epoxidharz) verwendet. Von den Thermoplasten wird derzeit Polyamid am häufigsten genutzt.

Die Dichte glasfaserverstärkter Kunststoffe beträgt ca. 2,0 g/cm³. Ihre mechanischen Eigenschaften sind von der Faseranordnung abhängig. Durch eine Faseranordnung kann die Festigkeit stark beeinflusst werden, bis sie in einem Bereich von 70 bis 1000 MPa liegt. Verglichen mit anderen Faserverbundwerkstoffen haben glasfaserverstärkte Kunststoffe einen relativ niedrigen Elastizitätsmodul. Bei einem Faseranteil von beispielsweise 60% beträgt der E-Modul in Faserrichtung ca. 44.000 MPa und quer zu den Fasern nur 13.000 MPa. Selbst in Faserrichtung liegt er unter dem von Aluminium. Für Anwendungen mit hohen Steifigkeitsanforderungen sind diese Werkstoffe daher nicht geeignet.

Die meisten Glasfaserverstärkte Kunststoffe sind in ihrem Einsatz auf Temperaturen bis 200°C begrenzt. Bei höheren Temperaturen beginnen Polymere zu schmelzen oder sich zu zersetzen. Nur bei Verwendung von hochreinen Quarzglasfasern und Hochtemperaturpolymeren wie Polyimidharzen kann die Anwendungstemperatur bis auf etwa 300°C erhöht werden.

Ein Vorteil der Glasfaser im Verbund mit einer passenden Kunststoffmatrix liegt in der elastischen Verformung und Energieaufnahme. Deshalb werden aus glasfaserverstärkten Kunststoffen Blattfedern, Rotorblätter von Windkraftanlagen (Abb. 1a) und ähnliche Bauteile gefertigt.

         Abb. 1 Anwendungsbeispiele für glasfaserverstärkte Kunststoffe a) Rotorblätter einer Windkraftanlage, b) verschiedene Halbzeuge

Glasfaserverstärkte Kunststoffe sind chemisch beständig. Dies macht sie zu einem geeigneten Werkstoff für Behälter im Anlagenbau oder für Rümpfe von Booten und Yachten. Ihre guten Isoliereigenschaften werden in der Elektrotechnik genutzt. Besonders Isolatoren, die hohe mechanische Lasten übertragen müssen, werden aus glasfaserverstärkten Kunststoffen gefertigt. Zu den weiteren Anwendungsbereichen glasfaserverstärkter Kunststoffe gehören auch Rümpfe und Tragflächen von Segelflugzeugen. Oft werden Wellplatten (Abb. 1b) hergestellt, die z. B. für Wände und Bedachungen verwendet werden.

Auch wenn Glasfasern an Bedeutung für ausgereifte Strukturbauteile besonders gegenüber den Kohlefasern verloren haben, so bleiben sie aufgrund ihres Preisvorteils und ihres Eigenschaftsprofils weiterhin eine wichtige Verstärkungsfasern und die Glasfaserverstärkte Kunststoffe wertvolle Werkstoffe.